基于STEM教育的跨学科学习形式与教学支架

吴慧平

STEM教育是一种融合科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的知识和技能，培养学生跨界（即跨越学科边界）解决现实问题的教育方式。我国十分重视STEM教育的推广，2017年《中国STEM教育白皮书》的发布推动STEM教育进入蓬勃发展阶段，国内一些城市的中小学开始尝试利用校内外教育资源开设STEM课程，学界对STEM教育理念如何落实的研究日益增多。本文基于对STEM课程整合的思考，探析跨学科学习形式与教学支架，以便在STEM教育理念与教学实践之间架设一座桥梁，为教师设计、组织STEM跨学科教学活动提供借鉴。

一、STEM课程整合的类型

STEM课程的整合过程实际上是一个从单学科到多学科、学科交叉，再到跨学科的逐步深化的过程。在单学科层面（Disciplinary），学生可以在相互独立的课程中学习不同学科的知识与技能，这一层面的整合程度较低；在多学科层面（Multidisciplinary），学生虽然在不同学科分别习得知识与技能，但可以围绕一个共同的主题运用这些知识与技能；在学科交叉层面（Interdisciplinary），学生从两个或多个学科中习得知识与技能，达到拓展认知和加强交流的目的；在跨学科层面（Trans-disciplinary，亦称超学科），学生从两个或多个学科中习得知识与技能，将之用于解决真实问题或完成某个项目，从而形成学习经验。

当前，在课堂实践中推行STEM教育面临的困难是，学习者在跨越STEM学科的知识领域时会遭遇认知冲突，不知如何通过跨界媒介进行信息与观点的交流和构建新的认知图式。因此，2016年，澳大利亚学者琳恩在《STEM教育整合的观点》一文中明确表示，STEM整合式教育首先要解决的问题就是探索跨界学习（Boundary Crossing），即探索跨越学科边界的学习，以实现知识技能的迁移与转换。

二、STEM跨学科学习形式

2020年，香港浸会大学的艾伦·梁借鉴荷兰学者桑尼·阿克曼和亚瑟·贝克在《跨界与边界对象》中的观点，认为跨学科学习形式可以分成认同、协商、反思与转换四类。

认同，指学习者从不同学科领域对真实问题进行界定，描述不同领域对这个问题的理解，即从各学科视角分别解读问题，并将不同学科的界定联系起来，做出新的界定。这样既能充分发挥不同学科的优势，又能体现跨学科综合的优势。比如，在设计游泳池旁边的救生员椅子时，学习者需要从科学、数学、工程技术的角度考虑问题的解决方案：从科学角度，他要考虑椅子的受力问题；从数学角度，他要考虑椅子的角度设计；从工程技术角度，他要考虑制图、椅子尺寸与材料问题等。

协商，指通过对问题的研讨实现不同学科领域的沟通与联系，这是跨学科学习的重要方式。协商的目的是努力达成不同视角的意义理解，强化学科之间的相互渗透，构建跨学科学习的运行机制，促进知识在学习者之间有序而密集地流动、转化，从而催生知识创新。真实问题的解决需要学习者持续不断地协商对话，如此才能找出最佳的解决方案。比如，探讨救生员椅子设计问题时，学习者需要共同讨论如何运用科学、数学的知识分析椅子的受力情况，解决椅子的承重问题，以及运用何种技术工具使椅子各部件接合更牢固等。

反思，指学习者要意识到不同学科领域知识结构与思维方式的差异，加深对研究问题的理解，并充分利用多学科的资源优势，在学科边界间实现知识与信息的相互补充、彼此借鉴，进而形成一种独特的解决问题思路。STEM跨学科学习中的反思性对话可以理解为不断完善设计方案，提出迭代改进意见，使产品特性符合顾客需求。

转换，指实现旧知向新知的转化，这既是一种学习方式，又是STEM跨学科学习的目的所在。不同学科间概念理解与思维方式的差异为现实问题的解决创造了一个共同的、多元的信息分享空间，不同领域的思想观点在此融合交锋，形成新的文化形式。这些混合而来的思想观点用于实践活动之中，就会带来真实情境的变化，这也意味着形成了一套新的路径或程序来引导学习或创造过程的发生。转换意味着学习者通过交流、分享、反思，掌握了新的科学、技术、工程和数学等领域的知识。

以上四种学习形式可将STEM跨学科学习过程具体化，使跨学科学习不再是抽象的概念表述，而转化为切实可行的操作过程。

三、STEM跨学科教学支架

诸多STEM课堂教学经验表明，学习者不会自发地开启跨学科学习的对话过程，问题阐述与知识技能的运用也不会必然地发生。因此，跨学科学习的对话过程需要教师激发与引导。这凸显了设计STEM跨学科学习教学支架的重要性。2016年，美国学者凯莉与诺尔斯为STEM教育整合设计了一个教学支架，他们将其比喻为“滑轮组合”，即四个滑轮代表四门学科，共同举起一个承重物体，由此形成的“滑轮系统”由实践共同体（教师与学生）驱动，他们共同探究不同的STEM主题，学习STEM技能与思维。

“滑轮一”是工程设计与实践。教师引导学生参与工程设计活动，加深对科学概念的理解与运用。工程设计发挥着整合器的作用，它推动着STEM课程内容更好地整合，为STEM整合式教学提供一个理想的切入点；工程实践可以贯穿STEM教学活动的始终，将学习情境与学习内容连接起来。

“滑轮二”是科学探究。教师要引导学生在真实情境下开展科学探究活动，培养学生将科学知识转化成解决现实问题的技能。这是学生真正掌握知识的关键。科学探究注重从学生已有的生活经验、知识基础出发，让学生亲身经历科学研究的过程，在获得科学理解的同时提升问题解决能力。

“滑轮三”是技术素养。技术是科学的运用与具体化。技术素养指学生掌握、运用、评价和创新技术的能力。在STEM跨学科学习中，教师不仅要培养学生运用技术的能力，还要鼓励学生对技术的运用进行批判性思考，思考其对政治、经济、文化产生的积极与消极的影响。也就是说，STEM跨学科学习中的技术素养培养目标不仅包括基于工具视角熟练运用技术知识，还包括基于人文视角合理运用技术知识。

“滑轮四”是数学思维。美国宾夕法尼亚大学教授迪沙·威廉姆斯指出，STEM跨学科教学中的数学知识运用能彰显数学的现实意义，学生想知道的不仅是如何完成数学任务，还有为什么学习数学、数学如何与生活相联系。在STEM跨学科学习中，教师要引导学生运用数学知识分析、评价所设计的方案，了解学习数学的重要性，理解从学校学习的数学知识与STEM职业技能之间的联系。

“滑轮系统”教学支架为学习者提供了启动跨学科对话的牵引机制，师生作为实践共同体利用“滑轮系统”教学支架提供的思维图式，了解不同学科知识体系的联结点，综合每种思维方式的优势，融会贯通地运用知识技能解决真实情境中的问题。

（作者单位：武汉大学）

责任编辑  严芳