初中STEAM課程認知能力和科學素養(yǎng)培養(yǎng)模型*
——基于反思性學習的思考

金 洲 李穎欣 戴 堅 黃詰雅

（浙江工業(yè)大學 教育科學與技術學院，浙江 杭州 310023）

一、引言

當今世界科學技術創(chuàng)新對社會的引領作用更加凸顯，對新型人才的需求也與日俱增，倡導多學科融合、注重創(chuàng)新精神和實踐能力培養(yǎng)的STEAM 課程引起廣泛關注。但是在熱點背后也存在一些亟待解決的問題，我國STEAM 課程中科學探究的過程存在知識深度和系統(tǒng)性上的不足[1]。其中，重“技能培養(yǎng)”輕“知識學習”、重“活動形式”輕“科學精神”是主要的兩大問題[2]。

二、理論基礎

（一）反思性學習的內(nèi)涵

反思性學習是指學習者以自身經(jīng)驗、活動或身心結構為對象，以反身性的自我觀察、分析、評價、改造、修煉等方式進行的學習，是建構性學習、自主學習、學生主體性發(fā)展等的核心環(huán)節(jié)[3]。

文章認為，反思性學習并不只是在某一教學階段或者某一教學時刻去做的事情，而應該貫穿到整個STEAM 課程的培養(yǎng)過程中，在各個教學環(huán)節(jié)都應該有所體現(xiàn)和表達。而依據(jù)各個教學環(huán)節(jié)對教學內(nèi)容側(cè)重點的不同，無論是認識能力培養(yǎng)和科學素養(yǎng)培養(yǎng)，無論是對過去教學的先前環(huán)節(jié)、過去教學的當前環(huán)節(jié)，還是在對現(xiàn)在教學的先前環(huán)節(jié)，反思性學習都應該存在并從這些環(huán)節(jié)中總結反思，利用現(xiàn)有經(jīng)驗推動教學環(huán)節(jié)的進一步完善。

（二）反思性學習的功能和途徑

目前，反思性學習的主要功能在于通過反思提高學習者自我認識、自我評價、自我對待以及自我發(fā)展的能力[3]。

反思性學習注重經(jīng)驗及其轉(zhuǎn)變的過程性和技術性，趨向社會性和實踐性，主要體現(xiàn)在：反思形式從沉思走向?qū)嵺`反思；從個體反思性學習走向社會化反思性學習；從過去的“反思性”走向外顯的、實證的“反思”；從以往的經(jīng)驗反思性學習走向轉(zhuǎn)換的反思性學習[4]。

日常教學中，反思性學習的內(nèi)容主要有學習過程的反思、學習結果的反思、學習環(huán)境的反思以及學習動機的反思四個方面[5]，工具主要有驅(qū)動性問題、反思性學習表、網(wǎng)絡反思性學習平臺、電子學習檔案袋以及試題等[6]。

（三）反思性學習與STEAM課程的關系

1.反思性學習提供了檢查機制。反思性學習可以作為STEAM 課程下的一種檢查機制，幫助學生監(jiān)控自己的學習活動，幫助教師調(diào)控自己的教學活動。要求教師在課前進行歷史反思，在課中進行實時反思，在課后進行即時反思，改進后續(xù)的學習課程，循環(huán)往復。反思學習雖與形成性評價類似，但包括了在形成性評價后給予反饋的環(huán)節(jié)，這種反饋包括了“回溯”“跳躍”和“遷移”。

2.反思性學習提供了潤滑劑。反思性學習提升了STEAM 課程的靈活性和可操縱性。在實際的STEAM 課程上，可能因為教學時間的限制或是教學材料的限制而導致學生在整個教學過程中缺少反思過程，而教師也在教學過程中未給予學生有效的反思時間，學生無法對已學知識完全掌握，自然更不可能去理解其他更深層次的內(nèi)容。而反思機制作為可以一種“回溯”和“跳轉(zhuǎn)”的綜合運用手段，靈活調(diào)整各個教學環(huán)節(jié)的時間、各個環(huán)節(jié)的次序等，根據(jù)實際情況操縱和調(diào)控教學環(huán)節(jié)順序，能夠有效對學生認知能力和科學素養(yǎng)培養(yǎng)過程中出現(xiàn)的問題進行及時發(fā)現(xiàn)和解決。

3.反思性學習提供了認知能力與科學素養(yǎng)之間的“橋梁”。反思性學習不應該局限于時間維度各個教學環(huán)節(jié)的進行上，更應該擴展到空間維度“認知能力”與“科學素養(yǎng)”的交互上。具體來說，“認知能力”培養(yǎng)和“科學素養(yǎng)”培養(yǎng)兩者是面對學生核心發(fā)展的不同側(cè)面，是獨立的，但又是相互關聯(lián)的，“科學素養(yǎng)”的培養(yǎng)是在學生“認知能力”達到一定要求的基礎上，而“認知能力”提升的最終目標是實現(xiàn)“科學素養(yǎng)”，而連通兩者的“橋梁”就是反思性學習。

三、初中STEAM課程現(xiàn)存問題及原因分析

（一）課程流程固定化

課程流程固定化是目前初中STEAM 課程的主要問題。課程環(huán)節(jié)單一與教師教學水平較低有直接關系，許多教師在設計STEAM 課程教案時僅通過套用標準STEAM 課程模板或依據(jù)其他標準課堂模板修改后得到，極大程度上限制了教學環(huán)節(jié)的靈活性和可操作性，按部就班極大程度上導致了教學流程固定化。

（二）社會程度淺

社會程度淺體現(xiàn)在兩個方面：一是STEAM 課程嚴重脫離實際。脫離實際是指STEAM 課程依據(jù)的問題來源遠離實際、實踐操作背離實際、結論得出超出實際。在STEAM 課程中學到的知識、掌握的技能、設想的方法無法運用到實際情況，并起到重要作用。二是在STEAM 課程中無法有效鍛煉學生的社會交流能力、社會思維辨析能力等社會綜合能力，造成學生社會程度淺的問題。

（三）重視外在活動形式、缺乏科學精神培養(yǎng)

目前的STEAM 教育在很大程度上外在活動形式準備較為充足，但是嚴重缺乏核心素養(yǎng)的培養(yǎng)環(huán)節(jié)，其中最主要的就是科學精神的培養(yǎng)。究其原因主要是教師對STEAM 教育了解程度較低、學生對STEAM 教育接受程度不高、社會對STEAM 教育期望值過大等共同導致STEAM 課程呈現(xiàn)形式優(yōu)良但缺乏科學實質(zhì)的關鍵問題。

針對以上問題，本研究提出了基于反思性學習的新型初中STEAM 課程認知能力和科學素養(yǎng)培養(yǎng)模型。

四、初中STEAM課程現(xiàn)存問題及原因分析

基于反思性學習的初中STEAM 課程認知能力和科學素養(yǎng)培養(yǎng)模型（以下簡稱模型）如圖1 所示，由內(nèi)、中、外三層組成。內(nèi)層為STEAM 課程的基本環(huán)節(jié)，包括發(fā)現(xiàn)問題、設計方案、收集證據(jù)、分析證據(jù)、得出結論和表達交流；中層為安德森認知發(fā)展理論中認識能力的目標要求，包括記憶、理解、運用、分析、評價、創(chuàng)造；外層為科學素養(yǎng)培養(yǎng)的基本過程，包括設計科學研究、科學地解釋數(shù)據(jù)和證據(jù)、科學地解釋現(xiàn)象、評價科學研究。

圖1 基于反思性學習的初中STEAM課程認知能力和科學素養(yǎng)培養(yǎng)模型

模型三層結構既相互獨立，又相互對應。相互獨立體現(xiàn)在各層次內(nèi)部為基本閉環(huán)，且在最內(nèi)層的STEAM教學環(huán)節(jié)中存在著反思機制，根據(jù)實際教學情況進行“回溯”和“跳躍”，同時借用模型三層結構的具體形式投影到認知能力培養(yǎng)與科學素養(yǎng)培養(yǎng)上。相互對應體現(xiàn)在：依據(jù)最內(nèi)層STEAM 課程教學環(huán)節(jié)劃分整個課程時間，由所在具體課程教學環(huán)節(jié)兩側(cè)與圓心的反向延長線所組成的扇形，確定認知能力培養(yǎng)和科學素養(yǎng)培養(yǎng)環(huán)節(jié)的一一對應關系。如圖2 科學素養(yǎng)中“科學地解釋數(shù)據(jù)和證據(jù)”位于認知能力結構“分析”和“評價”之間，同時與STEAM 教學環(huán)節(jié)的“分析證據(jù)”相對應。

圖2 基于反思性學習的初中STEAM課程認知能力和科學素養(yǎng)培養(yǎng)模型層級

（一）課程目標

目前STEAM 課程面向群體以中小學生為主，學生大多處于具體運算階段，思維的抽象邏輯程度比較低，需要借助具體的事物以及過去的經(jīng)驗。在此階段，學生對知識能力的培養(yǎng)提出較高要求的同時也對科學素養(yǎng)快速提升提出了強烈的需求，逐漸形成了較強的抽象邏輯思維以及系統(tǒng)思維能力。因此，在實際的課程中應當以認知能力培養(yǎng)和科學素養(yǎng)培養(yǎng)為背景進行具體的課程目標設計。

（二）課程內(nèi)容

1.認知能力培養(yǎng)。目前，STEAM 課程在認知能力培養(yǎng)方面較為薄弱。模型以安德森認知目標模型為主體，分為記憶、理解、運用、分析、評價和創(chuàng)造六個環(huán)節(jié)。從最初的發(fā)現(xiàn)問題開始，教師可以教授學生適當?shù)摹坝洃洝狈矫娴闹R，也就是可解決問題的基礎知識，并從此出發(fā)，設計具體解決問題的方案。在設計方案的過程中，學生逐漸“理解”所學的基礎知識，并往外延伸與此有關的其他方面知識。然后，學生通過收集證據(jù)和分析證據(jù)環(huán)節(jié)，將所學知識“運用”到實際的動手實踐過程中，培養(yǎng)學生運用知識的能力。接下來，在得出結論環(huán)節(jié)和表達交流環(huán)節(jié)，學生將“評價”STEAM 課程過程中的知識學習與實踐經(jīng)驗得出結論。最后，學生對現(xiàn)有的設計方案進行“創(chuàng)造”，培養(yǎng)學生自我認知能力，達成認識目標。在課外時間，學生也可以去搜索與本節(jié)課課題有關的知識，重復進行安德森認知目標模型的六個環(huán)節(jié)，從而實現(xiàn)不同目標層次的具體要求。

與此同時，在正向循環(huán)認知能力培養(yǎng)過程的同時，教師也應當允許反思的發(fā)生。當學生未能運用知識到具體實踐中時，可以反向思考是因為學生“記憶”環(huán)節(jié)不到位還是“理解”環(huán)節(jié)不到位的原因，并對此進一步的講解補充；同時，如果學生在評價過程中對某個作品的評價與其他同伴作品的評價有較大差異時，教師可以思考，這位同學是否在最初的“知識”掌握環(huán)節(jié)中有所問題，又或者是學生在實際“運用”“分析”過程中與其他的同學存在些許差異等。將反思性學習融入到認知能力培養(yǎng)方面，能夠真正實現(xiàn)學生在STEAM 課程中認知能力的提升。

從整體來看，STEAM 課程環(huán)節(jié)與認知能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)一一對應又相互錯開。在發(fā)現(xiàn)問題階段和設計方案初期，學生逐漸對解決實際問題所需的知識達到熟記的要求；在設計方案后期和收集證據(jù)階段，學生逐漸理解所接受到的知識，并根據(jù)自己的理解收集相關的證據(jù)支持自己的假設假說；在分析證據(jù)階段初期，學生運用已有認知嘗試解決問題；在分析證據(jù)階段后期，學生將對證據(jù)的分析轉(zhuǎn)化為自身的知識，并結合之前學習過的知識進行總體分析，在“得出結論”階段的初期加以運用；在得出結論的后期，學生綜合多學科多方面的認知知識，并在表達交流環(huán)節(jié)進行總結、評價。最后學生也可以聯(lián)系生活實際，根據(jù)其他學生和教師的評價修改原有設計方案，進行進一步的改進和創(chuàng)造。具體對應關系如表1所示。

表1 初中STEAM 課程環(huán)節(jié)與認知能力培養(yǎng)對應關系

2.科學素養(yǎng)培養(yǎng)。研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前STEAM 課程片面注重活動形式和課堂氛圍，一定程度上缺乏實踐活動的科學性和嚴謹性，僅僅是把“表面功夫”做好，卻忽視了學生科學素養(yǎng)的提升。如今STEAM 課程更是應當把重點放在引導學生在實踐活動中掌握科學知識和科學方法，培養(yǎng)科學精神。

模型的外環(huán)以PISA2018 發(fā)布的有關科學素質(zhì)的能力“科學地解釋現(xiàn)象”“評價和設計科學探究”“科學地解釋數(shù)據(jù)和證據(jù)”為基礎，并進一步將“評價和設計科學研究”分為“設計科學研究”和“評價科學研究”兩個部分。以最初“設計科學研究”為出發(fā)點，經(jīng)過收集證據(jù)和分析證據(jù)（即科學地解釋數(shù)據(jù)和證據(jù)）后，科學地解釋現(xiàn)象，評價自己和其他同學設計的科學探究，有效提高學生的科學探究能力，并根據(jù)科學探究的評價結果重新設計科學研究，如此循環(huán)。

在此循環(huán)過程中，可以利用反思機制，在根據(jù)所設計的科學研究對數(shù)據(jù)和證據(jù)進行收集、分析、解釋的過程中，對出現(xiàn)的問題進行反思，并重設科學研究，再次進行具體的收集、分析、解釋工作；而發(fā)現(xiàn)已有的數(shù)據(jù)和證據(jù)無法科學地解釋現(xiàn)象時，反思出現(xiàn)問題的原因，并對出現(xiàn)的原因（可能是因為對數(shù)據(jù)和證據(jù)的分析解釋不合理或者在最初的研究假設中出現(xiàn)了問題）進行修改和調(diào)整。在最后的評價科學研究階段，學生和教師對整個研究過程進行分析，從整體的角度分析存在的問題，加以改進。

從整體上看，“設計科學探究”與STEAM 課程環(huán)節(jié)中的“設計方案”、安德森認知目標發(fā)展理論的“記憶”“理解”相對應，在學生記憶能力與理解能力提升的同時，加強對科學方案設計、科學嚴謹表達的能力；在設計方案階段“科學地解釋數(shù)據(jù)和證據(jù)”“科學地解釋現(xiàn)象”與STEAM 課程過程中的“收集證據(jù)”“分析證據(jù)”“得出結論”，安德森認知目標發(fā)展理論中的“運用”“分析”相對應，加強學生的科學計算能力和科學分析能力；“評價科學探究”與STEAM 課程過程中的“表達交流”、安德森認知目標發(fā)展理論中的“評價”相對應，增強學生對科學意義的體會、科學價值的判斷，真實鍛煉學生的科學精神，達到良好的實際教學效果。具體對應關系如表2所示。

表2 初中STEAM 課程環(huán)節(jié)與科學素養(yǎng)培養(yǎng)對應關系

（三）課程實施

1.發(fā)現(xiàn)問題。發(fā)現(xiàn)問題是STEAM 課程的開端，在“發(fā)現(xiàn)問題”的教學環(huán)節(jié)中教師引導學生從身邊的生活實際出發(fā)，發(fā)現(xiàn)真實可解決問題并以解釋此類現(xiàn)象、解決此類問題為目的，為設計科學研究方案打下堅實基礎，促進學生的記憶和理解能力。

2.設計方案。設計方案是STEAM 教學的關鍵環(huán)節(jié)，一個好的設計方案是后面其余教學環(huán)節(jié)的總規(guī)劃。作為一份“科學指南”，好的科學設計方案不是一次性就能夠完成的，而是需要通過后續(xù)教學環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的問題通過不斷反思改進的，鍛煉學生對知識的理解能力，推動科學研究的設計進度，完善科學設計方案。

3.收集證據(jù)。收集證據(jù)是對之前所設計方案的一種體現(xiàn)，也是對之后得出結論的根本證據(jù)。就實際而言，對于目前STEAM 課程中存在的真實性缺乏、未能從實質(zhì)上對科學素養(yǎng)以及認知能力培養(yǎng)提供切實幫助的原因，很大程度上是收集到的證據(jù)準確性差、虛假程度高，極大程度上是為了理想的結論或結果而編撰證據(jù)，無法體現(xiàn)反思性學習的真實效果，也無法依靠對所出現(xiàn)的問題（證據(jù)為什么收集不精準、證據(jù)如何精準收集等）進行反思以提高科學素養(yǎng)能力。

4.分析證據(jù)。若僅僅完成證據(jù)的收集是完全不夠的，還需要對證據(jù)進行分析，這是培養(yǎng)認知能力的主要方式，不僅培養(yǎng)學生的應用、分析能力，還能夠鍛煉學生的科學思維邏輯和抽象思維邏輯。在面對如此龐大真實復雜隨機的數(shù)字中，發(fā)現(xiàn)實際規(guī)律和總結實際證據(jù)是擺在所有學生面前的一大難題，而教師就要充分借用此機會，在對學生提供適當幫助的同時，對基本的科學方法進行解釋說明和強化練習。

5.得出結論。對證據(jù)的收集分析以得到最終的結果。但是在目前STEAM 教學過程中出現(xiàn)得到結果與預期效果不一致的情況，這時候許多學生會選擇放棄得到的真實結果而杜撰出虛假的自己設想的結果，而教師也對此環(huán)節(jié)不加以干預，這對學生的科學素養(yǎng)培養(yǎng)進程造成極大的負面影響。教師應當引導學生從先前教學環(huán)節(jié)中分析原因，如果是某些操作原因、計算原因等則改正過來重新實驗；如果發(fā)現(xiàn)之前操作并沒有任何錯誤，那么就要接受這個實驗結果，這是科學素養(yǎng)的一種真實體現(xiàn)。

6.表達交流。表達交流是學習者理解所學內(nèi)容并用自己的語言表達出來的邏輯體現(xiàn)內(nèi)容，具有現(xiàn)實意義的同時，也有利于教師從學生的講述中發(fā)現(xiàn)學生在課堂實踐中存在的問題和課程實踐對學生認知能力和科學素養(yǎng)的提升效果，有利于教師對整節(jié)課進行反思，并對教學設計加以改進。

五、基于反思性學習的初中STEAM 課程學習效果評價

（一）評價標準

基于反思性學習的初中STEAM 課程學習效果評價可以分為認知能力、科學素養(yǎng)、反思程度三個大類，三個大類之中又細分為具體十四個二級小類，詳細如表3 所示。其中評價的主體是教師、學生（自我評價和同儕互評）、家長三方。

表3 初中STEAM 課程學習效果評價體系

（二）評價內(nèi)容

基于反思性學習的初中STEAM 課程學習堅持以人為本，以促進學生提升認知能力與發(fā)展核心素養(yǎng)為根本目標，在評價過程中需遵從以下原則：

1.“技能培養(yǎng)”和“知識學習”并重。知識學習是技能培養(yǎng)的基礎，而技能培養(yǎng)是知識學習的進一步提高，從“記憶”“理解”“應用”到“分析”“評價”“創(chuàng)造”，讓技能培養(yǎng)與知識學習并重，是當前初中STEAM 課程擺脫形式注重實際的基本之策。

2.“活動形式”“科學精神”并重。“活動形式”應該以“科學精神”培養(yǎng)為核心，“科學精神”培養(yǎng)應該以“活動形式”的優(yōu)化為創(chuàng)新，創(chuàng)建“活動形式”精良、“科學精神”純粹的STEAM 課程。

3.多能力并重。從理性思維能力、批判質(zhì)疑能力、科學探究能力這三大科學素養(yǎng)結構關鍵成分角度培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)能力，多角度能力并重培養(yǎng)，全方位素質(zhì)綜合發(fā)展，切實評價真正體現(xiàn)初中STEAM 課程教學中認知能力和科學素養(yǎng)的提升效果。

六、結語

本研究基于反思性學習理論、布魯姆認知目標分類理論以及PISA2018 科學素養(yǎng)培養(yǎng)理論，分析造成目前STEAM 課程重“技能培養(yǎng)”輕“知識學習”、重“活動形式”輕“科學精神”問題的原因，構建基于反思性學習的初中STEAM 課程認知和科學素養(yǎng)培養(yǎng)模型。此模型較好地解決了STEAM 課程流程固定化、學習程度淺、重視外在活動形式、缺乏科學精神培養(yǎng)等具體問題，能夠推動STEAM 課程教師教學效果和學生學習效率的提高，進而推動STEAM 課程在我國的進一步發(fā)展。但是，模型還存在一些缺陷，如什么時候進行反思性學習、教師應該如何進行反思性學習，反思性學習的內(nèi)容有哪些等問題，都需要通過進一步研究加以解決。