基于核心素养的跨学科STEM课程设计与实施

■ 潘 芳

一、问题的提出

2014年，教育部印发了《关于全面深化课程改革 落实立德树人根本任务的意见》，首次提出研制学生发展核心素养体系，同时将“跨学科主题教育教学”列为要着力改革的关键领域和主要环节之一。2016年，《中国学生发展核心素养总体框架》将核心素养界定为“学生在接受相应学段的教育过程中，逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力”。其具体体现为包含文化基础、自主发展、社会参与三大领域以及人文底蕴、科学精神等六大指标。《普通高中课程标准》中，各学科提出了本学科的核心素养，学科核心素养突出反映学科本质观和学科教育价值观，清晰界定和描述学科对学生发展的价值和意义，从而使学科教育真正回到服从服务于人的发展方向。STEM教育正体现出了与促进学生核心素养发展的一致性。2017年《中国STEAM教育发展报告》指出，“在第四次工业革命背景下，应培养具有科技和人文素养的创新应用型人才，国家未来发展战略需要培养学生的创造力、协作交流能力、批判性思考、解决真实问题的能力和社会责任等”。由此可以看出，STEM教育所强调的运用“真实情境下的问题解决”“跨学科”培养学生创造力等综合素养，与学生核心素养所遵循的跨学科整合的要求是一致的。

所谓跨学科，主要指能够超越各个学科的界限，又将其联系为统一体，是一种反映多学科融合的上位思维和实践方式。跨学科学习可以从不同学科视角将相关知识有逻辑地联系在一起，这样可以增加学生的体验性、参与性和挑战性。STEM教育作为一种跨学科的育人方式，它顺应了时代发展与政策要求，成为培养未来人才的教育模式之一。《义务教育阶段课程标准》，在小学科学、中小学综合实践活动、高中信息技术、通用技术以及其他科目中都特别指出推进STEM教育和应用STEM教育理念推进学科教育的指导意见，为中小学推进STEM教育起到了政策引领和内容导向的作用。

STEM课程的设计与实施需要聚焦学生核心素养、从跨学科角度呈现学生应具备的、能够适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，其中特别包括STEM教育所强调的科学思维、工程思维、探究能力、问题解决、技术运用等。同时，由于STEM教育主要是科技类课程跨学科的复杂融合，STEM课程的教学目标需要明确在解决科学与工程实践问题过程中需要培养的多学科核心素养。但是从目前的一些实施成果看，在开发STEM课程的过程中，教师对STEM课程要达到的目标存在模糊认识，未体现出聚焦和落实核心素养，同时对于STEM课程内容的设计也存在不足，缺少综合性、探究性等特征。这些问题直接影响了STEM课程的学习效果。为此，通过积极开展STEM课程设计与实施的研究，可以促进学校STEM教育不断可持续发展。

二、核心素养背景下的STEM课程目标与内容设计

（一）围绕核心素养设计STEM教育的课程目标

STEM教育并非科学、技术、工程、数学教育的简单叠加，而是以学科整合的教学方式让学生综合掌握知识与技能，进行灵活迁移应用、解决实际问题，重点培养学生的科学素养、创新思维和实践能力。因此，在开发STEM课程的初期首先着手思考并设计“围绕核心素养设计基于STEM教育的学习目标”，并列出课程的STEM目标总览。由此达成对于STEM课程目标的清晰认识。以《航空航天STEM课——设计探月车》课程为例。

表1 《航空航天STEM课——设计探月车》的课程目标

（二）基于真实问题的STEM课程内容

1.课程内容设计的原则

所谓真实问题主要是指源自学生真正的生活体验和学习实践，能够更好地促进学生理解和建构知识的问题。为了更好地突出STEM教育的特征，我们在设计STEM课程中制定了以下基本原则。

（1）综合性原则

STEM课程将科学、技术、工程、数学相联系，学习过程中，教师以一个与现实密切相连的、真实的、综合的项目吸引学生，意在打破学科间的独立性，引导学生充分融合各学科知识来进行实践和创新，从而提高学生的综合能力。

（2）探究性原则

在完成项目的学习过程中，学生通过探究不断掌握科学知识、提升技术水平、培养工程思维、应用数学知识，从而发展学生的探究能力。

（3）时代性原则

时代变化日新月异，科学技术时时刻刻改变人类的生活，学习任务的设计需要注意新旧知识的融合与递进，从前沿的发展趋势、科技成果与发现等方面来重组教学内容。与此同时，教学的内容、方法等都应体现时代性、创新性，让学生在STEM课程的学习中感受时代的发展和新技术带来的魅力。

（4）合作性原则

合作是指两个或两个以上的学生或群体，为了达到共同的目的而在行动上相互配合的过程。在开展“小组合作学习”的教学过程中，我们根据每个人的特长进行分组和分工，教师是各小组合作学习的组织者和掌控者，是组内研讨的参与者和引导者。

2.基于真实问题的STEM课程内容

根据STEM课程设计的基本原则，结合学生在日常生活与学习中遇到的真实问题，引发STEM探索课程。比如，《能量小车设计》课程以“制备一辆能跑起来的能量小车”为目的入手，既包括利用工程制图设计小车车体，并根据图纸设计来搭建小车车体，也包括运用已有知识来设计小车的驱动及供能装置，目的是使小车动起来，其中最重要的是探究太阳能驱动原理和供能装置设计。这些都充分体现出综合性和探究性特征。同时，该课程的时代性主要表现在太阳能新能源技术的应用，而且由于项目具有较大的复杂度，实施过程中采用3-5人为一个小组进行，具有合作性特征。源于学生的真实问题开发的STEM课程不仅能使教师明确开发STEM课程的方向，同时也能吸引更多的学生参与其中，促进学生不断提升探究综合问题的能力，不断感受新时代技术发展的魅力，不断收获合作成长的喜悦。

三、基于核心素养的跨学科STEM课程的实施策略

（一）基于科学实验问题的探究式教学

基于问题的探究式教学是教与学相互统一的过程，是一种结合使用网络技术、科学技术等多种课程资源，以探究分析问题为导向的教与学互动的教学模式。学生以解决某一问题为目的入手，将工程设计、技术应用、数学计算、科学知识与方法等集合到具体的解决问题中去，即让学生经历科学探究以及工程设计的过程，再运用数学计算、技术工具等的帮助进行成果总结与展示。需要注意的是问题需要具有前沿性、基础性、交叉性等，这样有利于培养学生的创新意识，为培养高素质人才打好基础。以《智能校园巡逻车设计》的课程为例。

智能校园巡逻车就是用信息技术和智能控制技术集成的载体，对于它的设计是从引导学生分析如何实现汽车智能控制的问题入手。比如：如何解决避障问题、如何获取周边信息、如何按照规定线路进行巡逻以及如何发现异常情况并报警等等。在聚焦问题的基础上，引导学生将相关领域的工程设计、技术应用、数学计算、科学知识与方法等集合到问题解决中，从而激发了学生的深层思考和创造性，促使学生发挥创造力，提出多种方案，激发兴趣，亲自动手，大胆实践，让学生逐步掌握智能车的工作原理，完成智能校园巡逻车的设计，收获成功的喜悦。

（二）基于生活实践问题的项目式教学

项目式教学以学生活动为主，教师引入与课程内容相关的项目，学生主动查阅相关资料和思考相关问题，并设计、规划、实施、测试以及评价项目。项目式教学一般分为五个步骤。第一，项目设计，即在进行项目之前，教师完成思考项目主题、STEM目标、学情分析等工作。最重要的一点就是项目主题一定是“基于生活实践问题”，即生活中真实的实践问题，来自学生真正的生活体验和学习实践 ，能够更好地促进学生理解和建构知识。第二，由学生根据项目要求对项目的时间安排、具体内容、任务划分、实施步骤等进行具体的讨论，并将各个任务分配给各个小组成员。第三，根据计划开始实施项目，在需要时进行合理的调整。在此过程中，教师适时地给予学生帮助，同时也需要教师对学生进行监督。第四，对项目的实施结果进行测试分析，并完成项目报告撰写。第五，以小组的形式进行项目成果展示，评价方式分采用过程性评价（包括项目设计、规划、实施、团队协作等方面）。以课程《面包生产工艺》为例。自制面包是学生日常非常感兴趣、喜爱学习和参与实践的一个项目，该项目既属于日常生活实践的问题，同时也表现出STEM教育的特征。面包的制作过程包括原材料称量→搅拌→基本发酵→分割称重→滚圆→中间发酵→整形→最后发酵→烘焙。从科学角度，学生要学习如何实现科学配比的发酵，其中涉及从物理学科角度研究面团黏度对面包品质的影响，从化学角度研究面团的理化性质对面包品质的影响等；从技术角度，学生需要掌握发酵技术，同时利用电脑软件绘制商标和海报，完成产品的市场推销；从工程角度，学生需要关注整个项目环节的各个流程和实施步骤；从数学角度，学生需要完成计算配比。因此该项目的学习源于生活、高于生活，凸显出基于核心素养的跨学科STEM教育理念。

表2 《面包生产工艺》的项目学习过程

（三）基于跨学科学习的5E式教学

5E教学模式包括参与（Engagement）、探究（Exploration）、解释（Explanation）、迁移（Elaboration）和评价（Evaluation）五个阶段。参与阶段主要是指教师向学生提供一个教学情境，这个教学情境可以是一个问题或一个项目，目的是激发学生学习兴趣和研究的欲望；探究阶段主要是指教师作为学生学习的促进者、指导者，引导学生通过观察、讨论实现对于科学知识及其之间逻辑联系的探究，这是引入新概念或规律的重要前提；解释阶段主要是指学生需要对其探究的结果进行解释说明，同时教师对于涉及的科学概念和规律进行深入讲解；迁移阶段主要是指学生为完成项目，以合作学习的形式分析讨论、制订计划，同时查阅资料获取信息，解释项目中的应用原理，动手实践，积极探索；评价阶段主要是指通过自评、互评、师评三者结合，学生不仅可以对自己的探究思路、方法等进行反思与交流，也可以认知自己在整个学习活动中的贡献。总之，5E教学模式旨在促进学生参与主动、合作和基于探究的学习。5E教学模式是在建构主义教学理论和探究式教学的基础上提出且不断发展起来的。目前，将5E教学模式运用到STEM教育实践中是当前国内外出现比较多的一种尝试，其缘由主要是5E教学模式更加凸显STEM教育所强调的科学思维、工程思维、探究能力、问题解决的理念。以《探月车设计》课程为例，简述5E教学模式的实施过程。

表3 《探月车设计》学习过程

四、成效与反思

STEM课程作为跨学科课程的一种形式，与学科课程形成了互补，其独特的育人价值在于培养学生的高阶思维和综合能力。通过开发和实施STEM课程，一方面，可以推动学校科技特色的发展和创新，发挥STEM领航学校的示范作用，带动本校和周边区域学校的STEM教育不断成长；另一方面，也可以帮助参与STEM课程学习的学生收获成长的喜悦，学生通过参与STEM课程学习，在科学思维、工程思维、探究能力、问题解决、技术运用等方面都有显著提升。我校学生在近年北京青少年创新大赛、全国青少年航空航天模型锦标赛、未来工程师大赛、未来太空学者大会等各级各类竞赛中先后获得奖项，真正实现通过STEM教育为国家培养面向未来的具有竞争力的后备科技人才的目标。

STEM课程开发与实施的策略研究可以精准指导教师开发和实施STEM课程，突出课程的科学性、趣味性、实用性和创新性等特点。另外，在未来的STEM课程开发和建设过程中，我们也要重点关注三个方面。第一，关注学科间的深度融合。通过将学科之间进行深度融合，使学生在学习每个领域的知识和技能时，也将这些知识和技能融会贯通，从而实现跨学科、跨领域人才的培养。第二，关注学生的全面发展。通过定义问题、建构知识、解决问题和交流讨论，帮助学生掌握完成综合项目的基本技能。让学生学会运用科学知识、数学和技术，在真实情境中完成工程任务。将知识付诸实践，在完成任务的过程中，促进学生的全面发展。第三，关注课程的多元评价。在实施课堂教学过程中，教师要积极创造一个良好的学习氛围，对学生要及时、全面、有效地评价。多元评价包括三个方面：评价方式的多元化，即关注学生的学习过程，运用自我评价、生生评价、小组评价、师生评价等方式，客观、全面地评价课堂中的学习活动；评价角度的多元化，即在课堂教学中，教师尊重每一个学生的个性特征，允许学生用自己不同的方式表达自己的想法；评价时机的多元化，即在学生取得进步时，教师及时地加以肯定，让学生感受到来自教师的赞赏，在学生失意失败时，教师要及时地加以鼓励，让学生学会在逆境中正确看待自己。通过实施多元评价，达到树立学生学习自信心，激发他们学习积极性的目的。