創(chuàng)新就在學(xué)科融合之中

近日，美國聯(lián)邦教育部與“數(shù)字前景”公司合作發(fā)布了《促進STEM教與學(xué)的九種方式》報告，該報告通過系統(tǒng)研究相關(guān)文獻，結(jié)合中小學(xué)教學(xué)案例，梳理出了有效促進STEM（科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)）學(xué)習(xí)的九種方式。這些借助新技術(shù)的教學(xué)方法主要聚焦在培養(yǎng)學(xué)生STEM素養(yǎng)、提高計算思維與技能等方面。每種方法后面附有相應(yīng)的學(xué)校案例介紹，案例學(xué)校分布于美國主要的州和地區(qū)，既具有代表性，也方便在全美中小學(xué)STEM課堂中推廣。這份報告對于我國當(dāng)前教育改革之關(guān)注學(xué)科交叉融合、注重提升學(xué)生核心素養(yǎng)也有一定的借鑒意義。

    方法一：

    動態(tài)表征

數(shù)字模型、交互式仿真和虛擬環(huán)境等動態(tài)表征是科學(xué)家、數(shù)學(xué)家和工程師所采用的基本方法。動態(tài)表征法（Dynamic Representations）基于計算機模型，幫助學(xué)習(xí)者構(gòu)建自然或工程現(xiàn)象的準(zhǔn)確認知模型與知識結(jié)構(gòu)，這種方法在形式上千差萬別，要求學(xué)習(xí)者所具備的能力水平也不盡相同。師生通過與數(shù)字模型、仿真模擬系統(tǒng)深入互動，動態(tài)表征數(shù)學(xué)、科學(xué)及工程原理，可以深度理解并掌握科學(xué)原理和概念。為了更好地支持學(xué)習(xí)者，教師通常在STEM學(xué)科涉及的系統(tǒng)性和過程性知識與技能中，利用動態(tài)表征法，并設(shè)置相應(yīng)的教學(xué)支架，為學(xué)生對知識的理解提供一種框架，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)。大量的實踐證明，這種方法是頗見成效的。

在美國拉斯韋加斯的沃爾特·布蘭肯學(xué)校，老師借助互動模擬技術(shù)向三年級學(xué)生講授天氣和氣候。學(xué)生通過在線模擬獲取美國兩個地區(qū)的天氣信息，及時查看溫度、濕度、雨水和風(fēng)向測量結(jié)果，然后利用平板電腦對數(shù)據(jù)進行圖形化處理，以觀察天氣模式并相互分享各自的發(fā)現(xiàn)。由于拉斯韋加斯的天氣變化有限，學(xué)生通過在線模擬學(xué)習(xí)不同地區(qū)的天氣既拓展了視野，又樂在其中。

    方法二：

    協(xié)同推理

師生圍繞科學(xué)概念開展協(xié)作推理（Collaborative Reasoning），能鼓勵學(xué)生平等參與以改進或完善對概念的認識。借助技術(shù)工具可以擴大交流、聚焦研討、增強協(xié)作。該方法促使學(xué)生深度參與研討，建構(gòu)并達成對問題的理解共識，亦有助于實現(xiàn)均衡參與，抑制那些研討中個別喧賓奪主或輕易聽信于人的現(xiàn)象。

在美國內(nèi)布拉斯加州的菲利普·H·舒爾中學(xué)的聲學(xué)課上，教師首先向?qū)W生展示大頭釘接觸塑膠唱片產(chǎn)生聲音的現(xiàn)象，引起學(xué)生發(fā)問：“聲音是如何產(chǎn)生并傳播到人耳的？”然后，學(xué)生使用筆記本電腦創(chuàng)建數(shù)字模型來回答，并引發(fā)出更多問題。教師鼓勵全班一起探討，學(xué)生使用在線交流和協(xié)作平臺提出問題、分享觀點。老師在課堂上展示每個學(xué)生的數(shù)字模型，并討論學(xué)生開發(fā)的數(shù)字模型與科學(xué)模型的相似之處或不同之處。這樣，教師與學(xué)生共同建構(gòu)科學(xué)概念，推動科學(xué)探究。

    方法三：

    即時與個性化反饋

數(shù)字工具能幫助學(xué)生學(xué)習(xí)STEM技能與概念，并提供即時、個性化的反饋（Immediate and Individualized Feedback）。面臨挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生根據(jù)反饋來制定合理的目標(biāo)并規(guī)劃學(xué)習(xí)行為?？茖W(xué)有效的反饋可以幫助學(xué)生縮小現(xiàn)有水平和預(yù)期水平之間的差距。根據(jù)課程學(xué)習(xí)目標(biāo)，反饋可采取多種不同的形式?？荚囈话銓儆谘舆t性反饋，課上課下交流則屬于即時性反饋。一項涉及來自129個課堂的4000名二年級學(xué)生的準(zhǔn)實驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)學(xué)生使用計算機練習(xí)算術(shù)技能并收到即時反饋時，他們的學(xué)習(xí)收益更大。

在美國北卡羅來納州的格林中央高中，學(xué)生在線觀看老師講解問題視頻，然后自己解決問題。教師借助在線平臺，可以看到每個學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)遇到學(xué)習(xí)困難的學(xué)生，并通過提示或示例的方式提供及時的個性化的反饋。

    方法四：

    科學(xué)論證

科學(xué)論證（Science Argumentation Skills）是一個思維過程，需要批判性思維來提出和捍衛(wèi)解釋關(guān)于科學(xué)現(xiàn)象的理論的證據(jù)，這對于所有科學(xué)領(lǐng)域的探索都是至關(guān)重要的。學(xué)生運用科學(xué)論證有助于建構(gòu)知識，辨析不同觀念并開展獨立思考?，F(xiàn)代技術(shù)可以通過多種方式促進科學(xué)論證。研究發(fā)現(xiàn)，成績較低的學(xué)生可借助計算機技術(shù)顯著提升科學(xué)論證能力。

美國明尼蘇達州的韋弗湖STEM小學(xué)四年級開設(shè)了為期一年的關(guān)于湖泊生態(tài)健康的研究課，學(xué)生持續(xù)觀察附近的淡水湖，使用探頭記錄水和湖區(qū)土壤溫度，收集湖水樣本，用濁度管記錄水的透明度，拍攝數(shù)碼照片，記錄湖區(qū)不同時期的季節(jié)變換。在此過程中，學(xué)生根據(jù)自己的觀察與資料搜集創(chuàng)建相應(yīng)的網(wǎng)站，周圍社區(qū)可通過該網(wǎng)站了解湖泊是否健康。通過這樣的學(xué)習(xí)，學(xué)生利用技術(shù)搜集與分析信息，表述自己觀點并開展相應(yīng)的論證。相應(yīng)地，學(xué)生的學(xué)習(xí)動力、表達能力以及科學(xué)論證能力都有所提升。

    方法五：

    工程設(shè)計流程

學(xué)生可借助工程設(shè)計流程（Engineering Design Processes）和相應(yīng)的技術(shù)修訂、實施和測試問題并找到解決方案。工程涉及設(shè)計、迭代與系統(tǒng)化等環(huán)節(jié)。借助技術(shù)工具，學(xué)生可將科學(xué)和數(shù)學(xué)思路應(yīng)用于設(shè)計。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，那些通過科學(xué)與技術(shù)相結(jié)合的工程模塊單元學(xué)習(xí)的學(xué)生，顯著拓展了STEM領(lǐng)域知識，并提升了高階思維技能，包括解決問題的能力和程序知識。

在美國佛羅里達州圣彼得堡的道格拉斯·詹姆遜小學(xué)，學(xué)生們從幼兒園開始學(xué)習(xí)“計劃、設(shè)計、檢查和共享”的工程設(shè)計流程。該校三年級開設(shè)了隔熱材料專題，學(xué)生測試不同材料耐熱程度，例如不同顏色的紙和鋁箔，以選擇隔熱層，設(shè)計制造保溫箱。之后，學(xué)生們將冰塊放入保溫箱，進行初始溫度測量，再將保溫箱在陽光下放置30分鐘。然后，他們使用探針溫度計檢查保溫箱溫度，記錄測量結(jié)果并繪制相關(guān)的圖表?；氐浇淌液?，他們再打開保溫箱，測量已融冰的毫米高度，據(jù)此比較不同保溫材料的耐熱程度。借助工程設(shè)計流程，學(xué)生通過設(shè)計、分享與比較來確定最適宜的保溫材料，增進了認識，提高了技能。

    方法六：

    計算思維

計算思維（Computational Thinking）主要是借助算法思維開展的抽象推理和借自動化執(zhí)行程序來解釋與解決問題，該方法可廣泛適用于科學(xué)和數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)。學(xué)生利用信息技術(shù)，通過算法、數(shù)據(jù)計算和模擬來分析問題、解決問題，從而獲得對相關(guān)現(xiàn)象的新認識。一項針對高中生的準(zhǔn)實驗研究發(fā)現(xiàn)，將計算思維與計算機編程結(jié)合起來進行教學(xué)，可大大提高學(xué)生的推理能力，包括進行推測和從數(shù)據(jù)中得出結(jié)論。

在美國印第安納州哥倫布市的南邊小學(xué)，計算思維課程涵蓋了從幼兒園到五年級全程。該校二年級就要求學(xué)生通過學(xué)習(xí)編程來闡述蝴蝶的生命周期。高年級開設(shè)機器人課程，要求學(xué)生通過編程設(shè)計機器人，運用計算思維來解決現(xiàn)實問題。通過修正編程錯誤，學(xué)生逐漸了解到計算思維需要不斷的反復(fù)試驗，并且鍛煉了在一次次錯誤和失敗中堅定信心，提高科研心理素質(zhì)。

    方法七：

    基于項目的跨學(xué)科學(xué)習(xí)

學(xué)生借助數(shù)字技術(shù)工具開展富有挑戰(zhàn)性的跨學(xué)科項目學(xué)習(xí)活動（Project-based Interdisciplinary Learning），能有效整合STEM多個學(xué)科。開展這類項目學(xué)習(xí)，可以為學(xué)生提供關(guān)聯(lián)性更強、更吸引人、更深度集中的學(xué)習(xí)體驗，進而提高綜合能力。在跨學(xué)科學(xué)習(xí)中，學(xué)生可像專業(yè)科學(xué)家那樣，運用數(shù)字技術(shù)搜集、組織和交流信息，輔助任務(wù)管理，探索問題解決之道，以及設(shè)計產(chǎn)品等。

在美國華盛頓州的亨利埃塔·萊克斯健康與生物科學(xué)高中，該校STEM項目圍繞防曬霜的化學(xué)成分及其環(huán)境影響這一專題展開。首先，教師在課堂上介紹一類分子模型，這類分子在包括防曬霜在內(nèi)的非處方產(chǎn)品中很常見。通過研究，學(xué)生了解到某些化合物（如氧苯甲酮）對珊瑚礁和皮膚有害。在研究過程中，學(xué)生充分利用了開放性的化學(xué)數(shù)據(jù)庫以及三維交互式化學(xué)結(jié)構(gòu)模型，制作了防曬手冊和項目海報，在課堂上展示研究成果，并詳細闡述防曬霜成分對珊瑚礁系統(tǒng)和人類健康的影響。

    方法八：

    嵌入評議

嵌入評議（Embedded Assessments）是利用數(shù)字技術(shù)，將評議嵌入到STEM教學(xué)中，可實時、準(zhǔn)確反映出學(xué)習(xí)活動的性質(zhì)、質(zhì)量等信息，并促使學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，提出解決方案。課堂評議也可幫助教師調(diào)整教學(xué)方式，更好地滿足學(xué)生需求。該方法與即時個性化反饋有交集之處，即學(xué)生能及時得到反饋信息并作出改進。

在美國紐約州錫拉丘茲市的松樹林中學(xué)，每一堂課教師都會提出富有啟發(fā)性的問題，鼓勵學(xué)生發(fā)散思維，廣泛討論。在討論過程中，學(xué)生圍繞問題展開獨立思考，分享觀點，相互開展同行評議，然后大家綜合匯集討論意見，促進了對問題的認識和理解。在該校生物課堂上，老師提問：“如果從食物鏈中去除或添加某些物種會發(fā)生什么變化？”學(xué)生小組討論，相互評價，然后集中整理意見。借助在線平臺，學(xué)生反思并綜合了各種想法，從多個角度反思并認識了食物鏈變化及其對生態(tài)環(huán)境的影響。

    方法九：

    基于證據(jù)的模型

開發(fā)、測試和利用基于證據(jù)的模型（Evidence-based Models）是科學(xué)家和工程師的常用方法，也可廣泛應(yīng)用于STEM教學(xué)。學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)、證據(jù)開發(fā)模型，并明確模型的應(yīng)用范圍。通過開發(fā)模型以融合STEM理論與實踐的教學(xué)可幫助學(xué)生增進理解，發(fā)展技能。例如，六年級學(xué)生在學(xué)習(xí)氣體和液體運動時，利用計算機繪制氣味向鼻子傳播的模型，隨著探究的深入和知識的積累，學(xué)生不斷修改模型，最終他們的模型逐漸與完整的科學(xué)模型趨于一致。

在美國得克薩斯州奧斯汀的雪松國際下一代中學(xué)，老師讓學(xué)生圍繞“如何在學(xué)校建筑中增加可利用空間”展開設(shè)計。學(xué)生利用測量工具和數(shù)學(xué)知識測量每個房間的大小，根據(jù)測量數(shù)據(jù)開發(fā)新的學(xué)?？臻g模型，新模型所展示的學(xué)校空間比現(xiàn)有的空間要大。在此過程中，學(xué)生創(chuàng)建樓層平面草圖，并與圖形設(shè)計團隊展開協(xié)作。此前開展這類項目時，學(xué)生主要通過手繪草圖開發(fā)模型，但是這些模型傳達的信息有限。而現(xiàn)在利用數(shù)字技術(shù)生成模型時，傳達的信息更加詳細、清晰、豐富。

上述九種方法均強調(diào)計算機技術(shù)和信息技術(shù)在當(dāng)前STEM學(xué)習(xí)和教學(xué)中不可或缺的作用，并鼓勵學(xué)生獨立思考、自主探索、開展協(xié)作、不懼失敗，此外，尤為注重跨學(xué)科學(xué)習(xí)。

2018年12月，美國聯(lián)邦政府出臺STEM教育的第二個五年規(guī)劃《為成功規(guī)劃路線：美國STEM教育行動方略》，又名“北極星計劃”。在該報告中，美國聯(lián)邦政府前所未有地重視STEM學(xué)科融合，指出最具變革性的發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新往往就是發(fā)生在學(xué)科融合之際——“STEM教育能夠?qū)崿F(xiàn)不同學(xué)科知識的整合并提出創(chuàng)造性的解決方案，以應(yīng)對復(fù)雜的問題和挑戰(zhàn)”，并強調(diào)STEM教育并不僅僅停留在培養(yǎng)批判性思維、問題解決能力以及高階思維、研發(fā)設(shè)計與推理等現(xiàn)代技能上，同樣也應(yīng)關(guān)注一些行為素養(yǎng)的培養(yǎng)，諸如堅韌品格、適應(yīng)性能力、合作能力、組織能力以及責(zé)任感等。此外，該報告還突出強調(diào)數(shù)字素養(yǎng)及計算思維的培養(yǎng)。美國當(dāng)前中小學(xué)STEM教學(xué)與其聯(lián)邦政府的倡議是相呼應(yīng)的，注重數(shù)字素養(yǎng)培育、開展跨學(xué)科學(xué)習(xí)和借助信息技術(shù)促進STEM教與學(xué)，已成為當(dāng)前美國STEM教學(xué)的突出特征。

（作者單位：中國教育科學(xué)研究院，本研究為該院2019年度基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目“特朗普時期美國基礎(chǔ)教育創(chuàng)新研究”[GYI2019079]成果之一）

《中國教育報》2019年11月22日第5版