大概念视角下STEM教学模式及应用案例研究

邓彰超 郭巍丹

大概念是当前国际与国内、理论与实践领域都积极探讨的课程教学理念之一。在大概念视角下，教师可结合课程标准、教材、学情、资源条件等多种要素，尝试根据概念之间的关系建立“精而有力”的知识体系。换句话说，教师可以围绕重要概念联系和组织形成结构化知识，而非陷于零散的知识点。学生借助大概念可以“将各种相关概念及其理解联系聚合成一个连贯的整体”，能建立“跨学科知识之间的横向交叉联系和学科内部知识的纵向联系”，形成可以不断生长、发展的概念体系。本文借助大概念视角及其相关教学设计理论，阐明更新的STEM教学观念和模式，说明如何在STEM教学中培养学生的核心素养，并通过相应的实践案例详细解释其操作步骤，为教师设计和实施优质STEM项目提供参考。

● 大概念视角下STEM教学模式内涵特点

STEM是以科学、技术、工程、数学四门学科整合性内容为基础的跨学科学习实践活动。大概念视角下STEM教学模式应具有三方面的特点：

①要求教师提前设计评估标准，并把评估贯穿于STEM教学整个过程。评估主要分为两部分，一是教师对学生学习的评估，二是学生对自身学习的评估。教师在不同阶段为学生提供有差异性的评估标准和工具。

②要求教师建立STEM跨学科概念结构体系。这意味着，教师要突破单学科范围，挑选、梳理、重新组织具有重要价值的STEM概念知识，形成以大概念为“锚点”的可视化概念图谱，让学生更容易感知和掌握新的事实、程序、原理。这样一来，教师就可以确保STEM项目获得知识“广度”与“深度”的平衡，更加明确STEM学习内容的范围、重点、脉络。

③强调以基本问题与表现性任务为线索开展教学。有研究者认为，教师可以分别参照“课程内容、课程标准、大概念的不同形式、整体性问题、错误认识、理解”六个维度构思。学生在解决基本问题的过程中，完成评估标准要求的表现性任务。在这一过程中，概念知识既是学生学习的对象，也是学生完成任务的手段或方法。学生最终获得概念与情境之间的多维互动经验，从整体上去理解各个案例事实和概念的内涵。

● 大概念视角下STEM教学模式操作流程

大概念视角下STEM教学模式分为前后相互关联的五个阶段（如图1）。

第一，建立概念结构，确定预期学习目标。教师依据自上而下的路径，可以把STEM学科大概念作为“直接上手”的参考依据或项目概念“锚点”。综合考虑多种要素，教师建立大概念层级结构体系并设想其应用情境和场景，确定STEM项目主题和学生学习成果，描述预期学习目标。

第二，界定基本问题，大概念认知具象化。首先，教师呈现主题现象并发放问题的评估标准说明，学生围绕现象通过头脑风暴提出问题。其次，教师收集问题，依据标准或参考基本问题提出的六个维度，判断、选择、转化问题，师生共同确定基本问题。最后，教师把大概念层级框架作为学习支架，为学生分解基本问题提供支持。学生把基本问题分解为相互存有逻辑关系的子问题系列，同时获得大概念结构的整体感性认识，以及大概念与应用情境、具体案例事实之间的关系认识，建立知识间有意义的联系。

第三，设计解决方案，准备项目学习资源。学生综合基本问题及其子问题序列，以及可以调用的大概念知识内容，提出问题解决思路和方案。方案主要包括两部分内容：①内含分工计划的项目实施方案;②项目成果原型设计。教师要着重思考提供哪些学习工具和评估标准，以保证学生能够顺利地参与和提出方案。当学生遭遇问题时，教师要及时讲解相关知识内容，纠正学生的概念误解或错误认识。设计和确定解决方案后，学生可自主收集项目方案实施所需的学习资源和材料，也可以由教师提前准备。

第四，示范探究过程，大概念建构网络化。教师可以选择某一方案的某一子问题，为学生演示产品制作的部分过程。在示范中，教师结合大概念结构讲解概念内涵及其形成的问题解决思路，深化学生概念理解。之后，学生模仿教师，通过相互关联的设计制作学习活动和小组沟通交流，完成各项学习任务。在这一过程中，学生建立抽象概念与具体事实的联结。教师充分关注学生的表现并收集相关的评估证据，适时给予指导。

第五，汇报分享总结，迁移与应用大概念。教师拟定汇报评估标准并发放给学生。学生分组进行分享汇报，集中介绍和阐述对相关大概念的理解、问题解决思路和方案、项目产品设计与制作过程。学生在陈述中回顾STEM项目学习过程中的概念误解或实践错误、错误反思和其后续学习活动，分享项目实施过程中遇到的困难与解决办法等。教师依据标准对学生汇报做出点评。之后，教师展示其他类似现象情境，引导学生应用大概念提出解决方案。

● 大概念视角下STEM教学模式应用案例

1.STEM“温室栽培”项目简要介绍

借助大概念视角，教师设计和实施了STEM“温室栽培”项目（8个课时）。项目旨在培养学生理解和应用“温室栽培”的相关学科概念知识，提出“温室栽培”建造系统方案和动手搭建实体模型，并在其他情境中拓展“温室栽培”的原理知识。

2.STEM“温室栽培”项目实施过程

①确定“系统与控制”等跨学科大概念，明确预期学习目标。为加强STEM项目与现行课程标准整合，首先，笔者参考课程标准并确定高中信息技术课程标准学科核心大概念涉及“信息系统”，高中通用技术课程标准中涉及“系统与控制”，生物课程标准中涉及“生态系统”。这些概念的应用场景可能是农场或植物園中的“温室栽培”。其次，综合考虑该STEM项目学习可能涉及的跨学科大概念、学科大概念和小概念，形成概念结构体系。综合考虑学生核心素养目标，明确学生需要获得的技能和能力，建立预期学习目标和相应的评估标准。

在这一阶段，学生阅读评估标准大致了解STEM“温室栽培”项目、各环节的评估指标与评价方式。评估标准还详细说明每个指标项的层级和需要完成的表现性任务（如下页表1）。

②界定“信息系统如何搭建”等基本问题，认识概念内涵。在明确预期学习目标和评估标准后，教师发放“提出问题要求与问题质量标准”，学生围绕“温室栽培”提出问题。在教师对问题加以点评和转化后，师生聚焦形成“温室栽培如何实现”的基本问题。为解决这一基本问题，学生需要分解基本问题。教师可以出示“温室栽培”涉及的大概念结构作为学习支架（图2）。学生借助支架，把“温室栽培如何实现”的基本问题分解为“信息系统如何搭建”和“各变量如何实现自动控制”等问题;把“信息系统如何搭建”进一步分解为多个子问题，如“光照自动控制子系统如何搭建”“湿度、温度等信息监测子系统由哪些要素组成”“温度监测等子系统各要素按什么顺序连接”等。在问题分解过程中，学生形成大概念层级框架的整体感知，建构概念和案例事实的关系认识。

③制订项目设计与实施方案，准备学习资源及温室建造材料。基于清晰且相互关联的基本问题及其子问题，学生在本阶段提出项目分工计划的实施方案和项目成果的原型设计方案。学生围绕预期目标及评估标准，明确小组各成员承担的子问题、任务、时间安排（如下页表2），确保每位成员都参与到项目学习活动中。小组以讨论、协商、合作的方式，完成“温室栽培”项目成果原型草图等表现性任务。在这一过程中，教师针对学生的学习困难及时给予支持。例如，教师展示有根植物的图片，引导学生说明其主要部分（如根、茎、叶等）及功能，得出植物生长的五种需求（水、阳光，空气、养分、土壤），帮助学生理解其结构和功能的含义，进而反思温室中水源、光照、土壤、空气的多种要素及其共同运作系统，为信息系统设计提供依据。

方案确定后，教师提供相关文本、视频等学习资料，以及建造温室所需的软硬件资源。其中部分常见易得的学习资源及制造材料，也可由学生自行准备。

④教师示范个别问题探究过程，学生建构大概念网络。教师巡视指导，记录学生的行为表现，并收集阶段性作品。假如学生在方案实施过程中遭遇障碍，教师可以选择某一问题进行示范讲解。例如，教师以光敏传感器为例，讲授演示光敏传感器与掌控板的连接并解释相关程序功能，阐明项目数据信息采集、传感器使用、实现编程控制的问题解决思路。学生通过解决问题、处理相关材料、调用已有知识概念，通过观察、制作、应用、比较、分析、创造等方式，找到原有认知结构与新知识联结的固着点，借助“并列学习”“总括学习”“类属学习”丰富原有知识体系。例如，在“温室栽培”模型产品基本建成之后，学生将种子置于温室栽培土壤中，可以更清楚地看到“温室栽培”人机交互系統运作整体过程，把跨学科大概念“系统”与用户控制变量、植物生长数据等具体事实关联起来。学生在观察和记录过程中再次深化“生态系统”“信息系统”等学科大概念和小概念认识，建构该项目的概念网络体系。

⑤分享总结项目经验，迁移至新问题情境。在温室模型建造调试完毕后，教师组织各小组进行总结分享，分享项目活动中的经历体验及感受，并对项目成果进行分析与评估。学生回顾项目活动的全过程，思考在活动中运用的跨学科和学科内的大概念及其问题解决方案。为提升学生的迁移应用能力，教师设计难度不一的后续问题情境。例如，“水栽培”问题，要求学生思考当土壤变为水的时候，需要重新思考哪些要素;“家禽养殖智能环境设计”问题，要求学生迁移应用信息系统和自动控制原理，设计相应的解决方案;“月球食物繁育”问题，要求学生思考在缺乏土壤、空气的环境中，如何实现植物和动物的种养殖。教师可以根据学生学习进展和具体情况，选择合适难度的问题情境和安排相应的课时。

● 结束语

以上是笔者采用大概念视角开展STEM教学做的一些研究和尝试，为更好地落实学生核心素养目标和课程标准要求提供了新思路和方法。STEM大概念教学直接回应学生提出的“学了有什么用，为什么要学习这个内容”的问题，以基本问题不断促进学生对知识的持续性理解，通过表现性任务不断激发和维持学生的学习兴趣，而非原有的过度依赖教材的教学方式。