STEM教师知识框架构建研究

石维雪 赵可云

摘 要：STEM教师“应具备何种知识”问题的探讨是STEM教师发展基本理论构建的关键，在应然视角下，基于教师知识研究经验，突出STEM教师知识特点，初步形成了STEM教师知识框架。本研究借助德尔菲法进行两轮修正后，确定STEM教师知识的最终框架，其内容包括元认知知识、文化知识、本体性知识、条件性知识与实践性知识五类，其中本体性知识内含STEM学科知识与STEM课程知识，条件性知识内含教学法知识、评价知识、组织管理知识、学习者知识与工具资源知识，实践性知识内含学科教学知识、情境知识、合作知识与设计知识。在此基础上，对各知识及其关系进行了分析。

关键词：STEM;教师知识框架;德尔菲法

中图分类号：G4文献标志码：A文章编号：2096-0069（2022）01-0001-08

建设一支能够胜任和引领STEM教学工作的教师团队是STEM教育发展的重要一环。知识是STEM教师由课程实践者转变为课程开发者和设计者的基本要素。STEM教师知识框架的确定能够有效比较STEM教师原有的知识及其发展目标，有助于完善相关专业师范生培养与STEM教师培训的理论基础，是STEM教育领域需要进一步探索的話题。

一、 STEM教师知识框架初步构建

（一）教师知识构成分析

20世纪80年代，有学者首先对教师知识构成要素进行了阐述，将其划分为学科知识、课程知识、教学知识、教学环境知识与教师自身知识[1] 。之后，在一些学者的大力推动之下，教师知识构成要素逐渐细化，向个体化、专门化的方向发展，虽未形成统一的认识，但经过文献总结，发现大多数学者均阐述了学科知识、学科教学知识、教学法知识、课程知识、情境知识、评价知识、组织与管理知识、学习者知识或相似意义的知识要素，因此将这八种知识作为教师必备的一般知识要素。

教师知识的分类一般从知识功能出发，结合知识的基本特质进行阐述，教师知识分类使得教师知识本身的交互作用体现出来，促进体系化、形成性研究。衷克定等人从本体性知识、条件性知识和实践性知识三个方面进行解释。辛涛等人在三分类的基础上增加了文化知识，体现教师的文化素养[2]。研究以辛涛等人对教师知识的分类为基础，分析知识要素功能性质，形成教师知识构成的一般框架，如图1所示。

（二）STEM教师知识特征分析

1.STEM教育的调节性决定了教师知识的反思性

在STEM项目的情境化、问题的非命题性等因素的影响下，STEM教师对STEM教育实施过程的调节作用更为重要。首先，教师根据学生实时学习情况来调节引导方式，降低知识的复杂度或突出关键特征来促进学生理解。其次，教师通过形成性评价，认识学习过程与所设计的认知过程之间的差异，及时进行调整。再次，教师根据学生成果展示，思考教学过程、项目设计的不足，进行调整。因此STEM教育调节的过程也是教师的反思与行动过程，需要具备充足的反思性知识。最后，教师应采取提示、合作讨论等方式引导学生反思，使学生认识到自身的学习策略、行动需要，进而使思维变得可见，帮助学生进行调整。

2.STEM教育的协作性决定教师知识的合作性

STEM课程设计往往由教师合作完成，在STEM学习活动中，学习者也以协同的形式进行知识的意义建构，彼此帮助、互相启发。STEM教育评价也包含小组间的相互评价。因此，STEM教育具有协作性，需要以教师的合作性知识为支撑。合作性知识不仅体现在教师之间、教师与其他相关群体的交流协作上，还体现在教师对学生合作的指导中。

3.STEM项目过程的工程性决定了STEM知识的设计性

在STEM教育中，工程学科与学生的学习过程密切相关，学生利用工程设计或工程相关的概念生成学习结果或推进学习进程。工程设计是工程的核心，帮助学生理解项目成果为何设计、怎样设计。因此，STEM知识组织及其内在逻辑应符合工程过程，具有设计性，STEM教师应该以充分的时间、资源、空间为学生进行工程设计提供合理环境，同时帮助学生进行知识的有意义组织，以符合设计序列。

（三）STEM教师知识框架初步分析

STEM教育属性下STEM知识及STEM教师知识具有特殊性，需要扩充新的知识要素，以构成完整的STEM教师知识框架。

1.STEM教师知识新增要素分析

根据以上分析，确定合作知识、元认知知识、设计知识与工具资源知识为新增知识要素。合作知识，是教师与大学、企业、其他教师合作交流与指导学生合作交流的知识。元认知知识，是STEM教师对自身思维方式、教学行为、设计过程等反思并修正的知识，是关于指导学生反思并修正个人在学习过程中所处位置、自身知识、个人学习策略、行为导向与需求的知识。设计知识，是项目设计中问题设计、脚手架设计、评价设计等的知识。工具资源知识，是对技术和资源的理解、工具操作、资源设计与建设、利用工具资源解决问题的知识。

2.STEM教师知识初步分类

对STEM教师知识要素进行分类，本体性知识是基础性知识，应包含STEM学科知识与STEM课程知识。条件性知识除了包含教学法知识、评价知识、组织与管理知识、学习者知识，工具资源知识也是促进知识转化的重要因素，应包含其中。学科教学知识、情境知识、合作知识、设计知识均具有自我建构性、实践性，包含在实践性知识之中。此外，元认知知识是关于认知的知识，与文化知识相同，能够对其他知识产生影响，具有指导性和总括性，借鉴先行组织者中的“上位组织者”概念，将文化知识和元认知知识归结为上位知识。以此形成STEM教师知识初步框架，如图2所示，该框架需要进一步修正。

二、STEM教师知识框架的校正

德尔菲法以形成可靠的研究结论为目标，通过多个轮次的意见征询，来获得专家对调查内容的评价与建议。本研究确定意见征询的专家主要分为两类：高校STEM教育研究专家及中小学STEM教师。意见征询问题主要围绕STEM教师知识分类及STEM教师知识要素两个方面。问卷主要包括两个部分：一是专家权威程度的调查;二是专家对STEM教师知识分类的认可程度及意见。其中，专家的认可程度从低到高依次赋值为1.00、2.00、3.00、4.00、5.00。

（一）专家权威程度判断

研究共选择10位专家进行意见征询，其中高校STEM研究专家为7位，中小学STEM教师为3位（含1位专职STEM教师和2位兼职STEM教师）。研究通过自评的方式确定专家的权威性，主要包括专家做出判断的依据及专家对STEM教育的熟悉程度两个题项，专家权威性由两个题项得分的算数平均值表示，即Cr=（Ca+Cs）/ 2。判断依据题项采用多选的形式，选项分别为“实践经验”“理论分析”“同行了解”和“直觉”，赋值分别为0.5、0.3、0.1、0.1;熟悉程度题项为单选题，选项分别为“非常熟悉，形成了STEM教育研究体系”“比较熟悉，进行过专门研究”“一般，查阅过一些STEM教育文献，但未进行过专门研究”“不熟悉，只听说过”“非常不熟悉，完全不了解”，赋值分别为1.0、0.8、0.5、0.2、0。自评结果如表1所示。专家权威程度均值为0.765，大于0.70，每位专家的权威系数均大于0.70，处于可以接受的范围，专家的权威程度符合德尔菲法研究的要求。

（二）第一轮校正

1.专家协调程度判断

在德尔菲法中将专家对条目意见的一致性程度称为专家协调程度。专家协调程度用变异系数（Cv）、肯德尔协调系数及协调系数的显著性进行判断。STEM教师知识分类指标及知识要素指标的均值、标准差及变异系数如表2（见下页）所示，第一轮意见征询变异系数均小于0.250，说明专家协调程度的基础较好，保证了研究的可靠性。Kendall W α、卡方值、自由度分别是0.189、30.227、16，当α为0.05、自由度为16时卡方临界值为26.296，小于统计数据，说明协调系数较小，但结果可取，专家一致性程度达到一定水平，但仍需提高。整体而言，第一轮意见征询专家意见具有一定的协调性，但协调程度不高。此外，在专家对STEM教师知识分类及STEM教师知识要素的认可程度上，除上位知识外，其他类别知识得分均高于4.00，知识要素得分均高于4.00，说明构建的STEM教师知识框架比较合理。

2.专家意见分析

第一轮专家意见征询中意见可概括为两个方面：第一，上位知识分类的合理性及依据;第二，知识分类及知识要素描述的规范性。专家对上位知识提出了质疑，首先，指出上位知识的来源与表述不够清晰，“上位组织者”的概念与知识本身存在较大差别。其次，专家指出元认知知识和文化知识作为一类的标准比较模糊，元认知知识是STEM教师对认知的认知，主要作用于认知调节和教学调节，而文化知识是STEM教师自身修养的重要体现。对于知识分类及知识要素描述的规范性，专家主要对条件性知识、实践性知识类别界限提出了质疑，这与调查问卷中内涵解释模糊有很大关系。根据专家意见，须对元认知知识和文化知识重新划分，通过教师建议及文献查阅，将STEM教师元认知知识和STEM教师文化知识单独进行分类，还针对教师知识分类重新整理分析了相关文献，认为其他知识分类是合理的，因此将STEM教师知识划分为五类。最后，清晰化STEM教师知识分类及要素的内涵。根据以上STEM教师知识框架的校正结果编制调查问卷，进行第二轮STEM教师知识框架专家意见征询。

（三）第二轮校正

1.专家协调程度分析

经过第一轮校正后的分类指標及知识要素指标的均值、标准差及变异系数如表3所示，第二轮专家意见征询变异系数均小于0.250，且对于实践性知识类别的变异系数达到0.000，专家对STEM教师知识分类的一致性明显高于第一轮分类指标。对于元认知知识和文化知识分类，专家的认可度和一致性均高于第一轮“上位知识”分类。STEM教师知识要素指标变异系数均低于0.250，对于STEM学科知识、评价知识与情境知识的意见一致性最高。Kendall W α、卡方值、自由度分别是0.211、31.589、15，当α为0.05、自由度为15时卡方临界值为23.685，小于统计数据。协调系数相对第一轮意见征询有所提升，且是可信的，说明专家一致性程度达到一定水平。此外，专家对于STEM教师知识分类及STEM知识要素得分均值均高于4.50，说明修改后的STEM教师知识框架得到专家高度认可。

2.专家意见分析

第二轮专家意见征询中七位专家未进行意见表述，其他专家提出建议包括：第一，将元认知知识和文化知识归为教师自身发展的知识一类;第二，合作知识还应包括对于提高合作效率、合作沟通等的知识，应注意表述的完整性。针对这两个建议，笔者在查阅文献的基础上提出以下结论：STEM教师元认知知识和文化知识是STEM教师知识整体的重要组成部分，相比于其他知识更具有指导性，对STEM教师知识发展更具直接意义，进行综合具有一定价值，但这两者还蕴含着学生认知发展的知识，因此，研究在知识框架中不予修改。对于合作知识相关表述不完整的问题，予以采纳。以此确定了STEM教师知识框架，如图3所示，并将其应用于后续研究中。

三、 STEM教师知识框架分析

（一） STEM教师知识类别及要素分析

确定STEM教师知识发展基本要素后，考虑到STEM教师知识要素意义延伸及其在不同环境下的不同表现，未进行三级指标的严格划分。在当前框架下的STEM教师知识意义阐述如下。

1.STEM教师元认知知识分析

元认知知识是STEM教师元认知的基础，具体包括个体元认知、任务元认知与策略元认知三类。个体元认知知识包含教师对STEM教育场景中自身和学习者在认知特征方面的认识;任务元认知知识是教师自身关于STEM任务信息的性质、要求及目的的知识和引导学生认识任务的知识;策略元认知知识是教师对于自身及学习者认知策略及其有效运用的知识[3]。STEM教师元认知知识作用对象包括教师自身和学习者，是STEM教师关于认知过程和认知结果认识及其影响因素的知识，是STEM教师反思、调节自身知识与教学活动，推进学生认知发展的基础[4]。

2.STEM教师文化知识分析

文化知识之间具有区别于其他知识的同化、互斥与互动的特性，同时，文化知识对个体其他知识发展具有潜移默化的影响作用。其内容包括传统文化知识、人文知识、经济知识、科技知识等。具有丰富文化知识的STEM教师不仅表现为良好的文化素养和敏锐的文化感知力，还能够将文化融合在STEM教学活动中，使其成为学生所获得知识的重要组成部分。

3.STEM教师本体性知识分析

本体性知识是STEM教师进行教学的基础知识，是融合所有STEM教学内容的统一体[5]。在中外研究中，本体性知识多与学科知识画等号，表明学科知识对于STEM教师知识构成的基础性作用。需要说明的是STEM课程知识的定位，因STEM课程不同于其他单科课程，尚缺乏严谨、明确的指导性文件或标准对课程目标、内容进行严格规定，STEM教师须深入认识、设计与实施STEM课程，STEM课程知识是其基础。因此，STEM课程知识也是STEM教师本体性知识中的突出要素。

（1）STEM学科知识

STEM学科知识是STEM教师对实际教育情境下STEM的理解与认识。STEM教师所应具备的STEM学科知识应具有以下内涵要素：科学、技术、工程、数学知识及STEM扩展的STEAM或“STEM+”包含的知识的基本概念原理及方法;STEM核心知识的结构化、系统化知识;STEM学科发展及意义知识;等等。

（2）STEM课程知识

当前发展阶段的STEM课程制度化倾向较弱，受社会科技、文化、经济的影响较强，STEM课程知识与其他更为成熟的学科课程或系统课程知识发展阶段不同，内容上存在一定差异。STEM课程知识是STEM教师具备的STEM教学科目和教学进程的知识，包括STEM课程理念、STEM课程相关文本认知、STEM教材认知、课程设计与开发的知识。

4.STEM教师条件性知识分析

条件性知识本质上是成就教师专业的知识基础，内含教师为何教、如何教，学生为何学、怎样学等知识。STEM教师条件性知识突出STEM教育需求，具体包括教学法知识、评价知识、组织与管理知识、学习者知识和工具资源知识。

（1）教学法知识

研究采用广义教学法的概念，认为教学法知识是根据需求设计与实施教学活动的知识，即关于教师如何教的知识，教学策略、教学模式等知识均包含在内[6]。STEM教师所应具备的教学法知识除一般性教学法知识外，还包括促使STEM教学目标实现的、专为STEM教育服务的教学法知识，其内涵还延伸至STEM教育要求的工程教育教学法、引导法、促进教学公平的方法等。

（2）评价知识

评价不仅包括教学活动中对课堂及学生的评价，还包括对于社会环境包含的外部评价的判断及将其运用于学生发展的知识[7]。对不同层次的STEM学习内容进行评价有助于学生实现个性化学习[8]，STEM教学活动开展的方式也要求采用多元评价，不同课程评价的指标存在一定差异，教师应掌握STEM多元评价知识、评价量表的制订与使用的知识，并在此基础上能够将学习活动与社会实际产生联系，判断教学目标的达成情况。

（3）组织与管理知识

教育话语体系中的组织与管理一般以班级组织与管理为主体，教师组织与管理往往由领导性质的教师或专任的管理人员负责。在STEM教师团体合作、师生协同发展、学生协作的情境下，组织与管理与传统教学存在一定程度的差别。STEM教师也常常需要与其他学科教师联合，教师应掌握学校STEM教师组织架构，具备教师组织与管理、班级组织与管理、教学活动组织与管理的知识。

（4）学习者知识

一般而言，学习者知识是教师具备的关于学习者本质特征、学习者发展的知识，STEM教育更为重视学习者主体地位及师生互动的影响。STEM教师所应具备的学习者知识包括学习者心理知识、学习者认知规律知识、学习者个体特点知识、师生关系知识、根据学习者情况调整教学的知识。

（5）工具资源知识

STEM工具资源在学生“学”的意义上进行了延伸，既是学习手段，也是学习内容。而在STEM教育当前的发展阶段，各地工具资源的建设一致性较弱，STEM教师缺乏完全意义上工具、资源研习范本。STEM教师不仅要“会用”，有时还要“会做”“会建设”。研究认为STEM教育场域下，工具资源知识是STEM教师对技术和资源的理解、工具操作、资源设计与建设、利用工具资源解决问题的知识。

5.STEM教师实践性知识分析

STEM教师实践性知识是STEM教师在教学实践中形成，指向一定情境下实践活动的、具有个体性的关于STEM教育教学的认知，既有微观课堂情境中得以生成和应用的知识，也有宏观教育环境映射于STEM教育中的人与人、人与物的实践性交互中生成和应用的知识。因此，研究中所阐述的STEM教师实践性知识除包含学科教学知识、情境知识外，还包含合作知识和设计知识。

（1）学科教学知识

学科教学知识将学科知识和学生学习活动进行了联结，是教师将学科知识转化为实际教学内容的知识[9]。 STEM教育场景下，跨学科是STEM教育的基本特性，跨学科整合知识是学科教学知识的核心，包括教师知道哪些学科的知识适合整合、适合教授给学生、怎样整合等的知识，以及以此為背景的知识呈现、材料运用的知识等。

（2）情境知识

一般性教师情境知识强调教师工作的实践性，包括对情境的基本认知及其实践应用的相关知识[10]。STEM教师情境知识除以上内涵外，还应将STEM教育的情境性要求体现出来，是STEM教师具备的与STEM教育情境相联系且服务于STEM教育情境的知识，包括现实环境知识运用、STEM教学环境开发、情境创设与展示、将情境作用于探究与评价的知识。

（3）合作知識

合作是多个个体通过多种组织形式完成共同目标的社会行动方式，在合作过程中个体之间能够建立平等的互动与连接。STEM教师合作知识是STEM教师为达到教育目的，与大学、企业、其他教师进行相互配合，并指导学习者合作交流的知识。

（4）设计知识

设计知识是教师通过教学环节的层层推进及教学空间的合理化建设实现教学设想的知识，其中主要蕴含教师进行系统化教学设计解决关键问题并通过实践活动优化教学的过程。此外，对于STEM教育，“工程性”不仅体现于教学内容中，也是学生进行探究的条件，要求学生解决问题的过程贴合工程设计的过程。总体而言，STEM教师设计知识是STEM教师在系统思维指导下，在教学设计与工程设计过程中形成的将教学设想通过问题、学习支架等进行表达并优化，通过学习空间促进学习者知识生成的知识。

（二） STEM教师知识关系分析

从STEM教师知识的来源出发，结合知识之间相互联系的特性进行分析，可以进一步理解STEM教师知识及其特性，故进行以下STEM教师知识关系的阐述，如图4所示，粗箭头表示作用更为显著。

首先，元认知知识促进知识调节。元认知知识是STEM教师元认知体验、元认知监控发挥作用的基础，元认知知识增长与提升可促进自身认知与学生认知过程的正向调节，进一步加深对知识结构、内容的了解，使得促使知识正向发展的积极因素发挥作用。其次，文化知识隐性影响其他知识。文化知识在STEM教师知识框架中具有典型的隐性知识的特征，潜移默化地影响着其他知识。文化知识的影响和调节作用相较于元认知知识更为模糊。但文化知识能在非规定路径下与其他知识产生联结，促进教师产生新的观点。再次，STEM教师知识相互转化。知识分类语境下更需关注知识的相互融合与转化，不同类别知识及同类知识之间呈现动态转化的作用。其中，实践性知识和条件性知识之间的相互作用更为显著，是经验性知识和理论性知识的相互调节。最后，实践是知识的重要来源。实践是实践性知识发展的来源，以实践经验积累促进实践性知识动态发展，又在元认知知识、文化知识等的影响下得以去粗取精，向知识整体发展的方向延伸。

参考文献

[1]黄娅. 数学教师知识对其教学设计的影响[D].扬州：扬州大学，2017.

[2]辛涛，申继亮，林崇德.从教师的知识结构看师范教育的改革[J].高等师范教育研究，1999（6）：12-17.

[3]汪玲，方平，郭德俊.元认知的性质、结构与评定方法[J].心理学动态，1999（1）：6.

[4]汪玲，郭德俊.元认知的本质与要素[J].心理学报，2000（4）：458-463.

[5]甘火花，王贞.福建省小学教育专业数学预备教师本体性知识调查研究[J].数学教育学报，2016（3）：71-75.

[6]余闻婧.从静态到动态：师范生教学法知识的转型[J].教育发展研究，2020，40（5）：77-84.

[7]郑东辉.教师需要怎样的评价知识[J].教师教育研究，2010，22（5）：48-52.

[8]赵慧臣，张娜钰，李皖豫，等.中小学STEM教育的自我评价与改进建议[J].数字教育，2021（4）：1-11.

[9]杨彩霞.教师学科教学知识：本质、特征与结构[J].教育科学，2006（1）：60-63.

[10]翁春敏，陈群波.基于教师情境知识的备课研究：国外研究的视角[J].外国中小学教育，2015（5）：51-57.

（责任编辑 孙兴丽）

Research on the Construction of STEM TeachersKnowledge Frame

SHI Weixue 1，ZHAO Keyun2

（1.Linyi No.1 Middle School，Dezhou，Shandong，China 251500;

2.School of Communication，Qufu Normal University，Rizhao，Shandong，China 276826）

Abstract： The discussion of the question “What kind of knowledge should STEM teachers have？” is the key to the construction of basic theory of STEM teachers development.This research，from the perspective of Sollen，based on the experience of teacher's knowledge study，has highlighted STEM teacher's knowledge features， and formed STEM teacher's knowledge framework fundamentally.After two rounds of modification with the assistance of Delphi method，the author has determined the final frame of STEM teacher's knowledge， the content of which includes meta-cognitive knowledge， cultural knowledge，ontology knowledge，conditional knowledge and practical knowledge，among which，ontology knowledge contains STEM discipline knowledge and STEM curriculum knowledge，conditional knowledge contains pedagogical knowledge，evaluation knowledge，organizational management knowledge，learners knowledge and tool resource knowledge，and practical knowledge contains pedagogical content knowledge，situational knowledge， cooperative knowledge and design knowledge.On such basis， the author has done an analysis of each knowledge and their relations.

Key words： STEM;teachers knowledge frame;Delphi method