走向大观念导向的STEM课程设计

邵朝友

摘   要： 文献研究显示，大观念是种高阶的统整性知识，集中体现课程特质的思想或看法，有助于促进学习迁移与设计连续聚焦一致的课程，能解决当前STEM课程设计中学习肤浅化的问题。大观念至STEM课程要素的转化主要体现在它向目标、学习、评价的转化。在目标方面，需要明确课程主题，确定大观念，明晰大观念与学习目标的关系，规范叙写学习目标;在学习方面，需要设计真实问题情境，强调各门学科知识的应用并凸显工程设计与技术应用，结合适当的学习方法;在评价方面，需要重点考虑评价类型、设计原则、评价工具。

关键词： 课程设计;课程整合;STEM;大观念

一、引言

STEM是当前国际课程发展的一个热词，主要是回应一个关键问题，即在知识经济背景下需要怎样的教育目标以提高全球竞争力。在很大程度上，这样的教育目标试图培养学生高阶综合的科技素养，STEM课程的初衷就是作为课程整合的形态来落实这一目标。为落实这样的课程目标，作为课程整合体现的STEM课程内在地要求统整性的学习。然而，实际的课程整合情况并不如意，远远不能实现原先的意图。研究显示，在STEM教学中，技术与工程内容只是非常粗略地并入相关数学与科学的课程标准;尽管工程与科学、技术似乎天然地具有融合趋势，但实际上数学、科学、技术、工程还是各自为政。1

为解决课程统整问题，人们试图加强STEM课程的整合力度，尤其是把这种整合体现于课程设计。为此，一些研究探讨了不同课程整合的类型与水平。有研究指出，STEM课程存有四种整合水平：学科独立形态，即四门学科的概念和技能孤立地被学生习得;多学科形态，即用一个共同主题来习得四门学科的概念与和技能;跨学科形态，即学生学习紧密关联的两门或以上学科的概念和技能;超学科形态，即学生通过真实问题或项目学习两门或以上学科的知识与技能。2 四种课程整合水平为设计统整性STEM课程提供了视角，进一步促成了跨学科与超学科形态的STEM课程。

近年来，为了促进深度学习，国际上许多研究纷纷以大观念/大概念（big ideas）为抓手，深化STEM课程的统整力度。然而，STEM课程设计为何引入大观念？大观念又如何转化为STEM课程要素？这两个根本而重要的问题并未得到深入的探讨。就此，围绕这两个问题，本文将“STEM”“Big Ideas”作为关键词或主题词进行检索，截至2020年8月16日检索了SAGE、JSTOR、Springer Link、ProQuest、ERIC、Google Scholar、CNKI等数据库。收集到论文与书籍后，阅读标题、关键词和摘要，删除有关STEM教师教育、STEM政策与改革等文献，进而泛读余下的文献，确定了29份主要文献，最后基于这些英文文献与事先确定的4份中文文献展开相关探讨。

二、STEM课程设计为何引入大观念：基于已有研究的价值分析

1.何谓大观念

60多年前，布鲁纳（J.S.Bruner）发动了学科结构运动，该运动假定“任何学科都拥有一个基本结构”。所谓学科结构，就是学科概念形成相互关联的有意义整体，课程教学的关键在于掌握这些学科概念。例如，“交换、分配、结合”是代数的三个基本要素，可以围绕这些核心概念开展课程设计，在不同的年段重现这些概念。这些概念有助于设计连续聚焦一致的课程，因为一旦学生掌握了它们，可把它们应用于诸多情境。1 1964年，在课程设计中，菲尼克斯（P.Phenix）曾提出“代表性概念”的重要性。他指出，如果可用这些概念代表一门学科，那么理解它们意味着获得整门学科知识;如果按照某些模式组织一门学科知识，那么理解这些模式，可使得符合学科设计的特定要素变得清晰。2 显然，这些代表性概念能聚焦于核心概念的学习，促进深度学习的发生，极大地减轻学习负担。在知识爆炸时代，我们需要这种“少即是多”的课程设计思路，更需要让学生掌握一些如大观念这样更为根本的知识。

1998年，埃里克森（H.L.Erickson）明确指出大观念是一种抽象概括，是深层次、可迁移的观念;表述了概念之间的关系;具有概括性、抽象性、永恒性、普遍性的特征。3 2010年，哈伦（W.Harlen）等人编著了具有广泛影响的《科學教育的原则与大概念》，书中提出14项科学教育的大概念（即大观念）。该书指出，大观念乃相对概念，要成为一个大观念，需要满足如下条件：能普遍地被运用;能通过不同内容展开，可根据兴趣、意愿、关联度来选择内容;可运用于新情境，使得学习者更好地理解他们一生中可能会遇到的事件和情况。4

大观念可以存在于某一门学科，也可超越学科。在STEM教育中，大观念意指把四门学科的理解连贯成整体的关键观念或思想。5 这样的观念对于我们理解跨越多个领域的STEM教育甚为重要，因为它指出了STEM课程的统整性特征。在STEM教育中，按整合程度看，大观念可划分为学科大观念（within-discipline big ideas）、跨学科大观念（cross-discipline big ideas）、超学科大观念（encompassing big ideas）。学科大观念是指某门学科的大观念，包括相对宏观的课程开发与微观的单元或主题教学的层面，当它在其他学科背景中应用时，能扩展学科知识于其他领域的问题6，提升学生概念性理解、兴趣与动机，促进知识迁移。跨学科大观念（如变量、推理与论证）是联结两门及以上学科共有的内容或思想，它为教育者实施STEM课程设计提供有意义的概念框架1，指出不同学科之间的相关性并提升教学的质量。2 超学科大观念是建立于两门或以上学科诸多大观念之上的，为学生提供重要的研究问题，促进学生联结不同学科，理解不同学科背景下它所体现出的差异，还能促进学生对学习问题开展多层次的深度调查。3

由此可见，在范围上，大观念主要指适用于较大范围的思想/看法/概念/观念，不仅可用于传统学科课程，也可用于STEM课程;在类型上，大观念划分为学科大观念、跨学科大观念、超学科大观念;在性质上，大观念具有一般概念所具有的概括性、抽象性、普遍性、永恒性;在地位上，大观念居于课程中心，集中体现课程特质的概念或观念、思想或看法;在功能上，大观念使得课程设计更为连续聚焦一致，促进学习迁移的发生。4

2.大观念对于STEM课程设计的价值

大观念内在地对课程设计提出整合诉求，能加深学习的深度。大观念包含丰富的课程内容，能汇聚许多碎片化知识，理解与应用大观念构成了课程主要目标。这对学生学习提出一个要求，即进行知识的综合应用，而不是识记大量的信息。反映在教学设计上，这要求教师统整地设计大问题、大任务，以便形成相应统整性学习目标。因此，大观念内在地要求课程进行整合设计，学生理解与应用大观念意味着学习目标的落实，深度学习的发生。

大观念对学习具有重大的促进作用，已得到广泛的研究支持。许多源于建构主义的教学方法都非常重视大观念的作用，其中一个原则是教师围绕大观念而不是碎片化信息设计教学5，这往往先让学生了解学习内容的整体，然后再帮助他们理解学习内容的各个部分。学习发展理论在认识论层面也支持大观念与STEM教育融合，有关数学学习的研究提供了相关的证据。例如，一些数学教育研究强调数学的结构化，认为大观念处于数学中心位置，是数学思想组织者。大观念在学生数学学习发展旅途上扮演着关键角色，它不仅与数学结构深度关联，而且体现于学习者所建立起的数学推理、逻辑、关系之中。6此外，哈伦认为，为了理解STEM的本质和课程，需要培养学生用大观念进行思考的思维习惯和思考方式。7 科学具有不同的面向，不仅要求学生理解科学活动，还要理解引发如此活动的思想或观念。大观念就是这样的思想或观念，它们在课程中发挥纲领性作用，如技术与工程教育中需要重点落实系统思维，支持团队工作等大观念。

大观念能消除课程知识的广度与深度之间的矛盾，为此提供可行的抓手。一直以来，课程覆盖面和课程深度之间存有紧张关系8，人们发现，在课程实施时间不变的情况下，如果覆盖面太广，就会削弱课程的深度，而课程深度加深，则会窄化课程的覆盖面。应该说，这种矛盾源于一种传统的线性、孤立的课程实施方式，当教师面临这样问题时，他们往往首先考虑如何使用有限的宝贵时间，而不是考虑如何换种方式来思考。就此问题，大观念成为许多教育者的选择，哈伦9建议建构STEM课程目标来走出困境，这种目标不是以割裂的知识、过程和技能出现，而是代之以关键思想（key ideas）的发展进程，后者有助于学生了解在校期间及毕业以后与自己生活相关的事件和现象。这里的关键思想就是大观念，它不仅能保证一定的课程覆盖面，也能加强课程学习深度。

三、大观念如何转化为STEM课程元素：方法路径

那么，在操作层面大观念如何转化为STEM课程元素？具体地说，该问题需要回答如何基于大观念确定课程的学习目标、设计课程的学习活动、设计课程的学习评价。

1.基于大观念确定学习目标

从大观念至学习目标的转化需要首先明确课程主题。课程主题除了要促进学生参与课程，还应把所确定的STEM大观念与真实世界的挑战相结合，与学生的生活和兴趣相关，整合时应尽量包含两个或以上学科。例如，主题“多地形救援车辆的设计”1 就体现了上述内涵。

在课程主题指导下，要明确大观念。许多STEM课程大观念可以直接取自STEM课程文件、框架、学科标准、教科书。通过查阅相关文本可找到不同学科大观念例如速度和转矩（科学）、比率（数学），工程设计过程和利弊权衡（技术/工程）。2 个别课程标准还能提供跨学科或超学科大观念，如从美国《下一代科学课程标准》（Next Generation Science Standards，NGSS）可找到跨学科大观念“系统与系统模型”。但课程设计者未必都能成功获取相关大观念，因此除了平时养成收集大观念的习惯以备将来之用，课程设计者还需要自己确定大观念。例如，即面对几条课程标准或若干学科概念，可通过归纳方式寻找大观念。为便于评价设计与开展后续学习，设计者必须关注与大观念相关联的三种类型知识：第一类是大观念所包含的组成知识，第二类是与大观念相关的后续知识3，第三类是与此大观念相关的先备知识。一旦选择了大观念，其组成知识必须得以确定。对于教师来说，不仅要知道所教的大观念需要学生具备哪些前提性知识与理解，还要知道大观念与学生将来学习的哪些主题或知识相关。

明确大观念后，进而需要明晰大观念与学习目标的关系。大观念往往是一个概念、思想或观念，学生并非仅记住或背诵它的含义，而是要理解与应用它，否则大观念就失去根本价值。因此，理解与应用大观念成为STEM学习目标。要获得这样的学习目标，必须先分析各类大观念之间的关系。图1显示，学科的边界不断模糊，人们往往用学科大观念来统摄学科、跨学科大觀念统整学科、超学科大观念统整跨学科。

最后，规范撰写学习目标。这些学习目标需要体现问题解决、革新与创造、沟通、批判性思考、元认知、合作、自我管理、可整合的学科素养。在具体撰写时，可采取总分方式来呈现，即呈现理解与应用跨学科或超学科大观念的陈述后，再呈现出相关理解与应用学科大观念的陈述，前者可作为总目标，后者可作为分目标，视为习得前者的知识基础。或者采取简要的若干条陈述来描述学习目标。续写课程目标时，需要体现STEM学习目标所包括的知识、技能、情意，注重STEM学习目标的统整性，避免出现碎片化学习目标。

2.基于大观念设计学习活动

学习目标的确定为学习活动设计提供了指南与依据，检索到的相关文献并未具体论述如何围绕大观念的学习要求研制学习活动，而是提出研制学习活动的三个诉求。

一是设计真实问题情境。STEM教学大多要求学生通过问题解决展开，都要求学生通过回答情境问题来建构知识。在学期或单元层面所设计的大问题通常参考了大观念，实质是大观念的问题化表达，而问题的解决意味着大观念学习要求的落实，即学习目标的实现。不同层面的大问题对应着学科、跨学科、超学科层面的大观念，它们构成了问题链。这些不同类型的问题将出现在STEM课程教学的准备阶段、探究阶段与总结阶段，每个阶段有不同的教学要求。例如，围绕主题“多地形救援车辆的设计”1，教师在预备阶段向学生介绍课程主题，帮助学生熟悉本课程的挑战与/任务等背景，这往往需要向学生提供对应学科、跨学科或超学科大观念的统领性问题。在探究阶段，学生需要就对应学科大观念的问题，或对应跨学科和超学科大观念的问题展开探索。在该阶段前期教师需要持续地向学生强调每个大观念，让学生把各个大观念联系起来。在该阶段后期，教师要求学生关注大观念在不同情境中功能的相似与差异，如跨学科大观念比率可应用于化学混合物（科学）、比例尺图（技术/工程）、斜坡和几何形状（数学），学生需要探索比率在科学、技术、工程和数学中的相似性和差异性;在总结阶段，其主要目标在于完成探究活动，促进学生进一步运用所学大观念进行思考，提出与后续学习相关的大观念。

二是强调各门学科知识的应用，凸显工程设计与技术的作用。大观念引领的问题驱动教学要求学生被赋予应用科学、技术、工程和數学的机会，反映STEM课程多学科和跨学科的性质与关系：科学知识来自探究，它促进工程的设计;技术来自科学与工程，渗透于人类社会各个领域;工程运用了科学、数学概念和技术工具，可视为人类创造的结果性产品，也可视为解决问题的过程;数学知识是科学、工程与技术的必要基础。2 在四门学科中，一些研究者认为，工程设计可作为STEM课程学习的催化剂，因为它能把四门学科整合在一个平台上。而适切地应用技术也能更好地整合四门学科，促进教与学。当前的一大现实是，教师和学生所得到的技术支持并不充分，需要给予应有的重视。

三是结合适当的学习方法。问题的展开就是学习活动的展开，由于问题来自大观念，因此学习活动实质是大观念的进一步具体化实践。许多文献34 提倡学习活动开展：基于探究的学习方法，项目学习方法，基于STEM模式的学习，运用工程远离创造产品或解决问题，通过工程开展学习，应用建模、远程学习等技术手段，采纳手工、思维与合作的方式开展学习，使用真实的学习活动。基于学期和单元层面的大问题，这些学习活动推动了课程教学，学习活动之间形成一个有机整体。在学习活动中，学生成为学习主体，运用各种资源和方法，主动承担起学习责任。学生之间是相互配合、合作对话的学习共同体关系。教师则充分发挥指导者的作用，关注学生的想法，为他们学习提供反馈与建议，引导他们深入思考。可以看出，这些实践都秉持建构主义的学习理论立场。

3.基于大观念设计评价活动

在STEM课程中，学习目标是评价的指向，评价要兼顾总结性评价与形成性评价。评价类型、设计原则、评价工具是现有文献的重点考察对象。

在评价类型上，其选择主要取决于学习目标。STEM课程中大观念的学习要求总体代表了学习目标。一些反复出现的大观念（如模式/规律、机理与解释、尺度、比例和数量、系统与系统模型、物质与能量、结构与功能）往往被进一步明确出相关学习要求。针对这些复杂的学习目标，STEM课程评价大量采取表现性评价。这需要设计情境性任务和评价标准，它们为学生互评与自评等丰富的评价活动提供可能。1 除了表现性评价，评价也可以包括观察与提问等，它们各有利弊，需要结合实际情况加以利用。

在设计原则上，学习评价需要遵循以下原则：有目的地整合不同学科内容;问题为中心的学习;基于探究的学习;基于技术或工程设计的学习;合作学习。2 这些原则实质与学习目标是匹配的，试图让学生在真实情境中展开促进深度探究的评价。同时，这些原则也体现了整合评价活动与学习活动的诉求，从而更有效地发挥评价促进学习的功能。

在评价工具上，STEM课程设计运用多种评价工具来完成上述事项，常见的有：给定项目/任务中的学生作品（如档案袋、工程设计笔记）;展示学生的设想、设计方法和过程、解决问题的工具（如演示、报告，海报、视频）;学生对STEM概念和过程理解的表征（如概念图、流程图）;识别学生理解STEM概念与过程的工具（如访谈、反思性论文）。关于这三方面内容，表1提供了案例说明。

四、结语

大观念体现了学科或课程最为根本的内涵，也是课程设计的重要视角，它能解决当前STEM课程中学习肤浅化的问题。设计大观念导向的STEM课程需要方法与技术，把大观念转化为课程元素。因此，对于设计者而言，不仅需要理解大观念、STEM课程、课程设计、课程统整等基本概念，还需要整体把握这些基本概念，进而掌握将大观念转化STEM课程要素的技术。所有这些都对设计者提出了挑战，促使他们开展理论学习与实践探索。