教学目标导向的小学STEM校本课程研发与实施

张屹 高晗蕊 张岩 吴欢 莫尉 林利

关键词：解释结构模型;目标导向;STEM校本课程研发;课程实施

一、问题提出

多年以来，美国为保持良好的国家竞争力持续推动STEM教育，对提升国家经济实力，推动技术创新发展，提升国家竞争力起了积极作用。我国2016—2017年间发布的《教育信息化“十三五”规划》《全日制义务教育小学科学标准》等文件中也都倡导信息技术与教育融合发展，跨学科教育、STEM教育等新型教育模式的持续性探索。目前我国基础教育中借助特定的学科（如科学、数学等）开展STEM教育的热潮持续不下，但纯粹的STEM课程因为缺乏课程标准、大纲及权威的教材等，教师在课程实施时对学科知识的有序整合和指向教学目标的课程内容主题安排等存在一定的问题。本研究团队长期致力于教学信息化环境下的教学理论与实践研究，依托相关项目，本研究团队对接A小学一线教师，从事校本课程的设计、研发与实施等工作，从一线教师的角度去“理解事实”，关注一线教师在STEM校本课程教学中的盲点，辅助其突破瓶颈。在调研过程中发现，教师在实施STEM校本课程时存在不知如何开展，信心不足，对未知的课程安排充满畏惧等问题。STEM校本课程知识范围不确定，教学目标层级不明确，无明确的课程期望与需求，将会导致课程偏重于“做”的技术教育，忽视科学态度与素养、知识与方法、科技实践能力等方面的培养。因此，研究者采用解释结构模型分析法分析STEM课程教学目标系统，可视化教学目标结构关系，基于教学目标进行教学主题内容、教学策略和教学评价的设计，研发以教学目标为导向的STEM课程。

二、文献综述

（一）STEM校本课程研发

STEM校本课程的开展通常以国家和地方课程为指导，迎合社会创新需求，彰显地域特色和学校特色，以工程设计、项目实践等为依托，以培养学习者正确的学习态度，促进学习者的个性化学习为目的，具有课程开发过程相对简单、自下而上等特点。学校文化是校本课程开发的重要参考因素，良好的课程开发团队是课程研发顺利进行的保障[1]，学生的学习行为和认知水平是校本课程研发的重要参考因素[2]。闫寒冰等人在其研究中也指出校本教材的编制要注意教学引入的设计要从专业知识和生活两个维度出发，注重学习者原本的认知水平等问题[3]。科学—工程整合通过由“做”或“用”向“思”的转移，能够高效地融合多学科知识与理念[4]。真实问题解决作为工程设计的核心与STEM教育所强调的真实学习环境帮助学习者获得真实的学习经验存在相关性，工程设计活动可以为学习者创造集成式的真实学习环境，为学习者的学习提供空间，为学习者提供参与项目（问题）分析、整合和评估的机会[5]，促进学习者进行知识的跨学科迁移。基于工程项目的学习能够让课堂学习围绕学习者展开，由学习者的兴趣、动机驱动，使学习者沉浸于学习任务之中，在多次迭代设计和调试中完成学习[6]。STEM校本课程研发应以科学课程为载体，设计整合多学科内容的工程设计任务[7]，组建课程研发研究团队，帮助教师把握学科知识内容安排的科学性和合理性，关注探究学习过程中知识内容与工程设计项目的有机结合。

（二）教学目标导向的STEM校本课程研发

教学目标规定了教学主题、教学法、教学评测的范围和取向[8]，教学目标具有导教、导学和导评三个方面的作用[9]。武法提提出以目标为导向进行网络学习环境的设计，能够支持以学习者为中心的有效学习[10]。在課程开发与实施方面，王映学通过实证研究指出目标导向教学可以促使教师教学观念和教学行为发生变化，使教师在课堂中更准确地把握教学目标，设计或选择指向教学目标的教学策略和评价，从而优化教学效果[11]。教学目标导向的课程开发要经历教学目标制定与梳理、基于目标的教学内容安排、教学策略和评价的选择等阶段[12]，首要前提就是目标的合理设计与排序。目前单学科知识体系十分成熟，且彼此之间存在明显的隔离，因此，以跨学科为代表的STEM校本课程研发首先需要的就是采用更为客观、科学的方法对课程中涉及的教学目标进行科学的排列组合[13]。

解释结构模型（ISM）分析法能够从根本上理清基于工程任务的STEM课程中所牵扯的跨学科教学目标以及教学目标之间的先后关系，为科学有序的安排教学内容、选择教学策略和评价提供依据。华费尔为解决复杂的系统问题开发了ISM分析法[14]，该方法能够用于研究和分析相互依存的变量之间的复杂关系，以便将复杂的系统关系转化为可视化的结构模型[15]。ISM分析法被广泛应用于能源、建筑、知识管理以及教育等行业领域[16]，在教育领域主要被广泛应用于教学知识导航、教学目标层级分析以及教材的开发等方面。Rahman等人采用ISM分析法构建教材知识元素解释结构模型，为教科书内容优先级的制定提供指南[17]。吴郑红运用ISM分析法对学习者原有认知和教材概念知识目标进行分析，为学习者设计开发个性化知识导航[18]。佐藤隆博教授同样证明了ISM适用于教材目标分析[19]，傅德荣、刘清堂等人在其出版的学术专著中也对ISM分析法进行了详细的讲解和说明，指出该方法能够用于教材分析，能够可视化内容目标的结构和序列[20]。

（三）STEM课程对学习者能力的培养

STEM课程能够跨越学科之间的界限，有效促进学生创新意识的发展、知识技能的习得、思维能力的提高。21世纪，人们在乎的不只是你拥有多少知识，更在乎你能利用自己所知道的知识干什么，即学习者的知识迁移应用能力。STEM课程强调围绕真实问题开展教学，将科学、技术、工程和数学等多学科知识采用一定的教学策略进行有机整合[21]，具有促进学科融合的可行性[22]。国外相关研究证明STEM教育能够促进学习者在学习过程中的良好表现[23][24]，能够改善学习者对STEM领域的学习兴趣和动机[25][26]，并且能够提高学习者在STEM领域的成就[27]。张屹等人通过实证研究证明了跨学科STEM教育对于学习者数学和科学两门学科的学习意识提升具有显著性效果[28]，对于学习者计算思维等高阶思维能力的培养具有显著效果[29]。袁磊在其研究中也指出STEAM教育理念与我国深化教育改革理念相契合，STEAM教育的出发点与我国核心素养教育的出发点相契合，均指向未来社会需要的人才的培养[30]。

基于此，本研究基于解释结构模型分析STEM课程教学目标，科学直观地分析STEM课程中教学目标之间的层级关系，将零散的、跨学科的教学目标通过可视化的模式表述出来形成教学目标序列，基于教学目标进行教学主题内容设计与安排、教学策略和教学评价的设计或选择，设计并实施教学目标导向的STEM校本课程《小红鹰气象站的建设与运用》，促进学生知识技能的获取、STEM学习兴趣的提高以及思维能力发展，为一线教师及相关研究者进行小学STEM校本课程研发提供参考。

三、基于ISM的STEM校本课程教学目标设计与分析

STEM校本课程《小红鹰气象站的建设与运用》的研发和实施在武汉市A小学进行，气象站建设是“校园生态网”建设的重要部分，可以为“小红鹰湿地”“生态种植”等项目提供温度、土壤湿度、雨水等气象数据，并为全校师生提供温度、降雨、风力风向等信息。课程开发研讨期间，恰逢武汉市区内为准备“军运会”而多处施工，给学生的学习和生活带来了影响，因此，本次课程设计在传统校园气象站气象指标测量的基础上增加噪音、空气质量的检测。基于以上情况，由高校研究团队、A小学科学和信息技术老师、教研员组成STEM校本课程研发小组，以校园建设和城市改造为课程研发背景，凭借“小红鹰气象站建设”工程设计项目，以四年级下册科学课第一单元“天气”为基础，结合图形化编程、数学、手工与技术等相关知识概念与技能，进行《小红鹰气象站的建设与运用》STEM校本课程研发。

运用ISM分析法对STEM校本课程教学目标进行分析，实现教学目标的结构化和序列化，可视化STEM校本课程教学目标之间的关系结构。首先，研究者负责介绍结构模型的方法、编写分析代码以及联合三方成员进行教学目标设计和教学目标邻接矩阵的建立。第二，运用MATLAB对教学目标邻接矩阵进行分析生成教学目标可达矩阵，建立初步的教学目标层级图。最后，课程研发小组成员进行深度研讨，构建STEM校本课程《小红鹰气象站的建设与运用》教学目标解释结构模型，具体过程如图1所示。

（一）设计STEM校本课程教学目标

《小学科学课标准》倡导学习者通过动手实践综合运用多学科领域的知识、技能和思维方法，参与科学探究过程，建构更加完备的知识与技能体系，为学生科学素养的良好发展提供沃土。《基础教育信息技术课程标准（2012版）》倡导基础教育中学习者能够观察、认识和了解基本技能，引导学生在实际生活中运用技术[31]。因此，STEM校本课程研发小组依据课标要求以及对学习者认知情况的分析，结合校本课程特点，采用改进的名义小组技术（Nominal Group Technique，简称NGT）[32]进行项目知识元素的抽取并构建教学目标。其中，科学（S）——用科学知识理解自然界并参与影响自然界的过程，所包含的基本知识有：气象站指标、气象站作用，气象站建立的影响因素等;技术（T）——使用、管理、理解和评价技术的能力，所包含的基本知识有：传感器的识别，传感器的程序编写等;工程（E）——对技术工程的设计与开发过程的理解，所包含的基本知识有：气象站的防护与建立;数学（M）——学生表达、理解和解决多情境下的数学问题的能力，所包含的基本知识概念有：数据的测量、计算与表达，最终本次课程共设计了34个教学目标，具体情况表1所示。

（二）建立STEM校本课程教学目标邻接矩阵

采用群体决策方法，基于布鲁姆教学目标分类模型中对认知领域从低阶到高阶的划分[33]，教学目标从最简单到最复杂的划分以及教师的教学经验对STEM校本课程教学目标之间的直接关系进行安排。在此过程中使用头脑风暴法、名字小组法等群体决策技术进行教学目标之间连接关系的确定[34]。笔者根据教学目标之间的直接关系建立教学目标关系邻接矩阵A，在教学目标关系邻接矩阵中若Ai（行）是Aj（列）的先前教学目标，则Aij 填1;Ai（行）不是Aj（列）的先前教学目标，则Aij 填0。

（三）建构STEM校本课程教学目标关系图

采用MATLAB软件对STEM校本课程教学目标邻接矩阵进行分析，构建STEM校本课程教学目标层级有向图。对基于教学目标间邻接矩阵运用布尔矩阵的运算性质，即：令A1=（A+I），An=（A+I）n，其中I为单位矩阵;当（A+I）n-1≠（A+I）n=（A+I）n+1=M时，可得可达矩阵M。基于可达矩阵M求解教学目标系统的层级结构图。首先定义两个集合R（si）、A（si），其中R（si）表示从si出发可能达到的全部要素集合，称为可达集合;A（si）表示所有能够达到si的要素组合，称为先行组合。满足R（si）∩A（si）=R（si）的si集合中的要素是全部要素中的最高层级，依次将最高层级元素求出，即可得到教学目标的不同层级。再根据要素层级和教学目标直接关系矩阵所表示的直接关系，即可绘制教学目标系统的层级有向图，如图2所示。

（四）建构STEM校本课程教学目标解释结构模型

采用小组研讨决策的方法对教学目标层级有向图进行分析讨论，构建STEM校本课程教学目标解释结构模型，可视化教学目标结构。在建构《小红鹰气象站的建设与运用》课程教学目标解释结构模型时，STEM校本课程研发组成员进行深度研讨，按照教学目标层级有向图从低到高排列进行安排，并根据相关实际情况进行适当调整，形成《小红鹰气象站的建设与运用》课程教学目标解释结构模型。其中，“显示屏编程”虽然与其他编程项目本属于同一层级，但是STEM校本課程研发组成员一致认为放在所有传感器编程实现之后会更好，可以将之前所学的气象传感器数据再次复习并显示在显示屏上，增强学习活动的实用性，增强学习者学习的有用性感知。运用解释结构模型分析法可视化STEM校本课程《小红鹰气象站的建设与运用》教学目标层级，从上至下教学目标等级不断下降，每层学习目标的实现均需要在下层目标实现的基础上进行。在此基础上，将课程教学目标按照不同的目标等级分派到不同的教学主题中去，按照一定的顺序完成教学主题，增强教学安排的合理性和科学性。

四、教学目标导向的STEM校本课程教学主题、教学策略和教学评价设计

教学目标的引导功能，为课堂教学提供了方向和活动范围，有了教学目标，教师的教学才能够有据可循，理解教学目标是课堂教学的基本起点。教学策略则是以教学目标、教学内容为指导，以促进学习者的学习为目标，在教学过程中采用的一系列教学方法或手段[35]。基于教学目标，《小红鹰气象站的建设与运用》课程主题内容的设计、教学策略及教学评价设计如下。

（一）课程主题内容设计

教学目标导向的教学主题内容设计使学习者的学习沿着合适的方向前进。基于教学目标可以对学习者可能进行的活动、可能取得的效果、可能面临的问题和困难加以预测、估计，并切实做好各种准备，以便及时的指导反馈，及时纠正可能出现的学习偏离情况[36]。本研究遵循《小红鹰气象站的建设与运用》教学目标解释结构模型中教学目标层级安排，综合考虑现有的教学条件及相关因素，以促进学习者多学科知识的习得和迁移以及高阶能力的发展为目标，运用类似鱼骨图（Fishbone Diagram）的群体决策法进行《小红鹰气象站的建设与运用》课程主题内容结构分析与设计。

首先确定总目标“小红鹰气象站的建设与运用”作为“鱼头”，教研员、信息技术老师、科学老师及研究员围绕这一总目标进行群体决策与分析，将“小红鹰气象站选址”“小红鹰气象站内部设计与调试”“小红鹰气象站外观设计与建设”以及“小红鹰气象站运用”四个挑战设定为“大骨”。依据“小红鹰气象站的建设与运用”教学目标解释结构模型所得出的教学目标层级确定多个主题课程作为“中骨”，每个主题课程包含1到4个教学目标作为“小骨”。“小红鹰气象站选址”包括主题课程一“初识气象站”主题课程二“校园气象站初步选址”和主题课程十“田野调查 确定选址”;“小红鹰气象站内部设计与调试”包括主题课程三至九，如：“初识传感器”“温湿度测量仪”“产品调试”等;“小红鹰气象站外观设计与建设”包括主题课程十一“气象站形象设计师”和主题课程十二“气象站开工仪式”;“小红鹰气象站运用”包括主题课程十三至十五，分别为“数据采集与分析”“数据绘图”和“气象播报”。“小红鹰气象站选址”和“小红鹰气象站外观设计”两部分的主题课程安排存在交叉现象，目的是在学习开始前为学习者提供一个真实的工程情景，并在学习过程中不断地接触真实情景，从真实情景中得到反馈，完善和修改设计。

（二）教学策略与教学评价设计

教学目标是教学评价、教学法、技术手段选择的前提，教学评价、教学法、教学技术是信息化教学环境下不可缺少的三要素。技术支撑教学评价与教学策略的设计与实施，教学策略和教学评价的选择，则需要在综合分析教学目标、教学主题内容等情况的基础之上进行，以促进学生有效学习的发生[37]。本研究基于“小红鹰气象站的建设与运用”教学目标解释结构模型和APT（Assessment、Pedagogy、Technology，简称APT）教学理论，确定《小红鹰气象站的建设与运用》课程教学策略、教学评价和教学技术，如图3所示。

教学法本身无好坏之分，关键在于针对合适的教学目标和教学内容选用合适的教学法，如图3所示，依据教学目标，《小红鹰气象站的建设与运用》课程中基于设计的教学法始终贯穿整个教学过程，除此之外，针对不同教学主题，适当引入基于问题、田野学习、合作学习等教学法，促进学习者在各个阶段的学习;依据教学目标类型，选用任务单、课堂交互、量表、随堂测试等形式进行教学评价，其中，任务单支持和评价学习者的学习过程，课堂观察、师生交互、随机访谈等关注学生的知识、实践能力，量表等测量学生的思维发展;技术在整个过程中不仅作为一种学习内容同时也支持教学法、教学评价的完成，支持教师的教学及学习者的学习过程。

五、课程实施与实施效果分析

参与本次课程的教学对象为武汉市某小学报名《小红鹰气象站的建设与运用》社团课程的学生，男生数量占据优势，11人，女生数量略少，7人，分为5个组，每个组3—4人，男女生都有。依据上述主题内容设计，结合学校社团课时安排，2018—2019学年下半学年实施《小红鹰气象站的建设与运用》课程，周一下午最后两节上课，课程进行16周，共32个课时，课程实施过程及实施效果如下。

（一）课程实施

本研究选取两个节点讲述，（1）第一个主题课程“初识气象站”，从学校需求出发，了解和学习常见气象站的功能及样式，从功能角度设计校园气象站，将身边的实际需求与学生的学习进行有效的关联;（2）第十三个主题课程“小红鹰气象站开工仪式”，安排在小组设计的“迷你气象站”完成测试与调试后，由相关公司参考学生的设计进行实际工程的实施建设。在本节课程中学习者参与开工仪式，综合考虑分析校园气象站建设所需的环境和防护，通过田野学习增强学习者对知识的理解与迁移运用。让学习者感受由抽象到产品，自己的设计转换为实物产品的过程，感受自己为建设学校所作的贡献，使学习者的知识学习与社会的实际需求相连接。

（二）学生知识技能及思维发展情况分析

本研究从学习者的知识技能发展和思维发展两个维度来评价课程效果，其中学习者的知识技能发展通过课堂观察与任务单两个方面进行评价;学生思维发展情况采用《小学生计算思维与STEM职业兴趣量表》（以下简称《量表》）对学习者的计算思维和STEM职业兴趣进行测评。《量表》计算思维部分改编自?zgen Korkmaz[38]等人2017年发表在Computers &Education上的《計算思维量表》，保留了创造力、逻辑思维、批判思维、问题解决和合作能力五个二级维度;STEM职业兴趣部分改编自2016年Karen Peterman[39]公开发表的《STEM职业抱负量表》。《量表》共包括37道题，采用5级评分，学期开始前进行了大面积施测，Cronbachs Alpha为0.986，表明《量表》信度较高。本课程作为兴趣类社团课程，由于社团课具不具备绝对的强制性，所以回收的数据中可实现前后配对的有效数据为11份。

1.学习者掌握了科学、数学、工程技术等方面的知识技能

从课堂观察、学习任务单及学生作品来看学习者知识技能习得情况尚可。从课堂观察情况来看，小组合作过程中相比总结汇报类任务学生更倾向选择动手类任务，在总结汇报阶段能够大致将本次活动任务的知识总结到位。从小组学习任务单的完成情况来看，学习者经历气象站的选址、内部传感器调试、外观防护设计和数据理解与运用四个环节后，所有小组成员在任务单的辅助下均完成了知识技能的学习，大部分学生掌握了气象站建设与使用相关知识、数学运算与制表、工程设计等知识和技能。

2.学习者的计算思维能力有一定程度的提升，但提升程度不显著

经过本学期的校本课程学习，学习者计算思维能力各个维度上的均值得分均增加。如表2所示，学习者计算思维的各个方面的均值均有小量增加，其中创造力维度的均值增加较多，并且标准差均呈现减小的趋势。由于可配对人数较少，故采用两配对样本非参数检验，结果显示计算思维五个维度上的增量均不呈现统计学意义上的显著性。此次由于社團课程本身性质，未能所有社团成员参与前后测，部分较优秀同学未能收录数据，在此后的研究中将通过增加实验对象来进一步保证数据的完整性和代表性。

3.课程前后学习者STEM职业兴趣没有显著性差异

经过本学期的校本课程学习，学习者的STEM职业兴趣，即未来从事STEM相关职业的兴趣期望均值未发生明显变化，两配对样本非参数检验结果不呈现统计学意义上的显著性，如表3所示。学习者职业兴趣未显著性增加的原因可能是学习者年龄较小，还未能体会到职业兴趣的内在含义，偏向态度方面的测量将会更好。除此之外，从课堂观察来看，可能是由于小组成员分工不合理，导致部分组员未能参与工程动手类活动，而是在做设计、美化类活动，从而导致对工程实践类工作感知度较低，此处是我们在以后的课程修改中需要考虑的问题之一。

六、总结与反思

运用解释结构模型可视化STEM校本课程中教学目标之间的层级关系，为基于教学目标的课程设计与实施提供依据。STEM教育理念如何落实是基础教育中一线教师及相关研究者重点关注的问题，本研究从一线教师的教学需求出发，运用解释结构模型分析基于工程设计的STEM校本课程教学目标系统，将零散的、跨学科教学目标之间的关系可视化的表达，构建基于设计的跨学科STEM课程教学目标解释结构模型，基于目标进行教学主题内容的设计以及课程的实施和评价。参与本次课程活动序列设计的两位科学老师和信息技术老师表示，在教学目标提取阶段存在一定的难度，但是通过此过程教师对于STEM校本课程整体教学目标系统了熟于心，增加了课程知识内容安排的科学性和合理性。并且，通过本次课程的学习，学生的知识技能和思维能力得到了发展。但是本课程仍然有需要进一步完善的地方，在进一步的研究中将重点关注以下问题：

（一）完善和发展校本课程

《小红鹰气象站的建设与运用》校本课程以其情境性、实用性等特点吸引着同学们的积极参与，并引起除信息技术、科学老师以外的更多学科老师的兴趣，如：数学老师、语文老师、美术老师等，因此，本课程将进一步在全年级范围内进行教学实施，将组建人数更多、学科更丰富的课程研发小组，综合考虑整个年级学生的情况和本轮课程实施的结果对课程内容、学科整合形式等进行进一步的完善。

（二）探究课程对学生STEM学习态度及成绩的影响

在本次教学实践中，从课堂表现及任务单情况来看，学习者在知识技能和思维能力方面均有增加，学习者确实掌握了相应的知识技能，但由于研究对象数量问题，思维发展变化从统计学角度来看并不呈现显著性，期望通过进一步的实证研究证明教学实践效果。因此下一轮课程实施将集合全年级力量，综合协调多学科课程安排，探究深度融合的《小红鹰气象站的建设与运用》STEM校本课程是否对学生STEM学习态度有显著性影响;是否对学生学习成绩有显著性影响，对水平较差和水平较好的班级影响情况是否一致。