STEM课堂中学生情感能量的质性分析

江丰光　杜娟　唐家慧　刘彦秋　贾一丹　[澳]詹姆斯·P.戴维斯

摘要：STEM教学已经成为跨学科教育的主流，然而目前我国针对学生STEM课堂情绪的研究主要以问卷调查等定量研究为主，质性研究较少。问卷调查作为一种课后的检测手段，降低了对学生直观情绪变化探究的真实性。而且情绪虽然通过个人表达，但它作用于日常社会交互并被社会交互所影响。描述微观社会环境中社会互动结果的情感能量（Emotional Energy），可以反映个体或集体在进行成功的社会交互后的情感体验，有助于人们从社会学视角分析情绪与认知间的相互作用。基于情感能量模型，采用民族志观察法，对某乐高课堂中的学生情绪状态进行分析后发现：（1）在STEM课程中情感能量有戏剧性和非戏剧性的波动，这种情绪能量体验会随着课程的深入而发生变化;（2）学生的情感能量与其课堂表现紧密相关;（3）高强度的小组情感能量更有助于科学知识的理解;（4）将情感注入STEM学习会增强学生的学习兴趣。因此，教师在STEM教学中要注意学生课堂情绪的调节，采取一定的教学支持或干预措施激励学生探究和小组合作，提升STEM教学质量。

关键词：情感能量;STEM教育;定性研究;乐高课程;课堂观察

中图分类号：G434   文献标识码：A    文章编号：1009-5195（2021）02-0096-08  doi10.3969/j.issn.1009-5195.2021.02.010

作者简介：江丰光，博士，特聘教授，博士生导师，上海师范大学教育学院教育技术系主任（上海200234）;杜娟、唐家慧、刘彦秋、贾一丹，硕士研究生，上海师范大学教育学院教育技术系（上海 200234）;詹姆斯·P.戴维斯（James P. Davis），高级讲师，澳大利亚昆士兰科技大学教师教育与领导学院教育系（澳大利亚昆士兰州 4059）。

一、引言

情感与认知是两种密切相连的概念和行为（赵玉鹏等，2009）。情感表达着我们的某种感受、某种思维倾向，为认知提供线索，并发起组织和驱动认知的行为方式;反过来，认知也赋予情感某种特殊和具体的含义，并帮助人们对情感—认知结构的界定（王静，2011）。情绪和情感都是人对客观事物态度的体验，情绪相较于情感，具有较大的情境性和外在表现性（李嗣威，2014）。近年来，相关研究表明，教师和学生的课堂情绪感受与课堂教学效果密切相关（程秀兰，1994;乔云等，2011;徐海娣，2013;姚玉峰，2016）。因此，教师如何正确把握学生在课堂中的情绪，并据之及时调整自己的授课方式，最终提高课堂教学效果，已成为当前课堂教学研究的重要议题。

STEM作为一种以学生直接体验为主的、基于真实问题情境的课程，多以项目式学习活动为主，与学生的创新能力、动手能力等息息相关（秦瑾若，2017）。罗希哲等（2015）的研究发现，STEM学习活动是一个充满挑战且兼具学习性的情绪创造历程;个人与群体间的情绪变化较强烈。然而目前我国针对学生STEM课堂情绪的研究主要以问卷调查等定量研究为主，质性研究较少。问卷调查作为一种课后的检测手段，降低了对学生直观情绪变化探究的真实性。而且情绪虽然通过个人表达，但它作用于日常社会交互并被社会交互行为所影响。因此研究者引入“情感能量”（Emotional Energy）这一概念。情感能量被描述为在微观社会环境中社会互动的结果（Davis et al.，2018）;是个体或集体在进行成功的社会交互后的情感体验（Davis et al.，2019）。本研究拟通过情绪能量这一概念来研究STEM课堂中的情绪状态，以及情绪与认知间的相互作用。

二、文献综述

1.情绪对学习与教学的影响

我国教育研究中对课堂情绪的研究主要集中在英语、语文与数学等学科中，同时也涉及体育、音乐和心理课堂上的情绪管理与调控等。例如，有学者就翻转课堂英语教学改革时学习者的焦虑情况进行分析，发现若学习者的英语水平高，其焦虑程度会相对较低（高照等，2016）;学习者的焦虑情绪与其英语听力的成绩呈显著负相关（刘世文，2001;陈艳君等，2009）。还有学者针对来华留学生汉语学习情绪调节策略进行研究，发现若教师关注到学生的情绪变化并采取相应的情绪调节策略，不仅可降低学生的焦虑感、增强他们的自信心，还能不断激发他们的学习热情（岳霞，2010）。还有学者发现在数学课堂中，如果教师在教学过程中能够调动学生的情绪，教学效率也会提高（郑雪娜，2016），并且积极的学业情绪能够正向预测学生的数学成绩，且智力水平越高，学业情绪越积极（朱殿庆等，2017）。此外，教师有效的课堂反馈机制是对学生表现的一种评价方式，也能够影响学生的情绪变化，提高学习动机，降低焦虑。有学者收集61名同学的反思日记来记录学生接受教师反馈后的不同反应，分析发现有效的教师课堂反馈对学生学习及情感确实起着积极的作用（王小慧，2010）。可见，教师观察了解学生的情绪波动，及时调整教学策略和自身情绪反应，有助于课堂教学顺利进行和高效率的知识分享与交流。

2.情感能量變化的测量

戴维斯（Davis）和贝洛奇（Bellocchi）将情感能量解释为个体之间顺利展开社交互动而产生的持久体验（Davis et al.，2019），他们提出的情感能量模型可以为测量学生课堂情感能量变化提供依据。如图1所示，情感能量模型由身体运动（Bodily Movements）、感觉（Feelings）和想法（Ideas）三个维度组成（Davis et al.，2019）。每个维度都分为集体的（Collective）情感和特质的（Idiosyncratic）情感两部分，集体的情感是指个人与群体间互动的情感反馈，特质的情感是指个人自身的情感反馈。其中，感觉指的是情感的内部感受，分为中立、正向（+）或负向（-）。因个人的感受难以被直接观察，因此可通过社交互动来间接感受。在人际交互的过程中，流畅连续的互动和手势（身体和语言）表明群体间的情感表现强烈，此时可将群体的感受作为个人的感受。而当个人与群体的联系不紧密或个人与群体交流不畅时，个人的感受为特质感受。想法指的是科学界的知识概念（Davis et al.，2019）。想法是模糊的或正式的，在探究科学概念的过程中，学习者个人可能会产生迷思概念，此时的想法是特质的，模糊的;而当学习者个人提出科学概念但被他人拒绝时，此时的想法是特质的，正式的。当学习者群体讨论科学概念的界定时，此时的想法是集体的，正式的;而当学习者群体探讨科学概念进入误区时，此时的想法是集体的，模糊的。身体运动指的是身体的所有运动和声音，包括面部动作、姿势等。身体运动分为戏剧化的和非戏剧化的，戏剧化的身体动作较为夸张，通常伴随声音的高低。非戏剧化的身体动作较为缓慢，通常伴随沉默、没有目光的交流和接触。在课堂的教学过程中，小组或群体的活动是集体的，而个人的活动是特质的（Davis et al.，2019）。

在日常教育情境中，学生的情绪体验会受到多种因素的影响，如教师设计的教学活动、教师与学生的互动、学生之间的互动等。这些因素作用于学生个人，学生通过手势动作、表情、语气语调，反映其情感能量的强度。柯林斯（Collins）将情绪体验的强度分为高或低度两种，他认为情感能量的强度与社会互动的流畅性和集体的凝聚力有关。在高强度的情感能量下，学生具有高度的专注力，会认真地听教师讲话，往往伴随一些肢体语言（如点头等），个人与教师、学生有眼神或动作的交互;而在低强度的情感能量下，学生会沉浸在自己的沮丧情绪中，不配合老师的活动（如一直低着头等），同时也隔断了与他人的沟通（Collins，2014）。

三、研究方法

本研究以参加上海某乐高中心初级培训课程的学生和教师为研究对象，采用民族志观察法对涉及情感能量的STEM课堂进行细致的描述。其中民族志是人类学的一种研究方法，是建立在实地调查（Field Research）基础下第一手观察和参与之中的关于社会习俗和文化的描述方法（唐魁玉等，2017）。在乐高培训课程中，教师带领学生进行乐高机器人的搭建以及相关STEM知识探究，课程共持续三个小时。四名研究者使用带有三角架的数码摄像机和三台移动设备进行课程视频录制，获取研究对象的肢体动作、言语及重要的感官行为，如眼神交流、面部表情等。由于研究中所获取的视频数据量较大，因此为更精准理解情感能量中的表现行为，本研究根据如下指标来进行视频片段选择：（1）视频中有学生明显的动作及清晰的声音;（2）视频中包含学生与学生之间或学生与教师之间的交互;（3）视频中具有比较显著的片段可以分析学生的情感能量。最终研究者共选出三个视频片段。为便于深入分析，研究者选择教师和其中两名学生作为研究对象（D老师和小蓝、小黑）。随后，四名研究者按照情感能量模型对STEM课堂中的情感能量进行测量，即对所选取的视频片段进行编码，定义每组对话，使用陈述性语言描述研究对象的动作，并根据研究对象的语气与语调进行转录，从而进行深入的探究（转录表详见表1）（Hsu et al.，2010），具体转录结果见表2、表3、表4。

四、案例分析

本研究所选取的课程中，教师采用任务驱动的方式来进行教学。在课程开始之前，教师为学生提供乐高模型的搭建图及乐高材料，之后每位学生进行自主的乐高模型搭建。由于学生的先前知识经验不同，因此在课程活动进行中，学生的表现及与教师的互动都存在差异。本研究所选取的三个片段分别是STEM课程的前期、中期与后期，能较有效地反映整个课堂过程中的情感能量变化。

1.STEM课程前期的情感能量变化

片段1中，首先小蓝拿着乐高配件看（动作）并开始说话（“哪有啊”），说明他的注意力集中在乐高搭建活动上，因此研究者将乐高搭建确定为主题A;然后小蓝表达对这个主题A的情绪（“这个太难了，我不想搭了”），D老师关注小蓝的情绪，并给予相应的语言提示（“我都跟你们说了一个一个的步骤了”）。这段持续的简短对话将小蓝和D老师的注意力都集中在主题A上。小黑想要融进与教师的沟通中（看着平板上的说明图，提问D老师“这是什么意思呀”），但是D老师没有回应，继续专注与小蓝的交流，并拿出小黑搭建的乐高让小蓝照着搭建。小黑再次尝试引起教师注意（“为什么按照我的来呀？他这个很简单”），D老师继续给小蓝进行语言指示（“你们看不懂图给我说，我一步步给你们说步骤，这个图你们之后肯定要学会用”），小蓝一直沉浸在自己的情绪中（“我不会搭”）。片段1中，很明显，小黑与小蓝和D老师之间出现了离散的情绪。研究者发现，强烈、持续、离散的情绪（如沮丧）与低强度的情感能量是共存的。小蓝一直在重复叙述自己不想继续进行乐高的搭建，而D老师对于小蓝的关注延迟了对小黑问题的反馈，小黑则因为问题没有立即得到解答，且没有得到团队中其他人的注意而感到沮丧。在类似的STEM课堂研究环境中，有研究者也同样发现当学生的目标未能实现时，他们会感到沮丧（King et al.，2017）。这种现象对于研究者有一定的启示，因为在一个片段中，团体高强度离散情感能量与个体低强度离散情感能量有可能同时存在的。

图2显示了一个小强度的帆（用三角形表示情感能量的状态）。因为片段1中的参与者间有很强的离散情绪，缺少相互吸引和相互沟通交流，这就表明此时他们处于低强度的情感能量中，团队协作能力和社会凝聚力较低。这种情况也可以被描述为冲突局势，即参与者之间的身体运动属于戏剧化形式（小蓝放下乐高往后仰）中的不流畅，感觉属于特质中的负向（-），学生之间存在着沮丧的感觉，想法属于特质的、模糊的，学生彼此之间没有共同的想法，无法进行活动主题（乐高搭建），并且每个学生对于活动主题（乐高搭建）都有着不同的理解。低强度的情感能量说明此时需要教师进行学习干预，帮助学生解决关键问题，让学生在STEM课堂中能够继续探究学习。

2.STEM课程中期的情感能量变化

片段2中，首先是D老师对小蓝的一个关注，想要让小黑与小蓝合作进行乐高的搭建;D老师拍着小黑的衣服，并告诉小蓝要像小黑一样进行观察学习;小黑一直摆弄着手里的乐高，注意力高度集中，直到D老师拍了一下他的衣服，他才开始注意D老师的动作，滑动小蓝的平板并进行乐高搭建流程的讲解;此时小黑和小蓝一直关注着平板，他们的沉默证明了此时没有戏剧性的身体运动，小组成员都是一动不动，一言不发的状态。然后D老师询问是否理解这个过程，小黑点头表示通过教师的讲解对于乐高的搭建過程从模糊逐渐产生了清晰的理解。此时，D老师继续引导学生结合图中的上下面进行观看，但是小蓝对于乐高的搭建过程还是不了解，不能很好地将乐高配件和说明书中的图片结合起来，所以此时小黑和小蓝对于整个乐高搭建活动的理解还是存在分歧的。此时小黑搭建的过程中也出现问题（“搭到这一步就完蛋了”），表明此时情绪的低落;这个过程中，小黑看向小蓝，小蓝回应（叹气）。小黑与小蓝的眼神接触与注意力和共同意识有关（Ca?adas et al.，2012）。小黑和小蓝都在等待老师的讲解，他们情绪中的分享感觉在此时达到了一个和谐统一的状态。

图3显示了此过程中的情感能量强度帆，情感能量可以被解释为高强度的。因为小黑和小蓝遇到相似问题，并且在教师讲解过程中，二者肢体动作一致（面向教师，看着教师的手指在平板上的位置，专心地听教师的讲解），小黑对知识的理解由模糊逐渐变得清晰。学生与教师间的互动增多，小黑和小蓝的身体运动也是戏剧化且流畅的，但感觉达到了集体的负向（-），表示两名学生还是没有完全理解乐高搭建，需要教师进一步讲解或者重复讲解之前的知识。这表明在想法维度上，小蓝和小黑达到了一个集体的模糊的状态，即感觉乐高搭建很难操作。高强度的情感能量表明此时学生之间存在对知识的共同渴望，想要完成乐高模型的搭建，学生学习过程到达了比较重要的阶段。

3.STEM课程后期的情感能量变化

片段3以小蓝摆弄着手里的乐高，向老师提问开始（“老师，这个怎么弄啊”），此时小蓝的情绪还是处于低落期（噘着嘴）。D老师回应让小蓝自己仔细研究，小蓝拒绝探索，情绪沮丧（放下乐高，叹气）;小黑提示看说明图。D老师引导小蓝理解平板上的说明图，小蓝的情绪还是低落（“我研究不了”）;小黑加入观看老师的讲解，并动手操作;D老师利用问题引导（“中间一根是几单位啊”“它这里有凸出来么”），小蓝的思索还是很慢;D老师再进一步提示（“这一根”），然后走向其他的同学;小蓝追问（“这个是几的”，） D老师反馈（“3单位呀”）。

本片段中，显而易见，D老师一直试图引导小蓝，让他进行自己的探索，而不是直接给出答案。整个片段的情感能量都不是很强，教师主要是调节小蓝在课堂上的情绪，试图改善其在课堂中表现。虽然小蓝对于乐高的搭建一直感觉很难，但在最后依旧按照D老师的要求完成了活动。如图4，本片段的情感能量强度比较低，教师只针对小蓝搭建乐高的状态进行讲述，小黑自己做自己的，此时共同注意力和身体动作不同步，D老师与小蓝的交流有着很强的情绪波动。

图4显示了此过程中的情感能量强度帆。可见，在STEM课堂末期时，随着教师对于个别乐高搭建问题的指导，学生的乐高搭建问题得到了解决，并且教师和小蓝间的情感交互达到了整个课程的巅峰。同时，小黑也已经成功搭建出乐高模型。此时大家的身体运动是戏剧化不流畅的，感觉是特质中性的，想法是特质正式的，且情感能量又再次恢复到低强度状态。课堂中学生完成乐高搭建，对于课堂中所应用的概念也达到了理解吸收的层次;教师进行课堂总结，实现课堂教学效果。

4.不同阶段的情感能量变化

图5显示了情感能量的变化图。从身体运动的维度来分析，STEM课堂的前—中—后期学生的身体动作都是戏剧化形式，并由不流畅发展成流畅，这说明情感能量可以更好地帮助学生之间的团队协作，让学生间的动作达到统一的效果。从感觉维度进行分析，对于乐高搭建，学生在课程初期是特质的负向感受;课程中期，学生集体感受到乐高搭建的难度，表现出集体沮丧的负向情绪;课程后期，理解力强的同学完成了课程活动，在感觉维度上达到了中性的，甚至在部分情况中可能会出现正向（+）的积极感觉;理解力较弱的同学随着老师的指导也达到了特质的中性感觉。从想法维度分析，课堂前期学生之间是特质的模糊的想法，说明学生对于乐高搭建的关键步骤还没有理解，并不明白其中涉及到的原理;课堂中期学生之间达到了集体的、模糊的想法（学生间眼神的交流）;课堂后期，随着老师的讲解、帮助以及个别辅导，学生都完成了乐高搭建，此时学生之间的想法变成特质正式的。

五、案例总结

在上述案例分析中，研究者基于情感能量模型，探究了学生在STEM科学活动探究和互动过程中的情绪体验，并对比了不同学习片段学生的情绪差异。在第一个片段中，学生对乐高套件不了解，当学生被要求做有挑战的事情时，学生的态度是低落的，学生之间的观点是离散的，此时学生们处于戏剧性的、低强度的情感能量状态。另外一种比较低的情感能量出现在产生认知理解困难的时候，该状態会降低社会交流的流畅性。STEM课堂活动的前期，小蓝对于乐高搭建感到沮丧，但他这种个人情感对情感能量的影响相对较小。也有学者认为，个体产生的短暂离散的情绪体验，可能会覆盖持续的情感能量体验（Collins，2014）。在第二片段中，小黑和小蓝有着一致的身体动作和想法，相互关注对方对于乐高搭建的看法，并同时就遇到的困难向老师提问，表现出高强度的情感能量。这说明学生此时正处在对知识进行建构与理解的过程中。第三个片段中，教师持续对小蓝进行关注，引导小蓝进行问题思考并指导他进行乐高搭建，最终小蓝和小黑都成功搭建出乐高模型，这时学生恢复到低强度的情感能量状态。

从不同片段的情感能量分析中，研究者发现共同知识产生于小组高强度情感能量的状态。同时，本研究证明了情绪对于STEM课堂的影响，并再次证明学生理解知识是有过程的。情感能量这一概念化的模型使研究者能同时了解团体和个体的思维以及情绪体验的互动过程。研究者认为，在情感能量中，认知—认识论元素总是嵌入情境情感中（燕国材，1988）。因此，如果从情感能量的角度来审视学习，可能会更好地理解学生是如何进行科学知识学习的，而这种强调情感能量的教学方法可能会更好地提升学生科学学习的参与度。

尽管本研究分析的STEM课堂活动片段是局部的、暂时的，但通过民族志的方法，以及通过语句、语调、动作等定义了片段描述的规则，确保了片段分析的有序性、结构性和科学性。这种方法不仅帮助研究者了解了STEM课堂中的师生互动情况，更重要的是帮助研究者了解了课堂中学生情绪体验的不同方式，及情绪如何影响学生在STEM课堂中的教与学。这对于科学教育来说非常重要，因为它打破了传统的思维观念，如人们普遍认为科学家倾向于情感中立，甚至科学研究是没有情感的（Davis et al.，2018）。

六、讨论与结论

本研究主要通过民族志的方法对STEM教育情境下的乐高课堂进行了细致的描述与分析。通过该研究，研究者发现STEM课堂中情感能量有戏剧性和非戏剧性的波动，并分析了处于高强度情感能量和处于低强度情感能量的具体情况。如在第一个片段中，学生因任务太难、群体之间缺乏沟通交流而感到沮丧，产生了强烈、持续、离散的个人情绪（缺乏集体情感），这可以被解释为戏剧性的、低强度的情感能量。这与戴维斯等之前的研究发现一致（Davis et al.，2019）：特定文化实践中，当戏剧性的低强度情感能量展开后，学生会发生明显的变化。这种情感能量的体验会随着课程的深入而发生变化。在第二个片段中，教师向学生讲解操作，学生的肢体动作都指向教师，学生间交流流畅并提出自己的想法和疑问，这可以被解释为高强度的情感能量。在这一阶段，学生的概念由模糊转变为清晰。按照戴维斯等的研究，这是因为随着挫败感的强度逐渐减弱，情感能量的强度有了明显的增强，同伴之间的交流和共同解决问题过程产生极大的凝聚力（Davis et al.，2019）。这说明知识形成于学生高强度情绪能量时，情绪差异会影响学生的学习效果。这与Pelch（2018）的研究结果一致。这一发现是非常有意义的，未来STEM课堂中可通过调节学生课堂情绪来提升学生对于科学知识的理解。可见，认知、认识论和情感能量间的相互作用，对学生在学校科学情境下形成新的思维方式有着非常重要的作用（Bellocchi，2017）。

研究发现，学生的情感能量与其课堂表现存在紧密联系。当学生在做有挑战的事情，表现出低落态度以及离散观点，此时情感能量是戏剧性的、低强度的，教师应提供一定的教学支持，通过一定的干预措施去激励学生探究。同时，研究者还发现知识的产生是在小组的情感能量处于高强度的时候。这与之前研究科学课中小组协作能促进学生对知识的获得的结果一致（Hinckley et al.，2007）。此外，本研究还发现与加纳（Garner）等一致的结论，即将情感注入STEM学习中会增强学生的学习兴趣和潜力（Garner et al.，2018）。可见，本研究中所采用的情感能量模型，可以通过学生的课上表现来了解学生个人以及小组的情绪变化，从而为改善教学提供参考，为促进学生在STEM课堂上的学习提供支持。

然而本研究在对实验结果进行转录编码时，完全参照情感能量模型中的英文编码表，忽略了中文对话中除了语气停顿之外，汉字本身带有的一些情感表达词汇，因此无法分析情感能量的所有变化是这一研究存在的局限。另外，本实验仅选择了情感能量变化较大的片段进行重点分析与诠释，忽略了情感能量变化较平淡的对象，故探讨情感能量波动的研究中，对参与度明显较弱的研究对象开展的研究较为欠缺。

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收稿日期 2020-12-01責任编辑 汪燕

Abstract： STEM education has become the mainstream of interdisciplinary teaching. However， at present， the research methods on studentsSTEM classroom emotions in China are mainly quantitative such as the questionnaire survey， with less qualitative research. Questionnaire survey， as a means of after-class detection， reduces the authenticity of the exploration of students intuitive emotional changes. And although emotions are expressed through individuals， they act on and are influenced by everyday social interactions. Emotional Energy， which describes the outcome of social interaction in micro-social environments， can reflect the emotional experience of individuals or groups after successful social interaction， which is helpful for people to analyze the interaction between emotion and cognition from the perspective of sociology. Based on the emotional energy model and ethnographic observation methods， the students in a LEGO class were studied. The analysis of emotional state shows that： （1） There are dramatic and non-dramatic fluctuations of emotional energy in STEM courses， and such emotional energy experience will change with the deepening of the course; （2） Studentsemotional energy is closely related to their classroom performance; （3） High-intensity group emotional energy is more conducive to the understanding of scientific knowledge; （4） Putting emotion into STEM learning will enhance studentsinterest in learning. Therefore， teachers should pay attention to the regulation of studentsemotions in class， take certain teaching support or intervention measures to encourage students to explore and cooperate in groups， and hence to improve the quality of STEM teaching.

Keywords： Emotional Energy; STEM Education; Qualitative Research; LEGO Lessons; Classroom Observation