面向I-STEM 教育的教师跨学科教学能力多维模型构建研究

宋 歌 , 康海军

（河南师范大学 a.教育学部；b.马克思主义学院，河南 新乡 453007）

一、引言

1986 年， 美国国家科学委员会首次提出科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）教育集成战略（以下简称STEM），发展学生跨学科思维。 学界倾向于把STEM理解为以学科整合和创新性为特征的教育模式。 历经近20年的发展， 大量研究证实STEM教育为培养21世纪创新型、复合型与应用型人才提供了可行的操作路径，许多国家和地区已将STEM教育纳入国家战略发展政策。随后，整合式STEM（Integrative STEM，以下简称ISTEM）作为对前期分科式发展［1］等方面进行反思的教育模式被提上日程。 I-STEM教育以学生发展为教育目的，核心要义是跨学科，强调在关联学校学习、未来工作和社会生活的跨域情境中帮助学生理解世界的复杂性并作出正确选择。

I-STEM教育对STEM教育的新理解只有被教师落地课堂，才能对学生发展产生现实作用。 这便要求教师具备一定的跨学科教学能力［2-3］。 然而，世界范围内具有跨学科教学能力的STEM教师仍极其稀缺，教师专业性不足成为全球I-STEM教育面临的突出挑战。 近年来，中国国内已有不少学校先行试点STEM教育，但经常存在“课程设计偏离跨学科整合理念”“教师过分关注技术、学生只会简单模仿”以及“跨学科问题解决浅尝辄止”等突出问题。2017年中国教育科学研究院发布《中国STEM教育白皮书》，已明确指出：教师问题是制约STEM教育发展的最大瓶颈。 笔者以发展STEM教师跨学科教学能力为切入点，构建符合中国国情的本土化多维模型，为STEM教师职前准备和在职专业发展提供支持。

二、I-STEM教育的课程性质、教学策略与教师评价研究回溯

无论是I-STEM教育的课程性质、教学策略的内在诉求，还是I-STEM教育的教师评价的现状，都说明了教师跨学科教学能力建设亟须提高。

（一）课程性质：凸显学科关联、问题导向，将学生发展置于整合的核心

2014年，美国国家工程院和国家科学委员会联合发布《K-12教育中的STEM整合：现状、前景和议程》， 明确了I-STEM教育本质上是跨越学科边界的整合课程［4］。新近，凯利等人进一步提出I-STEM教育的概念框架［5］，明确整合的具体思路：以“学生发展”为教育目的，以“问题解决”为导向，从关注科学、技术、工程、数学的关联程度转向聚焦“关系”，将4门分支学科之间相互渗透的关系融于个体与社会、 自我与自然世界互动的基本关系中。 可见，研究者们已经从超越课程组织的视野认识“整合”：整合的取向开始触及社会关切，追求学科价值、育人价值和社会价值的统一；整合的目的已经不仅是为了克服学科割裂， 还是为了帮助学生应对未来的学习挑战，鼓励学生关注全球化时代的复杂议题、参与共建人类命运共同体。这一具体思路反映了I-STEM的课程性质，确立了教学实践的具体行动指南。

2017年，中国教育部印发《义务教育小学科学课程标准》， 提出I-STEM教育应该是一种以问题解决为导向的课程组织形式， 旨在通过四门学科的有机融合培养学生的创新能力， 倡导教师开展跨学科教学实践。2021年，上海市将“跨学科案例分析”加入初中学业水平考试综合测试的计分科目。 2022年，中国教育部发布最新修订的《义务教育课程方案》，跨学科主题学习已正式进入国家课程， 要求学生了解跨学科解决实际问题的方法，并尝试解决实际问题。学者李雁冰［6］、陈忞［7］立足教育“立德树人”的根本任务，也明确指出应将“人的发展”置于I-STEM教育的核心。 从上述理论与实践两个层面来看，I-STEM教育思潮所倡导的整合观对中国具有一定的社会适切性。

（二）教学策略：融通科学探究、设计思维，在教学中发挥两者交融功效

上述I-STEM教育的整合思路——问题导向和凸显学科关联，只有依靠教师有效的教学行动，才能真正得以实现， 从而达成促进学生发展的终极教育目标。 国内外相关研究结果逐渐确证了与I-STEM课程性质相适的教学思路是 “给学生提供在系统设计中探究复杂现实问题的机会空间”， 即通过项目式学习，有目的地在科学探究中融入设计思维。科学强调实证研究，认为通过实验、观察并构建尝试性的解释至关重要，因此“探究”成为科学教育的主旋律；技术强调心智活动与动作技能相结合的人工物设计制造， 技术教育现已进入以工程设计为主体的第四阶段，形成了以“设计”为内核的ETE（工程技术教育）理念。 探究与设计都是复杂的认知活动，两者虽然在目的和功能上存在差异，但是却通过“做中学”有机地交织在一起［8］。 设计需求带动探究，为日常知识、客观事实转化为科学知识提供了境脉， 迭代的设计过程为形成更加系统化的、 抽象的知识体系提供手段支持；探究结果成为设计依据，引导学生作出合理的设计决策来改进人工自然物。

将设计思维融入科学探究具有三个方面的功能：其一，能让学生深刻地领会科学与工程、技术在认识和改造世界过程中相互支持的关系；其二，为指向整合的创新提供方法与策略指导；其三，消解技术在当前课程中只提供学习兴趣、 学习动机或产品制作工具的困境。

（三）教师评价：立足质化研究取向，评价STEM教师的跨学科教学能力

I-STEM课程性质所折射的整合观以及相应的教学策略对教师专业发展提出了新诉求，提升STEM教师的跨学科教学能力是当前全球I-STEM教育战略关注的热点问题。无论是职前教师准备，还是在职教师培训，都需要科学、准确的STEM教师跨学科能力评价研究来提供证据支持。 已有评价研究主要从课程教学组织过程的视角认识跨学科教学能力，评价内容涵盖了课程设计［9］、基于技 术的学习环境设计［10］、教学实施［11］与实践反思等［12］。

研究者往往依赖现场观察、访谈、教案与教学反思日志等多重质性数据， 通过扎根理论取向的编码分析，评价STEM教师在特定教学情境中所采取的行动。也有部分研究使用量规、观察量表，着重“学生的学”， 分别对课前教学设计与课堂教学进行量化统计。比如：通过宏观层面的教学事件分类分析来评价教师能否促进学生参与跨学科学习， 通过微观视角的师生互动行为差异比较来评价教师能否促进学生对大概念的理解等。 因为主要用于评价在职教师的短期培训成效， 所以已有的研究——无论是编码分析还是依据观察量表，都未能形成针对I-STEM教育的微观教学实践标准。 而且大样本研究的匮乏导致了需要大数据驱动的STEM教师培养政策的制定和STEM教师专业发展的干预、调节缺乏证据支持。

为缓解这一困境，亟待形成STEM教师行为效能的评价标准，绘制STEM教师职业“画像”，建构理论模型。 近来，中国学者尝试从不同视角提出STEM教师跨学科教学能力的理论构想［13-15］，然而，这些模型都是心理认知取向， 旨在通过组成要素及其相互关系的分析，实现对概念的深层理解。本研究将构建实用取向的STEM教师跨学科教学能力模型，在厘清内涵的基础上， 分条目、 按序列整理构成要素， 明确STEM教师胜任I-STEM教学的基本要求，以此作为大规模的STEM教师跨学科教学能力测评框架，使得数据驱动的教师专业发展成为可能。

三、教师跨学科教学能力多维模型构建

在前人研究的基础上， 本文通过自上而下归纳演绎的方式，剖析跨学科教学能力的内涵特征，明确阐述跨学科教学能力对STEM教师在工作与学习场景中的行为要求，建构面向I-STEM教育的教师跨学科教学能力多维模型，作为测评框架以指导STEM教师评价与专业发展。

（一）跨学科教学能力的内涵特征

下面笔者从“能力”本质与“多维”构成两方面来分析跨学科教学能力的内涵特征。

首先，跨学科教学能力是STEM教师在真实的ISTEM教学场景下解决具体教学问题所表现出的有效行动。 以能力为基准，强调这种行动可迁移，它是教师在跨学科意愿的驱动下， 运用结构化知识和技能， 在与教学实境的互动中创生跨学科意义的外显化行为表现。 因此，跨学科教学能力本质上是知识、技能与态度融合的复杂体系， 直接体现在教学活动（情境）中，能被观察和测量。 其次，STEM教师需要主动地寻求整合的可能性， 平衡学科核心概念的渗透与跨学科体验的积累， 探索跨学科意义应有的深度和广度。 这体现了I-STEM教学实践的复杂性，也因此决定了跨学科教学能力的多维结构， 各维度彼此关联、相互影响，共同构成能力系统。

（二）跨学科教学能力的组成维度

根据国际已有STEM教师跨学科教学能力评价研究，如果面向I-STEM教学过程的各个活动环节对教师提出能力要求，按照教学起始、开展与结束3个首尾衔接和始末循环的基本环节， 那么一个专业的STEM教师就是懂设计、能行动、有研究。 经过要素初探和专家咨询，STEM教师跨学科教学能力被分解为包含二级指标体系的能力要素群：3个一级维度和11个二级指标（图1）。

图1 STEM教师跨学科教学能力要素

1.跨学科教学设计力

教师的主业是教学， 教学与深思熟虑的理性设计相依存。如果说“教学是一门设计科学”“教师即设计师”等观点彰显了设计的核心地位，那么“为学习而设计”则折射出设计的落脚点，即设计聚焦学生身上将要发生的变化，关注他们“需要理解什么”“能做什么”。 在I-STEM教育中应用广泛的逆向教学设计模式正与此相通。 国内外学者对逆向教学设计路径给出了近似的回应。威金斯和麦克泰格提出经典的3阶段［16］，具体涵盖选择学习目标、确定合适的评估证据和设计学习体验活动， 胡艺玲等人已将此运用至I-STEM教学设计的流程指导［17］。 在此基础上，冯春艳和陈旭远着眼于以问题贯穿课堂始终， 特别增加了“编写基本问题”［18］，将3阶段扩展为4步骤。 因此，跨学科教学设计力下属4个二级指标（图1）。

教学目标是整个教学设计的逻辑起点。 I-STEM教育旨在促进学生在现实问题解决中潜移默化地获得对于现象本体的、方法的以及价值的综观，当学生能够整合不同学科的概念（原理）、思维方法与探究模式以及灵活地、创造性地应对复杂开放的情境时，他们就表现出高水平的跨学科素养。因此，教学目标设计要建立起与跨学科素养的关系， 与该目标吻合的学习评价要根植于实际情境， 并聚焦学生对多学科知识在深层意义上的整合运用。 因为蕴含问题的情境是学生跨学科素养产生和发展的基本载体，所以教师应该通过设置问题来引导学生在探究与设计的穿插转换中创造知识。 问题的组织和呈现需要置于探究与设计的耦合行动中， 教师需要将此作为设计学习活动的基调， 并为设计学习活动的结构和细节提供参考。

2.跨学科教学行动力

教师的本真职业状态是通过教学过程执行精心设计的教学方案并机智处理现场状况。 目前国际培训、绩效、教学标准委员会和美国专业教学标准委员会发布的通用型教学能力标准中的教学实施指标已被广泛接受， 另具有相当国际影响力的是丹尼尔森团队、皮恩特团队分别提出的FFT框架［19］和CLASS框架［20］，中国国内反响较大的是崔允漷教授提出的课堂观察LICC模式［21］。这些指标虽各有侧重，但都强调师生互动直接作用于学生学习增益， 包含 “课堂组织”“学生参与”“学习支持”。 STEM教师将I-STEM教学由设计态转变成运行态的教学行动既具有跨学科学习空间所蕴含的特殊性， 又应当体现教师教学实施的共通性。沿着这一分解思路，跨学科教学行动力下属4个二级指标（图1）。

首先，课堂组织是课堂教学的“生产力”，把跨学科作为一种教育愿景的实质目的是为学习者未来学习做准备。 因此，STEM教师要从指导学生快速、准确地完成作品转向关注学生跨学科学习经验的积累和迁移，通过实施设计、实验和“头脑风暴”等课堂组织， 引导学生看到跨学科思维方式在实际生活中的价值。其次，学生课堂参与的深度影响其跨学科学习机会的多少， 进而导致学生学业成就的差异。 因此STEM教师需要综合运用多种策略确保所有学生全面且多样地参与I-STEM学习，让学生在行为投入之外还要增加认知投入和情感投入。再次，在复杂学习中要为学生提供“支架”以提升其学习效果。 已有丰富的实证显示学生不会自发整合，因此STEM教师需要将类型丰富的跨学科学习支架作为有效的学习干预手段，支持学生协同创新。 最后，融合技术手段已经成为数字化时代讨论I-STEM 教学的基本语境，STEM教师运用技术变革跨学科教学理所应当成为一个独立的观测指标。 它具体表现为教师超越对技术功能的关注， 创建具有参与性和创造性的智慧学习环境，以技术维持和促进I-STEM学习、捕获相关数据并做出基于学习证据的课堂教学决策。

3.跨学科教学研究力

伴随着新的教师形象——教师作为研究者，研究亦成为教师的专业活动内容。教师将研究作为解决教学实践问题以及改进教学的重要方法， 不仅要思考“教什么”“怎么教”，而且要思考“怎么教得更好”。 国家层面对教师“研究者”角色在《小学教师专业标准（试行）》《中学教师专业标准（试行）》中也有相应的制度性规定，教师要具有“针对教育教学工作中的现实需要与问题进行探索和研究”的能力。但在实践中，教师研究走入了误区和困境，比如：以论文发表作为教师评价指标、学校青睐“大课题”“大问题”以及校外专家与教师“主宾”位置颠倒等。因此，按照厘清“为何研究”“研究什么”与“怎么研究”等问题的脉络，跨学科教学研究力下属3个二级指标（图1）。

第一，教师作研究寻求的是思维上的变革，通过有意识地进行教学反思和行为改进，获得教学理性。因此，STEM教师需要以研究者的眼光审视和分析ISTEM教学实践中的问题，反思自身行为，通过研究进行寻根问底的探寻，获得对I-STEM教学超越经验水平的、更为深入和全面的认识。 第二，伴随着课程改革的“教师即研究者”实践，以教师为课程主体的校本文化得以确立，体现在校本课程、校本教研和校本培训3方面的校本文化使得教师“研课程”成为一种必需。 因此，STEM教师应该从传递现成课程、低门槛地实施I-STEM教学， 转向主动而深入的课程开发，在此过程中更好地理解跨学科特征与策略，创新I-STEM教学。 第三，教师需要在学习共同体中，通过“合法地边缘性参与” 逐渐成为专业的研究者。 ISTEM的课程性质与教学策略要求STEM教师突破专业和学校界限，开展跨学科的协同教学，这提供了同侪合作的天然空间。 因此，胜任型与新手型STEM 教师聚焦I-STEM教学实践，分享资源、交流经验，从中提炼问题、形成假设，并通过实证研究、行动研究、反思性实践与教育叙事等检验假设的正确性， 实现彼此观念的更新与行动的改进。

四、结语

STEM教师跨学科教学能力模型着眼于中国特色理论话语体系构建， 合理划分并清晰界定了教师的外显化行为表现和教师I-STEM教学实践标准与评价标准， 有助于深入把握教师跨学科教学能力的表现特征。 在中国教育部最新发布的《新时代基础教育强师计划》 指引下，STEM教师跨学科教学能力模型也为教师职前教育和在职教师的专业发展提供了“高水平”支持力量，它沿着“理论框架假设—测评工具开发—职前/在职教师专业发展项目设计与实施—数据处理与分析—理论框架修正” 的循环式思路，设计兼具理论性和实践性的专业发展课程，并开发相应的测评工具，促进所开发模型的创新应用。 例如：在被试群体中开展实证研究，可以将文本教案、课堂教学视频与包含开放题目的问卷调查分别对应到教师设计力、行动力与研究力的考查量标之中，对收集的数据进行多维项目反应理论分析，确证STEM教师跨学科教学能力发展的差异表现。 此外，还可以采用聚类分析、 相关分析与回归分析等分析方法对STEM教师跨学科教学能力进行深度挖掘，明确教师个体特征（比如：学科背景、跨学科态度、跨学科教学经验等因素）的直接影响与具体作用机制，为智能时代背景下的STEM教师精准化、智能化与专业化发展提供重要的数据支撑。