跨学科整合视角下 中小学STEM课程设计质量分析

韩菲 李丽萍

[摘   要]为了解中小学STEM课程设计的质量，研究者选取具有STEM教学特色的53个案例，从跨学科整合视角下进行了多维度比较分析。结果发现教师对STEM课程有一定程度的了解，并有较强的跨学科整合意识，会尝试运用多种教学模式，但在将STEM理念运用于实际教学时，还未完成从传统教学方式向整合课程的转化。因此，STEM课程目标要与学科核心素养进行整合，并尝试多种评价方式。

[关键词]跨学科;STEM;质量;学科核心素养;评价

一、引言

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）英文首字母的缩写。其中，科學在于认识世界、解释自然界的客观规律;技术和工程则是在尊重自然规律的基础上改造世界，实现与自然界的和谐共处，解决社会发展过程中遇到的难题;数学则作为技术与工程学科的基础工具[1]。STEM 教育的一个典型特点，是倡导学生在杂乱无章的问题环境中充分发挥设计能力和问题解决能力，而这种能力恰恰是我国中小学教育所缺乏的，也是素质教育一直期望达成的内容。STEM教育有利于促进学生创新能力的养成，使学生更好地适应未来生活，并为国家储备创新人才。因此，STEM 教育成为各国教育创新的主要战略[2]。

STEM作为一门综合性课程，最初以独立的教学形态出现，随着课程的发展，开始与信息技术等学科进行有效融合。STEM 课程通过对科学、工程、技术、数学等学科知识的融合，对独立的学科进行重组，其目的是避免学生被单一学科的知识体系所束缚，鼓励学生综合运用多学科知识解决实际问题。随着美国《下一代科学教育标准》的发布[3]，人们认识到大多数人所熟悉的STEM教育举措与《K-12科学教育框架》（NRC 2012开发）所描述的预期成果之间存在相似性[4]，但有意义的STEM活动和课程在课堂上的应用仍然难以把握。随着技术以不断增长的速度渗透到生活的方方面面，教育者应该培养学生掌握为尚未存在的问题制定解决方案所需的知识、技能和工具[5]。可见，跨学科整合视角下STEM课程设计质量的比较与优化是理论研究和实践层面的迫切需求[6]。

2007年，我国引入STEM教育理念，自此文献逐年增多，成为科学教育领域的重要话题。落实STEM教育的关键是课程，在课程与教学实施方面，2017年前的文献主要集中于美国K-12阶段的课程目标、课程设置以及常用教学方法，为我国STEM教育的开展提供了参考。2018—2019年，随着学校STEM教育实践的开展，出现了对课程进行探索与实施的研究。对于课程内容，也有了从复制模仿到自主研发的倾向。因此，本文主要探讨现有中小学STEM课程的实施现状及整体质量[5]，并尝试基于这种现状为STEM课程设计质量提供优化建议。

二、研究方法和内容

1.STEM课程案例的选择

在中国知网以“STEM”“课程”“教学设计”等作为关键词检索STEM课程案例的相关论文，并主要以课堂有明确的主题和详细教学过程，同时将STEM运用于课堂教学实践作为优先标准，对检索到的文献进行筛选。从期刊中选取了2017年至2020年（截至2020年12月25日）刊登的具有STEM教学特色的案例53个，其中包含已实施的课程，以及部分未实施但具有成熟课堂构思框架的课程。

课程案例文献涉及小学、初中、高中三个学段。其中，小学10篇，初中11篇，高中25篇。此外，还有7篇未指出明确学段;案例涵盖多领域、多角度、多学科，小学的主要学科主线为科学，共8篇，有2篇未明确主要学科;中学的主要学科主线包括数学4篇、物理14篇、化学7篇、生物7篇、地理2篇、信息技术2篇，涉及学科为S、T、E、M，以及综合实践和劳动技术。

2.研究方法

本研究针对所选的53个STEM课程案例设置了相关维度及评估细则，形成了如表1所示的分析维度和相关细则。

分析维度包括：STEM的定义、课程基本理念、项目名称、涉及年级、主要学科、涉及学科、教学目标、教学详细的教学过程、是否有相关产品、是否有评价、课时数、课内或课外、教学特色、所属期刊、作者身份、课程是否有实践共16个维度。其中，课程基本理念、涉及的学科、教学目标、教学过程、相关产品、教学评价是六个核心维度，每个维度含有3～5条细则，一共22条评价细则（见表1）。本研究选择5点计分方式，每个维度初始计1分，对应的每条细则得到体现加1分，对应维度得分加1分，课程总体得分为各维度得分相加（满分28分）。

同时，研究还将所选择的53篇文献按照所设置的维度及细则，将所提取的内容进行分类并整理成Excel表格，对比分析了在各维度上现有的STEM课程案例的实施情况和特点，及这些案例在各维度表现上的差异。

3.研究的具体问题

本次研究采取定性和定量相结合的研究方法，从跨学科整合视角对所选取的STEM课程案例进行分析，初步了解STEM课程概况。在此基础上，将对各个维度进行深入分析和归纳，以探讨现有STEM课程的实施情况及整体质量，并尝试由此提出相应的优化建议。

三、结果分析

1.定量分析

根据以上各核心维度细则，对53个STEM课程案例样本进行计分，得分情况如表2所示。统计结果表明，STEM课程案例平均得分为18.72分（满分28分），居于中偏上水平。在所有分析的核心维度中，教学过程维度得分最高，为5.28分（满分6分）;其次是相关产品维度和学科维度，分别为3.43分（满分4分）和2.83分（满分4分）;紧接着是教学目标和教学评价两个维度，居于中等水平;得分最低的为课程基本理念维度，仅居于中下水平。

2.定性分析

在53个STEM课程案例中，绝大部分以工程为核心，以某一主要学科（如数学、物理、生物、化学、地理等）为主线，融合科学、技术等学科。其中，以一门常规学科为主线，涉及并整合S、T、E、M四个学科的案例共有46个。

大部分还尚未实施的STEM课程案例教学设计的作者为高校研究人员，而大部分已实施的STEM课程案例教学设计的作者为当地学校教师或由学校与高校研究人员合作完成。基于活动设计的具体分析结果如下。

（1）STEM的定义与课程理念

在这些课程案例中，大部分都有明确的STEM定义，清晰且详细说明了STEM定义的案例共有40篇。这些文献都认为STEM是科学、技术、工程、数学四门学科的有机整合，其最显著的特点为“跨学科”，强调在真实情境中进行工程实践。其中，有1篇案例对STEM的定义延伸至教师在其中扮演的角色，指出“教师是情境的设计者、学习活动的组织者、必要支架的提供者、评价量规的制定者”[7]。

在课程理念方面，有明确课程基本理念的案例共有33篇。这些课程理念根据主线学科的不同而存在差异。如：一堂以生物为主线的STEM课程的基本理念为“STEM 理念的高中生物学教学强调以学生为中心，创设真实问题情境，引导学生综合应用知识，以小组为单位设计解决方案，开展科学探究活动，习得生物学知识，培养学生解决生产生活问题的创新精神与实践能力”[8]。而一堂以物理为主线的STEM课程的基本理念为“以高中物理课程中的力学知识为主题，应用STEM教育理论，设计基于3D 打印技术的高中物理教学活动，分析3D打印技术在高中物理学科教学中的应用效果，探究这一新型课程对促进学生深度学习和提高学习体验的程度”[9]。

（2）教学目标及教学过程与教学活动设计

在教学目标方面，有明确且详细教学目标的案例共计29篇。其中，10篇以S、T、E、M分别涉及的学科设置教学目标，在目标设计上明显突出了相关项目的特色，分模块展开实施项目，融合不同科目的知识，以实现真正意义上的跨学科。另外19篇仍以三维目标或核心素养形式设置教学目标，容易导致在四个模块上进行简单叠加而非有机整合，单个模块目标不清晰，在项目实施的过程中不利于突出该项目的特色。

在教学过程及教学活动方面，有详 细的教学活动或过程的案例共计50篇;表明绝大部分现有课程案例的教学过程比较完整，在教学活动的安排上比较充分且灵活。并且其中45篇课程案例的教学活动都是基于真实情境，围绕本堂课相关项目的一个核心问题，设计、实施、改进方案，最后进行展示交流。在活动设计的课时方面，1至12个课时的课程案例均有;课程在室内、室外、实验室内均可进行，授课地点已不局限于传统教室。

除了以STEM教学为基本载体，有1篇案例结合了当地特色设计教学活动;有19篇案例在教学设计上与其他教学模式配合进行，如“5E（6E）教学模式[10]”“4C教学模式[11]”“ADDIE模型[12]”“翻转课堂教学模式[13]”或微课等;有4篇案例将STEM理念融合了主线学科的核心素养;有2篇涉及借助技术创新加强教学云平台的建构。

（3）教学评价与项目产品

在教学評价方面，有相关教学评价的案例共计30篇。其中，23篇案例运用多元方式进行了详细的教学评价，如：教师评价、学生自评与小组评价相结合，形成性评价与终结性评价相结合;另有7篇案例有教学评价但没有明确评价标准。

在课程项目及对应产品方面，基于工程设计相关实践产品的案例共有45篇。同时，在一些案例中，课程相关产品的模型、特点、质量等也成为STEM教学评价的参考工具。

综上所述，大部分学校教师以及研究人员，对STEM的定义有一定程度的了解，并有较强的跨学科整合意识，会尝试运用多种模式进行STEM教学。但对于将STEM理念运用于实际教学，还未完成教学方式的转化过程。一是在教学目标的设计上，只有少部分教师或研究人员严格按照“S、T、E、M”各维度列出目标，即基于STEM理念设计教学目标并设法达成，大部分教师仍采取三维目标或核心素养目标的形式;二是在教学评价上，部分教师停留在单一评价水平，还未建立多元评价和设置详细评价标准的意识。同时，也还有一部分STEM课程的教学设计仅仅完成了蓝图，形成了较成熟的课程构思和框架，但尚未运用于教学实践，对于该课程的教学设计与活动过程设计是否合理、目标能否达成、评价是否全面，还需在未来的教学实践中加以验证。

四、分析与讨论

1.加强STEM课程的实践性，落实学科核心素养

《K-12科学教育框架》指出：“工程和技术与物质科学、生命科学以及地球与空间科学同等重要，其主要原因有两个：一是反映理解人造世界的重要性，二是肯定更好地整合科学、工程和技术的教学价值”[14]。学生要想成为一个问题解决者，就必须要有解决问题的经历。

本研究涉及的53个课程案例，总体上有以下特点。一是大多数课程案例的教学目标按照传统三维课程目标进行设置，未突出以“S、T、E、M”为代表的多领域跨学科目标。二是STEM课程开放性不够强，大多数教师局限于传统课堂教学的思维定势，较少能够做到在真实情境中提出真实问题、真正探究从而真正解决问题。三是在课程理念上，除了基于真实情境展开课程研究，并将知识跨学科整合外，没有很好地把问题情境从个人层面上升到社会层面，在培养学生动手实践能力和综合运用知识的能力等方面还不够深入。

科学教育的一个重要目的就是让学生学会科学和工程学实践，以及培养基本的科学概念。发展学生的核心素养，从本质上讲就是为了培养学生在面对复杂问题时，能够运用并整合所学知识解决问题的品格和能力。如有研究认为，STEM教育的本质是培养学生解决复杂问题时综合运用各学科知识的能力[15]。由此看来，发展学生学科核心素养和STEM教育在目标上是一致的。因此，在设置STEM课程的教学目标时，应整合学科核心素养的要求，并在实践中引导学生进一步加深对科学探究的理解。

2.采取多元评估手段，重视STEM课程的教学评价

所收集案例中教学评价维度得分普遍较低。而评价是教学中非常重要且必不可少的一个环节，不仅能够及时反馈学生在课堂上的学习情况，而且能够优化教师教学，最终促进学生的发展。

STEM课程相对于传统课程而言，更强调以学生为中心进行科学探究或工程实践活动，具有更大的灵活性和开放性[16]。因此，应该更注重开放式的表现性评价和非正式评价，通过大量客观测验以外的行动、展示、操作、写作等更真实的表现来评价学生口头表达能力、文字表达能力、思维能力、创造能力、实践能力等，使教师能够更准确地评价学生对过程技能和内容领域知识的掌握情况，发现学生更多隐藏性问题，以便提供更有针对性的引导。

因此，针对STEM课程的典型特征，要逐渐丰富课堂教学评价的工具和手段。除了采用传统评价方式，还可以通过设计开放性问题、运用科学笔记、采用多种形式呈现学习成果等方法，以评价引导和鼓励学生表达沟通，在实践中不断发展解决真实问题的能力。

参考文献

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（责任编辑 郭向和   校对 姚力宁）