基于大概念的STEM教學(xué)設(shè)計模型研究

董黎明 陳蕊 曹炯炯 白凌燕 王星華

摘 要：由于大概念與STEM教育都具有“跨學(xué)科整合、知識的綜合性”等特征，隨著近年來STEM教育在我國的不斷深入發(fā)展，越來越多的教育研究與實踐者開始聚焦從大概念的角度探究STEM教育。文章在對大概念與STEM教育關(guān)系進(jìn)行剖析的基礎(chǔ)上，從以學(xué)為主的教學(xué)設(shè)計角度，構(gòu)建由概念確定、主題或項目分析、情境與資源設(shè)計、活動設(shè)計、效果評價設(shè)計和分享設(shè)計六階段組成的基于大概念的STEM教學(xué)設(shè)計模型，以期為相關(guān)研究與實踐者提供參考。

關(guān)鍵詞：教學(xué)設(shè)計模型;STEM教育;大概念;微課程

中圖分類號：G421? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2021）06-0032-04

一、引言

對于大概念的內(nèi)涵，學(xué)者們基于不同角度提出了不同的觀點(diǎn)。美國學(xué)者克拉克（E· Clark）從概念間關(guān)系出發(fā)提出大概念是聯(lián)結(jié)各種小概念的“概念”，是歸檔無限數(shù)量信息的框架或結(jié)構(gòu)。[1]英國學(xué)者溫尼（W·Harlen）從大概念解釋范圍的角度出發(fā)，提出大概念是解釋和預(yù)測較大范圍自然界現(xiàn)象的基本概念。[2]我國學(xué)者趙康從認(rèn)識論與方法論角度提出大概念是指普適性極強(qiáng)、雖一二字詞卻蘊(yùn)含深刻思想，能發(fā)揮革新理論、活躍學(xué)術(shù)、推動理論變革與進(jìn)步等重要作用的概念，如“范式”“主義”等。[3]雖然學(xué)者們對大概念的內(nèi)涵尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識，但核心內(nèi)容還是很明確的，即大概念對自然界現(xiàn)象具有廣泛的解釋能力，具有強(qiáng)大的綜合性，能夠?qū)ο嚓P(guān)現(xiàn)象及關(guān)系進(jìn)行概括和整合。

綜上所述，我們把大概念界定為能夠廣泛解釋自然界現(xiàn)象及關(guān)系的綜合性概念。對于STEM教育，學(xué)者們一般認(rèn)為是系統(tǒng)整合科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）等21世紀(jì)人才所需要的學(xué)科核心素養(yǎng)與能力的教育。[4]STEM教育源于綜合課程理念，強(qiáng)調(diào)各學(xué)科知識通過整合形成的多元交叉學(xué)科知識，并基于多元交叉學(xué)科知識，通過全科思維方式解決真實問題。大概念與STEM教育在內(nèi)涵上都具有“跨學(xué)科整合、知識的綜合性”等特征，隨著近年來STEM教育在我國基礎(chǔ)教育中的不斷深入發(fā)展，如何把大概念與STEM教育相結(jié)合，促進(jìn)STEM教育科學(xué)發(fā)展，特別是如何基于大概念進(jìn)行STEM教學(xué)設(shè)計成為越來越多教育實踐者關(guān)注的焦點(diǎn)。本研究通過對大概念與STEM關(guān)系進(jìn)行分析，在對已有大概念在STEM教育中教學(xué)設(shè)計模型分析的基礎(chǔ)上，基于以學(xué)為主的教學(xué)設(shè)計模型理論，提出基于大概念的STEM教學(xué)設(shè)計模型，并通過實例對模型的應(yīng)用原則進(jìn)行論述。

二、大概念與STEM的關(guān)系

1.大概念是實現(xiàn)STEM教育的核心目標(biāo)

綜合發(fā)展學(xué)生科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)各個領(lǐng)域的核心素養(yǎng)（即STEM素養(yǎng)）是STEM教育的核心目標(biāo)。[5]各個學(xué)科都包含多個維度的核心素養(yǎng)，如在《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》中就明確提出了數(shù)學(xué)學(xué)科的10個核心素養(yǎng)，即運(yùn)算能力、推理能力、模型思想、幾何直觀、數(shù)據(jù)分析觀念、符號意識、空間觀念、數(shù)感、應(yīng)用意識和創(chuàng)新意識，[6]這10個核心素養(yǎng)中，幾何直觀、符號意識、數(shù)感等均具有大概念的內(nèi)涵，具有廣泛解釋性和強(qiáng)綜合性，可代表數(shù)學(xué)學(xué)科領(lǐng)域中的大概念，STEM教育的其他學(xué)科中也具有這一特點(diǎn)。因此，STEM教育的部分核心目標(biāo)本質(zhì)上就是大概念。

2.大概念的思維方式是實施STEM教育的必然要求

STEM教育強(qiáng)調(diào)以真實問題或主題為驅(qū)動，利用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等多學(xué)科相互關(guān)聯(lián)的跨學(xué)科概念知識解決問題，實現(xiàn)從跨學(xué)科知識綜合應(yīng)用的角度提高學(xué)生解決問題、探究和創(chuàng)造的能力。[7]學(xué)生利用技術(shù)與工程的方式解決問題必須要結(jié)合科學(xué)與數(shù)學(xué)的原理，通過綜合運(yùn)用各學(xué)科中的概念知識，即利用大概念的思維方式來解決問題，實現(xiàn)把各學(xué)科知識遷移到項目或問題情境中，完成對問題的解決。因此大概念的思維方式是實施STEM教育的必然要求。

3.大概念是提升STEM教育中學(xué)生思維能力的核心方法

大概念的思維方式具有抽象性、解釋性和綜合性基本特征，學(xué)生通過大概念的思維方式形成更具高階層次的概念結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)，在這個過程中，由于不同學(xué)生的理解具有差異性，新奇想法得以碰撞，從而產(chǎn)生基于STEM學(xué)科知識的新構(gòu)思，最終促進(jìn)學(xué)生綜合思維能力的發(fā)展。STEM教學(xué)不是空中樓閣， 其實現(xiàn)的路徑就是基于綜合思維能力“學(xué)會解決真實問題”[8]，即利用大概念的思維方法來綜合解決真實問題。

4.STEM教育是形成大概念的重要途徑

STEM教育最重要的性質(zhì)就是跨學(xué)科整合性。首先，STEM教育具有分科整合性，它代表著科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門獨(dú)立的學(xué)科領(lǐng)域的有效整合，四門學(xué)科領(lǐng)域的核心概念與知識是STEM教育的基礎(chǔ)，對這些學(xué)科核心概念進(jìn)行整合，是形成大概念的重要途徑。其次，STEM素養(yǎng)是當(dāng)前各國教育界關(guān)注的焦點(diǎn)，是人才發(fā)展的核心。STEM素養(yǎng)的核心也是跨學(xué)科知識整合，即通過發(fā)展STEM素養(yǎng)的過程形成大概念。

三、大概念在STEM中的教學(xué)設(shè)計模型構(gòu)建

1.模型構(gòu)建理論基礎(chǔ)

模型是再現(xiàn)現(xiàn)實的一種理論性的簡約形式，教學(xué)設(shè)計模型是在教學(xué)設(shè)計的實踐當(dāng)中逐漸形成的、運(yùn)用系統(tǒng)方法進(jìn)行教學(xué)設(shè)計的理論簡約形式。從理論基礎(chǔ)和實施方法上分析，教學(xué)設(shè)計模型包括以教為主的教學(xué)設(shè)計模型、以學(xué)為主的教學(xué)設(shè)計模型和“教師主導(dǎo)和學(xué)生主體”的教學(xué)設(shè)計模型三類。以學(xué)為主的教學(xué)設(shè)計模型基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，強(qiáng)調(diào)學(xué)生為中心、情境和協(xié)作學(xué)習(xí)對于意義建構(gòu)的關(guān)鍵作用、學(xué)習(xí)環(huán)境和學(xué)習(xí)資源對“學(xué)”的有效支持等原則。本研究基于大概念的STEM教學(xué)設(shè)計強(qiáng)調(diào)學(xué)生問題驅(qū)動、有效情境支持、協(xié)作、分享等理念。兩者存在高度的一致性，所以本研究基于以學(xué)為主的教學(xué)設(shè)計模型，結(jié)合大概念與STEM教育的特點(diǎn)，構(gòu)建基于大概念的STEM教學(xué)設(shè)計模型。以學(xué)為主的教學(xué)設(shè)計模型的設(shè)計路徑包括教學(xué)目標(biāo)分析、情境創(chuàng)設(shè)、信息資源設(shè)計與提供、自主學(xué)習(xí)策略設(shè)計、協(xié)作學(xué)習(xí)策略設(shè)計、學(xué)習(xí)效果評價設(shè)計和強(qiáng)化練習(xí)設(shè)計七個環(huán)節(jié)（見圖1）。[9]

2.模型構(gòu)建過程

基于圖1的七個環(huán)節(jié)，依據(jù)大概念在STEM中的教學(xué)設(shè)計模型理論探究結(jié)論，本文構(gòu)建了基于大概念的STEM教學(xué)設(shè)計模型（見圖2）。

（1）概念確定階段

概念確定階段是為了讓學(xué)生在項目體驗中通過確定大概念、STEM教育學(xué)科關(guān)鍵概念及關(guān)系的確定，構(gòu)建概念相關(guān)的學(xué)科知識體系、學(xué)科知識間的結(jié)構(gòu)和關(guān)系，為主題或項目分析奠定基礎(chǔ)。①確定大概念。通過對課程標(biāo)準(zhǔn)的分析，結(jié)合STEM教育知識綜合性的特點(diǎn)，確定大概念。②確定學(xué)科關(guān)鍵概念?；诖蟾拍睿瑥腟TEM四類學(xué)科中確定相關(guān)的學(xué)科概念。③概念間關(guān)系分析。分析大概念與關(guān)鍵概念、學(xué)科關(guān)鍵概念之間的關(guān)系。④概念分析表填寫是對上述三方面項目以表格的方式進(jìn)行具體的描述。

（2）主題或項目分析階段

本階段包括主題或項目的確定、目標(biāo)分析、內(nèi)容選擇、參與對象分析等方面。①設(shè)定主題或項目?；诖蟾拍?、學(xué)科概念、概念間關(guān)系分析結(jié)果，以主題、項目或案例等形式設(shè)計STEM學(xué)習(xí)任務(wù)，本環(huán)節(jié)是STEM教學(xué)設(shè)計的核心，強(qiáng)調(diào)綜合性和情境性。②目標(biāo)分析。在STEM教育項目目標(biāo)設(shè)定中，圍繞著學(xué)生STEM素養(yǎng)發(fā)展為核心，在主題或項目分析時以具體目標(biāo)為載體，實現(xiàn)核心目標(biāo)的具體化?；诳茖W(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四個學(xué)科，從知識、技能、情感三個維度對項目或主題任務(wù)進(jìn)行分析，并圍繞著STEM素養(yǎng)發(fā)展為核心整合各個維度的目標(biāo)。③內(nèi)容分析。圍繞著活動的目標(biāo)從四門學(xué)科中選擇活動內(nèi)容、確定內(nèi)容間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。④對象分析。從需求和動機(jī)兩個維度分析參與主題或項目的對象。⑤主題或項目分析表填寫。把上述分析結(jié)果以表格進(jìn)行具體描述。

（3）資源與情境設(shè)計階段

資源與情境設(shè)計階段包括以下七個方面：①活動情境設(shè)計。對于學(xué)習(xí)者STEM素養(yǎng)的培養(yǎng)，活動情境或者環(huán)境具有關(guān)鍵的作用。基于上一階段內(nèi)容分析的結(jié)果，創(chuàng)建學(xué)習(xí)者有身臨其境感覺的項目或主題真實的情境或虛擬項目情境。②微課程設(shè)計。學(xué)習(xí)者在一定的基礎(chǔ)知識之上形成STEM素養(yǎng)。由于微課程具有的目標(biāo)針對性、內(nèi)容精簡性，可有效地適應(yīng)當(dāng)前碎片化學(xué)習(xí)趨勢，在奠定STEM素養(yǎng)培養(yǎng)之前，學(xué)習(xí)者掌握必要的基礎(chǔ)知識具有關(guān)鍵的作用。因此在教學(xué)活動之前，以大概念或?qū)W科關(guān)鍵概念所涉及的文化知識和項目或主題完成需要的技能和方法為內(nèi)容進(jìn)行微課程的設(shè)計十分重要。③相關(guān)學(xué)習(xí)資源設(shè)計。以微課程內(nèi)容為核心，設(shè)計音頻、文本等其他形式的學(xué)材。④資源制作。設(shè)計微課程所需要的學(xué)習(xí)資源，并對相關(guān)資源進(jìn)行錄制、編輯和處理等。⑤資源組織與呈現(xiàn)設(shè)計。從資源呈現(xiàn)平臺選擇和資源呈現(xiàn)界面設(shè)計兩方面進(jìn)行有效的設(shè)計。⑥自主學(xué)習(xí)單制作。設(shè)計自主學(xué)習(xí)單來引導(dǎo)學(xué)習(xí)者活動前有效的自主學(xué)習(xí)。⑦資源與情境設(shè)計表填定。對于上述的設(shè)計結(jié)果用表格的形式予以體現(xiàn)。[10]

（4）活動設(shè)計階段

本階段主要包括四個階段：①活動策略設(shè)計。STEM教育強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者“做中學(xué)”和“創(chuàng)中學(xué)”，同時根據(jù)以學(xué)為主的教學(xué)設(shè)計模型自主學(xué)習(xí)策略和協(xié)作學(xué)習(xí)策略的特點(diǎn)，基于大概念的STEM教學(xué)在活動策略上一般會選擇拋錨式策略、支架式策略、隨機(jī)進(jìn)入式策略、示范模仿策略等。②教學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計。即設(shè)計教學(xué)過程的環(huán)節(jié)和其安排進(jìn)程。依據(jù)STEM教育強(qiáng)調(diào)“做中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”的特點(diǎn)，教學(xué)結(jié)構(gòu)一般按準(zhǔn)備、創(chuàng)意、創(chuàng)圖、創(chuàng)物和創(chuàng)享五個環(huán)節(jié)推進(jìn)。準(zhǔn)備階段在活動之前，通過項目或主題引導(dǎo)單自主學(xué)習(xí)，為項目或主題活動奠定所需要的知識和技能;創(chuàng)意階段即學(xué)生在活動情境中，基于STEM學(xué)科關(guān)鍵概念，在教師的引導(dǎo)下，產(chǎn)生完成項目或主題的構(gòu)思或想法;創(chuàng)圖階段即學(xué)生依據(jù)STEM學(xué)科知識和技能把構(gòu)思圖示化的過程;創(chuàng)物階段即學(xué)生主要依據(jù)工程和技術(shù)學(xué)科的知識技能把圖示化的構(gòu)思進(jìn)行物化，并利用科學(xué)與數(shù)學(xué)學(xué)科知識和技能對物化的構(gòu)思進(jìn)行驗證;創(chuàng)享階段即學(xué)生利用大概念的綜合解釋方法，基于STEM關(guān)鍵概念對項目或主題完成結(jié)果進(jìn)行反思、評價和分享，產(chǎn)生新的構(gòu)思和形成新的概念圖（即形成項目或主題的概念結(jié)構(gòu)）。③活動支持設(shè)計。設(shè)計學(xué)習(xí)者活動過程中需要的材料、工具交互方式等。④活動設(shè)計表填寫。把上述分析設(shè)計結(jié)果以表格的形式體現(xiàn)。

（5）學(xué)生評價設(shè)計

通過整合STEM各學(xué)科目標(biāo)，圍繞著具體活動目標(biāo)設(shè)計學(xué)生評價：①表現(xiàn)性評價設(shè)計。從活動參與度和活動中的態(tài)度兩方面對學(xué)生在活動過程中的具體表現(xiàn)進(jìn)行評價設(shè)計。②結(jié)果性評價設(shè)計。從知識技能、過程方法和情感態(tài)度價值觀三個維度對學(xué)習(xí)者活動結(jié)果的綜合水平和作品設(shè)計進(jìn)行評價設(shè)計。③評價呈現(xiàn)設(shè)計。把教師評價、學(xué)生互評、學(xué)生自評按一定的權(quán)重結(jié)合起來，對活動中學(xué)生評價的分?jǐn)?shù)、等級和評語三部分進(jìn)行設(shè)計。④評價設(shè)計表填寫。對上述設(shè)計結(jié)果用表格具體呈現(xiàn)。

（6）學(xué)生分享設(shè)計

有效的分享可以促進(jìn)學(xué)生對STEM學(xué)習(xí)成果進(jìn)行完善和反思，如何促進(jìn)學(xué)生在STEM教育中進(jìn)行有效的分享，需要前期科學(xué)精細(xì)的設(shè)計。本階段包括：①分享形式設(shè)計。在這一環(huán)節(jié)主要是對學(xué)生在完成項目或主題形成的成果，分享一些設(shè)計模板，如分享PPT模板、分享演講模板等。②分享途徑設(shè)計。這個環(huán)節(jié)主要根據(jù)項目或主題可能成果的特點(diǎn)，為學(xué)生設(shè)計分享的途徑，如設(shè)計小組內(nèi)、組間、班級間、學(xué)校間分享的途徑。③分享生成設(shè)計。STEM教育中學(xué)生分享的目的是為了通過有效的分享，驗證成果并產(chǎn)生新的問題或新構(gòu)思，促進(jìn)STEM素養(yǎng)發(fā)展。在分享的過程中，產(chǎn)生的新問題或新構(gòu)思即分享的主要生成，教師在分享生成設(shè)計環(huán)節(jié)中為學(xué)生提供相關(guān)資源，設(shè)計相關(guān)情境促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)中的生成。④分享設(shè)計表填寫。用表格的形式體現(xiàn)上述三方面設(shè)計的結(jié)果。

四、結(jié)束語

本文提出基于大概念的STEM教學(xué)設(shè)計模型，并將模型在教學(xué)實踐中的應(yīng)用原則進(jìn)行論述。教學(xué)設(shè)計模型的成熟過程是一個實踐修正的過程，本研究提出的基于大概念的STEM教學(xué)設(shè)計模型是基于現(xiàn)有本主題相關(guān)文獻(xiàn)研究與教學(xué)實踐總結(jié)的基礎(chǔ)上提出來的，在教學(xué)實踐過程中的具體應(yīng)用必然存在一些需要完善的地方，需要通過實踐數(shù)據(jù)對模型的可操作性進(jìn)行進(jìn)一步完善。另一方面，本研究提出的是一個基于大概念的STEM通用教學(xué)設(shè)計模型，由于STEM教育按活動場所、活動目標(biāo)和活動內(nèi)容等標(biāo)準(zhǔn)可以分為多種類型，如按活動場所標(biāo)準(zhǔn)可以把STEM教育分為“基于教室開展的STEM課程”“正式與非正式場館結(jié)合的學(xué)習(xí)活動”和“基于終身學(xué)習(xí)概念所設(shè)計的學(xué)習(xí)共同體STEM項目”三大類型。[11]最后，不同類型的STEM教育具體教學(xué)中存在著顯著的不同，模型如何體現(xiàn)不同類別STEM教育特點(diǎn)也是后續(xù)研究的一個重點(diǎn)。

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（編輯：魯利瑞）