摘要：厘清STEM能力結(jié)構(gòu)是設(shè)計STEM課程體系的關(guān)鍵。2019年聯(lián)合國教科文組織國際教育局（IBE-UNESCO）發(fā)布第30號報告《探索21世紀(jì)STEM能力》，從知識、技能、態(tài)度與價值觀三個維度分析了STEM能力框架，明確了STEM課程所要教授的基本元素。該文梳理了IBE-UNESCO STEM能力框架，探究能力為本的STEM課程整合的方法。提出了以大概念架構(gòu)能力要素，設(shè)計STEM課程體系;面向職業(yè)應(yīng)用，設(shè)計經(jīng)典STEM課程;以項目/任務(wù)/問題為載體，設(shè)計STEM活動;與家庭、社會共享資源合力，打造STEM學(xué)習(xí)環(huán)境等策略，以期為改進我國STEM課程設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：STEM;能力;能力本位;能力框架;課程設(shè)計

中圖分類號：G434

文獻標(biāo)識碼：A

一、引言

當(dāng)今，以智能化為代表的工業(yè)革命4.0時代，社會需要具有新技術(shù)和跨學(xué)科思想的科學(xué)型勞動力，每一個人都要具備適應(yīng)當(dāng)今及未來社會之需的能力。在社會可持續(xù)發(fā)展和個人幸福生活兩大愿景下，能力為本的STEM教育是時代發(fā)展的需求。STEM教育利用科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)、工程等知識，制定和提供創(chuàng)新的解決方案，解決日常或社會問題，致力于培養(yǎng)應(yīng)社會之需的未來人才。盡管過去二十年里STEM教育改革備受社會各界關(guān)注，但對STEM課程整合的細節(jié)方面還缺乏共識。國內(nèi)STEM教育起步晚，存在頂層設(shè)計、社會聯(lián)動機制、整體設(shè)計、師資力量等方面諸多問題[1][2]。教育部門應(yīng)重新思考傳統(tǒng)課程界限，以能力為本位，以解決真實世界的問題為目標(biāo)，設(shè)計并應(yīng)用超越知識領(lǐng)域的STEM課程[3]。厘清STEM能力結(jié)構(gòu)是設(shè)計STEM課程體系的關(guān)鍵。

能力不是一套固定的技能，在真實的生活和工作環(huán)境中，人們運用專業(yè)知識和經(jīng)驗，及科學(xué)探索和問題解決等技能，并融入適當(dāng)價值觀等不同要素，進行決策、采取行動并解決問題，其中所需要的能力是綜合的。傳統(tǒng)課程中，知識和技能是按科目劃分的。STEM教育則將科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科聯(lián)合為實體。課程開發(fā)人員需考慮跨學(xué)科的概念和方法，并認(rèn)識到每個STEM學(xué)科的特殊性和特點，課程設(shè)計需要更多地從整體角度出發(fā)。2019年2月，聯(lián)合國教科文組織的國際教育局（IBE-UNESCO）關(guān)于當(dāng)今課程、學(xué)習(xí)和評估關(guān)鍵問題的第30號報告《探索21世紀(jì)STEM能力》[4]，分析了21世紀(jì)STEM能力框架，為STEM能力本位課程設(shè)計提供藍圖，對我國改進STEM課程設(shè)計具有借鑒意義。

二、STEM能力框架與課程設(shè)計內(nèi)容

IBE從能力發(fā)展觀角度將能力定義為“在21世紀(jì)背景下，以能動性和倫理性地使用知識技能、價值觀、態(tài)度和技術(shù)，實現(xiàn)個人有效參與體現(xiàn)集體和全球利益的行動并發(fā)展能力”[5]。知識、技能、態(tài)度和價值觀綜合應(yīng)用于識別生活中的問題，解釋自然和設(shè)計世界的問題，并對STEM相關(guān)問題得出基于證據(jù)的結(jié)論[6]。從解決真實復(fù)雜問題過程角度，能力的組成部分既要有知道“是什么”和“怎么做”兩個基本部分，還要體現(xiàn)特定的倫理態(tài)度和價值觀，而且以一種整體的方式工作，能力的各個組成部分需要整合到學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中，以使學(xué)生能夠參與到問題中來。知識、技能、態(tài)度和價值觀是STEM能力框架的三大方面，同時也是設(shè)計與開發(fā)STEM課程的關(guān)鍵要素。

（一）設(shè)計STEM知識

1.STEM知識構(gòu)成

STEM知識與包含的學(xué)科內(nèi)容相關(guān)，IBE-UNESCO從知識來源和應(yīng)用的角度，將其分為三類：認(rèn)識性知識（Epistemological Knowledge），程序性知識（Procedural Knowledge）和技術(shù)性知識（Technical Knowledge）。認(rèn)識性知識是人們對客觀世界認(rèn)識中形成的相關(guān)事實、思想、概念、原理，以及科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識和理解。認(rèn)識性知識顯示了學(xué)生學(xué)習(xí)的相關(guān)性和目的，涉及到像從業(yè)者那樣思考、行動和理解[7]。程序性知識，又稱過程性知識，是解決問題的執(zhí)行動作序列，即步驟與要點[8]。程序性知識通過課堂內(nèi)外的調(diào)查和實踐活動發(fā)展起來，學(xué)生掌握程序性知識，能夠促進其對STEM原理的理解和應(yīng)用。技術(shù)性知識是指知識、技能、態(tài)度和價值觀在特定操作或任務(wù)中的應(yīng)用，是對技能如何執(zhí)行的理解。技術(shù)性知識響應(yīng)特定職業(yè)或行業(yè)需求的特定知識形式，包括職業(yè)知識和各級工程師以及技術(shù)人員所需的知識。

對STEM知識的設(shè)計是STEM教育工作的開展的基礎(chǔ)。但僅從“微觀”的角度分析其構(gòu)成，難以滿足基于能力本位的STEM知識體系的建構(gòu)。從知識體系角度，跨領(lǐng)域的STEM知識綜合為一個整體體系，需要將不同的理解元素連接成一個連貫的整體，大概念是建構(gòu)STEM知識體系的人手點和方法。從綜合應(yīng)用角度，STEM知識最終應(yīng)用于不同的職業(yè)領(lǐng)域，STEM知識架構(gòu)的另一種方法為職業(yè)性知識架構(gòu)。

2.大概念建構(gòu)STEM知識

大概念（Big Idea）是對特定學(xué)科顱域?qū)W習(xí)的中心概念或陳述，通過這些概念（陳述）能將學(xué)習(xí)內(nèi)容不同的理解元素連接成一個連貫的學(xué)科/領(lǐng)域整體[9]。IBE-UNESCO認(rèn)為任何研究領(lǐng)域里，大概念都是其構(gòu)成基石，通過大概念可以建構(gòu)知識體系。在大概念之間建立聯(lián)系，然后將這些聯(lián)系外推到同一領(lǐng)域或其它領(lǐng)域，學(xué)生可以發(fā)展他們對該學(xué)科/領(lǐng)域的基本理解。

大概念架構(gòu)STEM知識是將STEM知識融合為整體的一種重要的思路。美國國家研究委員會提出通過跨STEM學(xué)科領(lǐng)域聯(lián)結(jié)關(guān)系，提供一個組織架構(gòu)，從不同的STEM領(lǐng)域汲取和結(jié)合知識，形成一個連貫的、以科學(xué)為基礎(chǔ)的基本概念框架。其中最為關(guān)鍵的七個方面聯(lián)結(jié)方式為：（1）模式;（2）因果關(guān)系、機制和解釋;（3）規(guī)模、比例、數(shù)量;（4）系統(tǒng)和系統(tǒng)模型;（5）能量和物質(zhì)流動、循環(huán)和守恒;（6）結(jié)構(gòu)和功能;（7）穩(wěn)定和變化[10]。通過對觀察到事件的形式或模式組織分類，并提示有關(guān)關(guān)系和影響關(guān)系的因素的問題，調(diào)查和解釋因果關(guān)系，厘清規(guī)模、比例或數(shù)量的變化如何影響系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或性能，跟蹤能量和物質(zhì)的流入、流出和系統(tǒng)內(nèi)部的流動有助于了解系統(tǒng)的可能性和局限性，明確穩(wěn)定性條件和系統(tǒng)變化或演化的決定因素等，進行重新組織。從這些核心的大概念人手組織成四個領(lǐng)域：（1）物理科學(xué)，（2）生命科學(xué)，（3）地球和空間科學(xué)與工程，（4）科學(xué)的技術(shù)和應(yīng)用，并分布在從小學(xué)到高中的多個年級，形成新一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)（NGSS Next GenerationScience Standards）[11]。該標(biāo)準(zhǔn)在每個年級都有概述，其深度和復(fù)雜性均不斷提高。

大概念就像STEM知識體系的骨架，將不同學(xué)科領(lǐng)域的知識進行聯(lián)結(jié)，形成整合的STEM知識體系。這些聯(lián)結(jié)的數(shù)量和強度是他們理解水平的指標(biāo)。通過大概念學(xué)習(xí)網(wǎng)，教師需要不斷地幫學(xué)生將學(xué)習(xí)內(nèi)容與大概念聯(lián)系起來，并在整個課程中不斷地強化它們，使學(xué)生能夠把不同學(xué)科領(lǐng)域看作是一組互相關(guān)聯(lián)的概念、事實或技能，形成一個更有意義的知識體系，從而使學(xué)習(xí)變得連貫、有意義。教學(xué)中大概念也是關(guān)鍵學(xué)習(xí)節(jié)點，聯(lián)結(jié)方式則為重要的教學(xué)設(shè)計點。重新梳理STEM知識體系，進一步按專題或主題架構(gòu)，可設(shè)計為STEM課程體系。

3.職業(yè)性知識架構(gòu)STEM知識

每一門職業(yè)如軟件工程、建設(shè)施工、機械制造、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、操作監(jiān)控，故障排除、設(shè)備維修保養(yǎng)、系統(tǒng)分析評價、質(zhì)量控制分析等，均需要掌握復(fù)雜的技術(shù)性知識。STEM課程需要致力于讓學(xué)習(xí)者更好地將教育經(jīng)驗與未來職業(yè)聯(lián)系起來[12]。技術(shù)性知識包括職業(yè)知識和各級工程師以及技術(shù)人員所需的知識。

國民教育系統(tǒng)除了為學(xué)生提供基礎(chǔ)教育，中等職業(yè)學(xué)校及高等學(xué)校還為學(xué)生將來的職業(yè)生涯做準(zhǔn)備。國民教育系列以外的許多校外學(xué)習(xí)中心或培訓(xùn)機構(gòu)，也經(jīng)常致力于努力開發(fā)STEM教育項目，為年輕的學(xué)習(xí)者提供學(xué)習(xí)機會利于他們上崗或培養(yǎng)專門的STEM能力，例如少年宮、夏令營、課外活動和競賽等。

（二）掌握STEM技能

技能通常是衡量專業(yè)能力的重要指標(biāo)，無論執(zhí)行STEM相關(guān)任務(wù)還是非STEM任務(wù)，均需要掌握那些已發(fā)展或正在發(fā)展的技能。鑒于STEM領(lǐng)域的快速發(fā)展，所有的學(xué)習(xí)者都需要使自己保持持續(xù)的專業(yè)技能發(fā)展和其它技能的提升。IBE-UNESCO認(rèn)為STEM技能主要包括認(rèn)知技能、信息處理、解決問題與工程思維、科學(xué)調(diào)查、計算思維與通信技術(shù)、設(shè)計思維與創(chuàng)新能力、動手操作技能、溝通協(xié)作技能8種技能。深入分析各個維度的STEM技能，探究技能掌握方法，是STEM課程的重要設(shè)計點。

1.認(rèn)知技能

認(rèn)知是指通過思維和經(jīng)驗進行認(rèn)識與理解事物的心理過程。認(rèn)知技能是識別、收集、處理和使用相關(guān)數(shù)據(jù)做出決策的過程，在信息管理處理、創(chuàng)造性和分析性思維、解決問題、科學(xué)調(diào)查、創(chuàng)造力和計算性思維等技能的基礎(chǔ)上作出判斷。認(rèn)知技能是學(xué)習(xí)者內(nèi)心與客觀的事物、問題不斷交互、反思形成自己獨到的見解的過程，是STEM的一種基本技能。

學(xué)習(xí)者應(yīng)用認(rèn)知技能，實質(zhì)是通過科學(xué)方法和證據(jù)，使用分析性、推理性和批判性思維來評估觀點，獲取有效的判斷經(jīng)驗。分析性思維通過數(shù)學(xué)、科學(xué)等原理與方法，以及已有經(jīng)驗數(shù)據(jù)的加工處理，使人能夠系統(tǒng)地設(shè)想、表達和概念化問題以及解決方案。解決每一個問題需要運用推理性思維和批判性思維，通過邏輯推理發(fā)現(xiàn)問題本質(zhì)，這也是創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)的重要基礎(chǔ)。認(rèn)知技能在不斷實踐中提升，必要時還需要借助一定工具和方法，如通過組織結(jié)構(gòu)圖、思維導(dǎo)圖等可以進行快速問題分析，通過組織問題討論可以有效調(diào)度批判性、推理、分析等思維解決問題，以獲取解決方案。

2.信息處理—數(shù)據(jù)解釋和數(shù)據(jù)分析

信息處理技能是為特定的任務(wù)尋找、整理、組織和選擇有效的信息，生成、理解、解釋、分析和推斷經(jīng)驗數(shù)據(jù)，測試其真實性、有效性和可靠性，并以有效的方式顯示結(jié)果。學(xué)生不能僅憑他們的感受或想法下結(jié)論，而是要基于支持的科學(xué)數(shù)據(jù)得到最佳解決方案[13]。

獲取信息，并能夠通過輔助工具如紙質(zhì)的圖表、數(shù)據(jù)圖、Excel電子表、數(shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)分析軟件等的應(yīng)用，掌握數(shù)據(jù)分析技巧是STEM學(xué)習(xí)不可或缺的技能。21世紀(jì)信息爆炸的時代，對信息處理能力的要求越來越高，越來越多的信息和“大數(shù)據(jù)”被收集和使用，信息處理成為每一個人必備的信息素養(yǎng)，以數(shù)據(jù)驅(qū)動決策越來越成為各行各業(yè)的習(xí)慣。

3.解決問題與工程思維

處理生活中、工作中各種各樣的事務(wù)都需要解決問題，解決問題的過程包括識別和分解復(fù)雜的問題，分析數(shù)據(jù)，制定解決方案，評估選項和實施解決方案。IBE-UNESCO認(rèn)為解決問題是STEM研究和STEM職業(yè)的一項關(guān)鍵技能。解決問題能力是工程思維的基礎(chǔ)，工程思維體現(xiàn)系統(tǒng)化解決問題的能力。工程師經(jīng)常需要使用解決問題的技能，他們的工作中往往不僅要考慮客戶的需求，還要全面考慮安全性和可持續(xù)性等因素，并設(shè)計模型或系統(tǒng)來理解問題、設(shè)計解決方案、測試解決方案、尋找替代解決方案并告知決策過程。美國皇家工程學(xué)院和機械工程師學(xué)會認(rèn)為解決問題的技能是工程思維或工程思維的一部分，它描述了工程師思考和行動的方式，包括系統(tǒng)思考、發(fā)現(xiàn)問題、適應(yīng)新問題、創(chuàng)造性地解決問題、可視化和改進等[14][15]。

基于問題的學(xué)習(xí)，常通過一個現(xiàn)實的問題驅(qū)動自我指導(dǎo)的問題解決過程，以培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力[16]。一個適合學(xué)習(xí)者的好問題能激發(fā)學(xué)習(xí)者求知欲和探究欲，具有一定的驅(qū)動力，即使教師不提供具體的學(xué)習(xí)指導(dǎo)，也能作為一種學(xué)習(xí)的資源，驅(qū)動學(xué)生實現(xiàn)他們的探究目標(biāo)。在培養(yǎng)解決問題能力基礎(chǔ)上，還需要系統(tǒng)化地培養(yǎng)工程思維能力。一個孩子就是一個小工程師，工程習(xí)慣和思維往往需要在小時候打下基礎(chǔ)。

4.科學(xué)調(diào)查

用數(shù)據(jù)驅(qū)動決策的前提是獲得可靠的數(shù)據(jù)，科學(xué)調(diào)查是系統(tǒng)地獲得信息和數(shù)據(jù)的方法?？茖W(xué)解決問題的重要步驟為對周圍的世界進行現(xiàn)象觀察，制定假設(shè)，深入調(diào)查，實驗和測試假設(shè)，分析數(shù)據(jù)和發(fā)展結(jié)論，探索和尋求相關(guān)規(guī)律、數(shù)據(jù)等答案，在調(diào)查的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，對概率和錯誤率等進行分析。

PISA和TIMSS這兩個享譽國際的教育評估單位，其評估框架內(nèi)均包含科學(xué)調(diào)查和實驗技能評價，要求學(xué)生做出假設(shè)和控制變量，科學(xué)地解釋數(shù)據(jù)和證據(jù)[17][18]。國際文憑組織提倡注重持續(xù)調(diào)查的教學(xué)方法，主張教師和學(xué)生在探索學(xué)科內(nèi)部和跨學(xué)科的研究領(lǐng)域時，開發(fā)探究性陳述和探究性問題，通過探究性學(xué)習(xí)，學(xué)生可以在全球背景下對STEM的大概念有一個概念上的理解，同時還可以培養(yǎng)思維、溝通、自我管理和研究的技能[19][20]。掌握科學(xué)調(diào)查的科學(xué)過程技能以及所需的知識和科學(xué)態(tài)度，是STEM學(xué)習(xí)的必要條件。

5.計算思維與通信技術(shù)

計算思維指用計算機科學(xué)的概念、算法、數(shù)據(jù)模擬等方式，進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動。Wing J.M于2006年首次提出計算思維，他指出制定問題和解決方案的方式，像計算機科學(xué)家一樣思考比能夠給計算機編程更有意義[21]。計算思維有利于STEM任務(wù)的高效執(zhí)行，程序設(shè)計和執(zhí)行是一個非常嚴(yán)密的過程，計算思維的培養(yǎng)能有效幫助問題解決思維的培養(yǎng)。

IBE-UNESCO認(rèn)為在工業(yè)革命4.0時期，有效利用信息和通信技術(shù)（ICT）技能并保持其聯(lián)通性對STEM領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。使用計算機、平板電腦及移動電話等進行電子郵件發(fā)送、互聯(lián)網(wǎng)瀏覽、視頻通話、文件傳送、在線合作編輯等基本的信息通信技術(shù)已成為當(dāng)今日常工作和生活必備的通信方式，同時隨著科技發(fā)展，人們還需要不斷學(xué)習(xí)使用新媒體通信方法。

6.設(shè)計思維與創(chuàng)新能力

在這個創(chuàng)新、發(fā)明、創(chuàng)造和設(shè)計的時代，我們更加依賴工程和技術(shù)創(chuàng)新，設(shè)計思維已成為一種必要。設(shè)計思維涉及到一個結(jié)構(gòu)化的框架，以創(chuàng)造性的戰(zhàn)略和過程來設(shè)計方案或開發(fā)產(chǎn)品。有時避開一系列有序的步驟或嚴(yán)格的技術(shù)規(guī)則，在個人的靈感、同理心和意念的指引下，讓創(chuàng)意變得可行，并付諸實踐。通過積極地讓學(xué)生參與工程設(shè)計挑戰(zhàn)，不僅引領(lǐng)他們學(xué)習(xí)了工程設(shè)計過程和工程實踐知識，還加深了他們對學(xué)科核心思想的理解[22]。工程設(shè)計活動填補了抽象的知識和應(yīng)用之間的空白，還增強了學(xué)生的科學(xué)、技術(shù)和數(shù)學(xué)知識[23]。

設(shè)計思維需要通過信息收集、創(chuàng)意性頭腦風(fēng)暴、構(gòu)思、原型設(shè)計、試錯、反思與回顧、重新設(shè)計、改進、測試和實施等階段，將批判性和創(chuàng)造性思維集成在一起，這些階段可以有效地應(yīng)用于STEM學(xué)習(xí)和STEM職業(yè)。創(chuàng)造力是運用想象力創(chuàng)造事物的能力。一個有創(chuàng)造力的人可以通過發(fā)現(xiàn)隱藏的模式和在看似不相關(guān)的現(xiàn)象之間建立聯(lián)系，以獨到的、新穎的方式感知世界，并創(chuàng)作獨特作品或進行工程設(shè)計。

7.動手操作技能

動手操作技能是典型的STEM技能，主要指具有親身參與安全正確操作科學(xué)技術(shù)設(shè)備、儀器、標(biāo)本等的技能，常見于一些特定的職業(yè)，如電工、管道工、飛機機械師、自動化技術(shù)員和機電一體化工程師等[24]。IBE-UNESCO認(rèn)為社會或國家的需求隨技術(shù)變革而發(fā)展變化，因此職業(yè)和技術(shù)技能的培訓(xùn)需要具備對勞動力市場動態(tài)預(yù)測和響應(yīng)的能力，職業(yè)技術(shù)教育機構(gòu)必須決定專注于哪種技能，以及提供哪種培訓(xùn)模式（通常包括學(xué)徒制）。

動手操作技能在實踐和操練中培養(yǎng)。一些國家在中學(xué)提供職業(yè)/技術(shù)技能培訓(xùn)，以幫助學(xué)生就未來的職業(yè)培養(yǎng)動手操作能力。設(shè)計實踐性任務(wù)，讓學(xué)生通過親身實踐活動，培養(yǎng)動手操作技能，同時還可以讓學(xué)生體驗其它相關(guān)的技能，如創(chuàng)新設(shè)計、解決問題等。

8.溝通協(xié)作技能

在信息社會中，人們生活在信息的海洋中，既從信息環(huán)境中獲取自己關(guān)注的信息，也貢獻信息。每一個人都是信息節(jié)點，學(xué)習(xí)活動具有社會性，學(xué)習(xí)者之間的交互顯得非常重要。在同一個工作環(huán)境中，大多數(shù)任務(wù)是復(fù)雜和相互關(guān)聯(lián)的，需要通過有效的團隊合作來實現(xiàn)。STEM技能和知識在設(shè)計和構(gòu)建解決方案方面的應(yīng)用將通過許多人和團隊的合作來實現(xiàn)。協(xié)作溝通的技能是所有人應(yīng)具備的基本技能。有效的協(xié)作使每個團隊成員都有平等的機會在共同的職責(zé)范圍內(nèi)參與交流，以加深他們的所學(xué)。

STEM學(xué)習(xí)中，有效的協(xié)作和溝通技能并不總是自然產(chǎn)生的，需要學(xué)習(xí)者或教師有意培養(yǎng)協(xié)作的契機和氛圍，需要明確的發(fā)展目標(biāo)和給力的教學(xué)組織。協(xié)作型教學(xué)組織的團隊成員基于共同的愿景目標(biāo)，分擔(dān)責(zé)任，既能夠在團隊中獨立工作，又能夠有機會互相交流和合作，以清晰有效的方式向其他團隊成員或利益相關(guān)者傳達信息。協(xié)作學(xué)習(xí)過程中，需要有意設(shè)計溝通環(huán)節(jié)，培養(yǎng)溝通協(xié)作能力。

（三）融入STEM態(tài)度和價值觀

倫理學(xué)領(lǐng)域認(rèn)為價值觀體現(xiàn)為“一種系統(tǒng)的、理性的方式來解決困境，并在面對選擇沖突時確定最佳行動方案”[25]。IBE-UNESCO認(rèn)為從事科學(xué)研究或解決問題不僅需要技能，還需要特定的認(rèn)知、價值觀和態(tài)度。真實世界，需要面對社會的各種問題和困境，如解決諸如糧食短缺、住房問題、氣候變化、環(huán)境污染、基因檢測等世界可持續(xù)性發(fā)展問題，STEM教育需要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)如何制定創(chuàng)新的解決方案，指導(dǎo)其選擇對社會帶來最大好處（傷害最小）的干預(yù)措施。IBE-UNESCO對STEM價值與倫理的12種規(guī)范及其相應(yīng)的活動進行了說明，如表1所示。

對照上頁表1中STEM態(tài)度與價值觀及其活動表現(xiàn)，結(jié)合平時學(xué)生日常表現(xiàn)，不難發(fā)現(xiàn)積極的態(tài)度如對事物充滿好奇心，具有合作精神，有責(zé)任心，做事嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，在完成各項工作中，均會充滿能量感，更利于工作的完成。學(xué)習(xí)者內(nèi)在的態(tài)度和價值觀外顯表現(xiàn)在具體的STEM實踐活動中，正確的態(tài)度與價值觀促進實踐活動，負(fù)面態(tài)度影響工作順利開展，違反道德規(guī)范的價值觀可能導(dǎo)致危害社會的行為。態(tài)度和價值觀是STEM學(xué)習(xí)和實踐的組成部分，在STEM實踐中內(nèi)化為STEM哲學(xué)，成為一種內(nèi)驅(qū)力，應(yīng)用于日常生活和未來的職業(yè)中。

三、能力本位STEM課程整合

（一）課程整合斜面啟示

STEM學(xué)習(xí)的重點不是單個學(xué)科本身，而是解決現(xiàn)實世界的問題，需要考慮多方面、跨學(xué)科和綜合的能力。美國當(dāng)前存在不同的STEM實踐模型，在學(xué)校中可以采用多種方法來教授STEM[27]： （1）分別教授四個STEM學(xué)科;（2）教授這四個STEM學(xué)科，并重點以其中一兩個學(xué)科加強STEM教學(xué)（當(dāng)今美國大多數(shù)學(xué)校中正實行的）;（3）將STEM學(xué)科之一整合到其他三個學(xué)科中，例如工程內(nèi)容可以集成到科學(xué)、技術(shù)和數(shù)學(xué)課程中;（4）將所有四個學(xué)科相互融合，并將它們作為一個綜合的主題進行教學(xué)。美國STEM從初期探索階段正逐漸向優(yōu)化發(fā)展。發(fā)展STEM教育進程中，還需要落實為具體的課程體系，有待設(shè)計一個有效的課程整合方案。

IBE-UNESCO引用了STEM“整合斜面”圖來說明課程整合模型。工作于STEM教學(xué)一線的Vasquezg于2014年提出的課程STEM“整合斜面”，其表示了STEM從單學(xué)科、多學(xué)科、跨學(xué)科和融合學(xué)科的整合層次[28]。Alex Delaforce于2016年對其進行改進，增加一種完全融合新思想的“新學(xué)科”，如圖1所示，新整合斜面能夠更為系統(tǒng)地分析STEM學(xué)科的整合模型[29]。

1.單學(xué)科（Disciplinary）：傳統(tǒng)的分科教學(xué)，學(xué)生在每個學(xué)科中分別學(xué)習(xí)概念和技能。

2.多學(xué)科（Multidisciplinary）：學(xué)生學(xué)習(xí)的概念和技能分別在不同的學(xué)科中學(xué)習(xí)，課程可以分開講授，通過共同的內(nèi)容主題在多個STEM課程之間建立聯(lián)系，并通過教師和學(xué)生的反思建立知識體系。

3.跨學(xué)科（Interdisciplinary）：學(xué)生從兩個或多個緊密聯(lián)系的學(xué)科中學(xué)習(xí)概念和技能，從而加深知識和技能?？鐚W(xué)科的方法可以實現(xiàn)跨學(xué)科的更高層次的整合，例如，通過關(guān)注一個共同的概念。在有效的跨學(xué)科方法中，相關(guān)學(xué)科融合在一起，混合并去除學(xué)科中技能和知識的任何分離。

4.融合學(xué)科（Transdisciplinary）：通過承擔(dān)現(xiàn)實世界的問題或項目，學(xué)生應(yīng)用來自兩個或多個學(xué)科的知識和技能，幫助形成學(xué)習(xí)經(jīng)驗。融合學(xué)科的方法比跨學(xué)科的方法走得更遠，它尋求完全消除傳統(tǒng)學(xué)科之間的界限，并圍繞現(xiàn)實問題或主題的意義構(gòu)建來組織教學(xué)和學(xué)習(xí)。

5.新學(xué)科（Neodisciplinary）：新學(xué)科方法提出了一種新的“完全無視傳統(tǒng)學(xué)科邊界的新學(xué)科分類”，學(xué)生完全沉浸于真實的、現(xiàn)實世界中的問題解決式任務(wù)中，不拘泥于傳統(tǒng)孤立的學(xué)科，使用并發(fā)展恰當(dāng)?shù)默F(xiàn)實感綜合技能來解決這些問題，以創(chuàng)建新的技能和知識網(wǎng)。

在這個斜面中，單學(xué)科為傳統(tǒng)的四門課程獨立的教學(xué)法，從第二個模型多學(xué)科開始按學(xué)科融合程度分類。多學(xué)科模型的優(yōu)點是教師仍然教授他們的可選科目，每個學(xué)科均可以實踐科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程、技術(shù)的設(shè)計思維和哲學(xué)，這些學(xué)科之間的聯(lián)系可能不明確，很難獲得STEM整體能力?？鐚W(xué)科或融合學(xué)科的STEM課程為學(xué)習(xí)者提供了更相關(guān)、更少碎片化、更有啟發(fā)性的體驗，包括提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動機，提高對學(xué)校的態(tài)度和興趣，使學(xué)生成為更好的問題解決者、創(chuàng)新者、發(fā)明家等。學(xué)生運用跨學(xué)科知識投身于STEM項目進而完成STEM項目，在這一過程中，他們擁有更多機會產(chǎn)生深度學(xué)習(xí)，實現(xiàn)跨學(xué)科問題解決和創(chuàng)新能力的發(fā)展[31]。新學(xué)科STEM則能進一步基于真實問題設(shè)計學(xué)習(xí)活動（基于項目和基于工程設(shè)計的學(xué)習(xí)活動），這些活動將科學(xué)原理、技術(shù)應(yīng)用、工程設(shè)計和數(shù)學(xué)集成到單個STEM學(xué)校計劃中，作為一門基于學(xué)校的新科目教授，或用于協(xié)助現(xiàn)有的STEM科目，提供更優(yōu)化的教學(xué)策略。

（二）以能力為本整體開發(fā)STEM課程

IBE-UNESCO能力的框架結(jié)構(gòu)清晰，從能力的組成角度分三類知識、八類技能和態(tài)度與價值觀組成。縱觀IBE能力框架，STEM能力的形成，不僅僅是獲取信息，對事物的認(rèn)知需要時間和過程，需要特定的活動。技能學(xué)習(xí)往往需要在特定條件下進行嘗試、調(diào)查、分析、操作、實驗、反思，并及時糾錯、反復(fù)操練。態(tài)度和價值觀需要在特定情景中體驗、發(fā)現(xiàn)、感悟。學(xué)生的自主投入是能力培養(yǎng)的關(guān)鍵要素。

傳統(tǒng)科學(xué)課程已有一整套的理論與實驗學(xué)習(xí)的框架，對比IBE-UNESCO的STEM能力框架，我們不難發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)的科學(xué)課程框架，教學(xué)大綱完整明確，學(xué)生該學(xué)什么知識的條目清晰，教學(xué)內(nèi)容生動有趣;實驗怎么操作，步驟明確，實驗?zāi)繕?biāo)明確，大部分實驗是預(yù)設(shè)好結(jié)果的驗證性實驗，學(xué)生按老師要求就能達到預(yù)計的結(jié)果。即這樣的學(xué)習(xí)，實際上已形成一個完整嚴(yán)密的良構(gòu)體系。良構(gòu)體系重視知識的獲取，能夠快速達成預(yù)定目標(biāo)，但在認(rèn)知技能、解決問題和工程思維、科學(xué)調(diào)查、設(shè)計思維，創(chuàng)意和創(chuàng)新等方面的能力卻難以獲取。以能力為本S、T、E、M深度融合的課程，尤其需要能力提升的載體。真實的項目、任務(wù)和問題等正是教師需要為學(xué)生設(shè)計STEM學(xué)習(xí)的載體。

在復(fù)雜情境中的學(xué)習(xí)，很多時候“態(tài)度”決定成敗。面對各種挑戰(zhàn)，對未知的好奇、害怕嘗試、懼怕失敗、期待成功等各種由態(tài)度及其引起的情感雜糅其中，學(xué)習(xí)者需要在一次次STEM活動中歷練，獲得正確價值觀和調(diào)度積極面對問題態(tài)度的能力。教師要在STEM活動中充當(dāng)導(dǎo)師、評價師等多種角色，每一位優(yōu)秀的STEM老師，一定也是優(yōu)秀的設(shè)計師、導(dǎo)師。教師需要在具體情境、活動中，幫助學(xué)生將他們的學(xué)習(xí)經(jīng)歷賦予個人意義，從而促進所學(xué)知識保留下來，進一步促進在學(xué)習(xí)新知時進行遷移。教師需要基于STEM教育課程設(shè)計主旨和關(guān)鍵步驟，進一步設(shè)計學(xué)生學(xué)習(xí)活動方案?；顒又行枰浞终{(diào)動學(xué)習(xí)主動性，引領(lǐng)學(xué)生調(diào)查、探究和動手操作。通過探究性學(xué)習(xí)，讓學(xué)生參與提問、體驗式學(xué)習(xí)和實踐活動，使他們能夠發(fā)現(xiàn)新的概念，發(fā)展新的理解。

四、能力為本STEM課程設(shè)計策略

IBE-UNESCO作為聯(lián)合國教科文組織課程和相關(guān)事務(wù)的全球卓越中心，對國際STEM教育三十年發(fā)展成果進行梳理，站在世界可持續(xù)發(fā)展，為未來培養(yǎng)人才的高度，提出了以能力為本的STEM教育，設(shè)計了21世紀(jì)STEM能力框架。從理論到實踐，給出STEM教育課程設(shè)計的方向，基于真實問題，以能力為本，深度整合S、T、E、M學(xué)科的STEM課程，四個學(xué)科的知識與技能作為有機整體協(xié)作工作，必將逐漸優(yōu)化，支持社會對人才的需求?；趯BE-UNESCO的21st STEM能力探索報告的深度理解，設(shè)計能力為本STEM課程，還需要關(guān)注課程體系構(gòu)建方案、如何設(shè)計、如何優(yōu)化等問題。

（一）以大概念架構(gòu)，設(shè)計STEM課程體系

IBE-UNESCO能力框架非常重視大概念的作用，通過深度分析跨學(xué)科大概念及學(xué)科內(nèi)相關(guān)概念，引領(lǐng)學(xué)生通過掌握事物的本質(zhì)聯(lián)系，建構(gòu)起整個STEM的知識框架。該構(gòu)架可抽象為由許多關(guān)鍵節(jié)點組成的知識網(wǎng)，由這些關(guān)鍵節(jié)點聯(lián)結(jié)不同領(lǐng)域的學(xué)習(xí)內(nèi)容，在STEM學(xué)科內(nèi)或其組成的學(xué)科之間實現(xiàn)信息的聯(lián)結(jié)?；诖蟾拍顬橹骶€索，可搭建STEM課程內(nèi)容框架。

大概念如何落實到具體的學(xué)習(xí)活動？在STEM課程設(shè)計中，應(yīng)盡量讓學(xué)生以真正的技術(shù)團隊成員參與。對于復(fù)雜的整體（跨學(xué)科）層面的問題，設(shè)計為有主題意義的項目，可讓學(xué)生團隊直接參與項目的設(shè)計。項目可以分階段細化為任務(wù)和具體的問題。以項目/任務(wù)/問題為載體的STEM學(xué)習(xí)，從大概念至具體學(xué)習(xí)活動，主要包括四大關(guān)鍵步驟：（1）圍繞大概念中關(guān)鍵節(jié)點，設(shè)計主要的學(xué)習(xí)主題單元，規(guī)劃項目中主要完成時間進展和內(nèi)容進展。（2）從關(guān)鍵概念人手設(shè)計項目單元。（3）主題項目進一步可按不同大概念節(jié)點，落實為主題任務(wù)序列。（4）學(xué)習(xí)團隊既可以分工并行再交流共享所學(xué)，也可以同步合作完成項目。教師在其中充分發(fā)揮STEM專家和協(xié)作者等多重角色，引領(lǐng)學(xué)生綜合運用認(rèn)知技能、解決問題和工程思維、科學(xué)調(diào)查、計算思維和ICT、設(shè)計思維，創(chuàng)意和創(chuàng)新、動手能力和技術(shù)能力、協(xié)作和溝通等技能開展學(xué)習(xí)。

（二）面向職業(yè)應(yīng)用，設(shè)計經(jīng)典STEM課程

學(xué)習(xí)者最終需要面向職業(yè)，而STEM技術(shù)性知識，與職業(yè)技能緊密關(guān)聯(lián)。課程開發(fā)人員需要向?qū)W生提供與STEM職業(yè)相關(guān)的技術(shù)知識。大概念架構(gòu)的STEM融合課程體系以知識模塊為框架，而職業(yè)類課程則面向典型的應(yīng)用。而職業(yè)類課程存在每一行業(yè)的知識與技能具有復(fù)雜性、綜合性特點，很多職業(yè)可自成一個體系，但因為STEM能力具有可遷移性，課程設(shè)計應(yīng)該以能力的形成為主線，而不是達成僅某一專業(yè)的學(xué)習(xí)。針對中、小、幼學(xué)生不同的認(rèn)知水平和動手能力，設(shè)計不同難度水平的職業(yè)類課程。

可根據(jù)不同年齡段的學(xué)生設(shè)計不同難度的職業(yè)類課程，在幼兒階段可設(shè)計職業(yè)體驗類、角色扮演等STEM課程、簡單的模型課程。小學(xué)到中學(xué)均可設(shè)計模型課程、職業(yè)體驗、職業(yè)觀摩、模擬職業(yè)、真實職業(yè)項目設(shè)計等課程。教學(xué)內(nèi)容可引入職業(yè)課程或模擬職業(yè)課程中實現(xiàn)，STEM課程內(nèi)容可按職業(yè)需求設(shè)計學(xué)段，幼、小段可設(shè)計如船模、車模、航模、園林建設(shè)、建筑物模型、橋梁模型等課程，在中高段越來越向真實感職業(yè)項目過渡，并增加創(chuàng)新設(shè)計、計算思維等復(fù)雜的技能要素。這樣，從幼小學(xué)段開設(shè)，在孩子心中播下STEM種子，從小工程師培養(yǎng)逐步為接軌多個行業(yè)的大工程師的培養(yǎng)。

（三）以項目，任務(wù)/問題為載體，設(shè)計STEM活動

學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識解決這些真實世界和情境的科學(xué)問題，其本質(zhì)上是基于建構(gòu)主義的情景化學(xué)習(xí)模式，通過項目來實現(xiàn)對知識的理解和掌握[32]。知識與能力在具體學(xué)習(xí)項目、問題中聯(lián)結(jié)，落實能力為本的具體的學(xué)習(xí)活動。通過探究性學(xué)習(xí)，讓學(xué)生參與提問、體驗式學(xué)習(xí)和實踐活動，使他們能夠發(fā)現(xiàn)新的概念，發(fā)展新的理解。讓學(xué)生參與項目設(shè)計，不僅學(xué)習(xí)工程設(shè)計過程和工程實踐，同時也加深了他們的理解。合作學(xué)習(xí)的原則表明，學(xué)生應(yīng)該有機會互相交流和合作，以加深他們的知識。教師需要基于STEM教育課程設(shè)計主旨和關(guān)鍵步驟，進一步設(shè)計學(xué)生學(xué)習(xí)活動方案，同時還可引領(lǐng)學(xué)生參與設(shè)計，主要工作：（1）學(xué)習(xí)目標(biāo)明確，項目規(guī)劃、學(xué)習(xí)計劃制定;（2）融合知識、技能、態(tài)度與價值觀，按項目規(guī)劃設(shè)計任務(wù)序列，明確任務(wù)要求;（3）任務(wù)書制定，任務(wù)執(zhí)行的輔學(xué)資源準(zhǔn)備，STEM活動材料準(zhǔn)備;（4）學(xué)習(xí)活動組織與開展，形成學(xué)習(xí)評價貫穿;（5）項目/任務(wù)/問題的總結(jié)，交流，項目答辯等階段性評價活動。

學(xué)生在教師引領(lǐng)下參與教學(xué)活動的全過程，教師幫助學(xué)生建構(gòu)知識、技能、態(tài)度價值觀的三維能力。教學(xué)活動中需要充分調(diào)動學(xué)習(xí)主動性，引領(lǐng)學(xué)生調(diào)查、探究和動手操作。從學(xué)生學(xué)習(xí)投入的角度來看，任務(wù)、問題、作業(yè)等目標(biāo)明確，學(xué)生注意力更容易集中，教師更容易提供明確的指導(dǎo)。不管關(guān)鍵思想有多抽象，活動設(shè)計都必須盡快將這些目標(biāo)轉(zhuǎn)化為學(xué)生能夠理解的、實際的任務(wù)和要求。

（四）與家庭、社會共享資源，合力打造STEM學(xué)習(xí)環(huán)境

雖然近年來國內(nèi)教育各界對STEM教育寄予了厚望，并落實于行動中。但STEM教育仍有許多問題。目前國內(nèi)STEM項目主要集中在少年官、學(xué)校興趣選修及校外專門培訓(xùn)機構(gòu)，未形成系統(tǒng)化、常態(tài)化的教育，存在多方面的問題。

首先是STEM師資短缺的問題，當(dāng)前一般學(xué)校師資難以勝任跨行業(yè)、職業(yè)的專家指導(dǎo)。與校外企業(yè)和相關(guān)專業(yè)人士合作，聘請外部的專業(yè)人士或?qū)＜铱梢允筍TEM的教學(xué)變得更有背景、更有意義、更有影響力。學(xué)校可以聘請科學(xué)家、工程師、數(shù)字專家來指導(dǎo)學(xué)生;讓學(xué)生參與他們正在進行的研究和創(chuàng)新項目;引導(dǎo)他們設(shè)計實驗，創(chuàng)造自己的創(chuàng)新。這可以彌補或克服教師對STEM采用跨學(xué)科方法的準(zhǔn)備不足或擔(dān)憂，同時保持各個學(xué)科完整地服務(wù)于高等教育、工業(yè)和STEM領(lǐng)域的特定技術(shù)要求。

其次是學(xué)習(xí)環(huán)境問題，如果沒有真實感環(huán)境的體驗、沉浸式學(xué)習(xí)，大概念只是無用的抽象概念。STEM學(xué)習(xí)還需要為學(xué)生提供足夠的真實或模擬的體驗，以使理解得以發(fā)展。STEM學(xué)習(xí)需要支持科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)綜合性學(xué)習(xí)環(huán)境。學(xué)習(xí)環(huán)境的首先需要考慮的兩個因素是安全與可行。這樣一個完整的STEM學(xué)習(xí)環(huán)境應(yīng)該是能打破學(xué)科邊界，允許學(xué)生應(yīng)用多學(xué)科知識解決問題，提供參與提問、體驗式學(xué)習(xí)和實踐活動的學(xué)習(xí)環(huán)境。為STEM課程設(shè)計提供利于學(xué)生能力自主發(fā)展的空間：

（1）提供真實的學(xué)習(xí)環(huán)境，將問題放到真實情景中解決，參與真實的工程活動。

（2）建設(shè)課程相關(guān)專用的網(wǎng)絡(luò)平臺，以便于專用的學(xué)習(xí)資源共享，學(xué)習(xí)問題交流、經(jīng)驗分享等。

（3）提供一些模擬仿真的學(xué)習(xí)環(huán)境，如一些輔助STEM學(xué)習(xí)的專用仿真軟件的應(yīng)用。

（4）對真實的職業(yè)空間或大概念架構(gòu)的學(xué)習(xí)空間進行壓縮，在傳統(tǒng)實驗室的空間的基礎(chǔ)上，以完成一項工程項目需要的環(huán)境為基準(zhǔn)，建設(shè)校園微縮版項目基地。

（5）建設(shè)城市共享的STEM學(xué)習(xí)環(huán)境，充分依托城市公共的資源，打通校間共用探究空間，如少年宮、博物館、科技館、專業(yè)STEM學(xué)校等城市公共STEM學(xué)習(xí)空間。

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作者簡介：

金旭球：講師，研究方向為課程教學(xué)論、現(xiàn)代教育技術(shù)（risca@qq.com）。