中美小學(xué)教師STEM課堂教學(xué)個(gè)案比較研究

肖龍海 黃逸舒

摘要：本研究使用描述性的課堂觀察工具對(duì)中、美小學(xué)教師的STEM課堂錄像個(gè)案進(jìn)行了編碼和描述，并從教學(xué)環(huán)境、教學(xué)模式、教學(xué)行為、教學(xué)內(nèi)容的角度對(duì)其進(jìn)行分析和比較。研究結(jié)果表明，中、美小學(xué)教師的STEM教學(xué)都體現(xiàn)出一些相同的特征：跨學(xué)科的學(xué)習(xí)內(nèi)容、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的教學(xué)組織、問(wèn)題解決導(dǎo)向的過(guò)程性評(píng)價(jià)和整合跨學(xué)科內(nèi)容與教學(xué)策略的教師專業(yè)素養(yǎng)，但兩位教師在跨學(xué)科整合的取向、教學(xué)組織流程和策略以及真實(shí)性評(píng)價(jià)方面也存在著差異，這些異同點(diǎn)能為STEM教學(xué)實(shí)踐和教師發(fā)展都帶來(lái)一定的借鑒和啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：STEM教學(xué);中美比較;課堂錄像分析

Abstract： This study uses descriptive classroom observation tools to code and describe STEM classroom video cases of primary school teachers in China and the United States， and analyzes and compares them from the perspective of teaching environment， teaching mode， teaching behavior and teaching content. The results show that the STEM teaching of primary school teachers in China and the United States has the same characteristics： interdisciplinary learning content， project-based learning teaching organization， problem-solving oriented process evaluation and teachers’ professional quality integrating interdisciplinary content and teaching strategies. However， there are also differences between the two teachers in the orientation of interdisciplinary integration， teaching organization process and strategy， as well as authenticity evaluation. These similarities and differences can bring certain reference and inspiration for STEM teaching practice and teacher development.

Keywords： STEM teaching; comparison between China and the United States; analysis of classroom video

一、引言

盡管目前關(guān)于STEM教學(xué)的研究越來(lái)越多，但在小學(xué)的跨學(xué)科STEM教學(xué)實(shí)踐中，教師仍然遇到了很多挑戰(zhàn)，包括在教學(xué)管理、課堂教學(xué)、小組合作等方面的問(wèn)題[1]，因此研究STEM課堂教學(xué)對(duì)促進(jìn)STEM教學(xué)推進(jìn)和教師專業(yè)發(fā)展有重要的價(jià)值。同時(shí)，由于中、美兩國(guó)開(kāi)展STEM教學(xué)的時(shí)間及其所背靠的教育環(huán)境的不同，中美兩國(guó)教師的STEM課堂教學(xué)存在一定的差異，尤其是美國(guó)的STEM教育起步早，其已在STEM教育上取得了較多的成果，如“引路計(jì)劃”（Project Lead The Way）和“工程學(xué)為基”（Engineering is Elementary）都是美國(guó)的STEM教育的重要經(jīng)驗(yàn)?；诖?，本研究以中、美兩國(guó)教師的STEM課堂教學(xué)為研究對(duì)象，剖析和探討兩國(guó)小學(xué)教師的STEM課堂教學(xué)情況及其異同，為STEM教學(xué)發(fā)展提供借鑒，尤其促進(jìn)中國(guó)教師的STEM教學(xué)實(shí)踐健康發(fā)展。

二、STEM教學(xué)理念

縱觀目前的STEM研究和課程實(shí)踐，國(guó)際上有三個(gè)關(guān)于STEM教與學(xué)的理念基本達(dá)成了一致，即指導(dǎo)性的;作為一套綜合或相互聯(lián)系的學(xué)科;更依賴于利害關(guān)系人或者是可視化或概念化的情境[2]。

（一）指導(dǎo)性

強(qiáng)調(diào)STEM教學(xué)以學(xué)生為中心，為學(xué)而教，教師的責(zé)任是指引和引導(dǎo)，與傳統(tǒng)的知識(shí)灌輸、被動(dòng)接受的理念相悖。因此，STEM教學(xué)應(yīng)側(cè)重于組織學(xué)生活動(dòng)，關(guān)注學(xué)生的參與及過(guò)程。如美國(guó)和諧公立學(xué)校開(kāi)創(chuàng)的“STEM學(xué)生登臺(tái)秀”模式則將學(xué)生參與作為教學(xué)的關(guān)鍵要素，該模式由教師主導(dǎo)的教學(xué)和學(xué)生項(xiàng)目?jī)纱蟛糠纸M成，在教師主導(dǎo)的教學(xué)中，教師除了講授新概念，還將動(dòng)手實(shí)踐、Youtube視頻實(shí)驗(yàn)、學(xué)生教學(xué)等環(huán)節(jié)融入課堂中，讓學(xué)生積極參與，而學(xué)生項(xiàng)目則分為短期項(xiàng)目和學(xué)年項(xiàng)目，皆由學(xué)生自主動(dòng)手完成[3]。潘星竹等的“支架+”STEM教學(xué)模式則強(qiáng)調(diào)教師的職責(zé)是在解決問(wèn)題的各個(gè)階段給予學(xué)生相應(yīng)的學(xué)習(xí)支架，從而推動(dòng)學(xué)生完成學(xué)習(xí)任務(wù)[4]。

（二）學(xué)科的聯(lián)系與綜合

強(qiáng)調(diào)STEM學(xué)科在不同程度上的整合，即在教室或?qū)W校里有意識(shí)地、公開(kāi)地協(xié)調(diào)兩個(gè)或兩個(gè)以上STEM學(xué)科的學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)活動(dòng)[5]。其中，技術(shù)和工程在STEM教學(xué)中可作為貫穿整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程的連接器，將數(shù)學(xué)和科學(xué)的概念和知識(shí)嵌入到技術(shù)和工程的實(shí)踐過(guò)程中，以實(shí)現(xiàn)整合性STEM（Intergrated/Intergrative STEM，iSTEM）的教育[6]。

（三）情境性

指向?qū)嵤㏒TEM教育的真實(shí)情境，一是指STEM教育需要扎根于其所處的社會(huì)環(huán)境當(dāng)中，關(guān)注地方性和全國(guó)性的利害關(guān)系人的需求;二是指STEM教學(xué)要?jiǎng)?chuàng)設(shè)真實(shí)的問(wèn)題情境，使得課堂所學(xué)、動(dòng)手實(shí)踐與學(xué)生的真實(shí)生活能串聯(lián)起來(lái)、相互聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)遷移。

常見(jiàn)的STEM問(wèn)題情境大致建立在科學(xué)探究取向、社會(huì)科學(xué)取向和工程設(shè)計(jì)取向等三大類任務(wù)上，不同類型的情境因其教學(xué)重點(diǎn)的差異可以形成不同的教學(xué)模式，科學(xué)探究類的情境強(qiáng)調(diào)“知道”，因此教學(xué)模式可以由“確定探究主題-確定使用的工具-設(shè)計(jì)和制作工具-開(kāi)展科學(xué)探究-學(xué)生自我評(píng)價(jià)-STEM學(xué)科內(nèi)容和本質(zhì)-報(bào)告研究結(jié)果”七大環(huán)節(jié)構(gòu)成[7];社會(huì)科學(xué)類的情境強(qiáng)調(diào)“社會(huì)性”，學(xué)習(xí)歷程則圍繞社會(huì)性議題的探討和解決來(lái)組織，如泰國(guó)學(xué)者Sutaphan， S.等將社會(huì)學(xué)習(xí)與STEM學(xué)科相結(jié)合，發(fā)展出了以“識(shí)別社會(huì)議題、識(shí)別潛在的解決方案、知識(shí)需求、決策、模型或產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、測(cè)試和評(píng)估解決方案、社會(huì)化和完成決策階段”為學(xué)習(xí)過(guò)程的STS教育模式[2.11.14];而工程設(shè)計(jì)類的情境則強(qiáng)調(diào)“設(shè)計(jì)制作”，教學(xué)以工程設(shè)計(jì)程序作為系統(tǒng)的問(wèn)題解決模式，從而在問(wèn)題情境的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)科學(xué)探究，打破學(xué)科界限，現(xiàn)已成為美國(guó)STEM教育改革的重要啟示[8]。

在以上三個(gè)將STEM教學(xué)概念化的理念的要求下，基于項(xiàng)目和實(shí)踐的教學(xué)成為STEM教學(xué)中主要的教學(xué)方法?；陧?xiàng)目和實(shí)踐的教學(xué)以問(wèn)題解決驅(qū)動(dòng)和行動(dòng)導(dǎo)向?yàn)榻M織學(xué)生活動(dòng)的原則，能將指導(dǎo)性、整合性和情境性融合在項(xiàng)目實(shí)踐當(dāng)中。其以富含真實(shí)情境的挑戰(zhàn)性任務(wù)為核心，鼓勵(lì)并指導(dǎo)學(xué)生自主參與和協(xié)作學(xué)習(xí)，讓學(xué)生能在解決富有難度的問(wèn)題中綜合運(yùn)用所學(xué)的各學(xué)科知識(shí)和技能，并予以實(shí)踐、評(píng)估、展示，從而實(shí)現(xiàn)知識(shí)建構(gòu)和學(xué)習(xí)遷移。因此，在STEM教學(xué)模式研究和教學(xué)實(shí)踐中，基于項(xiàng)目和實(shí)踐的教學(xué)往往是重要的理論基礎(chǔ)。

三、研究設(shè)計(jì)

本研究采用課堂錄像分析法來(lái)對(duì)STEM教學(xué)個(gè)案進(jìn)行研究。

為保證選取的教學(xué)個(gè)案能代表中、美兩國(guó)教師的STEM教學(xué)特點(diǎn)，同時(shí)又具有同質(zhì)性，本研究使用目的抽樣法從網(wǎng)絡(luò)上選取了兩個(gè)近三年內(nèi)的工程設(shè)計(jì)取向的課堂視頻作為研究的對(duì)象，其分別名為“美國(guó)STEAM課程試聽(tīng)課”和“STEM課程《投石機(jī)》”。

選取的“美國(guó)STEAM課程試聽(tīng)課”，是北師大實(shí)驗(yàn)小學(xué)開(kāi)展的“美國(guó)開(kāi)放課堂”活動(dòng)中的STEAM教學(xué)展示課，課程名為《小說(shuō)工程課》，課堂時(shí)長(zhǎng)約為45分鐘。該次活動(dòng)展示了來(lái)自美國(guó)明尼唐卡學(xué)區(qū)的小學(xué)STEM教師所設(shè)計(jì)和教學(xué)的四個(gè)課程，《小說(shuō)工程課》是其中一節(jié)，其由Melinda Barry老師和Laura Nelson老師共同設(shè)計(jì)和呈現(xiàn)，參與該課堂的學(xué)生均為中國(guó)學(xué)生，共32人?！缎≌f(shuō)工程課》由美國(guó)教師設(shè)計(jì)并進(jìn)行教學(xué)展示，課堂的教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐均根植于美國(guó)STEM課程的理念，加上明尼唐卡學(xué)區(qū)的老師對(duì)STEAM教學(xué)都較為熟悉，STEAM教學(xué)經(jīng)驗(yàn)也較為豐富，因此該課程教學(xué)能很好地代表美國(guó)的小學(xué)教師的STEM教學(xué)實(shí)踐過(guò)程。

選取的中國(guó)小學(xué)“STEM課程《投石機(jī)》”是泉州市豐澤區(qū)小學(xué)科學(xué)“基于STEM教學(xué)理念”課堂教學(xué)研討暨區(qū)小學(xué)科學(xué)名師工作室研討活動(dòng)中的展示課，同時(shí)也屬于2017年全國(guó)教育信息技術(shù)研究課題“基于STEM教育理念的小學(xué)科學(xué)課程生活化研究”的階段活動(dòng)?！锻妒瘷C(jī)》課程由該區(qū)的優(yōu)秀教師設(shè)計(jì)并執(zhí)教，共有36名學(xué)生參與，課時(shí)總長(zhǎng)為51分49秒，其教學(xué)植根于我國(guó)小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)，反映了我國(guó)小學(xué)科學(xué)的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)理念，代表著我國(guó)大部分科學(xué)教師對(duì)跨學(xué)科學(xué)習(xí)的積極探索，該課程后來(lái)拓展至5個(gè)課時(shí)，成為了豐澤區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校的STEM教學(xué)案例，因此，《投石機(jī)》課程對(duì)中國(guó)教師的STEM教學(xué)具有一定代表性。

由于研究對(duì)象是工程設(shè)計(jì)取向的STEM教學(xué)個(gè)案，本研究使用工程設(shè)計(jì)的課堂觀察方案（the Classroom Observation Protocol for Engineering Design，COPED）[9]和STEM課堂觀察方案（The Classroom Observation Protocol for Undergraduate STEM ，COPUS）[10]來(lái)進(jìn)行編碼和描述。這兩個(gè)方案均為每?jī)煞昼姷拿枋鲂哉n堂觀察工具，其所有代碼均在一致性檢驗(yàn)中獲得較高的分?jǐn)?shù)，具有較高的信效度。根據(jù)小學(xué)STEM教學(xué)的情況，本研究在使用時(shí)對(duì)這兩個(gè)方案的代碼及其釋義做了調(diào)整，僅留下四組代碼（表1）。在完成對(duì)課堂錄像的編碼和描述的基礎(chǔ)上，本研究從教學(xué)環(huán)境、教學(xué)模式、教學(xué)行為、教學(xué)內(nèi)容四個(gè)維度來(lái)對(duì)個(gè)案進(jìn)行分析，并結(jié)合中美當(dāng)前的STEM教育情況，對(duì)兩國(guó)教師的STEM教學(xué)進(jìn)行討論。

四、結(jié)果分析

（一）教學(xué)環(huán)境分析

在中國(guó)教師的《投石機(jī)》課堂中，學(xué)生分小組就坐于教室的兩側(cè)，教室的中心位置則劃分為每組測(cè)試和評(píng)估投石機(jī)模型的場(chǎng)地，這樣的空間安排使得學(xué)生能有效地進(jìn)行小組協(xié)作，也方便教師對(duì)課堂教學(xué)環(huán)節(jié)的推進(jìn)。但從空間位置來(lái)看，學(xué)生的座位固定在教室的兩側(cè)，與講臺(tái)的距離較遠(yuǎn)，由于教師所能走動(dòng)的范圍較為有限，坐在外側(cè)的同學(xué)便容易被忽略（圖1）。由此可見(jiàn)，《投石機(jī)》課堂的學(xué)習(xí)空間是相對(duì)固定且系統(tǒng)的，學(xué)生的座位及活動(dòng)范圍劃分明確，教師為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了適合小組協(xié)作、參與的學(xué)習(xí)環(huán)境，但也強(qiáng)調(diào)秩序性和規(guī)范性，凸顯了教師對(duì)課堂空間的管理權(quán)。

在美國(guó)教師的《小說(shuō)工程課》中，學(xué)生座位呈U字形包圍講臺(tái)，位于教室的中心，這使得學(xué)生與教師的距離拉近，有助于教師與學(xué)生的互動(dòng)與交流，學(xué)生成為課堂的中心（圖2）。

而在學(xué)生自主完成任務(wù)時(shí)，美國(guó)教師并未劃分統(tǒng)一的、固定的、規(guī)范的小組活動(dòng)范圍，活動(dòng)范圍和組隊(duì)皆由學(xué)生自由選擇。對(duì)比中國(guó)教師的《投石機(jī)》課堂而言，美國(guó)教師的空間和小組安排顯得更加靈活，突出學(xué)生的個(gè)性化和選擇性，學(xué)生對(duì)教室空間的利用權(quán)較大。通過(guò)固定的個(gè)人桌椅加上靈活的活動(dòng)范圍，教師滿足了學(xué)生自主思考的需要，也為學(xué)生進(jìn)行小組協(xié)作留有了空間，實(shí)現(xiàn)了協(xié)作性和個(gè)性化兼顧。由此可見(jiàn)，在《小說(shuō)工程課》課堂中，學(xué)生的空間運(yùn)動(dòng)更為自由、靈活，以學(xué)生為中心的教學(xué)理念更為突出，但課堂的秩序管理則相對(duì)要難一些。

（二）教學(xué)模式分析

在中國(guó)教師的《投石機(jī)》課堂中，工程設(shè)計(jì)的九個(gè)要素都有出現(xiàn)，這表明，學(xué)生在課堂上體驗(yàn)了較為完整的工程設(shè)計(jì)程序，其中，建造（Build）、展示（Share）和再設(shè)計(jì)（ReD）這三個(gè)要素的出現(xiàn)頻率最高，占據(jù)了最多的教學(xué)時(shí)間。由此可見(jiàn)，教師將工程設(shè)計(jì)的程序作為課堂教學(xué)的流程，工程設(shè)計(jì)的教學(xué)模式突出，并強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作、反思和展示的能力。但在具體的教學(xué)環(huán)節(jié)安排上，中國(guó)教師也根據(jù)自身的教學(xué)風(fēng)格和課堂任務(wù)進(jìn)行了調(diào)整：在課堂的前14分鐘里，問(wèn)題（Pro）、頭腦（Brain）、研究（Rsch）這三種要素交錯(cuò)出現(xiàn)，并出現(xiàn)一定程度的重合，這表明教師將這三項(xiàng)任務(wù)合并為該課堂的驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié);緊接著出現(xiàn)的計(jì)劃（Plan）、建造（Build）與測(cè)試（Test），均為學(xué)生動(dòng)手操作的活動(dòng)，其中教師將計(jì)劃（Plan）和建造（Build）這兩項(xiàng)程序放在了同一環(huán)節(jié)，學(xué)生按照自己的進(jìn)度分配時(shí)間;而在課堂最后二十分鐘內(nèi)，評(píng)估（Eval）、再設(shè)計(jì)（Red）和分享（Share）則是課堂的組成要素，其在時(shí)間上也有所重疊，這表明教師將“再設(shè)計(jì)”這一任務(wù)融入“評(píng)估”與“分享”的環(huán)節(jié)中，讓學(xué)生既能根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)找到自己的模型存在的問(wèn)題并思考如何改進(jìn)，還能通過(guò)小組展示與交流來(lái)獲得啟示和靈感。（圖3）。

結(jié)合每一環(huán)節(jié)中師生的教學(xué)行為，可將《投石機(jī)》課堂的教學(xué)模式歸結(jié)如下（表2）。

在這六個(gè)環(huán)節(jié)中，“設(shè)計(jì)與制作”、“測(cè)試”和“評(píng)估”強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主參與與小組協(xié)作，而“問(wèn)題與設(shè)想”和“展示與交流”這兩個(gè)環(huán)節(jié)由全班共同參與，教師的指導(dǎo)和講授較為突出（表2）。

分析美國(guó)教師的《小說(shuō)工程課》的工程設(shè)計(jì)要素，則發(fā)現(xiàn)在該課堂中學(xué)生僅僅完成了問(wèn)題（Pro）、頭腦風(fēng)暴（Brain）、計(jì)劃（Plan）、建造（Build）和分享（Share）這五個(gè)工程設(shè)計(jì)任務(wù)，學(xué)生并未體驗(yàn)完整的工程設(shè)計(jì)程序，教師根據(jù)項(xiàng)目的內(nèi)容和時(shí)間的限制做了調(diào)整。其中，課堂的前二十分鐘里僅出現(xiàn)了問(wèn)題（Pro）這一項(xiàng)要素，其占課堂時(shí)間最多，是該課堂最突出的部分，這表明，發(fā)掘、識(shí)別和分析問(wèn)題是該次課堂的重點(diǎn)。接下來(lái)的時(shí)間則出現(xiàn)了頭腦風(fēng)暴（Brain）和分享（Share）這兩個(gè)要素，教師通過(guò)提問(wèn)的方式引導(dǎo)學(xué)生對(duì)如何解決問(wèn)題做出獨(dú)立地思考，并對(duì)學(xué)生的想法做出反饋，而學(xué)生則在分享與聆聽(tīng)中互相激發(fā)靈感。而剩下的后半部分時(shí)間主要由計(jì)劃（Plan）、建造（Build）和分享（Share）這三個(gè)要素組成，其中建造（Build）與計(jì)劃（Plan）、分享（Share）這兩個(gè)環(huán)節(jié)都有不同程度的時(shí)間重合（圖4）。

《小說(shuō)工程課》的教學(xué)模式可總結(jié)如下表（表3）。

其中，美國(guó)教師的講授和指導(dǎo)主要出現(xiàn)在“問(wèn)題”和“頭腦風(fēng)暴”這兩個(gè)環(huán)節(jié)中，以全班共同參與的形式為主。而“設(shè)計(jì)”、“制作”和“分享與交流”環(huán)節(jié)，則讓學(xué)生自主或組隊(duì)完成任務(wù)，展示的對(duì)象也是由學(xué)生自主、靈活決定（表3）。

（三）教學(xué)行為分析

根據(jù)COPUS的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，在中國(guó)教師的《投石機(jī)》課堂中，聽(tīng)講（L）、回答問(wèn)題（AnQ）和小組活動(dòng)（GW）占學(xué)生行為的72%，為學(xué)生在該課堂中的主要學(xué)習(xí)形式，且尤以小組活動(dòng)所占比例最大（圖5）;而教師則花了大部分的時(shí)間在提問(wèn)（PQ）、管理（Adm）、一對(duì)一指導(dǎo)（1o1）和移動(dòng)（MG）上（圖7）。因此可以判斷，在該課堂上，學(xué)生的主動(dòng)參與程度很高，主要表現(xiàn)在小組活動(dòng)（GW）、回答問(wèn)題（AnQ）和展示（SP）上，該課堂采用了典型的合作學(xué)習(xí)策略，強(qiáng)調(diào)同伴指導(dǎo)的教學(xué)，突出培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力（圖5、圖7）。

而在美國(guó)教師的《小說(shuō)工程課》中，學(xué)生的學(xué)習(xí)行為較為多樣且所占的比例較為平均，其中出現(xiàn)最多的是聽(tīng)講（L）、回答問(wèn)題（AnQ）、小組活動(dòng)（GW）和獨(dú)立思考（Ind），積極參與的特征也較為顯著（圖6）。而教師則采用的教學(xué)策略則包括一對(duì)一的指導(dǎo)（1o1）、管理（Adm）、講授（LEC）、和提問(wèn)（PQ），這幾項(xiàng)教學(xué)行為所占的時(shí)間比例也較為平均，可見(jiàn)，美國(guó)教師在該課堂中使用了多種形式的教學(xué)策略對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，包括傳統(tǒng)的講授式、激發(fā)學(xué)生思考的問(wèn)答式、鼓勵(lì)同伴學(xué)習(xí)的小組互動(dòng)，并使用一定地管理策略推進(jìn)課堂項(xiàng)目的每一個(gè)環(huán)節(jié)（圖8）。與中國(guó)教師的《投石機(jī)》課堂相比，美國(guó)教師對(duì)學(xué)生回答問(wèn)題或思考結(jié)果的全班性反饋較為顯著，其重視學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程并及時(shí)給予評(píng)估與反饋（圖7、圖8）?？傮w而言，美國(guó)教師的《小說(shuō)工程課》教學(xué)形式豐富，教學(xué)風(fēng)格強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，兼顧講授式、問(wèn)答式和協(xié)作學(xué)習(xí)，既關(guān)注學(xué)生個(gè)體或群體的獨(dú)特性，也注重整體性。

（四）教學(xué)內(nèi)容分析

中國(guó)教師的《投石機(jī)》課堂所設(shè)置的挑戰(zhàn)性任務(wù)是制作投石機(jī)裝置。該任務(wù)圍繞投石機(jī)的設(shè)計(jì)與制作串聯(lián)了STEM四門(mén)學(xué)科的知識(shí)與技能（表4），教師將科學(xué)學(xué)科的概念和知識(shí)安排在呈現(xiàn)“投石機(jī)”任務(wù)前（如投石機(jī)的結(jié)構(gòu)、杠桿原理）或嵌入到工程和技術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中（如材料與性能、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)），整個(gè)教學(xué)過(guò)程主要圍繞工程設(shè)計(jì)過(guò)程展開(kāi)，科學(xué)和數(shù)學(xué)的知識(shí)和應(yīng)用主要用以支持工程設(shè)計(jì)的動(dòng)手操作。因此，《投石機(jī)》課堂是聚焦于工程與技術(shù)設(shè)計(jì)的課堂，其主要強(qiáng)調(diào)將科學(xué)知識(shí)與動(dòng)手制作的過(guò)程聯(lián)系在一起，以達(dá)成我國(guó)小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中建議教師使用STEM跨學(xué)科學(xué)習(xí)方式，通過(guò)創(chuàng)設(shè)動(dòng)手操作的環(huán)境，將技術(shù)、工程與科學(xué)進(jìn)行整合，培養(yǎng)學(xué)生“動(dòng)手做”的問(wèn)題解決習(xí)慣和能力，轉(zhuǎn)變以知識(shí)講授為主的科學(xué)教育方式的改革目標(biāo)。然而，將投石機(jī)作為串聯(lián)科學(xué)和工程的任務(wù)情境也有一定的不足。投石機(jī)作為被淘汰的古代軍事裝置，與小學(xué)學(xué)生的日常生活脫節(jié)，真實(shí)性相對(duì)不足，對(duì)學(xué)生遷移所學(xué)存在一定的阻礙。同時(shí)，《投石機(jī)》課堂沒(méi)有設(shè)置任務(wù)以外的問(wèn)題情境，使挑戰(zhàn)性問(wèn)題集中在技術(shù)性與工程性方面，學(xué)生缺少對(duì)投石機(jī)適用情境的思考，使得其相應(yīng)的制作要求和評(píng)估體系不夠精準(zhǔn)。

美國(guó)教師的《小說(shuō)工程課》則以解決繪本故事中的問(wèn)題作為挑戰(zhàn)性任務(wù)。該任務(wù)主要涉及工程設(shè)計(jì)和文學(xué)藝術(shù)領(lǐng)域，教師將文學(xué)藝術(shù)的內(nèi)容作為工程設(shè)計(jì)的問(wèn)題情境，使得學(xué)生的理解力、創(chuàng)造力和想象力的發(fā)展貫穿于整個(gè)教學(xué)任務(wù)當(dāng)中。（表4）盡管該課程沒(méi)有明確地涉及科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)學(xué)科的知識(shí)，但美國(guó)教師以解決問(wèn)題的流程為主線開(kāi)展教學(xué)，并依次講解了“移情—定義—設(shè)想—構(gòu)建模型—測(cè)試”等解決問(wèn)題的步驟，發(fā)展了學(xué)生的想象力、創(chuàng)造力、問(wèn)題解決能力等高階思維能力，是跨越STEM具體學(xué)科的通用技能和核心素養(yǎng)。同時(shí)，繪本故事中蘊(yùn)含的多種開(kāi)放性問(wèn)題及多種解決問(wèn)題的可能性要求學(xué)生對(duì)問(wèn)題進(jìn)行比較，從而選擇緊急的、可解的問(wèn)題來(lái)制定可行的解決方案，這與現(xiàn)實(shí)中結(jié)構(gòu)不良的問(wèn)題有很大的相似之處，有助于學(xué)生將所學(xué)技能遷移至真實(shí)世界中。但以繪本故事作為問(wèn)題情境也同樣會(huì)有一些天馬行空的情節(jié)，降低了問(wèn)題情境的真實(shí)性，使得學(xué)生的作品缺乏了真實(shí)性的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

五、討論與啟示

（一）跨學(xué)科整合的教學(xué)內(nèi)容及目標(biāo)

跨學(xué)科性（Transdisciplinary）是STEM教學(xué)的重要屬性，其不僅強(qiáng)調(diào)STEM學(xué)科知識(shí)的相互聯(lián)系，更強(qiáng)調(diào)將其運(yùn)用到真實(shí)情境或項(xiàng)目實(shí)踐中生成學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。不少研究指出，工程和技術(shù)項(xiàng)目可以作為串聯(lián)STEM學(xué)科的連接器，提升學(xué)生的STEM素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)建構(gòu)和學(xué)習(xí)遷移。[5][6][8]目前，中、美兩國(guó)都將工程與技術(shù)學(xué)習(xí)的內(nèi)容納入了小學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，提倡用工程和技術(shù)設(shè)計(jì)的實(shí)踐過(guò)程實(shí)現(xiàn)學(xué)科內(nèi)容的融合及有意義學(xué)習(xí)。但從中美兩國(guó)教師的教學(xué)個(gè)案來(lái)看，中、美兩國(guó)的STEM整合取向有一定的差異。中國(guó)教師的小學(xué)STEM課堂關(guān)注科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的特定領(lǐng)域的知識(shí)、技能，并將其整合在實(shí)踐過(guò)程中，在課程取向上呈現(xiàn)出一些學(xué)術(shù)理性主義的特征，同時(shí)也兼顧了動(dòng)手操作的應(yīng)用層面，而美國(guó)教師的小學(xué)STEM整合則指向跨越STEM學(xué)科邊界的核心素養(yǎng)和技能的養(yǎng)成，并在實(shí)踐的過(guò)程中發(fā)展學(xué)生對(duì)STEM學(xué)科的興趣及STEM領(lǐng)域中的核心觀念，如《小說(shuō)工程課》中呈現(xiàn)了“以人為本”的問(wèn)題解決思路。美國(guó)k-12的《STEM路線圖——整合性STEM教育框架》指出，除了科學(xué)探究、數(shù)學(xué)思維與推理、工程與設(shè)計(jì)這些特定領(lǐng)域的基本實(shí)踐以外，與STEM學(xué)科知識(shí)和實(shí)踐發(fā)展交織在一起的21世紀(jì)技能也是整合性STEM的重點(diǎn)目標(biāo)與內(nèi)容[11]。這些高階的思維和素養(yǎng)不僅是STEM教學(xué)的目標(biāo)，也是打破學(xué)科界限、整合教學(xué)內(nèi)容一種課程設(shè)計(jì)路徑，以其為出發(fā)點(diǎn)組織教學(xué)內(nèi)容可以將不同學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)和技能目標(biāo)進(jìn)行串聯(lián)和統(tǒng)整，并通過(guò)分析它們?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界中的相互關(guān)系和應(yīng)用情境，建構(gòu)出適切的、跨學(xué)科的真實(shí)任務(wù)情境及具體的教學(xué)內(nèi)容。

（二）以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)的教學(xué)組織

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（Project-based learning，PBL）是一種體現(xiàn)典型的STEM理念的學(xué)習(xí)方式，其強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的社會(huì)性和實(shí)踐性，讓學(xué)習(xí)者在真實(shí)問(wèn)題實(shí)踐中逐步理解概念，在挑戰(zhàn)性任務(wù)的實(shí)踐中進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)和發(fā)展思維[12]，能為學(xué)生的STEM跨學(xué)科學(xué)習(xí)創(chuàng)造適切的教學(xué)過(guò)程。本研究所分析的中美兩個(gè)STEM教學(xué)個(gè)案都充分地采用了PBL的教學(xué)策略，以挑戰(zhàn)性任務(wù)的實(shí)踐程序?yàn)橹鬏S安排教學(xué)環(huán)節(jié)，在教學(xué)空間和教學(xué)行為的安排上體現(xiàn)出協(xié)作性、挑戰(zhàn)性、參與性、設(shè)計(jì)性和個(gè)性化指導(dǎo)等特征。兩個(gè)個(gè)案的教學(xué)策略的差異主要表現(xiàn)在自由度和靈活度上。中國(guó)教師的STEM教學(xué)強(qiáng)調(diào)系列的任務(wù)驅(qū)動(dòng)，教學(xué)流程體現(xiàn)出課程內(nèi)容取向的特征，STEM任務(wù)更加明確，學(xué)生的主動(dòng)權(quán)和自由發(fā)揮空間較小，教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)空間的秩序性突出。在一系列明確的任務(wù)要求和指導(dǎo)下，結(jié)果性產(chǎn)出往往大同小異，無(wú)法滿足學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展[13]。而美國(guó)教師以問(wèn)題解決的一般模式為核心，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和任務(wù)類型來(lái)調(diào)整教學(xué)環(huán)節(jié)及課堂重點(diǎn)，在實(shí)踐過(guò)程中給予學(xué)生自主探究的自由，更能尊重學(xué)生發(fā)展個(gè)人獨(dú)特思考和個(gè)人潛能的自主權(quán)。對(duì)問(wèn)題的思考不限定思路，對(duì)解決問(wèn)題的方法不進(jìn)行預(yù)設(shè)，教學(xué)素材的選擇、探究方案的制定均不設(shè)定固定的模式，讓學(xué)生在探究過(guò)程中以問(wèn)題組織學(xué)習(xí)過(guò)程[14]，此外，美國(guó)教師除使用PBL強(qiáng)調(diào)的合作學(xué)習(xí)策略外，還用了問(wèn)答法、講授法、布置個(gè)人思考和及時(shí)反饋等多種教學(xué)方法，教學(xué)形式豐富、靈活。由此可見(jiàn)，挑戰(zhàn)性任務(wù)、協(xié)作學(xué)習(xí)、積極參與和教師指導(dǎo)是STEM教學(xué)的重要組織原則，但在此基礎(chǔ)上，教師也可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和重點(diǎn)靈活安排教學(xué)環(huán)節(jié)及其相應(yīng)的教學(xué)形式。

（三）問(wèn)題解決導(dǎo)向的教學(xué)評(píng)價(jià)

在STEM項(xiàng)目中，教學(xué)評(píng)價(jià)主要指的是貫穿在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)學(xué)生基于真實(shí)情境而提出的可行方案和實(shí)際操作的評(píng)估，其包括總結(jié)性的評(píng)估環(huán)節(jié)，也包括教學(xué)過(guò)程中教師和學(xué)生關(guān)于項(xiàng)目的討論和評(píng)估[3]。從兩個(gè)STEM教學(xué)個(gè)案來(lái)看，兩國(guó)教師更關(guān)注學(xué)生參與項(xiàng)目的過(guò)程及評(píng)估的指導(dǎo)和推動(dòng)作用，他們主要使用的是一對(duì)一指導(dǎo)、展示和反饋的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的過(guò)程性和總結(jié)性的評(píng)估，評(píng)估指向問(wèn)題的解決。在STEM項(xiàng)目中，問(wèn)題解決串聯(lián)了各學(xué)科學(xué)習(xí)內(nèi)容的思維和實(shí)踐過(guò)程，同時(shí)也指向?qū)W生學(xué)習(xí)成果的最終呈現(xiàn)，因此是教學(xué)過(guò)程中師生交互和教學(xué)評(píng)估的重要方向，也是評(píng)判最終學(xué)習(xí)成果及學(xué)生進(jìn)步的重要指標(biāo)。從本質(zhì)上講，整合性的STEM與受環(huán)境限制的、關(guān)乎學(xué)生日常生活的問(wèn)題有著根本的聯(lián)系[15]，來(lái)源于現(xiàn)實(shí)世界，最終又回歸到真實(shí)情境當(dāng)中，是STEM教育對(duì)學(xué)生個(gè)人發(fā)展和社會(huì)發(fā)展的深切關(guān)懷和價(jià)值所在。當(dāng)目標(biāo)指向于解決真實(shí)世界的問(wèn)題時(shí)，師生才能在實(shí)踐的境脈中以語(yǔ)言與行動(dòng)共同參與知識(shí)的建構(gòu)，在個(gè)體與世界的互動(dòng)中感知、理解和改造世界[16]，這樣的問(wèn)題解決過(guò)程與結(jié)果才是有意義的、可遷移的。為此，STEM教學(xué)需要將評(píng)價(jià)與教學(xué)進(jìn)行統(tǒng)整，實(shí)行真實(shí)性評(píng)價(jià)。真實(shí)性評(píng)價(jià)要求教師將評(píng)價(jià)的過(guò)程貫穿于日常教學(xué)過(guò)程中，重視及時(shí)反饋，也要求學(xué)習(xí)者通過(guò)有意義和價(jià)值的成就展示來(lái)表現(xiàn)和證明其相關(guān)能力，其真實(shí)性主要通過(guò)評(píng)價(jià)任務(wù)、評(píng)價(jià)的自然情境、評(píng)價(jià)的社會(huì)情境、評(píng)價(jià)結(jié)果、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的真實(shí)性來(lái)實(shí)現(xiàn)[17]。然而，本研究選取的兩個(gè)STEM個(gè)案在真實(shí)性評(píng)價(jià)的五個(gè)向度上都稍有欠缺，尤其是中國(guó)教師的《投石機(jī)》課堂并沒(méi)有設(shè)置內(nèi)含復(fù)雜問(wèn)題的真實(shí)性情境，忽略了工程制作所關(guān)聯(lián)的現(xiàn)實(shí)世界，使得評(píng)估結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)實(shí)生活脫節(jié)，學(xué)科知識(shí)與真實(shí)世界之間的壁壘沒(méi)有被打破。相比之下，美國(guó)教師的《小說(shuō)工程課》蘊(yùn)含了多種開(kāi)放性問(wèn)題及多種解決問(wèn)題的可能性，與現(xiàn)實(shí)生活中結(jié)構(gòu)不良的問(wèn)題有很大的相似之處，在評(píng)價(jià)的情境上有一定的真實(shí)性。

（四）整合跨學(xué)科內(nèi)容與教學(xué)策略的教師專業(yè)素養(yǎng)

在教師專業(yè)發(fā)展中，學(xué)科內(nèi)容知識(shí)和教學(xué)法知識(shí)存在密切的交互作用，兩者的整合能使教師將特定的知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行重新組織和表征，以促進(jìn)不同學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)建構(gòu)[18]。在STEM課程中，STEM的學(xué)科內(nèi)容和教學(xué)方式存在著復(fù)雜的交互關(guān)系，以開(kāi)放式問(wèn)題或挑戰(zhàn)情境驅(qū)動(dòng)的PBL教學(xué)模式需與工程與技術(shù)設(shè)計(jì)、科學(xué)探究等過(guò)程相融合，STEM各學(xué)科的學(xué)習(xí)內(nèi)容及跨學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)則要求相匹配的教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)任務(wù)。因此，將STEM學(xué)科內(nèi)容與教學(xué)策略相融合是提升小學(xué)STEM教師專業(yè)素養(yǎng)的關(guān)鍵所在，建議教師可從以下幾方面著手。

1. 正確理解STEM教育理念與內(nèi)涵，厘清STEM學(xué)科之間的關(guān)系及其對(duì)教學(xué)方法選擇的影響。

2. 在跨學(xué)科的知識(shí)情境下不斷學(xué)習(xí)新的教學(xué)策略和教學(xué)技術(shù)，并與不同學(xué)科的教師進(jìn)行合作與交流，積極探討能融合各個(gè)學(xué)科內(nèi)容的教學(xué)模式并予以實(shí)踐。美國(guó)有研究者指出，教師對(duì)STEM知識(shí)概念的理解不代表掌握了實(shí)施STEM教育所需的教學(xué)技能，在教師培訓(xùn)中，教師的理論知識(shí)學(xué)習(xí)結(jié)果優(yōu)于教學(xué)實(shí)踐表現(xiàn)能力，STEM教學(xué)實(shí)踐技能是教師培訓(xùn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)[19]。

3. 在生活中養(yǎng)成問(wèn)題意識(shí)，挖掘現(xiàn)實(shí)生活中的不良結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，并對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的探究和構(gòu)建有效的解決方案，積累更多多角度、跨學(xué)科解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)，為整合性的STEM教學(xué)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。美國(guó)的UTeach教師培育項(xiàng)目也同樣設(shè)置了讓學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)并完成主題探究的學(xué)習(xí)任務(wù)，以深化對(duì)STEM研究方法的理解和體驗(yàn)[20]。

本研究的兩個(gè)小學(xué)STEM教學(xué)個(gè)案表明，STEM學(xué)科知識(shí)、任務(wù)情境、教學(xué)空間、教學(xué)形式和教學(xué)環(huán)節(jié)是互相滲透的綜合體，只有將所有的教學(xué)要素與跨學(xué)科知識(shí)與技能進(jìn)行整合，才能完善STEM教學(xué)實(shí)踐，提高STEM教師的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

總的來(lái)說(shuō)，中、美小學(xué)教師的STEM教學(xué)個(gè)案在內(nèi)容、方法、評(píng)價(jià)方面都有一定的相同點(diǎn)，其反映出STEM教學(xué)的一般性特征，同時(shí)兩位教師在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)行為和教學(xué)環(huán)境上的差異也凸顯出了STEM教學(xué)的豐富性，對(duì)兩國(guó)STEM教學(xué)實(shí)踐和專業(yè)發(fā)展都有啟發(fā)的意義。但本研究只是一項(xiàng)個(gè)案研究，選取了兩個(gè)教學(xué)個(gè)案，且沒(méi)能對(duì)教師的課前準(zhǔn)備和課后反思進(jìn)行深入地了解，有一定的局限性，后續(xù)可以收集更多的課堂錄像進(jìn)行量化分析和比較，或是結(jié)合教師的訪談做更深入地剖析。

參考文獻(xiàn)：

[1]江豐光，呂倩如.STEM教師教學(xué)反思日志分析研究[J].開(kāi)放教育研究，2017，23（03）：80-86.

[2]Sutaphan， S.， Yuenyong， C. STEM education teaching approach： Inquiry from the context based[J]. Journal of Physics： Conference Series， 2019，1340：12003-12021.

[3]（美）阿爾帕斯蘭·沙欣（編）;侯奕杰，朱玉冰，殷杰等（譯）.基于實(shí)踐的STEM教學(xué)模式：STEM學(xué)生登臺(tái)秀[M].上海：上?？萍冀逃霭嫔?，2016.

[4]潘星竹，姜強(qiáng)，黃麗，等.“支架+”STEM教學(xué)模式設(shè)計(jì)及實(shí)踐研究——面向高階思維能力培養(yǎng)[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)距離教育，2019（03）：56-64.

[5]Forawi， S. Science， technology， engineering and mathematics （STEM） education： Meaningful learning contexts and frameworks[C]// IEEE Sudan subsection. Proceedings of 2018 International Conference on Computer， Control， Electrical， and Electronics Engineering （ICCCEEE）. Khartoum， Sudan： IEEE， 2018：1-4.

[6]Sanders， M. Integrative stem education as best practice[M]// H. Middleton. Explorations of Best Practice in Technology， Design， & Engineering Education： Vol 2. Queensland， Australia： Griffith Institute for Educational Research， 2012：103-117.

[7]Dickerson， D.L.， Cantu， D.V.， Hathcock， S.J. et al. Instrumental STEM（iSTEM）： An Integrated STEM Instructional Model[M]// Annetta L.， Minogue J. Connecting Science and Engineering Education Practices in Meaningful Ways. Switzerland： Springer International Publishing， 2016：139-168.

[8]謝麗，李春密.整合性STEM教育理念下的課程改革初探[J].課程.教材.教法，2017（6）：63-68.

[9]Wheeler， L. B.， Navy， S. L.， Maeng， et al. Development and validation of the classroom observation protocol for engineering design （COPED）[J]. Journal of Research in Science Teaching， 2019，56（9），1285-1305.

[10]Smith， M. K.， Francis， H. M. J.， Gilbert， S. L. et al. The classroom observation protocol for undergraduate STEM （COPUS）： A new instrument to characterize university STEM classroom practices[J]. CBE-Life Sciences Education， 2013，12（4）：618-627.

[11]宋怡，崔雨涵，馬宏佳.美國(guó)K-12整合性STEM教育框架：理念、課程路徑與支持系統(tǒng)[J].當(dāng)代教育論壇，2020（02）：65-75.

[12]張豐.STEM：深刻影響基礎(chǔ)教育改革與發(fā)展的觀念與實(shí)踐——美國(guó)STEM教育考察報(bào)告[J].上海教育科研，2020（04）：5-11.

[13]閆寒冰，王巍.跨學(xué)科整合視角下國(guó)內(nèi)外STEM課程質(zhì)量比較與優(yōu)化[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究，2020，32（02）：39-47.

[14]胡紅杏.項(xiàng)目式學(xué)習(xí)：培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的課堂教學(xué)活動(dòng)[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2017，45（06）：165-172.

[15]Evans M A ， Schnittka C， Jones B D ， et al. Studio STEM： A Model to Enhance Integrative STEM Literacy Through Engineering Design[M]// Connecting Science and Engineering Education Practices in Meaningful Ways. Switzerland： Springer International Publishing， 2016：107-137.

[16]劉徽.“大概念”視角下的單元整體教學(xué)構(gòu)型——兼論素養(yǎng)導(dǎo)向的課堂變革[J].教育研究，2020，41（06）：64-77.

[17]俎媛媛.評(píng)價(jià)的“真實(shí)性”及其五向度分析[J].教育發(fā)展研究，2009，28（Z2）：98-102.

[18]Shulman， L. Those Who Understand： Knowledge Growth in Teaching[J]. Educational Researcher， 1986，15（2）：4-14.

[19]王巍.國(guó)際項(xiàng)目式STEM教育的研究現(xiàn)狀與啟示[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)距離教育，2019（04）：90-96.

[20]高巍，劉瑞，范穎佳.培養(yǎng)卓越STEM教師：美國(guó)UTeach課程體系及啟示[J].開(kāi)放教育研究，2019，25（02）：36-43.