“雙奶酪模式”下的STEM 活動設(shè)計(jì)實(shí)踐研究

葉 瀟 鄭思晨

（中國福利會少年宮 上海 200040）

一、當(dāng)前STEM 活動設(shè)計(jì)中所存在的問題

當(dāng)前STEM 活動設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)論證的嚴(yán)謹(jǐn)性過程，難以培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力。STEM 活動是基于實(shí)際問題而開展的，在解決問題的過程中需要學(xué)生理解問題情境、尋找解決問題的一系列證據(jù)，并對證據(jù)進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)論證，最后整合一系列的證據(jù)鏈條，形成解決問題的實(shí)際方案。但當(dāng)前的STEM 活動缺乏科學(xué)論證的嚴(yán)謹(jǐn)過程，學(xué)生擺事實(shí)講道理的能力普遍不強(qiáng)。

缺乏全面客觀的過程性評價，難以反映學(xué)生的真實(shí)掌握情況。從理解知識到學(xué)會運(yùn)用知識是循序漸進(jìn)的過程，需要大量連續(xù)性和過程性的數(shù)據(jù)來評估學(xué)生的真實(shí)掌握情況。大多數(shù)STEM 活動僅僅側(cè)重于要求學(xué)生完成一個作品，缺乏對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的關(guān)注，沒有客觀性的數(shù)據(jù)來展現(xiàn)學(xué)生實(shí)際掌握知識的情況，難以評估學(xué)生能力素養(yǎng)的發(fā)展水平。

缺乏活動內(nèi)容的系統(tǒng)性設(shè)計(jì)，難以促進(jìn)學(xué)生跨學(xué)科實(shí)踐能力的發(fā)展。教師需要有目的、有計(jì)劃地設(shè)計(jì)和組織STEM 活動，幫助學(xué)生整合不同學(xué)科、不同領(lǐng)域的知識和技能來解決實(shí)際生活中的問題。當(dāng)前的STEM 活動缺乏連貫、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和規(guī)劃，難以促使學(xué)生由淺表學(xué)習(xí)走向深度學(xué)習(xí)、由初級理解向深度理解發(fā)展，未能真正實(shí)現(xiàn)學(xué)生跨學(xué)科知識與能力的整合。

二、“雙奶酪模式”下的STEM 活動設(shè)計(jì)內(nèi)涵和特征

鑒于上述STEM 活動設(shè)計(jì)中所存在的問題，筆者運(yùn)用基于證據(jù)的學(xué)習(xí)理論，并借鑒設(shè)計(jì)思維方法，結(jié)合少年宮科技創(chuàng)新興趣小組以及STEM 創(chuàng)意活動的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，探索出了“雙奶酪模式”STEM 活動設(shè)計(jì)模式以及相應(yīng)的教學(xué)模式。

雙奶酪模式是在原先奶酪法則（CHEESE）：好奇（Curiosity）、猜 測（Hypothesis）、探 究（Explora?tion）、解釋（Explanation）、延伸（Spread）、評估（Eval?uation）的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。原先的奶酪法則所呈現(xiàn)是一種具體的教學(xué)模式，并沒有給出教師該如何進(jìn)行STEM 教學(xué)活動內(nèi)容的設(shè)計(jì)。筆者認(rèn)為教師對STEM 教學(xué)活動內(nèi)容的設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的，前期對教學(xué)活動內(nèi)容的良好設(shè)計(jì)，為后期更好地實(shí)施教學(xué)活動構(gòu)建了系統(tǒng)的框架。為此，筆者提出了雙奶酪模式，融合了教學(xué)模式和活動設(shè)計(jì)模式。教學(xué)模式為原先的奶酪法則，注重的是在STEM 活動實(shí)施的過程中，教師如何“教”以及學(xué)生如何“學(xué)”。活動設(shè)計(jì)模式，注重的是教師如何設(shè)計(jì)STEM 教學(xué)活動內(nèi)容。

STEM 活動設(shè)計(jì)模式中的“雙奶酪模式”是由嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖C明（Hard Evidence）、全面的評價（Exhaustive Evaluation）、系統(tǒng)的構(gòu)思（Systematic Conception）三個詞組合而成。強(qiáng)調(diào)知識網(wǎng)絡(luò)的建構(gòu)和知識的境域性；強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)豐富的動手體驗(yàn)環(huán)節(jié)，并提供相應(yīng)的學(xué)習(xí)支架；強(qiáng)調(diào)要以發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)為目標(biāo)，積極開展形成性評價和表現(xiàn)性評價。

（一）注重科學(xué)論證的嚴(yán)謹(jǐn)性（Hard Evidence）

模式強(qiáng)調(diào)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中運(yùn)用一系列證據(jù)，完成科學(xué)探究任務(wù)和解決實(shí)際問題。學(xué)生需要運(yùn)用證據(jù)去支持每一個觀點(diǎn)的提出，在探究的過程中理解每一個步驟背后支持的證據(jù)以及該證據(jù)背后的學(xué)科知識或科學(xué)原理；基于證據(jù)運(yùn)用理性的思維去分析、判斷、推理、假設(shè)和創(chuàng)新，獲得情境性知識并提升問題解決能力，體驗(yàn)獲得知識的真實(shí)過程。［1］

模式為學(xué)科知識和科學(xué)原理建立了邏輯鏈條，并融入真實(shí)的問題情境中，形成了具有內(nèi)在邏輯聯(lián)系的情境。這種邏輯性表現(xiàn)為情境信息與情境問題、默會知識、測試目標(biāo)等具有邏輯聯(lián)系。［2］而且具有邏輯聯(lián)系的情境有利于個體提取相關(guān)信息，促進(jìn)問題模型的建立，最終促進(jìn)問題解決。［3］

（二）注重過程評價的全面性（Exhaustive Evaluation）

模式突出了形成性評價過程性的特點(diǎn)，對STEM 活動評價內(nèi)容進(jìn)行豐富，評價貼合學(xué)習(xí)目標(biāo)，能引發(fā)學(xué)生與預(yù)期學(xué)習(xí)相關(guān)的反應(yīng)，評價活動包含一個適切的評分機(jī)制，能有依據(jù)地解釋學(xué)生關(guān)于目標(biāo)的表現(xiàn)，可以為后續(xù)改進(jìn)教學(xué)提供有信度和效度的證據(jù)。此外，評價重視學(xué)生個性態(tài)度、動機(jī)水平、自我認(rèn)知、情感等方面的因素，是一種彰顯人文性的評價方式。［4］

STEM 活動的學(xué)習(xí)結(jié)果既是學(xué)習(xí)過程發(fā)生的“證據(jù)”，也是開展評價的“證據(jù)”。為了拿到這些“證據(jù)”，學(xué)生學(xué)習(xí)的過程必須能夠外在地表現(xiàn)出來。因此，表現(xiàn)性評價的起點(diǎn)是教師給學(xué)生提供一些“表現(xiàn)任務(wù)”，它與學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)容、技能等密切相關(guān)。［5］

（三）注重活動設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性（Systematic Conception）

模式注重每個活動模塊之間的內(nèi)在聯(lián)系性，關(guān)注學(xué)生積極主動地參與STEM 活動，幫助學(xué)生從廣度、深度與關(guān)聯(lián)強(qiáng)度等維度上建構(gòu)知識網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)踐活動中將已有知識遷移到新的情境中，更好地促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，為學(xué)生全面發(fā)展構(gòu)建平臺。

在STEM 活動中，奶酪設(shè)計(jì)模式側(cè)重于從理解人的需求出發(fā)，綜合應(yīng)用多學(xué)科知識，形成創(chuàng)新解決方案。［6］在具體的策略方法上，它為學(xué)生提供了一套系統(tǒng)的模式，學(xué)習(xí)者通過它學(xué)習(xí)如何共情、創(chuàng)意構(gòu)思、原型迭代等，參照設(shè)計(jì)思維方法的操作過程框架，按照其方法，一步步完成設(shè)計(jì)制作的過程，從而使得設(shè)計(jì)、制作、創(chuàng)新變得簡單、透明。［7］

三、“雙奶酪模式”STEM 活動設(shè)計(jì)模式的實(shí)施建議

STEM 跨學(xué)科整合最核心的工作是項(xiàng)目或問題的設(shè)計(jì)，如果沒有良好的結(jié)構(gòu)化項(xiàng)目設(shè)計(jì)，會導(dǎo)致學(xué)習(xí)困難、效率不高、挫折感強(qiáng)、學(xué)習(xí)收獲不大等一系列問題。STEM 項(xiàng)目設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)將知識蘊(yùn)含于情境化的真實(shí)問題中，強(qiáng)調(diào)調(diào)動學(xué)生主動積極地利用各學(xué)科的相關(guān)知識設(shè)計(jì)解決方案，跨越學(xué)科界限提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。［8］在設(shè)計(jì)STEM 教育項(xiàng)目時，教師需要注重如下幾個方面：

（一）加強(qiáng)教師自身多學(xué)科的學(xué)習(xí)實(shí)踐

事實(shí)證明每門學(xué)科真正重要的概念和理論并不多，教師需要加強(qiáng)這些概念和理論與日程生活的聯(lián)系，盡可能地把它們?nèi)坑蒙先ソ鉀Q生活中的所有問題。通過不斷學(xué)習(xí)眾多學(xué)科的知識，構(gòu)建自己的多元思維模型，最終在頭腦中形成一個思維模型的復(fù)式框架。

（二）設(shè)計(jì)STEM 調(diào)查問卷分析學(xué)生需求

在為學(xué)生設(shè)計(jì)STEM 調(diào)查問卷的時候，可從這些方面進(jìn)行考慮：學(xué)生運(yùn)用了哪些理論去解決了學(xué)習(xí)和生活中的哪些問題；學(xué)生在日常的學(xué)習(xí)和生活中，是否存在亟須解決的問題；學(xué)生對于近年來社會上熱點(diǎn)問題的看法。

（三）綜合分析學(xué)生問卷設(shè)計(jì)STEM 項(xiàng)目

通過問卷調(diào)查可以獲悉學(xué)生對學(xué)科重要概念和理論的實(shí)際掌握情況，了解學(xué)生在日常生活和學(xué)習(xí)中的實(shí)際需求，掌握學(xué)生對社會的關(guān)注度以及興趣點(diǎn)，教師運(yùn)用自己的多元思維模型為學(xué)生規(guī)劃和設(shè)計(jì)相應(yīng)的STEM 項(xiàng)目。

1.運(yùn)用多元思維模型劃分STEM 項(xiàng)目模塊

為學(xué)生設(shè)置一項(xiàng)大任務(wù)，即遞交一個實(shí)物作品，作品需要體現(xiàn)整個STEM 項(xiàng)目中所涉及的多個學(xué)科的重要概念和理論的運(yùn)用。運(yùn)用多元思維模型將整個STEM 項(xiàng)目劃分成若干個模塊，每個模塊之間可以具有一定的聯(lián)系。

2.運(yùn)用設(shè)計(jì)思維方法為學(xué)生構(gòu)建學(xué)習(xí)支架

運(yùn)用設(shè)計(jì)思維方法為學(xué)生提供大量思維可視化工具，結(jié)合學(xué)生對各學(xué)科中重要概念和理論的實(shí)際掌握情況，為學(xué)生構(gòu)建一套學(xué)習(xí)支架系統(tǒng)，內(nèi)含的學(xué)習(xí)支架形式有：學(xué)生學(xué)習(xí)記錄文檔，包括測量數(shù)據(jù)記錄表格、問題思考表述文檔、問題探究過程記錄表格、工程設(shè)計(jì)表格、制作過程記錄表格等。［9］

四、“雙奶酪模式”STEM 教學(xué)模式實(shí)踐

前期對STEM 項(xiàng)目中各模塊的精心設(shè)計(jì)，為具體實(shí)施STEM 教學(xué)活動做了重要的、完備的鋪墊工作，為了更好地讓STEM 項(xiàng)目落地，除此之外還需要一套成熟的STEM 教學(xué)模式。

“雙奶酪模式”STEM 教學(xué)模式分為六個環(huán)節(jié)：好奇（Curiosity）、猜測（Hypothesis）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、延伸（Spread）、評估（Evaluation）。

好奇環(huán)節(jié)是一個統(tǒng)領(lǐng)全局的環(huán)節(jié)。對于學(xué)生好奇心的培養(yǎng)，既要講究科學(xué)性，又要講究新穎性，教師需要創(chuàng)設(shè)豐富多彩的情境來激發(fā)學(xué)生的好奇心。猜測環(huán)節(jié)是一個維持好奇心的環(huán)節(jié)。學(xué)生充分發(fā)揮想象力，獨(dú)立思考，大膽猜測，讓好奇從天然的憧憬走向理性的探索，從原始的沖動走向科學(xué)的思考。探究環(huán)節(jié)是驗(yàn)證猜測與假設(shè)的環(huán)節(jié)。學(xué)生針對特定的內(nèi)容，觀察現(xiàn)象、建立事物之間的聯(lián)系、概括規(guī)律、識別變量，對猜測進(jìn)行科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)踐與論證。解釋環(huán)節(jié)是一個承上啟下的環(huán)節(jié)。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下對獲得的成果進(jìn)行初步解釋，之后教師針對學(xué)生解釋中所存在的問題和一些不完全的結(jié)果進(jìn)行講解、補(bǔ)充和矯正。延伸環(huán)節(jié)是一個學(xué)習(xí)遷移的環(huán)節(jié)。學(xué)生在教師創(chuàng)設(shè)的學(xué)習(xí)任務(wù)下，利用所習(xí)得的新知識去解決問題。教師應(yīng)該為學(xué)生提供時間和空間，讓他們參與討論和獲取信息，以加強(qiáng)對新概念的理解。評價環(huán)節(jié)是一個考核總結(jié)的環(huán)節(jié)。教師觀察學(xué)生如何應(yīng)用新的概念和方法來解決問題，并提出開放性的問題來評價學(xué)生對新概念或方法的理解和應(yīng)用情況。同時，教師還應(yīng)鼓勵學(xué)生進(jìn)行自評和互評。

模式的六個環(huán)節(jié)是相輔相成、缺一不可的，在每一個環(huán)節(jié)中可能都會有奶酪教學(xué)模式的縮影，它是一個不斷完善的良性循環(huán)。

五、“雙奶酪模式”下的STEM 活動案例“地球儀的創(chuàng)新設(shè)計(jì)”

（一）活動整體設(shè)計(jì)

根據(jù)筆者給少年宮STEM 八年級學(xué)生調(diào)查問卷的反饋結(jié)果，有部分學(xué)生對于地理中的地球運(yùn)動、物理中的自行車受靜摩擦力作用以及變速自行車的原理、物理中的電路設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)中的時針分針秒針在手表上的運(yùn)行規(guī)律等問題覺得難以理解。為此特別設(shè)計(jì)了STEM 活動項(xiàng)目“地球儀的創(chuàng)新設(shè)計(jì)”，本項(xiàng)目劃分為四個模塊：“小身材，大作用”探究齒輪的用途、撥動時光的年輪、打開電子世界的大門、給地球穿上“新衣”。項(xiàng)目同樣也可用于各種夏令營和工作坊，教師可以根據(jù)課時安排、學(xué)生水平來選擇性地延遲和縮短部分模塊的時間。

（二）模塊“撥動時光的年輪”的教學(xué)活動設(shè)計(jì)

1.好奇環(huán)節(jié)

我們知道一個時辰在今天看來是兩個小時，還有一些詞語，例如：一刻、一炷香、一盞茶、彈指一揮間等等，這些時間如果換算到我們今天到底是多長的時間呢？

播放視頻：《長安十二時辰》里沒告訴你的計(jì)時方法

提問：除了視頻中所看到的中國古代計(jì)時工具之外，你還知道有哪些計(jì)時工具嗎？對于之前所提到的這些計(jì)時工具，你是否了解它們的運(yùn)行原理呢？

2.猜測環(huán)節(jié)

學(xué)生觀看視頻《制作一個機(jī)械計(jì)數(shù)器，看看創(chuàng)意設(shè)計(jì)！》，教師通過提問引導(dǎo)學(xué)生猜測這個機(jī)械計(jì)數(shù)器是通過什么方式運(yùn)轉(zhuǎn)的，并要求學(xué)生說出猜測的原因：

（1）機(jī)械計(jì)數(shù)器的動力源來自哪里？

（2）個位計(jì)數(shù)圓盤是通過什么方式被帶動旋轉(zhuǎn)的？

（3）個（十）位計(jì)數(shù)圓盤是通過什么方式帶動十（百）位計(jì)數(shù)圓盤的？

（4）這個機(jī)械計(jì)數(shù)器與我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫溺姳碛惺裁聪嗨频脑恚?/p>

3.探究環(huán)節(jié)

要求學(xué)生完成“機(jī)械計(jì)數(shù)器”探究學(xué)習(xí)記錄單，定量分析機(jī)械計(jì)數(shù)器的運(yùn)轉(zhuǎn)原理，根據(jù)學(xué)習(xí)支架——學(xué)習(xí)記錄單的引導(dǎo)完成對之前猜測的驗(yàn)證。下面僅以計(jì)數(shù)器的個位裝置為例呈現(xiàn)探究的過程：

（1）個位計(jì)數(shù)器組成部分：___個齒輪，___塊圓盤。

（2）齒輪和圓盤的位置，從左到右依次是：_。

（3）這些齒輪和圓盤是否固定在一起：是 or 否（請打√）。

（4）個位計(jì)數(shù)器這個整體是怎么轉(zhuǎn)動的：通過左邊的齒輪驅(qū)動or 通過右邊的齒輪驅(qū)動（請√）。

（5）請你寫出你認(rèn)為個位計(jì)數(shù)器通過左（右）邊齒輪驅(qū)動的原因。

提示：觀察左邊齒輪（齒輪數(shù)為2）邊緣是否有其他齒輪驅(qū)動。

（6）如果是右邊的齒輪驅(qū)動，那么是否需要再安裝一個齒輪來驅(qū)動右側(cè)的齒輪：是or 否（請打√）。安裝在什么位置比較合適？

4.解釋環(huán)節(jié)

教師安排各小組選派一位代表上臺分享探究活動經(jīng)驗(yàn)，介紹一下該組在探究活動中遇到了哪些困惑，又是如何解決這些困惑的。其他小組在臺下有禮貌地傾聽，待該組分享結(jié)束后，其他小組可以對該組的每個成員進(jìn)行提問。教師需要記錄每組在分享和提問過程中出現(xiàn)疑義的地方，最后針對這些疑義向每組學(xué)生給出自己的解釋。

5.延伸環(huán)節(jié)

學(xué)生首先需要完成項(xiàng)目的可行性分析，使用探究所得的成果對零部件進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)，隨后利用三視圖分析此設(shè)計(jì)是否可行；其次需要根據(jù)分析制定項(xiàng)目預(yù)算，并對機(jī)械計(jì)數(shù)器的零件進(jìn)行組裝，完成組裝之后，對模型進(jìn)行測試，記錄測試結(jié)果并進(jìn)行反思設(shè)計(jì)，修改方案并重復(fù)測試直至確立定型方案；最后根據(jù)實(shí)際使用的材料情況制定項(xiàng)目決算，嚴(yán)格對照預(yù)算進(jìn)行總結(jié)。

6.評價環(huán)節(jié)

各小組根據(jù)工程設(shè)計(jì)表格中實(shí)際記錄的內(nèi)容，制作PPT 展示交流項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)容可以從項(xiàng)目的合理分工、小組成員的參與度、作品的完成度及美觀度、實(shí)際決算使用以及與預(yù)算的偏離度、項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)以及突破難點(diǎn)的方案、項(xiàng)目實(shí)施的問題分析及反思設(shè)計(jì)等角度進(jìn)行設(shè)計(jì)。本組上臺分享時，教師和其他小組的同學(xué)根據(jù)該組成員實(shí)際表現(xiàn)情況進(jìn)行打分。

六、結(jié)語

“雙奶酪模式”下的STEM 活動設(shè)計(jì)實(shí)踐研究，融合了基于證據(jù)的學(xué)習(xí)理論、美國的5E 教學(xué)模式以及設(shè)計(jì)思維方法，能夠多維度、多層次地對學(xué)生進(jìn)行評價，注重核心素養(yǎng)的發(fā)展，以學(xué)生的發(fā)展為本，培養(yǎng)科學(xué)精神、創(chuàng)新精神、工匠精神、合作精神。

現(xiàn)代教育注重以人為本、面向世界。傳統(tǒng)的課程觀以及教學(xué)模式也發(fā)生了相應(yīng)的轉(zhuǎn)變。課程是一種發(fā)展的過程，而不是特定知識體系的載體，課程成為師生共同參與探究、實(shí)踐的過程。課程的組織以及教學(xué)模式向正向跨學(xué)科和綜合化的方向發(fā)展，從強(qiáng)調(diào)積累知識走向發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造知識。