核心概念視域下的美國(guó)本科STEM 課程設(shè)計(jì)
——以密歇根州立大學(xué)為例

以知識(shí)融合和技術(shù)創(chuàng)新為主要特征的新經(jīng)濟(jì)崛起對(duì)高等教育人才培養(yǎng)提出了全新的挑戰(zhàn)。我國(guó)高等教育的人才培養(yǎng)由于受傳統(tǒng)專業(yè)教育模式、封閉辦學(xué)等因素的影響,在課程目標(biāo)、教學(xué)設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)等方面仍存在明顯短板,難以有效地幫助學(xué)生形成適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求的跨學(xué)科素養(yǎng)、復(fù)雜問(wèn)題解決能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力①鄔大光《大學(xué)人才培養(yǎng)須走出自己的路》,《光明日?qǐng)?bào)》2018年6月19日,第13版。。在高等教育發(fā)達(dá)國(guó)家,加強(qiáng)STEM 教育被認(rèn)為是應(yīng)對(duì)外部需求變化、提升教育教學(xué)質(zhì)量的一條有效途徑。2015年,《自然》(Nature)雜志在“培育21世紀(jì)的科學(xué)家”的專輯中指出,為解決健康、能源、安全和環(huán)境等領(lǐng)域復(fù)雜的、跨學(xué)科問(wèn)題,有效的STEM 教育對(duì)于高素質(zhì)科學(xué)人才培養(yǎng)至為關(guān)鍵②Stephen E.Bradforth，Emily R.Miller，William R.Dichtel，et al.，“Improve undergraduate science education，”Nature 523，no.7560（July 2015）:282.。自2011年起,美國(guó)大學(xué)聯(lián)盟(Association of American Universities,簡(jiǎn)稱AAU)發(fā)起了一項(xiàng)本科STEM 教育改革計(jì)劃,眾多研究型大學(xué)在實(shí)踐中涌現(xiàn)出豐富的成果。其中,密歇根州立大學(xué)(Michigan State University,以下簡(jiǎn)稱MSU)是AAU 挑選的試點(diǎn)學(xué)校,其基于核心概念的課程改革效果突出,成為一項(xiàng)經(jīng)典案例。在全美化學(xué)學(xué)會(huì)(American Chemistry Society)組織的相關(guān)考試中,MSU 的學(xué)生并沒(méi)有因?yàn)檎n程內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)的減少而表現(xiàn)出成績(jī)的下滑③Melanie M.Cooper et al.，“Organic chemistry，life，the universe and everything（OCLUE）:A transformed organic chemistry curriculum，”Journal of Chemical Education 96，no.9（August 6，2019）:1869.,同時(shí)在該校自主設(shè)計(jì)的圍繞核心概念展開(kāi)的實(shí)踐性評(píng)價(jià)測(cè)驗(yàn)中表現(xiàn)出良好的設(shè)計(jì)推理能力①Ryan L.Stowe，Melanie M.Cooper，“Arguing from spectroscopic evidence，”Journal of Chemical Education 96，no.10（August 21，2019）:2082.。

本文圍繞基于核心概念的課程設(shè)計(jì),以MSU 為案例,重點(diǎn)探討理工科課程改革為何需要聚焦核心概念、如何確定核心概念、如何以核心概念設(shè)計(jì)課程內(nèi)容、如何實(shí)施基于核心概念的教學(xué)及評(píng)價(jià)等關(guān)鍵問(wèn)題,以期為我國(guó)本科課程建設(shè)和人才培養(yǎng)提供經(jīng)驗(yàn)參照。

一 基于核心概念來(lái)設(shè)計(jì)STEM 課程的原因

在STEM 教育的發(fā)源地美國(guó),本科階段的STEM 教育一直在國(guó)家層面受到高度重視。STEM 教育萌芽于美國(guó)國(guó)家航天局(NASA)對(duì)科技后備人才培養(yǎng)的探索。由NASA 負(fù)責(zé)的教育活動(dòng)直接將教學(xué)過(guò)程與其本身的工作任務(wù)聯(lián)系起來(lái),將學(xué)生帶到科學(xué)研究的環(huán)境中,向他們提出真實(shí)的項(xiàng)目任務(wù),要求學(xué)生通過(guò)自主探究來(lái)設(shè)計(jì)方案和操作實(shí)驗(yàn)來(lái)解決問(wèn)題。NASA 逐漸意識(shí)到,這種基于綜合性項(xiàng)目的學(xué)習(xí)經(jīng)歷能夠更有效地幫助學(xué)生掌握STEM 工作的規(guī)律,為此專門(mén)研制了相應(yīng)的STEM 課程以推廣此種“做中學(xué)”經(jīng)驗(yàn)。然而,走出NASA 的STEM 課程在教育實(shí)踐中出現(xiàn)了只有活動(dòng)沒(méi)有目標(biāo)、只動(dòng)手不動(dòng)腦的問(wèn)題,并未達(dá)到預(yù)期的理想效果,給教育系統(tǒng)帶來(lái)了更多亟待解決的問(wèn)題②Kam Yee，“America COMPETES Act's effect on NASA's education and public outreach programs，”Space Policy 31，（February，2015）:28.。教育研究者指出,這些相互獨(dú)立的STEM 項(xiàng)目使得課程變得支離破碎,對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)也難以操作,因而不能達(dá)到理想的教學(xué)效果。

來(lái)自認(rèn)知心理學(xué)的研究成果支持了教育研究者的觀點(diǎn)。心理學(xué)家布魯納(Jerome Seymour Bruner)在20世紀(jì)60年代引領(lǐng)了學(xué)科結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。他認(rèn)為:“一門(mén)學(xué)科的課程應(yīng)該決定于對(duì)能達(dá)到的、給那門(mén)學(xué)科以結(jié)構(gòu)的根本原理的最基本的理解。教專門(mén)的課題或技能而沒(méi)有把它們?cè)谥R(shí)領(lǐng)域更廣博的基本結(jié)構(gòu)中的脈絡(luò)弄清楚,……是不經(jīng)濟(jì)的?！雹鄄剪敿{《教育過(guò)程》,邵瑞珍譯,文化教育出版社1982年版,第47頁(yè)。課程設(shè)計(jì)需要強(qiáng)調(diào)這些基本觀念,以這些觀念為基礎(chǔ),直至學(xué)生掌握與這些觀念相適應(yīng)的知識(shí)體系,并形成在不同情境中運(yùn)用知識(shí)進(jìn)行遷移的能力。雖然學(xué)科結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)因?yàn)槿狈ε涮椎慕處煂I(yè)發(fā)展支持而陷入低潮④陸有銓《躁動(dòng)的百年——20世紀(jì)的教育歷程》,山東教育出版社1997年版,第357-358頁(yè)。,但其強(qiáng)調(diào)學(xué)科核心概念的思想依然對(duì)后續(xù)的教育改革產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。另一項(xiàng)關(guān)于專家和新手知識(shí)結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析同樣強(qiáng)調(diào)了以核心概念組織知識(shí)體系的重要性。研究表明,專家與新手的知識(shí)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出不同的特征:專家的知識(shí)通常圍繞著核心概念組成一個(gè)系統(tǒng)連貫的知識(shí)框架,新知識(shí)能在知識(shí)框架中實(shí)現(xiàn)同化,更易于理解和運(yùn)用;新手的知識(shí)往往是對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的事實(shí)和公式的簡(jiǎn)單羅列,片段化知識(shí)的堆砌將令他們?cè)趯W(xué)習(xí)中遭遇困難⑤John D.Bransford et al.，eds.，How People Learn:Brain，Mind，Experience，and School，Expanded Edition（Washington，DC:National Academy Press，2000），48-50.。NASA 提供的項(xiàng)目式STEM 課程最大的問(wèn)題在于“做學(xué)分離”,學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中缺乏連貫有效的知識(shí)結(jié)構(gòu),也就難以為學(xué)生建立系統(tǒng)的知識(shí)體系、實(shí)現(xiàn)知識(shí)和能力的遷移提供支持。美國(guó)國(guó)家研究院(National Research Council,簡(jiǎn)稱NRC)一項(xiàng)針對(duì)本科生STEM學(xué)習(xí)情況的調(diào)查報(bào)告反映了核心概念對(duì)于STEM 學(xué)習(xí)的影響:許多本科生感到STEM 專業(yè)的學(xué)習(xí)越往后越困難,這一問(wèn)題的根本原因在于他們?cè)趯I(yè)學(xué)習(xí)的最初階段沒(méi)有準(zhǔn)確、合理地掌握STEM 學(xué)科的核心概念⑥Susan R.Singer et al.，eds.，Discipline-Based Education Research:Understanding and Improving Learning in Undergraduate Science and Engineering（Washington，DC:National Academies Press，2012），2-3.。

核心概念(core concepts)是指對(duì)某一個(gè)學(xué)科發(fā)展具有重要意義的少數(shù)關(guān)鍵概念,能夠?qū)W(xué)科內(nèi)的知識(shí)聯(lián)結(jié)為一致的整體。核心概念是理解和解釋學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)其他概念與問(wèn)題的基礎(chǔ),凝聚了整個(gè)學(xué)科的中心思想,具有基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性和可遷移性的特征。在此基礎(chǔ)上,STEM 核心概念表現(xiàn)出更為豐富的內(nèi)涵。STEM本身作為一個(gè)整合性概念,強(qiáng)調(diào)要建立學(xué)科內(nèi)知識(shí)、學(xué)科間知識(shí)以及理論知識(shí)與實(shí)踐之間的聯(lián)系,因此反映STEM 領(lǐng)域這種復(fù)雜聯(lián)系的核心概念所關(guān)注的就不僅僅是來(lái)自學(xué)科內(nèi)部的知識(shí),而且具有了跨學(xué)科的特征。STEM 核心概念更類似于“大概念”(big ideas),包括整合了某一學(xué)科內(nèi)知識(shí)的核心概念,以及側(cè)重跨學(xué)科內(nèi)容組織的共通概念①郭玉英、姚建欣、張靜《整合與發(fā)展——科學(xué)課程中概念體系的建構(gòu)及其學(xué)習(xí)進(jìn)階》,《課程·教材·教法》2013年第2期,第44-45頁(yè)。。為了克服STEM 課程“廣而不深”的缺點(diǎn),核心概念的提出有利于課程知識(shí)的整合,有助于學(xué)生思維的縱深發(fā)展和知識(shí)遷移能力的培養(yǎng)。

在實(shí)踐中,強(qiáng)調(diào)核心概念的課程改革實(shí)踐呈現(xiàn)出從基礎(chǔ)教育領(lǐng)域向高等教育領(lǐng)域擴(kuò)散的趨勢(shì)。雖然STEM 教育最早出現(xiàn)在高等教育領(lǐng)域,在實(shí)踐層面卻是基礎(chǔ)教育走在了前列。在美國(guó),NRC 出臺(tái)了《K-12年級(jí)科學(xué)教育框架》(A Framework for K-12Science Education:Practices，Crosscutting Concepts，and Core Ideas,以下簡(jiǎn)稱《框架》)和《下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》(Next Generation Science Standard,以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》)等指導(dǎo)性文件。但是,“我們沒(méi)有理由認(rèn)為剛畢業(yè)的高中生與剛?cè)雽W(xué)的大學(xué)生會(huì)有什么截然不同的學(xué)習(xí)方式”,“況且之所以把研究對(duì)象限定在K-12階段主要是由于經(jīng)費(fèi)的限制”②James T.Laverty et al.，“Characterizing college science assessments:The three-dimensional learning assessment protocol，”P(pán)LOS ONE 11，no.9（September 8，2016）:3.。盡管上述兩份文件主要是為K-12階段的學(xué)生編制的,但其中的理念與方法對(duì)本科教育,尤其是本科起始階段,同樣具有指導(dǎo)意義。這也是MSU 在進(jìn)行基于核心概念的課程改革時(shí)將《框架》和《標(biāo)準(zhǔn)》作為重要參考的原因所在。

二 如何確定STEM 課程的核心概念

核心概念對(duì)于課程整合的作用與價(jià)值在美國(guó)STEM 教育研究領(lǐng)域獲得廣泛認(rèn)同,許多權(quán)威研究機(jī)構(gòu)都開(kāi)始編制針對(duì)各學(xué)段和各學(xué)科領(lǐng)域的STEM 核心概念,《框架》是其中的典型代表。該框架對(duì)如何編制STEM 核心概念以及圍繞核心概念的課程結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理,對(duì)美國(guó)大學(xué)STEM 課程設(shè)計(jì)產(chǎn)生了廣泛影響。

(一)三個(gè)維度的核心概念

為了統(tǒng)整課程和實(shí)現(xiàn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí),核心概念的數(shù)量必須是關(guān)鍵的、有限的,而非追求覆蓋過(guò)多的知識(shí)點(diǎn)。如何從眾多的學(xué)科知識(shí)點(diǎn)中篩選出“少而精”的核心概念,《框架》首先確定了遴選核心概念的標(biāo)準(zhǔn),指出至少符合下列2條以上才能成為核心概念:

1.對(duì)科學(xué)或工程學(xué)的多學(xué)科領(lǐng)域都有重要的價(jià)值,或者是單一學(xué)科重要的組織性概念(organizing principle);

2.可作為理解和探究更復(fù)雜的概念及解決問(wèn)題的重要工具;

3.與學(xué)生的興趣和生活經(jīng)驗(yàn)相關(guān),或者與需要科學(xué)或工程學(xué)知識(shí)支持的社會(huì)問(wèn)題、個(gè)人問(wèn)題相關(guān);

4.具有可教性和可學(xué)性,隨年級(jí)增長(zhǎng)可不斷提高深度和復(fù)雜性。③National Research Council，A Framework for K-12 Science Education:Practices，Crosscutting Concepts，and Core Ideas（Washington，DC:National Academies Press，2012），31.

以此為依據(jù),《框架》從“學(xué)科核心概念”“跨學(xué)科概念”“科學(xué)與工程實(shí)踐”三個(gè)維度編制了核心概念清單(如表1所示)④National Research Council，AFramework for K-12 Science Education:Practices，Crosscutting Concepts，and Core Ideas，3.。

表1 三維核心概念的內(nèi)容

NRC認(rèn)為各學(xué)科的教育者和教育研究者可以以三維核心概念體系為參考,積極開(kāi)發(fā)各STEM 學(xué)科的核心概念,并進(jìn)一步設(shè)計(jì)基于核心概念的整合課程。學(xué)科核心概念是三個(gè)維度核心概念體系的核心。學(xué)科核心概念首先將STEM 學(xué)科劃分為生命科學(xué)、地球和空間科學(xué)、物理科學(xué),以及工程、技術(shù)和科學(xué)應(yīng)用四大領(lǐng)域,再針對(duì)這些領(lǐng)域的特點(diǎn)分別提煉出了2-4個(gè)核心概念?？鐚W(xué)科概念提供了在STEM 學(xué)科領(lǐng)域中反復(fù)出現(xiàn)的一些重要概念?？鐚W(xué)科概念超出了單一學(xué)科的界限,為不同學(xué)科領(lǐng)域提供了一種連接性的結(jié)構(gòu)。這種連接性表現(xiàn)為跨學(xué)科核心概念其實(shí)已經(jīng)或多或少地反映在“學(xué)科核心概念”中。例如,跨學(xué)科概念中的“5.物質(zhì)和能量”體現(xiàn)在物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域的“3.能量”和生命科學(xué)領(lǐng)域的“2.生態(tài)系統(tǒng):互動(dòng)、能量和動(dòng)力”;跨學(xué)科概念中的“6.結(jié)構(gòu)與功能”則在生命科學(xué)領(lǐng)域的“1.從分子到生物體:結(jié)構(gòu)和過(guò)程”中有所反映。“科學(xué)與工程實(shí)踐”所描述的8項(xiàng)實(shí)踐類別是從專業(yè)的科學(xué)家和工程師的操作實(shí)踐中提煉出來(lái)的,強(qiáng)調(diào)了科學(xué)學(xué)習(xí)的實(shí)踐性,更有助于學(xué)生們獲得對(duì)科學(xué)和工程的本質(zhì)的深刻理解。

(二)編制本科階段化學(xué)核心概念

根據(jù)《框架》提供的核心概念遴選標(biāo)準(zhǔn)以及三維核心概念清單,MSU 的課程研發(fā)團(tuán)隊(duì)從本校課程改革的需求出發(fā)編制了化學(xué)、物理、生物等STEM 專業(yè)的學(xué)科核心概念。

以化學(xué)為例,該團(tuán)隊(duì)首先基于學(xué)科性質(zhì)選擇了《框架》中的物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域核心概念(物質(zhì)及其相互作用、力和相互作用、能量、波及其在技術(shù)和信息傳遞方面的應(yīng)用)作為參照?！拔镔|(zhì)科學(xué)”涵蓋了物理與化學(xué)學(xué)科。在編制過(guò)程中,物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域的前三個(gè)核心概念都能很好地反映在化學(xué)學(xué)科的內(nèi)容中,但“波及其在技術(shù)和信息傳遞方面的應(yīng)用”是物理學(xué)科的特有知識(shí),在化學(xué)學(xué)科中并無(wú)明顯的對(duì)應(yīng)。因此,該團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)而從跨學(xué)科概念中選擇了在化學(xué)中也有重要體現(xiàn)的“穩(wěn)定與變化”這一概念,既體現(xiàn)了學(xué)科本質(zhì),又反映了跨學(xué)科的特點(diǎn)。

該團(tuán)隊(duì)由此商定了四個(gè)化學(xué)核心概念:1.靜電鍵合的相互作用力;2.原子/分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì);3.能量;4.化學(xué)系統(tǒng)的變化和穩(wěn)定性(如表2所示)①M(fèi)elanie M.Cooper，Lynmarie A.Posey，Sonia M.Underwood，“Core ideas and topics:Building up or drilling down？”Journal of Chemical Education 94，no.5（March 16，2017）:544.。這四個(gè)概念概括了研發(fā)團(tuán)隊(duì)期望學(xué)生在化學(xué)基礎(chǔ)課程中掌握的主要內(nèi)容(“組織性概念”),能夠幫助理解和解決復(fù)雜的化學(xué)問(wèn)題(“復(fù)雜的概念理解及解決問(wèn)題的重要工具”),并為化學(xué)高階課程的大部分內(nèi)容奠定了基礎(chǔ)(“不斷提高深度和復(fù)雜性”)。

表2 MSU 的化學(xué)核心概念

三 如何基于核心概念設(shè)計(jì)課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)

STEM 教育的一大特征是強(qiáng)調(diào)課程內(nèi)容應(yīng)當(dāng)圍繞核心概念進(jìn)行組織。在確定好核心概念之后,如何能夠基于少數(shù)關(guān)鍵的概念將有關(guān)的學(xué)科知識(shí)聯(lián)系起來(lái),《框架》引入了認(rèn)知心理學(xué)中的“學(xué)習(xí)進(jìn)階”(learning progressions)理論,結(jié)合核心概念,建立了貫通性的課程結(jié)構(gòu),為各階段、各領(lǐng)域的STEM 課程開(kāi)發(fā)提供了內(nèi)容條件與科學(xué)指導(dǎo)。

(一)基于核心概念框架構(gòu)建的連貫課程體系

學(xué)習(xí)進(jìn)階理論與學(xué)科結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的“螺旋式課程”(spiral curriculum)有相似之處,描述了學(xué)生概念學(xué)習(xí)所遵循的連貫的、典型的學(xué)習(xí)路徑:一個(gè)核心概念在不同學(xué)習(xí)階段所表現(xiàn)出的具體內(nèi)涵是不同的,因而學(xué)生對(duì)于每個(gè)核心概念的學(xué)習(xí)不是一蹴而就的,學(xué)生對(duì)于這個(gè)概念的理解將隨著學(xué)習(xí)階段的推進(jìn)而不斷深入①?gòu)埛f之《理科課程設(shè)計(jì)新理念:“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的本質(zhì)、要素與理論溯源》,《課程·教材·教法》2016年第6期,第116頁(yè)。。

基于這一認(rèn)識(shí),《框架》以核心概念為主體,應(yīng)用學(xué)習(xí)進(jìn)階理論,設(shè)計(jì)了一個(gè)整體保持一致的、深度發(fā)展的課程框架。首先,《框架》對(duì)應(yīng)每個(gè)學(xué)科核心概念開(kāi)發(fā)了若干個(gè)次級(jí)概念,這些次級(jí)概念是關(guān)于核心概念的進(jìn)一步闡釋;隨后,將每一個(gè)次級(jí)概念結(jié)合各個(gè)年級(jí)的課程要求設(shè)計(jì)具體的知識(shí)內(nèi)容,并且內(nèi)容的編排隨著年級(jí)的增長(zhǎng)呈現(xiàn)出從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從宏觀到微觀、從具體到抽象的進(jìn)階態(tài)勢(shì)。同時(shí),跨學(xué)科概念與科學(xué)和工程實(shí)踐也在每個(gè)年級(jí)階段的具體內(nèi)容中有所體現(xiàn),從而將學(xué)科核心概念所對(duì)應(yīng)的每個(gè)次級(jí)概念連接起來(lái)。由此,課程內(nèi)容便圍繞著“核心概念”所建立的框架形成了橫向聯(lián)系、縱向連續(xù)的課程體系。

(二)圍繞核心概念整合本科化學(xué)學(xué)科的課程內(nèi)容

《框架》發(fā)布后為全美各州的課程改革提供了理論支持,圍繞核心概念設(shè)計(jì)的STEM 課程學(xué)習(xí)材料不斷涌現(xiàn)。依據(jù)《框架》的核心概念來(lái)開(kāi)發(fā)課程遵循的是“自上而下”的頂層設(shè)計(jì)邏輯。但在學(xué)校教學(xué)情境中,限于經(jīng)費(fèi)等要素,要推翻已有課程體系去設(shè)計(jì)全新的課程顯然是一個(gè)過(guò)于龐大的工程。因此,MSU 借鑒《框架》所描述的方法,以一種“自下而上”的方式來(lái)改革STEM 專業(yè)的基礎(chǔ)課程。其重點(diǎn)不在于另起爐灶,而是要利用核心概念對(duì)已有的課程結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整,使每個(gè)主題單元的內(nèi)容都明確地與核心概念聯(lián)系起來(lái),反復(fù)強(qiáng)調(diào)學(xué)生要圍繞核心概念去理解和解釋新的知識(shí)。

仍以化學(xué)為例?；瘜W(xué)基礎(chǔ)課程中通常都會(huì)設(shè)置“相變”這一單元,而在單元中往往只是從熔點(diǎn)、沸點(diǎn)等能直觀觀察的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)變化來(lái)介紹這一內(nèi)容。MSU 團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,相變并不是可以簡(jiǎn)單概括的零散知識(shí)點(diǎn),它作為一個(gè)主題性的知識(shí)是需要與四個(gè)核心概念聯(lián)系起來(lái)理解的。這些概念包括相變過(guò)程中一些相互作用的形成或破壞、從氣體到液體再到固體的變化能量是如何轉(zhuǎn)移的、為什么相變點(diǎn)溫度不發(fā)生變化或?yàn)槭裁聪到y(tǒng)的熵為負(fù)也可以發(fā)生凍結(jié)等。這些內(nèi)容其實(shí)分散在化學(xué)課程的各個(gè)單元中。教師以往習(xí)慣于默認(rèn)學(xué)生在完成整個(gè)課程學(xué)習(xí)后便能夠主動(dòng)建立起這種聯(lián)系,但實(shí)際上學(xué)生們常常會(huì)以單元來(lái)劃分知識(shí),并不容易發(fā)現(xiàn)每個(gè)單元之間共通的知識(shí)內(nèi)容②Melanie M.Cooper，Lynmarie A.Posey，Sonia M.Underwood，“Core ideas and topics:Building up or drilling down？”Journal of Chemical Education 94，no.5（March 16，2017）:543.。

因此,MSU 團(tuán)隊(duì)專門(mén)確認(rèn)了哪些學(xué)科知識(shí)是可以作為一個(gè)主題單元來(lái)展開(kāi)的,即單元設(shè)計(jì)。例如“化學(xué)反應(yīng)速率”這一知識(shí),以往總是與數(shù)學(xué)計(jì)算聯(lián)系起來(lái)套在其他主題單元中。但化學(xué)反應(yīng)速率是理解化學(xué)變化的重要知識(shí),貫穿于整個(gè)化學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程。如果教師僅僅提供要求學(xué)生記憶的公式而不引導(dǎo)他們理解化學(xué)反應(yīng)速率背后的內(nèi)涵,學(xué)生在面對(duì)復(fù)雜的反應(yīng)公式的高階學(xué)習(xí)時(shí)必將難以理解這些符號(hào)。因此,MSU 團(tuán)隊(duì)將“化學(xué)反應(yīng)速率”設(shè)置為一個(gè)獨(dú)立的單元,聯(lián)系結(jié)構(gòu)變化、相互作用力、能量變化、化學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性等核心概念向?qū)W生解釋化學(xué)反應(yīng)速率的深刻內(nèi)涵。

四 如何構(gòu)建基于核心概念的教學(xué)與評(píng)價(jià)

基于《框架》提供的內(nèi)容條件,美國(guó)國(guó)家科學(xué)研究院進(jìn)一步主持編制了《標(biāo)準(zhǔn)》?！稑?biāo)準(zhǔn)》是美國(guó)進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)的首個(gè)全國(guó)性科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn),最大的創(chuàng)新之處在于設(shè)置了學(xué)習(xí)預(yù)期(performance expectation)來(lái)呈現(xiàn)關(guān)于學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果的行為特征,為科學(xué)課程、教學(xué)和評(píng)價(jià)提供具體的目標(biāo)。

(一)學(xué)習(xí)預(yù)期為教學(xué)與評(píng)價(jià)提供依據(jù)

所謂學(xué)習(xí)預(yù)期,指的是學(xué)生在經(jīng)過(guò)某個(gè)階段對(duì)某一學(xué)科核心概念的學(xué)習(xí)后應(yīng)該達(dá)到的行為表現(xiàn)?！稑?biāo)準(zhǔn)》對(duì)學(xué)習(xí)預(yù)期的設(shè)計(jì)巧妙融合了《框架》中的科學(xué)與工程實(shí)踐、跨領(lǐng)域概念和學(xué)科核心概念三個(gè)維度,并在描述上突出了“科學(xué)與工程實(shí)踐”的內(nèi)容。以下是高中階段“物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”主題的部分學(xué)習(xí)預(yù)期(如表3所示)①National Research Council，Next Generation Science Standards:For States，By States（Washington，DC:The National Academies Press，2013），91.。

表3 “物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”主題的學(xué)習(xí)預(yù)期

上述的學(xué)習(xí)預(yù)期綜合體現(xiàn)了STEM 核心概念的內(nèi)容,包括科學(xué)與工程實(shí)踐中的“發(fā)展和使用模型”“計(jì)劃和實(shí)施調(diào)查”“信息的獲取、評(píng)價(jià)和交流”,學(xué)科核心概念中的“物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)”“核反應(yīng)”“作用類型”,以及跨學(xué)科概念中的“模式”“能量和物質(zhì)”“結(jié)構(gòu)和功能”等。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),學(xué)習(xí)預(yù)期是以可操作、可檢驗(yàn)的學(xué)習(xí)行為語(yǔ)言來(lái)描述的,行為是與實(shí)踐相互聯(lián)系的,實(shí)踐的外顯表現(xiàn)即是行為。通過(guò)強(qiáng)調(diào)要將學(xué)生內(nèi)在的知識(shí)掌握轉(zhuǎn)化為外顯的行為表現(xiàn)并提供描述行為的方式,學(xué)習(xí)預(yù)期充分支持了課程、教學(xué)與評(píng)價(jià)的合理開(kāi)展。

(二)基于證據(jù)的教學(xué)和評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

在教學(xué)策略方面,主動(dòng)學(xué)習(xí)式教學(xué)(active learning and teaching)是實(shí)施STEM 學(xué)科教學(xué)最重要的策略。一項(xiàng)基于225項(xiàng)研究報(bào)告進(jìn)行的分析指出,比較講授式教學(xué)與主動(dòng)學(xué)習(xí)式教學(xué)下本科生STEM 學(xué)科成績(jī),采用主動(dòng)學(xué)習(xí)式教學(xué)的課堂中學(xué)生其平均考試成績(jī)較之于傳統(tǒng)的講授教學(xué)提高了約6%,并且接受講授式教學(xué)的學(xué)生學(xué)業(yè)失敗的可能性是采用主動(dòng)學(xué)習(xí)式教學(xué)的學(xué)生的1.5倍②Scott Freeman et al.，“Active learning increases student performance in science，engineering，and mathematics，”P(pán)NAS 111，no.23（June 10，2014）:8410.。主動(dòng)學(xué)習(xí)式教學(xué)是相對(duì)于傳統(tǒng)的教師單向知識(shí)傳遞而言的,強(qiáng)調(diào)激發(fā)學(xué)生在知識(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程中的主觀能動(dòng)性,其實(shí)質(zhì)是一類以學(xué)生為中心的教學(xué)方法。各STEM 學(xué)科都非常重視對(duì)于主動(dòng)教學(xué)策略的研究,使以學(xué)生為中心的主動(dòng)教學(xué)貫穿在整個(gè)教學(xué)過(guò)程。第一,主動(dòng)學(xué)習(xí)式教學(xué)強(qiáng)調(diào)講課過(guò)程的互動(dòng)性,激發(fā)學(xué)生的課堂參與,例如采取演講、小組討論、合作學(xué)習(xí)等形式;在實(shí)驗(yàn)室中,主動(dòng)教學(xué)表現(xiàn)為讓學(xué)生獲得真實(shí)的科學(xué)研究體驗(yàn),鼓勵(lì)學(xué)生們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、觀察記錄數(shù)據(jù)、收集解釋結(jié)果,從而嘗試完善現(xiàn)有模型,建立起自己的因果模型。第二,鑒于STEM 學(xué)科知識(shí)的抽象性,許多研究者建議在STEM 教學(xué)中引入更多的動(dòng)態(tài)模擬技術(shù),以可視化的方式輔助學(xué)生理解STEM 學(xué)科的各種圖形符號(hào)③Judith A.Ramaley，“The national perspective:Fostering the enhancement of STEM undergraduate education，”New Directions for Teaching and Learning，no.117（Spring 2009）:70-71.。第三,主動(dòng)學(xué)習(xí)式教學(xué)并不是放任學(xué)生不管,而是要引導(dǎo)學(xué)生更多地了解到自己的認(rèn)知過(guò)程并改善自身的學(xué)習(xí)習(xí)慣,所以需要注重培養(yǎng)學(xué)生的元認(rèn)知能力。

在評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方面,MSU 從《框架》和《標(biāo)準(zhǔn)》中獲得啟示,認(rèn)識(shí)到僅僅轉(zhuǎn)變課程內(nèi)容和結(jié)構(gòu)對(duì)于幫助學(xué)生習(xí)得合理的學(xué)習(xí)方式是不充分的,STEM 核心概念的整合應(yīng)該貫穿于課程、教學(xué)、評(píng)價(jià)的全過(guò)程。尤其是,評(píng)價(jià)的特性常常無(wú)意間暗示了學(xué)生什么是最重要的知識(shí),對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)有直接影響④James T.Laverty et al.,“Characterizing college science assessments:The three-dimensional learning assessment protocol,”P(pán)LOS ONE 11,no.9(September 8,2016):1.。因此MSU 將課程評(píng)價(jià)也作為其STEM 課程改革的一項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)。

MSU 團(tuán)隊(duì)采用了學(xué)習(xí)預(yù)期的設(shè)置方法,圍繞核心概念展開(kāi),強(qiáng)調(diào)以實(shí)踐的方式從學(xué)生那里獲得關(guān)于他們學(xué)習(xí)情況的可觀測(cè)行為,以下是一組評(píng)價(jià)項(xiàng)目的案例:

1.利用提供的反應(yīng)公式計(jì)算該反應(yīng)的焓變化:CH3CH=CH2+H2O→CH3CH2CH2OH;

2.基于1部分的結(jié)果,理解關(guān)于這個(gè)反應(yīng)中系統(tǒng)和周圍環(huán)境之間的能量流動(dòng);

3.畫(huà)一張能量圖,要求顯示反應(yīng)物和產(chǎn)物的相對(duì)能量;

4.根據(jù)3的回答,討論相互作用的強(qiáng)度以及反應(yīng)物和產(chǎn)物轉(zhuǎn)變過(guò)程中的能量變化。①M(fèi)elanie M.Cooper,Lynmarie A.Posey,Sonia M.Underwood,“Core ideas and topics:Building up or drilling down?”Journal of Chemical Education 94,no.5(March 16,2007):546.

該評(píng)價(jià)示例一方面明確地與核心概念聯(lián)系起來(lái),圍繞著核心概念而不是基于零散的知識(shí)點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)內(nèi)容,呼應(yīng)了課程學(xué)習(xí)中的知識(shí)整合要求,使核心概念貫穿于學(xué)生學(xué)習(xí)的全過(guò)程,提示他們養(yǎng)成聯(lián)系核心概念進(jìn)行思考和解釋問(wèn)題的習(xí)慣;另一方面,評(píng)價(jià)項(xiàng)目要求學(xué)生運(yùn)用他們所學(xué)的知識(shí)內(nèi)容來(lái)預(yù)測(cè)、建模和解釋現(xiàn)象,引導(dǎo)學(xué)生以科研工作方式去理解和解決問(wèn)題,這也正是科學(xué)教育的重要目標(biāo)。這樣基于STEM 核心概念設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià),利用了科學(xué)與工程實(shí)踐的方式獲得能夠反映了學(xué)生是如何進(jìn)行STEM 學(xué)習(xí)的可靠“證據(jù)”,響應(yīng)了美國(guó)本科STEM 教育改革行動(dòng)所號(hào)召的“基于證據(jù)”的STEM 教學(xué)。

五 結(jié)語(yǔ)

MSU 基于核心概念的課程改革是美國(guó)高校STEM 教育中的經(jīng)典案例,解決了本科STEM 入門(mén)課程“廣而不深”的問(wèn)題,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)。其基于核心概念的STEM 課程設(shè)計(jì)思路和措施對(duì)我國(guó)本科理工科教育課程改革具有啟示意義。

(一)聚焦遷移能力、跨學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)

2018年,教育部發(fā)布了《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡(jiǎn)稱《國(guó)標(biāo)》)。此次《國(guó)標(biāo)》的一大特點(diǎn)是涵蓋了普通高校本科專業(yè)目錄中全部92個(gè)本科專業(yè),分別列出對(duì)各專業(yè)類知識(shí)體系和核心課程體系的建議。但不難發(fā)現(xiàn),立足于單一專業(yè)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)上過(guò)于繁復(fù),不利于人才的遷移能力、跨學(xué)科能力培養(yǎng)。例如,其中物理學(xué)類專業(yè)知識(shí)“機(jī)械運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象”“熱運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象”和化學(xué)類專業(yè)知識(shí)“化學(xué)動(dòng)力學(xué)”“化學(xué)熱力學(xué)”顯然存在著交叉概念②教育部高等學(xué)校教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)編《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(上)》,高等教育出版社2018年版,第118、134頁(yè)。,但被分別列置且由教師按照各自的學(xué)科方式區(qū)別教授,學(xué)生會(huì)很難將它們聯(lián)系起來(lái)。如果缺乏對(duì)各專業(yè)知識(shí)的融會(huì)貫通,學(xué)生將無(wú)法把所學(xué)的專業(yè)知識(shí)遷移到另一門(mén)學(xué)科,特別在需要應(yīng)用科學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題、技術(shù)創(chuàng)新等方面顯得后勁不足。另一方面,從外部需求來(lái)看,隨著經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的升級(jí)調(diào)整,近年來(lái)就業(yè)市場(chǎng)上許多專業(yè)相關(guān)度出現(xiàn)了下降的態(tài)勢(shì)③郭嬌、王伯慶《工程教育本科專業(yè)社會(huì)需求發(fā)展趨勢(shì)分析——基于中國(guó)大學(xué)生就業(yè)數(shù)據(jù)的實(shí)證研究》,《高等工程教育研究》2017年第5期,第47頁(yè)。,新工業(yè)革命對(duì)科技人才的復(fù)合能力、創(chuàng)新能力提出了更高的要求。為使學(xué)生獲得更好的社會(huì)適應(yīng)性,高等教育教學(xué)質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)有必要在專業(yè)設(shè)置的基礎(chǔ)上,聚焦學(xué)生的跨學(xué)科理解和知識(shí)遷移能力培養(yǎng),適當(dāng)整合各專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo),《標(biāo)準(zhǔn)》按照學(xué)科領(lǐng)域而非具體學(xué)科/專業(yè)來(lái)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的方式正給我們提供了可資參考的思路。

(二)加強(qiáng)核心概念對(duì)課程整合的引領(lǐng)

當(dāng)前我國(guó)本科課程設(shè)計(jì)中普遍存在兩種現(xiàn)象:一是“求全”,課程內(nèi)容又寬又廣,力爭(zhēng)知識(shí)點(diǎn)全覆蓋;二是“師本”,課程開(kāi)設(shè)由教師依據(jù)自身喜好裁量,與《國(guó)標(biāo)》的人才培養(yǎng)要求脫節(jié)。上述現(xiàn)象出現(xiàn)的原因與核心概念的缺位密切相關(guān)。核心概念大體上可以對(duì)應(yīng)我國(guó)的學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí),但在我國(guó)被列為學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)的內(nèi)容過(guò)多、過(guò)繁,教師們備課時(shí)面對(duì)龐雜的知識(shí)點(diǎn)往往無(wú)從下手。知識(shí)是無(wú)限的,而課程內(nèi)容容量是有限的,高等教育的目標(biāo)也不是為了打造“一本書(shū)的大學(xué)”④別敦榮《“一本書(shū)的大學(xué)”培養(yǎng)不出一流人才》,《文匯報(bào)》2019年1月4日,第8版。,要提高課程的質(zhì)量和效率必須破解這一矛盾,合理地精簡(jiǎn)學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)?！犊蚣堋穱@核心概念開(kāi)發(fā)課程的方法,為課程設(shè)計(jì)提供了切實(shí)可行的指導(dǎo),基于關(guān)鍵的核心概念整合課程的理念值得借鑒。

(三)重視基于證據(jù)的教學(xué)與評(píng)價(jià)

加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)逐漸成為國(guó)內(nèi)理工科教育的共識(shí),但是開(kāi)發(fā)與實(shí)踐教學(xué)相對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)方式還沒(méi)有引起足夠的重視。目前看來(lái),理工類專業(yè)的評(píng)價(jià)倡導(dǎo)在“做中學(xué)”的過(guò)程中體現(xiàn)成果導(dǎo)向,但如果只偏重“做”,沒(méi)有兼顧“做”與“學(xué)”的關(guān)系,這些成果實(shí)際上并不足以反映實(shí)踐教學(xué)或?qū)嵺`學(xué)習(xí)的真實(shí)情況?！犊蚣堋穼⒖茖W(xué)與工程實(shí)踐納為STEM 教育的三個(gè)維度之一時(shí)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào),“實(shí)踐”(practice)不同于“技能”(skill),實(shí)踐是知識(shí)與技能的結(jié)合①National Research Council，A Framework for K-12 Science Education:Practices，Crosscutting Concepts，and Core Ideas，41.。那么,對(duì)實(shí)踐能力的評(píng)價(jià)也不僅要關(guān)注技術(shù)應(yīng)用的結(jié)果,更要關(guān)注學(xué)生是否真正理解問(wèn)題背后的原理以及如何運(yùn)用學(xué)科知識(shí)來(lái)構(gòu)建問(wèn)題解決方案的,這才是體現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新能力、知識(shí)遷移能力、問(wèn)題解決能力發(fā)展的可靠證據(jù),否則所謂的實(shí)踐教學(xué)可能也只是一種低水平的職業(yè)技能培訓(xùn)。對(duì)于實(shí)踐教學(xué)的有意義評(píng)價(jià)需要從學(xué)生那里獲得反映他們是如何理解特定結(jié)構(gòu)的證據(jù),例如MSU 以學(xué)生表現(xiàn)來(lái)評(píng)價(jià)實(shí)踐教學(xué)。更多地關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程的證據(jù),而不是將紙筆測(cè)驗(yàn)作為教學(xué)和評(píng)價(jià)的全部依據(jù),這也正是以學(xué)生為中心的題中應(yīng)有之義。