围绕“大概念”设计STEM课程

叶兆宁 周建中 杨元魁

编者按：随着信息技术的迅猛发展，人们越来越认识到科学素养、创新思维、科学态度与精神是21世纪人才所必备的素质，因而迫切需要与之相适应的以创新人才培养为本质的教育理念与方法。STEM教育顺应了这一时代要求，在众多孤立的学科中建立一个新的桥梁，为学生提供整体认识世界的机会，培养其综合解决问题的能力，促进其创新和批判性思维能力的提升。

本刊将陆续刊发系列文章，结合我国近年来STEM教育的研究与实践，围绕STEM教育中的核心问题，从课程设计、教师专业发展、教学模式、评价策略等方面展开研讨与分析，并运用教学实例说明如何通过STEM教育提升学生的综合素质。

英国科学教育学者Wynne Harlen在《科学教育的原则与大概念》中指出，能够用于解释和预测较大范围自然界现象的概念被定义为大概念（big ideas），她认为K-12年级学生应该掌握基本的科学概念以及与科学有关的概念。[1]随着美国《新一代科学教育标准》（2013年）的颁布与实施，围绕“大概念”开展科学教育以及将工程教育与科学教育结合成为国际科学教育的前沿和新理念。

“大概念”与STEM教育的关联

STEM教育并非简单地将科学与工程组合，而是将学生学到的零碎知识与机械过程转变成一个探究世界相互之间联系的不同侧面的过程。随着STEM教育的发展，“集成式STEM”（Integrated STEM）的概念逐渐明晰，它更加强调在STEM教育中四个领域之间有目的、有方法、有系统的整合。“集成式STEM”课程关注STEM素养、21世纪技能、STEM的工作愿景、兴趣和参与性、连接STEM学科的能力等五个方面。[2]通过STEM素养和21世纪技能两项目标的达成，培养学生三个方面的基本素养：（1）理解科学、技术、工程和数学对当代社会的重要意义；（2）至少熟悉每个领域涉及的基本概念，并能较为熟练地运用这些概念与原理；（3）发展学生的认知（批判思维、创造性）、人际交往（沟通、合作）和个性特征（灵活性、主动性、元认知）等。

着眼于STEM教育的目标，不难发现“大概念”与STEM教育之间有如下关联：

首先，STEM素养的培养是STEM教育的首要目标，其中每个领域的素养都涉及学生对该领域的核心概念，即对大概念的理解和掌握。因此，“大概念”是STEM教育的重要目标之一。

其次，STEM教育倡导科学、技术、工程与数学四个领域的集成与融合，各个领域的认识基础是融合的关键。STEM教育给学生提供了发现问题和解决问题的机会，在解决问题的过程中学生需要将已学到的知识和技能用于实际，仅靠记忆而非理解不能帮助学生迁移和运用知识与技能，因而理解“大概念”成为STEM教育的必然要求。

再次，“连接STEM学科的能力”是学生跨学科的基本能力，具体包括：识别和运用一些在不同学科领域中具有不同含义和用处的概念；在STEM实践中使用不同学科的知识；通过在两个或更多学科间的连接，解决一个问题或完成一个项目；当一个概念或实践以综合的方式展现时，能够识别各个领域的内容；利用学科知识支持关联的学习经验，并知道在何时使用。

可见，STEM教育的本质是在众多孤立的学科中建立一个新的桥梁，从而为学生提供整体认识世界的机会。建立跨学科的联系并不容易，如果没有单一学科基础的核心认知，没有整体的把握，较难提升连接STEM学科的能力。因此，只有习得“大概念”，才能具备培养“连接STEM学科能力”的基础。

“大概念”下的STEM课程设计

STEM教育通过创设多维的课程空间，为学生提供一系列具有一定程度关联性的学习经历，既要求学生学习每个领域的知识和技能，也要求学生学习如何将这些知识和技能融会贯通到其他领域中，或者将一个领域的方法和技能用于解决另一个领域的问题，从而实现跨学科、跨领域人才培养。因此，STEM课程更强调以学习者为中心，强调学习经历和结果的开放性，强调对学生设计能力和解决问题能力的培养。[3]

由于STEM教育的目标是多方面、多层次、跨领域的，课程的开发与实践比单一学科课程困难很多，在STEM教育中围绕“大概念”设计课程成为实现各领域融合的重要方法。

1.“大概念”有哪些？

对“大概念”具体内容的解读须从STEM素养开始。虽然至今学者们仍没有对STEM素养有一个统一的定义，但至少可借鉴相关各个领域对学科素养的界定。

以科学领域为例，美国《新一代科学教育标准》、我国《小学科学课程标准》、国际科学院联盟《科学教育的原则和大概念》中都给出了学生需要理解和掌握的科学学科领域的“大概念”，虽然在分类和描述上略有不同（见表1），但其本质是相近和可参考的，都围绕“物质”“力的作用与运动”“能量”三个方面展开。

2.“大概念”下的课程设计是怎样的？

有了“大概念”的指导，课程设计该如何围绕“大概念”开展呢？根据STEM活动中基于任务和项目的学习，开展课程教学设计的过程中，在“問题引入”“知识建构”和“问题解决”等环节都需要对“大概念”进行考察与分析，以确保课程能沿着“大概念”的指向和学生发展的有效路径前进。

问题引入——大概念的初现。课程的问题引入，旨在体现课程与实际生活的关联，选取日常生活中学生常见的生活问题或工程上的实际问题创设具体的任务或项目。由于实际问题具有复杂性，用单一学科知识难以解决，这为STEM学习提供了可能。通过对这些任务或项目的分析，学生可以了解与之相关联的科学、技术和数学等领域的各类问题，并思考如何将这些问题连接起来。其实，在这些问题的背后隐藏着各个领域的“大概念”。

在设计问题引人时，课程设计者应密切联系STEM课程的教学目标以及“大概念”的选择，要考虑以下问题：课程内容在科学、技术、工程与数学各领域需要达到的目标有哪些，尤其是科学与数学两方面需要学生理解和运用的概念有哪些，它们分别指向哪些“大概念”怎样的实际问题情境能够与这些“大概念”相联系，或这些“大概念”需要创设怎样的实际问题情境。

知识建构——围绕大概念开展教学。知识建构是STEM课程中的探究活动集，旨在帮助学生学习和积累解决问题所需要的知识与技能。有了问题引人的基础，教师已可以充分了解学生需要掌握的概念和技能有哪些，学生的基础怎样。这时，教学要以完成相关任务为基础，通过互相联系的探究活动和技能训练帮助学生逐一解决具体问题，帮助学生理解与完成任务相关的科学、技术和数学方面的知识与技能，并学会如何在解决问题中运用这些知识与技能。因此，探究活动需要围绕活动所涉及的“大概念”进行，促进学生将情境中的具体现象与研究结果上升为科学概念，再从小概念上升为大概念，最后获得将大概念运用于解决实际问题的方法。

这部分的教与学并不容易，教师需要通过形成性评价了解学生的基础，并在学生原有的基础上选择和实施探究活动。在这些问题的导引下，学生很自然地了解学习的目的在于解决问题，由此激发其学习动机。

这时的课程设计需要考虑：学生可以通过怎样的探究活动学习这些科学、技术与数学的概念；这些科学、技术与数学的概念能帮助学生解决哪些实际问题以及哪些与课程情境相关的实际问题。

问题解决——运用概念与原理。问题解决的重点在于帮助学生在知识建构与经验积累的基础上，尝试运用工程设计的方法与环节解决在问题引人环节提出的问题。这是学生将已经建构好的知识运用到实际问题的良好契机，并通过工程设计模式培养学生的工程素养。

课程设计需要考虑：学生已经建构的科学概念和技能可以怎样被运用到解决问题或工程设计的过程中；在学生交流、质疑、反思时，教师该如何引导学生对“大概念”进行思考。

如何将工程设计中问题解决的过程与知识建构中科学探究的过程有机结合在统一的课程设计之中，在围绕“大概念”的设计与教学中显得尤为突出和重要，且能自然而然产生。问题提出和知识建构可以帮助学生思考、理解解决一个真实问题需要具备哪些学科知识，并开展真实的学习。学习产生的知识基础和经验，将帮助学生重新思考需要解决的问题和如何设计解决方案，促使学生在解决问题的环节自主完成学科知识的学习和运用，以达成STEM教育的整体目标。

STEM课程实例——“LED可穿戴产品”

将电学的基本知识与实际产品设计结合而形成的教学模块“LED可穿戴产品”是一个为小学生设计的基于“大概念”的STEM课程，以“设计参加‘六一表演秀时需要的会发光、可穿戴在身上的产品”为任务。该教学模块涉及科学、技术、工程与数学四个方面的教学目标（见表2）。

由表2可见，该课程涉及电学与电路、材料与工具的选择和使用、工程设计过程、数字计算等大概念。课程由若干科学探究活动与工程实践活动组成，如活动“认识身边的电光源”和“水果电池”帮助学生了解光源与电源；活动“你能点亮它吗”“灯的亮度可调吗”围绕简单电路和串并联电路展开；活动“能做决定的电路”则引导学生研究复合电路。由表3可见，这些概念的学习、理解和运用贯穿在整个学习过程中，无论是教师的“教”还是学生的“学”，都是围绕“大概念”能量中的电能问题进行。

在“LED可穿戴产品”教学过程中，“问题提出”部分帮助学生了解各种各样发光的可穿戴产品，使学生认识到可以用电学器材和原理完成任务。

“知识建构”部分涉及光源、电源、简单电路、串并联电路、光与颜色、复合电路设计等内容，涉及基本电学和电路技术的知识建构，围绕电学的“大概念”开展教学，通过科学探究的方法进行学习。

“解决问题”部分帮助学生回到最初提出的工程问题上。在建立了基本的科学与技术知识之后，帮助学生重新思考和设计、绘制设计图、依据设计图制作产品、测试和改进产品，最后展示产品并进行交流。该部分体现了工程过程的基本要点，促进学生学习与工程设计相关的知识并解决实际问题，达成对工程设计基本概念的理解。

综上所述，STEM课程如何设计与实施是一个更为重要、更加实际的教育问题。通过近年来对STEM课程的研究与实践，笔者发现开展STEM教育与课程设计时需要基于“大概念”，而且要充分考虑“大概念”对教育和课程的指向作用。同时，由于探究活动与工程设计活动组成的课程体系较大，所需要的课时较长，对教师的要求也相对较高，需要教師根据学生的实际水平进行灵活的调整。

注释：

[1]Wynne，H.（2010）.Principles and Big Ideas of Science Education . Ashford Colour Press Ltd.

[2]Margarent，H.，GregP .，&Heidi;，S.（2014）.STEM Integrated in K-12 Education：Status，Prospects，and an Agenda for Research. Washington，DC：The National Academies Press.

[3]钟柏昌、张丽芳.美国STEM教育变革中“变革方程”的作用及其启示.中国电化教育，2014，4（327）：18-24