基于COP的小學(xué)科學(xué)優(yōu)質(zhì)課例STEM特征研究

陳 凱，蔣 昱，郭金星，朱玉潔

一、引言

STEM教育已經(jīng)進(jìn)入中國(guó)教育界和公眾視野，目前研究文獻(xiàn)以綜述性、思辨類(lèi)、教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)文獻(xiàn)為主[1]。教學(xué)實(shí)踐者普遍存在一些誤解，有的將STEM學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)加以拼湊而并非有機(jī)融合，有的只是根據(jù)個(gè)人的片面理解去簡(jiǎn)單地改造現(xiàn)有的科學(xué)課或勞技課，有的學(xué)校依靠從社會(huì)機(jī)構(gòu)購(gòu)買(mǎi)課程卻沒(méi)有改善本校教師理念和教學(xué)水平，有的學(xué)校單純地將機(jī)器人編程類(lèi)課程作為STEM教育的全部等。

STEM是一種以項(xiàng)目學(xué)習(xí)和問(wèn)題解決為導(dǎo)向，將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)多學(xué)科有機(jī)地融為一體的課程組織方式[2]。STEM教學(xué)不僅需要聚焦于學(xué)科整合能力、解決真實(shí)問(wèn)題能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)，還需要在課程內(nèi)容上關(guān)注STEM不同學(xué)科之間的聯(lián)系和學(xué)生興趣，在教學(xué)過(guò)程中強(qiáng)化科學(xué)實(shí)踐教學(xué)[3]。

國(guó)內(nèi)已有不少將STEM教學(xué)運(yùn)用在小學(xué)科學(xué)課堂的實(shí)例，如“擺的秘密”“形狀與結(jié)構(gòu)”“水的凈化”等課例實(shí)踐。但現(xiàn)有的小學(xué)科學(xué)STEM課例多以教學(xué)設(shè)計(jì)、案例分析的形式呈現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)，缺少基于證據(jù)的分析和提煉，尤其缺少對(duì)STEM課堂的系統(tǒng)研究。鑒于國(guó)內(nèi)STEM教育剛剛起步，所以我們借助美國(guó)課堂觀察評(píng)價(jià)工具對(duì)以STEM為特色的小學(xué)科學(xué)優(yōu)質(zhì)課例進(jìn)行研究，希望在數(shù)據(jù)中挖掘出小學(xué)科學(xué)優(yōu)質(zhì)課的STEM特征，為STEM課例設(shè)計(jì)提供更豐富的證據(jù)支撐。

二、STEM課堂教學(xué)評(píng)價(jià)的已有研究

STEM課堂教學(xué)評(píng)價(jià)應(yīng)呈現(xiàn)多樣化形式，以過(guò)程性評(píng)價(jià)為主，總結(jié)性評(píng)價(jià)為輔，并采用多元化的評(píng)價(jià)維度。評(píng)價(jià)內(nèi)容除了基本的教學(xué)質(zhì)量以外，包括但不限于師生之間與學(xué)生之間的互動(dòng)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)發(fā)了多種課堂觀察量表或是對(duì)不同維度教學(xué)的定性描述指南，例如OTOP、VOS、CLOP、CIEOP、SIOP和COPUS[4]等，有的針對(duì)整合式STEM課程，有的適合理科單科課程，但也可遷移到其他學(xué)科課堂評(píng)價(jià)。在新近開(kāi)發(fā)的量表中，美國(guó)的“改革后的課堂教學(xué)觀察評(píng)價(jià)量表（RTOP）”較早被我國(guó)學(xué)者關(guān)注，該工具“基于標(biāo)準(zhǔn)”體現(xiàn)“探究取向”，并已經(jīng)應(yīng)用于中國(guó)物理課堂教學(xué)觀察[5]。德克薩斯州立大學(xué)的教學(xué)觀察方案（UTeach Obse-rvation Protocol，UTOP）也被國(guó)內(nèi)用于STEM課堂的分析，在課堂環(huán)境和執(zhí)行效果兩個(gè)維度上具有較好的課堂區(qū)分性[6]?？紤]到國(guó)際STEM教育的跨學(xué)科視角以及對(duì)科學(xué)實(shí)踐的關(guān)注，我們選擇了由北卡羅來(lái)納州大學(xué)開(kāi)發(fā)的課堂觀察量表（Classroom Observation Protocol，簡(jiǎn)稱(chēng)COP）[7]，該工具綜合考慮課堂中的師生參與、學(xué)科內(nèi)容、實(shí)踐活動(dòng)等，與中國(guó)本土的小學(xué)科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)改革趨勢(shì)也有所契合。

三、研究設(shè)計(jì)

（一）研究目的

選擇典型的課例錄像，借助國(guó)外的STEM課堂評(píng)價(jià)工具進(jìn)行編碼與分析，以此發(fā)現(xiàn)我國(guó)目前小學(xué)科學(xué)優(yōu)質(zhì)課堂在STEM維度上的特征。

（二）STEM課堂評(píng)價(jià)工具

COP共有8個(gè)維度（見(jiàn)表1），每個(gè)維度下有5-9個(gè)觀察點(diǎn)，針對(duì)每個(gè)觀察點(diǎn)進(jìn)行編碼并打分，觀察標(biāo)度如下：0=完全不符合；1=稍微符合；2=大致符合；3=完全符合。

表1.COP的工具具體內(nèi)容

續(xù)表1.COP的工具具體內(nèi)容

（三）研究樣本

自2018年以來(lái)，我國(guó)兩次舉辦全國(guó)小學(xué)STEM課堂教學(xué)觀摩研討活動(dòng)，集中性呈現(xiàn)高水平的STEM課堂示范。本文選取兩次活動(dòng)中八節(jié)小學(xué)科學(xué)優(yōu)質(zhì)課課堂視頻作為研究對(duì)象，基于COP工具對(duì)這八節(jié)課進(jìn)行編碼分析，用“S+數(shù)字”表示不同主題的課堂。

四、研究數(shù)據(jù)與討論

（一）信度分析

由于研究者在使用COP進(jìn)行評(píng)分的過(guò)程中，主觀因素的影響不可避免，對(duì)于量表所提供的各個(gè)維度評(píng)分的標(biāo)準(zhǔn)自然有所差異，因此需要進(jìn)行評(píng)分者信度計(jì)算來(lái)檢驗(yàn)量表是否可信。在本研究中，選擇兩位評(píng)分者按照COP對(duì)一個(gè)課例視頻S1進(jìn)行分析。一位是有過(guò)一年工作經(jīng)驗(yàn)的科學(xué)教師J（本文第二作者）；一位是小學(xué)科學(xué)教學(xué)五年經(jīng)驗(yàn)的教師Z（本文第四作者）。相互同意度計(jì)算方法：

（二）數(shù)據(jù)分析

通過(guò)以上工具分析八節(jié)課例獲得數(shù)據(jù)：

1.整體課堂高分?jǐn)?shù)據(jù)分析

八節(jié)STEM優(yōu)質(zhì)課在課堂文化和學(xué)生參與度這兩個(gè)方面都獲得了滿(mǎn)分。課堂中的小組合作、成果展示和學(xué)生互評(píng)十分融洽，因此在課堂文化和學(xué)生參與兩個(gè)維度上幾乎每一個(gè)觀察因素都符合量表中給出的特征。說(shuō)明在STEM課堂中，師生互動(dòng)、學(xué)生的積極思考和行動(dòng)都不可或缺，有意義STEM項(xiàng)目的調(diào)動(dòng)和激發(fā)、優(yōu)秀教師的教育理念和課堂管理，都是這兩個(gè)維度高分的關(guān)鍵因素。在視頻中明顯可以看到教師在課堂中積極尋求學(xué)生的主動(dòng)參與，例如：在S1“美麗的泡泡”課堂第56秒以獎(jiǎng)品積極尋求學(xué)生的主動(dòng)參與；第3分鐘，又引導(dǎo)學(xué)生參與肥皂泡的討論；5分30秒，讓學(xué)生自主選擇材料制作肥皂泡。

（1）教師的活動(dòng)分類(lèi)

研究課例中的教師活動(dòng)主要分為四種：

一是提問(wèn)。通常從學(xué)生可以根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)作出判斷或者學(xué)生感興趣的話題入手，引導(dǎo)進(jìn)入新知識(shí)的學(xué)習(xí)，最后發(fā)展為需要學(xué)生使用高階認(rèn)知技能解決問(wèn)題。

二是提示學(xué)生的回答并講解正確的答案。STEM課堂中學(xué)生會(huì)根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)和課堂問(wèn)題的鋪墊進(jìn)行推理；教師鼓勵(lì)學(xué)生之間的交流和互相評(píng)價(jià)，正確的答案往往在學(xué)生討論之間被揭示，不需要額外的講解。

三是為學(xué)生的答案提供反饋。STEM課堂中提供的反饋都是正面的，即使學(xué)生提出了錯(cuò)誤的回答，教師也在強(qiáng)調(diào)犯錯(cuò)不可怕，關(guān)鍵是在錯(cuò)誤中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

四是課堂情況的管理。出現(xiàn)管理項(xiàng)的時(shí)間分布在課堂開(kāi)始時(shí)期和小組合作探究結(jié)束到學(xué)生進(jìn)行匯報(bào)講解的過(guò)渡時(shí)期，這兩個(gè)時(shí)間段主要是對(duì)課堂秩序的調(diào)整。

（2）學(xué)生的活動(dòng)分類(lèi)

研究樣本中的學(xué)生活動(dòng)大致可分為四種：

一是回答問(wèn)題。教師以提問(wèn)的形式引發(fā)學(xué)生對(duì)核心概念的思考。例如S4“堅(jiān)固的建筑”為例：通過(guò)學(xué)生對(duì)地震危害的回答，以驅(qū)動(dòng)性的開(kāi)放問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生思考如何提高建筑的抗震性能，展開(kāi)對(duì)建筑堅(jiān)固性能的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)。

二是小組合作探究。小組合作探究常見(jiàn)于工程領(lǐng)域的STEM課程。教師僅提供大綱指引及適當(dāng)幫助，課程的設(shè)計(jì)、操作、解釋環(huán)節(jié)全部由學(xué)生自己完成。例如從S4課堂6分28秒處，教師僅提供搭建建筑的材料以及要求，而在后面學(xué)生搭建模型過(guò)程中可以觀察到，此時(shí)學(xué)生正全身心投入模型的搭建，教師只需做好對(duì)學(xué)生搭建模型的適當(dāng)指導(dǎo)。

三是在講臺(tái)上展示并解釋自己的成果。學(xué)生呈現(xiàn)出極高的表現(xiàn)欲，具體表現(xiàn)為更主動(dòng)積極地參與活動(dòng)和更有邏輯性的表達(dá)。例如S4課堂第35分鐘，學(xué)生在完成模型搭建及抗震性能檢測(cè)后，運(yùn)用所學(xué)地震知識(shí)，對(duì)模型作出透徹解釋?zhuān)治鲈诮ㄖ锏撞考由系鬃蠓勒鹉芰υ鰪?qiáng)的兩種可能，并提供相應(yīng)理論和證據(jù)。

四是互相評(píng)價(jià)和解釋答案。學(xué)生在互相評(píng)價(jià)的過(guò)程中由其他組的成員提出疑問(wèn)或建議，通過(guò)分享經(jīng)驗(yàn)的方式促進(jìn)學(xué)生對(duì)自己的學(xué)習(xí)查漏補(bǔ)缺。例如在S4課堂41分30秒，針對(duì)當(dāng)前模型在現(xiàn)實(shí)中的可行性的質(zhì)疑，模型搭建者進(jìn)行解答并提出解決方案，加深理解并完善方案。

2.高分值數(shù)據(jù)分析

八個(gè)課例在教學(xué)模式的框架、數(shù)學(xué)和科學(xué)學(xué)科內(nèi)容、科學(xué)探究與研究性學(xué)習(xí)、有意義教學(xué)中學(xué)生的認(rèn)知和參與這四個(gè)觀察因素上的得分較高。例如S3“過(guò)山車(chē)”的開(kāi)始，教師引導(dǎo)學(xué)生解釋對(duì)過(guò)山車(chē)結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)意義教學(xué)后，教師使用準(zhǔn)確和適當(dāng)?shù)目茖W(xué)詞匯對(duì)問(wèn)題進(jìn)行陳述，符合數(shù)學(xué)和科學(xué)學(xué)科內(nèi)容的維度。3分35秒時(shí)，教師提供制作材料，并安排學(xué)生小組討論及合作搭建，符合教學(xué)模式的框架；同時(shí)，學(xué)生動(dòng)手參與過(guò)山車(chē)模型制作，又體現(xiàn)了課程的科學(xué)探究與研究性學(xué)習(xí)特征?！翱茖W(xué)實(shí)踐”被界定為從自然現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，采取科學(xué)方法收集處理數(shù)據(jù)等證據(jù)來(lái)形成模型或理論，并解決先前提出的問(wèn)題——這一點(diǎn)恰好從第三個(gè)維度的各個(gè)要素綜合體現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)大部分課在這個(gè)維度得分均超過(guò)2.5分，說(shuō)明我國(guó)STEM優(yōu)質(zhì)課注意將科學(xué)學(xué)習(xí)與真實(shí)問(wèn)題相聯(lián)系，“實(shí)踐”層面有了很大進(jìn)步。

3.不同課堂數(shù)據(jù)差異分析

技術(shù)應(yīng)用差異最大，得分最高的是“輪子”“堅(jiān)固的建筑”和“建立校園生態(tài)系統(tǒng)模型”這三節(jié)課，得分最低的是S8“星際種植”，體現(xiàn)在教學(xué)媒體類(lèi)型和頻次相差較大。以“建立校園生態(tài)系統(tǒng)”為例，教師指導(dǎo)學(xué)生用Excel統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。技術(shù)的使用在課堂中占用時(shí)間較長(zhǎng)。但是在“星際種植”中，使用技術(shù)的部分僅是利用多媒體播放視頻，課堂中學(xué)生沒(méi)有自己利用技術(shù)的機(jī)會(huì)。所以，不同課堂中主題差異和教師信息技術(shù)意識(shí)及習(xí)慣的差異，決定了對(duì)技術(shù)工具的依賴(lài)性有所不同。有五節(jié)課例在這一維度得分偏低，在一定程度上也說(shuō)明目前的科學(xué)課堂技術(shù)應(yīng)用范圍還局限在多媒體技術(shù)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)、科學(xué)影像工具、VR、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等并未得到廣泛關(guān)注。

4.STEM特色數(shù)據(jù)分析

由于研究對(duì)象是基于小學(xué)科學(xué)課程衍生的STEM教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，所以課堂教學(xué)內(nèi)容仍然得圍繞“學(xué)科核心概念”——這是學(xué)科教學(xué)的基礎(chǔ)。NGSS認(rèn)為符合下列兩條及以上標(biāo)準(zhǔn)的概念才可以定為核心概念：（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；（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)，或者聯(lián)系到需要科學(xué)或工程學(xué)知識(shí)的社會(huì)性或個(gè)人關(guān)注的問(wèn)題；（4）能在不同的年級(jí)進(jìn)行教與學(xué)，并呈現(xiàn)出深度和復(fù)雜性上的增加水平[8]。依據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)作為1f維度的評(píng)分依據(jù)。

此外，STEM作為跨學(xué)科的項(xiàng)目學(xué)習(xí)方式，還需要關(guān)注超出學(xué)科界限的概念，這些概念在科學(xué)、數(shù)學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域中均能彰顯其說(shuō)明事物、創(chuàng)造理論以及在觀察和設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)揮著重要的作用，1h維度的提出是為了學(xué)生更好地理解和聯(lián)系不同學(xué)科領(lǐng)域、不同年級(jí)階段的學(xué)科核心概念。

1f和1h維度平均分都達(dá)到2.88分，說(shuō)明優(yōu)質(zhì)課例注重融合學(xué)科視角探究具體問(wèn)題，也凸顯某一學(xué)科領(lǐng)域的核心概念學(xué)習(xí)需要[9]。

五、研究結(jié)論

綜上所述，STEM優(yōu)質(zhì)課例中學(xué)生的參與度都很高，并向?qū)W生提供了充足的時(shí)間進(jìn)行自我總結(jié)和互相評(píng)價(jià)；都注重科學(xué)實(shí)踐，讓學(xué)生自己動(dòng)手，參與設(shè)計(jì)和制作，并有機(jī)會(huì)應(yīng)用工具，兼顧學(xué)科核心概念與跨學(xué)科概念。不過(guò)，部分課例在概念理解、技術(shù)應(yīng)用、項(xiàng)目成果的評(píng)價(jià)、學(xué)生主動(dòng)性方面表現(xiàn)分?jǐn)?shù)偏低。

六、研究反思

國(guó)內(nèi)針對(duì)STEM課堂實(shí)證研究還未全面展開(kāi)[10]，借鑒國(guó)際課堂評(píng)價(jià)工具雖然有助于我國(guó)一線教師和教育研究者對(duì)STEM課堂的探索，但是在我國(guó)中小學(xué)的應(yīng)用中，應(yīng)該置于怎樣的情境中？如何根據(jù)我國(guó)中小學(xué)科學(xué)課堂實(shí)際和科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步細(xì)化或清晰評(píng)分規(guī)則、更好地表述維度要求？從這個(gè)意義上說(shuō)，COP對(duì)于我國(guó)只是一件半成品，要真正發(fā)揮其作用，還需要實(shí)踐者的參與和智慧。

研究的樣本選擇均為在優(yōu)質(zhì)課比賽時(shí)錄制的視頻，但畢竟常態(tài)課堂和賽課時(shí)的師生表現(xiàn)會(huì)有所差異；而且賽課時(shí)間控制在一小時(shí)以?xún)?nèi)，未必能充分體現(xiàn)工程學(xué)探索的全過(guò)程，所以以上結(jié)論可能存在一定的片面性。