基于STEM整合教育理念的课堂教学研究

郭 伟，徐飞飞，张 宇

（1.吉林省教育学院，吉林 长春130022；2.长春南湖实验中学，吉林长春130022；3.长春吉大附中力旺实验小学，吉林长春130031）

STEM（Science，Technology，Engineering，Mathematics）整合教育是关于学生积极参与、基于项目的跨学科学习，它运用了科学探究和工程设计过程，通过团队合作解决实际问题，它连接抽象知识与学生的生活，整合学习的过程和内容。它包括一系列不同的学习体验，涉及一定程度的内在联系，不局限于四门各自独立的学科，而是更关注其整合的意义和价值。［1］而STEM理念和实践的整合可以增强对学科间概念的整合、获得工程和技术知识、促进对学生学习兴趣的培养。科学新教材基于核心概念和学习进阶理论进行编写，部分教学内容实现科学、技术与工程等知识的整合，促进了学生参与工程实践和对重要科学原理的深入探索，发展了学生对跨学科知识的深度学习与理解。科学学科新一轮变革将聚焦于科学课程、教学与学习方式的变化，最大化地提升学生的科学素养。

一、STEM整合教育现状

（一）国内STEM整合教育现状

2021年新课程标准要求每门课程花10%的时间开展跨学科教育，加强学科内知识整合，强化学科实践。2017年制定的《义务教育小学科学课程标准》倡导跨学科整合的学习方式，并在教学实践中尝试STEM教育。同年，中国教育科学研究院撰写的《中国STEM教育白皮书》阐述了中国发展STEM教育的背景，全面分析了我国STEM教育的发展成果及问题与挑战，提出了“中国STEM教育2029创新行动计划”以及具体的行动方案，整合科研机构、企业、社区和学校等社会资源创建STEM教育生态系统。余胜泉等人介绍了两种跨学科整合模式，即相关课程、广域课程，同时分析了三种跨学科整合的取向：学科知识整合取向、生活经验整合取向、学习者中心整合取向，并提出了跨学科整合的项目设计模式。［2］李春密从横向和纵向两个维度对各国在整合课程方面的特色和趋势做了比较研究。［3］唐小唯提出科—工整合是最符合我国科学教育发展需要的STEM整合类型，即注重教学实施中科学探究与工程设计的有机结合。［4］郭玉英提到实现科学课程整合首先应围绕大概念组织知识内容，建构统一的概念体系，在此基础上设计合理的学习进阶，以促进学生科学素养的连贯发展。［5］

（二）国外STEM整合教育现状

2013年全球STEMX教育大会上多次提到STEAM，这里的X代表着计算思维、计算机科学、调查研究、创造与革新及21世纪的知识与技能。2014年美国科学教育委员会发布的《K-12年级STEM整合教育现状、前景和研究议程》对美国STEM整合教育实施提出了建议。［6］2015年奥巴马签署的《STEM教育法》将计算机学科整合到STEM教育中。随后，美国研究所与美国教育部发布《STEM 2026：教育创新愿景》，指出要打破STEM学科间以及与其他非STEM学科间的分界线，将跨学科的学习方式整合到P-12课程中，并且整合科研院所、大学、企业、图书馆等资源打造网络化和参与度高的STEM教育实践社区。2017年，美国STEM教育峰会提出以化学学科为核心的整合式STEM课程开发模式，通过工程设计实现STEM跨学科整合，构建整合式STEM教学层级量表，从学习目标整合、STEM概念和技能、学科内容知识、学习成果等维度将STEM整合分为探索性整合、发展性整合和完成性整合三个层次。《加拿大科学教育共同框架》将科学与技术、社会和环境相联系与整合，同时以“共通概念”整合学科间的概念体系。法国倡导主题整合引领教学内容，芬兰的《核心课程标准》将所有学科以课题的形式整合。

二、STEM整合教育研究框架

STEM整合教育研究框架聚焦三个方面——目标、成果、整合本质，每个方面都有独特的内容，但在实践中它们是相互依存的。

（一）STEM整合教育的目标

1．学生目标

STEM整合教育的目标为培养学生的STEM素养和21世纪能力，这些能力是认知能力、人际能力和内在能力的整合，可以支持学生更深层次的学习和知识迁移。认知能力包括批判性思维和创新能力；人际能力包括沟通、协作和责任担当能力；内在能力包括灵活性、主动性和元认知。另外STEM整合教育的目标还有培养具备STEM能力的人才，提高学生对STEM学科的兴趣和参与度，能够在STEM学科之间建立联系，并利用这些联系改变学习的方式，从而对核心概念或大概念深入理解，形成比在单个学科的边界内更完整、范围更广的知识。

2．教师目标

STEM整合教育的另一个目标是教师，教师要与特定课程相关的专业开展合适的教学教研活动。这些课程的目标是增加教师的学科知识和教学内容知识，以及促使教师对学习与教学方式进行研究。这些知识既与STEM学科相关，也与学科之间的联系相关。跨学科整合的教学模式至关重要，因此提高教育者在他们很少接触的学科上的教学技能是必要的，尤其是针对很少接触数学、科学或工程方面的校外教育者，应适当开展整合课程STEM专业发展项目。

（二）STEM整合教育的本质

STEM整合教育的本质是为解决实际问题而让学生积极参与跨学科项目的合作式学习，是将多个学科的概念结合在一起，把一个概念从一个主题连接到另一个主题的实践，或者结合科学探究和工程设计两者的实践。在STEM整合教育中，一个STEM学科占主导地位，是在一个内容领域中开发学生的知识或技能，其他学科的概念或实践通常是为了支持或加深对目标学科的学习和理解。影响STEM整合教育本质的重要因素是STEM整合方式和突出STEM实践与否。

（三）STEM整合教育的成果

STEM整合教育的成果是知识和成就、STEM课程实施、学习方式的转变与教学模式的确定、STEM学科间的转化理解能力。它对于培养学生的重要成果是知识和成就、21世纪能力、STEM课程学习、STEM兴趣、能够在STEM学科之间建立联系。STEM整合教育在教育者方面的成果是在恰当的教学模式中实践、增强教师STEM教育课堂实施能力和教学内容知识。

三、STEM整合教育的实施策略

实施STEM整合教育必须考虑施教时的教学方法与策略、学习方式、评价与教学等。课堂上的STEM学习可以作为“元学科”，在这样的框架结构下，课程在课堂的呈现以整合的方式推进，促进了学生对教学内容的深度理解以及科学素养的形成。

（一）多学科与STEM整合

1.社会科与STEM整合

社会科在中小学的课程范围内包括心理学、历史、政治学等学科，肩负着培养学生社会责任感、社会自豪感和民族教育的重担。给学生提供跨学科整合课程的学习体验时，学生会投入到所有的学科内容中，他们的学习兴趣超越了学习单一学科时，这样的学习可以开发学生创新的潜力。社会科与STEM整合教学是让学生获得概念性理解的教学，注重设计学习体验，教学设计要考虑学生的前概念、兴趣、最近发展区等。跨学科整合的社会科—STEM教育首先要有明确结果，选择能够长期研究的主题，课程的设计者在不同科目的标准之间建立联系，然后探究每一学科的标准和学习项目与所围绕主题之间的联系。其次，确定过程性学习的证据，以具体可操作的项目评价计划开始，注重形成性与发展性评价，使学生学习的潜力发展最大化。再次，选择合适的教学策略、教学活动、教学顺序和教学资源。最后，要反复反思与行动，鼓励学生用学到的知识来解决现实生活中的真实问题，同时反思自己的学习过程。

2.科学阅读和写作与STEM整合

科学阅读与写作是对科学研究的过程和结果进行资料信息的处理、记录和书写，主要包括大量研究内容的阅读，研究计划、实验记录、实验报告、科研论文的撰写，因此为了提升学生的综合素养，将科学阅读与写作纳入STEM学科是必不可少的。科学阅读以及有创意的写作纳入STEM学习是有价值的创新，学生能够更好地深入学习和理解知识，同时也能爱上写作，STEM学科与创意写作的融合培养，能够造就有创造力的思考者、问题解决者和表达创新想法的发明者，真正实现创新人才的落地培养。把科学、工程、技术和数学学习与写作整合在一起，可以打通不同学科的联系，推动跨学科教学，让探索发现成为学生学习的动力，并培养学生深度学习的习惯，引导学生成为拥有创新思维，又有一定解决实际问题能力的人。

3.计算机科学与STEM学习深度整合

STEM整合教育需要新型技术的支撑，编程与人工智能教育的蓬勃发展为STEM教育的发展提供了很好的契机，人工智能是计算机科学的一个分支，而21世纪核心素养包含数字信息与通信技术素养，因此计算机科学与STEM学习深度整合是培养学生跨学科综合素养的一种极佳方式。而STEM整合教育的两个目标人群是学生和教师，构建基于人工智能技术的STEM跨学科教育融合模式是未来的一个重要的整合方向。

（二）STEM知识、技能、态度与价值的整合

STEM科目知识包括规律性知识、跨学科知识、综合实践知识，技能包括认知和元认知技能，社会交际情感技能、亲身实践技能。态度价值包括拥有实事求是的严谨态度、尊重真理与客观规律、独立探索、勇于创新和质疑与批判、平等合作。将STEM知识、技能、态度价值整合并融入课堂可以培养学生的STEM学科素养，促使学生将这种能力变成一种习惯，具备终身学习的能力。STEM教育不仅传授STEM科目知识，还致力于培养批判性思考、问题解决、高阶思维、设计和推理等技能，并传授学习毅力、适应性、团队合作、组织能力和责任担当等行为能力，同时帮助学生发展批判性思维技能和问题解决技能。

（三）思维整合－STEM思维的形成

教育要着重培养学生的思维能力，因为思维能力是学习能力的核心要素之一。思维是人类用语言或符号对客观世界发展的思考和表达过程，人的思维活动在思维情景、思维对象、思维内容、思维形式、思维结构、思维过程等方面都要受到实践活动的制约和影响。科学思维指人脑对科学的现象、研究对象、过程等研究领域的内在规律及事物间的联系和相互关系的间接概括反映。工程思维是指人们综合运用科学、技术、社会、人文、管理科学等方面知识在进行工程设计、研究与建构实践过程中解决工程实践问题时所形成的独特的系统思维方式。技术思维是人类采用综合分析、抽象、形象思维的方法，通过对技术信息的反思处理与分析按照技术逻辑的要求去解决技术问题的一种特有的思维活动。数学思维是指对数学对象进行某种领悟和洞察的思维，用数学的观点去思考和解决问题。计算思维是有广泛价值的思维技能，能帮助人们解决问题、设计系统和理解人类行为，使每个学习者都有能力评估信息、分析问题，并通过适当使用数据和逻辑思维制定解决方案。思维整合致力于形成STEM思维，STEM思维是按一定的结构、方法和程序将科学思维、工程思维、技术思维、数学思维、艺术思维等结合起来从多层次、多角度对要解决的实际问题进行综合性思考的高阶思维。

（四）STEM教育中教学方式的整合

STEM课堂教学方式是当下教育研究的热点，STEM教学重点在于培养学生的STEM思维能力，引导学生学会批判质疑和创新发现。与STEM教育相匹配的教学方式是以学生为中心、强调动手实践、以科学探究和工程实践为基础。在课堂教学方面包含了多种教学方式，例如以学生为中心的项目学习、问题化学习、体验式和开放式的教学方式。

1.基于问题学习的STEM教育

基于问题的学习是一种体验式教学策略，鼓励学生积极学习，让他们参与到结构松散的问题中，这些问题与他们在生活中遇到的情况相似，并且可能有多种解决问题的方案。将问题学习整合到STEM教育中是一种很好的尝试，它的中心特征是：学生中心论、小组合作、教师角色作为引导者、现实问题作为学习的最核心焦点和刺激、通过自主学习获得新信息。

2.基于项目学习的STEM教育

项目式学习是以学生为中心的合作性学习活动，通过学生自主提出问题、设计方案、解决问题、评价和反思这个探究过程解决多学科的有实际意义的问题，使学生更高效地理解学科知识，并培养学生的21世纪实际技能。基于项目学习的一般特征包括主题引入、任务确定、调查研究、资源收集、搭建脚手架、团队合作、反思交流。基于项目的学习已经实施很多年，但是与中小学的STEM教育整合在一起是新的尝试，因此STEM项目教学法应运而生，STEM项目教学由教师创设教学情境，在教师的引导下，以学生为中心，利用充足时间，对于一个跨学科项目，由学生自己收集与处理信息、设计方案、实施项目及评价，解决具有实际意义的问题。它是以STEM项目问题的生成、探究、解决、运用来培养学生的创新精神和实践能力，又以学生的发展为本，形成学习共同体，注重核心素养全面提升的一种探究式、体验式、开放式教学模式。

（五）STEM教育中学习方式的整合

将STEM与基于项目的学习整合后发展为基于项目的STEM学习。基于项目的STEM学习是在有明确目标的基础上，把模糊的任务置于较为丰富的学习情景下，以学生为中心，进行小组合作学习、制定项目的方案设计、解决现实生活中的问题，从而考察学生对跨学科知识和概念的掌握以及利用知识解决问题的能力。基于项目的STEM学习也是一种整合科学、技术、工程和数学的学习方式，这种学习方式要求学生有批判性的思维并且要善于分析问题，强化了更高水平的思维技能，这种学习是一种合作性的学习方式，要求学生团队协作、与同伴沟通、合作解决问题。基于项目的STEM学习需要教师创建丰富且真实的情景体验，因此引入情境学习与体验式学习也至关重要，同时采用发现式学习也是必须的。

（六）STEM教育评价与教学的整合

在STEM项目学习的课堂中整合评价与教学非常关键，在课程设计中要清楚地说明教学标准，使评价和教学紧密交织在一起。评价要和学习环境相匹配，教师以自己学科领域的标准作为对学生期望的基础，然后发展出能够解决这些期望的STEM项目学习环境。对相同内容或标准的评价会因为发生的学习是小组学习还是个人学习而不同，所以教师可以根据学习情况调整评价方法。教师应利用多项资源来评价学习，不仅要包括传统类型的测验和测试等评价形式，也要包括面试、观察、开放性问题、标推化测试的分数。教师也可以用评价量规来确定学生的表现，评估学生制作的手工制品，并进一步通过同伴评价来提供建设性的反馈与评价。这些过程会培养学生反思的思维技能，并增强学生开发元认知的知识和策略的意识。使用形成性评价和发展性评价能帮助学生开发学习的潜力，培养学生在项目教学中的批判性思维技能。值得注意的是，形成性评价是一种为了促进学习而在教学中开展的评估形式，而不是对学习成就进行评估。形成性评价应该是教学必备的有机组成部分，应该从始至终落实到学习项目的过程中。

（七）STEM与教育技术的整合

教育技术在STEM教育中占有重要的地位，在STEM教育中使用技术，学生能够发展技术素养、获得数据技能，例如人工智能、网络探究、社交媒体等教学工具正在深度融入STEM课堂。使用建模工具等计算机软件能帮助学生看到数据的变化，扩展探究学习的空间。这些技术在教师专业发展活动和教与学的过程中也该得到有效的利用，如采用网络教研形式促进省际教师之间的交流学习，发展教师的专业素养。STEM项目学习中使用的教育技术有四种类型，即探究、沟通、建构和表达。探究的技术支持着搜索、发现、收集、示范和分析数据；沟通的技术支持着展示、语言、听觉等形式进行合作性工作；建构的技术支持着建构新事物；表达的技术支持着通过特定形式将所得到的结果与他人分享。

将教育技术整合到STEM教育中可以采用ASSURE模式。ASSURE模式包括分析学习者、陈述目标、选择方法和技术、使用技术、要求学习者参与、评估和修改六个阶段。即分析学习者的年龄、社会文化、技能、态度、兴趣、动机等，在STEM教育结束时明确期望学生取得的成果，并有计划地运用教育策略和技术，为学生提供丰富的学习体验和社交互动的机会，利用评估结果帮助STEM项目学习取得更好的设计和实施效果。

四、工程设计取向的STEM项目学习的教学设计研究

将工程设计的思想整合到中小学STEM教育与科学教育中，提高了课堂所学内容在现实生活中的实用性，形成深度学习。以工程设计为基石的STEM项目学习借助工程设计过程，将工程概念核心思想和实践纳入课堂，帮助教师讲解科学、技术、数学和工程等多个学科之间的相互依赖关系以及对社会和自然的影响，能真正实现学生对STEM概念的深入学习，体验广泛的STEM技能、问题和机会。通过模仿工程设计的过程实现课程的整合最为理想，能将STEM思维渗透到各个环节。STEM整合教育中的工程设计环节要运用高阶思维，在确定需求环节会用到人性化思维，在设计解决问题方案环节会用到和创造性思维息息相关的“头脑风暴”，在权衡利弊环节需要用到分析性思维、批判性思维等，设计过程是系统的和迭代的。基于工程设计取向的STEM项目学习的教学流程如下：

（一）情景创建

STEM整合教育中的课程通常是通过基于问题、项目或设计的任务来让学生参与解决真实世界的问题。教师在确立研究主题后给出模糊的任务，让学生借助现代技术与网络资源自主收集相关信息，提取关键有研究价值的学习内容，再通过设计引人注意的开场，回顾以往的知识，引出下一步的学习。工程设计取向的STEM学习是在有明确目标的基础上，把模糊的任务置于较为丰富的与社会生活相关的课堂环境下，学生综合运用各学科知识解决一个有趣而富有挑战的实际问题。

（二）确定问题和目标定义

学习挑战是由某种需要、愿望或问题引发的。学生课前使用计算机对确定的根本性问题进行资料收集、阅读与信息整理，确定问题的具体要求，明确安全和成本等限制性条件，从而对合理的方案进行定义。在跨学科的STEM项目学习上，教师要识别科学、数学、工程与技术等学科在各个年级对应的基础知识和技能标准，重视学生知识与技能的习得，进行学科内部和学科之间的无缝隙整合，并将教学评价与学习目标相结合。

（三）自主设计解决方案

教师让学生辨别问题时必须均衡多种不同的因素，如成本、审美、材料、安全等制约因素和标准，学生借助学习前对相关学习项目的信息搜集和调查研究，通过开展头脑风暴形成一些创新性的解决问题的观点。学生应该尽可能多地进行头脑风暴，将问题分解成一个个小问题，再对每个小问题进行头脑风暴寻求解决方案。教师要帮助学生把注意力放在产生想法上，不是关注他们的想法是否合适。一旦形成了大量的可能解决问题的方案，学生就开始分析这些方案，对每个方案是否满足设计纲要的目标和限制条件进行评判，使用系统的方法分析，研究每一个方案的优势与缺陷。

（四）构建模型、测试与优化、展示与交流

在建立模型的环节中，学生们一起将设计的方案进行建模，并在实际动手操作中发现问题、解决问题、收获知识。学生利用数学知识和计算思维等测试解决方案，必要时可引入人工智能设备进行数据分析和模拟，判断解决方案是否合适。学生在反复的制作、测试、优化中不断反思，改进设计方案，提升动手实践能力和批判性思维能力。测试可以采用“公平测试”的方法，依次更改每一个独立因素。工程设计过程具有反复性，学生要有意识地对自己的设计进行改良，创作出最好的设计方案。在整个工程设计过程中，教师都应该给学生提供与同学交流测试结果的机会；如果有可能，还应该让他们与更广的受众进行交流。在“测试、评估和优化”环节，学生应该分享自己的测试结果、关系到改良设计方案的决策以及支撑这些决策的证据。最后，教师还应该给学生机会让他们展示自己的最终方案，说明方案成功的依据以及找到这个方案的途径。

（五）评价与反思

对学生在STEM项目学习中的表现进行评估是通过多种方式实现的。教师要对学生在项目中的表现进行跟踪，如设计过程的每一步应该达到的效果、学生使用的方法、成员对主题的理解与领悟等。同时评价应更加注重学习过程中的生生之间互动以及对学生思维发展方面展开批判性评价。STEM项目学习中的真实性评价是最有挑战性的评价方式，评价内容与学生所学内容相吻合，教师明确如何评价，何时去评价，评价的对象是谁，评价什么等也是非常重要的。［7］在评价形式上，采用评价量规对学生团队在学习具体内容和实践活动时概念生成的成分进行评价，通过合理评价让学生分享学习过程，反思遇到的问题，互学互教，激发学生的创造性和深层次的思考，从而利于学习的拓展迁移。

五、对STEM整合教育实施的建议

整合可以改善学科的概念学习，但效果不同，这取决于整合的性质、衡量的结果以及学生的原有知识和经验。

（一）整合要适度

在STEM学科间建立联系，需要以一种可测量的、策略性的方式实施STEM整合教育，要以学生在认知和学习上的利弊为依据，注意STEM单个学科中的学习目标和学习进程，避免破坏学生对这些学科的学习兴趣。笔者主张借鉴新科学教材编写模式，以所学科学知识和学生现有的工程技术知识整合进行基于项目的STEM整合式学习。

（二）支持学生学习单个学科的知识

当学生不理解单个学科的相关概念时，建立学科间的联系就有困难。同样在整合的情境中，学生不会自然地应用其学科知识，对知识的理解以及知识的迁移会感觉困难，因此应当在实施STEM分科教育同时适当实施STEM整合教育。实施STEM整合教育面临的挑战在于尽可能为学生提供超越分科学习价值的时机、情境和目标。

（三）整合必须明确

学生对多个学科和单元内容间的整合不是自发完成的，不能假定学生自主完成学习目标和整合目标，一定要重视整合经验的课程教学设计，为学生在学科内和学科间获取知识和技能提供有目的的和明确的支持，即教育方案的设计者需要明确设计STEM整合教育所要实现的目标，实施后会产生怎样的学习结果以及如何测量这些结果等。促进STEM学习兴趣和有个性的自我发展是STEM整合教育的重要潜在成果，也被认为是学生继续参与STEM相关的活动的动力源泉。

（四）打造STEM整合教育实践的良好环境

标准、评价、教师支持这三个情境因素可能会给实施STEM整合教育带来机遇和挑战。课程标准是一门课程的基本导向，STEM课程标准在我国尚处于起步阶段，标准的制定要考虑的基本原则包括学生积极参与的真实性任务，支持概念性知识和推理的研发，在真实情景中应用知识，并要考虑在发展学科知识的同时支持学生在学科间建立联系，让整合对学习结果产生积极影响。已有的评价倾向于重视单科知识，且只重视内容知识，很少关注学科中的实践和应用知识，所以学生的技术和工程素养和实践科学任务的情况也应纳入到考核范围之内。教师对STEM整合教育也至关重要，教学的有效性的制约因素之一在于教师的知识储备，教育者需要知道如何提供教学支持以帮助学生认识学科间的联系，以通过整合活动教学促进学生的能力发展。

（五）STEM首要目标与次要目标整合

基于项目的STEM学习都开始于一个设计好的有明确定义的结果，也可以把它表定为首要目标。首要目标与次要目标整合才能使学生得到发展。正是这种整合后的结果才是启动设计过程，进行终结性评价设计以及所有教学设计的基础。次要目标也是至关重要的，因为它们定义了整合，并且为基于项目的学习提供了STEM。