杨彦军 

作者简介： 杨彦军 (1981—) , 男, 甘肃天水人。南昌大学教育学院副教授, 博士, 主要从事信息技术与教育等方面的研究。E-mail:ts.yyj@126.com。饶菲菲，南昌大学教育学院。

文章来源：电化教育研究 2019,40(02),113-122 

DOI:10.13811/j.cnki.eer.2019.02.014

摘    要：随着STEM教育理念的不断发展, 开发跨学科整合型STEM课程已成为当务之急。为促进我国整合型STEM课程开发, 本研究以美国亚利桑那州立大学火星教育项目的跨学科整合型STEM课程为例进行案例研究, 在详细介绍其课程整体结构、课程教学活动实施流程的基础上, 从教学策略和课程开发策略两个方面出发来分析总结该STEM课程的特点。研究发现:该课程在教学策略方面, 具有基于5E教学模式注重学生活动体验、以真实问题为载体实现跨学科整合、采用基于问题和项目的学习方式、提供丰富的学习支架促进深度学习、将STEM素养培养目标落实到具体教学活动中的特点;在课程开发策略方面, 具有高校与社会科研机构合作开发、学习成果与国家课程标准和21世纪技能相对应、基于安德森教育目标分类学确定教学目标、课程教学活动设计方案翔实可操作、整合多种真实科研资源支持课程实施等特点。在此基础上, 提出对我国推进跨学科整合型STEM课程建设的发展建议, 即加强国家顶层设计以构建STEM课程建设共同体、完善STEM课程标准体系以落实STEM素养培养、加强STEM课程开发理论研究以指导课程开发实践、开发典型课程案例以普及整合型STEM课程理念以及革新STEM课程教学模式以培养创新创业型人才。

关键词：STEM教育; STEM课程; 跨学科整合; 5E教学模式

基金： 江西省高等学校教学改革研究项目“高校创客教育实施途径及保障措施建构研究” (项目编号:JXJG-15-1-58); 南昌大学研究生创新专项资金立项项目“数字化时代中小学教材管理体制探析” (项目编号:CX2017164)

一、引言

随着人类社会进入“互联网+”时代, 人工智能、大数据、物联网、区块链等现代信息技术快速发展并在社会各领域得到广泛应用, 传统社会中大量劳动密集型的常规任务早已由各种自动化机器完成, 部分常规型认知任务也正逐渐被人工智能取代。在高度智能化的社会中需要由人完成的认知任务日益复杂多变, 这就对未来社会劳动力提出了新的要求。为此, 许多国家和国际组织纷纷制定并发布了面向未来的关键能力框架。例如:联合国教科文组织逐渐完善形成的终身学习“五大支柱”核心素养框架、经济合作组织提出的DeSeCo核心素养框架、欧盟提出的终身学习核心素养框架、美国21世纪技能合作组织发布的“21世纪技能框架”[1]、北京师范大学发布的中华人民共和国教育部委托研究课题成果《中国学生发展核心素养》等。这些核心素养框架大都强调学生批判性思维、沟通协作、创新创业、信息技术等能力的培养。研究表明, 有“元学科”之称的STEM教育能够在夯实科学、技术、工程和数学等多学科知识的基础上, 提高学生以跨学科的新思维、新方法解决复杂问题的综合能力[2], 这与21世纪技能和核心素养教育的诉求不谋而合。因此, 世界各国将STEM教育作为推进课程教学改革和创新型人才培养的重要战略。STEM已经由最初代表科学、技术、工程和数学四个独立学科领域的术语, 发展到一种基于多学科交叉融合方式培养复合创新型人才的教育理念, 由侧重数学和科学教育整合, 逐渐转向重视科学、技术、工程、数学、艺术和计算机等学科的融合教育。在STEM课程实施模式方面, 美国马里兰州立大学的赫希巴奇 (Herschbach D.R.) 将STEM课程的实施模式分为关联课程模式 (The Correlated Curriculum) 和广域课程模式 (The Broad Fields Curriculum) [3]。其中, 广域课程模式打破学科界限, 将科学、技术、工程和数学等内容整合到一起, 形成一个结构化的课程结构[4]。广域课程也经常称为跨学科整合型课程, 是目前广泛研究和应用的一种课程模式。我国近几年颁布的一些教育政策也强调了STEM教育跨学科整合的重要性。因此, 开发跨学科整合型STEM课程已成为深入推进STEM教育研究与实践的当务之急。

二、我国整合型STEM课程开发研究现状

目前, 我国整合型STEM课程开发大都集中在3D打印、机器人、可视化编程、科学小制作、小发明等方面, 主要以综合实践课或创客活动的形式实施, 在一定程度上注重学生的主动参与和体验, 强调了学生的主体地位以及多学科知识的学习和运用, 但也存在不少问题。由于目前没有形成系统健全的课程标准、课程期望不明确, 在课程目标的设置上缺乏科学的理论依据, 可能导致教师在具体的教学过程中呈现教学目标随意且教学效果难以评价的问题;对STEM理念的认识不足, 现有的STEM课程设计只重视外在教学形式上的整合, 而忽略跨学科知识、核心概念和能力的渗透, 难以促进学生深度学习、实现高阶思维能力发展;STEM课程开发呈现零散状态, 缺少社会多方面力量的合作与支持, 各个学校使用或开发的STEM课程大多是校本课程, 内容各不相同, 还没有形成一套系统衔接各个学段的中小学STEM课程体系。

美国亚利桑那州立大学 (ASU) 和美国宇航局喷气推进实验室 (JPL) 合作开发的火星教育项目———基于《下一代科学教育标准》 (Next Generation Science Standards) 的STEM课程 (以下简称“火星教育项目STEM课程”) 是在教育实践中取得巨大成功的整合型课程经典案例。因此, 本研究以该项目STEM课程为例, 对其课程整体结构、课程教学活动实施流程、课程教学策略和课程开发策略进行详细分析, 以期为我国开发跨学科整合型STEM课程提供借鉴和启发。

三、火星教育项目STEM课程介绍

为了深入了解火星教育项目STEM课程的特点, 需要对其课程结构及教学活动设计进行细致地分析。这是因为课程结构反映着课程知识的组织及其相互关系[5], 是教育目标转化为教育服务的纽带, 是课程开发者教育理念的载体[6]。教学活动设计是对课堂教学过程中师生教与学活动的预设和安排, 是课堂教学活动实施的蓝图, 能够体现课程开发者的教学思想。

(一) 火星教育项目STEM课程结构

火星教育项目致力于开发系统的STEM教育解决方案, 鼓励教育工作者和学生在现实或模拟的环境中参与体验美国宇航局 (NASA) 专业的科学研究和工程技术活动, 是一种真实的、实践的、探究式的课程。根据NASA真实火星探测项目过程中需要开展的科学研究和工程实践活动, 火星教育项目STEM课程内容划分为“概念建模”“工程”“我们如何探索”“科学研究”四个领域, 每个领域由一系列主题课程组成, 形成了一个覆盖K-12年级的课程计划, 见表1。整个课程围绕学科核心概念进行跨学科整合设计, 根据学生的认知水平呈现逐渐深入、螺旋上升的框架结构, 每门课程针对不同的教学对象设定了不同的教学目标并开发了相应的教学活动方案。

(二) 火星教育项目STEM课程教学活动设计

火星教育项目STEM课程的教学活动是基于5E教学模式设计的, 包括参与、探索、解释、迁移、评估和拓展环节。下面以火星教育项目STEM课程中“在太阳系中寻找生命”这一代表性的专题课程为例, 介绍其面向中学 (MS) 的课程教学活动具体实施流程。

1. 参与环节

本环节的主要目标是创设任务规划的情境。教师首先通过提供墙报或阅读材料的方式, 向学生简要解释类似系统、系统模型、科学本质等跨学科概念的内涵和工程实践的常规工作。其次, 通过朗读指导语的方式为学生创设在太阳系中寻找生命的任务情境。接着, 通过讨论“我们在太空中寻找什么”“我们的探索活动需要回答什么主要问题”等问题引发学生思考, 明确项目目标与任务。然后, 引导学生讨论“如何对生物与非生物进行界定”“生命体的特征是什么”等问题, 并让学生在延伸学习“它是生命吗?”这一微课程的过程中体验通过探索研究发现生物特征的历程。最后, 教师向学生解释接下来将采用玩牌模拟的方式来设计一个在太阳系中寻找生命的任务, 并让学生填写前概念调查单以确认学生当前对任务规划和工程限制的理解, 作为后续教学效果评价的依据。

表1 火星教育项目STEM课程整体结构[7]  

2. 探索环节

本环节的主要目标是确定一个需要进行技术设计的目标。第一个活动是了解NASA天体生物学研究所的工作。首先, 教师与学生围绕“生命是如何开始和进化的”等几个基本问题的讨论, 了解NASA天体生物学研究所的研究目标。接着和学生讨论一些关键词 (如能量、生命信号) 的含义以辅助学生后续学习。最后, 让学生在完成“极端微生物”微课程的过程中了解通过探索研究发现各类生物体及其分布的过程。第二个活动是区分科学的任务目标和技术解决方案。首先, 教师告诉学生科学家经常会为任务选择一个科学目标, 然后让学生小组讨论他们可能的科学目标并最终确定一个合适的技术设计任务目标, 进而调查研究什么是生物特征以及选择驾驶哪种航天器执行寻找生命的任务。第三个活动是设计一个技术解决方案。学生小组合作设计用于完成火星探索任务的实用航天器, 航天器的设计可以采用卡片模拟的方式进行。该教育项目提供的交易卡上展示了每一个航天器的典型系统, 并且每张卡片上都提供了有关这一特定硬件的使用功能及其本身所存在的缺陷的相关信息, 学生可以根据他们的科学目标选择合适的卡片来组装、设计航天器。

3. 解释环节

本环节的主要目标是分析技术设计过程中的约束条件。第一个活动关注的是工程约束的概念。首先, 让学生确定他们在进行工程设计时具体经历了工程设计周期的哪些环节, 同时举例说明, 并把每个例子写在“工程设计周期”学习任务单上。接着, 让学生思考以下问题:影响任务完成的限制条件、团队如何解决问题以及如何测试解决方案。第二个活动是学生分享他们在工程设计过程中遇到的约束事项以及相应的调整方案。首先, 学生批判性地倾听同伴的解释, 汇报他们自己的解决方案, 并质疑其他人的解释。然后, 在班级共享后, 花几分钟时间讨论并重申他们可能提到的一些约束事项并突出强调那些被忽视的约束事项。第三个活动是把学生分组开展讨论。首先, 分发关于科学和工程实践、跨学科概念、科学的本质的相关材料, 小组讨论10～15分钟。接着, 小组与全班分享他们对科学本质和实践的理解并陈述理由, 由教师在黑板上记录每个组的讨论结果。

4. 迁移环节

本环节的主要目标是促使学生将技术设计技能应用于新的问题解决过程。从两个任务中任选其一完成:任务一是让团队之间交换任务方案进行互评, 即每个任务组将自己的任务方案与另外一个小组交换, 由对方作为评估组对任务组方案中的科学目标、工程目的、约束条件等进行评估, 并给出改进建议;任务二是重新运行模拟并设计一个火星取样返回任务, 任务可以是地表取样返回或轨道取样返回。

5. 评估环节

本环节的主要目标是评价学生解决工程问题的能力变化情况。评估活动主要通过调查学生学习后对相关科学概念的理解情况, 如回答诸如“你认为寻找生命任务计划最困难的部分?解释你这么认为的原因。”等问题, 或者让学生对照前科学概念调查结果, 比较其对相关概念理解的前后变化情况, 并分析其原因。评估活动也可能采用基于《下一代科学标准》的评价量规进行形成性和总结性评估, 允许学生在教学过程中发现并改进他们学习中的错误。

6. 拓展环节

本环节的主要目标是让学生继续进行迁移训练或完成项目的后续科学探索工作。任务一是让学生完成前面迁移环节中的另外一个任务;任务二是让学生提交一份正式的项目申报书, 为他们的任务方案争取额外的资助, 并提供了申报书样例。

四、火星教育项目STEM课程的特点

通过上面对课程结构和教学活动设计的详细分析可以发现, 火星教育项目STEM课程有许多值得学习借鉴的地方, 可以从其教学策略和课程开发策略两个方面来分析其特点。

(一) 火星教育项目STEM课程的教学策略分析

教学策略是为完成教学目标和适应学生认知规律而制定的教学程序和采取的教学实践措施。通过对火星教育项目STEM课程结构及教学活动的细致分析可以发现, 该课程的主要教学策略包括基于5E教学模式注重学生活动体验、以真实问题为载体实现跨学科整合、采用基于问题或基于项目的学习方式、提供丰富的学习支架以促进深度学习和将STEM素养培养目标落实到具体教学活动中等。

1. 基于5E教学模式注重学生活动体验

火星教育项目STEM课程每堂课的教学都采用基于概念转变理论的5E教学模式。5E教学模式最初是为美国生物学课程教学开发的, 目前是科学教育中常用的一种教学模式, 它将教与学的过程划分为五个环节:参与、探索、解释、迁移和评估。参与环节是一种传统的热身活动, 由教师提出一些现实生活中的问题, 创设问题情境, 以激发学生学习动机、了解学生的先验知识。在探索环节, 教师起指导和推动作用, 利用各种学习支架辅助学生自主探究, 加深理解, 挑战现有的偏见和误解, 提供替代性解释帮助学生形成新图式。在解释环节, 学生交流分享学到的东西, 用自己的理解阐释他们对概念的认知, 说明最初的概念转变。在迁移环节, 给学生提供机会将他们新发现的知识应用到新的情境中, 并支持新图式的强化或转移。最后, 在评估阶段, 学生可以利用反思表等对自身进行形成性和总结性评估, 教师可以利用相关评价量规评估学生的学习效果和自身的教学效果。在这种教学模式中, 学生全程参与探究过程, 通过体验不同环节的学习活动完成相应的任务和问题来全面理解和掌握科学和工程实践、学科核心概念、科学方法和科学本质[8]。

2. 以真实问题为载体实现跨学科整合

在火星教育项目STEM课程体系中, 每个教学计划的开头都有依据《下一代科学标准》设计的该课程所要解决的核心问题和基本组成问题, 这些问题都是基于物理科学、生命科学、地球与太空科学以及工程四大领域具体的学科核心概念设置的。学生通过学习这些学科核心概念, 可以逐渐掌握科学领域中其他的知识和技能[9]。这些核心问题和基本组成问题贯穿整个教学过程, 并在课程实施过程中将其转化为一系列特定情境下的学习任务以及更加具体的问题。火星教育项目的STEM课程是以真实问题为载体围绕学科核心概念, 通过开展一系列动手实践、动脑思考的学习活动任务, 促使学生在真实情境中将科学、技术、工程和数学等多学科知识和技能进行整合, 即把分学科的知识按问题逻辑融合在具体的实践活动中, 从而实现跨学科重组。

3. 采用基于问题和基于项目的学习方式

火星教育项目STEM课程主要采用基于问题和项目两种学习方式。基于问题的学习是指把学生置于复杂、有意义的问题情境中, 学生合作解决真实问题, 学习隐含于问题背后的学科知识, 形成问题解决技能和自主学习能力[10]。基于项目的学习是为学生提供真实的情境和特定的目标, 让学生为项目负责, 制定计划, 综合运用所学的多学科知识和技能, 有效利用各种资源, 解决一系列相互关联的现实问题, 最终以产品或研究报告的形式结束。这两种学习模式之间有很多共同点, 并且项目包括问题, 一些问题在有些时间上也会变为项目。但是基于项目的学习强调在活动过程和活动结束之后产生人工制品, 这是其与基于问题的学习的最大区别[11]。火星教育项目STEM课程的教学是由基于问题的学习逐渐转向基于项目的学习的。例如:为6—12年级设立的火星成像学生项目 (The Mars Student Imaging Project, 简称MSIP) , 是一个全国性教育项目, 它不仅强化了传统学科知识的教学, 还融入了21世纪技能的培养。火星成像学生项目通过一种沉浸式和变革性的方式, 为学生进行科学实践提供了现实的支持平台, 学生可以沉浸到真实的科学研究中, 承担具有挑战性的任务, 提出假设、确定研究问题、开展调查研究、收集分析数据、解决问题, 并且可以与火星科学家交流、展示他们的发现, 发布团队研究结果并获得真实的反馈。

4. 提供丰富的学习支架促进深度学习

STEM教育强调协作探究式的学习方式, 注重复杂性学习过程中深度学习的发生。根据学生学习过程中的实际需求提供相应的学习支架, 有利于学生解决问题、反思学习活动, 促进其对新知识的深入理解并能够在新情境中进行知识迁移。通过分析可以发现, 该STEM课程教学中综合运用了多种类型的学习支架。在课堂教学参与环节, 教师通过提出问题、展示图片和视频等多媒体素材的形式为学生提供情境型支架, 帮助学生引发思考、促进新旧知识的碰撞, 快速进入学习状态。在探究环节, 教师为学生自主协作学习提供策略型支架和资源型支架, 有利于学生协作交流确定学习目标、建立学习任务, 利用所获得的详细知识和操作技能来设计问题解决方案并进行操作验证。在解释环节, 主要提供交流型支架来促进师生以及学生之间的信息交流和共享, 加深学生对新概念的理解, 修改已有的错误观念, 发展学生的批判性思维。在迁移环节, 教师提供交流型支架引导学生利用所学知识和技能进行协作交流来完成新的活动任务以增强学生对所学知识的理解和运用, 拓展概念和技能, 培养学生使用新知识解决新情境、新问题的能力。在评价环节, 提供评价型支架来评估学生学习成果, 引导学生在学习过程中对自己所掌握的知识和技能进行反思和改进。例如:教师提供包含开放性问题的反思表、前概念调查表和后概念调查表来对比学生的概念认知转变, 了解学生对知识和技能的掌握程度。

5. 将STEM素养培养目标落实到具体教学活动中

STEM教育的核心目标是培养具备STEM素养的、能够适应未来社会创新工作的人才, 但是如何在STEM课程教学中将STEM素养的培养落到实处是困扰国内STEM教育实践者的难题。美国州长协会将STEM素养界定为个体在科学、技术、工程和数学领域以及相关交叉领域中运用个人关于现实世界运行方式的知识的能力, 是科学素养、技术素养、工程素养和数学素养的综合[12]。据此, 可以将STEM素养的结构在纵向上划分为以下两个层次:下层是STEM各相关学科知识、技能和态度的综合, 上层是基于STEM具体学科知识、技能和态度基础之上的学科核心素养或21世纪技能。整合型STEM课程教学不但要实现STEM学科知识与技能的掌握, 还要促进学生学科核心素养和21世纪技能的发展。火星教育项目STEM课程巧妙地将STEM素养培养目标落实到了具体的教学活动中, 将科学概念的学习嵌入问题解决或项目设计实践工程中, 将学科核心素养整合到科学探索和技术设计的实践活动中, 将21世纪技能的发展渗透在教学过程的每次思考、讨论等活动中。结合前面对课程教学活动设计的介绍, 可以通过对不同环节教学活动的设计意图以及各教学环节涉及的部分STEM学科知识和核心素养的分析, 更深入地了解这一特点, 见表2。

(二) 火星教育项目STEM课程的开发策略分析

课程开发策略是在课程开发过程中为保证课程开发质量而采取的关键措施。通过对课程结构及教学活动设计的细致分析, 可以发现该课程主要的开发策略包括:高校与社会科研结构合作开发、学习成果与国家课程标准和21世纪技能相对应、基于安德森教育目标分类学确定教学目标、课程教学活动设计方案翔实可操作、整合多种真实科研资源支持课程实施等。

表2 课程各环节教学活动设计意图及涉及的STEM学科知识、核心素养

1. 高校与社会科研机构合作开发

火星教育项目STEM课程是亚利桑那州立大学与美国宇航局喷气推进实验室合作开发的, 旨在为教育工作者、学生和公众提供参与到先进的STEM专业发展培训中的机会。高校与社会科研机构的支持与合作, 使得STEM课程的开发与实施有了坚实的保障。一是, 社会科研机构可以为STEM教育开展提供模拟实验室、相关科研设备、最新的科研成果等丰富的教学资源, 学生可体验从设计到开发应用的全过程, 在真实的实验环境中参与科学实践。二是, 高校与社会科研机构通过开展STEM教育相关的学术研讨会、科学家主题演讲会、专业发展研讨会以及成立STEM课程教育项目等方式, 将科学家、高校教师与K-12年级的教师和学生联系起来。同时, 高校教育团队通过虚拟办公时间向K-12年级的教师提供STEM课程内容的在线培训, 培养教师把火星教育融入STEM课堂教学的能力。

2. 学习成果与国家课程标准和21世纪技能相对应

火星教育项目的STEM课程是依据《共同核心标准》《国家科学教育标准》《下一代科学标准》《21世纪技能框架》开发的, 并且四个领域下的每一门课程在不同年级或阶段都有一个总体性的教学目标和系列具体、可操作、可衡量的学习成果来帮助教学目标的达成。总体教学目标是基于上述课程标准和21世纪技能确定的, 这些标准提供了学生在各年级、各阶段的不同能力要求和表现期望, 并以具体的学习成果体现出来, 因此, 学习成果与相关课程标准和21世纪技能是相对应的, 具体教学活动的设计也是在这些课程标准和技能的指导下进行的, 并且多个标准和技能之间存在相互重叠交叉的部分。例如:在“地球、月球和火星模型”这门课中, 其学习成果 (LO1c) “使用模型来预测周长和距离”既涉及《下一代科学标准》, 又涉及《共同核心标准》;学习成果 (LO1a) “比较地球、月球和火星的相对大小和距离”;学习成果 (LO1b) “使用标准 (1st-4th) 或非标准 (K) 的测量来交流相对大小和距离”以及学习成果 (LO1d) “解释科学过程 (比例、模型的使用) ”就涉及《下一代科学标准》《共同核心标准》《21世纪技能框架》三个标准的内容要求, 如图1所示。

图1 学习成果与下一代科学标准、共同核心标准、21世纪技能连接图[13]

将每门课程的学习成果与国家课程标准和21世纪技能相对应, 不但可以有效保证课程开发过程中教育目标的落实, 还为教学效果评价提供了有效参考。该STEM课程依据《下一代科学标准》《共同核心标准》《21世纪技能框架》开发评价量规, 根据学生学习过程中的不同活动表现综合评价学生达到预期学习结果的程度, 考察学生的学习理解迁移能力以及STEM素养。

3. 基于安德森教育目标分类学确定教学目标

火星教育项目的STEM课程利用安德森和克拉斯沃尔 (Anderson&Krathwohl) 的分类法作为四个领域中系列课程在不同阶段、不同年级教学目标和学习成果制定的理论依据, 以确保教学目标和学习成果与学生应获得的知识和认知过程水平相匹配。该分类法从认知过程和知识两个维度出发, 提供了一个框架来帮助组织协调教学目标、教学活动和教学评估, 允许教育工作者将教学目标和对学习成果的评估与框架中的适当水平保持一致, 使得教学目标更加明确和具体化, 教师可以更好地理解教学目标和学习成果的构建, 有利于教师在教学过程中始终围绕教学目标全面开展教学活动, 不至于偏离方向。例如:在“地球、月球和火星模型”这门课中, 教学目标 (LO1) 是“构建一个简单的地球、月球、火星模型”, 在认知过程维度上处于高阶思维“创造”层次, 在知识维度上属于概念性知识。学习成果 (LO1a) “比较地球、地球的月球和火星的相对大小和距离”, 在认知过程维度上属于“理解”层次, 在知识维度上属于概念性知识;学习成果 (LO1b) “使用标准 (1st-4th) 或非标准 (K) 的测量来交流相对大小和距离”, 在认知过程维度上属于“应用”层次, 在知识维度上属于程序性知识;学习成果 (LO1c) “用模型来预测”, 在认知过程维度上属于“创造”层次, 在知识维度上属于概念性知识;学习成果 (LO1d) “解释科学过程 (比例、模型的使用) ”, 在认知过程维度上属于“理解”层次, 在知识维度上属于元认知层次, 如图2所示。

图2 教学目标、学习成果分类框架[13]

4. 课程教学活动设计方案翔实可操作

火星教育项目STEM课程提供了K-12年级完整的教学计划。其教学计划对教师如何开展教学提供了详细的活动方案及使用指南, 每个教师都可以利用这些教学计划直接开展教学, 可操作性强。这就极大地降低了教师利用该课程材料进行教学的难度, 可以让更多的教师在教学实践中了解STEM教育理念。每门STEM课程的教学计划方案包含以下几个部分: (1) “学生需要做什么”呈现在教学计划的开头, 明确学习这门课程所需完成的任务。(2) NGSS核心问题、组成问题和总体教学目标。其中的NGSS问题主要是基于学科核心概念提出的。例如:围绕定义和限制工程问题这一学科核心概念提出“什么是设计?成功解决方案的标准和约束条件是什么?”。(3) 上课所需准备的材料。主要包括动手实践的材料, 来自学生指南的各种学习任务单、反思表以及教师指南提供的评价量规等。(4) 这门课程需要学生理解掌握的核心概念。(5) 完整的课堂教学实施步骤及时间安排, 包括课前准备、课上参与、探索、解释、迁移、评价以及拓展。各个环节都对教师和学生的行为活动提出了详细的要求。(6) 活动方案指导语。一方面指的是用于提示教师在备课环节所需打印和准备的教学材料;另一方面是教师开展课堂教学时使用什么样的语言来创设问题情境, 如何提出问题来引导学生思考, 需要讲解哪些知识概念, 在每个教学环节分发或提供什么样的学习支架以及教师在组织学生开展活动时列出的提示建议等。

5. 整合多种真实科研资源支持课程实施

课程资源是STEM课程实施的重要载体[14]。NASA为火星教育项目STEM课程开发和实施提供了真实的科学研究数据、研究工具等资源, 并通过恰当的方式与STEM课程整合, 更能激发学生学习探究的热情, 也有利于学习成果的远迁移。这些资源主要包括: (1) 基于网络平台的红色星球报告和NASA的火星探测计划视频资源; (2) JMARS, 提供NASA收集到的所有火星轨道数据; (3) 为火星学生项目设计的论坛, 供学生在研究项目的持续时间内共享资源、进行连接和协作; (4) 来自火星科学实验室“好奇号”探测器的媒体资源; (5) 教育机器人资源; (6) 通过Twitter获取最新的火星新闻消息; (7) 教师和学生活动指导手册、各种形式的学习支架、国家课程标准和21世纪技能图、教学目标分类表、评价量规等。

五、对我国跨学科整合型STEM课程建设的启发

通过前面的分析发现, 火星教育项目STEM课程在教学策略和开发策略方面有很多值得我们借鉴的地方, 下面结合我国STEM教育现状及跨学科整合型STEM课程建设现状, 就我国跨学科整合型STEM课程开发提出以下建议:

(一) 加强国家顶层设计以构建STEM课程建设共同体

美国在发展STEM教育的过程中充分发挥政府的引领作用, 颁布了一系列STEM教育政策对其进行顶层设计, 引导教育机构与其他社会组织机构协同推进STEM教育。火星教育项目STEM课程就是高校与科研机构协同创新的成果。高校可以为课程开发提供理论和技术支持, 并为中小学教师提供STEM教育专业培训;科研机构则为课程开发提供真实的探究任务情境和教学资源支持, 并为课程后续实施提供实验设备等平台支撑。近年来, STEM教育已被纳入我国教育发展战略相关政策文件。2016年, 教育部在《教育信息化“十三五”规划》中明确提出, 有条件的地区要积极探索融合信息技术的跨学科学习 (STEAM教育) ;2017年印发的《义务教育小学科学课程标准》倡导科学教师开展跨学科STEM教育实践;2017年, 中国教育科学研究院下设的STEM教育研究中心发布了《中国STEM教育白皮书》, 并提出了“中国STEM教育2029行动计划”;2018年, 设立首批STEM教育协同创新中心, 搭起STEM教育协同创新网络。可以说, 我国已经开始布局STEM教育顶层设计, 并为STEM教育发展绘制了蓝图, 但整体来看依然缺少富有影响力和执行刚性的国家层面的系统政策引领。因此, 我国亟须加强STEM教育国家级顶层设计, 以切实调动政府部门、高等学校、科研机构、高新企业、公共服务机构 (科技馆、图书馆、博物馆、展览馆等) 和中小学校参与STEM教育的积极性, 打破部门之间体制机制壁垒, 整合多方力量共建优势互补、分工明确、有机联动、权责对等的STEM教育生态系统。相应地, STEM课程开发也需要跳出传统学校范围内分科课程的思维局限, 打造多方协同的跨学科整合型STEM课程建设共同体, 充分利用社会各部门资源支持整合型STEM课程的设计、开发与实施。

(二) 完善STEM课程标准体系以落实STEM素养培养

STEM教育的目标是培养学生的STEM素养, STEM课程建设要将STEM素养培养落到实处。火星教育项目STEM课程是基于《下一代科学标准》《共同核心标准》《21世纪技能框架》等相关学科标准和技能框架进行整合设计开发的, 课程设计将学习成果与国家课程标准和21世纪技能相对应, 并且按照安德森教育目标分类学准确描述每节课的教学目标, 这样就很好地将STEM素养培养落到了具体的教学活动中。我国长期以来采取分科螺旋式为主的课程实施模式, 因此, 在STEM分科课程开发及实施方面并不缺乏有效的经验, 恰恰在跨学科整合型课程开发和实施方面缺乏系统深入地探索。2016年发布的《中国学生发展核心素养》和2017年教育部印发的《义务教育小学科学课程标准》《普通高中物理课程标准》《普通高中化学课程标准》等文件, 为STEM课程建设和课程实施过程中落实学科核心素养教育方面发挥了重要引领作用。但依然存在STEM教育小学阶段和中学阶段课程实施模式过渡不够自然、中学阶段整合型STEM课程建设实施缺乏理论支撑、全学段课程结构中对技术和工程领域关注不够等问题。因此, 亟须完善现有STEM课程标准体系、贯通小初高各学段STEM教育内容设计、推动跨学科整合型STEM课程开发实施, 从而将学生STEM素养和21世纪核心素养培养落到实处。

(三) 加强STEM课程开发理论研究以指导课程开发实践

STEM课程是落实STEM教育理念的关键载体, 开发系统化的优质跨学科整合型STEM课程是改革我国科学教育现有模式、推动STEM教育深入发展的当务之急。我国新世纪初启动的课程改革就已经在学科教学中倡导自主、协作、探究的学习方式, 并在部分学段开设了独立的综合性课程, 近年来也积极探索机器人教育、创客教育、STEM教育等创新课程模式, 在整合型课程建设方面积累了不少经验, 但依然缺乏系统性整合型课程开发经验和跨学科整合型STEM课程建设理论研究。因此, 在部分创新型课程教学中存在表面热闹但深度不够的现状, 尤其是在课程实施中融入项目、探究、合作等学习方式后如何才能不降低学术标准方面缺乏成功经验。其根本原因在于, 我国在跨学科整合型STEM课程开发理论方面缺乏深入研究, 课程开发与实施缺乏理论指导。因此, 我国亟须加强STEM课程开发理论研究, 形成操作性较强的跨学科整合型STEM开发模式以指导课程开发实践。火星教育项目STEM课程以富有挑战性的火星探测任务为载体, 实现了STEM学科知识的有意义整合、将学习结果与国家课程标准和21世纪技能相对应、采用安德森教育目标分类学描述教学目标等做法, 为我们开发整合型STEM课程提供了很好的借鉴。此外, 近年来兴起的多种面向复杂学习的教学系统设计模式, 如自然学习设计、建构主义学习环境设计、四要素教学设计等模式也可以为整合型STEM课程设计开发提供理论支撑。

(四) 开发典型课程案例以普及整合型STEM课程理念

火星教育项目STEM课程为教师提供了一整套系统完整的课程计划、教学活动方案和教学资源, 这样美国各地的中小学教师就可以直接利用课程资源低门槛地在自己的学校实施跨学科整合型STEM教学实践, 让更多的教师有机会接触和了解STEM课程理念。此外, 该项目还通过组织召开研讨会等多种方式, 为全美范围内的STEM教育工作者提供经验交流和专业培训的机会, 让有深入探索愿望的教师获得持续的专业支持。这样, 火星教育项目STEM课程就很好地将课程建设、资源开发、教学实践和教师培训结合起来。目前, 我国STEM课程开发主要是以试点学校为单位的小规模校本课程开发, 课程开发人员水平参差不齐, 课程质量难以保证;大部分STEM教师缺乏系统专业的培训, 在教学实施过程中难以把握STEM教育理念精髓, 课堂教学效果欠佳。因此, 我国有必要组建全国范围的跨学科整合型STEM课程开发团队, 集结优秀的STEM教师、STEM教育专家、高新企业技术人员等研发能够起到示范引领作用的典型课程案例, 为一线中小学教师提供操作性强的STEM课程计划和教学实施方案, 在典型课程案例试点推广的过程中普及整合型STEM课程理念, 将STEM课程建设、STEM教学资源开发、STEM教学实践和STEM教师培训有机结合起来。

(五) 革新STEM课程教学模式以培养创新创业型人才

火星教育项目的STEM课程采用5E教学模式、以真实问题为载体、采取基于问题和项目的学习方式、注重学生活动参与和经验获得, 在整个教学过程中学生可以像科学家和工程师一样思考和解决问题;各种教学活动的设计注重学生的前科学概念或已有经验作用, 并通过一系列的自主探究活动让学生主动建构新知识和技能, 促进深度学习发生和学习结果有效迁移。我国开展跨学科整合型STEM课程教学需要对原有的课程教学模式进行深入变革。首先, 要转变以教师讲授为主的传输型课堂教学模式, 突出学生的主体地位, 强调学生的合作探究和协作知识建构;其次, 要大力探索基于复杂真实问题和21世纪主题的整合型STEM课程建设, 把科学、技术、工程和数学等多学科知识充分融入课程教学中;最后, 要跳出学校教育和课程实施局限, 逐渐形成中小学校、科研机构、高等学校、高新企业、公共服务机构和其他社会力量协同教育教学的STEM教育生态系统, 创新学校STEM教育模式和人们接受STEM教育的方式, 将学生创新能力培养和创业精神培育融入日常教学活动中, 加快创新创业型人才培养, 助力我国创新型国家建设总战略。

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