理科师范生STEM素养发展的实证研究

黄 晓, 骆康康, 包程程

(1.浙江师范大学教育学院，浙江金华 321004； 2. 上海齐齐哈尔路第一小学，上海 200082)

STEM(科学、技术、工程与数学)教育作为培养创新能力的新兴途径[1]，近年来成为政府、学者、机构等共同关注的话题。STEM教育得以凸显，STEM素养、STEM教师能力等得以关注，也表现在中国《STEM教师能力等级标准(试行)》等的出台。从国际STEM教育的相关研究看，呈现研究内容逐渐从意义建构走向课程实践的探索以及STEM教师的培养[2]。针对STEM教师培养，有学者发现教师的学科背景、性别会对教师的STEM态度、学生STEM学习产生影响[3]。理科师范生作为未来STEM教师的主要力量，STEM素养现状如何？在专业、性别、年级方面是否存在差异？需要立足于理科师范生的STEM素养现实，探索存在的问题、成因，结合当前理科师范教育的课程与教学提出提升路径。

一、研究设计

(一)研究工具的编制

调研主要采用问卷与访谈法。论文对STEM素养采用Alan Zollman的理解，即STEM素养是基于科学素养、技术素养、工程素养、数学素养整合之上的素养[4]。一名具备STEM素养的教师应同时具备：理解STEM学科概念，综合运用四门学科解决生活问题的能力并有积极的STEM态度。学科概念理解包括科学、技术、工程和数学学科概念理解四个指标SK(Scientific Knowledge)、TK(Technological Knowledge)、EK(Engineering Knowledge)、MK(Mathematical Knowledge)；综合运用四门学科解决问题能力PSA(Problem-Solving-Ability)具体为综合运用科学探究、技术运用、工程设计、数学建模等解决社会生活问题；STEM态度包括STEM对个人与社会影响的认识(AE)、STEM职业的兴趣(CI)、STEM学科之间关系(ATC)三个指标。

问卷包括STEM学科概念理解、问题解决能力、STEM态度三个维度，题型分为选择题与开放题。选择题共61题，采用李克特量表，即每题从“赞同-5”到“不赞同-1”的五级积分法，分数越高，对该题认同度越高，主要考察学科概念理解与STEM态度，如“工程类知识在生活中并不实用”等，信度α系数为0.931(如表1)，说明信度较高；开放题以工程和技术内容为主题，主要考察理科师范生综合问题解决的能力，采用0-2计分制。若考察要点与原因阐述均正确，得2分；只答出考察要点，给1分。如在桥梁设计时对桥墩填埋深度选择所需考虑的因素中，回答“桥梁重量、水流大小、土质结构等”涉及考察要点，但未进一步阐述原因，记1分。访谈提纲编制是基于STEM素养问卷，内容涉及工程设计、技术应用、问题解决能力、对STEM教育的认识、态度以及所学课程对认识STEM作用等，试图更准确获得理科师范生的理解及可能原因。

表1 总量表信度

(二)研究对象

调研对象选择了浙江高师院校理科师范生，专业涉及综合科学、物理、数学、化学、生物、计算机科学与技术(以下简称“计师”)，共1221人，去除无效问卷，有效问卷1099份。调研对象专业、性别及年级分布情况见图1，各专业学生平均学分绩点(知识水平评价)所分布的比例相当。访谈对象从各专业不同平均学分绩点分布中随机选择了72位同学，主要采取面对面访谈。

图1 调研对象分布情况

二、理科师范生STEM素养存在的问题

掌握STEM相关学科领域的基础知识与原理是STEM教师开展教学活动的前提，综合问题解决能力则为STEM素养的核心表现，STEM态度是STEM素养提升的关键。通过调研、访谈，发现理科师范生学科概念理解尚存在偏差，综合问题解决能力亟待提升，STEM态度与职业理想还需涵养。

(一)学科概念理解存在偏差

表2 理科师范生STEM素养差异分析

注：数学专业归为数学类，剩余为科学类；大一与大二归为低年级组，剩余为高年级组；*表示p<0.05,**表示p<0.01。

图2 学科概念理解专业差异情况

图3 学科概念理解年级差异情况

专业对学科概念理解的影响进一步从访谈中凸显，“专业限制、学科特性”等成为聚焦点，如“自身专业属于科学，应该对科学有信心”、“工程、技术更需要开展实践，需要动手，我可能还缺乏这些能力”、“我觉得数学跟科学比较有信心。因为技术跟工程接触的确实不太多”。可见，尽管理科师范生已基本掌握各学科基础知识与原理，但由于专业课程内容、设置等因素致使学科概念理解“瘸脚”情况的存在，促进各专业、性别、年级的理科师范生学科概念理解亟需关注。

(二)综合问题解决能力亟待提升

综合问题解决能力作为当下社会竞争所必须拥有的技能[5]，是指进行认知加工理解和解决问题的能力[6]，包含了“面对问题的意识”，“处理问题的方法策略”和“问题解决的好坏”[7]，表现为综合运用科学探究、技术应用、工程设计与数学建模解决复杂的社会问题。在日益复杂的社会环境下，人们常需面对各式各样的复杂问题，理科师范生是否已经做好准备？在针对“如何才能整合多门学科进行教学”的访谈中，多数师范生提到“首先主要需要能够将四门学科进行整合”、“需要寻找四门学科的共同点，把它理顺”，反映多数理科师范生已有综合运用学科知识解决问题的意识。

开放式的问题调研与访谈的定性分析呈现了理科师范生问题解决策略的缺失，多数师范生难以获得解决问题的信息及方法，如针对“如何理解工程设计与制作”师范生回答“感觉好像有一张图纸一样，在你的实施工程之前，需要有个对他的初步的构画，以及它的构造，材料之类的。”尽管多数理科师范生具备综合运用知识的意识，但处理问题的策略与结果有待提升，综合问题解决能力依旧薄弱。

图4 综合运用学科知识解决问题能力专业差异情况

此外，STEM素养相关性分析发现理科师范生的问题解决能力(PSA)与学科概念理解(SK、TK、EK、MK)各指标均存在正相关(p<0.01)，学科概念的缺失会对问题解决能力产生影响。问题解决能力与STEM态度各指标间也存在非常显著的相关性，具体见表3。如何针对性地提升理科师范生对问题解决策略的掌握、学科概念的认识及STEM态度来培养问题解决能力成为难题。

表3 理科师范生STEM素养相关性分析

(三)STEM态度与职业理想需要涵养

STEM态度是STEM素养提升的关键，反映了未来从事STEM教育行业的理想，也影响着STEM教学的质量。关于理科师范生的STEM态度，涉及STEM学科之间关系、STEM个人与社会影响的认识及STEM职业的兴趣三方面。从表2调研数据分析看，理科师范生STEM态度得分4.04，处中等偏上水平。

表4 理科师范生STEM态度性别差异

图5 STEM态度性别差异情况

图6 STEM职业兴趣性别差异情况

三、走向综合、开放、多元的理科师范生STEM素养发展

STEM素养的不同维度分析，多视角呈现了理科师范生STEM素养存在的问题，STEM学科概念理解、问题解决能力及STEM态度具有较强的相关性，是一个相互制约、促进的整体。需要对研究中呈现的问题进行归因分析，进而提出对策。

(一)注重教师教育课程的综合性，加强学科交叉理解

学科概念理解存在的偏差源于各专业课程内容突显自身特色，而缺乏对学科课程群的结合与关联性考虑。师范生在学习专业课程时，若课程本身或课程类型涉及较多学科领域知识，授课教师能够较好进行跨学科教学，对其学科概念理解与综合解决问题的能力具有较大帮助。如大一跨“专业”的部分通识课程及大类平台课程，部分解释了大一学生学科概念理解表现为“U”型的一高端可能归因。不同专业的课程对学科间联系的关注是不同的——物理专业不仅要学习科学类知识，相对化学、生物等专业有更多接触工程技术方面知识的机会。数学作为一门基础学科，与各学科间联系紧密，课程内容涉及范围较广。相比，化学和计师专业课程内容突显专业特色，缺少学科交叉内容，限制其对其它学科概念的理解从而影响了对学科间关系的认识(如表3、图2)。这也表现在访谈问题“以前学习的课程哪些对解决这些问题有帮助？对哪些知识与素养比较自信？”的回答中，多数师范生认为自身专业所开设的课程是有帮助的，但专业外的课程除数学课程外少有涉及。

物理Phys106：高数肯定有，还有力学。我觉得工程方面可能与电磁学热学有关的不是很多。

计师PC123：因为自身专业的缘故，会对数学与技术比较有信心。

生物Bio114：大学里感觉基本没有，因为我们学生物的，物理好像基本没什么接触。

生活实践是学生理解、运用学科知识的桥梁，也是学科交叉的原始生态。由于专业课程价值观念的偏差，师范教育课程内容陈旧且忽视与生活实际的联系[8]。工程与技术内容尽管与社会生产息息相关，但在基础教育阶段长期不被重视，数学课程过于强调包含证明推理、定义等的逻辑体系[9]，使得理科师范生对学科概念的理解效果不佳。尽管高等数学是每个理工科专业必修的通识课，由于教学中重在定义、证明、推理等，学生的数学学科概念理解亟待提高，如访谈中学生认为“数学大多都是理论知识，应该加强实践方面”。大四年级关注思想、方法与学科史的专业拓展课程(如学科史、工程与技术等)与实践教学课程(如学科实验教学、教师教育实践)是对实践、综合应用的关注，部分诠释了大四学生学科概念理解处于“U”型的另一高端的可能归因。

跨学科培养是STEM教师培养区分于传统教师培养的关键，国内当下以分科培养模式[10]为主的STEM专业教师培养模式中，学科关系存在的困境势必阻碍理科师范生STEM素养的发展，对STEM教师的培养质量产生影响。为解决上述问题，需要在呈现各专业独特优势基础上，注重考虑教师教育课程的综合性，加强学科交叉理解。首先，需要调整必修课程内容领域，拓宽理科师范生的专业基础，强调数学、技术知识的重要性并加强与社会生活、技术发展的联系激发学习热情；其次，改变课程内容的理论倾向，将教育理论与学科知识有机结合，学科逻辑与生活经验深层次整合。此外，还需促进教师教育课程的关联性与综合性，融入学科交叉内容。这也可以反映在师范生对访谈问题“STEM教育的理解”的回答中(如表5)，高达87.5%的理科师范生不知道STEM教育的内涵或未曾了解过STEM教育，仅少部分认识到STEM教育是四门学科的整合，这对高师院校教师教育课程多元化提出了要求。高校迫切需要丰富选修形式，增设促进综合思维培养的STEM相关课程，为有意愿、有兴趣了解或从事STEM教育的职前教师提供机会，实现课程对象与内容的综合化。在课程实施方面，还可开设STEM教育研讨工作坊、STEM教育相关教学竞赛等活动，为师范生创设项目式教学，基于问题解决的教学，以理解与践行STEM教学新范式。

表5 STEM素养理解及对大学课程的建议

(二)创设开放的问题解决课堂环境，实现教学方法的多元

综合解决问题能力薄弱，不仅与各学科课程内容是否体现综合性的特征相关，还归因于教学活动开展过程中，高校教师将重心放在教学内容上而对教学方法缺乏关注，习惯于采用传统的“讲授法”[11]，致使师范生在面对真实问题过程中难以明确问题并制定合适的解决方案。STEM教育理念的践行与STEM课程实施，凸显了基于项目的学习，问题解决学习中对科学探究、技术应用设计、工程设计与数学建模的关注。然而，高校教师倾向于按照学科逻辑而不是基于未来社会对师范生的素养要求选择教学方法，开展教学活动。单一的讲授法阻碍学生对学科间交叉关系的关注，限制了对学科间联系的发现与综合运用，这也明显反映于师范生的访谈中：

数学Math126：教了我这些知识之后，它最后的影响就只仅仅是纸上，没办法和生活建立起一种正常的联系，是脑子中过一遍……然后就是听老师讲，真正的理解还不够。

技师Tec111：老师常常几节课连在一起讲授，PPT常常直接点一点过去，缺少思考的时间……

生物Bio231：不能说只是在书本或者PPT照搬照读，而是要让学生能够体会到它与生活之间的关系......教师对教学方法的研究也需要更加的深入。

物理15218：现在的课程我感觉理论的知识学的太多，可以多关注一些实践与应用。

作为STEM教师专业素养提升的主要场所，高等师范院校须紧跟时代发展步伐，充分认识提升教师STEM素养的重要性，改革师范教育课堂环境。为提升师范生综合问题解决能力，需要针对不同的学科内容通过基于项目/问题学习方式开展探究活动[12]，关注问题解决的多元教学方法，营造开放的多元主体问题解决课堂学习环境，为师生的交流合作、互相学习提供契机，通过发挥各自优势形成内部的“生态系统”，不仅能够获得学科知识以缓解理科师范生学科概念理解在年级上出现的“U形”困境，更有助于在真实的问题解决过程中提升综合运用知识解决问题的能力，突破STEM教师培养教学的困境。创设开放的问题解决课堂环境不仅是教学所需，更是师范生STEM素养发展之需。此外，提升高校教师融合STEM理念进行教学的能力也是十分必要的，通过组建多学科背景的教师协作团队，关注学科融合，加强生师互动，将课程内容与教学方法改革落实到高等教育领域。基于“互联网+”融技术于课堂，运用混合式教学等多样的教学模式以创设真实问题情景来激发学习主体的自主性，保障课堂环境的开放性。

(三)引领多元化的职业理想与定位，涵养师范生STEM态度

理科师范生STEM态度(特别是STEM职业兴趣方面)不浓厚关键在于师范生专业定位过于单一。由于我国目前师范专业设置常与中学学科对应，即以中学所需学科为基础，注重培养中学所需学科教师。师范生往往也将自身专业定位为未来教师，不仅导致对自身专业外的相关学科缺乏关注，也限制其对自身职业的多元视角理解。这与STEM教育的跨学科性、综合性需求脱节，限制了师范生多元职业兴趣。引领多元化的职业理想与定位，还需关注性别差异。男性相比女性在STEM领域往往具有更高的归属感，这与他们的人际关系、自我效能感、兴趣等因素相关。女生的知识记忆能力优于男生[13][14]，往往会在知识理解上表现更好，有助于学科间关系的认识。这表现于“综合运用多学科知识的能力受哪方面因素的影响？”的访谈问题回答中：

数学Math209：我觉得科学和数学方面会比较适合女孩子，相对来说，技术和工程比较适合男孩子。

计师Tec111：女生在知识掌握情况往往比男生扎实，但是在动手能力方面，男生会更加熟练。

生科Bio204：其实我觉得技术工程和数学我都不行。我觉得我操作能力不好，所以我觉得技术、工程这一方面不好。我相信其实很多女生作为以后去当理科老师，这几个方面应该都不太行。

基于STEM教育的综合性、开放性，师范生STEM态度的涵养需要积极推动高校内部的有机协调与合作，通过多学科视角渗透多元化、开放化的职业理想导向。还有赖于高校与政府、企业、中小学及社会机构的协同，丰富STEM教师的培养途径[15]与监督保障机制，积极发挥STEM岗位实践对理科师范生实践能力及教育事业责任感培养的作用，在真实的问题解决过程中认识技术与工程的重要性及学科间的联系，从而提高学科兴趣及从事STEM职业的热情[16]，引领多元化的职业理想与定位。