STEM教育理念下技术与课程的融合探究

高凯涛 高 杰 贾 嫚



STEM教育理念下技术与课程的融合探究

高凯涛1高 杰1贾 嫚2

（1．北京理工大学 继续教育学院，北京 100081；2．北京理工大学，教育研究院，北京 100081）

依照我国教育目标从以知识为中心向以能力为中心转变的要求，STEM教育可为教育改革在教学环境、教学手段和教学方法上的不断深入发展提供可行的思路。文章以技术接受模型和技术任务匹配模型为理论基础，遵循学科融合性、技术匹配性、技术易用性的设计原则，通过对STEM课程的分类研究与技术的需求分析，提出了STEM教育理念下技术与课程融合模式。此外，文章对STEM教育中技术与课程融合的四方面技术需求进行了重点分析，以期为信息技术环境中STEM课程的开展提供一定的指导。

STEM教育；技术与课程的融合；技术接受模型；任务技术匹配模型

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）四门学科英文首字母的缩写。STEM教育的本质是培养学生STEM相关学科的知识与能力，让学生通过综合利用科学、技术、工程和数学这几门学科的知识，来解决现实生活中出现的问题——这就为学生提供了打破学科界限、在贴近生活的情境中体验学习相关知识和技能的可能。学生通过STEM跨学科学习，建立起对真实世界规律的感知，从而对世界和社会产生自己的认知，在知识学习和情感体验上有丰富的收获。本研究对STEM教育理念下技术与教学的融合进行了探究，以期推动我国教育改革在教学手段、教学方法和教学环境等方面的不断发展，并不断丰富信息化教学理论和学生专业能力培养的相关理论。

一 STEM教育理念下技术与课程融合的理论基础

1 技术接受模型

技术接受模型（Technology Acceptance Model，TAM）最早由Davis等[1]于1989年对计算机广泛接受的决定性因素进行解释说明时提出。TAM运用理性行为理论，提出了模型的外部变量：①有用性感知（Perceived Usefulness），反映一个人认为使用一个具体的系统对其工作业绩提高的程度；②易用性感知（Perceived Ease of Use），反映一个人认为使用一个具体系统的难易程度，具体如图1所示。

图1 技术接受模型

2 任务技术匹配模型

任务技术匹配（Task-Technology Fit，TTF）由Goodhue等[2]于1995年提出，反映了技术和任务需求之间的逻辑关系。TTF主张，信息系统只有匹配需要完成的任务，此行为才具有高绩效。据此，Goodhue等提出的任务技术匹配模型如图2所示。该模型主要由“任务需求”、“工具功能”和“个人行为”三个核心部分构成，并且首次提出“任务技术匹配”的概念。其中，“任务需求”一般指用户使用信息系统执行活动时的需求；“工具功能”指信息系统或支持服务为用户完成任务所提供的工具或帮助；“个人行为”即用户的计算机使用经验、能力等；“任务技术匹配”是指个人利用信息系统执行任务的匹配程度；“实际使用”指用户使用工具时的实际使用情况——“任务需求”、“工具功能”特征共同作用并影响“任务技术匹配”，从而决定用户使用信息系统的绩效。任务技术匹配模型是一种通用性的模型，并没有对使用任务环境和系统做出具体的要求，可以作为其它研究框架的理论依据，因此适用于信息技术环境中技术与STEM课程知识融合模型的设计[3]。

图2 任务技术匹配模型

图3 STEM教育理念下课程与技术融合模式

教育相关的技术层出不穷，在学习中不同技术对知识的相关支持有很大差别。根据技术接受模型和任务技术匹配模型，教师在进行技术辅助教学时，应该首先考虑学生面临的任务和预计达成的目标；然后对学生的学习任务进行定义和分析，并准确把握学生的技术使用需求；最后针对不同的课程环节和课程知识，使用与之相符的技术进行辅助。

二 STEM教育理念下技术与课程融合模式的设计

1 设计依据

①Bloom知识分类理论。美国著名心理学家Bloom在《教育目标分类学》一书中对认知领域教育目标进行了分类，将人的认知过程从简单到复杂、由具体到抽象这一规律作为其教育目标分类理论的依据[4]，为逐渐完善教育目标分类理论作出了重要贡献。目前，教育目标在知识维度主要分为四类：事实性知识、概念性知识、程序性知识和元认知知识，这四类知识在STEM教育中既相互独立也相互关联，不同类型的知识会给学生带来不同程度的能力提升。

②技术接受模型与任务技术匹配模型。根据技术接受模型，在技术支持的STEM课程中，外部因素（如系统特征、用户特征、任务特征、组织特征等）、技术的有用性和技术的易用性会对学生的学习绩效产生影响；而根据任务技术匹配模型，学生的任务需求和工具功能在进行适度匹配的情况下，使用技术支持的学习才是最高效的。基于此，本研究将从任务需求和工具功能这两个角度，来设计技术与课程融合模式。

2 设计原则

①学科融合性原则。STEM课程的本质是将科学、技术、工程、数学等四门学科的知识进行有机融合，通过开展相关的实践项目，来提升学生的知识水平并锻炼学生的问题解决能力。课程设计将秉承学科融合的特征将知识全面融合到项目中，让学生体验跨学科的多元学习过程。

②技术匹配性原则。技术在不断地更新，种类也越来越丰富，如何正确认识技术并根据知识类型做出合适的技术选择是非常重要的。而将STEM课程单元中的知识进行分类，根据不同种类知识的特性进行学生能力需求分析，将学生需求与技术按照任务技术匹配模型进行匹配，既可充分利用技术辅助课程教学，也可避免不必要的技术和资源浪费。

③技术易用性原则。在设计技术与课程融合模式时，要充分考虑当前学校的信息化环境基础，即做到：一方面，教师可以顺利地利用多媒体和技术手段备课、上课，使用易获得的技术来提高自己的信息化水平，并在使用技术的过程中进行反思和创新；另一方面，技术的易用性不会对学生的技术认知负担造成压力，让学生可以熟练地使用技术进行知识的探究、获得多维的学习体验。

3 模式的构建

根据对STEM课程知识的分类，本研究将不同知识中学生的任务需求进行了归纳，通过与不同的工具功能进行相应的匹配，构建了STEM教育理念下课程与技术融合模式，如图3所示。

如前文所述，STEM课程中的知识可以分为事实性知识、概念性知识、程序性知识和元认知知识四类。在新知识的学习过程中，事实性知识、概念性知识和程序性知识是一种相互平行而又紧密联系的关系；元认知知识贯穿于整个学习过程，起调节和改善的作用。在STEM课程中，每一个知识单元都是对以上知识进行不同组合而形成的，因为不同知识对学生能力需求的侧重点有所不同：事实性知识侧重术语感知，代表学生对世界和自然物质的特征认识和术语表达；概念性知识侧重论证求证，代表学生对相关学科概念关系和公式原理等的探究和理解；程序性知识侧重思维实践，代表学生在实验和实践过程中的操作和技能等；而元认知知识侧重自我体验反思，代表学生的认知策略和思维。

三 STEM教育中技术与课程融合的技术需求

技术为教育的开展带来了更加丰富的体验，但在教学过程中，不同技术对不同知识类型的支持作用有所不同。教育心理学家皮连生[5]提出了以知识分类目标为导向的智育目标、知识分类学习论和知识分类教学论的教学理论，认为教学也应该按照不同的知识类型进行设计。究其原因，主要在于不同类型的知识会给学生带来不同的学习体验。基于不同知识类型的分类，本研究对STEM教育中需要的技术进行了以下分析：

1 基于事实性知识的技术需求

在STEM课程中，事实性知识的学习是开展学习任务的基础，学生通过事实性知识对自然界的事物进行感知和认识。由于STEM教育与生活实际的联系非常紧密，在事实性知识教学中经常用到的教学策略为多重感知策略——学生在课程中亲自动手实践，多种感官同时参与对事物特征术语的描述和理解，开展个性化学习；而教师在课堂中应用多种技术媒介，为学生创设适合其学习风格的学习环境，并在此环境中利用多种感官体验的“脚手架”适当引导学生学习，帮助学生获得对知识的感受和认知。

（1）个性化

STEM课程的开展，将传统课堂中“以教师为中心”的教学方法转变为“以学生为中心”的自主学习方式，使学生可以掌控自己学习的进程。在相关技术的支持下，教师可以为学生提供自适应的学习环境，首先了解学生的先行知识背景和学习风格，之后为学生定制与其认知能力相匹配的课程呈现方式，并提供个性化的指导。如在STEM项目开始时，学生进入智能学习系统进行在线学习风格测试；测评结果出来之后，系统根据计算机的深度学习算法，自动针对不同学习风格的学生呈现不同的学习侧重点及相关的学习材料和信息，让学生对事实性知识进行符合自己认知习惯的感知与加工；同时，根据不同学习风格对学生进行智能分组，成立有效的STEM学习小组，让学生发挥自己的优势，获得更好的学习体验。常见的个性化教学助手有：智能矩阵学习系统（把握知识点的学习进度）、蓝墨云班课（智能班级）等。

（2）“脚手架”

在STEM课程中，学生作为解决问题的新手，正确地认识科学世界是成功的第一步。而要想让学生正确认识事物的特性并对其进行术语界定，就需要搭建恰当的“脚手架”进行指导。在“脚手架”的支持下，学生可以选择适合自己的工具功能完成学习。此时，“脚手架”可以是一切有助于学生认知的资源库，为学生提供多样的可参考素材，让学生根据自己的学习需要进行知识的获取和处理。常用的“脚手架”技术有：分析技术（根据用户行为历史进行个性化分析和推测）、嵌入技术（将相关的测试和材料嵌入到学习系统）等。常用的资源库支持工具有：浏览器（对所需信息进行关键字或图片搜索）、视频播放器（通过视觉、听觉的感官对事物的表征进行了解）、记事本（对感知到的事物特性进行记录）等。

2 基于概念性知识的技术需求

概念性知识重在阐述事物之间的规律和联系，据此形成相应的法则和原理。由于概念性知识属于陈述性知识，它的体现形式是静态的，主要丰富学生的认知结构。STEM学习过程为学生提供了良好的沟通与合作探究机会，其中概念性知识使用的教学策略多为组织策略和精细加工策略。学生接触新的定义之后，会与原有的认知结构信息进行联系和匹配，这一过程中不同学生会对事物形成不同的认识，其相关观点的交流将会让学生对事物的认识更加全面，从而形成多元化的认知体验。在STEM课程的开展过程中，基于概念性知识的技术需求主要强调在思维上的即时反馈与记录。

（1）思维建模

根据有意义学习理论，在STEM课程学习中最重要的环节是概念转变，即学生在面临新的信息时进行概念重组。而帮助、促进学生转变概念的最佳途径之一，是帮助学生利用各种建模工具，对他们正在学习的内容进行思维建模——通过建立外化的表征，使思维模型得以成型，以促进理解。建模工具有分析学科领域的数据库（帮助学生找出所需信息并进行反思性和关联性的分析）、专家系统（通过专家问答引导进行概念转变）、动态模拟构建工具（对科学现象进行可视化模拟）、可教代理人工具（发出教学指令并辅助学习迁移）等。

（2）即时记录

学生学习概念性知识时，需要随时保持思维的敏捷和思路的清晰，进行有效的“头脑风暴”。简单的纸笔记录既浪费时间又容易损坏，而在课堂中利用技术可以随时做记录并将相关的知识联系起来。常用的文本记录工具有云笔记（随时随地进行记录和保存，将文档进行保存后还具有共享的功能）、在线电子表等。在对相关知识进行有意义的连接时，学生通常会采用导图的形式将自己的想法形象地表达出来，其中操作简单、效率较高的导图软件有XMind（在进行“头脑风暴”时应用较多）、MindManager（多用于项目管理）、Visio（多用于结构关联图）、MindMapper（多用于工作流程图）等。

（3）沟通求证

概念性知识需要学生对法则和原理进行探索、求证。在此过程中，技术对学生沟通的支持主要体现在打破物理空间的局限，便于学生进行在线交互。这里的在线交互不仅指学生与学生之间的在线交流，也包括学生通过腾讯QQ、微信、贴吧、BBS论坛等与外界进行的交流。如通过创建小组QQ交流群，学生先就概念性知识提出自己的观点，然后由群内成员对不同观点进行投票。学生对概念性知识的法则和原理进行求证时，大多采用取样调查或问卷调查分析等，其中可利用的技术是进行文本编辑的办公软件、用于问卷制作的问卷星和用于数据分析的SPSS软件等工具。

3 基于程序性知识的技术需求

程序性知识要求学生在掌握事实性知识和概念性知识的基础上，在实践中对知识进行应用和思考。STEM课程中的程序性知识采用创设新情境策略，让学生在新的问题情境中对学到的知识进行熟练运用和深入思考，并在实际操作过程中通过不断练习、实验，达到对程序性知识的熟练掌握。在课程进行的过程中有部分实验可能存在危险，如会产生爆炸、存在对身体有害的辐射等，此时学生虽不能在现实物理空间中直接进行实验，但可以通过利用技术打造的仿真模拟环境，来获得沉浸式的学习体验。

（1）模拟仿真

模拟仿真是通过建模和仿真计算，对真实世界事物的等比例外形仿真、操作仿真、视觉感受仿真。实验者通过操作相关的模拟仿真设备，可以获得身临其境般的切身体会。STEM课程为学生提供了模拟仿真的学习环境，给学生提供了充分动手的机会，学生可以自己设置各种参数和模拟环境的条件，尝试做一些在真实世界中无法进行的实验。由于STEM学科主要为理工科，很多实验的操作具有一定的风险，但在模拟仿真中因错误操作而产生的安全问题不仅会让学生提高警惕、寻找避开障碍的技巧，而且也能增强学生的安全意识。在STEM课程中，常见的模拟仿真技术主要有两种：①针对学习环境的模拟仿真技术，如半虚拟的3D仿真教室、虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术、增强现实（Augmented Reality，AR）技术等；②针对学生设计作品的模拟仿真技术，如MATLAB（数据可视化模拟）、3D Max（三维建模渲染和动画制作）、3D打印机（直接从计算机图形数据中生成物体模型）、机器人（编程的具体应用）等。

（2）游戏演练

技术人员通过编程和设计，创造出一些游戏情境，让学生在创设的情境中完成任务，通过游戏来学习在实际生活中可能会用到的知识和技能。在STEM课程中，程序性知识教学可以体现在游戏操作行为和社会情感认识上[6]。

有些游戏要求学生运用科学的推理和复杂的领导技能去取得成功。如智能花园的设计和园内草木的搭配，需要学生选择合理的种植步骤和植物的位置，这就要求学生根据实际情境全面思考，运用合理的程序完成任务。将STEM问题嵌入到游戏中，学生会自主地提取所需的信息，在此过程中事实性知识得到了积累和应用。此外，游戏演练也会对学生的情感认知产生很大的影响。如在大型游戏“我的世界”中，学生需要通过选择恰当的材料和物品来创建自己的家园，在抵御外敌侵害时，学生需要建筑城墙或者通过一系列技能来了解敌军的装备情况，以保护自己的家园。STEM游戏能吸引学生很快适应角色，积极进行发现问题并极力解决问题的尝试，在此过程中学生不仅习得了知识和技能，而且培养了STEM职业兴趣。

4 基于元认知知识的技术需求

STEM课程学习过程的元认知知识贯穿于整个课程中，让学生作为认知主体对思维和认知策略进行加工，从而发现适合自己的学习方法[7]。STEM课程要求学生利用学到的知识去解决生活中的实际问题，但学生作为问题解决的新手，欠缺相关的实践经验。而技术提供了专家问题解决案例供新手学生参考，让学生通过对比、反思，来纠正和改善自己在项目过程中的行为。一般而言，元认知知识与学生的自我效能感有很强的联系，学生对自己是否有能力完成某一件产品以及产品质量如何的判断，会直接影响学生的内部动机和STEM学习兴趣。

（1）反思改进

在STEM课程中，学生通过回忆项目过程中自己的表现，将自己的表现与专家的表现或者标准表现进行对比时，反思便出现了。在反思的过程中，技术的支持主要体现为专家对照系统和多元智能评价技术的应用：专家对照系统通过记录学生的每一步操作并与专家的操作进行对比，可以评价学生对知识的吸收情况和对任务的执行情况，这样的评价结果是客观且具体的；多元智能评价技术可以记录学生在整个项目过程中的思维和行为，便于学生观看自己在项目中的角色并进行自我评价，或观看专家的操作视频并进行对比、反思，思考自己下次遇到此种情况时如何做得更好。由此可见，通过技术的嵌入，学生可以进行客观、具体的自我评价，从而对自身的学习情况形成清晰的认识。

（2）发布分享

作为信息时代的“数字土著”，学生可以快捷地利用网络技术将自己的STEM作品发布出去，以公开展示自己的作品并表达自己的观点[8]。来自外界对作品的认可，能增强学生的STEM学习动机；而他人的评价和建议可供学生参考，并促使学生对作品进行修改完善、甚至产生新思路，故在一定程度上促进了学生的创造力。对此过程进行支持的技术有：①作品展示多媒体工具，如PPT、音频制作软件（会声会影、Adobe Audition、Flash等）、制图软件（Photoshop、美图秀秀、CAD制图等）等；②作品发布平台，如高校论坛、贴吧、YouTube等。

四 小结

本研究基于技术接受模型和技术任务匹配模型，从知识分类角度对STEM课程知识与学生体验需求进行匹配，通过技术为提高学生的STEM知识与能力提供支持。但是，由于技术丰富多样且不断发展，因此需要教育工作者能因地、因时制宜地根据实际需要进行技术与课程的合理匹配，以达到最优的技术支持、实现最佳的学习效果。期待通过STEM教育理念下技术与课程的深度融合，可以提升21世纪学生的综合能力。

[1]Davis F D, Bagozzi R P, Warshaw P R. User acceptance of computer technology: A comparison of two theoretical models[J]. Management Science, 1989,(8):982-1003.

[2]Goodhue D L, Thompson R L. Task-technology fit and individual performance[J]. Mis Quarterly, 1995,(2):213-236.

[3]刘莉莉.基于技术接受模型的大学生网络学习平台意向影响因素研究[D].金华:浙江师范大学,2013:8-11.

[4]倪兴荷.运用思维导图促进初中生分析数学概念性知识的实践与研究[D].南京:南京师范大学,2014:5-7.

[5]皮连生.教育心理学(第三版)[M].上海:上海教育出版社,2004:24-30.

[6]陈怡君.程序性知识教育游戏设计初探[J].科教文汇,2011,(25):46-47.

[7]蒋志辉,赵呈领,周凤伶,等.STEM教育背景下中小学生学习力培养策略研究[J].中国电化教育,2017,(2):25-32.

[8]傅骞,刘鹏飞.从验证到创造——中小学STEM教育应用模式研究[J].中国电化教育,2016,(4):71-78.

Research on the Integration of Technology and Curriculum under the Concept of STEM Education

GAO Kai-tao1GAO Jie1JIA Man2

According to the requirement of our country’s educational objective transforming from knowledge-centered to ability-centered, STEM (Science, Technology, Engineering, Mathematics) education could provide feasible way for the continuous development of education reform in the teaching environment, teaching methods and teaching approaches. Regarded the technology acceptance model and the task-technology fit model as theoretic basis, followed the design principles of discipline integration, technological compatibility and technical facility, the integration model of technology and curriculum under the concept of STEM education was proposed through the classification research of STEM courses and the demand analysis of educational technology. In addition, four aspects of technical requirements of the integration of technology and curriculum in STEM education were analyzed, expecting to provide certain guidance for the development of STEM courses in the information technology environment.

STEM education; integration of technology and curriculum; technology acceptance model; task-technology fit model

G40-057

A

1009—8097（2018）09—0106—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.09.016

高凯涛，在读硕士，研究方向为比较高等教育、高等理工科人才培养，邮箱为596234006@qq.com。

2018年3月6日

编辑：小米