中小学STEM课程内容分析研究

☆余宵方海光

（1.首都师范大学教育学院，北京100048；2.首都师范大学教育技术系，北京100048）

一、引言

“STEM”是科学、技术、工程和数学四门学科英文名称的简称，早在20世纪中叶在科学素养概念提出和讨论的过程中就已经涉及这一理念。进入21世纪以来，由于一些发达国家在政策和实践上的重视，使得STEM教育的研究和应用迅速升温。在我国一些学校甚至企业都在积极探索和开展STEM教育，一些学术活动和观摩活动等得到了研究者和一线教师的青睐[1]。同时,相关研究表明,目前我国STEM教育的应用领域主要集中于中小学,研究的热点包括STEM课程整合、学科融合研究以及与创客教育相关的研究等[2]。

二、中小学STEM课程

美国中小学开设STEM课程，是由于大学中STEM相关专业的学生毕业率与就读率的不断下滑[3]。部分专家通过研究将美国STEM课程在大学中的问题归因于美国中小学中STEM课程成绩的下滑[4]。在我国，中小学STEM课程更多的是从国外引进[5]以及校外兴趣[6]为目的开始实施的，并在近期发展迅速。为了配合中小学STEM教育的开展，国家出台了一系列政策给予支持，如2016年教育部出台的《教育信息化“十三五”规划”》中明确指出，有效利用信息技术推进“众创空间”建设，探索STEM教育、创客教育等新教育模式，使学生具有较强的信息意识与创新意识，养成数字化学习习惯，具备重视信息安全、遵守信息社会伦理道德与法律法规的素养[7]。

1.中小学STEM课程的实践与研究

在中小学STEM课程的实践上，具有代表性的有北京景山中学团队，上海STEM+研究中心，上海STEM+研究中心“张江高科园区开放性科教课程开发与共享平台建设”项目，清华大学附中新高考环境下的STEM教育等课题。其中，景山中学团队主要通过基于“ledong scratch互动教学平台”探索了以工程来整合科学和数学的学科知识，如探索光敏电阻与照度之间的关系[8]，用滑杆自制卡尺[9]，使用Ledong板测电阻[10]。上海STEM+研究中心在多个学校进行STEM教育实践，并取得不错的成果[11]。清华附中通过开发STEM系列课程、研发STEM课程标准与实施方案、建立多元智能实验室、进行STEM教师教育培训等探索实践,提高了学生的学习兴趣,培养了学生创新能力[12]。张江高科园区开放性科教课程开发与共享平台建设，开发了一系列劳动科技类的STEM项目课程[13]。

在中小学STEM课程研究上，部分研究者将其与美国等发达国家的中小学STEM课程进行了比较，同时引进和介绍了大量外国STEM中小学课程发展情况。如杨亚平对美国、德国和日本中小学STEM教育进行了对比研究[14]。张红洋,杨艳妮介绍了美国中小学开展STEM教育的情况并提出了很多对我国开展此类教育的建议和启示[15]。一些研究者对中小学STEM教育教学模式进行了研究，如傅骞,刘鹏飞总结提出了四种中小学STEM教育应用模式[16]。一些研究者对中小学STEM教育中的教学策略进行了研究，如吴昱寰对中小学STEM教育的本土化提出了意见与想法[17]。

2.中小学STEM课程实施中的问题

我国中小学STEM课程受到一些客观与现实条件的限制，在STEM课程的实施中遇到了一些问题。课程标准与课程目标的缺乏与异位：由于在我国中小学开展STEM课程比较晚，基础比较薄弱，在实践中没有课程标准对中小学STEM课程给予指导和帮助。课程资源与课程支持比较缺乏：虽然有国家政策以及相关教育界人士的支持，但在中小学实施STEM课程过程中缺乏课程资源[18]。教学时间与内容之间存在现实的矛盾，时间少，则在知识的传授上可能不足，但要讲透一些知识可能又超过课堂的时间。因此，需要更多专业或受到相应培训的教师，缺乏足够专业的教师很可能无法完成预定的教学目标。还要打破许可界限以及内容的限制，由于STEM教育的特点需要多学科的参与以及内容选取的特殊，而国内还处于初探和发展期，在学科和内容的探索上还比较欠缺[19]。

三、中小学STEM课程内容分析

在中小学STEM课程中的学科与内容上，以及课程标准和课程实施方面，需要一定的工具对中小学STEM课程内容进行分析，从而开展STEM涉及学科和内容的实施，以及落实中小学STEM课程标准和达成课程目标。

1.课程内容分析

对STEM中小学课程内容进行分析，需要对中小学STEM课程的主要教学与学习方式进行分析。通过相关研究可知，中小学STEM课程的教学形式与内容根据不同的价值取向主要有基于问题学习、基于项目学习以及小组学生项目展开等教学与学习方式[20]。

基于项目的学习和基于问题的学习通常是以一个主题或问题为起点，通过解决一个问题或完成一个项目，在解决问题或完成项目的过程中通过多个有组织的活动逐步推进问题的解决与项目的完成。在中小学STEM课程中基于项目或基于问题的学习方式，就是选择一个可以综合STEM及其他相关学科的问题，情景或项目，通过精心设计的学习活动，来逐步推进项目的完成或问题的解决（学习目标的达成）。

对中小学STEM课程的内容分析需要对基于项目的学习和基于问题的学习方式进行分析。基于项目的学习的主要学习活动有以下环节，引入、任务、调查、资源、搭建脚手架、合作、反思等[21]。基于问题的学习主要包括四个主要的因素，问题驱动、情境化、以学生为中心/自我指导以及协作学习过程[22]，主要学习活动有目标与结果、确定问题项目和讲授、确定进程规模和实现、学生学习、教师指导与推动、场所与组织、评价与评估等[23]。

基于问题的学习与基于项目的学习的学习活动是中小学STEM课程的基本单元要素。同时这两种学习方式体现了ADDIE模型，即它的五个部分Analysis（分析）、Design（设计）、Develop（开发）、Implement（实施）、Evalu⁃ate（评价）。

2.分析工具设计

中小学STEM课程的分析设计分为两个维度，分别是学科内容维度和学习活动维度。学科内容维度，包括数学、科学、技术、工程四个基本学科。而学习活动分为分析、设计、开发、实施、评价五个学习活动。如表1为“学科——活动”（S-A）活动分析。

表1 “学科——活动”（S-A）活动分析

在“学科——活动”（S-A）活动分析中，将数学、科学、技术、工程作为中小学STEM课程内容分析中最基本的学科内容，是中小学STEM课程的“空间线”，而将分析、设计、开发、实施、评价作为中小学STEM课程内容分析中最基本的学习活动，是中小学STEM课程的“时间线”。在“学科——活动”（S-A）活动分析中以学科为空间、学习活动为时间对中小学STEM课程进行分析。

表2 “学科——活动”（S-A）活动扩展分析

“学科——活动”（S-A）活动分析根据具体的中小学STEM课程灵活地扩展，STEAM教育被提出[23]，表2所示为“学科——活动”（S-A）活动扩展分析。学科——活动”（S-A）活动扩展分析对学科与学习活动同时扩展，即延长原有“学科——活动”（S-A）活动中的“时间线”与“空间线”，可根据具体的中小学STEM课程进行分析。

3.内容分析实施细节（如图1）

图1 “学科——活动”（S-A）活动实施细节

确定学习活动与学科内容之后，对“学科——活动”进行分析，就基本可以确定当前中小学STEM课程的进度。在对具体中小学STEM课程分析时，要根据具体的课程情况，灵活地从学科内容或学习活动进行分析，在分析前得知的相应的中小学STEM课程信息越详细，就越可以减少分析的时间，对活动与内容的分析可以更加确定，从而获取确定的中小学STEM课程的进度。

四、研究分析案例

研究选取了两所中小学STEM课程案例，分别是某中学九年级的STEM创新实验课与某小学高年级的STEM课程。根据这两节具体的中小学STEM课程，对STEM课程的内容进行分析。

1.中学九年级STEM创新实验课案例

中学九年级STEM创新实验课的内容是《实验室火法炼铜》，课程在实验室内进行（如图2），时间为一个课时，在教师的指导下，学生以基于问题的学习方式学习。整个课程由一个大的问题组织起来，在教学中将这个大问题分化成多个小问题分步解决。学生在学习中以小组的形式，为了完成一个共同的目标，在教师的指导下完成学习活动。小组存在合作与竞争，为了更好地完成学习目标，每个学生都积极参与。而这节STEM课程中，不仅仅有传统的STEM课程分析活动，还包括部分分享，帮助与指导活动，在学科内容上是比较传统的STEM课程的学科内容，比较偏向科学和工程，在技术与数学上比较薄弱。

图2 中学九年级的STEM创新实验课现场图

通过对中学九年级的STEM创新实验课分析，在学科上是基本的STEM学科，即数学、科学、技术、工程。在学习活动上，除了基本的活动单元分析、设计、开发、实施、评价，根据具体课程分析，还有帮助、分享、指导三个学习活动（如表3）。

表3 中学九年级的STEM创新实验课内容分析

通过对中学九年级STEM创新实验课分析，可以发现这是一节基本的STEM实验课，以铜的制取为问题，将本节课划分为多个相互衔接的学习活动，在教学活动上除了基本的分析、设计、开发、实施、评价外，还突出了分享、帮助、指导三个活动，在学科内容上，基本涉及数学、科学、技术、工程，没有更多学科的参加。通过对这节课程进行学科内容及学习活动分析，可以发现，该中学九年级的STEM创新实验课，没有将更多学科融进STEM课程中，同时在学习活动中，没有更好地将数学、科学、技术、工程等学科的内容放进学习活动中去，让这节课程呈现更多的相关领域的知识。不过这节课程基本上紧紧地围绕着铜的制取这一主题展开，通过精心组织的学习活动，逐步完成预设的学习目标和学习任务。

2.小学高年级STEM课程案例

小学高年级STEM课程是以悬臂为对象的较为典型的STEM课程，课程在传统教室内进行（如图3），时长为一节课的时间。课程在教师的指导下，学生以基于项目的学习方式学习。教师在教学中将课程由一个项目组织起来，通过合理的步骤将课程目标划分成数个活动推进教学。学生在学习中以小组的形式协作学习，为了相同的学习目标，既竞争又互相合作，使每个成员都积极参与到学习活动中。

图3 小学高年级STEM课程现场

通过对小学高年级的STEM课程分析，在学科上不仅有包括基本的数学、科学、技术、工程，还有艺术学科。除了基本的活动单元分析、设计、开发、实施、评价外，根据具体课程分析，还有展示、帮助、指导三个学习活动（如表4）。

表4 小学高年级的STEM课程内容分析

通过对小学高年级STEM课程分析，可以发现这是一节实践的STEAM课程，以悬臂的设计与制作为项目，将本节课划分为多个相互衔接的学习活动，在教学活动上除了基本的分析、设计、开发、实施、评价外，还突出了分享、帮助、指导三个活动，在学科内容上，除了数学、科学、技术、工程，还有与艺术学科的融合。通过对这节课程进行学科内容及学习活动分析，可以发现，该小学高年级的STEM课程，没有将艺术学科融进STEM课程中，同时在学习活动中，没有较好地将数学、科学、技术、工程等学科的内容放进学习活动中去，因此，在对主题的把握以及围绕该主题的知识学习的选取上，还需要更多的设计。

五、结束语

本研究对中小学STEM课程内容的分析，回应了中小学STEM课程存在的问题，通过探讨中小学STEM课程基于项目的学习和基于问题的学习方式，与STEM课程的学科内容进行分析，提出了可扩展的学科内容的分析方法，并对两个中小学STEM课程进行分析。通过对中小学STEM的课程内容分析进而对学科和内容，即中小学STEM课程的“空间线”与“时间线”进行探讨，最后，对中小学STEM课程的学科融合与学习活动的展开进行分析，获取了中小学STEM课程的基本进展情况与STEM课程和活动的融合情况。

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