許秋璇　楊文正　盧雅　周琴英

[摘? ?要] STEM教育旨在通過應用跨學科知識解決真實情境問題過程中培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)。針對STEM整合課程教學實施中存在的“缺乏總括性目標廓清學科概念間的關系，缺少反映學科概念交叉和序列的顯性化表征途徑，跨學科任務情境之間的連貫性、梯度性不強”等問題，文章提出融入“大概念”的STEM整合課程設計新思路。首先基于奧蘇貝爾有意義學習理論，凝練出從“具體概念、學科概念到跨學科概念”抽象的大概念層次框架，為厘清跨學科概念間的邏輯關系提供顯性化表征途徑;其次，借鑒國外圍繞大概念進行STEM整合課程設計經驗，構建了融入“大概念”的STEM課程設計模型，并闡釋了STEM整合課程中各學科知識間交叉的融合機制和課程實施的具體路徑;最后，以“如何讓紙飛機飛行時間更長？”為項目主題開展Scratch編程教學活動。研究的價值在于探索大概念與STEM整合課程耦合的實踐途徑，為一線中小學教師開展STEM跨學科教學提供參考范例。

[關鍵詞] 核心素養(yǎng); 大概念; STEM整合課程; 項目式教學; Scratch編程教學

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A

[作者簡介] 許秋璇（1996—），女，湖北鄂州人。碩士研究生，主要從事信息技術教育應用研究。E-mail：571147179 @qq.com。楊文正為通訊作者，E-mail：yang121@yeah.net。

一、問題提出

被稱為“元學科”的STEM教育強調在夯實科學、技術、工程、數學等多學科知識基礎上，提高學生以跨學科的新思維、新方法解決真實復雜問題的綜合能力[1]。作為一種整合型的課程形態(tài)，STEM課程通過讓學生在解決真實情境問題過程中，建立學科領域知識之間的交叉融合，其批判性思考、協作交流、創(chuàng)新思維等綜合能力得到發(fā)展。STEM整合課程需要依據選定主題找到學科內部知識的縱向關聯，學科間知識的橫向關聯以及跨學科知識網絡的有機聯系，而非簡單地將科學、技術、工程和數學四門學科進行“拼盤式”的混合，更不是機械地將所有學科知識都設計到某一節(jié)課堂教學中。

當前，STEM課程在教學實施中存在的問題主要有：（1）學科領域簡單疊加，學科知識淺層拼湊。面對STEM實際教學活動中涉及的若干學科事實、概念和原理等，多數教師未能依據總括性目標，架構出能夠厘清諸多學科之間內在邏輯聯系的知識框架。（2）缺少反映學科概念交叉和序列的顯性化表征途徑。學科知識間的聯系通常具有內隱性，大部分教師難以辨析出知識概念間的層次關系，難以探尋出如何將跨學科知識間的網狀關系進行顯性化表征的途徑。（3）跨學科任務情境的連貫性、梯度性和拓展性不足。在將現實生活問題轉化為特定情境下教學主題的過程中，較少教師能依據學科知識序列、學習目標層級來設計前后銜接合理、難度層層遞進的系列任務。（4）較少提供針對學生個體知識建構差異性的學習支架支持。面對不同學生認知結構的差異性，教師容易忽視學生是否已具備跨學科知識習得的先前經驗，在學生個體知識建構與其認知發(fā)展不匹配時，未能及時提供適合學生“最近發(fā)展區(qū)”的學習支架。（5）易于忽視從概念知識組建向學科思維培養(yǎng)的過渡，難以達成促進學生高階思維培養(yǎng)的教學目標。STEM跨學科教育過程中，多數教師僅停留于幫助學生在科學探究中將事實性知識“同化”到已有概念框架中，讓學生重復操練已習得的技能，而忽視學生在工程設計中將具體事實提升至更高抽象級別的概念，感悟不同學科方法帶來的思維變化。

如何在STEM整合課程實施中使學生知識結構得到系統(tǒng)性建構，培養(yǎng)其運用系統(tǒng)方法解決問題的能力;如何在STEM項目活動中引導學生發(fā)現學科知識間內在關聯，發(fā)現其背后隱藏的思想價值。這不僅關乎STEM整合課程的實施效果，而且還關涉到STEM教育在推動學生核心素養(yǎng)持續(xù)發(fā)展方面的作用與價值。我國《普通高中課程方案（2017年版）》明確強調“以學科大概念為核心，使課程內容結構化，促進學科核心素養(yǎng)的落實”[2]。大概念以其呈現的“中心性、可持久性、網絡狀和可遷移”特征，在對跨學科知識的精煉與整合、搭建學科概念層次框架以及促進學生知識建構和核心素養(yǎng)形成方面，具有重要的價值。大概念教學為破解STEM整合課程實施中的問題提供新視角，成為STEM整合課程實施的有效途徑。本文基于對大概念和STEM整合課程內涵的深入剖析，從“具體概念、學科概念、跨學科概念”層次提煉出大概念分析框架，構建出融入“大概念”的STEM課程設計模型，最后以“如何讓紙飛機飛行時間更長？”為主題進行STEM項目式教學活動實踐，旨在為一線教師開展STEM教學提供參考范例。

二、“大概念”內涵及其分析框架

大概念的思想源于美國教育心理學家杰羅姆·布魯納（Jerome Bruner）倡導的學科結構運動，他認為理解學科知識間相互聯系的前提是讓學生掌握學科知識的基本結構[3]。此后，國外學者從不同側面對大概念的內涵進行闡釋。菲利普·菲尼克斯（Phillip Phenix）認為“一門學科知識根據某種固定的模式進行組織，學生只有全面理解學科的代表性概念，才能清晰界定適合學科設計的主要特定要素”[4];格蘭特·威金斯（Grant Wiggins）等研究中的大概念特指“能夠使離散的事實或技能有意義地聯系的概念，是強化學生思維，使學生具備應用和遷移能力的關鍵”[5]。我國學者對“大概念”進行概括[6]：“大概念居于學科的中心位置，集中體現學科課程特質的思想;大概念有助于設計連續(xù)聚焦一致的課程，有助于發(fā)生學習遷移;大概念具有概括性、永恒性、普遍性、抽象性?！庇纱耍覀冋J為大概念是指能涵蓋跨學科知識之間的橫向聯系和學科內部知識發(fā)展的縱向聯系，具有較強概括性、包容性和解釋力的上位概念，其目的在于凝練跨越學科領域知識的關鍵能力和高階思維。

STEM整合課程關注真實問題的解決，強調知識與能力并重，注重知識的跨學科遷移，以促成跨學科知識融合的協同效應發(fā)生[7]。在STEM整合課程實施層面，溫·哈倫（Wynne Harlen）等人[8]從“大概念”視角提出科學教育的原則，總結凝練出科學教育中的10個科學知識大概念和4個關于科學思維本質的大概念;美國《新一代科學教育標準》[9]提出圍繞“大概念”實施科學教育的三個維度：學科核心概念、跨學科概念和科學與工程實踐，強調圍繞學科核心概念設計一系列由簡單到復雜，由具體到抽象的概念序列，旨在幫助學生以“螺旋式上升”的認知路徑建構完整的概念體系和學科素養(yǎng)的形成。

基于奧蘇貝爾（David Ausubel）有意義學習理論核心要義：學科認知結構的形成是以學科子概念作為節(jié)點自下而上建立網狀聯系的進階過程。本研究從認知心理學視域剖析反映學科概念交叉和概念序列的顯性化表征途徑。有意義學習是指符號所代表的新知識與學習者認知結構中已有的恰當知識建立非人為的、實質性的聯系[10]。這種知識之間有意義的聯系主要依托于學生在原有認知結構中找到與新知識聯結的固著點，并從固著點出發(fā)通過“類屬學習”向下衍生更為具體的下位概念，通過“總括學習”向上延伸解釋力和包容性更強的上位概念，通過“并列學習”橫向拓展出學科知識之間的交叉聯系。依此本研究提出大概念層次框架，如圖1所示。

大概念層次框架自上而下劃分為跨學科概念層、學科概念層和學科子概念層。作為統(tǒng)攝諸多學科核心概念的內核與主線，大概念類似于課程標準提出的“跨學科概念”，即“抽象與具體、數量與比例、圖式與模式、結構與功能、原因與結果”等多對跨學科概念[11]，是通向綜合跨學科知識解決問題能力培養(yǎng)的“高級規(guī)則”;位于學科概念層的核心概念是學科本質內容和思想方法的抽象，各學科提煉的核心概念之間形成的跨學科交叉領域正是抽象概括為大概念的基石，并且核心概念之間也可實現學科內部的交叉融合;位于學科子概念層的具體概念由各學科中最小單位的事實性知識組成，相同學科具體概念可以進行學科交叉，不同學科具體概念之間也可進行跨學科交叉。大概念層次框架與羅伯特·加涅（Robert M. Gagnè）的智慧技能層級說類似：大概念學習以核心概念作為前提條件，核心概念學習又以具體概念學習作為先決條件，學生對大概念的習得過程就是從掌握基本概念向應用復雜規(guī)則、創(chuàng)造性解決問題轉變的過程[12]。

三、融入“大概念”的STEM整合課程設計模型構建

STEM整合課程旨在將跨學科知識“錨入”到真實問題情境中，實現不同學科領域的有機融合，從而有目的、有計劃地組織課程內容[13]。大概念層次框架與STEM整合課程理念不謀而合，為STEM整合課程的設計與實施提供實踐指導。一方面，大概念層次框架能幫助教師廓清STEM學科概念之間的邏輯關系，從跨學科領域中抽象出上位概念并轉化為前后銜接緊密、難度層層遞進和具有跨學科知識融合的具體任務情境。另一方面，大概念層次框架能幫助教師快速找到學生原有的認知水平，并選擇適合學生認知發(fā)展水平的“先行組織者”支架，設計促進學生個性化發(fā)展的認知路徑。當學生缺乏跨學科學習的概念基礎時，教師可借助大概念層次框架為學生在學科內和學科間獲取相應概念提供腳手架，幫助學生在工程設計情境中引出相關學科的前概念，并以‘同化或‘順應的方式重新組建新概念[14]。

大概念層次框架為STEM整合課程設計提供有價值的啟示：（1）STEM課程設計應重視整合經驗。即遵循學生整合跨學科知識體系的認知規(guī)律設計課程目標和課程內容，在學生單科學習的先前經驗基礎上提供相應的學習支架，幫助學生突破學科概念建構的重難點;（2）STEM課程設計應重視任務情境創(chuàng)設的延展性。即沿著大概念的指向選取生活中的真實問題創(chuàng)設具有連貫性、梯度性和拓展性的任務情境，讓學生將已有的經驗與當前的任務建立聯系，主動引出學生對相關學科前概念的回憶和提取，形成正確篩選和應用相關學科概念來解釋科學原理、設計方案;（3）STEM整合課程應特別關注學習支架的設計。教師通過拋出系列驅動性問題，提供認知工具，幫助學生在工程設計中運用已有的科學概念解決工程設計問題，在科學探究中建構大概念，助力其實現學科知識向學科思維轉化和升華。

圍繞大概念進行整合課程設計與實施方面，STEM課程專家克里斯提那·查莫斯（Christina Chalmers）提出“系統(tǒng)網模式”，包括四個子系統(tǒng)[15]：（1）構建原則系統(tǒng)，是指STEM課程單元應圍繞大概念進行設計，并要求學生通過搭建、解釋和迭代解決問題的模型實現對大概念的理解;（2）活動序列系統(tǒng)（包括初步活動、設計活動、探索活動、適應活動和綜合討論五個基本模塊），通過不同的組合方式引導學生對STEM大概念進行探索和應用;（3）思維工具系統(tǒng)，旨在提供包含思維導圖、概念圖等支持大概念學習的腳手架;（4）評估反饋系統(tǒng)，是指通過活動資料收集、作品展示以及觀察、訪談和測評等評估方式對大概念的學習效果進行系統(tǒng)評價。埃爾多安（Niyazi Erdogan）則針對STEM課程教學過程，提出STEM項目設計的四要素[16]：（1）投入，明確項目的目標和過程;（2）管理，確定項目學習的方法和策略;（3）產生，形成項目學習的方案并取得結果;（4）評估，對學習過程和結果進行評價。STEM課程設計的“系統(tǒng)網模式”和“項目設計四要素”都包括課程目標、課程內容、課程資源、課程實施活動策略及課程評價等主要環(huán)節(jié)要素。

“大概念”作為穩(wěn)定跨學科知識結構的核心“錨點”，是促進學科領域知識向融合多學科領域知識應用情境轉化的橋梁，滿足了STEM整合課程對“多學科知識按項目邏輯進行跨學科重組，以及確保設計的問題或項目對學科知識結構的全面、均衡覆蓋”[17]的內在要求?！按蟾拍睢钡膶W習過程本身就蘊含著各種解決問題范式，通過設計真實開放的任務情境，促使學生在科學探究和工程設計實踐中將跨學科領域知識向核心素養(yǎng)轉化和升華。本研究借鑒STEM課程設計的“系統(tǒng)網模式”和“項目設計四要素”優(yōu)勢，結合前文提出的大概念分析框架，構建了融入“大概念”的STEM課程設計模型，如圖2所示。

（4）交流評價，迭代改進。教師邀請行業(yè)專家依據提前設計好的評價標準對各組的項目成果進行檢測和評估，并給出修改完善建議。各組學生先通過內部測試和評估項目成果，發(fā)現設計存在的問題，并結合其他測評人員的建議列出問題清單，指導小組重新迭代改進模型設計和程序腳本。

（5）成果分享，自評反思。教師通過組織交流分享活動，為學生展示作品創(chuàng)造機會，引導學生總結反思，增強學生參與科學探究的成就感與自信心。另外，教師指導學生填寫自我評價量表，引導學生進行實踐反思，并根據學生在探究過程中的具體表現作出評價。學生在成果展示過程中回顧參與項目活動的全過程，思考運用了哪些跨學科知識以及如何解決實際問題。同時，學生通過自評反思明晰不足，激勵自己在后續(xù)的探究活動中改進與提升。

（二）教學實施過程

案例以“如何讓紙飛機飛行時間更長？”為主題，依托云南省昆明市第三中學八年級X班《信息技術課程》，融合科學、數學、物理課程開展STEM項目式教學。依據STEM整合課程項目式教學流程，將STEM項目式教學過程劃分為五個階段，總共六課時完成。案例強調通過設計探究問題打通學科領域之間的界限，從跨學科知識融合視域引出“如何延長紙飛機的飛行時長？”問題，旨在提升初中生科學、技術、工程和數學等學科知識的綜合應用能力。

教師首先從科學、信息技術、物理和數學學科課程標準中選擇要求學生理解的相關教學目標;借助大概念層次框架厘清STEM項目活動中涉及的大概念、核心概念和具體概念。其次，教師根據大概念設計對應各學科知識的探究問題：為什么飛機能飛向藍天？（科學）;如何用Scratch編程軟件設計飛行時間最長的概念飛機？如何用Excel表格記錄測試紙飛機飛行的數據？（信息技術）;怎么折疊紙飛機？（工程）;如何測量紙飛機性能？（數學），并與學生共同協商項目主題為“如何讓紙飛機飛行時間更長？”。第三，將STEM項目主題融合細化成三維目標：知識與技能（知道伯努利原理，掌握力的類型和計算升阻比的方法）;過程與方法（能用工具測量紙飛機機翼長度、機翼角度和平面面積，能用Scratch編程工具設計紙飛機的程序腳本，并能通過Excel表格記錄分析紙飛機性能數據）;情感態(tài)度與價值觀（體會科學探究和工程設計是迭代優(yōu)化的過程，培養(yǎng)批判性思考和綜合解決問題能力）。為更加清晰地突顯學科概念間的層級關系，教師借助思維導圖工具將各學科探究問題中隱含的大概念、核心概念、具體概念以可視化形式展現，如圖4所示。

（1）融入情境，明確問題。在觀看《飛機發(fā)展史》微視頻后，教師引導學生觀察與思考飛機的基本結構，伯努利原理對飛機飛行的重要性以及飛機的發(fā)展歷程。之后，教師提問：“飛機的發(fā)明給我們的生活帶來了哪些影響？”引發(fā)學生結合自身經歷展開交流與討論。LG同學思考后提出疑問：“為什么飛機能夠飛上藍天？”教師順勢引導：“同學們可以回顧我們學過的知識或收集飛機發(fā)展的相關資料思考回答這個問題！”

（2）頭腦風暴，模型設計。在教師的啟發(fā)引導下，學生異質分組后查閱關于飛機發(fā)展史和伯努利原理的文字、圖片資料，并合作填寫學習知識卡片。之后，教師組織各組學生分享交換學習知識卡片，在交流討論中深化對伯努利原理的理解。教師提出明確的任務情境：“如何用Scratch編程軟件設計飛行時間最長的概念飛機？”各組學生參考活動指南展開頭腦風暴，討論概念飛機的設計方案，同時在《頭腦風暴記錄表》上記錄討論內容。例如，A組學生LBY認為“流線型的飛機受空氣的阻力小”，學生XL提議“機翼長的飛機平衡感可能會更好”，學生YWB認為“機翼表面積越大可能會越重，不利于保持飛行”。最終A組學生經過協商后先在草稿本上畫出概念飛機的形狀，再通過Scratch編程軟件上的“畫筆”模塊，運用上節(jié)課學習的分治算法編寫概念飛機的程序腳本，如圖5所示。

（3）原型制作，記錄數據。教師為各組學生準備好不同材質的紙張、秒表、剪刀、卷尺等活動材料，并再次明確本階段的活動任務是“充分利用材料折疊出飛行時間最長的紙飛機，并作好試飛數據的記錄”。在小組協作制作紙飛機之前，學生根據任務分工明確職責，并討論用何種材質的紙張折疊紙飛機。譬如，A組學生JMN主要負責紙飛機的折疊和試飛;學生LBY利用秒表和卷尺等工具測量紙飛機試飛的時間、距離等數據并計算紙飛機飛行速度;學生XL在《試飛記錄表》上記錄紙飛機試飛的次數、距離和時間;學生YWB利用量角器和卷尺測量機翼角度、機翼長度和拋擲紙飛機時飛機離手的高度，運用《平面圖測量表》估算紙飛機的平面面積。在完成所有試飛數據采集后，A組學生在《紙飛機性能數據計算表》上共同填寫記錄數據，計算出飛機質量、升力、阻力、升阻比以及升力系數和阻力系數。這時教師會介紹升力、阻力、升阻比、升力系數和阻力系數的概念和函數計算公式，幫助學生了解本組制作的紙飛機在產生升力和減弱阻力方面的表現。

（4）程序優(yōu)化，模型迭代。各小組先對紙飛機試飛情況進行內部測評，并將紙飛機試飛中出現的問題記錄在問題清單中。隨后，教師組織各組學生在教室里進行“紙飛機飛行比賽”，比較哪組設計的紙飛機飛行時間最長，比賽過程中為其他同學發(fā)放《紙飛機性能互評表》，指導學生根據評價標準對紙飛機進行評分并提出改進建議。比賽結束后，教師將互評表分發(fā)給各組學生，引導學生反思優(yōu)化設計方案。例如，A組學生YWB在查看互評建議后發(fā)現本組同學存在錯誤概念：“紙飛機機翼的面積越大，飛機升力越小”。他建議用Scratch編程軟件重新設計“概念飛機”機翼部分的程序腳本，通過“畫筆”模塊重新設定坐標點繪制機翼面積更大的“概念飛機”，再用A4紙折疊出“概念飛機”模型。經過多次試飛，A組迭代改進后的紙飛機飛行時間更長且更加平穩(wěn)。

（5）展示作品，反思總結。各組學生確定好“最終版”的紙飛機后，教師組織學生參與“紙飛機展覽會”活動，為學生搭建交流與展示的平臺。學生需要準備好演示文稿，向大家介紹紙飛機的制作材料、制作過程、小組分工、活動收獲等內容。之后，學生需要回顧本次項目活動的過程與感受，完成項目報告、反思報告和自我評價量表。教師讓小組長收集各組的過程性材料、演示文稿、項目報告和反思報告，綜合活動中學生的具體表現對每位學生進行評價。評價量表由問題分析、模型設計、原型制作、迭代優(yōu)化、作品展示、作品質量、團隊協作七個評價指標和對應的評價要求及權重組成，最后附上教師評語。教師在完成總結性評價后及時將評價結果反饋給學生，幫助學生提升反思實踐能力。

（三）教學反思

本次STEM整合課程的教學案例以解決真實情境中的問題為出發(fā)點，教學內容上強調學生要“跨學科”解決問題，通過隱含“大概念”的探究問題聯通科學、技術、工程和數學等學科知識，是融入“大概念”的STEM課程設計與實施的有益嘗試。在教學活動設計方面，大概念層次框架將本次項目主題涵蓋的學科知識框架顯性化表征出來，確保設計的教學目標對學科知識結構的全面、均衡覆蓋，為教學目標和教學內容設計提供了清晰的教學圖景。教師采用“逆向設計”思路，充分挖掘“大概念”在實際生活中的應用情境，并將其轉化為利于學生理解和激發(fā)學生探究興趣的系列驅動性問題，以此為教學線索設計具備銜接性和梯度性的教學內容。在教學實施過程中，本次項目活動不僅要求學生掌握學科概念本身，更是將知識的內隱性融入生活的實踐性和社會性之中，促進其計算思維、工程思維和科學思維等高階思維形成與發(fā)展。從知識建構和大概念理解層面而言，學生依循系列跨學科真實情境問題為線索，在分析問題、收集資料、建立假設和規(guī)劃方案的同時潛移默化地調用已有經驗去架構新的學科概念，從而以循環(huán)迭代的方式完成超越STEM各學科的“大概念”的習得。

五、結? ?語

如何推進STEM課程的實施是中小學普遍面臨的實際問題。當前，多數STEM教育未能從“學科孤立”走向“學科綜合”，從單純“學科教學”走向跨學科“課程育人”，從“正確解析”走向“指導項目”。厘清學科概念間的邏輯關系是實施超越學科界限的STEM整合課程的核心所在。大概念教學有助于教師構建有內涵的STEM整合課程和把握STEM教學的核心。本研究凝練出從“具體概念、學科概念到跨學科概念”抽象的大概念層次框架，為廓清跨學科概念間的邏輯關系提供顯性化表征途徑;所構建的融入“大概念”的STEM課程設計模型一定程度上顯性化地體現了STEM整合課程的具體設計流程以及教學實施內容，能為教師融合跨學科知識開發(fā)STEM整合課程，實施問題式或項目式教學提供指導框架。融入“大概念”的STEM課程設計模型有助于教師以多學科綜合應用的開放視角拓展STEM教學活動，以“聚合收斂”的學習結果作為驗證教學效果的證據，讓教師在實施教學過程中做到有的放矢。然而，做好STEM教育需要教師具備STEM整合課程開發(fā)與應用能力，跨學科知識技能的融合能力，批判性、創(chuàng)新性思維的應用能力，工程思維、技術方法的實踐能力，以及問題式、項目式教學的實施能力[20]。這不僅對教師提出了更高要求，更是推動STEM整合課程落實普及的關鍵。如何圍繞“大概念”深度挖掘學科價值，構建跨越學科界限的STEM教學共同體是后續(xù)實踐的重心。

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[Abstract] STEM education aims to cultivate students' core literacy through the application of interdisciplinary knowledge to solve real-world problems. In view of the problems existing in the implementation of STEM integrated courses， such as " the lack of overarching goals to clarify the relationship between subject concepts， lack of explicit representations reflecting the intersections and sequences of subject concepts， and lack of coherence and gradient between interdisciplinary task situations "， this paper proposes a new approach of STEM integrated curriculum design with "big concepts". Firstly， based on Ausubel's meaningful learning theory， an abstract conceptual hierarchy framework from is formulated from "concrete concept， discipline concept to interdisciplinary concept"， which provides an explicit representation approach to clarify the logical relationship between interdisciplinary concepts. Secondly， learning from foreign experiences in STEM integrated curriculum design around big concepts， the STEM curriculum design model with "big concept" is constructed， and the cross-disciplinary integration mechanism and the specific path of curriculum implementation in STEM integrated courses are explained. Finally， the scratch programming teaching practice with the project theme of "how to make paper aircraft fly longer？" are conducted. The value of the research lies in exploring the practical approach of coupling big concepts with STEM integrated courses， and providing a reference for primary and secondary school teachers to carry out the STEM interdisciplinary teaching.

[Keywords] Core Literacy; Big Concept; STEM Integrated Curriculum; Project-based Teaching; Scratch Programming Teaching