STEM教師教學(xué)設(shè)計(jì)能力在線培養(yǎng)模式研究

胡藝齡 彭曉玲 吳忭

【摘要】? 機(jī)器與人類勞動(dòng)分工的不斷裂變、重組，促使教育領(lǐng)域的研究者和實(shí)踐者深入思考應(yīng)該如何培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型的21世紀(jì)人才。STEM教育作為對(duì)這一命題的重要回應(yīng)，尚面臨著教師數(shù)量不足與質(zhì)量不佳的困境。為改變STEM課程教學(xué)目標(biāo)不明確、教學(xué)設(shè)計(jì)模式不清晰的現(xiàn)狀，培育未來(lái)教師的設(shè)計(jì)思維并促使其外化為實(shí)踐，打造從教師教育到教師實(shí)踐無(wú)縫銜接的教育生態(tài)，是有效途徑之一。本研究從設(shè)計(jì)理論、培養(yǎng)模式和標(biāo)準(zhǔn)框架的聯(lián)合視角，構(gòu)建了STEM協(xié)同教學(xué)設(shè)計(jì)模式，并通過(guò)創(chuàng)設(shè)整合了真實(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)問(wèn)題和虛擬導(dǎo)師等多元支架的虛擬實(shí)習(xí)環(huán)境，使教師投入到包含STEM教學(xué)設(shè)計(jì)要素的逆向設(shè)計(jì)活動(dòng)中，在實(shí)踐中發(fā)展STEM教學(xué)設(shè)計(jì)能力。初步研究表明，該模式在提升教師的STEM教學(xué)設(shè)計(jì)表現(xiàn)和協(xié)作能力上體現(xiàn)出一定的作用，在破解STEM課程中目標(biāo)缺位與異位困境、滿足教師完成STEM跨學(xué)科設(shè)計(jì)的需求、提供多元交互式設(shè)計(jì)實(shí)踐機(jī)會(huì)等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】? STEM;STEM教師;教師教育;虛擬實(shí)習(xí);教學(xué)設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)思維;逆向設(shè)計(jì);協(xié)同設(shè)計(jì)

一、引言

STEM（科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)）教育的誕生為學(xué)習(xí)者跨學(xué)科解決真實(shí)挑戰(zhàn)、發(fā)展多元?jiǎng)?chuàng)新思維提供了可行的操作路徑，順應(yīng)了知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代對(duì)創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型人才的需求，已成為教育領(lǐng)域?qū)θ绾闻囵B(yǎng)21世紀(jì)人才問(wèn)題的重要回應(yīng)。美、英、德、芬蘭等國(guó)相繼出臺(tái)了國(guó)家層面的STEM教育政策和報(bào)告，積極推進(jìn)STEM教育改革，并確立了教師在其中的關(guān)鍵引領(lǐng)作用（中國(guó)教育科學(xué)研究院，2017）。我國(guó)從2015年起提出了一系列關(guān)于STEM教育的政策意見，近兩年也逐漸將改革的目光轉(zhuǎn)向STEM教師教育，啟動(dòng)建設(shè)集資源整合和師資培養(yǎng)于一體的平臺(tái)。但由于缺乏對(duì)于STEM教育核心內(nèi)涵、實(shí)施框架和操作方式的深入理解，當(dāng)前在STEM教育實(shí)踐中教師還存在“認(rèn)同但缺乏行動(dòng)”“忽視全面的理解，特別是對(duì)工程與技術(shù)的理解”“實(shí)踐缺乏專業(yè)化指導(dǎo)”等諸多問(wèn)題（李學(xué)書， 2019; Salami， et al.， 2015）。可以看到，面對(duì)我國(guó)STEM教師培養(yǎng)模式不清晰、STEM教學(xué)效能受到質(zhì)疑的雙重困境，創(chuàng)新STEM教師培養(yǎng)模式、突破STEM師資在數(shù)量和質(zhì)量上的瓶頸成為STEM教師教育改革的重點(diǎn)。

傳統(tǒng)的專家講座式教師教育模式在培養(yǎng)STEM教師的設(shè)計(jì)思維和設(shè)計(jì)能力方面面臨巨大挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)之一：如何使教師能夠設(shè)計(jì)跨學(xué)科主題的STEM課程，將相關(guān)學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容有機(jī)整合以提高學(xué)生綜合分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力？當(dāng)前的師范教育大多仍著眼于培養(yǎng)具有單一學(xué)科背景的未來(lái)教師，難以滿足STEM教育開展跨學(xué)科主題教學(xué)和綜合育人的需求。挑戰(zhàn)之二：如何解決傳統(tǒng)教師教育中教師被動(dòng)聽講的“離身性”問(wèn)題？傳統(tǒng)教師教育常以聽專家講座為主要學(xué)習(xí)活動(dòng)，實(shí)訓(xùn)缺乏造成理論與實(shí)踐脫節(jié)，限制了教師發(fā)展應(yīng)對(duì)現(xiàn)實(shí)復(fù)雜情境的專業(yè)技能（王會(huì)亭， 2018）。挑戰(zhàn)之三：如何通過(guò)有效的學(xué)習(xí)方式和評(píng)價(jià)策略，促進(jìn)教師轉(zhuǎn)變STEM教學(xué)觀念，提升STEM課程設(shè)計(jì)能力？STEM具有獨(dú)有的特征要義，普適性或單學(xué)科的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)難以滿足其需求，需制定與學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)內(nèi)容相一致的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以此考察教師是否實(shí)現(xiàn)了STEM的教學(xué)理念并且有設(shè)計(jì)跨學(xué)科課程的實(shí)踐能力。

據(jù)此，本文從STEM教師教育的實(shí)踐困境出發(fā)，梳理相關(guān)的政策動(dòng)向、培養(yǎng)現(xiàn)狀和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，基于教學(xué)設(shè)計(jì)理論和STEM核心要義構(gòu)建培養(yǎng)STEM教師教學(xué)設(shè)計(jì)能力的創(chuàng)新模式，并通過(guò)實(shí)證案例與結(jié)論分析為STEM教師教育實(shí)踐提供有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)。

二、STEM教師教育的發(fā)展現(xiàn)狀和研究回溯

（一）國(guó)內(nèi)外STEM教師教育政策動(dòng)向和實(shí)踐困境

隨著STEM學(xué)科發(fā)展勢(shì)頭日益強(qiáng)勁，世界各國(guó)逐漸意識(shí)到確保STEM教育卓越的重要因素在于優(yōu)秀的STEM教師。針對(duì)STEM教師師資力量短缺和分布不均等短板，各國(guó)相繼頒發(fā)了一系列相關(guān)政策法案和報(bào)告：澳大利亞2012年頒發(fā)的《國(guó)家利益層面上的數(shù)學(xué)、工程與科學(xué)》（Mathematics， Engineering and Science in the National Interest）指出，STEM教師供不應(yīng)求是STEM領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)之一，需要促進(jìn)教師的專業(yè)發(fā)展并對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。英國(guó)皇家學(xué)會(huì)在2014年發(fā)布的《科學(xué)與數(shù)學(xué)教育愿景》（Vision for Science and Mathematics Education）提出，要發(fā)展專家型信息化教師，并呼吁STEM教育界和大學(xué)聯(lián)合組織定期的教師培訓(xùn)。美國(guó)作為STEM教育發(fā)展大國(guó)，早在二十年前就頒布相關(guān)政策法案以確保STEM教育的核心地位，并成為引導(dǎo)全球發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。通過(guò)對(duì)其近二十年的政策法案中有關(guān)STEM教師教育的部分進(jìn)行梳理，發(fā)現(xiàn)美國(guó)STEM教師教育的特點(diǎn)包括：重視STEM師資力量的培養(yǎng)，積極投入專項(xiàng)資金，專業(yè)培養(yǎng)方式多樣化，鼓勵(lì)多方合作聯(lián)合培養(yǎng)，等等，如表1所示。

我國(guó)自2015年“探索STEAM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式”首次寫入中國(guó)教育信息化的政策文件以來(lái)，STEM教育在全國(guó)各地中小學(xué)逐漸升溫。中國(guó)教育科學(xué)研究院2017年發(fā)布的《中國(guó)STEM教育白皮書》分析了我國(guó)STEM教育的背景和現(xiàn)狀，明確指出STEM教育目前在學(xué)校實(shí)施中面臨的最大瓶頸就是教師問(wèn)題（中國(guó)教育科學(xué)研究院，2017）。教師是STEM課程在中小學(xué)課堂落地生根并切實(shí)提高學(xué)生STEM素養(yǎng)的關(guān)鍵因素，有效實(shí)施跨學(xué)科教學(xué)要求教師不僅要掌握學(xué)科內(nèi)容知識(shí)，更要理解跨學(xué)科整合的理念，圍繞大概念（包括內(nèi)容大概念和過(guò)程大概念）進(jìn)行STEM課程設(shè)計(jì)（Chalmers， et al.， 2017）。

（二）STEM教師教學(xué)設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)現(xiàn)狀

培養(yǎng)什么、如何培養(yǎng)是STEM教師教育的關(guān)鍵議題。“教學(xué)是一門設(shè)計(jì)科學(xué)”“教師即設(shè)計(jì)師”“為學(xué)習(xí)而設(shè)計(jì)”等觀點(diǎn)彰顯了設(shè)計(jì)的核心地位。Huizinga（2014）等人發(fā)現(xiàn)教師在協(xié)同設(shè)計(jì)跨學(xué)科課程時(shí)缺乏課程設(shè)計(jì)知識(shí)、教學(xué)內(nèi)容知識(shí)以及課程一致性知識(shí)等設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)。因此，學(xué)者們提出，面對(duì)真實(shí)、復(fù)雜的教學(xué)挑戰(zhàn)，STEM教師不僅需要跨學(xué)科整合能力和整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識(shí)（technological pedagogical content knowledge，TPACK），更需要一種指向解決復(fù)雜教學(xué)問(wèn)題的設(shè)計(jì)思維。這種設(shè)計(jì)思維體現(xiàn)在，本著技術(shù)變革學(xué)習(xí)的教育目標(biāo)，通過(guò)循環(huán)迭代設(shè)計(jì)、創(chuàng)新教學(xué)方式和在行動(dòng)中反思來(lái)形成最終的問(wèn)題解決方案，是數(shù)字時(shí)代教師專業(yè)能力的高階體現(xiàn)（尹睿， 等， 2018）。

具體來(lái)看，Koh等（2015）認(rèn)為教師的設(shè)計(jì)思維體現(xiàn)在教案設(shè)計(jì)的實(shí)踐活動(dòng)和設(shè)計(jì)傾向上，這種設(shè)計(jì)任務(wù)可以為培養(yǎng)教師的設(shè)計(jì)與決策能力創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，并讓教師在迭代實(shí)踐活動(dòng)中獲得及時(shí)、有針對(duì)性的反饋和幫助。針對(duì)STEM跨學(xué)科整合的特點(diǎn)，Kelley和Knowles（2016）指出，設(shè)計(jì)STEM課程需要以現(xiàn)實(shí)問(wèn)題為依托，通過(guò)不同學(xué)科教師間的協(xié)同設(shè)計(jì)，將學(xué)科能力融合到探究、分析和解決問(wèn)題的實(shí)踐過(guò)程中。因此，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的STEM協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)境，讓教師從設(shè)計(jì)理論的聽講者轉(zhuǎn)變?yōu)镾TEM學(xué)習(xí)體驗(yàn)的設(shè)計(jì)者，是培養(yǎng)STEM教師教學(xué)設(shè)計(jì)能力的有效途徑。有效的教師專業(yè)發(fā)展包含五個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)：內(nèi)容聚焦、主動(dòng)學(xué)習(xí)、一致性、持續(xù)時(shí)間和團(tuán)體參與度（Desimone， 2009）。針對(duì)這一復(fù)雜需求，Surrette等人（2015）認(rèn)為在線環(huán)境能夠很好地實(shí)現(xiàn)教師專業(yè)發(fā)展的指標(biāo)整合。在線環(huán)境支持下的在線研討、計(jì)算機(jī)支持的協(xié)作學(xué)習(xí)和虛擬實(shí)習(xí)等形式能夠有效發(fā)展教師的教學(xué)技能，使他們深入理解STEM整合理念，轉(zhuǎn)變教學(xué)態(tài)度，為創(chuàng)新STEM教師教育提供了新思路（Anwar， 2017）。

（三）STEM教師教學(xué)設(shè)計(jì)能力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

科學(xué)、準(zhǔn)確地評(píng)估STEM教師的教學(xué)設(shè)計(jì)能力可以為教師教育者提供診斷培訓(xùn)效果、改進(jìn)培養(yǎng)模式的證據(jù)。許多組織相繼提出了通用性教學(xué)設(shè)計(jì)能力框架，用以客觀評(píng)估教師專業(yè)能力水平（MacLean & Scott， 2011），其中AECT標(biāo)準(zhǔn)（包含設(shè)計(jì)、開發(fā)、利用、管理、評(píng)價(jià)等維度）和IBSTPI教學(xué)設(shè)計(jì)能力標(biāo)準(zhǔn)（包含專業(yè)基礎(chǔ)、規(guī)劃與分析、設(shè)計(jì)與開發(fā)、評(píng)價(jià)與實(shí)施、管理等維度）是目前被廣為接受的教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)（Dabbagh & English， 2015）。由于是通用性的能力標(biāo)準(zhǔn)，其在面對(duì)評(píng)估STEM教學(xué)設(shè)計(jì)這一復(fù)雜能力時(shí)力有不逮。國(guó)際上，聚焦STEM教育領(lǐng)域，美國(guó)俄亥俄州代頓地區(qū)STEM中心在2011年提出了STEM教育質(zhì)量框架（STEM Education Quality Framework，SQF）（Dayton Regional STEM Center， 2011），作為STEM教師在設(shè)計(jì)STEM課程時(shí)進(jìn)行自我反思和自我評(píng)估的工具。該框架包括十個(gè)維度：吸引不同知識(shí)背景的學(xué)生投入的潛力、STEM整合程度、與非STEM學(xué)科的聯(lián)系、學(xué)習(xí)內(nèi)容的完整性、認(rèn)知任務(wù)的質(zhì)量、與STEM職業(yè)的聯(lián)系、團(tuán)隊(duì)協(xié)作中的個(gè)體責(zé)任、評(píng)估的本質(zhì)、工程設(shè)計(jì)過(guò)程的運(yùn)用、技術(shù)整合的質(zhì)量。此外，加利福尼亞州、紐約州、北卡羅來(lái)納州、內(nèi)華達(dá)州等也相繼提出了適用于本州STEM發(fā)展情況的標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)分析，這些標(biāo)準(zhǔn)和SQF類似，均強(qiáng)調(diào)與國(guó)家課程標(biāo)準(zhǔn)的一致性、解決真實(shí)的問(wèn)題、基于績(jī)效的任務(wù)和評(píng)估、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、多學(xué)科整合程度等。

這些STEM標(biāo)準(zhǔn)雖不是直接面向STEM教學(xué)設(shè)計(jì)能力提出的，但被普遍用于評(píng)估學(xué)校STEM項(xiàng)目開展情況、指導(dǎo)STEM課程設(shè)計(jì)、支持基于實(shí)踐的STEM專業(yè)發(fā)展等，在教學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。通過(guò)對(duì)比可以看出，STEM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在通用教學(xué)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上有機(jī)融合了STEM的本質(zhì)特征，使其更貼近STEM的真實(shí)設(shè)計(jì)情境?；谠撡|(zhì)量框架，研究者進(jìn)行了有意義的實(shí)踐應(yīng)用，Pinnell等（2013）基于該框架開發(fā)了教學(xué)設(shè)計(jì)模板以支持STEM課程設(shè)計(jì);Guzey等（2016）則基于該框架開發(fā)了STEM整合課程評(píng)估工具（STEM-ICA），用于評(píng)估STEM教師設(shè)計(jì)的課程單元的質(zhì)量。這些研究實(shí)踐驗(yàn)證了該框架在評(píng)估STEM教師教學(xué)設(shè)計(jì)表現(xiàn)方面的有效性和可操作性，因此，本研究所采用的STEM教學(xué)設(shè)計(jì)能力評(píng)估問(wèn)卷、STEM教學(xué)設(shè)計(jì)制品評(píng)價(jià)量規(guī)均借鑒了該框架。

三、STEM協(xié)同教學(xué)設(shè)計(jì)模式構(gòu)建

（一）理論基礎(chǔ)

1. 逆向設(shè)計(jì)的教學(xué)法建模

逆向設(shè)計(jì)（backward design）是美國(guó)課程與教學(xué)領(lǐng)域?qū)＜褿rant Wiggins和Jay Mctighe在1998年提出的一種教學(xué)設(shè)計(jì)模式，包含明確預(yù)期的結(jié)果—確定預(yù)期目標(biāo)達(dá)到的證據(jù)—安排學(xué)習(xí)活動(dòng)和教學(xué)活動(dòng)三個(gè)階段（Wiggins & McTighe， 1998）。其提出是為了避開以往教學(xué)設(shè)計(jì)中的兩大誤區(qū)：聚焦活動(dòng)的教學(xué)和聚焦灌輸?shù)慕虒W(xué)。逆向設(shè)計(jì)“逆”于常規(guī)教學(xué)設(shè)計(jì)之處在于：打破了先學(xué)習(xí)目標(biāo)，再學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)活動(dòng)，最后學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)的設(shè)計(jì)流程;要求教師在確定學(xué)習(xí)目標(biāo)后，首先考慮學(xué)習(xí)證據(jù)和評(píng)價(jià)策略。在美國(guó)，逆向設(shè)計(jì)在STEM學(xué)科，尤其是科學(xué)學(xué)科應(yīng)用廣泛（Davidovitch， 2013），其與當(dāng)下證據(jù)導(dǎo)向的STEM教學(xué)模式有相通之處（余勝泉， 等， 2019），即關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程，通過(guò)設(shè)計(jì)一系列學(xué)習(xí)活動(dòng)讓學(xué)生通過(guò)思考、探究、動(dòng)手實(shí)踐產(chǎn)生外顯的學(xué)習(xí)證據(jù)，以此表征學(xué)生的潛在特質(zhì)和內(nèi)部思維發(fā)生過(guò)程，從而判斷學(xué)習(xí)目標(biāo)是否實(shí)現(xiàn)。雖然傳統(tǒng)的系統(tǒng)化教學(xué)設(shè)計(jì)理論（如迪克-凱里模型）也強(qiáng)調(diào)在確定教學(xué)目標(biāo)后就開發(fā)評(píng)價(jià)方案，但在一線教學(xué)實(shí)踐中研究者們多次發(fā)現(xiàn)：幾乎所有的教師在設(shè)計(jì)好教學(xué)目標(biāo)后都是首先設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)（閆寒冰， 2017），且教師對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)理論尤其是教學(xué)目標(biāo)理論缺乏深入理解和靈活運(yùn)用（鐘志賢， 等， 2019）。逆向設(shè)計(jì)“以始為終”，將設(shè)計(jì)的重點(diǎn)從輸入轉(zhuǎn)向輸出，即從教師要教什么、如何教轉(zhuǎn)向?yàn)榱诉_(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)生需要學(xué)什么，避免因缺乏證據(jù)導(dǎo)向而造成教學(xué)低效或無(wú)效。這與STEM教育致力于發(fā)展跨學(xué)科思維、培養(yǎng)解決問(wèn)題能力、養(yǎng)成創(chuàng)新實(shí)踐能力等理念不謀而合，客觀上為實(shí)現(xiàn)STEM有效教學(xué)提供了參考。

2. 虛擬實(shí)習(xí)的專業(yè)實(shí)踐模式

虛擬實(shí)習(xí)（virtual internships）的概念最初由Shaffer（2007）提出，指的是交互式指導(dǎo)下的在線模擬，學(xué)習(xí)者像科學(xué)家、藝術(shù)家、工程師一樣思考，協(xié)作解決需要?jiǎng)?chuàng)新解決方案的現(xiàn)實(shí)世界問(wèn)題。例如，為了培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的工程思維，學(xué)習(xí)者作為一家虛擬工程公司的實(shí)習(xí)生，在模擬真實(shí)的工程挑戰(zhàn)中和同事協(xié)作，明確需求、制定方案、測(cè)試原型、衡量倫理問(wèn)題等。虛擬實(shí)習(xí)強(qiáng)調(diào)的是任務(wù)內(nèi)容和解決問(wèn)題過(guò)程的真實(shí)性，而非技術(shù)支持下的環(huán)境虛擬性（如VR/AR環(huán)境）或物理逼真度。前期不同領(lǐng)域的專業(yè)實(shí)踐研究表明，虛擬實(shí)習(xí)具有培養(yǎng)工程思維（Chesler， et al.， 2015）、提高專業(yè)技能、轉(zhuǎn)變專業(yè)態(tài)度（Faucette & Nugent， 2015）、降低職業(yè)焦慮等突出優(yōu)勢(shì)。

在教師教育中，虛擬實(shí)習(xí)指的是基于在線環(huán)境，學(xué)習(xí)者在真實(shí)的任務(wù)中扮演實(shí)習(xí)教師的角色，協(xié)作完成真實(shí)的教學(xué)設(shè)計(jì)問(wèn)題（Theelen， et al.， 2019）。教學(xué)設(shè)計(jì)是一種復(fù)雜、劣構(gòu)、涉及決策過(guò)程的問(wèn)題解決活動(dòng)（Jonassen， 1997）。在面向教學(xué)設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的STEM教師教育中，虛擬實(shí)習(xí)的專業(yè)實(shí)踐模式提供了“在設(shè)計(jì)中學(xué)習(xí)”的環(huán)境。該模式強(qiáng)調(diào)使實(shí)習(xí)教師置身于真實(shí)的任務(wù)中，教師在應(yīng)用知識(shí)、技能設(shè)計(jì)特定教學(xué)方案的過(guò)程中有效整合不同學(xué)科，將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)學(xué)科知識(shí)和教學(xué)法知識(shí)融入真實(shí)情境中的問(wèn)題，設(shè)計(jì)需要靈活運(yùn)用各學(xué)科知識(shí)創(chuàng)造性解決問(wèn)題的學(xué)習(xí)任務(wù)，在解決復(fù)雜問(wèn)題的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力。由教師教育者和技術(shù)工具合作扮演虛擬導(dǎo)師角色，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)習(xí)教師的“從旁”引導(dǎo)，通過(guò)講解設(shè)計(jì)原則、示范設(shè)計(jì)過(guò)程、引導(dǎo)和促進(jìn)實(shí)習(xí)教師合作開展設(shè)計(jì)方案討論，以及對(duì)實(shí)習(xí)教師的階段性設(shè)計(jì)成果提供反饋建議，實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)一對(duì)一的認(rèn)知學(xué)徒模式拓展為滿足STEM協(xié)同教學(xué)設(shè)計(jì)需求的虛擬實(shí)習(xí)專業(yè)實(shí)踐模式。

（二）STEM教師教學(xué)設(shè)計(jì)培訓(xùn)模式構(gòu)建

基于上述分析，本研究將STEM教學(xué)設(shè)計(jì)要素融入逆向設(shè)計(jì)的一般過(guò)程，構(gòu)建了虛擬實(shí)習(xí)環(huán)境支持下的STEM協(xié)同教學(xué)設(shè)計(jì)模式，包含逆向設(shè)計(jì)、STEM協(xié)同設(shè)計(jì)、虛擬實(shí)習(xí)環(huán)境三層，如圖1所示。最里層為逆向設(shè)計(jì)流程指導(dǎo)的STEM教學(xué)設(shè)計(jì)，包含明確預(yù)期結(jié)果、確定評(píng)估證據(jù)、設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)體驗(yàn)三個(gè)階段，進(jìn)一步細(xì)分為七個(gè)步驟;第二層既表示STEM核心特征——跨學(xué)科整合，又表示STEM教師教育中不同學(xué)科教師協(xié)同設(shè)計(jì)教案的方式;最外層是支持STEM協(xié)同教學(xué)設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)習(xí)環(huán)境及支架設(shè)計(jì)，包括技術(shù)環(huán)境提供的個(gè)性化功能和虛擬導(dǎo)師的引導(dǎo)和干預(yù)。

1. 以逆向設(shè)計(jì)為核心

總體來(lái)看，STEM逆向設(shè)計(jì)應(yīng)包括三個(gè)階段。階段一：分析課程標(biāo)準(zhǔn)并選擇學(xué)習(xí)目標(biāo)，即明確預(yù)期的結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)決定并塑造了設(shè)計(jì)工作，教學(xué)設(shè)計(jì)師在課程標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)包含跨學(xué)科概念的學(xué)習(xí)目標(biāo)，將不同學(xué)科領(lǐng)域中相互關(guān)聯(lián)的目標(biāo)在特定情境下有機(jī)整合，共同發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究、技術(shù)素養(yǎng)、數(shù)學(xué)思維和工程設(shè)計(jì)能力。階段二：確定評(píng)估證據(jù)并思考評(píng)價(jià)方法，即確定證明預(yù)期目標(biāo)達(dá)到的學(xué)習(xí)證據(jù)。逆向設(shè)計(jì)是面向理解的設(shè)計(jì)，與STEM評(píng)價(jià)理念吻合，強(qiáng)調(diào)基于績(jī)效表現(xiàn)、與真實(shí)世界要求一致的評(píng)價(jià)，證明學(xué)生能夠在真實(shí)情境中運(yùn)用知識(shí)技能，促進(jìn)持久理解。針對(duì)“評(píng)價(jià)范式應(yīng)轉(zhuǎn)向于服務(wù)學(xué)習(xí)”這一旨趣，STEM教師需要考慮多樣化的評(píng)價(jià)方法，針對(duì)不同的學(xué)習(xí)表現(xiàn)和學(xué)習(xí)結(jié)果提供全方位的評(píng)價(jià)反饋。階段三：設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)體驗(yàn)，即確定教學(xué)內(nèi)容和活動(dòng)安排。無(wú)論是來(lái)自理論應(yīng)然的邏輯還是實(shí)踐實(shí)然的驗(yàn)證，基于探究的學(xué)習(xí)、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)、基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)、基于案例的學(xué)習(xí)等模式為STEM學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)提供了參考。除此之外，STEM教師還需考慮教學(xué)策略、課程順序、資源材料等課程設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

從逆向設(shè)計(jì)三個(gè)階段可以看出，逆向設(shè)計(jì)是有目的的設(shè)計(jì)，幫助教師將課程和評(píng)估聚焦在大概念、本質(zhì)問(wèn)題和真實(shí)表現(xiàn)上，其在邏輯上是順向的，但與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)常識(shí)相比是逆向的。需要注意的是，任何設(shè)計(jì)都是一個(gè)循環(huán)迭代的過(guò)程，逆向設(shè)計(jì)的三個(gè)階段并非絕對(duì)的線性關(guān)系。將逆向設(shè)計(jì)作為指導(dǎo)STEM教師教案設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于：①以學(xué)生為中心，以學(xué)習(xí)目標(biāo)為起點(diǎn)?；诳鐚W(xué)科學(xué)習(xí)目標(biāo)開展教學(xué)，將教學(xué)作為達(dá)成目標(biāo)的手段而不是目的。②過(guò)程診斷，以評(píng)促學(xué)。逆向設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)先于教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)，教學(xué)指向發(fā)現(xiàn)證據(jù)、接近目標(biāo)的過(guò)程，打破了事后評(píng)價(jià)的桎梏。另外，從明線上看，教師以評(píng)價(jià)為導(dǎo)向支持學(xué)生跨學(xué)科學(xué)習(xí);從暗線上看，學(xué)生成為評(píng)價(jià)的主體和共同參與者，也發(fā)展了學(xué)生的自我評(píng)價(jià)能力以及自我監(jiān)控的元認(rèn)知能力（田莉， 等， 2015）。③保持目標(biāo)、評(píng)價(jià)與教學(xué)的一致性（葉海龍， 2011）。例如，在美國(guó)《下一代科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（Next Generation Science Standards，NGSS）的學(xué)生預(yù)期表現(xiàn)中，將學(xué)科核心概念與跨學(xué)科概念、科學(xué)和工程實(shí)踐相結(jié)合，要求STEM教師在設(shè)計(jì)評(píng)估時(shí)思考什么是學(xué)習(xí)證據(jù)以及如何引出此類證據(jù)的情境和任務(wù)類型。

2. 以STEM協(xié)同設(shè)計(jì)為抓手

STEM教育的核心是打破單學(xué)科的孤島現(xiàn)狀，通過(guò)現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)問(wèn)題整合學(xué)科（Honey， et al.， 2014）。因此，STEM注重以創(chuàng)新的方式整合各個(gè)學(xué)科的大概念，為學(xué)生提供以更真實(shí)的方式理解世界的機(jī)會(huì)。這通常需要通過(guò)與其他教師合作繪制課程地圖來(lái)實(shí)現(xiàn)（Basham， et al.， 2010）。本模式中以教師參與課程協(xié)同設(shè)計(jì)為抓手，構(gòu)建STEM學(xué)科教師協(xié)作設(shè)計(jì)平臺(tái)。既為教師提供了有效設(shè)計(jì)和實(shí)施STEM跨學(xué)科整合課程的實(shí)踐機(jī)會(huì)，也使得各學(xué)科教師的思想、專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)在交互中產(chǎn)生倍增效應(yīng)。已有研究表明，STEM教師協(xié)作對(duì)其教學(xué)有積極影響，在內(nèi)容知識(shí)和教學(xué)知識(shí)、教學(xué)實(shí)踐、學(xué)生STEM學(xué)科成績(jī)提升上都有良好的表現(xiàn)（Fulton & Britton， 2011），在設(shè)計(jì)高質(zhì)量的課程中被廣泛應(yīng)用（Hixon， 2008）。

3.以虛擬實(shí)習(xí)環(huán)境為支撐、多元支架為助力

STEM教育的特殊性使得教師學(xué)習(xí)需要置于與教學(xué)實(shí)踐相關(guān)的真實(shí)情境中，從個(gè)體認(rèn)知轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际秸J(rèn)知（Putnam & Borko， 2000）。而虛擬實(shí)習(xí)可將STEM教師置身于與其真實(shí)工作情境類似的環(huán)境中，通過(guò)富媒體資源、協(xié)作共享、監(jiān)控反饋等促進(jìn)STEM協(xié)同教學(xué)設(shè)計(jì)。同時(shí)，研究也表明有效的在線專業(yè)學(xué)習(xí)的關(guān)鍵在于專業(yè)的促進(jìn)型導(dǎo)師、可用的在線協(xié)作工具（如聊天室、文件共享）、穩(wěn)定且“用戶友好”的平臺(tái)（Fulton & Britton， 2011）。因此，在虛擬實(shí)習(xí)環(huán)境基礎(chǔ)上，提供相應(yīng)的學(xué)習(xí)支架、營(yíng)造良好的集體知識(shí)增生和創(chuàng)生環(huán)境能更好地提升教師的專業(yè)知能。在本模式中，除提供可靠的技術(shù)支持和相關(guān)的資源之外，還為STEM教師配備虛擬導(dǎo)師，其在整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中承擔(dān)多重促進(jìn)者的角色：促進(jìn)知識(shí)，包括提供相關(guān)的STEM教學(xué)設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí);促進(jìn)過(guò)程，關(guān)注小組結(jié)構(gòu)和互動(dòng);促進(jìn)目標(biāo)，使小組聚焦設(shè)計(jì)目標(biāo)。虛擬導(dǎo)師的任務(wù)具體包括組織并促進(jìn)討論、監(jiān)控設(shè)計(jì)過(guò)程并提供反饋、評(píng)價(jià)STEM教師表現(xiàn)等。

4. 基于虛擬實(shí)習(xí)的STEM教師教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)

在構(gòu)建STEM協(xié)同教學(xué)設(shè)計(jì)模式的基礎(chǔ)上，本研究采用基于設(shè)計(jì)的研究理念，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一款單頁(yè)面架構(gòu)（single page application，SPA）的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)工具類Web App。通過(guò)需求分析、元數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)、流程設(shè)計(jì)和交互設(shè)計(jì)，整合開發(fā)的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)平臺(tái)提供了一套系統(tǒng)的支架以支持用戶進(jìn)行完整的 STEM 課程設(shè)計(jì)，同時(shí)該工具還能為用戶的課程設(shè)計(jì)結(jié)果生成最終的 STEM 課程設(shè)計(jì)報(bào)告以輔助 STEM 培訓(xùn)者進(jìn)行有關(guān)培訓(xùn)的評(píng)價(jià)。前端網(wǎng)頁(yè)的開發(fā)以HTML5、CSS3 與 JavaScript 三者結(jié)合為主，服務(wù)器端的 API 主要由 PHP 來(lái)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)界面如圖2所示，基本學(xué)習(xí)活動(dòng)流程如圖3所示。

四、虛擬實(shí)習(xí)背景下STEM協(xié)同

教學(xué)設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究

本研究以設(shè)計(jì)“水過(guò)濾主題的STEM課程”為課例，將虛擬實(shí)習(xí)環(huán)境支持下的STEM協(xié)同教學(xué)設(shè)計(jì)模式應(yīng)用于上海市某高校的中小學(xué)在職教師培訓(xùn)教學(xué)中，通過(guò)學(xué)習(xí)制品的評(píng)估（專家法）、《STEM教學(xué)設(shè)計(jì)能力量表》、《協(xié)作水平量表》等評(píng)價(jià)方法和工具驗(yàn)證模式的有效性。

（一）研究設(shè)計(jì)

此次實(shí)驗(yàn)，共有21位在職教師自愿參與了主題為“水過(guò)濾主題的STEM課程設(shè)計(jì)”的教學(xué)設(shè)計(jì)活動(dòng)，隨機(jī)分為6組，每組3～4人。實(shí)驗(yàn)周期為一學(xué)期（36課時(shí)）。研究工具采用本研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的STEM虛擬實(shí)習(xí)平臺(tái)，在虛擬導(dǎo)師的指導(dǎo)下每組都將完成8個(gè)STEM課程協(xié)同設(shè)計(jì)活動(dòng)（如圖4所示）。其中，虛擬導(dǎo)師由真實(shí)的STEM教育專家與智能代理共同組成，專家承擔(dān)指導(dǎo)教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)、參與小組討論、評(píng)估教學(xué)設(shè)計(jì)效果等職責(zé);智能代理負(fù)責(zé)提供課程資源、問(wèn)答結(jié)構(gòu)性知識(shí)、發(fā)布階段性任務(wù)等。在研究項(xiàng)目開始之前，研究者與兩名人類虛擬導(dǎo)師研討虛擬實(shí)習(xí)環(huán)境支持下的STEM協(xié)同教學(xué)設(shè)計(jì)模式、活動(dòng)設(shè)計(jì)、虛擬實(shí)習(xí)平臺(tái)功能、支架設(shè)計(jì)內(nèi)容等，以使虛擬導(dǎo)師全面、深入地理解教學(xué)過(guò)程。在設(shè)計(jì)活動(dòng)結(jié)束后，兩位專家使用《STEM教學(xué)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)量規(guī)》對(duì)各組完成的STEM課程設(shè)計(jì)報(bào)告進(jìn)行評(píng)估，21位研究對(duì)象有效完成了《STEM教學(xué)設(shè)計(jì)能力量表》《協(xié)作水平量表》的測(cè)量。

（二）研究工具

《STEM教學(xué)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)量規(guī)》依據(jù)STEM教學(xué)設(shè)計(jì)能力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合水過(guò)濾主題的設(shè)計(jì)內(nèi)容，設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)用于評(píng)估學(xué)習(xí)制品，即STEM課程設(shè)計(jì)報(bào)告。共包括八個(gè)維度：吸引學(xué)生投入的情境、工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)、科學(xué)內(nèi)容整合、數(shù)學(xué)內(nèi)容整合、技術(shù)整合、STEM整合、內(nèi)容選擇與活動(dòng)設(shè)計(jì)、績(jī)效與評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)，每個(gè)維度的滿分為五分。兩位專家用該量規(guī)評(píng)估了六組受訓(xùn)教師的STEM課程設(shè)計(jì)報(bào)告，Cohens Kappa值為0.77，具有較高的一致性。

《STEM教學(xué)設(shè)計(jì)能力量表》：依據(jù)STEM教學(xué)設(shè)計(jì)能力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究者編制了與《STEM教學(xué)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)量規(guī)》維度一致的量表，每個(gè)維度下3～4個(gè)題項(xiàng)，共28個(gè)題項(xiàng)。量表采用李克特五點(diǎn)計(jì)分（1=完全不同意，5=完全同意，得分越高說(shuō)明自我感知的STEM教學(xué)設(shè)計(jì)能力越高），各維度的內(nèi)部一致性信度系數(shù)在0.76～0.90之間。

《協(xié)作水平量表》：采用Rose（2002）編制的《小組協(xié)作量表》的簡(jiǎn)化版測(cè)量小組協(xié)作水平，該量表由14個(gè)題項(xiàng)組成，采用李克特五點(diǎn)計(jì)分，從“1=完全不同意”到“5=完全同意”。示例題項(xiàng)如，“我們團(tuán)隊(duì)經(jīng)常就不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行爭(zhēng)論探討”“我依賴導(dǎo)師來(lái)驗(yàn)證我的觀點(diǎn)是否正確”（反向計(jì)分）。在本次測(cè)量中，該量表內(nèi)部一致性信度系數(shù)為0.87。

（三）分析與討論

1. STEM課程設(shè)計(jì)能力

研究結(jié)果顯示，兩位專家對(duì)6個(gè)小組的STEM課程設(shè)計(jì)報(bào)告評(píng)分（每組八個(gè)維度的均分）均在3.5分以上（M=3.75，SD=0.21），說(shuō)明在本研究構(gòu)建的模式指導(dǎo)下生成的學(xué)習(xí)制品質(zhì)量較高。自評(píng)結(jié)果顯示，被試對(duì)各自小組在STEM課程設(shè)計(jì)能力8個(gè)維度上的平均打分都高于4.0分，三分之二的小組平均分高于4.0分，所有小組的平均分為4.35分（SD=0.53）。即在虛擬實(shí)習(xí)環(huán)境中，基于逆向設(shè)計(jì)的協(xié)同STEM課程設(shè)計(jì)活動(dòng)，無(wú)論從客觀還是主觀情形來(lái)看均能有效提升教師各個(gè)維度的設(shè)計(jì)能力。

2. 小組協(xié)作水平

協(xié)作情況分析的結(jié)果顯示，88.89%的被試認(rèn)為團(tuán)隊(duì)協(xié)作提高了學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)質(zhì)量，與個(gè)人獨(dú)立設(shè)計(jì)相比，更愿意參與協(xié)同設(shè)計(jì)?？傮w協(xié)作水平的均分及方差為M（SD）=3.99（0.68），說(shuō)明大部分教師小組在協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠共同承擔(dān)責(zé)任、解決問(wèn)題、管理沖突，在發(fā)展設(shè)計(jì)能力的同時(shí)有效提升協(xié)作能力。

五、結(jié)語(yǔ)

無(wú)論是何種形式的STEM教師教育，其關(guān)鍵不僅是讓教師習(xí)得一種方法，更應(yīng)使教師具備“適應(yīng)性專長(zhǎng)”，既能運(yùn)用已有的知識(shí)技能有效解決問(wèn)題，也能突破常規(guī)，重構(gòu)STEM教學(xué)理念，不斷尋求適用于新情境的策略。本研究從提高STEM教師設(shè)計(jì)能力的目標(biāo)出發(fā)，在厘清STEM教師教育與設(shè)計(jì)思維關(guān)系的基礎(chǔ)上，首先通過(guò)逆向設(shè)計(jì)建模STEM教學(xué)設(shè)計(jì)流程構(gòu)建基于虛擬實(shí)習(xí)的專業(yè)實(shí)踐模式，再通過(guò)設(shè)計(jì)和實(shí)施虛擬實(shí)習(xí)STEM協(xié)同教學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)境開展初步效果驗(yàn)證?？傮w來(lái)看：

（一）逆向設(shè)計(jì)可破解STEM課程中目標(biāo)缺位與異位困境

中小學(xué)在開展STEM教育實(shí)踐的過(guò)程中，由于缺乏目標(biāo)導(dǎo)向和多學(xué)科知識(shí)的融合，導(dǎo)致課程教學(xué)目標(biāo)不明確、教學(xué)設(shè)計(jì)模式不清晰。逆向設(shè)計(jì)使教學(xué)從基于經(jīng)驗(yàn)或內(nèi)容走向了基于課程標(biāo)準(zhǔn)，保持了課程內(nèi)容、評(píng)估和交付的一致性，能夠有效促進(jìn)STEM課程學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成。

（二）協(xié)同教案設(shè)計(jì)契合STEM跨學(xué)科整合的本質(zhì)

“重學(xué)科知識(shí)，輕教學(xué)實(shí)踐”的教師教育模式在培養(yǎng)STEM教師的設(shè)計(jì)思維時(shí)存在局限，尤其是對(duì)單學(xué)科譜系下培養(yǎng)的新STEM教師而言。協(xié)同教案設(shè)計(jì)提供了集體設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，在分布式認(rèn)知活動(dòng)中教師運(yùn)用跨學(xué)科思維開展合作。通過(guò)在“設(shè)計(jì)中學(xué)習(xí)”，教師不僅可以收獲STEM課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，還有機(jī)會(huì)通過(guò)集體知識(shí)管理、反思性實(shí)踐形成STEM教學(xué)設(shè)計(jì)模式。

（三）虛擬實(shí)習(xí)環(huán)境為跨學(xué)科整合的多元交互式設(shè)計(jì)實(shí)踐提供了支持

虛擬實(shí)習(xí)環(huán)境為教師提供了踐行知識(shí)技能、保障有效交互、及時(shí)評(píng)價(jià)反饋的模擬環(huán)境，拓寬了STEM教師的學(xué)習(xí)通道。營(yíng)造真實(shí)性、參與性的設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)境有利于充分調(diào)動(dòng)STEM教師的內(nèi)在動(dòng)機(jī)，促進(jìn)STEM課程設(shè)計(jì)的持續(xù)性改進(jìn)。

最后，在本研究構(gòu)建的模式指導(dǎo)下的STEM教師教育仍存在一定缺陷。如對(duì)學(xué)科結(jié)構(gòu)性知識(shí)的學(xué)習(xí)和跨學(xué)科整合經(jīng)驗(yàn)的培養(yǎng)不足、協(xié)作初期教師之間存在矛盾需要調(diào)解等，需要通過(guò)不斷迭代改進(jìn)逆向設(shè)計(jì)活動(dòng)，完善虛擬實(shí)習(xí)環(huán)境的功能和支架設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)有效的虛擬導(dǎo)師引導(dǎo)策略，不斷推動(dòng)STEM教學(xué)設(shè)計(jì)活動(dòng)深入開展。

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收稿日期：2020-05-21

定稿日期：2020-11-19

作者簡(jiǎn)介：胡藝齡，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師;彭曉玲，碩士研究生;吳忭，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，本文通訊作者。華東師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)系（200062）。

責(zé)任編輯 單 玲