基于标准聚焦核心概念的STEM整合教育模式——美国I-STEM模式的特点及启示
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本文由《开放教育研究》杂志授权发布
作者：管光海
摘要
随着STEM教育在全球的推开，如何实现跨学科，使STEM教育四个学科课程有机整合是一个难点。为了解国际STEM整合教育的先进经验，本研究以美国近年来新开发的STEM整合教育模式——I-STEM模式为例进行剖析。该模式基于STEM教育相关学科美国全国性四大课程标准，聚焦连接四大学科课程的核心概念，融合真实情境，并实现科学探究与工程设计的整合。本研究在分析I-STEM模式的背景、内容及特点的基础上，结合我国STEM教育实施现状提出STEM教育整合实施的建议，即注重STEM课程、教学、评价的整体设计，围绕核心概念并支持STEM教育单个学科课程的学习以及建设与依据STEM教育相关学科课程标准。
关键词：STEM教育；STEM整合教育；整合模式；I-STEM；美国
一、研究背景
STEM教育是美国为了应对未来社会挑战而提出的国家发展战略，目前已成为一项全球性教育运动。随着STEM教育的发展，如何实现STEM教育四个学科的有机整合是个难点。国际技术与工程教育协会（International Technology and Engineering Education Association，简称ITEEA）①近来开发了一种STEM整合教育模式（Integrative STEM Focal Points，简称“I-STEM模式”②），覆盖幼儿园学前班到12年级，依据STEM相关学科的国家课程标准，将STEM课程、教学、评价整合，并提供具体的教学场景。本研究拟在梳理I-STEM模式产生背景的基础上，分析其内容与特点，探索其对我国设计与开发STEM整合课程可借鉴的方式与方法。
（一）STEM教育的发展
20世纪80年代以来，美国为了在经济全球化、国际竞争日益激烈的背景下继续保持其全球领导地位，提出了STEM教育。人们相信，提高中小学STEM教育能使学生更好地适应科学和技术领域相关的职业，提高公民的科学和技术素养，最终提高国家竞争力（Katehi et al.，2009）。在此背景下，美国不断加大投入，并出台一系列重要法案、议案加强中小学STEM教育。随着STEM教育的发展，其内涵被不断拓展，教育价值被不断深挖，STEM整合教育成为研究热点。美国国家工程院（National Academy of Engineering，简称NAE）和美国国家研究委员会（National Research Council，简称NRC）科学教育委员会成立STEM整合教育委员会对STEM整合教育进行研究，并于2014年颁布《K-12 STEM整合教育的现状、前景与研究议程》。该报告指出：“提倡整合教育是要以更关联的方式教STEM，特别是在现实问题情境中，能使STEM学科更贴近师生，提高学生的学习积极性，提高其学习兴趣和学业成绩”“许多工作和研究场所由专注单学科的专业实践转为强调多学科合作”“许多真实世界的情境和问题都涉及多个学科，公民也会遇到需要应用STEM相关知识和技能作出决策的情境”（Honey et al.，2014）。
（二）课程综合化取向
在课程发展史上，分科与综合不是个新鲜的话题。在19世纪末，随着美国学校“课程扩充”运动发展，课程臃肿、传统学科和新学科之间的矛盾迫切需要解决，于是出现了相关课程、融合课程、广域课程、核心课程以及活动课程等体现不同综合程度课程思想的课程形态。从课程发展来看，STEM整合教育是综合课程的有机组成部分，是课程综合化的体现③。今天我们讨论STEM整合教育，也是在应对当前分科教育弊端日益凸显的举措，将物理、化学、生物整合形成的“综合理科”，就是性质相近学科层面的整合。20世纪80年代出现的STS教育，则是从人文、自然和社会学科层面的整合。从这个意义上来讲，STEM整合教育是综合理科、STS的延伸，强调使分割的STEM四个学科的各要素形成有机联系，并通过整合发展科技教育的社会责任感，让学生认识科学技术的社会价值、社会功能以及伦理意义。
（三）STEM相关学科课程标准的建立
20世纪80年代以来，美国兴起了声势浩大的基于课程标准的教育改革运动，试图通过课程标准提升教育质量。课程标准明确说明学科的主要概念与原则、核心知识内容、主要过程与基本技能，提供共同的学习目标、学习内容和评价依据。因此，在STEM整合教育中，标准也受到了极大关注。相关学科部分课程标准见表一。2010年，《共同核心州立标准》（CCSS）正式颁布，它和《共同核心州立英语艺术与历史／社会、科学、技术学科中的读写标准》都要求与STEM学科建立更多更深的联系。2013年，《下一代科学教育标准》（NGSS）明确包含工程和科学的核心理念及实践知识，并希望科学教师以整合的方式教授科学和工程知识。
在STEM教育中，代表工程的“E”往往受到忽视，被认为是沉默的“E”。美国国家工程院（NAE）等机构2009年和2010年分别发布《K-12教育中的工程教育：现状和前景》和《K-12工程教育标准？》，提不开发K-12阶段的工程教育标准，因为美国K-12工程教育的经验还相对匮乏，目前还没有足够数量的教师胜任工程教育，但在这些报告和相关研究中，K-12工程教育的价值得到了一致认同，被认为可以作为促进美国K-12STEM教育更有效的催化剂，而且其培养的工程思维被认为与21世纪公民必备技能一致，包括系统思考能力、创造力、乐观、合作、沟通能力以及道德思考（Katehi et al.，2009）。
二、组成与教学场景
I-STEM模式是由国际技术与工程教育协会（ITEEA）及其STEM教学中心召集来自20多个州的70位STEM课程管理员、教师、教师培训者开发的。I-STEM模式的开发基于美国四大全国性课程标准：《技术素养标准：技术学习的内容》（STL）、《下一代科学教育标准》（NGSS）、《共同核心州立教育标准》（CCSS）、工程思维（engineering habits of mind，简称EHoM）④。
（一）I-STEM框架I-STEM模式（见图1）采用领域－组织主题－主题的框架，其核心是主题（Focal Point）⑤，每个主题属于不同领域和组织主题，都有相应的评价标准（包括持久理解、基本问题、表现期望和指标）。
I-STEM模式将领域分为知、思、行，组织主题分I-STEM内容、特性、影响、情境、过程。其中，“知”包括“I-STEM内容”和“I-STEM特性”，“思”包括“I-STEM影响”，“行”包括“I-STEM情境”和“I-STEM过程”（见表二）。
知、思、行的领域划分，与传统关注知识和行为的课程设计相比，增加了思维的维度，凸显了思维的地位。在组织主题方面，“I-STEM内容”从独立学科角度呈现，“I-STEM特性”从整合的角度呈现；“I-STEM影响”关注科学、技术、工程与自然、社会的相互关系；“I-STEM情境”反映了STEM相关学科尤其是技术与工程面向真实世界，具有应用性、实践性的特点；“I-STEM过程”从实践角度反映各学科本质。
（二）I-STEM主题设计
I-STEM模式通过共同核心概念（包括关键内容）整合STEM各学科，核心概念就如透镜聚合STEM各学科内容。共同核心概念、关键内容构成I-STEM的主题。I-STEM模式包含70多个主题，涉及科学、技术、工程和数学等学科，涵盖幼儿园到12年级。以五年级I-STEM主题为例（见表三），可以看出每个主题都对目标与过程作了简要说明，统一描述STEM教育相关学科课程标准。每个主题的设计包括主题所属领域和组织主题、主题本身以及评价标准（见表四）。
I-STEM模式的评价标准是基于“理解为先教学设计模式”（Understanding by Design，简称UbD）开发的，包括“持久理解”“基本问题”“表现期望”“表现要素”“学生表现指标”。“持久理解”指学生应当能迁移到不同真实情境的关键概念、原则、理论和过程。“基本问题”从“持久理解”引出，使课堂教学更聚焦并有深度。“表现期望”精确描述学生将怎样展示对目标的理解，是评价的基础。依据“表现期望”，可确定一系列能被测评的概念作为“表现要素”，进而确定“学生表现指标”和“教师表现指标”。“学生表现指标”指根据给定表现要素如何评价学生，“教师表现指标”指观察教师课堂教学时，与表现要素相关的“期望点”。
（三）基于I-STEM模式的教学场景
为了帮助课程开发者、学校、教师使用I-STEM模式，该模式为每个主题提供一个教学场景，展示基于核心概念的教学过程。每个教学场景包括简短的描述，简要的“通过设计学习”（6E Learning by Design）6E步骤，包括参与、探索、解释、工程思维、丰富、评价。为了使用方便，教学场景也给出主题所属的领域和组织主题，以及供对照的标准。以7年级“合作”主题为例（见表五），该教学场景选取了2010年墨西哥湾石油泄漏事件为情境，明确活动的目的和过程，并呈现了采用6E教学模式，结合具体情境的问题解决展开教与学。
三、主要特点
（一）关照技术与工程课程标准
虽然STEM教育涉及四大学科课程，但是四门学科的地位并不平等，技术与工程课程往往被忽视。STEM教育被作为促进科学和数学教育的手段，“直到最近，大多数STEM的整合仅集中在科学和数学之间”（Honey et al.，2014），“在过去几十年里，STEM教育的重点是提升作为独立学科的数学和科学，对技术或工程几乎没有整合和重视”（Kelley & Knowles，2016）。忽视技术和工程课程主要表现为仅依据科学框架和标准实施，以科学标准中的技术、工程内容作为技术教育和工程教育全部，然而科学框架和标准还提倡技术、工程，将工程概念和实践纳入其中，目标是“通过在工程、技术和科学应用之间的联系加强K12的科学教育”（NRC，2011）。
I-STEM模式关注每门学科的独特价值和地位。对于整合的理解，ITEEA采用了威尔斯和恩斯特（Wells & Ernst）的定义：“应用基于技术／工程设计的教学方法，在教技术／工程教育的内容和实践的同时，也教科学和数学的内容并进行实践。STEM整合教育同样适用于连续的内容领域，教育环境和学术水平中自然交叉点的学习”（Wells & Ernst，2012）。在这种理解中，四门学科被同等对待，技术和工程课程不被忽视。“STEM教育中的技术与工程直接涉及问题解决、创新和设计，这三个主题在STEM素养发展中是高度优先的”，因此，“I-STEM提供从STEM领域单一素养走向STEM流畅发展的路径。假设STEM对社会具有经济重要性，学生应当在STEM情境中学会工程和技术，并且练习与设计相关的技能和能力”（ITEEA，2016）。
（二）聚焦核心概念
I-STEM模式通过共同核心概念使四门学科课程建立有机联系。核心概念的作用在于以不同学科视角审视某一主题或问题时，能使思维超出学科局限，促使思维达到整合水平，促进深层次的理解，同时顾及知识迁移（Erickson，2013）。在这种基于核心概念的整合模式中，相关学科的内容与逻辑之间通过核心概念建立实质性关联，实现超越事实层面的整合，走向更高的思维层面的整合。
在I-STEM模式中，“持久理解”和“基本问题”都是基于核心概念设计的。“持久理解”呈现的是留给学生的与核心概念相关的具体见解、推论或结论，而“基本问题”为核心概念的持续而重要的问题提供框架。在核心概念引领下，“基本问题”将内容转化为有趣、关联、有用的问题，激发学生超越事实的思维，帮助学生架设通往深层次理解的桥梁。理解意味着学习迁移和意义建构（Wiggins & Mctighe，2013）。学生能够将理解、知识、技能有效应用到新的情境，顺利实现迁移；推断并建立联系，实现具体和重要的意义建构。
“表现期望”是依据“持久理解”和“基本问题”制订的。作为理解的证据，它提供了明确的学习目标和期望，将学习目标通过具体、有意义的学业表现体现出来。相应的观察指标可方便考查课堂教学的效果，改变了以往只看重教师行为的做法，将重心放在考查学生正在做什么，这是教师对学生和学习过程产生影响的体现。
基于核心概念，通过持久理解、基本问题、表现期望，以及相关评价标准的确立，I-STEM模式解决了整合教育评价这一难题，并实现了内容、教学、评价的统一。
（三）融合真实情境
STEM教育的技术与工程课程往往与真实世界紧密相关，因此STEM教育注重真实情境，强调解决现实问题。在真实和复杂问题情境中，学生应用知识与技能解决问题，促进知识、技能和经验之间产生关联，并进行有意义的社会建构，从而获得社会性成长。从整合的角度来说，围绕真实生活的情境和学生问题组织种超学科综合方法，这是一种问题中心取向的整合中，学科不再是组织中心，而是重视课程与真实情境和世界的联系。它关注STEM相关学科知识的应用，让学习与个体、社会建立联系，缺点在于并不利于促进各学科知识结构的形成。基于核心概念的整合方法是学科中心取向的整合，有助于知识的结构化和系统性。I-STEM模式结合这两种整合方法，在核心概念的基础上，通过提供“场景”给出真实问题，融合真实情境。
（四）整合科学探究与工程设计
探究是科学学习的重要方式，设计是技术和工程学习的重要方式。在一些STEM教学实践中，科学探究与工程设计并没有得到凸显，更多采用的是项目学习（Project-based Learning，简称PBL），“典型的STEM整合教育的教学是通过基于问题、基于项目、基于设计的任务吸引学生致力于反映真实世界的复杂情境”（Honey et al.，2014）。项目学习在STEM整合教育教学中应用广泛，以至于存在将项目学习作为STEM唯一教学方式的误解。纳匈教授指出：“我们还应意识到，PBL不仅可以用于STEM这种综合学科，也可以用于单科。STEM可以用PBL方式教学，但现实中也有人采用其他方式。
因此，STEM与PBL存在交叉，但不是一回事。”（李雁冰，2014）在STEM教学中，有学者将科学领域的5E教学模式与工程设计过程进行比较，认为“5E教学模式跟工程设计过程有重要联系”（Capraro et al.，2013）。5E教学模式包括参与、探究、解释、迁移、评价五个环节。在5E教学模式基础上，I-STEM模式提供了整合科学探究与工程设计的6E教学模式（Burke，2014），增加了代表工程思维的“e”，凸显了工程设计的地位。在这个循环圈中，学生像工程师那样真正设计和建模，设计、系统、建模、人类价值、资源等工程概念包涵其中。因此，除了课程意义上的整合，I-STEM模式还在教学意义上进行整合。该模式为教师和课程开发者提供了系统的教学方法，确保STEM教育的技术和工程充分融入课堂。这是设计和探究自然的统一和整合，它以工程背景为基础，最大限度融合《技术素养标准》与《下一代科学教育标准》。
四、启示
（一）注重STEM课程、教学、评价的整体设计
目前，我国一些地区和学校的STEM教育实践往往注重课程内容的整合，缺乏教学、评价的整合，也忽视课程、教学、评价的一致性。I-STEM模式提供了课程设计（领域、组织主题、主题）、课程实践（教学场景、6E）、课程评价（持久理解、基本问题、表现期望和指标）三个层面的设计，实现了STEM跨学科之间课程、教学、评价的整合，也实现了整合后内容、教学、评价的统一。I-STEM模式启示我们，设计STEM整合教育时，要整体考虑课程、教学、评价。课程目标设计应指向STEM能力，培养核心素养。课程内容的组织要考虑内容横向组织的均衡性和关联性，每个年级主题相对平衡和统一，也要考虑纵向组织的顺序性和连续性，统筹安排各年级或各年段主题，让学生的认知过程与技能随着年级上升而逐步发展。教学中应体现探究性学习、基于设计的学习以及基于真实问题解决的学习。评价应围绕目标制订旨在促进理解、过程性和总结性评价相结合的评价标准。
（二）围绕核心概念整合STEM教育
一些地区和学校在STEM教育中开发了许多STEM教育主题或项目，然而不少主题或项目只关注主题或项目的实践性、活动性，注重相关事实性知识的整合，但缺乏核心概念，往往拘泥于事实，无法促进深层次的理解和迁移。I-STEM模式采用概念性主题整合方法，体现了“整合、跨学科”的设计思想，将主题与核心概念框定的学习材料相关联，在概念水平建立相互联系，从而促进深层理解。这体现了艾里克森所提出的概念为本的课程设计特点，包括学科为本的概念构成了课程主题和内容，课程以概念为中心，教学活动的目的是超越事实学习，使理解力达到概念层次（Erickson，2003）。这启示我们应当围绕核心概念尤其是跨学科核心概念整合STEM教育，基于核心概念设计激发学生思维的基本问题，让学生带着问题实践和体验。
（三）支持STEM教育单门学科课程的学习
STEM教育的整合有不同层次，包括单一课堂、单一主题、多学科、完全整合／跨学科（Capraro et al.，2013）。前两个层次往往以在学科课程中融入STEM教育为主，在现有学科课程中实施，后两个层次往往以整合形态的STEM课程呈现，作为学校拓展课程或选修课程。然而一些STEM课程或项目虽然体现了整合的特点，但与现有的学科课程缺乏关联，孤立在学校的课程体系外，无法有效促进STEM教育单门学科课程的学习。
《K-12STEM整合教育的现状、前景与研究议程》提出了STEM整合教育方案设计的三大启示，其中之一是强调支持学生学习单门学科课程的知识，“当学生不理解单门学科的相关概念时，建立学科的联系就有困难。同样，在整合情境下，学生不会经常或自然地应用学科知识。因此，在工程或技术设计情境中，学生需要得到支持，以在工程或技术设计情境中提取相关的科学或数学概念，有效地建立这些概念间的联系，并以规范、科学和实践方式重新组成他们自己的概念”（Honey et al.，2014）。I-STEM模式很好地体现了这一点，其基于课程标准、聚焦核心概念的特点使其学习内容属于课程标准的一部分，因此I-STEM模式中整合形态的STEM与分科形态的STEM具有紧密的关联性。这启示我们对STEM整合教育的设计，首先应对目前的科学、数学、综合实践活动（劳动与技术、信息技术、研究性学习）等学科课程和活动课程的实施现状有一定了解，对学生的知识基础有一定认识，其次应当与这些学科课程和活动课程在目标、内容、教学和评价等方面建立紧密关联，支持并促进这些课程的学习。
（四）建设与依据相关学科课程标准
一些地区和学校STEM教育的主题、项目的设计与开发，无论是目标制订还是内容选取，都有随意性。美国STEM整合教育对标准的重视，启示我们要基于标准设计、开发STEM教育主题和项目。基于标准的STEM教育规范了课程的目标、内容，使得课程或项目的开发避免随意性，流于形式。为此，应加强STEM教育相关学科课程标准的建设：一方面，要建设融入STEM的学科课程标准。我国最新颁布的“小学科学课程标准”，将“技术与工程”内容纳入其中，就是将STEM融入学科课程标准的体现；另一方面，要建设STEM教育学科课程标准。从STEM教育涉及的四大学科看，我国课程标准的建设是滞后的。目前，我国科学、数学都有小学到高中完整的课程标准，但技术只在高中有通用技术和信息技术课程标准，工程内容包含在通用技术课程标准中，义务教育阶段的技术、工程都是缺失的。因此，义务教育阶段的技术课程标准、中小学的工程课程标准有待尽快提到日程。
作者简介：管光海，中学高级教师，浙江大学教育学院教育博士研究生，浙江省教育厅教研室教研员，研究方向：技术与工程教育、STEM教育、教学设计。
转载自：《开放教育研究》2017年第6期
排版、插图来自公众号：MOOC（微信号：openonline）
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有缘的人终会相聚，慕客君想了想，要是不分享出来，怕我们会擦肩而过~
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