上海中小学STEM课程整合模式分析

尹钰钿

（上海师范大学教育学院国际比较与教育研究院，上海 200030）

在知识与全球化经济的21世纪，社会对跨学科、创新性人才的需求与日俱增。各国因此相继进行课程改革，在此过程中，致力于学科知识的整合、培养复合型创新人才的STEM教育脱颖而出，受到各国的关注与亲睐。STEM教育是科学（Science）、技术（Technology）、工程（engineer）、数学（mathematics）的缩写，STEM教育不仅仅是这四门课程的简单组合，还是将这些学科有机的融合成一个整体，将各学科知识转变成探究事物之间相互的、不同联系的过程，培养出具有科学素养、技术素养、工程素养、数学素养的复合型创新人才。STEM教育始于美国，如今，芬兰、英国、澳大利亚、加拿大等多个国家各国陆续出台STEM相关学科的课程标准和相关文件，将STEM相关课程列入国家课程框架中。

1 STEM教育背景

1.1 STEM课程的理论基础

STEM教育以解决现实生活中的问题为核心，不仅重视学生对于STEM中每门课程的学科领域的理解和基础知识的掌握，更强调的是知识的综合运用，从而培养学生的问题解决能力、实践能力、系统思维能力、小组合作能力等，以此弥补了单科教学所带来的知识碎片化和脱离实际生活的问题。1986年美国国家科学委员会(NSB)发表的《本科的科学、数学和工程教育》报告中就提出“科学、数学、工程和技术教育集成”的纲领性建议，被视作是提倡STEM教育的开端。随着STEM理念的不断发展，其内涵不断被填充、扩大。为了弥补STEM教育过于理科的缺点，美国格雷特.亚克门（Georgette.Yakman）教授在STEM教育的基础上提出steam教育（science,technology, engineering, arts, and mathematics），在原有的学科中加入了人文（art）,希望在进行STEM教育过程中，加入对学生人文方面的的培养。并建构了steam教育的框架（如图1），框架提供了清晰完整的steam目标，即steam学习的终身性和连贯性，和具体的学科分类，为建构并改善STEM教育的实践提供了良好的支撑。

图1 （STEAM金字塔结构框架图）

1.2 我国STEM教育的政策背景

在注重学生的核心素养、创新能力的趋势下，为了着力提升青少年的科学素养、科学精神，培养具有创造力、有志于从事科研事业的人才，我国也清醒的意识到培养创新性人才的重要性。教育部2016年出台的《教育信息化“十三五”规划”》中明确指出有效利用信息技术推进“众创空间”建设，探索STEM教育、创客教育等新教育模式，使学生具有较强的信息意识与创新意识，养成数字化学习习惯，具备重视信息安全、遵守信息社会伦理道德与法律法规的素养。与此同时，我国《基础教育课程改革纲要（试行）》中指出：“要改变课程结构缺乏整合性和课程内容过于注重书本知识的现状，加强课程内容与学生生活和现代科技发展的联系，关注学生的学习兴趣和经验”。为了落实以上政策，上海市中小学纷纷开设STEM课程，对STEM教育进行了尝试。在上海市教委教研室进行的上海市中小学STEM教育教研报告结果显示，参与调查的99%的教师和校长广泛认可STEM教育的意义和价值，超过60%的学校在创新实验室或科学实验室实施STEM教育相关课程，具有实施STEM教育的环境和空间。本文以上海中小学实施的STEM课程为研究对象，对其整合模式和课程取向进行研究。

2 STEM课程的整合模式

在STEM课程实施中，往往以小组合作的形式进行。在笔者的研究中，根据课程整合载体的不同，笔者将目前的STEM课程的整合模式分为项目式或问题式整合、信息技术式整合、STEM课题共三种整合模式。根据教师在STEM教育应用中可以分为支架式和开放式，所谓的支架式就是由教师给定框架，包括目标和实现方式，然后由学习者在此基础上实施，而开放式则更多地由学习者自行提出目标并自行完成任务，需要学习者更多的主观能动性。 在前者整合模式的课程中，老师在课堂中往往起着支架式的作用，而最后一种课程中，更多的倾向于以学生为主体，由学生设计课程方案、确定研究方法、自行查找资料、推动STEM课题进程，遇到问题在学生自行思考解决无果的情况下寻求老师帮助。

2.1 项目式或问题式整合模式

项目式或问题式整合STEM课程往往是由自然现象或者学生普遍的生活经验引发，这个问题往往是在老师的启发下由学生自己提出来，问题式教学的目标是通过查阅资料、设计实验方案、实验探究、归纳等方法解决问题，得到问题的答案。在这个过程中，学生是课程的主体，老师担任启发者或者辅导者的角色，将学生带入问题情境中，启发、引导学生设计方案、纠正错误、在老师的辅助下共同完整问题的探究过程，得到答案。它的基本应用模式是：（1）展示问题情境或者由问题情境引出项目任务。问题情境往往有两种途径，一种是从自然现象中引发问题，另一种是从学生的共同的生活经验中引发。这样的问题情境往往由老师呈现，调动学生的已有经验，增强课堂的参与度。（2）明确问题，在问题情境下，老师的启发下，学生往往会产生疑问，自己提出问题，并在老师的帮助下将问题明确、清晰。（3）确定方案，往往由小组进行讨论，制定方案，老师在参与各小组的方案制定中进行评估、修改。这一过程中不仅仅是具体实验步骤的确定，还有组内人员职责的分配。（4）实施方案，按照既定的方案实施方案，在这一过程中，需要对实验数据进行记录，实验现象进行观察醒。（5）得出结论，在收集的实验数据或者观察到的实验现象的基础上，学生通过归纳总结得到解决问题的答案。（6）重现问题情境，得到答案之后，各小组通过实验重现引发问题的情境，在重现问题情境的操作中，进行现象原理的知识内化。

案例一：彩虹结晶糖

（1）问题情境：彩虹结晶糖在水中消失不见。（2）明确问题：彩虹结晶糖去哪了，为什么会不见？本课程从此问题出发。（3）制定方案：学生通过动手实验了解蔗糖在水中的溶解度，探讨温度、搅拌、水量等因素对蔗糖溶解的影响。并且安排组内成员在实验中的角色。（4）实施方案：小组按照制定好的方案，有序的进行实验。（5）得出结论：针对实验中的现象，归纳出一般结论。（6）重现问题情境：最后学生将亲手制作彩色结晶糖，在试验过程中体验蔗糖的溶解和结晶。

案例二：细菌作画

（1）确定项目：细菌作画（2）讲授相关知识：细菌怎么能作画，细菌要如何作画？此环节老师讲授细菌的正常条件，让学生了解菌落菌群的概念，并且对“作画”时的注意操作事项进行说明（3）制定方案：在此阶段，老师建议用划线法在培养皿上买呢接种细菌，通过接种不同颜色细菌使其并生长出特定形状进行艺术创作。（4）实施方案：学生按照具体的方案进行实地操作（5）项目成果评估：在班级的各个小组中对各组的“画作”进行评比，提升学生的自信心和成就感。2.2 STEM研究课题

STEM教育不仅仅是教会学生综合运用多领域知识的能力，更为重要的是掌握STEM思维的方法。而STEM课题就是为了培养这种思维方法而生，它的类型分为个人项目和团队项目，通常由学生自己提出课题，自主进行方案制定和探究、教师在此过程中只是一个指导者。STEM方法流程主要是生成研究主题、制定研究计划、了解研究背景、撰写研究方案、准备并开展实验、统计分析、解释数据、报告结果（如图2）。

图2 （STEM研究方法流程表）

以上海某校学生“将音乐转化为图像研究”的课题为例：（1）生成研究主题：该校的一名高中生基于聋哑人是如何感受音乐的疑问开始了本课题的研究，在采访多数聋哑人之后发现他们目前是通过伴随声音的震动来体会音乐的鼓点节奏，于是萌发了将音乐转化为图像这一想法，帮助聋哑人能更直观的感受到音乐旋律的艺术之美。确定了其研究主题—将音乐转化为图像的研究性实验。（2）制定研究计划：在老师的指导帮助下进行了研究方案的设计，确定了对应变量——音乐的音调高低、音量大小和节奏速度和图像的明亮度、纯度和冷暖色调。（3）进行主题的背景研究：确定变量之后，这位同学对这几个因素的背景知识研究，确定了音乐与颜色情感表达是有相通性、音乐与图像的量化关系能够成立。（4）撰写研究方案：根据背景知识和前期的设计思路完成研究方案的撰写。（5）准备并开展实验：该同学将田园交响曲作为采样标本，进行实验。并记录相关数据。（6）统计分析：对实验中收集的数据，实验过程和效果进行了数据分析和图像生成。（7）解释数据：通过对实际的聋哑人进行测试的结果中发现，该图像的准确率较高，证实这种研究的有效性是存在的。（8）撰写报告：将实验的写出科技论文，并且用展板呈现出来。

3 STEM课程整合的基本取向及其关系

根据我国学者余胜泉的论述，他认为在将多门独立学科知识联系整合有三种取向，分别是学科知识整合取向、生活经验整合取向和学习者中心整合取向。第一种是学科知识整合取向分析各学科最基本的学科知识结构，找到不同学科知识点之间的连接点与整合点，将分散的课程知识按跨学科的问题逻辑结构化。第二种是，将学术性的学科知识转化为可解决实际问题的生活性知识，基本做法是从儿童适应社会的角度选择典型项目进行结构化设计，让学习者在体验和完成项目的过程中，习得蕴含于项目之中的多学科知识与技能，或从改造和完善现有社会的角度，选择挑战性项目。第三种模式不强调由教师预设问题或项目，而由学习者个体或小组调查、发现问题。并且自己确定课题，主导项目，在这个过程中学习、运用多学科跨领域的知识完成创造。

课程实践中对这三种取向的STEM课程进行考察之后，发现他们三者之间呈现金字塔的关系，在低年级阶段往往是由老师确定STEM课程主题进行教授，这些多数是从学生的生活经验和自然现象出发、在设计好的教学的框架之下进行半开放式的教学。或者教材设计者在数学、科学等学科中进行学科知识整合，在一年级的数学学习中讲授二年级科学课程中要使用的概念或内容。而学习者中心整合往往出现在高年级学生中，学生在实际生活、社会经验中发现问题，并且确定要完善或者创造的设想或产品模型，后者的整合模式往往使用STEM研究方法进行思考、制作和创造。并且相较于前两种课程来说，学习者中心整合的SETM课程相对较少，并且大多数是学生做课题、得到成果的过程。

4 结束语

作为中国经济发达的直辖市，上海中小学已经陆续开展STEM课程时间，并且有些学校申请STEM课程建设专项资金、建设配套的STEM设施、引进国外高质量的STEM课程、集聚师资力量进行课程开发、开设校本STEM课程。上海中小学在积极尝试STEM课程实践的过程中，同时也面临着诸多困难。宏观上来说，STEM课程面临实施形式的争论、STEM课程教师的能力不足、小组之间的团队协作、课程时间不足、评价方法单一等问题，微观上来说，由于STEM课程更强调小组合作学习，这就容易出现小组成员置身事外，更有甚者，小组之间发生矛盾、引起争吵；并且精心整合的STEM课程如何在课堂实施中真正达到想要的效果，STEM课程实践中的宏观问题和微观问题仍然有待探索和研究。