融入“大概念”的STEM整合課程設(shè)計(jì)模型構(gòu)建與應(yīng)用研究

許秋璇　楊文正　盧雅　周琴英

[摘? ?要] STEM教育旨在通過(guò)應(yīng)用跨學(xué)科知識(shí)解決真實(shí)情境問(wèn)題過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。針對(duì)STEM整合課程教學(xué)實(shí)施中存在的“缺乏總括性目標(biāo)廓清學(xué)科概念間的關(guān)系，缺少反映學(xué)科概念交叉和序列的顯性化表征途徑，跨學(xué)科任務(wù)情境之間的連貫性、梯度性不強(qiáng)”等問(wèn)題，文章提出融入“大概念”的STEM整合課程設(shè)計(jì)新思路。首先基于奧蘇貝爾有意義學(xué)習(xí)理論，凝練出從“具體概念、學(xué)科概念到跨學(xué)科概念”抽象的大概念層次框架，為厘清跨學(xué)科概念間的邏輯關(guān)系提供顯性化表征途徑;其次，借鑒國(guó)外圍繞大概念進(jìn)行STEM整合課程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建了融入“大概念”的STEM課程設(shè)計(jì)模型，并闡釋了STEM整合課程中各學(xué)科知識(shí)間交叉的融合機(jī)制和課程實(shí)施的具體路徑;最后，以“如何讓紙飛機(jī)飛行時(shí)間更長(zhǎng)？”為項(xiàng)目主題開(kāi)展Scratch編程教學(xué)活動(dòng)。研究的價(jià)值在于探索大概念與STEM整合課程耦合的實(shí)踐途徑，為一線中小學(xué)教師開(kāi)展STEM跨學(xué)科教學(xué)提供參考范例。

[關(guān)鍵詞] 核心素養(yǎng); 大概念; STEM整合課程; 項(xiàng)目式教學(xué); Scratch編程教學(xué)

[中圖分類號(hào)] G434? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A

[作者簡(jiǎn)介] 許秋璇（1996—），女，湖北鄂州人。碩士研究生，主要從事信息技術(shù)教育應(yīng)用研究。E-mail：571147179 @qq.com。楊文正為通訊作者，E-mail：yang121@yeah.net。

一、問(wèn)題提出

被稱為“元學(xué)科”的STEM教育強(qiáng)調(diào)在夯實(shí)科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識(shí)基礎(chǔ)上，提高學(xué)生以跨學(xué)科的新思維、新方法解決真實(shí)復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力[1]。作為一種整合型的課程形態(tài)，STEM課程通過(guò)讓學(xué)生在解決真實(shí)情境問(wèn)題過(guò)程中，建立學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)之間的交叉融合，其批判性思考、協(xié)作交流、創(chuàng)新思維等綜合能力得到發(fā)展。STEM整合課程需要依據(jù)選定主題找到學(xué)科內(nèi)部知識(shí)的縱向關(guān)聯(lián)，學(xué)科間知識(shí)的橫向關(guān)聯(lián)以及跨學(xué)科知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)聯(lián)系，而非簡(jiǎn)單地將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門學(xué)科進(jìn)行“拼盤式”的混合，更不是機(jī)械地將所有學(xué)科知識(shí)都設(shè)計(jì)到某一節(jié)課堂教學(xué)中。

當(dāng)前，STEM課程在教學(xué)實(shí)施中存在的問(wèn)題主要有：（1）學(xué)科領(lǐng)域簡(jiǎn)單疊加，學(xué)科知識(shí)淺層拼湊。面對(duì)STEM實(shí)際教學(xué)活動(dòng)中涉及的若干學(xué)科事實(shí)、概念和原理等，多數(shù)教師未能依據(jù)總括性目標(biāo)，架構(gòu)出能夠厘清諸多學(xué)科之間內(nèi)在邏輯聯(lián)系的知識(shí)框架。（2）缺少反映學(xué)科概念交叉和序列的顯性化表征途徑。學(xué)科知識(shí)間的聯(lián)系通常具有內(nèi)隱性，大部分教師難以辨析出知識(shí)概念間的層次關(guān)系，難以探尋出如何將跨學(xué)科知識(shí)間的網(wǎng)狀關(guān)系進(jìn)行顯性化表征的途徑。（3）跨學(xué)科任務(wù)情境的連貫性、梯度性和拓展性不足。在將現(xiàn)實(shí)生活問(wèn)題轉(zhuǎn)化為特定情境下教學(xué)主題的過(guò)程中，較少教師能依據(jù)學(xué)科知識(shí)序列、學(xué)習(xí)目標(biāo)層級(jí)來(lái)設(shè)計(jì)前后銜接合理、難度層層遞進(jìn)的系列任務(wù)。（4）較少提供針對(duì)學(xué)生個(gè)體知識(shí)建構(gòu)差異性的學(xué)習(xí)支架支持。面對(duì)不同學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的差異性，教師容易忽視學(xué)生是否已具備跨學(xué)科知識(shí)習(xí)得的先前經(jīng)驗(yàn)，在學(xué)生個(gè)體知識(shí)建構(gòu)與其認(rèn)知發(fā)展不匹配時(shí)，未能及時(shí)提供適合學(xué)生“最近發(fā)展區(qū)”的學(xué)習(xí)支架。（5）易于忽視從概念知識(shí)組建向?qū)W科思維培養(yǎng)的過(guò)渡，難以達(dá)成促進(jìn)學(xué)生高階思維培養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)。STEM跨學(xué)科教育過(guò)程中，多數(shù)教師僅停留于幫助學(xué)生在科學(xué)探究中將事實(shí)性知識(shí)“同化”到已有概念框架中，讓學(xué)生重復(fù)操練已習(xí)得的技能，而忽視學(xué)生在工程設(shè)計(jì)中將具體事實(shí)提升至更高抽象級(jí)別的概念，感悟不同學(xué)科方法帶來(lái)的思維變化。

如何在STEM整合課程實(shí)施中使學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)得到系統(tǒng)性建構(gòu)，培養(yǎng)其運(yùn)用系統(tǒng)方法解決問(wèn)題的能力;如何在STEM項(xiàng)目活動(dòng)中引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)學(xué)科知識(shí)間內(nèi)在關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)其背后隱藏的思想價(jià)值。這不僅關(guān)乎STEM整合課程的實(shí)施效果，而且還關(guān)涉到STEM教育在推動(dòng)學(xué)生核心素養(yǎng)持續(xù)發(fā)展方面的作用與價(jià)值。我國(guó)《普通高中課程方案（2017年版）》明確強(qiáng)調(diào)“以學(xué)科大概念為核心，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)”[2]。大概念以其呈現(xiàn)的“中心性、可持久性、網(wǎng)絡(luò)狀和可遷移”特征，在對(duì)跨學(xué)科知識(shí)的精煉與整合、搭建學(xué)科概念層次框架以及促進(jìn)學(xué)生知識(shí)建構(gòu)和核心素養(yǎng)形成方面，具有重要的價(jià)值。大概念教學(xué)為破解STEM整合課程實(shí)施中的問(wèn)題提供新視角，成為STEM整合課程實(shí)施的有效途徑。本文基于對(duì)大概念和STEM整合課程內(nèi)涵的深入剖析，從“具體概念、學(xué)科概念、跨學(xué)科概念”層次提煉出大概念分析框架，構(gòu)建出融入“大概念”的STEM課程設(shè)計(jì)模型，最后以“如何讓紙飛機(jī)飛行時(shí)間更長(zhǎng)？”為主題進(jìn)行STEM項(xiàng)目式教學(xué)活動(dòng)實(shí)踐，旨在為一線教師開(kāi)展STEM教學(xué)提供參考范例。

二、“大概念”內(nèi)涵及其分析框架

大概念的思想源于美國(guó)教育心理學(xué)家杰羅姆·布魯納（Jerome Bruner）倡導(dǎo)的學(xué)科結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，他認(rèn)為理解學(xué)科知識(shí)間相互聯(lián)系的前提是讓學(xué)生掌握學(xué)科知識(shí)的基本結(jié)構(gòu)[3]。此后，國(guó)外學(xué)者從不同側(cè)面對(duì)大概念的內(nèi)涵進(jìn)行闡釋。菲利普·菲尼克斯（Phillip Phenix）認(rèn)為“一門學(xué)科知識(shí)根據(jù)某種固定的模式進(jìn)行組織，學(xué)生只有全面理解學(xué)科的代表性概念，才能清晰界定適合學(xué)科設(shè)計(jì)的主要特定要素”[4];格蘭特·威金斯（Grant Wiggins）等研究中的大概念特指“能夠使離散的事實(shí)或技能有意義地聯(lián)系的概念，是強(qiáng)化學(xué)生思維，使學(xué)生具備應(yīng)用和遷移能力的關(guān)鍵”[5]。我國(guó)學(xué)者對(duì)“大概念”進(jìn)行概括[6]：“大概念居于學(xué)科的中心位置，集中體現(xiàn)學(xué)科課程特質(zhì)的思想;大概念有助于設(shè)計(jì)連續(xù)聚焦一致的課程，有助于發(fā)生學(xué)習(xí)遷移;大概念具有概括性、永恒性、普遍性、抽象性?！庇纱?，我們認(rèn)為大概念是指能涵蓋跨學(xué)科知識(shí)之間的橫向聯(lián)系和學(xué)科內(nèi)部知識(shí)發(fā)展的縱向聯(lián)系，具有較強(qiáng)概括性、包容性和解釋力的上位概念，其目的在于凝練跨越學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)的關(guān)鍵能力和高階思維。

STEM整合課程關(guān)注真實(shí)問(wèn)題的解決，強(qiáng)調(diào)知識(shí)與能力并重，注重知識(shí)的跨學(xué)科遷移，以促成跨學(xué)科知識(shí)融合的協(xié)同效應(yīng)發(fā)生[7]。在STEM整合課程實(shí)施層面，溫·哈倫（Wynne Harlen）等人[8]從“大概念”視角提出科學(xué)教育的原則，總結(jié)凝練出科學(xué)教育中的10個(gè)科學(xué)知識(shí)大概念和4個(gè)關(guān)于科學(xué)思維本質(zhì)的大概念;美國(guó)《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》[9]提出圍繞“大概念”實(shí)施科學(xué)教育的三個(gè)維度：學(xué)科核心概念、跨學(xué)科概念和科學(xué)與工程實(shí)踐，強(qiáng)調(diào)圍繞學(xué)科核心概念設(shè)計(jì)一系列由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由具體到抽象的概念序列，旨在幫助學(xué)生以“螺旋式上升”的認(rèn)知路徑建構(gòu)完整的概念體系和學(xué)科素養(yǎng)的形成。

基于奧蘇貝爾（David Ausubel）有意義學(xué)習(xí)理論核心要義：學(xué)科認(rèn)知結(jié)構(gòu)的形成是以學(xué)科子概念作為節(jié)點(diǎn)自下而上建立網(wǎng)狀聯(lián)系的進(jìn)階過(guò)程。本研究從認(rèn)知心理學(xué)視域剖析反映學(xué)科概念交叉和概念序列的顯性化表征途徑。有意義學(xué)習(xí)是指符號(hào)所代表的新知識(shí)與學(xué)習(xí)者認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已有的恰當(dāng)知識(shí)建立非人為的、實(shí)質(zhì)性的聯(lián)系[10]。這種知識(shí)之間有意義的聯(lián)系主要依托于學(xué)生在原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中找到與新知識(shí)聯(lián)結(jié)的固著點(diǎn)，并從固著點(diǎn)出發(fā)通過(guò)“類屬學(xué)習(xí)”向下衍生更為具體的下位概念，通過(guò)“總括學(xué)習(xí)”向上延伸解釋力和包容性更強(qiáng)的上位概念，通過(guò)“并列學(xué)習(xí)”橫向拓展出學(xué)科知識(shí)之間的交叉聯(lián)系。依此本研究提出大概念層次框架，如圖1所示。

大概念層次框架自上而下劃分為跨學(xué)科概念層、學(xué)科概念層和學(xué)科子概念層。作為統(tǒng)攝諸多學(xué)科核心概念的內(nèi)核與主線，大概念類似于課程標(biāo)準(zhǔn)提出的“跨學(xué)科概念”，即“抽象與具體、數(shù)量與比例、圖式與模式、結(jié)構(gòu)與功能、原因與結(jié)果”等多對(duì)跨學(xué)科概念[11]，是通向綜合跨學(xué)科知識(shí)解決問(wèn)題能力培養(yǎng)的“高級(jí)規(guī)則”;位于學(xué)科概念層的核心概念是學(xué)科本質(zhì)內(nèi)容和思想方法的抽象，各學(xué)科提煉的核心概念之間形成的跨學(xué)科交叉領(lǐng)域正是抽象概括為大概念的基石，并且核心概念之間也可實(shí)現(xiàn)學(xué)科內(nèi)部的交叉融合;位于學(xué)科子概念層的具體概念由各學(xué)科中最小單位的事實(shí)性知識(shí)組成，相同學(xué)科具體概念可以進(jìn)行學(xué)科交叉，不同學(xué)科具體概念之間也可進(jìn)行跨學(xué)科交叉。大概念層次框架與羅伯特·加涅（Robert M. Gagnè）的智慧技能層級(jí)說(shuō)類似：大概念學(xué)習(xí)以核心概念作為前提條件，核心概念學(xué)習(xí)又以具體概念學(xué)習(xí)作為先決條件，學(xué)生對(duì)大概念的習(xí)得過(guò)程就是從掌握基本概念向應(yīng)用復(fù)雜規(guī)則、創(chuàng)造性解決問(wèn)題轉(zhuǎn)變的過(guò)程[12]。

三、融入“大概念”的STEM整合課程設(shè)計(jì)模型構(gòu)建

STEM整合課程旨在將跨學(xué)科知識(shí)“錨入”到真實(shí)問(wèn)題情境中，實(shí)現(xiàn)不同學(xué)科領(lǐng)域的有機(jī)融合，從而有目的、有計(jì)劃地組織課程內(nèi)容[13]。大概念層次框架與STEM整合課程理念不謀而合，為STEM整合課程的設(shè)計(jì)與實(shí)施提供實(shí)踐指導(dǎo)。一方面，大概念層次框架能幫助教師廓清STEM學(xué)科概念之間的邏輯關(guān)系，從跨學(xué)科領(lǐng)域中抽象出上位概念并轉(zhuǎn)化為前后銜接緊密、難度層層遞進(jìn)和具有跨學(xué)科知識(shí)融合的具體任務(wù)情境。另一方面，大概念層次框架能幫助教師快速找到學(xué)生原有的認(rèn)知水平，并選擇適合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平的“先行組織者”支架，設(shè)計(jì)促進(jìn)學(xué)生個(gè)性化發(fā)展的認(rèn)知路徑。當(dāng)學(xué)生缺乏跨學(xué)科學(xué)習(xí)的概念基礎(chǔ)時(shí)，教師可借助大概念層次框架為學(xué)生在學(xué)科內(nèi)和學(xué)科間獲取相應(yīng)概念提供腳手架，幫助學(xué)生在工程設(shè)計(jì)情境中引出相關(guān)學(xué)科的前概念，并以‘同化或‘順應(yīng)的方式重新組建新概念[14]。

大概念層次框架為STEM整合課程設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的啟示：（1）STEM課程設(shè)計(jì)應(yīng)重視整合經(jīng)驗(yàn)。即遵循學(xué)生整合跨學(xué)科知識(shí)體系的認(rèn)知規(guī)律設(shè)計(jì)課程目標(biāo)和課程內(nèi)容，在學(xué)生單科學(xué)習(xí)的先前經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上提供相應(yīng)的學(xué)習(xí)支架，幫助學(xué)生突破學(xué)科概念建構(gòu)的重難點(diǎn);（2）STEM課程設(shè)計(jì)應(yīng)重視任務(wù)情境創(chuàng)設(shè)的延展性。即沿著大概念的指向選取生活中的真實(shí)問(wèn)題創(chuàng)設(shè)具有連貫性、梯度性和拓展性的任務(wù)情境，讓學(xué)生將已有的經(jīng)驗(yàn)與當(dāng)前的任務(wù)建立聯(lián)系，主動(dòng)引出學(xué)生對(duì)相關(guān)學(xué)科前概念的回憶和提取，形成正確篩選和應(yīng)用相關(guān)學(xué)科概念來(lái)解釋科學(xué)原理、設(shè)計(jì)方案;（3）STEM整合課程應(yīng)特別關(guān)注學(xué)習(xí)支架的設(shè)計(jì)。教師通過(guò)拋出系列驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題，提供認(rèn)知工具，幫助學(xué)生在工程設(shè)計(jì)中運(yùn)用已有的科學(xué)概念解決工程設(shè)計(jì)問(wèn)題，在科學(xué)探究中建構(gòu)大概念，助力其實(shí)現(xiàn)學(xué)科知識(shí)向?qū)W科思維轉(zhuǎn)化和升華。

圍繞大概念進(jìn)行整合課程設(shè)計(jì)與實(shí)施方面，STEM課程專家克里斯提那·查莫斯（Christina Chalmers）提出“系統(tǒng)網(wǎng)模式”，包括四個(gè)子系統(tǒng)[15]：（1）構(gòu)建原則系統(tǒng)，是指STEM課程單元應(yīng)圍繞大概念進(jìn)行設(shè)計(jì)，并要求學(xué)生通過(guò)搭建、解釋和迭代解決問(wèn)題的模型實(shí)現(xiàn)對(duì)大概念的理解;（2）活動(dòng)序列系統(tǒng)（包括初步活動(dòng)、設(shè)計(jì)活動(dòng)、探索活動(dòng)、適應(yīng)活動(dòng)和綜合討論五個(gè)基本模塊），通過(guò)不同的組合方式引導(dǎo)學(xué)生對(duì)STEM大概念進(jìn)行探索和應(yīng)用;（3）思維工具系統(tǒng)，旨在提供包含思維導(dǎo)圖、概念圖等支持大概念學(xué)習(xí)的腳手架;（4）評(píng)估反饋系統(tǒng)，是指通過(guò)活動(dòng)資料收集、作品展示以及觀察、訪談和測(cè)評(píng)等評(píng)估方式對(duì)大概念的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)。埃爾多安（Niyazi Erdogan）則針對(duì)STEM課程教學(xué)過(guò)程，提出STEM項(xiàng)目設(shè)計(jì)的四要素[16]：（1）投入，明確項(xiàng)目的目標(biāo)和過(guò)程;（2）管理，確定項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方法和策略;（3）產(chǎn)生，形成項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方案并取得結(jié)果;（4）評(píng)估，對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。STEM課程設(shè)計(jì)的“系統(tǒng)網(wǎng)模式”和“項(xiàng)目設(shè)計(jì)四要素”都包括課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、課程資源、課程實(shí)施活動(dòng)策略及課程評(píng)價(jià)等主要環(huán)節(jié)要素。

“大概念”作為穩(wěn)定跨學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)的核心“錨點(diǎn)”，是促進(jìn)學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)向融合多學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)應(yīng)用情境轉(zhuǎn)化的橋梁，滿足了STEM整合課程對(duì)“多學(xué)科知識(shí)按項(xiàng)目邏輯進(jìn)行跨學(xué)科重組，以及確保設(shè)計(jì)的問(wèn)題或項(xiàng)目對(duì)學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)的全面、均衡覆蓋”[17]的內(nèi)在要求。“大概念”的學(xué)習(xí)過(guò)程本身就蘊(yùn)含著各種解決問(wèn)題范式，通過(guò)設(shè)計(jì)真實(shí)開(kāi)放的任務(wù)情境，促使學(xué)生在科學(xué)探究和工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中將跨學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)向核心素養(yǎng)轉(zhuǎn)化和升華。本研究借鑒STEM課程設(shè)計(jì)的“系統(tǒng)網(wǎng)模式”和“項(xiàng)目設(shè)計(jì)四要素”優(yōu)勢(shì)，結(jié)合前文提出的大概念分析框架，構(gòu)建了融入“大概念”的STEM課程設(shè)計(jì)模型，如圖2所示。

（4）交流評(píng)價(jià)，迭代改進(jìn)。教師邀請(qǐng)行業(yè)專家依據(jù)提前設(shè)計(jì)好的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各組的項(xiàng)目成果進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估，并給出修改完善建議。各組學(xué)生先通過(guò)內(nèi)部測(cè)試和評(píng)估項(xiàng)目成果，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，并結(jié)合其他測(cè)評(píng)人員的建議列出問(wèn)題清單，指導(dǎo)小組重新迭代改進(jìn)模型設(shè)計(jì)和程序腳本。

（5）成果分享，自評(píng)反思。教師通過(guò)組織交流分享活動(dòng)，為學(xué)生展示作品創(chuàng)造機(jī)會(huì)，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)反思，增強(qiáng)學(xué)生參與科學(xué)探究的成就感與自信心。另外，教師指導(dǎo)學(xué)生填寫自我評(píng)價(jià)量表，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐反思，并根據(jù)學(xué)生在探究過(guò)程中的具體表現(xiàn)作出評(píng)價(jià)。學(xué)生在成果展示過(guò)程中回顧參與項(xiàng)目活動(dòng)的全過(guò)程，思考運(yùn)用了哪些跨學(xué)科知識(shí)以及如何解決實(shí)際問(wèn)題。同時(shí)，學(xué)生通過(guò)自評(píng)反思明晰不足，激勵(lì)自己在后續(xù)的探究活動(dòng)中改進(jìn)與提升。

（二）教學(xué)實(shí)施過(guò)程

案例以“如何讓紙飛機(jī)飛行時(shí)間更長(zhǎng)？”為主題，依托云南省昆明市第三中學(xué)八年級(jí)X班《信息技術(shù)課程》，融合科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理課程開(kāi)展STEM項(xiàng)目式教學(xué)。依據(jù)STEM整合課程項(xiàng)目式教學(xué)流程，將STEM項(xiàng)目式教學(xué)過(guò)程劃分為五個(gè)階段，總共六課時(shí)完成。案例強(qiáng)調(diào)通過(guò)設(shè)計(jì)探究問(wèn)題打通學(xué)科領(lǐng)域之間的界限，從跨學(xué)科知識(shí)融合視域引出“如何延長(zhǎng)紙飛機(jī)的飛行時(shí)長(zhǎng)？”問(wèn)題，旨在提升初中生科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用能力。

教師首先從科學(xué)、信息技術(shù)、物理和數(shù)學(xué)學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)中選擇要求學(xué)生理解的相關(guān)教學(xué)目標(biāo);借助大概念層次框架厘清STEM項(xiàng)目活動(dòng)中涉及的大概念、核心概念和具體概念。其次，教師根據(jù)大概念設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)各學(xué)科知識(shí)的探究問(wèn)題：為什么飛機(jī)能飛向藍(lán)天？（科學(xué)）;如何用Scratch編程軟件設(shè)計(jì)飛行時(shí)間最長(zhǎng)的概念飛機(jī)？如何用Excel表格記錄測(cè)試紙飛機(jī)飛行的數(shù)據(jù)？（信息技術(shù)）;怎么折疊紙飛機(jī)？（工程）;如何測(cè)量紙飛機(jī)性能？（數(shù)學(xué)），并與學(xué)生共同協(xié)商項(xiàng)目主題為“如何讓紙飛機(jī)飛行時(shí)間更長(zhǎng)？”。第三，將STEM項(xiàng)目主題融合細(xì)化成三維目標(biāo)：知識(shí)與技能（知道伯努利原理，掌握力的類型和計(jì)算升阻比的方法）;過(guò)程與方法（能用工具測(cè)量紙飛機(jī)機(jī)翼長(zhǎng)度、機(jī)翼角度和平面面積，能用Scratch編程工具設(shè)計(jì)紙飛機(jī)的程序腳本，并能通過(guò)Excel表格記錄分析紙飛機(jī)性能數(shù)據(jù)）;情感態(tài)度與價(jià)值觀（體會(huì)科學(xué)探究和工程設(shè)計(jì)是迭代優(yōu)化的過(guò)程，培養(yǎng)批判性思考和綜合解決問(wèn)題能力）。為更加清晰地突顯學(xué)科概念間的層級(jí)關(guān)系，教師借助思維導(dǎo)圖工具將各學(xué)科探究問(wèn)題中隱含的大概念、核心概念、具體概念以可視化形式展現(xiàn)，如圖4所示。

（1）融入情境，明確問(wèn)題。在觀看《飛機(jī)發(fā)展史》微視頻后，教師引導(dǎo)學(xué)生觀察與思考飛機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，伯努利原理對(duì)飛機(jī)飛行的重要性以及飛機(jī)的發(fā)展歷程。之后，教師提問(wèn)：“飛機(jī)的發(fā)明給我們的生活帶來(lái)了哪些影響？”引發(fā)學(xué)生結(jié)合自身經(jīng)歷展開(kāi)交流與討論。LG同學(xué)思考后提出疑問(wèn)：“為什么飛機(jī)能夠飛上藍(lán)天？”教師順勢(shì)引導(dǎo)：“同學(xué)們可以回顧我們學(xué)過(guò)的知識(shí)或收集飛機(jī)發(fā)展的相關(guān)資料思考回答這個(gè)問(wèn)題！”

（2）頭腦風(fēng)暴，模型設(shè)計(jì)。在教師的啟發(fā)引導(dǎo)下，學(xué)生異質(zhì)分組后查閱關(guān)于飛機(jī)發(fā)展史和伯努利原理的文字、圖片資料，并合作填寫學(xué)習(xí)知識(shí)卡片。之后，教師組織各組學(xué)生分享交換學(xué)習(xí)知識(shí)卡片，在交流討論中深化對(duì)伯努利原理的理解。教師提出明確的任務(wù)情境：“如何用Scratch編程軟件設(shè)計(jì)飛行時(shí)間最長(zhǎng)的概念飛機(jī)？”各組學(xué)生參考活動(dòng)指南展開(kāi)頭腦風(fēng)暴，討論概念飛機(jī)的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)在《頭腦風(fēng)暴記錄表》上記錄討論內(nèi)容。例如，A組學(xué)生LBY認(rèn)為“流線型的飛機(jī)受空氣的阻力小”，學(xué)生XL提議“機(jī)翼長(zhǎng)的飛機(jī)平衡感可能會(huì)更好”，學(xué)生YWB認(rèn)為“機(jī)翼表面積越大可能會(huì)越重，不利于保持飛行”。最終A組學(xué)生經(jīng)過(guò)協(xié)商后先在草稿本上畫出概念飛機(jī)的形狀，再通過(guò)Scratch編程軟件上的“畫筆”模塊，運(yùn)用上節(jié)課學(xué)習(xí)的分治算法編寫概念飛機(jī)的程序腳本，如圖5所示。

（3）原型制作，記錄數(shù)據(jù)。教師為各組學(xué)生準(zhǔn)備好不同材質(zhì)的紙張、秒表、剪刀、卷尺等活動(dòng)材料，并再次明確本階段的活動(dòng)任務(wù)是“充分利用材料折疊出飛行時(shí)間最長(zhǎng)的紙飛機(jī)，并作好試飛數(shù)據(jù)的記錄”。在小組協(xié)作制作紙飛機(jī)之前，學(xué)生根據(jù)任務(wù)分工明確職責(zé)，并討論用何種材質(zhì)的紙張折疊紙飛機(jī)。譬如，A組學(xué)生JMN主要負(fù)責(zé)紙飛機(jī)的折疊和試飛;學(xué)生LBY利用秒表和卷尺等工具測(cè)量紙飛機(jī)試飛的時(shí)間、距離等數(shù)據(jù)并計(jì)算紙飛機(jī)飛行速度;學(xué)生XL在《試飛記錄表》上記錄紙飛機(jī)試飛的次數(shù)、距離和時(shí)間;學(xué)生YWB利用量角器和卷尺測(cè)量機(jī)翼角度、機(jī)翼長(zhǎng)度和拋擲紙飛機(jī)時(shí)飛機(jī)離手的高度，運(yùn)用《平面圖測(cè)量表》估算紙飛機(jī)的平面面積。在完成所有試飛數(shù)據(jù)采集后，A組學(xué)生在《紙飛機(jī)性能數(shù)據(jù)計(jì)算表》上共同填寫記錄數(shù)據(jù)，計(jì)算出飛機(jī)質(zhì)量、升力、阻力、升阻比以及升力系數(shù)和阻力系數(shù)。這時(shí)教師會(huì)介紹升力、阻力、升阻比、升力系數(shù)和阻力系數(shù)的概念和函數(shù)計(jì)算公式，幫助學(xué)生了解本組制作的紙飛機(jī)在產(chǎn)生升力和減弱阻力方面的表現(xiàn)。

（4）程序優(yōu)化，模型迭代。各小組先對(duì)紙飛機(jī)試飛情況進(jìn)行內(nèi)部測(cè)評(píng)，并將紙飛機(jī)試飛中出現(xiàn)的問(wèn)題記錄在問(wèn)題清單中。隨后，教師組織各組學(xué)生在教室里進(jìn)行“紙飛機(jī)飛行比賽”，比較哪組設(shè)計(jì)的紙飛機(jī)飛行時(shí)間最長(zhǎng)，比賽過(guò)程中為其他同學(xué)發(fā)放《紙飛機(jī)性能互評(píng)表》，指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)紙飛機(jī)進(jìn)行評(píng)分并提出改進(jìn)建議。比賽結(jié)束后，教師將互評(píng)表分發(fā)給各組學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生反思優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。例如，A組學(xué)生YWB在查看互評(píng)建議后發(fā)現(xiàn)本組同學(xué)存在錯(cuò)誤概念：“紙飛機(jī)機(jī)翼的面積越大，飛機(jī)升力越小”。他建議用Scratch編程軟件重新設(shè)計(jì)“概念飛機(jī)”機(jī)翼部分的程序腳本，通過(guò)“畫筆”模塊重新設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)繪制機(jī)翼面積更大的“概念飛機(jī)”，再用A4紙折疊出“概念飛機(jī)”模型。經(jīng)過(guò)多次試飛，A組迭代改進(jìn)后的紙飛機(jī)飛行時(shí)間更長(zhǎng)且更加平穩(wěn)。

（5）展示作品，反思總結(jié)。各組學(xué)生確定好“最終版”的紙飛機(jī)后，教師組織學(xué)生參與“紙飛機(jī)展覽會(huì)”活動(dòng)，為學(xué)生搭建交流與展示的平臺(tái)。學(xué)生需要準(zhǔn)備好演示文稿，向大家介紹紙飛機(jī)的制作材料、制作過(guò)程、小組分工、活動(dòng)收獲等內(nèi)容。之后，學(xué)生需要回顧本次項(xiàng)目活動(dòng)的過(guò)程與感受，完成項(xiàng)目報(bào)告、反思報(bào)告和自我評(píng)價(jià)量表。教師讓小組長(zhǎng)收集各組的過(guò)程性材料、演示文稿、項(xiàng)目報(bào)告和反思報(bào)告，綜合活動(dòng)中學(xué)生的具體表現(xiàn)對(duì)每位學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)量表由問(wèn)題分析、模型設(shè)計(jì)、原型制作、迭代優(yōu)化、作品展示、作品質(zhì)量、團(tuán)隊(duì)協(xié)作七個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)和對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)要求及權(quán)重組成，最后附上教師評(píng)語(yǔ)。教師在完成總結(jié)性評(píng)價(jià)后及時(shí)將評(píng)價(jià)結(jié)果反饋給學(xué)生，幫助學(xué)生提升反思實(shí)踐能力。

（三）教學(xué)反思

本次STEM整合課程的教學(xué)案例以解決真實(shí)情境中的問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，教學(xué)內(nèi)容上強(qiáng)調(diào)學(xué)生要“跨學(xué)科”解決問(wèn)題，通過(guò)隱含“大概念”的探究問(wèn)題聯(lián)通科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)，是融入“大概念”的STEM課程設(shè)計(jì)與實(shí)施的有益嘗試。在教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)方面，大概念層次框架將本次項(xiàng)目主題涵蓋的學(xué)科知識(shí)框架顯性化表征出來(lái)，確保設(shè)計(jì)的教學(xué)目標(biāo)對(duì)學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)的全面、均衡覆蓋，為教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)提供了清晰的教學(xué)圖景。教師采用“逆向設(shè)計(jì)”思路，充分挖掘“大概念”在實(shí)際生活中的應(yīng)用情境，并將其轉(zhuǎn)化為利于學(xué)生理解和激發(fā)學(xué)生探究興趣的系列驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題，以此為教學(xué)線索設(shè)計(jì)具備銜接性和梯度性的教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，本次項(xiàng)目活動(dòng)不僅要求學(xué)生掌握學(xué)科概念本身，更是將知識(shí)的內(nèi)隱性融入生活的實(shí)踐性和社會(huì)性之中，促進(jìn)其計(jì)算思維、工程思維和科學(xué)思維等高階思維形成與發(fā)展。從知識(shí)建構(gòu)和大概念理解層面而言，學(xué)生依循系列跨學(xué)科真實(shí)情境問(wèn)題為線索，在分析問(wèn)題、收集資料、建立假設(shè)和規(guī)劃方案的同時(shí)潛移默化地調(diào)用已有經(jīng)驗(yàn)去架構(gòu)新的學(xué)科概念，從而以循環(huán)迭代的方式完成超越STEM各學(xué)科的“大概念”的習(xí)得。

五、結(jié)? ?語(yǔ)

如何推進(jìn)STEM課程的實(shí)施是中小學(xué)普遍面臨的實(shí)際問(wèn)題。當(dāng)前，多數(shù)STEM教育未能從“學(xué)科孤立”走向“學(xué)科綜合”，從單純“學(xué)科教學(xué)”走向跨學(xué)科“課程育人”，從“正確解析”走向“指導(dǎo)項(xiàng)目”。厘清學(xué)科概念間的邏輯關(guān)系是實(shí)施超越學(xué)科界限的STEM整合課程的核心所在。大概念教學(xué)有助于教師構(gòu)建有內(nèi)涵的STEM整合課程和把握STEM教學(xué)的核心。本研究凝練出從“具體概念、學(xué)科概念到跨學(xué)科概念”抽象的大概念層次框架，為廓清跨學(xué)科概念間的邏輯關(guān)系提供顯性化表征途徑;所構(gòu)建的融入“大概念”的STEM課程設(shè)計(jì)模型一定程度上顯性化地體現(xiàn)了STEM整合課程的具體設(shè)計(jì)流程以及教學(xué)實(shí)施內(nèi)容，能為教師融合跨學(xué)科知識(shí)開(kāi)發(fā)STEM整合課程，實(shí)施問(wèn)題式或項(xiàng)目式教學(xué)提供指導(dǎo)框架。融入“大概念”的STEM課程設(shè)計(jì)模型有助于教師以多學(xué)科綜合應(yīng)用的開(kāi)放視角拓展STEM教學(xué)活動(dòng)，以“聚合收斂”的學(xué)習(xí)結(jié)果作為驗(yàn)證教學(xué)效果的證據(jù)，讓教師在實(shí)施教學(xué)過(guò)程中做到有的放矢。然而，做好STEM教育需要教師具備STEM整合課程開(kāi)發(fā)與應(yīng)用能力，跨學(xué)科知識(shí)技能的融合能力，批判性、創(chuàng)新性思維的應(yīng)用能力，工程思維、技術(shù)方法的實(shí)踐能力，以及問(wèn)題式、項(xiàng)目式教學(xué)的實(shí)施能力[20]。這不僅對(duì)教師提出了更高要求，更是推動(dòng)STEM整合課程落實(shí)普及的關(guān)鍵。如何圍繞“大概念”深度挖掘?qū)W科價(jià)值，構(gòu)建跨越學(xué)科界限的STEM教學(xué)共同體是后續(xù)實(shí)踐的重心。

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[Abstract] STEM education aims to cultivate students' core literacy through the application of interdisciplinary knowledge to solve real-world problems. In view of the problems existing in the implementation of STEM integrated courses， such as " the lack of overarching goals to clarify the relationship between subject concepts， lack of explicit representations reflecting the intersections and sequences of subject concepts， and lack of coherence and gradient between interdisciplinary task situations "， this paper proposes a new approach of STEM integrated curriculum design with "big concepts". Firstly， based on Ausubel's meaningful learning theory， an abstract conceptual hierarchy framework from is formulated from "concrete concept， discipline concept to interdisciplinary concept"， which provides an explicit representation approach to clarify the logical relationship between interdisciplinary concepts. Secondly， learning from foreign experiences in STEM integrated curriculum design around big concepts， the STEM curriculum design model with "big concept" is constructed， and the cross-disciplinary integration mechanism and the specific path of curriculum implementation in STEM integrated courses are explained. Finally， the scratch programming teaching practice with the project theme of "how to make paper aircraft fly longer？" are conducted. The value of the research lies in exploring the practical approach of coupling big concepts with STEM integrated courses， and providing a reference for primary and secondary school teachers to carry out the STEM interdisciplinary teaching.

[Keywords] Core Literacy; Big Concept; STEM Integrated Curriculum; Project-based Teaching; Scratch Programming Teaching