劉登琿 卞冰冰

打破學(xué)科邊界，構(gòu)建上下銜接、左右聯(lián)通的課程體系成為推動STEM在基礎(chǔ)教育階段深化發(fā)展的關(guān)鍵所在。[1]《中國STEM教育發(fā)展白皮書》把構(gòu)建統(tǒng)整式、一貫制的課程體系視作制約我國STEM教育發(fā)展的瓶頸問題。[2]然而當(dāng)前不管是理論界還是實(shí)踐場，研究者把更多精力放在單元、模塊、教學(xué)設(shè)計(jì)上，在“活動”而非“課程”的意義上建設(shè)STEM，缺乏“一體化”建構(gòu)思維，導(dǎo)致STEM難以與學(xué)校課程體系形成有效呼應(yīng)，甚至出現(xiàn)碎片化、孤立化、形式主義等問題。所謂“一體化”建構(gòu)，即以跨學(xué)科大概念為“錨點(diǎn)”統(tǒng)攝全局，進(jìn)而帶動學(xué)科內(nèi)部及學(xué)科間知識的有機(jī)整合，從課程整體框架、單元設(shè)計(jì)、課堂教學(xué)各層面出發(fā)，構(gòu)建上下銜接、左右聯(lián)通的K12一貫式STEM課程體系。大概念作為統(tǒng)攝STEM的關(guān)鍵抓手，實(shí)現(xiàn)“廣度”與“深度”的有機(jī)合一，起到“綱舉目張”的效用。STEM建設(shè)為何必然要擁抱“大概念”？大概念統(tǒng)攝下的STEM又該如何一體化推進(jìn)？最終又將走向哪里？本文以美國STEM Road Map項(xiàng)目(SRM)為例來澄清若干迷思，為STEM課程體系本土化建設(shè)提供線索與鏡鑒。

一、 擁抱“大概念”的STEM

自STEM作為一個(gè)獨(dú)立的領(lǐng)域出現(xiàn)，其實(shí)踐樣態(tài)就始終處在變易之中，在美國更是被作為“國家資本”而反復(fù)建構(gòu)。伴隨著美國社會矛盾的此消彼長，STEM經(jīng)歷了從學(xué)科組合、科內(nèi)統(tǒng)整到跨學(xué)科統(tǒng)整的演進(jìn)歷程，并最終與大概念耦合，形成大概念統(tǒng)攝下的STEM課程體系。STEM擁抱大概念是各利益主體競斗、協(xié)商的產(chǎn)物，有其內(nèi)在必然性。

(一) 學(xué)術(shù)本位的學(xué)科組合

20世紀(jì)60—80年代，STEM教育多以學(xué)科組合形式存在，組合中的各學(xué)科以科目自身的學(xué)術(shù)邏輯來組織，通過分科的形式分別設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)施教學(xué)。分科式的STEM是美國國家競爭意識在課程領(lǐng)域的反映，是維持高學(xué)術(shù)水平的國家選擇。1957年，蘇聯(lián)衛(wèi)星上天極大地刺激了美國，而發(fā)端于進(jìn)步主義教育的課程統(tǒng)整思潮被視作學(xué)術(shù)成就下降和國力衰退的誘因。為提升學(xué)術(shù)水平進(jìn)而為國家競爭提供軍事和科技人才，美國在20世紀(jì)60年代發(fā)起了以清除課程統(tǒng)整、恢復(fù)分科教學(xué)為主要標(biāo)志的課程結(jié)構(gòu)運(yùn)動，學(xué)術(shù)本位的分科式STEM應(yīng)運(yùn)而生。該時(shí)期，在美國國家科學(xué)基金會(National Science Foundation，簡稱NSF)支持下，先后由美國物理教學(xué)委員會(Physical Science Study Committee)開發(fā)了PSSC物理課程，美國生物科學(xué)課程研究所 (Biological Science Curriculum Study)開發(fā)了BSCS生物課程，地球科學(xué)課程設(shè)計(jì)研究會(Earth Science Curriculum Project)開發(fā)了ESCP地理課程。[3]70年代，技術(shù)和工程教育伴隨著人類創(chuàng)造世界(Man Made World)項(xiàng)目的啟動也提上日程。[4]國家力量的介入使分科式STEM得以進(jìn)一步加強(qiáng)。1983年的報(bào)告《國家在危機(jī)中》指出，美國與其他發(fā)達(dá)國家相比，在科學(xué)和數(shù)學(xué)方面全面落后；大多數(shù)畢業(yè)生不具備高階思維技能；高中生的學(xué)業(yè)成就甚至比20多年前蘇聯(lián)衛(wèi)星上天的時(shí)候還要低。[5]為了改變這種狀況，聯(lián)邦政府提出以構(gòu)建全國性學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)的方式來維持STEM的高學(xué)術(shù)水平。而圍繞STEM分科而設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)進(jìn)一步加固了STEM的學(xué)科邊界。這一時(shí)期，美國STEM作為國家競爭的工具而存在，其本質(zhì)是以篩選和知識傳遞為目的的精英教育，唯有高度分化的學(xué)科教學(xué)才能保證STEM精英教育的有效落實(shí)。伴隨著STEM由精英向大眾教育轉(zhuǎn)向，美國STEM逐漸呈現(xiàn)統(tǒng)整化的發(fā)展態(tài)勢。

(二) 實(shí)踐導(dǎo)向的科內(nèi)統(tǒng)整

20世紀(jì)90年代是STEM教育由分科向統(tǒng)整轉(zhuǎn)變的十年。冷戰(zhàn)格局的逐步瓦解導(dǎo)致STEM精英教育失去了賴以存在的社會基礎(chǔ)，美國STEM教育逐漸由精英教育轉(zhuǎn)向大眾教育。1989年的報(bào)告《2061計(jì)劃： 面向所有美國人的科學(xué)》指出，要在2061年讓每個(gè)美國人都精通科學(xué)、技術(shù)與科學(xué)[6]，這標(biāo)志著美國STEM教育進(jìn)入大眾教育時(shí)代。知識經(jīng)濟(jì)時(shí)代的迅猛發(fā)展要求現(xiàn)代公民不僅具有扎實(shí)的科學(xué)知識，更要具備知識創(chuàng)新及綜合運(yùn)用STEM學(xué)科知識解決復(fù)雜問題的能力。為構(gòu)建適切大眾需求和知識經(jīng)濟(jì)發(fā)展的課程體系，STEM逐漸“落地”，不僅大幅降低學(xué)術(shù)水平，而且補(bǔ)充大量的實(shí)踐性知識，強(qiáng)調(diào)實(shí)用性學(xué)科知識和技能的獲得。1996年，國家研究委員會(United States National Research Council，簡稱NRC)頒布了《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》(National Science Education Standards，簡稱NSES)，該標(biāo)準(zhǔn)打破了原有系統(tǒng)的學(xué)科知識框架，摒棄繁瑣的事實(shí)性知識，融入大量的科學(xué)實(shí)踐模塊，構(gòu)建了面向“大多數(shù)”人的科學(xué)體系。[7]同時(shí)期，美國數(shù)學(xué)學(xué)會也呼吁數(shù)學(xué)教學(xué)要面向?qū)嵺`，提高兒童通過數(shù)學(xué)建模解決現(xiàn)實(shí)問題的能力。[8]STEM教育的實(shí)踐化轉(zhuǎn)向順應(yīng)了時(shí)代發(fā)展的潮流，一定程度上提升了美國國民科學(xué)素養(yǎng)，為美國應(yīng)對知識經(jīng)濟(jì)的挑戰(zhàn)蓄積了人力資本。但STEM教育大眾化、實(shí)踐化不可避免地帶來學(xué)術(shù)水平的下降。尤其在國際大型測驗(yàn)PISA的沖擊下，在被視作21世紀(jì)人才必備的核心技能的科學(xué)素養(yǎng)、數(shù)學(xué)素養(yǎng)、信息與技術(shù)交流素養(yǎng)(Information and communication technology,簡稱ICT)等方面，美國全面落后于被視作主要競爭對手的日本、中國、新加坡等國[9]，這引發(fā)了美國學(xué)界的焦慮。如何提升國民素養(yǎng)的同時(shí)保持較高的國際競爭力成為21世紀(jì)美國STEM教育面臨的重要問題。

(三) 概念本位的跨學(xué)科統(tǒng)整

進(jìn)入21世紀(jì)，美國STEM教育面臨著國內(nèi)外的多重壓力。國際測驗(yàn)的殘酷現(xiàn)實(shí)要求美國迅速提升STEM教育學(xué)術(shù)水準(zhǔn)以重塑國際競爭的信心。同時(shí)，STEM大眾化教育訴求日益廣泛，要求更加多元、親民的STEM項(xiàng)目，但隨著課程權(quán)力的下放， STEM選課率大幅下降，因此提升STEM學(xué)習(xí)興趣、刺激更多學(xué)生選擇STEM并從事相關(guān)職業(yè)成為關(guān)涉“國家安全”和美國國際地位的“大問題”[10]。面對STEM教育大眾化、高標(biāo)準(zhǔn)以及信息化時(shí)代的沖擊，基于大概念的STEM應(yīng)運(yùn)而生。這里強(qiáng)調(diào)的STEM既不同于學(xué)科組合，又不局限于經(jīng)驗(yàn)范圍的科內(nèi)實(shí)踐統(tǒng)整，而是以核心概念為組織中心、打破了原有學(xué)科邊界，并形成獨(dú)特的課程目標(biāo)和相互聯(lián)通的知識體系的K12一貫STEM課程形態(tài)。核心概念是STEM統(tǒng)整的內(nèi)在線索，核心概念作為STEM統(tǒng)整的組織中心不僅打破了原有學(xué)科的邊界，擺脫分科教學(xué)所帶來的知識碎片化、內(nèi)容交叉、重疊，達(dá)到減負(fù)增能、提質(zhì)增效的目的；同時(shí)概念系統(tǒng)的習(xí)得規(guī)避了課程統(tǒng)整過于偏向?qū)嵺`經(jīng)驗(yàn)而帶來的“一英里寬，一英寸深”的淺表化學(xué)習(xí)問題。此外，學(xué)習(xí)科學(xué)的發(fā)展進(jìn)一步揭示了“為概念而教”有利于提高學(xué)生篩選、加工信息的能力和在新情境中通過復(fù)雜概念遷移解決現(xiàn)實(shí)問題的能力。2013年《K12科學(xué)教育框架》(A Framework for K12 Science Education)指出，未來學(xué)科教育中應(yīng)強(qiáng)化科學(xué)與工程實(shí)踐，重視跨學(xué)科概念及核心概念的把握，學(xué)生不再被視作接受概念的被動學(xué)習(xí)者，僅僅學(xué)習(xí)一些既有的二手概念，而是變成積極的學(xué)習(xí)者，參與科學(xué)調(diào)查和發(fā)現(xiàn)的過程。[11]這標(biāo)志著美國STEM逐漸由實(shí)踐導(dǎo)向的科內(nèi)統(tǒng)整向概念本位的跨學(xué)科統(tǒng)整轉(zhuǎn)向。

從學(xué)科組合、科內(nèi)統(tǒng)整到跨學(xué)科統(tǒng)整反映了STEM主體意識的增強(qiáng)以及作為一門學(xué)科尋求其合法性的演進(jìn)歷程。大概念統(tǒng)攝的STEM課程體系建設(shè)不僅滿足了國家競爭對高學(xué)術(shù)水準(zhǔn)的要求，也兼顧了市場職業(yè)結(jié)構(gòu)變革以及個(gè)人全面發(fā)展、尋求階層流動的訴求，國家、社會、個(gè)人在這里找到了利益平衡點(diǎn)。正是在這樣的背景下，“美國第一個(gè)系統(tǒng)的大概念統(tǒng)攝的K12一貫STEM課程框架”[12]——STEM路徑圖(STEM Road Map，簡稱SRM)項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生。本文以SRM項(xiàng)目為例，揭示如何基于大概念來一體化地構(gòu)建STEM課程體系。

二、 大概念統(tǒng)攝的STEM課程框架設(shè)計(jì)

STEM課程一體化建構(gòu)首先面臨的是“頂層設(shè)計(jì)”的問題，即如何搭建K12一貫的STEM課程框架。STEM框架主要規(guī)定“教什么”和“教到什么程度”，包括STEM課程內(nèi)容和學(xué)習(xí)表現(xiàn)兩個(gè)方面。STEM課程整體框架采用螺旋式課程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即不同學(xué)段圍繞共同核心概念逐級開展教學(xué)，在對概念形成完整理解的基礎(chǔ)上逐漸生成結(jié)構(gòu)化的概念圖式。這種螺旋式設(shè)計(jì)既有利于同一學(xué)段圍繞某一主題深入發(fā)掘主題的內(nèi)涵，拓展學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的范圍，又有利于不同學(xué)段保持銜接、連貫。螺旋式STEM課程框架設(shè)計(jì)由大概念篩選、框架橫向設(shè)計(jì)、縱向設(shè)計(jì)三個(gè)構(gòu)架組成。

(一) “大概念”的篩選

1. “大概念”究竟“大”在哪里

“大概念”是搭建STEM內(nèi)容結(jié)構(gòu)體系的邏輯起點(diǎn)，發(fā)揮著“錨點(diǎn)”的作用。大概念指處于課程學(xué)習(xí)中心位置的觀念、主題、辯論、悖論、問題、理論或者原則等，是在事實(shí)基礎(chǔ)上抽象出來的深層次的、可遷移的概念?！按蟾拍睢敝按蟆北憩F(xiàn)在其統(tǒng)攝性、兼容性、整體性、發(fā)展性、遷移性五個(gè)方面，這也是篩選大概念的“五把篩子”。

“統(tǒng)攝性”是對信息、事實(shí)、主題性的概括和抽象程度，統(tǒng)攝性越高說明概念的解釋力越強(qiáng)，統(tǒng)攝性幫助認(rèn)知主體提供認(rèn)知“文件夾”進(jìn)而快速建立聯(lián)結(jié)，減輕認(rèn)知負(fù)荷。如埃里克森(Erik H. Erikson)把概念系統(tǒng)由低到高分為事實(shí)、主題、學(xué)科概念、跨學(xué)科概念、原理五個(gè)層級[13]，作為STEM課程框架錨點(diǎn)的大概念往往是跨學(xué)科或原理層面的大概念?！凹嫒菪浴笔翘囟ǜ拍钏w學(xué)科范圍的大小，兼容性越高，學(xué)科間的參與性就越強(qiáng)。不同的概念類型兼容性有所不同，如方法性概念往往比內(nèi)容性概念兼容性強(qiáng)?！罢w性”是指“大概念”應(yīng)能完整涵蓋各種概念類型，反映人完整的能力指向，避免“執(zhí)其一端”，包括認(rèn)知性大概念、方法性大概念、情意性大概念。由于STEM本身是強(qiáng)調(diào)認(rèn)知側(cè)面的“硬學(xué)科”，整體性就顯得尤為重要，是保證STEM課程既有深度又有溫度的前提?！鞍l(fā)展性”是指大概念在不同認(rèn)知水平(年段)和不同學(xué)科實(shí)踐中的差異性，同一大概念在不同場景往往具有不同的變式，但又具有相對穩(wěn)定性，以此來保證思維逐級躍升，并通過該階段學(xué)習(xí)為下一階段成功做準(zhǔn)備?！斑w移性”是利用大概念去描述、預(yù)測、解決新現(xiàn)象、新趨勢、新問題的能力，某種意義上，大概念的遷移性不是由大概念本身決定，而是由學(xué)習(xí)大概念的方式?jīng)Q定的，只有在情境中獲得深度理解的大概念才能順利遷移到非良構(gòu)情境中。

2. STEM大概念的篩選程序

STEM大概念包含兩類，一類是用來作為錨點(diǎn)，支撐整體框架設(shè)計(jì)的跨學(xué)科大概念，另一類是統(tǒng)攝單元設(shè)計(jì)的核心概念，這兩者的篩選程序基本相同。STEM大概念篩選可以劃分為“自上而下的專家思路”“自下而上的教者思路”以及“上下聯(lián)動的行動者思路”三種路徑。第一種指通過對課程標(biāo)準(zhǔn)與學(xué)科核心素養(yǎng)的進(jìn)一步解析來提煉學(xué)科與跨學(xué)科的關(guān)鍵屬性；第二種則是通過對經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)象的反思與本質(zhì)理解來挖掘事實(shí)背后蘊(yùn)藏的核心要素；第三種指利益共同體圍繞課程標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)生需求按照特定邏輯不斷研判并最終確定大概念的過程。而STEM大概念篩選則適用于“行動模式”。首先，課程設(shè)計(jì)者根據(jù)學(xué)科標(biāo)準(zhǔn)、教科書通過歸納的方式，自下而上遵循“基礎(chǔ)概念—重要概念—核心概念—大概念”的邏輯初步甄選大概念，所得大概念應(yīng)滿足統(tǒng)攝性、兼容性、整體性、發(fā)展性、遷移性等條件。其次，研判社會需求并批判性地轉(zhuǎn)化到概念當(dāng)中，進(jìn)一步優(yōu)化大概念，通?？梢酝ㄟ^吸收國家政策、企業(yè)咨詢報(bào)告、人力資源機(jī)構(gòu)調(diào)查、行業(yè)領(lǐng)袖訪談等方式來進(jìn)行，以確定大概念的能力指向性。再次，課程開發(fā)者通過咨詢課程專家、學(xué)科專家來保證概念在教學(xué)和課程開發(fā)水平以及各個(gè)學(xué)段上的有效性和科學(xué)性，進(jìn)而初步擬定大概念。從知識社會學(xué)角度看，這種多主體參與的互動過程是通過利益協(xié)商和權(quán)力分享來獲得知識表達(dá)合法化的過程。STEM概念的選擇需要圍繞這三個(gè)步驟反復(fù)推敲。

以SRM項(xiàng)目為例，項(xiàng)目組吸收了來自全美的30名STEM課程專家，包括20名STEM學(xué)科專家、5名心理學(xué)家、5名課程專家共同組建STEM開發(fā)團(tuán)隊(duì)。[14]專家組首先圍繞《下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》(Next Generation Science Standards)、《共同州核心標(biāo)準(zhǔn)》(Common Core State Standards)以及《21世紀(jì)技能框架》(Framework for 21st Century Learning)提取出30個(gè)跨學(xué)科核心概念，繼而參照美國勞工部報(bào)告結(jié)合未來社會人才需求標(biāo)準(zhǔn)對這些概念進(jìn)行篩選排序，最終經(jīng)過專家反復(fù)論證推敲篩選出原因與結(jié)果(Cause and Effect)、創(chuàng)新與進(jìn)步(Innovation and Progress)、表征世界(The Represent Word)、可持續(xù)發(fā)展(Sustainable Systems)、人類經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化(Optimizing the Human Experience)5個(gè)核心概念(見表1)。這5個(gè)大概念反映了STEM學(xué)科的本質(zhì)特征，同時(shí)體現(xiàn)了適應(yīng)未來社會的能力指向。

表1 SRM錨點(diǎn)——跨學(xué)科核心概念[15]

(二) STEM框架的橫段設(shè)計(jì)

擬定大概念作為STEM框架的基點(diǎn)后，需要進(jìn)一步構(gòu)建課程架構(gòu)作為概念教學(xué)的載體，包括橫斷設(shè)計(jì)和縱面設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。STEM橫段設(shè)計(jì)是依據(jù)學(xué)段的教學(xué)目標(biāo)和學(xué)習(xí)特點(diǎn)對大概念的具體化，通過大概念分解出適切的主題作為該學(xué)段單元設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)，學(xué)段內(nèi)部保持聯(lián)通、上下保持銜接。橫斷設(shè)計(jì)要充分反映大概念的要求又要突出對單元設(shè)計(jì)的指導(dǎo)功能，通常由主題、主導(dǎo)學(xué)科、核心問題或任務(wù)三個(gè)要素構(gòu)成，如“天氣預(yù)報(bào)(主題)—數(shù)學(xué)(主導(dǎo)學(xué)科)—通過音頻、視頻或博客的形式設(shè)計(jì)一個(gè)當(dāng)?shù)氐奶鞖忸A(yù)報(bào)裝置(任務(wù))”。

首先，主題是學(xué)習(xí)內(nèi)容和范圍的概括化表達(dá)，作為概念學(xué)習(xí)的橋梁而發(fā)揮作用。身前是主題，身后則是大概念，同一大概念可以用不同的主題來實(shí)現(xiàn)。在這個(gè)意義上，主題選擇切不可“直奔主題”，沒有概念統(tǒng)攝的主題是散漫而沒有邊界的。為保證跨學(xué)科性，主題要具有適當(dāng)?shù)拈_放性，為不同學(xué)科的介入提供空間；同時(shí)，主題應(yīng)反映學(xué)生的直接經(jīng)驗(yàn)，以激發(fā)學(xué)生持久的動機(jī)和有意義學(xué)習(xí)；此外，主題應(yīng)滿足概念圖式在各學(xué)段發(fā)展水平，具有變易性，為概念圖式持續(xù)豐富和深化提供支持。如針對“原因與結(jié)果”這一核心概念，K—3年級分別選擇了運(yùn)動、潮汐、變化的環(huán)境、天氣預(yù)報(bào)作為該學(xué)段的學(xué)習(xí)主題，學(xué)習(xí)環(huán)境依次復(fù)雜，所指向的概念圖式也漸趨深化。

其次，圍繞主題選擇相應(yīng)的主導(dǎo)學(xué)科和表現(xiàn)任務(wù)。依循主題內(nèi)涵的相關(guān)性可以把STEM各學(xué)科劃分為主導(dǎo)學(xué)科、協(xié)同學(xué)科和輔助或參與學(xué)科。所謂主導(dǎo)學(xué)科，即在問題解決過程中對該學(xué)科所提供的知識、方法、技能依賴性較強(qiáng)的科目。主導(dǎo)學(xué)科的設(shè)計(jì)有利于保證知識系統(tǒng)性，避免平均用力；同時(shí)，主導(dǎo)學(xué)科有利于落實(shí)責(zé)任主體，增加教師合作和課程統(tǒng)整的執(zhí)行力。同一學(xué)段的主導(dǎo)學(xué)科的擬定應(yīng)兼顧STEM學(xué)科群的完整性和均衡性，避免集中在某門學(xué)科帶來課程結(jié)構(gòu)失衡。

再次，為保證統(tǒng)整內(nèi)容的有效落實(shí)，需要結(jié)合概念、主題來擬定核心問題并分解為任務(wù)作為單元設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。通過挑戰(zhàn)性問題設(shè)計(jì)使學(xué)生從事實(shí)思維轉(zhuǎn)移到概念水平的思考。問題或任務(wù)是概念學(xué)習(xí)的“聚合器”，并內(nèi)化為學(xué)生學(xué)習(xí)的自我監(jiān)控策略。一個(gè)完整的問題或任務(wù)通常由條件、任務(wù)、行為表現(xiàn)三個(gè)要素構(gòu)成，如“根據(jù)當(dāng)?shù)氐呐_風(fēng)和災(zāi)害活動，設(shè)計(jì)一個(gè)安全方便的避難所”。SRM項(xiàng)目圍繞核心概念擬定了K12一貫的橫斷框架(見表2)。

表2 SRM 3—5年級的STEM橫斷設(shè)計(jì)[16]

(三) STEM框架的縱面設(shè)計(jì)

大概念統(tǒng)攝的STEM課程整體框架的縱面設(shè)計(jì)是STEM學(xué)習(xí)內(nèi)容和表現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)在不同學(xué)段上的梯度呈現(xiàn)，主要回答“怎么學(xué)”和“學(xué)到什么程度”的問題。圍繞大概念及其在不同學(xué)段的能力指向，確定適切的主題及任務(wù)形態(tài)。如對于“表征世界”這一大概念，3—5年級分別選定了“娛樂項(xiàng)目”(科學(xué)主導(dǎo))、“水土流失模型”(數(shù)學(xué)主導(dǎo))、“雨水分析”(數(shù)學(xué)主導(dǎo))三個(gè)主題，這三個(gè)主題螺旋遞進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生基于邏輯與抽象的符號表征能力。針對三個(gè)主題分別設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)任務(wù)： 調(diào)查學(xué)校的運(yùn)動場或公園并設(shè)計(jì)一些新的既安全又吸引人同時(shí)環(huán)境友好型的娛樂項(xiàng)目；設(shè)計(jì)一個(gè)模型來證明當(dāng)?shù)鼗蛏鐓^(qū)的水土流失情況；設(shè)計(jì)一個(gè)學(xué)校的雨水收集裝置。以大概念為線索，主題層級、任務(wù)水平逐層展開。

對于每個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)，其核心在于促進(jìn)學(xué)生產(chǎn)生概念水平的理解。概念學(xué)習(xí)水平在埃里克森看來由低到高可以劃分為解釋、例證、應(yīng)用、驗(yàn)證、比較五個(gè)層級，應(yīng)用、驗(yàn)證、比較屬于概念習(xí)得的高級水平。[17]通過預(yù)先設(shè)計(jì)概念掌握層級確定單元設(shè)計(jì)和課堂教學(xué)的“靶向”。課程標(biāo)準(zhǔn)、學(xué)科標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)指南等標(biāo)準(zhǔn)類文本是科學(xué)擬定概念學(xué)習(xí)水平的重要工具。課程標(biāo)準(zhǔn)通常由內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)、表現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)會標(biāo)準(zhǔn)三部分構(gòu)成，其中蘊(yùn)含了大量的可供借鑒的大概念、行為表現(xiàn)及學(xué)習(xí)指導(dǎo)。SRM項(xiàng)目把《下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》《共同州核心標(biāo)準(zhǔn)》《21世紀(jì)技能框架》作為縱面設(shè)計(jì)的參照。如針對四年級“賽車模型”這一主題(科學(xué)為其主導(dǎo)學(xué)科)中的“摩擦力”概念，教師通過概念分析和標(biāo)準(zhǔn)工具分析最終確定了三個(gè)學(xué)習(xí)目標(biāo)： 應(yīng)用定律解釋尚未學(xué)習(xí)的自然現(xiàn)象(“應(yīng)用”層面)；運(yùn)用定律設(shè)計(jì)一個(gè)不受摩擦力的現(xiàn)象(“驗(yàn)證”層面)；說明摩擦力定律與其他定律的關(guān)系，是否其它定律也解釋了同樣的現(xiàn)象(“比較”層面)。[18]縱面設(shè)計(jì)使STEM大概念逐層降解到在單元主題和課堂教學(xué)層面。

三、 基于核心概念的STEM單元設(shè)計(jì)

以單元模塊設(shè)計(jì)課程被視作打破課時(shí)主義、實(shí)現(xiàn)課程統(tǒng)整進(jìn)而撬動課堂變革的“杠桿”。[19]依循STEM整體框架，一致性地對背景、目標(biāo)、評價(jià)、學(xué)習(xí)活動四個(gè)要素進(jìn)行設(shè)計(jì)是STEM單元的應(yīng)然追求。以SRM項(xiàng)目七年級“賽車”單元為例，該單元案例屬于“因果關(guān)系”概念下以科學(xué)為主導(dǎo)的七年級學(xué)習(xí)單元，核心問題設(shè)定為“我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)一個(gè)以能量轉(zhuǎn)換為動能的運(yùn)輸工具？”在該單元中，學(xué)生應(yīng)掌握能量轉(zhuǎn)化、能量守恒定律、速度、摩擦力以及空氣阻力等概念，并在具體實(shí)踐加深對工程設(shè)計(jì)流程(Engineering design process，簡稱EDP)的理解。

(一) 背景分析

背景分析是對教學(xué)起點(diǎn)、終點(diǎn)的預(yù)估以及對教學(xué)過程的初步設(shè)計(jì)，包括單元目標(biāo)分析、教學(xué)條件和學(xué)生分析。單元目標(biāo)即期望學(xué)生完成單元學(xué)習(xí)后所達(dá)到的狀態(tài)，作為單元教學(xué)的“靶向”起到定向、引導(dǎo)作用；教學(xué)條件著重呈現(xiàn)需要利用的課程資源；學(xué)生分析則涉及學(xué)生先有知識、需求、興趣、學(xué)習(xí)風(fēng)格等。通過三要素的整體分析確定單元教學(xué)的“最近發(fā)展區(qū)”。在上述單元中，學(xué)生將會像工程師一樣進(jìn)行團(tuán)隊(duì)協(xié)作研制一個(gè)賽車模型，這個(gè)模型將遵循一些設(shè)計(jì)限制，達(dá)到安全、節(jié)能、快速的效果。教師提供了幾種可以采用的車輪、能量轉(zhuǎn)換器等裝置。在設(shè)計(jì)賽車模型的過程中，學(xué)生需要調(diào)查能源的類型、能源轉(zhuǎn)換器、節(jié)能減排相關(guān)條例；此外，他們需要掌握速度、齒輪、剎車、引擎運(yùn)作等概念和原理。學(xué)生將會現(xiàn)場觀看X方程式賽車，觀察、了解什么樣的賽車能夠在比賽中獲勝。學(xué)生們把他們設(shè)計(jì)的模型展示給賽車專家，讓專家對模型進(jìn)行點(diǎn)評和改進(jìn)。

(二) 確定單元目標(biāo)

大概念統(tǒng)攝的STEM單元設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)在概念掌握的層面擬定單元目標(biāo)，并遵循逆向設(shè)計(jì)思路。在深度理解的層面甄選3—5條表現(xiàn)目標(biāo)，保證在認(rèn)知、情意、價(jià)值層面均得到關(guān)照，還要具備一定的兼容性，統(tǒng)攝到不同的學(xué)科實(shí)踐當(dāng)中去。上述單元圍繞主導(dǎo)學(xué)科(科學(xué))的同時(shí)，兼顧其他領(lǐng)域設(shè)定三條學(xué)習(xí)目標(biāo)： 理解運(yùn)動、力以及能量之間的關(guān)系，繪制出“能量轉(zhuǎn)換”的概念圖；團(tuán)隊(duì)合作制定方案，利用EDP研制車輛模型并解釋作用原理；從歷史、經(jīng)濟(jì)、地理和文化等方面理解賽車項(xiàng)目(社會研究)。這三個(gè)目標(biāo)是從概念理解、運(yùn)用的層面進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，圍繞“能量轉(zhuǎn)換”的核心概念關(guān)聯(lián)起運(yùn)動、力、摩擦、測量、守恒、工程設(shè)計(jì)、可持續(xù)發(fā)展、表達(dá)與宣傳等，讓學(xué)習(xí)者體驗(yàn)概念圖式的形成、使用和遷移過程。

(三) 評價(jià)任務(wù)設(shè)計(jì)

逆向設(shè)計(jì)要求評價(jià)先行，圍繞單元目標(biāo)設(shè)計(jì)表現(xiàn)性評價(jià)任務(wù)，充分以發(fā)揮過程性評價(jià)的診斷發(fā)展功能。評價(jià)任務(wù)由期待結(jié)果、表現(xiàn)任務(wù)、測量指標(biāo)構(gòu)成。期待結(jié)果是單元目標(biāo)的具體表現(xiàn)形式；表現(xiàn)任務(wù)是以期待表現(xiàn)為依據(jù)預(yù)設(shè)的實(shí)踐活動，通常分為個(gè)體任務(wù)、團(tuán)隊(duì)任務(wù)兩種類型；測量指標(biāo)主要說明用什么工具，搜集什么樣的證據(jù)以及如何通過高質(zhì)量證據(jù)鏈推斷學(xué)習(xí)成效。在“賽車”單元中，教師所期望的學(xué)習(xí)結(jié)果是“學(xué)生將理解工程設(shè)計(jì)過程的要素；學(xué)生能夠?qū)⒃撨^程中所涉及的概念學(xué)習(xí)以及探究活動的結(jié)果應(yīng)用于最終涉及挑戰(zhàn)當(dāng)中”[20]。根據(jù)學(xué)習(xí)結(jié)果，項(xiàng)目設(shè)計(jì)了個(gè)人任務(wù)和團(tuán)隊(duì)表現(xiàn)任務(wù)。個(gè)人任務(wù)要求學(xué)生充分參與設(shè)計(jì)討論并將自己如何把概念探究應(yīng)用于挑戰(zhàn)設(shè)計(jì)的過程進(jìn)行記錄，維護(hù)好自己的個(gè)人工作日志和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。團(tuán)隊(duì)任務(wù)則重點(diǎn)圍繞原型車設(shè)計(jì)如何發(fā)現(xiàn)問題，參與解決并把概念應(yīng)用到原型車設(shè)計(jì)當(dāng)中。測量指標(biāo)主要包括個(gè)人的調(diào)查報(bào)告、工作日志、原型車設(shè)計(jì)的合理性、展示以及論證。

(四) 活動鏈設(shè)計(jì)

STEM單元主題具有整體性和關(guān)聯(lián)性，把單元大任務(wù)按照問題解決的邏輯進(jìn)行分解，設(shè)計(jì)同一情境下基于不同教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)活動，每一個(gè)活動既相互獨(dú)立又彼此依存，在思維鏈條上逐層鋪開，形成有前后關(guān)聯(lián)的課時(shí)“活動鏈”。利用有邏輯先后的課時(shí)活動來引導(dǎo)學(xué)生的思維活動，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)知識和概念，達(dá)到結(jié)構(gòu)化教學(xué)的目的。單元大任務(wù)情境作為粘合劑，加強(qiáng)了單元內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和知識獲取過程中的樂趣，每個(gè)思維鏈條上的活動都由特定的核心概念統(tǒng)攝?！盎顒渔湣奔仁恰八季S鏈條”也是“概念鏈”。本單元的核心任務(wù)為“設(shè)計(jì)一個(gè)以能量轉(zhuǎn)換為動能的運(yùn)輸工具”，該任務(wù)轉(zhuǎn)化為七個(gè)子活動構(gòu)成的“活動鏈”：活動1，通過視頻展示創(chuàng)新型汽車設(shè)計(jì)的理念，邀請學(xué)生參加汽車設(shè)計(jì)X-挑戰(zhàn)賽 ；活動2，互動游戲以及網(wǎng)站查詢(指向“能量”概念)；活動3，“球的自由落地實(shí)驗(yàn)”實(shí)驗(yàn)(指向“能量轉(zhuǎn)換”)，活動4，彈性體中儲的能量隨著力的作用而變化”實(shí)驗(yàn)(指向“彈性勢能”)，活動5，使用一套簡單的材料設(shè)計(jì)橡皮筋賽車(指向“速度”)；活動6，“道路材料對摩擦的影響”調(diào)查活動(指向“摩擦力”)；活動7，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)、制作與展示他們的創(chuàng)新型汽車并進(jìn)行比賽。深入活動內(nèi)部，每個(gè)活動都應(yīng)課程化處理，一致性地從目標(biāo)、內(nèi)容、實(shí)施、評價(jià)四個(gè)層面進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以此來保證活動質(zhì)量并鏈接育人合力。

四、 反思與展望

大概念統(tǒng)攝的STEM課程一體化建設(shè)規(guī)避了學(xué)校規(guī)劃與單元設(shè)計(jì)“兩張皮”甚至相互抵牾的現(xiàn)象，促進(jìn)學(xué)校課程與STEM課程的有機(jī)整合，形成上下銜接、左右聯(lián)通的一體化課程架構(gòu)。以核心概念為線索則突破了STEM課程建設(shè)的淺表化、碎片化難題，實(shí)現(xiàn)了“廣度”與“深度”的統(tǒng)一。盡管如此，大概念統(tǒng)攝的STEM仍有其不足之處。一方面，大概念統(tǒng)攝的STEM過于關(guān)注STEM的工具性價(jià)值，缺乏對具體個(gè)體，尤其是認(rèn)知層面之外的情感、態(tài)度、社會價(jià)值側(cè)面的人文關(guān)懷，這與美國把STEM視作大國競爭的“國家資本”有關(guān)，倘若“理性”與“人文”、“社會”與“個(gè)體”缺乏統(tǒng)一，很難說真正做到“一體化”了。另一方面，基于概念的STEM框架設(shè)計(jì)過于強(qiáng)調(diào)迎合國家課程標(biāo)準(zhǔn)，在標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)動、高利害評價(jià)飽受詬病的今天，如何利用并超越課程標(biāo)準(zhǔn)，顯然是SRM項(xiàng)目需要深化探索的。

當(dāng)前我國STEM課程建設(shè)仍處于探索階段，尤其缺乏一貫、銜接的整體化設(shè)計(jì)，圍繞核心概念并結(jié)合我國本土課程資源構(gòu)建上下銜接、左右貫通的K12一貫課程框架是STEM教育深化發(fā)展的趨勢。在這個(gè)過程中，需要兼顧STEM人文性與科學(xué)性、社會性與個(gè)體性的統(tǒng)一，避免過度迎合市場而功利化。另一方面，在我國“基于標(biāo)準(zhǔn)”的教學(xué)與研究方興未艾，學(xué)校課程建設(shè)中仍缺乏標(biāo)準(zhǔn)意識，一方面要樹立標(biāo)準(zhǔn)意識，充分利用國家、地方、學(xué)校課程標(biāo)準(zhǔn)篩選目標(biāo)、提取概念，同時(shí)要跳出并超越標(biāo)準(zhǔn)，做到雙向負(fù)責(zé)。此外，概念本位并非以“為了概念而概念”，其本質(zhì)是通過“概念”實(shí)現(xiàn)知識整合并撬動學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，概念獲得的方式遠(yuǎn)比概念本身重要。在把“概念”約等于“知識教學(xué)”的本土語境中，應(yīng)避免滑入“知識”教學(xué)的泥淖。