教學(xué)目標(biāo)導(dǎo)向的小學(xué)STEM校本課程研發(fā)與實(shí)施

張屹 高晗蕊 張巖 吳歡 莫尉 林利

關(guān)鍵詞：解釋結(jié)構(gòu)模型;目標(biāo)導(dǎo)向;STEM校本課程研發(fā);課程實(shí)施

一、問題提出

多年以來，美國為保持良好的國家競(jìng)爭(zhēng)力持續(xù)推動(dòng)STEM教育，對(duì)提升國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力，推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，提升國家競(jìng)爭(zhēng)力起了積極作用。我國2016—2017年間發(fā)布的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》《全日制義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》等文件中也都倡導(dǎo)信息技術(shù)與教育融合發(fā)展，跨學(xué)科教育、STEM教育等新型教育模式的持續(xù)性探索。目前我國基礎(chǔ)教育中借助特定的學(xué)科（如科學(xué)、數(shù)學(xué)等）開展STEM教育的熱潮持續(xù)不下，但純粹的STEM課程因?yàn)槿狈φn程標(biāo)準(zhǔn)、大綱及權(quán)威的教材等，教師在課程實(shí)施時(shí)對(duì)學(xué)科知識(shí)的有序整合和指向教學(xué)目標(biāo)的課程內(nèi)容主題安排等存在一定的問題。本研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于教學(xué)信息化環(huán)境下的教學(xué)理論與實(shí)踐研究，依托相關(guān)項(xiàng)目，本研究團(tuán)隊(duì)對(duì)接A小學(xué)一線教師，從事校本課程的設(shè)計(jì)、研發(fā)與實(shí)施等工作，從一線教師的角度去“理解事實(shí)”，關(guān)注一線教師在STEM校本課程教學(xué)中的盲點(diǎn)，輔助其突破瓶頸。在調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)，教師在實(shí)施STEM校本課程時(shí)存在不知如何開展，信心不足，對(duì)未知的課程安排充滿畏懼等問題。STEM校本課程知識(shí)范圍不確定，教學(xué)目標(biāo)層級(jí)不明確，無明確的課程期望與需求，將會(huì)導(dǎo)致課程偏重于“做”的技術(shù)教育，忽視科學(xué)態(tài)度與素養(yǎng)、知識(shí)與方法、科技實(shí)踐能力等方面的培養(yǎng)。因此，研究者采用解釋結(jié)構(gòu)模型分析法分析STEM課程教學(xué)目標(biāo)系統(tǒng)，可視化教學(xué)目標(biāo)結(jié)構(gòu)關(guān)系，基于教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行教學(xué)主題內(nèi)容、教學(xué)策略和教學(xué)評(píng)價(jià)的設(shè)計(jì)，研發(fā)以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向的STEM課程。

二、文獻(xiàn)綜述

（一）STEM校本課程研發(fā)

STEM校本課程的開展通常以國家和地方課程為指導(dǎo)，迎合社會(huì)創(chuàng)新需求，彰顯地域特色和學(xué)校特色，以工程設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)踐等為依托，以培養(yǎng)學(xué)習(xí)者正確的學(xué)習(xí)態(tài)度，促進(jìn)學(xué)習(xí)者的個(gè)性化學(xué)習(xí)為目的，具有課程開發(fā)過程相對(duì)簡(jiǎn)單、自下而上等特點(diǎn)。學(xué)校文化是校本課程開發(fā)的重要參考因素，良好的課程開發(fā)團(tuán)隊(duì)是課程研發(fā)順利進(jìn)行的保障[1]，學(xué)生的學(xué)習(xí)行為和認(rèn)知水平是校本課程研發(fā)的重要參考因素[2]。閆寒冰等人在其研究中也指出校本教材的編制要注意教學(xué)引入的設(shè)計(jì)要從專業(yè)知識(shí)和生活兩個(gè)維度出發(fā)，注重學(xué)習(xí)者原本的認(rèn)知水平等問題[3]?？茖W(xué)—工程整合通過由“做”或“用”向“思”的轉(zhuǎn)移，能夠高效地融合多學(xué)科知識(shí)與理念[4]。真實(shí)問題解決作為工程設(shè)計(jì)的核心與STEM教育所強(qiáng)調(diào)的真實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境幫助學(xué)習(xí)者獲得真實(shí)的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)存在相關(guān)性，工程設(shè)計(jì)活動(dòng)可以為學(xué)習(xí)者創(chuàng)造集成式的真實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境，為學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)提供空間，為學(xué)習(xí)者提供參與項(xiàng)目（問題）分析、整合和評(píng)估的機(jī)會(huì)[5]，促進(jìn)學(xué)習(xí)者進(jìn)行知識(shí)的跨學(xué)科遷移?；诠こ添?xiàng)目的學(xué)習(xí)能夠讓課堂學(xué)習(xí)圍繞學(xué)習(xí)者展開，由學(xué)習(xí)者的興趣、動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，使學(xué)習(xí)者沉浸于學(xué)習(xí)任務(wù)之中，在多次迭代設(shè)計(jì)和調(diào)試中完成學(xué)習(xí)[6]。STEM校本課程研發(fā)應(yīng)以科學(xué)課程為載體，設(shè)計(jì)整合多學(xué)科內(nèi)容的工程設(shè)計(jì)任務(wù)[7]，組建課程研發(fā)研究團(tuán)隊(duì)，幫助教師把握學(xué)科知識(shí)內(nèi)容安排的科學(xué)性和合理性，關(guān)注探究學(xué)習(xí)過程中知識(shí)內(nèi)容與工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的有機(jī)結(jié)合。

（二）教學(xué)目標(biāo)導(dǎo)向的STEM校本課程研發(fā)

教學(xué)目標(biāo)規(guī)定了教學(xué)主題、教學(xué)法、教學(xué)評(píng)測(cè)的范圍和取向[8]，教學(xué)目標(biāo)具有導(dǎo)教、導(dǎo)學(xué)和導(dǎo)評(píng)三個(gè)方面的作用[9]。武法提提出以目標(biāo)為導(dǎo)向進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計(jì)，能夠支持以學(xué)習(xí)者為中心的有效學(xué)習(xí)[10]。在課程開發(fā)與實(shí)施方面，王映學(xué)通過實(shí)證研究指出目標(biāo)導(dǎo)向教學(xué)可以促使教師教學(xué)觀念和教學(xué)行為發(fā)生變化，使教師在課堂中更準(zhǔn)確地把握教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)或選擇指向教學(xué)目標(biāo)的教學(xué)策略和評(píng)價(jià)，從而優(yōu)化教學(xué)效果[11]。教學(xué)目標(biāo)導(dǎo)向的課程開發(fā)要經(jīng)歷教學(xué)目標(biāo)制定與梳理、基于目標(biāo)的教學(xué)內(nèi)容安排、教學(xué)策略和評(píng)價(jià)的選擇等階段[12]，首要前提就是目標(biāo)的合理設(shè)計(jì)與排序。目前單學(xué)科知識(shí)體系十分成熟，且彼此之間存在明顯的隔離，因此，以跨學(xué)科為代表的STEM校本課程研發(fā)首先需要的就是采用更為客觀、科學(xué)的方法對(duì)課程中涉及的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行科學(xué)的排列組合[13]。

解釋結(jié)構(gòu)模型（ISM）分析法能夠從根本上理清基于工程任務(wù)的STEM課程中所牽扯的跨學(xué)科教學(xué)目標(biāo)以及教學(xué)目標(biāo)之間的先后關(guān)系，為科學(xué)有序的安排教學(xué)內(nèi)容、選擇教學(xué)策略和評(píng)價(jià)提供依據(jù)。華費(fèi)爾為解決復(fù)雜的系統(tǒng)問題開發(fā)了ISM分析法[14]，該方法能夠用于研究和分析相互依存的變量之間的復(fù)雜關(guān)系，以便將復(fù)雜的系統(tǒng)關(guān)系轉(zhuǎn)化為可視化的結(jié)構(gòu)模型[15]。ISM分析法被廣泛應(yīng)用于能源、建筑、知識(shí)管理以及教育等行業(yè)領(lǐng)域[16]，在教育領(lǐng)域主要被廣泛應(yīng)用于教學(xué)知識(shí)導(dǎo)航、教學(xué)目標(biāo)層級(jí)分析以及教材的開發(fā)等方面。Rahman等人采用ISM分析法構(gòu)建教材知識(shí)元素解釋結(jié)構(gòu)模型，為教科書內(nèi)容優(yōu)先級(jí)的制定提供指南[17]。吳鄭紅運(yùn)用ISM分析法對(duì)學(xué)習(xí)者原有認(rèn)知和教材概念知識(shí)目標(biāo)進(jìn)行分析，為學(xué)習(xí)者設(shè)計(jì)開發(fā)個(gè)性化知識(shí)導(dǎo)航[18]。佐藤隆博教授同樣證明了ISM適用于教材目標(biāo)分析[19]，傅德榮、劉清堂等人在其出版的學(xué)術(shù)專著中也對(duì)ISM分析法進(jìn)行了詳細(xì)的講解和說明，指出該方法能夠用于教材分析，能夠可視化內(nèi)容目標(biāo)的結(jié)構(gòu)和序列[20]。

（三）STEM課程對(duì)學(xué)習(xí)者能力的培養(yǎng)

STEM課程能夠跨越學(xué)科之間的界限，有效促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的發(fā)展、知識(shí)技能的習(xí)得、思維能力的提高。21世紀(jì)，人們?cè)诤醯牟恢皇悄銚碛卸嗌僦R(shí)，更在乎你能利用自己所知道的知識(shí)干什么，即學(xué)習(xí)者的知識(shí)遷移應(yīng)用能力。STEM課程強(qiáng)調(diào)圍繞真實(shí)問題開展教學(xué)，將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識(shí)采用一定的教學(xué)策略進(jìn)行有機(jī)整合[21]，具有促進(jìn)學(xué)科融合的可行性[22]。國外相關(guān)研究證明STEM教育能夠促進(jìn)學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中的良好表現(xiàn)[23][24]，能夠改善學(xué)習(xí)者對(duì)STEM領(lǐng)域的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)機(jī)[25][26]，并且能夠提高學(xué)習(xí)者在STEM領(lǐng)域的成就[27]。張屹等人通過實(shí)證研究證明了跨學(xué)科STEM教育對(duì)于學(xué)習(xí)者數(shù)學(xué)和科學(xué)兩門學(xué)科的學(xué)習(xí)意識(shí)提升具有顯著性效果[28]，對(duì)于學(xué)習(xí)者計(jì)算思維等高階思維能力的培養(yǎng)具有顯著效果[29]。袁磊在其研究中也指出STEAM教育理念與我國深化教育改革理念相契合，STEAM教育的出發(fā)點(diǎn)與我國核心素養(yǎng)教育的出發(fā)點(diǎn)相契合，均指向未來社會(huì)需要的人才的培養(yǎng)[30]。

基于此，本研究基于解釋結(jié)構(gòu)模型分析STEM課程教學(xué)目標(biāo)，科學(xué)直觀地分析STEM課程中教學(xué)目標(biāo)之間的層級(jí)關(guān)系，將零散的、跨學(xué)科的教學(xué)目標(biāo)通過可視化的模式表述出來形成教學(xué)目標(biāo)序列，基于教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行教學(xué)主題內(nèi)容設(shè)計(jì)與安排、教學(xué)策略和教學(xué)評(píng)價(jià)的設(shè)計(jì)或選擇，設(shè)計(jì)并實(shí)施教學(xué)目標(biāo)導(dǎo)向的STEM校本課程《小紅鷹氣象站的建設(shè)與運(yùn)用》，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)技能的獲取、STEM學(xué)習(xí)興趣的提高以及思維能力發(fā)展，為一線教師及相關(guān)研究者進(jìn)行小學(xué)STEM校本課程研發(fā)提供參考。

三、基于ISM的STEM校本課程教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)與分析

STEM校本課程《小紅鷹氣象站的建設(shè)與運(yùn)用》的研發(fā)和實(shí)施在武漢市A小學(xué)進(jìn)行，氣象站建設(shè)是“校園生態(tài)網(wǎng)”建設(shè)的重要部分，可以為“小紅鷹濕地”“生態(tài)種植”等項(xiàng)目提供溫度、土壤濕度、雨水等氣象數(shù)據(jù)，并為全校師生提供溫度、降雨、風(fēng)力風(fēng)向等信息。課程開發(fā)研討期間，恰逢武漢市區(qū)內(nèi)為準(zhǔn)備“軍運(yùn)會(huì)”而多處施工，給學(xué)生的學(xué)習(xí)和生活帶來了影響，因此，本次課程設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)校園氣象站氣象指標(biāo)測(cè)量的基礎(chǔ)上增加噪音、空氣質(zhì)量的檢測(cè)?；谝陨锨闆r，由高校研究團(tuán)隊(duì)、A小學(xué)科學(xué)和信息技術(shù)老師、教研員組成STEM校本課程研發(fā)小組，以校園建設(shè)和城市改造為課程研發(fā)背景，憑借“小紅鷹氣象站建設(shè)”工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，以四年級(jí)下冊(cè)科學(xué)課第一單元“天氣”為基礎(chǔ)，結(jié)合圖形化編程、數(shù)學(xué)、手工與技術(shù)等相關(guān)知識(shí)概念與技能，進(jìn)行《小紅鷹氣象站的建設(shè)與運(yùn)用》STEM校本課程研發(fā)。

運(yùn)用ISM分析法對(duì)STEM校本課程教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的結(jié)構(gòu)化和序列化，可視化STEM校本課程教學(xué)目標(biāo)之間的關(guān)系結(jié)構(gòu)。首先，研究者負(fù)責(zé)介紹結(jié)構(gòu)模型的方法、編寫分析代碼以及聯(lián)合三方成員進(jìn)行教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)和教學(xué)目標(biāo)鄰接矩陣的建立。第二，運(yùn)用MATLAB對(duì)教學(xué)目標(biāo)鄰接矩陣進(jìn)行分析生成教學(xué)目標(biāo)可達(dá)矩陣，建立初步的教學(xué)目標(biāo)層級(jí)圖。最后，課程研發(fā)小組成員進(jìn)行深度研討，構(gòu)建STEM校本課程《小紅鷹氣象站的建設(shè)與運(yùn)用》教學(xué)目標(biāo)解釋結(jié)構(gòu)模型，具體過程如圖1所示。

（一）設(shè)計(jì)STEM校本課程教學(xué)目標(biāo)

《小學(xué)科學(xué)課標(biāo)準(zhǔn)》倡導(dǎo)學(xué)習(xí)者通過動(dòng)手實(shí)踐綜合運(yùn)用多學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)、技能和思維方法，參與科學(xué)探究過程，建構(gòu)更加完備的知識(shí)與技能體系，為學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的良好發(fā)展提供沃土?！痘A(chǔ)教育信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2012版）》倡導(dǎo)基礎(chǔ)教育中學(xué)習(xí)者能夠觀察、認(rèn)識(shí)和了解基本技能，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)際生活中運(yùn)用技術(shù)[31]。因此，STEM校本課程研發(fā)小組依據(jù)課標(biāo)要求以及對(duì)學(xué)習(xí)者認(rèn)知情況的分析，結(jié)合校本課程特點(diǎn)，采用改進(jìn)的名義小組技術(shù)（Nominal Group Technique，簡(jiǎn)稱NGT）[32]進(jìn)行項(xiàng)目知識(shí)元素的抽取并構(gòu)建教學(xué)目標(biāo)。其中，科學(xué)（S）——用科學(xué)知識(shí)理解自然界并參與影響自然界的過程，所包含的基本知識(shí)有：氣象站指標(biāo)、氣象站作用，氣象站建立的影響因素等;技術(shù)（T）——使用、管理、理解和評(píng)價(jià)技術(shù)的能力，所包含的基本知識(shí)有：傳感器的識(shí)別，傳感器的程序編寫等;工程（E）——對(duì)技術(shù)工程的設(shè)計(jì)與開發(fā)過程的理解，所包含的基本知識(shí)有：氣象站的防護(hù)與建立;數(shù)學(xué)（M）——學(xué)生表達(dá)、理解和解決多情境下的數(shù)學(xué)問題的能力，所包含的基本知識(shí)概念有：數(shù)據(jù)的測(cè)量、計(jì)算與表達(dá)，最終本次課程共設(shè)計(jì)了34個(gè)教學(xué)目標(biāo)，具體情況表1所示。

（二）建立STEM校本課程教學(xué)目標(biāo)鄰接矩陣

采用群體決策方法，基于布魯姆教學(xué)目標(biāo)分類模型中對(duì)認(rèn)知領(lǐng)域從低階到高階的劃分[33]，教學(xué)目標(biāo)從最簡(jiǎn)單到最復(fù)雜的劃分以及教師的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)對(duì)STEM校本課程教學(xué)目標(biāo)之間的直接關(guān)系進(jìn)行安排。在此過程中使用頭腦風(fēng)暴法、名字小組法等群體決策技術(shù)進(jìn)行教學(xué)目標(biāo)之間連接關(guān)系的確定[34]。筆者根據(jù)教學(xué)目標(biāo)之間的直接關(guān)系建立教學(xué)目標(biāo)關(guān)系鄰接矩陣A，在教學(xué)目標(biāo)關(guān)系鄰接矩陣中若Ai（行）是Aj（列）的先前教學(xué)目標(biāo)，則Aij 填1;Ai（行）不是Aj（列）的先前教學(xué)目標(biāo)，則Aij 填0。

（三）建構(gòu)STEM校本課程教學(xué)目標(biāo)關(guān)系圖

采用MATLAB軟件對(duì)STEM校本課程教學(xué)目標(biāo)鄰接矩陣進(jìn)行分析，構(gòu)建STEM校本課程教學(xué)目標(biāo)層級(jí)有向圖。對(duì)基于教學(xué)目標(biāo)間鄰接矩陣運(yùn)用布爾矩陣的運(yùn)算性質(zhì)，即：令A(yù)1=（A+I），An=（A+I）n，其中I為單位矩陣;當(dāng)（A+I）n-1≠（A+I）n=（A+I）n+1=M時(shí)，可得可達(dá)矩陣M?；诳蛇_(dá)矩陣M求解教學(xué)目標(biāo)系統(tǒng)的層級(jí)結(jié)構(gòu)圖。首先定義兩個(gè)集合R（si）、A（si），其中R（si）表示從si出發(fā)可能達(dá)到的全部要素集合，稱為可達(dá)集合;A（si）表示所有能夠達(dá)到si的要素組合，稱為先行組合。滿足R（si）∩A（si）=R（si）的si集合中的要素是全部要素中的最高層級(jí)，依次將最高層級(jí)元素求出，即可得到教學(xué)目標(biāo)的不同層級(jí)。再根據(jù)要素層級(jí)和教學(xué)目標(biāo)直接關(guān)系矩陣所表示的直接關(guān)系，即可繪制教學(xué)目標(biāo)系統(tǒng)的層級(jí)有向圖，如圖2所示。

（四）建構(gòu)STEM校本課程教學(xué)目標(biāo)解釋結(jié)構(gòu)模型

采用小組研討決策的方法對(duì)教學(xué)目標(biāo)層級(jí)有向圖進(jìn)行分析討論，構(gòu)建STEM校本課程教學(xué)目標(biāo)解釋結(jié)構(gòu)模型，可視化教學(xué)目標(biāo)結(jié)構(gòu)。在建構(gòu)《小紅鷹氣象站的建設(shè)與運(yùn)用》課程教學(xué)目標(biāo)解釋結(jié)構(gòu)模型時(shí)，STEM校本課程研發(fā)組成員進(jìn)行深度研討，按照教學(xué)目標(biāo)層級(jí)有向圖從低到高排列進(jìn)行安排，并根據(jù)相關(guān)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，形成《小紅鷹氣象站的建設(shè)與運(yùn)用》課程教學(xué)目標(biāo)解釋結(jié)構(gòu)模型。其中，“顯示屏編程”雖然與其他編程項(xiàng)目本屬于同一層級(jí)，但是STEM校本課程研發(fā)組成員一致認(rèn)為放在所有傳感器編程實(shí)現(xiàn)之后會(huì)更好，可以將之前所學(xué)的氣象傳感器數(shù)據(jù)再次復(fù)習(xí)并顯示在顯示屏上，增強(qiáng)學(xué)習(xí)活動(dòng)的實(shí)用性，增強(qiáng)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的有用性感知。運(yùn)用解釋結(jié)構(gòu)模型分析法可視化STEM校本課程《小紅鷹氣象站的建設(shè)與運(yùn)用》教學(xué)目標(biāo)層級(jí)，從上至下教學(xué)目標(biāo)等級(jí)不斷下降，每層學(xué)習(xí)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)均需要在下層目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。在此基礎(chǔ)上，將課程教學(xué)目標(biāo)按照不同的目標(biāo)等級(jí)分派到不同的教學(xué)主題中去，按照一定的順序完成教學(xué)主題，增強(qiáng)教學(xué)安排的合理性和科學(xué)性。

四、教學(xué)目標(biāo)導(dǎo)向的STEM校本課程教學(xué)主題、教學(xué)策略和教學(xué)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

教學(xué)目標(biāo)的引導(dǎo)功能，為課堂教學(xué)提供了方向和活動(dòng)范圍，有了教學(xué)目標(biāo)，教師的教學(xué)才能夠有據(jù)可循，理解教學(xué)目標(biāo)是課堂教學(xué)的基本起點(diǎn)。教學(xué)策略則是以教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容為指導(dǎo)，以促進(jìn)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)為目標(biāo)，在教學(xué)過程中采用的一系列教學(xué)方法或手段[35]?；诮虒W(xué)目標(biāo)，《小紅鷹氣象站的建設(shè)與運(yùn)用》課程主題內(nèi)容的設(shè)計(jì)、教學(xué)策略及教學(xué)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)如下。

（一）課程主題內(nèi)容設(shè)計(jì)

教學(xué)目標(biāo)導(dǎo)向的教學(xué)主題內(nèi)容設(shè)計(jì)使學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)沿著合適的方向前進(jìn)。基于教學(xué)目標(biāo)可以對(duì)學(xué)習(xí)者可能進(jìn)行的活動(dòng)、可能取得的效果、可能面臨的問題和困難加以預(yù)測(cè)、估計(jì)，并切實(shí)做好各種準(zhǔn)備，以便及時(shí)的指導(dǎo)反饋，及時(shí)糾正可能出現(xiàn)的學(xué)習(xí)偏離情況[36]。本研究遵循《小紅鷹氣象站的建設(shè)與運(yùn)用》教學(xué)目標(biāo)解釋結(jié)構(gòu)模型中教學(xué)目標(biāo)層級(jí)安排，綜合考慮現(xiàn)有的教學(xué)條件及相關(guān)因素，以促進(jìn)學(xué)習(xí)者多學(xué)科知識(shí)的習(xí)得和遷移以及高階能力的發(fā)展為目標(biāo)，運(yùn)用類似魚骨圖（Fishbone Diagram）的群體決策法進(jìn)行《小紅鷹氣象站的建設(shè)與運(yùn)用》課程主題內(nèi)容結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)。

首先確定總目標(biāo)“小紅鷹氣象站的建設(shè)與運(yùn)用”作為“魚頭”，教研員、信息技術(shù)老師、科學(xué)老師及研究員圍繞這一總目標(biāo)進(jìn)行群體決策與分析，將“小紅鷹氣象站選址”“小紅鷹氣象站內(nèi)部設(shè)計(jì)與調(diào)試”“小紅鷹氣象站外觀設(shè)計(jì)與建設(shè)”以及“小紅鷹氣象站運(yùn)用”四個(gè)挑戰(zhàn)設(shè)定為“大骨”。依據(jù)“小紅鷹氣象站的建設(shè)與運(yùn)用”教學(xué)目標(biāo)解釋結(jié)構(gòu)模型所得出的教學(xué)目標(biāo)層級(jí)確定多個(gè)主題課程作為“中骨”，每個(gè)主題課程包含1到4個(gè)教學(xué)目標(biāo)作為“小骨”。“小紅鷹氣象站選址”包括主題課程一“初識(shí)氣象站”主題課程二“校園氣象站初步選址”和主題課程十“田野調(diào)查 確定選址”;“小紅鷹氣象站內(nèi)部設(shè)計(jì)與調(diào)試”包括主題課程三至九，如：“初識(shí)傳感器”“溫濕度測(cè)量?jī)x”“產(chǎn)品調(diào)試”等;“小紅鷹氣象站外觀設(shè)計(jì)與建設(shè)”包括主題課程十一“氣象站形象設(shè)計(jì)師”和主題課程十二“氣象站開工儀式”;“小紅鷹氣象站運(yùn)用”包括主題課程十三至十五，分別為“數(shù)據(jù)采集與分析”“數(shù)據(jù)繪圖”和“氣象播報(bào)”。“小紅鷹氣象站選址”和“小紅鷹氣象站外觀設(shè)計(jì)”兩部分的主題課程安排存在交叉現(xiàn)象，目的是在學(xué)習(xí)開始前為學(xué)習(xí)者提供一個(gè)真實(shí)的工程情景，并在學(xué)習(xí)過程中不斷地接觸真實(shí)情景，從真實(shí)情景中得到反饋，完善和修改設(shè)計(jì)。

（二）教學(xué)策略與教學(xué)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

教學(xué)目標(biāo)是教學(xué)評(píng)價(jià)、教學(xué)法、技術(shù)手段選擇的前提，教學(xué)評(píng)價(jià)、教學(xué)法、教學(xué)技術(shù)是信息化教學(xué)環(huán)境下不可缺少的三要素。技術(shù)支撐教學(xué)評(píng)價(jià)與教學(xué)策略的設(shè)計(jì)與實(shí)施，教學(xué)策略和教學(xué)評(píng)價(jià)的選擇，則需要在綜合分析教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)主題內(nèi)容等情況的基礎(chǔ)之上進(jìn)行，以促進(jìn)學(xué)生有效學(xué)習(xí)的發(fā)生[37]。本研究基于“小紅鷹氣象站的建設(shè)與運(yùn)用”教學(xué)目標(biāo)解釋結(jié)構(gòu)模型和APT（Assessment、Pedagogy、Technology，簡(jiǎn)稱APT）教學(xué)理論，確定《小紅鷹氣象站的建設(shè)與運(yùn)用》課程教學(xué)策略、教學(xué)評(píng)價(jià)和教學(xué)技術(shù)，如圖3所示。

教學(xué)法本身無好壞之分，關(guān)鍵在于針對(duì)合適的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容選用合適的教學(xué)法，如圖3所示，依據(jù)教學(xué)目標(biāo)，《小紅鷹氣象站的建設(shè)與運(yùn)用》課程中基于設(shè)計(jì)的教學(xué)法始終貫穿整個(gè)教學(xué)過程，除此之外，針對(duì)不同教學(xué)主題，適當(dāng)引入基于問題、田野學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)等教學(xué)法，促進(jìn)學(xué)習(xí)者在各個(gè)階段的學(xué)習(xí);依據(jù)教學(xué)目標(biāo)類型，選用任務(wù)單、課堂交互、量表、隨堂測(cè)試等形式進(jìn)行教學(xué)評(píng)價(jià)，其中，任務(wù)單支持和評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程，課堂觀察、師生交互、隨機(jī)訪談等關(guān)注學(xué)生的知識(shí)、實(shí)踐能力，量表等測(cè)量學(xué)生的思維發(fā)展;技術(shù)在整個(gè)過程中不僅作為一種學(xué)習(xí)內(nèi)容同時(shí)也支持教學(xué)法、教學(xué)評(píng)價(jià)的完成，支持教師的教學(xué)及學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程。

五、課程實(shí)施與實(shí)施效果分析

參與本次課程的教學(xué)對(duì)象為武漢市某小學(xué)報(bào)名《小紅鷹氣象站的建設(shè)與運(yùn)用》社團(tuán)課程的學(xué)生，男生數(shù)量占據(jù)優(yōu)勢(shì)，11人，女生數(shù)量略少，7人，分為5個(gè)組，每個(gè)組3—4人，男女生都有。依據(jù)上述主題內(nèi)容設(shè)計(jì)，結(jié)合學(xué)校社團(tuán)課時(shí)安排，2018—2019學(xué)年下半學(xué)年實(shí)施《小紅鷹氣象站的建設(shè)與運(yùn)用》課程，周一下午最后兩節(jié)上課，課程進(jìn)行16周，共32個(gè)課時(shí)，課程實(shí)施過程及實(shí)施效果如下。

（一）課程實(shí)施

本研究選取兩個(gè)節(jié)點(diǎn)講述，（1）第一個(gè)主題課程“初識(shí)氣象站”，從學(xué)校需求出發(fā)，了解和學(xué)習(xí)常見氣象站的功能及樣式，從功能角度設(shè)計(jì)校園氣象站，將身邊的實(shí)際需求與學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行有效的關(guān)聯(lián);（2）第十三個(gè)主題課程“小紅鷹氣象站開工儀式”，安排在小組設(shè)計(jì)的“迷你氣象站”完成測(cè)試與調(diào)試后，由相關(guān)公司參考學(xué)生的設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)際工程的實(shí)施建設(shè)。在本節(jié)課程中學(xué)習(xí)者參與開工儀式，綜合考慮分析校園氣象站建設(shè)所需的環(huán)境和防護(hù)，通過田野學(xué)習(xí)增強(qiáng)學(xué)習(xí)者對(duì)知識(shí)的理解與遷移運(yùn)用。讓學(xué)習(xí)者感受由抽象到產(chǎn)品，自己的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為實(shí)物產(chǎn)品的過程，感受自己為建設(shè)學(xué)校所作的貢獻(xiàn)，使學(xué)習(xí)者的知識(shí)學(xué)習(xí)與社會(huì)的實(shí)際需求相連接。

（二）學(xué)生知識(shí)技能及思維發(fā)展情況分析

本研究從學(xué)習(xí)者的知識(shí)技能發(fā)展和思維發(fā)展兩個(gè)維度來評(píng)價(jià)課程效果，其中學(xué)習(xí)者的知識(shí)技能發(fā)展通過課堂觀察與任務(wù)單兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià);學(xué)生思維發(fā)展情況采用《小學(xué)生計(jì)算思維與STEM職業(yè)興趣量表》（以下簡(jiǎn)稱《量表》）對(duì)學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維和STEM職業(yè)興趣進(jìn)行測(cè)評(píng)?！读勘怼酚?jì)算思維部分改編自?zgen Korkmaz[38]等人2017年發(fā)表在Computers &Education上的《計(jì)算思維量表》，保留了創(chuàng)造力、邏輯思維、批判思維、問題解決和合作能力五個(gè)二級(jí)維度;STEM職業(yè)興趣部分改編自2016年Karen Peterman[39]公開發(fā)表的《STEM職業(yè)抱負(fù)量表》?！读勘怼饭舶?7道題，采用5級(jí)評(píng)分，學(xué)期開始前進(jìn)行了大面積施測(cè)，Cronbachs Alpha為0.986，表明《量表》信度較高。本課程作為興趣類社團(tuán)課程，由于社團(tuán)課具不具備絕對(duì)的強(qiáng)制性，所以回收的數(shù)據(jù)中可實(shí)現(xiàn)前后配對(duì)的有效數(shù)據(jù)為11份。

1.學(xué)習(xí)者掌握了科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程技術(shù)等方面的知識(shí)技能

從課堂觀察、學(xué)習(xí)任務(wù)單及學(xué)生作品來看學(xué)習(xí)者知識(shí)技能習(xí)得情況尚可。從課堂觀察情況來看，小組合作過程中相比總結(jié)匯報(bào)類任務(wù)學(xué)生更傾向選擇動(dòng)手類任務(wù)，在總結(jié)匯報(bào)階段能夠大致將本次活動(dòng)任務(wù)的知識(shí)總結(jié)到位。從小組學(xué)習(xí)任務(wù)單的完成情況來看，學(xué)習(xí)者經(jīng)歷氣象站的選址、內(nèi)部傳感器調(diào)試、外觀防護(hù)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)理解與運(yùn)用四個(gè)環(huán)節(jié)后，所有小組成員在任務(wù)單的輔助下均完成了知識(shí)技能的學(xué)習(xí)，大部分學(xué)生掌握了氣象站建設(shè)與使用相關(guān)知識(shí)、數(shù)學(xué)運(yùn)算與制表、工程設(shè)計(jì)等知識(shí)和技能。

2.學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維能力有一定程度的提升，但提升程度不顯著

經(jīng)過本學(xué)期的校本課程學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者計(jì)算思維能力各個(gè)維度上的均值得分均增加。如表2所示，學(xué)習(xí)者計(jì)算思維的各個(gè)方面的均值均有小量增加，其中創(chuàng)造力維度的均值增加較多，并且標(biāo)準(zhǔn)差均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。由于可配對(duì)人數(shù)較少，故采用兩配對(duì)樣本非參數(shù)檢驗(yàn)，結(jié)果顯示計(jì)算思維五個(gè)維度上的增量均不呈現(xiàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著性。此次由于社團(tuán)課程本身性質(zhì)，未能所有社團(tuán)成員參與前后測(cè)，部分較優(yōu)秀同學(xué)未能收錄數(shù)據(jù)，在此后的研究中將通過增加實(shí)驗(yàn)對(duì)象來進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)的完整性和代表性。

3.課程前后學(xué)習(xí)者STEM職業(yè)興趣沒有顯著性差異

經(jīng)過本學(xué)期的校本課程學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者的STEM職業(yè)興趣，即未來從事STEM相關(guān)職業(yè)的興趣期望均值未發(fā)生明顯變化，兩配對(duì)樣本非參數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果不呈現(xiàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著性，如表3所示。學(xué)習(xí)者職業(yè)興趣未顯著性增加的原因可能是學(xué)習(xí)者年齡較小，還未能體會(huì)到職業(yè)興趣的內(nèi)在含義，偏向態(tài)度方面的測(cè)量將會(huì)更好。除此之外，從課堂觀察來看，可能是由于小組成員分工不合理，導(dǎo)致部分組員未能參與工程動(dòng)手類活動(dòng)，而是在做設(shè)計(jì)、美化類活動(dòng)，從而導(dǎo)致對(duì)工程實(shí)踐類工作感知度較低，此處是我們?cè)谝院蟮恼n程修改中需要考慮的問題之一。

六、總結(jié)與反思

運(yùn)用解釋結(jié)構(gòu)模型可視化STEM校本課程中教學(xué)目標(biāo)之間的層級(jí)關(guān)系，為基于教學(xué)目標(biāo)的課程設(shè)計(jì)與實(shí)施提供依據(jù)。STEM教育理念如何落實(shí)是基礎(chǔ)教育中一線教師及相關(guān)研究者重點(diǎn)關(guān)注的問題，本研究從一線教師的教學(xué)需求出發(fā)，運(yùn)用解釋結(jié)構(gòu)模型分析基于工程設(shè)計(jì)的STEM校本課程教學(xué)目標(biāo)系統(tǒng)，將零散的、跨學(xué)科教學(xué)目標(biāo)之間的關(guān)系可視化的表達(dá)，構(gòu)建基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科STEM課程教學(xué)目標(biāo)解釋結(jié)構(gòu)模型，基于目標(biāo)進(jìn)行教學(xué)主題內(nèi)容的設(shè)計(jì)以及課程的實(shí)施和評(píng)價(jià)。參與本次課程活動(dòng)序列設(shè)計(jì)的兩位科學(xué)老師和信息技術(shù)老師表示，在教學(xué)目標(biāo)提取階段存在一定的難度，但是通過此過程教師對(duì)于STEM校本課程整體教學(xué)目標(biāo)系統(tǒng)了熟于心，增加了課程知識(shí)內(nèi)容安排的科學(xué)性和合理性。并且，通過本次課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生的知識(shí)技能和思維能力得到了發(fā)展。但是本課程仍然有需要進(jìn)一步完善的地方，在進(jìn)一步的研究中將重點(diǎn)關(guān)注以下問題：

（一）完善和發(fā)展校本課程

《小紅鷹氣象站的建設(shè)與運(yùn)用》校本課程以其情境性、實(shí)用性等特點(diǎn)吸引著同學(xué)們的積極參與，并引起除信息技術(shù)、科學(xué)老師以外的更多學(xué)科老師的興趣，如：數(shù)學(xué)老師、語文老師、美術(shù)老師等，因此，本課程將進(jìn)一步在全年級(jí)范圍內(nèi)進(jìn)行教學(xué)實(shí)施，將組建人數(shù)更多、學(xué)科更豐富的課程研發(fā)小組，綜合考慮整個(gè)年級(jí)學(xué)生的情況和本輪課程實(shí)施的結(jié)果對(duì)課程內(nèi)容、學(xué)科整合形式等進(jìn)行進(jìn)一步的完善。

（二）探究課程對(duì)學(xué)生STEM學(xué)習(xí)態(tài)度及成績(jī)的影響

在本次教學(xué)實(shí)踐中，從課堂表現(xiàn)及任務(wù)單情況來看，學(xué)習(xí)者在知識(shí)技能和思維能力方面均有增加，學(xué)習(xí)者確實(shí)掌握了相應(yīng)的知識(shí)技能，但由于研究對(duì)象數(shù)量問題，思維發(fā)展變化從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度來看并不呈現(xiàn)顯著性，期望通過進(jìn)一步的實(shí)證研究證明教學(xué)實(shí)踐效果。因此下一輪課程實(shí)施將集合全年級(jí)力量，綜合協(xié)調(diào)多學(xué)科課程安排，探究深度融合的《小紅鷹氣象站的建設(shè)與運(yùn)用》STEM校本課程是否對(duì)學(xué)生STEM學(xué)習(xí)態(tài)度有顯著性影響;是否對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)有顯著性影響，對(duì)水平較差和水平較好的班級(jí)影響情況是否一致。