黃 樺

（嶺南師范學(xué)院 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣東湛江 524048）

一 STEM教育深度融入科學(xué)課程教學(xué)的必要性

我國(guó)新頒布的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》新增技術(shù)與工程內(nèi)容，首次明確了STEM教育在科學(xué)課程中的重要地位，標(biāo)志著我國(guó)將全面展開(kāi)基于STEM教育的小學(xué)科學(xué)課程教學(xué)改革。但是，國(guó)內(nèi)的STEM教育研究起步較晚，存在以下不足：①大多從信息技術(shù)（如3D打印、開(kāi)源軟硬件、機(jī)器人等）的角度展開(kāi)，對(duì)STEM教育融入學(xué)科教學(xué)缺乏系統(tǒng)考察，整合于科學(xué)課程的實(shí)踐案例并不多；②研究成果比較零散，且多為思辯性的闡述和討論，表現(xiàn)出一定的隨意性，導(dǎo)致相關(guān)的理論、模式在實(shí)踐中難以落實(shí)；③缺乏融入STEM思想的國(guó)家課程標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)，未能界定工程設(shè)計(jì)的大概念、核心概念和跨學(xué)科概念；④缺乏具體、統(tǒng)一的 STEM教育框架體系、學(xué)習(xí)進(jìn)階、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和有效的教學(xué)指導(dǎo)；⑤由于教師專業(yè)發(fā)展的滯后，STEM教育并未在中小學(xué)基礎(chǔ)教育課程中得到廣泛推行。

STEM 教育的獨(dú)特價(jià)值在于，通過(guò)為學(xué)生提供接近真實(shí)、富有現(xiàn)實(shí)意義的教學(xué)情境，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用STEM知識(shí)解決真實(shí)世界的問(wèn)題，幫助學(xué)生發(fā)展高階思維，提升學(xué)生跨學(xué)科知識(shí)整合的能力，從而獲得STEM領(lǐng)域的就業(yè)能力和21世紀(jì)公民所應(yīng)具備的核心素養(yǎng)。因此，STEM教育常被視為當(dāng)前教育培養(yǎng)學(xué)生的就業(yè)技能和核心素養(yǎng)的重要路徑。打造跨學(xué)科知識(shí)整合的STEM課程，已成為當(dāng)前科學(xué)課程發(fā)展的重要趨勢(shì)。因此，基于我國(guó)現(xiàn)有的課程體系，探索STEM教育深度融入科學(xué)課程教學(xué)的實(shí)踐路徑，對(duì)于提升科學(xué)課程的教學(xué)效果、培養(yǎng)學(xué)生的就業(yè)技能和核心素養(yǎng)意義重大。

二 STEM教育深度融入科學(xué)課程教學(xué)的實(shí)踐路徑

我國(guó)基礎(chǔ)教育的科學(xué)課程與數(shù)學(xué)學(xué)科的整合基礎(chǔ)良好，但與科技、工程學(xué)科的整合存在明顯不足[1]。從科技教育的本質(zhì)來(lái)看，科技是工程設(shè)計(jì)的產(chǎn)出。因此，STEM教育導(dǎo)向下的科學(xué)課程教學(xué)應(yīng)以工程設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，通過(guò)工程設(shè)計(jì)導(dǎo)向的科學(xué)課程教學(xué)，幫助學(xué)生針對(duì)個(gè)人和社會(huì)科技的發(fā)展需求，應(yīng)用相關(guān)的科學(xué)概念和數(shù)學(xué)知識(shí)，進(jìn)行科學(xué)探究和數(shù)學(xué)分析，以發(fā)展獨(dú)立思考和問(wèn)題解決的能力。以工程設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的“工程引路計(jì)劃（Project Lead the Way）”是在美國(guó)處于全國(guó)性領(lǐng)導(dǎo)地位的STEM教育課程，其組織形式是通過(guò)專題導(dǎo)向活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生整合各科知識(shí)，解決基于真實(shí)情景的問(wèn)題。Kelley[2]認(rèn)為，STEM課程應(yīng)以“情景學(xué)習(xí)”為驅(qū)動(dòng)的齒輪，通過(guò)“工程設(shè)計(jì)”提供系統(tǒng)化的問(wèn)題解決模式，運(yùn)用“科學(xué)探究”來(lái)解決真實(shí)世界的問(wèn)題，三者的關(guān)系如圖1所示。因此，創(chuàng)設(shè)工程設(shè)計(jì)情景，驅(qū)動(dòng)工程設(shè)計(jì)和科學(xué)探究學(xué)習(xí)，是STEM課程的核心思想。考慮到評(píng)量在課程體系中的不可或缺，故本研究將教學(xué)評(píng)量補(bǔ)充進(jìn)來(lái)，將教學(xué)情境、整合“科學(xué)探究”和“工程設(shè)計(jì)”的教學(xué)模式、教學(xué)評(píng)量確定為STEM教育深度融入科學(xué)課程教學(xué)的三條主要實(shí)踐路徑。

圖1 情景學(xué)習(xí)、工程設(shè)計(jì)與科學(xué)探究的關(guān)系圖

表1 STEM教學(xué)情景

1 教學(xué)情景

國(guó)際學(xué)生評(píng)估項(xiàng)目（Program for International Student Assessment，PISA）、國(guó)際數(shù)學(xué)和科學(xué)趨勢(shì)測(cè)評(píng)（The Trends in International Mathematics and Science Study，TIMSS）和美國(guó)國(guó)家教育進(jìn)展評(píng)估（The National Assessment of Educational Progress，NAEP）等大型學(xué)生評(píng)測(cè)項(xiàng)目均提倡學(xué)生運(yùn)用科學(xué)思維和推理，解決基于真實(shí)情景、結(jié)構(gòu)不良的科學(xué)問(wèn)題，這與STEM教育的理念是一致的。PISA 2006框架建議，STEM教育可以把能源效率、氣候變化等科學(xué)議題作為教學(xué)情景，讓學(xué)生開(kāi)展深入探究，這是一種情景化的STEM教育。STEM教學(xué)情境如表1所示，可知真實(shí)的情景或STEM挑戰(zhàn)性主題來(lái)源于健康問(wèn)題、能源問(wèn)題、自然資源、環(huán)境問(wèn)題、危害防護(hù)、新知等個(gè)人、社會(huì)或全球普遍關(guān)注的議題[3]。

2 整合“科學(xué)探究”和“工程設(shè)計(jì)”的教學(xué)模式

科學(xué)探究是我國(guó)新一輪課程改革的重要內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)對(duì)科學(xué)過(guò)程和方法的掌握，而STEM教育強(qiáng)調(diào)過(guò)程與方法在真實(shí)科學(xué)和工程實(shí)踐中的應(yīng)用。工程設(shè)計(jì)注重應(yīng)用材料、工具、技術(shù)、科學(xué)和數(shù)學(xué)知識(shí)的統(tǒng)整，透過(guò)設(shè)計(jì)的歷程發(fā)展科技產(chǎn)物，以合適的方法解決問(wèn)題或滿足人類的需求。科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)的整合，有利于STEM教育的深度融合和實(shí)施。基于此，科學(xué)課程的教學(xué)實(shí)踐可以以挑戰(zhàn)性任務(wù)或者問(wèn)題為開(kāi)端，幫助學(xué)生深入探究，獲得對(duì)STEM教育的整合性理解，并得出解決方案。目前，5E教學(xué)模式——吸引（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、遷移（Elaboration）和評(píng)價(jià)（Evaluation）得到了廣泛的應(yīng)用[4]。而從科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)的整合角度出發(fā)，國(guó)際技術(shù)與工程教育家協(xié)會(huì)（International Technology and Engineering Educators Association，ITEEA）提出了工程設(shè)計(jì)的6E教學(xué)模式，包括吸引（Engage）、探索（Explore）、解釋（Explain）、工程（Engineer）、延伸（Enrich）和評(píng)價(jià)（Evaluate）；該教學(xué)模式將工程的概念融入 5E教學(xué)模式之中，并從科學(xué)本質(zhì)、技術(shù)素養(yǎng)和工程設(shè)計(jì)等方面體現(xiàn)STEM課程的教學(xué)內(nèi)涵，強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)與模型在STEM教育中的核心地位[5]。6E教學(xué)模式以學(xué)習(xí)者為中心，以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為依托，整合了工程設(shè)計(jì)與科學(xué)探究，提出了設(shè)計(jì)（Design）、建模（Modeling）、系統(tǒng)（Systems）、資源（Resources）、人類價(jià)值（Human Values）等5個(gè)以工程設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的STEM教育核心概念，并將這些核心概念的學(xué)習(xí)融入食物、能源、健康與安全、避難、交通和水等個(gè)人或者社會(huì)關(guān)注的議題。

3 教學(xué)評(píng)量

美國(guó)國(guó)家工程院（National Academy of Engineering）提供了針對(duì)學(xué)生在數(shù)學(xué)、科學(xué)與工程方面應(yīng)用STEM知識(shí)時(shí)的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)。如數(shù)學(xué)方面的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)是：了解并致力于解決問(wèn)題、構(gòu)建有效的論證并對(duì)他人的推理進(jìn)行批判、有技巧地使用合適的工具、在反復(fù)推理中尋找并顯示規(guī)律；科學(xué)與工程方面的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)是：根據(jù)證據(jù)進(jìn)行論證、設(shè)計(jì)，使用模型、設(shè)計(jì)進(jìn)行探索，分析并解釋數(shù)據(jù)[6]。香港“常識(shí)百搭”創(chuàng)新科學(xué)與環(huán)境探究活動(dòng)利用 STEM 框架評(píng)估學(xué)生在探究活動(dòng)中學(xué)習(xí)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于評(píng)估學(xué)生在STEM活動(dòng)的學(xué)習(xí)經(jīng)歷具有極好的借鑒意義[7]。我國(guó)科學(xué)課程的探究性教學(xué)具有廣泛的討論基礎(chǔ)，基于此，結(jié)合能力、知識(shí)和態(tài)度的評(píng)量架構(gòu)，制定STEM科學(xué)課程的評(píng)價(jià)指標(biāo)，應(yīng)該更具有可操作性。為此，本研究從科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四個(gè)維度出發(fā)，且每個(gè)維度都從能力、知識(shí)和態(tài)度三個(gè)角度考量，構(gòu)建了STEM教育融入科學(xué)課程教學(xué)的評(píng)量指標(biāo)，如表2所示。這些評(píng)量指標(biāo)對(duì)于教師檢測(cè)學(xué)生的STEM素養(yǎng)水平、評(píng)價(jià)課程的教學(xué)成效和教學(xué)實(shí)踐的具體設(shè)計(jì)都有一定的參考價(jià)值。

表2 教學(xué)評(píng)量指標(biāo)

三 “轉(zhuǎn)不停的陀螺”教學(xué)案例分析

“電動(dòng)機(jī)原理”是人教版《高中物理（選修 3-1）》第三章“磁場(chǎng)”中的內(nèi)容，教材局限于電磁相關(guān)科學(xué)知識(shí)的介紹，學(xué)生未能深入了解電動(dòng)機(jī)模型背后的技術(shù)和工程原理。此外，電動(dòng)機(jī)的主要元件包括電極、永久磁鐵和導(dǎo)入電流的碳刷，而碳刷和電極之間的摩擦?xí)档碗妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的效率，還會(huì)產(chǎn)生熱量。為提升教學(xué)效果，本研究應(yīng)用STEM教育深度融入科學(xué)課程教學(xué)的三條路徑進(jìn)行了案例分析——以L中學(xué)的45名高二學(xué)生為研究對(duì)象，當(dāng)他們學(xué)完“磁場(chǎng)”這一章內(nèi)容之后，以“電動(dòng)機(jī)的改進(jìn)”為教學(xué)情境，依托6E教學(xué)模式設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程，讓學(xué)生動(dòng)手制作一個(gè)特殊的陀螺——“轉(zhuǎn)不停的陀螺”，并進(jìn)行了教學(xué)評(píng)量，如表3所示。

“轉(zhuǎn)不停的陀螺”轉(zhuǎn)換了教學(xué)思路：用其它方式替代碳刷，轉(zhuǎn)動(dòng)的是永久磁鐵而不是電極，并將內(nèi)轉(zhuǎn)電極電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為外傳永久磁鐵電動(dòng)機(jī)。這一思路，不僅包括了提高電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)效率的技術(shù)思想，更蘊(yùn)含了優(yōu)秀的工程設(shè)計(jì)思想——而這，正是融入了STEM教育的科學(xué)課程與傳統(tǒng)STEM課程的最大不同。值得一提的是，為了增強(qiáng)項(xiàng)目的可行性，本案例還對(duì)學(xué)生進(jìn)行了組內(nèi)分工和角色設(shè)計(jì)，以吸引學(xué)生積極參與其中，從而引導(dǎo)學(xué)生在解決現(xiàn)實(shí)科學(xué)與工程問(wèn)題的實(shí)踐中達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。

表3 “轉(zhuǎn)不停的陀螺”教學(xué)案例

四 小結(jié)

重視STEM教育深度融入科學(xué)課程的教學(xué)情境、教學(xué)模式和教學(xué)評(píng)量，創(chuàng)設(shè)整合的、情景化的、可評(píng)量的不良結(jié)構(gòu)任務(wù)，將工程與設(shè)計(jì)的內(nèi)容與科學(xué)課程進(jìn)行統(tǒng)整，并與物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球和空間科學(xué)等學(xué)科知識(shí)融為一體，將有助于拓展工程設(shè)計(jì)理念，并提升科學(xué)與工程實(shí)踐的教學(xué)效果。教學(xué)情境、整合“科學(xué)探究”和“工程設(shè)計(jì)”教學(xué)模式（主要是6E教學(xué)模式）和教學(xué)評(píng)量這三條STEM教育深度融入科學(xué)課程教學(xué)的實(shí)踐路徑，將有助于學(xué)生在基于真實(shí)情景的科學(xué)與工程實(shí)踐過(guò)程中應(yīng)用工程設(shè)計(jì)理念和先進(jìn)的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)掌握、問(wèn)題解決并進(jìn)行創(chuàng)造性設(shè)計(jì)，從而培養(yǎng)就業(yè)技能和核心素養(yǎng)。

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