基于STEM教育理念的校本課程案例開發(fā)與實(shí)施

孫莉　盧巍　米帥帥　趙雪

[摘? ?要]新的課程改革對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)與學(xué)科間共通素養(yǎng)提出了要求，進(jìn)而對(duì)校本課程的設(shè)計(jì)與實(shí)施形成了新的挑戰(zhàn)?；赟TEM教育理念的校本課程案例的開發(fā)與實(shí)施是應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)的一種較為可取的方式。為此，研究者在分析了不同研究人員對(duì)STEM教育理念的界定后發(fā)現(xiàn)，“跨學(xué)科”“做中學(xué)”“協(xié)同合作”以及“基于科學(xué)問題”的理念共同點(diǎn)，可作為開發(fā)與實(shí)施基于STEM教育理念的校本課程案例所應(yīng)遵循的原則。研究者結(jié)合經(jīng)典5E模型，添加主題制定步驟，以“節(jié)能住房”項(xiàng)目為例闡述了整個(gè)過程。

[關(guān)鍵詞]STEM教育;校本課程;5E模型;主題

一、引言

《普通高中課程方案及各學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的發(fā)布與實(shí)施，意味著以發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)為基礎(chǔ)的課程改革開始由頂層設(shè)計(jì)進(jìn)入教學(xué)實(shí)踐階段[1]。新課標(biāo)除了對(duì)本學(xué)科的核心能力與素養(yǎng)提出要求之外，也將科學(xué)探究、科學(xué)思維等有關(guān)科學(xué)精神和創(chuàng)新實(shí)踐的共通素養(yǎng)作為各理科課程對(duì)學(xué)生的共同要求[2]。因此，如何培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)與學(xué)科間共通素養(yǎng)成為新課程改革教學(xué)實(shí)踐階段需要解決的關(guān)鍵問題。由此，將核心素養(yǎng)融入學(xué)校課程建設(shè)是一種可取的策略[3]。

校本課程作為學(xué)校課程的重要組成部分，對(duì)培養(yǎng)核心素養(yǎng)的教學(xué)實(shí)踐具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。新課標(biāo)對(duì)校本課程的設(shè)計(jì)與實(shí)施提出了新的要求，其目標(biāo)制定和實(shí)施形式較之以往均需做出相應(yīng)的改變[4]?！吨袊?guó)STEM教育白皮書》指出，STEM教育是面向所有學(xué)生的培養(yǎng)綜合素質(zhì)的載體[5]。這無疑為校本課程的開發(fā)與實(shí)施指明了方向。

二、STEM教育理念

對(duì)于STEM教育理念，眾多研究人員提出了自己的看法與認(rèn)識(shí)。納森（Nashon）教授認(rèn)為，STEM教育涉及環(huán)境因素，并包括兩點(diǎn)要求：一是環(huán)境要提供學(xué)生身邊的問題;二是環(huán)境提供給學(xué)生的是科學(xué)問題[6]。常詠梅和張雅雅則認(rèn)為這是一種協(xié)同教育理念[7]，包括“教師協(xié)調(diào)、學(xué)科協(xié)同、主題協(xié)定、學(xué)生協(xié)作”，這種協(xié)同教學(xué)理念對(duì)目標(biāo)的制定、內(nèi)容選擇與實(shí)施過程發(fā)揮了重要的指引作用。趙呈領(lǐng)、申靜潔和蔣志輝等認(rèn)為，STEM教育具有協(xié)作性、跨學(xué)科、做中學(xué)、創(chuàng)新性的特點(diǎn)[8]。部分研究人員僅將做中學(xué)、跨學(xué)科視為STEM教育的特征[9-11]，而張屹等人則將跨學(xué)科、協(xié)作性、體驗(yàn)性、設(shè)計(jì)性、情境性作為STEM教育的特征[12]。此外，也有研究者認(rèn)為，多學(xué)科融合、基于真實(shí)問題情境、重視學(xué)習(xí)過程和技術(shù)作為支持工具是STEM教育的特征[13]。

以上不同的STEM教育理念具有一些共性，可作為開發(fā)校本課程的基本原則。一是強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科。這種跨學(xué)科并非不同學(xué)科的簡(jiǎn)單組合，而是在不同學(xué)科知識(shí)深度整合的基礎(chǔ)上所形成的知識(shí)系統(tǒng)。二是強(qiáng)調(diào)做中學(xué)。這種教育形式重視學(xué)習(xí)過程，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。三是基于協(xié)同教育理念。協(xié)同主要體現(xiàn)在教師之間、師生之間以及學(xué)生之間，它包括不同學(xué)科教師之間就選擇教學(xué)主題、組織教學(xué)內(nèi)容的協(xié)同互助，也包括師生在課堂環(huán)境中的互動(dòng)，還包括學(xué)生之間的合作。四是基于科學(xué)問題。相對(duì)于簡(jiǎn)單問題，科學(xué)問題具有某種抽象性，有所知又有所不知，而簡(jiǎn)單問題一般源自好奇或直接觀察[14]。這種科學(xué)問題是基于現(xiàn)實(shí)產(chǎn)生而非虛假編制?！笆欠窕诳茖W(xué)問題”可作為區(qū)分STEM教學(xué)活動(dòng)與傳統(tǒng)手工課的主要依據(jù)。

三、結(jié)合課程案例的開發(fā)與實(shí)施過程分析

恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)活動(dòng)組織形式是實(shí)現(xiàn)STEM教育理念的媒介，也是校本課程開發(fā)與實(shí)施的路徑。基于項(xiàng)目的教學(xué)活動(dòng)組織形式無疑是最佳選擇。其強(qiáng)調(diào)為學(xué)生提供融入真實(shí)情境的體驗(yàn)，這些體驗(yàn)將幫助學(xué)生對(duì)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)各領(lǐng)域的概念形成深刻的理解，并強(qiáng)化更高的思維技能，同時(shí)要求學(xué)生通過合作、團(tuán)隊(duì)溝通等完成任務(wù)。除此之外，基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)以工程設(shè)計(jì)為基石，要求學(xué)生用他們?cè)诳茖W(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)等領(lǐng)域的知識(shí)解決真實(shí)世界中有意義的問題[15]。

本研究采用了一種廣泛使用的基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)教學(xué)模式——5E模型[16]。5E模型提供了按照結(jié)構(gòu)順序排列的五個(gè)步驟，分別是參與（Engagement）、探索（Exploration）、解釋（Explanation）、延伸（Extension）、評(píng)估（Evaluation）。它提供了一個(gè)框架，可以將STEM教育理念整合其中。5E模型主要涵蓋了教學(xué)發(fā)生的部分，對(duì)教學(xué)內(nèi)容的選擇與組織關(guān)注不夠，因此研究者增加了主題制定的部分，即由教師為學(xué)生選定一個(gè)活動(dòng)的主題。

1.確定主題

主題制定是開發(fā)與實(shí)施STEM校本課程案例的第一步，也是最困難的一步。基于我國(guó)目前分科教學(xué)的現(xiàn)實(shí)，學(xué)生和教師都難以就跨學(xué)科的自然現(xiàn)象做出恰當(dāng)?shù)慕忉?，因此，由單一學(xué)科的教師選擇并制定跨學(xué)科主題還不太現(xiàn)實(shí)。為解現(xiàn)實(shí)困境，應(yīng)采用協(xié)同教育理念，即主題的構(gòu)建與制定以某一學(xué)科教師為主，其他學(xué)科教師為輔。此外，要注意所選項(xiàng)目一定要依賴于學(xué)生所學(xué)的概念、原理，以便落實(shí)“基于科學(xué)問題”的理念。在此，將結(jié)合“節(jié)能住房”課例加以說明。

“節(jié)能住房”課例的設(shè)計(jì)是以物理教師為主導(dǎo)的，為保證跨學(xué)科特征，選擇了“能量”概念作為設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，但并不局限于物理學(xué)科，還包括化學(xué)、生物等學(xué)科中與能量相關(guān)的內(nèi)容（需要化學(xué)、生物等學(xué)科教師的參與）。在選定科學(xué)概念之后，要確定一個(gè)既能容納所選科學(xué)概念又要與學(xué)生的生活息息相關(guān)的相關(guān)問題。如住所需要能量，包括供熱、制冷、照明等，但能量的不合理使用造成了驚人的浪費(fèi)，所以“節(jié)能”就是一個(gè)現(xiàn)實(shí)的話題，可促進(jìn)學(xué)生對(duì)能量概念產(chǎn)生更深層的理解，并培養(yǎng)節(jié)能意識(shí)。由此，誕生了“節(jié)能住房”這一主題。

2.課程實(shí)施的5E流程

（1）參與。參與主要是指列舉項(xiàng)目的要求以及限制性因素。在基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)中，工程設(shè)計(jì)是基石。工程設(shè)計(jì)有兩個(gè)典型特征：明確的目標(biāo)與模糊的任務(wù)[17]。在“節(jié)能住房”項(xiàng)目中，主要從以下三個(gè)方面對(duì)學(xué)生所需要達(dá)到的最低要求進(jìn)行了描述。一是節(jié)能住房的組成要求。包括居住區(qū)，在保證較完整住宅結(jié)構(gòu)（如墻壁、屋頂、住宅內(nèi)部功能分區(qū)等）的前提下，可適當(dāng)發(fā)揮，如增加住宅的防震性能等;出行工具，如車及車庫的設(shè)計(jì);照明系統(tǒng)，包括生活用照明系統(tǒng)與觀賞用照明系統(tǒng)，可根據(jù)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行電路控制的設(shè)計(jì);庭院景觀，可根據(jù)個(gè)人生活經(jīng)驗(yàn)增加庭院內(nèi)部觀賞景觀，如假山等;水循環(huán)系統(tǒng)，包括生活用水和觀賞用水，可根據(jù)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行水循環(huán)設(shè)計(jì)。二是設(shè)計(jì)原則。包括科學(xué)原則，應(yīng)明確自己所做項(xiàng)目涉及的科學(xué)內(nèi)容;綠色可持續(xù)原則，應(yīng)盡量減少能量消耗，提高材料利用率;經(jīng)濟(jì)原則，項(xiàng)目的實(shí)施應(yīng)盡量節(jié)省成本或花銷。三是安全要求。如避免使用交流電。

以上教師所提出的目標(biāo)是明確的，但如何達(dá)成這些目標(biāo)是模糊的，需要學(xué)生在后續(xù)環(huán)節(jié)中通過合作、討論、質(zhì)疑等過程完成。

（2）探索。探索階段，是學(xué)生通過與小組成員和教師互動(dòng)，提出問題解決方案的階段。學(xué)生的任務(wù)實(shí)際上就是小組討論，教師的任務(wù)則是幫助學(xué)生開展有效討論。討論內(nèi)容包括對(duì)第一階段所提項(xiàng)目要求以及限制性因素的正確識(shí)別，也包括可選擇的技術(shù)手段與工具，以及可能的方案。同一小組內(nèi)可能會(huì)產(chǎn)生多個(gè)方案，但每個(gè)小組最后只能確定一個(gè)方案，因此需要組內(nèi)協(xié)商。這實(shí)際上是對(duì)5E流程中“解釋”過程的預(yù)演，只不過是發(fā)生在組內(nèi)而非組間。這一過程的要求只有一個(gè)，即充分討論，只有經(jīng)過充分討論才會(huì)生成具有可行性的方案。

（3）解釋。解釋是指學(xué)生對(duì)自己所提方案可行性的辯護(hù)。每個(gè)小組向其他組報(bào)告其最終方案，交流分享可行性分析，其他小組可提出質(zhì)疑，當(dāng)所有的質(zhì)疑與分歧都得到解決后，再進(jìn)入下一階段。學(xué)科知識(shí)是鑒別方案可行性的有效手段[18]。高中學(xué)生多數(shù)情況下能夠?qū)Ψ桨傅目尚行宰龀銮‘?dāng)分析，但仍然會(huì)漏洞與不足，教師需要發(fā)現(xiàn)并記錄學(xué)生在匯報(bào)中存在的不足，要求他們進(jìn)行補(bǔ)充與說明。在“節(jié)能住房”項(xiàng)目中，每組學(xué)生派出一個(gè)代表，以手繪或計(jì)算機(jī)輔助的形式呈現(xiàn)方案設(shè)計(jì)（見圖1）。小組代表講解完畢后，其他小組提出問題，由匯報(bào)人記錄問題并作出回應(yīng)。

（4）延伸。延伸是指方案的實(shí)施階段。學(xué)生集中動(dòng)手做，將所學(xué)的概念、定律等與解決方案真正整合在一起，體現(xiàn)出“做中學(xué)”的理念。這是學(xué)生實(shí)現(xiàn)自己方案的過程，他們會(huì)碰到各種困難，犯各種錯(cuò)誤。已有研究證明，學(xué)生在犯錯(cuò)的過程中，會(huì)不斷努力思考，發(fā)現(xiàn)自己的優(yōu)勢(shì)，明白自己在做什么，并管理自己的項(xiàng)目過程，從而使自己的工作更加深入[19]。教師在該階段要查看各組學(xué)生的進(jìn)展情況，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在實(shí)踐中所犯的錯(cuò)誤，在學(xué)生求助時(shí)提供引導(dǎo)。通常，在這一階段結(jié)束時(shí)，學(xué)生應(yīng)完成一件作品，該作品是下一階段評(píng)估的對(duì)象。

（5）評(píng)估。評(píng)估包括兩方面。一是教師對(duì)活動(dòng)過程中學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)估。教師評(píng)估并非要評(píng)判學(xué)生的優(yōu)秀程度，而是要努力弱化這種結(jié)果取向，突出過程性評(píng)價(jià)，對(duì)學(xué)生所表現(xiàn)的合作能力、創(chuàng)造能力等進(jìn)行非評(píng)價(jià)性的陳述。二是學(xué)生對(duì)自己的作品進(jìn)行評(píng)估。主要包括：是否達(dá)到了最低要求，以及對(duì)項(xiàng)目實(shí)施的總體自評(píng)。當(dāng)然，有些小組可能沒有達(dá)到參與階段所提出的最低要求，或僅達(dá)到了最低水平，那么還需要就作品的改進(jìn)思路做出相關(guān)陳述。如圖1中的（B）設(shè)計(jì)方案對(duì)應(yīng)作品的完成度不高，因此該組學(xué)生在自我評(píng)估的過程中需要提出改進(jìn)方案;而（A）設(shè)計(jì)方案的對(duì)應(yīng)作品完成度更高，該組學(xué)生在自我評(píng)估中提出的改進(jìn)內(nèi)容較少。

四、結(jié)論

以上課例，闡述了在經(jīng)典5E模型的基礎(chǔ)上添加主題制定步驟進(jìn)行課程設(shè)計(jì)并實(shí)施的完整過程，從課程的開發(fā)到實(shí)施，始終貫徹STEM教育理念。從主題選擇到5E模型實(shí)施，涵蓋了教師之間、學(xué)生之間、師生之間的協(xié)同合作;學(xué)生的“做”是整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中的典型特征，既包括實(shí)現(xiàn)預(yù)想方案的“動(dòng)手做”，也包括為自己方案可行性進(jìn)行辯護(hù)的“動(dòng)腦做”，而“做中學(xué)”是對(duì)這個(gè)過程的詮釋。在“基于科學(xué)問題”方面，課例基于能量的概念以達(dá)到節(jié)能目的，這是其與常見“手工課”的內(nèi)在區(qū)別?！翱鐚W(xué)科”則體現(xiàn)在方方面面，包括物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、工程、藝術(shù)等，充分體現(xiàn)了STEM教育的典型特征。

參考文獻(xiàn)

[1]李莉.談校本課程開發(fā)過程中的教師專業(yè)發(fā)展[J].課程·教材·教法，2008（5）：89-91.

[2][7]常詠梅，張雅雅.基于STEM教育理念的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)證研究[J].電化教育研究，2018，39（10）：99-105.

[3]王淑芬.校本課程建設(shè)的困境和路徑[J].課程·教材·教法，2018，38（6）：105-110.

[4]孫莉，米帥帥.基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的STEM校本課程開發(fā)與教師專業(yè)發(fā)展[J].教育與裝備研究，2018，34（11）：14-17.

[5]中國(guó)教育科學(xué)研究院STEM教育研究中心.中國(guó)STEM教育白皮書[Z].北京：中國(guó)教育科學(xué)研究院，2017.

[6]陳曉慧，徐彬，張哲，等.STEM教育研究與實(shí)踐的理念與路徑——訪不列顛哥倫比亞大學(xué)科學(xué)教育專家Samson Nashon教授[J].中國(guó)電化教育，2019（4）：1-4，22.

[8]趙呈領(lǐng)，申靜潔，蔣志輝.一種整合創(chuàng)客和STEM的教學(xué)模型建構(gòu)研究[J].電化教育研究，2018，39（9）：81-87.

[9]趙呈領(lǐng)，趙文君，蔣志輝.面向STEM教育的5E探究式教學(xué)模式設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2018，28（3）：106-112.

[10]趙玉婷，王卓玉.初中《研究性學(xué)習(xí)》的課程設(shè)計(jì)與實(shí)施策略研究——基于STEM教育理念的思考[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)距離教育，2017（4）：38-43.

[11]謝麗，李春密.整合性STEM教育理念下的課程改革初探[J].課程·教材·教法，2017，37（6）：63-68，62.

[12]張屹，趙亞萍，何玲，等.基于STEM的跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究，2017（6）：75-84.

[13]秦瑾若，傅鋼善.STEM教育：基于真實(shí)問題情景的跨學(xué)科式教育[J].中國(guó)電化教育，2017（4）：67-74.

[14][17]應(yīng)向東.“科學(xué)探究”教學(xué)的哲學(xué)思考[J].課程·教材·教法，2006（5）：64-68.

[15]Capraro R M， Capraro M M， Morgan J R. STEM project-based learning：An integrated science，technology，engineering，and mathematics（STEM）approach[M].Springer Science & Business Media，2013.

[16][美]羅伯特·M·卡普拉羅，瑪麗·瑪格麗特·卡普拉羅，詹姆斯·R·摩根.基于項(xiàng)目的STEM學(xué)習(xí)：一種整合科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的數(shù)學(xué)方式[M].王雪華，屈梅，譯.上海：上?？萍冀逃霭嫔?，2016.

[18][美]道格·約翰遜.從課堂開始的創(chuàng)客教育：培養(yǎng)每一位學(xué)生的創(chuàng)造能力[M].彭相珍，譯.北京：中國(guó)青年出版社，2016.

[19]American Society for Engineering Education. Envisioning the Future of the Maker Movement：Summit Report[M].https：//www.asee.org/documents/papers-and-publications/papers/maker-summit-report.pdf.

（責(zé)任編輯? ?郭向和）