葉靜怡

【摘要】介紹了STEM課程理念及其跨學(xué)科整合模式，在歸納STEM課程設(shè)計(jì)模式的基礎(chǔ)上進(jìn)行基于校本課程的跨學(xué)科整合STEM課程設(shè)計(jì)，并對(duì)校本STEM課程設(shè)計(jì)提出未來展望。

【關(guān)鍵詞】STEM;跨學(xué)科整合;校本課程;課程設(shè)計(jì)

【中圖分類號(hào)】G632.4【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1992-7711（2020）30-091-04

1.STEM教育理念

1.1 STEM教育的定義

STEM是科學(xué)（ Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科的簡稱，可見STEM教育強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合，其目標(biāo)就是提升學(xué)習(xí)者的STEM素養(yǎng)。

對(duì)于STEM教育的定義，目前學(xué)術(shù)界存在著三種理解，并且都各有實(shí)踐體現(xiàn)：第一種認(rèn)為STEM教育是一門后設(shè)課程，即在學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)STEM相關(guān)的獨(dú)立課程之外再學(xué)習(xí)一門如何綜合運(yùn)用STEM知識(shí)的獨(dú)立課程。后設(shè)課程取向的STEM教育多見于以STEM理念進(jìn)行學(xué)校的研究性學(xué)習(xí)、選修課或者是創(chuàng)客教育的課程設(shè)計(jì)，會(huì)為這個(gè)課程買專業(yè)的儀器甚至專門設(shè)立實(shí)驗(yàn)室，通常會(huì)更為強(qiáng)調(diào)"技術(shù)"在教育中的應(yīng)用。第二種認(rèn)為STEM教育是一門有機(jī)整合STEM知識(shí)的獨(dú)立課程，由它代替?zhèn)鹘y(tǒng)的STEM所涉及的課程，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的綜合運(yùn)用各專業(yè)知識(shí)的能力。目前在國內(nèi)常規(guī)教育體系之下，科學(xué)教育是分科進(jìn)行的，還沒有出現(xiàn)中小學(xué)開發(fā)獨(dú)立的STEM課程來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的科學(xué)分科課程，而獨(dú)立課程取向的STEM教育也未見報(bào)道。第三種則將STEM教育視為一種教學(xué)策略，其核心目標(biāo)是通過靈活應(yīng)用探究性學(xué)習(xí)、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)和基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)等方式，來培養(yǎng)學(xué)習(xí)者綜合利用STEM知識(shí)解決現(xiàn)實(shí)問題的能力。教育策略取向的STEM教育最為常見，多被應(yīng)用于中小學(xué)的理科教育，目前所見，數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)以及生物等科目都有STEM教育策略的應(yīng)用嘗試。

1.2 STEM教育的跨學(xué)科特征

無論是哪一種理解，都強(qiáng)調(diào)了STEM教育涉及多學(xué)科，所以跨學(xué)科性是它最重要的核心特征。跨學(xué)科意味著教育工作者在 STEM 教育中，不再將重點(diǎn)放在某個(gè)特定學(xué)科或者過于關(guān)注學(xué)科界限，而是將重心放在特定問題上，強(qiáng)調(diào)利用科學(xué)、技術(shù)、工程或數(shù)學(xué)等學(xué)科相互關(guān)聯(lián)的知識(shí)解決問題，實(shí)現(xiàn)跨越學(xué)科界限、從多學(xué)科知識(shí)綜合應(yīng)用的角度提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力的教育目標(biāo)。要注意的是，跨學(xué)科并不是這學(xué)科的簡單疊加，而是要將各門學(xué)科內(nèi)容組合形成有機(jī)整體，以更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力。

1.3 STEM課程的跨學(xué)科整合模式及課程設(shè)計(jì)

余勝泉（2016）認(rèn)為，跨學(xué)科整合的基本取向有三種，分別是：學(xué)科知識(shí)整合取向、生活經(jīng)驗(yàn)與社會(huì)整合取向和學(xué)習(xí)者中心整合取向。知識(shí)整合取向模式一般采用基于問題的學(xué)習(xí)模式（problem-based learning），強(qiáng)調(diào)把學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)在復(fù)雜、有意義的問題情境中，通過學(xué)生合作解決嵌入于真實(shí)情境中的問題或與真實(shí)世界相關(guān)的問題，促進(jìn)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解與建構(gòu)，從而習(xí)得隱含于問題背后的科學(xué)知識(shí)，形成解決問題的技能和自主學(xué)習(xí)的能力。這種學(xué)習(xí)模式，通常每個(gè)課題的學(xué)習(xí)內(nèi)容不會(huì)太復(fù)雜，時(shí)間不會(huì)太長，雖然可能會(huì)使用到跨學(xué)科知識(shí)或?qū)嶒?yàn)技能，但會(huì)有明顯的學(xué)科傾向。例如，任偉等（2015）所進(jìn)行的人教版《化學(xué) 選修4》的“原電池”課題就是此類型學(xué)習(xí)模式。該節(jié)課以“原電池”知識(shí)作為中心展開，設(shè)計(jì)閉合電路、不同金屬電極的選擇、解決形成穩(wěn)定、持久的電流的技術(shù)、化學(xué)轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算等涉及STEM四個(gè)方面知識(shí)的問題貫穿課堂。生活經(jīng)驗(yàn)與社會(huì)取向課程整合模式一般采用基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)模式（ project-based learning），以實(shí)踐性的項(xiàng)目完成為核心，將跨學(xué)科的內(nèi)容、高級(jí)思維能力發(fā)展與真實(shí)生活環(huán)境聯(lián)系起來。項(xiàng)目學(xué)習(xí)一般以開發(fā)最終作品或“人工制品”為出發(fā)點(diǎn)，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生按自己的設(shè)計(jì)思路，采用科學(xué)的方法完成作品設(shè)計(jì)。例如，橋世界[10]就是這種學(xué)習(xí)模式。學(xué)生通過一步步的學(xué)習(xí)任務(wù)，運(yùn)用學(xué)到的技術(shù)，最終自己用材料構(gòu)建出一座橋梁模型。學(xué)習(xí)者中心取向整合模式采用學(xué)生主導(dǎo)項(xiàng)目的方式，學(xué)生以個(gè)人或小組為單位提出任務(wù)，任務(wù)內(nèi)容需要學(xué)習(xí)并運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)。學(xué)生在項(xiàng)目問題解決過程中，教師發(fā)揮協(xié)調(diào)、指導(dǎo)、檢查、監(jiān)督、計(jì)時(shí)和評(píng)價(jià)作用。這幾個(gè)跨學(xué)科整合的取向是從研究內(nèi)容的特點(diǎn)及訂立的主體不同來進(jìn)行分類的，學(xué)習(xí)模式也會(huì)相應(yīng)有所差異，而課程設(shè)計(jì)也會(huì)有所不同。

針對(duì) STEM 教育整合的課程設(shè)計(jì)，美國馬里蘭大學(xué)Herschbach（2011）提出兩種最基本的課程模式：相關(guān)課程（the correlated curriculum）模式和廣域課程（the broad fields curriculum）模式。相關(guān)課程模式將各科目仍保留為獨(dú)立學(xué)科，但各科目教學(xué)內(nèi)容的安排重彼此間的聯(lián)系。廣域課程模式則取消了學(xué)科間的界限，將所有學(xué)科內(nèi)容整合到新的學(xué)習(xí)領(lǐng)域。STEM 教育的廣域課程模式不再強(qiáng)調(diào)物理、化學(xué)甚至科學(xué)作為獨(dú)立的學(xué)科存在，而是將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等內(nèi)容整合起來，形成結(jié)構(gòu)化的課程結(jié)構(gòu)。可以發(fā)現(xiàn)，這兩種最基本的STEM教育課程模式與STEM教育的定義相匹配，相關(guān)課程模式實(shí)際上與認(rèn)為STEM教育是后設(shè)課程的理解方向一致，而廣域課程模式則與認(rèn)為STEM教育是獨(dú)立課程的方向一致。

實(shí)際教學(xué)中，學(xué)?？茖W(xué)課程是分科進(jìn)行教學(xué)的，所以廣域課程的設(shè)置與目前的基礎(chǔ)教育及中等教育的課程設(shè)置比較難以協(xié)調(diào)統(tǒng)一。所以，無論是基于哪種跨學(xué)科整合模式，現(xiàn)時(shí)實(shí)際比較常見的做法是基于相關(guān)課程模式來進(jìn)行STEM課程設(shè)計(jì)。另外，需要強(qiáng)調(diào)的是，在分科教學(xué)的背景下，每個(gè)學(xué)科的教師基本上更多關(guān)注的是學(xué)生對(duì)本科目的學(xué)習(xí)，所以目前不少的學(xué)科教師會(huì)將STEM教育的跨學(xué)科整合視為一種教育策略來幫助學(xué)生理解或者應(yīng)用本科目知識(shí)——即以上提到的STEM教育的教育策略取向定義。例如，有教師在數(shù)學(xué)課《反比例函數(shù)》的教學(xué)設(shè)計(jì)中，舉例了許多來源于物理學(xué)科的問題，并運(yùn)用反比例函數(shù)知識(shí)加以解決。這種從物理學(xué)科引入數(shù)學(xué)問題，然后運(yùn)用數(shù)學(xué)方法解決的做法就是STEM教育中強(qiáng)調(diào)的跨學(xué)科整合。但筆者認(rèn)為，這種教學(xué)策略向的STEM教育整合只能算是針對(duì)某一科學(xué)教學(xué)主題內(nèi)容的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，而不能稱之為“課程設(shè)計(jì)”。

結(jié)合以上所述及教學(xué)實(shí)際，本研究所進(jìn)行的是基于后設(shè)課程及相關(guān)課程模式的STEM課程設(shè)計(jì)。

3.基于校本課程的跨學(xué)科STEM課程開發(fā)

初中階段是學(xué)生對(duì)科學(xué)學(xué)習(xí)逐步增加的階段，比較合適在本學(xué)段進(jìn)行STEM教育。我們希望通過合適的STEM教育，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)各科的科學(xué)知識(shí)后，能夠?qū)⑦@些學(xué)習(xí)到的知識(shí)融會(huì)貫通，并結(jié)合各種技術(shù)用跨學(xué)科思維解決實(shí)際問題。

3.1 課程設(shè)計(jì)原則

在進(jìn)行基于校本課程的STEM課程設(shè)計(jì)中，我們必須遵循以下的原則：（1）適用性。問題或項(xiàng)目情境的難度應(yīng)當(dāng)適中，要與學(xué)生的接受程度相匹配。在課程設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要考慮不同學(xué)段的學(xué)生的背景知識(shí)水平，不能罔顧學(xué)生本身的所具備的學(xué)習(xí)能力與水平隨意增加課程難度，使得課程有良好的學(xué)段適用性。（2）協(xié)調(diào)性。STEM教育是多學(xué)科融合的教學(xué)，所以在課程設(shè)置時(shí)必須強(qiáng)調(diào)各學(xué)科的良好協(xié)調(diào)，尤其是涉及到跨學(xué)科內(nèi)容教學(xué)時(shí)，必須考慮各學(xué)科相關(guān)內(nèi)容的呈現(xiàn)先后順序，以便提高課程教學(xué)的合理性與流暢度。（3）實(shí)用性。生活經(jīng)驗(yàn)和社會(huì)整合模式強(qiáng)調(diào)將跨學(xué)科的內(nèi)容、高級(jí)思維能力發(fā)展與真實(shí)生活環(huán)境聯(lián)系起來。所以，STEM課程設(shè)計(jì)的項(xiàng)目選擇應(yīng)該具有一定的實(shí)用性，盡量與學(xué)生的生活息息相關(guān)。

3.2 課程設(shè)計(jì)實(shí)施

3.2.1 課程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的建立

本研究的STEM課程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)由5位物理老師，1位化學(xué)老師和1位生物老師組成。初中階段所有的科學(xué)學(xué)科的老師都包含在了課程開發(fā)團(tuán)隊(duì)中，以便在進(jìn)行跨學(xué)科課程設(shè)計(jì)時(shí)，學(xué)科之間有更好的協(xié)調(diào)。

3.2.2 STEM課程主題的確立

STEM課程是基于問題的學(xué)習(xí)、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)、基于挑戰(zhàn)的學(xué)習(xí)和基于探究的學(xué)習(xí)，對(duì)于初中生來說，最好的課題應(yīng)該是基于真實(shí)情景提出問題，形成項(xiàng)目，在解決問題與挑戰(zhàn)的過程中進(jìn)行探究。這些真實(shí)情景，最好是初中生身邊接觸得到，更容易激發(fā)初中生的思考，從而提出問題。學(xué)校STEM課程應(yīng)具備連續(xù)性、可持續(xù)性、系統(tǒng)性。綜合考慮課程設(shè)計(jì)的原則以及學(xué)習(xí)實(shí)際，研究課題組選擇了“模擬污水處理廠的建立”主題進(jìn)行STEM課程設(shè)計(jì)嘗試。

從該主題的與學(xué)生的日常生活相關(guān)性來看，水是生命之源，人既需要飲用水來維持生命，也需要水滿足生活上的其它各種需要，用水安全顯得尤為重要，污水處理這個(gè)主題與學(xué)生的生活息息相關(guān)，學(xué)生的切身體會(huì)也是深刻的。從該主題涉及的學(xué)科來看，分別包括了數(shù)學(xué)，物理，化學(xué)以及生物，并且涉及到的科學(xué)原理符合初中生的理解水平;同時(shí)還涉及到了一系列的檢驗(yàn)技術(shù)和污水處理技術(shù)，非常適合作為STEM課程主題。該課程所涉及到的STEM知識(shí)詳見圖1。

3.2.3 STEM課程教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

在STEM課程主題確立以后，根據(jù)對(duì)其所涉及的各科知識(shí)內(nèi)容的分析，進(jìn)行符合學(xué)生認(rèn)知的教學(xué)設(shè)計(jì)。

本主題分三個(gè)部分，共9個(gè)活動(dòng)。包括1個(gè)問題引入活動(dòng)，5個(gè)背景經(jīng)驗(yàn)活動(dòng)和3個(gè)解決問題活動(dòng)。

表1 “模擬污水處理廠的建立”課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及課時(shí)安排

從上表可知，整個(gè)STEM主題課程內(nèi)容包含物理、化學(xué)及生物的學(xué)科知識(shí)，并根據(jù)其難易程度循序漸進(jìn)的安排，先介紹背景知識(shí)，然后再通過學(xué)習(xí)到的知識(shí)及技術(shù)進(jìn)行整合，最后搭建出模擬污水處理廠，并進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。

在課時(shí)安排上，比較靈活，一共需要10到13個(gè)課時(shí)來完成整個(gè)主題的教學(xué)，非常適合作為一個(gè)學(xué)期的研究性學(xué)習(xí)的校本課程來使用。我校的一學(xué)期的研究性學(xué)習(xí)大約為13個(gè)課時(shí)，剛好滿足此課的課時(shí)需求。

3.2.4 實(shí)驗(yàn)室及資源建立

由于我校的STEM課程剛開始設(shè)立，所以還沒有設(shè)立專有的STEM實(shí)驗(yàn)室，而是采用物理及化學(xué)實(shí)驗(yàn)室及其現(xiàn)有的儀器并添置一些儀器及用品來暫時(shí)充當(dāng)STEM課程實(shí)驗(yàn)室。物理實(shí)驗(yàn)室的電流表、電壓表、天平、溫度計(jì)、密度計(jì)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的各種玻璃儀器都是可以被利用的現(xiàn)成儀器。新購置的實(shí)驗(yàn)儀器主要是課程需要的、但目前初中物理、化學(xué)等實(shí)驗(yàn)室沒有的一些常見儀器。例如，微型水泵、磁力攪拌器、分光光度計(jì)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（包含pH、COD、溫度、光照強(qiáng)度、壓強(qiáng)、離子濃度等傳感器） ，膠熔槍（用于制作簡單的器具或者器具間的拼接）等。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的儀器及用品資源便可初步建立STEM實(shí)驗(yàn)室供課堂教學(xué)和學(xué)生活動(dòng)。

3.2.5 課程評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

由于STEM課程本身及所設(shè)計(jì)課程的項(xiàng)目的特性，過程性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)更為適合，同時(shí)包括了教師的評(píng)價(jià)和學(xué)生自身及小組成員之間的評(píng)價(jià)。為此，本課程設(shè)計(jì)組成員共同設(shè)計(jì)了《小組課堂任務(wù)評(píng)價(jià)量表》以便正確的評(píng)價(jià)小組在STEM課程活動(dòng)中完成相應(yīng)任務(wù)的表現(xiàn)與效果。STEM 教學(xué)側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者解決實(shí)際問題的能力，《工程建議書》作為檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果是否達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)的一個(gè)重要的結(jié)果體現(xiàn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了《工程建議書項(xiàng)目評(píng)價(jià)表》供教師評(píng)價(jià)及學(xué)生自評(píng)及互評(píng)，以全面評(píng)價(jià)整個(gè)課程的學(xué)習(xí)效果。

4. STEM課程設(shè)計(jì)嘗試的意義及未來展望

（1）逐步建立并完善校本課程STEM課程體系。STEM課程設(shè)計(jì)是一個(gè)巨大的工程，不能一蹴而就，只能逐步推進(jìn)。俗話說“萬事起頭難”，但通過本次有效的STEM課程設(shè)計(jì)的研究嘗試，有了第一個(gè)課程設(shè)計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn)，便可以此形成課程開發(fā)的規(guī)范流程與模式。一些課程中必要的、共同的部分（如課堂表現(xiàn)評(píng)價(jià)工具等）可以在不同的課程中使用，有利于后續(xù)課程的快速開發(fā)。;;;;;;;（下轉(zhuǎn)第95頁）（上接第93頁）

（2）逐步建立并完善STEM教學(xué)活動(dòng)實(shí)驗(yàn)室。STEM課程的實(shí)施離不開教學(xué)活動(dòng)的開展，而教學(xué)活動(dòng)的場(chǎng)地——STEM實(shí)驗(yàn)室是必不可少的硬件設(shè)施。進(jìn)行有預(yù)見性的、目的明確的課程設(shè)計(jì)，能更有針對(duì)性的建立STEM實(shí)驗(yàn)室，購買添置有明確用途的儀器及實(shí)驗(yàn)用品，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)資源配置，做到目標(biāo)明確，不浪費(fèi)資源，在課程形成系統(tǒng)化的同時(shí)，也讓實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理更趨向于體系化。

（3）逐步建立并完善STEM教學(xué)的教師團(tuán)隊(duì)。課程設(shè)計(jì)需要教師來進(jìn)行，而課程的教學(xué)實(shí)施，還是需要教師來完成，教師團(tuán)隊(duì)的能力需要不斷提升，而STEM課程的設(shè)計(jì)與實(shí)施提供了很好的機(jī)遇。雖然研究還處于初級(jí)階段，教師團(tuán)隊(duì)也略顯稚嫩，但通過STEM課程的設(shè)計(jì)嘗試，為我們的STEM教師團(tuán)隊(duì)提供了真實(shí)而可靠的教學(xué)實(shí)踐機(jī)會(huì)。從課程設(shè)計(jì)與實(shí)施過程中，我們除了獲得學(xué)生的學(xué)習(xí)思路與表現(xiàn)外，還能通過學(xué)生的學(xué)習(xí)成果反思我們的課程設(shè)計(jì)及教學(xué)方式，在新的課程及教學(xué)設(shè)計(jì)中不斷調(diào)整改進(jìn)，為教學(xué)團(tuán)隊(duì)的長足發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

【注：本文系2017年度廣州市中小學(xué)中等職業(yè)學(xué)校深入推進(jìn)STEM課程實(shí)施專項(xiàng)研究課題“基于初中學(xué)生日常生活的STEM課程的開發(fā)研究”成果（課題編號(hào)：GZJY2017-004）】

【參考文獻(xiàn)】

[1]朱凱，陳詠梅，李銳等.STEM教育的實(shí)踐探索[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2016，（9）：1～3

[2]高云峰.創(chuàng)客與STEAM教育結(jié)合的實(shí)踐[J].力學(xué)與實(shí)踐，2016，38（4）：74～77

[3]趙力紅.基于 STEM 教育的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2016（1），15～18

[4]傅騫，劉鵬飛.從驗(yàn)證到創(chuàng)造——中小學(xué)STEM教育應(yīng)用模式研究[J].中國電化教育，2016（4）：71～78

[5]趙文靜，張雨強(qiáng).初中數(shù)學(xué)課程中的STEM教育初探[J].中小學(xué)教師培訓(xùn)，2016（10），42～45

[6]范佳午，方園.中學(xué)物理教育中如何體現(xiàn)STEM教育[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2013（11）：41～42

[7]任偉，李遠(yuǎn)蓉，馬坤鶴.基于 STEM 教育下的中學(xué)化學(xué)教學(xué)模式初探[J].化學(xué)教與學(xué)，2015（7）：10～12

[8]王潤英.STEM教育在高中生物學(xué)教學(xué)中的嘗試[J].生物學(xué)通報(bào)，2016，51（3）：24～27

[9]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）：13～22

[10]葉兆寧.橋世界——美國STEM課程案例[J].中國科技教育，2016（5）：20

[11]Herschbach D.R.（2011）.The stem initiative： constraints and challenges[J].Journal of Stem Teacher Education，48（ 1） ： 96 ～122.