基于COP的小學科學優(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)進入中國教育界和公眾視野，目前研究文獻以綜述性、思辨類、教學經(jīng)驗總結(jié)文獻為主[1]。教學實踐者普遍存在一些誤解，有的將STEM學科領域知識加以拼湊而并非有機融合，有的只是根據(jù)個人的片面理解去簡單地改造現(xiàn)有的科學課或勞技課，有的學校依靠從社會機構(gòu)購買課程卻沒有改善本校教師理念和教學水平，有的學校單純地將機器人編程類課程作為STEM教育的全部等。

STEM是一種以項目學習和問題解決為導向，將科學、技術、工程、數(shù)學多學科有機地融為一體的課程組織方式[2]。STEM教學不僅需要聚焦于學科整合能力、解決真實問題能力和創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)，還需要在課程內(nèi)容上關注STEM不同學科之間的聯(lián)系和學生興趣，在教學過程中強化科學實踐教學[3]。

國內(nèi)已有不少將STEM教學運用在小學科學課堂的實例，如“擺的秘密”“形狀與結(jié)構(gòu)”“水的凈化”等課例實踐。但現(xiàn)有的小學科學STEM課例多以教學設計、案例分析的形式呈現(xiàn)經(jīng)驗，缺少基于證據(jù)的分析和提煉，尤其缺少對STEM課堂的系統(tǒng)研究。鑒于國內(nèi)STEM教育剛剛起步，所以我們借助美國課堂觀察評價工具對以STEM為特色的小學科學優(yōu)質(zhì)課例進行研究，希望在數(shù)據(jù)中挖掘出小學科學優(yōu)質(zhì)課的STEM特征，為STEM課例設計提供更豐富的證據(jù)支撐。

二、STEM課堂教學評價的已有研究

STEM課堂教學評價應呈現(xiàn)多樣化形式，以過程性評價為主，總結(jié)性評價為輔，并采用多元化的評價維度。評價內(nèi)容除了基本的教學質(zhì)量以外，包括但不限于師生之間與學生之間的互動。國內(nèi)外學者開發(fā)了多種課堂觀察量表或是對不同維度教學的定性描述指南，例如OTOP、VOS、CLOP、CIEOP、SIOP和COPUS[4]等，有的針對整合式STEM課程，有的適合理科單科課程，但也可遷移到其他學科課堂評價。在新近開發(fā)的量表中，美國的“改革后的課堂教學觀察評價量表（RTOP）”較早被我國學者關注，該工具“基于標準”體現(xiàn)“探究取向”，并已經(jīng)應用于中國物理課堂教學觀察[5]。德克薩斯州立大學的教學觀察方案（UTeach Obse-rvation Protocol，UTOP）也被國內(nèi)用于STEM課堂的分析，在課堂環(huán)境和執(zhí)行效果兩個維度上具有較好的課堂區(qū)分性[6]?？紤]到國際STEM教育的跨學科視角以及對科學實踐的關注，我們選擇了由北卡羅來納州大學開發(fā)的課堂觀察量表（Classroom Observation Protocol，簡稱COP）[7]，該工具綜合考慮課堂中的師生參與、學科內(nèi)容、實踐活動等，與中國本土的小學科學教育標準改革趨勢也有所契合。

三、研究設計

（一）研究目的

選擇典型的課例錄像，借助國外的STEM課堂評價工具進行編碼與分析，以此發(fā)現(xiàn)我國目前小學科學優(yōu)質(zhì)課堂在STEM維度上的特征。

（二）STEM課堂評價工具

COP共有8個維度（見表1），每個維度下有5-9個觀察點，針對每個觀察點進行編碼并打分，觀察標度如下：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，我國兩次舉辦全國小學STEM課堂教學觀摩研討活動，集中性呈現(xiàn)高水平的STEM課堂示范。本文選取兩次活動中八節(jié)小學科學優(yōu)質(zhì)課課堂視頻作為研究對象，基于COP工具對這八節(jié)課進行編碼分析，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進行評分的過程中，主觀因素的影響不可避免，對于量表所提供的各個維度評分的標準自然有所差異，因此需要進行評分者信度計算來檢驗量表是否可信。在本研究中，選擇兩位評分者按照COP對一個課例視頻S1進行分析。一位是有過一年工作經(jīng)驗的科學教師J（本文第二作者）；一位是小學科學教學五年經(jīng)驗的教師Z（本文第四作者）。相互同意度計算方法：

（二）數(shù)據(jù)分析

通過以上工具分析八節(jié)課例獲得數(shù)據(jù)：

1.整體課堂高分數(shù)據(jù)分析

八節(jié)STEM優(yōu)質(zhì)課在課堂文化和學生參與度這兩個方面都獲得了滿分。課堂中的小組合作、成果展示和學生互評十分融洽，因此在課堂文化和學生參與兩個維度上幾乎每一個觀察因素都符合量表中給出的特征。說明在STEM課堂中，師生互動、學生的積極思考和行動都不可或缺，有意義STEM項目的調(diào)動和激發(fā)、優(yōu)秀教師的教育理念和課堂管理，都是這兩個維度高分的關鍵因素。在視頻中明顯可以看到教師在課堂中積極尋求學生的主動參與，例如：在S1“美麗的泡泡”課堂第56秒以獎品積極尋求學生的主動參與；第3分鐘，又引導學生參與肥皂泡的討論；5分30秒，讓學生自主選擇材料制作肥皂泡。

（1）教師的活動分類

研究課例中的教師活動主要分為四種：

一是提問。通常從學生可以根據(jù)生活經(jīng)驗作出判斷或者學生感興趣的話題入手，引導進入新知識的學習，最后發(fā)展為需要學生使用高階認知技能解決問題。

二是提示學生的回答并講解正確的答案。STEM課堂中學生會根據(jù)已有經(jīng)驗和課堂問題的鋪墊進行推理；教師鼓勵學生之間的交流和互相評價，正確的答案往往在學生討論之間被揭示，不需要額外的講解。

三是為學生的答案提供反饋。STEM課堂中提供的反饋都是正面的，即使學生提出了錯誤的回答，教師也在強調(diào)犯錯不可怕，關鍵是在錯誤中吸取經(jīng)驗教訓。

四是課堂情況的管理。出現(xiàn)管理項的時間分布在課堂開始時期和小組合作探究結(jié)束到學生進行匯報講解的過渡時期，這兩個時間段主要是對課堂秩序的調(diào)整。

（2）學生的活動分類

研究樣本中的學生活動大致可分為四種：

一是回答問題。教師以提問的形式引發(fā)學生對核心概念的思考。例如S4“堅固的建筑”為例：通過學生對地震危害的回答，以驅(qū)動性的開放問題引導學生思考如何提高建筑的抗震性能，展開對建筑堅固性能的項目化學習。

二是小組合作探究。小組合作探究常見于工程領域的STEM課程。教師僅提供大綱指引及適當幫助，課程的設計、操作、解釋環(huán)節(jié)全部由學生自己完成。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，而在后面學生搭建模型過程中可以觀察到，此時學生正全身心投入模型的搭建，教師只需做好對學生搭建模型的適當指導。

三是在講臺上展示并解釋自己的成果。學生呈現(xiàn)出極高的表現(xiàn)欲，具體表現(xiàn)為更主動積極地參與活動和更有邏輯性的表達。例如S4課堂第35分鐘，學生在完成模型搭建及抗震性能檢測后，運用所學地震知識，對模型作出透徹解釋，分析在建筑物底部加上底座后防震能力增強的兩種可能，并提供相應理論和證據(jù)。

四是互相評價和解釋答案。學生在互相評價的過程中由其他組的成員提出疑問或建議，通過分享經(jīng)驗的方式促進學生對自己的學習查漏補缺。例如在S4課堂41分30秒，針對當前模型在現(xiàn)實中的可行性的質(zhì)疑，模型搭建者進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

八個課例在教學模式的框架、數(shù)學和科學學科內(nèi)容、科學探究與研究性學習、有意義教學中學生的認知和參與這四個觀察因素上的得分較高。例如S3“過山車”的開始，教師引導學生解釋對過山車結(jié)構(gòu)的認知，實現(xiàn)意義教學后，教師使用準確和適當?shù)目茖W詞匯對問題進行陳述，符合數(shù)學和科學學科內(nèi)容的維度。3分35秒時，教師提供制作材料，并安排學生小組討論及合作搭建，符合教學模式的框架；同時，學生動手參與過山車模型制作，又體現(xiàn)了課程的科學探究與研究性學習特征?！翱茖W實踐”被界定為從自然現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)問題，采取科學方法收集處理數(shù)據(jù)等證據(jù)來形成模型或理論，并解決先前提出的問題——這一點恰好從第三個維度的各個要素綜合體現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)大部分課在這個維度得分均超過2.5分，說明我國STEM優(yōu)質(zhì)課注意將科學學習與真實問題相聯(lián)系，“實踐”層面有了很大進步。

3.不同課堂數(shù)據(jù)差異分析

技術應用差異最大，得分最高的是“輪子”“堅固的建筑”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)在教學媒體類型和頻次相差較大。以“建立校園生態(tài)系統(tǒng)”為例，教師指導學生用Excel統(tǒng)計數(shù)據(jù)。技術的使用在課堂中占用時間較長。但是在“星際種植”中，使用技術的部分僅是利用多媒體播放視頻，課堂中學生沒有自己利用技術的機會。所以，不同課堂中主題差異和教師信息技術意識及習慣的差異，決定了對技術工具的依賴性有所不同。有五節(jié)課例在這一維度得分偏低，在一定程度上也說明目前的科學課堂技術應用范圍還局限在多媒體技術，數(shù)字化實驗、科學影像工具、VR、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等并未得到廣泛關注。

4.STEM特色數(shù)據(jù)分析

由于研究對象是基于小學科學課程衍生的STEM教學創(chuàng)新設計，所以課堂教學內(nèi)容仍然得圍繞“學科核心概念”——這是學科教學的基礎。NGSS認為符合下列兩條及以上標準的概念才可以定為核心概念：（1）對科學或工程學的多學科領域都有重要的價值，或者是單一學科重要的組織性概念；（2）可作為理解和探究更復雜的概念及解決問題的重要工具；（3）與學生的興趣和生活經(jīng)驗相關，或者聯(lián)系到需要科學或工程學知識的社會性或個人關注的問題；（4）能在不同的年級進行教與學，并呈現(xiàn)出深度和復雜性上的增加水平[8]。依據(jù)這些標準作為1f維度的評分依據(jù)。

此外，STEM作為跨學科的項目學習方式，還需要關注超出學科界限的概念，這些概念在科學、數(shù)學和技術領域中均能彰顯其說明事物、創(chuàng)造理論以及在觀察和設計時發(fā)揮著重要的作用，1h維度的提出是為了學生更好地理解和聯(lián)系不同學科領域、不同年級階段的學科核心概念。

1f和1h維度平均分都達到2.88分，說明優(yōu)質(zhì)課例注重融合學科視角探究具體問題，也凸顯某一學科領域的核心概念學習需要[9]。

五、研究結(jié)論

綜上所述，STEM優(yōu)質(zhì)課例中學生的參與度都很高，并向?qū)W生提供了充足的時間進行自我總結(jié)和互相評價；都注重科學實踐，讓學生自己動手，參與設計和制作，并有機會應用工具，兼顧學科核心概念與跨學科概念。不過，部分課例在概念理解、技術應用、項目成果的評價、學生主動性方面表現(xiàn)分數(shù)偏低。

六、研究反思

國內(nèi)針對STEM課堂實證研究還未全面展開[10]，借鑒國際課堂評價工具雖然有助于我國一線教師和教育研究者對STEM課堂的探索，但是在我國中小學的應用中，應該置于怎樣的情境中？如何根據(jù)我國中小學科學課堂實際和科學課程標準進一步細化或清晰評分規(guī)則、更好地表述維度要求？從這個意義上說，COP對于我國只是一件半成品，要真正發(fā)揮其作用，還需要實踐者的參與和智慧。

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