面向師范生STEM素養(yǎng)培養(yǎng)的雙U型教學(xué)活動設(shè)計研究

陳思含 李憲印

（曲阜師范大學(xué) a.教育學(xué)院；b.中國教育大數(shù)據(jù)研究院，山東 曲阜 273100）

2020年，《中小學(xué)教師培訓(xùn)課程指導(dǎo)標準（專業(yè)發(fā)展）》將STEM課程與開發(fā)納入文化知識學(xué)習研修主題，可見，教師STEM素養(yǎng)是實現(xiàn)STEM教學(xué)實踐、發(fā)展STEM教育和提升學(xué)生STEM素養(yǎng)的基礎(chǔ)。目前，我國對于教師STEM素養(yǎng)的可持續(xù)性研究寥寥可數(shù)，偶有機構(gòu)進行相關(guān)培訓(xùn)，尚未形成明顯的規(guī)模效應(yīng)。由STEM素養(yǎng)相關(guān)研究與實踐方面的狀況來看，我國在一段時間內(nèi)仍面臨合格STEM教師短缺的問題。具有“學(xué)生”與“未來教師”雙重身份的師范生，是未來教育的中堅力量，職前教育是培養(yǎng)其STEM素養(yǎng)的黃金階段。通過師范生STEM素養(yǎng)的培養(yǎng)反哺教師STEM素養(yǎng)，是應(yīng)對優(yōu)質(zhì)STEM師資緊缺困境的必由之路[1]。

一、師范生STEM素養(yǎng)的構(gòu)成及特點

（一）STEM素養(yǎng)構(gòu)成要素

STEM素養(yǎng)不限于科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)的簡單組合[2]，而是以科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四個領(lǐng)域的知識與技能為載體，通過實踐形成的動態(tài)、穩(wěn)定的整合性素養(yǎng)，是STEM價值觀、STEM知識、STEM思維、STEM技能的有機耦合，其具體內(nèi)容如表1所示。

表1 STEM素養(yǎng)構(gòu)成要素

續(xù)表

STEM素養(yǎng)中STEM價值觀、STEM知識、STEM思維、STEM技能四個相輔相成、不可分割的子要素，共同指導(dǎo)STEM學(xué)習與實踐。隨STEM知識的增長和STEM實踐經(jīng)驗的積累，STEM價值觀積淀而成，一旦形成，具有較強的穩(wěn)定性，表現(xiàn)出的價值取向和行為傾向是短時間內(nèi)難以改變的；STEM知識的習得與內(nèi)化依賴于個體在多個不同的真實情境中通過實踐來概括和應(yīng)用；STEM思維是動態(tài)且穩(wěn)定的，并朝向?qū)嵺`最優(yōu)化的方向發(fā)展；STEM硬技能和STEM軟技能同等重要，需注重二者的共同發(fā)展。

（二）師范生STEM素養(yǎng)的特點

1.整合性

STEM素養(yǎng)是集合多種素養(yǎng)而成的超越單一素養(yǎng)界限的整合性素養(yǎng)[5]。STEM知識強調(diào)多學(xué)科知識的交叉互融，在分科知識的基礎(chǔ)上更加注重整合的STEM知識，其范圍涵蓋科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等多學(xué)科理論性知識和隱性的實踐性知識。師范生所掌握的跨學(xué)科技能體系越完善，越能在分析真實的復(fù)雜性問題并針對性提出解決策略方面脫穎而出。

2.具身性

具身認知理論將個體的心智、大腦、身體和環(huán)境看作一體化的系統(tǒng)[6]。從STEM素養(yǎng)的具身性來看，STEM素養(yǎng)的內(nèi)化不但是個體的內(nèi)部加工過程，而且同環(huán)境密切相關(guān)。要想改變師范生對STEM的態(tài)度價值，前提是通過STEM實踐，使師范生對已有STEM認知產(chǎn)生矛盾與偏差，從而促使師范生轉(zhuǎn)變自身態(tài)度。STEM抽象概念的形成機理與身體、情境息息相關(guān)，不同的情境使師范生做出不同的身體行動，不同的身體行動在大腦中形成不同的感覺，這些感覺、行動與情境相互作用，共同形成抽象概念，進而構(gòu)成STEM素養(yǎng)。

3.前置性

前置性是師范生STEM素養(yǎng)區(qū)別于教師STEM素養(yǎng)最本質(zhì)的特點[7]。師范生STEM素養(yǎng)具有“先學(xué)后練”的特點，其前置性表現(xiàn)在兩方面：一方面指在課上或課下學(xué)習相關(guān)知識和技能，提升STEM素養(yǎng)，而后參與微格教學(xué)與STEM實習實踐，通過實戰(zhàn)演練實現(xiàn)自身發(fā)展；另一方面指師范生只有在高校學(xué)習階段完善自身STEM素養(yǎng)，才能為職后的STEM教學(xué)工作打下堅實基礎(chǔ)。

二、面向師范生STEM素養(yǎng)培養(yǎng)的雙U型教學(xué)活動框架構(gòu)建

師范教育是為教育事業(yè)塑造人才、輸送人才的基本途徑，關(guān)系著國家和民族的基礎(chǔ)素質(zhì)和綜合能力，師范生STEM素養(yǎng)的培養(yǎng)是師范院校專業(yè)體系下師范人才培養(yǎng)的重要內(nèi)容。杜威認為，教育的本質(zhì)是經(jīng)驗的改組與改造[8]，需要學(xué)習者經(jīng)過復(fù)雜的學(xué)習過程[9]。郭元祥將這一復(fù)雜過程概括為一個U型的過程，即知識的學(xué)習過程包括還原與下沉、經(jīng)驗與探究、反思與上浮三個階段[10]。還原與下沉是指學(xué)習者將刻板的書本知識還原為原有經(jīng)驗，幫助學(xué)習者在情境中將新舊知識建立關(guān)聯(lián)。經(jīng)驗與探究是學(xué)習者通過探究協(xié)作、交流分享、體驗實踐等過程對知識進行加工、重組以完善認知體系的過程。反思與上浮是學(xué)習者運用反思性思維與批判性思維進行反思活動，將內(nèi)化的知識進行升華與表達的過程。研究基于師范生的認知過程、思維活動和實踐體驗，構(gòu)建面向師范生STEM素養(yǎng)培養(yǎng)的雙U型教學(xué)活動框架，如圖1所示。

圖1 面向師范生STEM素養(yǎng)培養(yǎng)的雙U型教學(xué)活動框架

師范生作為學(xué)習者參與雙U型教學(xué)活動框架中“學(xué)”的U型活動，該活動符合學(xué)習者對STEM素養(yǎng)內(nèi)化、遷移、外化的邏輯特點，引導(dǎo)學(xué)習者在學(xué)習活動的進行與反思迭代中達成學(xué)習目標；在“教”的U型活動中，師范生作為教授者參與教學(xué)活動，活動框架具體設(shè)計了九項教學(xué)活動，分別對應(yīng)STEM素養(yǎng)的外化、遷移、內(nèi)化學(xué)習路線，在實踐中檢驗學(xué)習成果。雙U型教學(xué)活動強調(diào)“在做中學(xué)”，框架中的各項具體活動之間環(huán)環(huán)相扣，讓學(xué)習者在獲得具身的認知體驗和操作過程中實現(xiàn)理論與實踐的辯證統(tǒng)一，可以有效促進師范生的學(xué)以致用、知行并進。面向師范生STEM素養(yǎng)培養(yǎng)的雙U型教學(xué)活動框架由內(nèi)而外分為四個層級：核心層、驅(qū)動層、應(yīng)用層、系統(tǒng)層。核心層是教學(xué)活動的出發(fā)點和落腳點；驅(qū)動層是核心層的分解、細化，是核心層與應(yīng)用層的中介和橋梁；應(yīng)用層為實現(xiàn)師范生STEM素養(yǎng)提供了具體的、可操作的活動支撐；系統(tǒng)層是根據(jù)知識的建構(gòu)邏輯劃分的活動架構(gòu)。

（一）師范生作為學(xué)習者——“學(xué)”的U型活動

1.核心層

位于活動框架內(nèi)環(huán)的核心層是U型學(xué)習活動設(shè)計的起點，是學(xué)習活動的目標導(dǎo)向，也是檢驗學(xué)習目標達成與否的標準和依據(jù)。在“學(xué)”的U型活動中，師范生作為學(xué)習者，旨在通過學(xué)習活動獲得對STEM的認知和操作體驗，為進行“教”的活動積攢知識和經(jīng)驗。

2.驅(qū)動層

根據(jù)師范生STEM素養(yǎng)的具體內(nèi)涵，將“學(xué)”的U型活動的驅(qū)動層分為STEM知識、STEM思維、STEM技能、STEM價值觀四項指標，圍繞此目標導(dǎo)向組織課堂教學(xué)活動，有利于從微觀層面驅(qū)動師范生達成預(yù)期學(xué)習效果，促進師范生STEM素養(yǎng)的提升。

3.應(yīng)用層與系統(tǒng)層

應(yīng)用層與系統(tǒng)層是緊密聯(lián)系的兩個層級，還原與下沉、經(jīng)驗與探究、反思與上浮三個階段分別對應(yīng)STEM素養(yǎng)的內(nèi)化、STEM素養(yǎng)的遷移、STEM素養(yǎng)的外化，用來指導(dǎo)應(yīng)用層具體的學(xué)習活動，進而實現(xiàn)學(xué)習目標。

（1）還原與下沉（STEM素養(yǎng)的內(nèi)化）

還原與下沉的過程即STEM素養(yǎng)的內(nèi)化過程，還原是將刻板知識還原為靈活經(jīng)驗，將零散的、無序的知識、思維、技能轉(zhuǎn)化成有結(jié)構(gòu)、有組織的綜合性素養(yǎng)的過程，下沉即通過情境體驗對抽象的學(xué)習內(nèi)容進行具象化的過程。該階段主要包括確定項目、情境體驗、認知沖突三個環(huán)節(jié)。

①確定項目

在確定項目時，應(yīng)考慮理論知識、思維分析、實踐運用的互通互聯(lián)，好的項目結(jié)束后，師范生既可以學(xué)習到理論知識，又能提升思維能力，更能增強實踐技能。

②情境體驗

STEM素養(yǎng)的培養(yǎng)強調(diào)在真實的情境中實現(xiàn)問題解決，開展學(xué)習活動[11]。教師可以通過多種途徑創(chuàng)設(shè)問題情境，并將師范生引入其中進行情境體驗，從而激發(fā)師范生的學(xué)習動機，有利于師范生對項目主題進行深入理解。

③認知沖突

化解認知沖突的過程是師范生原有知識結(jié)構(gòu)完善與重建的過程，當現(xiàn)實情境與原有經(jīng)驗產(chǎn)生矛盾時，認知沖突就會產(chǎn)生。師范生正處在對未知世界具有強烈探索欲望的階段，為了消除認知沖突，師范生會進行主動學(xué)習，從活動探究中獲取相關(guān)信息，進行有目的的學(xué)習活動。

（2）經(jīng)驗與探究（STEM素養(yǎng)的遷移）

相比學(xué)習結(jié)果，項目式學(xué)習活動更注重學(xué)習過程。經(jīng)驗與探究階段是項目式學(xué)習活動的重心，要求師范生通過共同體的協(xié)作來解決復(fù)雜問題，在個體與群體的認知沖突與平衡中，通過個體構(gòu)建和協(xié)作學(xué)習達到活動目標、建立共同體智慧。經(jīng)驗與探究的過程也是STEM素養(yǎng)的遷移過程，是將已有知識、技能、思維、經(jīng)驗進行“自我加工”，并將其遷移運用到具體情境中，以實現(xiàn)經(jīng)驗的增長和活動的探究。經(jīng)驗與探究階段包括問題解決、活動探究、設(shè)計制作三個環(huán)節(jié)。

①問題解決

面向師范生STEM素養(yǎng)培養(yǎng)的U型學(xué)習活動是師范生解決復(fù)雜問題的過程，由于師范生的能力和知識有限，無法獨立完成問題解決這個步驟，所以在此過程中往往需要共同體成員進行頭腦風暴，產(chǎn)生多種不同方案[12]，選擇可行方案并共同擬訂實施計劃。

②活動探究

師范生參與U型學(xué)習活動的過程就是實現(xiàn)項目計劃、為項目成果不斷努力的過程。這個過程充分重視師范生的主體地位，師范生是實踐活動的探究者與完成者，師范生通過網(wǎng)絡(luò)、書籍等資料獲取相關(guān)知識，通過調(diào)查、實驗等方式躬行實踐，做到知行學(xué)合一。

③設(shè)計制作

從設(shè)計方案落實到作品制作，是理論與實踐的結(jié)合點。師范生實施活動方案，驗證方案的可行性，發(fā)現(xiàn)方案存在的問題和不足，與共同體同伴進行商討，優(yōu)化實驗方案。設(shè)計制作的過程是通過探究執(zhí)行設(shè)計方案的過程，其結(jié)果指向方案的不斷優(yōu)化與完善。

（3）反思與上浮（STEM素養(yǎng)的外化）

反思與上浮階段有效實現(xiàn)項目式學(xué)習效果的可視化。反思與上浮過程體現(xiàn)了師范生已有素養(yǎng)的外化過程，將經(jīng)過“自我加工”的STEM素養(yǎng)進行個體意義的表達與升華，獲得STEM素養(yǎng)的意義增值。具體包括以下環(huán)節(jié)。

①成果分享

成果分享環(huán)節(jié)是師范生知識和技能展現(xiàn)的載體，師范生通過匯報共同體完成的項目計劃、作品設(shè)計、作品成果等，呈現(xiàn)個體在項目中做出的貢獻與收獲。成果展示也是教師與師范生、不同學(xué)習共同體之間相互交流、相互分享經(jīng)驗的過程，在他人的展示過程中，師范生對比自身，發(fā)現(xiàn)問題解決的不同思路，實現(xiàn)STEM思維發(fā)展的多樣性。

②評價反饋

評價是多元的，具體體現(xiàn)為多元的評價方式、評價主體、評價內(nèi)容。教師通過開放性問題收集、分析師范生的體驗，以便下一步改進教學(xué)。通過師范生的回答，教師可以了解師范生在學(xué)習活動中的真實體驗，為更好地設(shè)計教學(xué)活動提供依據(jù)。教師在師范生項目進行過程中，關(guān)注不同師范生之間的差異，可為改進共同體的設(shè)計提供參考。

③反思完善 迭代優(yōu)化

評價環(huán)節(jié)結(jié)束后，教師及師范生要反思在項目學(xué)習活動過程中的收獲與欠缺之處，總結(jié)項目完成后所收獲的知識、能力和可遷移的思維、方式等，分析在項目活動中存在的不足，并對項目計劃和成果進行完善。迭代優(yōu)化的目的是呈現(xiàn)更完美的作品，是培養(yǎng)師范生工程思維、逆向思維與藝術(shù)思維的過程，師范生及共同體在分析其他共同體對作品的評價基礎(chǔ)上，對作品進行再次評估與測試，思考存在的不足之處與項目過程中尚未解決的問題，在共同體的支持下尋求解決辦法。

（二）師范生作為教授者——“教”的U型活動

1.核心層

活動框架最內(nèi)層的核心層指向的STEM素養(yǎng)是“教”的U型活動的最終目的。在此活動階段，師范生角色由學(xué)習者轉(zhuǎn)變?yōu)榻淌谡撸鑼⑺鶎W(xué)知識、經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為教的技能，師范生只有扎實掌握前一階段所學(xué)內(nèi)容，關(guān)注不同知識點之間的內(nèi)在聯(lián)系，理解跨學(xué)科課程的邏輯關(guān)系與框架體系，才能以合格的教授者的角色參與“教”的U型活動。

2.驅(qū)動層

教學(xué)活動是為師范生的STEM素養(yǎng)發(fā)展而服務(wù)的，依托驅(qū)動層師范生的STEM知識、STEM思維、STEM技能、STEM價值觀四要素組織教學(xué)活動，有利于師范生STEM素養(yǎng)的有機整合，促進師范生從多視角、多學(xué)科出發(fā)，解決實際問題并參與教學(xué)活動，實現(xiàn)自我價值。

3.應(yīng)用層與系統(tǒng)層

系統(tǒng)層將U型教學(xué)活動劃分為還原與下沉、經(jīng)驗與探究、反思與上浮三個階段。其中，還原與下沉是師范生將前一階段所學(xué)知識外化，學(xué)以致用，以知促行的過程；經(jīng)驗與探究是檢驗師范生STEM素養(yǎng)遷移、運用、深度加工的主要階段；反思與上浮是師范生將教的知識與技能內(nèi)化的過程，其生成的知識與經(jīng)驗用以指導(dǎo)教學(xué)過程的完善與改進，促使師范生STEM素養(yǎng)的深度發(fā)展。應(yīng)用層在系統(tǒng)層的宏觀指導(dǎo)下，為實現(xiàn)核心層的活動目標提供了具體的教學(xué)活動，以期檢驗師范生STEM教學(xué)技能的實踐與應(yīng)用，真正實現(xiàn)用以促學(xué)，學(xué)用相長。

（1）還原與下沉（STEM素養(yǎng)的外化）

在“教”的U型活動中，還原與下沉的本質(zhì)是師范生通過教學(xué)活動，輔助學(xué)習者將目標知識、技能與個人經(jīng)驗建立有意義的聯(lián)系，指導(dǎo)學(xué)習者對學(xué)習內(nèi)容進行初步理解。這一階段是師范生STEM知識與教學(xué)技能的外化過程，是將先前所學(xué)內(nèi)容還原為教學(xué)技能，并應(yīng)用到實踐的體現(xiàn)，是實現(xiàn)經(jīng)驗與探究活動的前提。該階段師范生需將教學(xué)內(nèi)容及情境融入教學(xué)活動，將抽象知識“下沉”為具象知識，建立知識與經(jīng)驗的關(guān)聯(lián)性，促進學(xué)習者的STEM知識內(nèi)化與技能提升。

①明確項目

項目活動的設(shè)計應(yīng)基于學(xué)習者已有認知和STEM經(jīng)驗，在師范生的整體把控下促進師范生和學(xué)習者的能力共進。明確項目環(huán)節(jié)師范生需要幫助學(xué)習者將復(fù)雜的問題或任務(wù)進行分解，這是運用計算思維和工程思維解決問題的體現(xiàn)。

②情境創(chuàng)設(shè)

STEM思維的發(fā)展需要具體活動的支持，創(chuàng)設(shè)真實的情境能夠促進學(xué)習者對項目的理解，情境創(chuàng)設(shè)環(huán)節(jié)要求師范生對項目整體理解透徹，并熟知各環(huán)節(jié)可能用到的知識和技能，從而引導(dǎo)學(xué)習者在情境中發(fā)現(xiàn)問題、主動思考、內(nèi)化知識、強化技能、完善認知體系，促進學(xué)習者的有意義學(xué)習。

③導(dǎo)入新知

師范生可通過多種形式進行教學(xué)內(nèi)容的導(dǎo)入，營造和諧、活潑的學(xué)習氛圍，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)境以及師范生的自身特點，在具體教學(xué)情境下可選擇直接導(dǎo)入法或間接導(dǎo)入法。

（2）經(jīng)驗與探究（STEM素養(yǎng)的遷移）

經(jīng)驗與探究階段，是師范生作為教授者對STEM素養(yǎng)的自我加工過程，是運用STEM素養(yǎng)指導(dǎo)學(xué)習者參與項目式教學(xué)活動的過程，是對STEM知識和STEM技能進行經(jīng)驗化、再理解與融合遷移的過程，是與學(xué)習者進行深度交互、與共同體探究體驗項目活動的過程。思維激發(fā)、適時引導(dǎo)、答疑解惑三個環(huán)節(jié)可以有效促進師范生對STEM相關(guān)內(nèi)容的領(lǐng)悟、意義建構(gòu)與高階思維發(fā)展。

①思維激發(fā)

培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)習者的STEM構(gòu)建思維、STEM應(yīng)用思維、STEM批判思維以及創(chuàng)新思維是雙U型教學(xué)活動的目標之一。具有不同認知結(jié)構(gòu)和思維方式的學(xué)習者對問題有不同的理解，尋求共同體間不同學(xué)習者對問題理解的“求同”與“存異”的動態(tài)平衡過程，能夠有效激發(fā)學(xué)習者思維能力與深度學(xué)習能力的發(fā)展。師范生通過多種教法引導(dǎo)、深化學(xué)習者多維思維的發(fā)展，給予充分的平臺使其進行自我展示[13]，喚起學(xué)習者良好的自我效能感與學(xué)習滿足感。

②適時引導(dǎo)

學(xué)習者的自主探究需要教授者的引導(dǎo)，恰如其分的引導(dǎo)可以保證項目活動按照預(yù)期方向和節(jié)奏進行，使探究活動更加高效。實現(xiàn)有意義的引導(dǎo)作用要求師范生熟知教學(xué)活動的各個環(huán)節(jié)及相關(guān)知識。當學(xué)習者在自主探究過程中難以推進或遇到困難時，師范生的適時引導(dǎo)可以提高教學(xué)活動的效率。

③答疑解惑

答疑并非師范生將問題答案直接呈現(xiàn)給學(xué)習者，而是從學(xué)習者對問題的理解中發(fā)現(xiàn)學(xué)習者困惑的原因，從而找到突破口，因材施教，給予學(xué)習者適當?shù)狞c撥。有效的答疑解惑能夠助力學(xué)習者的學(xué)習和項目活動的進行，也能促進師范生對STEM素養(yǎng)內(nèi)化、遷移，促使其不斷提升知識儲備的廣度與深度。

（3）反思與上浮（STEM素養(yǎng)的內(nèi)化）

反思與上浮階段包括多元評價、總結(jié)強化、反思提升三個環(huán)節(jié)，是反思性思維的過程，是將綜合了學(xué)習與實踐活動的STEM素養(yǎng)和教學(xué)技能進行內(nèi)化和升華的過程，在這個過程中，師范生將實踐所得內(nèi)化為個人經(jīng)驗，進行自我建構(gòu)并獲得認知的意義增值。

①多元評價

評價是教學(xué)活動的重要組成部分，評價的設(shè)計應(yīng)依據(jù)評價對象、項目內(nèi)容、評價目的進行。師范生引導(dǎo)學(xué)習者從全方位、多維度進行評價，提高學(xué)習者STEM評價能力。評價環(huán)節(jié)要重視學(xué)習者對項目活動的評價，通過學(xué)習者參與項目的實際感受[14]，師范生能夠發(fā)現(xiàn)項目活動的不合理之處，進而不斷改進、優(yōu)化下一次教學(xué)活動的設(shè)計。

②總結(jié)強化

項目活動結(jié)束后，師范生與學(xué)習者進行學(xué)習總結(jié)。師范生作為教授者，從課堂參與度與學(xué)習效果對學(xué)習者表現(xiàn)進行總結(jié)，并以辯證的眼光對教學(xué)活動進行總結(jié)，找到項目活動的優(yōu)點與存在的不足。學(xué)習者用批判性的思維對自我表現(xiàn)和項目參與感受進行總結(jié)，總結(jié)的過程有利于學(xué)習者將新舊知識建立聯(lián)系，通過自組織、自參與實現(xiàn)知行轉(zhuǎn)化，發(fā)展、完善認知體系。

③反思提升

項目總結(jié)之后，師范生要為學(xué)習者提供反思的維度，如問題解決過程、問題解決方法、成果的設(shè)計與制作等，引導(dǎo)學(xué)習者對在項目活動中學(xué)習表現(xiàn)進行自我反思，實現(xiàn)自我提升。師范生根據(jù)教學(xué)活動的進程，對教學(xué)活動設(shè)計進行整體回顧與反思，分析是否有活動流程或步驟不夠完善、學(xué)習者參與方面是否存在問題，同時總結(jié)自身STEM知識、STEM技能的運用與STEM思維、STEM價值觀的發(fā)展、教學(xué)活動的成功經(jīng)驗，以待下次更好地設(shè)計教學(xué)活動。

三、面向師范生STEM素養(yǎng)培養(yǎng)的雙U型教學(xué)活動實踐

為檢驗面向師范生STEM素養(yǎng)培養(yǎng)的雙U型教學(xué)活動框架的實用性與適用性，研究利用“信息技術(shù)與課程整合”課程實踐課時進行“教學(xué)媒體的嬗變”和“信息傳遞的‘生命線’”兩個教學(xué)項目的實踐。研究以“信息傳遞的‘生命線’”項目為例，選擇Q大學(xué)2019級教育技術(shù)學(xué)一班的師范生作為研究對象，共30人，按照各組成員先前經(jīng)驗、能力水平盡量均等的原則將其分成5組，每組6人，開展20課時的教學(xué)實踐。

（一）項目實踐過程

通過生活經(jīng)驗和先前課程學(xué)習，師范生對信息和信息傳遞已有一定的知識基礎(chǔ)。“信息傳遞的‘生命線’”項目的設(shè)計以電報機到無線電報機的發(fā)展作為項目主線，并探究其為什么能“無線”傳電，基于此，將項目分解為三個子項目：電報機、無線電報機、無線傳電。其中，師范生作為學(xué)習者參與電報機子項目與無線電報機子項目，以教授者身份參與無線傳電子項目的實施。

電報機子項目共計6課時。在還原與下沉環(huán)節(jié)，通過觀看電報機的視頻片段，引發(fā)師范生的認知沖突，促使師范生思考電報機如何實現(xiàn)信息傳遞。在經(jīng)驗與探究環(huán)節(jié)中，師范生將電報機的制作過程分解成一系列邏輯上遞進的小任務(wù)，根據(jù)需要搜集、篩選、整合、利用互聯(lián)網(wǎng)資源對電報機如何實現(xiàn)信息傳遞、能夠?qū)崿F(xiàn)怎樣的信息傳遞進行探究，學(xué)習共同體討論任務(wù)安排并合理分工，通過不斷的組裝、試驗得到作品。在反思與上浮環(huán)節(jié)，共同體代表進行成果分享，共同體間對電報機進行評價并提出修改意見，共同體合理聽取他人的修改意見，借鑒他人的可取之處，對電報機作品進行優(yōu)化和迭代。

無線電報機子項目共計6課時。還原與下沉環(huán)節(jié)，師范生思考無線電報機實現(xiàn)信息傳遞原理、無線電報機的特點和適用情境。經(jīng)驗與探究環(huán)節(jié)，師范生將無線電報機裝置的制作分解成一系列小任務(wù)，并對無線電報機如何實現(xiàn)信息傳遞、能夠?qū)崿F(xiàn)怎樣的信息傳遞進行探究。在反思與上浮環(huán)節(jié)回顧操作過程，通過成果分享、評價進行反思。

師范生STEM素養(yǎng)和教學(xué)能力的形成是一個漫長而復(fù)雜的過程，師范生真正走上講臺還需要大量的理論與實踐的積累。因此，無線傳電項目的實施以微格教學(xué)形式開展，共計8課時。作為教授者，在還原與下沉環(huán)節(jié)中，師范生進行情境創(chuàng)設(shè)，并呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，鼓勵學(xué)習者圍繞無線傳電的起源、無線傳電裝置是如何工作等問題進行探索。在經(jīng)驗與探究過程中，通過任務(wù)激發(fā)學(xué)習者的求知欲與探索欲，關(guān)注項目活動進程，對學(xué)習者探究與協(xié)作過程中出現(xiàn)的問題提供恰當引導(dǎo)，輔助學(xué)習者的問題解決與項目探究。反思與上浮環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)習者開展科學(xué)化、多元化評價，并組織學(xué)習者進行總結(jié)與反思。

（二）應(yīng)用效果分析

1.課堂觀察分析

在“信息傳遞的‘生命線’”教學(xué)活動中，各小組內(nèi)成員分工明晰，各司其事，各盡其責，同時又通力合作，協(xié)同配合，形成和諧、有序的協(xié)作與競爭關(guān)系。一組師范生整體表現(xiàn)出色，動手能力強，組裝速度最快，但由于急于求成導(dǎo)致裝置稍有問題，不過一組能夠虛心請教，在教師的引導(dǎo)下及時解決問題，并能夠進行總結(jié)與反思。二組師范生分工明確，各司其職，但不夠細心，相似零件拿錯后導(dǎo)致組裝失敗，但相比上一項目時有很大進步。五組師范生對待活動非常認真，前期計劃安排得當、有序，活動記錄詳細，雖然在組裝后出現(xiàn)了問題，但在三組的幫助下，很快解決了問題。總的來說，在組裝過程中，師范生積極性雖高，但操作經(jīng)驗和動手能力尚有不足，在今后的學(xué)習與實踐中，教師應(yīng)為師范生提供與其能力相適應(yīng)的實踐機會，推動師范生STEM素養(yǎng)和實踐能力的最大化發(fā)展。

2.項目作品分析

項目作品作為師范生參與雙U型教學(xué)活動的可視化載體，能夠反映師范生項目過程中探究、協(xié)作以及交流表達等方面的表現(xiàn)，全面體現(xiàn)師范生的學(xué)習與操作效果，教師組織師范生進行成果分享，并對作品做出評價。教師根據(jù)STEM素養(yǎng)的要求、教學(xué)活動的要求、師范生技能的要求制定項目作品評分標準。

從創(chuàng)新性、問題解決能力、跨學(xué)科性、實踐能力、藝術(shù)性、小組合作表現(xiàn)、匯報交流情況等維度對“信息傳遞的‘生命線’”項目作品進行評價，包括小組自評、小組互評、教師評價。對評價結(jié)果進行解讀、分析，發(fā)現(xiàn)各組綜合能力在較為均衡的狀態(tài)中也各有所長。一組在跨學(xué)科實踐和小組匯報方面有所提升；二組同學(xué)在藝術(shù)審美方面比較優(yōu)秀；三組實踐能力較強；四組同學(xué)在小組協(xié)作、匯報交流表現(xiàn)優(yōu)異，但創(chuàng)新性較弱；五組同學(xué)小組合作和交流表達方面明顯優(yōu)于其他小組。

3.調(diào)查數(shù)據(jù)分析

實驗前后通過量表與非結(jié)構(gòu)化問卷形式對師范生STEM認知和STEM思維進行調(diào)查，對問卷量表題目進行信度分析和效度分析，前測問卷的Cronbachα系數(shù)為0.843，后測問卷的Cronbachα系數(shù)為0.823，兩份問卷信度均大于0.8，內(nèi)在一致性良好。通過文獻調(diào)研和專家咨詢，得到專家的認可，問卷內(nèi)容效度良好。對前測問卷和后測問卷的量表題目進行KMO檢驗，KMO值分別為0.847和0.831，說明問卷結(jié)構(gòu)效度較好。前測問卷發(fā)放30份，回收有效問卷30份；后測問卷發(fā)放30份，回收有效問卷30份。

（1）STEM認知對比

使用SPSS 24.0進行探索分析和Q-Q圖檢驗，觀察師范生STEM認知前后測量是否符合正態(tài)分布。表2（見下頁）所示為正態(tài)性檢驗結(jié)果，以Shapiro-Wilk檢驗為準，前測數(shù)據(jù)顯著性為0.439，大于0.05，后測數(shù)據(jù)顯著性為0.328>0.05，服從正態(tài)分布。

表2 STEM認知前測正態(tài)性檢驗

又經(jīng)過期望值檢驗，大部分點在直線附近，可以認為前測數(shù)據(jù)和后測數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布。因此，師范生STEM認知前后測量呈正態(tài)分布，可以進行配對樣本T檢驗。根據(jù)配對樣本統(tǒng)計分析，前測平均值為3.122分，通過參與面向師范生STEM素養(yǎng)培養(yǎng)的項目式教學(xué)活動，師范生后測平均值提高至3.526分，如表3所示。

表3 STEM認知前后測配對樣本統(tǒng)計

根據(jù)表4可知，Sig.=0.000，顯著小于0.01，前測與后測存在顯著性差異，由此可以判斷，經(jīng)過面向師范生STEM素養(yǎng)培養(yǎng)的雙U型教學(xué)活動，師范生STEM認知有所發(fā)展。

表4 STEM認知前后測配對樣本T檢驗

（2）STEM思維對比

思維的發(fā)展難以用量表進行測量，前測問卷與后測問卷均設(shè)置相似的生活情境問題，通過前、后測對比來觀測師范生STEM思維的發(fā)展。

前測中，師范生遇到問題更多希望通過尋求他人幫助來解決問題，而經(jīng)過雙U型教學(xué)活動，更多的師范生選擇自己動手實踐來解決問題，在操作中出現(xiàn)問題會先檢查自己的操作步驟，從自身尋找問題。這表明面向師范生STEM素養(yǎng)培養(yǎng)的雙U型教學(xué)活動有效提高了師范生的探索欲和實踐欲，促進師范生操作能力和批判性思維的發(fā)展。此外，經(jīng)過項目學(xué)習的師范生能夠更加客觀地看待問題，具有較強的辯證思維和批判思維，能夠從問題的實際需求出發(fā)，根據(jù)需要進行計劃、安排來解決問題。

4.微格教學(xué)分析

為更清晰地檢驗師范生對教學(xué)能力的掌握，采用微格實踐的方式對師范生進行訓(xùn)練。邀請2位高校教師和1位STEM教師對30位師范生的微格視頻進行評分，相較上一項目，整體來說有所進步。

對30名師范生兩次微格教學(xué)評價得分進行分析可知，參與項目活動的師范生微格教學(xué)平均分由82.33增至84.28分，說明班級整體教學(xué)水平有所提高，師范生將理論應(yīng)用于教學(xué)實踐的能力在不斷提高，反映出師范生在STEM教學(xué)技能方面的積極效果。具體分析師范生兩次得分情況變化，絕大多數(shù)師范生評分呈上升趨勢。個別師范生評分有所下降，主要原因是“信息傳遞的‘生命線’”項目涉及物理科目的相關(guān)知識，師范生難以迅速掌握，導(dǎo)致教學(xué)表現(xiàn)稍有遜色?？偟膩碚f，刨除個別因素，師范生教學(xué)能力隨項目實踐的過程不斷提升。

四、結(jié)語

教學(xué)、學(xué)習與實踐是一個永恒的研究話題，它不僅推動著普通高等教育活動不斷向前發(fā)展，在師范生教育中更是方興未艾，以其獨特的發(fā)展引領(lǐng)力和深厚的研究底蘊滋潤著師范生教育的發(fā)展。研究從跨學(xué)科知識整合的角度出發(fā)，構(gòu)建面向師范生STEM素養(yǎng)培養(yǎng)的雙U型教學(xué)活動框架，設(shè)計“信息傳遞的‘生命線’”教學(xué)項目并將其應(yīng)用于實踐，通過課堂觀察、項目作品評價、問卷調(diào)查、微格教學(xué)等方式對師范生的學(xué)習效果進行全方位、多角度的驗證與分析。實踐證明，面向師范生STEM素養(yǎng)培養(yǎng)的雙U型教學(xué)活動能夠激發(fā)師范生的主動學(xué)習和探索欲望，使師范生獲得自我認同感，實現(xiàn)師范生STEM知識、STEM思維、STEM技能、STEM價值觀的發(fā)展，師范生通過雙U型教學(xué)活動能夠更高效地進行理論與實踐的轉(zhuǎn)化并將所學(xué)內(nèi)容應(yīng)用于教學(xué)實踐。