渗入“大概念”的STEM融合课程设计

胡玉霞

〔摘    要〕    STEM 课程通过让学生在解决真实情境问题过程中，建立学科领域知识之间的交叉融合，使其批判性思考、协作交流、创新思维等综合能力得到发展，而“大概念”层次框架与STEM整合课程理念不谋而合。本文以智能机器人STEM教学为例，通过教学实践证明“大概念”视角下的STEM课程教学是提高学生综合能力的有效途径，并提出渗入“大概念”STEM融合课程设计的要点，以期为一线中小学教师开展 STEM 跨学科教学提供参考范例。

〔关键词〕    “大概念”；STEM；融合课程；核心素养

〔中图分类号〕  G424               〔文獻标识码〕  A        〔文章编号〕  1674-6317  （2023）  09-0076-03

STEM整合课程旨在将跨学科知识“锚入”真实问题情境中，实现不同学科领域的有机融合，从而有目的、有计划地组织课程内容。国内，STEM课程在近几年逐渐火热。STEM主要有培训机构开设和校本课程两种方式，均在起步阶段。因此，课程的实施目前还面临些许问题：STEM课程研究的深度和系统性严重欠缺；STEM课程走入实践困难重重，其教学过程、学习方式、评价方式、组织管理方式等还在摸索之中；缺乏课程开发团队；缺少合适的师资队伍；等。

工业时代向信息时代转变的特殊时期，教育的价值也发生了改变，教育的落脚点在于学科的核心素养。核心素养描述了学习的预期结果，也就是教学目标，但是核心素养相对来说属于高位。因此，在教学中实现信息素养与具体教学的结合，有必要借助“大概念”。2017年版的《普通高中课程方案》也强调“以学科大概念为核心，使课程内容结构化，促进学科核心素养的落实”。

格兰特·威金斯和杰伊·麦克泰格等人在研究中指出，“大概念”是“能够使离散的事实或技能有意义地联系的概念，是强化学生思维，使学生具备应用和迁移能力的关键”。“大概念”将素养与学科具体内容结合，使得教学过程与方法具体化，帮助核心素养真正落实。

“大概念”层次框架与STEM整合课程理念不谋而合，为STEM整合课程的设计与实施提供了指导。威金斯和麦克泰格提出“大概念”教学过程WHERETO元素，为“大概念”视角下的教学设计提供了一系列指导。

W——教师帮助学生知道他们即将到哪儿（Where）（即学习目标），他们为什么要去那里（Why），在学习过程中，怎样评估他们的表现；

H——如何持续保持学生自主学习的激情和兴趣（Hook和Hold）；

E——在教学设计中给学生提供怎样的情境体验（Explore）来帮助学生真正理解知识，并能够成功应用到问题解决中；

R——怎样引发学生反思（Reflect）、再讨论、重新审视（Rethink）自己的学习过程；

E——怎样让学生输出（Express）自己理解的知识，并能够进行自我评价（Evaluation）；

T——怎样对学生因材施教（Tailor），对不同的学生进行不同的指导；

O——怎样组织（Organize）学习过程，以帮助学生从教师为主导的学习走向独立学习，并能够掌握学科“大概念”，将概念应用于生活中。

一、渗入“大概念”的 STEM 融合课程设计模型构建

“大概念”层次框架为STEM整合课程设计提供了有价值的启示：STEM课程设计应该重视整合经验，给学生提供相应的学习支架；STEM课程设计应重视任务情境创设的延展性；STEM整合课程应特别关注学习支架的设计。本研究借鉴“大概念”对STEM课程的启示构建了融入“大概念”的课程设计模型。该模型分为两层：外层阐释了融入“大概念”的课程设计与实施的具体路径；内层阐释了STEM各学科知识之间的交叉融合。

在“大概念”和WHERETO过程描述的引领下，笔者借助多年的STEM校本课程实践经验，根据以上提出的模型结构，以“智能机器人”为课程主题，在STEM教学中融入“大概念”，形成STEM单元课程教学。在此教学中，学生通过探究智能机器人搭建，不同学科教师提供学习支架，在教师融合教学的基础上，设计课程目标和课程内容，促进学生将不同的学科概念知识整合成系统化的知识体系，运用建构的知识体系解决工程设计问题，并在交流评价中反思学科概念的生成过程。之所以采用单元整体教学，是因为核心素养的培养需要一个相对长的时间，而学科“大概念”的掌握也需要多个具体概念的支撑。提供的具体概念越多，应用情境越复杂，学生迁移和创新的可能也越大。

二、案例：渗入“大概念”的STEM融合课程设计

（一）一课多师：教师融合

构建“智能机器人”单元教学内容时，采用一课多师的方式，即多位教师联合备课，同一单元内容细分成若干个模块。每个模块由对该模块非常熟悉的专业教师执教，以充分发挥不同教师的专长，并激发教师教学的主动性。在备课之初，教师借助“大概念”框架，厘清STEM学科概念之间的逻辑关系，从跨学科领域中抽象出上位概念，如，工具应用、数据处理和程序设计。根据“智能机器人”的具体内容确定单元核心概念，再借助思维导图展示跨学科概念和单元核心概念。

随后，利用“大概念”层次框架帮助教师快速找到学生原有的认知水平，即学生已初步具备的归纳总结能力，并选择匹配学生认知发展水平的“先行组织者”支架。学生在日常学习中已经具备智能机器人的零散知识和技能，但是知识还需进一步系统化、科学化。

实施一课多师，除了由不同专长的教师执教以外，本单元项目学习中还配备了双班主任，负责组织学生实地参观AI企业，督促学生记录每日学习日记。“智能机器人”单元教学虽然为偏理科类的学习，但仍要求学生写反思日记，以帮助学生及时回顾当天的所学所想，整理一天的思维活动，促进下次学习活动（即WHERETO的“R”）的合理调整。班主任还负责拍摄精彩镜头，并及时与家长进行沟通，形成阶段性的成长档案袋，帮助学科教师全面了解学生。同时，本教学邀请了专业的演讲与口才专家教师对学生进行指导，为后期展评阶段学生的汇报做好准备（即WHERETO的“Express”），也邀请了高校教授进行人工智能的讲解。教授深入浅出的案例剖析让学生更加深入地了解了人工智能以及机器人的最前沿资讯与技术。

“大概念”理念强调专家思维的培养，本教学通过邀请专家讲座、展现专家思维，使学生对概念有了感官的认识，为概念的掌握打好基础。这也是激发学生学习兴趣的方法之一。

（二）项目实施：因材施教

此次STEM单元教学属于校本课程的教学内容，招募的学生团体年龄和年级跨度较大：从初一到高一。本教学借鉴“大概念”框架确定学生的最近发展区，根据学生已有水平和预知水平分组。此次“智能机器人”教学将学生分为5个不同质的小组，能力水平相近的学生在同一个小组。针对不同小组设置了不同的项目，项目分别有智能之家、智能房车、汽车大闯关、疯狂动物城和军事演习，难易程度不同，照顾到了不同学生的最近发展区，实现了因材施教，即WHERETO的“T”。

在学习过程中，学生先是进行基本概念学习，教师为学生提供“先行组织者”。学生学习交警机器人、分拣机械手、光照调节系统、AGV小车的原理，并模仿搭建智能机器人。随后，学生对机器人进行代码编写，以实现相应的功能。学生在这些内容学习的过程中，掌握的学科概念有：嵌入式系统、微型控制器、执行器、传感器、数据处理。掌握了学科概念后，学生参与自主项目制作，即WHERETO的“Explore”和“O”。

教师提前呈现五个不同的项目，并让学生明白完成项目要达到的标准。学生在学习过程中时刻牢记学习目标，知道自己要去哪里，即WHERETO的“W”。

在五个项目中，军事演习项目虽然和日常生活距离较远，但是通过教学中对学生的观察，发现部分学生在日常生活中非常喜欢此类题材的电视剧、电影，他们梦想有一天自己也能够走上保家卫国的道路。因此，该项目可以说是帮助学生实现了些许梦想，让他们的军事梦提前“演习”。从学生角度来说，这也是他们生活的一部分。教育价值照进了他们的梦想，这也是教育的魅力所在。通过此次单元实践证明，教育的生活价值是多样的，实现教育价值的关键在于因材施教。

（三）延展课堂：校企融合

在每个阶段如何持续保持学生的学习兴趣，即WHERETO的“H”，关键在于要让学生看到教育的价值，尤其是教育的生活价值。企业作为科学、技术等综合学科知识实践且能创造实际价值的场所，是最适合融入教学中的。校企合作是课堂的延展，也是实践产教融合教育理念、推进工学结合的教育发展模式，发挥企业作为学校与生活的桥梁的枢纽作用。学生只有亲身体验教育的生活价值，才会保持持续的兴趣和学习动力。

在“智能机器人”单元教学中，学生参观了长风航空国防教育基地和苏州创想机器人科技馆，了解了人工智能在航空机载设备领域的应用，体验了模拟飞机驾驶舱，见识到智能扫地机器人除了常见的扫地拖地功能外，还能夜间巡逻、自动传声、自动集尘。通过互动演示，学生还了解了边缘感应原理、压差吸附原理在高楼擦窗机器人身上如何完美应用，打开了脑洞，畅想了未来世界的无限可能，为后期进行项目式学习、开发实用的智能机器人项目打开了新的视角。这是WHERETO中“Explore”和“O”过程的实现。

（四）多元评价：家校联合

整个单元学习过程中采用多元评价的评价方式，教师根据学生的课堂表现给予勋章。学习之初，教师明确告知学生勋章的数量关系到最终的考核评定分数，并将展评的评分规则公布给学生。在展评阶段，教师邀请家长和专家教师作为评委，让学生采用项目展示的方法，将小组作品进行展示和解说（WHERETO的“Express”和“Evaluate”）。此时鼓励学生展示方式多样化。展示结束后，学生需要接受专家评委的提问。根据各组的表现，颁发不同主题奖状。

非卷面考试的评价促进了学生多元化的发展。邀请家长参与评价，可以给家长展现学生的学习成果，促进家长理解和支持学校“智能机器人”的项目教学，还有利于学生认真对待此次展示，增加学生的成就感。实践证明，学生展示的成果远远大于预期。如，“智能之家”一组，学生赋予了“智能之家”生活意义。学生畅想制作的“智能之家”为智能老年人公寓，公寓内的智能灯可根据环境亮度自动开关及调整亮度；屋内的房门视情况实现自动开、关。再如，“智能房车”项目组，学生除了设计自动收集雨水的功能外，还设计了开房车摆地摊的场景。摆地摊的想法源于他们在生活中切身参与的“姑苏八点半”经济和国家倡导的地摊经济。基于“大概念”的STEM课程设计真正将教育的生活价值显现得淋漓尽致。

三、结语

“大概念”视角下的STEM融合课程教学的优势显而易见，“大概念”教学有助于教师构建有内涵的STEM整合课程，把握STEM教学的核心。简而言之，在STEM课程教学中，各学科教师要紧密联系、整体教学，并在可能的情况下借助校外资源、多方整合，围绕“大概念”深度挖掘学科价值，构建跨学科界限的STEM教学共同体。同时，采用WHERETO的“大概念”过程教学设计，教师可以不用完全按照威金斯、麦克泰格的顺序进行设计。对于以人工智能为教学内容的STEM教学还需不断地实践探索，未来教师如何发展，如何设置教学评价方式才更合理，均需要我们继续研究。

【本文系江苏省苏州市高新区2021年度“十四五”规划课题“大概念视角下的STEM教学设计与应用”的阶段性成果。课题编号：SND-2021-YB-107】

參考文献

[1]刘徽.图解大概念和它的概念小伙伴们[J].上海教育，2020（3）.

[2]李克东，李颖.STEM教育跨学科学习活动5EX设计模型[J].电化教育研究，2019（4）：5-13.