基于工程設(shè)計(jì)的小學(xué)整合型STEM課程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

劉永貴 徐 雯 陳 健

（1.南京郵電大學(xué) 教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.南京師范大學(xué)附屬中學(xué)仙林學(xué)校，江蘇 南京 210023；3.南京市金陵小學(xué)，江蘇 南京 210023）

一、問(wèn)題提出

近年來(lái)STEM教育成為全球基礎(chǔ)教育改革的熱點(diǎn)。STEM教育旨在通過(guò)促進(jìn)學(xué)生對(duì)各學(xué)科知識(shí)的整合與應(yīng)用，提升學(xué)生真實(shí)問(wèn)題解決能力。整合型STEM課程是STEM教育實(shí)施的關(guān)鍵，是指基于某一主題與現(xiàn)實(shí)世界之間的聯(lián)系，將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的部分或全部?jī)?nèi)容無(wú)縫整合到一堂課或一個(gè)單元（Bybee, 2010a; Moore, Stohlmann, Wang, Tank, Glancy, & Roehrig, 2014, p35）。整合型STEM課程的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)是全球STEM教育的難題（Bybee, 2010b; Kelley & Knowles, 2015），尤其對(duì)小學(xué)而言。相對(duì)于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)STEM 教育起步晚、發(fā)展慢，在教學(xué)實(shí)踐上的研究較少（常詠梅，張雅雅，金仙芝，2017），面臨教師隊(duì)伍數(shù)量與專(zhuān)業(yè)能力不足（賽薄霖，2017），科學(xué)教育和數(shù)學(xué)教育推進(jìn)多，工程教育與技術(shù)教育普及不夠，整合型STEM課程資源不足等諸多問(wèn)題。如何設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)整合型STEM課程是深化我國(guó)小學(xué)STEM教育實(shí)踐發(fā)展的關(guān)鍵與難點(diǎn)。

針對(duì)整合型STEM課程設(shè)計(jì)，研究者提出采用基于工程設(shè)計(jì)、應(yīng)用問(wèn)題解決、探究性學(xué)習(xí)策略等手段實(shí)現(xiàn)STEM學(xué)科融合（Nadelson & Seifert, 2017），要將跨學(xué)科概念融入課程（李春密，趙蕓赫，2017），要從科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)課程及科技教育著手（吳俊杰，2014），借鑒美國(guó)科學(xué)與工程整合方式（唐小為，王唯真，2014），建立工程取向的STEM課程框架（謝麗，李春密，2017）。就整合型STEM設(shè)計(jì)模型，余勝泉與胡翔（2015）總結(jié)出“學(xué)科知識(shí)整合、生活經(jīng)驗(yàn)整合、學(xué)習(xí)者中心整合”三種整合模式，并提出了跨學(xué)科整合的項(xiàng)目設(shè)計(jì)策略。楊彥軍、饒菲菲、阿依努爾（2019）以及楊彥軍與饒菲菲（2019）提出了參與、探索、解釋、遷移和評(píng)估的5E整合模式，并進(jìn)一步提出了由項(xiàng)目主題、學(xué)習(xí)任務(wù)、支持性信息、程序性信息和部分任務(wù)練習(xí)五要素組成的項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程模式。圍繞跨學(xué)科知識(shí)整合的內(nèi)涵，研究者提出跨學(xué)科知識(shí)整合是學(xué)習(xí)者對(duì)不同種類(lèi)信息和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行識(shí)別并建立關(guān)聯(lián)框架的過(guò)程，是不斷整合他們?cè)诓煌瑫r(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境中所獲取各種形式知識(shí)的過(guò)程（Esposito & Bauer, 2017）。在跨學(xué)科知識(shí)整合中，學(xué)習(xí)者會(huì)對(duì)他們所積累的信息產(chǎn)生新的理解，通過(guò)在信息之間建立邏輯聯(lián)系以有效擴(kuò)展知識(shí)，并能利用這些知識(shí)概括、分類(lèi)和解決問(wèn)題（The National Academies of Sciences·Engineering·Medicine, 2018）。

綜合來(lái)看，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都提到了工程取向的整合型STEM課程設(shè)計(jì)框架，但如何通過(guò)工程實(shí)現(xiàn)各學(xué)科知識(shí)整合未有進(jìn)一步的論述。國(guó)內(nèi)學(xué)者提出以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為載體實(shí)現(xiàn)STEM學(xué)科知識(shí)整合，但項(xiàng)目設(shè)計(jì)主要圍繞教學(xué)分析、工具資源設(shè)計(jì)、支架設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)展開(kāi)，并未論述各學(xué)科知識(shí)如何建立連接和整合。本文擬選擇美國(guó)小學(xué)整合型STEM課程的成功案例，分析基于工程設(shè)計(jì)的整合型STEM課程設(shè)計(jì)模型及相應(yīng)策略。重點(diǎn)圍繞工程設(shè)計(jì)何以成為跨學(xué)科知識(shí)整合的橋梁，工程設(shè)計(jì)如何實(shí)現(xiàn)各學(xué)科知識(shí)間的關(guān)聯(lián)和整合，如何設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)基于工程設(shè)計(jì)的整合型STEM課程三個(gè)問(wèn)題進(jìn)行分析，以期對(duì)推動(dòng)我國(guó)小學(xué)整合型STEM課程建設(shè)有所幫助。

二、研究思路與方法

本研究主要采用案例研究法與文獻(xiàn)研究法。案例選擇由美國(guó)NSF資助的SLED（Science Learning through Engineering Design）項(xiàng)目。SLED項(xiàng)目自2011年到2017年共開(kāi)發(fā)了29個(gè)基于工程設(shè)計(jì)的整合型STEM課程單元，為200所小學(xué)教師、100位準(zhǔn)教師提供了STEM教育專(zhuān)業(yè)發(fā)展支持，提高了5 000名3～6年級(jí)學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)成績(jī)（Lehman, 2016），對(duì)美國(guó)印第安納州小學(xué)STEM教育的實(shí)踐發(fā)展產(chǎn)生了巨大影響，是基于工程設(shè)計(jì)的整合型STEM課程設(shè)計(jì)的優(yōu)秀實(shí)踐典范。在SLED項(xiàng)目的29個(gè)課程單元中，本研究重點(diǎn)選擇SLED項(xiàng)目負(fù)責(zé)人James.D.Lehman教授重點(diǎn)推薦的四年級(jí)“你能設(shè)計(jì)和制作一個(gè)更好的糖果包嗎？”、五年級(jí)“救生員椅子的設(shè)計(jì)與制作”、六年級(jí)“防水土壩的設(shè)計(jì)與建設(shè)”課程單元為案例進(jìn)行分析。文獻(xiàn)資料主要包含SLED項(xiàng)目立項(xiàng)書(shū)、SLED項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告、SLED項(xiàng)目教師培訓(xùn)課程資源、單元課程教案等文獻(xiàn)。

論文通過(guò)對(duì)SLED項(xiàng)目立項(xiàng)材料、總結(jié)報(bào)告、相關(guān)研究文獻(xiàn)的分析，探究工程設(shè)計(jì)成為整合型STEM課程設(shè)計(jì)橋梁的理論根源；通過(guò)對(duì)三個(gè)單元的案例研究，總結(jié)SLED項(xiàng)目課程設(shè)計(jì)的過(guò)程，分析案例中科學(xué)、工程、技術(shù)、數(shù)學(xué)、藝術(shù)等學(xué)科知識(shí)相互關(guān)聯(lián)的機(jī)制，形成基于工程設(shè)計(jì)整合型STEM課程設(shè)計(jì)模型；通過(guò)對(duì)SLED項(xiàng)目負(fù)責(zé)人的訪談及對(duì)項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告等文獻(xiàn)資料的分析，從工程問(wèn)題設(shè)計(jì)、課程內(nèi)容組織、評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)過(guò)程、課程團(tuán)隊(duì)組建等方面總結(jié)整合型STEM課程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的策略。

三、基于工程設(shè)計(jì)的整合型STEM課程設(shè)計(jì) 模型與開(kāi)發(fā)策略

（一）工程設(shè)計(jì)何以成為STEM課程整合的橋梁

工程設(shè)計(jì)成為小學(xué)STEM課程整合的橋梁，不僅是小學(xué)開(kāi)展工程教育的需要，也是促進(jìn)學(xué)科知識(shí)整合的有效方式。

1. 基于工程設(shè)計(jì)的整合型STEM課程是小學(xué)進(jìn)行工程教育的有效方式

ITEA（International Technology Education Association）發(fā)布了《技術(shù)素養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)：技術(shù)學(xué)習(xí)的內(nèi)容》，提出將工程實(shí)踐納入K-12教育體系(ITEA, 2007)。工程教育是以程序性知識(shí)為核心的一套知識(shí)體系，工程設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐是工程教育的核心。工程實(shí)踐是像工程師一樣解決問(wèn)題，是團(tuán)隊(duì)在相互協(xié)商中建構(gòu)概念模型，參與基于證據(jù)的論證分析，設(shè)計(jì)解決方案，提出解釋框架的過(guò)程(NCSS，2007)，是一個(gè)應(yīng)用數(shù)學(xué)、科學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)，相互交流互動(dòng)的決策制定過(guò)程，是一個(gè)將工程概念整合到其他學(xué)科中，展示設(shè)計(jì)、系統(tǒng)思考等思維成果的方式（Koehler, Faraclas, Giblin, Moss, & Kazerounian, 2013)。工程學(xué)科的屬性決定了工程教育必須要與其他學(xué)科融合。所以小學(xué)工程教育必須強(qiáng)調(diào)其跨學(xué)科的性質(zhì)，強(qiáng)調(diào)工程領(lǐng)域知識(shí)與科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)領(lǐng)域知識(shí)的整合（Moore, Glancy, Tank, Kersten, Smith, & Stohlmann, 2014），基于工程設(shè)計(jì)的整合型STEM課程是小學(xué)開(kāi)展工程教育的最佳選擇。

2. 工程設(shè)計(jì)是促進(jìn)學(xué)科知識(shí)整合的橋梁和 有效方式

STEM學(xué)科知識(shí)的整合是在解決非良構(gòu)問(wèn)題的過(guò)程中發(fā)生，而工程學(xué)科的屬性為以工程為橋梁整合其他學(xué)科知識(shí)提供了先天優(yōu)勢(shì)。正如SLED項(xiàng)目負(fù)責(zé)人James.D.Lehman教授所言：有效的STEM教學(xué)是讓學(xué)生在真實(shí)世界的STEM情景中，通過(guò)創(chuàng)造性的工程設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)STEM各學(xué)科的整合。教師通過(guò)工程設(shè)計(jì)活動(dòng)，建立有目的、探究性學(xué)習(xí)支架，幫助學(xué)生在科學(xué)學(xué)習(xí)與工程設(shè)計(jì)任務(wù)之間建立連接，讓學(xué)生使用準(zhǔn)確的科學(xué)概念解釋、闡述他們的設(shè)計(jì)，并開(kāi)發(fā)出真實(shí)的工程產(chǎn)品。以工程作為學(xué)習(xí)內(nèi)容整合的橋梁，讓學(xué)生在參與基于工程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)活動(dòng)中，形成對(duì)其他概念的理解與概念間的關(guān)聯(lián)，同時(shí)也創(chuàng)造出更為可行的真實(shí)世界問(wèn)題的解決方案。

（二）基于工程設(shè)計(jì)的整合型STEM課程 設(shè)計(jì)模型

現(xiàn)有教育系統(tǒng)是建立在分科教育體系之上，而整合型STEM課程一方面要求內(nèi)容盡可能涉及到各學(xué)科知識(shí)，另一方面各學(xué)科知識(shí)以相互關(guān)聯(lián)的方式呈現(xiàn)。所以整合型STEM課程需要重構(gòu)課程，并在教學(xué)上發(fā)生轉(zhuǎn)變。如何在現(xiàn)有分科知識(shí)體系中設(shè)計(jì)整合型STEM課程，如何找到各學(xué)科知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)，是整合型STEM課程設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

如表1所示，SLED項(xiàng)目組以科學(xué)為STEM學(xué)科整合的錨點(diǎn)，按照“科學(xué)知識(shí)—真實(shí)問(wèn)題—工程知識(shí)—數(shù)學(xué)知識(shí)—技術(shù)知識(shí)”的課程設(shè)計(jì)流程，建立各學(xué)科知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)，從而形成面向真實(shí)問(wèn)題解決的、基于工程設(shè)計(jì)的整合型STEM課程。下面以“防水土壩的設(shè)計(jì)與建造”單元為例進(jìn)行分析。

美國(guó)印第安納州小學(xué)科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)中要求“學(xué)生能描述地球土壤的性質(zhì)，以及如何使其以不同的方式為人類(lèi)所用，還需描述人類(lèi)如何改變土壤資源以滿足其生存的需要”。項(xiàng)目組首先從這一科學(xué)知識(shí)要求出發(fā)，設(shè)計(jì)出真實(shí)問(wèn)題“為印第安納州拉法葉市的水上公園設(shè)計(jì)防水土壩”（Merwade & Lehman, 2014），讓學(xué)生利用土壤建造攔水土壩幫助人類(lèi)在枯水期蓄水解決缺水問(wèn)題。合格的防水土壩制作要求學(xué)生必須掌握土壤組成成分、比例及各成分水中溶解度等科學(xué)知識(shí)，否則土壩會(huì)很快被水侵蝕、沖垮，可見(jiàn)課題組所設(shè)計(jì)的這一“真實(shí)問(wèn)題”很好地與“科學(xué)知識(shí)”契合。其次，防水土壩的設(shè)計(jì)與建造是一項(xiàng)典型的土建工程項(xiàng)目，適合按照工程設(shè)計(jì)與制作過(guò)程開(kāi)展教學(xué)與學(xué)習(xí)，并據(jù)此引入“土壩用戶需求分析、土壩設(shè)計(jì)、土壩建造、土壩測(cè)試”等工程知識(shí)。第三，土壩設(shè)計(jì)與建造中，土壤各成分比例的計(jì)算、水對(duì)土壤中不同物質(zhì)滲透性計(jì)算、梯形土壩圖形的繪制與斜度計(jì)算、土壩工程圖紙中的比例尺、工程預(yù)算都需要相應(yīng)“數(shù)學(xué)知識(shí)”的支撐，由此科學(xué)、工程與數(shù)學(xué)建立關(guān)聯(lián)。第四，土壩設(shè)計(jì)圖的繪制，土壩的建造，土壩測(cè)試中滲透性與沖擊力的測(cè)量，土壤成分比例及溶解度的測(cè)量必然要選擇并使用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)工具，使用相應(yīng)策略完成，由此引入技術(shù)知識(shí)。第五，土壩的設(shè)計(jì)圖與土壩形狀美觀，由此引入藝術(shù)知識(shí)。

表1 SLED項(xiàng)目中STEM學(xué)科知識(shí)分析

對(duì)上述案例進(jìn)行總結(jié)，如下頁(yè)圖1所示，從小學(xué)科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)中的科學(xué)知識(shí)出發(fā)，設(shè)計(jì)與之對(duì)應(yīng)的真實(shí)問(wèn)題。真實(shí)問(wèn)題的解決是一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐活動(dòng)，由此引入相應(yīng)工程知識(shí)。工程設(shè)計(jì)、預(yù)算、產(chǎn)品的測(cè)試需要相應(yīng)數(shù)學(xué)知識(shí)支撐，工程設(shè)計(jì)方案要以相應(yīng)的科學(xué)知識(shí)為支撐。工程產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制作、測(cè)試需要相應(yīng)的工具與策略等技術(shù)知識(shí)。工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖的繪制以及產(chǎn)品外形設(shè)計(jì)等需要具備一定藝術(shù)知識(shí)。通過(guò)這樣的課程設(shè)計(jì)流程，以基于工程設(shè)計(jì)的真實(shí)問(wèn)題解決為主線，將工程知識(shí)貫穿于問(wèn)題解決全過(guò)程，工程知識(shí)決定問(wèn)題解決的系統(tǒng)性，科學(xué)與數(shù)學(xué)知識(shí)決定問(wèn)題解決的科學(xué)性，技術(shù)知識(shí)為問(wèn)題解決提供工具、方法，決定了產(chǎn)品設(shè)計(jì)意圖轉(zhuǎn)化為真實(shí)產(chǎn)品的程度，藝術(shù)知識(shí)則決定了產(chǎn)品美觀程度與用戶體驗(yàn)，由此形成各學(xué)科知識(shí)相關(guān)聯(lián)的整合型STEM課程內(nèi)容體系。

圖1 基于工程設(shè)計(jì)的整合型STEM課程設(shè)計(jì)模型

（三）基于工程設(shè)計(jì)的整合型STEM課程 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)策略

1. 真實(shí)問(wèn)題的設(shè)計(jì)應(yīng)能促進(jìn)學(xué)科整合并與 學(xué)生已有知識(shí)基礎(chǔ)匹配

首先，要以真實(shí)問(wèn)題為STEM課程的整合創(chuàng)設(shè)情境。整合型STEM課程的教與學(xué)需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)并應(yīng)用相應(yīng)的真實(shí)問(wèn)題情境，此問(wèn)題所涉及的是橫跨多學(xué)科知識(shí)和實(shí)踐的領(lǐng)域，與分科教學(xué)不同，其內(nèi)容自身就是情境。如“你能設(shè)計(jì)和制作一個(gè)更好的糖果包嗎？”“救生員椅子的設(shè)計(jì)與制作”“防水土壩的設(shè)計(jì)與建設(shè)”三個(gè)課程單元分別為學(xué)生創(chuàng)建了“為糖果店設(shè)計(jì)糖果包”“為泳池設(shè)計(jì)救生員椅子”“為拉法葉水上公園設(shè)計(jì)防水土壩”的真實(shí)問(wèn)題情境。以“你能設(shè)計(jì)和制作一個(gè)更好的糖果包嗎？”單元為例（Capobianco, Nyquist, & Kelley, 2013），學(xué)生要提高糖果包的承重能力，就需學(xué)習(xí)和應(yīng)用“重量、重力、受力分析、容量”等科學(xué)知識(shí)；要繪制糖果包設(shè)計(jì)圖、預(yù)算成本、測(cè)試糖果包的性能數(shù)據(jù)等，就需學(xué)習(xí)和應(yīng)用“立體幾何圖形繪制、體積、比例尺、小數(shù)計(jì)算”等數(shù)學(xué)知識(shí)，而糖果包設(shè)計(jì)圖繪制、糖果包制作、承重力測(cè)試等還需要學(xué)習(xí)和應(yīng)用“繪圖、粘合、折疊、彈簧秤”等技術(shù)；要做出漂亮的糖果包，則需要學(xué)習(xí)和應(yīng)用“色彩、繪畫(huà)”等藝術(shù)知識(shí)。由此可見(jiàn)，真實(shí)問(wèn)題為學(xué)生對(duì)科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)概念的應(yīng)用提供了聚焦點(diǎn)，讓學(xué)生從多維度探索STEM學(xué)科知識(shí)成為可能，并創(chuàng)造了共同的經(jīng)驗(yàn)與學(xué)習(xí)支架，便于促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)關(guān)聯(lián)與轉(zhuǎn)換；對(duì)教師而言，真實(shí)問(wèn)題情境能夠提高STEM內(nèi)容的意義性與相關(guān)性，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)與學(xué)習(xí)參與。

其次，要注意真實(shí)問(wèn)題的復(fù)雜性與學(xué)生STEM知識(shí)基礎(chǔ)的匹配度。真實(shí)問(wèn)題都是復(fù)雜的非良構(gòu)問(wèn)題，當(dāng)將其引入學(xué)校課程之中，并非越復(fù)雜越好。過(guò)于復(fù)雜，學(xué)生不具備所需STEM知識(shí)，會(huì)有挫折感而不愿參與。過(guò)于簡(jiǎn)單，難以給學(xué)生在STEM知識(shí)學(xué)習(xí)與應(yīng)用上提出挑戰(zhàn)，學(xué)生也會(huì)覺(jué)得問(wèn)題無(wú)聊而不愿參與。真實(shí)問(wèn)題復(fù)雜程度與學(xué)生STEM知識(shí)基礎(chǔ)的匹配是關(guān)鍵。SLED項(xiàng)目組通過(guò)對(duì)每個(gè)單元問(wèn)題解決程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的精妙設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)問(wèn)題復(fù)雜程度與學(xué)生STEM知識(shí)基礎(chǔ)匹配度的控制。如“救生員椅子的設(shè)計(jì)與制作”單元要求學(xué)生制作的救生員椅子腿高至少35cm，且要能支撐一只毛絨玩具坐在上面20秒內(nèi)不倒塌（Capobianco, Kelley, & Nyquist, 2013）。“防水土壩”單元要求學(xué)生使用兩種不同的土壤材料建造土壩，土壩保持五分鐘的時(shí)間不漏水即合格（Merwade & Lehman, 2014）?！疤枪眴卧髮W(xué)生使用紙質(zhì)環(huán)保材料制作，糖果包保持承重10磅30秒不破損（Capobianco, Nyquist, & Kelley, 2013）。但是現(xiàn)實(shí)世界的救生員椅子腿高都1米以上，救生員體重也遠(yuǎn)重于玩具。真實(shí)的防水土壩不可能只使用兩種土壤材料，且只防水五分鐘。真實(shí)糖果包材料多變，且不可能只保證30秒不破損。但這樣的設(shè)計(jì)既保留了問(wèn)題的真實(shí)性、復(fù)雜性、跨學(xué)科性，同時(shí)對(duì)學(xué)生STEM知識(shí)學(xué)習(xí)與綜合應(yīng)用能力的要求也契合小學(xué)生水平。

2. 在課程內(nèi)容組織上將科學(xué)知識(shí)與工程知識(shí)協(xié)同呈現(xiàn)

SLED項(xiàng)目各單元課程內(nèi)容的呈現(xiàn)并非是將各自學(xué)科知識(shí)簡(jiǎn)單羅列，而是以一種相關(guān)聯(lián)的方式向?qū)W生呈現(xiàn)。如“防水土壩”單元將“土壩形狀與層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（工程知識(shí)）與不同形狀土壩承受水的沖擊力知識(shí)（科學(xué)知識(shí)）結(jié)合呈現(xiàn)，將土壩建筑材料選擇（工程知識(shí)）與土壤中不同成分材料水的滲透性知識(shí)（科學(xué)知識(shí)）結(jié)合呈現(xiàn)（Merwade & Lehman, 2014）?！熬壬巍眴卧獙⒉牧媳砻鎻埩Γㄎ锢碇R(shí)）與椅子制作材料選擇（工程知識(shí)）放在一起呈現(xiàn)，將椅子腿形狀設(shè)計(jì)（工程知識(shí)）與不同形狀的張力與重力（物理知識(shí)）結(jié)合呈現(xiàn)（Capobianco, Kelley, & Nyquist, 2013）。以真實(shí)問(wèn)題解決為主線，將工程知識(shí)、科學(xué)知識(shí)以相關(guān)聯(lián)的方式呈現(xiàn)，有助于讓學(xué)生在科學(xué)概念與工程設(shè)計(jì)活動(dòng)間建立關(guān)聯(lián)。

3. 以對(duì)工程產(chǎn)品的評(píng)價(jià)實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生STEM知識(shí)整合程度的評(píng)價(jià)

基于工程設(shè)計(jì)的整合型STEM課程以工程產(chǎn)品對(duì)真實(shí)問(wèn)題的解決程度為主要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在對(duì)工程產(chǎn)品的評(píng)價(jià)中實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生各學(xué)科知識(shí)掌握、整合與應(yīng)用程度的評(píng)價(jià)。如“防水土壩的設(shè)計(jì)與建造”單元的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是學(xué)生建成的土壩擋住至少1/3至1/2的水壩高度的水（Merwade & Lehman, 2014）。如果學(xué)生不掌握并應(yīng)用“梯形、梯形斜面斜率”等數(shù)學(xué)知識(shí)，不掌握并應(yīng)用“斜面受力分析、流體壓力”等物理知識(shí)，就很難實(shí)現(xiàn)“擋住1/3至1/2土壩高度水”的目標(biāo)。如果學(xué)生不掌握并應(yīng)用“不同土壤成分滲水率”的物理知識(shí)，不會(huì)計(jì)算不同成分土壤混合后土壩的滲水率，就很難合理搭配建造土壩的材料，無(wú)法實(shí)現(xiàn)“保持至少5分鐘水不滲透”的目標(biāo)；如果學(xué)生不掌握相應(yīng)技術(shù)工具與方法，就無(wú)法將設(shè)計(jì)意圖轉(zhuǎn)化為工程產(chǎn)品。如果學(xué)生在某一學(xué)科知識(shí)上理解與應(yīng)用不足，難以在不同學(xué)科知識(shí)間建立聯(lián)系，都勢(shì)必導(dǎo)致“工程產(chǎn)品”性能不達(dá)標(biāo)。由此可見(jiàn)對(duì)工程產(chǎn)品的評(píng)價(jià)不僅能考核出學(xué)生各科知識(shí)的掌握與應(yīng)用程度，更能反映出學(xué)生對(duì)各科知識(shí)的整合與應(yīng)用程度。

4. 采用“設(shè)計(jì)—開(kāi)發(fā)—培訓(xùn)—實(shí)施”的變更迭代式開(kāi)發(fā)方法

整合型STEM課程的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)不僅是一個(gè)研究項(xiàng)目，更是一項(xiàng)解決真實(shí)教育問(wèn)題的教育工程項(xiàng)目。所以SLED項(xiàng)目組按照“原型設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、小范圍培訓(xùn)與應(yīng)用（產(chǎn)品測(cè)試與完善）、大范圍推廣（成品交付）”的工程方式進(jìn)行設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。課程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)先完成課程原型開(kāi)發(fā)，隨后精選部分小學(xué)教師在暑期培訓(xùn)中以學(xué)生身份學(xué)習(xí)課程原型，與設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)一起完成課程原型的完善與修訂，形成可用于小學(xué)課堂的整合STEM課程材料。受訓(xùn)教師在自己課堂進(jìn)行教學(xué)實(shí)施，課程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)進(jìn)入課堂，根據(jù)實(shí)施情況再次進(jìn)行修改完善，隨后再大范圍推廣（Gajda & Koliba, 2007）。

5. 高校多學(xué)科專(zhuān)家與小學(xué)教師構(gòu)建協(xié)同開(kāi)發(fā)實(shí)踐社團(tuán)

成長(zhǎng)于分科教育體系的研究者與教師如何設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)出整合型的STEM課程？團(tuán)隊(duì)協(xié)作是解決復(fù)雜的跨學(xué)科問(wèn)題的重要方法(Lehman, Kim, & Harris, 2014)。組建由大學(xué)研究者與中小學(xué)教師共同構(gòu)成的實(shí)踐團(tuán)體，在合作共享中以集體智能開(kāi)發(fā)整合型STEM課程，以提升學(xué)生STEM素養(yǎng)，是SLED項(xiàng)目成功的重要保障。

如圖2所示，SLED項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)由大學(xué)STEM相關(guān)學(xué)科專(zhuān)家、課程與教學(xué)專(zhuān)家、優(yōu)秀一線小學(xué)教師共同構(gòu)成。具體而言，SLED項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)由來(lái)自美國(guó)普渡大學(xué)工程、科學(xué)、技術(shù)和教育4個(gè)學(xué)院12個(gè)學(xué)科（地球、大氣科學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、工程與計(jì)算機(jī)、民用工程、生物醫(yī)學(xué)工程、課程與教學(xué)、材料工程、工程教育、工業(yè)技術(shù)、化學(xué)教育）的大學(xué)研究者，與來(lái)自美國(guó)泰勒社區(qū)學(xué)校、普利茅斯學(xué)校、拉斐特學(xué)校和蒂珀卡努學(xué)校的小學(xué)教師組成（Nadelson & Seifert, 2017)。學(xué)科專(zhuān)家間的合作，保證了各學(xué)科知識(shí)及其相互間關(guān)聯(lián)的科學(xué)性。課程與教學(xué)專(zhuān)家將STEM學(xué)科專(zhuān)家整合后的學(xué)科專(zhuān)業(yè)知識(shí)，按照教育規(guī)范轉(zhuǎn)化為課程產(chǎn)品。相對(duì)于大學(xué)學(xué)科專(zhuān)家與教育研究者，小學(xué)教師對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)風(fēng)格、認(rèn)知水平、教師教學(xué)需求則有更深入的了解，小學(xué)教師參與設(shè)計(jì)，有助于研發(fā)更加適合小學(xué)的整合型STEM課程。

圖2 整合型STEM課程的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)實(shí)踐團(tuán)體

四、啟示與展望

近年隨著STEM教育的興起，中國(guó)教育市場(chǎng)中STEM課程產(chǎn)品層出不窮。雖然不乏優(yōu)質(zhì)課程，但也有不少企業(yè)要么將科學(xué)實(shí)驗(yàn)課包裝為STEM課程，向?qū)W校兜售實(shí)驗(yàn)材料，要么將3D打印課包裝為STEM課程，向?qū)W校推銷(xiāo)設(shè)備與材料，要么將STEM課程變成各種集成化模塊的組裝課，向?qū)W校銷(xiāo)售集成模塊。他們對(duì)STEM課程的評(píng)判更多重視學(xué)生所完成產(chǎn)品的酷炫與展示度，而對(duì)課程中的科學(xué)、工程、技術(shù)、數(shù)學(xué)知識(shí)是否具有內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，學(xué)生在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制作中是否實(shí)現(xiàn)了科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)知識(shí)的整合，都有意或無(wú)意的忽略。本研究認(rèn)為如何設(shè)計(jì)整合型STEM課程，并促進(jìn)學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中實(shí)現(xiàn)知識(shí)整合，是我國(guó)STEM教育發(fā)展的重點(diǎn)，也是SLED項(xiàng)目給我們帶來(lái)的啟示。

第一，整合是STEM教育的本質(zhì)，是致力于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者綜合應(yīng)用各學(xué)科知識(shí)，創(chuàng)造性解決真實(shí)問(wèn)題的能力。以分科為特征的知識(shí)世界是人類(lèi)從不同視角對(duì)“物質(zhì)世界、經(jīng)驗(yàn)世界”進(jìn)行研究，創(chuàng)造出的“知識(shí)世界”。STEM教育是在生活實(shí)際與社會(huì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上將學(xué)科知識(shí)與方法進(jìn)行整合的一個(gè)過(guò)程（焦巧會(huì)，俞樹(shù)煜，2019）。整合型STEM教育的提出不是對(duì)分科教育的簡(jiǎn)單否定，而是希望學(xué)習(xí)者從“知識(shí)世界”回歸“物質(zhì)世界、經(jīng)驗(yàn)世界”，并建立三個(gè)世界間關(guān)聯(lián)的過(guò)程。因此整合型STEM課程的設(shè)計(jì)不僅僅是增設(shè)一門(mén)課程，而是針對(duì)分科教育中存在的問(wèn)題，整體推動(dòng)學(xué)校課程重構(gòu)。如深圳南方科技大學(xué)第二實(shí)驗(yàn)小學(xué)推動(dòng)的以跨學(xué)科學(xué)習(xí)為特征的“統(tǒng)整項(xiàng)目課程”即是如此。

第二，“科學(xué)學(xué)科”與“工程學(xué)科”的整合是整合型STEM課程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。以“科學(xué)”為錨點(diǎn)學(xué)科，以面向真實(shí)問(wèn)題解決的工程設(shè)計(jì)與實(shí)施過(guò)程為主線，能有效建立各學(xué)科知識(shí)間的關(guān)聯(lián)。沒(méi)有“科學(xué)”為基礎(chǔ)的STEM課程，可能會(huì)成為一門(mén)“計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)課或手工課”。沒(méi)有學(xué)生基于工程設(shè)計(jì)的真實(shí)問(wèn)題解決過(guò)程，STEM課程可能會(huì)成為“學(xué)科知識(shí)拼盤(pán)”，學(xué)生無(wú)法達(dá)成將不同學(xué)科知識(shí)融為一體并轉(zhuǎn)化為能力的STEM教育目標(biāo)。

第三，整合型STEM課程的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，需要科學(xué)家、工程專(zhuān)家、技術(shù)專(zhuān)家、教育專(zhuān)家與一線教師組建實(shí)踐共同體，在集體智慧碰撞中，找到各學(xué)科知識(shí)間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，完成課程內(nèi)容重構(gòu)。如何以政策引導(dǎo)并激勵(lì)部分科學(xué)家、工程專(zhuān)家、技術(shù)專(zhuān)家愿意與教育專(zhuān)家、中小學(xué)教師合作設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)整合型STEM課程，是我國(guó)STEM教育去偽存真、深化發(fā)展的關(guān)鍵。

第四，重視對(duì)一線教師與準(zhǔn)教師STEM課程教學(xué)能力的培訓(xùn)與專(zhuān)業(yè)發(fā)展支持。雖然多學(xué)科教師的協(xié)同是當(dāng)前我國(guó)學(xué)校推進(jìn)STEM教育的主要方式，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，讓教師具有實(shí)施整合型STEM課程教學(xué)的能力是根本。要開(kāi)展整合型STEM課程教學(xué)，教師必須能制定復(fù)雜的教學(xué)計(jì)劃，能有意識(shí)地將科學(xué)概念與工程設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)，能為學(xué)生提供使用科學(xué)內(nèi)容闡釋并驗(yàn)證其工程設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，能預(yù)估學(xué)生的想法、困難及反應(yīng)，幫助學(xué)生在其工程設(shè)計(jì)過(guò)程中更好地應(yīng)用科學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題。所以一方面要對(duì)現(xiàn)有教師提供相應(yīng)培訓(xùn)，另一方面建議在師范教育中增加STEM學(xué)科方向。當(dāng)前我國(guó)分科師范教育已比較成熟，所以STEM學(xué)科教師的培養(yǎng)應(yīng)加強(qiáng)工程教育以提升教師工程設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐能力，加強(qiáng)對(duì)教師設(shè)計(jì)與組織基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)等復(fù)雜教學(xué)活動(dòng)能力的培養(yǎng)。