信疏桐 龐謙竺 柏毅

[摘 要]目前的中小學(xué)STEM課程開發(fā)與設(shè)計存在誤區(qū)?；赟TEM理念的課程開發(fā)應(yīng)在分析并遵循其本質(zhì)特征的基礎(chǔ)上來進行，為此歸納了STEM課程的六大特質(zhì)，并基于這些特質(zhì)進行了以“降落傘制作”為主題的STEM課程，對其實施過程、評價方法、課堂效果等進行了初步探討。

[關(guān)鍵詞]初中；STEM；課程設(shè)計

大力培養(yǎng)創(chuàng)新型人才已成為各國促進經(jīng)濟發(fā)展與科技進步，提升國際競爭力的重要戰(zhàn)略舉措。STEM課程作為一種培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的跨學(xué)科的新型課程，也越來越成為教育學(xué)界關(guān)注的重要話題之一。STEM課程區(qū)別于傳統(tǒng)的分科課程，它通常以目標(biāo)為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生進行工程設(shè)計。隨著STEM教育在國內(nèi)逐漸興起，STEM課程開發(fā)也迎來了火爆的局面。我國已有多地區(qū)的中小學(xué)校開始逐步實施STEM課程的開發(fā)與教學(xué)。但是在如火如荼的STEM 課程開發(fā)的熱潮中，存在一些錯誤的做法，亂象也逐漸顯現(xiàn)。一些課程開發(fā)者沒有遵循教育規(guī)律，沒有分析STEM課程本身的特質(zhì)，將STEM課程與學(xué)習(xí)3D打印機的使用方法、機器人編程設(shè)計等相混淆。為此，有必要從STEM課程特質(zhì)的梳理開始，探討如何進行科學(xué)的“STEM課程設(shè)計”。

一、STEM課程及其特質(zhì)

STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、數(shù)學(xué)（Mathematics）、工程（Engineering）四門學(xué)科首字母的縮寫。STEM課程開發(fā)最早是由美國科學(xué)基金會發(fā)起，聯(lián)合眾多科學(xué)家、工程師、數(shù)學(xué)家等人在20世紀(jì)80年代末提出的一種新型學(xué)習(xí)方法，它不是傳統(tǒng)的單一課程學(xué)習(xí)，而是一種貫通各個學(xué)科的知識，以真實情景為背景，以問題為導(dǎo)向的系統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法[1]。

因此，基于STEM課程的概念，研究者大多將其蘊含的特征歸結(jié)為以下幾個方面：跨學(xué)科、趣味性、體驗性、情境性、協(xié)作性、設(shè)計性、藝術(shù)性、實證性和技術(shù)增強性等[2]。根據(jù)這些特征，引用柏毅[3]等人觀點，可歸納出STEM課程的六大特質(zhì)。

一是應(yīng)包含S、T、E、M幾大要素。所謂“包含”，并不是簡單地將幾大元素組合起來，而是要將幾大元素融會貫通，融合成一個新的“后設(shè)學(xué)科”。

二是以工程設(shè)計為主導(dǎo)。目前的STEM課程大多以工程為主線、以科學(xué)為基礎(chǔ)、輔以技術(shù)與數(shù)學(xué)，這是因為工程設(shè)計過程更能有效地整合這四大要素，強化學(xué)習(xí)過程與結(jié)果。

三是關(guān)心現(xiàn)實問題，注意在真實情景中學(xué)習(xí)?，F(xiàn)實問題可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于建立課程與真實世界的聯(lián)系，實現(xiàn)更有目的的學(xué)習(xí)。

四是以學(xué)生為中心，主動實踐。STEM課程是一種以學(xué)生為中心，以教師為輔助者的課程，要求能夠使學(xué)生積極主動地加入課程學(xué)習(xí)。在此期間，教師要為學(xué)生搭建學(xué)習(xí)的“腳手架”，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)。

五是學(xué)生通過合作學(xué)習(xí)，參與整個過程。合作學(xué)習(xí)是STEM課程的重要組成部分，學(xué)生可以通過合作解決問題，加深對工程過程的理解，提高學(xué)習(xí)興趣，達到更好的學(xué)習(xí)效果。

六是結(jié)果開放，允許出現(xiàn)多種結(jié)果或答案。在課程中進行工程設(shè)計時，學(xué)生可能會提出不同見解和不同的設(shè)計，雖然結(jié)果可能與預(yù)期結(jié)論不符，甚至可能是錯誤的，但“試錯”卻是學(xué)生通過實踐自我提高的重要過程，因此教師要允許出現(xiàn)開放性的結(jié)果。

由此可以發(fā)現(xiàn)，僅將科技活動換一個名目，硬是將其稱作“STEM課程”的做法是不可取的。因為這些活動可能僅僅包含這六大特質(zhì)中的一部分或者完全不具備STEM課程應(yīng)有的特質(zhì)，這樣開發(fā)出來的課程可以稱為“科技活動課”，但卻不是真正意義上的“STEM課程”。

二、基于六大特征進行的STEM課程設(shè)計簡述

基于以上六大特征設(shè)計STEM課程時，可參考以下基本脈絡(luò)：前瞻課程—活動課程（包含三節(jié)有獨立知識點的活動課）—總結(jié)課程。在此，以江蘇省太倉市第一中學(xué)初一年級“降落傘制作”項目為例，對課程的設(shè)計與實施進行說明。“降落傘制作”項目是由東南大學(xué)兒童發(fā)展與學(xué)習(xí)科學(xué)教育部重點實驗室主導(dǎo)，聯(lián)合太倉市第一中學(xué)共同開發(fā)的。該項目針對初中一年級學(xué)生，嘗試通過STEM課程對其跨學(xué)科綜合能力進行鍛煉與提升。在前瞻課程中，教師要提供相關(guān)科技材料供學(xué)生閱讀，目的是考查學(xué)生的前概念，了解學(xué)生的知識或經(jīng)驗基礎(chǔ)，以便可以根據(jù)學(xué)生的實際情況對課程重點進行調(diào)整。在“降落傘制作”項目中，教師提供了如下前瞻材料。

達·芬奇于1483年在一個記事薄上繪制了人類第一個降落傘的設(shè)計圖。他設(shè)計的降落傘和現(xiàn)代降落傘并不相同，它包含4個等邊三角形，每條邊長達7米，設(shè)計草圖中還包含一些木頭框架，它的外形看起來像是一個金字塔。達·芬奇在這張圖旁邊寫道：“如果有人用一大幅涂上樹膠的麻布，每邊長12碼（約10.97米），高12碼，那么不論他從多高處跳下來，都不會受傷”。

教師根據(jù)這一材料提出的問題是：請你思考一下，達·芬奇的設(shè)計是否可行？并說出理由。在上課之前，研究人員曾預(yù)測：當(dāng)代初中生已經(jīng)具備了一定的科學(xué)素養(yǎng)，因此他們給出比較科學(xué)的回答，即能夠簡要描述文字材料中所提出的降落傘模型是否可行，并提供能夠支持其結(jié)論的依據(jù)。之后，組織實施這一課程的教師與研究人員對學(xué)生的答案進行了匯總與分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)果并沒有如研究者所預(yù)測的那樣。當(dāng)教師請學(xué)生分析達·芬奇的設(shè)計是否可行時，學(xué)生的回答五花八門，十分出人意料。如“木頭框架要砸死人的”“涂上樹膠的麻布會被戳破的”“不可行，因為從來就沒有看見過現(xiàn)代降落傘是這個樣子的”，等等。并且?guī)缀跛袑W(xué)生都認(rèn)為達·芬奇的設(shè)計“不可行”，而判斷“不可行”的依據(jù)僅僅是從個人主觀推斷或經(jīng)驗得出的。這樣，從課程試講階段前瞻課程的結(jié)果可以看出，剛剛接觸STEM課程的初一學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)水平較低。

對學(xué)生的回答進行進一步分析可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)生主要缺乏的是一些基礎(chǔ)科學(xué)知識與基本的科學(xué)素養(yǎng)，綜合能力有待提高。教授這門課程的太倉一中的葉耀老師認(rèn)為，學(xué)生出現(xiàn)這種回答，其根本原因是缺乏“科學(xué)閱讀”的基本素養(yǎng)。

在試講結(jié)束后，葉耀老師在對課堂活動進行總結(jié)時提到：一線教師通過多年的教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在初中階段數(shù)理化各學(xué)科的學(xué)習(xí)中，“讀題”一直是一個大問題。有些學(xué)生無法從題目中提取有效信息，進而導(dǎo)致無法運用已經(jīng)掌握的知識來解答問題或得出正確結(jié)論。因此，學(xué)生能否通過材料獲得有價值的信息，即學(xué)生閱讀時的目光是否停留在有效信息上，也是決定學(xué)生能否高效率地開展STEM活動的基礎(chǔ)。

在第二堂課上，為了能夠提高學(xué)生的閱讀效率，教師與研究人員通過對學(xué)生提出以下要求加以引導(dǎo)：第一步，將你認(rèn)為的材料中的核心詞組標(biāo)識出來；第二步，將劃出的核心詞組分類；第三步，將核心詞組歸為“目的”與“條件”兩類；第四步，判斷利用所列出的“條件”能否達到“目的”。通過這些步驟，學(xué)生認(rèn)識到問題中的“無論從多高處跳下來都不至于受傷”才是關(guān)鍵。這時，當(dāng)學(xué)生再次圍繞閱讀材料回答問題時，也就能夠由“經(jīng)驗之談”轉(zhuǎn)向“由材料所推導(dǎo)的結(jié)論”。在前瞻課程的最后，教師要求學(xué)生制作一個初步的降落傘模型，并思考哪些因素會影響降落傘的性能。

在此基礎(chǔ)上，任課教師提供了相關(guān)微視頻，使學(xué)生可以學(xué)習(xí)“自由落體由于重力加速”“空氣阻力與面積、速度有關(guān)”等科學(xué)知識，幫助學(xué)生認(rèn)識“力對速度改變的貢獻”。之后的課程，針對學(xué)生提出的影響降落傘性能的幾個可能因素，由學(xué)生親自一一測試并探討。這個過程持續(xù)了整個學(xué)期，學(xué)生在學(xué)期結(jié)束之前要完成最終的工程任務(wù)，即小組合作制作一個降落傘并能實現(xiàn)以下功能：將一個雞蛋放在降落傘上并讓降落傘從四樓的高度自由落體至地面時，雞蛋不會損壞。學(xué)生就這一主題進行了合作，最后統(tǒng)一測試，并匯報了測試結(jié)果（包括工程圖紙、小組合作分工說明、測試視頻、測試數(shù)據(jù)、測試結(jié)論等）。

“降落傘制作”的STEM課程，以達·芬奇的設(shè)計為指引，突出了真實情境的工程設(shè)計，并且包含了STEM的全部要素，以學(xué)生為中心進行了合作學(xué)習(xí)，在設(shè)計中并不要求答案唯一，學(xué)生可以根據(jù)自己對降落傘的理解進行設(shè)計制作，最終通過測試來選出最優(yōu)方案。本課程也包含了STEM課程所應(yīng)具備的全部六大特征。

三、課程實施過程與課堂評價過程簡述

經(jīng)過前瞻課程的工程合作，學(xué)生們大致可以發(fā)現(xiàn)，影響降落傘性能的因素主要是降落傘的傘面面積、傘面形狀、傘繩長度等。因此，之后的課程學(xué)習(xí)便圍繞這三點進行了系統(tǒng)科學(xué)的論證。

課堂也并不僅僅是學(xué)生開展合作探究活動的地方，還是對學(xué)生能力進行評價的場所。要了解一個學(xué)生的“STEM能力”（即綜合運用科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等跨學(xué)科知識的能力）究竟如何以及通過課程學(xué)習(xí)后這種能力是否有所提高，就要在課堂活動過程中進行評價。這種在課堂活動過程中進行的評價與學(xué)期末的總結(jié)性評價相互補充，可以提升評價的準(zhǔn)確性與完整性。

在STEM課堂上使用的評價方法是基于工程活動過程的形成性評價[4]，在“降落傘制作”的STEM課程評價量規(guī)中，采用了五點計分法（0-4）評價學(xué)生的六個方面：識別問題、創(chuàng)建設(shè)計（藍圖）、建立模型、檢驗和搜集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)與再設(shè)計、交流結(jié)果（匯報與建議書）。為了使評價更加明晰，嘗試了將評價標(biāo)準(zhǔn)以雷達圖的形式呈現(xiàn)（見圖1）。以學(xué)生在以上六個方面的表現(xiàn)為不同維度，通過對每個學(xué)生的分?jǐn)?shù)評定，將學(xué)生在各維度上獲得的評價分?jǐn)?shù)繪制在圖中，便可以清晰地了解學(xué)生的能力分布情況了。

如圖1，是一名學(xué)生在一學(xué)期結(jié)束時，教師根據(jù)其表現(xiàn)畫出的六維能力分布圖。在前瞻課程（第一堂課）中，對于“達·芬奇的設(shè)計是否可行”這一問題，這名學(xué)生給出的回答是“可行。因為下降時空氣會進入麻布里，從而造成阻力，使得降落傘速度變慢，所以是可行的”。這個答案準(zhǔn)確地識別出了問題的關(guān)鍵是要考慮降落傘對從高處降落的人的影響，而不是諸如“麻布會被戳破因此不可行”這種淺表的問題，因此獲得了滿分（4分）。在之后的課堂活動中，這名學(xué)生在繪制藍圖、建立模型的過程中也表現(xiàn)出了較好的能力。因此任課教師與研究人員一致認(rèn)為，該生在這兩項中也可以得到高分。而在檢驗和搜集數(shù)據(jù)這一項，這名學(xué)生記錄數(shù)據(jù)的方式不太合理，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)混亂，得到的評價分?jǐn)?shù)較低。但是經(jīng)過小組討論之后進行再次數(shù)據(jù)收集與分析時，該生能夠吸取經(jīng)驗，改善了數(shù)據(jù)記錄方法，因此又得到一個較高的評價。最后在交流結(jié)果時，由于這名學(xué)生比較內(nèi)向膽小，表達時不夠流暢，因此評價分?jǐn)?shù)較低。

通過這樣的能力分布圖，教師可以在每一個活動結(jié)束后完成對學(xué)生的形成性評價，使每個學(xué)生的優(yōu)勢與不足都可一目了然，同時也得出了學(xué)生在本學(xué)期的STEM課程中能力發(fā)展的情況?！敖德鋫阒谱鳌钡恼n程設(shè)計也完全包含了這張評價表所要評價的內(nèi)容。例如，學(xué)生需要識別出每堂課的重點內(nèi)容，如果某一堂課以研究降落傘傘面的面積為主題，而學(xué)生探究的卻是傘面的形狀，則說明他們沒有準(zhǔn)確識別問題；之后針對每堂課的工程任務(wù)，學(xué)生要設(shè)計藍圖、建立模型、收集數(shù)據(jù)、得出結(jié)論、交流匯報。這些都可以通過這樣的評分標(biāo)準(zhǔn)進行評測。

四、結(jié)論

STEM課堂作為一種新型課堂，要求學(xué)生通過跨學(xué)科項目任務(wù)的完成來獲得知識和發(fā)展能力，顯然轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的課堂教學(xué)形式是實現(xiàn)STEM教育功能的重要基礎(chǔ)[5]，而僅僅通過改變課堂內(nèi)容是無法滿足要求的。有些教師在STEM課程開發(fā)中更多地關(guān)注了科技本身，錯誤地認(rèn)為只要運用了足夠高科技的硬件設(shè)備，就可以稱之為STEM課程，這也是STEM課程設(shè)計中最大的誤區(qū)。

從“降落傘制作”的課例來看，顯然并不屬于高科技的主題。高科技固然也可以成為STEM課程涉及和表現(xiàn)的一個方面，但是從簡單的隨處可見的生活事物中也能提煉出STEM課程的主題，并且可能更加符合STEM課程的特質(zhì)，更有利于實施真正的STEM教育。

參考文獻

[1]Ong F， McLean J. Innovate：a Blueprint of Science， Technology， Engineering，and Mathematics in California public education[R]. California：California Dedicated to Education Foundation. 2014.

[2]余勝泉，胡翔. STEM 教育理念與跨學(xué)科整合模式[J].開放教育研究，2015，21（4）：13-21.

[3][4]柏毅，葉耀，等.對STEM教育熱潮的冷靜分析與課程實施建議[J].基礎(chǔ)教育參考，2018（5）：3-9.

[5]董澤華.試論我國中小學(xué)實施STEM 課程的困境與對策[J].全球教育展望，2016（12）：36-62.

（責(zé)任編輯 郭向和）