面向科学探究能力的项目式循证STEM教学模式研究

陈逸旻 徐刘杰

（1.绍兴市树人小学，浙江 绍兴 312099； 2.浙江工业大学 教育科学与技术学院，浙江 杭州 310023）

STEM教育强调学生在项目实践中应用跨学科知识，通过“做中学”，体验科学家的学习方式，培养科学探究能力。2017年教育部在发布的《义务教育小学科学课程标准》中倡导跨学科学习方式，鼓励教师在教学实践中尝试STEM教育。STEM 教育以项目式学习为主，强调体验式学习和“做中学”，融入综合实践课程以培养学生创新思维[1]。但是，目前STEM教育实践往往将教学重点放在知识学习或者动手实践上，而忽视了学生科学探究能力的培养。因此，为教师提供开展项目式STEM教育的教学模式，指导在项目式STEM教学中关注学生科学知识建构、科学探究能力培养，对于提高STEM教育效果具有重要意义。本研究从项目式STEM教育视角出发，引入循证理念，在学生完成项目活动过程中通过收集学习数据、分析数据、形成证据并以此提炼结论，指导学生完成项目，达到获得STEM知识和培养科学探究能力的目的。

一、文献综述

（一）项目式STEM教学研究

项目式STEM教学旨在以动手体验的方式让学生设计、发现、合作、创造并进行问题解决，培养其批判性思维和问题解决能力，提高学生的学科素养和创造力。为了有效实施项目式STEM教学，学者们提出了项目设计的原则。王巍和袁磊指出，项目式 STEM课程主题设计应遵循两个原则：一是问题来源于真实世界，项目成果作用于真实世界；二是STEM项目要围绕核心概念和关键技能[2]。有研究者认为在设计STEM项目时需遵循四个原则：内容的可进入性、思维的可视化、帮助学生向他人学习、促进学生自主学习[3]。依据以上原则，教师可以设计STEM教学环境和学习支架，促进学生深度参与STEM项目学习。

项目式STEM教学没有固定的教学流程，总体上围绕如何支持学生设计项目和开展项目来实施教学活动。但是在项目实施过程中，教师很容易过度提供支架，造成教师替代性学习，学生的主体性和主动性没有得到充分发挥；或者造成教师完全放手学生去探究项目，提供的支架和指导过于宽泛，学生得不到具体详细的指导，很难完成项目学习。我国缺少跨学科教师，导致大部分STEM教师缺乏跨学科教学的专业知识和技能，而且教师在实施项目式教学中缺少教学策略的指导。在项目式STEM教学实践中，教师主要还是带领学生实施以工程设计为主的项目学习，项目成果主要以制作作品为主，缺乏对项目的整体设计，没有明确的研究假设，缺少知识内容的学习和应用，科学性的探究过程不明显。

（二）STEM教育中学生科学探究能力的培养

STEM 教育可以显著提高学生搜集、整理信息的能力，独立思考、探究的能力[4]。在开展项目式科学探究中，首先，明确项目主题，教师指导学生检索并分析项目资料，界定研究问题。之后，学生开展协作，设计研究方案，明确项目产出，创造项目成果。但是在实验或者项目实施过程中，会存在“异常现象”，学生在科学探究中所观察到的现象与理论预期明显不同，且这些不同无法用“误差”解释清楚[5]。这就需要学生具备良好的科学探究能力，应用逻辑思维，理性解决问题，创新问题解决方案，学会通过科学探究、实验验证、观察调查等方法探索解决方案，学会通过证据去分析问题、解决问题。

在指导学生开展项目式STEM的科学探究时，教师需要具备相应的科学探究指导能力，主要包括科学探究指导理念、发现科学问题的指导能力、探究方案设计的指导能力、设计与获取探究器材的指导能力、信息收集及处理的指导能力、人际交往指导能力、实验指导能力、活动的组织与管理能力、活动交流与评价的指导能力[6]。但是，目前有关项目式STEM教学模式和教学策略的研究，大多是从宏观视角提出项目式STEM教育的教学模式，缺少微观层面上项目式STEM教育过程中对学生的探究活动给予指导的策略。教师难以把握学生的科学探究能力要素的表现期望，使得科学探究活动形式化、表象化[7]。虽然教师在宏观上指明学生要做什么，达到什么程度，但是微观上缺少支持学生“做中学”和“合作中学”的详细说明与指导，即在“如何做”上为学生提供的指导不充分，导致项目式STEM教学效果不佳。

（三）循证学习理论在STEM教育中的应用

为了培养学生的科学探究能力，许多研究者提出将循证学习理论应用于STEM教育中。循证学习是为解决研究问题，通过采集数据、分析数据、发现结论并得出问题解决方案的一种学习范式。在STEM项目实施或者科学探究过程中，学生观察、记录的数据可作为其提出观点或得出结论的证据。在探究的过程中，学生的每一步操作都有相应的证据作为支撑，或者每一步操作产生的数据都可以支持学生得出结论，形成他们探究的结果。学生在获取证据、分析证据时需要理解证据背后的学科知识或科学原理。在证据的支撑下，学生开展理性思维，通过数据分析、理论演绎、逻辑推理、验证假设、得出结论和实践创新，从而获得学科知识，锻炼科学探究能力，提高问题解决能力，体验获得知识的真实过程。

循证学习注重培养学生的科学探究能力。教师运用证据有助于诊断教学问题，探索因果关系，寻找有效解决策略，提高教学效率和效益，提高教师的领导力。在STEM教育中，教师通过基于问题或者基于项目的活动，组织学生通过协作开展创新性的科学探究活动。在科学探究中，学生要使用各种技术和方法搜集数据，分析数据，得出结论，形成问题解决方案，通过交流讨论分享信息和研究成果。这样的教学情境，强调对学生的设计能力与问题解决能力的培养。将学生学习过程和结果、教师课堂教学行为和教学干预等作为证据，帮助教师改进教学，指导学生学习，帮助学生实施项目学习活动，能够明显降低学生 STEM 学习的失败率，提高学习自主性和学业成绩。

二、面向科学探究能力的项目式循证STEM教学模式构建

（一）项目式循证STEM教学模式的理论依据

项目式循证STEM教学模式以建构主义和活动理论为依据，如图1所示，以“做中学”和“合作中学”为学习路径，依据循证学习理念开展项目式学习和探究式学习，在学习中生成证据、收集证据、分析证据、运用证据，实现科学探究能力的培养。建构主义主张以学生为中心的教学，强调自主—探究式教学观念；主张学生用探究法、发现法去建构知识的意义；学生要主动搜集并分析证据以验证各种学习问题的假设[8]。活动理论强调学习者在活动系统中及规则约束下通过分工合作，共同作用于客体并完成学习目标，注重学生参与的、实践性的、项目探究式的活动[9]。STEM教育通过项目式学习，将学生融入活动系统中，要求学生与共同体成员合作，主动探究、协作会话、反思改进、创新创造，鼓励学生以新的视角和思维方式在活动系统中开展合作学习，在合作中实践、在实践中改造客体、在改造客体中学习、在学习中生成新的客体。同时，学生在“做中学”和“合作中学”两条路径中产生的学习行为数据和结果（客体）数据成为学生发现学习问题和改进活动实施方案的证据，成为教师评价学生探究能力和改善教学活动的依据。据此构建面向学生科学探究能力的项目式循证STEM教学模式，能够指导STEM课程教学，推动STEM教育发展。

图1 面向科学探究能力的项目式循证STEM教学模式设计理论依据

（二）面向科学探究能力的项目式循证STEM教学模式构建

将循证理念应用到项目式STEM教学过程中，设计面向科学探究能力的项目式循证STEM教学模式，见图2。以项目为依托实施STEM教学活动，学生通过设计与实施项目而获得知识和技能，培养科学探究能力。在学生设计和实施项目的每一项活动中收集学生的行为数据和结果数据，作为评价学生、改善教学和指导学生学习的证据。

图2 面向科学探究能力的项目式循证STEM教学模式

在“做中学”路径中，学生主要按照项目式学习方式开展科学探究活动，包含六个步骤：（1）设计项目主题。由学生发现并提出问题，围绕问题设计STEM项目主题，设计项目实施计划。（2）制订研究方案。学生完成研究背景的调查和梳理工作，设计项目研究的假设、因变量和自变量，明确研究对象，完成研究方案。（3）实施项目研究。学生在项目实施中体验“做中学”，通过实践获得经验和知识。在项目实施中，学生开展合作探究，让学生在协同创造中展开深入的研究和创新。（4）分析解释数据。教师指导学生完成数据分析、解释和讨论工作。（5）展示交流成果。学生撰写项目研究报告，设计展示报告书，在班级展示研究设计和成果。其他小组或学生对汇报者的研究进行评价和提问，加强学生之间的交流与讨论。（6）评价与反馈。教师根据学生表现，评价学生的科学探究能力、实践操作能力、问题解决能力和协作交流能力等方面的表现。

在“合作中学”学习路径中，学生主要按照活动学习理论开展探究式学习，包括四个步骤：（1）合作学习新知。学生在小组内合作学习新知识，使用同伴指导策略提高合作学习效果。（2）协作探究活动。小组成员进行角色分工，共同开展探究活动，完成项目任务。（3）讨论协商问题。小组成员协作交流、共同协商，达成观点一致，并实现问题解决。（4）协同建构知识。在学生合作探究中通过学习新知识、应用新知识、协作交流讨论以达到共同解决问题和协同建构知识的目的。

在“做中学”和“合作中学”路径实施过程中，教师收集学生行为数据、学生作品数据、学生测试成绩等相关数据，作为评价学生学习效果的证据，并对教师的行为数据进行采集和分析，发现教学问题、教育管理问题，并依据这些数据来调整教学活动。学生在探究活动中收集实验数据，经过统计分析和推理演绎从而发现规律、提出观点，作为学生建构新知识的证据。另外，学生根据教师提供的评价反馈以及学生自己对项目结果数据的分析，认识自己的学习状态和学习进度，并改进学习。

三、面向科学探究能力的项目式循证STEM教学案例设计与实施效果

（一）案例设计

本研究以“创意纸电路”为主题设计STEM教学案例，在某中学开展了8周共10个课时的实验研究，实验对象为九年级某班的32名学生，男女生各有16名。“创意纸电路”共包含两大主题：“设计制作家庭防盗报警装置”和“设计制作音乐贺卡”。以“设计制作音乐贺卡”为例设计教学方案，项目式循证STEM教学设计案例如表1所示。

表1 项目式循证STEM教学设计案例

续表

（二）评价方法

本研究提出的项目式循证STEM教学模式旨在培养学生的科学探究能力。本研究主要使用“动手实验型”测评工具，教师和研究者现场观察，根据学生探究活动的结果界定学生的科学探究能力水平。通过现场观察采集学生行为数据、项目实施过程数据和项目成果等；使用学习单获取学生在电路知识、项目设计、项目实施、项目成果评价等方面的掌握情况。依据我国《义务教育初中科学课程标准（2011年版）》中规定的科学探究关键要素（包括提出科学问题，进行猜想和假设，设计实验，获取事实与证据，解释、检验与评价，表达与交流）对学生的各种证据进行分析，以评价学生的科学探究能力。

（三）实施效果

本研究从学习成绩和科学探究能力两方面对实施项目式循证STEM教学模式的效果进行评价。通过学生前后测成绩比较可知，学生的学习成绩得到显著提高，有关电路知识的理解和应用能力得到显著提升。在实施项目式循证STEM教学模式中，教师开展以学生为中心的教学活动，引导学生围绕项目开展各种探究，收集数据、分析数据，解释分析结果。首先，在实施项目式循证STEM教学模式过程中，促进学生理论知识学习与项目实践相结合，在实践中去运用知识，强化学生的知识学习，促进学生实现知识的内化。其次，促进学生开展实践探究，在项目活动中运用理论知识去解决问题，完成项目，并建构新的知识。最后，加强学生的循证运用，让学生在收集数据、分析数据和解释数据中培养学生的逻辑推理能力、总结归纳能力和问题解决能力等。

对学生科学探究能力的分析结果如表2所示。经过教学实验之后学生的科学探究能力获得了良好的发展。学生在提出科学问题（M=4.67，SD=0.27）、设计实验（M=4.46，SD=0.44）和表达与交流（M=4.74，SD=0.18）三个维度上表现良好。在获取事实与证据，解释、检验与评价两个维度上学生表现弱于其他维度，表明学生在获取事实与证据（M=4.27，SD=0.44）和解释检验与评价（M=4.33，SD=0.42）等环节还存在一定的提升空间，需要教师给予更多的支持和帮助，助推学生发展数据分析、逻辑推理和评价能力。整体来说，在应用项目式循证STEM教学模式的教育实践中，学生的科学探究能力能够获得良好的发展。在项目式循证STEM教学模式实施过程中，教师鼓励学生去设计项目方案，提出科学问题，建立研究假设，这是学习者开展科学探究的基础，这一环节的教学活动能够培养学生的问题意识、科学探究精神和科学素养。在学生开展项目探究过程中，学生为了寻找证据，解决项目问题，完成项目，开展数据采集、数据分析和数据解释等活动，这些能够培养学生的数据意识和数据素养，培养学生的科学实践能力，使学生在循证中将理论知识与项目探究相结合，达到培养学生科学探究能力的目的。

表2 学生的科学探究能力分析结果

四、总结

STEM教育强调通过跨学科知识的融合来培养具有多元思维与创新能力的人才，通过“做中学”来培养学生的科学探究能力。研究者和教师均强调项目式学习在STEM教育中的应用，让学生在项目探究中体验科学家进行科学研究的方式，注重学生在开展项目中获得真实的学习体验，获得知识、应用知识，并锻炼思维能力。当前，积极探索STEM教育模式、STEM学科的教学策略，使STEM教育与日常教学相融合，与培养学生科学探究能力相融合，已经成为推动 STEM 教育发展的关键。本研究从培养学生的科学探究能力出发，依据循证理念，构建了项目式STEM教育的教学模式。通过教学案例说明项目式循证STEM教学模式的应用效果，以期将STEM教育理念扎根于实际教学情境中，助力STEM教育真正实现培养学生科学探究能力的目标，为STEM教育的实践应用提供有价值的指导作用。