面向科學探究能力的項目式循證STEM教學模式研究

陳逸旻 徐劉杰

（1.紹興市樹人小學，浙江 紹興 312099； 2.浙江工業(yè)大學 教育科學與技術(shù)學院，浙江 杭州 310023）

STEM教育強調(diào)學生在項目實踐中應(yīng)用跨學科知識，通過“做中學”，體驗科學家的學習方式，培養(yǎng)科學探究能力。2017年教育部在發(fā)布的《義務(wù)教育小學科學課程標準》中倡導跨學科學習方式，鼓勵教師在教學實踐中嘗試STEM教育。STEM 教育以項目式學習為主，強調(diào)體驗式學習和“做中學”，融入綜合實踐課程以培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維[1]。但是，目前STEM教育實踐往往將教學重點放在知識學習或者動手實踐上，而忽視了學生科學探究能力的培養(yǎng)。因此，為教師提供開展項目式STEM教育的教學模式，指導在項目式STEM教學中關(guān)注學生科學知識建構(gòu)、科學探究能力培養(yǎng)，對于提高STEM教育效果具有重要意義。本研究從項目式STEM教育視角出發(fā)，引入循證理念，在學生完成項目活動過程中通過收集學習數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、形成證據(jù)并以此提煉結(jié)論，指導學生完成項目，達到獲得STEM知識和培養(yǎng)科學探究能力的目的。

一、文獻綜述

（一）項目式STEM教學研究

項目式STEM教學旨在以動手體驗的方式讓學生設(shè)計、發(fā)現(xiàn)、合作、創(chuàng)造并進行問題解決，培養(yǎng)其批判性思維和問題解決能力，提高學生的學科素養(yǎng)和創(chuàng)造力。為了有效實施項目式STEM教學，學者們提出了項目設(shè)計的原則。王巍和袁磊指出，項目式 STEM課程主題設(shè)計應(yīng)遵循兩個原則：一是問題來源于真實世界，項目成果作用于真實世界；二是STEM項目要圍繞核心概念和關(guān)鍵技能[2]。有研究者認為在設(shè)計STEM項目時需遵循四個原則：內(nèi)容的可進入性、思維的可視化、幫助學生向他人學習、促進學生自主學習[3]。依據(jù)以上原則，教師可以設(shè)計STEM教學環(huán)境和學習支架，促進學生深度參與STEM項目學習。

項目式STEM教學沒有固定的教學流程，總體上圍繞如何支持學生設(shè)計項目和開展項目來實施教學活動。但是在項目實施過程中，教師很容易過度提供支架，造成教師替代性學習，學生的主體性和主動性沒有得到充分發(fā)揮；或者造成教師完全放手學生去探究項目，提供的支架和指導過于寬泛，學生得不到具體詳細的指導，很難完成項目學習。我國缺少跨學科教師，導致大部分STEM教師缺乏跨學科教學的專業(yè)知識和技能，而且教師在實施項目式教學中缺少教學策略的指導。在項目式STEM教學實踐中，教師主要還是帶領(lǐng)學生實施以工程設(shè)計為主的項目學習，項目成果主要以制作作品為主，缺乏對項目的整體設(shè)計，沒有明確的研究假設(shè)，缺少知識內(nèi)容的學習和應(yīng)用，科學性的探究過程不明顯。

（二）STEM教育中學生科學探究能力的培養(yǎng)

STEM 教育可以顯著提高學生搜集、整理信息的能力，獨立思考、探究的能力[4]。在開展項目式科學探究中，首先，明確項目主題，教師指導學生檢索并分析項目資料，界定研究問題。之后，學生開展協(xié)作，設(shè)計研究方案，明確項目產(chǎn)出，創(chuàng)造項目成果。但是在實驗或者項目實施過程中，會存在“異?，F(xiàn)象”，學生在科學探究中所觀察到的現(xiàn)象與理論預期明顯不同，且這些不同無法用“誤差”解釋清楚[5]。這就需要學生具備良好的科學探究能力，應(yīng)用邏輯思維，理性解決問題，創(chuàng)新問題解決方案，學會通過科學探究、實驗驗證、觀察調(diào)查等方法探索解決方案，學會通過證據(jù)去分析問題、解決問題。

在指導學生開展項目式STEM的科學探究時，教師需要具備相應(yīng)的科學探究指導能力，主要包括科學探究指導理念、發(fā)現(xiàn)科學問題的指導能力、探究方案設(shè)計的指導能力、設(shè)計與獲取探究器材的指導能力、信息收集及處理的指導能力、人際交往指導能力、實驗指導能力、活動的組織與管理能力、活動交流與評價的指導能力[6]。但是，目前有關(guān)項目式STEM教學模式和教學策略的研究，大多是從宏觀視角提出項目式STEM教育的教學模式，缺少微觀層面上項目式STEM教育過程中對學生的探究活動給予指導的策略。教師難以把握學生的科學探究能力要素的表現(xiàn)期望，使得科學探究活動形式化、表象化[7]。雖然教師在宏觀上指明學生要做什么，達到什么程度，但是微觀上缺少支持學生“做中學”和“合作中學”的詳細說明與指導，即在“如何做”上為學生提供的指導不充分，導致項目式STEM教學效果不佳。

（三）循證學習理論在STEM教育中的應(yīng)用

為了培養(yǎng)學生的科學探究能力，許多研究者提出將循證學習理論應(yīng)用于STEM教育中。循證學習是為解決研究問題，通過采集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)結(jié)論并得出問題解決方案的一種學習范式。在STEM項目實施或者科學探究過程中，學生觀察、記錄的數(shù)據(jù)可作為其提出觀點或得出結(jié)論的證據(jù)。在探究的過程中，學生的每一步操作都有相應(yīng)的證據(jù)作為支撐，或者每一步操作產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都可以支持學生得出結(jié)論，形成他們探究的結(jié)果。學生在獲取證據(jù)、分析證據(jù)時需要理解證據(jù)背后的學科知識或科學原理。在證據(jù)的支撐下，學生開展理性思維，通過數(shù)據(jù)分析、理論演繹、邏輯推理、驗證假設(shè)、得出結(jié)論和實踐創(chuàng)新，從而獲得學科知識，鍛煉科學探究能力，提高問題解決能力，體驗獲得知識的真實過程。

循證學習注重培養(yǎng)學生的科學探究能力。教師運用證據(jù)有助于診斷教學問題，探索因果關(guān)系，尋找有效解決策略，提高教學效率和效益，提高教師的領(lǐng)導力。在STEM教育中，教師通過基于問題或者基于項目的活動，組織學生通過協(xié)作開展創(chuàng)新性的科學探究活動。在科學探究中，學生要使用各種技術(shù)和方法搜集數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論，形成問題解決方案，通過交流討論分享信息和研究成果。這樣的教學情境，強調(diào)對學生的設(shè)計能力與問題解決能力的培養(yǎng)。將學生學習過程和結(jié)果、教師課堂教學行為和教學干預等作為證據(jù)，幫助教師改進教學，指導學生學習，幫助學生實施項目學習活動，能夠明顯降低學生 STEM 學習的失敗率，提高學習自主性和學業(yè)成績。

二、面向科學探究能力的項目式循證STEM教學模式構(gòu)建

（一）項目式循證STEM教學模式的理論依據(jù)

項目式循證STEM教學模式以建構(gòu)主義和活動理論為依據(jù)，如圖1所示，以“做中學”和“合作中學”為學習路徑，依據(jù)循證學習理念開展項目式學習和探究式學習，在學習中生成證據(jù)、收集證據(jù)、分析證據(jù)、運用證據(jù)，實現(xiàn)科學探究能力的培養(yǎng)。建構(gòu)主義主張以學生為中心的教學，強調(diào)自主—探究式教學觀念；主張學生用探究法、發(fā)現(xiàn)法去建構(gòu)知識的意義；學生要主動搜集并分析證據(jù)以驗證各種學習問題的假設(shè)[8]。活動理論強調(diào)學習者在活動系統(tǒng)中及規(guī)則約束下通過分工合作，共同作用于客體并完成學習目標，注重學生參與的、實踐性的、項目探究式的活動[9]。STEM教育通過項目式學習，將學生融入活動系統(tǒng)中，要求學生與共同體成員合作，主動探究、協(xié)作會話、反思改進、創(chuàng)新創(chuàng)造，鼓勵學生以新的視角和思維方式在活動系統(tǒng)中開展合作學習，在合作中實踐、在實踐中改造客體、在改造客體中學習、在學習中生成新的客體。同時，學生在“做中學”和“合作中學”兩條路徑中產(chǎn)生的學習行為數(shù)據(jù)和結(jié)果（客體）數(shù)據(jù)成為學生發(fā)現(xiàn)學習問題和改進活動實施方案的證據(jù)，成為教師評價學生探究能力和改善教學活動的依據(jù)。據(jù)此構(gòu)建面向?qū)W生科學探究能力的項目式循證STEM教學模式，能夠指導STEM課程教學，推動STEM教育發(fā)展。

圖1 面向科學探究能力的項目式循證STEM教學模式設(shè)計理論依據(jù)

（二）面向科學探究能力的項目式循證STEM教學模式構(gòu)建

將循證理念應(yīng)用到項目式STEM教學過程中，設(shè)計面向科學探究能力的項目式循證STEM教學模式，見圖2。以項目為依托實施STEM教學活動，學生通過設(shè)計與實施項目而獲得知識和技能，培養(yǎng)科學探究能力。在學生設(shè)計和實施項目的每一項活動中收集學生的行為數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)，作為評價學生、改善教學和指導學生學習的證據(jù)。

圖2 面向科學探究能力的項目式循證STEM教學模式

在“做中學”路徑中，學生主要按照項目式學習方式開展科學探究活動，包含六個步驟：（1）設(shè)計項目主題。由學生發(fā)現(xiàn)并提出問題，圍繞問題設(shè)計STEM項目主題，設(shè)計項目實施計劃。（2）制訂研究方案。學生完成研究背景的調(diào)查和梳理工作，設(shè)計項目研究的假設(shè)、因變量和自變量，明確研究對象，完成研究方案。（3）實施項目研究。學生在項目實施中體驗“做中學”，通過實踐獲得經(jīng)驗和知識。在項目實施中，學生開展合作探究，讓學生在協(xié)同創(chuàng)造中展開深入的研究和創(chuàng)新。（4）分析解釋數(shù)據(jù)。教師指導學生完成數(shù)據(jù)分析、解釋和討論工作。（5）展示交流成果。學生撰寫項目研究報告，設(shè)計展示報告書，在班級展示研究設(shè)計和成果。其他小組或?qū)W生對匯報者的研究進行評價和提問，加強學生之間的交流與討論。（6）評價與反饋。教師根據(jù)學生表現(xiàn)，評價學生的科學探究能力、實踐操作能力、問題解決能力和協(xié)作交流能力等方面的表現(xiàn)。

在“合作中學”學習路徑中，學生主要按照活動學習理論開展探究式學習，包括四個步驟：（1）合作學習新知。學生在小組內(nèi)合作學習新知識，使用同伴指導策略提高合作學習效果。（2）協(xié)作探究活動。小組成員進行角色分工，共同開展探究活動，完成項目任務(wù)。（3）討論協(xié)商問題。小組成員協(xié)作交流、共同協(xié)商，達成觀點一致，并實現(xiàn)問題解決。（4）協(xié)同建構(gòu)知識。在學生合作探究中通過學習新知識、應(yīng)用新知識、協(xié)作交流討論以達到共同解決問題和協(xié)同建構(gòu)知識的目的。

在“做中學”和“合作中學”路徑實施過程中，教師收集學生行為數(shù)據(jù)、學生作品數(shù)據(jù)、學生測試成績等相關(guān)數(shù)據(jù)，作為評價學生學習效果的證據(jù)，并對教師的行為數(shù)據(jù)進行采集和分析，發(fā)現(xiàn)教學問題、教育管理問題，并依據(jù)這些數(shù)據(jù)來調(diào)整教學活動。學生在探究活動中收集實驗數(shù)據(jù)，經(jīng)過統(tǒng)計分析和推理演繹從而發(fā)現(xiàn)規(guī)律、提出觀點，作為學生建構(gòu)新知識的證據(jù)。另外，學生根據(jù)教師提供的評價反饋以及學生自己對項目結(jié)果數(shù)據(jù)的分析，認識自己的學習狀態(tài)和學習進度，并改進學習。

三、面向科學探究能力的項目式循證STEM教學案例設(shè)計與實施效果

（一）案例設(shè)計

本研究以“創(chuàng)意紙電路”為主題設(shè)計STEM教學案例，在某中學開展了8周共10個課時的實驗研究，實驗對象為九年級某班的32名學生，男女生各有16名?！皠?chuàng)意紙電路”共包含兩大主題：“設(shè)計制作家庭防盜報警裝置”和“設(shè)計制作音樂賀卡”。以“設(shè)計制作音樂賀卡”為例設(shè)計教學方案，項目式循證STEM教學設(shè)計案例如表1所示。

表1 項目式循證STEM教學設(shè)計案例

續(xù)表

（二）評價方法

本研究提出的項目式循證STEM教學模式旨在培養(yǎng)學生的科學探究能力。本研究主要使用“動手實驗型”測評工具，教師和研究者現(xiàn)場觀察，根據(jù)學生探究活動的結(jié)果界定學生的科學探究能力水平。通過現(xiàn)場觀察采集學生行為數(shù)據(jù)、項目實施過程數(shù)據(jù)和項目成果等；使用學習單獲取學生在電路知識、項目設(shè)計、項目實施、項目成果評價等方面的掌握情況。依據(jù)我國《義務(wù)教育初中科學課程標準（2011年版）》中規(guī)定的科學探究關(guān)鍵要素（包括提出科學問題，進行猜想和假設(shè)，設(shè)計實驗，獲取事實與證據(jù)，解釋、檢驗與評價，表達與交流）對學生的各種證據(jù)進行分析，以評價學生的科學探究能力。

（三）實施效果

本研究從學習成績和科學探究能力兩方面對實施項目式循證STEM教學模式的效果進行評價。通過學生前后測成績比較可知，學生的學習成績得到顯著提高，有關(guān)電路知識的理解和應(yīng)用能力得到顯著提升。在實施項目式循證STEM教學模式中，教師開展以學生為中心的教學活動，引導學生圍繞項目開展各種探究，收集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，解釋分析結(jié)果。首先，在實施項目式循證STEM教學模式過程中，促進學生理論知識學習與項目實踐相結(jié)合，在實踐中去運用知識，強化學生的知識學習，促進學生實現(xiàn)知識的內(nèi)化。其次，促進學生開展實踐探究，在項目活動中運用理論知識去解決問題，完成項目，并建構(gòu)新的知識。最后，加強學生的循證運用，讓學生在收集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和解釋數(shù)據(jù)中培養(yǎng)學生的邏輯推理能力、總結(jié)歸納能力和問題解決能力等。

對學生科學探究能力的分析結(jié)果如表2所示。經(jīng)過教學實驗之后學生的科學探究能力獲得了良好的發(fā)展。學生在提出科學問題（M=4.67，SD=0.27）、設(shè)計實驗（M=4.46，SD=0.44）和表達與交流（M=4.74，SD=0.18）三個維度上表現(xiàn)良好。在獲取事實與證據(jù)，解釋、檢驗與評價兩個維度上學生表現(xiàn)弱于其他維度，表明學生在獲取事實與證據(jù)（M=4.27，SD=0.44）和解釋檢驗與評價（M=4.33，SD=0.42）等環(huán)節(jié)還存在一定的提升空間，需要教師給予更多的支持和幫助，助推學生發(fā)展數(shù)據(jù)分析、邏輯推理和評價能力。整體來說，在應(yīng)用項目式循證STEM教學模式的教育實踐中，學生的科學探究能力能夠獲得良好的發(fā)展。在項目式循證STEM教學模式實施過程中，教師鼓勵學生去設(shè)計項目方案，提出科學問題，建立研究假設(shè)，這是學習者開展科學探究的基礎(chǔ)，這一環(huán)節(jié)的教學活動能夠培養(yǎng)學生的問題意識、科學探究精神和科學素養(yǎng)。在學生開展項目探究過程中，學生為了尋找證據(jù)，解決項目問題，完成項目，開展數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)解釋等活動，這些能夠培養(yǎng)學生的數(shù)據(jù)意識和數(shù)據(jù)素養(yǎng)，培養(yǎng)學生的科學實踐能力，使學生在循證中將理論知識與項目探究相結(jié)合，達到培養(yǎng)學生科學探究能力的目的。

表2 學生的科學探究能力分析結(jié)果

四、總結(jié)

STEM教育強調(diào)通過跨學科知識的融合來培養(yǎng)具有多元思維與創(chuàng)新能力的人才，通過“做中學”來培養(yǎng)學生的科學探究能力。研究者和教師均強調(diào)項目式學習在STEM教育中的應(yīng)用，讓學生在項目探究中體驗科學家進行科學研究的方式，注重學生在開展項目中獲得真實的學習體驗，獲得知識、應(yīng)用知識，并鍛煉思維能力。當前，積極探索STEM教育模式、STEM學科的教學策略，使STEM教育與日常教學相融合，與培養(yǎng)學生科學探究能力相融合，已經(jīng)成為推動 STEM 教育發(fā)展的關(guān)鍵。本研究從培養(yǎng)學生的科學探究能力出發(fā)，依據(jù)循證理念，構(gòu)建了項目式STEM教育的教學模式。通過教學案例說明項目式循證STEM教學模式的應(yīng)用效果，以期將STEM教育理念扎根于實際教學情境中，助力STEM教育真正實現(xiàn)培養(yǎng)學生科學探究能力的目標，為STEM教育的實踐應(yīng)用提供有價值的指導作用。