STEM教育深度融入科学课程教学的实践路径*

黄 桦

（岭南师范学院 物理科学与技术学院，广东湛江 524048）

一 STEM教育深度融入科学课程教学的必要性

我国新颁布的《义务教育小学科学课程标准（2017版）》新增技术与工程内容，首次明确了STEM教育在科学课程中的重要地位，标志着我国将全面展开基于STEM教育的小学科学课程教学改革。但是，国内的STEM教育研究起步较晚，存在以下不足：①大多从信息技术（如3D打印、开源软硬件、机器人等）的角度展开，对STEM教育融入学科教学缺乏系统考察，整合于科学课程的实践案例并不多；②研究成果比较零散，且多为思辩性的阐述和讨论，表现出一定的随意性，导致相关的理论、模式在实践中难以落实；③缺乏融入STEM思想的国家课程标准的指导，未能界定工程设计的大概念、核心概念和跨学科概念；④缺乏具体、统一的 STEM教育框架体系、学习进阶、评价标准和有效的教学指导；⑤由于教师专业发展的滞后，STEM教育并未在中小学基础教育课程中得到广泛推行。

STEM 教育的独特价值在于，通过为学生提供接近真实、富有现实意义的教学情境，引导学生运用STEM知识解决真实世界的问题，帮助学生发展高阶思维，提升学生跨学科知识整合的能力，从而获得STEM领域的就业能力和21世纪公民所应具备的核心素养。因此，STEM教育常被视为当前教育培养学生的就业技能和核心素养的重要路径。打造跨学科知识整合的STEM课程，已成为当前科学课程发展的重要趋势。因此，基于我国现有的课程体系，探索STEM教育深度融入科学课程教学的实践路径，对于提升科学课程的教学效果、培养学生的就业技能和核心素养意义重大。

二 STEM教育深度融入科学课程教学的实践路径

我国基础教育的科学课程与数学学科的整合基础良好，但与科技、工程学科的整合存在明显不足[1]。从科技教育的本质来看，科技是工程设计的产出。因此，STEM教育导向下的科学课程教学应以工程设计为基础，通过工程设计导向的科学课程教学，帮助学生针对个人和社会科技的发展需求，应用相关的科学概念和数学知识，进行科学探究和数学分析，以发展独立思考和问题解决的能力。以工程设计为导向的“工程引路计划（Project Lead the Way）”是在美国处于全国性领导地位的STEM教育课程，其组织形式是通过专题导向活动，引导学生整合各科知识，解决基于真实情景的问题。Kelley[2]认为，STEM课程应以“情景学习”为驱动的齿轮，通过“工程设计”提供系统化的问题解决模式，运用“科学探究”来解决真实世界的问题，三者的关系如图1所示。因此，创设工程设计情景，驱动工程设计和科学探究学习，是STEM课程的核心思想。考虑到评量在课程体系中的不可或缺，故本研究将教学评量补充进来，将教学情境、整合“科学探究”和“工程设计”的教学模式、教学评量确定为STEM教育深度融入科学课程教学的三条主要实践路径。

图1 情景学习、工程设计与科学探究的关系图

表1 STEM教学情景

1 教学情景

国际学生评估项目（Program for International Student Assessment，PISA）、国际数学和科学趋势测评（The Trends in International Mathematics and Science Study，TIMSS）和美国国家教育进展评估（The National Assessment of Educational Progress，NAEP）等大型学生评测项目均提倡学生运用科学思维和推理，解决基于真实情景、结构不良的科学问题，这与STEM教育的理念是一致的。PISA 2006框架建议，STEM教育可以把能源效率、气候变化等科学议题作为教学情景，让学生开展深入探究，这是一种情景化的STEM教育。STEM教学情境如表1所示，可知真实的情景或STEM挑战性主题来源于健康问题、能源问题、自然资源、环境问题、危害防护、新知等个人、社会或全球普遍关注的议题[3]。

2 整合“科学探究”和“工程设计”的教学模式

科学探究是我国新一轮课程改革的重要内容，强调对科学过程和方法的掌握，而STEM教育强调过程与方法在真实科学和工程实践中的应用。工程设计注重应用材料、工具、技术、科学和数学知识的统整，透过设计的历程发展科技产物，以合适的方法解决问题或满足人类的需求。科学探究与工程设计的整合，有利于STEM教育的深度融合和实施。基于此，科学课程的教学实践可以以挑战性任务或者问题为开端，帮助学生深入探究，获得对STEM教育的整合性理解，并得出解决方案。目前，5E教学模式——吸引（Engagement）、探究（Exploration）、解释（Explanation）、迁移（Elaboration）和评价（Evaluation）得到了广泛的应用[4]。而从科学探究与工程设计的整合角度出发，国际技术与工程教育家协会（International Technology and Engineering Educators Association，ITEEA）提出了工程设计的6E教学模式，包括吸引（Engage）、探索（Explore）、解释（Explain）、工程（Engineer）、延伸（Enrich）和评价（Evaluate）；该教学模式将工程的概念融入 5E教学模式之中，并从科学本质、技术素养和工程设计等方面体现STEM课程的教学内涵，强调设计与模型在STEM教育中的核心地位[5]。6E教学模式以学习者为中心，以建构主义学习理论为依托，整合了工程设计与科学探究，提出了设计（Design）、建模（Modeling）、系统（Systems）、资源（Resources）、人类价值（Human Values）等5个以工程设计为基础的STEM教育核心概念，并将这些核心概念的学习融入食物、能源、健康与安全、避难、交通和水等个人或者社会关注的议题。

3 教学评量

美国国家工程院（National Academy of Engineering）提供了针对学生在数学、科学与工程方面应用STEM知识时的表现进行评估的标准。如数学方面的评估标准是：了解并致力于解决问题、构建有效的论证并对他人的推理进行批判、有技巧地使用合适的工具、在反复推理中寻找并显示规律；科学与工程方面的评估标准是：根据证据进行论证、设计，使用模型、设计进行探索，分析并解释数据[6]。香港“常识百搭”创新科学与环境探究活动利用 STEM 框架评估学生在探究活动中学习科学、技术、工程和数学的经验，对于评估学生在STEM活动的学习经历具有极好的借鉴意义[7]。我国科学课程的探究性教学具有广泛的讨论基础，基于此，结合能力、知识和态度的评量架构，制定STEM科学课程的评价指标，应该更具有可操作性。为此，本研究从科学、技术、工程和数学四个维度出发，且每个维度都从能力、知识和态度三个角度考量，构建了STEM教育融入科学课程教学的评量指标，如表2所示。这些评量指标对于教师检测学生的STEM素养水平、评价课程的教学成效和教学实践的具体设计都有一定的参考价值。

表2 教学评量指标

三 “转不停的陀螺”教学案例分析

“电动机原理”是人教版《高中物理（选修 3-1）》第三章“磁场”中的内容，教材局限于电磁相关科学知识的介绍，学生未能深入了解电动机模型背后的技术和工程原理。此外，电动机的主要元件包括电极、永久磁铁和导入电流的碳刷，而碳刷和电极之间的摩擦会降低电动机转动的效率，还会产生热量。为提升教学效果，本研究应用STEM教育深度融入科学课程教学的三条路径进行了案例分析——以L中学的45名高二学生为研究对象，当他们学完“磁场”这一章内容之后，以“电动机的改进”为教学情境，依托6E教学模式设计教学过程，让学生动手制作一个特殊的陀螺——“转不停的陀螺”，并进行了教学评量，如表3所示。

“转不停的陀螺”转换了教学思路：用其它方式替代碳刷，转动的是永久磁铁而不是电极，并将内转电极电动机转换为外传永久磁铁电动机。这一思路，不仅包括了提高电动机转动效率的技术思想，更蕴含了优秀的工程设计思想——而这，正是融入了STEM教育的科学课程与传统STEM课程的最大不同。值得一提的是，为了增强项目的可行性，本案例还对学生进行了组内分工和角色设计，以吸引学生积极参与其中，从而引导学生在解决现实科学与工程问题的实践中达成学习目标。

表3 “转不停的陀螺”教学案例

四 小结

重视STEM教育深度融入科学课程的教学情境、教学模式和教学评量，创设整合的、情景化的、可评量的不良结构任务，将工程与设计的内容与科学课程进行统整，并与物质科学、生命科学、地球和空间科学等学科知识融为一体，将有助于拓展工程设计理念，并提升科学与工程实践的教学效果。教学情境、整合“科学探究”和“工程设计”教学模式（主要是6E教学模式）和教学评量这三条STEM教育深度融入科学课程教学的实践路径，将有助于学生在基于真实情景的科学与工程实践过程中应用工程设计理念和先进的技术，实现知识掌握、问题解决并进行创造性设计，从而培养就业技能和核心素养。

[1]唐小为,王唯真.整合STEM发展我国基础科学教育的有效路径分析[J].教育研究,2014,(9):61-68.

[2]Kelley T R. Staking the claim for the ‘T’ in STEM[J]. The Journal of Technology Studies, 2010,(1):2-11.

[3]OECD. Assessing scientific, reading and mathematical literacy: A framework for PISA 2006[R]. Paris: OECD, 2006:25.

[4]Bybee R W, Taylor J A, Gardner A, et al. The BSCS 5E instructional model: Origins and effectiveness[R]. Colorado Springs,CO: BSCS, 2006:1-10.

[5]Burke B N. The ITEEA 6E learning by designTMmodel, maximizing informed design and inquiry in the integrative STEM classroom[J]. Technology and Engineering Teacher, 2014,(6):14-19.

[6]Honey M, Pearson G, Schweingruber H. STEM integration in K-12 education: Status, prospects, and an agenda for research[M]. Washington, DC: The National Academies Press, 2014:5.

[7]苏咏梅,梁致辉.第十九届“常识百搭”创新科学与环境探究[M].香港:香港教育局课程发展处资优教育组,2016:4-5.