大概念統(tǒng)領(lǐng)下美國(guó)STEM課程重構(gòu)：在解決大挑戰(zhàn)的過(guò)程中深化概念理解

曹琦 徐亞萱 劉徽

摘? ?要：在以素養(yǎng)為目標(biāo)的課堂轉(zhuǎn)型下，美國(guó)STEM課程以發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)為目標(biāo)，將科學(xué)概念置于目標(biāo)的中心，即體現(xiàn)專(zhuān)家思維、反映專(zhuān)家實(shí)踐的大概念。美國(guó)學(xué)界圍繞大概念重構(gòu)STEM課程，并將掌握科學(xué)概念以及與科學(xué)有關(guān)的大概念界定為K-12學(xué)生的必要能力。為了更好地讓學(xué)生用跨學(xué)科的方法解決問(wèn)題，在每個(gè)學(xué)習(xí)主題下提出以大概念為內(nèi)核的StEMT大挑戰(zhàn)。在大概念的統(tǒng)領(lǐng)下，美國(guó)STEM課程通過(guò)“5E”探究教學(xué)模式，整合STEM各科知識(shí)，促進(jìn)知識(shí)在真實(shí)情境中的遷移。

關(guān)鍵詞：STEM；大概念；美國(guó)；課程；科學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G511? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?DOI：10.3969/j.issn.1672-3937.2023.02.05

1986年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì)（NSB）在《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》報(bào)告中提出了針對(duì)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)（STEM）的綱領(lǐng)性建議，STEM首次出現(xiàn)在教育視野中。2007年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）將STEM正式作為教育術(shù)語(yǔ)使用[1]，圍繞STEM的課程構(gòu)建逐漸成為全球關(guān)注的教育話題。然而在實(shí)踐中，STEM課程有一種形式化的傾向，似乎只要科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門(mén)學(xué)科的知識(shí)同時(shí)出現(xiàn)在課程中，就可以稱(chēng)之為STEM課程。

米爾頓·霍林（Milton Huling）和杰姬·斯皮克·德懷爾（Jackie Speake Dwyer）從科學(xué)教育出發(fā)，重新探討STEM教學(xué)。他們認(rèn)為，STEM教學(xué)不僅僅是涉及1門(mén)或多門(mén)學(xué)科的教學(xué)，而是通過(guò)數(shù)學(xué)、技術(shù)和工程的整合應(yīng)用來(lái)支持科學(xué)概念的學(xué)習(xí)?？茖W(xué)概念不僅僅是指?jìng)鹘y(tǒng)意義上的科學(xué)學(xué)科概念，而是與提出問(wèn)題并能夠解決問(wèn)題相關(guān)，實(shí)際上是一種“像科學(xué)家一樣思考”的大概念（big idea）。大概念是指反映專(zhuān)家思維方式的概念、觀念或論題，具有生活價(jià)值。[2]學(xué)生在掌握大概念之后，能夠在相似的生活情境中實(shí)現(xiàn)遷移和運(yùn)用。理解大概念有助于達(dá)成高通路遷移，形成具體與抽象交錯(cuò)的復(fù)雜認(rèn)知結(jié)構(gòu)，通過(guò)跨學(xué)段、跨學(xué)科的學(xué)習(xí)，加深對(duì)科學(xué)概念的理解，最終解決以大概念為統(tǒng)領(lǐng)的大挑戰(zhàn)。

一、用StEMT重新定義STEM

在STEM課程中往往需要完成作品、解決問(wèn)題，教師和學(xué)生常常將大量的時(shí)間花費(fèi)在制作過(guò)程中，忽略對(duì)問(wèn)題解決過(guò)程的理解。[3]技術(shù)作為解決問(wèn)題的工具，將其融入問(wèn)題的解決方案才具有實(shí)際意義。從這一觀點(diǎn)出發(fā)，霍林和德懷爾用StEMT重新定義STEM，將科學(xué)與技術(shù)工具進(jìn)行二次融合，提出融入技術(shù)工具（tools， t）的科學(xué)（St），加上工程（E）、數(shù)學(xué)（M）、技術(shù)（T）組成StEMT。在這個(gè)過(guò)程中，教師能夠?qū)茖W(xué)和技術(shù)之間的差異形成更清晰的認(rèn)知，即技術(shù)不是一門(mén)單獨(dú)的學(xué)科或一種技能，而是與科學(xué)相融合、支持科學(xué)大概念學(xué)習(xí)的工具。

科學(xué)是StEMT課程的重心，學(xué)生只有在理解科學(xué)大概念的基礎(chǔ)上，才能應(yīng)用知識(shí)開(kāi)發(fā)技術(shù)，生成問(wèn)題的解決方案。在科學(xué)大概念的統(tǒng)領(lǐng)下，StEMT課程的重構(gòu)為有效的科學(xué)教學(xué)進(jìn)一步指明了方向，它不是一種簡(jiǎn)單的教學(xué)模型，而是一個(gè)概念框架，目的是將科學(xué)和數(shù)學(xué)與建構(gòu)主義學(xué)習(xí)活動(dòng)聯(lián)系起來(lái)，讓學(xué)生在提出問(wèn)題和解決問(wèn)題的過(guò)程中接受認(rèn)知上的挑戰(zhàn)，幫助教師有效地教授科學(xué)大概念。[4]StEMT的出現(xiàn)使得STEM發(fā)生了從原理到應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，這對(duì)美國(guó)STEM課程體系的重構(gòu)和實(shí)施具有重要意義。

二、確立以大概念為內(nèi)核的大挑戰(zhàn)

StEMT圍繞解決真實(shí)世界中的挑戰(zhàn)以支持科學(xué)大概念的學(xué)習(xí)。因此，StEMT課程設(shè)計(jì)的第一步是確立以大概念為內(nèi)核的大挑戰(zhàn)。大挑戰(zhàn)（grand challenges）指的是當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)、國(guó)家層面或者全球范圍內(nèi)還未解決的問(wèn)題，如節(jié)水或改善水質(zhì)問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)預(yù)防、治療腦疾病或損傷的新方法等。這些大挑戰(zhàn)都是基于現(xiàn)實(shí)的，能夠在StEMT和學(xué)生的真實(shí)生活之間建立相關(guān)性。這樣，在解決大挑戰(zhàn)的過(guò)程中，學(xué)生能夠看到StEMT在解決與他們息息相關(guān)的重要問(wèn)題上的價(jià)值。

大挑戰(zhàn)是圍繞相應(yīng)的跨學(xué)科大概念和學(xué)科核心概念來(lái)開(kāi)展的。StEMT課程設(shè)計(jì)中的大概念分為兩類(lèi)，一類(lèi)是作為錨點(diǎn)支撐整體框架設(shè)計(jì)的跨學(xué)科大概念，另一類(lèi)是統(tǒng)攝單元設(shè)計(jì)的學(xué)科核心概念。[5]傳統(tǒng)的STEM課程可能會(huì)用這樣的問(wèn)題來(lái)引導(dǎo)教學(xué)：“熱量是如何影響水的存在形態(tài)的？”而StEMT課程的大挑戰(zhàn)則是：“如何利用相變和物態(tài)的知識(shí)來(lái)為第三世界國(guó)家的人提供清潔的飲用水？”例如，針對(duì)水的三態(tài)（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)）這一學(xué)習(xí)主題，教師在課程的導(dǎo)入部分使用傳統(tǒng)問(wèn)題，當(dāng)確認(rèn)學(xué)生掌握了相關(guān)概念并準(zhǔn)備好將先驗(yàn)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際問(wèn)題中時(shí)，就引入基于現(xiàn)實(shí)的StEMT大挑戰(zhàn)。表1呈現(xiàn)了“清潔用水，造福地球”這一學(xué)習(xí)主題下的大挑戰(zhàn)及其對(duì)應(yīng)的跨學(xué)科大概念和學(xué)科核心概念。

值得注意的是，大挑戰(zhàn)的提出并不局限于課堂教學(xué)，教師可以針對(duì)不同年齡的學(xué)生在不同學(xué)校、不同社區(qū)、課后或非正式的學(xué)習(xí)場(chǎng)景中將大挑戰(zhàn)傳達(dá)給學(xué)生。[6]例如，在學(xué)前階段，教師可以引導(dǎo)兒童提出一個(gè)問(wèn)題，并作為參與者陪同兒童解決問(wèn)題；在小學(xué)階段，教師可以針對(duì)某一生活場(chǎng)景讓學(xué)生設(shè)計(jì)一種機(jī)制或制作一種工具，如怎樣防止接取熱水時(shí)被燙傷；在中學(xué)階段，高年級(jí)學(xué)生可以獨(dú)立扮演工程師或科學(xué)家的角色，在教師提供的虛擬情境中為當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)或環(huán)境提供解決方案。

三、通過(guò)“5E”探究解決大挑戰(zhàn)

（一）“5E”教學(xué)模式的內(nèi)涵

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為學(xué)生是在已有知識(shí)的基礎(chǔ)上建構(gòu)新的知識(shí)。[7]在知識(shí)建構(gòu)的過(guò)程中，采用符合學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律的、基于研究的教學(xué)模式至關(guān)重要。在科學(xué)教育領(lǐng)域，探究一直以來(lái)是備受推崇的教學(xué)方式?！?E”教學(xué)模式就是一種典型的探究模式，由美國(guó)生物科學(xué)課程研究會(huì)（Biological Sciences Curriculum Study，BSCS）開(kāi)發(fā)，被廣泛應(yīng)用于新課程材料研發(fā)和教師專(zhuān)業(yè)發(fā)展領(lǐng)域?！?E”教學(xué)模式由五個(gè)階段組成（見(jiàn)圖1），融合了探究性學(xué)習(xí)環(huán)境的各個(gè)方面：吸引學(xué)生參與；探究概念；讓學(xué)生對(duì)正在學(xué)習(xí)的概念進(jìn)行解釋?zhuān)粚?shí)現(xiàn)概念和技能的遷移，讓學(xué)生將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于新的情境中；整個(gè)過(guò)程中，師生共同評(píng)價(jià)，以達(dá)到檢驗(yàn)教育成效的目的。[8]表2呈現(xiàn)了“5E”教學(xué)模式各個(gè)階段的操作概要，教師可以據(jù)此對(duì)科學(xué)課程進(jìn)行高效且有序的組織與教學(xué)。

（二）“5E”融合StEMT的實(shí)際應(yīng)用

在霍林和德懷爾看來(lái)，將工程置于“5E”教學(xué)模式的遷移階段是二者融合的基本前提（見(jiàn)圖2），因?yàn)楣こ碳炔皇且粋€(gè)獨(dú)立的實(shí)體，也無(wú)法作為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科，其存在的意義是為了支持科學(xué)概念的學(xué)習(xí)。

在“5E”教學(xué)模式下，學(xué)生解決大挑戰(zhàn)是基于已知的科學(xué)概念，從引入階段到遷移階段，對(duì)科學(xué)概念的理解不斷加深，最終形成解決真實(shí)問(wèn)題的大概念。表3呈現(xiàn)了“水的凈化”這一融入工程項(xiàng)目的課例。在引入階段，教師提出科學(xué)問(wèn)題“熱量是如何影響水的狀態(tài)的？”，以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行初步的探究。探究之后，教師根據(jù)探究結(jié)果對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行解釋。在此階段，學(xué)生能夠獲得基本的科學(xué)概念，即熱量會(huì)影響水的狀態(tài)，熱量越高，水分子之間的間隙越大。接著，教師在“5E”教學(xué)模式的遷移環(huán)節(jié)中插入一個(gè)工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，讓學(xué)生使用跨學(xué)科的方法解決基于真實(shí)情景的大挑戰(zhàn)問(wèn)題——“如何利用相變和物態(tài)的知識(shí)來(lái)為第三世界國(guó)家的人提供清潔的飲用水？”。在此階段，學(xué)生在解決大挑戰(zhàn)的過(guò)程中不斷積累“像科學(xué)家一樣思考”的科學(xué)概念，即大概念，這些大概念將進(jìn)一步促成問(wèn)題的解決。

四、啟示

綜合以上美國(guó)在STEM課程重構(gòu)方面的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，從以下三個(gè)方面對(duì)我國(guó)學(xué)校STEM課程構(gòu)建及教師教學(xué)提供一些啟示。

（一） 深化科學(xué)概念并統(tǒng)領(lǐng)教學(xué)

美國(guó)STEM課程的設(shè)計(jì)在理念、目標(biāo)、過(guò)程等方面始終貫穿大概念統(tǒng)領(lǐng)科學(xué)教育的宗旨，并配套相關(guān)的政策支持和理論依據(jù)。用科學(xué)概念統(tǒng)領(lǐng)教學(xué)，一方面要把握科學(xué)概念的內(nèi)涵，即體現(xiàn)專(zhuān)家思維、反映專(zhuān)家實(shí)踐的大概念，另一方面教學(xué)過(guò)程中學(xué)生除了需要理解關(guān)于自然界的科學(xué)概念，還應(yīng)該知道這些用于解釋科學(xué)的概念是如何得到的，因?yàn)楦拍畋疚徊⒎菫榱烁拍疃拍?，概念獲得的方式遠(yuǎn)比概念本身重要，其本質(zhì)是通過(guò)概念實(shí)現(xiàn)知識(shí)整合并撬動(dòng)學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。[12]

（二）以解決現(xiàn)實(shí)世界的大挑戰(zhàn)為驅(qū)動(dòng)

大概念統(tǒng)領(lǐng)下的STEM是以解決現(xiàn)實(shí)世界的大挑戰(zhàn)為驅(qū)動(dòng)，體現(xiàn)專(zhuān)家思維、反映專(zhuān)家實(shí)踐的科學(xué)教學(xué)。在解決大挑戰(zhàn)的過(guò)程中，學(xué)生面臨的問(wèn)題不再是淺表化的科學(xué)問(wèn)題，而是針對(duì)當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)、國(guó)家層面或者全球范圍內(nèi)還未解決的問(wèn)題所提出的科學(xué)問(wèn)題。這些問(wèn)題使學(xué)生能夠在理解基本科學(xué)概念的基礎(chǔ)上，發(fā)展綜合解決問(wèn)題的能力。其目的不再是讓學(xué)生學(xué)會(huì)書(shū)本上的科學(xué)知識(shí)，而是與真實(shí)生活之間建立相關(guān)性，認(rèn)識(shí)到STEM解決與他們息息相關(guān)的問(wèn)題的價(jià)值。

（三）基于真實(shí)性的“5E”探究開(kāi)展教學(xué)

StEMT課程的實(shí)施采用了基于探究的“5E”教學(xué)模式，在傳統(tǒng)的STEM課程中融入來(lái)自真實(shí)世界的工程與設(shè)計(jì)應(yīng)用，以解決真實(shí)世界的大挑戰(zhàn)為驅(qū)動(dòng)，構(gòu)建跨學(xué)科的探究學(xué)習(xí)項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生更上位的科學(xué)素養(yǎng)。從教學(xué)途徑來(lái)看，要解決來(lái)自真實(shí)世界的大挑戰(zhàn)，需要多個(gè)學(xué)科的交叉運(yùn)用，整合的、跨學(xué)科的“5E”教學(xué)模式即是符合STEM教學(xué)需要的方式之一。要使“5E”教學(xué)模式與大概念統(tǒng)領(lǐng)下STEM教學(xué)完全匹配，還需對(duì)其整個(gè)過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)在“5E”教學(xué)模式中嵌入工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，使工程與科學(xué)實(shí)現(xiàn)深度融合，可以更好地支持學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的學(xué)習(xí)與理解。

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[7]PHILLIPS D C. The good， the bad， and the ugly： the many faces of constructivism[J]. Educational researcher， 1995， 24（7）： 5-12.

Abstract： Under the literacy-oriented classroom transformation， the American STEM curriculum has put scientific concepts at the center of the goal to cultivate students scientific literacy. The scientific concepts can also be understood as big ideas that embody expert thinking and reflect expert practice. American scholars restructured the scientific concepts around big ideas and defined the mastery of scientific concepts and big ideas related to science as an essential competence for K-12 students. To better enable students to solve problems by using interdisciplinary methods， a StEMT grand challenge with big ideas as the core is proposed in each learning topic. Under the guidance of big ideas， the American STEM curriculum integrates the knowledge of various STEM subjects through the “5E” inquiry learning model and promotes the transfer of knowledge in real situations.

Keywords： STEM; Big idea; America; Curriculum; Science

編輯 朱婷婷? ?校對(duì) 呂伊雯