基于可供性理論的STEM學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計與應(yīng)用研究

范福蘭 李韓婷* 黃艷琳 梅 林 江 雪 雷雪英 熊 曳

（1.中南民族大學(xué)教育學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.湖北開放大學(xué)導(dǎo)學(xué)中心，湖北 武漢 430074；3.華中科技大學(xué)附屬小學(xué)，湖北 武漢 430074）

1 引言

科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)和數(shù)學(xué)(Math)在研究工作中常常被捆綁在一起，STEM教育則是融合這四個學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)容和方法的跨學(xué)科教育方式，旨在培養(yǎng)全面綜合性人才。正因為順應(yīng)了未來科技發(fā)展對人才的客觀要求，STEM教育迅速興起并掀起熱潮。STEM教育強調(diào)學(xué)生在真實情景中通過動手實踐解決實際問題或完成真實任務(wù)獲取相關(guān)知識技能[1]。因此需要更多以學(xué)生為中心、交互性更強的環(huán)境，便于學(xué)生更多地參與學(xué)習(xí)活動、進行實踐并及時交流反饋。然而傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)環(huán)境更多以教師為中心，難以滿足STEM學(xué)習(xí)需求。在創(chuàng)新課程內(nèi)容、改進教學(xué)方法的同時，研究者不斷嘗試應(yīng)用信息技術(shù)搭建STEM學(xué)習(xí)環(huán)境。信息技術(shù)為開展STEM學(xué)習(xí)提供了有利條件，具有支持教師創(chuàng)設(shè)任務(wù)或問題情景、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度、營造良好的交互環(huán)境等優(yōu)勢[2]。然而在信息技術(shù)融合的過程中，需要綜合考慮多個要素進行精心設(shè)計才能充分發(fā)揮技術(shù)在STEM學(xué)習(xí)中的優(yōu)勢。

信息化教學(xué)以來，已有諸多教學(xué)模型輔助教師融合信息技術(shù)工具開展教學(xué)工作。如：Heinich,Molenda &Russell提出的ASSURE模型，將教學(xué)過程分為分析學(xué)習(xí)者(Analyze learners)、陳述教學(xué)目標(biāo)(State objectives)、選擇媒體和材料(Select media and materials)、應(yīng)用媒體和材料(Utilize media and materials)、學(xué)習(xí)者參與(Require learner participation)、評價與反饋(Evaluate and revise)等階段[3]。Mishra & Koehler提出的TPACK模型，分別從學(xué)科內(nèi)容知識、教學(xué)法知識和技術(shù)知識等方面指導(dǎo)教師開展信息化教學(xué)活動[4]。這些模型為教師應(yīng)用信息技術(shù)設(shè)計教學(xué)活動提供了有效指導(dǎo)。然而STEM學(xué)習(xí)將面臨更為復(fù)雜的問題和需求，傳統(tǒng)的信息化教學(xué)設(shè)計模型難以適用于STEM學(xué)習(xí)環(huán)境的搭建工作，因此STEM學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計面臨一定的挑戰(zhàn)，需要我們進一步探究。

本研究在可供性理論的指導(dǎo)下，融合教學(xué)法、社會交互和技術(shù)工具等元素，匹配STEM學(xué)習(xí)需求，構(gòu)建STEM學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計框架。通過實際案例，解析在STEM學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計過程中要素細節(jié)與實施過程，同時檢驗該框架的有效性。

2 可供性理論基礎(chǔ)

美國知覺心理學(xué)家Gibson首次定義可供性(Affordance)，指事物或環(huán)境可提供給用戶對象的可操作屬性。例如：如果一塊地表面接近水平、堅硬并能夠充分延伸，那么它具有水平、延伸的物理屬性。地面可以支持動物或人行走或跑動，那么它對于動物或人類而言具有支撐可供性[5]。Norman延伸Affordance的定義為物體可被感知到的、實際的屬性，主要取決于事物怎樣被使用以及使用者的知識與技能。他認(rèn)為同樣的物體在不同知識背景的人眼中具有不同的可供性[6]。為匹配學(xué)習(xí)任務(wù)和需求，研究者對信息技術(shù)在教育教學(xué)中的可供性進行分類。其中應(yīng)用最廣的是Kirschner的PST理論模型，將信息技術(shù)工具在教育中的可供性劃分為教學(xué)法可供性(Educational/Pedagogical Affordances)、社會交互可供性(Social Affordances)、技術(shù)可供性(Technological Affordances)[7]，如圖1所示。

圖1 PST模型[7]

教學(xué)法可供性：教學(xué)法通常也被稱為教學(xué)策略或技術(shù)，是教師為了實現(xiàn)一定的教學(xué)目標(biāo)，在教學(xué)過程中運用的方式與手段。信息技術(shù)工具的教學(xué)法可供性是指，工具在特定的教學(xué)環(huán)境中決定如何開展一個教學(xué)活動的能力。在實際教學(xué)活動中，信息技術(shù)工具能支持多種教學(xué)法的實現(xiàn)，如：在基于問題的教學(xué)中，教師可利用視頻或短片呈現(xiàn)問題情景，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)搜索信息并利用交流工具探討問題[8,9]。社會交互可供性：社會交互可供性是指信息技術(shù)工具能支持用戶之間進行相互交流的能力，它能夠建立、支持和維護多種交互形式。一方面必須能夠支持多種形式的交流：學(xué)生之間可通過分享信息、小組合作、探討問題等形式進行交互，教師可以對學(xué)生的學(xué)習(xí)活動進行指導(dǎo)、管理或反饋，能支持學(xué)生與教師之間，學(xué)生與研究專家之間，教師與研究專家之間，研究專家之間的交流與合作等[10]。另外信息技術(shù)工具還需要同時支持同步和異步的交流[15]。技術(shù)可供性：信息技術(shù)工具的可供性是指它的可用性，它以網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為先決條件，為設(shè)計者或管理者高效率有效工作提供技術(shù)支持。主要關(guān)注在“易學(xué)”“易用”和“美觀”上。如：一個網(wǎng)絡(luò)平臺的技術(shù)可供性必須實用、容易進入并且快捷方便，才能吸納更多的用戶使用它。一個較好的信息技術(shù)工具應(yīng)該能夠允許用戶個性化定制自己的界面。隨著教育信息化的不斷發(fā)展，技術(shù)可供性在構(gòu)建信息化學(xué)習(xí)環(huán)境中越來越重要[11]。

3 基于可供性理論的STEM學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計框架

STEM學(xué)習(xí)具有跨學(xué)科、趣味性和實踐性等特征，提倡引導(dǎo)學(xué)生圍繞探究性主題融合多學(xué)科知識在真實的情景中解決實際問題[12]。基于真實場所的教學(xué)法(Place-based Pedagogy)能提高學(xué)生STEM學(xué)習(xí)參與度和學(xué)習(xí)成效，促進STEM學(xué)習(xí)的高效開展[13]。在豐富的信息化工具資源中，多數(shù)教師或研究者傾向于選取功能強大、新潮的工具設(shè)計STEM學(xué)習(xí)環(huán)境，然而并未取得理想的學(xué)習(xí)成效。如何在STEM學(xué)習(xí)中合理選取信息技術(shù)工具仍需探究。本研究在可供性理論的指導(dǎo)下，提出基于可供性分析的STEM學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計框架，如圖2所示。

圖2 基于可供性分析的STEM學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計框架

明確STEM學(xué)習(xí)目標(biāo)：STEM學(xué)習(xí)設(shè)計的首要任務(wù)，綜合學(xué)科知識內(nèi)容明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，決定了STEM學(xué)習(xí)活動的總體意圖。

設(shè)計合理的STEM學(xué)習(xí)任務(wù)：基于擬定的學(xué)習(xí)目標(biāo)，結(jié)合教師的教學(xué)經(jīng)驗，設(shè)計合理的學(xué)習(xí)任務(wù)以完成既定的目標(biāo)?；陧椖炕蚧趩栴}的學(xué)習(xí)(PBL)兩種新型學(xué)習(xí)方式的理念與STEM學(xué)習(xí)最為契合，是目前STEM教學(xué)中運用最多、最有效的教學(xué)方法[14]。本框架結(jié)合PBL學(xué)習(xí)過程，將STEM學(xué)習(xí)任務(wù)劃分為五大環(huán)節(jié)：探索立項/發(fā)現(xiàn)問題(Discover)、定義課題(Define)、研發(fā)項目/解決問題(Develop)、創(chuàng)新拓展(Innovate)、匯報評價(Evaluate)。通過各環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生圍繞一定的主題通過項目實踐或問題解決的方式建構(gòu)知識與技能。

搜集可用的信息化學(xué)習(xí)工具：搜集可供STEM學(xué)習(xí)任務(wù)使用的信息技術(shù)工具。

分析STEM學(xué)習(xí)的需求：依據(jù)可供性理論分析在STEM學(xué)習(xí)活動中所需要的可供性，如：情景鋪設(shè)、案例陳述、資源需求、互動層次、小組合作等。

分析信息化學(xué)習(xí)工具在教學(xué)中的可供性：基于設(shè)計者搜集到的信息技術(shù)資源，依據(jù)PST模型分析信息技術(shù)工具在STEM學(xué)習(xí)中的可供性，同時分析工具可被拓展的可供性。根據(jù)學(xué)習(xí)需求分析和可供性分析結(jié)果，為STEM學(xué)習(xí)任務(wù)合理匹配信息化學(xué)習(xí)工具。

搭建STEM學(xué)習(xí)環(huán)境：基于前期分析結(jié)果，擬合信息化學(xué)習(xí)工具的可供性與STEM學(xué)習(xí)任務(wù)的可供性需求，選擇合適的信息化學(xué)習(xí)工具搭建STEM學(xué)習(xí)環(huán)境。

設(shè)計STEM學(xué)習(xí)活動：在搭建的STEM學(xué)習(xí)環(huán)境下設(shè)計學(xué)習(xí)活動。

4 基于可供性理論的STEM學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計案例

本研究以武漢某高校教育技術(shù)學(xué)專業(yè)必修課程教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計為例，依托本校在線課程學(xué)習(xí)中心、移動學(xué)習(xí)軟件等信息技術(shù)工具，搭建了主題為“設(shè)計‘制作降落傘游戲’教學(xué)活動”的STEM學(xué)習(xí)環(huán)境，并在此環(huán)境下開展學(xué)習(xí)活動。參與對象為教育技術(shù)學(xué)專業(yè)2017級26名本科生。培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科創(chuàng)新學(xué)習(xí)理念及STEM教學(xué)設(shè)計實踐能力，另一方面通過實踐檢驗STEM學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計框架的效果。

表1 STEM學(xué)習(xí)任務(wù)

4.1 STEM學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計

明確學(xué)習(xí)目標(biāo)：學(xué)生能體驗新型的學(xué)習(xí)環(huán)境并領(lǐng)會跨學(xué)科學(xué)習(xí)理念；學(xué)生初步掌握綜合設(shè)計STEM教學(xué)活動的能力；學(xué)生逐步打破傳統(tǒng)教學(xué)思維，創(chuàng)新教學(xué)理念與方法；學(xué)生能初步培養(yǎng)其自身的創(chuàng)新學(xué)習(xí)思維意識和實踐能力。

設(shè)計學(xué)習(xí)任務(wù)：本次學(xué)習(xí)活動采用基于項目的小組合作探究式學(xué)習(xí)方法，全班26名同學(xué)以4~6人為單位劃分為6個小組，在校園范圍內(nèi)開展了本次跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動。為達到既定的學(xué)習(xí)目標(biāo)，設(shè)計的STEM學(xué)習(xí)任務(wù)如表1所示。

搜集信息化學(xué)習(xí)工具：本次教學(xué)選用智能手機為硬件設(shè)備。軟件資源為：本校在線課程學(xué)習(xí)中心“超星學(xué)習(xí)通”，該軟件是面向移動終端的融資源、課程、學(xué)習(xí)、評測、交互一體的移動學(xué)習(xí)平臺，教師可自主建立、編輯課程，實現(xiàn)即時共享資料、發(fā)布作業(yè)、發(fā)送通知、課堂討論、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、項目學(xué)習(xí)（PBL）等多種功能，學(xué)生可創(chuàng)建小組、成員管理、接收信息、查看作業(yè)或任務(wù)、上傳資料等活動。同時選擇常用的社交軟件騰訊QQ作為輔助工具。

分析學(xué)習(xí)需求：學(xué)習(xí)內(nèi)容較復(fù)雜，需要大量材料支撐。本次STEM學(xué)習(xí)活動內(nèi)容涉及小學(xué)科學(xué)制作降落傘游戲課程內(nèi)容、大學(xué)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計課程內(nèi)容等，涉及工程、數(shù)學(xué)幾何、科學(xué)實驗、技術(shù)寫作等基礎(chǔ)知識，包括降落傘的設(shè)計、制作與試飛等活動；同時包括STEM教學(xué)理念、教學(xué)設(shè)計模式、教學(xué)設(shè)計步驟與方法、教學(xué)實踐技巧等內(nèi)容，如表2所示。學(xué)習(xí)空間相對分散，需要技術(shù)貫通連接；本次STEM學(xué)習(xí)活動不局限于教室中，引導(dǎo)學(xué)生以小組為單位，依據(jù)主題分布在操場、圖書館、實驗樓等場所。相對分散的學(xué)習(xí)空間，需要技術(shù)工具在師生、學(xué)生之間貫通連接。學(xué)習(xí)過程需要較強的互動性，需要及時開放的交互環(huán)境；本次學(xué)習(xí)活動強調(diào)學(xué)生的協(xié)作學(xué)習(xí)，因此小組成員間需要進行及時的溝通交流共同完成學(xué)習(xí)任務(wù)，同時需要教師對學(xué)生的學(xué)習(xí)進度緊密追蹤并進行指導(dǎo)。本次STEM學(xué)習(xí)過程需要開放舒適、及時反饋的交互環(huán)境做支撐。

表2 STEM學(xué)習(xí)內(nèi)容結(jié)構(gòu)

表3 信息技術(shù)工具在STEM學(xué)習(xí)中的可供性

分析信息化學(xué)習(xí)工具可供性：依據(jù)PST可供性分析模型，分別對超星學(xué)習(xí)通、騰訊社交軟件QQ在STEM學(xué)習(xí)中的可供性進行分析，如表3所示。

搭建STEM學(xué)習(xí)環(huán)境：本研究的學(xué)習(xí)環(huán)境主要包括項目式學(xué)習(xí)任務(wù)環(huán)境、資源共享環(huán)境、實時討論環(huán)境、學(xué)習(xí)評價環(huán)境，如圖3所示。項目式學(xué)習(xí)任務(wù)環(huán)境主要應(yīng)用超星學(xué)習(xí)通中的“作業(yè)”和“分組”功能進行搭建，教師建立“制作降落傘游戲”作業(yè)庫，按照項目式學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)置每一步活動內(nèi)容，并設(shè)定該任務(wù)的完成時限。應(yīng)用分組功能引導(dǎo)學(xué)生按照相關(guān)要求進行小組劃分，以小組為單位逐步完成學(xué)習(xí)任務(wù)。資源共享環(huán)境主要應(yīng)用超星學(xué)習(xí)通中的“資料”功能和QQ中的“文件”功能進行搭建，QQ中的“文件”功能主要支持各小組實時記錄和上傳相關(guān)資料數(shù)據(jù)，整理完善后以小組為單位上傳至“資料”平臺共享。實時討論環(huán)境主要由超星學(xué)習(xí)通中的“討論”功能和QQ的“聊天”功能搭建完成，超星學(xué)習(xí)通中的“討論”部分主要由教師發(fā)起討論主題或?qū)W生發(fā)起反饋問題進行深入探討，QQ的“聊天”功能具有實時交互性，配合人員之間的討論。學(xué)習(xí)評價環(huán)境主要應(yīng)用超星學(xué)習(xí)通的“作業(yè)”和“評分”功能，在任務(wù)進展和小組匯報評價過程中，小組之間進行相互評價，并提出相應(yīng)的問題。

開展STEM學(xué)習(xí)活動:本課程學(xué)生以小組為單位，在校園范圍內(nèi)實施了“設(shè)計制作降落傘”教學(xué)活動。

圖3 STEM學(xué)習(xí)環(huán)境

4.2 實施效果分析

學(xué)習(xí)活動結(jié)束后，教師要求學(xué)生撰寫并提交學(xué)習(xí)反思報告，報告中主要匯報學(xué)生使用此學(xué)習(xí)環(huán)境的方法及體驗感受。通過對反思報告的質(zhì)性分析檢驗該學(xué)習(xí)環(huán)境的實施情況及效果。

在教學(xué)法設(shè)計上，學(xué)生認(rèn)為在此學(xué)習(xí)環(huán)境下能更輕松地選擇和定位研究主題。當(dāng)小組確定項目研究主題后，教師能及時發(fā)現(xiàn)各小組選題是否存在過于簡單或復(fù)雜、是否偏離主題等問題，并給予相應(yīng)的指導(dǎo)，有助于小組明確定位。真實項目任務(wù)情景的模擬有助于學(xué)生快速有效地進入學(xué)習(xí)，通過此類體驗式的學(xué)習(xí)也更有助于學(xué)生深化對知識技能的學(xué)習(xí)。學(xué)生也認(rèn)為明確詳細的學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)置在此學(xué)習(xí)環(huán)境中非常重要，可減少在學(xué)習(xí)過程中的盲目性。另外，學(xué)習(xí)環(huán)境中的資源實時記錄與共享設(shè)計，有助于在教師給予材料的基礎(chǔ)上進一步擴充資源的豐富性，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)搜集、自制等方式積累了大量的補充資源，如：降落傘大賽、降落傘的簡易種折法等教學(xué)引入視頻資源。在社會交互設(shè)計上，學(xué)生在此類學(xué)習(xí)環(huán)境下的參與度得到一定的提升。在此環(huán)境下，學(xué)生非?；钴S地提問或回答問題，與教師的交流明顯增多。究其原因，在線的學(xué)習(xí)討論環(huán)境更為自由、輕松，能夠給學(xué)生提供更多的思考空間。同樣是小組協(xié)作學(xué)習(xí)，學(xué)生在傳統(tǒng)環(huán)境下的合作學(xué)習(xí)效果并不理想，在此學(xué)習(xí)環(huán)境下小組內(nèi)的合作與交流得到明顯改善，在各小組的討論空間中可看出學(xué)生之間圍繞任務(wù)主題的交流非常頻繁。在技術(shù)設(shè)計上，搭建此學(xué)習(xí)環(huán)境所應(yīng)用的兩款軟件簡單易用，是保障學(xué)生有效開展學(xué)習(xí)活動的基礎(chǔ)。相對而言，超星學(xué)習(xí)通軟件在學(xué)習(xí)作業(yè)的上傳、資料的共享、小組之間的互相評價等功能上較為易用，學(xué)生應(yīng)用較多。而在實時消息接收、問題討論及反饋上，QQ的即時性較好，學(xué)生更愿意通過QQ與教師或?qū)W伴進行討論。

綜上，此學(xué)習(xí)環(huán)境有助于學(xué)生更好地通過體驗式學(xué)習(xí)理解新知識并掌握實踐技能，在一定程度上提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。較高的交互性在一定程度上提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。然而此學(xué)習(xí)環(huán)境下，教師的工作量明顯增多，除課前大量的準(zhǔn)備工作外，需通過遠程的方式嚴(yán)密觀察學(xué)生學(xué)習(xí)動態(tài)，追蹤學(xué)生學(xué)習(xí)動態(tài)并及時反饋學(xué)生的學(xué)習(xí)問題。而學(xué)生也需要實時關(guān)注動態(tài)信息，大量的學(xué)習(xí)任務(wù)常常會導(dǎo)致一定的學(xué)習(xí)倦怠。

5 總結(jié)與討論

本研究在可供性理論的指導(dǎo)下構(gòu)建了STEM學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計框架，通過教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)基于在線學(xué)習(xí)平臺和即時通訊軟件的移動式STEM學(xué)習(xí)方式受到學(xué)生的歡迎。它能有效解放師生空間，使教師和學(xué)生以相對自由的方式開展教學(xué)活動。為學(xué)生提供較為真實的學(xué)習(xí)環(huán)境，使學(xué)生通過體驗式學(xué)習(xí)深入掌握知識技能。然而，此種教學(xué)方式對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求較高。由于整個教學(xué)活動都是在線同步進行，因此教師和學(xué)生需保持暢通的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。若網(wǎng)絡(luò)環(huán)境達不到要求，則會出現(xiàn)學(xué)習(xí)過程卡斷、無法實時追蹤和反饋學(xué)習(xí)動態(tài)等問題。另外要求學(xué)生有較高的自制力。由于學(xué)生是在不受教師密切關(guān)注的空間內(nèi)開展學(xué)習(xí)，學(xué)生反饋：“在教師提醒我時，我會集中注意力，精神高度緊張，但如果不受關(guān)注時，就容易查看無關(guān)內(nèi)容”。

本次課程容量較少，對象為自制力較強的大學(xué)二年級學(xué)生，教師能夠較容易地管理課堂。但如果開展大容量課堂教學(xué)時，還應(yīng)調(diào)整教學(xué)策略。另外，本次研究只采用反思報告、訪談等定性研究法檢驗此次學(xué)習(xí)效果，缺乏一定的定量研究。在未來的研究中，嘗試融合定量分析方法進一步探索此種教學(xué)方式對學(xué)生產(chǎn)生了哪些影響。