基于STEM跨學科視域的科學教材分析

黃碹 周丐曉 楊銘 劉恩山

摘要：STEM已成為國內外基礎教育課程改革的重要趨勢，為探查如何將STEM融入科學教材，該研究構建了STEM分析框架，從學科概念、跨學科概念、科學與工程學實踐、跨學科整合程度與情境設置四個維度對加拿大英屬哥倫比亞省初中科學教材（BC Science）進行量化與質性分析。文章通過分析總結BC初中科學教材STEM整合的特點及工程學在教材中的展現(xiàn)途徑，為我國科學教材編寫中融入STEM教育提供四點啟示：關注跨學科概念的整合，聚焦科學本質的傳遞；重視工程學在基礎教育中的價值，圍繞工程學統(tǒng)整STEM；立足本土創(chuàng)設真實的問題解決情境，培養(yǎng)學生的社會責任感；基于建模、推理論證等理性思維設置實踐活動，為培養(yǎng)學生科學探究、創(chuàng)新實踐、問題解決等能力提供有效載體。

關鍵詞：STEM教育；科學教材；教材分析；科學教育

一、引言

STEM已成為國內外基礎教育課程改革的重要趨勢，以往的課程改革經(jīng)驗表明，教材是保障課程改革順利推進的決定性因素之一。我國的STEM教育仍處于起步階段，從理論研究落地到教學實踐的發(fā)展過程中，相對滯后的STEM教材研究成為制約STEM快速進入基礎教育學科課堂的瓶頸。國外中小學教材整合STEM的現(xiàn)有路徑主要分為基于科學教材的整合和STEM專門教材的整合兩種，普通學校的正式教育（Formal Education）以基于科學教材進行STEM整合為主流范式。對于我國STEM教育的發(fā)展現(xiàn)狀而言，基于科學教材進行STEM整合更符合課程改革需求、更利于STEM教育迅速落地學校教育。如何將STEM教育融入科學教材之中？科學、技術、工程學和數(shù)學四者如何整合？對教師和學生而言相對陌生的工程學如何展現(xiàn)？這些都是開展教材編寫與修訂工作前亟需解決的問題。

加拿大科學教育對于STEM已有近20年的關注，盡管早前并未使用術語“STEM”而是“STSE（科學一技術一社會一環(huán)境）”，其對技術、數(shù)學、跨學科實踐的重視已充分滲透于科學課程標準和科學教材之中。英屬哥倫比亞?。˙ritishColumbia，以下簡稱BC?。┳鳛榧幽么蟮慕逃龔娛?，全省通用的科學教材緊扣課程標準內容要求，STEM的內涵屬性鮮明。本研究基于STEM跨學科視域，在文獻研究的基礎上構建教材分析框架，期望通過分析加拿大BC省科學教材探明兩個研究問題：1.BC初中科學教材中的STEM整合有何特點；2.工程學是如何在教材中具體展現(xiàn)的，進而為我國科學教材編寫中STEM教育的融人提供借鑒與啟示。

二、研究設計

（一）研究對象

本研究的分析對象為加拿大BC省使用最為廣泛的初中科學教材《BC科學》（BC Science 8、9、10），由麥格勞-希爾集團（McGraw-Hill Ryerson）于2007-2008年出版發(fā)行。加拿大的教育實行分權制，各省自主制定課程標準及教材，BC省的科學教育水平在加拿大各省中位列前茅?！禕C科學》由百余位科學教育專家、學者歷經(jīng)數(shù)年完成，經(jīng)省教育部門核準并由全球知名教材出版商出版。本研究即對BC省初中科學教材BC Science 8、9、10三冊共計12單元、36章、94節(jié)內容進行分析。

（二）研究方法

研究采用量化與質性相結合的內容分析法。通過量化統(tǒng)計，嘗試對教材的概念分布、STEM整合特點、工程學展現(xiàn)途徑等進行分析；通過質性描述，分析教材的內容選取、實踐活動等，為我國科學教材編寫和課程設計積累經(jīng)驗并提供參考。

量化分析中，首先依據(jù)分析框架把教材分為科學文本和實踐活動兩大部分，分別從科學概念、科學與工程實踐兩個主題分析。其中，科學文本（學科概念和跨學科概念）劃分出282項條目，實踐活動（科學與工程學實踐）劃分出309項條目。兩名研究者分別依照分析框架對所有條目進行編碼，采用SPSS 21.0軟件進行Kappa檢驗，以Kappa值作為編碼一致性的信度指標。本研究中兩名研究者對各一級主題的編碼一致性系數(shù)Kappa值均大于0.85，且Sig.<0.05，表明兩名研究者的獨立編碼結果具有良好的可靠性。隨后兩名研究者對有分歧的條目和賦值點逐一討論，得到統(tǒng)一的編碼數(shù)據(jù)供后續(xù)分析使用。對編碼數(shù)據(jù)進行分析的過程中，采用SPSS、Excel軟件對不同主題的各個變量進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和圖表分析，以便客觀、準確地把握BC初中科學教材的內容和特點，從而解答相關研究問題。質性分析主要是對教材內容、實踐活動等文本進行整體描述與深入解讀，發(fā)掘教材編寫的深層特色與特點。

（三）研究工具

研究工具的構建主要采用了文獻研究的方法，基于文獻總結出STEM教育四個顯著的內涵特征，然后以四個內涵特征為起點，在已有研究的基礎上構建本研究所使用的STEM教材分析框架，并對框架的二級主題進行詳細的內涵描述。

1.STEM的內涵特征

STEM最本質的內涵特征直觀體現(xiàn)在“STEM”這一首字母縮略詞上，即對科學、技術、工程學和數(shù)學的整合。盡管目前尚無統(tǒng)一的STEM概念界定，但就其跨學科整合的屬性，學界已基本達成共識。聚焦STEM的“跨學科整合”，探明以下兩個問題，是準確把握STEM核心內涵特征的關鍵。

一是“為什么要整合”：科技的飛速發(fā)展給社會帶來了日新月異的變化，同時人類面臨著各種復雜的社會問題，STEM教育最初的提出即為培養(yǎng)學生應對變化和解決社會問題的能力。這些前沿變化和社會問題都是真實存在的復雜情境，是多學科整合的情境，并非依靠單一的學科知識和能力就能適應與解決的。STEM教育的核心特點之一正是基于真實情境的問題解決，在教學中盡可能為學生設置近似真實的情境，能夠同時培養(yǎng)學生多學科的知識運用能力和其他多種問題解決能力。認知心理學和學習科學等領域的研究表明，跨學科整合和基于真實情境的策略是有效的，因為它們將碎片化的概念之間構建相互關聯(lián)，就認知層面而言，相互關聯(lián)的概念比單獨的概念更利于意義建構和日后的信息檢索。

二是“如何實現(xiàn)整合”：已有的政策文獻及研究表明了STEM跨學科整合的優(yōu)勢，但整合的具體方式方法仍有待明確。美國科學教育專家Bybee指出，以往STEM各學科多以分科的形式出現(xiàn)，實現(xiàn)STEM不同學科之間的整合要以學科核心概念和學科實踐為基礎。許多STEM教育活動往往更多關注于以學生為主體的動手與實操，而忽略了對跨學科概念及學科概念的傳遞。澳大利亞Marginson等學者比較不同國家的STEM教育后認為，STEM教育強國基于創(chuàng)新的課程設計較為完善，在STEM教育中給予學科知識更多的關注。Nathan等研究者提出整合STEM的方法，即圍繞學科重要概念，在科學和數(shù)學表征、技術和工程學目標、設計和構建活動等方面展開整合。以學科概念為基礎引導學生關注活動表象下深層的概念結構和關聯(lián)，以支撐相關概念的意義構建、建立新舊概念之間的聯(lián)系等。

綜上，本研究認為STEM具有以下四個核心內涵特征：（1）強調跨學科整合；（2）基于真實情境的問題解決；（3）聚焦科學與工程學實踐；（4）關注學科重要概念?；诖藘群卣鳂嫿⊿TEM教材分析框架，即從學科概念、跨學科概念、科學與工程學實踐、跨學科整合程度與情境設置四個維度展開。

2.STEM教材分析框架

為了深入細致地分析科學教材中STEM整合的特點、工程學的具體展現(xiàn)等，基于已有研究對STEM教材分析框架進一步細化，分別在四個維度下劃分一級主題和二級主題，并對二級主題進行內涵描述。

（1）維度一：學科概念

STEM是科學、技術、工程學和數(shù)學的整合，維度一的一級主題即以不同學科為劃分依據(jù)。結合我國各學科義務教育課程標準和美國的《下一代科學教育標準》（NGSS），將科學劃分出物理、化學、生命科學、地球與空間科學四個二級主題并進行內涵描述?？茖W本質是科學教育的重要組成內容之一，因此在科學主題下劃分“科學本質”二級主題，參考NGSS的界定描述其內涵。技術與工程學的二級主題劃分與內涵描述，主要參考美國國家教育進步評價項目（NAEP）2014年發(fā)布的技術與工程學素養(yǎng)（TEL）評價框架、學者Arthur的著作《技術的本質》。

（2）維度二：跨學科概念

跨學科整合是STEM有別于傳統(tǒng)分科教學的顯著特點，維度二基于跨學科視角，選取NGSS中的7個跨學科概念（Crosscutting Concepts）作為二級主題，分別對模式、因果關系、系統(tǒng)與系統(tǒng)模型、物質與能量、結構與功能、尺度比率和數(shù)量、穩(wěn)定與變化這7個跨學科概念進行內涵描述。

（3）維度三：科學與工程學實踐

為進一步分析教材實踐活動模塊中的STEM跨學科整合和工程學展現(xiàn)情況，將維度三劃分為科學實踐和工程學實踐兩個一級主題。參考NGSS中科學和工程學實踐的步驟，及Bybee對科學和工程學實踐的理解與闡釋，分別對科學實踐、工程學實踐進行二級主題劃分與內涵描述。

（4）維度四：跨學科整合程度與情境設置

維度四劃分為整合程度和情境設置兩個一級主題，STEM跨學科的整合程度借鑒Vasquez等人的研究，根據(jù)整合科目數(shù)量、概念主題等，將整合程度分為單學科（Disciplinary）、多學科（Multidisciplinary）、跨學科（Interdisciplinary）和超學科（Transdisciplinary）四個層次（如圖1所示）。將情境設置細化為無情境、模擬情境和真實情境三個二級主題：無情境即沒有任何動手實操的情境設置；模擬情境包括虛構的、理想化的情境，或人為設置的實驗情境；真實情境是指社會性議題、學校及日常等真實生活中會遇到的情境。

在已有研究的基礎上，圍繞STEM四個核心內涵特征，梳理構建本研究所使用的STEM教材分析框架。其中維度一、維度二用于分析教材的科學文本，維度三、維度四用于分析實踐活動。

三、研究結果與分析

以下基于STEM教材分析框架的四個維度，從科學概念、科學與工程實踐兩部分對BC初中科學教材中的科學文本和實踐活動進行分析與統(tǒng)計，如表1所示。了解教材科學文本中STEM學科概念、跨學科概念的分布情況，以及實踐活動的內容、STEM整合程度和情境設置。同時對BC初中科學教材的教學內容、實踐活動等進行基于文本的質性分析，從而詳盡地描述與解讀教材的特點和可借鑒之處。

（一）科學概念

1.學科概念

（1）STEM各學科的整體分布

對教材中282項科學文本條目進行編碼統(tǒng)計，其中包含科學的條目最多，共280條、占總數(shù)的99.3%，技術和工程學分別有144、79條，占51.1%、28.0%，包含數(shù)學的條目最少，只有44條、占15.6%。BC初中科學教材的內容在科學概念的基礎上，超過半數(shù)的文本中融入技術概念，工程學概念亦在多于1/4的文本中有所涉及，而教材科學文本中數(shù)學概念的呈現(xiàn)則相對較少。

（2）技術概念的分布

根據(jù)STEM教材分析框架對教材中與技術相關的內容進行分析。其中占比最多的是技術與社會，共97條，占67.3%；最少的是技術的本質，共4條，占2.8%；技術基礎共36條，占25%；信息與通信技術共7條，占4.9%。技術與社會主題的內容占比較多主要源于加拿大及BC省科學課程長期以來對STS和STSE的重視。為更清晰地表達STEM教材分析框架中技術二級主題的內涵描述，特將代表性內容示例匯總如表2所示，章節(jié)目次指某年級教材第某章，如G10C6指10年級教材第6章。

（3）工程學概念的分布

教材中工程學概念的分布如圖2所示，占比最多的工程學基礎中，日常所用工程學成果遠多于工程學的基本理念，教材科學文本對于工程學的滲透主要體現(xiàn)在工程學成果層面，仍有待深入。為更清晰地表達工程學二級主題的內涵描述，列舉代表性內容匯總于上表2。

（4）科學本質、技術、工程學、數(shù)學概念的科學學科分布

科學本質是科學教育持續(xù)關注的重要議題之一，與技術、工程學和數(shù)學的科學學科分布同時進行分析比較，統(tǒng)計結果如圖3所示。整體而言，工程學和數(shù)學在不同學科的出現(xiàn)頻次差異較大，科學本質和技術則相對均衡，其中技術的數(shù)量均大于其他三個主題。就科學學科而言，物理中工程學和數(shù)學的數(shù)量遠多于其他學科；化學中各主題數(shù)量在四門學科中均為第三位；生命科學中技術和科學本質有較好體現(xiàn)，但工程學和數(shù)學都處于末位；地球與空間科學中科學本質的數(shù)量高于其他學科?？茖W本質、技術、工程學和數(shù)學數(shù)量加和最高、分布較為均衡的是物理學科。

2.跨學科概念

教材中跨學科概念的整體分布情況如圖4所示，數(shù)量最多的是尺度比率和數(shù)量，物質與能量、系統(tǒng)與系統(tǒng)模型、模式次之，因果關系、結構與功能、穩(wěn)定與變化最少。需說明的是，因果關系是指對因果現(xiàn)象、機制的解釋，教材文本中有大量的科學解釋、推理論證等，為提高編碼可操作性、保證編碼一致性，本研究將因果關系的內涵提高至理論和定理層次，普通的科學解釋未計算在內。

跨學科概念在四門科學學科的分布與其整體分布趨勢基本相同，尺度比率和數(shù)量、物質與能量均較多，因果關系、結構與功能、穩(wěn)定與變化均較少（如圖5所示）。從科學學科的角度來看，物質與能量、尺度比率和數(shù)量在四門學科中分布較為均衡，生命科學中系統(tǒng)與系統(tǒng)模型、結構與功能的數(shù)量顯著多于其他學科，化學中模式、因果關系略多于其他學科，生命科學、地球與空間科學中穩(wěn)定與變化這一概念的數(shù)量多于物理和化學學科?？鐚W科概念在不同學科的分布差異與學科內容、學科特色相關，例如生命科學中有眾多不同尺度的系統(tǒng)（生態(tài)系統(tǒng)、生理系統(tǒng)、遺傳系統(tǒng)等），常利用模型去模擬或表征生命世界中的現(xiàn)象或系統(tǒng)（如肺與外界的氣體交換、細胞模型等），因此系統(tǒng)與系統(tǒng)模型顯著多于其他學科。

（二）科學與工程學實踐

教材中實踐活動共309頁，占近三成版面。實踐活動指教材特意規(guī)劃的、需學生動手完成的科學與工程學實踐，有單獨的活動編號，不包括教材邊欄的“探索更多”“連接互聯(lián)網(wǎng)”等。這些實踐活動貫穿教材所有章節(jié)，平均每節(jié)有3.3個活動。每單元末有兩個比單元內“更長、更正式的調查活動”（Longer and More Formal Investigations），分別是項目（Project）和整合研究調查（Integrated ResearchInvestigation）。以下從科學實踐和工程學實踐兩個主題呈現(xiàn)統(tǒng)計結果與分析。

1.科學實踐活動分析

教材中的科學實踐活動共263個，以動手實操的實驗探究、調查研究等為主。依據(jù)STEM教材分析框架，從科學實踐的8個方面統(tǒng)計所有科學實踐活動如圖6所示。圖中數(shù)據(jù)均為教材指明由學生完成的內容，例如只有學生需自己提出想要研究的問題時，才計人該活動有“提出科學問題”，而大部分活動會告知研究內容與主題，因此只有12個、4.6%開放度高的科學實踐活動中包含“提出科學問題”。其余方面，超過80%的活動對建構科學解釋和實施研究計劃有要求，56%有分析與解釋數(shù)據(jù)，37%明確指出要有表達交流，30%需要學生進行推理論證，只有不足15%的活動需要學生自己作出假設、設計研究計劃。BC初中科學教材的科學實踐活動有不同的探究層次和難度設置，如構建科學解釋、實施研究計劃是基本要求，分析與解釋數(shù)據(jù)、推理論證、表達交流是中等要求，提出科學問題、做出假設和設計研究計劃是較高難度的要求，高水平探究和實踐大多在單元末的項目和整合調查研究中呈現(xiàn)。

2.工程學實踐活動分析

教材中工程學實踐活動共46個，以工程學產(chǎn)品制作、三維實體模型構建為主，從工程學實踐的8個方面統(tǒng)計所有工程學實踐活動如圖7所示。圖中的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)與上文所述科學實踐相同，均為教材中指明由學生完成的內容。其中最多的方面是實施設計方案，共43個、93.5%的工程學實踐活動對此內容有要求，該結果體現(xiàn)了建造是工程學的核心，工程學實踐以方案設計和實施為基礎。其次是構建及應用模型，有28個、60.1%，模型是對實物、系統(tǒng)、過程等內容的表征，模型和模型的構建有助于理解知識和知識形成的過程。如G9C10模擬宇宙膨脹的活動，用記號筆在剛剛吹圓的氣球上標記不同圓點代表星系，其中一個代表銀河系，再對氣球持續(xù)充氣模擬宇宙膨脹，讓學生觀察并記錄星系（圓點）的位置變化及速度快慢、使用記錄的數(shù)據(jù)繪制圖表，引導學生思考自己的觀察與哈勃在研究星系運動時的觀察是否相似。工程學實踐活動中最少的環(huán)節(jié)也是問題的描述及限制條件，大多由教材明確提供。

3.整合程度分析

依據(jù)STEM教材分析框架，將實踐活動的跨學科整合程度分為單學科、多學科、跨學科和超學科四個層次。教材的實踐活動充分體現(xiàn)了STEM跨學科整合的本質特征，136個、44%的實踐活動整合了兩門或兩門以上緊密關聯(lián)的學科，42個、14%的實踐活動基于真實情境的問題或項目為學生提供應用多學科知識與技能的學習經(jīng)驗。此外分別有39%、3%的實踐活動是在單一學科中學習學科獨立的概念與技能、跨學科的概念與技能。這四種層次的活動在課程組織中各具價值，并非所有活動整合程度都是越高越好，單學科實踐活動同樣重要，沒有學科概念作為基石，跨學科概念的理解和意義建構無從談起，更難構建良好的概念體系。在單學科和多學科基礎上，學生有了一定的知識和技能儲備，才能更適應跨學科和超學科的學習情境、更深入地學習和掌握相關概念和技能。下頁圖8是“跨學科”整合層次的實踐活動典型案例，將物理、工程學、數(shù)學等學科的概念與技能整合于模擬氣墊船的設計制作中。

BC初中科學教材編排不同整合程度的實踐活動時，充分考慮了在章節(jié)、單元等水平的螺旋上升，例如位于每單元末的項目和整合研究調查實踐活動共24個，其中14個、58%的活動為超學科整合程度，是在單元水平上對實踐活動跨學科整合程度的提升。

4.情境設置分析

實踐活動的情境設置分為無情境、模擬情境和真實情境三種（內容示例如表3所示）。其中最多的是模擬情境，共204個、約占實踐活動的2/3，而模擬情境中絕大部分是給予學生動手實操探究的實驗情境，也有虛擬未來的場景，如在月球建造礦產(chǎn)基地、在太平洋底設計水下社區(qū)等。其次是真實情境，共69個、22%，提供生活中真實面臨的問題與挑戰(zhàn)讓學生嘗試解決或進行探究。例如G9U3單元項目“尋找最好的電池”，以日常生活中為電子設備挑選電池作為背景，引導學生探究不同品牌電池的供電能力，每組自選3個品牌的電池，通過自己設計組裝電路、測量電壓電流變化、記錄數(shù)據(jù)、繪制圖表、計算功率和電池電動勢等，去發(fā)現(xiàn)哪種品牌的電池能夠提供最多的能量。而只有36個、占比12%的實踐活動是沒有任何動手實操的情境設置的，以材料閱讀與分析、圖表數(shù)據(jù)描述與處理等為主，但即使劃分在“無情境”下的實踐活動大多也有一定的材料和數(shù)據(jù)背景。例如G10C11關于C02排放的活動，追溯了工業(yè)革命以后自1861年至2000年人類活動所帶來的C02排放量，以及大氣中C02濃度、全球年平均氣溫等數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學生利用數(shù)據(jù)作圖、讀圖、分析數(shù)據(jù)等能力。

綜上，BC初中科學教材充分結合本省環(huán)境文化等地方背景，圍繞科學學科知識整合技術、工程、社會、環(huán)境、數(shù)學等內容，教材注重科學本質的傳遞，通過多層次的實踐活動和豐富多樣的教材欄目，為學生創(chuàng)設科學探究、技術與工程問題解決、技能鍛煉的情境與機會。

四、研究結論與啟示

教材是課程的核心組成要素，教材建設是課程改革推進的重要任務與成果，本研究基于STEM跨學科視域對BC初中科學教材的科學文本和實踐活動進行分析，針對兩個研究問題得出如下結論：（1）BC初中科學教材STEM整合的特點：基于科學概念和跨學科概念，結合教學內容的學科特色整合STEM，學科之間互相滲透；基于模擬情境或真實情境設置中的實踐活動，以項目研究或問題解決的形式整合STEM，實踐活動跨學科整合程度高、與實際生活聯(lián)系緊密；基于教材特色欄目（如科一數(shù)互聯(lián)）整合STEM，強調對學生科學技能和職業(yè)生涯的引導；（2）工程學在教材中的展現(xiàn)途徑：在科學文本中融人工程學內容、基本原理、工程學產(chǎn)品（圖片及文字展示）；使用工程學情境作為科學學習的背景，在工程學實踐活動中運用跨學科知識與能力；把工程學設計作為科學單元最終的單元項目，在實際問題解決過程中應用學習成果、鍛煉相關技能。

STEM教育是國內外課程改革的重要趨勢，2017年初我國教育部頒布的小學科學課程標準明確提出“技術與工程領域”的內容要求，整合STEM的科學課程將成為我國基礎教育改革的關注焦點，通過上述分析為我國科學教材編寫中融人STEM教育提供如下啟示：

（一）關注跨學科概念的整合，聚焦科學本質的傳遞

基于本研究的分析可知，BC初中科學教材的科學文本中有437處跨學科概念、69處科學本質的內容，充分體現(xiàn)了教材對跨學科概念和科學本質的整合與傳遞。跨學科概念是連通不同學科的通用概念，如本研究分析的7個跨學科概念，它們對于理解不同學科之間的相互影響與促進、從跨學科整合的角度審視科學學習大有助益?？茖W本質是科學教育的重要內容和目標，科學教材應在跨學科概念整合的內外，聚焦對科學本質的傳遞。

教材在學科核心概念的基礎上，可結合不同學科的自身屬性與特點對跨學科概念進行深層次的融入與呈現(xiàn)。關注跨學科概念在教材概念體系中的整合，將從橫向維度連接縱向的學科核心概念，使孤立的、片段的概念構建成具有高度內在一致性的概念體系，更利于概念的意義建構與信息檢索。對于跨學科概念的呈現(xiàn)應給予適度的外顯化，讓學生明確學科間的內在聯(lián)系，知曉何為跨學科、緣何關注跨學科，建構跨學科概念的同時提升跨學科思維的能力?？鐚W科概念整合的過程即有科學本質的體現(xiàn)，此外應結合科學史、科學與工程學實踐、職業(yè)探索等內容傳遞科學本質，提高學生STEM素養(yǎng)，最終達成科學教育目標。

（二）重視工程學在基礎教育中的價值，圍繞工程學統(tǒng)整STEM

小至各類人工智能產(chǎn)品，大至建筑、道路、橋梁，工程學對社會發(fā)展的貢獻遠超從前，受到人們越來越多的關注。但基于對BC初中科學教材的分析可知，科學教材往往更關注于科學及其概念本身的傳遞，對工程學的關注仍顯不足，如圖2顯示教材中有280個條目包含科學、而僅有79個條目包含工程學。

工程學中的創(chuàng)意、設計、實踐、產(chǎn)品等重要屬性與要素可以極大地豐富基礎教育課程的內涵和育人價值，為學生創(chuàng)新、實踐和問題解決的培養(yǎng)提供最直接的支撐點，為教育理想和課程目標的實現(xiàn)提供更加真切的途徑，在基礎教育中有著至關重要的作用。作為STEM終端集成的工程學，常通過兩種途徑整合：一是基于工程學情境進行科學學習；二是基于工程學實踐活動整合STEM，如工程設計、模型構建等活動，本研究的結論與之相近。工程學對于學生實踐能力、學習能力、思維能力的發(fā)展獨具價值，圍繞工程學統(tǒng)整STEM的設計思路值得課程與教材研究人員高度關注。

（三）立足本土創(chuàng)設真實的問題解決情境，培養(yǎng)學生的社會責任感

加拿大BC省英屬哥倫比亞大學的Nashon教授曾指出，他與同事們在從事科學教育研究時，始終把“地方性”（Local）置于核心。本研究分析的BC初中科學教材即是專門針對加拿大BC省編寫的，教材中采用很多貼近學生生活的本土情境，在科學文本和實踐活動中滲透本土文化。例如G8C12.1是關于淡水環(huán)境的內容，教材結合BC省的豐富的地理資源和生物資源介紹了湖泊、濕地、河流、河口等淡水環(huán)境。隨后設置“如何拯救這條河”的實踐活動，教材分別列出BC省最瀕危的12條河流及其所受主要威脅，讓學生調研最近的河流，了解河流的使用現(xiàn)狀、河流及周邊的規(guī)劃、規(guī)劃可能帶來的環(huán)境影響等，綜合考慮所需時間、資金、預期成效等，提出詳細的解決方案并進行評估。

基于真實情境的問題解決是STEM的內涵特征之一，上述課例的實踐活動即是如此，學生將綜合運用已有知識、在活動中提升能力，以更好地應對未來可能面對的復雜社會問題與挑戰(zhàn)。立足本土創(chuàng)設真實的問題解決情境，促進學生更深入地了解、認識家鄉(xiāng)，增強對家鄉(xiāng)的歸屬感和熱愛之情，有助于培養(yǎng)學生的社會責任感。

（四）基于建模、推理論證等理性思維設置實踐活動，為培養(yǎng)學生科學探究、創(chuàng)新實踐、問題解決等能力提供有效載體

“科學總是處于過程之中，科學教育亦當回歸于過程”，教材的內容編排要充分給予學生實踐機會，讓他們在科學與工程學實踐中親身體驗同科學家、工程師相似的工作過程，將所學概念應用于實踐、在實踐中完成新的概念構建，同時提高科學探究、創(chuàng)新實踐、問題解決能力等?；谏衔牡姆治隹芍?，BC初中科學教材中的實踐活動高度關注建構模型、科學解釋構建、推理論證等理性思維。例如G8C1實踐活動是關于“米與鳥”的都市傳說（Urban Myth）：都市傳說是聽起來正確其實不然的故事，一則都市傳說認為吃米會傷害到鳥類，因為鳥吃到胃里的米會吸水膨脹而導致鳥窒息，請設計并實施實驗探究米是否會傷害到鳥類（通過米在水中的膨脹程度模擬）。

高層次的思維能力需要經(jīng)過系統(tǒng)培養(yǎng)才能獲得，在教材的實踐活動中體現(xiàn)科學基于實證的本質屬性，針對建模、推理論證、科學探究等精心設計的實踐活動，是培養(yǎng)學生思維能力的有效工具。同BC初中科學教材一樣，實踐活動的結構布局應遵循螺旋式設計，根據(jù)課程內容、已有知識、學生認知等安排不同層次的科學與工程學實踐，在章節(jié)及單元末設置層次更高、難度更大、更具挑戰(zhàn)性的實踐活動。此外，教材應充分利用現(xiàn)代化教育技術手段，為使用者提供全面的實踐活動配套資源，如在線學習網(wǎng)站、師生互動平臺、活動材料包、教師專業(yè)發(fā)展支持等，為培養(yǎng)學生科學探究、創(chuàng)新實踐、問題解決等能力提供有效載體。