指向“4C能力”發(fā)展的STEM教育 跨學(xué)科發(fā)展研究

劉穎

摘 要：“4C能力”作為STEM發(fā)展的核心要義，旨在通過對真實問題的解決，發(fā)展學(xué)生的批判性思維能力、創(chuàng)新思維能力、合作能力、溝通能力，因此關(guān)注STEM教育中學(xué)生的“4C能力”能夠促進(jìn)學(xué)生思維品質(zhì)和實踐能力的發(fā)展。文章立足于STEM教育跨學(xué)科的內(nèi)涵與特征，剖析“4C能力”與STEM教育跨學(xué)科發(fā)展的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，加強(qiáng)STEM課程師資隊伍建設(shè)、合理配置STEM課程現(xiàn)代技術(shù)資源、設(shè)置完整的STEM課程方案設(shè)計是促進(jìn)STEM教育跨學(xué)科發(fā)展的有效路徑。

關(guān)鍵詞：4C能力;STEM教育;跨學(xué)科發(fā)展

中圖分類號：G420? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2019）24-0006-05

一、引言

2013年德國認(rèn)為人類已經(jīng)進(jìn)入到了以創(chuàng)新科技為目標(biāo)的第四次工業(yè)革命時代，呼吁為未來社會培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維、創(chuàng)新技術(shù)的新型人才。我國“六卓越一拔尖” 計劃2.0提出要“強(qiáng)化實踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，培育科學(xué)道德、批判精神和創(chuàng)新精神，提升溝通表達(dá)能力和團(tuán)隊協(xié)作精神，造就敢闖會創(chuàng)、敢為天下先的青年英才。”[1]

對于STEM的研究，研究者大多把研究的視角聚焦于STEM課程的設(shè)計當(dāng)中，要求教師具備STEM的專業(yè)發(fā)展能力，但是對STEM教育的育人價值，也就是STEM教育對學(xué)生發(fā)展提出的價值訴求沒有給予太多的關(guān)注。由此可見，將STEM教育的育人價值和“4C能力”的人才培養(yǎng)聯(lián)系起來，將會給STEM教育的研究提供新契機(jī)，明確STEM教育中學(xué)生需要達(dá)到的層次，為教師和學(xué)生的發(fā)展提供了一個清晰的方向。

所謂“4C能力”，是美國制定的“21世紀(jì)學(xué)習(xí)框架”當(dāng)中需要發(fā)展的學(xué)生能力，包括批判性思維能力（Critical Thinking）、溝通能力（Communication）、協(xié)作能力（Collaboration）以及創(chuàng)新創(chuàng)造能力（Creativity）。

二、STEM教育的內(nèi)涵與特征

1.STEM教育的內(nèi)涵

STEM教育并不是將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行簡單的排列組合，或進(jìn)行一個簡單、機(jī)械的拼湊，而是教師通過自身的STEM專業(yè)能力將四門學(xué)科組成一個富有生命力的整體。STEM教育的發(fā)展并不是一蹴而就的，而是經(jīng)歷了圖1所示的“四個發(fā)展階段”[2]，這四個階段的發(fā)展又與布盧姆的教育目標(biāo)分類學(xué)的劃分階段相聯(lián)系：①分科課程階段，各個學(xué)科之間的距離較遠(yuǎn)，彼此獨立，呈現(xiàn)出相互分離的狀態(tài)，并且存在碎片化知識的特點，此階段各學(xué)科之間的關(guān)聯(lián)性較差，注重的是記憶和理解;②多學(xué)科階段，學(xué)生能夠在這個階段中習(xí)得涵蓋概念和技能的主題內(nèi)容，多學(xué)科階段開始注重將碎片化的知識重新進(jìn)行排列組合，開始重視各科之間知識的關(guān)聯(lián)性與交互性;③學(xué)科間階段，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在高度相關(guān)的兩門以上的學(xué)科中學(xué)習(xí)概念和技能，這一階段高度關(guān)注各科知識之間的交互性，強(qiáng)調(diào)對知識的應(yīng)用和分析能力;④跨學(xué)科發(fā)展階段，即STEM教育融合階段，這一階段強(qiáng)調(diào)圍繞項目驅(qū)動實現(xiàn)實際生活中的問題解決，注重學(xué)生評價和創(chuàng)造的能力?？鐚W(xué)科教育強(qiáng)調(diào)學(xué)科之間的融合與發(fā)展，并且給予了各個學(xué)科自我發(fā)展的空間，使各科仍然具備自身學(xué)科的特色與課程品質(zhì)。前面的階段發(fā)展成為融合階段發(fā)展的重要基石，STEM教育最終走向的是學(xué)科之間的融合與創(chuàng)新。

2.STEM教育的特征

（1）以跨學(xué)科教育為核心，實現(xiàn)多門學(xué)科的交叉性

傳統(tǒng)教育將知識按具體學(xué)科劃分，強(qiáng)調(diào)學(xué)科知識組織的條理化、邏輯化以及系統(tǒng)化，目的是為了形成結(jié)構(gòu)良好的知識板塊，使學(xué)生對知識的學(xué)習(xí)有更高層次上的把握。但是，這種強(qiáng)制性的劃分同時也割裂了學(xué)科知識之間的內(nèi)在聯(lián)系，分裂的知識之間相互掣肘，最終導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)缺乏真實的問題情境。

STEM教育的核心就是打破原有知識之間的阻礙，整合課程學(xué)科知識，使之形成一種跨學(xué)科的教育組織形式?！翱鐚W(xué)科課程整合就是環(huán)繞一個共同的主題，打破學(xué)科的界限，把不同學(xué)科、不同領(lǐng)域的理論和方法有機(jī)結(jié)合，有目的、有計劃地設(shè)計組織課程內(nèi)容和教學(xué)活動，以提高學(xué)生能力、促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展為最終目的的一種課程組織方式和課程設(shè)計理念?！盵3]

“將各科內(nèi)容改造成以問題為核心的課程組織，通過序列化的問題有機(jī)串接起各學(xué)科知識，使課程要素形成有機(jī)聯(lián)系和有機(jī)結(jié)構(gòu)?！盵4]STEM教育的訴求就是促使各學(xué)科形成一個有機(jī)的序列和結(jié)構(gòu)，在多門學(xué)科的整合過程中找到學(xué)科知識的銜接點，圍繞真實情境展開，促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)思維能力和動手能力?？鐚W(xué)科知識的整合能夠促使學(xué)生掌握問題解決的能力與素養(yǎng)，觸發(fā)學(xué)生思考與自主學(xué)習(xí)的能力。

（2）以真實情境為依托，倡導(dǎo)現(xiàn)實生活的回歸性

STEM教育跨學(xué)科學(xué)習(xí)注重學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的知識在真實的情境中能夠解決實際的問題，強(qiáng)調(diào)在生活中的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生能夠?qū)ι钪谐霈F(xiàn)的問題尋根究底，找到問題解決的辦法，從而促使學(xué)生具備團(tuán)隊協(xié)作以及創(chuàng)新創(chuàng)造的能力。

Anne Jolly通過總結(jié)實踐案例得出了STEM課程具有六大優(yōu)勢，其中最主要的是STEM課程能夠聚焦于真實世界中的問題，隨后才是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行項目導(dǎo)向或問題解決的學(xué)習(xí)?！翱鐚W(xué)科STEM教育強(qiáng)調(diào)以真實問題或主題為驅(qū)動，利用科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)以及藝術(shù)等多學(xué)科相互關(guān)聯(lián)的跨學(xué)科概念知識解決問題，實現(xiàn)從跨學(xué)科知識綜合應(yīng)用的角度提高學(xué)生解決問題、探究和創(chuàng)造的能力?！盵5]跨學(xué)科STEM教育區(qū)別于傳統(tǒng)教育圍繞教科書展開的學(xué)習(xí)方式，尋求的是學(xué)生在真實問題的情境下，利用自身的知識、經(jīng)驗以及技能，并且能夠依靠技術(shù)找到問題解決的辦法。STEM跨學(xué)科教育以真實性問題為依托，學(xué)生通過在團(tuán)隊小組中的互動，交流學(xué)習(xí)的經(jīng)驗與方法，為實際生活中出現(xiàn)的問題提出具有創(chuàng)新性的解決方法，從而培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的遷移性，依靠建構(gòu)性的思維實現(xiàn)對問題的深層次理解，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。

四、指向“4C能力”發(fā)展的STEM教育跨學(xué)科發(fā)展路徑

1.加強(qiáng)STEM課程師資隊伍建設(shè)

STEM課程自開設(shè)以來，最終指向的是學(xué)生“4C能力”的發(fā)展，STEM課程是一個統(tǒng)整性的綜合活動實踐課程，這就對教師課程整合的能力要求頗高?！暗?，教師將原本分科的教材內(nèi)容直接安置到STEM課程主題之下，出現(xiàn)為整合而整合、不協(xié)調(diào)等拼湊現(xiàn)象?！盵11] David的研究顯示，“STEM教育的整合可能面臨K-12教師極少獲得工程學(xué)位，因為對工程沒有深刻理解，不能很好地激發(fā)學(xué)生對工程方法興趣的現(xiàn)實難題?！盵12]

STEM課程作為一門綜合性較強(qiáng)的課程，需要培養(yǎng)專門的STEM課程師資隊伍，不能將四門學(xué)科的知識進(jìn)行簡單的拼湊，要想發(fā)展學(xué)生的STEM科學(xué)素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)和遷移學(xué)習(xí)以及維持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，要求教師的教學(xué)方式和教學(xué)理念有一個深層次的轉(zhuǎn)變，需要教師發(fā)展自身的STEM學(xué)科專業(yè)素養(yǎng)，促進(jìn)教師STEM課程整合的意識和能力。

美國STEM教育國家研究院（The National Institute for STEM Education，簡稱NISE）為實施STEM教育的教室、學(xué)校和地區(qū)頒發(fā)證書。應(yīng)用一個能力本位的、學(xué)術(shù)性引領(lǐng)的在線學(xué)習(xí)平臺，通過對三大領(lǐng)域共15種教師行為的熟練程度進(jìn)行論證，用以認(rèn)證教師STEM教育專業(yè)技能。因此，如果要保證STEM教師專業(yè)能力的可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)當(dāng)創(chuàng)辦STEM教育專業(yè)、開展STEM教育教師培訓(xùn)課程、組建STEM教育團(tuán)隊、設(shè)立STEM教育研究機(jī)構(gòu)、設(shè)立STEM教育特色校等等。

2.合理配置STEM課程現(xiàn)代技術(shù)資源

STEM教育主張技術(shù)作為課程開展的有力支撐，強(qiáng)調(diào)學(xué)生要具備一定的技術(shù)素養(yǎng)，要求學(xué)生了解現(xiàn)代化教育技術(shù)的使用過程，以備日后STEM課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生善于運(yùn)用技術(shù)解決問題的能力，從而支持深度學(xué)習(xí)的發(fā)生?！皢栴}解決或項目完成需要學(xué)習(xí)者在大量信息基礎(chǔ)上進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、意義建構(gòu)，因此設(shè)計STEM的學(xué)習(xí)環(huán)境和豐富的學(xué)習(xí)資源與工具是STEM教學(xué)設(shè)計必不可少的環(huán)節(jié)?！盵4] STEM課程技術(shù)資源的設(shè)計主要包括在教學(xué)中需要用到的各項設(shè)備、器材和各種信息化工具，如3D打印機(jī)、開源電路板的使用等等。這些工具的使用能夠為學(xué)生的跨學(xué)科能力提供技術(shù)支持，在很大程度上提高學(xué)生的問題解決能力。

為了實現(xiàn)最優(yōu)質(zhì)的STEM教學(xué)技術(shù)資源，首先，要整合現(xiàn)代信息技術(shù)，選擇本次STEM課程需要用到的技術(shù)資源。這就需要教師在STEM課程開始時就確定與選擇與本次課程相關(guān)的技術(shù)設(shè)備，并且要提前告知學(xué)生本次課程將使用哪些設(shè)備。其次，要將選擇的STEM教學(xué)技術(shù)資源與STEM課程的教學(xué)設(shè)計進(jìn)行配套使用，利用Scratch可視化程序設(shè)計等工具作為STEM課程發(fā)展的項目支撐，在技術(shù)設(shè)備使用的過程中要維持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)狀態(tài)，以免學(xué)生因操作問題而喪失了學(xué)習(xí)的動機(jī)。最后，對本次使用的技術(shù)資源教學(xué)效果進(jìn)行有效的評價與評估，要對學(xué)生完成的作品進(jìn)行一個可視化的分析，促使學(xué)生在自己完成的基礎(chǔ)上形成反思與改進(jìn)，檢驗教育技術(shù)是否為學(xué)生的發(fā)展帶來新的機(jī)遇。

3.設(shè)置完整的STEM課程方案設(shè)計

目前，人們對STEM課程仍舊存在兩個誤區(qū)：一是將STEM課程整合理解為科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門學(xué)科分支的綜合，教師對STEM課程的理解局限于四門課程簡單的疊加，出現(xiàn)為整合而整合的現(xiàn)象;二是將STEM課程與綜合課程、綜合實踐活動課程相混淆，這兩種誤區(qū)的存在都是因為教師沒有明確的STEM課程理念和STEM課程的方案設(shè)計?！癝TEM教育學(xué)習(xí)項目不是課外的科技小組活動，它是一種與傳統(tǒng)課堂教學(xué)不同的課程教學(xué)方式。它要有明確的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)進(jìn)度、教學(xué)策略和教學(xué)評價?！盵13]將散亂的學(xué)科知識進(jìn)行有機(jī)的整合，從而形成跨學(xué)科知識系統(tǒng)，這正是STEM課程整合的出發(fā)點，在STEM課程的整合過程當(dāng)中，需要具備系統(tǒng)健全的課程標(biāo)準(zhǔn)，在教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過程、教學(xué)方法、教學(xué)評價等方面都要進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃，由此將STEM課程的權(quán)威性和有效性確定下來。

STEM課程的學(xué)習(xí)應(yīng)當(dāng)以真實情境中的問題為核心，在教師的幫助下由學(xué)生創(chuàng)造性地解決實際的問題，不僅保持了問題設(shè)計的真實性，同時也激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的創(chuàng)造性。選取教師和學(xué)生共同關(guān)注的真實問題或主題，形成本次STEM課程的框架和范圍，確定相關(guān)的活動和經(jīng)驗的提取，共同開展活動、制定評價標(biāo)準(zhǔn)，最后開展STEM課程的評價，通過師生共同參與的STEM活動，學(xué)生的溝通能力、協(xié)作能力才能得以發(fā)揮。

STEM課程的劃分可以根據(jù)不同的主題和項目活動內(nèi)容進(jìn)行劃分，在保障項目和主體能夠完成的情況下，教師可以根據(jù)自己STEM課程教學(xué)的進(jìn)度進(jìn)行能力層次難度的劃分，促使每一個學(xué)生都能參與到學(xué)習(xí)中來，避免出現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的“邊緣化”現(xiàn)象。

根據(jù)這些主題所包含的學(xué)習(xí)任務(wù)不同，教師的STEM課程設(shè)計也有所差別，但是優(yōu)秀的STEM課程教學(xué)計劃最終要明晰的是本次STEM課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及教學(xué)評價，并且STEM教師要了解學(xué)生在課上能夠?qū)W到哪些知識，這些知識應(yīng)當(dāng)學(xué)到什么程度，學(xué)生的思維品質(zhì)最終要如何發(fā)展等等，這些問題都是教師需要考慮的。通過設(shè)置完整的STEM課程方案設(shè)計，對學(xué)生STEM素養(yǎng)發(fā)展有一個準(zhǔn)確的把握，由此能夠成為發(fā)展學(xué)生“4C能力”品質(zhì)的有效保證。

五、總結(jié)

STEM教育作為一種全新的教學(xué)范式，顛覆了傳統(tǒng)的教學(xué)組織形式，為未來社會的人才培養(yǎng)觀奠定了方向，即STEM教育跨學(xué)科發(fā)展最終要實現(xiàn)的是學(xué)生圍繞項目活動的展開在小組活動中進(jìn)行有效的溝通和協(xié)作，從而形成創(chuàng)造性的思維品質(zhì)，STEM教育不是一個人的學(xué)習(xí)，而是將學(xué)生的智慧聚集在一起，激發(fā)創(chuàng)造性的思維碰撞。指向“4C能力”發(fā)展的STEM教育跨學(xué)科發(fā)展還應(yīng)當(dāng)注重以下幾個方面：一是STEM課程的教學(xué)設(shè)計，STEM課程是否應(yīng)當(dāng)有一個統(tǒng)一指導(dǎo)性的課程體系，如果有，教師應(yīng)當(dāng)如何結(jié)合學(xué)生的情況進(jìn)行校本課程的開發(fā);二是STEM教師專業(yè)發(fā)展的問題，STEM課程對教師的要求較高，教師的專業(yè)發(fā)展能力是否應(yīng)當(dāng)有一個標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)又有哪些維度和量化的指標(biāo)體系。這兩個方面都需要學(xué)者們進(jìn)行深入的實踐與探索，從而為培養(yǎng)21世紀(jì)需要的具有“4C能力”素養(yǎng)的人才做好充分的準(zhǔn)備。

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