圍繞“大概念”設(shè)計STEM課程

葉兆寧 周建中 楊元魁

編者按：隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們越來越認(rèn)識到科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新思維、科學(xué)態(tài)度與精神是21世紀(jì)人才所必備的素質(zhì)，因而迫切需要與之相適應(yīng)的以創(chuàng)新人才培養(yǎng)為本質(zhì)的教育理念與方法。STEM教育順應(yīng)了這一時代要求，在眾多孤立的學(xué)科中建立一個新的橋梁，為學(xué)生提供整體認(rèn)識世界的機會，培養(yǎng)其綜合解決問題的能力，促進其創(chuàng)新和批判性思維能力的提升。

本刊將陸續(xù)刊發(fā)系列文章，結(jié)合我國近年來STEM教育的研究與實踐，圍繞STEM教育中的核心問題，從課程設(shè)計、教師專業(yè)發(fā)展、教學(xué)模式、評價策略等方面展開研討與分析，并運用教學(xué)實例說明如何通過STEM教育提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

英國科學(xué)教育學(xué)者Wynne Harlen在《科學(xué)教育的原則與大概念》中指出，能夠用于解釋和預(yù)測較大范圍自然界現(xiàn)象的概念被定義為大概念（big ideas），她認(rèn)為K-12年級學(xué)生應(yīng)該掌握基本的科學(xué)概念以及與科學(xué)有關(guān)的概念。[1]隨著美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（2013年）的頒布與實施，圍繞“大概念”開展科學(xué)教育以及將工程教育與科學(xué)教育結(jié)合成為國際科學(xué)教育的前沿和新理念。

“大概念”與STEM教育的關(guān)聯(lián)

STEM教育并非簡單地將科學(xué)與工程組合，而是將學(xué)生學(xué)到的零碎知識與機械過程轉(zhuǎn)變成一個探究世界相互之間聯(lián)系的不同側(cè)面的過程。隨著STEM教育的發(fā)展，“集成式STEM”（Integrated STEM）的概念逐漸明晰，它更加強調(diào)在STEM教育中四個領(lǐng)域之間有目的、有方法、有系統(tǒng)的整合?！凹墒絊TEM”課程關(guān)注STEM素養(yǎng)、21世紀(jì)技能、STEM的工作愿景、興趣和參與性、連接STEM學(xué)科的能力等五個方面。[2]通過STEM素養(yǎng)和21世紀(jì)技能兩項目標(biāo)的達(dá)成，培養(yǎng)學(xué)生三個方面的基本素養(yǎng)：（1）理解科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)對當(dāng)代社會的重要意義；（2）至少熟悉每個領(lǐng)域涉及的基本概念，并能較為熟練地運用這些概念與原理；（3）發(fā)展學(xué)生的認(rèn)知（批判思維、創(chuàng)造性）、人際交往（溝通、合作）和個性特征（靈活性、主動性、元認(rèn)知）等。

著眼于STEM教育的目標(biāo)，不難發(fā)現(xiàn)“大概念”與STEM教育之間有如下關(guān)聯(lián)：

首先，STEM素養(yǎng)的培養(yǎng)是STEM教育的首要目標(biāo)，其中每個領(lǐng)域的素養(yǎng)都涉及學(xué)生對該領(lǐng)域的核心概念，即對大概念的理解和掌握。因此，“大概念”是STEM教育的重要目標(biāo)之一。

其次，STEM教育倡導(dǎo)科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)四個領(lǐng)域的集成與融合，各個領(lǐng)域的認(rèn)識基礎(chǔ)是融合的關(guān)鍵。STEM教育給學(xué)生提供了發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的機會，在解決問題的過程中學(xué)生需要將已學(xué)到的知識和技能用于實際，僅靠記憶而非理解不能幫助學(xué)生遷移和運用知識與技能，因而理解“大概念”成為STEM教育的必然要求。

再次，“連接STEM學(xué)科的能力”是學(xué)生跨學(xué)科的基本能力，具體包括：識別和運用一些在不同學(xué)科領(lǐng)域中具有不同含義和用處的概念；在STEM實踐中使用不同學(xué)科的知識；通過在兩個或更多學(xué)科間的連接，解決一個問題或完成一個項目；當(dāng)一個概念或?qū)嵺`以綜合的方式展現(xiàn)時，能夠識別各個領(lǐng)域的內(nèi)容；利用學(xué)科知識支持關(guān)聯(lián)的學(xué)習(xí)經(jīng)驗，并知道在何時使用。

可見，STEM教育的本質(zhì)是在眾多孤立的學(xué)科中建立一個新的橋梁，從而為學(xué)生提供整體認(rèn)識世界的機會。建立跨學(xué)科的聯(lián)系并不容易，如果沒有單一學(xué)科基礎(chǔ)的核心認(rèn)知，沒有整體的把握，較難提升連接STEM學(xué)科的能力。因此，只有習(xí)得“大概念”，才能具備培養(yǎng)“連接STEM學(xué)科能力”的基礎(chǔ)。

“大概念”下的STEM課程設(shè)計

STEM教育通過創(chuàng)設(shè)多維的課程空間，為學(xué)生提供一系列具有一定程度關(guān)聯(lián)性的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，既要求學(xué)生學(xué)習(xí)每個領(lǐng)域的知識和技能，也要求學(xué)生學(xué)習(xí)如何將這些知識和技能融會貫通到其他領(lǐng)域中，或者將一個領(lǐng)域的方法和技能用于解決另一個領(lǐng)域的問題，從而實現(xiàn)跨學(xué)科、跨領(lǐng)域人才培養(yǎng)。因此，STEM課程更強調(diào)以學(xué)習(xí)者為中心，強調(diào)學(xué)習(xí)經(jīng)歷和結(jié)果的開放性，強調(diào)對學(xué)生設(shè)計能力和解決問題能力的培養(yǎng)。[3]

由于STEM教育的目標(biāo)是多方面、多層次、跨領(lǐng)域的，課程的開發(fā)與實踐比單一學(xué)科課程困難很多，在STEM教育中圍繞“大概念”設(shè)計課程成為實現(xiàn)各領(lǐng)域融合的重要方法。

1.“大概念”有哪些？

對“大概念”具體內(nèi)容的解讀須從STEM素養(yǎng)開始。雖然至今學(xué)者們?nèi)詻]有對STEM素養(yǎng)有一個統(tǒng)一的定義，但至少可借鑒相關(guān)各個領(lǐng)域?qū)W(xué)科素養(yǎng)的界定。

以科學(xué)領(lǐng)域為例，美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》、我國《小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》、國際科學(xué)院聯(lián)盟《科學(xué)教育的原則和大概念》中都給出了學(xué)生需要理解和掌握的科學(xué)學(xué)科領(lǐng)域的“大概念”，雖然在分類和描述上略有不同（見表1），但其本質(zhì)是相近和可參考的，都圍繞“物質(zhì)”“力的作用與運動”“能量”三個方面展開。

2.“大概念”下的課程設(shè)計是怎樣的？

有了“大概念”的指導(dǎo)，課程設(shè)計該如何圍繞“大概念”開展呢？根據(jù)STEM活動中基于任務(wù)和項目的學(xué)習(xí)，開展課程教學(xué)設(shè)計的過程中，在“問題引入”“知識建構(gòu)”和“問題解決”等環(huán)節(jié)都需要對“大概念”進行考察與分析，以確保課程能沿著“大概念”的指向和學(xué)生發(fā)展的有效路徑前進。

問題引入——大概念的初現(xiàn)。課程的問題引入，旨在體現(xiàn)課程與實際生活的關(guān)聯(lián)，選取日常生活中學(xué)生常見的生活問題或工程上的實際問題創(chuàng)設(shè)具體的任務(wù)或項目。由于實際問題具有復(fù)雜性，用單一學(xué)科知識難以解決，這為STEM學(xué)習(xí)提供了可能。通過對這些任務(wù)或項目的分析，學(xué)生可以了解與之相關(guān)聯(lián)的科學(xué)、技術(shù)和數(shù)學(xué)等領(lǐng)域的各類問題，并思考如何將這些問題連接起來。其實，在這些問題的背后隱藏著各個領(lǐng)域的“大概念”。

在設(shè)計問題引人時，課程設(shè)計者應(yīng)密切聯(lián)系STEM課程的教學(xué)目標(biāo)以及“大概念”的選擇，要考慮以下問題：課程內(nèi)容在科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)各領(lǐng)域需要達(dá)到的目標(biāo)有哪些，尤其是科學(xué)與數(shù)學(xué)兩方面需要學(xué)生理解和運用的概念有哪些，它們分別指向哪些“大概念”怎樣的實際問題情境能夠與這些“大概念”相聯(lián)系，或這些“大概念”需要創(chuàng)設(shè)怎樣的實際問題情境。

知識建構(gòu)——圍繞大概念開展教學(xué)。知識建構(gòu)是STEM課程中的探究活動集，旨在幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和積累解決問題所需要的知識與技能。有了問題引人的基礎(chǔ)，教師已可以充分了解學(xué)生需要掌握的概念和技能有哪些，學(xué)生的基礎(chǔ)怎樣。這時，教學(xué)要以完成相關(guān)任務(wù)為基礎(chǔ)，通過互相聯(lián)系的探究活動和技能訓(xùn)練幫助學(xué)生逐一解決具體問題，幫助學(xué)生理解與完成任務(wù)相關(guān)的科學(xué)、技術(shù)和數(shù)學(xué)方面的知識與技能，并學(xué)會如何在解決問題中運用這些知識與技能。因此，探究活動需要圍繞活動所涉及的“大概念”進行，促進學(xué)生將情境中的具體現(xiàn)象與研究結(jié)果上升為科學(xué)概念，再從小概念上升為大概念，最后獲得將大概念運用于解決實際問題的方法。

這部分的教與學(xué)并不容易，教師需要通過形成性評價了解學(xué)生的基礎(chǔ)，并在學(xué)生原有的基礎(chǔ)上選擇和實施探究活動。在這些問題的導(dǎo)引下，學(xué)生很自然地了解學(xué)習(xí)的目的在于解決問題，由此激發(fā)其學(xué)習(xí)動機。

這時的課程設(shè)計需要考慮：學(xué)生可以通過怎樣的探究活動學(xué)習(xí)這些科學(xué)、技術(shù)與數(shù)學(xué)的概念；這些科學(xué)、技術(shù)與數(shù)學(xué)的概念能幫助學(xué)生解決哪些實際問題以及哪些與課程情境相關(guān)的實際問題。

問題解決——運用概念與原理。問題解決的重點在于幫助學(xué)生在知識建構(gòu)與經(jīng)驗積累的基礎(chǔ)上，嘗試運用工程設(shè)計的方法與環(huán)節(jié)解決在問題引人環(huán)節(jié)提出的問題。這是學(xué)生將已經(jīng)建構(gòu)好的知識運用到實際問題的良好契機，并通過工程設(shè)計模式培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)。

課程設(shè)計需要考慮：學(xué)生已經(jīng)建構(gòu)的科學(xué)概念和技能可以怎樣被運用到解決問題或工程設(shè)計的過程中；在學(xué)生交流、質(zhì)疑、反思時，教師該如何引導(dǎo)學(xué)生對“大概念”進行思考。

如何將工程設(shè)計中問題解決的過程與知識建構(gòu)中科學(xué)探究的過程有機結(jié)合在統(tǒng)一的課程設(shè)計之中，在圍繞“大概念”的設(shè)計與教學(xué)中顯得尤為突出和重要，且能自然而然產(chǎn)生。問題提出和知識建構(gòu)可以幫助學(xué)生思考、理解解決一個真實問題需要具備哪些學(xué)科知識，并開展真實的學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)產(chǎn)生的知識基礎(chǔ)和經(jīng)驗，將幫助學(xué)生重新思考需要解決的問題和如何設(shè)計解決方案，促使學(xué)生在解決問題的環(huán)節(jié)自主完成學(xué)科知識的學(xué)習(xí)和運用，以達(dá)成STEM教育的整體目標(biāo)。

STEM課程實例——“LED可穿戴產(chǎn)品”

將電學(xué)的基本知識與實際產(chǎn)品設(shè)計結(jié)合而形成的教學(xué)模塊“LED可穿戴產(chǎn)品”是一個為小學(xué)生設(shè)計的基于“大概念”的STEM課程，以“設(shè)計參加‘六一表演秀時需要的會發(fā)光、可穿戴在身上的產(chǎn)品”為任務(wù)。該教學(xué)模塊涉及科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)四個方面的教學(xué)目標(biāo)（見表2）。

由表2可見，該課程涉及電學(xué)與電路、材料與工具的選擇和使用、工程設(shè)計過程、數(shù)字計算等大概念。課程由若干科學(xué)探究活動與工程實踐活動組成，如活動“認(rèn)識身邊的電光源”和“水果電池”幫助學(xué)生了解光源與電源；活動“你能點亮它嗎”“燈的亮度可調(diào)嗎”圍繞簡單電路和串并聯(lián)電路展開；活動“能做決定的電路”則引導(dǎo)學(xué)生研究復(fù)合電路。由表3可見，這些概念的學(xué)習(xí)、理解和運用貫穿在整個學(xué)習(xí)過程中，無論是教師的“教”還是學(xué)生的“學(xué)”，都是圍繞“大概念”能量中的電能問題進行。

在“LED可穿戴產(chǎn)品”教學(xué)過程中，“問題提出”部分幫助學(xué)生了解各種各樣發(fā)光的可穿戴產(chǎn)品，使學(xué)生認(rèn)識到可以用電學(xué)器材和原理完成任務(wù)。

“知識建構(gòu)”部分涉及光源、電源、簡單電路、串并聯(lián)電路、光與顏色、復(fù)合電路設(shè)計等內(nèi)容，涉及基本電學(xué)和電路技術(shù)的知識建構(gòu)，圍繞電學(xué)的“大概念”開展教學(xué)，通過科學(xué)探究的方法進行學(xué)習(xí)。

“解決問題”部分幫助學(xué)生回到最初提出的工程問題上。在建立了基本的科學(xué)與技術(shù)知識之后，幫助學(xué)生重新思考和設(shè)計、繪制設(shè)計圖、依據(jù)設(shè)計圖制作產(chǎn)品、測試和改進產(chǎn)品，最后展示產(chǎn)品并進行交流。該部分體現(xiàn)了工程過程的基本要點，促進學(xué)生學(xué)習(xí)與工程設(shè)計相關(guān)的知識并解決實際問題，達(dá)成對工程設(shè)計基本概念的理解。

綜上所述，STEM課程如何設(shè)計與實施是一個更為重要、更加實際的教育問題。通過近年來對STEM課程的研究與實踐，筆者發(fā)現(xiàn)開展STEM教育與課程設(shè)計時需要基于“大概念”，而且要充分考慮“大概念”對教育和課程的指向作用。同時，由于探究活動與工程設(shè)計活動組成的課程體系較大，所需要的課時較長，對教師的要求也相對較高，需要教師根據(jù)學(xué)生的實際水平進行靈活的調(diào)整。

注釋：

[1]Wynne，H.（2010）.Principles and Big Ideas of Science Education . Ashford Colour Press Ltd.

[2]Margarent，H.，GregP .，&Heidi;，S.（2014）.STEM Integrated in K-12 Education：Status，Prospects，and an Agenda for Research. Washington，DC：The National Academies Press.

[3]鐘柏昌、張麗芳.美國STEM教育變革中“變革方程”的作用及其啟示.中國電化教育，2014，4（327）：18-24