曹琦 徐亞萱 劉徽

摘? ?要：在以素養(yǎng)為目標的課堂轉(zhuǎn)型下，美國STEM課程以發(fā)展學生的科學素養(yǎng)為目標，將科學概念置于目標的中心，即體現(xiàn)專家思維、反映專家實踐的大概念。美國學界圍繞大概念重構(gòu)STEM課程，并將掌握科學概念以及與科學有關(guān)的大概念界定為K-12學生的必要能力。為了更好地讓學生用跨學科的方法解決問題，在每個學習主題下提出以大概念為內(nèi)核的StEMT大挑戰(zhàn)。在大概念的統(tǒng)領(lǐng)下，美國STEM課程通過“5E”探究教學模式，整合STEM各科知識，促進知識在真實情境中的遷移。

關(guān)鍵詞：STEM；大概念；美國；課程；科學

中圖分類號：G511? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?DOI：10.3969/j.issn.1672-3937.2023.02.05

1986年，美國國家科學委員會（NSB）在《本科的科學、數(shù)學和工程教育》報告中提出了針對科學、技術(shù)、工程和數(shù)學（STEM）的綱領(lǐng)性建議，STEM首次出現(xiàn)在教育視野中。2007年，美國國家科學基金會（NSF）將STEM正式作為教育術(shù)語使用[1]，圍繞STEM的課程構(gòu)建逐漸成為全球關(guān)注的教育話題。然而在實踐中，STEM課程有一種形式化的傾向，似乎只要科學、技術(shù)、工程和數(shù)學四門學科的知識同時出現(xiàn)在課程中，就可以稱之為STEM課程。

米爾頓·霍林（Milton Huling）和杰姬·斯皮克·德懷爾（Jackie Speake Dwyer）從科學教育出發(fā)，重新探討STEM教學。他們認為，STEM教學不僅僅是涉及1門或多門學科的教學，而是通過數(shù)學、技術(shù)和工程的整合應用來支持科學概念的學習?？茖W概念不僅僅是指傳統(tǒng)意義上的科學學科概念，而是與提出問題并能夠解決問題相關(guān)，實際上是一種“像科學家一樣思考”的大概念（big idea）。大概念是指反映專家思維方式的概念、觀念或論題，具有生活價值。[2]學生在掌握大概念之后，能夠在相似的生活情境中實現(xiàn)遷移和運用。理解大概念有助于達成高通路遷移，形成具體與抽象交錯的復雜認知結(jié)構(gòu)，通過跨學段、跨學科的學習，加深對科學概念的理解，最終解決以大概念為統(tǒng)領(lǐng)的大挑戰(zhàn)。

一、用StEMT重新定義STEM

在STEM課程中往往需要完成作品、解決問題，教師和學生常常將大量的時間花費在制作過程中，忽略對問題解決過程的理解。[3]技術(shù)作為解決問題的工具，將其融入問題的解決方案才具有實際意義。從這一觀點出發(fā)，霍林和德懷爾用StEMT重新定義STEM，將科學與技術(shù)工具進行二次融合，提出融入技術(shù)工具（tools， t）的科學（St），加上工程（E）、數(shù)學（M）、技術(shù)（T）組成StEMT。在這個過程中，教師能夠?qū)茖W和技術(shù)之間的差異形成更清晰的認知，即技術(shù)不是一門單獨的學科或一種技能，而是與科學相融合、支持科學大概念學習的工具。

科學是StEMT課程的重心，學生只有在理解科學大概念的基礎(chǔ)上，才能應用知識開發(fā)技術(shù)，生成問題的解決方案。在科學大概念的統(tǒng)領(lǐng)下，StEMT課程的重構(gòu)為有效的科學教學進一步指明了方向，它不是一種簡單的教學模型，而是一個概念框架，目的是將科學和數(shù)學與建構(gòu)主義學習活動聯(lián)系起來，讓學生在提出問題和解決問題的過程中接受認知上的挑戰(zhàn)，幫助教師有效地教授科學大概念。[4]StEMT的出現(xiàn)使得STEM發(fā)生了從原理到應用的轉(zhuǎn)變，這對美國STEM課程體系的重構(gòu)和實施具有重要意義。

二、確立以大概念為內(nèi)核的大挑戰(zhàn)

StEMT圍繞解決真實世界中的挑戰(zhàn)以支持科學大概念的學習。因此，StEMT課程設(shè)計的第一步是確立以大概念為內(nèi)核的大挑戰(zhàn)。大挑戰(zhàn)（grand challenges）指的是當?shù)厣鐓^(qū)、國家層面或者全球范圍內(nèi)還未解決的問題，如節(jié)水或改善水質(zhì)問題，發(fā)現(xiàn)預防、治療腦疾病或損傷的新方法等。這些大挑戰(zhàn)都是基于現(xiàn)實的，能夠在StEMT和學生的真實生活之間建立相關(guān)性。這樣，在解決大挑戰(zhàn)的過程中，學生能夠看到StEMT在解決與他們息息相關(guān)的重要問題上的價值。

大挑戰(zhàn)是圍繞相應的跨學科大概念和學科核心概念來開展的。StEMT課程設(shè)計中的大概念分為兩類，一類是作為錨點支撐整體框架設(shè)計的跨學科大概念，另一類是統(tǒng)攝單元設(shè)計的學科核心概念。[5]傳統(tǒng)的STEM課程可能會用這樣的問題來引導教學：“熱量是如何影響水的存在形態(tài)的？”而StEMT課程的大挑戰(zhàn)則是：“如何利用相變和物態(tài)的知識來為第三世界國家的人提供清潔的飲用水？”例如，針對水的三態(tài)（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)）這一學習主題，教師在課程的導入部分使用傳統(tǒng)問題，當確認學生掌握了相關(guān)概念并準備好將先驗知識應用到實際問題中時，就引入基于現(xiàn)實的StEMT大挑戰(zhàn)。表1呈現(xiàn)了“清潔用水，造福地球”這一學習主題下的大挑戰(zhàn)及其對應的跨學科大概念和學科核心概念。

值得注意的是，大挑戰(zhàn)的提出并不局限于課堂教學，教師可以針對不同年齡的學生在不同學校、不同社區(qū)、課后或非正式的學習場景中將大挑戰(zhàn)傳達給學生。[6]例如，在學前階段，教師可以引導兒童提出一個問題，并作為參與者陪同兒童解決問題；在小學階段，教師可以針對某一生活場景讓學生設(shè)計一種機制或制作一種工具，如怎樣防止接取熱水時被燙傷；在中學階段，高年級學生可以獨立扮演工程師或科學家的角色，在教師提供的虛擬情境中為當?shù)厣鐓^(qū)或環(huán)境提供解決方案。

三、通過“5E”探究解決大挑戰(zhàn)

（一）“5E”教學模式的內(nèi)涵

建構(gòu)主義學習理論認為學生是在已有知識的基礎(chǔ)上建構(gòu)新的知識。[7]在知識建構(gòu)的過程中，采用符合學生學習規(guī)律的、基于研究的教學模式至關(guān)重要。在科學教育領(lǐng)域，探究一直以來是備受推崇的教學方式?！?E”教學模式就是一種典型的探究模式，由美國生物科學課程研究會（Biological Sciences Curriculum Study，BSCS）開發(fā)，被廣泛應用于新課程材料研發(fā)和教師專業(yè)發(fā)展領(lǐng)域?！?E”教學模式由五個階段組成（見圖1），融合了探究性學習環(huán)境的各個方面：吸引學生參與；探究概念；讓學生對正在學習的概念進行解釋；實現(xiàn)概念和技能的遷移，讓學生將所學知識應用于新的情境中；整個過程中，師生共同評價，以達到檢驗教育成效的目的。[8]表2呈現(xiàn)了“5E”教學模式各個階段的操作概要，教師可以據(jù)此對科學課程進行高效且有序的組織與教學。

（二）“5E”融合StEMT的實際應用

在霍林和德懷爾看來，將工程置于“5E”教學模式的遷移階段是二者融合的基本前提（見圖2），因為工程既不是一個獨立的實體，也無法作為一門獨立的學科，其存在的意義是為了支持科學概念的學習。

在“5E”教學模式下，學生解決大挑戰(zhàn)是基于已知的科學概念，從引入階段到遷移階段，對科學概念的理解不斷加深，最終形成解決真實問題的大概念。表3呈現(xiàn)了“水的凈化”這一融入工程項目的課例。在引入階段，教師提出科學問題“熱量是如何影響水的狀態(tài)的？”，以引導學生進行初步的探究。探究之后，教師根據(jù)探究結(jié)果對現(xiàn)象進行解釋。在此階段，學生能夠獲得基本的科學概念，即熱量會影響水的狀態(tài)，熱量越高，水分子之間的間隙越大。接著，教師在“5E”教學模式的遷移環(huán)節(jié)中插入一個工程設(shè)計挑戰(zhàn)，讓學生使用跨學科的方法解決基于真實情景的大挑戰(zhàn)問題——“如何利用相變和物態(tài)的知識來為第三世界國家的人提供清潔的飲用水？”。在此階段，學生在解決大挑戰(zhàn)的過程中不斷積累“像科學家一樣思考”的科學概念，即大概念，這些大概念將進一步促成問題的解決。

四、啟示

綜合以上美國在STEM課程重構(gòu)方面的相關(guān)經(jīng)驗，從以下三個方面對我國學校STEM課程構(gòu)建及教師教學提供一些啟示。

（一） 深化科學概念并統(tǒng)領(lǐng)教學

美國STEM課程的設(shè)計在理念、目標、過程等方面始終貫穿大概念統(tǒng)領(lǐng)科學教育的宗旨，并配套相關(guān)的政策支持和理論依據(jù)。用科學概念統(tǒng)領(lǐng)教學，一方面要把握科學概念的內(nèi)涵，即體現(xiàn)專家思維、反映專家實踐的大概念，另一方面教學過程中學生除了需要理解關(guān)于自然界的科學概念，還應該知道這些用于解釋科學的概念是如何得到的，因為概念本位并非為了概念而概念，概念獲得的方式遠比概念本身重要，其本質(zhì)是通過概念實現(xiàn)知識整合并撬動學習方式的轉(zhuǎn)變。[12]

（二）以解決現(xiàn)實世界的大挑戰(zhàn)為驅(qū)動

大概念統(tǒng)領(lǐng)下的STEM是以解決現(xiàn)實世界的大挑戰(zhàn)為驅(qū)動，體現(xiàn)專家思維、反映專家實踐的科學教學。在解決大挑戰(zhàn)的過程中，學生面臨的問題不再是淺表化的科學問題，而是針對當?shù)厣鐓^(qū)、國家層面或者全球范圍內(nèi)還未解決的問題所提出的科學問題。這些問題使學生能夠在理解基本科學概念的基礎(chǔ)上，發(fā)展綜合解決問題的能力。其目的不再是讓學生學會書本上的科學知識，而是與真實生活之間建立相關(guān)性，認識到STEM解決與他們息息相關(guān)的問題的價值。

（三）基于真實性的“5E”探究開展教學

StEMT課程的實施采用了基于探究的“5E”教學模式，在傳統(tǒng)的STEM課程中融入來自真實世界的工程與設(shè)計應用，以解決真實世界的大挑戰(zhàn)為驅(qū)動，構(gòu)建跨學科的探究學習項目，培養(yǎng)學生更上位的科學素養(yǎng)。從教學途徑來看，要解決來自真實世界的大挑戰(zhàn)，需要多個學科的交叉運用，整合的、跨學科的“5E”教學模式即是符合STEM教學需要的方式之一。要使“5E”教學模式與大概念統(tǒng)領(lǐng)下STEM教學完全匹配，還需對其整個過程進行設(shè)計。通過在“5E”教學模式中嵌入工程設(shè)計挑戰(zhàn)，使工程與科學實現(xiàn)深度融合，可以更好地支持學生對科學概念的學習與理解。

參考文獻：

[1]DUGGER W E. Evolution of STEM in the United States[R]. Queensland：Griffith University， 2010.

[2]劉徽.“大概念”視角下的單元整體教學構(gòu)型——兼論素養(yǎng)導向的課堂變革[J]. 教育研究，2020（6）：64-77.

[3][4][8][9][10][11]霍林，劉恩山. STEM課程如何設(shè)計 從StEMT理念到課例[M]. 北京：外語教學與研究出版社，2020：XIV，XV，17，18，19，22.

[5][12]劉登琿， 卞冰冰. 大概念統(tǒng)攝下的STEM課程一體化建構(gòu)策略——STEM Road Map的實踐與啟示[J]. 全球教育展望，2020（4）：101-111.

[6]TANENBAUM C， GRAY T， LEE K， et al. STEM 2026： a vision for innovation in STEM education[R]. Washington， DC：US Department of Education， 2016.

[7]PHILLIPS D C. The good， the bad， and the ugly： the many faces of constructivism[J]. Educational researcher， 1995， 24（7）： 5-12.

Abstract： Under the literacy-oriented classroom transformation， the American STEM curriculum has put scientific concepts at the center of the goal to cultivate students scientific literacy. The scientific concepts can also be understood as big ideas that embody expert thinking and reflect expert practice. American scholars restructured the scientific concepts around big ideas and defined the mastery of scientific concepts and big ideas related to science as an essential competence for K-12 students. To better enable students to solve problems by using interdisciplinary methods， a StEMT grand challenge with big ideas as the core is proposed in each learning topic. Under the guidance of big ideas， the American STEM curriculum integrates the knowledge of various STEM subjects through the “5E” inquiry learning model and promotes the transfer of knowledge in real situations.

Keywords： STEM; Big idea; America; Curriculum; Science

編輯 朱婷婷? ?校對 呂伊雯