摘? ?要：STEM教育自20世紀(jì)90年代誕生之初，就以跨學(xué)科整合性作為共同的核心理念。植根于不同文化、哲學(xué)、認(rèn)知論的傳統(tǒng)，美國、法國、新加坡三國發(fā)展出多元化優(yōu)勢探究系統(tǒng)，并在21世紀(jì)核心素養(yǎng)多層次目標(biāo)的定向下，派生出三維教學(xué)、大概念探究性學(xué)習(xí)、設(shè)計思維賦能項目工作三種典型的實踐模式。在培養(yǎng)跨學(xué)科能力方面，項目化學(xué)習(xí)和問題化學(xué)習(xí)作為支撐不同STEM教育實踐模式的兩大主流教學(xué)法，各有優(yōu)勢，也面臨不同挑戰(zhàn)。三個國家分別用以問題化學(xué)習(xí)為支架的項目化學(xué)習(xí)、論證式科學(xué)教學(xué)、以項目化學(xué)習(xí)為支架的問題化學(xué)習(xí)予以回應(yīng)?；诖耍恼鲁醪教岢鯯TEM教育的目的—教學(xué)法—探究系統(tǒng)三維實踐模型。

關(guān)鍵詞：STEM教育；跨學(xué)科整合性；探究性科學(xué)教學(xué)；問題化學(xué)習(xí)；項目化學(xué)習(xí)；PPI實踐模型

中圖分類號：G40-03? ? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?DOI：10.3969/j.issn.1672-3937.2024.01.07

作者簡介：方兆玉，法國巴黎高等科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟商業(yè)學(xué)院教育管理博士（巴黎 75015）、上海教育報刊總社《上海教育》編輯部編輯（上海200032）

基金項目：上海市教育科學(xué)研究院國家一般課題“基礎(chǔ)教育核心素養(yǎng)培育導(dǎo)向下教師跨學(xué)科能力建設(shè)及評價研究”（編號：BHA230151）

2023年11月9日，聯(lián)合國教科文組織第42屆大會通過在中國上海設(shè)立教科文組織國際STEM教育研究機構(gòu)（UNESCO IISTEM）的決議，標(biāo)志著教科文組織一類機構(gòu)首次落戶中國。[1]這不但引發(fā)世界各國教育界的廣泛熱議和高度關(guān)注，也顯著提升了社會大眾對STEM教育的興趣，更促使我們對這種創(chuàng)新教育模式進行深度解構(gòu)與學(xué)理探析。

21世紀(jì)全球化時代，指向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的科學(xué)教育成為各國教育改革的主要內(nèi)容，我國近年來也推出科學(xué)教育相關(guān)政策舉措。2023年5月，教育部等十八部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加強新時代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見》，推動科學(xué)教育各項措施全面落地[2]；7月26日，教育部印發(fā)《關(guān)于實施國家優(yōu)秀中小學(xué)教師培養(yǎng)計劃的意見》，首批試點支持30所“雙一流”建設(shè)高校承擔(dān)培養(yǎng)任務(wù)，遴選理工科優(yōu)秀畢業(yè)生，為中小學(xué)培養(yǎng)一批研究生層次高素質(zhì)科學(xué)類課程教師。[3]

STEM以跨學(xué)科、跨領(lǐng)域、整合性方式推進科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)教育，培養(yǎng)學(xué)生21世紀(jì)核心素養(yǎng)的主要創(chuàng)新教育模式，在美國國家科學(xué)基金會（NSF）首倡至今的20多年間，已經(jīng)得到英國、法國、德國、芬蘭、澳大利亞、新加坡等教育發(fā)達國家的普遍認(rèn)可和大力推動，并由此催生出共同理念下多元路徑、多層次目標(biāo)定向的實踐模式。在如今這個核心素養(yǎng)教育改革時代，重新審視、厘定STEM教育的核心理念和主要目標(biāo)，并對比三個代表性國家差異化的實踐模式，不僅能為我國STEM教育帶來多方面借鑒，也有助于研制適合本土情境的推進策略、開發(fā)實踐模型，切實服務(wù)新時代科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)。

一、共同的核心理念：跨學(xué)科整合性

20世紀(jì)90年代，美國國家科學(xué)基金會首次提出STEM概念[4]，美國STEM工作組報告中稱其為“集結(jié)科學(xué)家、技術(shù)人員、工程師、數(shù)學(xué)家力量的一個戰(zhàn)略性決定”[5]。STEM強調(diào)的是科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)教育的深度融合，其核心特征是基于各學(xué)科核心概念理解之上的跨學(xué)科整合性。

（一）跨學(xué)科能力

在西方世界，由古希臘濫觴的博雅教育關(guān)注“培養(yǎng)整全人格”，主張學(xué)科和知識領(lǐng)域的一體性（unity）。近代啟蒙運動引發(fā)了知識的“科學(xué)化”和科學(xué)的“職業(yè)化”，從而促進了知識的快速生產(chǎn)、傳播以及學(xué)科化、專業(yè)化。[6]然而，正如著名的跨學(xué)科學(xué)者克萊因（Klain）所言：“一直存在一股促進保持、復(fù)興歷史上知識整合、一體性傳統(tǒng)的推力”[7]。19世紀(jì)開始，過度分化的學(xué)科開始出現(xiàn)合并、交叉和整合的趨勢，跨學(xué)科探究（Interdisciplinary Inquiries）開始興起。

根據(jù)克萊因提出的定義，跨學(xué)科是一種解決問題、回答問題的手段，這些問題不能通過采用單一方法或單一路徑，得以令人滿意地解決或回應(yīng)。[8]為成功地參與跨學(xué)科活動，或更好地參與跨學(xué)科學(xué)習(xí)，并能夠生成跨學(xué)科理解，以及能在未來的跨學(xué)科工作情境中擁有良好的表現(xiàn)，學(xué)生就需要足夠的個人和社會方面的技能，這些能力統(tǒng)稱為跨學(xué)科能力（Interdisciplinary Competences）。跨學(xué)科能力和21世紀(jì)技能高度相關(guān)，包括對學(xué)科的局限性采取批判性視角、跨越多個學(xué)科解決復(fù)雜問題、跨學(xué)科交流、在跨學(xué)科團隊中進行合作并具有團隊意識，以及發(fā)揮學(xué)科整合的潛能、提出創(chuàng)新性的問題解決方案。[9]

不管是知識學(xué)習(xí)、職業(yè)發(fā)展還是服務(wù)社會，跨學(xué)科能力都具有很高的價值。在知識學(xué)習(xí)方面，跨學(xué)科提倡對知識和理論發(fā)展的整體觀。在職業(yè)發(fā)展方面，企業(yè)組織結(jié)構(gòu)越來越往跨學(xué)科、跨領(lǐng)域、跨部門的方向發(fā)展。這是因為未來工作場所的項目和任務(wù)會越來越復(fù)雜，涉及各個不同的專業(yè)和知識領(lǐng)域。[10]例如，麻省理工學(xué)院副教授內(nèi)里·奧克斯曼（Neri Oxman）創(chuàng)始、致力于在生物基質(zhì)上創(chuàng)造科技藝術(shù)品的美國公司奧克斯曼（OXMAN）的員工就包括計算機科學(xué)家、機器人工程師、生物學(xué)家、藝術(shù)家。正如克萊因所言，跨學(xué)科與創(chuàng)新高度相關(guān)。[11]創(chuàng)始人奧克斯曼在訪談中提到，“當(dāng)把科學(xué)研究領(lǐng)域的持久性、本質(zhì)性大問題與最前沿的技術(shù)相結(jié)合時，就是創(chuàng)新涌現(xiàn)之所”。

而在履行社會責(zé)任方面，也需要學(xué)生超越個人和地方性意識，以跨學(xué)科、跨領(lǐng)域、跨文化的能力和素養(yǎng)去應(yīng)對全球?qū)用娴拇筇魬?zhàn)，通過跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的合作，提出社會性科學(xué)議題的最優(yōu)解決方案以及創(chuàng)新性產(chǎn)品設(shè)計。例如，今天人類面臨的能源危機、氣候變化、國際關(guān)系、深空探索、數(shù)智化轉(zhuǎn)型等多重挑戰(zhàn)和變革都亟需跨學(xué)科人才。又如，奧克斯曼公司的產(chǎn)品既巧妙利用大自然的造化之功，又深刻體現(xiàn)科技的雕塑之力，并凸顯人文關(guān)懷和藝術(shù)美感，以及追求可持續(xù)發(fā)展的核心理念，這都需要跨越學(xué)科領(lǐng)域、不同文化教育背景的人才通力合作才能實現(xiàn)。

（二）作為跨學(xué)科學(xué)習(xí)的STEM教育

跨學(xué)科學(xué)習(xí)被界定為“一個學(xué)習(xí)者整合來自兩個或更多學(xué)科的信息、數(shù)據(jù)、技術(shù)、工具、視角、概念以及理論，以一種單學(xué)科路徑無法達到的方式去創(chuàng)造產(chǎn)品、解釋現(xiàn)象、解決問題的課程教學(xué)取向”[12]。作為跨學(xué)科學(xué)習(xí)的STEM教育，正如這一概念被提出時的初衷，“跨界”（boundary crossing）或者說跨學(xué)科整合性是STEM教育最顯著的特征，雖然在實際應(yīng)用的過程中，不同國家、不同學(xué)段以及不同的課程計劃對于跨學(xué)科整合的尺度把握頗為懸殊。[13]關(guān)于跨學(xué)科整合性，哈尼等學(xué)者提出了一個基本的定義：“在一個復(fù)雜的現(xiàn)象或情境中，要求學(xué)生利用來自多個學(xué)科的知識和技能來完成任務(wù)”[14]。瓦斯奎茲則為STEM的跨學(xué)科整合性提供一個更加完整的視角：按照STEM子學(xué)科整合性從低到高的程度分布在一條連續(xù)的線上，從左到右學(xué)科之間相互聯(lián)系和相互依賴逐漸加深。[15]

從各國在大學(xué)、中學(xué)、小學(xué)、幼兒園各個學(xué)段實際的推進策略來看，STEM教育的實施模式相對寬泛，涉及從學(xué)科、交叉學(xué)科、跨學(xué)科到超學(xué)科的多條路徑。而美國近些年來越來越重視STEM教育的跨學(xué)科和超學(xué)科整合，如加州教育部STEM任務(wù)組就在其2014年的報告中提出：STEM教育不只是所屬四個子學(xué)科之間“方便的整合”，而是采用連貫的、主動性的教與學(xué)，引入植根真實世界的問題化學(xué)習(xí)來將學(xué)科進行深度連接；此外，這幾門學(xué)科不能也不應(yīng)當(dāng)被孤立地傳授，就像它們在現(xiàn)實生活或工作場所中也是一體的一樣。[16]

（三）回應(yīng)跨學(xué)科整合度不高、部分學(xué)科被弱化的挑戰(zhàn)

雖然跨學(xué)科整合性是STEM教育的核心要義，但在具體實踐過程中，卻遭遇跨學(xué)科整合度不高、某些學(xué)科代表性不足乃至被忽視的雙重困境。例如，多項縱向跟蹤研究的結(jié)果表明，學(xué)生的數(shù)學(xué)抽象、建模、推理能力以及工程設(shè)計思維、工程設(shè)計實踐都沒能在整合性、跨學(xué)科的STEM課程當(dāng)中得到有效提高。霍奇蘭德（Hoachlander）也重申了如上憂慮，“盡管教育實踐者、企業(yè)雇主、政策制定者十幾年來一再強調(diào)跨學(xué)科整合的重要性，但在大多數(shù)美國中小學(xué)，科學(xué)和數(shù)學(xué)課還是獨立教授的，而工程學(xué)科則是缺位的”。[17]

對此，美國21世紀(jì)技能合作組織就提出：“推進STEM教育的跨學(xué)科整合性，必須同步提升所有四個學(xué)科的能見度，必須對各學(xué)科的核心內(nèi)容以及跨學(xué)科整合性的概念理解等量齊觀?！盵18]縱觀全球，那些既在國際教育評價項目中交出亮眼成績單又在推動STEM教育方面成效顯著的國家就是例證，如新加坡和芬蘭，其成功經(jīng)驗就是既強調(diào)學(xué)科核心知識，又注重過程探究、問題解決、批判性思維和創(chuàng)造力培養(yǎng)?；诖?，21世紀(jì)技能合作組織建議在推進STEM教育時，向這些國家學(xué)習(xí)，大力推行同時培育通用能力、強化學(xué)科概念以及提升跨學(xué)科整合能力的創(chuàng)新教育實踐。

對跨學(xué)科整合度不高、部分學(xué)科被弱化的挑戰(zhàn)更直接、更充分的回應(yīng)來自2013年美國出臺的全國性課程標(biāo)準(zhǔn)《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（Next Generation Science Standard，NGSS）。研制NGSS的陣容十分強大，多名諾貝爾獎得主深度參與，經(jīng)過長時間系統(tǒng)規(guī)范、基于教育研究、對標(biāo)學(xué)術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)，NGSS對科學(xué)、技術(shù)、工程進行全新闡述，成為世界各國衡量STEM教育及其成效的通用標(biāo)尺或參考框架。NGSS不僅直面數(shù)學(xué)和工程學(xué)科在STEM教育當(dāng)中遭到邊緣化的問題，強調(diào)對科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等量齊觀，而且提升了跨學(xué)科整合的豐富性，在科學(xué)和工程實踐部分融入數(shù)學(xué)思維，其界定的七個跨學(xué)科大概念中也包含“數(shù)量、比例和尺度”這個數(shù)學(xué)學(xué)科領(lǐng)域的核心概念。通過對跨學(xué)科大概念、學(xué)科核心概念和科學(xué)與工程實踐（三維教學(xué)）的強調(diào)，NGSS還在強化科學(xué)教育（地球科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)等子學(xué)科）與數(shù)學(xué)教育的跨學(xué)科橫向整合的同時，凸顯了科學(xué)探究、工程設(shè)計與技術(shù)產(chǎn)品從理論、實踐到應(yīng)用的縱向整合。[19]

二、多層次目標(biāo)定向：

探究系統(tǒng)、文化淵源與實踐模式

最能體現(xiàn)STEM教育核心特征的兩個關(guān)鍵詞是探究式學(xué)習(xí)和21世紀(jì)核心素養(yǎng)目標(biāo)。首先，對于大多數(shù)教育發(fā)達國家來說，從講授式教學(xué)到探究式學(xué)習(xí)帶來了顛覆性的轉(zhuǎn)變，意味著學(xué)生而非教師成為整個教育過程的主體，問題而非學(xué)科知識成為驅(qū)動教育過程的核心力量，動態(tài)開放而非預(yù)制結(jié)構(gòu)成為教與學(xué)的主要組織方式。講授式教學(xué)與探究式學(xué)習(xí)的主要區(qū)別如表1所示。不同國家的主導(dǎo)性探究系統(tǒng)深刻影響了其STEM教育的實施路徑。培養(yǎng)目標(biāo)從學(xué)科取向、知識取向轉(zhuǎn)型為能力取向、素養(yǎng)取向的過程中，亦與各國的文化傳承、價值觀等相互交織，增加了復(fù)雜性和多樣性。

（一）五種主要的探究系統(tǒng)導(dǎo)向

支撐探究式學(xué)習(xí)的是在西方現(xiàn)代科學(xué)史乃至認(rèn)知論傳統(tǒng)中擁有深厚淵源、占據(jù)重要地位的探究系統(tǒng)（Inquiry System）。任何一門正式的學(xué)科都自己獨特的學(xué)科觀念、學(xué)科視角，以獨特的探究方式去獲得本學(xué)科具有框架性、統(tǒng)領(lǐng)性作用的原則、概念、理論。

美國學(xué)者伊安·I.米特洛夫（Ian I. Mitroff）和羅爾夫米·H.克爾曼（Ralph H. Kilmann）將探究系統(tǒng)劃分為五大類。[20]第一類是洛克主義（Lockean IS），也被稱為實證主義，這類探究系統(tǒng)主張真理是經(jīng)驗性的，經(jīng)驗證據(jù)具有不可超越的效度，能作為論據(jù)或行動依據(jù)的只能是感知、觀察或從實驗取得的數(shù)據(jù)或信息，沒有任何先驗性或必須遵守的理論或解釋框架存在。實證主義適合研究結(jié)構(gòu)良好的問題，典型的應(yīng)用是自然科學(xué)實驗和德爾菲法。前者依靠控制實驗條件下的因果關(guān)系解釋科學(xué)現(xiàn)象或驗證假設(shè)，而后者則對界定清晰的問題進行維度和層級劃分，并就此進行預(yù)測，只需在有限的專家人群當(dāng)中達到一致意見即可。

第二類探究系統(tǒng)是萊布尼茲主義（Leibnizian IS），也稱形式主義，這類探究系統(tǒng)認(rèn)為真理是純粹分析性的，具有某種理論框架或形式內(nèi)的邏輯自洽性與完整性。因為萊布尼茲主義者認(rèn)為所有經(jīng)驗現(xiàn)象都能由其背后的理論框架加以解釋，因此，主張對現(xiàn)實數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)的或符號的建模，并提取底層參數(shù)，在此之上進行推論和演繹。形式主義在數(shù)學(xué)、物理學(xué)、計算機科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。例如，黑洞就是通過愛因斯坦的廣義相對論預(yù)測、推斷出來的。它符合的是數(shù)學(xué)公式的邏輯，其經(jīng)驗證據(jù)在多年之后才通過天文觀測儀器真正捕獲到。

一般而言，實證主義和形式主義都比較擅長處理結(jié)構(gòu)良好、一般意義上比較“馴服”的問題。實證主義可用在探索性的研究領(lǐng)域，通過扎根理論，從現(xiàn)場提取經(jīng)驗數(shù)據(jù)，其后借助歸納總結(jié)得出一般規(guī)律或共識；而形式主義則擅長處理抽象的符號系統(tǒng)，探索自然科學(xué)的一般性原理。

第三類探究系統(tǒng)是康德主義（Kantian IS）， 也被稱為多元模式。撰寫過《純粹理性批判》和《實踐理性批判》的康德對人類的理性和實踐能力都抱有懷疑態(tài)度，因而主張在我們試圖作出明智判斷或科學(xué)論述時，應(yīng)兼采實證數(shù)據(jù)和理論推導(dǎo)之長，互相補充?？档轮髁x者接受由于經(jīng)驗證據(jù)和上位理論匹配的多樣性，同一個問題或現(xiàn)象具有多元路徑和多個解決方案。很多政策研究、管理研究、教育研究就是采取了這條路徑。既需要依照上位的目標(biāo)系統(tǒng)推導(dǎo)可用策略集和路線圖，也需要通過扎根的方式進行問卷調(diào)研、結(jié)構(gòu)化訪談以獲取目標(biāo)用戶的第一手?jǐn)?shù)據(jù)來對策略、路線進行精煉、聚焦、調(diào)整和優(yōu)化。

第四類探究系統(tǒng)為黑格爾主義（Hegelian IS），也被稱為辯證主義。黑格爾主義者認(rèn)為真理是沖突性的，同一現(xiàn)象或同一組數(shù)據(jù)背后可能可以用若干相互沖突、競爭性的分析或解釋框架來進行認(rèn)識。唯一求真的方式就是把它們都一一列舉出來，探明支撐不同解釋框架的理論基礎(chǔ)，再進行去偽存真、求同存異的合并提煉，得到承認(rèn)異見基礎(chǔ)上的創(chuàng)造性整合（Creative Synthesis）。黑格爾主義探究系統(tǒng)的優(yōu)勢在于解決沖突性議題，如目前理論物理界對于世界的本源就存在幾種相互競爭的學(xué)說，弦理論、量子場論、隱藏的變量、多重宇宙分別都有自己的擁躉，每種學(xué)說都能在一定的邊界條件下作為主導(dǎo)性的解釋框架。

第五類探究系統(tǒng)為桑格爾主義（Singerian IS），也被稱為實用主義。源自當(dāng)代哲學(xué)家、心理學(xué)家詹姆斯·威廉姆斯（James Williams）的實用主義哲學(xué)思路。它不承認(rèn)解釋一切的理論框架，或者不帶任何感情色彩的客觀經(jīng)驗，而只認(rèn)可特定問題情境下有用的理論或數(shù)據(jù)，及其對問題主體的效用、美學(xué)或倫理價值。因此，桑格爾主義者選用的分析框架是有目的的（Teleological）。[21]在某種程度上，我們可以認(rèn)為實用主義是一個元探究系統(tǒng)，可統(tǒng)轄前述四種探究系統(tǒng)，并靈活調(diào)用、適配組合，只要契合探究目的即可。它對于解決很多跨學(xué)科的社會科學(xué)性議題或道德兩難問題都具有很高的效度，在追求地方性、情境性知識的同時促進跨學(xué)科、開放性、無止境的探究。

總體而言，五類探究系統(tǒng)都有自己的優(yōu)勢，實證主義和形式主義適合結(jié)構(gòu)良好的問題，而多元模式、辯證主義、實用主義則擅長解決復(fù)雜的劣構(gòu)問題。應(yīng)用層面來看，各國由于文化、哲學(xué)、社會、歷史根源，而生長出了不同的優(yōu)勢探究系統(tǒng)（本文以三個典型國家為例加以說明），在差異化的21世紀(jì)核心素養(yǎng)教育目標(biāo)的統(tǒng)領(lǐng)下，衍生出多種典型的STEM教育實踐模式。

（二）差異化目標(biāo)定向下的三種典型STEM教育實踐模式

雖然處在同一個21世紀(jì)核心素養(yǎng)教育改革的場域，美國注重的是其服務(wù)于21世紀(jì)職場需要的功能；法國錨定的目標(biāo)是“實現(xiàn)成功生活并發(fā)展健全社會”；新加坡則在其21世紀(jì)核心素養(yǎng)與學(xué)生學(xué)習(xí)成果框架中將核心價值觀置于中心位置。[22]

2007年，一份卡耐基報告將美國社會的注意力引向科學(xué)教育，報告的主要觀點是：國家的創(chuàng)新能力、經(jīng)濟發(fā)展的動力、本國勞動力的全球競爭力均有賴于優(yōu)質(zhì)的科學(xué)教育。但可惜國際教育評價項目的測評結(jié)果證明，美國基礎(chǔ)教育落后了。此后，美國國家研究委員會（National Research Council）臨危受命，開始編制共通性、高標(biāo)準(zhǔn)的NGSS。圍繞服務(wù)經(jīng)濟發(fā)展的宏大目標(biāo)，作為一個實用主義哲學(xué)占據(jù)主流話語體系的國家，美國自然而然將實用主義作為主導(dǎo)性的探究系統(tǒng)，從而促使其在STEM教育中從科學(xué)探究式轉(zhuǎn)向同時關(guān)注理論和實踐的三維教學(xué)，以服務(wù)培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才、支撐STEM產(chǎn)業(yè)、提高全民的科技素養(yǎng)的多重目標(biāo)。

“博洛尼亞進程”中的法國既具有歐洲重思辨、重智識的文化烙印，又希望借助歐盟增強自身的經(jīng)濟力量、提高社會凝聚力。在個人發(fā)展與社會經(jīng)濟進步的綜合性目標(biāo)定向下，法國從21世紀(jì)初開始在初中科學(xué)學(xué)科推進名為“發(fā)現(xiàn)之路”的跨學(xué)科學(xué)習(xí)計劃。2010年，法國開始采用跨學(xué)科主題教學(xué)模式開展化學(xué)、物理等課程。2022年開始，法國國民教育部專門推出“高中科學(xué)與數(shù)學(xué)整合性教學(xué)計劃”。對于該計劃，法國學(xué)校教育總干事愛德華·戈弗雷提出的目標(biāo)引人深思：提供學(xué)生需要的數(shù)學(xué)知識與技能，體驗科學(xué)探究樂趣，發(fā)展邏輯性思維、批判性思維以及創(chuàng)造力，能運用理論闡述復(fù)雜的科學(xué)現(xiàn)象。基于此，將科學(xué)和數(shù)學(xué)整合路線設(shè)計為“以知識為核心”“以觀念為核心”“以問題為核心”的漸進式結(jié)構(gòu)?！叭梭w的熱平衡”“生物多樣性及其演變”等“知識”指向科學(xué)學(xué)科的大概念；“能源發(fā)展選擇”“音樂與數(shù)字的藝術(shù)”等“觀念”明顯指向倫理、美學(xué)與可持續(xù)發(fā)展；“人口統(tǒng)計學(xué)模型”“聲音——需要編碼的信息”等“問題”則體現(xiàn)了基于現(xiàn)實問題、跨越學(xué)科疆界構(gòu)建通用框架或模型的努力?？芍▏岢蟾拍罱y(tǒng)領(lǐng)下的探究式學(xué)習(xí)（偏向形式主義），這些大概念既包括提升就業(yè)力的科學(xué)、工程、數(shù)學(xué)領(lǐng)域的核心概念，也不乏完滿人生與和諧社會所需的哲學(xué)、文化、思想等大觀念。

新加坡從1997年開始大力推行面向21世紀(jì)的教育改革，提出“思考型學(xué)校、學(xué)習(xí)型國家”（Thinking School， Learning Nation）的口號，關(guān)鍵路徑就是推行當(dāng)時稱為創(chuàng)新教育、本質(zhì)上來看即STEM教育的新學(xué)習(xí)模式。[23]新加坡以實踐創(chuàng)新作為自己以教育改革增強國家競爭力、提升創(chuàng)新指數(shù)的主要行動準(zhǔn)則，在“尊重、誠信、關(guān)愛、抗逆、和諧、負(fù)責(zé)”價值觀的統(tǒng)領(lǐng)下，將創(chuàng)新能力與問題解決能力兼顧的項目工作（Project Work）作為主要的STEM教育路徑，使每個公民都能人盡其才，在自己的“人生項目”中發(fā)揮創(chuàng)新效能，從而作為整體助推國家的創(chuàng)新發(fā)展。新加坡采用的是模型和數(shù)據(jù)相互增益的多元模式探究系統(tǒng)。從結(jié)果端來看，不僅新加坡的中小學(xué)生在PISA、TIMSS當(dāng)中表現(xiàn)優(yōu)異，而且國家經(jīng)濟發(fā)展和創(chuàng)新指數(shù)也出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。2018年，新加坡全球競爭力指數(shù)已經(jīng)排名前三，創(chuàng)新指數(shù)也進入前五。[24]以STEM為主要實現(xiàn)路徑的創(chuàng)新教育助推國家發(fā)展之功可見一斑。

不同社會、文化、哲學(xué)、歷史背景的國家，基于各異的主導(dǎo)性探究系統(tǒng)以及對21世紀(jì)核心素養(yǎng)的側(cè)重點差異，在跨學(xué)科整合性方面出現(xiàn)了明顯偏好。他們分別錨定科學(xué)探究與工程實踐（一般性科學(xué)知識和地方性/情境性運用），數(shù)學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)與地球科學(xué)（學(xué)科之間），科學(xué)學(xué)習(xí)與兒童生活（學(xué)校學(xué)習(xí)與現(xiàn)實生活）等不同的整合靶點，以不同的教育改革路徑來迫近素養(yǎng)培養(yǎng)的大目標(biāo)。

美國為彌補STEM行業(yè)的人才缺口，保住自己科技人才的競爭優(yōu)勢，在NGSS中提出了三維教學(xué)。三維的第一個維度是“學(xué)科核心概念”，第二個維度是“跨學(xué)科大概念”，這兩個都屬于知識層面，本質(zhì)上是人類在長久的文明發(fā)展、科學(xué)探究史上所積累的認(rèn)知性成果，代表了認(rèn)識自然世界的心智模式和概念框架。但第三個維度“科學(xué)和工程實踐”是方法，是科學(xué)各個子領(lǐng)域在觀察、探索這個世界時用到的核心實踐，包括科學(xué)探究和工程設(shè)計。三維教學(xué)的整合靶點就是科學(xué)知識和地方應(yīng)用。

法國大概念探究式學(xué)習(xí)關(guān)注的中心是戈弗雷所說的“創(chuàng)造力”“科學(xué)探究”“批判性思維”“理論闡述”，整合靶點是學(xué)科與學(xué)科，期待能激發(fā)學(xué)生在學(xué)科邊緣進行第一性原理思考的熱情，以拓展人類認(rèn)知的邊界，并引領(lǐng)社會和產(chǎn)業(yè)界產(chǎn)生顛覆式創(chuàng)新。

注重實踐創(chuàng)新的新加坡則在全體中小學(xué)生中普及設(shè)計思維（Design Thinking），即“共情—頭腦風(fēng)暴—構(gòu)思—原型—反饋”。這個“為一個用戶精準(zhǔn)設(shè)計其滿意的產(chǎn)品”的思維框架整合的就是學(xué)校學(xué)習(xí)與現(xiàn)實生活。在普通中等教育高級水平課程（A-Level）階段力推的項目工作既涉及對問題所進行的跨學(xué)科分析和研究，又側(cè)重知識應(yīng)用考查，同時整合學(xué)科與學(xué)科、學(xué)校學(xué)習(xí)與現(xiàn)實生活。

總之，美國在共通課程標(biāo)準(zhǔn)之下要求其中小學(xué)生進行三維教學(xué)支持的進階式、學(xué)段銜接的科學(xué)建模與工程實踐。法國將數(shù)學(xué)與科學(xué)各子學(xué)科進行深度整合，衍生出從“知識”“觀念”到“問題”的三個層層遞進的大概念核心，激勵學(xué)生在科學(xué)原理之上探索哲學(xué)、文化、歷史等人類根源性的問題。新加坡既注重學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造力培養(yǎng)，又著力提升他們在真實情境中的問題解決能力，因此大力推行設(shè)計思維和項目工作。既讓學(xué)生在長周期的復(fù)雜項目中經(jīng)歷問題分析、概念理解、跨學(xué)科整合、探索第一性原理的完整過程，又促使他們將創(chuàng)新想法系統(tǒng)化落實，形成工程設(shè)計產(chǎn)品，從而提高項目管理、時間管理以及問題解決能力。

當(dāng)廣義的科學(xué)教育進入以解決現(xiàn)實的科學(xué)社會性議題、服務(wù)于21世紀(jì)經(jīng)濟發(fā)展、拓展人類科學(xué)認(rèn)知邊界的STEM教育階段，不同國家就分化出多元的探索方式與實現(xiàn)路徑，美國、法國、新加坡分別代表三維教學(xué)、大概念探究式學(xué)習(xí)，以及設(shè)計思維賦能項目工作三種模式。但需要說明的是，之所以將STEM的實現(xiàn)路徑進行大類劃分，是為了分析和研究之用，并非表明這個國家只采用了一種方式。而是這種方式在該國占據(jù)了主導(dǎo)位置或者是該國教育界討論STEM教育的顯話語。

三、跨學(xué)科能力培養(yǎng)效能：

問題化學(xué)習(xí)和項目化學(xué)習(xí)之爭

以21世紀(jì)核心素養(yǎng)作為統(tǒng)領(lǐng)性目標(biāo)，以跨學(xué)科整合性作為核心理念，美國、法國、新加坡的STEM教育模式孰優(yōu)孰劣？嵌入在不同社會、文化、哲學(xué)情境中的教育模式似乎很難進行橫向?qū)Ρ?，但其實它們的?nèi)核都是目前國際創(chuàng)新教育最主流、最成熟的兩種教學(xué)法框架——項目化學(xué)習(xí)（iPjBL）和問題化學(xué)習(xí)（iPBL），區(qū)別只在于具體應(yīng)用時的主導(dǎo)框架以及兩者之間的調(diào)配比例。而在作為21世紀(jì)技能要素的跨學(xué)科能力的培養(yǎng)上項目化學(xué)習(xí)和問題化學(xué)習(xí)的效能對比，乃至如何選用、如何適配，一直以來也在世界各國的STEM教育研究者和實踐者之間引發(fā)了曠日持久的爭論。

（一）探究式科學(xué)教學(xué)的六要素

如前所述，STEM教育的一個關(guān)鍵維度是探究式學(xué)習(xí)。法國教育科學(xué)實驗室學(xué)者邁克爾·格朗格特（Michel Grangeat）在總結(jié)、提煉關(guān)鍵特征的基礎(chǔ)之上，于2016年提出探究式科學(xué)教學(xué)（Inquiry-based Science Teaching，IBST）的六個維度[25]。維度一是問題的起源，即誰提出了問題?？茖W(xué)調(diào)查都是從一個問題啟動的，是教師還是學(xué)生主導(dǎo)尤其重要。維度二是問題的本質(zhì)。探究問題是完全封閉、學(xué)生遵循固定的步驟可以求解的，還是開放性、為學(xué)生對步驟和方案留出優(yōu)化空間的，在很大程度上會對學(xué)習(xí)效果產(chǎn)生影響。維度三是學(xué)生在開展探究中的責(zé)任。從完全按照教材指令、由教師引導(dǎo)學(xué)生完成正式探究的各個步驟，到學(xué)生自主設(shè)計和開展探究，并對學(xué)習(xí)成果進行檢測，課堂的探究性逐步增強。維度四是學(xué)生多樣性管理，即如何應(yīng)對學(xué)生不同的知識水平、學(xué)習(xí)需求和探究意愿。從教師調(diào)整任務(wù)結(jié)構(gòu)或流程來提高特定學(xué)生的參與度，到針對每名學(xué)生特定的興趣和需求，進行客制化探究路徑設(shè)計，教學(xué)法的個性化、差異化水平會逐層上升。維度五是論證的角色。探究水平較低的課堂，教師會協(xié)助學(xué)生進行觀點交流；隨著探究度的提高，學(xué)生會習(xí)得如何思考自己的論證，與同伴的論證相比較，并學(xué)會引述理論和證據(jù)來加強自己論證的力度和可信度。維度六是教學(xué)目標(biāo)得到顯性解釋。從教師顯性表達對課程的期望達成水平，到學(xué)生將其內(nèi)化為量度自己學(xué)習(xí)成果的標(biāo)尺，并在此過程中不斷檢測和交流探究過程中的關(guān)鍵學(xué)習(xí)成果，其探究性水平不斷提升。對照IBST六個維度，可見項目化學(xué)習(xí)和問題化學(xué)習(xí)同屬于探究式學(xué)習(xí)，支撐兩者的都是建構(gòu)主義教育觀和以學(xué)生為中心的理念。

（二）問題化學(xué)習(xí)與項目化學(xué)習(xí)異同

項目化學(xué)習(xí)最早于1921年由克伯屈首次引入，作為項目方法吸引學(xué)生參與到有目標(biāo)的、內(nèi)心驅(qū)動的學(xué)習(xí)活動中。其后，項目化學(xué)習(xí)逐漸發(fā)展、完善，并被定義為包含兩個要素的教學(xué)法（pedagogy）：一是具有一個用來組織或驅(qū)動活動的問題；二是這些回答問題或解決問題的學(xué)習(xí)活動會產(chǎn)生一系列人造物或產(chǎn)品，最后以一個集大成者的終期產(chǎn)品來回應(yīng)驅(qū)動性問題，以此作為項目的高潮活動。[26]

而問題化學(xué)習(xí)則被定義為“一種課程開發(fā)和教學(xué)的框架，通過創(chuàng)設(shè)模擬的真實情境，提出映射真實世界問題的劣構(gòu)問題，從而將學(xué)生置于問題解決者的主動位置，在提升學(xué)生問題解決策略的同時，夯實其學(xué)科知識和技能基礎(chǔ)”[27]。

兩種教學(xué)法的相似之處在于：它們的學(xué)習(xí)活動都圍繞達成一個小組或班級共享的目標(biāo)來組織，均強調(diào)學(xué)生的獨立思考、自我導(dǎo)向?qū)W習(xí)以及合作探究；都為學(xué)生提供真實運用知識和技能的機會；都聚焦于開放性問題；都以提升學(xué)生的21世紀(jì)技能為目標(biāo)。

至于差異之處，學(xué)者們一般認(rèn)為：問題化學(xué)習(xí)聚焦于學(xué)習(xí)本身，而項目化學(xué)習(xí)注重創(chuàng)造一個產(chǎn)品。[28]更具體而言，兩者還存在重理論或重實踐，重問題分析或重產(chǎn)品設(shè)計，以及重研究過程或重項目管理的區(qū)別（見表2）。

當(dāng)跨學(xué)科性加入到問題化學(xué)習(xí)與項目化學(xué)習(xí)的比較之中，情況就更加復(fù)雜了。應(yīng)用到項目化學(xué)習(xí)，其產(chǎn)品設(shè)計和制作的過程就涉及多個學(xué)科不同信息、數(shù)據(jù)、技能、工具和視角的綜合運用，因而導(dǎo)向創(chuàng)新、有效的產(chǎn)品設(shè)計。問題化學(xué)習(xí)聚焦小組成員之間將來自不同學(xué)科或知識領(lǐng)域的信息、數(shù)據(jù)、技術(shù)、工具和視角進行充分整合，形成創(chuàng)新性的問題分析與研究視角，從而催生原創(chuàng)性的研究設(shè)計和問題解決方案。[29]

但實踐過程中，作為復(fù)雜情境中復(fù)雜技能的學(xué)習(xí)，兩者都存在挑戰(zhàn)。項目化學(xué)習(xí)的挑戰(zhàn)在于：驅(qū)動性問題是否能促使學(xué)生在項目活動和相關(guān)概念之間建立聯(lián)系，學(xué)生是否帶著概念理解去動手操作，以及他們的項目成果是否能體現(xiàn)深度學(xué)習(xí)？[30]對此，美國學(xué)者巴倫等表示：復(fù)雜環(huán)境當(dāng)中學(xué)習(xí)的復(fù)雜性很可能會使學(xué)生傾向于遵循確定的步驟，而非帶著理解動手操作。例如，他們觀察到在一個設(shè)計項目當(dāng)中，教師帶領(lǐng)學(xué)生做實驗、設(shè)計運送建筑材料進行水上航行的船只模型，在提升學(xué)生興趣方面收獲頗豐。隨后，他們也發(fā)現(xiàn)學(xué)生被活動吸引，而錯失了反思和探索科學(xué)概念的機會。為此，教師必須在一系列情境中做出權(quán)衡：如何使學(xué)生一方面積極參與設(shè)計活動，另一方面對自己的作品進行反思；如何將學(xué)生真實世界的知識融入進來，同時不會對課程計劃產(chǎn)生太大影響；如何維持學(xué)生在長期項目中持續(xù)學(xué)習(xí)的興趣和參與度；如何促使學(xué)生對設(shè)計操作背后的科學(xué)原理進行深入探索。[31]

有鑒于此，巴倫等提出：實施基于項目的課程必須遵循四條重要的設(shè)計原則才能保證理解性學(xué)習(xí)：第一，界定導(dǎo)向深度理解的學(xué)習(xí)目標(biāo)；第二，提供學(xué)習(xí)支架，如嵌入式教學(xué)、教學(xué)工具以及對比案例庫，另外，建議在啟動項目之前先實施問題化學(xué)習(xí)活動；第三，確保在項目進行過程中為形成性評價和產(chǎn)品修正提供多次機會；第四，精心設(shè)計學(xué)生參與結(jié)構(gòu)，確保所有人公平參與，以提升每個人的自主意識。此后，他們對一門幾何主題的跨學(xué)科項目化課程進行跟蹤研究發(fā)現(xiàn)，五年級學(xué)生從契合上述設(shè)計原則的問題化結(jié)合項目化學(xué)習(xí)的課程中獲得的學(xué)術(shù)增益十分顯著。[32]而巴倫等人以問題化學(xué)習(xí)為支架的項目化學(xué)習(xí)的設(shè)計思路在NGSS中也得到繼承，使得科學(xué)探究、工程設(shè)計、技術(shù)產(chǎn)品縱向貫通的理念得以落地。

注重科學(xué)探究、創(chuàng)新力培養(yǎng)的問題化學(xué)習(xí)在歐洲國家應(yīng)用廣泛，但其對學(xué)生的學(xué)術(shù)背景、認(rèn)知能力、跨學(xué)科思維提出了較高要求。歐洲學(xué)者對大學(xué)生項目化學(xué)習(xí)與問題化學(xué)習(xí)對跨學(xué)科能力提升效果的一項對比研究表明，在跨學(xué)科技能、反思行為、學(xué)科視角識別三個維度上，問題化學(xué)習(xí)的效果都更顯著，因為問題化學(xué)習(xí)促使學(xué)生對學(xué)科概念、工具、數(shù)據(jù)、理論一次次進行精煉、合并、概括，這個過程促進了他們對學(xué)科概念框架的理解，并由此生發(fā)創(chuàng)新性的跨學(xué)科理解。[33]

如何跨過問題化學(xué)習(xí)的高門檻獲得創(chuàng)新能力培養(yǎng)的收益？法國在其探究式教學(xué)中強化了科學(xué)論證及其歸納、概括等步驟，為理解抽象大概念做鋪墊。而NGSS中對工程學(xué)科作用的闡述提供了另一條思路：作為K-12工程教育中主要內(nèi)容的工程設(shè)計與工程思維，并不局限于工程學(xué)科，而為STEM子學(xué)科之間的整合提供了基礎(chǔ)性的流程。[34]前置的問題化活動能加深項目化學(xué)習(xí)中的概念理解，工程設(shè)計活動也有助于科學(xué)概念的深度連接。因此，能否在問題化學(xué)習(xí)的知識應(yīng)用部分增加設(shè)計性、產(chǎn)品性內(nèi)容，提高學(xué)生興趣的同時也打開跨學(xué)科整合的高通道，值得思考。

新加坡的項目工作就是一個范例。項目工作是新加坡A-Level的考試科目。在這門課程的背景陳述中，新加坡教育部表示，項目工作的重要性在于：在這個動蕩、不斷變化的世界，學(xué)生必須學(xué)會如何處理議題，加工第一手的、主題寬泛的信息；他們還必須一起工作，共同完成需要多項復(fù)雜性技能的綜合任務(wù)；也必須學(xué)會如何以小組的形式，應(yīng)用所學(xué)完成一個項目。[35]至此還是純粹的項目化學(xué)習(xí)描述，但接下來，新加坡教育部又表示：“項目工作是一個跨學(xué)科學(xué)習(xí)經(jīng)歷，旨在為學(xué)習(xí)者提供整合來自多個學(xué)習(xí)領(lǐng)域的知識，批判性、創(chuàng)造性地應(yīng)用在真實生活情境當(dāng)中的機會”。其學(xué)習(xí)成果包含四大部分：知識應(yīng)用、交流、合作、獨立學(xué)習(xí)。并規(guī)定每個小組必須在28周內(nèi)完成任務(wù)，建議時長為60～75小時。在這段時間里，小組成員可以共同界定項目聚焦的目標(biāo)，分析和評估收集的信息，準(zhǔn)備口頭陳述、提交書面報告以及書面的反思記錄。報告評估的標(biāo)準(zhǔn)包括：觀點的具體化、概念的生成、概念或觀點的分析和評估，以及概念或觀點的組織。[36]

批判性、創(chuàng)造性的知識應(yīng)用，以及概念的生成都離不開問題化學(xué)習(xí)，結(jié)合課程目標(biāo)、實施細(xì)則與評估標(biāo)準(zhǔn)，可以看出，項目工作是以項目化學(xué)習(xí)為支架的跨學(xué)科問題化學(xué)習(xí)，著眼的是學(xué)生跨學(xué)科理解以及創(chuàng)造性問題解決能力。

基于如上分析，可知在STEM教育中，21世紀(jì)核心素養(yǎng)目標(biāo)、優(yōu)勢探究系統(tǒng)以及教學(xué)法構(gòu)成了實踐模式的重要三極，基于此初步提出目標(biāo)—教學(xué)法—探究系統(tǒng)三維實踐模型（見圖1）。是單獨采用項目化學(xué)習(xí)、問題化學(xué)習(xí)，還是互為支架、巧妙“混用”，取決于不同國家差異化的21世紀(jì)核心素養(yǎng)目標(biāo)，以及由特定經(jīng)濟、社會、文化情境決定的探究偏好。

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