楊開城 李波 竇玲玉 公平

摘要：課程開發(fā)是STEM領(lǐng)域首個(gè)需要解決的問題。一個(gè)合格的STEM課程不但要以問題驅(qū)動(dòng)、創(chuàng)中學(xué)、協(xié)作探究和設(shè)計(jì)制造為外部特征，而且還要滿足目標(biāo)一手段一致性、學(xué)生參與度、媒體多元性、教師自由度以及STEM整合度等指標(biāo)的要求。這種STEM課程的開發(fā)需要運(yùn)用課程開發(fā)技術(shù)和教學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)，并且需要詳案設(shè)計(jì)。該文在以學(xué)習(xí)活動(dòng)為中心的教學(xué)設(shè)計(jì)（Learning-Activity-Centered Instructional Design，LACID）理論基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個(gè)STEM課程開發(fā)過程模式，并以“設(shè)計(jì)風(fēng)車”主題為例，介紹了一個(gè)STEM課程單元的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。這個(gè)課程開發(fā)過程模式的主要步驟包括：創(chuàng)設(shè)STEM主題、知識(shí)建模、學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)優(yōu)化、缺陷分析與修正，其中STEM主題的核心內(nèi)容必須包括學(xué)生作品的功能與測(cè)試方法、學(xué)生需要解決的問題，知識(shí)建模的作用是使STEM課程知識(shí)內(nèi)容的清晰化和可視化，也是后續(xù)學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：STEM;課程開發(fā);LACID;STEM整合度;目標(biāo)一手段一致性

中圖分類號(hào)：G434

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

相對(duì)于分科式教學(xué)不利于知識(shí)體系從部分到整體的理解和把握、割裂教育和真實(shí)世界的有機(jī)聯(lián)系[1]，緣起于20世紀(jì)80年代美國(guó)教育界的STEM教育[2]強(qiáng)調(diào)的是面向真實(shí)生活的問題解決和整合創(chuàng)新，關(guān)注的是多學(xué)科的交叉融合，試圖將科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、T程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科組合形成有機(jī)整體[3]。STEM教育旨在追求跨學(xué)科性、實(shí)踐體驗(yàn)性、情境性、協(xié)作性、創(chuàng)新性等特征[4][5]。然而目前的STEM教育研究卻不盡如人意，這主要表現(xiàn)在：我們?cè)赟TEM課程層次上缺乏清晰的統(tǒng)一認(rèn)識(shí)與理論指導(dǎo)，STEM課程研究的深度與系統(tǒng)性嚴(yán)重欠缺[6];現(xiàn)有的一些STEM課程只重視外在教學(xué)形式上的整合，忽略跨學(xué)科知識(shí)的滲透，課程開發(fā)呈現(xiàn)零散的狀態(tài)，未成體系，難以促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)[7];有些課程整合視野窄化、缺乏整體性，陷入到一種機(jī)械的、簡(jiǎn)單的拼盤模式，成為“偽整合”的課程[8]，找不到各學(xué)科之間的融合點(diǎn)，最后就變成了為跨學(xué)科而跨學(xué)科的多學(xué)科大雜燴[9];STEM課程與教學(xué)大綱以及評(píng)價(jià)體系的設(shè)計(jì)仍是一種挑戰(zhàn)[10]。這可能是因?yàn)槲覈?guó)基礎(chǔ)教育長(zhǎng)期陷于“應(yīng)試”陷阱，缺乏工程（Engineering）與技術(shù)（Technology）方面的教育經(jīng)驗(yàn)[11]，以往的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)難以移植到STEM領(lǐng)域，而從國(guó)外引入的課程（質(zhì)量先不說）不符合國(guó)內(nèi)價(jià)值觀或?qū)嵺`條件，出現(xiàn)水土不服的情況等[12]，亦不堪大用。從實(shí)踐角度看，這些狀況皆源白人們不懂得如何開發(fā)STEM課程。因此說，STEM領(lǐng)域的首個(gè)難題不是教學(xué)研究而是課程開發(fā)研究。

一、STEM課程的外部特征和內(nèi)隱指標(biāo)

STEM的初衷是通過知識(shí)整合而生成創(chuàng)新能力。這個(gè)創(chuàng)新能力的實(shí)質(zhì)是將S.T.E.M.知識(shí)應(yīng)用于發(fā)明創(chuàng)造的能力而非純粹依賴直觀經(jīng)驗(yàn)的制作能力。s.T.E.M.知識(shí)中，科學(xué)知識(shí)的功能是解釋和預(yù)測(cè)，技術(shù)知識(shí)的功能是實(shí)現(xiàn)某種物質(zhì)能量信息的變換，工程知識(shí)的功能是創(chuàng)造發(fā)明的系統(tǒng)化控制（目的是節(jié)約時(shí)間成本），數(shù)學(xué)知識(shí)的功能是長(zhǎng)程推理、定量思考以及為技術(shù)系統(tǒng)提供數(shù)形規(guī)律。由此可知，總體上講，STEM課程不是讓學(xué)生“看世界”，而是讓學(xué)生“做東西”，而且學(xué)生所做的東西是有真實(shí)世界的問題背景或可直接解決現(xiàn)實(shí)生活中的某些問題的。問題僅在于做什么東西以及如何做！為了通過“做東西”整合S.T.E.M.知識(shí)并發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性，學(xué)生的作品必須包含特定的技術(shù)要素，這個(gè)技術(shù)要素必須通過工程設(shè)計(jì)流程建立起來，作品還要以某種科學(xué)知識(shí)為背景，科學(xué)知識(shí)要么解釋了技術(shù)要素的功能，要么解釋了這個(gè)作品所針對(duì)的問題，如果有可能，上述思維過程要嵌入特定的數(shù)學(xué)知識(shí)。這個(gè)創(chuàng)制作品的全過程需要一定的挑戰(zhàn)性，有障礙需要克服、有問題需要解決，因此需要以協(xié)作探究的方式展開，并以群體動(dòng)力確保學(xué)生的耐心和堅(jiān)持。

總之，STEM課程的外部特征包括：?jiǎn)栴}驅(qū)動(dòng)、創(chuàng)中學(xué)、協(xié)作探究和設(shè)計(jì)制造。但開發(fā)STEM課程產(chǎn)品，僅僅關(guān)注這些外在特征還不夠。STEM課程產(chǎn)品還需要滿足下面的內(nèi)隱指標(biāo)，否則它所生成的STEM學(xué)習(xí)活動(dòng)將會(huì)是形式大于內(nèi)容的“偽整合”。

（一）目標(biāo)一手段一致性

目標(biāo)一手段一致性是任何課程產(chǎn)品必須滿足的核心指標(biāo)。這個(gè)指標(biāo)得不到不滿足，其他指標(biāo)毫無意義。這個(gè)指標(biāo)是指，課程和教學(xué)自身所有的設(shè)置，包括任務(wù)設(shè)定、交互過程、媒體配置、信息組織等等，都指向某特定的課程目標(biāo)或教學(xué)目標(biāo)（在特定語(yǔ)境下它們義稱為學(xué)習(xí)目標(biāo)）。在課程開發(fā)和教學(xué)設(shè)計(jì)過程中，目標(biāo)是非常重要的。課程目標(biāo)是課程的核心屬性，課程是為了達(dá)到特定的課程目標(biāo)而組織起來的以知識(shí)形態(tài)傳遞的文化及對(duì)其傳遞方式和進(jìn)程的規(guī)定[13];課程必須通過教學(xué)設(shè)計(jì)才能轉(zhuǎn)化為教學(xué)行動(dòng)，而教學(xué)目標(biāo)作為教學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)[14]，對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)具有引領(lǐng)作用。但無論是課程目標(biāo)還是教學(xué)目標(biāo)，它們都是聲稱的、抽象的，它不等于課程或教學(xué)系統(tǒng)的功能。只有手段才有功能。具體的課程產(chǎn)品和教學(xué)方案就是手段。教育實(shí)踐關(guān)注的并不是聲稱的目標(biāo)而是實(shí)實(shí)在在的功能。由于目標(biāo)是抽象的、聲稱的，而手段并不是由目標(biāo)自然產(chǎn)生的而是人為設(shè)計(jì)的結(jié)果，因此對(duì)于課程和教學(xué)方案而言，目標(biāo)一手段一致性是標(biāo)識(shí)課程和教學(xué)方案質(zhì)量的核心指標(biāo)。

（二）學(xué)生參與度

學(xué)生參與度是指學(xué)生以豐富多樣的行為參與到課程及教學(xué)方案所規(guī)定的學(xué)習(xí)活動(dòng)的程度。學(xué)生參與度越高，教學(xué)過程的教學(xué)效果就會(huì)越好。當(dāng)然，學(xué)生的參與不僅僅表現(xiàn)為對(duì)教師行為的簡(jiǎn)單回應(yīng)，更重要的是為師生交互提供實(shí)質(zhì)的、指向?qū)W習(xí)目標(biāo)的具體信息。

（三）媒體多元性

媒體多元性是指課程產(chǎn)品和教學(xué)方案所包含的信息呈現(xiàn)以及學(xué)習(xí)成果呈現(xiàn)所利用媒體形式的豐富性。豐富的媒體形式提供了豐富的信息刺激.其中也蘊(yùn)含著對(duì)學(xué)生獨(dú)特智能形式的包容。

（四）教師自由度

教師自由度是指教師在多大程度上可以調(diào)整課程產(chǎn)品中的預(yù)設(shè)，包括任務(wù)、交互、媒體、規(guī)則，等等。恰當(dāng)?shù)慕處熥杂啥仁翘岣哒n程實(shí)施過程中教師主體性的重要因素。但并非教師自由度越高越好，因?yàn)榻處煹哪承┱{(diào)整可能會(huì)傷害課程的目標(biāo)一手段一致性等上述三個(gè)指標(biāo)。

（五）s.T.E.M.整合度

s.T.E.M.整合度是獨(dú)屬于STEM課程的質(zhì)量指標(biāo)。這個(gè)指標(biāo)一方面是指具體的S.T.E.M.知識(shí)白然地出現(xiàn)在STEM學(xué)習(xí)活動(dòng)之中，在學(xué)生“創(chuàng)中學(xué)”的“問題解決”過程中發(fā)揮其特定的知識(shí)功能，以期達(dá)到“在交往中生成理性、用知識(shí)驅(qū)動(dòng)思考、用創(chuàng)造體驗(yàn)力量”的效果，另一方面在上述整合過程中凸顯STEM課程的核心價(jià)值：科學(xué)精神——基于事實(shí)、精確判斷、勇于質(zhì)疑、理性證偽、平等溝通、創(chuàng)新意識(shí)與協(xié)作精神，等等。

二、STEM課程開發(fā)的基本思路及過程模式

目標(biāo)一手段一致性是首要的、根本的指標(biāo)，只有滿足了這一指標(biāo)，才能討論其他指標(biāo)。何以達(dá)到目標(biāo)一手段的一致性？這需要三個(gè)數(shù)據(jù)性條件：（1）目標(biāo)的清晰表征;（2）手段的清晰完整表征;（3）目標(biāo)和手段之間的操作性邏輯聯(lián)系。也就是說，只有我們清晰地表征了目標(biāo)，同時(shí)也清晰完整地表征了手段，并且也擁有從目標(biāo)到手段的信息變換的全過程，我們才能判斷那個(gè)手段是否指向那個(gè)目標(biāo)，同時(shí)自然地確信這樣的手段可以產(chǎn)生目標(biāo)所指向的預(yù)期學(xué)習(xí)結(jié)果。很明顯，這要求我們將課程開發(fā)和教學(xué)設(shè)計(jì)過程技術(shù)化（否則無法生成上述數(shù)據(jù)），并因此自然生成作為手段的詳案設(shè)計(jì)。所謂詳案設(shè)計(jì)，是指將教學(xué)交互的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)出來，通過細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)將目標(biāo)所蘊(yùn)含的信息落實(shí)到位（落實(shí)到言語(yǔ)和行為以及媒體上）。雖然詳案設(shè)計(jì)的立場(chǎng)并不，也無法要求教師按照詳案將教學(xué)“演出來”。但詳案設(shè)計(jì)不僅有助于教師理解“手段”以及“手段”所指向的原本抽象的“目標(biāo)”，而且也為檢驗(yàn)和調(diào)整學(xué)生參與度、教師自由度、媒體多元性以及STEM整合度提供了機(jī)會(huì)，因?yàn)樵敯冈O(shè)計(jì)預(yù)設(shè)了師生行為以及他們所使用的各種資源T具詳情，人們很容易判斷哪些環(huán)節(jié)運(yùn)用了哪些s.T.E.M.知識(shí)、科學(xué)精神和其它價(jià)值觀體現(xiàn)在哪些行為和規(guī)則上、哪些環(huán)節(jié)是學(xué)生參與的、哪些環(huán)節(jié)是學(xué)生自主的、在何處可以增減設(shè)問、哪些方面可以調(diào)整媒體表征形式、在何處可以將學(xué)生學(xué)習(xí)外顯化、哪些方面是教師可以自由調(diào)整的以及調(diào)整的空間（比如言語(yǔ)風(fēng)格、學(xué)習(xí)方式，等等）到底有多大。由于詳案信息量很大，設(shè)計(jì)交互時(shí)開發(fā)者可能會(huì)因?yàn)檫^度關(guān)注細(xì)節(jié)以及某些理念的誤導(dǎo)，使其設(shè)計(jì)偏離目標(biāo)，因此整個(gè)設(shè)計(jì)過程必須被置于一個(gè)技術(shù)過程之下才能最大限度避免這種情況的發(fā)生。我們主張，STEM課程的開發(fā)過程按照?qǐng)D1所示的模式展開。這個(gè)過程模式是在以學(xué)習(xí)活動(dòng)為中心的教學(xué)設(shè)計(jì)理論（Learning-Activity-Centered Instructional Design，LACID）[15]為基礎(chǔ)上提出來的，并初步經(jīng)受了實(shí)操的檢驗(yàn)。

（-）STEM主題創(chuàng)意的生成

STEM課程開發(fā)的第一個(gè)任務(wù)是確定STEM課程的單元主題。也正是包含這個(gè)操作，圖1所示的整個(gè)操作過程在性質(zhì)上屬于課程開發(fā)而非單純的教學(xué)設(shè)計(jì)。

STEM單元主題蘊(yùn)含兩個(gè)方面的信息，一是“學(xué)生所創(chuàng)的最終作品是什么”，因?yàn)镾TEM的核心是“發(fā)明創(chuàng)造”;二是“在這個(gè)發(fā)明創(chuàng)造過程中，學(xué)生需要運(yùn)用什么知識(shí)去理解和解決什么問題”。學(xué)生的創(chuàng)造發(fā)明過程需要遵循特定學(xué)段的學(xué)生們能夠理解和應(yīng)用的T程設(shè)計(jì)過程，這便融人了工程學(xué)知識(shí)。任何創(chuàng)造發(fā)明都需要使用特定的材料、模塊等基礎(chǔ)技術(shù)部件，甚至要求系統(tǒng)級(jí)的“技術(shù)革新”，這便融人了技術(shù)知識(shí)。而這個(gè)發(fā)明可能基于特定的問題背景，這個(gè)問題背景可能需要特定的科學(xué)知識(shí)，而且有些技術(shù)部件和技術(shù)系統(tǒng)的技術(shù)原理與科學(xué)有關(guān)，因此可以融人科學(xué)知識(shí)。由于工程設(shè)計(jì)都在特定限制條件下展開，并且要達(dá)到一定的外部要求或功能，這些要求和功能可能隱含著數(shù)學(xué)知識(shí)，某些技術(shù)部件的制作也可能應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)，這就融入了數(shù)學(xué)知識(shí)。上述這些知識(shí)的融人需要被納入到那個(gè)問題解決過程，因此需要將上述可能融人的知識(shí)做個(gè)初步的鑒別和分析，搞清楚這個(gè)單元都涉及到哪些S.T.E.M.知識(shí)。當(dāng)然，在這個(gè)階段，STEM課程開發(fā)者必須親手操作一遍這個(gè)主題，做一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)，制作那件作品，以檢驗(yàn)這個(gè)主題的可行性、所需各種材料和部件的易獲取性和可用性以及上述S.T.E.M.知識(shí)應(yīng)用的真實(shí)性。最后，為了能使得這個(gè)STEM主題更具有吸引力，需要對(duì)這個(gè)主題進(jìn)行包裝，配以特定的故事、情境等等?？傊@個(gè)階段需要確定以下5個(gè)方面的信息：（1）情境故事或問題情境;（2）工程設(shè)計(jì)作品的功能以及檢驗(yàn)方法;（3）需要學(xué)生解決的挑戰(zhàn)性問題;（4）所應(yīng)用S.T.E.M.的知識(shí)列表（概要）;（5）所需的材料及技術(shù)部件。

（_）STEM課程的知識(shí)清晰化——知識(shí)建模

有了STEM主題以及粗略的知識(shí)分析還不夠，它們無法支撐后續(xù)的設(shè)計(jì)。我們需要將STEM主題所蘊(yùn)含的全部S.T.E.M.知識(shí)完整清晰地呈現(xiàn)出來，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行后續(xù)設(shè)計(jì)。這是一個(gè)知識(shí)可視化的過程，也是一個(gè)STEM課程知識(shí)數(shù)據(jù)化的過程。由于知識(shí)天然是網(wǎng)絡(luò)的，因此我們最好繪制一張知識(shí)網(wǎng)絡(luò)圖來表征一個(gè)STEM課程中的知識(shí)。但一般的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)圖會(huì)存在數(shù)據(jù)不一致的問題（針對(duì)同一材料，不同的分析者所繪制的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)圖嚴(yán)重不同，卻都是正確的），因此我們需要采用LACID中的知識(shí)建模技術(shù)，將一個(gè)STEM課程中的知識(shí)繪制成一種特殊的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)圖——知識(shí)建模圖。知識(shí)建模的過程是根據(jù)知識(shí)語(yǔ)義、按照特定的繪制規(guī)范、提取知識(shí)點(diǎn)并繪制出知識(shí)網(wǎng)絡(luò)圖的過程，它所繪制的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)圖不是知識(shí)語(yǔ)義圖而是知識(shí)點(diǎn)之間的隸屬關(guān)系圖。

知識(shí)建模將知識(shí)點(diǎn)分為符號(hào)和名稱SM（Symbol）、概念CN（Concept）、原理和公式PF（Principle andFormula）、格式FM（Format）、過程和步驟PS（Processand Step）、認(rèn)知策略CS（Cognirive Strategy）、事實(shí)和范例（Fact andCase7種類型，并規(guī)定了19種知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系，比如“是一種”“結(jié)論包含”“內(nèi)容包含”“步驟包含”“組成”，等等。知識(shí)建模還規(guī)定，不同類型的知識(shí)點(diǎn)在知識(shí)建模圖中用不同形狀來表示，SM知識(shí)用橢圓表示、CN知識(shí)用圓表示、PF知識(shí)用矩形表示、FM知識(shí)用梯形表示、Ps知識(shí)用圓角矩形口表示、cs知識(shí)用圓柱表示、FC知識(shí)用表示。

由于知識(shí)建模圖是知識(shí)點(diǎn)之間的隸屬關(guān)系圖，因此，針對(duì)同一材料，不同分析者所繪制的知識(shí)建模圖具有令人滿意的一致性[16]。同時(shí)，由于STEM課程開發(fā)常常是多人協(xié)作展開的，團(tuán)隊(duì)內(nèi)部針對(duì)STEM課程知識(shí)進(jìn)行溝通時(shí)，知識(shí)建模圖是一個(gè)非常好用而客觀的中介。

（三）學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)

LACID認(rèn)為教學(xué)系統(tǒng)由學(xué)習(xí)活動(dòng)組成。如圖2所示，學(xué)習(xí)目標(biāo)是學(xué)習(xí)活動(dòng)的重要屬性，學(xué)習(xí)活動(dòng)的其他成分包括：活動(dòng)任務(wù)、交互過程、學(xué)習(xí)工具、學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)成果和活動(dòng)規(guī)則，其中交互過程包含學(xué)習(xí)方法和學(xué)習(xí)方式，學(xué)習(xí)資源包括信息組織和媒體形態(tài)。學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)的核心是活動(dòng)任務(wù)設(shè)計(jì)，并且所有設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)就是知識(shí)建模圖。

知識(shí)建模圖清晰完整地呈現(xiàn)了一個(gè)STEM課程單元所包含的全部知識(shí)內(nèi)容。知識(shí)建模圖中有的知識(shí)點(diǎn)是先決知識(shí)點(diǎn)，有些知識(shí)點(diǎn)是目標(biāo)知識(shí)點(diǎn)。有了知識(shí)建模圖，我們便清楚地知道，整個(gè)STEM課程單元的能力目標(biāo)：知識(shí)建模圖中的知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用能力。LACID用“（知識(shí)點(diǎn)，學(xué)習(xí)水平）”的二維目標(biāo)形式來表征學(xué)習(xí)目標(biāo)。這種目標(biāo)表征包含兩個(gè)維度，一個(gè)是知識(shí)點(diǎn)，另一個(gè)是學(xué)習(xí)水平，其中知識(shí)點(diǎn)就是知識(shí)建模圖中的目標(biāo)知識(shí)點(diǎn)，學(xué)習(xí)水平包括理解和應(yīng)用兩種。這種學(xué)習(xí)目標(biāo)表征雖稍顯瑣碎，但比自然語(yǔ)言的描述更加清晰具體?；谶@種學(xué)習(xí)目標(biāo)表征，面對(duì)知識(shí)建模圖，我們可以直接判斷整個(gè)STEM課程單元的學(xué)習(xí)目標(biāo)集合：哪些知識(shí)點(diǎn)需要先達(dá)到理解再達(dá)到應(yīng)用的水平，哪些知識(shí)點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到了理解水平因此本單元只考慮應(yīng)用的水平。由于知識(shí)建模圖是連通圖，那些關(guān)聯(lián)緊密的知識(shí)點(diǎn)通常要“一起學(xué)”，因此學(xué)習(xí)目標(biāo)的組合和分配也大致清楚。接下來就是根據(jù)知識(shí)建模圖的實(shí)際情況以及知識(shí)點(diǎn)的其它學(xué)習(xí)論特征（比如，抽象度、難度、關(guān)聯(lián)的知識(shí)語(yǔ)義，等等）將知識(shí)建模圖劃分出多個(gè)知識(shí)子圖，這些知識(shí)子圖之間允許交叉重復(fù)。這些知識(shí)子圖義稱為知識(shí)組塊。LACID主張根據(jù)知識(shí)組塊的特征以及組塊中知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)水平（即學(xué)習(xí)目標(biāo)）為學(xué)生設(shè)計(jì)活動(dòng)任務(wù)，再將活動(dòng)任務(wù)組合成學(xué)習(xí)活動(dòng)，然后將學(xué)習(xí)活動(dòng)組合成一節(jié)課。這樣逐層組合而完成STEM課程單元的設(shè)計(jì)。

LACID根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)的差異將活動(dòng)任務(wù)區(qū)分為達(dá)到理解類目標(biāo)的意義建構(gòu)任務(wù)和達(dá)到應(yīng)用類目標(biāo)的能力生成任務(wù)，并規(guī)定了A-F共6類意義建構(gòu)任務(wù)及其所對(duì)應(yīng)的知識(shí)組塊特征，還規(guī)定了4類能力生成任務(wù)，包括創(chuàng)建實(shí)例、分析實(shí)例、補(bǔ)充拓展實(shí)例和問題解決。開發(fā)者根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)來選擇任務(wù)類型，可設(shè)計(jì)單類型任務(wù)，也可設(shè)計(jì)復(fù)合類型任務(wù)。確定任務(wù)類型之后，再確定任務(wù)的具體描述，即通過何種具體事務(wù)來讓學(xué)生完成特定的學(xué)習(xí)目標(biāo)。有了具體的事務(wù)描述，開發(fā)者接下來便需要根據(jù)這個(gè)描述進(jìn)行師生交互設(shè)計(jì)、活動(dòng)規(guī)則設(shè)計(jì)以及根據(jù)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)完成媒體材料的設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)必須圍繞那個(gè)知識(shí)組塊、按照特定的任務(wù)類型的要求進(jìn)行，這樣就滿足了目標(biāo)一手段一致性的要求，同時(shí)也會(huì)落實(shí)S.T.E.M.知識(shí)的整合。此外，在設(shè)計(jì)交互時(shí)，開發(fā)者需要考慮外部學(xué)習(xí)事務(wù)的多樣性，在交互設(shè)計(jì)中嵌入多樣學(xué)習(xí)方式、增加學(xué)生行為的多樣性、設(shè)置有趣的設(shè)問、選擇符合科學(xué)精神等價(jià)值觀的活動(dòng)規(guī)則。

只要不破壞整個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)的目標(biāo)一手段一致性，課程開發(fā)者以及教師都可以針對(duì)師生交互、資源工具、活動(dòng)規(guī)則進(jìn)行靈活的個(gè)性化設(shè)計(jì)，通過這種靈活的個(gè)性化設(shè)計(jì)，務(wù)實(shí)地提升學(xué)生參與度、媒體多元性，同時(shí)師生交互、資源工具、活動(dòng)規(guī)則的設(shè)計(jì)空間也就是教師自由度空間，它確保教師具有合理的自由度——教師按照自己的方式實(shí)現(xiàn)特定知識(shí)點(diǎn)（知識(shí)組塊）、特定的學(xué)習(xí)目標(biāo)與方式（任務(wù)類型）以及特定的價(jià)值觀熏陶（活動(dòng)規(guī)則）。

（四）設(shè)計(jì)優(yōu)化

設(shè)計(jì)優(yōu)化環(huán)節(jié)主要關(guān)注學(xué)習(xí)動(dòng)力維護(hù)以及檢查STEM理念落實(shí)的情況。

LACID認(rèn)為學(xué)習(xí)動(dòng)力是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，并為該系統(tǒng)提供了如圖3所示的CASPER-POP-CRC動(dòng)力設(shè)計(jì)模型。在初步設(shè)計(jì)完成之后，設(shè)計(jì)者利用此模型調(diào)整學(xué)習(xí)活動(dòng)的所有設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)以求激發(fā)和維持學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。當(dāng)然，經(jīng)驗(yàn)豐富的LACID設(shè)計(jì)者會(huì)在之前設(shè)計(jì)過程中就考慮了學(xué)習(xí)動(dòng)力問題，這一步只是查缺補(bǔ)漏。

STEM課程的知識(shí)需要整合于細(xì)節(jié)，并且要求通過細(xì)節(jié)體現(xiàn)科學(xué)精神。因此在這個(gè)步驟中，設(shè)計(jì)者還需要考慮科學(xué)精神的方方面面是否可以嵌入到學(xué)習(xí)活動(dòng)的各個(gè)成分之中。當(dāng)然，如果經(jīng)驗(yàn)豐富，這部分工作也會(huì)在前期設(shè)計(jì)過程中完成，這一步仍是查缺補(bǔ)漏。

（五）缺陷分析與修正

STEM課程產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程是一個(gè)繁雜義耗時(shí)的操作過程，很難一蹴而就。因此產(chǎn)品初步完成之后，需要對(duì)它進(jìn)行缺陷分析及修正。最徹底的缺陷分析方法就是“試課”，通過真實(shí)地實(shí)施該課程，考察其在實(shí)施過程中暴露出來的設(shè)計(jì)缺陷并及時(shí)改正。

但我們并不主張?jiān)谡n程實(shí)施時(shí)關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)績(jī)效，通過前后測(cè)對(duì)比表明課程實(shí)施的成功。在現(xiàn)階段我們無法從學(xué)生的學(xué)業(yè)成績(jī)出將他們的成績(jī)歸因到某個(gè)孤立要素，比如課程質(zhì)量、教學(xué)方法、教學(xué)風(fēng)格、媒體工具、教師職業(yè)態(tài)度，等等。更何況，學(xué)生群體表現(xiàn)的多樣性使得何謂課程的成功無法具有客觀標(biāo)準(zhǔn)。而設(shè)計(jì)良好的課程對(duì)師生行為表現(xiàn)是有預(yù)期的，它們被設(shè)計(jì)到了課程產(chǎn)品之中。因此我們認(rèn)為，在確保目標(biāo)一手段一致性等其他指標(biāo)合理的前提下，所設(shè)計(jì)的師生交互能夠成功地被轉(zhuǎn)化為真實(shí)的師生行為的課程便是合格的課程，至于“哪些師生行為既符合學(xué)習(xí)規(guī)律義能夠真實(shí)發(fā)生？”則是另一個(gè)問題。

所以，我們主張從教師的教學(xué)實(shí)施與課程產(chǎn)品設(shè)計(jì)之間的差異中尋找課程的設(shè)計(jì)缺陷，并間接地佐證課程產(chǎn)品的質(zhì)量。具體做法是：（1）將實(shí)施STEM課程的教學(xué)過程拍攝下來;（2）將STEM課程中的教學(xué)方案與相應(yīng)的教學(xué)過程都轉(zhuǎn)化為教學(xué)過程機(jī)制圖;（3）對(duì)比這兩個(gè)機(jī)制圖、查找二者的差異（不一致之處）;（4）盡量將這些差異歸結(jié)為課程的設(shè)計(jì)缺陷并修改課程設(shè)計(jì)。其中，教學(xué)過程機(jī)制圖分析法是關(guān)鍵，因?yàn)闆]有教學(xué)過程機(jī)制圖，教學(xué)方案和真實(shí)的教學(xué)活動(dòng)過程（教學(xué)視頻）不具有可比性。教學(xué)過程機(jī)制圖能為我們提供一個(gè)教學(xué)系統(tǒng)的中觀真相[17]，它主要包含學(xué)習(xí)活動(dòng)中參與者的角色行為統(tǒng)計(jì)和行為序列信息、師生交互所對(duì)應(yīng)的知識(shí)組塊以及對(duì)特定教學(xué)活動(dòng)的定性描述。有了教學(xué)過程機(jī)制圖，我們便可以考察靜態(tài)的教學(xué)方案與真實(shí)的教學(xué)過程之間的差異，并且反思這些差異是否是教學(xué)方案設(shè)計(jì)不良引起的，進(jìn)而考察教學(xué)方案背后的更深層的課程設(shè)計(jì)缺陷。

三、STEM課程開發(fā)案例

下面以某公司的“抓住風(fēng)：設(shè)計(jì)風(fēng)車”這一模塊為例，說明上述STEM課程的設(shè)計(jì)過程的核心環(huán)節(jié)。

（一）STEM創(chuàng)意——設(shè)計(jì)風(fēng)車

該模塊提供了一個(gè)背景故事：故事的主人公雷夫和他的表妹遇到了一個(gè)問題：他們的池塘里魚兒缺氧了;雷夫決定制作一個(gè)風(fēng)車，利用風(fēng)能來帶動(dòng)槳，為池塘里的魚兒補(bǔ)充氧氣;在這個(gè)過程中雷夫?qū)W會(huì)了很多關(guān)于風(fēng)能、機(jī)器和風(fēng)車的知識(shí)，并成功地制作了一臺(tái)風(fēng)車。

該模塊對(duì)學(xué)生作品的要求：按照工程設(shè)計(jì)過程，制作一個(gè)風(fēng)車，該風(fēng)車的轉(zhuǎn)動(dòng)能夠提起一定的重物（紙杯中的砝碼，越多越好）。

該模塊所整合的S.T.E.M.知識(shí)內(nèi)容包括：能量、不同形式能量間轉(zhuǎn)化、機(jī)器、風(fēng)車的結(jié)構(gòu)、影響捕捉風(fēng)能效率的要素、各種材料的屬性（顏色、強(qiáng)度、形狀、彈性、大?。?，等等。

該模塊所需要的材料：70克A4紙、硬紙板、錫箔紙、紅毛氈、木棒、泡沫球（轉(zhuǎn)輪）、小紙盒（風(fēng)車支架）、膠帶、紙杯、砝碼，等等。

學(xué)生所面對(duì)的挑戰(zhàn)：選擇什么材質(zhì)的材料制作成何種形狀的葉片、如何將葉片安裝到轉(zhuǎn)輪上才能最大程度上捕捉到風(fēng)能，并使風(fēng)車轉(zhuǎn)動(dòng)。

這個(gè)主題創(chuàng)意源白美國(guó)波士頓科學(xué)博物館EiE（Engineering is Elementary）“工程為本”系列STEM課程中的一個(gè)模塊，并經(jīng)過培識(shí)北京）技術(shù)有限公司的升級(jí)改編，屬于借來的主題。從無到有地創(chuàng)生STEM主題不是本文的核心議題，需另外單獨(dú)撰文闡明。

（二）知識(shí)建模

圖4和下頁(yè)圖5呈現(xiàn)了這個(gè)STEM單元的局部知識(shí)建模圖，其中某些知識(shí)組塊被標(biāo)識(shí)出來了。

（三）學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)

制作風(fēng)車是“強(qiáng)度高、面積大的葉片更能捕捉風(fēng)能”“風(fēng)車的構(gòu)成”“葉片與風(fēng)向夾角大于45?！薄皩ふ姨厥饨恰焙汀肮こ淘O(shè)計(jì)五步”等知識(shí)的應(yīng)用。這些知識(shí)的理解與應(yīng)用（即學(xué)習(xí)目標(biāo)）被分配到這4節(jié)90分鐘的大課中：情境故事課一知識(shí)拓展課—設(shè)計(jì)實(shí)踐課—挑戰(zhàn)匯報(bào)課。

1.情景故事課：雷夫抓住風(fēng)

這節(jié)課，師生共同閱讀故事書《雷夫抓住風(fēng)》，通過閱讀讓學(xué)生了解機(jī)械工程師及其從事的工作、建立學(xué)生對(duì)工程設(shè)計(jì)過程的初步認(rèn)識(shí);通過實(shí)驗(yàn)演示，讓學(xué)生理解“空氣流動(dòng)形成風(fēng)”“風(fēng)是有能量的”“風(fēng)與物體的相互作用可以用來做功”等知識(shí)。

2.知識(shí)拓展課：了解機(jī)器與探索材料

這節(jié)課，讓學(xué)生從機(jī)械工程師的視角來觀察和分析機(jī)器，比如打蛋器、開罐器、膠棒、自動(dòng)鉛筆等，引導(dǎo)他們要關(guān)注機(jī)器的功能、結(jié)構(gòu)以及運(yùn)轉(zhuǎn)過程與能量的傳遞，為制作風(fēng)車做準(zhǔn)備;學(xué)生通過探索學(xué)習(xí)，嘗試設(shè)計(jì)與測(cè)試船帆，進(jìn)一步理解材料的屬性，進(jìn)而意識(shí)到船帆捕捉風(fēng)的能力受多種因素（材質(zhì)、形狀、大小、白重、安裝角度等）的影響。

3.設(shè)計(jì)實(shí)踐課：?jiǎn)我蛩貙?shí)驗(yàn)探究

這節(jié)課，學(xué)生進(jìn)行4組單因素實(shí)驗(yàn)，分別探究材料軟硬（強(qiáng)度）、船帆形狀、船帆自重、船帆大小4個(gè)因素對(duì)于船帆捕捉風(fēng)能效果的影響;教師演示船帆與風(fēng)向夾角的實(shí)驗(yàn)，利用“尋找特殊角”的策略，使學(xué)生理解：船帆與風(fēng)向垂直時(shí)能更好地捕捉到風(fēng)。

4.挑戰(zhàn)匯報(bào)課：設(shè)計(jì)風(fēng)車

這節(jié)課，學(xué)生在以上幾節(jié)課知識(shí)儲(chǔ)備的基礎(chǔ)上，按照工程設(shè)計(jì)流程（提問、構(gòu)想、計(jì)劃、創(chuàng)建、改進(jìn)）設(shè)計(jì)制作他們的風(fēng)車作品，并通過測(cè)試風(fēng)車提起砝碼的數(shù)量，來衡量風(fēng)車捕捉風(fēng)能做功的能力。

上述每節(jié)課都包含多個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)。每個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)負(fù)責(zé)完成一部分學(xué)習(xí)目標(biāo)，它包含多個(gè)活動(dòng)任務(wù)并將學(xué)習(xí)目標(biāo)分配給各個(gè)活動(dòng)任務(wù)，并配置特定的活動(dòng)規(guī)則?；顒?dòng)任務(wù)表現(xiàn)為師生交互過程以及交互所需的資源工具?；顒?dòng)任務(wù)的師生交互必須按照特定方式完成對(duì)特定知識(shí)組塊的學(xué)習(xí)，以便將學(xué)習(xí)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為具體的交互行為。下頁(yè)表是摘自第2課《了解機(jī)器與探索材料》的某個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)表格的部分節(jié)選。知識(shí)組塊一欄中的子圖就是這個(gè)任務(wù)的知識(shí)組塊，其中包含著目標(biāo)知識(shí)點(diǎn)，比如船帆的概念和屬性。知識(shí)組塊與前述二維學(xué)習(xí)目標(biāo)的知識(shí)點(diǎn)有關(guān)，任務(wù)類型與二維學(xué)習(xí)目標(biāo)的學(xué)習(xí)水平有關(guān)。比如下頁(yè)表中的任務(wù)類型欄中的B類和E類任務(wù)屬于“理解”水平。也就是說，下頁(yè)表所呈現(xiàn)的學(xué)習(xí)活動(dòng)的學(xué)習(xí)目標(biāo)屬于意義建構(gòu)。BE合在一起說明該任務(wù)是復(fù)合類型，意為通過實(shí)例來理解知識(shí)的內(nèi)涵。具體的活動(dòng)任務(wù)描述在“任務(wù)描述”欄，整個(gè)師生交互行為以及與之配合的資源工具、學(xué)習(xí)成果等設(shè)計(jì)必須貫徹執(zhí)行這個(gè)任務(wù)描述，而且需要在細(xì)節(jié)上落實(shí)知識(shí)組塊中的那些知識(shí)點(diǎn)。如下頁(yè)表中的“動(dòng)力提升&STEM體現(xiàn)”一欄，用于設(shè)計(jì)者檢查設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，確保將動(dòng)力提升的設(shè)計(jì)和STEM理念的落實(shí)。從中我們可以看到，STEM學(xué)習(xí)活動(dòng)并非處處體現(xiàn)STEM理念。要實(shí)現(xiàn)STEM理念，必須從主題到整個(gè)過程再到交互細(xì)節(jié)進(jìn)行完整設(shè)計(jì)。STEM理念是彌漫性地落實(shí)在細(xì)節(jié)之處的，但可以設(shè)計(jì)得很自然。

（四）何以STEM

總的來說，在“抓住風(fēng)”這個(gè)單元模塊的STEM整合，體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：（1）學(xué)生在嘗試性船帆設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)探究，并要求在嘗試設(shè)計(jì)過程保留學(xué)生的困惑和疑慮，引導(dǎo)學(xué)生勇于質(zhì)疑，精準(zhǔn)判斷。（2）學(xué)生分組探究，多次實(shí)驗(yàn)、對(duì)比實(shí)驗(yàn)的減少誤差，并貫穿科學(xué)實(shí)驗(yàn)原則，盡可能控制其他條件不變，測(cè)量不同船帆的小船航行的距離。（3）整合工程技術(shù)（工程五步）、物質(zhì)科學(xué)（材料屬性）、數(shù)學(xué)（幾何圖形）等領(lǐng)域知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，分別探究影響船帆捕捉風(fēng)能的各因素。（4）學(xué)生利用“設(shè)計(jì)船帆”獲得的關(guān)于材料的理解以及“風(fēng)與物體的相互作用可以做功”的相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)風(fēng)車葉片，解決新的問題。

四、結(jié)語(yǔ)

STEM課程開發(fā)的關(guān)鍵在于：（1）主題設(shè)計(jì)既要體現(xiàn)作品創(chuàng)制、義要體現(xiàn)特定知識(shí)運(yùn)用;（2）通過知識(shí)建模使得課程所包含的知識(shí)體系清晰化且滿足數(shù)據(jù)一致性的要求;（3）利用LACID之類的教學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)從顯性的知識(shí)運(yùn)用能力的目標(biāo)出發(fā)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動(dòng)的所有成分和屬性，確保目標(biāo)一手段一致性，并嵌入科學(xué)價(jià)值觀等隱形目標(biāo)的要求，這自然產(chǎn)生了詳案設(shè)計(jì)。

如此高成本、高投入的設(shè)計(jì)工作是生產(chǎn)高質(zhì)量STEM課程的基本保障。然而高校實(shí)驗(yàn)室或者中小學(xué)校本課程開發(fā)卻無法長(zhǎng)期穩(wěn)定地、持續(xù)地投入如此高的設(shè)計(jì)成本以求產(chǎn)生高質(zhì)量、成體系的STEM課程。務(wù)實(shí)地講，STEM課程的供給必須依賴教育產(chǎn)業(yè)公司。市場(chǎng)主體在供給側(cè)參與教育實(shí)踐是教育現(xiàn)代化的基本要求和大勢(shì)所趨。

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作者簡(jiǎn)介：

楊開城：教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾陆逃龑W(xué)（yangkc_beijing@bnu.edu.cn）.

李波：在讀博士，研究方向?yàn)镾TEM課程開發(fā)（lib02020@126.com）。

竇玲玉：在讀碩士，研究方向?yàn)榻虒W(xué)設(shè)計(jì)（748989270@qq.com）。

公平：工程師，研究方向?yàn)镾TEM教育（gongping@cstem.com.cn）。