大概念统领下美国STEM课程重构：在解决大挑战的过程中深化概念理解

摘要 

在以素养为目标的课堂转型下，美国STEM课程以发展学生的科学素养为目标，将科学概念置于目标的中心，即体现专家思维、反映专家实践的大概念。美国学界围绕大概念重构STEM课程，并将掌握科学概念以及与科学有关的大概念界定为K-12学生的必要能力。为了更好地让学生用跨学科的方法解决问题，在每个学习主题下提出以大概念为内核的StEMT大挑战。在大概念的统领下，美国STEM课程通过“5E”探究教学模式，整合STEM各科知识，促进知识在真实情境中的迁移。

1986年，美国国家科学委员会（NSB）在《本科的科学、数学和工程教育》报告中提出了针对科学、技术、工程和数学（STEM）的纲领性建议，STEM首次出现在教育视野中。2007年，美国国家科学基金会（NSF）将STEM正式作为教育术语使用^[1]，围绕STEM的课程构建逐渐成为全球关注的教育话题。然而在实践中，STEM课程有一种形式化的倾向，似乎只要科学、技术、工程和数学四门学科的知识同时出现在课程中，就可以称之为STEM课程。

米尔顿·霍林（Milton Huling）和杰姬·斯皮克·德怀尔（Jackie Speake Dwyer）从科学教育出发，重新探讨STEM教学。他们认为，STEM教学不仅仅是涉及1门或多门学科的教学，而是通过数学、技术和工程的整合应用来支持科学概念的学习。科学概念不仅仅是指传统意义上的科学学科概念，而是与提出问题并能够解决问题相关，实际上是一种“像科学家一样思考”的大概念（big idea）。大概念是指反映专家思维方式的概念、观念或论题，具有生活价值。^[2]学生在掌握大概念之后，能够在相似的生活情境中实现迁移和运用。理解大概念有助于达成高通路迁移，形成具体与抽象交错的复杂认知结构，通过跨学段、跨学科的学习，加深对科学概念的理解，最终解决以大概念为统领的大挑战。

一、用StEMT重新定义STEM

在STEM课程中往往需要完成作品、解决问题，教师和学生常常将大量的时间花费在制作过程中，忽略对问题解决过程的理解。^[3]技术作为解决问题的工具，将其融入问题的解决方案才具有实际意义。从这一观点出发，霍林和德怀尔用StEMT重新定义STEM，将科学与技术工具进行二次融合，提出融入技术工具（tools, t）的科学（St），加上工程（E）、数学（M）、技术（T）组成StEMT。在这个过程中，教师能够对科学和技术之间的差异形成更清晰的认知，即技术不是一门单独的学科或一种技能，而是与科学相融合、支持科学大概念学习的工具。

科学是StEMT课程的重心，学生只有在理解科学大概念的基础上，才能应用知识开发技术，生成问题的解决方案。在科学大概念的统领下，StEMT课程的重构为有效的科学教学进一步指明了方向，它不是一种简单的教学模型，而是一个概念框架，目的是将科学和数学与建构主义学习活动联系起来，让学生在提出问题和解决问题的过程中接受认知上的挑战，帮助教师有效地教授科学大概念。^[4]StEMT的出现使得STEM发生了从原理到应用的转变，这对美国STEM课程体系的重构和实施具有重要意义。

二、确立以大概念为内核的大挑战

StEMT围绕解决真实世界中的挑战以支持科学大概念的学习。因此，StEMT课程设计的第一步是确立以大概念为内核的大挑战。大挑战（grand challenges）指的是当地社区、国家层面或者全球范围内还未解决的问题，如节水或改善水质问题，发现预防、治疗脑疾病或损伤的新方法等。这些大挑战都是基于现实的，能够在StEMT和学生的真实生活之间建立相关性。这样，在解决大挑战的过程中，学生能够看到StEMT在解决与他们息息相关的重要问题上的价值。

大挑战是围绕相应的跨学科大概念和学科核心概念来开展的。StEMT课程设计中的大概念分为两类，一类是作为锚点支撑整体框架设计的跨学科大概念，另一类是统摄单元设计的学科核心概念。^[5]传统的STEM课程可能会用这样的问题来引导教学：“热量是如何影响水的存在形态的？”而StEMT课程的大挑战则是：“如何利用相变和物态的知识来为第三世界国家的人提供清洁的饮用水？”例如，针对水的三态（固态、液态、气态）这一学习主题，教师在课程的导入部分使用传统问题，当确认学生掌握了相关概念并准备好将先验知识应用到实际问题中时，就引入基于现实的StEMT大挑战。表1呈现了“清洁用水，造福地球”这一学习主题下的大挑战及其对应的跨学科大概念和学科核心概念。

表1   “清洁用水，造福地球”主题学习大挑战及大概念

值得注意的是，大挑战的提出并不局限于课堂教学，教师可以针对不同年龄的学生在不同学校、不同社区、课后或非正式的学习场景中将大挑战传达给学生。^[6]例如，在学前阶段，教师可以引导儿童提出一个问题，并作为参与者陪同儿童解决问题；在小学阶段，教师可以针对某一生活场景让学生设计一种机制或制作一种工具，如怎样防止接取热水时被烫伤；在中学阶段，高年级学生可以独立扮演工程师或科学家的角色，在教师提供的虚拟情境中为当地社区或环境提供解决方案。

三、通过“5E”探究解决大挑战

（一）“5E”教学模式的内涵

建构主义学习理论认为学生是在已有知识的基础上建构新的知识。^[7]在知识建构的过程中，采用符合学生学习规律的、基于研究的教学模式至关重要。在科学教育领域，探究一直以来是备受推崇的教学方式。“5E”教学模式就是一种典型的探究模式，由美国生物科学课程研究会（Biological Sciences Curriculum Study，BSCS）开发，被广泛应用于新课程材料研发和教师专业发展领域。“5E”教学模式由五个阶段组成（见图1），融合了探究性学习环境的各个方面：吸引学生参与；探究概念；让学生对正在学习的概念进行解释；实现概念和技能的迁移，让学生将所学知识应用于新的情境中；整个过程中，师生共同评价，以达到检验教育成效的目的。^[8]表2呈现了“5E”教学模式各个阶段的操作概要，教师可以据此对科学课程进行高效且有序的组织与教学。

图1   “5E”教学模式

表2   “5E”教学模式概要^[9]

（二）“5E”融合StEMT的实际应用

在霍林和德怀尔看来，将工程置于“5E”教学模式的迁移阶段是二者融合的基本前提（见图2），因为工程既不是一个独立的实体，也无法作为一门独立的学科，其存在的意义是为了支持科学概念的学习。

图2   StEMT与“5E”教学模式相融合^[10]

在“5E”教学模式下，学生解决大挑战是基于已知的科学概念，从引入阶段到迁移阶段，对科学概念的理解不断加深，最终形成解决真实问题的大概念。表3呈现了“水的净化”这一融入工程项目的课例。在引入阶段，教师提出科学问题“热量是如何影响水的状态的？”，以引导学生进行初步的探究。探究之后，教师根据探究结果对现象进行解释。在此阶段，学生能够获得基本的科学概念，即热量会影响水的状态，热量越高，水分子之间的间隙越大。接着，教师在“5E”教学模式的迁移环节中插入一个工程设计挑战，让学生使用跨学科的方法解决基于真实情景的大挑战问题——“如何利用相变和物态的知识来为第三世界国家的人提供清洁的饮用水？”。在此阶段，学生在解决大挑战的过程中不断积累“像科学家一样思考”的科学概念，即大概念，这些大概念将进一步促成问题的解决。

表3   “水的净化”工程项目^[11]

四、启示

综合以上美国在STEM课程重构方面的相关经验，从以下三个方面对我国学校STEM课程构建及教师教学提供一些启示。

（一） 深化科学概念并统领教学

美国STEM课程的设计在理念、目标、过程等方面始终贯穿大概念统领科学教育的宗旨，并配套相关的政策支持和理论依据。用科学概念统领教学，一方面要把握科学概念的内涵，即体现专家思维、反映专家实践的大概念，另一方面教学过程中学生除了需要理解关于自然界的科学概念，还应该知道这些用于解释科学的概念是如何得到的，因为概念本位并非为了概念而概念，概念获得的方式远比概念本身重要，其本质是通过概念实现知识整合并撬动学习方式的转变。^[12]

（二）以解决现实世界的大挑战为驱动

大概念统领下的STEM是以解决现实世界的大挑战为驱动，体现专家思维、反映专家实践的科学教学。在解决大挑战的过程中，学生面临的问题不再是浅表化的科学问题，而是针对当地社区、国家层面或者全球范围内还未解决的问题所提出的科学问题。这些问题使学生能够在理解基本科学概念的基础上，发展综合解决问题的能力。其目的不再是让学生学会书本上的科学知识，而是与真实生活之间建立相关性，认识到STEM解决与他们息息相关的问题的价值。

（三）基于真实性的“5E”探究开展教学

StEMT课程的实施采用了基于探究的“5E”教学模式，在传统的STEM课程中融入来自真实世界的工程与设计应用，以解决真实世界的大挑战为驱动，构建跨学科的探究学习项目，培养学生更上位的科学素养。从教学途径来看，要解决来自真实世界的大挑战，需要多个学科的交叉运用，整合的、跨学科的“5E”教学模式即是符合STEM教学需要的方式之一。要使“5E”教学模式与大概念统领下STEM教学完全匹配，还需对其整个过程进行设计。通过在“5E”教学模式中嵌入工程设计挑战，使工程与科学实现深度融合，可以更好地支持学生对科学概念的学习与理解。

参考文献：

[1]DUGGER W E. Evolution of STEM in the United States[R]. Queensland:Griffith University, 2010.

[2]刘徽.“大概念”视角下的单元整体教学构型——兼论素养导向的课堂变革[J]. 教育研究，2020(6):64-77.

[3][4][8][9][10][11]霍林，刘恩山. STEM课程如何设计 从StEMT理念到课例[M]. 北京:外语教学与研究出版社，2020：XIV,XV,17,18,19,22.

[5][12]刘登珲, 卞冰冰. 大概念统摄下的STEM课程一体化建构策略——STEM Road Map的实践与启示[J]. 全球教育展望，2020(4):101-111.

[6]TANENBAUM C, GRAY T, LEE K, et al. STEM 2026: a vision for innovation in STEM education[R]. Washington, DC：US Department of Education, 2016.

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

作者简介：曹琦、徐亚萱，浙江大学教育学院硕士研究生；刘徽，浙江大学教育学院副教授

来源：《世界教育信息》2023年第2期