基于STEM教育理念的校本课程案例开发与实施

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　　[摘   要]新的课程改革对培养学生的学科核心素养与学科间共通素养提出了要求，进而对校本课程的设计与实施形成了新的挑战。基于STEM教育理念的校本课程案例的开发与实施是应对这种挑战的一种较为可取的方式。为此，研究者在分析了不同研究人员对STEM教育理念的界定后发现，“跨学科”“做中学”“协同合作”以及“基于科学问题”的理念共同点，可作为开发与实施基于STEM教育理念的校本课程案例所应遵循的原则。研究者结合经典5E模型，添加主题制定步骤，以“节能住房”项目为例阐述了整个过程。
　　[关键词]STEM教育;校本课程;5E模型;主题
　　一、引言
　　《普通高中课程方案及各学科课程标准（2017年版）》的发布与实施，意味着以发展学生核心素养为基础的课程改革开始由顶层设计进入教学实践阶段[1]。新课标除了对本学科的核心能力与素养提出要求之外，也将科学探究、科学思维等有关科学精神和创新实践的共通素养作为各理科课程对学生的共同要求[2]。因此，如何培养学生的学科核心素养与学科间共通素养成为新课程改革教学实践阶段需要解决的关键问题。由此，将核心素养融入学校课程建设是一种可取的策略[3]。
　　校本课程作为学校课程的重要组成部分，对培养核心素养的教学实践具有重要的现实意义。新课标对校本课程的设计与实施提出了新的要求，其目标制定和实施形式较之以往均需做出相应的改变[4]。《中国STEM教育白皮书》指出，STEM教育是面向所有学生的培养综合素质的载体[5]。这无疑为校本课程的开发与实施指明了方向。
　　二、STEM教育理念
　　对于STEM教育理念，众多研究人员提出了自己的看法与认识。纳森（Nashon）教授认为，STEM教育涉及环境因素，并包括两点要求：一是环境要提供学生身边的问题;二是环境提供给学生的是科学问题[6]。常咏梅和张雅雅则认为这是一种协同教育理念[7]，包括“教师协调、学科协同、主题协定、学生协作”，这种协同教学理念对目标的制定、内容选择与实施过程发挥了重要的指引作用。赵呈领、申静洁和蒋志辉等认为，STEM教育具有协作性、跨学科、做中学、创新性的特点[8]。部分研究人员仅将做中学、跨学科视为STEM教育的特征[9-11]，而张屹等人则将跨学科、协作性、体验性、设计性、情境性作为STEM教育的特征[12]。此外，也有研究者认为，多学科融合、基于真实问题情境、重视学习过程和技术作为支持工具是STEM教育的特征[13]。
　　以上不同的STEM教育理念具有一些共性，可作为开发校本课程的基本原则。一是强调跨学科。这种跨学科并非不同学科的简单组合，而是在不同学科知识深度整合的基础上所形成的知识系统。二是强调做中学。这种教育形式重视学习过程，强调学生的学习体验。三是基于协同教育理念。协同主要体现在教师之间、师生之间以及学生之间，它包括不同学科教师之间就选择教学主题、组织教学内容的协同互助，也包括师生在课堂环境中的互动，还包括学生之间的合作。四是基于科学问题。相对于简单问题，科学问题具有某种抽象性，有所知又有所不知，而簡单问题一般源自好奇或直接观察[14]。这种科学问题是基于现实产生而非虚假编制。“是否基于科学问题”可作为区分STEM教学活动与传统手工课的主要依据。
　　三、结合课程案例的开发与实施过程分析
　　恰当的教学活动组织形式是实现STEM教育理念的媒介，也是校本课程开发与实施的路径。基于项目的教学活动组织形式无疑是最佳选择。其强调为学生提供融入真实情境的体验，这些体验将帮助学生对科学、技术、工程和数学各领域的概念形成深刻的理解，并强化更高的思维技能，同时要求学生通过合作、团队沟通等完成任务。除此之外，基于项目的学习以工程设计为基石，要求学生用他们在科学、数学、技术等领域的知识解决真实世界中有意义的问题[15]。
　　本研究采用了一种广泛使用的基于项目的学习教学模式——5E模型[16]。5E模型提供了按照结构顺序排列的五个步骤，分别是参与（Engagement）、探索（Exploration）、解释（Explanation）、延伸（Extension）、评估（Evaluation）。它提供了一个框架，可以将STEM教育理念整合其中。5E模型主要涵盖了教学发生的部分，对教学内容的选择与组织关注不够，因此研究者增加了主题制定的部分，即由教师为学生选定一个活动的主题。
　　1.确定主题
　　主题制定是开发与实施STEM校本课程案例的第一步，也是最困难的一步。基于我国目前分科教学的现实，学生和教师都难以就跨学科的自然现象做出恰当的解释，因此，由单一学科的教师选择并制定跨学科主题还不太现实。为解现实困境，应采用协同教育理念，即主题的构建与制定以某一学科教师为主，其他学科教师为辅。此外，要注意所选项目一定要依赖于学生所学的概念、原理，以便落实“基于科学问题”的理念。在此，将结合“节能住房”课例加以说明。
　　“节能住房”课例的设计是以物理教师为主导的，为保证跨学科特征，选择了“能量”概念作为设计的基础，但并不局限于物理学科，还包括化学、生物等学科中与能量相关的内容（需要化学、生物等学科教师的参与）。在选定科学概念之后，要确定一个既能容纳所选科学概念又要与学生的生活息息相关的相关问题。如住所需要能量，包括供热、制冷、照明等，但能量的不合理使用造成了惊人的浪费，所以“节能”就是一个现实的话题，可促进学生对能量概念产生更深层的理解，并培养节能意识。由此，诞生了“节能住房”这一主题。
　　2.课程实施的5E流程
　　（1）参与。参与主要是指列举项目的要求以及限制性因素。在基于项目的学习中，工程设计是基石。工程设计有两个典型特征：明确的目标与模糊的任务[17]。在“节能住房”项目中，主要从以下三个方面对学生所需要达到的最低要求进行了描述。一是节能住房的组成要求。包括居住区，在保证较完整住宅结构（如墙壁、屋顶、住宅内部功能分区等）的前提下，可适当发挥，如增加住宅的防震性能等;出行工具，如车及车库的设计;照明系统，包括生活用照明系统与观赏用照明系统，可根据所学知识进行电路控制的设计;庭院景观，可根据个人生活经验增加庭院内部观赏景观，如假山等;水循环系统，包括生活用水和观赏用水，可根据所学知识进行水循环设计。二是设计原则。包括科学原则，应明确自己所做项目涉及的科学内容;绿色可持续原则，应尽量减少能量消耗，提高材料利用率;经济原则，项目的实施应尽量节省成本或花销。三是安全要求。如避免使用交流电。 　　以上教师所提出的目标是明确的，但如何达成这些目标是模糊的，需要学生在后续环节中通过合作、讨论、质疑等过程完成。
　　（2）探索。探索阶段，是学生通过与小组成员和教师互动，提出问题解决方案的阶段。学生的任务实际上就是小组讨论，教师的任务则是帮助学生开展有效讨论。讨论内容包括对第一阶段所提项目要求以及限制性因素的正确识别，也包括可选择的技术手段与工具，以及可能的方案。同一小组内可能会产生多个方案，但每个小组最后只能确定一个方案，因此需要组内协商。这实际上是对5E流程中“解释”过程的预演，只不过是发生在组内而非组间。这一过程的要求只有一个，即充分讨论，只有经过充分讨论才会生成具有可行性的方案。
　　（3）解释。解释是指学生对自己所提方案可行性的辩护。每个小组向其他組报告其最终方案，交流分享可行性分析，其他小组可提出质疑，当所有的质疑与分歧都得到解决后，再进入下一阶段。学科知识是鉴别方案可行性的有效手段[18]。高中学生多数情况下能够对方案的可行性做出恰当分析，但仍然会漏洞与不足，教师需要发现并记录学生在汇报中存在的不足，要求他们进行补充与说明。在“节能住房”项目中，每组学生派出一个代表，以手绘或计算机辅助的形式呈现方案设计（见图1）。小组代表讲解完毕后，其他小组提出问题，由汇报人记录问题并作出回应。
　　（4）延伸。延伸是指方案的实施阶段。学生集中动手做，将所学的概念、定律等与解决方案真正整合在一起，体现出“做中学”的理念。这是学生实现自己方案的过程，他们会碰到各种困难，犯各种错误。已有研究证明，学生在犯错的过程中，会不断努力思考，发现自己的优势，明白自己在做什么，并管理自己的项目过程，从而使自己的工作更加深入[19]。教师在该阶段要查看各组学生的进展情况，发现学生在实践中所犯的错误，在学生求助时提供引导。通常，在这一阶段结束时，学生应完成一件作品，该作品是下一阶段评估的对象。
　　（5）评估。评估包括两方面。一是教师对活动过程中学生的表现进行评估。教师评估并非要评判学生的优秀程度，而是要努力弱化这种结果取向，突出过程性评价，对学生所表现的合作能力、创造能力等进行非评价性的陈述。二是学生对自己的作品进行评估。主要包括：是否达到了最低要求，以及对项目实施的总体自评。当然，有些小组可能没有达到参与阶段所提出的最低要求，或仅达到了最低水平，那么还需要就作品的改进思路做出相关陈述。如图1中的（B）设计方案对应作品的完成度不高，因此该组学生在自我评估的过程中需要提出改进方案;而（A）设计方案的对应作品完成度更高，该组学生在自我评估中提出的改进内容较少。
　　四、结论
　　以上课例，阐述了在经典5E模型的基础上添加主题制定步骤进行课程设计并实施的完整过程，从课程的开发到实施，始终贯彻STEM教育理念。从主题选择到5E模型实施，涵盖了教师之间、学生之间、师生之间的协同合作;学生的“做”是整个教学活动中的典型特征，既包括实现预想方案的“动手做”，也包括为自己方案可行性进行辩护的“动脑做”，而“做中学”是对这个过程的诠释。在“基于科学问题”方面，课例基于能量的概念以达到节能目的，这是其与常见“手工课”的内在区别。“跨学科”则体现在方方面面，包括物理、化学、数学、工程、艺术等，充分体现了STEM教育的典型特征。
　　参考文献
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　　[19]American Society for Engineering Education. Envisioning the Future of the Maker Movement：Summit Report[M].https：//www.asee.org/documents/papers-and-publications/papers/maker-summit-report.pdf.
　　（责任编辑   郭向和）
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