真實(shí)性學(xué)習(xí)視角下的STEM設(shè)計(jì)
——《美國(guó)STEM課例設(shè)計(jì)（小學(xué)卷）》評(píng)析

劉 徽/浙江大學(xué)教育學(xué)院課程與學(xué)習(xí)科學(xué)系主任

“假如生活在兩三個(gè)世紀(jì)前的人物，比如英國(guó)的南丁格爾、法國(guó)的塔列郎還有美國(guó)的富蘭克林走進(jìn)今天的教室，會(huì)感到相當(dāng)?shù)氖煜ぃ幢阈@之外的世界已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化。”在《與大數(shù)據(jù)同行：學(xué)習(xí)和教育的未來》一書中，舍恩伯格以穿越劇的方式暗指今天的教育已經(jīng)落后于時(shí)代的發(fā)展。在步入信息時(shí)代的今天，我們?nèi)匝永m(xù)著工業(yè)時(shí)代的教育方式，這種教育方式的最大特點(diǎn)就是傳授專家結(jié)論，而這些既有的結(jié)論在信息時(shí)代可以輕而易舉地通過網(wǎng)絡(luò)獲得。信息時(shí)代的世界更加靈活多變，需要人類解決的問題更加復(fù)雜。隨著人工智能的興起，人們?cè)絹碓揭庾R(shí)到，未來人需要做人工智能做不到的事。因此，珀金斯提出要“為未知而教”，學(xué)校教育要做的就是在已知和未知之間搭建起橋梁。威金斯則坦言“學(xué)校教育的目標(biāo)是使學(xué)生在真實(shí)世界能得心應(yīng)手地生活”。因此，新的教育范式提倡“為真實(shí)而學(xué)，在真實(shí)中學(xué)”。而STEM則是具有真實(shí)性學(xué)習(xí)價(jià)值的典型領(lǐng)域，因?yàn)樗怨こ虒W(xué)或科學(xué)為核心，打破學(xué)科界限，在解決真實(shí)性問題的同時(shí)滲透專家思維?！睹绹?guó)STEM課例設(shè)計(jì)（小學(xué)卷）》一書選擇、收集和整理了一至六年級(jí)的50個(gè)小學(xué)課例，參考了評(píng)價(jià)專家韋伯開發(fā)的認(rèn)知深度模型，將認(rèn)知深度分為回憶、記憶，技能、概念，策略思維，擴(kuò)展思維、發(fā)散思維四個(gè)等級(jí)，等級(jí)三和等級(jí)四都指向探究如何解決現(xiàn)實(shí)生活中的問題，可以說收集的這些課例都反映了真實(shí)性學(xué)習(xí)的理念，主要體現(xiàn)以下三個(gè)方面。

真實(shí)的目標(biāo)設(shè)定

真實(shí)的目標(biāo)設(shè)定實(shí)際上指的就是培養(yǎng)什么樣的人的問題，當(dāng)前對(duì)于核心素養(yǎng)、關(guān)鍵能力或綜合能力的討論都關(guān)乎這個(gè)問題。人們逐漸意識(shí)到信息時(shí)代需要的人才和工業(yè)時(shí)代有巨大的差異。教育最終要使學(xué)生學(xué)會(huì)“解決真實(shí)情境中的問題”，這需要三大能力支柱，即創(chuàng)新能力、合作能力和元認(rèn)知能力。未來真實(shí)情境中的問題往往是復(fù)雜的、沒有現(xiàn)成方案的、需要?jiǎng)?chuàng)造性地運(yùn)用專家思維來解決的，因?yàn)楹?jiǎn)單重復(fù)性的任務(wù)都交給人工智能來完成了，人的創(chuàng)新能力是必需的；在社會(huì)的各行各業(yè)中，很難找到一個(gè)職業(yè)是可以不需要和任何人打交道的，在全球化時(shí)代溝通交流變得更為重要，單槍匹馬幾乎不可能完成一個(gè)復(fù)雜任務(wù)，因此合作能力是必需的；元認(rèn)知能力可以讓學(xué)習(xí)者保持更新的活力，因此元認(rèn)知是必需的。而在《美國(guó)STEM課例設(shè)計(jì)（小學(xué)卷）》里我們也看到了對(duì)這三種能力的強(qiáng)調(diào)。

1.創(chuàng)新能力實(shí)際上就是對(duì)專家思維的強(qiáng)調(diào)，這點(diǎn)從課例名稱就不難看出，比如“橋梁懸臂——像工程師一樣思考”“接骨手術(shù)——STEM+X，我是醫(yī)生” “設(shè)計(jì)熱賣的音樂盒——人人都是產(chǎn)品經(jīng)理”等課例，強(qiáng)調(diào)要像工程師、醫(yī)生、產(chǎn)品經(jīng)理一樣思考。而貫穿在課例中的大概念也反映了專家思維，比如“環(huán)境如何塑造生命形態(tài)”“嚴(yán)格條件下尋找最優(yōu)解”“運(yùn)動(dòng)與平衡”“模型設(shè)計(jì)中的不斷改進(jìn)”“環(huán)境與人類活動(dòng)的平衡”等。大概念的形成往往不是一蹴而就的，需要反復(fù)在課例中體現(xiàn)，比如以“科學(xué)實(shí)驗(yàn)如何設(shè)計(jì)”這一大概念為例，在二年級(jí)的課例“撞上之前停下來——初探減速運(yùn)動(dòng)”中探討“你們總結(jié)出科學(xué)實(shí)驗(yàn)的模式了嗎？如果有，是怎樣的模式？”在三年級(jí)的課例“太陽科學(xué)家——對(duì)照實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)施”探討“你們總結(jié)出對(duì)照實(shí)驗(yàn)的模式了嗎？”在四年級(jí)的課例“神奇的植物——科學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路”中探討“實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的影響因素有什么異同？這些異同是怎樣反映到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)當(dāng)中的？如果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能夠支持假設(shè)，是什么原因？實(shí)驗(yàn)還存在哪些缺陷？”關(guān)于科學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)內(nèi)容在不同的話題中反復(fù)出現(xiàn)，層層推進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)這一大概念的認(rèn)識(shí)。

2.合作能力的評(píng)價(jià)是課例評(píng)價(jià)量規(guī)中的重要內(nèi)容，幾乎所有課例提供的評(píng)價(jià)量規(guī)里都有對(duì)“小組合作”的打分，考量分工是否合理、合作是否順暢，不僅重視組內(nèi)的合作，也重視組間的合作，如，“你們組有沒有從其他組借鑒一些做法？借鑒了什么？為什么？”

3.當(dāng)學(xué)生完成任務(wù)后，都有一個(gè)反思的環(huán)節(jié)，讓學(xué)生思考“你們小組最后選用的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)在哪里？相比被舍棄的設(shè)計(jì)，它有什么樣的優(yōu)點(diǎn)？”體現(xiàn)了對(duì)元認(rèn)知能力的重視。

此外，值得一提的是，所有的課例都在出示任務(wù)后配有相應(yīng)的評(píng)價(jià)量規(guī)，這就是威金斯所說的“像評(píng)估員一樣思考”。評(píng)價(jià)量規(guī)既有分值，同時(shí)也詳細(xì)給出了相應(yīng)分?jǐn)?shù)的描述，從而幫助教師明晰目標(biāo)。這種目標(biāo)-證據(jù)-活動(dòng)的設(shè)計(jì)序列不僅讓后面的教學(xué)活動(dòng)能緊緊圍繞目標(biāo)展開，同時(shí)也讓學(xué)生在一開始領(lǐng)到任務(wù)時(shí)就明確了自己努力的方向。

真實(shí)的問題情境

真實(shí)的問題情境一般有以下幾個(gè)特征：（1）現(xiàn)實(shí)性?，F(xiàn)實(shí)性一方面是指符合生活需要和現(xiàn)實(shí)邏輯，比如“防震高塔——地震和建筑物設(shè)計(jì)探究”“信息的加密與傳遞——密碼學(xué)初步”“設(shè)計(jì)游樂場(chǎng)——想象并動(dòng)手付諸實(shí)踐”都是現(xiàn)實(shí)發(fā)生的事，而“去火星——探討宇宙飛船安全著陸的方法”“創(chuàng)設(shè)一個(gè)外星人故事——?jiǎng)?chuàng)造性寫作”，看似是一個(gè)未經(jīng)證明的假設(shè)，但通過合理的想象依然可以保證它符合現(xiàn)實(shí)的邏輯?，F(xiàn)實(shí)性另一方面是指具有時(shí)代性，比如輕軌消聲、納米材料、火星登陸都反映了科技的進(jìn)步，這恰恰是當(dāng)前學(xué)科教學(xué)所缺乏的，經(jīng)典的學(xué)科體系做到及時(shí)更新比較困難。（2）限制性。真實(shí)問題的解決常常是有時(shí)間、空間、資源等限制的，比如在課例中在制作時(shí)通常會(huì)有材料的限制，如30根吸管、60厘米長(zhǎng)的膠帶。所有的課例也都根據(jù)任務(wù)的難度給出了不同的時(shí)間限制。（3）跨學(xué)科性。書中所有的案例都標(biāo)注了課程領(lǐng)域，至少是兩個(gè)以上學(xué)科的組合，學(xué)科組合是多種多樣的，既有工程學(xué)與藝術(shù)的組合，也有工程學(xué)、物理、數(shù)學(xué)、語文、藝術(shù)的組合，還有語文、生物、物理、工程學(xué)的組合。除了常見學(xué)科外，還有一些以往小學(xué)生沒有接觸過的學(xué)科，比如建筑學(xué)、氣象學(xué)、密碼學(xué)等，都為學(xué)生開拓了視野，使他們慢慢開始接觸和了解各種專業(yè)?？鐚W(xué)科性也反映了真實(shí)問題的復(fù)雜性，但基本上所有的課例都會(huì)涉及工程學(xué)和科學(xué)，尤其是工程學(xué)，因?yàn)楣こ虒W(xué)直接面向真實(shí)問題的解決，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，一旦涉及工程學(xué)，往往就具有跨學(xué)科性。

真實(shí)的學(xué)習(xí)過程

盡管每個(gè)課例會(huì)稍有區(qū)別，但基本上可分為導(dǎo)入、執(zhí)行任務(wù)、展示和總結(jié)三個(gè)部分。

1.導(dǎo)入部分起到激發(fā)疑問、知識(shí)準(zhǔn)備的作用。杜威的思維五步法第一步就是要感到困惑，因?yàn)橹挥挟a(chǎn)生困惑才會(huì)開始思考，這恰恰是我們的日常教學(xué)所缺乏的。《美國(guó)STEM課例設(shè)計(jì)（小學(xué)卷）》課例中的導(dǎo)入部分除了能聯(lián)結(jié)學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，還能有效地激發(fā)學(xué)生的好奇心，比如“創(chuàng)造外星人物品——打破常規(guī)思考”課例在導(dǎo)入部分講了一個(gè)故事，在我國(guó)的某島嶼上，科學(xué)家觀測(cè)到有一架不明飛行物迫降在某島嶼上，很可能是外星人，這時(shí)要組織專家進(jìn)行調(diào)查。當(dāng)專家組趕到時(shí)，發(fā)現(xiàn)外星人已經(jīng)撤離，但留下了一件物品，請(qǐng)根據(jù)對(duì)外星人生活的推測(cè)來創(chuàng)造這件物品。而知識(shí)準(zhǔn)備則是通過學(xué)生自主閱讀或教師講解為后面的解決問題做好準(zhǔn)備。課例特別提示要注意要保護(hù)學(xué)生的興趣，比如在“火山噴發(fā)——運(yùn)用科學(xué)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)科學(xué)規(guī)律”課例中，教師無須在導(dǎo)入時(shí)用專業(yè)名詞講解火山噴發(fā)原理，只須用通俗易懂的語言或隱喻來解釋就可以，因?yàn)榇罅康膶I(yè)名詞會(huì)降低學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而對(duì)興趣和好奇心的保護(hù)恰恰是當(dāng)前教育所忽視的。如珀金斯所言，不要認(rèn)為好奇心與困惑感的存在是理所當(dāng)然的，事實(shí)上，隨著時(shí)間的推移，傳統(tǒng)學(xué)校的學(xué)生都有失去這種敏感性的危險(xiǎn)。[戴維·珀金斯：《為未知而教，為未來而學(xué)》，浙江人民出版社]

2.執(zhí)行任務(wù)則是主體部分，是指應(yīng)用所學(xué)來解決問題。這里的所學(xué)不僅有專家結(jié)論，更強(qiáng)調(diào)專家思維，如在“神奇的植物——科學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路”的課程任務(wù)明確寫到：“本節(jié)課學(xué)生不但可以學(xué)到植物的向性運(yùn)動(dòng)，更重要的是能建立對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)和批判性思維，這對(duì)學(xué)生今后面臨復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)問題時(shí)能夠迅速抓住問題的關(guān)鍵點(diǎn)、提出解決方案并整理思路和做法很有助益”，這節(jié)課的任務(wù)就是讓學(xué)生合作設(shè)計(jì)一組實(shí)驗(yàn)，證明植物是具有趨光性的。書中有一些課例安排了兩個(gè)任務(wù)，比如在“遮風(fēng)擋雨——材料性能測(cè)試”中，第一個(gè)任務(wù)是“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，測(cè)定幾種材料的透性”，第二個(gè)任務(wù)是“要求選擇一種透性最強(qiáng)的材料制作一把雨傘，并設(shè)計(jì)一句廣告語”。而“海上航行I——模型設(shè)計(jì)中的不斷改進(jìn)”課例中的任務(wù)，則更接近真實(shí)的設(shè)計(jì)過程，第一個(gè)任務(wù)是“用一張鋁箔自由設(shè)計(jì)并制作一只小船，進(jìn)行載重實(shí)驗(yàn)”，此過程教師給的指導(dǎo)很少，讓學(xué)生在試誤中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，探討原理，發(fā)現(xiàn)載重量和體積成正比；第二個(gè)任務(wù)則是在學(xué)生發(fā)現(xiàn)的原理的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)小船，體現(xiàn)設(shè)計(jì)中再設(shè)計(jì)的循環(huán)上升過程。

3.展示和總結(jié)則是作品展示和反思總結(jié)。要求小組不僅對(duì)作品進(jìn)行展示，而且展示創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、分工、建造和最終完善的過程，也就是要把思路呈現(xiàn)出來，教師和其他小組都可以提問，達(dá)到佐藤學(xué)所說的反芻[佐藤學(xué)， 鐘啟泉， 陳靜靜：《教師的挑戰(zhàn)：寧靜的課堂革命》，華東師范大學(xué)出版社]，即不斷地反復(fù)咀嚼和思考。書中如“你們選擇的是哪一種形式的橋梁？為什么選擇這種形式來制作？”“你們覺得這種形式的橋梁有什么優(yōu)點(diǎn)？有什么缺點(diǎn)？”“你們認(rèn)為這種橋梁最好使用在哪些地方？其他幾種橋梁可以使用在哪些地方？”這些問題可以引發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考。有些課例中還設(shè)置了拓展模塊，除了思考問題，還會(huì)布置一些具體的后續(xù)任務(wù)，比如“繪制校園地圖——STEM project”課例在完成校園地圖繪制后，學(xué)生可以選取三個(gè)時(shí)間點(diǎn)，做一份人員熱點(diǎn)地圖。

縱觀書中50個(gè)課例，有一個(gè)非常明顯的特點(diǎn)，就是問題貫穿在整個(gè)學(xué)習(xí)過程之中。各個(gè)環(huán)節(jié)都提出了一系列問題，且這些問題與傳統(tǒng)教學(xué)的問題有很大的區(qū)別。傳統(tǒng)教學(xué)的問題往往有明確的答案，教師希望學(xué)生能命中答案。費(fèi)舍爾形象地將之比喻為打網(wǎng)球，教師把球扔出去，讓學(xué)生接回，如果一個(gè)學(xué)生沒接住就換下一個(gè)學(xué)生，直到有學(xué)生接住就告一段落，換下一個(gè)問題[羅伯特·費(fèi)舍爾——《創(chuàng)造性對(duì)話：課堂里的思維交流》，社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社]。而《美國(guó)STEM教學(xué)設(shè)計(jì)（小學(xué)卷）》一書中設(shè)計(jì)的問題更具有真實(shí)性，答案更具有開放性，符合現(xiàn)實(shí)世界的問題沒有唯一解的特點(diǎn)。這類問題不是為了導(dǎo)向封閉的答案，而是為了打開學(xué)生的思路，比如“外星人居住的星球是什么樣的？”“如果我們聞不到味道，世界會(huì)變成什么樣子？”“如果現(xiàn)在在地上挖一口井，一直挖到通向地球的另一端，從這個(gè)井口扔一個(gè)東西進(jìn)去，這個(gè)東西會(huì)是什么樣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)？”此外，書中還有一些總結(jié)類的問題是直指大概念的，比如“科學(xué)家是用哪種方式描述他們的研究過程和結(jié)果的？科學(xué)家針對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的寫作和作家進(jìn)行的寫作在你看來是否有區(qū)別？科學(xué)家寫作具有什么特點(diǎn)？為什么科學(xué)家要選擇這種方式進(jìn)行寫作？”不僅教師提問，同時(shí)也鼓勵(lì)學(xué)生提問。麥克泰格和威金斯認(rèn)為，教育的一個(gè)長(zhǎng)期目標(biāo)是把學(xué)生培養(yǎng)成更好的提問者，因?yàn)殡S著知識(shí)更新速度的不斷加快，提問能力的強(qiáng)弱在一定程度上決定了學(xué)生汲取新知識(shí)能力的強(qiáng)弱，提問是探究的代名詞，標(biāo)志著學(xué)生正在主動(dòng)進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)。[格蘭特·威金斯，杰伊·麥克泰格著，閆寒冰，宋雪蓮，賴平譯：《追求理解的教學(xué)設(shè)計(jì)（第二版）》，華東師范大學(xué)出版社]因此，在課例的反思階段，教師會(huì)問學(xué)生“你們小組在制作過程中考慮了多少問題？是什么問題？為什么要考慮這些問題？”從而倡導(dǎo)學(xué)生積極提問?？梢哉f，這本書也是一本問題示范書，讓教師們明白怎樣提問才能引導(dǎo)學(xué)生不斷思考。

當(dāng)前，STEM引起理論界和實(shí)踐界的極大關(guān)注，它的意義不僅在于開設(shè)了一門新課程，更是提供轉(zhuǎn)變教育觀念和方式的切入口。通過STEM教育，我們可以再次理解真實(shí)性學(xué)習(xí)，即為真實(shí)而學(xué)，在真實(shí)中學(xué)，重塑我們的教育觀念，改變我們的教學(xué)方式，為學(xué)生未來解決真實(shí)問題打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，做好充分的準(zhǔn)備。