基于核心素養(yǎng)的跨學(xué)科STEM課程設(shè)計(jì)與實(shí)施

■ 潘 芳

一、問(wèn)題的提出

2014年，教育部印發(fā)了《關(guān)于全面深化課程改革 落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)的意見(jiàn)》，首次提出研制學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)體系，同時(shí)將“跨學(xué)科主題教育教學(xué)”列為要著力改革的關(guān)鍵領(lǐng)域和主要環(huán)節(jié)之一。2016年，《中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)總體框架》將核心素養(yǎng)界定為“學(xué)生在接受相應(yīng)學(xué)段的教育過(guò)程中，逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力”。其具體體現(xiàn)為包含文化基礎(chǔ)、自主發(fā)展、社會(huì)參與三大領(lǐng)域以及人文底蘊(yùn)、科學(xué)精神等六大指標(biāo)?！镀胀ǜ咧姓n程標(biāo)準(zhǔn)》中，各學(xué)科提出了本學(xué)科的核心素養(yǎng)，學(xué)科核心素養(yǎng)突出反映學(xué)科本質(zhì)觀和學(xué)科教育價(jià)值觀，清晰界定和描述學(xué)科對(duì)學(xué)生發(fā)展的價(jià)值和意義，從而使學(xué)科教育真正回到服從服務(wù)于人的發(fā)展方向。STEM教育正體現(xiàn)出了與促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的一致性。2017年《中國(guó)STEAM教育發(fā)展報(bào)告》指出，“在第四次工業(yè)革命背景下，應(yīng)培養(yǎng)具有科技和人文素養(yǎng)的創(chuàng)新應(yīng)用型人才，國(guó)家未來(lái)發(fā)展戰(zhàn)略需要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力、協(xié)作交流能力、批判性思考、解決真實(shí)問(wèn)題的能力和社會(huì)責(zé)任等”。由此可以看出，STEM教育所強(qiáng)調(diào)的運(yùn)用“真實(shí)情境下的問(wèn)題解決”“跨學(xué)科”培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力等綜合素養(yǎng)，與學(xué)生核心素養(yǎng)所遵循的跨學(xué)科整合的要求是一致的。

所謂跨學(xué)科，主要指能夠超越各個(gè)學(xué)科的界限，又將其聯(lián)系為統(tǒng)一體，是一種反映多學(xué)科融合的上位思維和實(shí)踐方式。跨學(xué)科學(xué)習(xí)可以從不同學(xué)科視角將相關(guān)知識(shí)有邏輯地聯(lián)系在一起，這樣可以增加學(xué)生的體驗(yàn)性、參與性和挑戰(zhàn)性。STEM教育作為一種跨學(xué)科的育人方式，它順應(yīng)了時(shí)代發(fā)展與政策要求，成為培養(yǎng)未來(lái)人才的教育模式之一。《義務(wù)教育階段課程標(biāo)準(zhǔn)》，在小學(xué)科學(xué)、中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)、高中信息技術(shù)、通用技術(shù)以及其他科目中都特別指出推進(jìn)STEM教育和應(yīng)用STEM教育理念推進(jìn)學(xué)科教育的指導(dǎo)意見(jiàn)，為中小學(xué)推進(jìn)STEM教育起到了政策引領(lǐng)和內(nèi)容導(dǎo)向的作用。

STEM課程的設(shè)計(jì)與實(shí)施需要聚焦學(xué)生核心素養(yǎng)、從跨學(xué)科角度呈現(xiàn)學(xué)生應(yīng)具備的、能夠適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，其中特別包括STEM教育所強(qiáng)調(diào)的科學(xué)思維、工程思維、探究能力、問(wèn)題解決、技術(shù)運(yùn)用等。同時(shí)，由于STEM教育主要是科技類(lèi)課程跨學(xué)科的復(fù)雜融合，STEM課程的教學(xué)目標(biāo)需要明確在解決科學(xué)與工程實(shí)踐問(wèn)題過(guò)程中需要培養(yǎng)的多學(xué)科核心素養(yǎng)。但是從目前的一些實(shí)施成果看，在開(kāi)發(fā)STEM課程的過(guò)程中，教師對(duì)STEM課程要達(dá)到的目標(biāo)存在模糊認(rèn)識(shí)，未體現(xiàn)出聚焦和落實(shí)核心素養(yǎng)，同時(shí)對(duì)于STEM課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)也存在不足，缺少綜合性、探究性等特征。這些問(wèn)題直接影響了STEM課程的學(xué)習(xí)效果。為此，通過(guò)積極開(kāi)展STEM課程設(shè)計(jì)與實(shí)施的研究，可以促進(jìn)學(xué)校STEM教育不斷可持續(xù)發(fā)展。

二、核心素養(yǎng)背景下的STEM課程目標(biāo)與內(nèi)容設(shè)計(jì)

（一）圍繞核心素養(yǎng)設(shè)計(jì)STEM教育的課程目標(biāo)

STEM教育并非科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)教育的簡(jiǎn)單疊加，而是以學(xué)科整合的教學(xué)方式讓學(xué)生綜合掌握知識(shí)與技能，進(jìn)行靈活遷移應(yīng)用、解決實(shí)際問(wèn)題，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。因此，在開(kāi)發(fā)STEM課程的初期首先著手思考并設(shè)計(jì)“圍繞核心素養(yǎng)設(shè)計(jì)基于STEM教育的學(xué)習(xí)目標(biāo)”，并列出課程的STEM目標(biāo)總覽。由此達(dá)成對(duì)于STEM課程目標(biāo)的清晰認(rèn)識(shí)。以《航空航天STEM課——設(shè)計(jì)探月車(chē)》課程為例。

表1 《航空航天STEM課——設(shè)計(jì)探月車(chē)》的課程目標(biāo)

（二）基于真實(shí)問(wèn)題的STEM課程內(nèi)容

1.課程內(nèi)容設(shè)計(jì)的原則

所謂真實(shí)問(wèn)題主要是指源自學(xué)生真正的生活體驗(yàn)和學(xué)習(xí)實(shí)踐，能夠更好地促進(jìn)學(xué)生理解和建構(gòu)知識(shí)的問(wèn)題。為了更好地突出STEM教育的特征，我們?cè)谠O(shè)計(jì)STEM課程中制定了以下基本原則。

（1）綜合性原則

STEM課程將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)相聯(lián)系，學(xué)習(xí)過(guò)程中，教師以一個(gè)與現(xiàn)實(shí)密切相連的、真實(shí)的、綜合的項(xiàng)目吸引學(xué)生，意在打破學(xué)科間的獨(dú)立性，引導(dǎo)學(xué)生充分融合各學(xué)科知識(shí)來(lái)進(jìn)行實(shí)踐和創(chuàng)新，從而提高學(xué)生的綜合能力。

（2）探究性原則

在完成項(xiàng)目的學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)探究不斷掌握科學(xué)知識(shí)、提升技術(shù)水平、培養(yǎng)工程思維、應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)，從而發(fā)展學(xué)生的探究能力。

（3）時(shí)代性原則

時(shí)代變化日新月異，科學(xué)技術(shù)時(shí)時(shí)刻刻改變?nèi)祟?lèi)的生活，學(xué)習(xí)任務(wù)的設(shè)計(jì)需要注意新舊知識(shí)的融合與遞進(jìn)，從前沿的發(fā)展趨勢(shì)、科技成果與發(fā)現(xiàn)等方面來(lái)重組教學(xué)內(nèi)容。與此同時(shí)，教學(xué)的內(nèi)容、方法等都應(yīng)體現(xiàn)時(shí)代性、創(chuàng)新性，讓學(xué)生在STEM課程的學(xué)習(xí)中感受時(shí)代的發(fā)展和新技術(shù)帶來(lái)的魅力。

（4）合作性原則

合作是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的學(xué)生或群體，為了達(dá)到共同的目的而在行動(dòng)上相互配合的過(guò)程。在開(kāi)展“小組合作學(xué)習(xí)”的教學(xué)過(guò)程中，我們根據(jù)每個(gè)人的特長(zhǎng)進(jìn)行分組和分工，教師是各小組合作學(xué)習(xí)的組織者和掌控者，是組內(nèi)研討的參與者和引導(dǎo)者。

2.基于真實(shí)問(wèn)題的STEM課程內(nèi)容

根據(jù)STEM課程設(shè)計(jì)的基本原則，結(jié)合學(xué)生在日常生活與學(xué)習(xí)中遇到的真實(shí)問(wèn)題，引發(fā)STEM探索課程。比如，《能量小車(chē)設(shè)計(jì)》課程以“制備一輛能跑起來(lái)的能量小車(chē)”為目的入手，既包括利用工程制圖設(shè)計(jì)小車(chē)車(chē)體，并根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)來(lái)搭建小車(chē)車(chē)體，也包括運(yùn)用已有知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)小車(chē)的驅(qū)動(dòng)及供能裝置，目的是使小車(chē)動(dòng)起來(lái)，其中最重要的是探究太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)原理和供能裝置設(shè)計(jì)。這些都充分體現(xiàn)出綜合性和探究性特征。同時(shí)，該課程的時(shí)代性主要表現(xiàn)在太陽(yáng)能新能源技術(shù)的應(yīng)用，而且由于項(xiàng)目具有較大的復(fù)雜度，實(shí)施過(guò)程中采用3-5人為一個(gè)小組進(jìn)行，具有合作性特征。源于學(xué)生的真實(shí)問(wèn)題開(kāi)發(fā)的STEM課程不僅能使教師明確開(kāi)發(fā)STEM課程的方向，同時(shí)也能吸引更多的學(xué)生參與其中，促進(jìn)學(xué)生不斷提升探究綜合問(wèn)題的能力，不斷感受新時(shí)代技術(shù)發(fā)展的魅力，不斷收獲合作成長(zhǎng)的喜悅。

三、基于核心素養(yǎng)的跨學(xué)科STEM課程的實(shí)施策略

（一）基于科學(xué)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的探究式教學(xué)

基于問(wèn)題的探究式教學(xué)是教與學(xué)相互統(tǒng)一的過(guò)程，是一種結(jié)合使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、科學(xué)技術(shù)等多種課程資源，以探究分析問(wèn)題為導(dǎo)向的教與學(xué)互動(dòng)的教學(xué)模式。學(xué)生以解決某一問(wèn)題為目的入手，將工程設(shè)計(jì)、技術(shù)應(yīng)用、數(shù)學(xué)計(jì)算、科學(xué)知識(shí)與方法等集合到具體的解決問(wèn)題中去，即讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究以及工程設(shè)計(jì)的過(guò)程，再運(yùn)用數(shù)學(xué)計(jì)算、技術(shù)工具等的幫助進(jìn)行成果總結(jié)與展示。需要注意的是問(wèn)題需要具有前沿性、基礎(chǔ)性、交叉性等，這樣有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，為培養(yǎng)高素質(zhì)人才打好基礎(chǔ)。以《智能校園巡邏車(chē)設(shè)計(jì)》的課程為例。

智能校園巡邏車(chē)就是用信息技術(shù)和智能控制技術(shù)集成的載體，對(duì)于它的設(shè)計(jì)是從引導(dǎo)學(xué)生分析如何實(shí)現(xiàn)汽車(chē)智能控制的問(wèn)題入手。比如：如何解決避障問(wèn)題、如何獲取周邊信息、如何按照規(guī)定線(xiàn)路進(jìn)行巡邏以及如何發(fā)現(xiàn)異常情況并報(bào)警等等。在聚焦問(wèn)題的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生將相關(guān)領(lǐng)域的工程設(shè)計(jì)、技術(shù)應(yīng)用、數(shù)學(xué)計(jì)算、科學(xué)知識(shí)與方法等集合到問(wèn)題解決中，從而激發(fā)了學(xué)生的深層思考和創(chuàng)造性，促使學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造力，提出多種方案，激發(fā)興趣，親自動(dòng)手，大膽實(shí)踐，讓學(xué)生逐步掌握智能車(chē)的工作原理，完成智能校園巡邏車(chē)的設(shè)計(jì)，收獲成功的喜悅。

（二）基于生活實(shí)踐問(wèn)題的項(xiàng)目式教學(xué)

項(xiàng)目式教學(xué)以學(xué)生活動(dòng)為主，教師引入與課程內(nèi)容相關(guān)的項(xiàng)目，學(xué)生主動(dòng)查閱相關(guān)資料和思考相關(guān)問(wèn)題，并設(shè)計(jì)、規(guī)劃、實(shí)施、測(cè)試以及評(píng)價(jià)項(xiàng)目。項(xiàng)目式教學(xué)一般分為五個(gè)步驟。第一，項(xiàng)目設(shè)計(jì)，即在進(jìn)行項(xiàng)目之前，教師完成思考項(xiàng)目主題、STEM目標(biāo)、學(xué)情分析等工作。最重要的一點(diǎn)就是項(xiàng)目主題一定是“基于生活實(shí)踐問(wèn)題”，即生活中真實(shí)的實(shí)踐問(wèn)題，來(lái)自學(xué)生真正的生活體驗(yàn)和學(xué)習(xí)實(shí)踐 ，能夠更好地促進(jìn)學(xué)生理解和建構(gòu)知識(shí)。第二，由學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目要求對(duì)項(xiàng)目的時(shí)間安排、具體內(nèi)容、任務(wù)劃分、實(shí)施步驟等進(jìn)行具體的討論，并將各個(gè)任務(wù)分配給各個(gè)小組成員。第三，根據(jù)計(jì)劃開(kāi)始實(shí)施項(xiàng)目，在需要時(shí)進(jìn)行合理的調(diào)整。在此過(guò)程中，教師適時(shí)地給予學(xué)生幫助，同時(shí)也需要教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行監(jiān)督。第四，對(duì)項(xiàng)目的實(shí)施結(jié)果進(jìn)行測(cè)試分析，并完成項(xiàng)目報(bào)告撰寫(xiě)。第五，以小組的形式進(jìn)行項(xiàng)目成果展示，評(píng)價(jià)方式分采用過(guò)程性評(píng)價(jià)（包括項(xiàng)目設(shè)計(jì)、規(guī)劃、實(shí)施、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等方面）。以課程《面包生產(chǎn)工藝》為例。自制面包是學(xué)生日常非常感興趣、喜愛(ài)學(xué)習(xí)和參與實(shí)踐的一個(gè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目既屬于日常生活實(shí)踐的問(wèn)題，同時(shí)也表現(xiàn)出STEM教育的特征。面包的制作過(guò)程包括原材料稱(chēng)量→攪拌→基本發(fā)酵→分割稱(chēng)重→滾圓→中間發(fā)酵→整形→最后發(fā)酵→烘焙。從科學(xué)角度，學(xué)生要學(xué)習(xí)如何實(shí)現(xiàn)科學(xué)配比的發(fā)酵，其中涉及從物理學(xué)科角度研究面團(tuán)黏度對(duì)面包品質(zhì)的影響，從化學(xué)角度研究面團(tuán)的理化性質(zhì)對(duì)面包品質(zhì)的影響等；從技術(shù)角度，學(xué)生需要掌握發(fā)酵技術(shù)，同時(shí)利用電腦軟件繪制商標(biāo)和海報(bào)，完成產(chǎn)品的市場(chǎng)推銷(xiāo)；從工程角度，學(xué)生需要關(guān)注整個(gè)項(xiàng)目環(huán)節(jié)的各個(gè)流程和實(shí)施步驟；從數(shù)學(xué)角度，學(xué)生需要完成計(jì)算配比。因此該項(xiàng)目的學(xué)習(xí)源于生活、高于生活，凸顯出基于核心素養(yǎng)的跨學(xué)科STEM教育理念。

表2 《面包生產(chǎn)工藝》的項(xiàng)目學(xué)習(xí)過(guò)程

（三）基于跨學(xué)科學(xué)習(xí)的5E式教學(xué)

5E教學(xué)模式包括參與（Engagement）、探究（Exploration）、解釋?zhuān)‥xplanation）、遷移（Elaboration）和評(píng)價(jià)（Evaluation）五個(gè)階段。參與階段主要是指教師向?qū)W生提供一個(gè)教學(xué)情境，這個(gè)教學(xué)情境可以是一個(gè)問(wèn)題或一個(gè)項(xiàng)目，目的是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和研究的欲望；探究階段主要是指教師作為學(xué)生學(xué)習(xí)的促進(jìn)者、指導(dǎo)者，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)觀察、討論實(shí)現(xiàn)對(duì)于科學(xué)知識(shí)及其之間邏輯聯(lián)系的探究，這是引入新概念或規(guī)律的重要前提；解釋階段主要是指學(xué)生需要對(duì)其探究的結(jié)果進(jìn)行解釋說(shuō)明，同時(shí)教師對(duì)于涉及的科學(xué)概念和規(guī)律進(jìn)行深入講解；遷移階段主要是指學(xué)生為完成項(xiàng)目，以合作學(xué)習(xí)的形式分析討論、制訂計(jì)劃，同時(shí)查閱資料獲取信息，解釋項(xiàng)目中的應(yīng)用原理，動(dòng)手實(shí)踐，積極探索；評(píng)價(jià)階段主要是指通過(guò)自評(píng)、互評(píng)、師評(píng)三者結(jié)合，學(xué)生不僅可以對(duì)自己的探究思路、方法等進(jìn)行反思與交流，也可以認(rèn)知自己在整個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)中的貢獻(xiàn)?？傊?E教學(xué)模式旨在促進(jìn)學(xué)生參與主動(dòng)、合作和基于探究的學(xué)習(xí)。5E教學(xué)模式是在建構(gòu)主義教學(xué)理論和探究式教學(xué)的基礎(chǔ)上提出且不斷發(fā)展起來(lái)的。目前，將5E教學(xué)模式運(yùn)用到STEM教育實(shí)踐中是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)比較多的一種嘗試，其緣由主要是5E教學(xué)模式更加凸顯STEM教育所強(qiáng)調(diào)的科學(xué)思維、工程思維、探究能力、問(wèn)題解決的理念。以《探月車(chē)設(shè)計(jì)》課程為例，簡(jiǎn)述5E教學(xué)模式的實(shí)施過(guò)程。

表3 《探月車(chē)設(shè)計(jì)》學(xué)習(xí)過(guò)程

四、成效與反思

STEM課程作為跨學(xué)科課程的一種形式，與學(xué)科課程形成了互補(bǔ)，其獨(dú)特的育人價(jià)值在于培養(yǎng)學(xué)生的高階思維和綜合能力。通過(guò)開(kāi)發(fā)和實(shí)施STEM課程，一方面，可以推動(dòng)學(xué)校科技特色的發(fā)展和創(chuàng)新，發(fā)揮STEM領(lǐng)航學(xué)校的示范作用，帶動(dòng)本校和周邊區(qū)域?qū)W校的STEM教育不斷成長(zhǎng)；另一方面，也可以幫助參與STEM課程學(xué)習(xí)的學(xué)生收獲成長(zhǎng)的喜悅，學(xué)生通過(guò)參與STEM課程學(xué)習(xí)，在科學(xué)思維、工程思維、探究能力、問(wèn)題解決、技術(shù)運(yùn)用等方面都有顯著提升。我校學(xué)生在近年北京青少年創(chuàng)新大賽、全國(guó)青少年航空航天模型錦標(biāo)賽、未來(lái)工程師大賽、未來(lái)太空學(xué)者大會(huì)等各級(jí)各類(lèi)競(jìng)賽中先后獲得獎(jiǎng)項(xiàng)，真正實(shí)現(xiàn)通過(guò)STEM教育為國(guó)家培養(yǎng)面向未來(lái)的具有競(jìng)爭(zhēng)力的后備科技人才的目標(biāo)。

STEM課程開(kāi)發(fā)與實(shí)施的策略研究可以精準(zhǔn)指導(dǎo)教師開(kāi)發(fā)和實(shí)施STEM課程，突出課程的科學(xué)性、趣味性、實(shí)用性和創(chuàng)新性等特點(diǎn)。另外，在未來(lái)的STEM課程開(kāi)發(fā)和建設(shè)過(guò)程中，我們也要重點(diǎn)關(guān)注三個(gè)方面。第一，關(guān)注學(xué)科間的深度融合。通過(guò)將學(xué)科之間進(jìn)行深度融合，使學(xué)生在學(xué)習(xí)每個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)和技能時(shí)，也將這些知識(shí)和技能融會(huì)貫通，從而實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科、跨領(lǐng)域人才的培養(yǎng)。第二，關(guān)注學(xué)生的全面發(fā)展。通過(guò)定義問(wèn)題、建構(gòu)知識(shí)、解決問(wèn)題和交流討論，幫助學(xué)生掌握完成綜合項(xiàng)目的基本技能。讓學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用科學(xué)知識(shí)、數(shù)學(xué)和技術(shù)，在真實(shí)情境中完成工程任務(wù)。將知識(shí)付諸實(shí)踐，在完成任務(wù)的過(guò)程中，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。第三，關(guān)注課程的多元評(píng)價(jià)。在實(shí)施課堂教學(xué)過(guò)程中，教師要積極創(chuàng)造一個(gè)良好的學(xué)習(xí)氛圍，對(duì)學(xué)生要及時(shí)、全面、有效地評(píng)價(jià)。多元評(píng)價(jià)包括三個(gè)方面：評(píng)價(jià)方式的多元化，即關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程，運(yùn)用自我評(píng)價(jià)、生生評(píng)價(jià)、小組評(píng)價(jià)、師生評(píng)價(jià)等方式，客觀、全面地評(píng)價(jià)課堂中的學(xué)習(xí)活動(dòng)；評(píng)價(jià)角度的多元化，即在課堂教學(xué)中，教師尊重每一個(gè)學(xué)生的個(gè)性特征，允許學(xué)生用自己不同的方式表達(dá)自己的想法；評(píng)價(jià)時(shí)機(jī)的多元化，即在學(xué)生取得進(jìn)步時(shí)，教師及時(shí)地加以肯定，讓學(xué)生感受到來(lái)自教師的贊賞，在學(xué)生失意失敗時(shí)，教師要及時(shí)地加以鼓勵(lì)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)在逆境中正確看待自己。通過(guò)實(shí)施多元評(píng)價(jià)，達(dá)到樹(shù)立學(xué)生學(xué)習(xí)自信心，激發(fā)他們學(xué)習(xí)積極性的目的。