大概念统摄下的STEM课程一体化建构策略——STEM Road Map的实践与启示

刘登珲 卞冰冰

打破学科边界，构建上下衔接、左右联通的课程体系成为推动STEM在基础教育阶段深化发展的关键所在。[1]《中国STEM教育发展白皮书》把构建统整式、一贯制的课程体系视作制约我国STEM教育发展的瓶颈问题。[2]然而当前不管是理论界还是实践场，研究者把更多精力放在单元、模块、教学设计上，在“活动”而非“课程”的意义上建设STEM，缺乏“一体化”建构思维，导致STEM难以与学校课程体系形成有效呼应，甚至出现碎片化、孤立化、形式主义等问题。所谓“一体化”建构，即以跨学科大概念为“锚点”统摄全局，进而带动学科内部及学科间知识的有机整合，从课程整体框架、单元设计、课堂教学各层面出发，构建上下衔接、左右联通的K12一贯式STEM课程体系。大概念作为统摄STEM的关键抓手，实现“广度”与“深度”的有机合一，起到“纲举目张”的效用。STEM建设为何必然要拥抱“大概念”？大概念统摄下的STEM又该如何一体化推进？最终又将走向哪里？本文以美国STEM Road Map项目(SRM)为例来澄清若干迷思，为STEM课程体系本土化建设提供线索与镜鉴。

一、 拥抱“大概念”的STEM

自STEM作为一个独立的领域出现，其实践样态就始终处在变易之中，在美国更是被作为“国家资本”而反复建构。伴随着美国社会矛盾的此消彼长，STEM经历了从学科组合、科内统整到跨学科统整的演进历程，并最终与大概念耦合，形成大概念统摄下的STEM课程体系。STEM拥抱大概念是各利益主体竞斗、协商的产物，有其内在必然性。

(一) 学术本位的学科组合

20世纪60—80年代，STEM教育多以学科组合形式存在，组合中的各学科以科目自身的学术逻辑来组织，通过分科的形式分别设立标准、实施教学。分科式的STEM是美国国家竞争意识在课程领域的反映，是维持高学术水平的国家选择。1957年，苏联卫星上天极大地刺激了美国，而发端于进步主义教育的课程统整思潮被视作学术成就下降和国力衰退的诱因。为提升学术水平进而为国家竞争提供军事和科技人才，美国在20世纪60年代发起了以清除课程统整、恢复分科教学为主要标志的课程结构运动，学术本位的分科式STEM应运而生。该时期，在美国国家科学基金会(National Science Foundation，简称NSF)支持下，先后由美国物理教学委员会(Physical Science Study Committee)开发了PSSC物理课程，美国生物科学课程研究所 (Biological Science Curriculum Study)开发了BSCS生物课程，地球科学课程设计研究会(Earth Science Curriculum Project)开发了ESCP地理课程。[3]70年代，技术和工程教育伴随着人类创造世界(Man Made World)项目的启动也提上日程。[4]国家力量的介入使分科式STEM得以进一步加强。1983年的报告《国家在危机中》指出，美国与其他发达国家相比，在科学和数学方面全面落后；大多数毕业生不具备高阶思维技能；高中生的学业成就甚至比20多年前苏联卫星上天的时候还要低。[5]为了改变这种状况，联邦政府提出以构建全国性学科课程标准的方式来维持STEM的高学术水平。而围绕STEM分科而设的标准化建设进一步加固了STEM的学科边界。这一时期，美国STEM作为国家竞争的工具而存在，其本质是以筛选和知识传递为目的的精英教育，唯有高度分化的学科教学才能保证STEM精英教育的有效落实。伴随着STEM由精英向大众教育转向，美国STEM逐渐呈现统整化的发展态势。

(二) 实践导向的科内统整

20世纪90年代是STEM教育由分科向统整转变的十年。冷战格局的逐步瓦解导致STEM精英教育失去了赖以存在的社会基础，美国STEM教育逐渐由精英教育转向大众教育。1989年的报告《2061计划： 面向所有美国人的科学》指出，要在2061年让每个美国人都精通科学、技术与科学[6]，这标志着美国STEM教育进入大众教育时代。知识经济时代的迅猛发展要求现代公民不仅具有扎实的科学知识，更要具备知识创新及综合运用STEM学科知识解决复杂问题的能力。为构建适切大众需求和知识经济发展的课程体系，STEM逐渐“落地”，不仅大幅降低学术水平，而且补充大量的实践性知识，强调实用性学科知识和技能的获得。1996年，国家研究委员会(United States National Research Council，简称NRC)颁布了《国家科学教育标准》(National Science Education Standards，简称NSES)，该标准打破了原有系统的学科知识框架，摒弃繁琐的事实性知识，融入大量的科学实践模块，构建了面向“大多数”人的科学体系。[7]同时期，美国数学学会也呼吁数学教学要面向实践，提高儿童通过数学建模解决现实问题的能力。[8]STEM教育的实践化转向顺应了时代发展的潮流，一定程度上提升了美国国民科学素养，为美国应对知识经济的挑战蓄积了人力资本。但STEM教育大众化、实践化不可避免地带来学术水平的下降。尤其在国际大型测验PISA的冲击下，在被视作21世纪人才必备的核心技能的科学素养、数学素养、信息与技术交流素养(Information and communication technology,简称ICT)等方面，美国全面落后于被视作主要竞争对手的日本、中国、新加坡等国[9]，这引发了美国学界的焦虑。如何提升国民素养的同时保持较高的国际竞争力成为21世纪美国STEM教育面临的重要问题。

(三) 概念本位的跨学科统整

进入21世纪，美国STEM教育面临着国内外的多重压力。国际测验的残酷现实要求美国迅速提升STEM教育学术水准以重塑国际竞争的信心。同时，STEM大众化教育诉求日益广泛，要求更加多元、亲民的STEM项目，但随着课程权力的下放， STEM选课率大幅下降，因此提升STEM学习兴趣、刺激更多学生选择STEM并从事相关职业成为关涉“国家安全”和美国国际地位的“大问题”[10]。面对STEM教育大众化、高标准以及信息化时代的冲击，基于大概念的STEM应运而生。这里强调的STEM既不同于学科组合，又不局限于经验范围的科内实践统整，而是以核心概念为组织中心、打破了原有学科边界，并形成独特的课程目标和相互联通的知识体系的K12一贯STEM课程形态。核心概念是STEM统整的内在线索，核心概念作为STEM统整的组织中心不仅打破了原有学科的边界，摆脱分科教学所带来的知识碎片化、内容交叉、重叠，达到减负增能、提质增效的目的；同时概念系统的习得规避了课程统整过于偏向实践经验而带来的“一英里宽，一英寸深”的浅表化学习问题。此外，学习科学的发展进一步揭示了“为概念而教”有利于提高学生筛选、加工信息的能力和在新情境中通过复杂概念迁移解决现实问题的能力。2013年《K12科学教育框架》(A Framework for K12 Science Education)指出，未来学科教育中应强化科学与工程实践，重视跨学科概念及核心概念的把握，学生不再被视作接受概念的被动学习者，仅仅学习一些既有的二手概念，而是变成积极的学习者，参与科学调查和发现的过程。[11]这标志着美国STEM逐渐由实践导向的科内统整向概念本位的跨学科统整转向。

从学科组合、科内统整到跨学科统整反映了STEM主体意识的增强以及作为一门学科寻求其合法性的演进历程。大概念统摄的STEM课程体系建设不仅满足了国家竞争对高学术水准的要求，也兼顾了市场职业结构变革以及个人全面发展、寻求阶层流动的诉求，国家、社会、个人在这里找到了利益平衡点。正是在这样的背景下，“美国第一个系统的大概念统摄的K12一贯STEM课程框架”[12]——STEM路径图(STEM Road Map，简称SRM)项目应运而生。本文以SRM项目为例，揭示如何基于大概念来一体化地构建STEM课程体系。

二、 大概念统摄的STEM课程框架设计

STEM课程一体化建构首先面临的是“顶层设计”的问题，即如何搭建K12一贯的STEM课程框架。STEM框架主要规定“教什么”和“教到什么程度”，包括STEM课程内容和学习表现两个方面。STEM课程整体框架采用螺旋式课程结构设计，即不同学段围绕共同核心概念逐级开展教学，在对概念形成完整理解的基础上逐渐生成结构化的概念图式。这种螺旋式设计既有利于同一学段围绕某一主题深入发掘主题的内涵，拓展学习经验的范围，又有利于不同学段保持衔接、连贯。螺旋式STEM课程框架设计由大概念筛选、框架横向设计、纵向设计三个构架组成。

(一) “大概念”的筛选

1. “大概念”究竟“大”在哪里

“大概念”是搭建STEM内容结构体系的逻辑起点，发挥着“锚点”的作用。大概念指处于课程学习中心位置的观念、主题、辩论、悖论、问题、理论或者原则等，是在事实基础上抽象出来的深层次的、可迁移的概念。“大概念”之“大”表现在其统摄性、兼容性、整体性、发展性、迁移性五个方面，这也是筛选大概念的“五把筛子”。

“统摄性”是对信息、事实、主题性的概括和抽象程度，统摄性越高说明概念的解释力越强，统摄性帮助认知主体提供认知“文件夹”进而快速建立联结，减轻认知负荷。如埃里克森(Erik H. Erikson)把概念系统由低到高分为事实、主题、学科概念、跨学科概念、原理五个层级[13]，作为STEM课程框架锚点的大概念往往是跨学科或原理层面的大概念。“兼容性”是特定概念所涵盖学科范围的大小，兼容性越高，学科间的参与性就越强。不同的概念类型兼容性有所不同，如方法性概念往往比内容性概念兼容性强。“整体性”是指“大概念”应能完整涵盖各种概念类型，反映人完整的能力指向，避免“执其一端”，包括认知性大概念、方法性大概念、情意性大概念。由于STEM本身是强调认知侧面的“硬学科”，整体性就显得尤为重要，是保证STEM课程既有深度又有温度的前提。“发展性”是指大概念在不同认知水平(年段)和不同学科实践中的差异性，同一大概念在不同场景往往具有不同的变式，但又具有相对稳定性，以此来保证思维逐级跃升，并通过该阶段学习为下一阶段成功做准备。“迁移性”是利用大概念去描述、预测、解决新现象、新趋势、新问题的能力，某种意义上，大概念的迁移性不是由大概念本身决定，而是由学习大概念的方式决定的，只有在情境中获得深度理解的大概念才能顺利迁移到非良构情境中。

2. STEM大概念的筛选程序

STEM大概念包含两类，一类是用来作为锚点，支撑整体框架设计的跨学科大概念，另一类是统摄单元设计的核心概念，这两者的筛选程序基本相同。STEM大概念筛选可以划分为“自上而下的专家思路”“自下而上的教者思路”以及“上下联动的行动者思路”三种路径。第一种指通过对课程标准与学科核心素养的进一步解析来提炼学科与跨学科的关键属性；第二种则是通过对经验及现象的反思与本质理解来挖掘事实背后蕴藏的核心要素；第三种指利益共同体围绕课程标准和学生需求按照特定逻辑不断研判并最终确定大概念的过程。而STEM大概念筛选则适用于“行动模式”。首先，课程设计者根据学科标准、教科书通过归纳的方式，自下而上遵循“基础概念—重要概念—核心概念—大概念”的逻辑初步甄选大概念，所得大概念应满足统摄性、兼容性、整体性、发展性、迁移性等条件。其次，研判社会需求并批判性地转化到概念当中，进一步优化大概念，通常可以通过吸收国家政策、企业咨询报告、人力资源机构调查、行业领袖访谈等方式来进行，以确定大概念的能力指向性。再次，课程开发者通过咨询课程专家、学科专家来保证概念在教学和课程开发水平以及各个学段上的有效性和科学性，进而初步拟定大概念。从知识社会学角度看，这种多主体参与的互动过程是通过利益协商和权力分享来获得知识表达合法化的过程。STEM概念的选择需要围绕这三个步骤反复推敲。

以SRM项目为例，项目组吸收了来自全美的30名STEM课程专家，包括20名STEM学科专家、5名心理学家、5名课程专家共同组建STEM开发团队。[14]专家组首先围绕《下一代科学标准》(Next Generation Science Standards)、《共同州核心标准》(Common Core State Standards)以及《21世纪技能框架》(Framework for 21st Century Learning)提取出30个跨学科核心概念，继而参照美国劳工部报告结合未来社会人才需求标准对这些概念进行筛选排序，最终经过专家反复论证推敲筛选出原因与结果(Cause and Effect)、创新与进步(Innovation and Progress)、表征世界(The Represent Word)、可持续发展(Sustainable Systems)、人类经验优化(Optimizing the Human Experience)5个核心概念(见表1)。这5个大概念反映了STEM学科的本质特征，同时体现了适应未来社会的能力指向。

表1 SRM锚点——跨学科核心概念[15]

(二) STEM框架的横段设计

拟定大概念作为STEM框架的基点后，需要进一步构建课程架构作为概念教学的载体，包括横断设计和纵面设计两个方面。STEM横段设计是依据学段的教学目标和学习特点对大概念的具体化，通过大概念分解出适切的主题作为该学段单元设计的焦点，学段内部保持联通、上下保持衔接。横断设计要充分反映大概念的要求又要突出对单元设计的指导功能，通常由主题、主导学科、核心问题或任务三个要素构成，如“天气预报(主题)—数学(主导学科)—通过音频、视频或博客的形式设计一个当地的天气预报装置(任务)”。

首先，主题是学习内容和范围的概括化表达，作为概念学习的桥梁而发挥作用。身前是主题，身后则是大概念，同一大概念可以用不同的主题来实现。在这个意义上，主题选择切不可“直奔主题”，没有概念统摄的主题是散漫而没有边界的。为保证跨学科性，主题要具有适当的开放性，为不同学科的介入提供空间；同时，主题应反映学生的直接经验，以激发学生持久的动机和有意义学习；此外，主题应满足概念图式在各学段发展水平，具有变易性，为概念图式持续丰富和深化提供支持。如针对“原因与结果”这一核心概念，K—3年级分别选择了运动、潮汐、变化的环境、天气预报作为该学段的学习主题，学习环境依次复杂，所指向的概念图式也渐趋深化。

其次，围绕主题选择相应的主导学科和表现任务。依循主题内涵的相关性可以把STEM各学科划分为主导学科、协同学科和辅助或参与学科。所谓主导学科，即在问题解决过程中对该学科所提供的知识、方法、技能依赖性较强的科目。主导学科的设计有利于保证知识系统性，避免平均用力；同时，主导学科有利于落实责任主体，增加教师合作和课程统整的执行力。同一学段的主导学科的拟定应兼顾STEM学科群的完整性和均衡性，避免集中在某门学科带来课程结构失衡。

再次，为保证统整内容的有效落实，需要结合概念、主题来拟定核心问题并分解为任务作为单元设计的出发点。通过挑战性问题设计使学生从事实思维转移到概念水平的思考。问题或任务是概念学习的“聚合器”，并内化为学生学习的自我监控策略。一个完整的问题或任务通常由条件、任务、行为表现三个要素构成，如“根据当地的台风和灾害活动，设计一个安全方便的避难所”。SRM项目围绕核心概念拟定了K12一贯的横断框架(见表2)。

表2 SRM 3—5年级的STEM横断设计[16]

(三) STEM框架的纵面设计

大概念统摄的STEM课程整体框架的纵面设计是STEM学习内容和表现标准在不同学段上的梯度呈现，主要回答“怎么学”和“学到什么程度”的问题。围绕大概念及其在不同学段的能力指向，确定适切的主题及任务形态。如对于“表征世界”这一大概念，3—5年级分别选定了“娱乐项目”(科学主导)、“水土流失模型”(数学主导)、“雨水分析”(数学主导)三个主题，这三个主题螺旋递进地培养学生基于逻辑与抽象的符号表征能力。针对三个主题分别设计学习任务： 调查学校的运动场或公园并设计一些新的既安全又吸引人同时环境友好型的娱乐项目；设计一个模型来证明当地或社区的水土流失情况；设计一个学校的雨水收集装置。以大概念为线索，主题层级、任务水平逐层展开。

对于每个学习任务，其核心在于促进学生产生概念水平的理解。概念学习水平在埃里克森看来由低到高可以划分为解释、例证、应用、验证、比较五个层级，应用、验证、比较属于概念习得的高级水平。[17]通过预先设计概念掌握层级确定单元设计和课堂教学的“靶向”。课程标准、学科标准、教学指南等标准类文本是科学拟定概念学习水平的重要工具。课程标准通常由内容标准、表现标准、机会标准三部分构成，其中蕴含了大量的可供借鉴的大概念、行为表现及学习指导。SRM项目把《下一代科学标准》《共同州核心标准》《21世纪技能框架》作为纵面设计的参照。如针对四年级“赛车模型”这一主题(科学为其主导学科)中的“摩擦力”概念，教师通过概念分析和标准工具分析最终确定了三个学习目标： 应用定律解释尚未学习的自然现象(“应用”层面)；运用定律设计一个不受摩擦力的现象(“验证”层面)；说明摩擦力定律与其他定律的关系，是否其它定律也解释了同样的现象(“比较”层面)。[18]纵面设计使STEM大概念逐层降解到在单元主题和课堂教学层面。

三、 基于核心概念的STEM单元设计

以单元模块设计课程被视作打破课时主义、实现课程统整进而撬动课堂变革的“杠杆”。[19]依循STEM整体框架，一致性地对背景、目标、评价、学习活动四个要素进行设计是STEM单元的应然追求。以SRM项目七年级“赛车”单元为例，该单元案例属于“因果关系”概念下以科学为主导的七年级学习单元，核心问题设定为“我们如何设计一个以能量转换为动能的运输工具？”在该单元中，学生应掌握能量转化、能量守恒定律、速度、摩擦力以及空气阻力等概念，并在具体实践加深对工程设计流程(Engineering design process，简称EDP)的理解。

(一) 背景分析

背景分析是对教学起点、终点的预估以及对教学过程的初步设计，包括单元目标分析、教学条件和学生分析。单元目标即期望学生完成单元学习后所达到的状态，作为单元教学的“靶向”起到定向、引导作用；教学条件着重呈现需要利用的课程资源；学生分析则涉及学生先有知识、需求、兴趣、学习风格等。通过三要素的整体分析确定单元教学的“最近发展区”。在上述单元中，学生将会像工程师一样进行团队协作研制一个赛车模型，这个模型将遵循一些设计限制，达到安全、节能、快速的效果。教师提供了几种可以采用的车轮、能量转换器等装置。在设计赛车模型的过程中，学生需要调查能源的类型、能源转换器、节能减排相关条例；此外，他们需要掌握速度、齿轮、刹车、引擎运作等概念和原理。学生将会现场观看X方程式赛车，观察、了解什么样的赛车能够在比赛中获胜。学生们把他们设计的模型展示给赛车专家，让专家对模型进行点评和改进。

(二) 确定单元目标

大概念统摄的STEM单元设计强调在概念掌握的层面拟定单元目标，并遵循逆向设计思路。在深度理解的层面甄选3—5条表现目标，保证在认知、情意、价值层面均得到关照，还要具备一定的兼容性，统摄到不同的学科实践当中去。上述单元围绕主导学科(科学)的同时，兼顾其他领域设定三条学习目标： 理解运动、力以及能量之间的关系，绘制出“能量转换”的概念图；团队合作制定方案，利用EDP研制车辆模型并解释作用原理；从历史、经济、地理和文化等方面理解赛车项目(社会研究)。这三个目标是从概念理解、运用的层面进行整体设计，围绕“能量转换”的核心概念关联起运动、力、摩擦、测量、守恒、工程设计、可持续发展、表达与宣传等，让学习者体验概念图式的形成、使用和迁移过程。

(三) 评价任务设计

逆向设计要求评价先行，围绕单元目标设计表现性评价任务，充分以发挥过程性评价的诊断发展功能。评价任务由期待结果、表现任务、测量指标构成。期待结果是单元目标的具体表现形式；表现任务是以期待表现为依据预设的实践活动，通常分为个体任务、团队任务两种类型；测量指标主要说明用什么工具，搜集什么样的证据以及如何通过高质量证据链推断学习成效。在“赛车”单元中，教师所期望的学习结果是“学生将理解工程设计过程的要素；学生能够将该过程中所涉及的概念学习以及探究活动的结果应用于最终涉及挑战当中”[20]。根据学习结果，项目设计了个人任务和团队表现任务。个人任务要求学生充分参与设计讨论并将自己如何把概念探究应用于挑战设计的过程进行记录，维护好自己的个人工作日志和实验报告。团队任务则重点围绕原型车设计如何发现问题，参与解决并把概念应用到原型车设计当中。测量指标主要包括个人的调查报告、工作日志、原型车设计的合理性、展示以及论证。

(四) 活动链设计

STEM单元主题具有整体性和关联性，把单元大任务按照问题解决的逻辑进行分解，设计同一情境下基于不同教学内容的教学活动，每一个活动既相互独立又彼此依存，在思维链条上逐层铺开，形成有前后关联的课时“活动链”。利用有逻辑先后的课时活动来引导学生的思维活动，引导学生学习相关知识和概念，达到结构化教学的目的。单元大任务情境作为粘合剂，加强了单元内容的内在联系，增强了学生的学习兴趣和知识获取过程中的乐趣，每个思维链条上的活动都由特定的核心概念统摄。“活动链”既是“思维链条”也是“概念链”。本单元的核心任务为“设计一个以能量转换为动能的运输工具”，该任务转化为七个子活动构成的“活动链”：活动1，通过视频展示创新型汽车设计的理念，邀请学生参加汽车设计X-挑战赛 ；活动2，互动游戏以及网站查询(指向“能量”概念)；活动3，“球的自由落地实验”实验(指向“能量转换”)，活动4，弹性体中储的能量随着力的作用而变化”实验(指向“弹性势能”)，活动5，使用一套简单的材料设计橡皮筋赛车(指向“速度”)；活动6，“道路材料对摩擦的影响”调查活动(指向“摩擦力”)；活动7，团队设计、制作与展示他们的创新型汽车并进行比赛。深入活动内部，每个活动都应课程化处理，一致性地从目标、内容、实施、评价四个层面进行系统设计，以此来保证活动质量并链接育人合力。

四、 反思与展望

大概念统摄的STEM课程一体化建设规避了学校规划与单元设计“两张皮”甚至相互抵牾的现象，促进学校课程与STEM课程的有机整合，形成上下衔接、左右联通的一体化课程架构。以核心概念为线索则突破了STEM课程建设的浅表化、碎片化难题，实现了“广度”与“深度”的统一。尽管如此，大概念统摄的STEM仍有其不足之处。一方面，大概念统摄的STEM过于关注STEM的工具性价值，缺乏对具体个体，尤其是认知层面之外的情感、态度、社会价值侧面的人文关怀，这与美国把STEM视作大国竞争的“国家资本”有关，倘若“理性”与“人文”、“社会”与“个体”缺乏统一，很难说真正做到“一体化”了。另一方面，基于概念的STEM框架设计过于强调迎合国家课程标准，在标准化运动、高利害评价饱受诟病的今天，如何利用并超越课程标准，显然是SRM项目需要深化探索的。

当前我国STEM课程建设仍处于探索阶段，尤其缺乏一贯、衔接的整体化设计，围绕核心概念并结合我国本土课程资源构建上下衔接、左右贯通的K12一贯课程框架是STEM教育深化发展的趋势。在这个过程中，需要兼顾STEM人文性与科学性、社会性与个体性的统一，避免过度迎合市场而功利化。另一方面，在我国“基于标准”的教学与研究方兴未艾，学校课程建设中仍缺乏标准意识，一方面要树立标准意识，充分利用国家、地方、学校课程标准筛选目标、提取概念，同时要跳出并超越标准，做到双向负责。此外，概念本位并非以“为了概念而概念”，其本质是通过“概念”实现知识整合并撬动学习方式的转变，概念获得的方式远比概念本身重要。在把“概念”约等于“知识教学”的本土语境中，应避免滑入“知识”教学的泥淖。