閆寒冰 王巍
摘要：STEM教育的不斷發(fā)展，催生了對跨學科整合型課程的迫切需求。然而當前我國的STEM課程建設更多注重形式規(guī)范，總體質(zhì)量堪憂，因此從跨學科整合視角來開發(fā)優(yōu)質(zhì)的STEM課程以指導教學迫在眉睫。比較與借鑒是提質(zhì)增效解決問題的重要途徑。為提升我國STEM課程建設質(zhì)量，借鑒權(quán)威的STEM課程整合評價工具，從課程背景、工程設計挑戰(zhàn)、科學內(nèi)容整合、數(shù)學內(nèi)容整合、教學策略、團隊合作、交流、評估、組織等9個維度對58個國內(nèi)外STEM優(yōu)秀課程案例進行定性與定量對比分析后發(fā)現(xiàn)，我國的STEM課程案例在課程背景、科學內(nèi)容整合、教學策略和評估四個方面較國外STEM課程存在明顯不足。這在一定程度上制約了我國STEM課程建設和教學質(zhì)量提升。未來我國STEM課程建設應從以下四個方面加強：一是提升對社會問題的響應度，培養(yǎng)學生的社會責任感;二是鼓勵有效失敗，營造真實的科學體驗;三是豐富以學生為中心的策略，放大學生的思維過程;四是注重非正式評價，促進學生綜合能力的發(fā)展。
關(guān)鍵詞：STEM課程;質(zhì)量評價;分析框架;比較研究;跨學科整合
中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1009-5195（2020）02-0039-09 doi10.3969/j.issn.1009-5195.2020.02.005
*基金項目：2018年度國家社會科學基金重大項目“信息化促進新時代基礎教育公平”（18ZDA335）。
作者簡介：閆寒冰，博士，教授，博士生導師，華東師范大學開放教育學院（上海 200062）;王巍，碩士研究生，華東師范大學教育信息技術(shù)學系（上海 200062）。
一、研究背景
1986年，美國國家科學委員會（NSB）發(fā)表的《本科的科學、數(shù)學和工程教育》中首次明確提出“科學、數(shù)學、工程和技術(shù)教育的集成”這一綱領(lǐng)性建議，被認為是STEM教育的開端（鐘柏昌等，2014）。STEM是Science（科學）、Technology（技術(shù)）、Engineering（工程）和Mathematics（數(shù)學）四門學科的首字母縮寫，但又不是四門學科的簡單組合。不同學者對STEM教育有著不同的理解，目前主要有兩派觀點：一派觀點認為STEM是通過不同學科有目的地整合來解決真實世界問題的課程（Labov et al.，2010），另一派則認為STEM是一種培養(yǎng)學習者綜合利用STEM知識解決現(xiàn)實問題的學習方法（傅騫等，2016）。雖然不同學者對STEM教育的定義各有側(cè)重，但都指向了STEM教育跨學科的核心特征，即以一種多學科交叉融合的方式培養(yǎng)復合創(chuàng)新型人才和全面發(fā)展的人（余勝泉等，2015）。
課程是落實STEM教育的關(guān)鍵。為推進STEM教育，國內(nèi)外學者在不同層面對STEM課程進行了研究。在課程設計方面，周鵬琴等（2016）從STEM視角對美國科學課程教材“SCIENCE RESOURCES”中的知識點和教學活動進行分析，探究了美國科學課程教學內(nèi)容的特點。楊彥軍等（2019）以美國亞利桑那州立大學火星教育項目的STEM課程為案例，通過質(zhì)性分析方法從教學策略和課程開發(fā)策略兩個方面對該STEM課程的特點進行了分析。在教學效果方面，為更好地了解STEM課程在多大程度上能滿足學生的需求并進一步完善課程，Selwitz等（2018）通過定性方法從學生的意見和觀點的角度對STEM課程進行了分析。在學科特色方面，Parker等（2015）從技術(shù)的角度構(gòu)建了STEM課堂中技術(shù)應用的質(zhì)量評估框架，包括所使用的技術(shù)類型、與STEM實踐的一致程度、以學生為中心的教學實踐以及與現(xiàn)實環(huán)境的關(guān)聯(lián)程度。上述研究雖從不同側(cè)面對STEM課程進行了定性或定量分析，但尚未有研究從STEM課程跨學科整合的視角對國內(nèi)外STEM優(yōu)秀課程案例進行質(zhì)量評價與對比分析。本研究旨在通過對國內(nèi)外STEM課程進行質(zhì)量評價和對比分析，從而精準定位我國STEM課程存在的問題并提供指導性建議。
二、研究設計
1.案例來源與標準
美國科學教師協(xié)會（National Science Teachers Association，NSTA）是世界上最大的致力于促進科學教學和卓越創(chuàng)新的組織。由NSTA主辦的《科學與兒童》（Science and Children）、《科學視野》（Science Scope）和《科學教師》（The Science Teacher）三本雜志分別面向小學、初中和高中的科學教師定期刊登優(yōu)秀的STEM課程，詳細展現(xiàn)了美國教師在科學與工程教學中的成功案例。本研究從這三本雜志中選取了2016年1月-2018年12月刊登的具有完整教學設計且能體現(xiàn)STEM教學特色的32個案例作為國外分析樣本，覆蓋小學（11個）、初中（13個）和高中（8個）三個學段。
2017年8月14日，由北京師范大學未來教育高精尖創(chuàng)新中心主辦、江西教育出版社承辦的第二屆STEM+創(chuàng)新教育學術(shù)交流研討會圍繞STEM+教學成果的活動設計、課程研發(fā)以及創(chuàng)新分享展開討論，匯集了眾多優(yōu)秀STEM課程案例。大會評選出26個國內(nèi)一線教師的實踐教學案例并收錄在作品集中，案例涉及小學（16個）、初中（6個）和高中（4個）三個學段。這些課程案例來自北京、杭州、廣州、重慶、武漢等10余個城市，地區(qū)覆蓋面較廣且均來自一線教師的真實教學經(jīng)歷，在一定程度上可以代表我國STEM課程建設水平，因此本研究將其作為國內(nèi)分析樣本。
2.案例分析框架
為評估教師在專業(yè)發(fā)展項目中開發(fā)的20個以工程設計為基礎的STEM課程單元，Guzey等開發(fā)了STEM課程整合評估工具（STEM Integration Curriculum Assessment，STEM-ICA），包含課程背景、工程設計挑戰(zhàn)、科學內(nèi)容整合、數(shù)學內(nèi)容整合、教學策略、團隊合作、交流、評估、組織等9個維度，對于評價一門課程的跨學科特性提供了重要的參考依據(jù)（Guzey et al.，2016）。由于STEM-ICA設計的初衷是評估教師在專業(yè)發(fā)展項目中的績效提升，且重點針對以工程設計為基礎的STEM課程，因此具有一定的局限性。此外，STEM-ICA評估工具由一系列是與否的問題構(gòu)成，旨在幫助評估者反思課程單元的具體要素并理解各維度的評估意圖，嚴格來說并未形成清晰明確的課程評價框架。本研究基于STEM-ICA評估工具中設置的問題進一步提煉評估細則，并參考《新一代科學教育標準（NGSS）》和《州共同核心課程標準——數(shù)學（CCSS-M）》，對評估細則做出些許調(diào)整，如在“數(shù)學內(nèi)容整合”維度補充“使用合適的工具/單位系統(tǒng)收集、處理和表示數(shù)據(jù)”的要求，最終形成如表1所示的STEM課程整合評量指標。
STEM課程整合評量指標由9個維度構(gòu)成，每個維度包含4～5個評估細則，共計37個評估細則。依據(jù)評量指標，具體評分規(guī)則如下：為使評分結(jié)果更容易理解，本研究選擇1～5分的計分方式，每個維度的初始得分為1分，每體現(xiàn)1條評估細則，對應維度得分加1分，每個維度最高得分為5分（即“工程設計挑戰(zhàn)”維度若同時滿足4～5條評估細則，則該維度得分均為滿分5分），課程總體得分為各維度得分的加權(quán)平均。此外，為后續(xù)對國內(nèi)外STEM課程案例進行對比分析，在進行評分的同時還對課程案例在評估細則上有無體現(xiàn)進行編碼（若該評估細則在案例中有所體現(xiàn)，則編碼為1;若沒有體現(xiàn)，則編碼為0），結(jié)合量化的統(tǒng)計和質(zhì)性的分析，有助于進一步闡釋研究結(jié)果。
3.研究問題
本研究選用定性和定量相結(jié)合的研究方法，首先對選取的課程案例進行全面閱覽，以初步了解國內(nèi)外STEM課程的概況。其次，依據(jù)選取的案例分析框架，采用李克特五級量表對58個優(yōu)秀STEM課程案例在課程背景、工程設計挑戰(zhàn)、科學內(nèi)容整合、數(shù)學內(nèi)容整合、教學策略、團隊合作、交流、評估和組織等9個維度進行打分，并對各維度的得分情況進行統(tǒng)計分析。最后，對比國內(nèi)外STEM課程案例的得分結(jié)果，并結(jié)合典型樣本進行深入分析，探討如下三個問題：（1）國內(nèi)外STEM課程整體質(zhì)量如何？在各個維度的表現(xiàn)如何？（2）我國STEM課程在哪些維度存在明顯不足？原因是什么？（3）美國STEM課程案例對我國課程建設有哪些啟發(fā)？
4.信度分析
為保證數(shù)據(jù)分析的外在信度，本研究進行了信度分析。由熟悉STEM教育的4名研究人員組成兩個評分小組（每組各2名），在明確案例分析框架后獨立對5個國內(nèi)案例和5個國外案例進行評分，并在組內(nèi)展開討論以最終確定各自的評分結(jié)果。通過評分者一致性檢驗，得到肯德爾和諧系數(shù)為0.749（P<0.05）。因此，可以認為4名研究人員的評定結(jié)果有較大的一致性，即數(shù)據(jù)分析具有較高的可信度。
三、研究結(jié)果及討論
1.研究結(jié)果
依據(jù)上述STEM課程整合評量指標，本研究采用李克特五級量表對58個國內(nèi)外STEM課程案例進行評分，1～5分代表評估細則中特征描述的體現(xiàn)水平。統(tǒng)計結(jié)果顯示，國內(nèi)STEM課程案例總體得分為3.10分，居于中等水平;國外STEM課程案例總體得分為3.74分，處于中等偏上水平。國內(nèi)STEM課程在組織維度得分最高（4.23分），在評估維度得分最低，僅為1.69分;國外STEM課程在科學內(nèi)容整合維度得分最高（4.56分），組織維度次之（4.53分），工程設計挑戰(zhàn)維度得分最低，僅為2.84分。從各維度來看，組織維度整體表現(xiàn)水平較好，國內(nèi)外平均得分為4.38分，但在評估維度平均得分低于3分，整體水平較差。
通過比較國內(nèi)外STEM課程在各維度上的差異，可以發(fā)現(xiàn)，除工程設計挑戰(zhàn)維度國內(nèi)得分（3.19分）較國外（2.84分）更高外，在其余維度上國內(nèi)STEM課程得分均低于國外。為進一步判斷國內(nèi)外STEM課程在得分上是否存在顯著差異，本研究進行了獨立樣本T檢驗。如表2所示，國內(nèi)外STEM課程在工程設計挑戰(zhàn)、數(shù)學內(nèi)容整合、團隊合作、交流和組織5個維度上的得分相近，但在課程背景、科學內(nèi)容整合、教學策略和評估四個維度的得分上存在顯著差異（P<0.05）。
2.研究討論
鑒于國內(nèi)外STEM課程在課程背景、科學內(nèi)容整合、教學策略和評估四個維度存在顯著差異，本研究進一步統(tǒng)計了國內(nèi)外STEM課程在這四個維度評估細則上的編碼結(jié)果（以百分比形式呈現(xiàn)），以便挖掘造成兩者存在差異的深層原因，如表3所示。
表3 國內(nèi)外STEM課程編碼統(tǒng)計對比
[評估細則＼&國內(nèi)＼&國外＼&CC1＼&69.23%＼&84.38%＼&CC2＼&3.85%＼&18.75%＼&CC3＼&38.46%＼&68.75%＼&CC4＼&84.62%＼&87.50%＼&S1＼&61.54%＼&96.88%＼&S2＼&65.38%＼&96.88%＼&S3＼&65.38%＼&96.88%＼&S4＼&34.62%＼&65.63%＼&IS1＼&73.08%＼&100.00%＼&IS2＼&84.62%＼&90.63%＼&IS3＼&53.85%＼&90.63%＼&IS4＼&65.38%＼&59.38%＼&A1＼&26.92%＼&68.75%＼&A2＼&15.38%＼&87.50%＼&A3＼&26.92%＼&81.25%＼&A4＼&0.00%＼&62.50%＼&]
（1）課程背景差異
課程背景主要考量STEM課程能否提供激勵和吸引人的問題情境，允許學生基于個人知識和經(jīng)驗在真實情境下開展活動。進一步分析國內(nèi)外STEM課程在各評估細則上的表現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，兩者得分產(chǎn)生顯著差異的主要原因在于問題情境是否“涉及時代背景與挑戰(zhàn)”。68.75%的美國STEM課程在構(gòu)建情境時能夠結(jié)合全球、社會、自然環(huán)境等問題或挑戰(zhàn)，相比之下，國內(nèi)能夠體現(xiàn)這一評估細則的課程樣本僅占38.46%。一個好的問題情境不僅需要還原真實世界的本質(zhì)面貌，更應該具有開拓學生眼界、擴大學生格局的教學立意。通過從個人、區(qū)域和社會三個層面對國內(nèi)外STEM課程案例中問題情境的格局定位進行分析發(fā)現(xiàn)，兩者呈現(xiàn)出很大的不同（見圖1和圖2）。在國內(nèi)STEM課程案例中，超過50%的課程將問題情境定位在個人層面，缺少“如何利用你所學的知識讓世界更美好”的教學立意;而在國外STEM課程案例中，有超過70%的課程能夠從區(qū)域或社會層面構(gòu)建問題情境，為學生打開了面向世界和面向未來的窗口。以生物領(lǐng)域為例，國內(nèi)STEM課程更多關(guān)注學生對于生物多樣性知識的學習，如了解鴨子的生態(tài)特征、辨析不同植物種類等;而美國STEM課程則能以更為開放的視角去構(gòu)建問題情境，如探究深海熱液口的生物群落、在火星上種植土豆是否可能、冠狀動脈阻塞修復手術(shù)等。這些涉及時代背景與挑戰(zhàn)的問題情境有助于擴大學生的視野與格局，從而培養(yǎng)學生的社會使命感與責任感。
圖1 國內(nèi)STEM課程中問題情境的格局定位情況
圖2 國外STEM課程中問題情境的格局定位情況
（2）科學內(nèi)容整合差異
STEM課程強調(diào)多學科融合，其中科學內(nèi)容整合是一個重要表征?？茖W內(nèi)容的整合主要考量STEM課程能否通過科學探究活動促進學生學習科學概念和科學思想，從而加深對自然世界的理解。統(tǒng)計結(jié)果顯示，國外STEM課程在這一維度領(lǐng)先國內(nèi)1.29分，這與其重視科學學習是分不開的。90%以上的國外課程樣本在教學設計中能夠整合科學知識，以促進學生對科學概念的理解。由于我國以分科教學為主，且沒有明確的STEM教育標準，因此在跨學科整合方面難度更大。創(chuàng)客教育的理念與STEM教育有著高度的一致性，因此被認為是推動我國STEM教育的重要突破口。作為創(chuàng)客教育的主要載體，諸如3D打印技術(shù)、開源硬件（如Arduino、樹莓派等）以及一些編程軟件（如Scratch、Mixly等）成為國內(nèi)STEM課程的技術(shù)依托。通過分析發(fā)現(xiàn)，超過50%的國內(nèi)STEM課程樣本與軟硬件應用相關(guān)，僅有60%左右的課程能夠整合科學方面的知識。整合技術(shù)本身雖符合STEM跨學科特征，但過度重視技術(shù)應用而忽略學生對科學本質(zhì)的探索卻與STEM教育理念背道而馳。
科學的本質(zhì)在于認識自然世界，科學探究就是模擬科學家認識自然的真實探究過程。通過對32個國外STEM樣本案例中科學探究活動的分析，可以將科學探究分為調(diào)查研究和實驗研究兩類。其中，調(diào)查研究是指有計劃、有目的地了解調(diào)查對象的實際情況并對調(diào)查材料進行分析的研究范式;實驗研究是指通過控制有關(guān)因素，收集直接數(shù)據(jù)并最終建立變量之間因果關(guān)系的一種研究范式。圖3給出了兩者的主要步驟。國外STEM課程通過“真問題、真探究、真解決”的“三真”過程，引導學生模擬科學家的真實研究活動，從而培養(yǎng)學生的科學意識、科學素養(yǎng)和科學精神。與美國STEM課程強調(diào)真實科學體驗不同，我國的STEM課程開放性不足，教師往往采用固化解決思路或操作步驟的方式保證學生能夠得到正確結(jié)果或標準答案。從某種程度上來說，這是我國學生在課業(yè)成績方面得分較高的重要原因之一，但這也因此限制了學生挖掘和檢驗探究過程和結(jié)果的空間。由于國內(nèi)外STEM課程樣本中均涵蓋“牛頓第二定律”這一知識點的教學，因此可以該知識點為參照來比較分析兩者在設計科學探究活動方面的區(qū)別。鑒于牛頓第二定律是在實驗基礎上建立起來的重要規(guī)律，因此國內(nèi)和國外均將課程重點放在了探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的實驗上。但兩者在教學方法上卻截然不同，國內(nèi)是基于講授法的實驗探究，即學生根據(jù)教師提示采用控制變量法探究在保持質(zhì)量不變時加速度與合外力的關(guān)系。與之相反，國外大膽采用了試錯法，即教師在最開始并沒有提醒學生控制質(zhì)量，而是在學生經(jīng)歷失敗后才根據(jù)實驗數(shù)據(jù)存在的問題給出提示。這種做法更接近科學家的真實探究流程，不僅有助于學生了解科學本質(zhì)和科學實踐，對培養(yǎng)學生的批判性思維也具有重要作用。
圖3 國外STEM課程中的兩類科學探究步驟
（3）教學策略差異
教學策略是教學設計的重要組成部分，是教師在特定教學目標下制定的教學實施策略。通過對比發(fā)現(xiàn)，“以學生為中心”和“論證的策略”是國內(nèi)外STEM課程在教學策略維度得分存在顯著差異的主要原因。近乎100%的國外STEM課程案例都包含了“以學生為中心”的動腦思考或動手實踐活動，而這一點僅在73.08%的國內(nèi)課程案例中有所體現(xiàn)。STEM課程強調(diào)以培養(yǎng)學生能力為中心，鼓勵學生掌握更多的主動權(quán)和自由發(fā)揮空間。分析發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)STEM課程主要采用任務驅(qū)動教學法，即教師以具有難度梯度的一系列任務為驅(qū)動，指導學生開展實踐活動。在明確的任務要求下，結(jié)果性產(chǎn)出往往大同小異，因此無法滿足學生個性化發(fā)展的需要。對比來看，國外STEM課程更強調(diào)通過一系列層層遞進的步驟引導學生開展科學探究與工程實踐活動?！?E教學模式”和“工程設計循環(huán)”是美國STEM課程采用的主要教學模式，充分體現(xiàn)了“以學生為中心”的原則。5E模式通過引入（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、拓展（Elaboration）和評價（Evaluation）5個環(huán)節(jié)引導學生開展自主探究（Bybee et al.，2006）。工程設計循環(huán)（Engineering Design Process）主要包含提出問題、設計解決方案、創(chuàng)建原型、測試和改進等階段，用以支持學生實現(xiàn)從需求到設計的迭代過程（Teachengineering，2019）。美國STEM課程通過有效整合“5E教學模式”和“工程設計循環(huán)”的步驟，使得開展“以學生為中心”的實踐活動有章可循。
基于證據(jù)得出結(jié)論是美國STEM課程的一大特色，近90%的國外STEM課程樣本均采用了論證的策略，而僅在50%左右的國內(nèi)STEM課程樣本中有所體現(xiàn)。論證策略強調(diào)通過數(shù)據(jù)分析為所提出的主張?zhí)峁┳C據(jù)，真正做到“有理有據(jù)”。近年來，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)、計算科學和人工智能的不斷發(fā)展與融合，學習生態(tài)環(huán)境正逐步由數(shù)字化過渡到數(shù)據(jù)化，數(shù)據(jù)對于學生多元智能的發(fā)展和核心素養(yǎng)的形成具有舉足輕重的作用（Committee on K-12 Engineering Education et al.，2009）。在工程領(lǐng)域，設計的選擇必須要有數(shù)據(jù)支撐，如在設計太空服時，要求學生分別在冷熱兩種環(huán)境中測試材料的溫差變化從而為太空服材料的選擇提供依據(jù)。在科學探究中，數(shù)據(jù)更是論證結(jié)論的可靠依據(jù)，如在案例《生機勃勃的湖泊》中，為探究冬季湖水深度與溫度和溶解氧的關(guān)系，學生通過對采集得到的Payette湖水溫和溶解氧濃度的數(shù)據(jù)進行分析解讀，從而得出冬季湖水隨著深度增加而溫度變高、溶氧量變少的結(jié)論。因此，合理采用論證策略不僅可以培養(yǎng)學生推理論證的能力，也能夠提高學生的數(shù)據(jù)素養(yǎng)。
（4）評估差異
評價旨在檢測教學是否達到了預期的學習目標，一般分為準備性評價、形成性評價和總結(jié)性評價三類。相比于傳統(tǒng)課堂的紙筆測驗，STEM教育更關(guān)注學生在學習過程中的表現(xiàn)及想法?？茖W和工程實踐活動的靈活性和不唯一性使得評價標準難以界定，評價也因此成為科學教師在設計STEM課程時最為困惑和頭疼的難題。統(tǒng)計結(jié)果顯示，僅有不到30%的國內(nèi)STEM課程樣本將評價納入考量，這也是造成在評估維度得分與國外STEM課程產(chǎn)生較大差距的原因。通過分析發(fā)現(xiàn)，美國STEM課程在評價方式上呈現(xiàn)多元化的特點，注重正式評價與非正式評價相結(jié)合，具體的評價方法如表4所示。在課前的準備性評價中，教師會通過調(diào)查問卷、提問或訪談的形式評估學生的學習情況，包括前期的知識儲備以及對背景知識的了解程度。在過程性評價中，教師非常注重學生對問題的看法以及學生間的交流?？茖W筆記本是美國STEM教師普遍采用的過程性評價依據(jù)，記錄了學生在實踐活動中的重要過程性信息，如發(fā)現(xiàn)、問題、想法、步驟、方案、草圖、數(shù)據(jù)、解釋、討論和結(jié)論等（Campbell et al.，2003）。教師通過分析科學筆記本上呈現(xiàn)的初始信息、觀察記錄和討論結(jié)論，可以評估學生對問題的理解程度、對知識的掌握程度以及活動的參與程度。在總結(jié)性評價方面，除了對模型設計、口頭及書面報告等常規(guī)內(nèi)容進行評價外，美國STEM教師還會采用一些特色的策略洞察學生的想法，如使用CER（Contention-論點、Evidence-論據(jù)、Reasoning-論證）方法讓學生基于證據(jù)書寫實驗陳述材料，運用ORID焦點討論法（Objective-客觀性、Reflective-反映性、Interpretive-詮釋性、Decisional-決定性）檢驗學生對課程內(nèi)容的深入思考，以及使用321策略幫助學生反思設計過程中的3個收獲、關(guān)于設計改進的2個問題和1個在實踐期間感覺很好的做法。
四、對我國STEM課程設計的建議
通過對比分析國內(nèi)外STEM課程在各維度上的表現(xiàn)情況，可以發(fā)現(xiàn)美國STEM課程更能為學生創(chuàng)設具有社會性和挑戰(zhàn)性的問題情境，在科學內(nèi)容整合、教學策略和評估方面也有著獨到的經(jīng)驗。結(jié)合前面的分析結(jié)果，我國STEM課程設計可采取如下建議：
1.提升對社會問題的響應度，培養(yǎng)學生的社會責任感
情境是讓學生的學習與真實世界相關(guān)聯(lián)的切實路徑，創(chuàng)設情境從而驅(qū)動科學與工程實踐活動是STEM課程的核心要義。我國STEM課程大多將學生需要解決的問題從情境中抽象出來，從個體學習的層面給予學生明確的主題和目標。然而，真實世界中的問題是與社會情境緊密結(jié)合的，且存在一定的“噪音”。教師需要創(chuàng)設能夠開拓學生視野的問題情境，引導其思考如何利用所學的知識解決真實世界中的難題與挑戰(zhàn)，從而達到擴大學生人生格局的目的。一個好的問題情境不僅能夠與學生自身產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，更能在區(qū)域或社會層面為學生提供表現(xiàn)個人創(chuàng)造力與社會責任的機會。因此，在構(gòu)建STEM課程情境時，教師應慎重選擇問題情境，幫助學生理解個人與社會的關(guān)系，思考人類社會所面臨的機遇和挑戰(zhàn)，履行個人在信息社會中的責任和義務。目前，一些國際組織如美國國家工程院（NAE）提出了多項面向社會的研究挑戰(zhàn)，如創(chuàng)造清潔能源、循環(huán)利用資源、防止核恐怖危機、增強虛擬現(xiàn)實等（National Academic of Engineering，2008）。教師在設計STEM課程情境時，有必要將視線從個人、社區(qū)擴大到全球，以全球性的機遇與挑戰(zhàn)為背景培養(yǎng)學生的社會責任感。
2.鼓勵有效失敗，營造真實的科學體驗
我國STEM課程在整合科學內(nèi)容方面較為欠缺，不僅科學概念融入較少，而且科學探究環(huán)節(jié)更為缺失。過度依賴軟硬件技術(shù)，導致我國教師忽視了學生對科學概念的學習和理解。美國STEM教師以調(diào)查研究和實驗研究為主要形式指導學生遵循科學的探究流程開展活動，在整合科學內(nèi)容方面具有較高的借鑒價值。為改善科學內(nèi)容整合的現(xiàn)狀，一方面教師要減少STEM課程對軟硬件技術(shù)的依托，從真實生活情境入手設計調(diào)查或?qū)嶒灮顒?。如在“自動跟蹤風扇案例”中，可以先讓學生通過實驗探究不同扇葉形狀和數(shù)量對送風的影響，然后設計風扇結(jié)構(gòu)模型。這樣既能結(jié)合軟硬件技術(shù)，又能實現(xiàn)科學探究和工程設計的有效融合。另一方面，教師要重視科學探究的完整流程，為學生營造真實的科學體驗。受班級人數(shù)、教學時長和活動場所的限制，國內(nèi)很多教師會采用預設解決思路或操作步驟的方式保證學生能夠得到正確結(jié)果或標準答案。這樣的做法雖然可以使學生以最短的路徑接近科學事實，但卻無法提供真實的科學體驗。科學沒有最短路徑，經(jīng)歷錯誤是科學家在科學實驗中的必修課，真正的科學家會在失敗中找到擺脫錯誤的方法。因此，適當?shù)亍胺艡?quán)”于學生，鼓勵其通過有效失敗模擬科學家的真實探究活動，對培養(yǎng)學生的科學意識、科學素養(yǎng)和科學精神具有重要的促進作用。
3.豐富以學生為中心的策略，放大學生的思維過程
K-12 STEM教育面臨的最大挑戰(zhàn)之一是，對于教師如何在課堂中使用STEM整合方法進行教學，很少有通用的指導方針或模型可供遵循（Wang et al.，2011）。目前，我國STEM教師大多采用講練結(jié)合的方式開展教學，學生通過完成難度進階的任務以掌握必要的知識與技能。這種方法雖可以增強學生記憶事實性信息，但往往不能促進有意義學習，也并沒有發(fā)生從“以教師為中心”到“以學生為中心”的質(zhì)變。STEM課程強調(diào)“以學生為中心”，其關(guān)鍵在于能否促進學生自我主導地積極參與學習過程（Land et al.，2012）。當前我國普遍采用任務驅(qū)動法，結(jié)合教師的啟發(fā)引導，促進學生開展合作學習，整體的教學策略是比較單薄的。美國STEM課程通過整合5E教學模式和工程設計循環(huán)的遞進步驟，為學生提供了一個可行的學習路徑。在5E教學模式和工程設計循環(huán)的指導下，教師巧妙地融入故事線、模型法、角色扮演、頭腦風暴、實地調(diào)研、實驗工作站等方式激發(fā)學生的學習內(nèi)驅(qū)力，充分體現(xiàn)了“以學生為中心”的原則。此外，美國STEM課程采用“論證的策略”指導學生開展基于證據(jù)得出結(jié)論的課堂研究，不僅有助于放大學生的思維過程，對學生批判性思維的發(fā)展也具有重要推動作用。因此，我國的STEM教學應豐富以學生為中心的策略，放大學生的思維過程。
4.注重非正式評價，促進學生綜合能力的發(fā)展
評價是教學的一個重要環(huán)節(jié)，對于評估學生能力、優(yōu)化課程教學、促進學生發(fā)展具有重要意義。通過分析我國STEM課程案例可以發(fā)現(xiàn)，除少數(shù)課程采用學生自評、教師點評或小組競賽的形式開展評價活動外，大部分課程并沒有將評價納入考量。STEM課程注重學生的過程表現(xiàn)及思維發(fā)展，但以學生為中心的科學探究與工程實踐活動具有較大的開放性和靈活性，因此使得評價難以開展。借鑒美國STEM課程設計經(jīng)驗，課程中的非正式評價是一個關(guān)鍵突破口。非正式評價可以幫助教師更準確地評價學生對科學過程技能和內(nèi)容領(lǐng)域知識的掌握情況，挖掘?qū)W生更多的隱藏性問題（Peters，2008）。教師在開展STEM課程評價時，建議從以下幾個方面入手：豐富非正式評價的工具，如科學筆記本、課堂觀察、開放式問題等;深化非正式評價的內(nèi)容，允許和鼓勵學生通過口頭、書面、圖表等多種形式記錄、講述和交流自身對知識的理解、取得的進步以及現(xiàn)存的困難，從而充分了解學生的成長和思維發(fā)展;采取切實可行的策略，在開展非正式評價時關(guān)注對學生思維方式的外化與評價引導，靈活采用一些策略引導學生的討論方向或建立對推理論證的規(guī)范，如CER法、ORID焦點討論法、321策略等。
五、結(jié)語
在STEM教育日趨流行的今天，開發(fā)優(yōu)質(zhì)的STEM課程以指導教學迫在眉睫。美國是最早開展STEM教育的國家，也是世界范圍內(nèi)最能系統(tǒng)完整地實施STEM教育政策、進行STEM教育實踐的國家，在STEM課程設計方面積累了豐富的實踐經(jīng)驗。為剖析我國STEM課程存在的問題，本研究基于國外權(quán)威的STEM課程整合評估工具，對國內(nèi)外STEM課程進行質(zhì)量評價與對比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)我國STEM課程在課程背景、科學內(nèi)容整合、教學策略和評估四個維度較國外STEM課程存在明顯不足。借鑒美國STEM課程設計經(jīng)驗，本研究提出四點建議：提升對社會問題的響應度，培養(yǎng)學生的社會責任感;鼓勵有效失敗，營造真實的科學體驗;豐富以學生為中心的策略，放大學生的思維過程;注重非正式評價，促進學生綜合能力的發(fā)展。由于本研究選擇了某一學術(shù)交流研討會評選出的一線教學案例作為國內(nèi)分析樣本，因此存在代表性不足的問題。希望未來的研究能夠挖掘更多權(quán)威的STEM課程案例，開展樣本量更大的質(zhì)量評價研究，為推進我國STEM課程建設做出應有的貢獻。
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收稿日期 2019-12-12責任編輯 劉選
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