STEM教育的基本方式與過(guò)程（七）

向世清，博士，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員。長(zhǎng)期從事激光物理與工程技術(shù)的前沿研發(fā)，是參與產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略與決策咨詢，基礎(chǔ)教育改革咨詢，科技創(chuàng)新中心發(fā)展戰(zhàn)略設(shè)計(jì)等多領(lǐng)域戰(zhàn)略專家，也是上海市最為活躍的科技創(chuàng)新教育專家之一。

第六步：提出方案與計(jì)劃。設(shè)計(jì)與規(guī)劃完成后，我們對(duì)于整體所要完成的任務(wù)已經(jīng)明了，如何具體實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的指導(dǎo)思想、詳細(xì)目標(biāo)、先決條件、總體框架和基本路線也已經(jīng)明確認(rèn)識(shí)和建立起來(lái)了。此時(shí)，通過(guò)更為仔細(xì)和近乎規(guī)范的設(shè)計(jì)擬定，完成相應(yīng)的方案和計(jì)劃，就是第六步必須完成的工作。以下就給出具體的方案和計(jì)劃擬定指南。

首先，我們需要按照?qǐng)D1的框架進(jìn)一步將規(guī)劃性內(nèi)容整理成文稿，作為背景性的框架依托（這意味著，方案和計(jì)劃是該規(guī)劃進(jìn)一步細(xì)化后的實(shí)施性方案和可行性執(zhí)行計(jì)劃）。

圖1的框架俗稱“5W2H”（很簡(jiǎn)單，是因?yàn)槠渲杏?個(gè)以W開頭的和2個(gè)以H開頭的英文關(guān)鍵詞或詞組），這在國(guó)際上已成為通行的計(jì)劃方法論。按照此方式，就能夠基本完整地羅列表達(dá)出有關(guān)的要求內(nèi)容，囊括第五步中所述“定義目標(biāo)厘清前提……出錯(cuò)預(yù)案歸納成稿”這一過(guò)程中的幾乎所有元素。這實(shí)際上是對(duì)要完成的事情本身，以及為了完成該事情所需的人、財(cái)、物的配置要求進(jìn)行了有限條件下的更為完備和條理化的梳理。這樣的梳理因“5W2H”形成了一個(gè)模板化套路，所以最終也就成為了一種方法論（學(xué)生按照此套路，一是可將規(guī)劃和計(jì)劃做得更完整，二是可學(xué)會(huì)一種今后可普遍套用的方法論）。當(dāng)然，此處實(shí)際完成的結(jié)果絕不能僅僅停留在只大而化之地給出一些條條框框的套路性膚淺描述，而是必須針對(duì)本次要完成的工作真正深入考慮給出本次工作任務(wù)怎么具體完成的實(shí)際做法。

其次，我們需要按照?qǐng)D2和圖3的內(nèi)容，規(guī)范地設(shè)計(jì)并擬定出科學(xué)性的研究實(shí)施方案，盡量將第五步中給出的規(guī)劃和計(jì)劃實(shí)現(xiàn)具體化和可行化。

很明顯，這里工作的著重點(diǎn)是設(shè)計(jì)出具體的研究過(guò)程方法和方案。首當(dāng)其沖的是考慮整體將采用的研究方法。研究方法有很多種，大的分類主要包括調(diào)查法、觀察法、比較法、實(shí)驗(yàn)法、分析法、思辨法、模擬法和文獻(xiàn)研究法等，細(xì)致的分類則更多，至少有幾十種，例如定量和定性測(cè)試法等。由于在STEM教育中非常強(qiáng)調(diào)整體過(guò)程中含有實(shí)驗(yàn)性，或真實(shí)環(huán)境下的實(shí)踐性探究過(guò)程和學(xué)習(xí)研究經(jīng)歷（沒有實(shí)踐解決真實(shí)問題的過(guò)程，就不能稱其為STEM），而且最好是整個(gè)方案和過(guò)程讓實(shí)驗(yàn)性方法和過(guò)程占據(jù)較高比重，所以這里必須設(shè)計(jì)出帶有實(shí)驗(yàn)性或?qū)嵺`性的內(nèi)容。當(dāng)然，在實(shí)驗(yàn)性方法中，往往同時(shí)含有了非常多的方法種類。

實(shí)驗(yàn)性或?qū)嵺`性研究基本可劃分為兩大類：科學(xué)研究類和工程研制類（如果社會(huì)科學(xué)研究要單列的話，則可以分為三大類，但這里粗略地將社會(huì)科學(xué)研究與自然科學(xué)研究放在一起敘述，都含在科學(xué)研究類之內(nèi)）。說(shuō)起實(shí)驗(yàn)，單從字面本身就已經(jīng)知道其意思，即“實(shí)驗(yàn)就是要實(shí)際驗(yàn)證”。這里也可用“玩兒真的”形容，即按照真實(shí)的場(chǎng)景和情況模擬真實(shí)過(guò)程和現(xiàn)象的發(fā)生和演變。這里，可分為兩大類別，即定量實(shí)驗(yàn)研究和定性實(shí)驗(yàn)研究。前者需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行合適的數(shù)據(jù)定量測(cè)試與分析，后者則需要對(duì)相關(guān)因素進(jìn)行分析、比較、推理、判斷和歸因等。

在兩大類中，科學(xué)研究類的是要通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M真實(shí)問題或現(xiàn)象所存在的類似情況、環(huán)境和條件，然后模擬形成問題與現(xiàn)象的發(fā)生和演變，看其演變中究竟會(huì)發(fā)生什么變化，以及會(huì)發(fā)生具體多大的變化。這就需要尋找出變化的原因和影響因素，通過(guò)展開現(xiàn)象觀察研究和條件參數(shù)測(cè)試，觀察并分析得出各因素間相互影響的因果關(guān)系和變化規(guī)律，最終求證與預(yù)期的因果關(guān)系或規(guī)律是否一致。工程研制類的則是要以建構(gòu)實(shí)物類似的基本方式進(jìn)行制作性設(shè)計(jì)研究實(shí)驗(yàn)和試驗(yàn)，對(duì)制作過(guò)程和“樣機(jī)”結(jié)果進(jìn)行條件和參數(shù)變化測(cè)試，看其是否達(dá)成了功能和性能兩方面的要求，并最終確認(rèn)設(shè)想的創(chuàng)建目標(biāo)能否如期合理實(shí)現(xiàn)或者證實(shí)創(chuàng)新設(shè)想。無(wú)論如何，達(dá)成實(shí)驗(yàn)性的要求需要包含兩種必有的過(guò)程，一是參數(shù)和數(shù)據(jù)的測(cè)試驗(yàn)證過(guò)程;二是現(xiàn)象和規(guī)律的分析驗(yàn)證過(guò)程。

再次，我們需要明確考慮給出實(shí)驗(yàn)性或?qū)嵺`性研究中所用到的材料和具體方法。一方面，撇去其他不講，用什么樣的材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這是根本。一般而言，所用的材料一定是能夠模擬完成研究中的演變所需的合適材料，通常要對(duì)其種類、尺寸、數(shù)量、特性和特征作適度考慮。通常，所模擬對(duì)象的原本環(huán)境下的原始材料是最為合適的。最好是直接使用原本吻合的材料;如果采用替代材料，則一定要弄清楚其替代合適程度。當(dāng)然，中小學(xué)生很多時(shí)候是在模擬探究的概念下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所以也要講究“因地制宜、低廉簡(jiǎn)便”的材料選取原則，不要一味地追求專業(yè)性和規(guī)范性。另一方面，采用什么樣的研究方法，包括什么樣的方法論、做哪些適度的測(cè)試、做什么范圍的測(cè)試、什么樣的測(cè)試方式、什么樣的因素或參數(shù)測(cè)試方法、什么樣的測(cè)試過(guò)程、什么樣的實(shí)驗(yàn)邏輯、什么樣的數(shù)據(jù)記錄與分析方法等，以及使用什么樣的工具、儀器、設(shè)備，都必須具有適合性和準(zhǔn)確性的考慮、選擇和擬定，然后在這些前提下，盡量滿足環(huán)境的真實(shí)性，靠近或者盡量還原研究對(duì)象可能經(jīng)歷的環(huán)境與變化。

在這里，特別強(qiáng)調(diào)最重要的三件事。一是再次強(qiáng)調(diào)選定具體的研究方法的重要性。實(shí)驗(yàn)性的方法也仍然有非常多的方式，怎樣做最合適，特別是定量測(cè)量究竟采用什么測(cè)量和什么樣的測(cè)量都十分關(guān)鍵。二是強(qiáng)調(diào)必須準(zhǔn)確地確定變量或相關(guān)因素的取舍。變量通常分為自變量和因變量，前者是引起變化的，后者是根據(jù)前者的變化而變化的。往往找出了自變量與因變量之間的規(guī)律，研究就可以達(dá)成一定的結(jié)果。在影響因素和變量比較單一的情況下，研究往往很簡(jiǎn)單和容易。如果存在多種因素或者參量，那就必須進(jìn)行巧妙的設(shè)計(jì)，使得既突出主要的因素或者參量影響，又不至于使得測(cè)量復(fù)雜到不可行。而且，多變量情況下如何找出各變量獨(dú)立的影響，也非常關(guān)鍵（專業(yè)化研究中基本采用正交變量法）。三是強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)策略與方法。數(shù)據(jù)測(cè)試采取多大范圍、多大間隔、多高頻次、重復(fù)數(shù)量、做多長(zhǎng)時(shí)間、持續(xù)多長(zhǎng)的周期等，以及數(shù)據(jù)結(jié)果如何處理、如何顯示乃至可視化等，簡(jiǎn)單地取數(shù)據(jù)平均還是采用多種復(fù)雜的圖表分析乃至大數(shù)據(jù)分析等，都需要事先考慮好（當(dāng)然后期數(shù)據(jù)處理時(shí)也可不斷改善方法，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不好，還可以回頭修正測(cè)試數(shù)據(jù)的方式并增加測(cè)量等。所強(qiáng)調(diào)的三個(gè)方面，在科學(xué)研究方法論領(lǐng)域都有專業(yè)的教材和資料可供查詢、學(xué)習(xí)和使用，這里不一一多論）。

反復(fù)強(qiáng)調(diào)，這一步更應(yīng)由學(xué)生自己完成。教師或者導(dǎo)師的責(zé)任就是在學(xué)生初稿形成后與學(xué)生進(jìn)行面對(duì)面的討論，幫助學(xué)生確定并形成完整的和當(dāng)下最優(yōu)的書面成稿（仍然強(qiáng)調(diào)，當(dāng)下最優(yōu)不等于在后續(xù)的實(shí)施過(guò)程中就必須不打折扣地嚴(yán)格執(zhí)行。如果實(shí)際確實(shí)需要有所調(diào)整，那就實(shí)事求是，尊重實(shí)際。當(dāng)然，調(diào)整時(shí)需要慎重，學(xué)生屆時(shí)應(yīng)該與導(dǎo)師商量）。

最終，完成的方案和計(jì)劃是一個(gè)可行的、有效的、適度的、資源集約的好設(shè)計(jì)結(jié)果就夠了?；剡^(guò)頭來(lái)，也要明確注意，STEM教育的研究方案與科研方案還不是完全一樣的。要強(qiáng)調(diào)其還是一種囿于教學(xué)范疇的教學(xué)性研究方案。作為帶有某些教學(xué)知識(shí)目標(biāo)傾向性的教學(xué)方案設(shè)計(jì)，應(yīng)該引導(dǎo)研究目標(biāo)的設(shè)計(jì)可基本將目標(biāo)知識(shí)包括在背景知識(shí)范疇之內(nèi)，即研究主題中一定會(huì)用到目標(biāo)知識(shí)作為所涉及知識(shí)的一部分（這樣反過(guò)來(lái)也就實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)知識(shí)點(diǎn)與其他知識(shí)點(diǎn)的交叉，甚至多學(xué)科融合、跨學(xué)科融合，學(xué)生在此過(guò)程中也能實(shí)際感受到該知識(shí)點(diǎn)是怎樣在被應(yīng)用著的。因此這樣的教授知識(shí)點(diǎn)的方式就可以極大地改觀現(xiàn)有知識(shí)教學(xué)的深度和效率）。