什么影响了学生STEM学习的成败？——一项基于证据的微观STEM教学实证研究

曹 峰

(西安高新第一中学初中校区，陕西 西安 710075)

当前，STEM教育在我国基础教育领域的发展形势可谓如火如荼。在我国，STEM教育已走过概念引介、特征与内涵梳理的初步发展时期，正步入实践教学的深耕阶段。随着STEM实践教学的广泛开展与持续推进，近来揭示STEM教学效果、关注学生STEM素养发展的实证研究也逐渐丰富起来。如，樊雅琴通过问卷对学生参与度与成绩、性别之间的关系做了分析；[1]吴永和等通过对基于R语言和3D打印为内容的教学分析，发现STEM教学对大学生的跨学科实践创新能力产生了积极影响；[2]张屹等通过对小学四年级的学生进行前后测对比，发现基于设计的跨学科STEM教学可显著提升学生的跨学科学习态度；[3]周榕等通过对42项研究的元分析，发现STEM教学对发展学生的创造力具有中等偏小的正向影响；[4]陈凯等对江苏省483位参与过STEM教学的中学生进行了实证调查，结果显示学生的STEM学习态度整体趋向积极；[5]刘徽等通过对浙江省H市的基础教育阶段的学生的教学情况的调查，显示STEM教学对学生的高阶能力有正向成效；[6]曾昭炳等通过元分析发现STEM教学对学生的学业成绩有积极影响；[7]刘徽等聚焦STEM教学中的学生失败，通过实验研究发现，有效指导型教学在迁移效果方面明显优于无指导型教学和有指导型教学。[8]

然而，聚焦微观的STEM教学现场，既关注表现卓越者，又不忽视表现不佳者，完整总结所有学习者的STEM学习结果，剖析影响学生学习成败的影响因素，这样的研究尚不多见。为此，本研究以一次在初中阶段以社团形式开展的STEM教学为例，进行实证研究，探究影响学生STEM学习成败的关键因素，以期为STEM课程开发、理论研究与教学实践等专业同行提供借鉴，推动STEM研究与教学的更高水平发展。

一、研究设计

1.课程简介

本课程由笔者于2020年10月至2021年6月在本人所在教学单位以社团课程形式开展。课程开展时间为周四下午，每周一次，每次约80分钟教学时间。本课程一共开展了18次学习活动，其中前7次为Arduino基础知识学习阶段，后11次为综合项目实践阶段(下文简称项目)。项目主题为《一份礼物·智能饮水提醒装置》，由笔者自行开发。该课例融合了生命科学的生命健康、化学学科的酸碱性、信息技术领域的Arduino智能开源硬件设计、社会科学领域的问卷调查与访谈等跨学科知识内容，采用项目式教学方式，教学策略应用强调共情与创新的设计思维，通过团队协作设计并制作带有提醒功能的科学饮水装置，作为礼物表达对他人的关心。在本项目中，学生历经了饮水科学知识普及、采访调查、科普饮水知识、深度访谈用户、分析用户需求、确定方案目标、设计方案、原型制作(Arduino开源硬件+ Mixly程序设计+装置物理结构设计与搭建+原型作品外观美艺处理)、测试及优化、项目展示与总结等实体教学环节，也培养了跨界沟通、自主管理项目、团队沟通与协作、自主学习等内隐性、需长期发展的素质品质。整体而言，对于初中新生，该项目的难度为中等偏高。

2.学生简介

本研究的学生对象为参与本社团的29名七年级新生。其中，男生27名，女生2名，平均年龄13岁。学生选择社团的途经与对STEM的了解情况的基本信息如表1：

表1 学生基本信息

在入社途径方面，以STEM为兴趣爱好和对STEM好奇是学生选择STEM社团的主流，两者合计比例高达79.3%；在了解程度方面，绝大部分同学对STEM不了解或只是简单知道，说明绝大部分学生对本系列的STEM教学处于零基础的认识状态。概括而言，学生对STEM有着较高的期待，但学生的基础低，这表明本次STEM教学机遇与挑战并存。

3.研究工具

(1)问卷设计。经过文献梳理结合笔者近年来在STEM教学中的切身反思，本研究最终确定了影响学生个体STEM学习结果的4个一级指标、16个二级指标，具体见表2。换言之，本研究期望探究学生个体的STEM学习是否与学习态度、师生交互、团队协作、自主探索这四个因素存在影响关系。

表2 影响学生STEM学习结果的一级与二级指标

因此，根据上述维度，本研究分别设计了学生的学习过程自我评价问卷(下文简称问卷)和教师观察日志(下文简称日志)。问卷采用Likert 5级量表计分，“5”表示“非常成功”，“4”表示“比较成功”，“3”表示“一般”，“2”表示“不成功”，“1”表示“很不成功”。问卷是在整个STEM学习项目结束后由学生独立结合自己的学习过程表现填写；日志是在项目开展的每一个教学环节的过程中由教师以每个学生小组为单位对各学生的学习过程表现做记录。日志相比问卷，在记录方面有更多的开放性以支持真实客观地反映学生的表现，问卷则以更直观的数据来反映学生的学习过程表现。

为对全体29名学生进行学习过程评价，同时避免个别同学将来可能出现敷衍填写问卷的情况，笔者作为课程实践教师对所有学生进行了数据打分(下文称师评数据)。并且为保证问卷具有较高的可靠性与有效性，在正式向学生开放问卷前，对问卷进行信度分析，结果见表3。

表3 问卷信度分析表

本问卷的信度系数为0.989，接近信度系数最理想数值1，证明该问卷具备极高的信度。即该问卷具有很高的可靠性，可在后续环节向学生开放使用。

(2)学生学习表现证据链设计。学生个体STEM学习结果的成败何以判断？本研究认为STEM学习的成败既要关注学习结果，也要关注学习过程，但最核心的标准是学生是否持续投入并重塑了其原有认知。这些标准的判定需要完整、准确、说服力强且成逻辑的证据链，以综合评定学习过程与学习结果。为此，在《一份礼物·智能饮水提醒装置》项目中，从学生和教师两个角度开发了连续的证据链：面向学生有“学生项目书”“学生自评表”“本组作品小结表”“汇报评价表”等评价性、反思性材料，还包括“科普调查”“科学访谈提纲”“基础信息调查”等过程记录性资料；面向教师的“教师课堂观察日志”“课堂视频实录”“课后访谈”等证据链形式。综合学生和教师的各类学习过程证据，能够清晰且准确地对29名学生在本次STEM学习中的综合表现给予精准的评价。因此，证据链的设计是此次对学生STEM学习结果成败评价的根本依据。

(3)研究统计工具。本研究中的研究软件包括SPSS20.0中文版、EXCEL等。本研究中原始的问卷数据由EXCEL做基础记录，交叉表分析、问卷信度分析、相关分析、回归分析均应用SPSS完成。

二、数据收集与处理

1.研究所采用的原始数据来源

如前所述，问卷由教师和学生分别独立填写。学生是严格按照问卷的形式即1、2、3、4、5的分值形式进行填写并计分的。为更具客观性和易于教师区别学生间的表现差异，教师在打分过程中采用0.5、1、1.5、…、4.5、5的计分方式。这样，在问卷的16个二级维度上获得了每位同学的两份数据(师评数据与生评数据)，这是本研究的原始数据。

然后，对生评数据逐一进行信度检验。检验方式即为对比同一学生的生评与师评数据。对比时，以每个一级指标即4个二级得分情况为单位进行，根据不同的条件对29份原始的生评数据进行信度甄别，具体见表4。

表4 问卷信度分析表

研究发现，29份生评数据中存在一些信度不足的低效或无效问卷。为全面而更真实地反映全体29名学生在此次STEM学习中的客观表现，分别对三类不同信度的生评问卷数据进行修正：有效问卷完全采用原始生评数据；较低信度问卷，最终数据取生评数据与师评数据的平均值；严重低信度问卷，完全采用师评数据。换言之，本研究是结合学生自评与教师评价以综合确定学生的学习过程表现，这能最大程度地保证所有学生在问卷16个维度上的数据与其真实表现相一致。29名学生中，校验后的最终数据来源分布见表5。

表5 16个二级维度最终实验数据的来源频数 %

2.研究所采用的一级维度数据来源

本研究的研究目的在于探究学习态度、师生交互、团队协作、自主探索这四个一级指标与学生STEM学习结果间的影响关系。为此，基于上一步所得29名学生二级指标实验数据后，以单个一级指标为单位，将其4个二级指标中的前3个以15%权重且第4个以55%权重的方式加权求和，得到一个综合反映该一级指标的值。如是，将29名学生的16个二级指标实验数据转换为4个一级指标数据，这也是本研究中对一级指标分析的直接实验数据。

3.学生STEM学习结果的判定

结合学生与教师两方面各类反映学生学习表现的证据链，将29名学生在此次STEM学习中的学习结果以成功、失败两个类别进行判定，结果频数如表6。

表6 29位学生STEM学习结果 %

三、研究结果

1.问卷

(1)描述统计分析。

第一，四项一级指标总分的区间频数统计。为更清晰地把握学生整体的分布情况，将四项一级指标计算总分，以5分为间距，所得29名学生的总分频数分布见表7。

表7 总分频数分布表 %

总分满分为20分，可将[0，5]、(5，10]、(10，15]、(15，20]依次视为低水平、较低水平、较高水平、高水平区间。分析后发现，低水平和较低水平合计15人，较高水平和高水平合计14人。即处于低范畴的学生人数合计为15，处于高范畴的学生人数为14，这一数据与先前根据学生学习过程证据链材料评定的此次STEM学习成败人数一致——两份独立的评定结果一致进一步印证并说明了本研究采用数据的可靠性。另外，从各区间的分布来看，处于较低水平区间的学生比例最大，占到了44.8%，其次是较高水平，为27.6%，说明中间态的学生居多，反映出学生的STEM学习结果呈正态分布的特点，学生表现呈现优劣全域性。另外，对比低水平与高水平，高水平比例(20.7%)显著高于低水平比例(6.9%)，说明在本次STEM学习中表现极佳的学生人数多于表现极弱的学生人数。

第二，学生在各维度上的描述分析。对学生在各一级指标上的得分进行描述统计，得出其极值、均值、标准差，具体见表8。

表8 学生在学习过程一级指标得分统计

由表8可得，四个一级指标的均值都小于中间值3，且介于2.5～2.86，非常接近3，表明整体而言学生的学习表现属欠合格状态，这与在学习结果中失败人数仅比成功人数多一人的分析结果一致。从极值的差异来看，除自主探索的极差为4.5外，其余三个维度均为4，非常接近全值范围5，且标准差均在1.05～1.23之间，反映出学生的学习表现差异很大，说明学生在此次STEM学习中呈现出一种典型的两极分化现象。

(2)相关分析。为确定各维度与学生STEM学习结果之间的影响关系，对学习态度、师生交互、团队协作、自主探索四个一级指标与学习结果进行点二列相关分析，具体结果见表9。

表9 各一级指标与学习结果相关性

结果显示，四个一级指标与学习结果相关的显著性值分别为P学习态度=0.001、P师生交互=0.010、P团队协作=0.009、P自主探索=0.000，即四者的P值均小于0.05，即表明四者均与学习结果有显著的相关关系。就相关的程度而言，相关系数r分别为 r学习态度=0.594、r师生交互=0.471、r团队协作=0.475、r自主探索=0.682。这表明，自主探索与学习结果的相关性最高，达到0.682，属于较高相关程度；其次是学习态度，r学习态度=0.594，属于中等偏高水平；团队协作略高于师生交互，都属于中等水平。

(3)回归分析。为进一步准确地认识这四个一级指标对学习结果的影响，本研究进一步对其进行二元logistics回归分析。经相关分析已知，四个一级指标均与学习结果显著相关，因而，四个指标均被纳入回归分析的协变量，又因为，经相关分析检验，四个指标间存在两两相关关系，因而，为更精确地探究四个一级指标分别与学习结果的影响关系，本研究采用了在对其他变量良好控制条件下的校正OR(Adjusted OR) 二元logistics回归分析。经Hosmer和Lemeshow检验，本回归分析的拟合显著性值为0.368，大于0.05，说明本次回归的拟合程度较好，回归分析结果具有高信度。又基于本拟合的函数对现有数据进行预测，准确率为82.8%，说明本次回归的拟合函数具有高效度。四个一级指标的校正OR值见表10。

表10 一级指标进行回归分析校正OR结果

结果显示，在四个一级指标中，只有P自主探索=0.039<0.05，即表明只有自主探索与学习结果有统计学意义的显著影响关系，而学习态度、师生交互、团队协作三个一级指标无法以量化的形式来清晰说明其与学习结果的相关程度。进一步解析发现，B自主探索=2.295，说明，自主探索与学习结果之间呈正向相关关系。Exp(B)自主探索=9.926，可解释为学生在STEM学习自主探索每提高一个度量，学习结果倾向成功的概率是原来的9.926倍。

2.访谈

如前所述，本次STEM教学中学生的学习表现呈现出显著的差异化表现。为进一步深度地理解影响学生个体STEM学习结果的原因，本研究在最后对学习结果处于不同水平的学生代表进行了访谈，并对他们个人的总结自述做了摘录整理，结果如表11。

表11 学生个人总结及访谈中影响其STEM学习成败的原因分析

概括而言，在A组同学的反馈中，表明良好的团队协作、自主探索是他们STEM学习取得成功的重要因素；在B组同学的反馈中，失败的团队协作、低水平的自主探索是其STEM学习失败的主要原因；在C组同学的反馈中，消极的学习态度、低水平的自主探索、先前知识的羸弱基础是他们STEM学习失败的原因。这反映出不同学习水平的学生其STEM结果成败的影响因素具有层次差异性。学习态度是学习发生的基础条件，团队协作是从个人成功走向团队成功的关键因素，而自主探索是取得STEM高水平学习结果的决定性要素。此外，通过访谈还发现，在低水平学习结果的学生中间，先前知识作为本次问卷调查外的一个新变量，也影响着学生STEM学习结果的成败。

四、研究结果与分析

1.学习态度

学习态度决定了学生的学习投入水平。结合问卷与访谈两部分的分析，综合表明高水平的学习态度不一定取得STEM学习结果的成功，但低水平的学习态度其学习结果一定失败。即，学习态度作为一种学生内在的学习品质，是影响乃至决定STEM学习成败的基础要素。

2.自主探索

自主探索涉及学生的元认知自我监控意识、克服难题的坚毅品质、问题解决的创新思维等，属于高阶素养。在相关性分析中，自主探索是四个一级指标中相关程度最高的要素(r自主探索=0.682)，而且在回归分析中具有明确的量化关系。结合量化分析与访谈的层次对比，表明自主探索是影响学生STEM成败的决定性因素。

3.师生交互与团队协作

相关分析表明师生交互与团队协作两个维度均对学生个体的STEM学习结果有着显著的影响。相较于自主探索和学习态度，师生交互与团队协作的相关程度更小，显示出外在因素影响水平低于内在因素的特点。就相关程度而言，师生交互与团队协作两个维度的影响水平均为中等，显示出团队协作与师生交互在STEM教学中具有重要地位。此外，就这二者与学习结果的相关性而言，团队协作略高于师生交互，说明在此次教学中团队协作是影响学生STEM学习结果的第一外在因素。

4.先前知识

除问卷中涉及的因素外，本研究在访谈环节中发现先前知识基础对STEM学习结果也有一定影响。这一点值得后续研究继续进行更系统、深入的研究探索。

五、启示与讨论

1.多措并举，全面提高学生STEM学习的积极性，增强学生STEM学习成就感

成功的教学需要学生、教师、教学环境三者良性互动，任一要素的低质参与都难以保证教学的成功。在本次STEM教学中，失败率高于成功率，原因是多方面的，如课程选题与个别学生羸弱的知识基础匹配程度不佳、学生分组欠缺严谨考虑、学校社团课程中学生进出机制的僵化管理等。STEM教师作为STEM课程的开发者、教学的设计者与实施者、学生STEM学习结果的评价者，要从学习内容选择、教学实施过程中教学策略与方法的丰富与甄选、分层教学与评价等过程中多措并举，保持课程、教学与学生的良性匹配。STEM教学不仅要培养高资质的STEM未来人才，也需要为大多数的普通学生提供普适STEM素养的发展通道，要努力让有机会选择STEM教学的所有学习者在STEM学习中保持积极的学习态度，乐于参与，增强STEM学习成就感。

2.成体系的课程开发是发展学生高阶品质的关键

STEM学习需要元认知自我监督、面对困难的坚持不懈意志力、问题解决的实践力、项目统筹力、创新思维等多种复杂的高阶思维品质与关键能力，因而，学生自我的高阶品质是其STEM学习成败的决定性因素。笔者通过近年来在STEM课程开发、教学设计、实施与评价等方面的实践，越发感受到当前STEM教学的宝贵与难得，因为在STEM学习中学生相对更有机会系统、全面、深刻地感受、体验并意识自身这些高阶品质的状态，也为教师提供了一种传统纸笔测验难以立体了解学生的宝贵教育窗口，但又颇为遗憾地承认当前的STEM课程在持续发展学生上述高阶品质方面表现无力。一方面，这些高阶品质的发展需要长期训练，另一方面，离散的主题式STEM教学因为缺乏连续的知识体系支撑，又对涉及不同维度的高阶品质难以形成进阶发展。然而，STEM教学中涉及的高阶品质数目多、类别多、层次多，如果以现有的STEM教学课程应付，学生的高阶品质的发展只能停留在耦合的体验层次，难以支持对某一项高阶品质的坚实、持续、均衡、系统培养。因此，围绕贯通高阶品质，依据其坚实的教育科学理论，开发具有进阶性、成体系的STEM课程，或许是破解这一问题的关键。

3.STEM教师需以设计素养为途径实现持续专业发展

在课程开发庞杂的材料中选择教学内容、跨学科知识整合，在教学实施时面对有歧义甚至意见冲突的学生合作时调解以推进其团队协作、针对项目实践各阶段不同学生的个性化问题提供适时、有效的学习支持，在教学评价中如何完整采集学生过程表现数据、如何判定学生最终的学习结果、教学诊断与改进，这些客观要求对STEM教师的专业素养提出了更高要求。有效的STEM教学需要做好上述环节中的每一项，而其中的任一项的高质量实现对非专业储备的、跨行的、算作新手的、STEM教师而言都是全新的挑战，或许STEM教师正承受着一种教育教学进化的阵痛。幸而，也正是这些艰难的挑战、前所未有的阵痛感，向深入实践的STEM教师们馈赠了一种关于教育的返璞归真之感，即设计是教育的天然属性——以设计的视角再次反思教育的本质、重新审视教师专业性的含义。教育的目的在于发展人，而良好的发展需要合理的设计。通过合伦理、系统、科学、丰富、适用的设计工作，促使学生更有效地投入与参与学习活动，并使其从原始状态转化到期望状态，即实现学生的发展，这是教师的价值体现，是教师专业性的本质内涵。从这个意义上说，设计素养是STEM教师专业发展的新途径，这也是一条回归教育本质、需要持续学习、追求创新的专业发展之路。