基于逆向設(shè)計(jì)的STEM教育

蔣雄超

1986年，在《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》的報(bào)告中，美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）首次明確提出“科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)教育集成”的綱領(lǐng)性建議。STEM教育逐步進(jìn)入各國課堂，受到人們的關(guān)注和重視。

2017年，中國教育科學(xué)研究院發(fā)布了《中國STEM教育白皮書》，指出“STEM教育應(yīng)該納入國家創(chuàng)新型人才培養(yǎng)戰(zhàn)略，是跨學(xué)科、跨學(xué)段的連貫課程群，是面向所有學(xué)生培養(yǎng)綜合素質(zhì)的載體”。

2018年12月，美國政府又頒布了STEM教育“北極星”計(jì)劃，旨在通過科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育建立一支強(qiáng)大的人才創(chuàng)新隊(duì)伍。由此可見，STEM教育作為一種教學(xué)思想和策略，已成為培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重大舉措。

一、STEM教育的現(xiàn)狀與存在的問題

盡管STEM教育的意義如此重大，但在當(dāng)前的STEM教育中，教師通常以演繹的方式安排任務(wù)，根據(jù)內(nèi)容設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，關(guān)注活動(dòng)形式的多樣化，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容過于寬泛，知識間缺少有機(jī)聯(lián)系，學(xué)習(xí)體驗(yàn)華而不實(shí)。這都偏離了STEM教育的本質(zhì)。

（一）重活動(dòng)，輕知識

STEM教育強(qiáng)調(diào)綜合運(yùn)用跨學(xué)科、多學(xué)科知識以解決現(xiàn)實(shí)中的問題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。它的本質(zhì)是用形象、生動(dòng)的方式，強(qiáng)化多學(xué)科、跨學(xué)科知識的學(xué)習(xí)。

然而，對STEM教育的認(rèn)識偏差，使其呈現(xiàn)活動(dòng)導(dǎo)向的誤區(qū)。教師熱衷追求多樣化的活動(dòng)，營造活躍的課堂氣氛，并沒有真正理解STEM教育在培養(yǎng)學(xué)生掌握知識與技能并靈活應(yīng)用方面的作用，忽視學(xué)生對問題現(xiàn)象的思考和質(zhì)疑以及在探究中培養(yǎng)掌握相應(yīng)知識與方法的能力。

（二）重模仿，輕創(chuàng)新

STEM教育強(qiáng)調(diào)實(shí)踐，是對已有實(shí)踐導(dǎo)向、創(chuàng)新導(dǎo)向的各類教育樣式的繼承與發(fā)展，如設(shè)計(jì)、發(fā)明、制作等。學(xué)生由此獲得更多的動(dòng)手的機(jī)會(huì)，但它的重點(diǎn)不是讓學(xué)生掌握某項(xiàng)技能，而是在親身體驗(yàn)中獲取對知識的深層次理解，在此基礎(chǔ)上開展創(chuàng)意創(chuàng)新。

但很多時(shí)候，這種“做中學(xué)”容易異化成手工課，缺少與學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)聯(lián)的內(nèi)涵知識分解，讓學(xué)生被范例牽著走，STEM學(xué)習(xí)探究僅停留于技能培養(yǎng)與模仿層面，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)價(jià)值被弱化。

二、基于逆向設(shè)計(jì)的STEM教育實(shí)施框架

STEM教育強(qiáng)調(diào)過程的模糊性與結(jié)果的明確性，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科融合的實(shí)踐探究，注重創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，而傳統(tǒng)的授課方式并不能滿足學(xué)生在STEM教育活動(dòng)中的體驗(yàn)。因此，借鑒逆向設(shè)計(jì)理念，開展基于逆向設(shè)計(jì)的STEM教育，為學(xué)生內(nèi)化知識行為，實(shí)現(xiàn)深度理解

STEM教育理念基礎(chǔ)上對所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行思辨和創(chuàng)新，為學(xué)生有效地將知識與技能用于解決實(shí)際問題提供了思路。

基于逆向設(shè)計(jì)的STEM教育以想要的結(jié)果為起點(diǎn)，根據(jù)所要求的學(xué)習(xí)證據(jù)和用以協(xié)助學(xué)生學(xué)習(xí)的教學(xué)活動(dòng)來達(dá)成目標(biāo)。它的實(shí)施框架主要包括明確預(yù)期的學(xué)習(xí)結(jié)果、確定達(dá)到預(yù)期效果的評定證據(jù)和安排相關(guān)的教學(xué)活動(dòng)三個(gè)方面。

（一）明確預(yù)期的學(xué)習(xí)結(jié)果

預(yù)期的學(xué)習(xí)結(jié)果，即學(xué)生在完成STEM學(xué)習(xí)后應(yīng)該知道什么，能夠做什么，涉及的哪些內(nèi)容需要深入理解。因此，在基于逆向設(shè)計(jì)的STEM教育中，教師要對STEM教育主題和學(xué)生學(xué)情進(jìn)行分析，明確活動(dòng)中學(xué)生應(yīng)該知道的知識、具備的技能、值得探究的內(nèi)容概念等，然后確定符合學(xué)生發(fā)展的目標(biāo)。這一環(huán)節(jié)是逆向設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，具有導(dǎo)向性作用。

（二）確定達(dá)到預(yù)期效果的評定證據(jù)

評定證據(jù)是確定學(xué)生達(dá)到預(yù)期學(xué)習(xí)結(jié)果的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，是基于逆向設(shè)計(jì)的STEM教育的重要特點(diǎn)。這一評估環(huán)節(jié)在了解學(xué)生反饋的基礎(chǔ)上能夠進(jìn)一步指導(dǎo)后續(xù)教學(xué)，確保教學(xué)活動(dòng)與學(xué)習(xí)目標(biāo)相匹配，并使教師的教與學(xué)生的學(xué)以預(yù)期的學(xué)習(xí)結(jié)果為中心?？偟膩碚f，它要以興趣激發(fā)、問題識別、實(shí)踐操作、問題解決、合作交流等作為評價(jià)維度，為教師開展有效的STEM教育提供證據(jù)。

（三）安排相關(guān)的教學(xué)活動(dòng)

明確結(jié)果和合適的評估證據(jù)后，教師設(shè)計(jì)和安排教學(xué)活動(dòng)，選擇相應(yīng)的教學(xué)策略和方法。通過引導(dǎo)性問題，讓學(xué)生找尋問題本質(zhì)，獲得真正理解且利用跨學(xué)科知識解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生在不同情境中靈活應(yīng)對問題的能力。

例如，采用基于問題的探究學(xué)習(xí)、基于項(xiàng)目的問題解決學(xué)習(xí)等方式，確保學(xué)生所學(xué)的是主要概念和原理，而不僅僅是孤立的知識。

三、基于逆向設(shè)計(jì)的STEM教育學(xué)習(xí)樣態(tài)

基于逆向設(shè)計(jì)的STEM教育實(shí)施框架，在具體學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中，通過先行明確教學(xué)目標(biāo)、評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評價(jià)方式，再逆推教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)，抓住關(guān)鍵問題并挖掘?qū)W科核心概念和知識，最終促進(jìn)STEM教育學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成。

（一）明確達(dá)成目標(biāo)

在基于逆向設(shè)計(jì)的STEM教育初始，教師要從學(xué)生的立場出發(fā)，讓學(xué)生明確需要達(dá)到的目標(biāo)、期望完成的任務(wù)、所學(xué)內(nèi)容的價(jià)值等，并視情況安排檢測學(xué)生學(xué)情。

例如，在“投石機(jī)”的目標(biāo)設(shè)置中，外層表示學(xué)生應(yīng)當(dāng)熟悉的內(nèi)容，不需深入探討，只需大概了解；中間層表示學(xué)生應(yīng)掌握的必備知識（概念、原理）和技能（過程、策略和方法），是學(xué)生達(dá)成目標(biāo)的前提；內(nèi)層則表示學(xué)生應(yīng)深入理解的內(nèi)容，是學(xué)習(xí)的核心（如圖1）。

（二）激發(fā)學(xué)習(xí)意愿

STEM教育往往由真實(shí)問題來驅(qū)動(dòng)，問題是基于逆向設(shè)計(jì)的STEM教育的關(guān)鍵。目標(biāo)確立后，教師應(yīng)在教學(xué)活動(dòng)中充分利用和主題密切相關(guān)的核心問題或真實(shí)情境任務(wù)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)意愿，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，提高參與度。

例如，“投石機(jī)”一課中，播放投石機(jī)攻城的視頻之后，教師通過問題判斷學(xué)生對什么是投石機(jī)是否有了大概的認(rèn)識；隨后開展實(shí)物觀察，了解構(gòu)成投石機(jī)的各部分及它們的作用，建立初步的設(shè)計(jì)觀念；最后，利用材料嘗試搭建結(jié)構(gòu)，在穩(wěn)定性、彈性、韌性、杠桿撬動(dòng)等任務(wù)體驗(yàn)中，體會(huì)投石機(jī)整體與部分的關(guān)系，激發(fā)學(xué)生深入探究的熱情。

（三）深化探究主題

一個(gè)優(yōu)秀的STEM教育活動(dòng)，體現(xiàn)的是學(xué)生像科學(xué)家一樣思考，像工程師一樣解決問題，主動(dòng)發(fā)表見解、觀點(diǎn)，在逐步探究中深化對知識的理解。因而，教師在基于逆向設(shè)計(jì)的STEM教育中，需要思考幫助學(xué)生更好掌握基本知識、探究核心問題、優(yōu)化學(xué)習(xí)表現(xiàn)的方法。

無論采用哪種方法，其設(shè)計(jì)都應(yīng)以教學(xué)目標(biāo)為依據(jù)，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)設(shè)置評價(jià)任務(wù)，預(yù)期學(xué)生應(yīng)有表現(xiàn)開展教學(xué)，教學(xué)目標(biāo)、評價(jià)任務(wù)、預(yù)期表現(xiàn)和教學(xué)活動(dòng)的每一點(diǎn)都是對應(yīng)的。如此，學(xué)習(xí)才能成為發(fā)現(xiàn)證據(jù)的過程，評價(jià)嵌入學(xué)習(xí)過程，不斷促進(jìn)目標(biāo)的達(dá)成。表1是“投石機(jī)”一課中確定達(dá)到預(yù)期效果的評定證據(jù)和教學(xué)活動(dòng)。

表1

“投石機(jī)”中確定達(dá)到預(yù)期效果的評定證據(jù)和教學(xué)活動(dòng)

（四）反思學(xué)習(xí)過程

STEM教育強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)過程中知識的累積和技能的獲得。因此，基于逆向設(shè)計(jì)的STEM教育反思，重點(diǎn)在于對學(xué)習(xí)活動(dòng)過程的檢測和診斷。當(dāng)完成STEM學(xué)習(xí)后，教師需要為學(xué)生提供反思和再思考的機(jī)會(huì)，利用反思進(jìn)一步改善學(xué)生的學(xué)習(xí)并系統(tǒng)梳理知識。

一是過程的反思，如自身參與活動(dòng)的積極性、小組間的合作交流、歸納整個(gè)證據(jù)收集過程和數(shù)據(jù)分析過程的方法等；

在對過程與結(jié)果反思的基礎(chǔ)上，教師指導(dǎo)學(xué)生通過撰寫報(bào)告、反思日志等方式，總結(jié)成敗得失，提升個(gè)體經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)同伴及教師提出的反饋和建議改進(jìn)，獲取更好的問題解決方式，培養(yǎng)問題發(fā)現(xiàn)能力。

（五）展評學(xué)習(xí)所得

評價(jià)是教學(xué)設(shè)計(jì)中必不可少的環(huán)節(jié)。明確的評估標(biāo)準(zhǔn)和反饋，可以幫助教師根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況調(diào)整教學(xué)設(shè)計(jì)，使學(xué)生更加明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，改進(jìn)不足。

以教學(xué)目標(biāo)為依據(jù)，采用良好的量規(guī)評價(jià)，是優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)提高基于逆向設(shè)計(jì)的STEM教育效果的重要舉措。它主要包括對學(xué)生表現(xiàn)進(jìn)行評價(jià)的指標(biāo)、評分等級及評分描述等內(nèi)容。表2是“投石機(jī)”一課的量規(guī)評價(jià)。

表2

“投石機(jī)”一課的量規(guī)評價(jià)

STEM教育的開展，順應(yīng)當(dāng)今快速發(fā)展的社會(huì)對人才的需求，是提升國家實(shí)力的重要途徑。采用逆向設(shè)計(jì)的STEM教育，改變了提出問題、實(shí)踐操作、評價(jià)交流的傳統(tǒng)STEM教育模式，在“以終為始”理念的指引下，實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、評”一體化，為學(xué)生真正理解和運(yùn)用知識，達(dá)成問題解決能力和創(chuàng)造力的培養(yǎng)目標(biāo)提供了載體，也為教師切實(shí)開展STEM教育提供了有效支持，助力實(shí)現(xiàn)STEM教育效果的最優(yōu)化。

注：本文系浙江省教育科學(xué)規(guī)劃2018年度研究課題“創(chuàng)客教育：基于設(shè)計(jì)性學(xué)習(xí)的‘雙軌共進(jìn)’模式創(chuàng)生研究”（課題編號：2018SC162）階段性研究成果。

（作者系浙江省嘉興市南湖區(qū)余新鎮(zhèn)中心小學(xué)高級教師，浙江省浙派名師培養(yǎng)對象）