中学科学学科视角STEM教学设计的内容分析

陈凯 杨悦 郭金星

关键词：STEM;中学科学;教学设计;内容分析;教学评价

1研究背景

STEM教育往往以项目式学习方式用于基础教育界解决现实世界的任务，尤其需要经历基于设计的问题解决过程，类似于工程师或科学家思考的过程。STEM倡导者主张通过一定的教学策略实现STEM教育的最终目标。

虽然更多教育专家主张整合STEM课程单元解决当前STEM教学和学习的局限性，但是这些课程单元往往不是解决STEM知识构建的最好方法，而在具体的跨学科学习过程中，应用学科核心观念显得更为实际。虽然提倡跨学科整合，但是如果不注重概念教学，整合型STEM课程有可能不利于深度学习。对文献的系统回顾表明，在许多整合性STEM课程中，学生并未开展深入的学科概念建构，多个国家最初的STEM教育愿景并未实现，教学实践大多只是在科学和数学课程中简单联系到“技术”和“工程”维度的内容。国外STEM课程的很多教学设计围绕科学课程或相关工程学科主题，利用实验法来证明设计有效性。Chen等人提出了一个基于小学科学项目学习的教学设计框架，在学生开展项目学习后通过对师生的访谈、课堂观察以及学生的问卷等多维度收集数据，以此修订完善整合性STEM教学设计;Lai等人以科学课程中四轴飞行器课程为例，展开STEM教学设计的开发与评价。Ernst等人研究计算机学科领域的教学设计并付诸实践，借助多样化的媒体形式促进学生STEM学习能力提升。

国内STEM教育以理论思辨、政策比较的研究成果虽有涉及教学实践，但仍然不够丰富和深入。在STEM本土化探索过程中，教师构建了中小学STEM课程一般教学设计样式，通过创意分组分工、问题情境设计、跨学科教学内容设计、项目式学习、作品展示与评价五个环节开展教学活动。一些关注小学科学课程的STEM教学实验采用单组前后测检验或平行班对照检验来验证教学设计效果，虽然所有年级都会从STEM教学改革中受益，但中学阶段是鼓励学生追求STEM职业的重要干预时期。此阶段学生容易抱怨数学和科学变得更加困难，感觉能从教师和家长处获得的帮助也越来越少。因此，中学阶段的STEM课程教学迫切需要有一个结构化的设计。赵慧臣等在分析美国STEM教学设计的基础上，认为STEM课程和教学需要主题式整合课程内容，开展项目学习;技术与课程教学深度融合有助于优化STEM教学过程;此外，真实性评价制度、创新的文化氛围、社区/行业合作关系构建、基础教育与高等教育对接等措施亟待整合其中，发挥效果。

考虑到我国中学阶段STEM课程多为分科设置，所以推广STEM项目式教学更多依赖于学科视角的STEM教学设计研究。为了更好地引导一线学科教师围绕STEM主题开展教学设计与探索，还需要对已有的教学设计进行系统回溯分析，发现已有问题和经验，更好地服务于未来的创新和改革。

2研究设计

2.1研究问题

为了对已有的中学STEM教学设计进行系统回顾，研究问题明确为：（1）当前的中学STEM教学设计应用怎样的教学模式？（2）当前中学STEM教学设计在教学流程安排和教学策略采用上有哪些特点？

2.2样本选择

关注“STEM主题”的科学类（包括物理、化学、地理、生物）教学设计，在CNKI以“STEM教育”“教学设计”为“主题”“篇名”“关键词”;检索时问段为“2015.1.1-2019.12.31”，分别在《物理教师》、《化学教学》、《生物学教学》等十余本中等教育领域重要理科学科期刊中进行了检索，最终筛选出符合STEM理念的中学科学教学设计共计78篇。其中，物理学科26篇，化学学科25篇，生物学科20篇，地理学科7篇。

2.3研究工具与内容分析编码

本研究使用内容分析法，通过现成研究工具作为分析框架，对教学设计文本进行编码，通过不同维度的编码频数分析，从中分析获得相关规律。参考李杨津提及的原则，研究框架从课程综合模式、教学设计要素、主要教学策略、学习表现评价方法四个维度展开（见图1）。

STEM的主要教学策略根据教学不同环节阶段列出，具体判定标准如表1所示。

需要說明的是，表1里的“分析问题”“陈述目标”“科学探究”“教师讲授”“发散思维”等策略，在常规的科学课程设计中也较为常用。“认识相关产品”“逆向工程”以及“设计及制作模型”阶段的三个策略、“测试模型”阶段的两个策略在STEM教学中更为重要。

对样本进行编码分析，记录每个环节在研究对象全文里有无出现或被强化，“有”记录为“1”，“无”记录为“0”，方便后续的频次统计。本部分以《基于美国K一12阶段STEM理念的教学设计——以“‘设计一座硫酸厂”为例》一文作为编码示例（简称为“示例”）。该设计虽然在进行原料、厂址的选择时，渗透地理科学、经济学的学科知识，但涉及的着眼点仍然是硫的转化，主要是化学问题，所以属于“学科问题为本模式”。是否根据问题情境及所涵盖学科对学科及跨学科学习内容进行拟定、是否辨析工程设计中不同阶段所需应用及学科知识，是最能体现STEM理念的两个要素，应在具体编码统计中予以重视。“示例”囊括大部分流程，但在工程设计方面还不够明显，且评价工具还不够充分。由于关注的是经典化工生产问题，“示例”能够用角色扮演进行方案决策和评价，但是缺少“产品”的认识和设计意识，缺少对模型的关注。“示例”在过程中有作品展示和自我评价，并将填空作业贯穿始终，主要属于进展性评价，关注学生是否应用已有知识以及相应理解，是否存在谬误，追踪活动过程中认知的发展、技能的运用以及元认知的提升。

3研究数据和分析

3.1信度分析

为了检验内容分析的信、效度，对随机抽取的5份教学设计做内容分析信度即评分信度。

两名评价者训练后在5份文本上的评分信度达到要求（见表2）。

3.2 STEM课程综合模式的内容分析

学科问题为本模式是以单一学科为主导，比较适合在正规课堂上进行;跨学科问题模式没有明确的主导科目，比较适合以独立专题形式进行，两种课程综合模式统计表如表3所示。

根据表3，以学科问题为本的样本数多于跨学科问题为本。中学阶段的STEM教学设计内容多聚焦于学科问题为中心的发散和联系，多以正式学科课堂作为实践平台。此外，理化学科的STEM教学设计数量较多，一方面说明物质科学领域拥有更多与数学工具、技术工具、工程视野的联系，另一方面也说明这两个学科关注STEM教学设计的教师更多。

物理和地理学科的STEM教学设计大都偏于以学科问题为本的课程综合模式，化学和生物学科涉及两种课程综合模式均有较为均衡的分布，例如生化综合、理化综合、化地综合、生地综合等。限于跨学科落脚点比较分散，本文未加统计，不过仍可以看出化学的学科中心地位。

另外，学科问题为本的课程综合模式中高中主题比例更大，而以跨学科问题为本的课程综合模式里初高中比例相差却没有那么悬殊。这种数据也证实在教学中，初中阶段各独立学科知识水平更容易为执教者发现STEM综合点，可以挖掘其联系性和问题性;而随着高中知识的深入，学科体系更加鲜明，学科教学中挖掘跨学科的STEM综合点也比较难。

3.3 STEM教学活动设计要素的内容分析

针对教学设计要素分学科进行分析编码，并进行频数分析，具体内容如表4所示。

大多数样本营造了问题情境，毕竟STEM学习凸显聚焦于真实问题的特征。化学学科设计最关注学科综合范围设定，这也和前文中提及的化学学科教学设计非常关注跨学科问题紧密联系。例如“探秘人体的呼吸”目标兼顾科学与工程学实践、学科核心知识、跨学科知识，并明确涉及化学之外的跨学科知识：物理学科的速度与气压、生物学科的呼吸和细胞里的化学物质变化、技术学科的模型制作、艺术学科的图表绘制、数学学科的速度计算以及语文学科的文本阅读。不过在多数STEM教学设计中，只含有学科目标，而缺乏跨学科目标。说明学科教师还是更多习惯从学科视角设定教学目标，而忽略了超越学科的视角。仅有18.0%的教学设计涉及“如何通过工程设计过程促进学科学习”，主要是因为科学学科背景的中学教师大多没有工程学背景，所以在教学设计时对该维度无法深入考虑、清晰表达;科学教师本身对工程学认识不足和工程学习经历的欠缺，也是目前基础教育阶段开展STEM教学的先天不足。评价环节仅有23篇教学设计涉及，正反映了目前的STEM教学实践在评价研究上的缺失。

3.4 STEM的主要教学策略的内容分析

研究样本在不同教学环节涉及的教学策略分学科进行频数分析见表5。

通过上述数据可以发现，研究样本几乎涵盖了每一个教学环节。界定问题、确定设计目标阶段，大多数样本运用了分析问题这一教学策略，体现STEM教学需要问题解决的思路。

项目研究环节，资料收集教学策略应用较广，表明STEM的项目设计离不开充分的信息积累;只有不超过四分之一的设计运用了认识相关产品、逆向工程等教学策略，这是学科教师的研究思维缺陷所在;几乎全部教学设计都运用了科学探究和教师讲授这一教学策略，前者是21世纪科学教学改革的趋势，后者则是中国教师的传统习惯。

构想及选择设计理念环节只有不超过一半比例的教学设计运用了发散思维、头脑风暴教学策略，其中均以化学学科最为关注这类策略，例如针对“净水器制作”开展头脑风暴，从小组到全班，由学习者产生大量的可能解决方案。设计及制作模型阶段，各学科运用策略比例均较少，主要限于化学和生物学科，例如用思维导图制作“饮料瓶制作流程”。可见学科教师常关注学科为本的教学习惯，尚未普遍具备用跨学科的思维设计教学策略的习惯。由于STEM教学的开放性，所以教学过程中难免会出现意想不到的突发问题，共有48篇教学设计考虑这一方面，着眼于分析问题以做到未雨绸缪。

中学科学学科教学对测试模型明显重视程度不够，表现在没有案例联系产品的商业运用进行消费品测试，也只有个别化学和生物案例进行公平测试教学。大多数教学设计在分析测试结果及作抉择阶段也没有考虑教学策略的运用，说明学科教师对这些环节的认识不够。

学科教师非常重视引导反思，这种教学策略有助于学习者对STEM学习成果进行批判性思考和深度理解。不过以成品方式展现STEM学习成果，还没有被广为接受，在一定程度上说明教师引导学生表达与创新的水平还有所欠缺。

3.5 STEM学习表现的评价方法的内容分析

研究样本中所体现的评价方法具体统计如表6所示。

根据表6数据分析可得，化学和生物学科在STEM教学设计中兼顾进展性和总结性两类评价方法，且方式多元化。但整体来看教学设计里关注进展性评价少于总结性评价，且过程性的“科学研究报告”最受教学设计者青睐——可能是基于项目的研究需要;但图形及模型设计、模型测试等方法没有得到充分重视——与之前对教学环节和教学策略的分析结果匹配。在总结性评价里，教师更加关注学习者的最终创作成果，纸笔测验明显不适合STEM教学设计对素养的评价导向，故应用最少。

4研究结论与建议

4.1研究結论

4.1.1

中学STEM教学设计作品学科性特色明显

STEM教学设计内容多聚焦于学科问题为中心的发散和联系，在此基础上应用数学、技术工具。相比较而言，化学和生物学科教师相对来说更关注跨学科问题。

4.1.2部分重要STEM教学策略应用缺失

STEM教学实践虽然基本环节全面，但是还存在诸多重要环节的缺失，如工程设计、模型建构与测试、方案绘图等。

4.1.3 STEM教学设计缺乏细致的评价机制

大多数中学科学STEM教学设计没有明确表示如何对学生的学习情况进行评价，少数关注评价的STEM教学设计选用的方法也较为单一，偏向于总结性评价，也更加没有提供明确的评价标准。

4.2建议

4.2.1教学设计革新需要教师跨学科交流和学习

中学STEM教学设计正在从学科问题为本模式向跨科问题为本模式过渡。目前高中课程跨学科STEM教学设计偏少，这并不意味着高中课程不能开展跨学科的STEM教学，相反，高中更需要STEM教学实现多学科融合的思维提升。主要是因为教师的专业背景分工过细，导致学科教师缺乏跨学科视野和相关的工程技术经历。许多学校在整合STEM学科方面还面临实际困难，例如时问安排、教师执教的技巧、不同课程要求和评价标准等。基于我国中学课程设置特点，学科教学设计中渗透STEM教育理念，实施学科为本问题的课程模式更具有现实意义，可以继续保持分科教学中的学科深度和知识体系;如果实施跨学科为本的模式，需要不同学科教师协分工合作设计跨学科的活动。从研究样本的作者来看，就鲜有跨学科教师的合作。跨科合作时，多学科教师需要具备明确的共同发展目标并理解其中价值，鼓励教师之间相互讨论、协作研究教材，甚至互相支持和鼓励，一同积极推动课堂研究。跨越学科的教师备课不限于科学各学科之间，还需要结合通用技术、信息技术与数学教师联合备课，对STEM课程进行详细、周密的协调和计划。

4.2.2 STEM教学策略需要强化产品意识、模型观念以及工程设计体验

STEM教学策略中的部分缺失，很大程度上源自大部分科学教师的学习背景缺少工程学习经历，课程环境也缺少充分的工程实践机会。工程设计的内容与科学课程进行融合，需要更新教学内容以配合科技发展，例如氢氧燃料电池不止于知道原理，而需要用实验室和家庭素材来制作简易电池——将教师单方面的实验创新改进转变为与师生共同探讨实验仪器或教具的开发或改造，以身边的“微型设计”渐渐转变为“科技前沿的工程模型”，实现由模仿向自主设计的转变;其次是加强科学过程技能的培养，尤其有关项目学习和问题解决的基本数据处理，包括通过分析数据和图表、运用符号、方程式、图表以及模型来表达观点;在教学设计中强化学习活动，让学生有機会通过手脑并用的活动，综合应用知识与技能，找出解决问题的方法并进行制作体现专题学习成果的成品或写作作品，在此过程中强化产品的创作和展现意识，例如做化学实验时，教师可以不要给学生填写知识填空式学习单，也不要规定实验报告的统一框架，而赋予更多的开放式记录和思考机会，不过在实验报告任务里增设一些情境计算及相应指导有助于发现实验数据中的规律，此外请学生在过程中注重拍照、录像，之后将这些素材剪辑整合运用在最终报告中。通过以上教学策略，需要学习者大量的个人思考、判断、设计，STEM的要素也自然融合其中。

4.2.3 STEM教学需要明确评价的阶段、评价数据的收集和分析

不同的STEM教学评价模式各有优劣，选择要考虑评价目的、情境和时问成本等因素。建议综合多种评价手段，给予学生多元化展现机会;其实学生项目成果本身就是最好的评价依据，关注项目成果有助于激发学生STEM学习动机，支持学习可持续发展，明确的活动成果更有助于增强STEM教学评价的指导和改进功能并使其显性化，不过成果的建构过程值得追踪，可以从多元化途径搜集评价数据，例如课堂观察、工作单或学习历程档案等都可以作为数据来源;评价的时机不仅在教学结束后，其实在教学实施过程中贯穿始终提供评价反馈，让大家知道自己的进展和问题。STEM教学过程需要提供充分机会让学生展示学的过程，以此实现进展性评价。

评价主体也需要多方参与，例如学生自评、同学互评再加上教师层面的评价;STEM教育具备高度跨学科特征，使得课程的教育目标呈现出跨学科性和综合性，要想真正评价STEM学习效果，亟需制定详实、科学的评价标准——将学生抽象的学习表现进行操作化定义和水平等级的划分。由于STEM教学评价的综合性和复杂性，在实施评价之前邀请行业专家检查评价细则并给予回馈;为了保证评价的公平和客观，还可以每次针对教学对象的同一份材料（例如纸笔测验同一道题、同一项问题的解决）进行评价，而不是一次性评价整个项目。