美国小学STEM课程的目标定位、实施取向和评价方式研究——以《美国STEM课例设计(小学卷)》为例

文∣郭明眉 尚巧巧 李亚春 刘克

STEM教育侧重于多学科的整合，以注重创新实践能力培养的目标特点而广受关注。当前，各国都以不同方式展开了程度各异的STEM教育尝试与改革。然而，STEM课程的中国本土化依然存在一些困境，如缺乏相应的课程标准、教学模式和教学手段僵化与单一、可供参考的课程资源稀缺、与开发STEM课程的社会组织合作不密切、学校教师根本不知何为真正的STEM课程以及如何开展STEM课程等。由中国教育科学研究院与美国教育联合会共同商讨编撰而成的《美国STEM课例设计》，其内容不仅涵盖对美国教师的教学计划的翻译，还有美国教师共同备课后的成果产出，可谓美国小学STEM课程的典型案例，较为真实地反映了美国小学STEM课程的发展现状。本研究聚焦于《美国STEM课例设计(小学卷)》一书中的50篇具体课例，对美国小学STEM课程的目标定位、STEM课程实施取向以及STEM课程的评价方式进行定性分析。

一、美国小学STEM课程的目标定位分析

美国小学STEM课程在目标定位方面较为综合，涉及知识目标(构建较有特色的知识体系)、思维目标(侧重高阶思维能力的培养)和智力目标(侧重基于多元智能的创造力培养)等三个方面。

(一)美国小学STEM课程的知识体系分析

基于美国《下一代科学课程标准》中强调的学科核心概念、科学与工程实践、跨学科思维三个维度，美国小学STEM课程主要体现了以科学与工程实践为核心的整合知识体系。

1.整合科学家思维模式的知识体系

在美国小学STEM课程中，整合科学家的工作思维是其一大特色。如在“光和影”一课中，将光和影变化的现象与数学和科学学习结合起来，使得学生在有趣的探索中对影子的概念、物体与光源的距离和影子大小之间的关系加以理解和应用，此外，学会寻找这一变化现象的定量并控制相关变量，并学会记录数据，最终实现数学和科学学科的融合；在“火山喷发”一课中，要求学生通过发现醋和小苏打发生反应这一现象，发现科学规律并解释原理，而后将其应用于火山喷发的模型制作与模拟当中，使学生经历发现现象、揭示规律、应用实践的系列过程，整合化学、地理以及美术等学科知识以实现科学研究思维的转变；在“太阳科学家”一课中，借助能量和热学的知识教给学生对照实验的方法，使其体会合理运用工具、记录实验数据而得出科学结论的过程，由此整合数学、物理和地理学科，使得学生对于自然界有整体的认识，很好地体现了美国STEM课程构建以科学为核心整合知识体系的特点。

2.整合工程师思维模式的知识体系

工程师都是运用相同基本思路解决不同专业领域问题的人，通过提出问题、明确问题、制订方案、实施方案、发现问题、再明确问题、再改进方案即提出问题、再落实，依次循环往复，直到问题解决。如“防震高塔”一课中，让学生根据地震知识以及建筑物防震知识，在小组内合作并搭建隔震系统，在此基础上再设计并搭建防震高塔，体会工程循环设计的重要性，学生在一次次的优化中提升自己高塔的防震性能水平，构建起以工程为核心的整合物理、数学和地理的知识体系；在“纸飞机”一课中，学生自主学习纸飞机制作方法并写成制作文档，再与其他学生交换文档，根据不同的文档制作纸飞机，既锻炼了学生的动手操作与交流能力，也整合了工程、物理和写作的知识体系，锻炼了学生的工程思维；再以“桥梁悬臂”一课为例，通过学生对桥梁的悬臂结构的认识与搭建实践，体验设计、执行、反思与修正的工程设计的循环工作模式，让学生学会像工程师一样思考，将物理与数学知识学以致用，锻炼学生与他人交流的基本技能，让学生通过写作畅想下次搭建悬臂需要做出的改进，体现STEM课程以工程为核心并整合物理、数学与写作的知识体系。

(二)美国小学STEM课程的思维目标分析

1.Anderson等人修订的思维层级与高阶思维

美国小学STEM课程通常以低阶思维为基础，面向学生高阶思维能力的培养。Lorin Anderson等人提出了由低级到高级依次为记忆、理解、应用、分析、评价、创造的六种思维层级(如表1所示)。其中，低阶思维包括记忆、理解与应用，高阶思维包括分析、评价与创造。

表1 Anderson等人修订的思维层级

思维级别意义基本认知过程举例记忆从长时记忆中提取知识分辨、提取说出国徽的主要特征;选出正确的答案理解从教学信息中构建意义转换、比较、解释、示例、分类、汇总、推理用自己的话说出段落大意;对所学概念举例说明;预测数列下一个将出现的数字;解释锯子和植物形状的相似之处应用在给定的情境中运用某种程序执行、实作做两位数的除法;根据所学步骤,练习开车;根据所学步骤,进行叶绿体的显微镜观察分析将材料拆解成许多部分,并说明各部分与整体或目标的关系辨别、组织、归因一篇论文由几部分构成;找出一句话的语法结构是什么;判断故事中某个角色的动机评价在各种标准的基础上做判断检查、批判检查所学材料,评定有没有逻辑性;根据评价指标,评定材料是否符合标准;对材料的一些观点进行评判创造组合元素以产生新的整体,或重新组织各个元素以形成新的类型或结构产生(假设)、计划(设计)、构建(制作)提出科学假设,如快节奏音乐可以提高工作效率;设计科学研究计划,研究植物的向阳性;发明一种新产品

2.美国小学STEM课程案例体现的高阶思维培养特点

通过对各个概念的详细陈述、举例以及对美国小学STEM课程案例的进一步分析可知，美国小学STEM课程在以下四个方面体现出教育者对学生高阶思维的培养。

首先，高质量问题培养学生批判性思维。不管是导入、任务执行还是总结与反思阶段，案例都采取优化设计之后的高质量问题来激发学生的思维，有的问题旨在激发学生的学习兴趣，而有的则旨在让他们深入理解概念等，以便学生能够总结和反思，如“吊塔为什么能够吊起重物？吊起的重物有没有最大重量限制？你设计的悬臂在一段时间之后还能完好无损吗？”等。

其次，实施开放式项目管理来激发学生的发散性思维。如在制作音乐盒时，并不规定学生使用什么工具或材料，也不强制学生按照固定的步骤与方法，鼓励学生头脑风暴，开创式地完成任务，最终看谁制作得更加有创意。

再次，辨别现象、正确归因，锻炼实践操作与制作能力，培养学生科学家与工程师的思维。例如，在解决复杂问题时，学生应具备很强的观察能力，询问有关细微现象的问题，并在执行过程中不断改进、反复试错，迭代循环后达成预设目标，此过程中伴随反思、批判与创造等高阶思维。

最后，培养学生元认知能力并重视课程评价功能的发挥。通过分析、总结、反思等评价活动，能更好地使学生的知识和观念得以内化。尤其是在学生之间的情景交流过程中，如要求学生在任务完成后撰写实验报告并公开展示制作成果，接受其他学生的问询甚至质疑，此情景不仅可以使学生对执行过程更加严谨，而且能在与其他同学的思想碰撞中训练批判性思维并克服思维定式。

(三)美国小学STEM课程的智力目标分析

美国小学STEM课程旨在培养学生在解决问题时所表现出的创造力，在课程开发上表现出以下特征：第一，单元或课时设计多元化。STEM课程既可以作为独立的教学单位出现在学校课程当中，也可以是与其他学科相互配合而衍生出的STEM课程，让学生既学好其他学科知识，又充分地理解概念以做到实践创新。第二，跨学科性，这是STEM课程所表现出的突出特点。对多种能力进行融合时，很难都兼顾到，课程就此进行了很好的取舍，每个项目或主题培养的重点有所不同。第三，课程的统整性与主体的参与性。STEM课程是以“主题—项目—问题”为核心而展开的多学科知识统整，教师与学生作为课程的构成要素直接参与课程的开发，学生要学会提出各种值得研究的问题，教师将教学策略综合到项目的规划和实施过程中，通过与现实生活密切接触，帮助学生发展多种能力而后构思、验证、改进和创造一些东西，如模型、报告、工艺品或发明等。第四，评价多元性。STEM课程案例中设置好工作质量、知识和技能的标准，学生可以自由地使用各种形式与方法来展示他们在学习活动时的学习成果，对于构想、验证、完善与制造出的产品，只要学生能很好地讲出制作创意以及他们为其所做出的努力，展现出他们的高阶思维能力，就应得到肯定。切实考查学生解决实际问题的能力和实践创造能力，以评价促进学生发展。

二、STEM课程的实施取向分析

采用辛德尔等人的观点，对《美国STEM课例设计(小学卷)》(小学1—6年级的课程案例，每个年级8—10例)一书中50个美国小学STEM课程案例进行分析，得出以下结论。

首先，其课程实施不属于忠实取向。美国小学STEM课程主要是培养学生综合运用知识的实践操作能力、创新创造能力以及批判性思维，这就要求教师充分利用自己丰富的文化知识、教学实践、生活经验等对课程进行实施，充分利用教育机智抓住一切机会激发学生学习兴趣，刺激学生思维的改变并按照实际情况实时做出调整，尊重学生原有经验和发展心理，重视师生的平等交流，课程只要符合主题，使学生学习到相关的知识且锻炼了学生的相关能力，就可以根据具体的情境进行调整，所以美国小学STEM课程的实施显然不属于忠实取向。

其次，其课程也非单一的相互调适取向与创生取向，而是两者的综合。美国小学STEM课程的实施与具体的课程方案执行情境、师生实际参与的程度，以及教师的教育实践水平直接相关。持相互调试取向观点的人认为“知识不是一成不变的，会因社会的交互而发生动态变化，相应的课程计划也是动态的、交互发展的，课程设计者与课程实施者应根据具体情境的不同，对课程目标、课程内容和课程实施方法等进行调整”。持课程创生取向观点的人认为“课程是师生共创的教育经验，课程实施就是促进教师与学生体验经验、生成经验的过程，已有的课程计划、方案与策略等是整个创生过程可以选择的工具，它的实施是经过双边互动、生成与创造出新的经验”。如果教师在实施课程时做到充分发挥学生的主观能动性，教师与学生的个性都可得到理想化的发展与改变；运用具体案例激发学生思维，用措施与工具等保证创生的发生，契合高层次的创生取向；反之如果教师自身水平有限，没有营造良好的创生氛围，没有发挥师生的主体创造性，在锻炼学生的批判性思维与动手实践能力上没有体现出很好的优越性，课程实施只是为了方便教学而做出的对课程计划的简单协商与妥协，那STEM课程的实施就属于低层次的相互适应。

三、STEM课程的评价方式分析

美国小学STEM课程的评价方式在评价结果的形式、评价主体和评价目的三大类的特点表现如下。

1.从评价方法的角度，侧重采用定性和定量相结合的方式

定量评价方法一般采用数据统计的方法，如采用评价量表来进行记录、汇总等，从而表述评价结果，其效果客观、准确、简便、可操作。但STEM课程的实施是一个复杂而多变的过程，许多因素多变、实时生成，无法用特定的数据来衡量。定性评价可以采用语言对STEM课程中学生的情感态度、合作交流能力、学习技能和实践水平等进行深入描述，但其不够简洁、直观且易受评价者主观因素的影响。美国小学STEM课程评价采用两者相结合的方式，每个STEM课程案例都采用了率先出示评价量规的方式，其内容既包括定量的数据统计记录与汇总，也包括定性的活动气氛、学生之间配合程度、学生思维变化及其动手实践能力、讲解与展示等，如三年级案例“跨越河道——解决问题的多种思路”中的评价量规中的桥梁制作评价量规表，如表2所示。

2.从评价主体的角度，侧重民主评价

自我评价、教师评价和民主评价是按照评价主体分类的。其中，民主评价指课程评价的实施要由课程任务参与者来进行，是一种新型评价方式。不管是作为组织者、管理者的教师还是被评价的学生，都要按照客观公正的原则进行评价，学生的主体性与教师的主体性均不可忽视。民主评价方式结合了自我评价与教师评价的优点，使得评价更加科学与客观。美国小学STEM课程正是采用了这种民主的评价方式，教师是教学的主体，学生是学习的主体。在此课程中，教师为学生创设学习情境，激发学生学习理工科的兴趣，引导学生学习的方向，锻炼学生运用科学知识及创新、创造的能力，培养学生热爱科学、勇于钻研的价值观。学生在完成项目任务时均是以小组为单位进行，由于每个人拥有的能力不一样，小组协作可以发挥各个学生的优势，取长补短，相互学习，促进成长。在课程的任意环节，教师都有可能对执行过程以及科学现象进行提问，最大限度地开发学生的科学思维。这些问题是由美国STEM教师充分利用认知的深度等级工具构建的，等级不同，学生创作的作品和表现的行为都不同，依此检验学生对所学内容是否达到应有的认知水平和认知深度。课程任务结束后，案例通常运用总结和反思、全班讨论和小结、自评量表等方式由学生对自己与本小组的任务执行进行评价。

表2 桥梁制作评价量规表

项目1分2分3分桥梁跨度跨度小于30厘米跨度等于30厘米跨度大于30厘米桥梁自重重量最重重量居中重量最轻制作工艺制作工艺差制作工艺一般制作工艺较好团队分工合作没有分工合作,组员不清晰自己的角色有分工合作,但协作流畅性一般分工合理,协作流畅展示和讲解展示不清晰,讲解流畅性一般展示较完整,讲解较流畅对选择方案、设计和制作过程讲解清晰,对不同桥梁的特点进行了直观的分析和比较

表3 认知深度模型及对应的学生产品与行为

认知深度等级等级标题所使用的工具或产品可能的行为教师学生教师有效提问举例1回忆、记忆小测验,收集书签,作业本,展示说明,评论工作表,词汇测验,强调,标签,举例,社会交往知道,告知,展示,考试,提问,评价,论证,倾听,对比,检查响应,吸收,牢记,识别,描述,解释,翻译,论证,理解用图表表示科学概念或关系,描述一个地点或一个人的特征2技能、概念照片,展示,逆向工程,博客评论,插图,访谈,代码破译,博客反思,仿真表演,链接,调试方法,雕塑日记,配方测量,示范游记,思维导图,验证展示,给予观察,评估,组织,提问解决问题,呈现知识的应用,计算,汇编,阐释,构建,补充,完成(任务)描述一个具体事件的因果,通过给出的数据和条件解决问题3策略思维图表调查,辩论总结,电子数据表,数据库讨论小组,出版物清单,可动机械或类似装置,报告电影资料库摘要,评估动画指导,观察,分析,评估,分类,提供资源支撑,包容,提出问题,组织讨论,检测,辩论,提出问题,发现,计算,辨别,深度思考,评估,比较决策选择用细节和例子支持你的想法4扩展思维、发散思维电影项目,新游戏,报刊故事,新媒体产品协助,延伸,反思,分析,评估设计,规划,冒险,调整,创造,提议设计出回家的不同方案

3.从评价功能的角度，侧重诊断性评价和形成性评价

诊断性评价一般是在某些课程与教学活动开始之前所进行的预估性与测定性的评价。其目的是了解和掌握评价对象的基础和情况，为下一阶段工作做准备，为因材施教提供依据。形成性评价也叫过程评价，是在课程研制、教学过程和学习过程中，对课程编制、教师教学和学生学习的动态状况进行的系统性评价。其目的是及时了解活动进程的效果，及时反馈信息，以便及时修正、及时调节、及时强化。美国小学STEM课程评价采取的是诊断性评价与形成性评价相结合的方式。STEM课程作为一种以学生为主体的项目式学习课程，案例中教师扮演的角色是“引导者”。在活动进行前，学生需要在知识方面与心理情感方面都做好充足准备，否则学习时间不能被充分利用，学生的学习效果难以得到保障。在STEM课程中通常会采用诊断性评价对学生的学习准备情况加以了解，以便STEM教师实时调整教学以便达到更好的学习效果。如在“谁咬了我的柠檬蛋糕——感知世界的嗅觉”中，进行课程任务之前，教师都会对小组所做的准备、学习的兴趣进行评估，询问学生对气味的归类等。

STEM课程强调培养学生的科学家与工程师思维，着重培养学生的动手实践能力和创新精神，要想切实达到这种效果，就应从学习过程下手，这不是简单的总结性考核或事后评价能够做到的，况且STEM课程并不是要鉴定或甄选学生以选拔人才，而是要训练学生的思维，提高学生的探究兴趣，促进学生在STEM领域的发展，注重学生的开创性思维拓展以及各项能力提升。美国小学STEM案例中很好地利用了形成性评价，如在执行任务时，每个案例都会给出精心设计的评价量规，清晰地让学生知道在执行任务时应实现的目标或习得的技能。若能严格按照评价量规来执行任务，学生不管是在知识、方法还是情感上，甚至在最重要的动手实践与创造上都有实质性的进步。

四、总结

研究结果表明美国小学STEM课程特征在课程目标定位上构建以科学或工程作为核心的整合的知识体系，以训练学生的高阶思维为目标，激发学生的多面能力。课程实施取向根据具体的执行情境与师生参与的主体性程度以及教师的教育实践水平，分为层类属相互适应取向与创生取向。要求教师引领学生进行高阶思维的锻炼以及多面能力的充分发挥，教师在实施课程时也应做到充分发挥学生的主观能动性，教师与学生的个性都得到理想化的发展与变化。运用具体激发学生思维的问题、措施与工具等来保证创生的发生。在课程评价方式上，将诊断性评价、形成性评价相结合，定性与定量相结合，注重民主多元评价，如出示评价量规，学生之间就具体制作过程与产品互相评价，教师点评、学生以小组为单位总结汇报等。

五、建议

通过对美国小学STEM课程案例研究，对我国未来关于STEM课程的工作提出三点建议。首先，引进国外与筛选国内优秀STEM课程课堂实录，为一线教师的教学提供可视的参考，帮助教师进一步理解STEM教育与STEM课程，做好一线教师STEM理念的渗透工作。其次，着重进行案例设计与研究，加强在校实践力度，设计符合中国小学学情的STEM课程案例，包括课程学时、课频、目标、内容、组织与评价等系列要素。最后，有步骤、有计划、系统地促进STEM课程教师专业成长，研究国外是如何培养STEM课程教师，国内目前的STEM课程教师专业成长情况如何，国内STEM课程教师的培养前景以及如何培养等，为我国STEM教师教育建立本土化的发展体系。

本文系中国科协创新战略研究院“中小学数学和科学教育质量监测和基础条件分析”(2018jsxh1-3-3-3)的研究成果