围绕大概念的STEM整合课程建构与应用研究

李 刚

STEM教育自1986年于美国提出后风靡全球，现在已经成为包括我国在内的世界各国教育领域培养未来人才、回应社会挑战的重要内容[1]。STEM课程提供了一种跨学科的全景式课程整合形态，这使得学生能够在更广泛的世界之间进行思考与学习，并关注其在实际应用中的深度理解与广泛迁移[2]。但STEM教育的过快发展让STEM课程设计走向了功利化倾向，致使教师的跨学科理解力难以提升。围绕大概念的STEM课程设计成为实践这一理念的最佳选择，进而促进学习者STEM素养的形成。

一、课程整合：STEM课程发展的核心力量

（一）STEM课程的本质特征

STEM课程本质上是一种主题式整合课程，强调学科之间的合作，将科学、技术、工程以及数学等课程整合在一起，使科学探究、技术素养、工程设计与数学思维作为一个综合系统连接起来，并通过问题解决这一实践环节确保整合课程的协调工作。但这并不意味着，STEM课程中的四门课程在每一次实践环节中必须发生[3]。STEM课程的整合并不仅仅是在形式上由一位或者多位教师打破学科界限，将不同科目联结起来，更是以学生的自发性探究及活动经验为基础来设计STEM课程，让学生获得与生活经验相符合的教育内容。STEM课程这种主题式的教学和学习丰富了所有学习领域，促进学习者应对真正的挑战，同时这种主题式的研究也促进了STEM教师跨学科理解力的发展[4]。

（二）STEM课程的发展动力

STEM课程的发展离不开课程整合。课程整合是STEM课程的内生本质，同时是STEM课程的外生动力。课程整合为STEM课程发展提出了一种知识的整体观，即用于解决问题的知识本身就是一个整体。分科课程中所学到的零碎知识是无法完整地解决生活情境中所面临的真实问题的，许多学生所经历的学校课程，就像要求他们做一个拼图游戏，而不看图片，只给他们一些碎片。课程整合让学生有机会看到“大局”，其同时倡导了一种知识是建构而来的观念，学生在主动建构而不是被动接受中产生有意义学习[5]。此外，课程整合为STEM课程发展提出了一种课程的情境观，即课程不能只考虑学科知识，忽略了更为真实的生活，不能将社会抽离于学校之外。当学生以一种孤立的、不连续的方式学习时，他们往往对STEM课程不感兴趣，因为这种学习方式与横切概念和实际应用缺乏联系。

二、大概念：实现STEM课程整合的关键点

STEM课程整合的最终目的是帮助学生在现在和未来过上更好的生活，而不仅仅是收集更多的信息供日后使用。当学生对个别学科中的相关思想了解很少或教师的跨学科理解力不足时，实现STEM课程整合则是一项挑战。此外，学生并不总是或自然地在整合环境中使用他们的学科知识。因此，学生需要关键的支持，即在工程或技术设计环境中生成相关的科学或数学思想，同时教师也需要找到跨学科理解力的关键支持，而这个关键的支持便是大概念。

（一）大概念及STEM大概念

PISA2006科学领域评价测试指出，虽然在学校学习中学到大纲明确规定的知识是重要的，但是必须承认在生活中应用这种知识的关键还要依赖更为普遍的概念和技能，也就是大概念。例如掌握动植物名称，不如理解像能量消耗、生物多样性和人类健康这类在成人社会中有争议的、广泛的话题来得有价值[6]。大概念指的是将众多学科理解与连贯的整体联系起来的关键思想，是基于事实抽象出来的深层次概念。其位于课程学习的中心位置，能够将多种知识有意义地连接起来，经常表现为一个主题或者原则等形式，是在不同环境中应用这些知识的关键，具有中心性、持久性、网络状以及可迁移性等特征。

STEM大概念是大概念在STEM课程中的特殊形式，是STEM课程领域中的关键思想，其对于STEM在各个领域的理解至关重要，并且共同代表了STEM课程所提供给学生理解世界的模型。STEM教育中的大概念并不新鲜，但近年来才逐渐引起重视[7]。一般认为，STEM大概念包括三种类型：学科内大概念、跨学科大概念以及整合大概念[8]。其中，学科内大概念是指STEM课程中各个学科所独有的大概念，例如，数学学科中的比例大概念，其往往在数学学科内有比较深刻的内涵，但学科内大概念在其他STEM学科中的应用有助于提升学生对于数学领域内有关比例大概念的深刻理解。跨学科大概念是指位于两个甚至更多STEM学科中的内容或者过程，例如模式、推理、论证等。跨学科大概念的跨学科性能够为行业工作者提供解决实际问题的最有意义的、最有效的方式和途径，并能帮助学生思考和联系这些差异，以促进学生对概念的深入理解。整合大概念是指STEM中所有学科共享的超级大概念，是能够集成和建立更多大概念的大概念，如系统与关系等。

（二）STEM大概念在STEM课程整合中的价值

第一，STEM大概念是教师进行STEM课程设计的隐含线索。STEM大概念能帮助教师更加系统地理解和掌握STEM课程的理念与价值，用以作为STEM课程设计的基础。STEM课程的整合特性要求教师不能再简单按照单一知识脉络进行线性处理，必须进行跨学科理解与思考，科学合理地选取课程设计线索进行课程结构的整体布局。STEM大概念跨越相似知识学科界限，支撑了教师的跨学科理解，提升了其课程整合能力。

第二，STEM大概念是STEM课程学习的宏大蓝图。STEM课程以学生为中心，关注围绕现实生活中的需求进行STEM主题设置，只有在生活中，STEM知识才有意义，进而知识才更容易被学习。来自STEM课程中的知识通过STEM大概念被重新定义到围绕主题的现实背景中，STEM大概念为学生提供了一个组织STEM课程信息的蓝图。知识不再是抽象的、支离破碎的，同时减少了必须记住的内容数量，强化了学生的迁移能力。学生通过在STEM课程中的探索所找到的不是知识应属于的学科，而是STEM大概念本身。

三、围绕STEM大概念的课程整合模型构建

STEM大概念将原本分离的四门课程统一为面向现实世界问题解决的具有凝聚力的单一实体。教师在教授STEM课程时不仅需要关注学生所学到的大概念内容，同时应该关注学生如何充分利用大概念解决问题。一方面，学生在学习STEM课程时，将来自真实世界的现实问题与STEM大概念进行契合，通过不断归纳联系，在大脑中形成系统性、概念化的知识结构；另一方面，学生在面临真实世界的现实问题时，将大脑中系统性、概念化的知识结构借由STEM课程中所学习的STEM大概念，不断演绎发散，从而找到解决现实问题的方法途径，具体如图1所示。

图1.面向真实世界的STEM课程

STEM大概念不同于知识可以直接拿来使用，反而更像是一种引导性工具，同时又是一个横向延展、纵向深入、指向实践的复合概念。围绕STEM大概念的STEM课程整合直指学生的跨领域综合能力，在众多孤立的概念单体中建立联系桥梁，为学生提供了整体认识世界的可能。那么，围绕STEM大概念的STEM课程该如何建构呢？我们可将其喻为双塔模式（Twin Pyramids Mode，TPM），包括一个倒立金字塔（Inverted Pyramid）和一个正立金字塔（Upright Pyramid）结构，如图2所示。

倒立金字塔指向STEM大概念（群）的筛选。STEM大概念隐藏在纷繁复杂的各种形式中，如何合理适切地来寻找及遴选真正的STEM大概念，是当前深化STEM课程的关键所在。目前来看，遴选STEM大概念的策略主要是标准演化，是指许多与STEM课程相关的文件中陈述或者暗示的STEM大概念，例如以重要概念、关键概念、重要原则等出现的陈述语句，反复出现的关键名词、形容词和动词等。STEM教育者需要认真解析相关标准文件，理解STEM教育的本质内涵，将具体的、大量的、零散的知识内容聚焦在STEM大概念的框架之中。STEM大概念的筛选与确立需要历经两个阶段的梳理，在第一阶段，筛选出STEM各个标准文件中反复出现的核心概念，组成核心概念库；在第二阶段，来自教育领域、心理学领域以及哲学领域中的专家不断筛选、整合、修改和调整，最终形成适合大中小学生学习的STEM大概念。

图2.围绕STEM大概念进行课程设计的“双塔模式”

正立金字塔指向围绕STEM大概念的课程教学设计。围绕大概念的课程教学设计受到多位学者的关注，例如韩国天主教大学的邦（Bang，D）团队以及美国俄亥俄州州立大学的沃克（S.Walker）团队等都进行了深入的研究[9]。据此分析，围绕STEM大概念的STEM课程教学设计包括四个阶段。在第一阶段，将基于倒立金字塔所确立的STEM大概念（群）进行次级概念的分离，由于STEM大概念意涵较宽且抽象模糊，缺乏指导课程的实用性，因而需要进行次级概念的分离，将STEM大概念分离为相互联系的概念体系；在第二阶段，根据次级概念设计基本问题，其中基本问题是凝聚次级概念的方向，也是课程活动的重要内容，能够引起学生对于次级概念以及大概念的探究兴趣和深度思考，一般一个基本问题统摄2~4个次级概念；在第三阶段，将前述大概念、次级概念以及研究问题转化为课程单元目标，可以直接根据设计的研究问题进行课程目标的设定；第四阶段是围绕课程目标组织课程活动与课程评价，保证课程活动以及课程评价与STEM大概念是一致的。

四、围绕STEM大概念的STEM课程教学应用

围绕STEM大概念的课程教学能够提升教师的跨学科理解力，帮助教师从根本上理解STEM整合教育的深刻内容。STEM课程设计的“双塔模式”重视数学、工程、技术以及科学等学科对于STEM的根本影响，强调STEM大概念对于STEM课程教学的统整联结，进而达成整体连贯，同时根据学生经验进行课程规划。

（一）倒立金字塔：STEM大概念的筛选

本研究收集了国际上有关STEM教育的标准/政策文本，对美国的《成功的K-12阶段STEM教育》《下一代科学课程标准》《STEM2026：STEM教育创新愿景》《制定成功路线：美国STEM教育战略》《本科STEM教育变革计划》等，韩国的《融合人才教育（STEAM）》，澳大利亚的《STEM学校教育国家战略（2016-2026）》，爱尔兰的《STEM教育政策声明（2017-2026）》，芬兰的《国家LUMA科学发展项目》以及我国的《中国STEM教育白皮书》等10份文本进行聚类分析。

研究共计梳理出STEM教育标准/政策文本中重复出现的、关键突出的三组大概念，分别是STEM本质大概念、STEM知识大概念与STEM思维大概念，每一组大概念跨越并包含了来自不同内容的子概念。例如《中国STEM教育白皮书》中指出“培养学生运用所学知识，创造性解决问题的能力”，《爱尔兰STEM教育政策声明（2017-2026）》中提到“使学习者能够在真实的环境中构建批判性思维技能”，《澳大利亚STEM学校教育国家战略（2016-2026）》指出“促进21世纪技能——问题解决、批判分析和创造性思维的发展”，其中批判性思维在多个文件中反复出现，故而将其纳入到STEM思维大概念中，然后经过进一步的阐释演绎后与所有的大概念形成系统的大概念网络，具体阐述如表1所示。其中，STEM本质大概念是对于STEM教育的根本性认识，融合在STEM教育方方面面之中；STEM知识大概念是STEM课程、STEM教材以及STEM教学设计与实施的主要线索；STEM思维大概念是STEM教育活动展开的指导原则。

表1.STEM大概念的基本内容

（二）正立金字塔：STEM课程教学的设计

STEM教育是长时期的、持续性的、螺旋上升式的教育，STEM教育目标需要贯穿以及渗透到STEM教育课程和全过程中，而STEM知识大概念则能够成为STEM教育课程在不同教育阶段的主线阶梯。STEM知识大概念的学习是由小到大、由浅入深、由详细到概括、由具体到抽象的发展过程。因此，STEM教育课程的设计需要围绕STEM知识大概念逐步分解，慢慢将其与学生日常生活中的事件相互联系，帮助学生建立对STEM世界的完整认识，由此形成STEM课程教学的基本网络。以STEM知识大概念组织课程设计并不能直接将其呈现在课程中，要站在大概念的高度梳理和审视概念体系，厘定和明确每个STEM知识大概念的方向与进程，搭建学生的认知理解与行为框架。围绕STEM大概念设计的STEM课程注重引导学生在直接经验的情境中发展思维，在完整有序的项目学习中获得对于知识的理解与技能的提升，让学生在观察思考和实践操作中将零散的知识联结起来。

围绕大概念设计STEM课程教学，其设计程序大抵为确定大概念、明晰次级概念、分离基本问题、联结STEM情境主题、实施项目教学活动等。例如，在进行“结构与功能”大概念的STEM课程教学设计时，课程设计者应首先明确大概念为“物体或生物及其子结构的形成方式决定了其许多特性和功能”，并明晰其子概念为构成客观物体或生物并维持其运转的基本单元（要素）、要素与要素之间发生的相互影响（关联）以及不同要素相互组织所发挥的作用（功能）。接着，课程设计者便可以依据这一大概念与次级概念分离基本问题，即说明整体是由哪些部分组成的，结构与功能的关系是什么，以及每个部分的作用及其如何对整体做出贡献。紧接着，便需要选择联结STEM的情境主题，情境主题的选择需要充分考虑学校办学优势与地位、文化资源等。如长春某中学结合汽车城的地域优势与历史文脉，选择了“我心中的未来汽车”这一情境主题，旨在让学生能依据自身爱好与社会需求创新性设计未来汽车，进而生成大概念，内化STEM素养。最后，应当依据情境主题的铺展设计并实施项目教学活动。

五、围绕STEM大概念的STEM课程设计思考

围绕大概念的课程整合已经逐渐受到国际教育领域的特别关注。芬兰在国家基础教育课程的整合中提到了围绕大概念组织跨课程学习甚至放弃学科边界的四种方式，包括可以通过主题活动、访问学习、研学营地等活动实现整合，可以通过不同主题视角创建更长的整合学习模块，可以形成整合的学科集群，可以在没有任何指定科目的情况下组织学生作业。韩国天主教大学研究团队创造性地围绕大概念构建了科学课程整合的金字塔开发模式。澳大利亚昆士兰科技大学研究团队则首创系统网模式利用STEM大概念进行STEM课程中的单元设计。美国俄亥俄州州立大学研究团队围绕大概念通过线性链模式有组织地进行课程设计。加拿大英属哥伦比亚省新一轮课程改革方案建立了适用所有学习领域的共同框架，使用大概念作为课程设计的三要素之一等。

（一）把握STEM课程的核心要旨

STEM课程整合能够增加学生将理论与现实生活联结的机会，促进学生在活动过程中了解到科学、技术、工程与数学的应用，围绕STEM大概念的课程整合能够促使学生将其学到的各学科片段知识经由整合的课程活动加以关联。教师在进行STEM课程整合时，要以整合式活动为主要方式，利用主题方式来整合相关学科，形成以高质量项目式学习为核心要旨的STEM整合课程。

项目式学习是围绕具体项目展开的学习活动，强调学习者在解决问题时的实践体验以及探索创新中获得具体的知识以及专门的技能，进而实现有意义学习的一种主动学习方式。项目式学习融合了建构主义、多元智能等多种教育理念，通过问题解决实现知识获取与技能迁移，因而在科学教育、工程教育以及STEM教育等领域中获得广泛应用，并因其具有指向学习本质以及核心知识、持续地探究过程、对大概念的深度理解、参与现实世界任务等特征而被认为是新时期核心素养培养最重要的一种学习方式[10]。项目式学习鼓励学生模仿科学家探索解决问题的过程，并在探索中分享彼此的观点，培养学生在合作中解决现实问题的能力。学生能积极、创造性地展示项目设计，创造新思路，与伙伴合作解决问题。

（二）思考STEM大概念的根本内涵

真正的STEM大概念并不是无所不包、内容庞杂的学科概念群体，而是理解STEM领域本质的核心，往往通过深入探究得以掌握，是该领域专家整体思考和全面审视本领域问题的主要方式。STEM大概念并不仅仅停留在所包含的相关知识范围大，其既是使科学、技术、工程与数学各种条理清晰的关系的核心，又是使STEM现象与事实更容易理解的概念的锚点，其作为一种概念性的工具用于强化学生整合思维，联结STEM课程知识片段，使学生具备迁移和应用的未来素养。STEM大概念已经不单单是一个名词或者符号，其背后隐藏着一个意义世界，已经远远超出普通概念的内涵与外延，负载着整个STEM课程体系，因而全面而深刻地理解STEM大概念的内涵十分重要。

我们可以从认识论、学习论和价值论三个视角来审视STEM大概念[11]。从认识论上来看，STEM大概念是学生认识真实世界的思维方式，是学生认识世界、体察世界的工具，帮助学生思考、揣摩以及度量真实世界的各类现象；从学习论上来看，少而精的STEM大概念是学生研究真实世界的组织工具，能够整合与联结学生所学的知识，帮助学生实现精细化学习；从价值论上来看，STEM大概念承担着引发学生思考、塑造学生STEM素养的重要功能。STEM大概念是对于STEM活动中存在普适性特点或规律的总括性认识，能够用于解释和预测更大范围内事物及现象的概念。STEM大概念本身源于STEM知识，同时又高于知识，具有超越知识本身指导认识世界的普适性价值，并且STEM大概念一定是为教育服务的，那就必然指向培养全面发展的人这一核心宗旨。