创新就在学科融合之中

赵章靖 张永军

在测量实践中学习。视觉中国 供图

近日，美国联邦教育部与“数字前景”公司合作发布了《促进STEM教与学的九种方式》报告，该报告通过系统研究相关文献，结合中小学教学案例，梳理出了有效促进STEM（科学、技术、工程、数学）学习的九种方式。这些借助新技术的教学方法主要聚焦在培养学生STEM素养、提高计算思维与技能等方面。每种方法后面附有相应的学校案例介绍，案例学校分布于美国主要的州和地区，既具有代表性，也方便在全美中小学STEM课堂中推广。这份报告对于我国当前教育改革之关注学科交叉融合、注重提升学生核心素养也有一定的借鉴意义。

方法一：

动态表征

数字模型、交互式仿真和虚拟环境等动态表征是科学家、数学家和工程师所采用的基本方法。动态表征法（Dynamic Representations）基于计算机模型，帮助学习者构建自然或工程现象的准确认知模型与知识结构，这种方法在形式上千差万别，要求学习者所具备的能力水平也不尽相同。师生通过与数字模型、仿真模拟系统深入互动，动态表征数学、科学及工程原理，可以深度理解并掌握科学原理和概念。为了更好地支持学习者，教师通常在STEM学科涉及的系统性和过程性知识与技能中，利用动态表征法，并设置相应的教学支架，为学生对知识的理解提供一种框架，帮助学生学习。大量的实践证明，这种方法是颇见成效的。

在美国拉斯韦加斯的沃尔特·布兰肯学校，老师借助互动模拟技术向三年级学生讲授天气和气候。学生通过在线模拟获取美国两个地区的天气信息，及时查看温度、湿度、雨水和风向测量结果，然后利用平板电脑对数据进行图形化处理，以观察天气模式并相互分享各自的发现。由于拉斯韦加斯的天气变化有限，学生通过在线模拟学习不同地区的天气既拓展了视野，又乐在其中。

方法二：

协同推理

师生围绕科学概念开展协作推理（Collaborative Reasoning），能鼓励学生平等参与以改进或完善对概念的认识。借助技术工具可以扩大交流、聚焦研讨、增强协作。该方法促使学生深度参与研讨，建构并达成对问题的理解共识，亦有助于实现均衡参与，抑制那些研讨中个别喧宾夺主或轻易听信于人的现象。

在美国内布拉斯加州的菲利普·H·舒尔中学的声学课上，教师首先向学生展示大头钉接触塑胶唱片产生声音的现象，引起学生发问：“声音是如何产生并传播到人耳的？”然后，学生使用笔记本电脑创建数字模型来回答，并引发出更多问题。教师鼓励全班一起探讨，学生使用在线交流和协作平台提出问题、分享观点。老师在课堂上展示每个学生的数字模型，并讨论学生开发的数字模型与科学模型的相似之处或不同之处。这样，教师与学生共同建构科学概念，推动科学探究。

方法三：

即时与个性化反馈

数字工具能帮助学生学习STEM技能与概念，并提供即时、个性化的反馈（Immediate and Individualized Feedback）。面临挑战性的学习任务，学生根据反馈来制定合理的目标并规划学习行为。科学有效的反馈可以帮助学生缩小现有水平和预期水平之间的差距。根据课程学习目标，反馈可采取多种不同的形式。考试一般属于延迟性反馈，课上课下交流则属于即时性反馈。一项涉及来自129个课堂的4000名二年级学生的准实验研究发现，当学生使用计算机练习算术技能并收到即时反馈时，他们的学习收益更大。

在美国北卡罗来纳州的格林中央高中，学生在线观看老师讲解问题视频，然后自己解决问题。教师借助在线平台，可以看到每个学生的学习状态，及时发现遇到学习困难的学生，并通过提示或示例的方式提供及时的个性化的反馈。

方法四：

科学论证

科学论证（Science Argumentation Skills）是一个思维过程，需要批判性思维来提出和捍卫解释关于科学现象的理论的证据，这对于所有科学领域的探索都是至关重要的。学生运用科学论证有助于建构知识，辨析不同观念并开展独立思考。现代技术可以通过多种方式促进科学论证。研究发现，成绩较低的学生可借助计算机技术显著提升科学论证能力。

美国明尼苏达州的韦弗湖STEM小学四年级开设了为期一年的关于湖泊生态健康的研究课，学生持续观察附近的淡水湖，使用探头记录水和湖区土壤温度，收集湖水样本，用浊度管记录水的透明度，拍摄数码照片，记录湖区不同时期的季节变换。在此过程中，学生根据自己的观察与资料搜集创建相应的网站，周围社区可通过该网站了解湖泊是否健康。通过这样的学习，学生利用技术搜集与分析信息，表述自己观点并开展相应的论证。相应地，学生的学习动力、表达能力以及科学论证能力都有所提升。

方法五：

工程设计流程

学生可借助工程设计流程（Engineering Design Processes）和相应的技术修订、实施和测试问题并找到解决方案。工程涉及设计、迭代与系统化等环节。借助技术工具，学生可将科学和数学思路应用于设计。相关研究发现，那些通过科学与技术相结合的工程模块单元学习的学生，显著拓展了STEM领域知识，并提升了高阶思维技能，包括解决问题的能力和程序知识。

在美国佛罗里达州圣彼得堡的道格拉斯·詹姆逊小学，学生们从幼儿园开始学习“计划、设计、检查和共享”的工程设计流程。该校三年级开设了隔热材料专题，学生测试不同材料耐热程度，例如不同颜色的纸和铝箔，以选择隔热层，设计制造保温箱。之后，学生们将冰块放入保温箱，进行初始温度测量，再将保温箱在阳光下放置30分钟。然后，他们使用探针温度计检查保温箱温度，记录测量结果并绘制相关的图表。回到教室后，他们再打开保温箱，测量已融冰的毫米高度，据此比较不同保温材料的耐热程度。借助工程设计流程，学生通过设计、分享与比较来确定最适宜的保温材料，增进了认识，提高了技能。

方法六：

计算思维

计算思维（Computational Thinking）主要是借助算法思维开展的抽象推理和借自动化执行程序来解释与解决问题，该方法可广泛适用于科学和数学学习。学生利用信息技术，通过算法、数据计算和模拟来分析问题、解决问题，从而获得对相关现象的新认识。一项针对高中生的准实验研究发现，将计算思维与计算机编程结合起来进行教学，可大大提高学生的推理能力，包括进行推测和从数据中得出结论。

在美国印第安纳州哥伦布市的南边小学，计算思维课程涵盖了从幼儿园到五年级全程。该校二年级就要求学生通过学习编程来阐述蝴蝶的生命周期。高年级开设机器人课程，要求学生通过编程设计机器人，运用计算思维来解决现实问题。通过修正编程错误，学生逐渐了解到计算思维需要不断的反复试验，并且锻炼了在一次次错误和失败中坚定信心，提高科研心理素质。

方法七：

基于项目的跨学科学习

学生借助数字技术工具开展富有挑战性的跨学科项目学习活动（Project-based Interdisciplinary Learning），能有效整合STEM多个学科。开展这类项目学习，可以为学生提供关联性更强、更吸引人、更深度集中的学习体验，进而提高综合能力。在跨学科学习中，学生可像专业科学家那样，运用数字技术搜集、组织和交流信息，辅助任务管理，探索问题解决之道，以及设计产品等。

在美国华盛顿州的亨利埃塔·莱克斯健康与生物科学高中，该校STEM项目围绕防晒霜的化学成分及其环境影响这一专题展开。首先，教师在课堂上介绍一类分子模型，这类分子在包括防晒霜在内的非处方产品中很常见。通过研究，学生了解到某些化合物（如氧苯甲酮）对珊瑚礁和皮肤有害。在研究过程中，学生充分利用了开放性的化学数据库以及三维交互式化学结构模型，制作了防晒手册和项目海报，在课堂上展示研究成果，并详细阐述防晒霜成分对珊瑚礁系统和人类健康的影响。

方法八：

嵌入评议

嵌入评议（Embedded Assessments）是利用数字技术，将评议嵌入到STEM教学中，可实时、准确反映出学习活动的性质、质量等信息，并促使学生发现问题，提出解决方案。课堂评议也可帮助教师调整教学方式，更好地满足学生需求。该方法与即时个性化反馈有交集之处，即学生能及时得到反馈信息并作出改进。

在美国纽约州锡拉丘兹市的松树林中学，每一堂课教师都会提出富有启发性的问题，鼓励学生发散思维，广泛讨论。在讨论过程中，学生围绕问题展开独立思考，分享观点，相互开展同行评议，然后大家综合汇集讨论意见，促进了对问题的认识和理解。在该校生物课堂上，老师提问：“如果从食物链中去除或添加某些物种会发生什么变化？”学生小组讨论，相互评价，然后集中整理意见。借助在线平台，学生反思并综合了各种想法，从多个角度反思并认识了食物链变化及其对生态环境的影响。

方法九：

基于证据的模型

开发、测试和利用基于证据的模型（Evidence-based Models）是科学家和工程师的常用方法，也可广泛应用于STEM教学。学生根据数据、证据开发模型，并明确模型的应用范围。通过开发模型以融合STEM理论与实践的教学可帮助学生增进理解，发展技能。例如，六年级学生在学习气体和液体运动时，利用计算机绘制气味向鼻子传播的模型，随着探究的深入和知识的积累，学生不断修改模型，最终他们的模型逐渐与完整的科学模型趋于一致。

在美国得克萨斯州奥斯汀的雪松国际下一代中学，老师让学生围绕“如何在学校建筑中增加可利用空间”展开设计。学生利用测量工具和数学知识测量每个房间的大小，根据测量数据开发新的学校空间模型，新模型所展示的学校空间比现有的空间要大。在此过程中，学生创建楼层平面草图，并与图形设计团队展开协作。此前开展这类项目时，学生主要通过手绘草图开发模型，但是这些模型传达的信息有限。而现在利用数字技术生成模型时，传达的信息更加详细、清晰、丰富。

上述九种方法均强调计算机技术和信息技术在当前STEM学习和教学中不可或缺的作用，并鼓励学生独立思考、自主探索、开展协作、不惧失败，此外，尤为注重跨学科学习。

2018年12月，美国联邦政府出台STEM教育的第二个五年规划《为成功规划路线：美国STEM教育行动方略》，又名“北极星计划”。在该报告中，美国联邦政府前所未有地重视STEM学科融合，指出最具变革性的发现和创新往往就是发生在学科融合之际——“STEM教育能够实现不同学科知识的整合并提出创造性的解决方案，以应对复杂的问题和挑战”，并强调STEM教育并不仅仅停留在培养批判性思维、问题解决能力以及高阶思维、研发设计与推理等现代技能上，同样也应关注一些行为素养的培养，诸如坚韧品格、适应性能力、合作能力、组织能力以及责任感等。此外，该报告还突出强调数字素养及计算思维的培养。美国当前中小学STEM教学与其联邦政府的倡议是相呼应的，注重数字素养培育、开展跨学科学习和借助信息技术促进STEM教与学，已成为当前美国STEM教学的突出特征。

（作者单位：中国教育科学研究院，本研究为该院2019年度基本科研业务费专项资金项目“特朗普时期美国基础教育创新研究”[GYI2019079]成果之一）

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