上海中小學(xué)STEM課程整合模式分析

尹鈺鈿

（上海師范大學(xué)教育學(xué)院國際比較與教育研究院，上海 200030）

在知識與全球化經(jīng)濟的21世紀(jì)，社會對跨學(xué)科、創(chuàng)新性人才的需求與日俱增。各國因此相繼進行課程改革，在此過程中，致力于學(xué)科知識的整合、培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新人才的STEM教育脫穎而出，受到各國的關(guān)注與親睞。STEM教育是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（engineer）、數(shù)學(xué)（mathematics）的縮寫，STEM教育不僅僅是這四門課程的簡單組合，還是將這些學(xué)科有機的融合成一個整體，將各學(xué)科知識轉(zhuǎn)變成探究事物之間相互的、不同聯(lián)系的過程，培養(yǎng)出具有科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、數(shù)學(xué)素養(yǎng)的復(fù)合型創(chuàng)新人才。STEM教育始于美國，如今，芬蘭、英國、澳大利亞、加拿大等多個國家各國陸續(xù)出臺STEM相關(guān)學(xué)科的課程標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)文件，將STEM相關(guān)課程列入國家課程框架中。

1 STEM教育背景

1.1 STEM課程的理論基礎(chǔ)

STEM教育以解決現(xiàn)實生活中的問題為核心，不僅重視學(xué)生對于STEM中每門課程的學(xué)科領(lǐng)域的理解和基礎(chǔ)知識的掌握，更強調(diào)的是知識的綜合運用，從而培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力、實踐能力、系統(tǒng)思維能力、小組合作能力等，以此彌補了單科教學(xué)所帶來的知識碎片化和脫離實際生活的問題。1986年美國國家科學(xué)委員會(NSB)發(fā)表的《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》報告中就提出“科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)教育集成”的綱領(lǐng)性建議，被視作是提倡STEM教育的開端。隨著STEM理念的不斷發(fā)展，其內(nèi)涵不斷被填充、擴大。為了彌補STEM教育過于理科的缺點，美國格雷特.亞克門（Georgette.Yakman）教授在STEM教育的基礎(chǔ)上提出steam教育（science,technology, engineering, arts, and mathematics），在原有的學(xué)科中加入了人文（art）,希望在進行STEM教育過程中，加入對學(xué)生人文方面的的培養(yǎng)。并建構(gòu)了steam教育的框架（如圖1），框架提供了清晰完整的steam目標(biāo)，即steam學(xué)習(xí)的終身性和連貫性，和具體的學(xué)科分類，為建構(gòu)并改善STEM教育的實踐提供了良好的支撐。

圖1 （STEAM金字塔結(jié)構(gòu)框架圖）

1.2 我國STEM教育的政策背景

在注重學(xué)生的核心素養(yǎng)、創(chuàng)新能力的趨勢下，為了著力提升青少年的科學(xué)素養(yǎng)、科學(xué)精神，培養(yǎng)具有創(chuàng)造力、有志于從事科研事業(yè)的人才，我國也清醒的意識到培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的重要性。教育部2016年出臺的《教育信息化“十三五”規(guī)劃”》中明確指出有效利用信息技術(shù)推進“眾創(chuàng)空間”建設(shè)，探索STEM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式，使學(xué)生具有較強的信息意識與創(chuàng)新意識，養(yǎng)成數(shù)字化學(xué)習(xí)習(xí)慣，具備重視信息安全、遵守信息社會倫理道德與法律法規(guī)的素養(yǎng)。與此同時，我國《基礎(chǔ)教育課程改革綱要（試行）》中指出：“要改變課程結(jié)構(gòu)缺乏整合性和課程內(nèi)容過于注重書本知識的現(xiàn)狀，加強課程內(nèi)容與學(xué)生生活和現(xiàn)代科技發(fā)展的聯(lián)系，關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和經(jīng)驗”。為了落實以上政策，上海市中小學(xué)紛紛開設(shè)STEM課程，對STEM教育進行了嘗試。在上海市教委教研室進行的上海市中小學(xué)STEM教育教研報告結(jié)果顯示，參與調(diào)查的99%的教師和校長廣泛認(rèn)可STEM教育的意義和價值，超過60%的學(xué)校在創(chuàng)新實驗室或科學(xué)實驗室實施STEM教育相關(guān)課程，具有實施STEM教育的環(huán)境和空間。本文以上海中小學(xué)實施的STEM課程為研究對象，對其整合模式和課程取向進行研究。

2 STEM課程的整合模式

在STEM課程實施中，往往以小組合作的形式進行。在筆者的研究中，根據(jù)課程整合載體的不同，筆者將目前的STEM課程的整合模式分為項目式或問題式整合、信息技術(shù)式整合、STEM課題共三種整合模式。根據(jù)教師在STEM教育應(yīng)用中可以分為支架式和開放式，所謂的支架式就是由教師給定框架，包括目標(biāo)和實現(xiàn)方式，然后由學(xué)習(xí)者在此基礎(chǔ)上實施，而開放式則更多地由學(xué)習(xí)者自行提出目標(biāo)并自行完成任務(wù)，需要學(xué)習(xí)者更多的主觀能動性。 在前者整合模式的課程中，老師在課堂中往往起著支架式的作用，而最后一種課程中，更多的傾向于以學(xué)生為主體，由學(xué)生設(shè)計課程方案、確定研究方法、自行查找資料、推動STEM課題進程，遇到問題在學(xué)生自行思考解決無果的情況下尋求老師幫助。

2.1 項目式或問題式整合模式

項目式或問題式整合STEM課程往往是由自然現(xiàn)象或者學(xué)生普遍的生活經(jīng)驗引發(fā)，這個問題往往是在老師的啟發(fā)下由學(xué)生自己提出來，問題式教學(xué)的目標(biāo)是通過查閱資料、設(shè)計實驗方案、實驗探究、歸納等方法解決問題，得到問題的答案。在這個過程中，學(xué)生是課程的主體，老師擔(dān)任啟發(fā)者或者輔導(dǎo)者的角色，將學(xué)生帶入問題情境中，啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計方案、糾正錯誤、在老師的輔助下共同完整問題的探究過程，得到答案。它的基本應(yīng)用模式是：（1）展示問題情境或者由問題情境引出項目任務(wù)。問題情境往往有兩種途徑，一種是從自然現(xiàn)象中引發(fā)問題，另一種是從學(xué)生的共同的生活經(jīng)驗中引發(fā)。這樣的問題情境往往由老師呈現(xiàn)，調(diào)動學(xué)生的已有經(jīng)驗，增強課堂的參與度。（2）明確問題，在問題情境下，老師的啟發(fā)下，學(xué)生往往會產(chǎn)生疑問，自己提出問題，并在老師的幫助下將問題明確、清晰。（3）確定方案，往往由小組進行討論，制定方案，老師在參與各小組的方案制定中進行評估、修改。這一過程中不僅僅是具體實驗步驟的確定，還有組內(nèi)人員職責(zé)的分配。（4）實施方案，按照既定的方案實施方案，在這一過程中，需要對實驗數(shù)據(jù)進行記錄，實驗現(xiàn)象進行觀察醒。（5）得出結(jié)論，在收集的實驗數(shù)據(jù)或者觀察到的實驗現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，學(xué)生通過歸納總結(jié)得到解決問題的答案。（6）重現(xiàn)問題情境，得到答案之后，各小組通過實驗重現(xiàn)引發(fā)問題的情境，在重現(xiàn)問題情境的操作中，進行現(xiàn)象原理的知識內(nèi)化。

案例一：彩虹結(jié)晶糖

（1）問題情境：彩虹結(jié)晶糖在水中消失不見。（2）明確問題：彩虹結(jié)晶糖去哪了，為什么會不見？本課程從此問題出發(fā)。（3）制定方案：學(xué)生通過動手實驗了解蔗糖在水中的溶解度，探討溫度、攪拌、水量等因素對蔗糖溶解的影響。并且安排組內(nèi)成員在實驗中的角色。（4）實施方案：小組按照制定好的方案，有序的進行實驗。（5）得出結(jié)論：針對實驗中的現(xiàn)象，歸納出一般結(jié)論。（6）重現(xiàn)問題情境：最后學(xué)生將親手制作彩色結(jié)晶糖，在試驗過程中體驗蔗糖的溶解和結(jié)晶。

案例二：細(xì)菌作畫

（1）確定項目：細(xì)菌作畫（2）講授相關(guān)知識：細(xì)菌怎么能作畫，細(xì)菌要如何作畫？此環(huán)節(jié)老師講授細(xì)菌的正常條件，讓學(xué)生了解菌落菌群的概念，并且對“作畫”時的注意操作事項進行說明（3）制定方案：在此階段，老師建議用劃線法在培養(yǎng)皿上買呢接種細(xì)菌，通過接種不同顏色細(xì)菌使其并生長出特定形狀進行藝術(shù)創(chuàng)作。（4）實施方案：學(xué)生按照具體的方案進行實地操作（5）項目成果評估：在班級的各個小組中對各組的“畫作”進行評比，提升學(xué)生的自信心和成就感。2.2 STEM研究課題

STEM教育不僅僅是教會學(xué)生綜合運用多領(lǐng)域知識的能力，更為重要的是掌握STEM思維的方法。而STEM課題就是為了培養(yǎng)這種思維方法而生，它的類型分為個人項目和團隊項目，通常由學(xué)生自己提出課題，自主進行方案制定和探究、教師在此過程中只是一個指導(dǎo)者。STEM方法流程主要是生成研究主題、制定研究計劃、了解研究背景、撰寫研究方案、準(zhǔn)備并開展實驗、統(tǒng)計分析、解釋數(shù)據(jù)、報告結(jié)果（如圖2）。

圖2 （STEM研究方法流程表）

以上海某校學(xué)生“將音樂轉(zhuǎn)化為圖像研究”的課題為例：（1）生成研究主題：該校的一名高中生基于聾啞人是如何感受音樂的疑問開始了本課題的研究，在采訪多數(shù)聾啞人之后發(fā)現(xiàn)他們目前是通過伴隨聲音的震動來體會音樂的鼓點節(jié)奏，于是萌發(fā)了將音樂轉(zhuǎn)化為圖像這一想法，幫助聾啞人能更直觀的感受到音樂旋律的藝術(shù)之美。確定了其研究主題—將音樂轉(zhuǎn)化為圖像的研究性實驗。（2）制定研究計劃：在老師的指導(dǎo)幫助下進行了研究方案的設(shè)計，確定了對應(yīng)變量——音樂的音調(diào)高低、音量大小和節(jié)奏速度和圖像的明亮度、純度和冷暖色調(diào)。（3）進行主題的背景研究：確定變量之后，這位同學(xué)對這幾個因素的背景知識研究，確定了音樂與顏色情感表達是有相通性、音樂與圖像的量化關(guān)系能夠成立。（4）撰寫研究方案：根據(jù)背景知識和前期的設(shè)計思路完成研究方案的撰寫。（5）準(zhǔn)備并開展實驗：該同學(xué)將田園交響曲作為采樣標(biāo)本，進行實驗。并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。（6）統(tǒng)計分析：對實驗中收集的數(shù)據(jù)，實驗過程和效果進行了數(shù)據(jù)分析和圖像生成。（7）解釋數(shù)據(jù)：通過對實際的聾啞人進行測試的結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，該圖像的準(zhǔn)確率較高，證實這種研究的有效性是存在的。（8）撰寫報告：將實驗的寫出科技論文，并且用展板呈現(xiàn)出來。

3 STEM課程整合的基本取向及其關(guān)系

根據(jù)我國學(xué)者余勝泉的論述，他認(rèn)為在將多門獨立學(xué)科知識聯(lián)系整合有三種取向，分別是學(xué)科知識整合取向、生活經(jīng)驗整合取向和學(xué)習(xí)者中心整合取向。第一種是學(xué)科知識整合取向分析各學(xué)科最基本的學(xué)科知識結(jié)構(gòu)，找到不同學(xué)科知識點之間的連接點與整合點，將分散的課程知識按跨學(xué)科的問題邏輯結(jié)構(gòu)化。第二種是，將學(xué)術(shù)性的學(xué)科知識轉(zhuǎn)化為可解決實際問題的生活性知識，基本做法是從兒童適應(yīng)社會的角度選擇典型項目進行結(jié)構(gòu)化設(shè)計，讓學(xué)習(xí)者在體驗和完成項目的過程中，習(xí)得蘊含于項目之中的多學(xué)科知識與技能，或從改造和完善現(xiàn)有社會的角度，選擇挑戰(zhàn)性項目。第三種模式不強調(diào)由教師預(yù)設(shè)問題或項目，而由學(xué)習(xí)者個體或小組調(diào)查、發(fā)現(xiàn)問題。并且自己確定課題，主導(dǎo)項目，在這個過程中學(xué)習(xí)、運用多學(xué)科跨領(lǐng)域的知識完成創(chuàng)造。

課程實踐中對這三種取向的STEM課程進行考察之后，發(fā)現(xiàn)他們?nèi)咧g呈現(xiàn)金字塔的關(guān)系，在低年級階段往往是由老師確定STEM課程主題進行教授，這些多數(shù)是從學(xué)生的生活經(jīng)驗和自然現(xiàn)象出發(fā)、在設(shè)計好的教學(xué)的框架之下進行半開放式的教學(xué)。或者教材設(shè)計者在數(shù)學(xué)、科學(xué)等學(xué)科中進行學(xué)科知識整合，在一年級的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中講授二年級科學(xué)課程中要使用的概念或內(nèi)容。而學(xué)習(xí)者中心整合往往出現(xiàn)在高年級學(xué)生中，學(xué)生在實際生活、社會經(jīng)驗中發(fā)現(xiàn)問題，并且確定要完善或者創(chuàng)造的設(shè)想或產(chǎn)品模型，后者的整合模式往往使用STEM研究方法進行思考、制作和創(chuàng)造。并且相較于前兩種課程來說，學(xué)習(xí)者中心整合的SETM課程相對較少，并且大多數(shù)是學(xué)生做課題、得到成果的過程。

4 結(jié)束語

作為中國經(jīng)濟發(fā)達的直轄市，上海中小學(xué)已經(jīng)陸續(xù)開展STEM課程時間，并且有些學(xué)校申請STEM課程建設(shè)專項資金、建設(shè)配套的STEM設(shè)施、引進國外高質(zhì)量的STEM課程、集聚師資力量進行課程開發(fā)、開設(shè)校本STEM課程。上海中小學(xué)在積極嘗試STEM課程實踐的過程中，同時也面臨著諸多困難。宏觀上來說，STEM課程面臨實施形式的爭論、STEM課程教師的能力不足、小組之間的團隊協(xié)作、課程時間不足、評價方法單一等問題，微觀上來說，由于STEM課程更強調(diào)小組合作學(xué)習(xí)，這就容易出現(xiàn)小組成員置身事外，更有甚者，小組之間發(fā)生矛盾、引起爭吵；并且精心整合的STEM課程如何在課堂實施中真正達到想要的效果，STEM課程實踐中的宏觀問題和微觀問題仍然有待探索和研究。