摘要：厘清STEM能力結構是設計STEM課程體系的關鍵。2019年聯(lián)合國教科文組織國際教育局（IBE-UNESCO）發(fā)布第30號報告《探索21世紀STEM能力》，從知識、技能、態(tài)度與價值觀三個維度分析了STEM能力框架，明確了STEM課程所要教授的基本元素。該文梳理了IBE-UNESCO STEM能力框架，探究能力為本的STEM課程整合的方法。提出了以大概念架構能力要素，設計STEM課程體系;面向職業(yè)應用，設計經典STEM課程;以項目/任務/問題為載體，設計STEM活動;與家庭、社會共享資源合力，打造STEM學習環(huán)境等策略，以期為改進我國STEM課程設計提供參考。

關鍵詞：STEM;能力;能力本位;能力框架;課程設計

中圖分類號：G434

文獻標識碼：A

一、引言

當今，以智能化為代表的工業(yè)革命4.0時代，社會需要具有新技術和跨學科思想的科學型勞動力，每一個人都要具備適應當今及未來社會之需的能力。在社會可持續(xù)發(fā)展和個人幸福生活兩大愿景下，能力為本的STEM教育是時代發(fā)展的需求。STEM教育利用科學、數(shù)學、技術、工程等知識，制定和提供創(chuàng)新的解決方案，解決日?；蛏鐣栴}，致力于培養(yǎng)應社會之需的未來人才。盡管過去二十年里STEM教育改革備受社會各界關注，但對STEM課程整合的細節(jié)方面還缺乏共識。國內STEM教育起步晚，存在頂層設計、社會聯(lián)動機制、整體設計、師資力量等方面諸多問題[1][2]。教育部門應重新思考傳統(tǒng)課程界限，以能力為本位，以解決真實世界的問題為目標，設計并應用超越知識領域的STEM課程[3]。厘清STEM能力結構是設計STEM課程體系的關鍵。

能力不是一套固定的技能，在真實的生活和工作環(huán)境中，人們運用專業(yè)知識和經驗，及科學探索和問題解決等技能，并融入適當價值觀等不同要素，進行決策、采取行動并解決問題，其中所需要的能力是綜合的。傳統(tǒng)課程中，知識和技能是按科目劃分的。STEM教育則將科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學（Mathematics）四門學科聯(lián)合為實體。課程開發(fā)人員需考慮跨學科的概念和方法，并認識到每個STEM學科的特殊性和特點，課程設計需要更多地從整體角度出發(fā)。2019年2月，聯(lián)合國教科文組織的國際教育局（IBE-UNESCO）關于當今課程、學習和評估關鍵問題的第30號報告《探索21世紀STEM能力》[4]，分析了21世紀STEM能力框架，為STEM能力本位課程設計提供藍圖，對我國改進STEM課程設計具有借鑒意義。

二、STEM能力框架與課程設計內容

IBE從能力發(fā)展觀角度將能力定義為“在21世紀背景下，以能動性和倫理性地使用知識技能、價值觀、態(tài)度和技術，實現(xiàn)個人有效參與體現(xiàn)集體和全球利益的行動并發(fā)展能力”[5]。知識、技能、態(tài)度和價值觀綜合應用于識別生活中的問題，解釋自然和設計世界的問題，并對STEM相關問題得出基于證據(jù)的結論[6]。從解決真實復雜問題過程角度，能力的組成部分既要有知道“是什么”和“怎么做”兩個基本部分，還要體現(xiàn)特定的倫理態(tài)度和價值觀，而且以一種整體的方式工作，能力的各個組成部分需要整合到學生的學習過程中，以使學生能夠參與到問題中來。知識、技能、態(tài)度和價值觀是STEM能力框架的三大方面，同時也是設計與開發(fā)STEM課程的關鍵要素。

（一）設計STEM知識

1.STEM知識構成

STEM知識與包含的學科內容相關，IBE-UNESCO從知識來源和應用的角度，將其分為三類：認識性知識（Epistemological Knowledge），程序性知識（Procedural Knowledge）和技術性知識（Technical Knowledge）。認識性知識是人們對客觀世界認識中形成的相關事實、思想、概念、原理，以及科學本質的認識和理解。認識性知識顯示了學生學習的相關性和目的，涉及到像從業(yè)者那樣思考、行動和理解[7]。程序性知識，又稱過程性知識，是解決問題的執(zhí)行動作序列，即步驟與要點[8]。程序性知識通過課堂內外的調查和實踐活動發(fā)展起來，學生掌握程序性知識，能夠促進其對STEM原理的理解和應用。技術性知識是指知識、技能、態(tài)度和價值觀在特定操作或任務中的應用，是對技能如何執(zhí)行的理解。技術性知識響應特定職業(yè)或行業(yè)需求的特定知識形式，包括職業(yè)知識和各級工程師以及技術人員所需的知識。

對STEM知識的設計是STEM教育工作的開展的基礎。但僅從“微觀”的角度分析其構成，難以滿足基于能力本位的STEM知識體系的建構。從知識體系角度，跨領域的STEM知識綜合為一個整體體系，需要將不同的理解元素連接成一個連貫的整體，大概念是建構STEM知識體系的人手點和方法。從綜合應用角度，STEM知識最終應用于不同的職業(yè)領域，STEM知識架構的另一種方法為職業(yè)性知識架構。

2.大概念建構STEM知識

大概念（Big Idea）是對特定學科顱域學習的中心概念或陳述，通過這些概念（陳述）能將學習內容不同的理解元素連接成一個連貫的學科/領域整體[9]。IBE-UNESCO認為任何研究領域里，大概念都是其構成基石，通過大概念可以建構知識體系。在大概念之間建立聯(lián)系，然后將這些聯(lián)系外推到同一領域或其它領域，學生可以發(fā)展他們對該學科/領域的基本理解。

大概念架構STEM知識是將STEM知識融合為整體的一種重要的思路。美國國家研究委員會提出通過跨STEM學科領域聯(lián)結關系，提供一個組織架構，從不同的STEM領域汲取和結合知識，形成一個連貫的、以科學為基礎的基本概念框架。其中最為關鍵的七個方面聯(lián)結方式為：（1）模式;（2）因果關系、機制和解釋;（3）規(guī)模、比例、數(shù)量;（4）系統(tǒng)和系統(tǒng)模型;（5）能量和物質流動、循環(huán)和守恒;（6）結構和功能;（7）穩(wěn)定和變化[10]。通過對觀察到事件的形式或模式組織分類，并提示有關關系和影響關系的因素的問題，調查和解釋因果關系，厘清規(guī)模、比例或數(shù)量的變化如何影響系統(tǒng)的結構或性能，跟蹤能量和物質的流入、流出和系統(tǒng)內部的流動有助于了解系統(tǒng)的可能性和局限性，明確穩(wěn)定性條件和系統(tǒng)變化或演化的決定因素等，進行重新組織。從這些核心的大概念人手組織成四個領域：（1）物理科學，（2）生命科學，（3）地球和空間科學與工程，（4）科學的技術和應用，并分布在從小學到高中的多個年級，形成新一代科學標準（NGSS Next GenerationScience Standards）[11]。該標準在每個年級都有概述，其深度和復雜性均不斷提高。

大概念就像STEM知識體系的骨架，將不同學科領域的知識進行聯(lián)結，形成整合的STEM知識體系。這些聯(lián)結的數(shù)量和強度是他們理解水平的指標。通過大概念學習網，教師需要不斷地幫學生將學習內容與大概念聯(lián)系起來，并在整個課程中不斷地強化它們，使學生能夠把不同學科領域看作是一組互相關聯(lián)的概念、事實或技能，形成一個更有意義的知識體系，從而使學習變得連貫、有意義。教學中大概念也是關鍵學習節(jié)點，聯(lián)結方式則為重要的教學設計點。重新梳理STEM知識體系，進一步按專題或主題架構，可設計為STEM課程體系。

3.職業(yè)性知識架構STEM知識

每一門職業(yè)如軟件工程、建設施工、機械制造、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、操作監(jiān)控，故障排除、設備維修保養(yǎng)、系統(tǒng)分析評價、質量控制分析等，均需要掌握復雜的技術性知識。STEM課程需要致力于讓學習者更好地將教育經驗與未來職業(yè)聯(lián)系起來[12]。技術性知識包括職業(yè)知識和各級工程師以及技術人員所需的知識。

國民教育系統(tǒng)除了為學生提供基礎教育，中等職業(yè)學校及高等學校還為學生將來的職業(yè)生涯做準備。國民教育系列以外的許多校外學習中心或培訓機構，也經常致力于努力開發(fā)STEM教育項目，為年輕的學習者提供學習機會利于他們上崗或培養(yǎng)專門的STEM能力，例如少年宮、夏令營、課外活動和競賽等。

（二）掌握STEM技能

技能通常是衡量專業(yè)能力的重要指標，無論執(zhí)行STEM相關任務還是非STEM任務，均需要掌握那些已發(fā)展或正在發(fā)展的技能。鑒于STEM領域的快速發(fā)展，所有的學習者都需要使自己保持持續(xù)的專業(yè)技能發(fā)展和其它技能的提升。IBE-UNESCO認為STEM技能主要包括認知技能、信息處理、解決問題與工程思維、科學調查、計算思維與通信技術、設計思維與創(chuàng)新能力、動手操作技能、溝通協(xié)作技能8種技能。深入分析各個維度的STEM技能，探究技能掌握方法，是STEM課程的重要設計點。

1.認知技能

認知是指通過思維和經驗進行認識與理解事物的心理過程。認知技能是識別、收集、處理和使用相關數(shù)據(jù)做出決策的過程，在信息管理處理、創(chuàng)造性和分析性思維、解決問題、科學調查、創(chuàng)造力和計算性思維等技能的基礎上作出判斷。認知技能是學習者內心與客觀的事物、問題不斷交互、反思形成自己獨到的見解的過程，是STEM的一種基本技能。

學習者應用認知技能，實質是通過科學方法和證據(jù)，使用分析性、推理性和批判性思維來評估觀點，獲取有效的判斷經驗。分析性思維通過數(shù)學、科學等原理與方法，以及已有經驗數(shù)據(jù)的加工處理，使人能夠系統(tǒng)地設想、表達和概念化問題以及解決方案。解決每一個問題需要運用推理性思維和批判性思維，通過邏輯推理發(fā)現(xiàn)問題本質，這也是創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)的重要基礎。認知技能在不斷實踐中提升，必要時還需要借助一定工具和方法，如通過組織結構圖、思維導圖等可以進行快速問題分析，通過組織問題討論可以有效調度批判性、推理、分析等思維解決問題，以獲取解決方案。

2.信息處理—數(shù)據(jù)解釋和數(shù)據(jù)分析

信息處理技能是為特定的任務尋找、整理、組織和選擇有效的信息，生成、理解、解釋、分析和推斷經驗數(shù)據(jù)，測試其真實性、有效性和可靠性，并以有效的方式顯示結果。學生不能僅憑他們的感受或想法下結論，而是要基于支持的科學數(shù)據(jù)得到最佳解決方案[13]。

獲取信息，并能夠通過輔助工具如紙質的圖表、數(shù)據(jù)圖、Excel電子表、數(shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)分析軟件等的應用，掌握數(shù)據(jù)分析技巧是STEM學習不可或缺的技能。21世紀信息爆炸的時代，對信息處理能力的要求越來越高，越來越多的信息和“大數(shù)據(jù)”被收集和使用，信息處理成為每一個人必備的信息素養(yǎng)，以數(shù)據(jù)驅動決策越來越成為各行各業(yè)的習慣。

3.解決問題與工程思維

處理生活中、工作中各種各樣的事務都需要解決問題，解決問題的過程包括識別和分解復雜的問題，分析數(shù)據(jù)，制定解決方案，評估選項和實施解決方案。IBE-UNESCO認為解決問題是STEM研究和STEM職業(yè)的一項關鍵技能。解決問題能力是工程思維的基礎，工程思維體現(xiàn)系統(tǒng)化解決問題的能力。工程師經常需要使用解決問題的技能，他們的工作中往往不僅要考慮客戶的需求，還要全面考慮安全性和可持續(xù)性等因素，并設計模型或系統(tǒng)來理解問題、設計解決方案、測試解決方案、尋找替代解決方案并告知決策過程。美國皇家工程學院和機械工程師學會認為解決問題的技能是工程思維或工程思維的一部分，它描述了工程師思考和行動的方式，包括系統(tǒng)思考、發(fā)現(xiàn)問題、適應新問題、創(chuàng)造性地解決問題、可視化和改進等[14][15]。

基于問題的學習，常通過一個現(xiàn)實的問題驅動自我指導的問題解決過程，以培養(yǎng)學生解決問題的能力[16]。一個適合學習者的好問題能激發(fā)學習者求知欲和探究欲，具有一定的驅動力，即使教師不提供具體的學習指導，也能作為一種學習的資源，驅動學生實現(xiàn)他們的探究目標。在培養(yǎng)解決問題能力基礎上，還需要系統(tǒng)化地培養(yǎng)工程思維能力。一個孩子就是一個小工程師，工程習慣和思維往往需要在小時候打下基礎。

4.科學調查

用數(shù)據(jù)驅動決策的前提是獲得可靠的數(shù)據(jù)，科學調查是系統(tǒng)地獲得信息和數(shù)據(jù)的方法?？茖W解決問題的重要步驟為對周圍的世界進行現(xiàn)象觀察，制定假設，深入調查，實驗和測試假設，分析數(shù)據(jù)和發(fā)展結論，探索和尋求相關規(guī)律、數(shù)據(jù)等答案，在調查的基礎上，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，對概率和錯誤率等進行分析。

PISA和TIMSS這兩個享譽國際的教育評估單位，其評估框架內均包含科學調查和實驗技能評價，要求學生做出假設和控制變量，科學地解釋數(shù)據(jù)和證據(jù)[17][18]。國際文憑組織提倡注重持續(xù)調查的教學方法，主張教師和學生在探索學科內部和跨學科的研究領域時，開發(fā)探究性陳述和探究性問題，通過探究性學習，學生可以在全球背景下對STEM的大概念有一個概念上的理解，同時還可以培養(yǎng)思維、溝通、自我管理和研究的技能[19][20]。掌握科學調查的科學過程技能以及所需的知識和科學態(tài)度，是STEM學習的必要條件。

5.計算思維與通信技術

計算思維指用計算機科學的概念、算法、數(shù)據(jù)模擬等方式，進行問題求解、系統(tǒng)設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。Wing J.M于2006年首次提出計算思維，他指出制定問題和解決方案的方式，像計算機科學家一樣思考比能夠給計算機編程更有意義[21]。計算思維有利于STEM任務的高效執(zhí)行，程序設計和執(zhí)行是一個非常嚴密的過程，計算思維的培養(yǎng)能有效幫助問題解決思維的培養(yǎng)。

IBE-UNESCO認為在工業(yè)革命4.0時期，有效利用信息和通信技術（ICT）技能并保持其聯(lián)通性對STEM領域的發(fā)展具有重要意義。使用計算機、平板電腦及移動電話等進行電子郵件發(fā)送、互聯(lián)網瀏覽、視頻通話、文件傳送、在線合作編輯等基本的信息通信技術已成為當今日常工作和生活必備的通信方式，同時隨著科技發(fā)展，人們還需要不斷學習使用新媒體通信方法。

6.設計思維與創(chuàng)新能力

在這個創(chuàng)新、發(fā)明、創(chuàng)造和設計的時代，我們更加依賴工程和技術創(chuàng)新，設計思維已成為一種必要。設計思維涉及到一個結構化的框架，以創(chuàng)造性的戰(zhàn)略和過程來設計方案或開發(fā)產品。有時避開一系列有序的步驟或嚴格的技術規(guī)則，在個人的靈感、同理心和意念的指引下，讓創(chuàng)意變得可行，并付諸實踐。通過積極地讓學生參與工程設計挑戰(zhàn)，不僅引領他們學習了工程設計過程和工程實踐知識，還加深了他們對學科核心思想的理解[22]。工程設計活動填補了抽象的知識和應用之間的空白，還增強了學生的科學、技術和數(shù)學知識[23]。

設計思維需要通過信息收集、創(chuàng)意性頭腦風暴、構思、原型設計、試錯、反思與回顧、重新設計、改進、測試和實施等階段，將批判性和創(chuàng)造性思維集成在一起，這些階段可以有效地應用于STEM學習和STEM職業(yè)。創(chuàng)造力是運用想象力創(chuàng)造事物的能力。一個有創(chuàng)造力的人可以通過發(fā)現(xiàn)隱藏的模式和在看似不相關的現(xiàn)象之間建立聯(lián)系，以獨到的、新穎的方式感知世界，并創(chuàng)作獨特作品或進行工程設計。

7.動手操作技能

動手操作技能是典型的STEM技能，主要指具有親身參與安全正確操作科學技術設備、儀器、標本等的技能，常見于一些特定的職業(yè)，如電工、管道工、飛機機械師、自動化技術員和機電一體化工程師等[24]。IBE-UNESCO認為社會或國家的需求隨技術變革而發(fā)展變化，因此職業(yè)和技術技能的培訓需要具備對勞動力市場動態(tài)預測和響應的能力，職業(yè)技術教育機構必須決定專注于哪種技能，以及提供哪種培訓模式（通常包括學徒制）。

動手操作技能在實踐和操練中培養(yǎng)。一些國家在中學提供職業(yè)/技術技能培訓，以幫助學生就未來的職業(yè)培養(yǎng)動手操作能力。設計實踐性任務，讓學生通過親身實踐活動，培養(yǎng)動手操作技能，同時還可以讓學生體驗其它相關的技能，如創(chuàng)新設計、解決問題等。

8.溝通協(xié)作技能

在信息社會中，人們生活在信息的海洋中，既從信息環(huán)境中獲取自己關注的信息，也貢獻信息。每一個人都是信息節(jié)點，學習活動具有社會性，學習者之間的交互顯得非常重要。在同一個工作環(huán)境中，大多數(shù)任務是復雜和相互關聯(lián)的，需要通過有效的團隊合作來實現(xiàn)。STEM技能和知識在設計和構建解決方案方面的應用將通過許多人和團隊的合作來實現(xiàn)。協(xié)作溝通的技能是所有人應具備的基本技能。有效的協(xié)作使每個團隊成員都有平等的機會在共同的職責范圍內參與交流，以加深他們的所學。

STEM學習中，有效的協(xié)作和溝通技能并不總是自然產生的，需要學習者或教師有意培養(yǎng)協(xié)作的契機和氛圍，需要明確的發(fā)展目標和給力的教學組織。協(xié)作型教學組織的團隊成員基于共同的愿景目標，分擔責任，既能夠在團隊中獨立工作，又能夠有機會互相交流和合作，以清晰有效的方式向其他團隊成員或利益相關者傳達信息。協(xié)作學習過程中，需要有意設計溝通環(huán)節(jié)，培養(yǎng)溝通協(xié)作能力。

（三）融入STEM態(tài)度和價值觀

倫理學領域認為價值觀體現(xiàn)為“一種系統(tǒng)的、理性的方式來解決困境，并在面對選擇沖突時確定最佳行動方案”[25]。IBE-UNESCO認為從事科學研究或解決問題不僅需要技能，還需要特定的認知、價值觀和態(tài)度。真實世界，需要面對社會的各種問題和困境，如解決諸如糧食短缺、住房問題、氣候變化、環(huán)境污染、基因檢測等世界可持續(xù)性發(fā)展問題，STEM教育需要引導學生學習如何制定創(chuàng)新的解決方案，指導其選擇對社會帶來最大好處（傷害最?。┑母深A措施。IBE-UNESCO對STEM價值與倫理的12種規(guī)范及其相應的活動進行了說明，如表1所示。

對照上頁表1中STEM態(tài)度與價值觀及其活動表現(xiàn)，結合平時學生日常表現(xiàn)，不難發(fā)現(xiàn)積極的態(tài)度如對事物充滿好奇心，具有合作精神，有責任心，做事嚴謹?shù)?，在完成各項工作中，均會充滿能量感，更利于工作的完成。學習者內在的態(tài)度和價值觀外顯表現(xiàn)在具體的STEM實踐活動中，正確的態(tài)度與價值觀促進實踐活動，負面態(tài)度影響工作順利開展，違反道德規(guī)范的價值觀可能導致危害社會的行為。態(tài)度和價值觀是STEM學習和實踐的組成部分，在STEM實踐中內化為STEM哲學，成為一種內驅力，應用于日常生活和未來的職業(yè)中。

三、能力本位STEM課程整合

（一）課程整合斜面啟示

STEM學習的重點不是單個學科本身，而是解決現(xiàn)實世界的問題，需要考慮多方面、跨學科和綜合的能力。美國當前存在不同的STEM實踐模型，在學校中可以采用多種方法來教授STEM[27]： （1）分別教授四個STEM學科;（2）教授這四個STEM學科，并重點以其中一兩個學科加強STEM教學（當今美國大多數(shù)學校中正實行的）;（3）將STEM學科之一整合到其他三個學科中，例如工程內容可以集成到科學、技術和數(shù)學課程中;（4）將所有四個學科相互融合，并將它們作為一個綜合的主題進行教學。美國STEM從初期探索階段正逐漸向優(yōu)化發(fā)展。發(fā)展STEM教育進程中，還需要落實為具體的課程體系，有待設計一個有效的課程整合方案。

IBE-UNESCO引用了STEM“整合斜面”圖來說明課程整合模型。工作于STEM教學一線的Vasquezg于2014年提出的課程STEM“整合斜面”，其表示了STEM從單學科、多學科、跨學科和融合學科的整合層次[28]。Alex Delaforce于2016年對其進行改進，增加一種完全融合新思想的“新學科”，如圖1所示，新整合斜面能夠更為系統(tǒng)地分析STEM學科的整合模型[29]。

1.單學科（Disciplinary）：傳統(tǒng)的分科教學，學生在每個學科中分別學習概念和技能。

2.多學科（Multidisciplinary）：學生學習的概念和技能分別在不同的學科中學習，課程可以分開講授，通過共同的內容主題在多個STEM課程之間建立聯(lián)系，并通過教師和學生的反思建立知識體系。

3.跨學科（Interdisciplinary）：學生從兩個或多個緊密聯(lián)系的學科中學習概念和技能，從而加深知識和技能?？鐚W科的方法可以實現(xiàn)跨學科的更高層次的整合，例如，通過關注一個共同的概念。在有效的跨學科方法中，相關學科融合在一起，混合并去除學科中技能和知識的任何分離。

4.融合學科（Transdisciplinary）：通過承擔現(xiàn)實世界的問題或項目，學生應用來自兩個或多個學科的知識和技能，幫助形成學習經驗。融合學科的方法比跨學科的方法走得更遠，它尋求完全消除傳統(tǒng)學科之間的界限，并圍繞現(xiàn)實問題或主題的意義構建來組織教學和學習。

5.新學科（Neodisciplinary）：新學科方法提出了一種新的“完全無視傳統(tǒng)學科邊界的新學科分類”，學生完全沉浸于真實的、現(xiàn)實世界中的問題解決式任務中，不拘泥于傳統(tǒng)孤立的學科，使用并發(fā)展恰當?shù)默F(xiàn)實感綜合技能來解決這些問題，以創(chuàng)建新的技能和知識網。

在這個斜面中，單學科為傳統(tǒng)的四門課程獨立的教學法，從第二個模型多學科開始按學科融合程度分類。多學科模型的優(yōu)點是教師仍然教授他們的可選科目，每個學科均可以實踐科學、數(shù)學、工程、技術的設計思維和哲學，這些學科之間的聯(lián)系可能不明確，很難獲得STEM整體能力?？鐚W科或融合學科的STEM課程為學習者提供了更相關、更少碎片化、更有啟發(fā)性的體驗，包括提高學生的學習動機，提高對學校的態(tài)度和興趣，使學生成為更好的問題解決者、創(chuàng)新者、發(fā)明家等。學生運用跨學科知識投身于STEM項目進而完成STEM項目，在這一過程中，他們擁有更多機會產生深度學習，實現(xiàn)跨學科問題解決和創(chuàng)新能力的發(fā)展[31]。新學科STEM則能進一步基于真實問題設計學習活動（基于項目和基于工程設計的學習活動），這些活動將科學原理、技術應用、工程設計和數(shù)學集成到單個STEM學校計劃中，作為一門基于學校的新科目教授，或用于協(xié)助現(xiàn)有的STEM科目，提供更優(yōu)化的教學策略。

（二）以能力為本整體開發(fā)STEM課程

IBE-UNESCO能力的框架結構清晰，從能力的組成角度分三類知識、八類技能和態(tài)度與價值觀組成。縱觀IBE能力框架，STEM能力的形成，不僅僅是獲取信息，對事物的認知需要時間和過程，需要特定的活動。技能學習往往需要在特定條件下進行嘗試、調查、分析、操作、實驗、反思，并及時糾錯、反復操練。態(tài)度和價值觀需要在特定情景中體驗、發(fā)現(xiàn)、感悟。學生的自主投入是能力培養(yǎng)的關鍵要素。

傳統(tǒng)科學課程已有一整套的理論與實驗學習的框架，對比IBE-UNESCO的STEM能力框架，我們不難發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)的科學課程框架，教學大綱完整明確，學生該學什么知識的條目清晰，教學內容生動有趣;實驗怎么操作，步驟明確，實驗目標明確，大部分實驗是預設好結果的驗證性實驗，學生按老師要求就能達到預計的結果。即這樣的學習，實際上已形成一個完整嚴密的良構體系。良構體系重視知識的獲取，能夠快速達成預定目標，但在認知技能、解決問題和工程思維、科學調查、設計思維，創(chuàng)意和創(chuàng)新等方面的能力卻難以獲取。以能力為本S、T、E、M深度融合的課程，尤其需要能力提升的載體。真實的項目、任務和問題等正是教師需要為學生設計STEM學習的載體。

在復雜情境中的學習，很多時候“態(tài)度”決定成敗。面對各種挑戰(zhàn)，對未知的好奇、害怕嘗試、懼怕失敗、期待成功等各種由態(tài)度及其引起的情感雜糅其中，學習者需要在一次次STEM活動中歷練，獲得正確價值觀和調度積極面對問題態(tài)度的能力。教師要在STEM活動中充當導師、評價師等多種角色，每一位優(yōu)秀的STEM老師，一定也是優(yōu)秀的設計師、導師。教師需要在具體情境、活動中，幫助學生將他們的學習經歷賦予個人意義，從而促進所學知識保留下來，進一步促進在學習新知時進行遷移。教師需要基于STEM教育課程設計主旨和關鍵步驟，進一步設計學生學習活動方案。活動中需要充分調動學習主動性，引領學生調查、探究和動手操作。通過探究性學習，讓學生參與提問、體驗式學習和實踐活動，使他們能夠發(fā)現(xiàn)新的概念，發(fā)展新的理解。

四、能力為本STEM課程設計策略

IBE-UNESCO作為聯(lián)合國教科文組織課程和相關事務的全球卓越中心，對國際STEM教育三十年發(fā)展成果進行梳理，站在世界可持續(xù)發(fā)展，為未來培養(yǎng)人才的高度，提出了以能力為本的STEM教育，設計了21世紀STEM能力框架。從理論到實踐，給出STEM教育課程設計的方向，基于真實問題，以能力為本，深度整合S、T、E、M學科的STEM課程，四個學科的知識與技能作為有機整體協(xié)作工作，必將逐漸優(yōu)化，支持社會對人才的需求?；趯BE-UNESCO的21st STEM能力探索報告的深度理解，設計能力為本STEM課程，還需要關注課程體系構建方案、如何設計、如何優(yōu)化等問題。

（一）以大概念架構，設計STEM課程體系

IBE-UNESCO能力框架非常重視大概念的作用，通過深度分析跨學科大概念及學科內相關概念，引領學生通過掌握事物的本質聯(lián)系，建構起整個STEM的知識框架。該構架可抽象為由許多關鍵節(jié)點組成的知識網，由這些關鍵節(jié)點聯(lián)結不同領域的學習內容，在STEM學科內或其組成的學科之間實現(xiàn)信息的聯(lián)結?；诖蟾拍顬橹骶€索，可搭建STEM課程內容框架。

大概念如何落實到具體的學習活動？在STEM課程設計中，應盡量讓學生以真正的技術團隊成員參與。對于復雜的整體（跨學科）層面的問題，設計為有主題意義的項目，可讓學生團隊直接參與項目的設計。項目可以分階段細化為任務和具體的問題。以項目/任務/問題為載體的STEM學習，從大概念至具體學習活動，主要包括四大關鍵步驟：（1）圍繞大概念中關鍵節(jié)點，設計主要的學習主題單元，規(guī)劃項目中主要完成時間進展和內容進展。（2）從關鍵概念人手設計項目單元。（3）主題項目進一步可按不同大概念節(jié)點，落實為主題任務序列。（4）學習團隊既可以分工并行再交流共享所學，也可以同步合作完成項目。教師在其中充分發(fā)揮STEM專家和協(xié)作者等多重角色，引領學生綜合運用認知技能、解決問題和工程思維、科學調查、計算思維和ICT、設計思維，創(chuàng)意和創(chuàng)新、動手能力和技術能力、協(xié)作和溝通等技能開展學習。

（二）面向職業(yè)應用，設計經典STEM課程

學習者最終需要面向職業(yè)，而STEM技術性知識，與職業(yè)技能緊密關聯(lián)。課程開發(fā)人員需要向學生提供與STEM職業(yè)相關的技術知識。大概念架構的STEM融合課程體系以知識模塊為框架，而職業(yè)類課程則面向典型的應用。而職業(yè)類課程存在每一行業(yè)的知識與技能具有復雜性、綜合性特點，很多職業(yè)可自成一個體系，但因為STEM能力具有可遷移性，課程設計應該以能力的形成為主線，而不是達成僅某一專業(yè)的學習。針對中、小、幼學生不同的認知水平和動手能力，設計不同難度水平的職業(yè)類課程。

可根據(jù)不同年齡段的學生設計不同難度的職業(yè)類課程，在幼兒階段可設計職業(yè)體驗類、角色扮演等STEM課程、簡單的模型課程。小學到中學均可設計模型課程、職業(yè)體驗、職業(yè)觀摩、模擬職業(yè)、真實職業(yè)項目設計等課程。教學內容可引入職業(yè)課程或模擬職業(yè)課程中實現(xiàn)，STEM課程內容可按職業(yè)需求設計學段，幼、小段可設計如船模、車模、航模、園林建設、建筑物模型、橋梁模型等課程，在中高段越來越向真實感職業(yè)項目過渡，并增加創(chuàng)新設計、計算思維等復雜的技能要素。這樣，從幼小學段開設，在孩子心中播下STEM種子，從小工程師培養(yǎng)逐步為接軌多個行業(yè)的大工程師的培養(yǎng)。

（三）以項目，任務/問題為載體，設計STEM活動

學生應用所學知識解決這些真實世界和情境的科學問題，其本質上是基于建構主義的情景化學習模式，通過項目來實現(xiàn)對知識的理解和掌握[32]。知識與能力在具體學習項目、問題中聯(lián)結，落實能力為本的具體的學習活動。通過探究性學習，讓學生參與提問、體驗式學習和實踐活動，使他們能夠發(fā)現(xiàn)新的概念，發(fā)展新的理解。讓學生參與項目設計，不僅學習工程設計過程和工程實踐，同時也加深了他們的理解。合作學習的原則表明，學生應該有機會互相交流和合作，以加深他們的知識。教師需要基于STEM教育課程設計主旨和關鍵步驟，進一步設計學生學習活動方案，同時還可引領學生參與設計，主要工作：（1）學習目標明確，項目規(guī)劃、學習計劃制定;（2）融合知識、技能、態(tài)度與價值觀，按項目規(guī)劃設計任務序列，明確任務要求;（3）任務書制定，任務執(zhí)行的輔學資源準備，STEM活動材料準備;（4）學習活動組織與開展，形成學習評價貫穿;（5）項目/任務/問題的總結，交流，項目答辯等階段性評價活動。

學生在教師引領下參與教學活動的全過程，教師幫助學生建構知識、技能、態(tài)度價值觀的三維能力。教學活動中需要充分調動學習主動性，引領學生調查、探究和動手操作。從學生學習投入的角度來看，任務、問題、作業(yè)等目標明確，學生注意力更容易集中，教師更容易提供明確的指導。不管關鍵思想有多抽象，活動設計都必須盡快將這些目標轉化為學生能夠理解的、實際的任務和要求。

（四）與家庭、社會共享資源，合力打造STEM學習環(huán)境

雖然近年來國內教育各界對STEM教育寄予了厚望，并落實于行動中。但STEM教育仍有許多問題。目前國內STEM項目主要集中在少年官、學校興趣選修及校外專門培訓機構，未形成系統(tǒng)化、常態(tài)化的教育，存在多方面的問題。

首先是STEM師資短缺的問題，當前一般學校師資難以勝任跨行業(yè)、職業(yè)的專家指導。與校外企業(yè)和相關專業(yè)人士合作，聘請外部的專業(yè)人士或專家可以使STEM的教學變得更有背景、更有意義、更有影響力。學?？梢云刚埧茖W家、工程師、數(shù)字專家來指導學生;讓學生參與他們正在進行的研究和創(chuàng)新項目;引導他們設計實驗，創(chuàng)造自己的創(chuàng)新。這可以彌補或克服教師對STEM采用跨學科方法的準備不足或擔憂，同時保持各個學科完整地服務于高等教育、工業(yè)和STEM領域的特定技術要求。

其次是學習環(huán)境問題，如果沒有真實感環(huán)境的體驗、沉浸式學習，大概念只是無用的抽象概念。STEM學習還需要為學生提供足夠的真實或模擬的體驗，以使理解得以發(fā)展。STEM學習需要支持科學、技術、工程和數(shù)學綜合性學習環(huán)境。學習環(huán)境的首先需要考慮的兩個因素是安全與可行。這樣一個完整的STEM學習環(huán)境應該是能打破學科邊界，允許學生應用多學科知識解決問題，提供參與提問、體驗式學習和實踐活動的學習環(huán)境。為STEM課程設計提供利于學生能力自主發(fā)展的空間：

（1）提供真實的學習環(huán)境，將問題放到真實情景中解決，參與真實的工程活動。

（2）建設課程相關專用的網絡平臺，以便于專用的學習資源共享，學習問題交流、經驗分享等。

（3）提供一些模擬仿真的學習環(huán)境，如一些輔助STEM學習的專用仿真軟件的應用。

（4）對真實的職業(yè)空間或大概念架構的學習空間進行壓縮，在傳統(tǒng)實驗室的空間的基礎上，以完成一項工程項目需要的環(huán)境為基準，建設校園微縮版項目基地。

（5）建設城市共享的STEM學習環(huán)境，充分依托城市公共的資源，打通校間共用探究空間，如少年宮、博物館、科技館、專業(yè)STEM學校等城市公共STEM學習空間。

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作者簡介：

金旭球：講師，研究方向為課程教學論、現(xiàn)代教育技術（risca@qq.com）。