大概念視角下STEM教學(xué)模式及應(yīng)用案例研究

鄧彰超 郭巍丹

大概念是當(dāng)前國際與國內(nèi)、理論與實(shí)踐領(lǐng)域都積極探討的課程教學(xué)理念之一。在大概念視角下，教師可結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)、教材、學(xué)情、資源條件等多種要素，嘗試根據(jù)概念之間的關(guān)系建立“精而有力”的知識體系。換句話說，教師可以圍繞重要概念聯(lián)系和組織形成結(jié)構(gòu)化知識，而非陷于零散的知識點(diǎn)。學(xué)生借助大概念可以“將各種相關(guān)概念及其理解聯(lián)系聚合成一個(gè)連貫的整體”，能建立“跨學(xué)科知識之間的橫向交叉聯(lián)系和學(xué)科內(nèi)部知識的縱向聯(lián)系”，形成可以不斷生長、發(fā)展的概念體系。本文借助大概念視角及其相關(guān)教學(xué)設(shè)計(jì)理論，闡明更新的STEM教學(xué)觀念和模式，說明如何在STEM教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，并通過相應(yīng)的實(shí)踐案例詳細(xì)解釋其操作步驟，為教師設(shè)計(jì)和實(shí)施優(yōu)質(zhì)STEM項(xiàng)目提供參考。

● 大概念視角下STEM教學(xué)模式內(nèi)涵特點(diǎn)

STEM是以科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四門學(xué)科整合性內(nèi)容為基礎(chǔ)的跨學(xué)科學(xué)習(xí)實(shí)踐活動(dòng)。大概念視角下STEM教學(xué)模式應(yīng)具有三方面的特點(diǎn)：

①要求教師提前設(shè)計(jì)評估標(biāo)準(zhǔn)，并把評估貫穿于STEM教學(xué)整個(gè)過程。評估主要分為兩部分，一是教師對學(xué)生學(xué)習(xí)的評估，二是學(xué)生對自身學(xué)習(xí)的評估。教師在不同階段為學(xué)生提供有差異性的評估標(biāo)準(zhǔn)和工具。

②要求教師建立STEM跨學(xué)科概念結(jié)構(gòu)體系。這意味著，教師要突破單學(xué)科范圍，挑選、梳理、重新組織具有重要價(jià)值的STEM概念知識，形成以大概念為“錨點(diǎn)”的可視化概念圖譜，讓學(xué)生更容易感知和掌握新的事實(shí)、程序、原理。這樣一來，教師就可以確保STEM項(xiàng)目獲得知識“廣度”與“深度”的平衡，更加明確STEM學(xué)習(xí)內(nèi)容的范圍、重點(diǎn)、脈絡(luò)。

③強(qiáng)調(diào)以基本問題與表現(xiàn)性任務(wù)為線索開展教學(xué)。有研究者認(rèn)為，教師可以分別參照“課程內(nèi)容、課程標(biāo)準(zhǔn)、大概念的不同形式、整體性問題、錯(cuò)誤認(rèn)識、理解”六個(gè)維度構(gòu)思。學(xué)生在解決基本問題的過程中，完成評估標(biāo)準(zhǔn)要求的表現(xiàn)性任務(wù)。在這一過程中，概念知識既是學(xué)生學(xué)習(xí)的對象，也是學(xué)生完成任務(wù)的手段或方法。學(xué)生最終獲得概念與情境之間的多維互動(dòng)經(jīng)驗(yàn)，從整體上去理解各個(gè)案例事實(shí)和概念的內(nèi)涵。

● 大概念視角下STEM教學(xué)模式操作流程

大概念視角下STEM教學(xué)模式分為前后相互關(guān)聯(lián)的五個(gè)階段（如圖1）。

第一，建立概念結(jié)構(gòu)，確定預(yù)期學(xué)習(xí)目標(biāo)。教師依據(jù)自上而下的路徑，可以把STEM學(xué)科大概念作為“直接上手”的參考依據(jù)或項(xiàng)目概念“錨點(diǎn)”。綜合考慮多種要素，教師建立大概念層級結(jié)構(gòu)體系并設(shè)想其應(yīng)用情境和場景，確定STEM項(xiàng)目主題和學(xué)生學(xué)習(xí)成果，描述預(yù)期學(xué)習(xí)目標(biāo)。

第二，界定基本問題，大概念認(rèn)知具象化。首先，教師呈現(xiàn)主題現(xiàn)象并發(fā)放問題的評估標(biāo)準(zhǔn)說明，學(xué)生圍繞現(xiàn)象通過頭腦風(fēng)暴提出問題。其次，教師收集問題，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)或參考基本問題提出的六個(gè)維度，判斷、選擇、轉(zhuǎn)化問題，師生共同確定基本問題。最后，教師把大概念層級框架作為學(xué)習(xí)支架，為學(xué)生分解基本問題提供支持。學(xué)生把基本問題分解為相互存有邏輯關(guān)系的子問題系列，同時(shí)獲得大概念結(jié)構(gòu)的整體感性認(rèn)識，以及大概念與應(yīng)用情境、具體案例事實(shí)之間的關(guān)系認(rèn)識，建立知識間有意義的聯(lián)系。

第三，設(shè)計(jì)解決方案，準(zhǔn)備項(xiàng)目學(xué)習(xí)資源。學(xué)生綜合基本問題及其子問題序列，以及可以調(diào)用的大概念知識內(nèi)容，提出問題解決思路和方案。方案主要包括兩部分內(nèi)容：①內(nèi)含分工計(jì)劃的項(xiàng)目實(shí)施方案;②項(xiàng)目成果原型設(shè)計(jì)。教師要著重思考提供哪些學(xué)習(xí)工具和評估標(biāo)準(zhǔn)，以保證學(xué)生能夠順利地參與和提出方案。當(dāng)學(xué)生遭遇問題時(shí)，教師要及時(shí)講解相關(guān)知識內(nèi)容，糾正學(xué)生的概念誤解或錯(cuò)誤認(rèn)識。設(shè)計(jì)和確定解決方案后，學(xué)生可自主收集項(xiàng)目方案實(shí)施所需的學(xué)習(xí)資源和材料，也可以由教師提前準(zhǔn)備。

第四，示范探究過程，大概念建構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化。教師可以選擇某一方案的某一子問題，為學(xué)生演示產(chǎn)品制作的部分過程。在示范中，教師結(jié)合大概念結(jié)構(gòu)講解概念內(nèi)涵及其形成的問題解決思路，深化學(xué)生概念理解。之后，學(xué)生模仿教師，通過相互關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)制作學(xué)習(xí)活動(dòng)和小組溝通交流，完成各項(xiàng)學(xué)習(xí)任務(wù)。在這一過程中，學(xué)生建立抽象概念與具體事實(shí)的聯(lián)結(jié)。教師充分關(guān)注學(xué)生的表現(xiàn)并收集相關(guān)的評估證據(jù)，適時(shí)給予指導(dǎo)。

第五，匯報(bào)分享總結(jié)，遷移與應(yīng)用大概念。教師擬定匯報(bào)評估標(biāo)準(zhǔn)并發(fā)放給學(xué)生。學(xué)生分組進(jìn)行分享匯報(bào)，集中介紹和闡述對相關(guān)大概念的理解、問題解決思路和方案、項(xiàng)目產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制作過程。學(xué)生在陳述中回顧STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)過程中的概念誤解或?qū)嵺`錯(cuò)誤、錯(cuò)誤反思和其后續(xù)學(xué)習(xí)活動(dòng)，分享項(xiàng)目實(shí)施過程中遇到的困難與解決辦法等。教師依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生匯報(bào)做出點(diǎn)評。之后，教師展示其他類似現(xiàn)象情境，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用大概念提出解決方案。

● 大概念視角下STEM教學(xué)模式應(yīng)用案例

1.STEM“溫室栽培”項(xiàng)目簡要介紹

借助大概念視角，教師設(shè)計(jì)和實(shí)施了STEM“溫室栽培”項(xiàng)目（8個(gè)課時(shí)）。項(xiàng)目旨在培養(yǎng)學(xué)生理解和應(yīng)用“溫室栽培”的相關(guān)學(xué)科概念知識，提出“溫室栽培”建造系統(tǒng)方案和動(dòng)手搭建實(shí)體模型，并在其他情境中拓展“溫室栽培”的原理知識。

2.STEM“溫室栽培”項(xiàng)目實(shí)施過程

①確定“系統(tǒng)與控制”等跨學(xué)科大概念，明確預(yù)期學(xué)習(xí)目標(biāo)。為加強(qiáng)STEM項(xiàng)目與現(xiàn)行課程標(biāo)準(zhǔn)整合，首先，筆者參考課程標(biāo)準(zhǔn)并確定高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)學(xué)科核心大概念涉及“信息系統(tǒng)”，高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)中涉及“系統(tǒng)與控制”，生物課程標(biāo)準(zhǔn)中涉及“生態(tài)系統(tǒng)”。這些概念的應(yīng)用場景可能是農(nóng)場或植物園中的“溫室栽培”。其次，綜合考慮該STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)可能涉及的跨學(xué)科大概念、學(xué)科大概念和小概念，形成概念結(jié)構(gòu)體系。綜合考慮學(xué)生核心素養(yǎng)目標(biāo)，明確學(xué)生需要獲得的技能和能力，建立預(yù)期學(xué)習(xí)目標(biāo)和相應(yīng)的評估標(biāo)準(zhǔn)。

在這一階段，學(xué)生閱讀評估標(biāo)準(zhǔn)大致了解STEM“溫室栽培”項(xiàng)目、各環(huán)節(jié)的評估指標(biāo)與評價(jià)方式。評估標(biāo)準(zhǔn)還詳細(xì)說明每個(gè)指標(biāo)項(xiàng)的層級和需要完成的表現(xiàn)性任務(wù)（如下頁表1）。

②界定“信息系統(tǒng)如何搭建”等基本問題，認(rèn)識概念內(nèi)涵。在明確預(yù)期學(xué)習(xí)目標(biāo)和評估標(biāo)準(zhǔn)后，教師發(fā)放“提出問題要求與問題質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)”，學(xué)生圍繞“溫室栽培”提出問題。在教師對問題加以點(diǎn)評和轉(zhuǎn)化后，師生聚焦形成“溫室栽培如何實(shí)現(xiàn)”的基本問題。為解決這一基本問題，學(xué)生需要分解基本問題。教師可以出示“溫室栽培”涉及的大概念結(jié)構(gòu)作為學(xué)習(xí)支架（圖2）。學(xué)生借助支架，把“溫室栽培如何實(shí)現(xiàn)”的基本問題分解為“信息系統(tǒng)如何搭建”和“各變量如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制”等問題;把“信息系統(tǒng)如何搭建”進(jìn)一步分解為多個(gè)子問題，如“光照自動(dòng)控制子系統(tǒng)如何搭建”“濕度、溫度等信息監(jiān)測子系統(tǒng)由哪些要素組成”“溫度監(jiān)測等子系統(tǒng)各要素按什么順序連接”等。在問題分解過程中，學(xué)生形成大概念層級框架的整體感知，建構(gòu)概念和案例事實(shí)的關(guān)系認(rèn)識。

③制訂項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)施方案，準(zhǔn)備學(xué)習(xí)資源及溫室建造材料?；谇逦蚁嗷リP(guān)聯(lián)的基本問題及其子問題，學(xué)生在本階段提出項(xiàng)目分工計(jì)劃的實(shí)施方案和項(xiàng)目成果的原型設(shè)計(jì)方案。學(xué)生圍繞預(yù)期目標(biāo)及評估標(biāo)準(zhǔn)，明確小組各成員承擔(dān)的子問題、任務(wù)、時(shí)間安排（如下頁表2），確保每位成員都參與到項(xiàng)目學(xué)習(xí)活動(dòng)中。小組以討論、協(xié)商、合作的方式，完成“溫室栽培”項(xiàng)目成果原型草圖等表現(xiàn)性任務(wù)。在這一過程中，教師針對學(xué)生的學(xué)習(xí)困難及時(shí)給予支持。例如，教師展示有根植物的圖片，引導(dǎo)學(xué)生說明其主要部分（如根、莖、葉等）及功能，得出植物生長的五種需求（水、陽光，空氣、養(yǎng)分、土壤），幫助學(xué)生理解其結(jié)構(gòu)和功能的含義，進(jìn)而反思溫室中水源、光照、土壤、空氣的多種要素及其共同運(yùn)作系統(tǒng)，為信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

方案確定后，教師提供相關(guān)文本、視頻等學(xué)習(xí)資料，以及建造溫室所需的軟硬件資源。其中部分常見易得的學(xué)習(xí)資源及制造材料，也可由學(xué)生自行準(zhǔn)備。

④教師示范個(gè)別問題探究過程，學(xué)生建構(gòu)大概念網(wǎng)絡(luò)。教師巡視指導(dǎo)，記錄學(xué)生的行為表現(xiàn)，并收集階段性作品。假如學(xué)生在方案實(shí)施過程中遭遇障礙，教師可以選擇某一問題進(jìn)行示范講解。例如，教師以光敏傳感器為例，講授演示光敏傳感器與掌控板的連接并解釋相關(guān)程序功能，闡明項(xiàng)目數(shù)據(jù)信息采集、傳感器使用、實(shí)現(xiàn)編程控制的問題解決思路。學(xué)生通過解決問題、處理相關(guān)材料、調(diào)用已有知識概念，通過觀察、制作、應(yīng)用、比較、分析、創(chuàng)造等方式，找到原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)與新知識聯(lián)結(jié)的固著點(diǎn)，借助“并列學(xué)習(xí)”“總括學(xué)習(xí)”“類屬學(xué)習(xí)”豐富原有知識體系。例如，在“溫室栽培”模型產(chǎn)品基本建成之后，學(xué)生將種子置于溫室栽培土壤中，可以更清楚地看到“溫室栽培”人機(jī)交互系統(tǒng)運(yùn)作整體過程，把跨學(xué)科大概念“系統(tǒng)”與用戶控制變量、植物生長數(shù)據(jù)等具體事實(shí)關(guān)聯(lián)起來。學(xué)生在觀察和記錄過程中再次深化“生態(tài)系統(tǒng)”“信息系統(tǒng)”等學(xué)科大概念和小概念認(rèn)識，建構(gòu)該項(xiàng)目的概念網(wǎng)絡(luò)體系。

⑤分享總結(jié)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，遷移至新問題情境。在溫室模型建造調(diào)試完畢后，教師組織各小組進(jìn)行總結(jié)分享，分享項(xiàng)目活動(dòng)中的經(jīng)歷體驗(yàn)及感受，并對項(xiàng)目成果進(jìn)行分析與評估。學(xué)生回顧項(xiàng)目活動(dòng)的全過程，思考在活動(dòng)中運(yùn)用的跨學(xué)科和學(xué)科內(nèi)的大概念及其問題解決方案。為提升學(xué)生的遷移應(yīng)用能力，教師設(shè)計(jì)難度不一的后續(xù)問題情境。例如，“水栽培”問題，要求學(xué)生思考當(dāng)土壤變?yōu)樗臅r(shí)候，需要重新思考哪些要素;“家禽養(yǎng)殖智能環(huán)境設(shè)計(jì)”問題，要求學(xué)生遷移應(yīng)用信息系統(tǒng)和自動(dòng)控制原理，設(shè)計(jì)相應(yīng)的解決方案;“月球食物繁育”問題，要求學(xué)生思考在缺乏土壤、空氣的環(huán)境中，如何實(shí)現(xiàn)植物和動(dòng)物的種養(yǎng)殖。教師可以根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)展和具體情況，選擇合適難度的問題情境和安排相應(yīng)的課時(shí)。

● 結(jié)束語

以上是筆者采用大概念視角開展STEM教學(xué)做的一些研究和嘗試，為更好地落實(shí)學(xué)生核心素養(yǎng)目標(biāo)和課程標(biāo)準(zhǔn)要求提供了新思路和方法。STEM大概念教學(xué)直接回應(yīng)學(xué)生提出的“學(xué)了有什么用，為什么要學(xué)習(xí)這個(gè)內(nèi)容”的問題，以基本問題不斷促進(jìn)學(xué)生對知識的持續(xù)性理解，通過表現(xiàn)性任務(wù)不斷激發(fā)和維持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而非原有的過度依賴教材的教學(xué)方式。