摘 要：21世紀的挑戰(zhàn)在中小學催生了全新的學習范式，STEM教育是應對的主要路徑之一，STEM教師是其中重要的力量，因此有必要構建素養(yǎng)模型為教師的專業(yè)發(fā)展、專業(yè)實踐賦能。文章在文獻研究和案例研究的基礎上，提出中小學STEM教育的總體認知框架，包括跨學科整合性、真實問題驅(qū)動、各學科平等性等基本假設，萊斯轉(zhuǎn)換模型、STEM轉(zhuǎn)換模型等參照系，經(jīng)驗學習、具體操作物、多元表征等理論框架和七個特征的概念框架；梳理了專業(yè)素養(yǎng)研究的發(fā)展脈絡和重要概念，提出在情景專業(yè)主義視角下構建中小學教師專業(yè)素養(yǎng)模型；最后以美國州首席教育官員理事會提出的素養(yǎng)導向的教師核心教學標準模型為藍本，綜合總體STEM教育認知框架和專業(yè)素養(yǎng)理論，構建了包含學習者和學習、內(nèi)容知識、教學實踐、專業(yè)責任四大素養(yǎng)，12個亞素養(yǎng)的中小學STEM教師專業(yè)素養(yǎng)模型，并細化了指標體系。

關鍵詞：中小學STEM教育；專業(yè)素養(yǎng)模型；跨學科整合性；萊斯轉(zhuǎn)換模型；中小學STEM教師素養(yǎng)模型

中圖分類號：G451 文獻標志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3937.2024.09.03

一、引言

21世紀以來，全球各國高度重視STEM教育，其推進STEM教育的緊迫感很大程度上源于對全球安全和經(jīng)濟穩(wěn)定性產(chǎn)生威脅的環(huán)境和社會因素，同時，STEM教育受到“烏卡時代”①創(chuàng)新性危機的迫切需求和學科過度分化之后進入統(tǒng)整發(fā)展期的強力驅(qū)動。從這個意義上說，如今STEM教育的意義已經(jīng)超出幫助學生在數(shù)學和科學測評中取得高分，或在STEM職業(yè)領域占據(jù)一席之地，更是為了回應時代的重大挑戰(zhàn)。[1]

對于具有深厚的分科教育傳統(tǒng)的中國中小學來說，STEM教育作為一個以跨學科整合性作為核心原則的知識領域[2]，學術性和挑戰(zhàn)性都很大。中小學STEM教師是應對挑戰(zhàn)的核心力量，承擔著多重關鍵角色：探索情景學習（situated learning），實施跨學科教學，提升科學與數(shù)學教育質(zhì)量，培養(yǎng)學生創(chuàng)新素養(yǎng)。為中小學STEM教師構建作為坐標系的專業(yè)素養(yǎng)模型是教育領域的重要任務。

二、中小學STEM教育總體認知框架

中小學STEM教育不是在上位理論框架指導下嚴密地進行應用和實踐，而是從行動研究、扎根研究中不斷總結經(jīng)驗、提煉規(guī)律、厘清核心要素、凝練有效特征，再進一步將其概念化和理論化。將中小學STEM教育視為一個新興的知識領域，可以梳理出其獨特的基本假設、參照系、理論框架和概念框架。藉此，中小學教師可以總體把握其核心要素和關鍵原則。

（一）基本假設

第一個基本假設是中小學STEM教育具有跨學科整合性。但通常STEM各子學科之間的聯(lián)系并不明顯，需要教師通過各種教學法與課堂策略進行展示，或支持學生自行探索。[3]第二個基本假設是中小學STEM教育是通過解決真實世界的問題來予以情境化的。第三個基本假設是中小學STEM教育支持學生21世紀技能的發(fā)展。第四個基本假設是中小學STEM教育各子學科間不存在主導學科、平行學科之分，應當同等看待。第五個基本假設是中小學STEM教育應當融入藝術、倫理、可持續(xù)發(fā)展等維度，避免落入唯技術中心主義的窠臼。[4]

（二）參照系

任何一個知識領域都有自己的參照系（reference），也就是韋伯所稱的“理想型”。例如，物理學所創(chuàng)設的“無摩擦力學環(huán)境”，經(jīng)濟學提出的“一般均衡市場”。這些“理想型”并非現(xiàn)實本身，但抓住了核心要素和關鍵特征，為分析現(xiàn)實情況提供了起點和參照系。

萊斯轉(zhuǎn)換模型（Lesh Translation Model）和STEM轉(zhuǎn)換模型（STEM Translation Model）[5]可作為中小學STEM教育的參照系。

萊斯轉(zhuǎn)換模型包含五個節(jié)點（見圖1），分別是書面符號、口語表征、圖像或圖表符號、基于經(jīng)驗的隱喻、具體模型，節(jié)點之間的箭頭代表不同的表征、符號內(nèi)部或者之間的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換是指某個概念從一種表征到另一種表征的聯(lián)結或者重構。

例如，當學生先用文字描述了某個物體勢能變化的狀態(tài)，再用繪圖的方式來展現(xiàn)該物體高度的變化時，就完成了從書面符號到圖表或圖像符號的轉(zhuǎn)換。萊斯轉(zhuǎn)換模型是一個理想型的、促進學生概念理解的思維框架，源于迪尼的多元具象表現(xiàn)理論，該理論扎根于其“內(nèi)在規(guī)律通過厘定一個概念不同具象表現(xiàn)之間的聯(lián)系才能得以揭示”的理念。[6]教師可以借助萊斯轉(zhuǎn)換模型，要求學生在不同的表征之間進行轉(zhuǎn)換，并通過觀察學生在不同表征模式之間轉(zhuǎn)換的流暢性，度量其概念理解的程度。

STEM轉(zhuǎn)換模型（見圖2）由萊斯轉(zhuǎn)換模型衍生而來。如果將STEM視為一門“超級學科”，以貫通性（crosscutting）概念、實踐或思維方式為“膠水”，將不同的STEM子學科粘合起來，那么各子學科就可以類比為萊斯轉(zhuǎn)換模型的一個節(jié)點。數(shù)學、科學問題及其解決方案就成為STEM問題的具體表現(xiàn)形式。[7]

例如，“風渦輪設計”工程挑戰(zhàn)是個綜合性STEM問題，但學生一旦破題之后，就會“分支”到特定數(shù)學或科學原理的探究當中，如齒輪比率調(diào)整、葉片設計、風速計算，每個“分支”就體現(xiàn)出特定學科教學的特征。[8]如何促使學生感知并建立學科之間的聯(lián)系？教師應鼓勵學生運用STEM轉(zhuǎn)換模型，在不同的子學科之間進行轉(zhuǎn)換，即對于同一個STEM問題，變換問題解決的學科視角及其采用的概念、方法和技能，并通過相互對比、辨析異同、建立聯(lián)系，創(chuàng)造性地整合出最優(yōu)方案。這個過程能促使學生對各個學科的核心概念、對STEM跨學科大概念產(chǎn)生更細微的理解。將重點放在學科的聯(lián)系和轉(zhuǎn)換上，將各學科視為STEM“超級學科”的一種具象表現(xiàn)形式[9]，更易理解STEM轉(zhuǎn)換模型。

（三）理論框架

中小學STEM教育秉承社會建構主義的學習理論[10]，在這種理論框架下，學習不再是靜態(tài)的、個體的，而是學習者在特定的情景下，通過與同伴、教師、工具、資源、環(huán)境的充分互動，共同凝練集體智慧，建構知識以及文化身份的過程。因此，中小學STEM教育不能只關注課程和教學法，而應該系統(tǒng)性地考慮如何創(chuàng)設有效學習環(huán)境。歷史上，杜威、迪尼和萊斯三位學者通過持續(xù)的研究、討論和闡述，為STEM學習環(huán)境的創(chuàng)設奠定了理論基礎。[11]

1.核心概念或探究方式的整合

中小學STEM教育的核心是整合性，涉及各學科概念及探究方式的整合。在不同的問題情境下，不同學科有望整合出結構與功能、能量與物質(zhì)、因果關系等貫通性概念。相比之下，探究方式的整合比較復雜，如科學中會用到科學探究，技術領域會用到計算思維，工程中會用到工程設計，數(shù)學中會用到演繹推理[12]，它們是彼此獨立、具有不同認知論基礎的問題解決路徑，其不同整合方式都有優(yōu)勢和劣勢，對特定種類的問題具有特殊的適切性。而真實世界的問題又都是復雜、綜合的，解決這些問題要求最大程度地發(fā)揮每種探究方式的優(yōu)勢。從這個視角出發(fā)，STEM的整合性不是簡單地囊括各學科的內(nèi)容、技能、思維方式，而是深入理解這些學科間的互動模式，及其互相支持和互補的方式。[13]

2.體現(xiàn)跨學科性

萊斯提出：“為了讓學生為解決社會問題做好準備，有必要為他們提供機會，借助整合性STEM教育，通過豐富、有吸引力、深刻的學習經(jīng)驗來理解問題?！盵14]杜威早在1899年就提出類似的觀點：“分學科孤立的教學會弱化學科之間的聯(lián)系，阻礙學生對他們希望洞察的現(xiàn)象或解決的問題形成整體的認識?！彼M一步闡述：“啟蒙之初，就為兒童引入涇渭分明的分科教學，會造成脫節(jié)和分化，而非協(xié)調(diào)與聯(lián)系。在學校的人造環(huán)境之外，我們的生活經(jīng)驗都是整體化的，只有當我們有意識地對其進行反思時，才能清晰地從中分解出各個學科。”[15]

萊斯以數(shù)學學科為例，指出數(shù)學教學掩蓋了真實世界的情況，如教科書慣例化呈現(xiàn)和描述的圖景在真實的場景中往往更復雜、情境化且綜合多門學科。[16]如此一來，學生往往很難將學校所學與實際問題建立聯(lián)系。因此，中小學STEM教育至關重要的是要在學科之間進行有意義的整合。

3.營造真實世界、問題導向的學習環(huán)境

為了減輕乃至根治分科教學帶來的學習與生活脫節(jié)的弊病，杜威于1916年提出一條“另類”解決思路，即創(chuàng)設圍繞專業(yè)（occupation）開展課程教學的學習環(huán)境，畢竟“唯一充分的專業(yè)訓練就是真正地訓練專業(yè)技能 ”。但杜威對專業(yè)或職業(yè)做出了不同于常規(guī)的界定，認為專業(yè)是一種有指向性的社會活動，在這種活動中取得的成就以及對下屬的幫助，足以使個體對其他人產(chǎn)生切實可感的重要性。[17]杜威認為專業(yè)并非歸屬于某個行業(yè)領域，而是真實、吸引人、有成就感的社會活動。基于此，杜威提出學校教育應該模仿專業(yè)活動而開展。[18]

前文列舉的“風渦輪設計”工程挑戰(zhàn)，其驅(qū)動性問題是“如何在自己學校的操場上為風渦輪挑選一個最佳的安置場所”。在應對該挑戰(zhàn)的過程中，學生探究風車設計的各種參數(shù)，觀察、記錄天氣變化情況，并對相關的科學工程概念進行深度學習。[19]該問題情境是STEM整合性的，且該挑戰(zhàn)是為了促進社區(qū)的公共利益，也具有真實世界問題導向的顯著特征。

4.STEM學習的本質(zhì)是社會性、合作性

杜威、迪尼和萊斯三位學者都認為學生應當進行合作學習，但分別從不同的視角進行了闡述。杜威認為，教育本質(zhì)上是社會性的，也是民主社會的一個重要功能。因此，學生應當作為社區(qū)中的成員，對相關議題采取行動。杜威構想中的學生行動應當是社區(qū)行動，要求學生作為學習共同體中的成員進行協(xié)作。[20]而萊斯的推導邏輯是，學校外的真實生產(chǎn)、生活中的跨學科問題都是由分屬不同專業(yè)領域的人組成團隊來解決的，因此，學生也應該以團隊的形式來解決問題。[21]迪尼支持合作學習的理論基礎在于其認為學習是社會性的。[22]

總體而言，三位學者分別從公民素養(yǎng)、專業(yè)實踐、學習本質(zhì)三個角度進行論證，殊途同歸于“合作學習”這一交匯點。

5.引入個人經(jīng)驗

杜威和萊斯認為學生將個人經(jīng)驗帶入到真實情境中的學習非常重要。例如，在“風渦輪設計”案例中，正是因為將問題情境設置在學生所在的學校，學術問題得以轉(zhuǎn)換為個人和社區(qū)的有效行動，成為杜威所描述的“能夠為他人服務的活動，并因服務成就來獲得個人權力”。[23]這些活動也符合萊斯所提出的“真實性原則”[24]，即學生基于對個人經(jīng)驗和知識的延展就能理解其所處情境的活動。在學校之外，問題往往比較復雜，涉及人們的偏好、價值觀和社會關系。因此，在中小學STEM教育中為學生創(chuàng)設的挑戰(zhàn)性問題也應當體現(xiàn)這些特征。

相較而言，迪尼則更注重個人經(jīng)驗的引入本身。他認為只要學生能夠在學習活動和真實經(jīng)驗之間建立有意義的聯(lián)系，學習活動可以在缺乏真實情境創(chuàng)設的情況下進行。對于數(shù)學學習與真實經(jīng)驗之間的關系，迪尼認為：“數(shù)學知識是生活經(jīng)驗中美妙的、規(guī)律的、結構化的關系的晶體化（crystallization，即顯性的固化）。這些關系是從與真實生活實際接觸的過程中提煉出來的?！盵25]拓展迪尼的觀點，可以發(fā)現(xiàn)：除了數(shù)學規(guī)律，學生還能夠從感知真實世界中更好地理解相關科學概念。例如，兒童在移動不同尺寸的物體時更深刻地理解“力與運動”的概念。迪尼認為，與個人經(jīng)驗建立聯(lián)系不僅在于將學校學習和學生生活聯(lián)系起來，更在于幫助學生抽象出數(shù)學模型、規(guī)律、結構，這個過程對學習至關重要。為此，他表示：“教師的角色就是將學生‘帶入’合適的經(jīng)驗，來加速他們對相關概念的理解?！盵26]

三位學者都認同“概念理解扎根于真實生活經(jīng)驗”。迪尼稱之為具身知識（embodiment knowledge）[27]，即知識和能力是圍繞真實經(jīng)驗來組織的。杜威對專業(yè)也有類似論述：“專業(yè)既是磁石，也是膠水，對于知識的組織（結構化）至關重要……而且專業(yè)訴諸于真實需要，在應用中一直被表達，一直被重新調(diào)整，因此永遠不會僵化過時。”[28]可以說，專業(yè)知識是活化的、動態(tài)發(fā)展的、以專業(yè)實踐為核心組織的。萊斯認為，該觀點是情景認知（situated cognition）的先驅(qū)，并認為：“情境（context）至關重要，因為學習者的心智模型植根于具體情境”。[29]

6.概念抽象化需要多元表征

中小學STEM教育的另一個關鍵概念是多元表征（multiple representations）。關于經(jīng)驗支持學習的機制，三位學者的觀點大體相似，但略有不同。杜威解釋了專業(yè)對于學習的影響，并提到了兩個核心原則：連續(xù)性與互動性。連續(xù)性是指學生當下的體驗會對其未來的經(jīng)歷產(chǎn)生影響；互動性是指當下所處的情境會影響其此時此刻的體驗。通過這兩個機制，所有經(jīng)驗都獲得了教育意義，只是有些經(jīng)驗支持未來發(fā)展而另外一些則會產(chǎn)生阻力。[30]為此，杜威提出，教師應當遴選合適的當下經(jīng)驗，以幫助學生有成效、創(chuàng)造性地駕馭生活。但杜威并沒有就哪些特定的活動通過何種機制影響學生未來哪方面的表現(xiàn)做出進一步論述。

迪尼和萊斯則深入檢視了哪些特定的學習活動及其之間的聯(lián)系能夠促進學生思維的一般化和抽象化。[31]迪尼植根于對中小學生的豐富研究，提出對于學生而言，將學校的物理學習與真實的物理現(xiàn)象或物體建立聯(lián)系至關重要。這些物體也被稱為具體操作物（concrete manipulatives），因為學生必須有機會實質(zhì)性地操作，才能對其結構進行深入探究。迪尼也認識到，僅僅對這些具體操作物進行探索還遠遠不夠，因為從同一類經(jīng)驗中無法抽象出規(guī)律。他指出概念并非從具體的物體當中抽離出來，而是在將該物體與其他具體操作物進行對比、分析以及相互作用的關系中被發(fā)掘出來。[32]

基于此，迪尼提出了將學習活動結構化，以便導向概念發(fā)展和抽象化的四條原則：建構原則、動態(tài)原則、數(shù)學可變性原則和感知可變性原則。建構原則是指兒童的知識必須建構在原有的知識和經(jīng)驗之上。動態(tài)原則致力于讓學生去發(fā)現(xiàn)變化中系統(tǒng)的規(guī)律。如果想讓兒童發(fā)現(xiàn)建構物隱藏的規(guī)律，必須讓該系統(tǒng)經(jīng)歷變化，才能使相關概念或原理變得“可視化”。例如，如果不去改變一個風渦輪的葉片角度、齒輪的個數(shù)及其排布方式，兒童就不會發(fā)現(xiàn)這些因素對于風渦輪功率的影響。此外，為了促使兒童的概念進一步向精微、成熟發(fā)展，教學活動還必須提供變化的數(shù)學和感覺參數(shù)。對于任何給定的具體經(jīng)驗或者具體操作物，都有許多變量可以調(diào)整。數(shù)學可變性原則要求對于某個變量進行系統(tǒng)性的操控，以便暴露內(nèi)在規(guī)律。感知可變性，也稱為多元具身表現(xiàn)，是指每個概念都應以盡可能不同的方式呈現(xiàn)。具身表現(xiàn)的方式于感官而言，應該盡可能地充滿變化，才能將學生的思維導向同一個概念的抽象化。例如，對風渦輪的齒輪個數(shù)與功率之間的關系進行調(diào)查，就是“比率”（ratio）這個概念的具象表現(xiàn)。如果不經(jīng)過對比，學生很容易將比率視為齒輪的一個特征。學生必須通過與其他的具象表現(xiàn)或表征模式進行綜合比較，才能夠抽象出概念。

一個STEM課程單元往往具有多個核心概念，如果圍繞某個概念設計了太多的具身表現(xiàn)，雖然創(chuàng)造了以多元表征去探索、抽象該概念的機會，但會造成整個單元連續(xù)性的中斷，或弱化其他概念。孰優(yōu)孰劣，如何取舍？迪尼認為具體操作物是數(shù)學課堂的必備[33]，萊斯則提出了一個前面提到的、如今已被廣泛使用的轉(zhuǎn)換模型。

萊斯轉(zhuǎn)換模型不僅是促進概念理解的模型，也是指導STEM教學的框架。為了促進學生對大概念的理解，STEM教師可以依據(jù)“促使學生在不同的表征模式進行轉(zhuǎn)換”的原則來設計學習任務和活動。例如，在分析風車的葉片構型時，學生可以用圖表和書面結合的方式，進行調(diào)查規(guī)劃、記錄觀察結果，并參與小組活動，通過口頭表達的方式闡釋構型、功率、比例等核心概念。教師還可以要求學生講述相關的生活經(jīng)驗，并用不同的隱喻（感性描述或形象的比喻）來表征不同強度的風。[34]

從杜威的經(jīng)驗學習到迪尼的多元具身體現(xiàn)，再到萊斯STEM轉(zhuǎn)換模型，支撐STEM教育的理論基礎一直在動態(tài)發(fā)展。經(jīng)驗學習、具體操作物、多元表征是教育實踐界從三位學者那里繼承而來并踐行于課堂的三個核心理念。[35]將其與STEM教育研究的成果以及一線課堂的教育實踐進行充分整合，提煉特征、要素、維度，可以構建出指導中小學STEM教與學的概念框架。

（四）概念框架

將上述理論框架進行具體化、操作化，構建出中小學STEM教育概念框架，包含整合的本質(zhì)、工程的角色、STEM職業(yè)認知三個維度下的七個特征。[36]

1.特征一：聚焦真實世界問題

真實世界問題的遴選是一個復雜的過程，因為許多因素都與學生認知性和情感性的學習成果密切相關。學生個人的種族、性別、興趣、家庭背景、學術特長會對其偏好的問題種類、范圍或情境產(chǎn)生影響。[37]例如，男生更傾向于參與機器人、無人機、機械類產(chǎn)品的制作，而女生更傾向于情感陪伴類應用、四季穿衣指南、校園“零碳日”倡議活動等兼具科學性與人文性的STEM任務。真實問題還必須與學習目標、學習內(nèi)容對齊，確保學習活動能夠深化學生的概念理解。情境化是將學術內(nèi)容精心嵌入到一個真實問題情境中的過程；概念化是從日常生活、自然現(xiàn)象、棘手難題出發(fā)去提取相應的學科概念、研究方法為我所用的過程。遴選真實問題必須考慮到學生概念學習的潛力。

2.特征二：工程設計的中心地位

在中小學STEM課程中，教師須確保學生有機會完整經(jīng)歷工程設計構思、制作、測試的過程，讓學生評估設計作品，并基于采集到的效能數(shù)據(jù)以及科學原理，依據(jù)確定的標準，進行迭代優(yōu)化。工程設計不僅要考慮到成本、材料、功能等技術因素，還要考慮其產(chǎn)生的社會和倫理影響。[38]

教師須確保學生帶著對相關科學概念、工程設計流程、技術使用方法的深刻理解參與到作品或方案設計中，才能體現(xiàn)學習內(nèi)容與真實生產(chǎn)生活的深度整合。這就要求學生對其工程設計流程進行持續(xù)反思和基于證據(jù)的論證，不斷將一般性科學原理與情境性的條件、參數(shù)、約束乃至社會倫理規(guī)則進行協(xié)調(diào)、匹配，得出特定情境之下最優(yōu)設計方案的同時，提煉一般性知識情境化應用的策略。

3.特征三：背景整合

作為背景的真實世界問題和工程實踐挑戰(zhàn)必須與STEM內(nèi)容充分整合，而非僅提供一個情境。過去十幾年中，工程課程、創(chuàng)客空間和數(shù)字制作實驗室在美國K-12學校“泛濫”。相關研究表明，那些參與了動手實踐、基于項目的工程課程的學生，對數(shù)學和科學知識所學甚少，癥結就在于學習內(nèi)容與項目活動之間缺乏顯性、清晰的聯(lián)系。[39]有學者在系統(tǒng)性文獻綜述中提到，在154篇與中小學STEM教育相關的論文中，近40%的研究將課程目標聚焦于學生的職業(yè)選擇和職業(yè)期望，而非學習特定的概念。[40]

為了強化工程設計活動與科學概念學習之間的聯(lián)系，教師應當鼓勵學生在整個迭代設計的過程中，不斷探索和應用科學、數(shù)學知識，搜集測試原型的過程當中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)并進行分析，有理有據(jù)地推動設計工作的進展。

4.特征四：內(nèi)容整合

STEM教育中最關鍵的是內(nèi)容整合，包括科學子學科之間的橫向整合、從科學到工程到技術的縱向整合。教師必須為學生示范跨學科整合的方法、策略或模型，如STEM轉(zhuǎn)換模型，使學科之間、問題情境和學術學習之間的整合顯性化，必要時教師應當提供知識整合工具，采用一些概念化思維的學習支架或提問的策略，促使學生對整合性質(zhì)產(chǎn)生深度理解。

教師還可以加入非STEM學科的內(nèi)容來擴展學生的學習體驗，或采用社會性科學議題教學法[41]，開發(fā)更體現(xiàn)人文關懷的設計方案。

5.特征五：STEM專業(yè)實踐

中小學STEM教育為學生提供機會參與真實的STEM專業(yè)實踐，或在創(chuàng)設的模擬問題情境中設計針對特定工程問題的解決方案。工程問題天然具有綜合性、多面向性，具有多個解決方案。教師應當給予學生自主權，讓他們勾勒自己的破題路徑。

教師還應培養(yǎng)學生的數(shù)據(jù)素養(yǎng)。數(shù)據(jù)實踐是STEM從業(yè)者知識建構和專業(yè)工作的核心，包括數(shù)據(jù)的創(chuàng)建、采集、處理、分析和可視化。[42]論證是科學和工程領域共同的核心實踐。研究表明，K-12學生使用證據(jù)和科學概念來為其工程設計進行辯護的能力較弱。通常情況下，學生更多聚焦于成本和材料，不會自發(fā)地使用科學或數(shù)學概念來為自己的工程設計方案或作品進行解釋。因此，將基于證據(jù)的論證融入到中小學STEM課程中，對為學生提供支架和建立科學、數(shù)學概念與工程挑戰(zhàn)之間的聯(lián)系必不可少。[43]

6.特征六：21世紀技能導向

真實世界中的工程設計問題往往是模糊、多義、劣構的（沒有現(xiàn)成的解決答案，沒有精確界定的標準流程），為學生提升21世紀技能提供了寶貴的機會。當學生參與到迭代的工程設計過程中時，教師應對他們進行分組，以支持合作、批判性思維、創(chuàng)造力和高階認知任務的完成。[44]教師還必須精心策劃、組織、實施小組學習活動，保證公平參與，推進工程設計的順利實施。

7.特征七：STEM相關職業(yè)認知

在中小學STEM教育中，教師應當介紹和描述與學習主題密切相關的STEM職業(yè)，以激發(fā)學生興趣。

越來越多的研究表明，對STEM的興趣、態(tài)度和身份認同是STEM學科持續(xù)性深造的預測性因素。[45]另有研究表明，絕大多數(shù)學生到八年級末已經(jīng)形成對STEM職業(yè)的興趣和期望。[46]具體的教學策略方面，雖然教師在引導學生開發(fā)工程設計方案的過程中，也會滲透STEM身份、職業(yè)等信息，但是依然有必要對STEM相關職業(yè)進行顯性的討論，從而幫助學生更好地了解特定的職業(yè)機會，使其將這些職業(yè)要求與自己的學術興趣對齊。

三、素養(yǎng)運動發(fā)展中的專業(yè)素養(yǎng)研究

（一）專業(yè)素養(yǎng)的內(nèi)涵與影響因素的變遷

1.專業(yè)素養(yǎng)與效能動機

1959年，能力/素養(yǎng)（competence）概念首次通過懷特的著作引入到心理學有關動機的研究中，隨后成為一個解釋人類行為的關鍵構念（conception，理論化的概念）。在懷特的定義中，素養(yǎng)是有機體與環(huán)境進行有效互動的能力，人類的專業(yè)素養(yǎng)并非自然成熟，而是通過長時間、多階段的學習才能緩慢獲得。[47]

值得注意的是，在懷特的解釋框架中，素養(yǎng)是一個動機性（motivational）的概念，他稱之為“成為有能力的專業(yè)人士”的動機，即效能（efficant）。這種推理邏輯在素養(yǎng)運動以及21世紀技能、核心素養(yǎng)教育改革的話語中盛行：一般來說，學生、兒童和專業(yè)人士都有理解復雜現(xiàn)象、掌握特定技能、在特定環(huán)境中有效行使功能的動機。[48]班杜拉提出，當一個問題很復雜或一個任務情境要求很高時，能夠理解問題并且在特定情境下有效地決策和行動的人往往會變得十分自信。在此過程中，他們得到了內(nèi)在獎勵，獲得自我效能感。[49]

1916年，杜威在《民主與教育》中強調(diào)了職業(yè)、專業(yè)能力的重要性，用到的術語是工業(yè)能力（industrial competency）。他說：“人的生活離不開生存資料，民主社會的標準要求我們都能發(fā)展出選擇或創(chuàng)造自己職業(yè)的能力……將職業(yè)或?qū)I(yè)素養(yǎng)與日常作為良好公民的素養(yǎng)進行絕對區(qū)分當然有失武斷，然而在滿足即時工作的精熟度和對社會產(chǎn)生影響力的洞見之間，在高效執(zhí)行他人計劃和謀劃與啟動、推行自己的倡議之間依然存在明顯的能力差距。”[50]

結合杜威所提倡的專業(yè)或職業(yè)素養(yǎng)，研究者將專業(yè)素養(yǎng)界定為“在一個特定的專業(yè)領域、工作、職位、組織環(huán)境或任務情境下，一般性、整合性、內(nèi)化了的產(chǎn)生有效、有價值、可持續(xù)表現(xiàn)的能力，包括問題解決、實現(xiàn)創(chuàng)新和引領變革”。[51]

2.智力評價與素養(yǎng)評估

在專業(yè)素養(yǎng)的研究歷史上，智力也是核心概念。人們往往認為，智商越高的人在專業(yè)或職業(yè)領域中的表現(xiàn)越好。由此，很多工作或職位的能力傾向測試被設定為評估候選人的智力。一方面，多項實證研究發(fā)現(xiàn)，智商測試分數(shù)和候選人在實際工作當中的表現(xiàn)并沒有太大聯(lián)系；另一方面，受到維度單一（雖然后由加德納擴展到多元智能理論）的批判，職業(yè)能力評估的焦點逐漸轉(zhuǎn)向素養(yǎng)評估。[52]

1973年，麥克蘭德提出了素養(yǎng)評估的六項原則[53]：原則一，為評價標準提供可參照的樣本；原則二，對候選人知識或技能習得的情況進行動態(tài)測試；原則三，公開、明確地闡釋達到測試中所要求的職業(yè)或崗位特征的提升路徑；原則四，專業(yè)素養(yǎng)被劃分為若干亞素養(yǎng)，為每個亞素養(yǎng)提供基于真實職業(yè)表現(xiàn)的樣本；原則五，評估不只依賴于對清晰界定問題的應答，還包含模糊指令條件下高仿真實世界劣構問題的情境題項；原則六，題項樣本應聚焦于構想典型的行業(yè)領域操作流程，這類題項比微小技能的測試更能夠引發(fā)高階思考，評價候選人的一般化能力或概述能力。這些原則直接影響其后專業(yè)教育和專業(yè)學習項目的設計和實施。

3.專業(yè)表現(xiàn)與專業(yè)素養(yǎng)調(diào)控

1978年，吉爾伯特在《人類素養(yǎng)：提升有價值的表現(xiàn)》一書中，將專業(yè)素養(yǎng)和專業(yè)表現(xiàn)緊密聯(lián)系在一起，并提出三個支撐這一論斷的定理。[54]

第一個定理是：專業(yè)表現(xiàn)是結果導向行為產(chǎn)生的效應，人類素養(yǎng)是有價值表現(xiàn)的函數(shù)，即有價值的成就除以為該行為付出的成本。第二個定理是：專業(yè)表現(xiàn)本身并非專業(yè)素養(yǎng)，專業(yè)素養(yǎng)是一個社會建構的概念，是特定社會、特定情境、特定領域中，人們對表現(xiàn)的相對評價。第三個定理是管理理論，是與專業(yè)人士的遴選、工作環(huán)境的安排、績效標準的確定、工作表現(xiàn)的監(jiān)督、激勵和問題分析相關的規(guī)則。吉爾伯特強調(diào)，為了讓專業(yè)人士完成高標準的專業(yè)表現(xiàn)，需要特定的專業(yè)素養(yǎng)、一整套專業(yè)行為，以及為有價值專業(yè)表現(xiàn)提供支持的環(huán)境。

總之，懷特、麥克蘭德、吉爾伯特為理解專業(yè)素養(yǎng)及相關概念提供了“棱鏡”，籍此可洞悉專業(yè)素養(yǎng)與動機、素養(yǎng)評估、專業(yè)表現(xiàn)之間錯綜復雜的關系。

（二）構建專業(yè)素養(yǎng)模型，劃分專業(yè)發(fā)展階段

1.任務導向與一般化的專業(yè)素養(yǎng)模型

專業(yè)素養(yǎng)研究伴隨著素養(yǎng)運動而興起。格蘭特[55]指出，教育與勞動力市場之間的脫節(jié)是素養(yǎng)運動的起因。當時，行業(yè)協(xié)會或?qū)I(yè)組織開始對高校提出績效要求，并開發(fā)出求職者或資格證書候選人要遵從的素養(yǎng)框架。高校開始重新調(diào)整、設計課程，融入行業(yè)協(xié)會、專業(yè)組織及企業(yè)工業(yè)所看重的知識和技能。這就要求構建專業(yè)素養(yǎng)模型。

1994年，羅斯提出了涵括多個專業(yè)領域從業(yè)者的核心素養(yǎng)模型，包括領導者、經(jīng)理、專業(yè)工作者、銷售和市場人員、財務人員、信息技術人員、人力資源顧問等，并開發(fā)了配套的素養(yǎng)工具。[56]1996年，托馬遜等人為經(jīng)理開發(fā)了一個包含8個維度的專業(yè)能力框架。[57]

這些都是任務導向的專業(yè)素養(yǎng)的典型代表，包含所在領域的諸多細節(jié)。但早在1982年，波亞緹斯就從“有效表現(xiàn)”理念出發(fā)，為管理人員提出了一個一般化專業(yè)素養(yǎng)模型，并把專業(yè)素養(yǎng)界定為“一系列導向在某項工作中的有效或卓越表現(xiàn)的支持性的人格特征”，包括動機、特點、技能，某人自我形象或社會角色的側(cè)面或者是一系列知識。[58]

美國培訓與發(fā)展學會1989年提出一個統(tǒng)一的素養(yǎng)模型，包含一般/基礎素養(yǎng)與領域素養(yǎng)，為專業(yè)人士自我評估和基于工作場所學習的自我發(fā)展提供了有力的參考系和評估框架。[59]

一般/基礎素養(yǎng)和任務導向的領域素養(yǎng)中，專業(yè)素養(yǎng)都由若干個亞素養(yǎng)組成，亞素養(yǎng)是能在真實的專業(yè)情境下使用的一系列知識、技能、態(tài)度的有機組合。例如，調(diào)查犯罪現(xiàn)場，需要法醫(yī)出具一份對某個證據(jù)的脫氧核糖核酸（DNA）報告。此任務既要求知識（學科知識）、技能（運用專業(yè)的設備和工具），也需要態(tài)度（精確性、正直、抗壓），三要素共同構成了這名法醫(yī)的專業(yè)素養(yǎng)。[60]

中小學教師是適用任務導向，還是一般化的專業(yè)素養(yǎng)模型？從實踐導向的專業(yè)人員的視角出發(fā)，專業(yè)素養(yǎng)是專業(yè)工作者不可或缺的行為表現(xiàn)，若缺失，則無法在自己的專業(yè)場域中有效地行使功能。因此，必要的細節(jié)描述和領域?qū)俚闹R技能對于中小學教師的素養(yǎng)模型來說必不可少，也就是說，任務導向更加適切。

2.專業(yè)發(fā)展階段

構建了專業(yè)素養(yǎng)模型后，還要劃分專業(yè)發(fā)展階段，為專業(yè)學習提供洞察。1986年，德累菲斯提出了高技能型人員專業(yè)發(fā)展的五階段：新手、進階新手、勝任者、精通者、專家。[61]但由于概念的重合、交叉或模糊性，莫德提出了一個專業(yè)發(fā)展階段理論：第一個階段為“無知”，通過直接教導才能夠行動的新手；第二個階段為“新生”，能夠在指導下進行工作的學徒；第三個階段為“勝任者”，能夠獨立工作，是專業(yè)主義最基礎的層級；第四個階段為“優(yōu)秀”，在專業(yè)領域表現(xiàn)卓越，已成為專業(yè)領域的專家或資深從業(yè)者；第五個階段為“卓越”，具有該行業(yè)領域卓越的才能和高超的表現(xiàn)，是組織內(nèi)、行業(yè)內(nèi)或整個社會的明星人物。[62]

（三）理論視角進化史：從行為主義—功能主義、整合職業(yè)主義到情景專業(yè)主義

深究不同專業(yè)素養(yǎng)模型的底層邏輯，可劃分為三條學理路徑。第一條路徑是行為主義—功能主義（Behaviouristic Functionalism）[63]，在這個理論視角下，專業(yè)素養(yǎng)模型強調(diào)的是確定真實表現(xiàn)與理想能力之間的差距，由此導向?qū)I(yè)素養(yǎng)進行細分并逐個訓練的培訓方式，接近于掌握學習的思路?？赡艿谋锥耸撬槠瘜W習以及對微小技能訓練的過分倚重。

第二條路徑是整合職業(yè)主義（Integrated Occupationalism）[64]。整合職業(yè)主義素養(yǎng)模型的核心是職業(yè)、角色或特定領域所需的綜合素養(yǎng)，而非任務或活動。因此，基于素養(yǎng)的教育模式會強調(diào)知識、技能和態(tài)度應當在課程、教學、學習和測試中進行整合性規(guī)劃、設計與實施，而專業(yè)質(zhì)量保障框架則努力將核心角色、工作場域、工作流程與專業(yè)素養(yǎng)聯(lián)系起來。

第三條路徑是情景專業(yè)主義（Situated Professionalism）。[65]在該理論視角下，專業(yè)素養(yǎng)只有在特定情境當中才能體現(xiàn)意義，并沒有獨立于情境之外抽象的素養(yǎng)可言，這與情景認知和社會建構主義學習理論的觀點相契合，對專業(yè)教育和專業(yè)發(fā)展領域產(chǎn)生了巨大的影響，其結果是真實性學習、實踐共同體的廣泛流行。但該路徑經(jīng)常被批判易于陷入整體主義，即當談論的都是人們跨領域的一般性能力時，特定領域、特定專業(yè)素養(yǎng)的細節(jié)就難以得到充分表現(xiàn)，因此只能對個人的專業(yè)發(fā)展起到指導作用，而無法用于專業(yè)資質(zhì)鑒定。[66]

綜合分析下來，情景專業(yè)主義是最適合中小學教師素養(yǎng)模型的一種理論視角，因為它在強調(diào)整合性發(fā)展具有領域?qū)傩缘膶I(yè)角色的同時，也凸顯了專業(yè)實踐與專業(yè)情境的社會互動。

四、中小學STEM教師專業(yè)素養(yǎng)模型

（一）21世紀核心素養(yǎng)教學的教師素養(yǎng)模型

2013年，美國州首席教育官員理事會（CCSSO）推出了核心教學標準模型（Model Core Teaching Standards，MCTS），是包含四個領域的中小學教師專業(yè)素養(yǎng)模型，包括學習者和學習、內(nèi)容知識、教學實踐、專業(yè)責任，進一步細分為10個亞領域，包括學習者發(fā)展、學習差異、學習環(huán)境、內(nèi)容知識、內(nèi)容應用、評估、教學設計、教學策略、專業(yè)發(fā)展和合乎倫理的實踐、領導力與合作。[67]

MCTS體現(xiàn)了素養(yǎng)教學的明顯特征，如學習者和學習包含了學習者發(fā)展、學習差異和學習環(huán)境三個亞領域，體現(xiàn)出對學生發(fā)育、心智成長、學習規(guī)律的尊重；采用情境化、任務導向、合作學習等創(chuàng)新教學方式，融入數(shù)字技術，對課程、教學法、數(shù)字空間、物理空間進行系統(tǒng)設計，要求教師熟練掌握學習科學規(guī)律，進行目標導向的學習體驗設計以及學習環(huán)境創(chuàng)建。

從MCTS的結構來看，四個素養(yǎng)領域都是知識、態(tài)度、專業(yè)表現(xiàn)的有機融合，在不斷地與專業(yè)情境以及其中的其他主體進行互動的過程中，獲得意義、實現(xiàn)價值；并根據(jù)多元情境和互動對象的不同而動態(tài)演變。專業(yè)素養(yǎng)模型中不僅包含體現(xiàn)靜態(tài)教師角色的內(nèi)容知識、教學實踐，也包含嵌入在專業(yè)情境中的互動主體——學習與學習者以及專業(yè)情境下長期發(fā)展的專業(yè)責任，完全契合“專業(yè)實踐與專業(yè)情境相互建構”的情景專業(yè)主義理論視角。

（二）中小學STEM教師專業(yè)素養(yǎng)模型

中小學STEM教育以21世紀技能為培養(yǎng)目標。[68]在情景專業(yè)主義理論指導下，以倡導21世紀素養(yǎng)教學的MCTS為“骨架”，以中小學STEM教育的總體認知框架為“血肉”，筆者初步構建出包含學習者和學習、內(nèi)容知識、教學實踐、專業(yè)責任四大素養(yǎng)和12個亞素養(yǎng)的中小學STEM教師專業(yè)素養(yǎng)模型（見圖3）。

學習者和學習包含學習者發(fā)展、學習差異、學習環(huán)境3個亞素養(yǎng)[69]；內(nèi)容知識包含元認知、STEM知識、知識應用3個亞素養(yǎng)；教學實踐包含教學評估、課程設計、教學法與教學策略3個亞素養(yǎng)；專業(yè)責任包含專業(yè)發(fā)展、STEM倫理、領導力與合作3個亞素養(yǎng)。

確定素養(yǎng)和亞素養(yǎng)之后，結合前文提到的中小學STEM教育總體認知框架，筆者進一步細化了典型行為表現(xiàn)，構建了中小學STEM教師專業(yè)素養(yǎng)模型指標體系（見表1）。

綜上，本文在對中小學STEM教育相關的理論基礎和概念框架進行總結提煉的基礎上，以素養(yǎng)導向的MCTS為藍本，構建了中小學STEM教師專業(yè)素養(yǎng)模型；并對大量文獻中的優(yōu)秀案例進行剖析，萃取每個亞素養(yǎng)的若干教師典型行為表現(xiàn)，構建細化的指標體系。一方面為中小學STEM教師專業(yè)發(fā)展提供指引，另一方面為后續(xù)實證研究奠定基礎。

注釋：

①“烏卡時代”意指人類社會進入一個具有易變性（Volatility）、不確定性（Uncertainty）、復雜性（Complexity）、模糊性（Ambiguity）的時代，四個單詞的首字母組成“VUCA”，音譯為“烏卡”。

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A Theoretical Framework for K-12 STEM Teachers’ Professional Competence Model

FANG Zhaoyu1，2

（1.Institut Suprieur des Sciences， Techniques et Economie Commerciales， Paris 75015， France;

2.Shanghai Education Magazine， Shanghai Educational Press Group， Shanghai 200032， China）

Abstract： In the 21st century， the challenges in primary and secondary schools have given rise to a new model of learning， and K-12 STEM education is the major approach to address these challenges， while K-12 STEM teachers make the cornerstone workforce in this regard. Therefore， it’s imperative to formulate a professional competence framework to empower their professional development and professional practice. Based on literature research and case studies， this article proposes an overall cognitive framework for K-12 STEM education， including the fundamental assumptions （interdisciplinary， real-world problems， equality for S-T-E-M）， benchmarks or reference （Lesh Translation Model， STEM Translation Model）， theoretical framework （Experiential Learning， concrete manipulatives， multiple representations） as well as conceptual framework （7 characteristics）. Secondly， it summarizes the development trajectory of professional competence researches in order to extract critical concepts. In light of which， we have decided to adopt Situated Professionalism as theoretical perspective to construct K-12 teachers’ professional competence model. Lastly， it takes MCTS which initiated by US CCSSO as blueprint， enriched by the overall STEM education cognitive framework and professional competence theoretical perspective， to construct the STEM-KDP K-12 teachers’ professional competence framework， including four competencies， namely Learning and Learner， Content Knowledge， Teaching Practice and Professional Responsibility. Also， 12 sub-competencies as well as a variety of indicators are proposed.

Keywords：K-12 STEM education; Professional competence model; Interdisciplinarity; Lesh translation model; K-12 teachers’ competence model

編輯 朱婷婷 校對 呂伊雯