基于STEAM教育理念的高中化学进阶教学策略研究

摘 要：以高中化学的某些学科大概念为锚点，STEAM教育理论和“学习进阶”理论做指导，借鉴PBL（基于项目的学习）和UbD逆向教学设计，探索构建横向与纵向双维度整合的有效进阶教学策略，可促进学生的学科核心素养进阶发展，发展学生高阶思维，使学生成为复合型创新人才。

关键词：STEAM教育理论；学习进阶；学科大概念；学科核心素养

一、研究背景

当前社会的数字化转型给经济、社会领域带来了重大变化，教育领域也发生了很大的变化。在21世纪，人们不能认为教育是为了实用目的而传授技能和知识：就在人们说话的时候，机器正在获取这些技能，而人們正在数字信息的海洋中游泳。STEAM（Science，Technology，Engineering，Arts，Mathematics）“科学、技术、工程、艺术、数学”作为一种新型的教育模式，人们通过整合科学、技术、工程、艺术和数学来创造新的专业领域，让学生跟上进步。为了迎接21世纪的挑战，学生需要具备各种技能，如高阶思维能力、批判性思维等，通过进阶学习，可促进学生深度学习，并运用与自己认知水平相适应的科学解释。学习进阶以大概念为锚点，协调优化学科及跨学科知识教学，可促进学生对大概念的跨学科结构化理解[1]。“大概念”为反映专家思维方式的概念、观念或论题，它具有生活价值[2]。大概念是反映学科本质，结构化的具有抽象性、概括性、统摄性和广泛迁移价值的学科思想和观念[3]。大概念是学科学习的核心，指向学习内容的本质特征，以学科大概念为锚点，STEAM教育理论和“学习进阶”理论做指导，创设真实情境，打破学科边界，构建上下进阶衔接、左右学科间联通的课程体系[4]。这使学习者在当前信息指数级发展的情况下积极面对未来的挑战，对于丰富和充实高中教育教学理论，有着非常重要的意义。

二、研究思路

（一）化学学科大概念前概念、化学学科核心素养现状调研

调研分析初三、高中学段学生相关主题的化学学科大概念或跨学科大概念的前概念（迷思概念）及化学学科的核心素养的现状。调研初中、普通高中6所。

具体的调查方式：学生化学学科大概念或跨学科大概念前概念形成性调查问卷及学习动机水平、自我效能感调查问卷及教师大概念学科理解、PCK（Pedagogical Content Knowledge）学科教学知识调查问卷。其中化学学科大概念诊断问卷为二段式诊断问卷，每题包含两个问题设置，第二小题是针对学生选择第一小题的选项的证据支持解释，最后还留了一个开放式的理由支持。这样将主观题与客观题考查相结合可准确而全面地了解各学段学生学科大概念前概念现状。

以《原电池》前概念诊断问卷中一题为例说明：

1.下列关于原电池的相关说法正确的是（  ）

A.原电池的电极材料必须是活性不同的金属或非金属，且较活泼的金属做负极

B.原电池的电极材料可以相同

C.电子由原电池的负极通过电解质溶液流向原电池的正极，构成闭合回路

D.电解质溶液一定参与电极反应

2.你选择上题的理由是（  ）

A.电极材料一定参与原电池反应，且还原性较强的电极做负极

B.原电池的电极材料提供反应的是电子的场所及传导电子的作用，不一定参与反应

C.电流的产生一定是自由电子的定向移动产生，电子可以在电解质溶液中移动

D.电极反应为电解质溶液与电极的反应发生的氧化还原反应，电解质溶液必然参与电极反应

E.其他

（二）基于STEAM教育理论的高中化学进阶教学的纵向维度

1.模型构建

基于化学学科大概念前概念、化学学科核心素养现状调研，构建“假设—实践—测试—评价—修正”的提升学生核心素养的教学策略假设模型。

初步某些化学大概念或跨学科大概念的学习进阶假设框架。主要包括四个维度，学习目标、发展变量、成就水平及各水平的学业表现。

（1）学习目标：大概念学习的最高成就水平，本研究学习目标是学生高中毕业时学生应具备的学科核心素养。

（2）发展变量：一般是学科或跨学科大概念，本研究的发展变量主要有：原电池、元素周期律、物质结构等大概念。

（3）成就水平：即学生学习大概念的阶段性目标要求。主要研究学生的大概念在初高中衔接阶段、必修学习阶段、选择性必修学习阶段、选修学习阶段应达到的认知及科学素养水平。

（4）各水平的学业表现：是指处于某阶段成就水平的学生在完成某类学习任务时所应有的表现[5]。

2.构建基于STEAM教育理念的高中化学进阶教学策略假设模型

以某些化学大概念或跨学科大概念为锚点，学生的学科核心素养发展为目标，合理设计评价项目，形成性统计分析学生不同学习阶段的学习表现与实证数据，描绘学生的学习成就水平，检测大概念学习的各种水平及其具体指标，修订并完善学习进阶的假设框架，构建出有效的学习进阶框架。

可从两方面评价学习进阶框架是否有效：一是形成性验证学生对大概念理解的实际发展是否如学习进阶所描述；二是采用基于学习进阶框架的化学教学，学生的大概念理解即素养发展水平是否比传统的好。反复验证并修正框架，最终构建基于STEAM教育理念的高中化学进阶教学策略假设模型。

（三）基于STEAM教育理论的高中化学进阶教学的横向维度

基于STEAM教育理论及学生具体实际，借鉴以问题或项目为基础的学习（PBL）教学方法及UbD（Understanding by Design）追求理解的教学设计理论指导下的逆向教学设计，构建提升学生核心素养的教学设计假设模型。以解决生活中真实具体的问题或学生感兴趣的问题为核心任务，再依据课程标准及各版教材提炼学科大概念或跨学科大概念，并设置学生的学习目标。在上课前学生知道学习目标及衡量目标是否达成的评价量表，再通过跨学科共同体（本校的不同学科教师或跨学科校际联盟）共同进行学习设计，以跨学科大概念横向连接不同学科的知识及思维方式。让学生对一个问题的理解及解决能够融合不同学科的知识及学科思维方式，在解决问题过程中主动建构结构化的知识和思维方式，促进学生科学素养螺旋式进阶发展。

（四）基于STEAM教育理论的高中化学进阶教学实践及教学评价

对研究主题的教学分别设计两份教学策略，一份按照传统的教学模式进行设计，另一份参照已规划的基于STEAM教育理论提升学生核心素养的进阶教学策略进行设计。实验者在实验班和对照班中将学生对某些化学学科大概念和跨学科大概念的理解水平、学习动机水平进行前测，进行教学实践时对照班中继续按传统教学策略进行教学，在实验班中使用另一份教学策略进行教学，授课后再对两个班进行后测。通过将运用SPSS＼SEM 计量统计软件对两个班级的前后测成绩进行信度和效度分析，并收集课堂实时表现及分阶段访谈相关教师和学生进行形成性评价，分析相关大概念的基于STEAM教育理论进阶教学策略对学生的学、教师的教是否有促进作用，通过具体的教学实践实证检验、修正并完善学习进阶框架，最终确定合适的教学策略。

三、研究的价值及主要观点

（一）研究的价值

一是从理论上看，本课题基于STEAM教育理论，借鉴进阶学习理论、PBL教学方法和UbD逆向教学设计及建构主义学习观，构建高中化学进阶教学框架。STEAM教育本身就具有学科融合的特点，但在科学大概念教学中展现这一特性，需要“学习进阶”理论进行纵向整合，并制定出行之有效的教学策略。本研究期望通过高中化学教育实践，将STEAM 教育理论和“学习进阶”理论应用到高中化学进阶教学设计，丰富和充实中学STEAM教育教学理论，同时也为其他同行教师教育教学提供一定的参考与借鉴。

二是从实践上看，高中化学教学中普遍存在化学的学习与学生核心素养发展不连续的问题。本课题以 STEAM 教育理论和“学习进阶”理论做指导，贯彻“以人为本”的学生观、建构主义教学观，基于项目学习的教学方法和UbD逆向教学设计，通过具体的教学实践，设计教学案例，并结合实际的教学情况，不断地对高中某些大概念的教学设计进行优化和改进，可以促进学生科学概念的理解力和科学实践能力的发展与提升，同时也促进学生核心素养的连续发展。

（二）主要观点：

1.学生核心素养进阶发展要以教学实践为主要突破。首先，教师应清楚学生在学科教学前的认知水平、动机水平（“前概念”），在此基础上选择能够调动学生学习动机并符合学生实际发展水平的教学素材，再在此基础上设置适切的学习目标和学习任务。其次，教师应清楚学生的认知、情感发展特点，在不同的学习阶段选择合适的教学策略进阶地促进学生的核心素养发展[6]。

2.围绕化学核心概念，基于STEAM教育理论和“学习进阶”理论，从横向与纵向双维度构建“假设—实践—测试—评价—修正”不断循证修正相关学科大概念或跨学科大概念的学习进阶框架，在此基础上设计高中化学教学，能促进学生深度学习，发展学生的高阶思维。

四、可能的创新之处

研究视角创新。本研究以STEAM教育理论和学习进阶理论为指导，以某些化学学科大概念和跨学科大概念为锚点，以提升学生核心素养为学习目标，横向与纵向双维度构建大概念的学习进阶框架，并以此选择合适的教学策略，目前国内还没有对其进行全面的研究。

研究方法创新。本研究通过高中各学段相关核心概念的前概念的二段式诊断试题、学生学习动机、自我效能感调查问卷及教师的学科理解水平和PCK水平现状调查多角度分析，初步提出学某些大概念的学习进阶框架假设，在化学教学中循环修正完善，构建基于STEAM教育理论和“学习进阶”理论横向与纵向双维度整合的某些大概念的有效学习进阶框架，并以此为依据指导优化高中化学教学策略，国内很少有人研究。

五、研究反思

（一）优化概念学习和教学方式

正视高中生化学概念学习困境和核心素养提升的需要，利用学习进阶理论，以某些学科大概念和跨学科大概念为锚点，先构建基于STEAM教育理念的高中化学进阶教学策略模型，基于该模型，着眼于高中化学教学实践不断循环验证、完善，最终构建“动机—过程—评价—反思”进阶学习模型，形成了化学概念进阶学习策略体系，最终优化学生的概念学习和教学方式，促进学生化学学科知识和核心素养的连续发展与进阶提升。

（二）丰富学习评价和反思方式

评价多角度且贯穿整个学习过程。在学生参与学习之前，不仅评估学生先前知识和经验，而且对他们的自我概念（主要包括自我效能感和动机）进行透彻的分析，且评价贯穿整个学习过程。通过合理分析学生学习表现的访谈与实证数据可以获得准确的前馈和形成性反馈，不仅可以让教师把握准确的教学进阶起点，而且让学生能够以可靠的方式及时了解自己当前的表现，调整自己的学习进程，为构建进阶学习模型提供科学依据。

（三）创新项目过程性研究方式

量质结合的混合研究方法，“四位一体”迭代循环体系，科学严谨。通过高中各学段学生相关核心概念的前概念的二段式诊断试题、对概念学习的动机、自我效能感调查问卷及教师PCK（学科教学知识）的调查分析，通过模型建构、教学实践、合理评价、完善修正“四位一体”迭代循环体系，构建有效的进阶学习模型，并以此为依据，优化高中化学概念学习和教学策略，进阶提升了学生化学核心素养。

结束语

以跨学科大概念及学科大概念为锚点的STEAM课程，通过学习任务的进阶设计，调动学生的学习动机，以“化学核心素养”提升为学习目标，设计多角度贯穿学习过程的合理评价、及时反馈体系，构建上下进阶衔接、左右学科间联通的课程体系，进阶发展学生的核心素养，让学生在信息指数级发展的情况下利用跨学科思维创造性地解决问题，使学生能够适应未来不可预见、不确定的挑战，成为数字世界的全球化公民。

参考文献

[1]皇甫倩，常珊珊，王后雄.美国学习进阶的研究进展及启示[J].外国中小学教育，2015（8）：53.

[2]刘徽.“大概念”视角下的单元整体教学构型：兼论素养导向的课堂变革[J].教育研究，2020，41（6）：64-77.

[3]郑长龙.大概念的内涵解析及大概念教学设计与实施策略[J].化学教育（中英文），2022，43（13）：6-12.

[4]刘登珲，卞冰冰.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[J].全球教育展望，2022，51（4）：101-111.

[5]杨义洪.基于学习进阶理论提升学生核心素养的教学策略[J].中学化学教学参考，2019（12）：9-10.

[6]杨义洪.基于提升学生科学素养的“元素周期律”进阶教学（苏教版必修二）[J].文理导航（中旬），2020（5）：54-55，57.

本文系江苏省教育科学“十四五”规划重点课题“基于STEAM教育理念的高中化学进阶教学策略研究”（课题编号：C-b/2021/02/50）的研究成果；江苏省教育科学“十四五”规划重点课题“化学学科利用模型与建模策略培育学生科学思维的实践研究”（課题编号：B/2021/02/255）的研究成果；江苏省教育科学“十三五”规划重点课题“运用‘学习进阶理论优化高中化学教学策略的研究”（课题编号：C-b/2016/02/47）的研究成果；全国教育科学“十三五”规划教育部重点课题子课题“基于STEAM教育理念的高中化学智能教学设计研究”（课题编号：DCA190327-32030）的研究成果。