以真实问题解决为载体的学科STEM教育，一般是基于项目或问题解决的学习，对挑战性任务的完成要经历发现、设计、创造的过程，是从学科核心概念、跨学科概念和科学与工程实践等方面来发展学生核心素养的。
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01
为了培养学生的沟通与合作、批判性思维、创新、自我管理等21世纪所需的能力，面对学科与STEM教育相结合的迫切需求，需依托项目或问题对学科STEM学习目标进行统整设计。教师需要了解丰富的社会热点问题，明确儿童生活经验、多学科知识及多样化学习方式，从中找到适切的真实问题，通过指向核心素养的真实问题解决，整合零散单一的学科知识、能力、品格和价值观等要求，形成结构化的素养目标体系，使学习目标具有一定的统整性和进阶性。
要将碎片化的知识技能进行统整，使学习目标指向核心素养培养。解决STEM学习中的真实问题，从多个方面对一个科学现象或者一项工程任务进行探索与思考，需要具备数学、科学、技术、工程、人文学科等具体学科或领域中的基本知识、基本技能、基本方法等，也需要具备相关学科或多学科交叉融合解决领域复杂性问题的思想方法，还需要具备解决超越具体学科或工作领域的真实问题的综合能力，更需要发展自主学习、自我调控、规则意识、尊重、合作、承担责任等核心素养。
统整的学习目标是核心素养的具体化，是学生在完成学科STEM学习的过程中应获得的学科核心素养的具体表现。它是教与学的“北斗星”，是组织学习内容和选择教学方法的依据，也是评价学生学习结果的依据。这不再是碎片化的、传统的以知识获得为目标的学习，它以学生为主体，统整学习内容、学习途径、学习行为及相应的行为水平。在统整的学习目标中，可以把具体的学习活动及学生将要经历的学习路径、将要构建的学科概念或创建的模型、将要形成的阶段性学习成果等进行有序说明。
以高一年级通用技术课中“宫灯设计与制作”项目为例，可以从学习目标中看到，教师从能设计、能加工、能组装、有感受四个方面对学生的能力素养进行了统整设计。
面向真实问题解决时，学习目标不仅需要统整，还要体现进阶性，对学生在某领域的核心概念理解和关键能力提升进行设计与规划。
从本质上讲，学习进阶就是一个关于学生认识发展的模型。学科STEM学习在真实问题解决过程中，会让学生经历科学与工程实践的多个典型活动，并在认识方式和关键能力上体现出不同时期、不同学习阶段发展水平的显著差异。比如，“开发与构建模型”是科学与工程实践活动之一，以科学建模能力中的“科学模型作为解释和预测的工具”维度的学习进阶为例（见表1-4），学生从只是意识到模型可作为一种描述手段，发展到知道模型的解释功能，再到能够通过多元表征和多种模型的分析来比较各模型间的优劣，最终发展到知道模型的预测功能，能够建立模型来思考世界的运作和现象的发生。
以学科STEM学习中一个常见的挑战性任务“设计制作一个净水器”为例，在小学、初中、高中都有实施案例。从下面的案例中，可以体会小学和初中学习目标的进阶性。
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从两个不同学段的案例中，可以看到明确的认识进阶和认识发展。从科学领域角度看，初中阶段要深入理解纯净物、混合物的概念，认识沉淀、过滤、吸附、蒸馏等常用净水方法的原理，并能够建立物质结构、性质与用途的关系。从技术领域角度看，初中阶段要能初步体会化学实验的基础知识和基本技能，运用电子技术进行净水器入水流速的控制，以及对水质多个指标进行检测的仪器使用。从工程领域的角度看，初中阶段从整体任务的系统分析、项目规划与管理等角度发展了工程思维，构建了工程产品或模型的评价角度，认识了测试数据分析对模型优化的指导价值。整体来看，初中阶段的案例提炼形成了“物质分离与提纯”的问题解决思路，发展了证据推理、科学思维、系统思维和创新意识等核心素养，加强了社会责任感和科学态度的培养。
设计学科STEM学习时，可以对科学与工程实践活动中不同学段的认识发展和表现期望进行描述，体现出不同学段学习目标的进阶性，让学生在经历不同学段同一主题的任务学习时具有一定的知识和经验基础，有明确的进阶路径，这有利于对素养发展进行评价；也可以针对本学段的学科STEM学习任务，依据学生的学习起点和经验，合理设计需要经历的学习阶段，与相关学科的知识、思想方法、核心概念建构进行整合，每个学习阶段之间是深入递进与拓宽延展的关系，学生完成一系列阶段性任务后达到预期学习目标。因此，基于学习进阶的学科STEM学习设计，有利于教学中精准判断学生的学习进程，快速决策采用适切的教学策略，调整选择学习资源与支架来支持学习，引领学生个性化发展。
统整和进阶的学习目标，是学科教学融入STEM教育的灵魂。
02
陷于碎片化知识的课时教学，不利于学生对学科的结构化认知，更不利于培养可迁移的问题解决能力。因此，在学科教学中融入STEM教育，在系统思维下重组学习内容，是符合认知规律、支持学生主动学习、实现学习进阶的有效方式。
在进行融合时，需围绕一个“中心”来组织学习内容。从STEM教育特征来看，这个“中心”一般是一个真实问题、一个挑战性任务，通常是在项目或核心问题下，发展科学与工程实践能力；在这个项目或核心大问题中，蕴含着跨学科概念或者学科核心概念，它们以意义的联结为线索，在解释较大范围的现象、完成具体项目任务的过程中逐步形成和建构。
在完成这个项目或者核心问题的过程中，重组后的学习内容应该能承载新的概念、原理或规律的建构，能与学生的已有经验、已有知识进行关联，能发展学生的问题解决能力，能促进认知升华，利于价值观养成。这样的学习内容，密切联系学生自身生活和社会生活实际，超越学科的逻辑和知识结构，有利于开展跨学科学习。不过，其学科知识结构化的过程和模式可能与以往不同，会打破原有的学科内部体系。
在STEM相关的学科中，凡是与社会生产生活密切相关的、与科学发展史以及科技前沿相关的现象和问题，一般都蕴藏着能促进学生知识和能力提升、学科思维方式建构的挑战性任务，包含着连续的实践活动，能够转化为适切的学习活动。这些学习内容，可以设计转化为合适的情境，如果有体现工程思维的素材，则更适合用来作为学科STEM学习内容。
选择学习内容之后重组学习内容更为关键。学科具体单元通常都有能跟真实问题相关联的点，秉持用大概念、大思路、大情境、大问题发展学生学科核心素养的基本原则，这四个方向是学习内容重组的灵魂。
进行学习内容重组时，基于大情境聚焦大问题，跟前文所述的真实问题、挑战性任务是一致的：根据大问题解决的步骤进行拆解，将其分解为一个个具体的小问题，用拆解出来的问题线索对学习内容从顺序上、逻辑上进行重组，把小问题的解决与每一个具体知识的学习、探究以及思维活动相关联，对重组后的知识技能、思想方法等重新进行结构化。
选择与重组学习内容，是从整体与部分来认识和把握大情境下大问题解决的系统思维过程，是外显学生问题解决思路的过程，是深刻理解学科核心概念、构建跨学科概念的过程，是依序有效建构或重构学生知识结构的过程，是促进学生高阶思维发展的过程。
以初中物理“机械和功”主题学习为例。这一章涉及前面所学的力和功的知识，具有一定的综合性：一方面，要从力的角度认识简单机械；另一方面，还要从功的角度认识简单机械。本章涉及的概念有简单机械中的杠杆、滑轮和机械效率，涉及的物理规律有杠杆的平衡条件、功的原理等。通过本章学习，学生应学会正确、合理地使用机械，从而达到根据需要改变力的大小和方向的目的；并能从生活和生产实际出发，选择不同的机械，达到省力或方便的目的。
“机械和功”初三复习课的设计可以以学科STEM学习的形式进行。比如，设计一个挑战性任务“打捞落入枯井中的黄牛”，选择全章内容进行整合重构，以问题解决路径依序重新规划以下学习内容：简单机械的种类及使用特点；杠杆、滑轮和轮轴等简单机械的使用原理；判断机械功、功率、机械效率的大小；分析起重机工作过程中提高机械效率的途径。通过自主选择工具、设计方案、制作模型、科学论证，学生重新建构本章物理概念之间的关系。另外，学生通过学科STEM学习可以实践系统的科学调查和工程设计过程，在实践中养成反思与评估的习惯。
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