楊開城 李波 竇玲玉 公平
摘要:課程開發(fā)是STEM領(lǐng)域首個需要解決的問題。一個合格的STEM課程不但要以問題驅(qū)動、創(chuàng)中學(xué)、協(xié)作探究和設(shè)計制造為外部特征,而且還要滿足目標(biāo)一手段一致性、學(xué)生參與度、媒體多元性、教師自由度以及STEM整合度等指標(biāo)的要求。這種STEM課程的開發(fā)需要運(yùn)用課程開發(fā)技術(shù)和教學(xué)設(shè)計技術(shù),并且需要詳案設(shè)計。該文在以學(xué)習(xí)活動為中心的教學(xué)設(shè)計(Learning-Activity-Centered Instructional Design,LACID)理論基礎(chǔ)上,構(gòu)建了一個STEM課程開發(fā)過程模式,并以“設(shè)計風(fēng)車”主題為例,介紹了一個STEM課程單元的設(shè)計細(xì)節(jié)。這個課程開發(fā)過程模式的主要步驟包括:創(chuàng)設(shè)STEM主題、知識建模、學(xué)習(xí)活動設(shè)計、設(shè)計優(yōu)化、缺陷分析與修正,其中STEM主題的核心內(nèi)容必須包括學(xué)生作品的功能與測試方法、學(xué)生需要解決的問題,知識建模的作用是使STEM課程知識內(nèi)容的清晰化和可視化,也是后續(xù)學(xué)習(xí)活動設(shè)計的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:STEM;課程開發(fā);LACID;STEM整合度;目標(biāo)一手段一致性
中圖分類號:G434
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
相對于分科式教學(xué)不利于知識體系從部分到整體的理解和把握、割裂教育和真實世界的有機(jī)聯(lián)系[1],緣起于20世紀(jì)80年代美國教育界的STEM教育[2]強(qiáng)調(diào)的是面向真實生活的問題解決和整合創(chuàng)新,關(guān)注的是多學(xué)科的交叉融合,試圖將科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、T程(Engineering)和數(shù)學(xué)(Mathematics)四門學(xué)科組合形成有機(jī)整體[3]。STEM教育旨在追求跨學(xué)科性、實踐體驗性、情境性、協(xié)作性、創(chuàng)新性等特征[4][5]。然而目前的STEM教育研究卻不盡如人意,這主要表現(xiàn)在:我們在STEM課程層次上缺乏清晰的統(tǒng)一認(rèn)識與理論指導(dǎo),STEM課程研究的深度與系統(tǒng)性嚴(yán)重欠缺[6];現(xiàn)有的一些STEM課程只重視外在教學(xué)形式上的整合,忽略跨學(xué)科知識的滲透,課程開發(fā)呈現(xiàn)零散的狀態(tài),未成體系,難以促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)[7];有些課程整合視野窄化、缺乏整體性,陷入到一種機(jī)械的、簡單的拼盤模式,成為“偽整合”的課程[8],找不到各學(xué)科之間的融合點,最后就變成了為跨學(xué)科而跨學(xué)科的多學(xué)科大雜燴[9];STEM課程與教學(xué)大綱以及評價體系的設(shè)計仍是一種挑戰(zhàn)[10]。這可能是因為我國基礎(chǔ)教育長期陷于“應(yīng)試”陷阱,缺乏工程(Engineering)與技術(shù)(Technology)方面的教育經(jīng)驗[11],以往的實踐經(jīng)驗難以移植到STEM領(lǐng)域,而從國外引入的課程(質(zhì)量先不說)不符合國內(nèi)價值觀或?qū)嵺`條件,出現(xiàn)水土不服的情況等[12],亦不堪大用。從實踐角度看,這些狀況皆源白人們不懂得如何開發(fā)STEM課程。因此說,STEM領(lǐng)域的首個難題不是教學(xué)研究而是課程開發(fā)研究。
一、STEM課程的外部特征和內(nèi)隱指標(biāo)
STEM的初衷是通過知識整合而生成創(chuàng)新能力。這個創(chuàng)新能力的實質(zhì)是將S.T.E.M.知識應(yīng)用于發(fā)明創(chuàng)造的能力而非純粹依賴直觀經(jīng)驗的制作能力。s.T.E.M.知識中,科學(xué)知識的功能是解釋和預(yù)測,技術(shù)知識的功能是實現(xiàn)某種物質(zhì)能量信息的變換,工程知識的功能是創(chuàng)造發(fā)明的系統(tǒng)化控制(目的是節(jié)約時間成本),數(shù)學(xué)知識的功能是長程推理、定量思考以及為技術(shù)系統(tǒng)提供數(shù)形規(guī)律。由此可知,總體上講,STEM課程不是讓學(xué)生“看世界”,而是讓學(xué)生“做東西”,而且學(xué)生所做的東西是有真實世界的問題背景或可直接解決現(xiàn)實生活中的某些問題的。問題僅在于做什么東西以及如何做!為了通過“做東西”整合S.T.E.M.知識并發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性,學(xué)生的作品必須包含特定的技術(shù)要素,這個技術(shù)要素必須通過工程設(shè)計流程建立起來,作品還要以某種科學(xué)知識為背景,科學(xué)知識要么解釋了技術(shù)要素的功能,要么解釋了這個作品所針對的問題,如果有可能,上述思維過程要嵌入特定的數(shù)學(xué)知識。這個創(chuàng)制作品的全過程需要一定的挑戰(zhàn)性,有障礙需要克服、有問題需要解決,因此需要以協(xié)作探究的方式展開,并以群體動力確保學(xué)生的耐心和堅持。
總之,STEM課程的外部特征包括:問題驅(qū)動、創(chuàng)中學(xué)、協(xié)作探究和設(shè)計制造。但開發(fā)STEM課程產(chǎn)品,僅僅關(guān)注這些外在特征還不夠。STEM課程產(chǎn)品還需要滿足下面的內(nèi)隱指標(biāo),否則它所生成的STEM學(xué)習(xí)活動將會是形式大于內(nèi)容的“偽整合”。
(一)目標(biāo)一手段一致性
目標(biāo)一手段一致性是任何課程產(chǎn)品必須滿足的核心指標(biāo)。這個指標(biāo)得不到不滿足,其他指標(biāo)毫無意義。這個指標(biāo)是指,課程和教學(xué)自身所有的設(shè)置,包括任務(wù)設(shè)定、交互過程、媒體配置、信息組織等等,都指向某特定的課程目標(biāo)或教學(xué)目標(biāo)(在特定語境下它們義稱為學(xué)習(xí)目標(biāo))。在課程開發(fā)和教學(xué)設(shè)計過程中,目標(biāo)是非常重要的。課程目標(biāo)是課程的核心屬性,課程是為了達(dá)到特定的課程目標(biāo)而組織起來的以知識形態(tài)傳遞的文化及對其傳遞方式和進(jìn)程的規(guī)定[13];課程必須通過教學(xué)設(shè)計才能轉(zhuǎn)化為教學(xué)行動,而教學(xué)目標(biāo)作為教學(xué)設(shè)計的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)[14],對教學(xué)設(shè)計具有引領(lǐng)作用。但無論是課程目標(biāo)還是教學(xué)目標(biāo),它們都是聲稱的、抽象的,它不等于課程或教學(xué)系統(tǒng)的功能。只有手段才有功能。具體的課程產(chǎn)品和教學(xué)方案就是手段。教育實踐關(guān)注的并不是聲稱的目標(biāo)而是實實在在的功能。由于目標(biāo)是抽象的、聲稱的,而手段并不是由目標(biāo)自然產(chǎn)生的而是人為設(shè)計的結(jié)果,因此對于課程和教學(xué)方案而言,目標(biāo)一手段一致性是標(biāo)識課程和教學(xué)方案質(zhì)量的核心指標(biāo)。
(二)學(xué)生參與度
學(xué)生參與度是指學(xué)生以豐富多樣的行為參與到課程及教學(xué)方案所規(guī)定的學(xué)習(xí)活動的程度。學(xué)生參與度越高,教學(xué)過程的教學(xué)效果就會越好。當(dāng)然,學(xué)生的參與不僅僅表現(xiàn)為對教師行為的簡單回應(yīng),更重要的是為師生交互提供實質(zhì)的、指向?qū)W習(xí)目標(biāo)的具體信息。
(三)媒體多元性
媒體多元性是指課程產(chǎn)品和教學(xué)方案所包含的信息呈現(xiàn)以及學(xué)習(xí)成果呈現(xiàn)所利用媒體形式的豐富性。豐富的媒體形式提供了豐富的信息刺激.其中也蘊(yùn)含著對學(xué)生獨特智能形式的包容。
(四)教師自由度
教師自由度是指教師在多大程度上可以調(diào)整課程產(chǎn)品中的預(yù)設(shè),包括任務(wù)、交互、媒體、規(guī)則,等等。恰當(dāng)?shù)慕處熥杂啥仁翘岣哒n程實施過程中教師主體性的重要因素。但并非教師自由度越高越好,因為教師的某些調(diào)整可能會傷害課程的目標(biāo)一手段一致性等上述三個指標(biāo)。
(五)s.T.E.M.整合度
s.T.E.M.整合度是獨屬于STEM課程的質(zhì)量指標(biāo)。這個指標(biāo)一方面是指具體的S.T.E.M.知識白然地出現(xiàn)在STEM學(xué)習(xí)活動之中,在學(xué)生“創(chuàng)中學(xué)”的“問題解決”過程中發(fā)揮其特定的知識功能,以期達(dá)到“在交往中生成理性、用知識驅(qū)動思考、用創(chuàng)造體驗力量”的效果,另一方面在上述整合過程中凸顯STEM課程的核心價值:科學(xué)精神——基于事實、精確判斷、勇于質(zhì)疑、理性證偽、平等溝通、創(chuàng)新意識與協(xié)作精神,等等。
二、STEM課程開發(fā)的基本思路及過程模式
目標(biāo)一手段一致性是首要的、根本的指標(biāo),只有滿足了這一指標(biāo),才能討論其他指標(biāo)。何以達(dá)到目標(biāo)一手段的一致性?這需要三個數(shù)據(jù)性條件:(1)目標(biāo)的清晰表征;(2)手段的清晰完整表征;(3)目標(biāo)和手段之間的操作性邏輯聯(lián)系。也就是說,只有我們清晰地表征了目標(biāo),同時也清晰完整地表征了手段,并且也擁有從目標(biāo)到手段的信息變換的全過程,我們才能判斷那個手段是否指向那個目標(biāo),同時自然地確信這樣的手段可以產(chǎn)生目標(biāo)所指向的預(yù)期學(xué)習(xí)結(jié)果。很明顯,這要求我們將課程開發(fā)和教學(xué)設(shè)計過程技術(shù)化(否則無法生成上述數(shù)據(jù)),并因此自然生成作為手段的詳案設(shè)計。所謂詳案設(shè)計,是指將教學(xué)交互的細(xì)節(jié)設(shè)計出來,通過細(xì)節(jié)設(shè)計將目標(biāo)所蘊(yùn)含的信息落實到位(落實到言語和行為以及媒體上)。雖然詳案設(shè)計的立場并不,也無法要求教師按照詳案將教學(xué)“演出來”。但詳案設(shè)計不僅有助于教師理解“手段”以及“手段”所指向的原本抽象的“目標(biāo)”,而且也為檢驗和調(diào)整學(xué)生參與度、教師自由度、媒體多元性以及STEM整合度提供了機(jī)會,因為詳案設(shè)計預(yù)設(shè)了師生行為以及他們所使用的各種資源T具詳情,人們很容易判斷哪些環(huán)節(jié)運(yùn)用了哪些s.T.E.M.知識、科學(xué)精神和其它價值觀體現(xiàn)在哪些行為和規(guī)則上、哪些環(huán)節(jié)是學(xué)生參與的、哪些環(huán)節(jié)是學(xué)生自主的、在何處可以增減設(shè)問、哪些方面可以調(diào)整媒體表征形式、在何處可以將學(xué)生學(xué)習(xí)外顯化、哪些方面是教師可以自由調(diào)整的以及調(diào)整的空間(比如言語風(fēng)格、學(xué)習(xí)方式,等等)到底有多大。由于詳案信息量很大,設(shè)計交互時開發(fā)者可能會因為過度關(guān)注細(xì)節(jié)以及某些理念的誤導(dǎo),使其設(shè)計偏離目標(biāo),因此整個設(shè)計過程必須被置于一個技術(shù)過程之下才能最大限度避免這種情況的發(fā)生。我們主張,STEM課程的開發(fā)過程按照圖1所示的模式展開。這個過程模式是在以學(xué)習(xí)活動為中心的教學(xué)設(shè)計理論(Learning-Activity-Centered Instructional Design,LACID)[15]為基礎(chǔ)上提出來的,并初步經(jīng)受了實操的檢驗。
(-)STEM主題創(chuàng)意的生成
STEM課程開發(fā)的第一個任務(wù)是確定STEM課程的單元主題。也正是包含這個操作,圖1所示的整個操作過程在性質(zhì)上屬于課程開發(fā)而非單純的教學(xué)設(shè)計。
STEM單元主題蘊(yùn)含兩個方面的信息,一是“學(xué)生所創(chuàng)的最終作品是什么”,因為STEM的核心是“發(fā)明創(chuàng)造”;二是“在這個發(fā)明創(chuàng)造過程中,學(xué)生需要運(yùn)用什么知識去理解和解決什么問題”。學(xué)生的創(chuàng)造發(fā)明過程需要遵循特定學(xué)段的學(xué)生們能夠理解和應(yīng)用的T程設(shè)計過程,這便融人了工程學(xué)知識。任何創(chuàng)造發(fā)明都需要使用特定的材料、模塊等基礎(chǔ)技術(shù)部件,甚至要求系統(tǒng)級的“技術(shù)革新”,這便融人了技術(shù)知識。而這個發(fā)明可能基于特定的問題背景,這個問題背景可能需要特定的科學(xué)知識,而且有些技術(shù)部件和技術(shù)系統(tǒng)的技術(shù)原理與科學(xué)有關(guān),因此可以融人科學(xué)知識。由于工程設(shè)計都在特定限制條件下展開,并且要達(dá)到一定的外部要求或功能,這些要求和功能可能隱含著數(shù)學(xué)知識,某些技術(shù)部件的制作也可能應(yīng)用數(shù)學(xué)知識,這就融入了數(shù)學(xué)知識。上述這些知識的融人需要被納入到那個問題解決過程,因此需要將上述可能融人的知識做個初步的鑒別和分析,搞清楚這個單元都涉及到哪些S.T.E.M.知識。當(dāng)然,在這個階段,STEM課程開發(fā)者必須親手操作一遍這個主題,做一系列科學(xué)實驗,制作那件作品,以檢驗這個主題的可行性、所需各種材料和部件的易獲取性和可用性以及上述S.T.E.M.知識應(yīng)用的真實性。最后,為了能使得這個STEM主題更具有吸引力,需要對這個主題進(jìn)行包裝,配以特定的故事、情境等等??傊@個階段需要確定以下5個方面的信息:(1)情境故事或問題情境;(2)工程設(shè)計作品的功能以及檢驗方法;(3)需要學(xué)生解決的挑戰(zhàn)性問題;(4)所應(yīng)用S.T.E.M.的知識列表(概要);(5)所需的材料及技術(shù)部件。
(_)STEM課程的知識清晰化——知識建模
有了STEM主題以及粗略的知識分析還不夠,它們無法支撐后續(xù)的設(shè)計。我們需要將STEM主題所蘊(yùn)含的全部S.T.E.M.知識完整清晰地呈現(xiàn)出來,并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行后續(xù)設(shè)計。這是一個知識可視化的過程,也是一個STEM課程知識數(shù)據(jù)化的過程。由于知識天然是網(wǎng)絡(luò)的,因此我們最好繪制一張知識網(wǎng)絡(luò)圖來表征一個STEM課程中的知識。但一般的知識網(wǎng)絡(luò)圖會存在數(shù)據(jù)不一致的問題(針對同一材料,不同的分析者所繪制的知識網(wǎng)絡(luò)圖嚴(yán)重不同,卻都是正確的),因此我們需要采用LACID中的知識建模技術(shù),將一個STEM課程中的知識繪制成一種特殊的知識網(wǎng)絡(luò)圖——知識建模圖。知識建模的過程是根據(jù)知識語義、按照特定的繪制規(guī)范、提取知識點并繪制出知識網(wǎng)絡(luò)圖的過程,它所繪制的知識網(wǎng)絡(luò)圖不是知識語義圖而是知識點之間的隸屬關(guān)系圖。
知識建模將知識點分為符號和名稱SM(Symbol)、概念CN(Concept)、原理和公式PF(Principle andFormula)、格式FM(Format)、過程和步驟PS(Processand Step)、認(rèn)知策略CS(Cognirive Strategy)、事實和范例(Fact andCase7種類型,并規(guī)定了19種知識點之間的關(guān)系,比如“是一種”“結(jié)論包含”“內(nèi)容包含”“步驟包含”“組成”,等等。知識建模還規(guī)定,不同類型的知識點在知識建模圖中用不同形狀來表示,SM知識用橢圓表示、CN知識用圓表示、PF知識用矩形表示、FM知識用梯形表示、Ps知識用圓角矩形口表示、cs知識用圓柱表示、FC知識用表示。
由于知識建模圖是知識點之間的隸屬關(guān)系圖,因此,針對同一材料,不同分析者所繪制的知識建模圖具有令人滿意的一致性[16]。同時,由于STEM課程開發(fā)常常是多人協(xié)作展開的,團(tuán)隊內(nèi)部針對STEM課程知識進(jìn)行溝通時,知識建模圖是一個非常好用而客觀的中介。
(三)學(xué)習(xí)活動設(shè)計
LACID認(rèn)為教學(xué)系統(tǒng)由學(xué)習(xí)活動組成。如圖2所示,學(xué)習(xí)目標(biāo)是學(xué)習(xí)活動的重要屬性,學(xué)習(xí)活動的其他成分包括:活動任務(wù)、交互過程、學(xué)習(xí)工具、學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)成果和活動規(guī)則,其中交互過程包含學(xué)習(xí)方法和學(xué)習(xí)方式,學(xué)習(xí)資源包括信息組織和媒體形態(tài)。學(xué)習(xí)活動設(shè)計的核心是活動任務(wù)設(shè)計,并且所有設(shè)計的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)就是知識建模圖。
知識建模圖清晰完整地呈現(xiàn)了一個STEM課程單元所包含的全部知識內(nèi)容。知識建模圖中有的知識點是先決知識點,有些知識點是目標(biāo)知識點。有了知識建模圖,我們便清楚地知道,整個STEM課程單元的能力目標(biāo):知識建模圖中的知識點的應(yīng)用能力。LACID用“(知識點,學(xué)習(xí)水平)”的二維目標(biāo)形式來表征學(xué)習(xí)目標(biāo)。這種目標(biāo)表征包含兩個維度,一個是知識點,另一個是學(xué)習(xí)水平,其中知識點就是知識建模圖中的目標(biāo)知識點,學(xué)習(xí)水平包括理解和應(yīng)用兩種。這種學(xué)習(xí)目標(biāo)表征雖稍顯瑣碎,但比自然語言的描述更加清晰具體?;谶@種學(xué)習(xí)目標(biāo)表征,面對知識建模圖,我們可以直接判斷整個STEM課程單元的學(xué)習(xí)目標(biāo)集合:哪些知識點需要先達(dá)到理解再達(dá)到應(yīng)用的水平,哪些知識點已經(jīng)達(dá)到了理解水平因此本單元只考慮應(yīng)用的水平。由于知識建模圖是連通圖,那些關(guān)聯(lián)緊密的知識點通常要“一起學(xué)”,因此學(xué)習(xí)目標(biāo)的組合和分配也大致清楚。接下來就是根據(jù)知識建模圖的實際情況以及知識點的其它學(xué)習(xí)論特征(比如,抽象度、難度、關(guān)聯(lián)的知識語義,等等)將知識建模圖劃分出多個知識子圖,這些知識子圖之間允許交叉重復(fù)。這些知識子圖義稱為知識組塊。LACID主張根據(jù)知識組塊的特征以及組塊中知識點的學(xué)習(xí)水平(即學(xué)習(xí)目標(biāo))為學(xué)生設(shè)計活動任務(wù),再將活動任務(wù)組合成學(xué)習(xí)活動,然后將學(xué)習(xí)活動組合成一節(jié)課。這樣逐層組合而完成STEM課程單元的設(shè)計。
LACID根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)的差異將活動任務(wù)區(qū)分為達(dá)到理解類目標(biāo)的意義建構(gòu)任務(wù)和達(dá)到應(yīng)用類目標(biāo)的能力生成任務(wù),并規(guī)定了A-F共6類意義建構(gòu)任務(wù)及其所對應(yīng)的知識組塊特征,還規(guī)定了4類能力生成任務(wù),包括創(chuàng)建實例、分析實例、補(bǔ)充拓展實例和問題解決。開發(fā)者根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)來選擇任務(wù)類型,可設(shè)計單類型任務(wù),也可設(shè)計復(fù)合類型任務(wù)。確定任務(wù)類型之后,再確定任務(wù)的具體描述,即通過何種具體事務(wù)來讓學(xué)生完成特定的學(xué)習(xí)目標(biāo)。有了具體的事務(wù)描述,開發(fā)者接下來便需要根據(jù)這個描述進(jìn)行師生交互設(shè)計、活動規(guī)則設(shè)計以及根據(jù)設(shè)計細(xì)節(jié)完成媒體材料的設(shè)計。這些設(shè)計必須圍繞那個知識組塊、按照特定的任務(wù)類型的要求進(jìn)行,這樣就滿足了目標(biāo)一手段一致性的要求,同時也會落實S.T.E.M.知識的整合。此外,在設(shè)計交互時,開發(fā)者需要考慮外部學(xué)習(xí)事務(wù)的多樣性,在交互設(shè)計中嵌入多樣學(xué)習(xí)方式、增加學(xué)生行為的多樣性、設(shè)置有趣的設(shè)問、選擇符合科學(xué)精神等價值觀的活動規(guī)則。
只要不破壞整個學(xué)習(xí)活動的目標(biāo)一手段一致性,課程開發(fā)者以及教師都可以針對師生交互、資源工具、活動規(guī)則進(jìn)行靈活的個性化設(shè)計,通過這種靈活的個性化設(shè)計,務(wù)實地提升學(xué)生參與度、媒體多元性,同時師生交互、資源工具、活動規(guī)則的設(shè)計空間也就是教師自由度空間,它確保教師具有合理的自由度——教師按照自己的方式實現(xiàn)特定知識點(知識組塊)、特定的學(xué)習(xí)目標(biāo)與方式(任務(wù)類型)以及特定的價值觀熏陶(活動規(guī)則)。
(四)設(shè)計優(yōu)化
設(shè)計優(yōu)化環(huán)節(jié)主要關(guān)注學(xué)習(xí)動力維護(hù)以及檢查STEM理念落實的情況。
LACID認(rèn)為學(xué)習(xí)動力是一個獨立的系統(tǒng),并為該系統(tǒng)提供了如圖3所示的CASPER-POP-CRC動力設(shè)計模型。在初步設(shè)計完成之后,設(shè)計者利用此模型調(diào)整學(xué)習(xí)活動的所有設(shè)計細(xì)節(jié)以求激發(fā)和維持學(xué)生的學(xué)習(xí)動力。當(dāng)然,經(jīng)驗豐富的LACID設(shè)計者會在之前設(shè)計過程中就考慮了學(xué)習(xí)動力問題,這一步只是查缺補(bǔ)漏。
STEM課程的知識需要整合于細(xì)節(jié),并且要求通過細(xì)節(jié)體現(xiàn)科學(xué)精神。因此在這個步驟中,設(shè)計者還需要考慮科學(xué)精神的方方面面是否可以嵌入到學(xué)習(xí)活動的各個成分之中。當(dāng)然,如果經(jīng)驗豐富,這部分工作也會在前期設(shè)計過程中完成,這一步仍是查缺補(bǔ)漏。
(五)缺陷分析與修正
STEM課程產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程是一個繁雜義耗時的操作過程,很難一蹴而就。因此產(chǎn)品初步完成之后,需要對它進(jìn)行缺陷分析及修正。最徹底的缺陷分析方法就是“試課”,通過真實地實施該課程,考察其在實施過程中暴露出來的設(shè)計缺陷并及時改正。
但我們并不主張在課程實施時關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)績效,通過前后測對比表明課程實施的成功。在現(xiàn)階段我們無法從學(xué)生的學(xué)業(yè)成績出將他們的成績歸因到某個孤立要素,比如課程質(zhì)量、教學(xué)方法、教學(xué)風(fēng)格、媒體工具、教師職業(yè)態(tài)度,等等。更何況,學(xué)生群體表現(xiàn)的多樣性使得何謂課程的成功無法具有客觀標(biāo)準(zhǔn)。而設(shè)計良好的課程對師生行為表現(xiàn)是有預(yù)期的,它們被設(shè)計到了課程產(chǎn)品之中。因此我們認(rèn)為,在確保目標(biāo)一手段一致性等其他指標(biāo)合理的前提下,所設(shè)計的師生交互能夠成功地被轉(zhuǎn)化為真實的師生行為的課程便是合格的課程,至于“哪些師生行為既符合學(xué)習(xí)規(guī)律義能夠真實發(fā)生?”則是另一個問題。
所以,我們主張從教師的教學(xué)實施與課程產(chǎn)品設(shè)計之間的差異中尋找課程的設(shè)計缺陷,并間接地佐證課程產(chǎn)品的質(zhì)量。具體做法是:(1)將實施STEM課程的教學(xué)過程拍攝下來;(2)將STEM課程中的教學(xué)方案與相應(yīng)的教學(xué)過程都轉(zhuǎn)化為教學(xué)過程機(jī)制圖;(3)對比這兩個機(jī)制圖、查找二者的差異(不一致之處);(4)盡量將這些差異歸結(jié)為課程的設(shè)計缺陷并修改課程設(shè)計。其中,教學(xué)過程機(jī)制圖分析法是關(guān)鍵,因為沒有教學(xué)過程機(jī)制圖,教學(xué)方案和真實的教學(xué)活動過程(教學(xué)視頻)不具有可比性。教學(xué)過程機(jī)制圖能為我們提供一個教學(xué)系統(tǒng)的中觀真相[17],它主要包含學(xué)習(xí)活動中參與者的角色行為統(tǒng)計和行為序列信息、師生交互所對應(yīng)的知識組塊以及對特定教學(xué)活動的定性描述。有了教學(xué)過程機(jī)制圖,我們便可以考察靜態(tài)的教學(xué)方案與真實的教學(xué)過程之間的差異,并且反思這些差異是否是教學(xué)方案設(shè)計不良引起的,進(jìn)而考察教學(xué)方案背后的更深層的課程設(shè)計缺陷。
三、STEM課程開發(fā)案例
下面以某公司的“抓住風(fēng):設(shè)計風(fēng)車”這一模塊為例,說明上述STEM課程的設(shè)計過程的核心環(huán)節(jié)。
(一)STEM創(chuàng)意——設(shè)計風(fēng)車
該模塊提供了一個背景故事:故事的主人公雷夫和他的表妹遇到了一個問題:他們的池塘里魚兒缺氧了;雷夫決定制作一個風(fēng)車,利用風(fēng)能來帶動槳,為池塘里的魚兒補(bǔ)充氧氣;在這個過程中雷夫?qū)W會了很多關(guān)于風(fēng)能、機(jī)器和風(fēng)車的知識,并成功地制作了一臺風(fēng)車。
該模塊對學(xué)生作品的要求:按照工程設(shè)計過程,制作一個風(fēng)車,該風(fēng)車的轉(zhuǎn)動能夠提起一定的重物(紙杯中的砝碼,越多越好)。
該模塊所整合的S.T.E.M.知識內(nèi)容包括:能量、不同形式能量間轉(zhuǎn)化、機(jī)器、風(fēng)車的結(jié)構(gòu)、影響捕捉風(fēng)能效率的要素、各種材料的屬性(顏色、強(qiáng)度、形狀、彈性、大?。?,等等。
該模塊所需要的材料:70克A4紙、硬紙板、錫箔紙、紅毛氈、木棒、泡沫球(轉(zhuǎn)輪)、小紙盒(風(fēng)車支架)、膠帶、紙杯、砝碼,等等。
學(xué)生所面對的挑戰(zhàn):選擇什么材質(zhì)的材料制作成何種形狀的葉片、如何將葉片安裝到轉(zhuǎn)輪上才能最大程度上捕捉到風(fēng)能,并使風(fēng)車轉(zhuǎn)動。
這個主題創(chuàng)意源白美國波士頓科學(xué)博物館EiE(Engineering is Elementary)“工程為本”系列STEM課程中的一個模塊,并經(jīng)過培識北京)技術(shù)有限公司的升級改編,屬于借來的主題。從無到有地創(chuàng)生STEM主題不是本文的核心議題,需另外單獨撰文闡明。
(二)知識建模
圖4和下頁圖5呈現(xiàn)了這個STEM單元的局部知識建模圖,其中某些知識組塊被標(biāo)識出來了。
(三)學(xué)習(xí)活動設(shè)計
制作風(fēng)車是“強(qiáng)度高、面積大的葉片更能捕捉風(fēng)能”“風(fēng)車的構(gòu)成”“葉片與風(fēng)向夾角大于45。”“尋找特殊角”和“工程設(shè)計五步”等知識的應(yīng)用。這些知識的理解與應(yīng)用(即學(xué)習(xí)目標(biāo))被分配到這4節(jié)90分鐘的大課中:情境故事課一知識拓展課—設(shè)計實踐課—挑戰(zhàn)匯報課。
1.情景故事課:雷夫抓住風(fēng)
這節(jié)課,師生共同閱讀故事書《雷夫抓住風(fēng)》,通過閱讀讓學(xué)生了解機(jī)械工程師及其從事的工作、建立學(xué)生對工程設(shè)計過程的初步認(rèn)識;通過實驗演示,讓學(xué)生理解“空氣流動形成風(fēng)”“風(fēng)是有能量的”“風(fēng)與物體的相互作用可以用來做功”等知識。
2.知識拓展課:了解機(jī)器與探索材料
這節(jié)課,讓學(xué)生從機(jī)械工程師的視角來觀察和分析機(jī)器,比如打蛋器、開罐器、膠棒、自動鉛筆等,引導(dǎo)他們要關(guān)注機(jī)器的功能、結(jié)構(gòu)以及運(yùn)轉(zhuǎn)過程與能量的傳遞,為制作風(fēng)車做準(zhǔn)備;學(xué)生通過探索學(xué)習(xí),嘗試設(shè)計與測試船帆,進(jìn)一步理解材料的屬性,進(jìn)而意識到船帆捕捉風(fēng)的能力受多種因素(材質(zhì)、形狀、大小、白重、安裝角度等)的影響。
3.設(shè)計實踐課:單因素實驗探究
這節(jié)課,學(xué)生進(jìn)行4組單因素實驗,分別探究材料軟硬(強(qiáng)度)、船帆形狀、船帆自重、船帆大小4個因素對于船帆捕捉風(fēng)能效果的影響;教師演示船帆與風(fēng)向夾角的實驗,利用“尋找特殊角”的策略,使學(xué)生理解:船帆與風(fēng)向垂直時能更好地捕捉到風(fēng)。
4.挑戰(zhàn)匯報課:設(shè)計風(fēng)車
這節(jié)課,學(xué)生在以上幾節(jié)課知識儲備的基礎(chǔ)上,按照工程設(shè)計流程(提問、構(gòu)想、計劃、創(chuàng)建、改進(jìn))設(shè)計制作他們的風(fēng)車作品,并通過測試風(fēng)車提起砝碼的數(shù)量,來衡量風(fēng)車捕捉風(fēng)能做功的能力。
上述每節(jié)課都包含多個學(xué)習(xí)活動。每個學(xué)習(xí)活動負(fù)責(zé)完成一部分學(xué)習(xí)目標(biāo),它包含多個活動任務(wù)并將學(xué)習(xí)目標(biāo)分配給各個活動任務(wù),并配置特定的活動規(guī)則。活動任務(wù)表現(xiàn)為師生交互過程以及交互所需的資源工具。活動任務(wù)的師生交互必須按照特定方式完成對特定知識組塊的學(xué)習(xí),以便將學(xué)習(xí)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為具體的交互行為。下頁表是摘自第2課《了解機(jī)器與探索材料》的某個學(xué)習(xí)活動設(shè)計表格的部分節(jié)選。知識組塊一欄中的子圖就是這個任務(wù)的知識組塊,其中包含著目標(biāo)知識點,比如船帆的概念和屬性。知識組塊與前述二維學(xué)習(xí)目標(biāo)的知識點有關(guān),任務(wù)類型與二維學(xué)習(xí)目標(biāo)的學(xué)習(xí)水平有關(guān)。比如下頁表中的任務(wù)類型欄中的B類和E類任務(wù)屬于“理解”水平。也就是說,下頁表所呈現(xiàn)的學(xué)習(xí)活動的學(xué)習(xí)目標(biāo)屬于意義建構(gòu)。BE合在一起說明該任務(wù)是復(fù)合類型,意為通過實例來理解知識的內(nèi)涵。具體的活動任務(wù)描述在“任務(wù)描述”欄,整個師生交互行為以及與之配合的資源工具、學(xué)習(xí)成果等設(shè)計必須貫徹執(zhí)行這個任務(wù)描述,而且需要在細(xì)節(jié)上落實知識組塊中的那些知識點。如下頁表中的“動力提升&STEM體現(xiàn)”一欄,用于設(shè)計者檢查設(shè)計細(xì)節(jié),確保將動力提升的設(shè)計和STEM理念的落實。從中我們可以看到,STEM學(xué)習(xí)活動并非處處體現(xiàn)STEM理念。要實現(xiàn)STEM理念,必須從主題到整個過程再到交互細(xì)節(jié)進(jìn)行完整設(shè)計。STEM理念是彌漫性地落實在細(xì)節(jié)之處的,但可以設(shè)計得很自然。
(四)何以STEM
總的來說,在“抓住風(fēng)”這個單元模塊的STEM整合,體現(xiàn)在以下4個方面:(1)學(xué)生在嘗試性船帆設(shè)計的基礎(chǔ)上,進(jìn)行單因素實驗探究,并要求在嘗試設(shè)計過程保留學(xué)生的困惑和疑慮,引導(dǎo)學(xué)生勇于質(zhì)疑,精準(zhǔn)判斷。(2)學(xué)生分組探究,多次實驗、對比實驗的減少誤差,并貫穿科學(xué)實驗原則,盡可能控制其他條件不變,測量不同船帆的小船航行的距離。(3)整合工程技術(shù)(工程五步)、物質(zhì)科學(xué)(材料屬性)、數(shù)學(xué)(幾何圖形)等領(lǐng)域知識設(shè)計實驗方案,分別探究影響船帆捕捉風(fēng)能的各因素。(4)學(xué)生利用“設(shè)計船帆”獲得的關(guān)于材料的理解以及“風(fēng)與物體的相互作用可以做功”的相關(guān)知識,設(shè)計風(fēng)車葉片,解決新的問題。
四、結(jié)語
STEM課程開發(fā)的關(guān)鍵在于:(1)主題設(shè)計既要體現(xiàn)作品創(chuàng)制、義要體現(xiàn)特定知識運(yùn)用;(2)通過知識建模使得課程所包含的知識體系清晰化且滿足數(shù)據(jù)一致性的要求;(3)利用LACID之類的教學(xué)設(shè)計技術(shù)從顯性的知識運(yùn)用能力的目標(biāo)出發(fā)設(shè)計學(xué)習(xí)活動的所有成分和屬性,確保目標(biāo)一手段一致性,并嵌入科學(xué)價值觀等隱形目標(biāo)的要求,這自然產(chǎn)生了詳案設(shè)計。
如此高成本、高投入的設(shè)計工作是生產(chǎn)高質(zhì)量STEM課程的基本保障。然而高校實驗室或者中小學(xué)校本課程開發(fā)卻無法長期穩(wěn)定地、持續(xù)地投入如此高的設(shè)計成本以求產(chǎn)生高質(zhì)量、成體系的STEM課程。務(wù)實地講,STEM課程的供給必須依賴教育產(chǎn)業(yè)公司。市場主體在供給側(cè)參與教育實踐是教育現(xiàn)代化的基本要求和大勢所趨。
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作者簡介:
楊開城:教授,博士生導(dǎo)師,研究方向為新教育學(xué)(yangkc_beijing@bnu.edu.cn).
李波:在讀博士,研究方向為STEM課程開發(fā)(lib02020@126.com)。
竇玲玉:在讀碩士,研究方向為教學(xué)設(shè)計(748989270@qq.com)。
公平:工程師,研究方向為STEM教育(gongping@cstem.com.cn)。