基于4C/ID模型的STEAM学科融合项目设计与案例分析

于佳音 李新晖

摘  要：国外在STEAM教育研究方面日趋成熟，我国在教育改革的道路上，不断尝试将优秀理念融入于我国的教育中。研究表明，将STEAM教育的跨学科融合理念融于现有学科课程体系，可以促进学生高阶思维能力的发展。本研究以基于整体设计方法的4C/ID模型为指导，构建基于STEAM理念的项目式教学设计模型，阐述了4C/ID模型的理论基础，在此基础上对基于STEAM理念的项目设计具体过程进行了探讨，并给出了以高中通用技术为载体的具体案例。

关键词：STEAM教育;项目式教学;4C/ID模型

Abstract：Foreign countries are becoming more and more mature in STEAM education research. On the road of education reform，our country constantly tries to integrate excellent ideas into our education. The research shows that integrating the idea of interdisciplinary integration of STEAM education into the existing curriculum system can promote the development of studentshigher-order thinking ability. Guided by the 4C/ID model based on the overall design method，this study constructs a project-based instructional design model based on STEAM concept，expounds the theoretical basis of the 4C/ID model，discusses the specific process of project design based on STEAM concept，and gives a specific case with high school general technology as the carrier.

Keywords：STEAM education;project-based teaching;4C/ID model

0  引  言

随着时代的发展，人类社会对未来社会变革、工作特征和人才质量规格进行了系统的思考，更注重用综合视角认识世界和解决复杂问题。STEAM教育作为美国培养未来社会创新人才、提升国家竞争力的战略选择，一直以来被国家高度重视。从2001年STEM作为专业术语第一次出现，再到2006年“艺术（Arts）”元素的加入，近年又有学者将其他学科与其整合形成了“STEM+”、STREAM等多种形式。无论是哪种形式，最终体现的核心思想理念是实现跨学科融合、提高知识综合应用效果。

通过调查发现，我国在STEAM教育的实践方面主要有几种途径，一是通过开设独立的STEAM课程，二是将STEAM理念融入于中小学的综合课程之中，多集中于中小学的科学课程与信息技术课程中，研究表明，以项目式开展教学是目前较为广泛的实施方式[1]。如何将复杂的项目细化为可有效帮助学生发展的学习任务，针对这一问题本研究借助基于整体设计方法的4C/ID模型来实现项目设计。4C/ID模型强调在真实情境下设计整体学习任务，能够为项目设计提供量尺和标准，本研究以通用技术课程中实施项目式STEAM课程为例，探索并设计以4C/ID模型为指导的项目式STEAM课程[2]。

1  基于整体设计方法的4C/ID模型

在整体论思想和方法的影响下，4C/ID模型由麦里恩伯尔教授主持研发，为了培养学习者具备应对实际工作中复杂问题的能力，教授研究并开发出了基于整体设计法的四要素教学设计模型，这是一种面向复杂学习任务的整体性教学设计模型，旨在帮助学习者解决生活和实践中复杂问题的一种教学设计方法[3]。

1.1  4C/ID模型的理论基础

（1）面向复杂学习理论。随着社会对学生的要求越来越高，学校中情境高度简单化的学习已经不能满足学生的职业发展要求。麦里恩伯尔认为复杂技能的学习不仅仅是简单技能的叠加，而是要协调各种基本技能，实现教学结果整体大于部分相加之和，因此他提出了基于整体性学习任务的四要素教学设计4C/ID模型，从而来实现复杂学习的教学设计模式。（2）聚焦真实情境，关注能力发展。培养学生在学习中形成各种能力是一个复杂的过程，需要通过源于生活或工作的整体任务来获得，应该培养学生在面对现实生活的时候处于主动的状态，4C/ID模型强调在情境中解决真实问题，从整体性出发培养学生的各方面能力[4]。（3）促进知识的整合与迁移。传统的教学设计难以实现理论与实践支持学生生活的迁移，很难将学到的知识整合为统一的知识结构，而4C/ID模型打破传统提倡的“整体大于部分之和”的概念，把復杂的内容和任务分解为简单技能要素，实现学生更高的能力目标和技能整合。

1.2  4C/ID模型的核心要素

通过4C/ID模型的理论基础，我们了解到该模型通过设计模型中的四要素使学生在学习过程中获得复杂的知识技能，在设计整体学习任务时，强调解决真实生活问题，鼓励学生获取过程性知识，注重认知能力在学习过程中的发展，这与STEAM教育理念恰好一致，如图1所示。

（1）学习任务。学习任务是4C/ID模型中最首要的核心要素，是一系列基于真实情境而设计的整体性任务，在具体设计时可以通过多个相关联的子任务从而获得整体任务所需的复杂认知技能，促进学习者认知图式的建构，减少学习者在学习过程中的焦虑心理和认知负荷，进一步促进知识与技能的有效迁移。（2）支持性信息。支持性信息主要是为复用技能提供信息支持，以推动图示的建造或重构，在学习过程中，学习者会涉及到已有认知与新的认知之间的冲突[5]，这个时候支持性信息就像一座桥梁，将学习者的已有知识和将要习得的知识联系起来，为学习者提供支持性信息，帮助学习者高效完成学习任务，实现知识与技能的迁移。（3）程序性信息。程序性信息是为重复性技能任务提供提示性的实时信息，它贯穿在每个具体的分任务学习中。它的作用是为学生完成学习任务的过程中提供指导的设计，向学生示范某一任务或解决某一问题的程序，也指明完成该任务或解决该问题所具备哪些知识，且在熟练程度增强的情况下程序性信息支持呈现减弱趋势。（4）部分任务练习。主要是为实现复用学习技能任务达到高度自动化而设计的练习任务，一般是在介绍了整体学习任务之后开始进行练习，因此需要为复用性技能提供相应的分任务练习，这样使学习者可以在一个富有意义的认识情景中开始其练习[6]。

2  基于4C/ID的STEAM教育项目模型设计

本研究试图以上述四要素教学设计4C/ID模型为指导，设计出如图2所示的STEAM教育的项目设计过程模型，以期为项目式STEAM教育课程设计提供一定的参考。该模型以“项目主题的确定”开始，直至“项目评价设计”结束，最终设计出具有可实施性、整合性的STEAM教育项目，在整体性思想的方法指导下，STEAM教育项目的实施使学生在解决真实问题过程中，高阶思维能力得到发展。模型中每一阶段都发挥着不同的作用，现以“桥梁建造”项目为例，根据图2模型中的各个步骤，完成在高中通用技术课堂的STEAM教育项目整体设计。

2.1  项目目标确定和主题选取阶段

在设计项目式STEAM课程时，目标的确定要根据学科的目标和STEAM素养设计目标，这就要求教师明确学科课程标准中的课程目标、内容标准等，并与相关的其他学科建立联系，从而选择和确定学习项目或活动围绕的主题并展开活动[7]。以“桥梁建造”项目为例，结合高中通用技术的课程标准确定学科大概念，并依据解决“如何建造稳定且能够抵御台风的桥梁结构”真实问题，形成了“概念建模”“工程”“我们如何探索”“科学探究”四个主题领域。

2.2  项目内容选择阶段

基于STEAM理念的项目设计内容选择来源于三个领域：学科领域、项目领域和综合生活领域，同时项目内容的设计要具有一定的挑战性和趣味性，保持重视学生的工程思维的培养，以期培养学生的高级思维能力[8]。如图3所示为“桥梁建造”的学科知识地图，以该图中桥梁所涉及的知识领域作为参考确定项目内容。

2.3  项目任务设计阶段

（1）学习任务。第一步是设计整体学习任务。在进行项目设计之前，首先要明确通过这次项目学习者可以从中学到什么，明确项目的价值所在[9];第二步是任务组排序。在确定了整体任务之后，将整体任务分解为任务组并排列分类，任务组的设计可采取简化性假设、建立知识级数方法，例如在“桥梁建造”项目中，学习任务可以聚焦桥梁的安全问题或稳定性问题;复杂的任务组比简单的任务组要求更细和更多的知识，建立知识级数的方法是通过建立模型级数。“桥梁建造”的项目任务设计如表1所示。（2）设计支持性信息。为了顺利完成“桥梁建造”的学习任务，为各个任务提供了大量的支持性信息，并将这些支持性信息贯穿于通用技术课程之中，如关于桥梁的案例讲解、有效的心智模式分析、认知反馈和学习者特征分析。（3）设计程序性信息。为了使学习者顺利完成任务，需要为学习者提供学习重复性技能的行为规范以及应用重复性技能的规则和标准。“桥梁建造”所需的程序性信息为每个任务组提供必要的支持，其中包括学习者必须掌握的项目流程说明，针对学生利用软件工具制作桥梁模型图的指导。（4）设计部分任务练习。为了确保学生对结构的理解以及涉及到的其他学科的知识能够顺利地迁移，最大程度地达到复用技能的自动化水平，在“桥梁建造”项目中，部分任务练习主要设计为模拟任务和测试任务，按照简单到复杂的顺序来安排，在每一个技能的习得之后立即设计相应的练习，促使其達到高度自动化。

2.4  项目评价设计阶段

项目评价设计应采用多元评价方式，评价的内容应该注重学科知识的迁移与应用能力[10]。本研究的项目评价采用过程性评价与总结性评价，评价方式包括教师评价、学生互评以及学生自评。“桥梁建造”这一项目制定评价指标体系对学生的STEAM素养进行评价[11]，评价学生在项目实施过程中STEAM技能的表现。学生在项目实施过程中和结束时根据实际情况填写评价表，主要是为了让学生能够对自己在课程中的表现进行反思，进一步认识自己，在反思中不断进步。

3  “桥梁建造”项目教学案例分析

“结构与设计”是苏教版《高中通用技术课程（必修二）》第一单元的内容，教材局限于对结构这一抽象知识的介绍，虽然教材中会有大量与生活结合的案例，但学生没有真正的实践操作使学生缺失感受生活中的结构本质。

本研究将STEAM理念融入于高中通用技术课程教学进行了案例分析——以F市的45名高一学生为研究对象，以项目式为教学方式，在高一通用技术课堂中实施，以“人人都是建筑师”为项目主题，项目的设计是以上述基于整体设计方法的4C/ID模型为指导，让学生动手制造可以抵御台风的桥梁，具体教学案例如表2所示。

“桥梁建造”不同于传统的教学方式，在学生了解结构相关知识后，转换学生的思路，尝试着利用自己学过的相关学科知识去解决身边出现的问题，学生会主动寻求所需知识，从工程师的角度思考桥梁建造的问题，按照工程设计的过程完成项目，这也是融入STEAM教育理念后的课程与传统通用技术课程之间最大的不同，以项目式开展教学，更能吸引学生参与到学习中，从而引导学生在解决问题中达成学习目标。

4  结  论

本研究初次将STEAM理念融入于高中阶段的通用技术课程中，项目式教学与4C/ID模型的核心思想都旨在提升学生有效迁移知识的能力，在项目实施过程中，避免机械记忆和重复练习，综合运用各学科知识，在创造性地解决问题的过程中发展自身能力。

在教学实践过程中还发现有一些问题存在，一是学生方面，由于项目式教学尚未在学校中实施过，学生的认知水平处于快速的发展阶段，在项目任务完成阶段，学生不能很好地理解，影响学习知识的内化与迁移;二是设计STEAM教育项目设计模型仍旧需要进一步细化，模型还是不具有普适性，在其他学科课堂中运用该模型还是具有一定的局限性;三是本研究的教学评价方面，评价部分应注重对于学生的STEAM素养进行全面的评价，由于研究样本、项目内容等原因，研究评价不够有力，项目的评价有效性仍需要进一步教学研究的考证。

参考文献：

[1] 彭敏，郭梦娇.STEAM教育的基本内涵与发展路径研究 [J].教育理论与实践，2018，38（25）：14-18.

[2] 刘丽丽.面向复杂学习的整体任务设计研究 [D].扬州：扬州大学，2010.

[3] 钱瑞河.面向复杂学习的高中化学教学设计 [D].济南：山东师范大学，2011.

[4] 蒋志辉，赵呈领，周凤伶，等.STEM教育背景下中小学生学习力培养策略研究 [J].中国电化教育，2017（2）：25-32+41.

[5] 孙琼玲，任翔.四要素教学设计模型（4C/ID）研究 [J].软件导刊，2011，10（7）：193-194.

[6] 张瑶.基于4C/ID模型的教学在初中英语课的应用研究 [D].银川：宁夏大学，2017.

[7] 袁磊，张昱昕.学科课程项目化：STEAM课程内容设计 [J].开放教育研究，2019，25（1）：92-98.

[8] 余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式 [J].开放教育研究，2015，21（4）：13-22.

[9] 黄桦.STEM教育深度融入科学课程教学的实践路径 [J].现代教育技术，2018，28（5）：121-126.

[10] 首新，胡卫平，王碧梅，等.基于文化—历史活动观的小学生项目式STEM学习模式探索 [J].中国电化教育，2017（2）：33-41.

[11] Mohd S E H，Lilia H，Sattar R M，etal. STEM Learning through Engineering Design：Impact on Middle Secondary StudentsInterest towards STEM [J].EURASIA Journal of Mathematics，Science and Technology Education，2016，13（5）：1189-1211.

作者简介：于佳音（1995.05-），女，汉族，吉林松原人，硕士研究生，研究方向：STEAM教育、创客教育。