跨學(xué)科整合視角下國(guó)內(nèi)外STEM課程質(zhì)量比較與優(yōu)化

閆寒冰　王巍

摘要：STEM教育的不斷發(fā)展，催生了對(duì)跨學(xué)科整合型課程的迫切需求。然而當(dāng)前我國(guó)的STEM課程建設(shè)更多注重形式規(guī)范，總體質(zhì)量堪憂(yōu)，因此從跨學(xué)科整合視角來(lái)開(kāi)發(fā)優(yōu)質(zhì)的STEM課程以指導(dǎo)教學(xué)迫在眉睫。比較與借鑒是提質(zhì)增效解決問(wèn)題的重要途徑。為提升我國(guó)STEM課程建設(shè)質(zhì)量，借鑒權(quán)威的STEM課程整合評(píng)價(jià)工具，從課程背景、工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)、科學(xué)內(nèi)容整合、數(shù)學(xué)內(nèi)容整合、教學(xué)策略、團(tuán)隊(duì)合作、交流、評(píng)估、組織等9個(gè)維度對(duì)58個(gè)國(guó)內(nèi)外STEM優(yōu)秀課程案例進(jìn)行定性與定量對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，我國(guó)的STEM課程案例在課程背景、科學(xué)內(nèi)容整合、教學(xué)策略和評(píng)估四個(gè)方面較國(guó)外STEM課程存在明顯不足。這在一定程度上制約了我國(guó)STEM課程建設(shè)和教學(xué)質(zhì)量提升。未來(lái)我國(guó)STEM課程建設(shè)應(yīng)從以下四個(gè)方面加強(qiáng)：一是提升對(duì)社會(huì)問(wèn)題的響應(yīng)度，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感;二是鼓勵(lì)有效失敗，營(yíng)造真實(shí)的科學(xué)體驗(yàn);三是豐富以學(xué)生為中心的策略，放大學(xué)生的思維過(guò)程;四是注重非正式評(píng)價(jià)，促進(jìn)學(xué)生綜合能力的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：STEM課程;質(zhì)量評(píng)價(jià);分析框架;比較研究;跨學(xué)科整合

中圖分類(lèi)號(hào)：G434? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1009-5195（2020）02-0039-09? doi10.3969/j.issn.1009-5195.2020.02.005

*基金項(xiàng)目：2018年度國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金重大項(xiàng)目“信息化促進(jìn)新時(shí)代基礎(chǔ)教育公平”（18ZDA335）。

作者簡(jiǎn)介：閆寒冰，博士，教授，博士生導(dǎo)師，華東師范大學(xué)開(kāi)放教育學(xué)院（上海 200062）;王巍，碩士研究生，華東師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)系（上海 200062）。

一、研究背景

1986年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì)（NSB）發(fā)表的《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》中首次明確提出“科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)教育的集成”這一綱領(lǐng)性建議，被認(rèn)為是STEM教育的開(kāi)端（鐘柏昌等，2014）。STEM是Science（科學(xué)）、Technology（技術(shù)）、Engineering（工程）和Mathematics（數(shù)學(xué)）四門(mén)學(xué)科的首字母縮寫(xiě)，但又不是四門(mén)學(xué)科的簡(jiǎn)單組合。不同學(xué)者對(duì)STEM教育有著不同的理解，目前主要有兩派觀點(diǎn)：一派觀點(diǎn)認(rèn)為STEM是通過(guò)不同學(xué)科有目的地整合來(lái)解決真實(shí)世界問(wèn)題的課程（Labov et al.，2010），另一派則認(rèn)為STEM是一種培養(yǎng)學(xué)習(xí)者綜合利用STEM知識(shí)解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的學(xué)習(xí)方法（傅騫等，2016）。雖然不同學(xué)者對(duì)STEM教育的定義各有側(cè)重，但都指向了STEM教育跨學(xué)科的核心特征，即以一種多學(xué)科交叉融合的方式培養(yǎng)復(fù)合創(chuàng)新型人才和全面發(fā)展的人（余勝泉等，2015）。

課程是落實(shí)STEM教育的關(guān)鍵。為推進(jìn)STEM教育，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在不同層面對(duì)STEM課程進(jìn)行了研究。在課程設(shè)計(jì)方面，周鵬琴等（2016）從STEM視角對(duì)美國(guó)科學(xué)課程教材“SCIENCE RESOURCES”中的知識(shí)點(diǎn)和教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行分析，探究了美國(guó)科學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)。楊彥軍等（2019）以美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)火星教育項(xiàng)目的STEM課程為案例，通過(guò)質(zhì)性分析方法從教學(xué)策略和課程開(kāi)發(fā)策略?xún)蓚€(gè)方面對(duì)該STEM課程的特點(diǎn)進(jìn)行了分析。在教學(xué)效果方面，為更好地了解STEM課程在多大程度上能滿(mǎn)足學(xué)生的需求并進(jìn)一步完善課程，Selwitz等（2018）通過(guò)定性方法從學(xué)生的意見(jiàn)和觀點(diǎn)的角度對(duì)STEM課程進(jìn)行了分析。在學(xué)科特色方面，Parker等（2015）從技術(shù)的角度構(gòu)建了STEM課堂中技術(shù)應(yīng)用的質(zhì)量評(píng)估框架，包括所使用的技術(shù)類(lèi)型、與STEM實(shí)踐的一致程度、以學(xué)生為中心的教學(xué)實(shí)踐以及與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的關(guān)聯(lián)程度。上述研究雖從不同側(cè)面對(duì)STEM課程進(jìn)行了定性或定量分析，但尚未有研究從STEM課程跨學(xué)科整合的視角對(duì)國(guó)內(nèi)外STEM優(yōu)秀課程案例進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)與對(duì)比分析。本研究旨在通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外STEM課程進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)和對(duì)比分析，從而精準(zhǔn)定位我國(guó)STEM課程存在的問(wèn)題并提供指導(dǎo)性建議。

二、研究設(shè)計(jì)

1.案例來(lái)源與標(biāo)準(zhǔn)

美國(guó)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（National Science Teachers Association，NSTA）是世界上最大的致力于促進(jìn)科學(xué)教學(xué)和卓越創(chuàng)新的組織。由NSTA主辦的《科學(xué)與兒童》（Science and Children）、《科學(xué)視野》（Science Scope）和《科學(xué)教師》（The Science Teacher）三本雜志分別面向小學(xué)、初中和高中的科學(xué)教師定期刊登優(yōu)秀的STEM課程，詳細(xì)展現(xiàn)了美國(guó)教師在科學(xué)與工程教學(xué)中的成功案例。本研究從這三本雜志中選取了2016年1月-2018年12月刊登的具有完整教學(xué)設(shè)計(jì)且能體現(xiàn)STEM教學(xué)特色的32個(gè)案例作為國(guó)外分析樣本，覆蓋小學(xué)（11個(gè)）、初中（13個(gè)）和高中（8個(gè)）三個(gè)學(xué)段。

2017年8月14日，由北京師范大學(xué)未來(lái)教育高精尖創(chuàng)新中心主辦、江西教育出版社承辦的第二屆STEM+創(chuàng)新教育學(xué)術(shù)交流研討會(huì)圍繞STEM+教學(xué)成果的活動(dòng)設(shè)計(jì)、課程研發(fā)以及創(chuàng)新分享展開(kāi)討論，匯集了眾多優(yōu)秀STEM課程案例。大會(huì)評(píng)選出26個(gè)國(guó)內(nèi)一線教師的實(shí)踐教學(xué)案例并收錄在作品集中，案例涉及小學(xué)（16個(gè)）、初中（6個(gè)）和高中（4個(gè)）三個(gè)學(xué)段。這些課程案例來(lái)自北京、杭州、廣州、重慶、武漢等10余個(gè)城市，地區(qū)覆蓋面較廣且均來(lái)自一線教師的真實(shí)教學(xué)經(jīng)歷，在一定程度上可以代表我國(guó)STEM課程建設(shè)水平，因此本研究將其作為國(guó)內(nèi)分析樣本。

2.案例分析框架

為評(píng)估教師在專(zhuān)業(yè)發(fā)展項(xiàng)目中開(kāi)發(fā)的20個(gè)以工程設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的STEM課程單元，Guzey等開(kāi)發(fā)了STEM課程整合評(píng)估工具（STEM Integration Curriculum Assessment，STEM-ICA），包含課程背景、工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)、科學(xué)內(nèi)容整合、數(shù)學(xué)內(nèi)容整合、教學(xué)策略、團(tuán)隊(duì)合作、交流、評(píng)估、組織等9個(gè)維度，對(duì)于評(píng)價(jià)一門(mén)課程的跨學(xué)科特性提供了重要的參考依據(jù)（Guzey et al.，2016）。由于STEM-ICA設(shè)計(jì)的初衷是評(píng)估教師在專(zhuān)業(yè)發(fā)展項(xiàng)目中的績(jī)效提升，且重點(diǎn)針對(duì)以工程設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的STEM課程，因此具有一定的局限性。此外，STEM-ICA評(píng)估工具由一系列是與否的問(wèn)題構(gòu)成，旨在幫助評(píng)估者反思課程單元的具體要素并理解各維度的評(píng)估意圖，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)并未形成清晰明確的課程評(píng)價(jià)框架。本研究基于STEM-ICA評(píng)估工具中設(shè)置的問(wèn)題進(jìn)一步提煉評(píng)估細(xì)則，并參考《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)（NGSS）》和《州共同核心課程標(biāo)準(zhǔn)——數(shù)學(xué)（CCSS-M）》，對(duì)評(píng)估細(xì)則做出些許調(diào)整，如在“數(shù)學(xué)內(nèi)容整合”維度補(bǔ)充“使用合適的工具/單位系統(tǒng)收集、處理和表示數(shù)據(jù)”的要求，最終形成如表1所示的STEM課程整合評(píng)量指標(biāo)。

STEM課程整合評(píng)量指標(biāo)由9個(gè)維度構(gòu)成，每個(gè)維度包含4～5個(gè)評(píng)估細(xì)則，共計(jì)37個(gè)評(píng)估細(xì)則。依據(jù)評(píng)量指標(biāo)，具體評(píng)分規(guī)則如下：為使評(píng)分結(jié)果更容易理解，本研究選擇1～5分的計(jì)分方式，每個(gè)維度的初始得分為1分，每體現(xiàn)1條評(píng)估細(xì)則，對(duì)應(yīng)維度得分加1分，每個(gè)維度最高得分為5分（即“工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)”維度若同時(shí)滿(mǎn)足4～5條評(píng)估細(xì)則，則該維度得分均為滿(mǎn)分5分），課程總體得分為各維度得分的加權(quán)平均。此外，為后續(xù)對(duì)國(guó)內(nèi)外STEM課程案例進(jìn)行對(duì)比分析，在進(jìn)行評(píng)分的同時(shí)還對(duì)課程案例在評(píng)估細(xì)則上有無(wú)體現(xiàn)進(jìn)行編碼（若該評(píng)估細(xì)則在案例中有所體現(xiàn)，則編碼為1;若沒(méi)有體現(xiàn)，則編碼為0），結(jié)合量化的統(tǒng)計(jì)和質(zhì)性的分析，有助于進(jìn)一步闡釋研究結(jié)果。

3.研究問(wèn)題

本研究選用定性和定量相結(jié)合的研究方法，首先對(duì)選取的課程案例進(jìn)行全面閱覽，以初步了解國(guó)內(nèi)外STEM課程的概況。其次，依據(jù)選取的案例分析框架，采用李克特五級(jí)量表對(duì)58個(gè)優(yōu)秀STEM課程案例在課程背景、工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)、科學(xué)內(nèi)容整合、數(shù)學(xué)內(nèi)容整合、教學(xué)策略、團(tuán)隊(duì)合作、交流、評(píng)估和組織等9個(gè)維度進(jìn)行打分，并對(duì)各維度的得分情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。最后，對(duì)比國(guó)內(nèi)外STEM課程案例的得分結(jié)果，并結(jié)合典型樣本進(jìn)行深入分析，探討如下三個(gè)問(wèn)題：（1）國(guó)內(nèi)外STEM課程整體質(zhì)量如何？在各個(gè)維度的表現(xiàn)如何？（2）我國(guó)STEM課程在哪些維度存在明顯不足？原因是什么？（3）美國(guó)STEM課程案例對(duì)我國(guó)課程建設(shè)有哪些啟發(fā)？

4.信度分析

為保證數(shù)據(jù)分析的外在信度，本研究進(jìn)行了信度分析。由熟悉STEM教育的4名研究人員組成兩個(gè)評(píng)分小組（每組各2名），在明確案例分析框架后獨(dú)立對(duì)5個(gè)國(guó)內(nèi)案例和5個(gè)國(guó)外案例進(jìn)行評(píng)分，并在組內(nèi)展開(kāi)討論以最終確定各自的評(píng)分結(jié)果。通過(guò)評(píng)分者一致性檢驗(yàn)，得到肯德?tīng)柡椭C系數(shù)為0.749（P<0.05）。因此，可以認(rèn)為4名研究人員的評(píng)定結(jié)果有較大的一致性，即數(shù)據(jù)分析具有較高的可信度。

三、研究結(jié)果及討論

1.研究結(jié)果

依據(jù)上述STEM課程整合評(píng)量指標(biāo)，本研究采用李克特五級(jí)量表對(duì)58個(gè)國(guó)內(nèi)外STEM課程案例進(jìn)行評(píng)分，1～5分代表評(píng)估細(xì)則中特征描述的體現(xiàn)水平。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，國(guó)內(nèi)STEM課程案例總體得分為3.10分，居于中等水平;國(guó)外STEM課程案例總體得分為3.74分，處于中等偏上水平。國(guó)內(nèi)STEM課程在組織維度得分最高（4.23分），在評(píng)估維度得分最低，僅為1.69分;國(guó)外STEM課程在科學(xué)內(nèi)容整合維度得分最高（4.56分），組織維度次之（4.53分），工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)維度得分最低，僅為2.84分。從各維度來(lái)看，組織維度整體表現(xiàn)水平較好，國(guó)內(nèi)外平均得分為4.38分，但在評(píng)估維度平均得分低于3分，整體水平較差。

通過(guò)比較國(guó)內(nèi)外STEM課程在各維度上的差異，可以發(fā)現(xiàn)，除工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)維度國(guó)內(nèi)得分（3.19分）較國(guó)外（2.84分）更高外，在其余維度上國(guó)內(nèi)STEM課程得分均低于國(guó)外。為進(jìn)一步判斷國(guó)內(nèi)外STEM課程在得分上是否存在顯著差異，本研究進(jìn)行了獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)。如表2所示，國(guó)內(nèi)外STEM課程在工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)、數(shù)學(xué)內(nèi)容整合、團(tuán)隊(duì)合作、交流和組織5個(gè)維度上的得分相近，但在課程背景、科學(xué)內(nèi)容整合、教學(xué)策略和評(píng)估四個(gè)維度的得分上存在顯著差異（P<0.05）。

2.研究討論

鑒于國(guó)內(nèi)外STEM課程在課程背景、科學(xué)內(nèi)容整合、教學(xué)策略和評(píng)估四個(gè)維度存在顯著差異，本研究進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)外STEM課程在這四個(gè)維度評(píng)估細(xì)則上的編碼結(jié)果（以百分比形式呈現(xiàn)），以便挖掘造成兩者存在差異的深層原因，如表3所示。

表3? ? ? ? ? ? ? 國(guó)內(nèi)外STEM課程編碼統(tǒng)計(jì)對(duì)比

[評(píng)估細(xì)則＼&國(guó)內(nèi)＼&國(guó)外＼&CC1＼&69.23%＼&84.38%＼&CC2＼&3.85%＼&18.75%＼&CC3＼&38.46%＼&68.75%＼&CC4＼&84.62%＼&87.50%＼&S1＼&61.54%＼&96.88%＼&S2＼&65.38%＼&96.88%＼&S3＼&65.38%＼&96.88%＼&S4＼&34.62%＼&65.63%＼&IS1＼&73.08%＼&100.00%＼&IS2＼&84.62%＼&90.63%＼&IS3＼&53.85%＼&90.63%＼&IS4＼&65.38%＼&59.38%＼&A1＼&26.92%＼&68.75%＼&A2＼&15.38%＼&87.50%＼&A3＼&26.92%＼&81.25%＼&A4＼&0.00%＼&62.50%＼&]

（1）課程背景差異

課程背景主要考量STEM課程能否提供激勵(lì)和吸引人的問(wèn)題情境，允許學(xué)生基于個(gè)人知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)在真實(shí)情境下開(kāi)展活動(dòng)。進(jìn)一步分析國(guó)內(nèi)外STEM課程在各評(píng)估細(xì)則上的表現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，兩者得分產(chǎn)生顯著差異的主要原因在于問(wèn)題情境是否“涉及時(shí)代背景與挑戰(zhàn)”。68.75%的美國(guó)STEM課程在構(gòu)建情境時(shí)能夠結(jié)合全球、社會(huì)、自然環(huán)境等問(wèn)題或挑戰(zhàn)，相比之下，國(guó)內(nèi)能夠體現(xiàn)這一評(píng)估細(xì)則的課程樣本僅占38.46%。一個(gè)好的問(wèn)題情境不僅需要還原真實(shí)世界的本質(zhì)面貌，更應(yīng)該具有開(kāi)拓學(xué)生眼界、擴(kuò)大學(xué)生格局的教學(xué)立意。通過(guò)從個(gè)人、區(qū)域和社會(huì)三個(gè)層面對(duì)國(guó)內(nèi)外STEM課程案例中問(wèn)題情境的格局定位進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，兩者呈現(xiàn)出很大的不同（見(jiàn)圖1和圖2）。在國(guó)內(nèi)STEM課程案例中，超過(guò)50%的課程將問(wèn)題情境定位在個(gè)人層面，缺少“如何利用你所學(xué)的知識(shí)讓世界更美好”的教學(xué)立意;而在國(guó)外STEM課程案例中，有超過(guò)70%的課程能夠從區(qū)域或社會(huì)層面構(gòu)建問(wèn)題情境，為學(xué)生打開(kāi)了面向世界和面向未來(lái)的窗口。以生物領(lǐng)域?yàn)槔?，?guó)內(nèi)STEM課程更多關(guān)注學(xué)生對(duì)于生物多樣性知識(shí)的學(xué)習(xí)，如了解鴨子的生態(tài)特征、辨析不同植物種類(lèi)等;而美國(guó)STEM課程則能以更為開(kāi)放的視角去構(gòu)建問(wèn)題情境，如探究深海熱液口的生物群落、在火星上種植土豆是否可能、冠狀動(dòng)脈阻塞修復(fù)手術(shù)等。這些涉及時(shí)代背景與挑戰(zhàn)的問(wèn)題情境有助于擴(kuò)大學(xué)生的視野與格局，從而培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)使命感與責(zé)任感。

圖1 國(guó)內(nèi)STEM課程中問(wèn)題情境的格局定位情況

圖2 國(guó)外STEM課程中問(wèn)題情境的格局定位情況

（2）科學(xué)內(nèi)容整合差異

STEM課程強(qiáng)調(diào)多學(xué)科融合，其中科學(xué)內(nèi)容整合是一個(gè)重要表征。科學(xué)內(nèi)容的整合主要考量STEM課程能否通過(guò)科學(xué)探究活動(dòng)促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)概念和科學(xué)思想，從而加深對(duì)自然世界的理解。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，國(guó)外STEM課程在這一維度領(lǐng)先國(guó)內(nèi)1.29分，這與其重視科學(xué)學(xué)習(xí)是分不開(kāi)的。90%以上的國(guó)外課程樣本在教學(xué)設(shè)計(jì)中能夠整合科學(xué)知識(shí)，以促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的理解。由于我國(guó)以分科教學(xué)為主，且沒(méi)有明確的STEM教育標(biāo)準(zhǔn)，因此在跨學(xué)科整合方面難度更大。創(chuàng)客教育的理念與STEM教育有著高度的一致性，因此被認(rèn)為是推動(dòng)我國(guó)STEM教育的重要突破口。作為創(chuàng)客教育的主要載體，諸如3D打印技術(shù)、開(kāi)源硬件（如Arduino、樹(shù)莓派等）以及一些編程軟件（如Scratch、Mixly等）成為國(guó)內(nèi)STEM課程的技術(shù)依托。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，超過(guò)50%的國(guó)內(nèi)STEM課程樣本與軟硬件應(yīng)用相關(guān)，僅有60%左右的課程能夠整合科學(xué)方面的知識(shí)。整合技術(shù)本身雖符合STEM跨學(xué)科特征，但過(guò)度重視技術(shù)應(yīng)用而忽略學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的探索卻與STEM教育理念背道而馳。

科學(xué)的本質(zhì)在于認(rèn)識(shí)自然世界，科學(xué)探究就是模擬科學(xué)家認(rèn)識(shí)自然的真實(shí)探究過(guò)程。通過(guò)對(duì)32個(gè)國(guó)外STEM樣本案例中科學(xué)探究活動(dòng)的分析，可以將科學(xué)探究分為調(diào)查研究和實(shí)驗(yàn)研究?jī)深?lèi)。其中，調(diào)查研究是指有計(jì)劃、有目的地了解調(diào)查對(duì)象的實(shí)際情況并對(duì)調(diào)查材料進(jìn)行分析的研究范式;實(shí)驗(yàn)研究是指通過(guò)控制有關(guān)因素，收集直接數(shù)據(jù)并最終建立變量之間因果關(guān)系的一種研究范式。圖3給出了兩者的主要步驟。國(guó)外STEM課程通過(guò)“真問(wèn)題、真探究、真解決”的“三真”過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生模擬科學(xué)家的真實(shí)研究活動(dòng)，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)意識(shí)、科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)精神。與美國(guó)STEM課程強(qiáng)調(diào)真實(shí)科學(xué)體驗(yàn)不同，我國(guó)的STEM課程開(kāi)放性不足，教師往往采用固化解決思路或操作步驟的方式保證學(xué)生能夠得到正確結(jié)果或標(biāo)準(zhǔn)答案。從某種程度上來(lái)說(shuō)，這是我國(guó)學(xué)生在課業(yè)成績(jī)方面得分較高的重要原因之一，但這也因此限制了學(xué)生挖掘和檢驗(yàn)探究過(guò)程和結(jié)果的空間。由于國(guó)內(nèi)外STEM課程樣本中均涵蓋“牛頓第二定律”這一知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)，因此可以該知識(shí)點(diǎn)為參照來(lái)比較分析兩者在設(shè)計(jì)科學(xué)探究活動(dòng)方面的區(qū)別。鑒于牛頓第二定律是在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立起來(lái)的重要規(guī)律，因此國(guó)內(nèi)和國(guó)外均將課程重點(diǎn)放在了探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)上。但兩者在教學(xué)方法上卻截然不同，國(guó)內(nèi)是基于講授法的實(shí)驗(yàn)探究，即學(xué)生根據(jù)教師提示采用控制變量法探究在保持質(zhì)量不變時(shí)加速度與合外力的關(guān)系。與之相反，國(guó)外大膽采用了試錯(cuò)法，即教師在最開(kāi)始并沒(méi)有提醒學(xué)生控制質(zhì)量，而是在學(xué)生經(jīng)歷失敗后才根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在的問(wèn)題給出提示。這種做法更接近科學(xué)家的真實(shí)探究流程，不僅有助于學(xué)生了解科學(xué)本質(zhì)和科學(xué)實(shí)踐，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維也具有重要作用。

圖3? ? 國(guó)外STEM課程中的兩類(lèi)科學(xué)探究步驟

（3）教學(xué)策略差異

教學(xué)策略是教學(xué)設(shè)計(jì)的重要組成部分，是教師在特定教學(xué)目標(biāo)下制定的教學(xué)實(shí)施策略。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，“以學(xué)生為中心”和“論證的策略”是國(guó)內(nèi)外STEM課程在教學(xué)策略維度得分存在顯著差異的主要原因。近乎100%的國(guó)外STEM課程案例都包含了“以學(xué)生為中心”的動(dòng)腦思考或動(dòng)手實(shí)踐活動(dòng)，而這一點(diǎn)僅在73.08%的國(guó)內(nèi)課程案例中有所體現(xiàn)。STEM課程強(qiáng)調(diào)以培養(yǎng)學(xué)生能力為中心，鼓勵(lì)學(xué)生掌握更多的主動(dòng)權(quán)和自由發(fā)揮空間。分析發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)STEM課程主要采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，即教師以具有難度梯度的一系列任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展實(shí)踐活動(dòng)。在明確的任務(wù)要求下，結(jié)果性產(chǎn)出往往大同小異，因此無(wú)法滿(mǎn)足學(xué)生個(gè)性化發(fā)展的需要。對(duì)比來(lái)看，國(guó)外STEM課程更強(qiáng)調(diào)通過(guò)一系列層層遞進(jìn)的步驟引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展科學(xué)探究與工程實(shí)踐活動(dòng)?！?E教學(xué)模式”和“工程設(shè)計(jì)循環(huán)”是美國(guó)STEM課程采用的主要教學(xué)模式，充分體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的原則。5E模式通過(guò)引入（Engagement）、探究（Exploration）、解釋?zhuān)‥xplanation）、拓展（Elaboration）和評(píng)價(jià)（Evaluation）5個(gè)環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展自主探究（Bybee et al.，2006）。工程設(shè)計(jì)循環(huán)（Engineering Design Process）主要包含提出問(wèn)題、設(shè)計(jì)解決方案、創(chuàng)建原型、測(cè)試和改進(jìn)等階段，用以支持學(xué)生實(shí)現(xiàn)從需求到設(shè)計(jì)的迭代過(guò)程（Teachengineering，2019）。美國(guó)STEM課程通過(guò)有效整合“5E教學(xué)模式”和“工程設(shè)計(jì)循環(huán)”的步驟，使得開(kāi)展“以學(xué)生為中心”的實(shí)踐活動(dòng)有章可循。

基于證據(jù)得出結(jié)論是美國(guó)STEM課程的一大特色，近90%的國(guó)外STEM課程樣本均采用了論證的策略，而僅在50%左右的國(guó)內(nèi)STEM課程樣本中有所體現(xiàn)。論證策略強(qiáng)調(diào)通過(guò)數(shù)據(jù)分析為所提出的主張?zhí)峁┳C據(jù)，真正做到“有理有據(jù)”。近年來(lái)，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)、計(jì)算科學(xué)和人工智能的不斷發(fā)展與融合，學(xué)習(xí)生態(tài)環(huán)境正逐步由數(shù)字化過(guò)渡到數(shù)據(jù)化，數(shù)據(jù)對(duì)于學(xué)生多元智能的發(fā)展和核心素養(yǎng)的形成具有舉足輕重的作用（Committee on K-12 Engineering Education et al.，2009）。在工程領(lǐng)域，設(shè)計(jì)的選擇必須要有數(shù)據(jù)支撐，如在設(shè)計(jì)太空服時(shí)，要求學(xué)生分別在冷熱兩種環(huán)境中測(cè)試材料的溫差變化從而為太空服材料的選擇提供依據(jù)。在科學(xué)探究中，數(shù)據(jù)更是論證結(jié)論的可靠依據(jù)，如在案例《生機(jī)勃勃的湖泊》中，為探究冬季湖水深度與溫度和溶解氧的關(guān)系，學(xué)生通過(guò)對(duì)采集得到的Payette湖水溫和溶解氧濃度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析解讀，從而得出冬季湖水隨著深度增加而溫度變高、溶氧量變少的結(jié)論。因此，合理采用論證策略不僅可以培養(yǎng)學(xué)生推理論證的能力，也能夠提高學(xué)生的數(shù)據(jù)素養(yǎng)。

（4）評(píng)估差異

評(píng)價(jià)旨在檢測(cè)教學(xué)是否達(dá)到了預(yù)期的學(xué)習(xí)目標(biāo)，一般分為準(zhǔn)備性評(píng)價(jià)、形成性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)三類(lèi)。相比于傳統(tǒng)課堂的紙筆測(cè)驗(yàn)，STEM教育更關(guān)注學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的表現(xiàn)及想法?？茖W(xué)和工程實(shí)踐活動(dòng)的靈活性和不唯一性使得評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)難以界定，評(píng)價(jià)也因此成為科學(xué)教師在設(shè)計(jì)STEM課程時(shí)最為困惑和頭疼的難題。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，僅有不到30%的國(guó)內(nèi)STEM課程樣本將評(píng)價(jià)納入考量，這也是造成在評(píng)估維度得分與國(guó)外STEM課程產(chǎn)生較大差距的原因。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，美國(guó)STEM課程在評(píng)價(jià)方式上呈現(xiàn)多元化的特點(diǎn)，注重正式評(píng)價(jià)與非正式評(píng)價(jià)相結(jié)合，具體的評(píng)價(jià)方法如表4所示。在課前的準(zhǔn)備性評(píng)價(jià)中，教師會(huì)通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷、提問(wèn)或訪談的形式評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，包括前期的知識(shí)儲(chǔ)備以及對(duì)背景知識(shí)的了解程度。在過(guò)程性評(píng)價(jià)中，教師非常注重學(xué)生對(duì)問(wèn)題的看法以及學(xué)生間的交流?？茖W(xué)筆記本是美國(guó)STEM教師普遍采用的過(guò)程性評(píng)價(jià)依據(jù)，記錄了學(xué)生在實(shí)踐活動(dòng)中的重要過(guò)程性信息，如發(fā)現(xiàn)、問(wèn)題、想法、步驟、方案、草圖、數(shù)據(jù)、解釋、討論和結(jié)論等（Campbell et al.，2003）。教師通過(guò)分析科學(xué)筆記本上呈現(xiàn)的初始信息、觀察記錄和討論結(jié)論，可以評(píng)估學(xué)生對(duì)問(wèn)題的理解程度、對(duì)知識(shí)的掌握程度以及活動(dòng)的參與程度。在總結(jié)性評(píng)價(jià)方面，除了對(duì)模型設(shè)計(jì)、口頭及書(shū)面報(bào)告等常規(guī)內(nèi)容進(jìn)行評(píng)價(jià)外，美國(guó)STEM教師還會(huì)采用一些特色的策略洞察學(xué)生的想法，如使用CER（Contention-論點(diǎn)、Evidence-論據(jù)、Reasoning-論證）方法讓學(xué)生基于證據(jù)書(shū)寫(xiě)實(shí)驗(yàn)陳述材料，運(yùn)用ORID焦點(diǎn)討論法（Objective-客觀性、Reflective-反映性、Interpretive-詮釋性、Decisional-決定性）檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的深入思考，以及使用321策略幫助學(xué)生反思設(shè)計(jì)過(guò)程中的3個(gè)收獲、關(guān)于設(shè)計(jì)改進(jìn)的2個(gè)問(wèn)題和1個(gè)在實(shí)踐期間感覺(jué)很好的做法。

四、對(duì)我國(guó)STEM課程設(shè)計(jì)的建議

通過(guò)對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外STEM課程在各維度上的表現(xiàn)情況，可以發(fā)現(xiàn)美國(guó)STEM課程更能為學(xué)生創(chuàng)設(shè)具有社會(huì)性和挑戰(zhàn)性的問(wèn)題情境，在科學(xué)內(nèi)容整合、教學(xué)策略和評(píng)估方面也有著獨(dú)到的經(jīng)驗(yàn)。結(jié)合前面的分析結(jié)果，我國(guó)STEM課程設(shè)計(jì)可采取如下建議：

1.提升對(duì)社會(huì)問(wèn)題的響應(yīng)度，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感

情境是讓學(xué)生的學(xué)習(xí)與真實(shí)世界相關(guān)聯(lián)的切實(shí)路徑，創(chuàng)設(shè)情境從而驅(qū)動(dòng)科學(xué)與工程實(shí)踐活動(dòng)是STEM課程的核心要義。我國(guó)STEM課程大多將學(xué)生需要解決的問(wèn)題從情境中抽象出來(lái)，從個(gè)體學(xué)習(xí)的層面給予學(xué)生明確的主題和目標(biāo)。然而，真實(shí)世界中的問(wèn)題是與社會(huì)情境緊密結(jié)合的，且存在一定的“噪音”。教師需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)能夠開(kāi)拓學(xué)生視野的問(wèn)題情境，引導(dǎo)其思考如何利用所學(xué)的知識(shí)解決真實(shí)世界中的難題與挑戰(zhàn)，從而達(dá)到擴(kuò)大學(xué)生人生格局的目的。一個(gè)好的問(wèn)題情境不僅能夠與學(xué)生自身產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，更能在區(qū)域或社會(huì)層面為學(xué)生提供表現(xiàn)個(gè)人創(chuàng)造力與社會(huì)責(zé)任的機(jī)會(huì)。因此，在構(gòu)建STEM課程情境時(shí)，教師應(yīng)慎重選擇問(wèn)題情境，幫助學(xué)生理解個(gè)人與社會(huì)的關(guān)系，思考人類(lèi)社會(huì)所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，履行個(gè)人在信息社會(huì)中的責(zé)任和義務(wù)。目前，一些國(guó)際組織如美國(guó)國(guó)家工程院（NAE）提出了多項(xiàng)面向社會(huì)的研究挑戰(zhàn)，如創(chuàng)造清潔能源、循環(huán)利用資源、防止核恐怖危機(jī)、增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)等（National Academic of Engineering，2008）。教師在設(shè)計(jì)STEM課程情境時(shí)，有必要將視線從個(gè)人、社區(qū)擴(kuò)大到全球，以全球性的機(jī)遇與挑戰(zhàn)為背景培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。

2.鼓勵(lì)有效失敗，營(yíng)造真實(shí)的科學(xué)體驗(yàn)

我國(guó)STEM課程在整合科學(xué)內(nèi)容方面較為欠缺，不僅科學(xué)概念融入較少，而且科學(xué)探究環(huán)節(jié)更為缺失。過(guò)度依賴(lài)軟硬件技術(shù)，導(dǎo)致我國(guó)教師忽視了學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的學(xué)習(xí)和理解。美國(guó)STEM教師以調(diào)查研究和實(shí)驗(yàn)研究為主要形式指導(dǎo)學(xué)生遵循科學(xué)的探究流程開(kāi)展活動(dòng)，在整合科學(xué)內(nèi)容方面具有較高的借鑒價(jià)值。為改善科學(xué)內(nèi)容整合的現(xiàn)狀，一方面教師要減少STEM課程對(duì)軟硬件技術(shù)的依托，從真實(shí)生活情境入手設(shè)計(jì)調(diào)查或?qū)嶒?yàn)活動(dòng)。如在“自動(dòng)跟蹤風(fēng)扇案例”中，可以先讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究不同扇葉形狀和數(shù)量對(duì)送風(fēng)的影響，然后設(shè)計(jì)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)模型。這樣既能結(jié)合軟硬件技術(shù)，又能實(shí)現(xiàn)科學(xué)探究和工程設(shè)計(jì)的有效融合。另一方面，教師要重視科學(xué)探究的完整流程，為學(xué)生營(yíng)造真實(shí)的科學(xué)體驗(yàn)。受班級(jí)人數(shù)、教學(xué)時(shí)長(zhǎng)和活動(dòng)場(chǎng)所的限制，國(guó)內(nèi)很多教師會(huì)采用預(yù)設(shè)解決思路或操作步驟的方式保證學(xué)生能夠得到正確結(jié)果或標(biāo)準(zhǔn)答案。這樣的做法雖然可以使學(xué)生以最短的路徑接近科學(xué)事實(shí)，但卻無(wú)法提供真實(shí)的科學(xué)體驗(yàn)。科學(xué)沒(méi)有最短路徑，經(jīng)歷錯(cuò)誤是科學(xué)家在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的必修課，真正的科學(xué)家會(huì)在失敗中找到擺脫錯(cuò)誤的方法。因此，適當(dāng)?shù)亍胺艡?quán)”于學(xué)生，鼓勵(lì)其通過(guò)有效失敗模擬科學(xué)家的真實(shí)探究活動(dòng)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)意識(shí)、科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)精神具有重要的促進(jìn)作用。

3.豐富以學(xué)生為中心的策略，放大學(xué)生的思維過(guò)程

K-12 STEM教育面臨的最大挑戰(zhàn)之一是，對(duì)于教師如何在課堂中使用STEM整合方法進(jìn)行教學(xué)，很少有通用的指導(dǎo)方針或模型可供遵循（Wang et al.，2011）。目前，我國(guó)STEM教師大多采用講練結(jié)合的方式開(kāi)展教學(xué)，學(xué)生通過(guò)完成難度進(jìn)階的任務(wù)以掌握必要的知識(shí)與技能。這種方法雖可以增強(qiáng)學(xué)生記憶事實(shí)性信息，但往往不能促進(jìn)有意義學(xué)習(xí)，也并沒(méi)有發(fā)生從“以教師為中心”到“以學(xué)生為中心”的質(zhì)變。STEM課程強(qiáng)調(diào)“以學(xué)生為中心”，其關(guān)鍵在于能否促進(jìn)學(xué)生自我主導(dǎo)地積極參與學(xué)習(xí)過(guò)程（Land et al.，2012）。當(dāng)前我國(guó)普遍采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法，結(jié)合教師的啟發(fā)引導(dǎo)，促進(jìn)學(xué)生開(kāi)展合作學(xué)習(xí)，整體的教學(xué)策略是比較單薄的。美國(guó)STEM課程通過(guò)整合5E教學(xué)模式和工程設(shè)計(jì)循環(huán)的遞進(jìn)步驟，為學(xué)生提供了一個(gè)可行的學(xué)習(xí)路徑。在5E教學(xué)模式和工程設(shè)計(jì)循環(huán)的指導(dǎo)下，教師巧妙地融入故事線、模型法、角色扮演、頭腦風(fēng)暴、實(shí)地調(diào)研、實(shí)驗(yàn)工作站等方式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，充分體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的原則。此外，美國(guó)STEM課程采用“論證的策略”指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展基于證據(jù)得出結(jié)論的課堂研究，不僅有助于放大學(xué)生的思維過(guò)程，對(duì)學(xué)生批判性思維的發(fā)展也具有重要推動(dòng)作用。因此，我國(guó)的STEM教學(xué)應(yīng)豐富以學(xué)生為中心的策略，放大學(xué)生的思維過(guò)程。

4.注重非正式評(píng)價(jià)，促進(jìn)學(xué)生綜合能力的發(fā)展

評(píng)價(jià)是教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對(duì)于評(píng)估學(xué)生能力、優(yōu)化課程教學(xué)、促進(jìn)學(xué)生發(fā)展具有重要意義。通過(guò)分析我國(guó)STEM課程案例可以發(fā)現(xiàn)，除少數(shù)課程采用學(xué)生自評(píng)、教師點(diǎn)評(píng)或小組競(jìng)賽的形式開(kāi)展評(píng)價(jià)活動(dòng)外，大部分課程并沒(méi)有將評(píng)價(jià)納入考量。STEM課程注重學(xué)生的過(guò)程表現(xiàn)及思維發(fā)展，但以學(xué)生為中心的科學(xué)探究與工程實(shí)踐活動(dòng)具有較大的開(kāi)放性和靈活性，因此使得評(píng)價(jià)難以開(kāi)展。借鑒美國(guó)STEM課程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，課程中的非正式評(píng)價(jià)是一個(gè)關(guān)鍵突破口。非正式評(píng)價(jià)可以幫助教師更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)科學(xué)過(guò)程技能和內(nèi)容領(lǐng)域知識(shí)的掌握情況，挖掘?qū)W生更多的隱藏性問(wèn)題（Peters，2008）。教師在開(kāi)展STEM課程評(píng)價(jià)時(shí)，建議從以下幾個(gè)方面入手：豐富非正式評(píng)價(jià)的工具，如科學(xué)筆記本、課堂觀察、開(kāi)放式問(wèn)題等;深化非正式評(píng)價(jià)的內(nèi)容，允許和鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)口頭、書(shū)面、圖表等多種形式記錄、講述和交流自身對(duì)知識(shí)的理解、取得的進(jìn)步以及現(xiàn)存的困難，從而充分了解學(xué)生的成長(zhǎng)和思維發(fā)展;采取切實(shí)可行的策略，在開(kāi)展非正式評(píng)價(jià)時(shí)關(guān)注對(duì)學(xué)生思維方式的外化與評(píng)價(jià)引導(dǎo)，靈活采用一些策略引導(dǎo)學(xué)生的討論方向或建立對(duì)推理論證的規(guī)范，如CER法、ORID焦點(diǎn)討論法、321策略等。

五、結(jié)語(yǔ)

在STEM教育日趨流行的今天，開(kāi)發(fā)優(yōu)質(zhì)的STEM課程以指導(dǎo)教學(xué)迫在眉睫。美國(guó)是最早開(kāi)展STEM教育的國(guó)家，也是世界范圍內(nèi)最能系統(tǒng)完整地實(shí)施STEM教育政策、進(jìn)行STEM教育實(shí)踐的國(guó)家，在STEM課程設(shè)計(jì)方面積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。為剖析我國(guó)STEM課程存在的問(wèn)題，本研究基于國(guó)外權(quán)威的STEM課程整合評(píng)估工具，對(duì)國(guó)內(nèi)外STEM課程進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)與對(duì)比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)我國(guó)STEM課程在課程背景、科學(xué)內(nèi)容整合、教學(xué)策略和評(píng)估四個(gè)維度較國(guó)外STEM課程存在明顯不足。借鑒美國(guó)STEM課程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本研究提出四點(diǎn)建議：提升對(duì)社會(huì)問(wèn)題的響應(yīng)度，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感;鼓勵(lì)有效失敗，營(yíng)造真實(shí)的科學(xué)體驗(yàn);豐富以學(xué)生為中心的策略，放大學(xué)生的思維過(guò)程;注重非正式評(píng)價(jià)，促進(jìn)學(xué)生綜合能力的發(fā)展。由于本研究選擇了某一學(xué)術(shù)交流研討會(huì)評(píng)選出的一線教學(xué)案例作為國(guó)內(nèi)分析樣本，因此存在代表性不足的問(wèn)題。希望未來(lái)的研究能夠挖掘更多權(quán)威的STEM課程案例，開(kāi)展樣本量更大的質(zhì)量評(píng)價(jià)研究，為推進(jìn)我國(guó)STEM課程建設(shè)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

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收稿日期 2019-12-12責(zé)任編輯 劉選