葉靜怡

【摘要】介紹了STEM課程理念及其跨學(xué)科整合模式，在歸納STEM課程設(shè)計模式的基礎(chǔ)上進(jìn)行基于校本課程的跨學(xué)科整合STEM課程設(shè)計，并對校本STEM課程設(shè)計提出未來展望。

【關(guān)鍵詞】STEM;跨學(xué)科整合;校本課程;課程設(shè)計

【中圖分類號】G632.4【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【文章編號】1992-7711（2020）30-091-04

1.STEM教育理念

1.1 STEM教育的定義

STEM是科學(xué)（ Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科的簡稱，可見STEM教育強調(diào)多學(xué)科的交叉融合，其目標(biāo)就是提升學(xué)習(xí)者的STEM素養(yǎng)。

對于STEM教育的定義，目前學(xué)術(shù)界存在著三種理解，并且都各有實踐體現(xiàn)：第一種認(rèn)為STEM教育是一門后設(shè)課程，即在學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)STEM相關(guān)的獨立課程之外再學(xué)習(xí)一門如何綜合運用STEM知識的獨立課程。后設(shè)課程取向的STEM教育多見于以STEM理念進(jìn)行學(xué)校的研究性學(xué)習(xí)、選修課或者是創(chuàng)客教育的課程設(shè)計，會為這個課程買專業(yè)的儀器甚至專門設(shè)立實驗室，通常會更為強調(diào)"技術(shù)"在教育中的應(yīng)用。第二種認(rèn)為STEM教育是一門有機整合STEM知識的獨立課程，由它代替?zhèn)鹘y(tǒng)的STEM所涉及的課程，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的綜合運用各專業(yè)知識的能力。目前在國內(nèi)常規(guī)教育體系之下，科學(xué)教育是分科進(jìn)行的，還沒有出現(xiàn)中小學(xué)開發(fā)獨立的STEM課程來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的科學(xué)分科課程，而獨立課程取向的STEM教育也未見報道。第三種則將STEM教育視為一種教學(xué)策略，其核心目標(biāo)是通過靈活應(yīng)用探究性學(xué)習(xí)、基于項目的學(xué)習(xí)和基于設(shè)計的學(xué)習(xí)等方式，來培養(yǎng)學(xué)習(xí)者綜合利用STEM知識解決現(xiàn)實問題的能力。教育策略取向的STEM教育最為常見，多被應(yīng)用于中小學(xué)的理科教育，目前所見，數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)以及生物等科目都有STEM教育策略的應(yīng)用嘗試。

1.2 STEM教育的跨學(xué)科特征

無論是哪一種理解，都強調(diào)了STEM教育涉及多學(xué)科，所以跨學(xué)科性是它最重要的核心特征?？鐚W(xué)科意味著教育工作者在 STEM 教育中，不再將重點放在某個特定學(xué)科或者過于關(guān)注學(xué)科界限，而是將重心放在特定問題上，強調(diào)利用科學(xué)、技術(shù)、工程或數(shù)學(xué)等學(xué)科相互關(guān)聯(lián)的知識解決問題，實現(xiàn)跨越學(xué)科界限、從多學(xué)科知識綜合應(yīng)用的角度提高學(xué)生解決實際問題的能力的教育目標(biāo)。要注意的是，跨學(xué)科并不是這學(xué)科的簡單疊加，而是要將各門學(xué)科內(nèi)容組合形成有機整體，以更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實踐能力。

1.3 STEM課程的跨學(xué)科整合模式及課程設(shè)計

余勝泉（2016）認(rèn)為，跨學(xué)科整合的基本取向有三種，分別是：學(xué)科知識整合取向、生活經(jīng)驗與社會整合取向和學(xué)習(xí)者中心整合取向。知識整合取向模式一般采用基于問題的學(xué)習(xí)模式（problem-based learning），強調(diào)把學(xué)習(xí)設(shè)計在復(fù)雜、有意義的問題情境中，通過學(xué)生合作解決嵌入于真實情境中的問題或與真實世界相關(guān)的問題，促進(jìn)學(xué)生對所學(xué)知識的理解與建構(gòu)，從而習(xí)得隱含于問題背后的科學(xué)知識，形成解決問題的技能和自主學(xué)習(xí)的能力。這種學(xué)習(xí)模式，通常每個課題的學(xué)習(xí)內(nèi)容不會太復(fù)雜，時間不會太長，雖然可能會使用到跨學(xué)科知識或?qū)嶒灱寄埽珪忻黠@的學(xué)科傾向。例如，任偉等（2015）所進(jìn)行的人教版《化學(xué) 選修4》的“原電池”課題就是此類型學(xué)習(xí)模式。該節(jié)課以“原電池”知識作為中心展開，設(shè)計閉合電路、不同金屬電極的選擇、解決形成穩(wěn)定、持久的電流的技術(shù)、化學(xué)轉(zhuǎn)換效率的計算等涉及STEM四個方面知識的問題貫穿課堂。生活經(jīng)驗與社會取向課程整合模式一般采用基于項目的學(xué)習(xí)模式（ project-based learning），以實踐性的項目完成為核心，將跨學(xué)科的內(nèi)容、高級思維能力發(fā)展與真實生活環(huán)境聯(lián)系起來。項目學(xué)習(xí)一般以開發(fā)最終作品或“人工制品”為出發(fā)點，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生按自己的設(shè)計思路，采用科學(xué)的方法完成作品設(shè)計。例如，橋世界[10]就是這種學(xué)習(xí)模式。學(xué)生通過一步步的學(xué)習(xí)任務(wù)，運用學(xué)到的技術(shù)，最終自己用材料構(gòu)建出一座橋梁模型。學(xué)習(xí)者中心取向整合模式采用學(xué)生主導(dǎo)項目的方式，學(xué)生以個人或小組為單位提出任務(wù)，任務(wù)內(nèi)容需要學(xué)習(xí)并運用跨學(xué)科知識。學(xué)生在項目問題解決過程中，教師發(fā)揮協(xié)調(diào)、指導(dǎo)、檢查、監(jiān)督、計時和評價作用。這幾個跨學(xué)科整合的取向是從研究內(nèi)容的特點及訂立的主體不同來進(jìn)行分類的，學(xué)習(xí)模式也會相應(yīng)有所差異，而課程設(shè)計也會有所不同。

針對 STEM 教育整合的課程設(shè)計，美國馬里蘭大學(xué)Herschbach（2011）提出兩種最基本的課程模式：相關(guān)課程（the correlated curriculum）模式和廣域課程（the broad fields curriculum）模式。相關(guān)課程模式將各科目仍保留為獨立學(xué)科，但各科目教學(xué)內(nèi)容的安排重彼此間的聯(lián)系。廣域課程模式則取消了學(xué)科間的界限，將所有學(xué)科內(nèi)容整合到新的學(xué)習(xí)領(lǐng)域。STEM 教育的廣域課程模式不再強調(diào)物理、化學(xué)甚至科學(xué)作為獨立的學(xué)科存在，而是將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等內(nèi)容整合起來，形成結(jié)構(gòu)化的課程結(jié)構(gòu)?？梢园l(fā)現(xiàn)，這兩種最基本的STEM教育課程模式與STEM教育的定義相匹配，相關(guān)課程模式實際上與認(rèn)為STEM教育是后設(shè)課程的理解方向一致，而廣域課程模式則與認(rèn)為STEM教育是獨立課程的方向一致。

實際教學(xué)中，學(xué)?？茖W(xué)課程是分科進(jìn)行教學(xué)的，所以廣域課程的設(shè)置與目前的基礎(chǔ)教育及中等教育的課程設(shè)置比較難以協(xié)調(diào)統(tǒng)一。所以，無論是基于哪種跨學(xué)科整合模式，現(xiàn)時實際比較常見的做法是基于相關(guān)課程模式來進(jìn)行STEM課程設(shè)計。另外，需要強調(diào)的是，在分科教學(xué)的背景下，每個學(xué)科的教師基本上更多關(guān)注的是學(xué)生對本科目的學(xué)習(xí)，所以目前不少的學(xué)科教師會將STEM教育的跨學(xué)科整合視為一種教育策略來幫助學(xué)生理解或者應(yīng)用本科目知識——即以上提到的STEM教育的教育策略取向定義。例如，有教師在數(shù)學(xué)課《反比例函數(shù)》的教學(xué)設(shè)計中，舉例了許多來源于物理學(xué)科的問題，并運用反比例函數(shù)知識加以解決。這種從物理學(xué)科引入數(shù)學(xué)問題，然后運用數(shù)學(xué)方法解決的做法就是STEM教育中強調(diào)的跨學(xué)科整合。但筆者認(rèn)為，這種教學(xué)策略向的STEM教育整合只能算是針對某一科學(xué)教學(xué)主題內(nèi)容的課堂教學(xué)設(shè)計，而不能稱之為“課程設(shè)計”。

結(jié)合以上所述及教學(xué)實際，本研究所進(jìn)行的是基于后設(shè)課程及相關(guān)課程模式的STEM課程設(shè)計。

3.基于校本課程的跨學(xué)科STEM課程開發(fā)

初中階段是學(xué)生對科學(xué)學(xué)習(xí)逐步增加的階段，比較合適在本學(xué)段進(jìn)行STEM教育。我們希望通過合適的STEM教育，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)各科的科學(xué)知識后，能夠?qū)⑦@些學(xué)習(xí)到的知識融會貫通，并結(jié)合各種技術(shù)用跨學(xué)科思維解決實際問題。

3.1 課程設(shè)計原則

在進(jìn)行基于校本課程的STEM課程設(shè)計中，我們必須遵循以下的原則：（1）適用性。問題或項目情境的難度應(yīng)當(dāng)適中，要與學(xué)生的接受程度相匹配。在課程設(shè)計的時候，需要考慮不同學(xué)段的學(xué)生的背景知識水平，不能罔顧學(xué)生本身的所具備的學(xué)習(xí)能力與水平隨意增加課程難度，使得課程有良好的學(xué)段適用性。（2）協(xié)調(diào)性。STEM教育是多學(xué)科融合的教學(xué)，所以在課程設(shè)置時必須強調(diào)各學(xué)科的良好協(xié)調(diào)，尤其是涉及到跨學(xué)科內(nèi)容教學(xué)時，必須考慮各學(xué)科相關(guān)內(nèi)容的呈現(xiàn)先后順序，以便提高課程教學(xué)的合理性與流暢度。（3）實用性。生活經(jīng)驗和社會整合模式強調(diào)將跨學(xué)科的內(nèi)容、高級思維能力發(fā)展與真實生活環(huán)境聯(lián)系起來。所以，STEM課程設(shè)計的項目選擇應(yīng)該具有一定的實用性，盡量與學(xué)生的生活息息相關(guān)。

3.2 課程設(shè)計實施

3.2.1 課程設(shè)計團(tuán)隊的建立

本研究的STEM課程設(shè)計團(tuán)隊由5位物理老師，1位化學(xué)老師和1位生物老師組成。初中階段所有的科學(xué)學(xué)科的老師都包含在了課程開發(fā)團(tuán)隊中，以便在進(jìn)行跨學(xué)科課程設(shè)計時，學(xué)科之間有更好的協(xié)調(diào)。

3.2.2 STEM課程主題的確立

STEM課程是基于問題的學(xué)習(xí)、基于項目的學(xué)習(xí)、基于挑戰(zhàn)的學(xué)習(xí)和基于探究的學(xué)習(xí)，對于初中生來說，最好的課題應(yīng)該是基于真實情景提出問題，形成項目，在解決問題與挑戰(zhàn)的過程中進(jìn)行探究。這些真實情景，最好是初中生身邊接觸得到，更容易激發(fā)初中生的思考，從而提出問題。學(xué)校STEM課程應(yīng)具備連續(xù)性、可持續(xù)性、系統(tǒng)性。綜合考慮課程設(shè)計的原則以及學(xué)習(xí)實際，研究課題組選擇了“模擬污水處理廠的建立”主題進(jìn)行STEM課程設(shè)計嘗試。

從該主題的與學(xué)生的日常生活相關(guān)性來看，水是生命之源，人既需要飲用水來維持生命，也需要水滿足生活上的其它各種需要，用水安全顯得尤為重要，污水處理這個主題與學(xué)生的生活息息相關(guān)，學(xué)生的切身體會也是深刻的。從該主題涉及的學(xué)科來看，分別包括了數(shù)學(xué)，物理，化學(xué)以及生物，并且涉及到的科學(xué)原理符合初中生的理解水平;同時還涉及到了一系列的檢驗技術(shù)和污水處理技術(shù)，非常適合作為STEM課程主題。該課程所涉及到的STEM知識詳見圖1。

3.2.3 STEM課程教學(xué)活動設(shè)計

在STEM課程主題確立以后，根據(jù)對其所涉及的各科知識內(nèi)容的分析，進(jìn)行符合學(xué)生認(rèn)知的教學(xué)設(shè)計。

本主題分三個部分，共9個活動。包括1個問題引入活動，5個背景經(jīng)驗活動和3個解決問題活動。

表1 “模擬污水處理廠的建立”課程設(shè)計內(nèi)容及課時安排

從上表可知，整個STEM主題課程內(nèi)容包含物理、化學(xué)及生物的學(xué)科知識，并根據(jù)其難易程度循序漸進(jìn)的安排，先介紹背景知識，然后再通過學(xué)習(xí)到的知識及技術(shù)進(jìn)行整合，最后搭建出模擬污水處理廠，并進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)。

在課時安排上，比較靈活，一共需要10到13個課時來完成整個主題的教學(xué)，非常適合作為一個學(xué)期的研究性學(xué)習(xí)的校本課程來使用。我校的一學(xué)期的研究性學(xué)習(xí)大約為13個課時，剛好滿足此課的課時需求。

3.2.4 實驗室及資源建立

由于我校的STEM課程剛開始設(shè)立，所以還沒有設(shè)立專有的STEM實驗室，而是采用物理及化學(xué)實驗室及其現(xiàn)有的儀器并添置一些儀器及用品來暫時充當(dāng)STEM課程實驗室。物理實驗室的電流表、電壓表、天平、溫度計、密度計，化學(xué)實驗室現(xiàn)有的各種玻璃儀器都是可以被利用的現(xiàn)成儀器。新購置的實驗儀器主要是課程需要的、但目前初中物理、化學(xué)等實驗室沒有的一些常見儀器。例如，微型水泵、磁力攪拌器、分光光度計、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（包含pH、COD、溫度、光照強度、壓強、離子濃度等傳感器） ，膠熔槍（用于制作簡單的器具或者器具間的拼接）等。結(jié)合實驗室現(xiàn)有的儀器及用品資源便可初步建立STEM實驗室供課堂教學(xué)和學(xué)生活動。

3.2.5 課程評價設(shè)計

由于STEM課程本身及所設(shè)計課程的項目的特性，過程性評價和總結(jié)性評價更為適合，同時包括了教師的評價和學(xué)生自身及小組成員之間的評價。為此，本課程設(shè)計組成員共同設(shè)計了《小組課堂任務(wù)評價量表》以便正確的評價小組在STEM課程活動中完成相應(yīng)任務(wù)的表現(xiàn)與效果。STEM 教學(xué)側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者解決實際問題的能力，《工程建議書》作為檢驗學(xué)習(xí)效果是否達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)的一個重要的結(jié)果體現(xiàn)，我們設(shè)計了《工程建議書項目評價表》供教師評價及學(xué)生自評及互評，以全面評價整個課程的學(xué)習(xí)效果。

4. STEM課程設(shè)計嘗試的意義及未來展望

（1）逐步建立并完善校本課程STEM課程體系。STEM課程設(shè)計是一個巨大的工程，不能一蹴而就，只能逐步推進(jìn)。俗話說“萬事起頭難”，但通過本次有效的STEM課程設(shè)計的研究嘗試，有了第一個課程設(shè)計的成功經(jīng)驗，便可以此形成課程開發(fā)的規(guī)范流程與模式。一些課程中必要的、共同的部分（如課堂表現(xiàn)評價工具等）可以在不同的課程中使用，有利于后續(xù)課程的快速開發(fā)。;;;;;;;（下轉(zhuǎn)第95頁）（上接第93頁）

（2）逐步建立并完善STEM教學(xué)活動實驗室。STEM課程的實施離不開教學(xué)活動的開展，而教學(xué)活動的場地——STEM實驗室是必不可少的硬件設(shè)施。進(jìn)行有預(yù)見性的、目的明確的課程設(shè)計，能更有針對性的建立STEM實驗室，購買添置有明確用途的儀器及實驗用品，優(yōu)化實驗資源配置，做到目標(biāo)明確，不浪費資源，在課程形成系統(tǒng)化的同時，也讓實驗室建設(shè)與管理更趨向于體系化。

（3）逐步建立并完善STEM教學(xué)的教師團(tuán)隊。課程設(shè)計需要教師來進(jìn)行，而課程的教學(xué)實施，還是需要教師來完成，教師團(tuán)隊的能力需要不斷提升，而STEM課程的設(shè)計與實施提供了很好的機遇。雖然研究還處于初級階段，教師團(tuán)隊也略顯稚嫩，但通過STEM課程的設(shè)計嘗試，為我們的STEM教師團(tuán)隊提供了真實而可靠的教學(xué)實踐機會。從課程設(shè)計與實施過程中，我們除了獲得學(xué)生的學(xué)習(xí)思路與表現(xiàn)外，還能通過學(xué)生的學(xué)習(xí)成果反思我們的課程設(shè)計及教學(xué)方式，在新的課程及教學(xué)設(shè)計中不斷調(diào)整改進(jìn)，為教學(xué)團(tuán)隊的長足發(fā)展提供了堅實的基礎(chǔ)。

【注：本文系2017年度廣州市中小學(xué)中等職業(yè)學(xué)校深入推進(jìn)STEM課程實施專項研究課題“基于初中學(xué)生日常生活的STEM課程的開發(fā)研究”成果（課題編號：GZJY2017-004）】

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