作者簡介：張屹，博士，教授，博士生導(dǎo)師；趙亞萍，碩士研究生，華中師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)院（湖北武漢　430079）；何玲，教師，華中科技大學(xué)附屬小學(xué)（湖北武漢　430074）；白清玉，博士研究生，華中師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)院（湖北武漢　430079）。

基金項(xiàng)目：2016年度教育部人文社會科學(xué)研究規(guī)劃基金項(xiàng)目“智慧教室中促進(jìn)小學(xué)生深度學(xué)習(xí)的教學(xué)策略研究”（16YJA880067）；The “Future Schools in 2030”Program：The Technology Enhanced Assessment to Improve Students’ Deep Learning in Smart Classroom（AICFE-IO-007）。

引用：張屹,趙亞萍,何玲,白清玉(2017).基于STEM的跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究,(6):75-84.

摘要：信息化時(shí)代的發(fā)展需要大量的工程與技術(shù)人才，STEM 教育逐漸成為基礎(chǔ)教育階段國際科學(xué)教育的一門新興課程，受到各國的關(guān)注和重視。我國在一些地區(qū)進(jìn)行了STEM教育的實(shí)踐推廣，但國內(nèi)相關(guān)研究主要集中在STEM教育的概念辨析、課程研究、教學(xué)模式及實(shí)施案例等方面，對STEM教育在具體學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用研究較少。STEM教育理念的核心是跨學(xué)科整合，跨學(xué)科整合最核心、最重要的工作是項(xiàng)目或問題的設(shè)計(jì)。STEM的跨學(xué)科整合，一方面要將分學(xué)科的知識按問題邏輯或項(xiàng)目邏輯進(jìn)行跨學(xué)科重組，另一方面又要確保設(shè)計(jì)的問題和項(xiàng)目對所有學(xué)科基礎(chǔ)性知識結(jié)構(gòu)的全面、均衡覆蓋?；诙鄬W(xué)科融合的STEM理念，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)并實(shí)施了“氣球火箭”系列課程。在以華中科技大學(xué)附屬小學(xué)學(xué)生為研究對象進(jìn)行的單組前后測實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：基于STEM的教育能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也有利于學(xué)生科學(xué)探究能力的發(fā)展；而且雖然基于STEM的教學(xué)在一定程度上增加了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，但一定范圍內(nèi)的高認(rèn)知負(fù)荷有利于學(xué)生探究能力的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：STEM教育；跨學(xué)科教學(xué)；探究能力；學(xué)習(xí)興趣；影響研究

 一、引言

為適應(yīng)全球扁平化的時(shí)代浪潮，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)及能力，提供適合的教育，是各國教育的重要使命，同時(shí)也是21世紀(jì)課程改革的重大主題。所謂能力（Ability），它涵蓋了諸如探究能力、批判性思考、問題解決、創(chuàng)造力、價(jià)值觀、溝通合作交流等方面，有著一定的深度和廣度。美國“21 世紀(jì)學(xué)習(xí)框架”和新加坡“21 世紀(jì)技能框架”中均提出了對于學(xué)生探究能力等的培養(yǎng)。我國教育部2017年發(fā)布的《全日制義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱“標(biāo)準(zhǔn)”）中提出，科學(xué)教學(xué)應(yīng)從學(xué)生實(shí)際出發(fā)，創(chuàng)設(shè)有助于學(xué)生主動學(xué)習(xí)的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生通過探究學(xué)習(xí)等，獲得科學(xué)基礎(chǔ)知識和技能，促使學(xué)生主動地、富有個(gè)性地學(xué)習(xí)，不斷提高探究能力；《標(biāo)準(zhǔn)》還指出，科學(xué)教學(xué)與小學(xué)其他學(xué)科關(guān)系密切，倡導(dǎo)跨學(xué)科方式學(xué)習(xí)，即融合科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)為一體的STEM教育，它是一種以項(xiàng)目學(xué)習(xí)、問題解決為導(dǎo)向的課程組織方式（教育部，2017）。2016年2月國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《全民科學(xué)素質(zhì)行動計(jì)劃綱要實(shí)施方案》也明確提出，在中學(xué)階段要增強(qiáng)學(xué)科間橫向配合，開展跨學(xué)科實(shí)踐探究活動（國務(wù)院，2016）?！督逃畔⒒笆濉币?guī)劃》（以下簡稱“規(guī)劃”）也要求：積極探索信息技術(shù)在STEM教育及創(chuàng)客等新的教育模式中的應(yīng)用，著力提升學(xué)生的信息素養(yǎng)、探究能力、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力（任友群等， 2016）?？梢?，探索基于STEM的教學(xué)模式，以更好地促進(jìn)學(xué)生能力發(fā)展，成為教育領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。而如何使外來的STEM教育本土化，以適應(yīng)我國教育是學(xué)者當(dāng)前熱議的話題?；诖?，本文將探究如何使STEM教育從理念和思想層面，轉(zhuǎn)化為有成效的行動實(shí)踐，并在此基礎(chǔ)上對于STEM的教學(xué)效果進(jìn)行分析。

二、文獻(xiàn)綜述

1.STEM教育概述

STEM是Science（科學(xué)）、Technology（技術(shù)）、Engineering（工程）和Mathematics（數(shù)學(xué)）英文首字母的縮寫。融合的STEM教育具備如下特征：（1）跨學(xué)科。艾布特斯使用“元科學(xué)”（Meta-Duscipline）描述STEM，即表示它是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科知識的整合（Morrison，2006）。STEM教育的跨學(xué)科特點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)在教學(xué)過程中讓學(xué)生應(yīng)用多學(xué)科知識，解決實(shí)際問題，以實(shí)現(xiàn)跨越學(xué)科界限提高學(xué)生解決實(shí)際問題能力的教育目標(biāo)。（2）協(xié)作性。建構(gòu)主義指出，學(xué)習(xí)環(huán)境的四大要素包括“情境”“協(xié)作”“會話”和“意義建構(gòu)”（何克抗，1997）。STEM教育的協(xié)作性就是要求學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計(jì)要包括“協(xié)作”和“會話”兩個(gè)要素：讓學(xué)生以小組為單位，完成學(xué)習(xí)及評價(jià)；同時(shí)，學(xué)習(xí)者通過會話商討如何完成規(guī)定的學(xué)習(xí)任務(wù)。（3）體驗(yàn)性。STEM教育強(qiáng)調(diào)學(xué)生參與學(xué)習(xí)過程，其體驗(yàn)性的特征，使得學(xué)生不僅能獲得結(jié)果性知識，還能習(xí)得蘊(yùn)含在項(xiàng)目問題解決過程中的過程性知識。（4）設(shè)計(jì)性。STEM教育要求有學(xué)習(xí)產(chǎn)品的環(huán)節(jié)，通過設(shè)計(jì)促進(jìn)知識的融合與遷移運(yùn)用，通過作品外化學(xué)習(xí)的結(jié)果、外顯習(xí)得的知識和能力。因此設(shè)計(jì)性是STEM教育的又一核心特征。（5）情境性。情境是STEM教育重要而有意義的組成部分。學(xué)習(xí)受具體情境的影響，情境不同學(xué)習(xí)也不同。情境性問題的解決，可以讓學(xué)生體驗(yàn)真實(shí)的生活，獲得社會性成長。

2.STEM教學(xué)的影響研究

Choi等人認(rèn)為基于項(xiàng)目的STEM教育可以從知識、技能和情感三個(gè)方面提升小學(xué)生學(xué)習(xí)成就，同時(shí)有利于引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行整合設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)科學(xué)和技術(shù)的綜合性問題解決（Choi et al.，2016）。Harris等人為了研究基于項(xiàng)目的探究式課程材料的教學(xué)效果，對42所學(xué)校的六年級學(xué)生進(jìn)行了為期1年的教學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)基于項(xiàng)目的探究式課程材料有利于科學(xué)思想與科學(xué)實(shí)踐的結(jié)合，有利于提高學(xué)生科學(xué)課程學(xué)習(xí)的成效（Harris et al.，2015）。Meyrick研究了STEM教育是如何提高學(xué)生學(xué)習(xí)的，發(fā)現(xiàn)在STEM教育中通過各種基于活動的學(xué)習(xí)模型給學(xué)生提供快速深入的學(xué)習(xí)機(jī)會，有利于他們對個(gè)人感興趣的主題進(jìn)行深入研究（Meyrick，2011）。Frykholm和Glasson的研究表明，在進(jìn)行STEM教學(xué)過程中學(xué)習(xí)者對數(shù)學(xué)和科學(xué)等內(nèi)容的理解更加深入（Frykholm et al.，2005）；同時(shí)Asghar等人也發(fā)現(xiàn)，基于STEM的教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者應(yīng)用所學(xué)知識解決真實(shí)世界中問題的能力，這些問題在本質(zhì)上就是跨學(xué)科的（Asghar et al.，2012）?！皡f(xié)作-探究”教學(xué)模式對于學(xué)生探究能力和協(xié)作能力的提升以及學(xué)生的創(chuàng)造力有促進(jìn)作用（包昊罡等，2015）。傅騫等認(rèn)為，STEM教育作為一種教學(xué)策略，能夠通過基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)和探究性學(xué)習(xí)等學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者解決實(shí)際問題的能力（傅騫等，2016）。綜上所述，STEM多學(xué)科融合的教學(xué)對于學(xué)生科學(xué)探究等能力的提高有一定幫助。

還有一些研究指出基于STEM的綜合實(shí)踐學(xué)習(xí)有利于學(xué)生創(chuàng)造力和科學(xué)興趣方面的培養(yǎng)（Lee et al.，2013；Kim et al.，2014）。Kong與合作者以及Kim和Choi提出基于主題的STEM活動對小學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)動機(jī)有積極的影響，能積極改變科學(xué)學(xué)習(xí)態(tài)度并在一定程度上提高學(xué)生在科學(xué)學(xué)習(xí)過程中的自我效能感（Kong et al.，2014；Kim et al.，2012）。Bae等發(fā)現(xiàn)基于STEAM的科學(xué)教學(xué)，對學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的動機(jī)及成績相較于傳統(tǒng)科學(xué)教學(xué)有顯著性提升（Bae et al.，2013）。蔡蕙文的研究發(fā)現(xiàn)，STEM教學(xué)模式有助于提升中學(xué)學(xué)生在科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)的整合知識與概念，STEM組的學(xué)生在科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)的成績顯著優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)組，學(xué)生對STEM教學(xué)模式持正面肯定的態(tài)度，STEM學(xué)習(xí)態(tài)度與學(xué)習(xí)成效呈顯著正相關(guān)（蔡蕙文，2008）。

綜上所述，基于項(xiàng)目或問題活動的STEM教育可以很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和內(nèi)在動機(jī)，對于學(xué)生探究能力等的提高有一定幫助。而目前國內(nèi)相關(guān)研究主要集中在STEM教育的概念辨析、課程研究、教學(xué)模式及實(shí)施案例等方面，而對于STEM教育在具體學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用研究較少。因此，本研究將基于跨學(xué)科的STEM教育理念進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，并通過定性加定量的研究數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證基于STEM理念的教學(xué)對學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、科學(xué)探究能力等方面的影響。

三、基于STEM理念的跨學(xué)科整合模式

Sanders指出STEM 教育建立在建構(gòu)主義和認(rèn)知科學(xué)的研究成果之上（Sanders，2009）。Bruning等人指出，STEM 教育與認(rèn)知科學(xué)的主張一致：學(xué)習(xí)是建構(gòu)的過程；在認(rèn)知過程中動機(jī)和信念非常重要；認(rèn)知發(fā)展建立在社會互動基礎(chǔ)之上；知識、策略和專門技術(shù)是情境化的（Bruning et al.，1979）。由此可見，STEM 教育是一種典型的建構(gòu)主義教學(xué)實(shí)踐：即為學(xué)習(xí)者提供適合的學(xué)習(xí)情境，讓他們積極地建構(gòu)知識，從而強(qiáng)化對知識的記憶并促進(jìn)遷移；以小組為單位進(jìn)行活動，為知識的社會建構(gòu)提供優(yōu)越條件。因此，實(shí)踐STEM 教學(xué)模式首先要符合建構(gòu)性學(xué)習(xí)所強(qiáng)調(diào)的探究、發(fā)現(xiàn)、協(xié)助等基本要求。

Herschbach提出STEM教育的課程設(shè)計(jì)應(yīng)該使用“整合的課程設(shè)計(jì)模式”，即將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等整合在一起，強(qiáng)調(diào)對知識的應(yīng)用和對學(xué)科之間關(guān)系的關(guān)注（Herschbach，2011）。余勝泉教授等（2015）也指出，STEM教育理念的核心是跨學(xué)科整合，通過知識情景化、生活化，讓學(xué)生自主運(yùn)用學(xué)科知識，學(xué)會創(chuàng)造性解決問題?？鐚W(xué)科整合最核心、最重要的工作是項(xiàng)目或問題的設(shè)計(jì)，即在進(jìn)行項(xiàng)目或問題的設(shè)計(jì)時(shí)將知識蘊(yùn)含于情境化的真實(shí)問題中，以調(diào)動學(xué)生主動積極地利用各學(xué)科的相關(guān)知識設(shè)計(jì)解決方案，跨越學(xué)科界限提高學(xué)生的高階思維能力。但同時(shí)需要注意各學(xué)科原有知識體系結(jié)構(gòu)的劣構(gòu)化問題，這可能導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)知識結(jié)構(gòu)的不均衡。因此，STEM 的跨學(xué)科整合，一方面要將分學(xué)科的知識按問題邏輯或項(xiàng)目邏輯進(jìn)行跨學(xué)科重組，另一方面又要確保設(shè)計(jì)的問題或項(xiàng)目對所有學(xué)科基礎(chǔ)性知識結(jié)構(gòu)的全面、均衡覆蓋。設(shè)計(jì)和實(shí)施STEM 跨學(xué)科整合的課程，要在學(xué)科知識的系統(tǒng)性與解決實(shí)際問題/ 項(xiàng)目中所獲知識的隨機(jī)性之間保持一定的張力和平衡，基于整體知識結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性設(shè)計(jì)問題，使各問題之間包含的學(xué)習(xí)內(nèi)容多次相互鄰接和交叉重疊。筆者所在項(xiàng)目組與華中科技大學(xué)附屬小學(xué)試點(diǎn)學(xué)校聯(lián)合開展了一系列的基于STEM理念的跨學(xué)科綜合實(shí)踐課。本文以五年級（上）小學(xué)科學(xué)《力與運(yùn)動》單元的綜合實(shí)踐課“氣球火箭”為例進(jìn)行基于STEM理念的教學(xué)介紹。具體方法是：參照建構(gòu)主義教學(xué)設(shè)計(jì)模式（余勝泉等，2000），提出STEM 項(xiàng)目設(shè)計(jì)模式，進(jìn)行教學(xué)案例的設(shè)計(jì)。即在“教學(xué)分析” 的基礎(chǔ)上，以“項(xiàng)目或問題”為核心立足點(diǎn)，設(shè)計(jì)項(xiàng)目完成或問題解決過程中的學(xué)習(xí)資源與工具、學(xué)習(xí)活動過程、學(xué)習(xí)支架、學(xué)習(xí)評價(jià)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)；同時(shí)關(guān)注項(xiàng)目完成后，學(xué)生獲得知識的系統(tǒng)化與結(jié)構(gòu)化遷移，并有相應(yīng)的強(qiáng)化練習(xí)與總結(jié)提升。

四、基于STEM理念的跨學(xué)科整合教學(xué)設(shè)計(jì)

1.教學(xué)分析

（1）學(xué)習(xí)者分析。本次教學(xué)對象為小學(xué)五年級學(xué)生，經(jīng)過2年多的科學(xué)學(xué)習(xí)，大多數(shù)學(xué)生已具備初步的探究能力及合作能力，對于周圍世界產(chǎn)生了強(qiáng)烈的好奇心和探究欲望，樂于動手，善于操作，為后續(xù)科學(xué)課程學(xué)習(xí)的順利開展奠定了基礎(chǔ)。

（2）教學(xué)內(nèi)容分析?！皻馇蚧鸺笔切W(xué)五年級《力與運(yùn)動》單元綜合實(shí)踐活動主題課。本課基于STEM教育理念開展教學(xué)：根據(jù)學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)，本專題選取學(xué)生熟悉的氣球?yàn)檠芯繉ο?，在?shí)際而非理論條件下，讓學(xué)生整合自己科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)及工程四方面的知識，以小組合作的形式，探究制作氣球火箭，在探究過程中引導(dǎo)學(xué)生對物體的運(yùn)動進(jìn)行感知和思考，以此完成本次課程教學(xué)目標(biāo)。

2.教學(xué)過程設(shè)計(jì)

在“教學(xué)分析”的基礎(chǔ)上，依據(jù)STEM教育理念，以“氣球火箭制作”為核心立足點(diǎn)，明確本次課程教學(xué)目標(biāo)，進(jìn)行學(xué)習(xí)活動、學(xué)習(xí)評價(jià)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，同時(shí)關(guān)注“氣球火箭”制作完成后，學(xué)生獲得知識的系統(tǒng)化與結(jié)構(gòu)化遷移，讓學(xué)生對自己的氣球火箭成品進(jìn)行匯報(bào)，最后教師進(jìn)行總結(jié)提升。具體的教學(xué)設(shè)計(jì)過程描述如下：

（1）STEM教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)。教學(xué)目標(biāo)是在認(rèn)知與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀領(lǐng)域?qū)W(xué)生完成學(xué)習(xí)活動后，獲得成長的預(yù)期，它既是教學(xué)活動的起始點(diǎn)，也是其最終落腳點(diǎn)（崔允漷，2004）。根據(jù)對學(xué)習(xí)者及教學(xué)內(nèi)容的分析結(jié)果進(jìn)行本課程教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)，形成學(xué)科和目標(biāo)領(lǐng)域間的二維矩陣教學(xué)目標(biāo)，如表1。

表1    “氣球火箭”STEM教學(xué)目標(biāo)

（2）學(xué)習(xí)活動設(shè)計(jì)?！皻馇蚧鸺睂ｎ}的教學(xué)從氣球火箭的初步設(shè)計(jì)與試驗(yàn)、完善、裝飾與產(chǎn)品發(fā)布及評價(jià)四個(gè)活動展開，共用4課時(shí)。學(xué)生在活動過程中逐步感知力與運(yùn)動以及運(yùn)動狀態(tài)改變的影響因素等?；顒舆^程中4~5人一組，組內(nèi)成員分工按照任務(wù)類型。具體學(xué)習(xí)活動介紹如表2，具體的活動流程見圖1。

表2    學(xué)習(xí)活動介紹

圖1　STEM項(xiàng)目活動流程

3.學(xué)習(xí)評價(jià)設(shè)計(jì)

STEM教學(xué)的目標(biāo)在于促進(jìn)學(xué)生能力的發(fā)展，更多地關(guān)注學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程及真實(shí)能力的評價(jià)?！皻馇蚧鸺辈捎谩敖處熢u價(jià) 同伴互評 反思”的多元評價(jià)方式。評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)如表3。

表3    評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

五、基于STEM理念的跨學(xué)科教學(xué)實(shí)踐

1.實(shí)施過程

教學(xué)實(shí)踐是將教學(xué)設(shè)計(jì)理念付諸行動的過程。實(shí)施過程需根據(jù)學(xué)生在實(shí)際課堂中的表現(xiàn)，如對問題情境的理解程度、對活動的參與程度，適時(shí)進(jìn)行調(diào)整。具體的實(shí)施過程如下：

（1）情景導(dǎo)入。教師展示氣球及火箭發(fā)射相關(guān)視頻，引起學(xué)生的注意，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī)，導(dǎo)入本次課程。

（2）活動1：氣球火箭初步設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)。教師講解氣球火箭原理，給出本次課程的評價(jià)方案并在活動過程中給予適時(shí)的指導(dǎo)。學(xué)生運(yùn)用已有科學(xué)、技術(shù)、工程及數(shù)學(xué)方面的知識，進(jìn)行氣球火箭的制作與發(fā)射實(shí)驗(yàn)，使用iPad及計(jì)時(shí)器等記錄發(fā)射火箭的距離與時(shí)間，根據(jù)所學(xué)學(xué)科知識探究氣球火箭的速度，將氣球火箭速度發(fā)送到QQ討論組，同時(shí)小組成員合作完成本小組的研發(fā)記錄單。

（3）活動2：氣球火箭改進(jìn)試驗(yàn)。學(xué)生通過網(wǎng)上查閱資料，以工程的思想改進(jìn)氣球火箭的材料或者改造氣球火箭的結(jié)構(gòu)。有的學(xué)生選擇教師提供的PVC管來代替之前的軟吸管，有的選擇剪短之前的吸管等形式，來進(jìn)一步完善小組的氣球火箭，使得氣球火箭加速。在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生借助科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)方面的知識進(jìn)行探究，同時(shí)將探究結(jié)果發(fā)送到課堂QQ討論組，并在研發(fā)記錄單上填寫每次探究的過程及結(jié)果分析。

（4）活動3：氣球火箭的裝飾及產(chǎn)品說明的設(shè)計(jì)。小組成員發(fā)揮自己的聰明才智，借助一定的技術(shù)工具對小組的氣球火箭成品進(jìn)行美化裝飾，同時(shí)對小組的氣球火箭構(gòu)造、最快發(fā)射速度及構(gòu)造等進(jìn)行文檔說明。學(xué)生裝飾后的作品如圖2所示。

圖2　學(xué)生作品

（5）活動4：氣球火箭產(chǎn)品展示發(fā)布及反思評價(jià)。選派小組代表對小組的氣球火箭產(chǎn)品進(jìn)行展示介紹，對不足之處進(jìn)行反思說明，同時(shí)小組之間根據(jù)教師的評價(jià)方案進(jìn)行產(chǎn)品評價(jià)，在QQ討論組以投票的形式對作品進(jìn)行投票，“教師評價(jià) 小組評價(jià)”評選出優(yōu)秀小組，并進(jìn)行頒獎(jiǎng)。最后教師對本次活動課進(jìn)行總結(jié)。

2.實(shí)驗(yàn)研究

研究設(shè)計(jì)單組前后測實(shí)驗(yàn)，以華中科技大學(xué)附屬小學(xué)五年級某班52名學(xué)生為研究對象，以基于STEM的小學(xué)科學(xué)教學(xué)為自變量，以學(xué)生科學(xué)探究能力、學(xué)習(xí)興趣及認(rèn)知負(fù)荷為因變量，采用組合改編的《STEM教學(xué)成效調(diào)查問卷》為測量工具，探討基于STEM的小學(xué)科學(xué)教學(xué)對學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的影響。

（1）調(diào)查問卷

前測。問卷包含科學(xué)學(xué)習(xí)興趣及科學(xué)探究能力兩部分，共13道題目。在科學(xué)學(xué)習(xí)興趣部分，本研究從Lamb等人的科學(xué)興趣量表中抽取并改編了2個(gè)測試題目，從課程本身及學(xué)習(xí)方式的興趣兩方面進(jìn)行分析（Lamb et al.，2012）；對于學(xué)生科學(xué)探究能力的測量，本研究對Novak等人以及Mintzes等關(guān)于學(xué)生探究能力的問卷進(jìn)行了改編，共11道題目（Novak & Gowin，1984； Mintzes & Novak，2005）。問卷采用李克特五級量表計(jì)分，問卷中的問題具體分類見表4。

表4    STEM教學(xué)成效調(diào)查問卷

后測。在前測問卷的基礎(chǔ)上添加了學(xué)生在此種方式下認(rèn)知負(fù)荷的部分。關(guān)于認(rèn)知負(fù)荷的測量，研究從Hwang等人的認(rèn)知負(fù)荷調(diào)查問卷中抽取并改編了2個(gè)測試題目（Paas，1992；Hwang et al.，2013），這兩個(gè)測試題目均采用9級量表的形式。后測部分共15道題目。

研究對前后測問卷中探究能力維度下題目的整體信度進(jìn)行了計(jì)算，前測問卷探究能力部分的Cronbach系數(shù)α＝0.759，后測問卷的Cronbach系數(shù)α=0.809，均在0.7以上，表明前后測問卷均具有較高的信度。

（2）研發(fā)記錄單

研發(fā)記錄單是在與多位學(xué)科教師交流及教學(xué)實(shí)際需求的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，它是記錄學(xué)生“氣球火箭探究”的思維工具，見表5。該思維工具包括嘗試措施、是否改進(jìn)、原因分析、反思等部分。第一，嘗試措施。學(xué)生以工程的思想進(jìn)行相關(guān)措施的思考，并對相關(guān)措施進(jìn)行探究，在探究活動中體會科學(xué)探究的過程。第二，是否改進(jìn)。學(xué)生結(jié)合學(xué)科知識借助一定的技術(shù)進(jìn)行計(jì)算以分析是否增速，培養(yǎng)學(xué)生在解決問題的過程中，結(jié)合多學(xué)科知識進(jìn)行思考的意識。第三，原因分析。引導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)、工程、數(shù)學(xué)等方面分析每次成功或失敗的原因，透析問題背后的原因。第四，反思。通過反思培養(yǎng)學(xué)生勤于思考的意識，發(fā)展學(xué)生的高階思維能力。

表5    研發(fā)記錄單

（3）研究過程

為了探究STEM理念下的跨學(xué)科教學(xué)對學(xué)生探究能力等的影響，本研究采用單組前后測實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，圖3展示了實(shí)驗(yàn)流程。首先，對被試進(jìn)行前測，以了解受試者在當(dāng)前教學(xué)方式下的科學(xué)學(xué)習(xí)興趣及探究能力現(xiàn)狀；其次，根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問題應(yīng)用STEM教育理念進(jìn)行相關(guān)主題的教學(xué)設(shè)計(jì)及跨度4個(gè)課時(shí)的教學(xué)活動開展；最后，課程結(jié)束后，從興趣、探究能力及認(rèn)知負(fù)荷三個(gè)方面對學(xué)生進(jìn)行后測，對比前后測數(shù)據(jù)，同時(shí)對學(xué)生的探究過程及最終作品進(jìn)行分析，研究運(yùn)用STEM理念跨學(xué)科教學(xué)后的相關(guān)問題。

圖3   實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程

（4）研究假設(shè)

本研究基于三個(gè)研究假設(shè)：第一，基于STEM理念的課堂教學(xué)有利于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的提高；第二，基于STEM理念的課堂教學(xué)會增加學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷；第三，基于STEM理念的跨學(xué)科教學(xué)能夠提高學(xué)生的探究能力。

3.教學(xué)效果分析

（1）基于STEM理念的跨學(xué)科教學(xué)對學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的影響分析

為了檢驗(yàn)基于STEM理念的跨學(xué)科教學(xué)對于學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)興趣的影響，在STEM教學(xué)開展前后分別對學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，借助SPSS對學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的前后測數(shù)據(jù)進(jìn)行配對樣本T檢驗(yàn)，結(jié)果如表6。

表6     學(xué)習(xí)興趣前后測數(shù)據(jù)分析

由表6可知，在基于STEM理念的學(xué)習(xí)之后，學(xué)生對于科學(xué)課學(xué)習(xí)的興趣均值達(dá)4.0以上，表明在基于STEM的教學(xué)中學(xué)生具有很高的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，配對T檢驗(yàn)顯著性概率p值小于0.05，表明學(xué)生在STEM方式下進(jìn)行科學(xué)課學(xué)習(xí)后其學(xué)習(xí)興趣存在顯著提升?？梢?，多學(xué)科融合的項(xiàng)目化驅(qū)動學(xué)習(xí)，以真實(shí)問題出發(fā)，學(xué)生自主參與項(xiàng)目的全過程，學(xué)習(xí)過程會變得更加有趣和有吸引力，學(xué)生更樂于參與活動。即基于STEM理念的跨學(xué)科學(xué)習(xí)更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（2）基于STEM理念的跨學(xué)科教學(xué)對學(xué)生探究能力的效果分析

研究從定量、定性兩個(gè)方面分析了基于STEM理念的跨學(xué)科教學(xué)對學(xué)生探究能力的效果：一是從學(xué)生的研發(fā)記錄單以及探究過程等定性數(shù)據(jù)分析，二是從回收的問卷數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)生探究能力的分析。具體如下：

第一，學(xué)生研發(fā)記錄單分析。研發(fā)記錄單記錄了學(xué)生從設(shè)計(jì)到模型程序再到優(yōu)化創(chuàng)新的技術(shù)設(shè)計(jì)全過程。圖4是第6組學(xué)生從活動開始到結(jié)束對研發(fā)記錄單的完善過程。學(xué)生以圖形結(jié)合的方式記錄了小組在設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、原因剖析及最后的反思等整個(gè)活動中的思維過程。從圖4可以看出，第6組學(xué)生提出了2種氣球火箭改進(jìn)方法，通過實(shí)驗(yàn)，一種達(dá)到了目的，一種沒有。從兩種方式實(shí)驗(yàn)后的結(jié)果來看，學(xué)生在此活動下并沒有真正了解影響力的狀態(tài)改變的因素。在教師講解氣球火箭涉及到的力與運(yùn)動知識后，從學(xué)生的反思可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對于運(yùn)動狀態(tài)改變的原因，雖然不能用專業(yè)的語言進(jìn)行表述，但卻已經(jīng)有了一定的了解。同時(shí)，從研發(fā)記錄單還可以看出學(xué)生探究過程的完整性。在探究過程中，他們體會到實(shí)際制作與前期設(shè)計(jì)的沖突，在假設(shè)與實(shí)驗(yàn)過程中不斷提升思維的縝密性和完整性。

圖4　部分小組最終研發(fā)記錄單

第二，學(xué)生氣球火箭探究過程分析。圖5是學(xué)生對氣球火箭完善的過程。從學(xué)生氣球火箭的外觀設(shè)計(jì)上可以看出，學(xué)生以不同的方式來改進(jìn)氣球火箭的速度。改進(jìn)活動體現(xiàn)出學(xué)生在多次探究實(shí)驗(yàn)過程中認(rèn)識到火箭速度的影響因素，并不斷改進(jìn)。有的學(xué)生改變了火箭制作的材料即將軟吸管換成了PVC管以減少摩擦力；有的學(xué)生通過增加氣球的數(shù)量以此來增加火箭的反沖力；還有的學(xué)生通過改變火箭的運(yùn)行軌道即將運(yùn)行軌道傾斜以此使火箭借助一定的外力來增速。雖不是每一種方案都能夠成功，但是在探究過程中可以看出學(xué)生將數(shù)學(xué)、科學(xué)、工程與技術(shù)等知識很好地結(jié)合，對力與運(yùn)動，尤其是反沖力和摩擦力有了更為直觀的認(rèn)識，能將所學(xué)的科學(xué)知識很好地運(yùn)用于探究活動中。

圖5　學(xué)生氣球火箭改善完善過程

第三，學(xué)生探究能力數(shù)據(jù)收集分析。為了驗(yàn)證基于STEM理念的教學(xué)對于學(xué)生科學(xué)探究能力的影響，研究從探究能力的幾個(gè)維度，分別對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行配對樣本T檢驗(yàn)，結(jié)果如表7。由表7可見，經(jīng)過此次STEM教學(xué)之后學(xué)生在5個(gè)維度上的均值均大于4.0，表明學(xué)生的探究能力均有所提高。同時(shí)，學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問題、觀察問題、轉(zhuǎn)化資料以及知識轉(zhuǎn)化等方面的一些能力較進(jìn)行STEM教學(xué)之前均有顯著性的變化（p＜0.05）?？梢?，學(xué)生在參與氣球火箭從設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)到產(chǎn)品發(fā)布的全過程中，不僅提升了學(xué)習(xí)的興趣，還在一定程度上培養(yǎng)動手能力及科學(xué)探究的思維。在收集資料方面，學(xué)生前后測不存在顯著性差異，也可能是因?yàn)閷W(xué)生在參與STEM課程之前，已具有很高的資料收集能力（均值大于4.0），也可能與華中科技大學(xué)附屬小學(xué)的智慧教室iPad教學(xué)環(huán)境有關(guān)。學(xué)生在日常學(xué)習(xí)中都會用到網(wǎng)絡(luò)等工具進(jìn)行資料收集，所以學(xué)生在此次課程之后收集資料的能力并沒有顯著性的提高。在知識轉(zhuǎn)化方面，問題講解轉(zhuǎn)化能力沒有顯著變化，這可能與學(xué)生的語言表達(dá)及邏輯思維能力有關(guān)。語言表達(dá)及邏輯思維能力的培養(yǎng)是一個(gè)過程，不是通過一兩次課程就能改善的。

表7   探究能力前后測數(shù)據(jù)分析

（3）基于STEM理念的跨學(xué)科教學(xué)對學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷的影響分析

研究共收集到有關(guān)學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷的有效數(shù)據(jù)35份，23名學(xué)生認(rèn)為在STEM課堂自己需要更多努力才能夠完成課堂活動，即超過66%的學(xué)生在STEM課堂上的認(rèn)知負(fù)荷大于7.0?？鐚W(xué)科整合的STEM教育與學(xué)生以往的單學(xué)科學(xué)習(xí)方式存在很大的差異，項(xiàng)目化的學(xué)習(xí)問題，是一個(gè)復(fù)雜的跨學(xué)科情境，沒有固定的答案，這種不確定性使得學(xué)生不僅要學(xué)習(xí)單學(xué)科的知識，還要聯(lián)系其他學(xué)科的知識來解決問題，因此這可能在一定程度上增加了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷。研究同時(shí)對不同認(rèn)知負(fù)荷的學(xué)生進(jìn)行高低分組，將認(rèn)知負(fù)荷大于6.0的學(xué)生劃分為高認(rèn)知負(fù)荷組，小于6.0的劃分為低認(rèn)知負(fù)荷組，并對不同組學(xué)生的探究能力進(jìn)行了分析。由圖6我們可以發(fā)現(xiàn)，高認(rèn)知負(fù)荷組的學(xué)生在探究能力水平方面略高于低認(rèn)知負(fù)荷組的學(xué)生。

圖6    不同認(rèn)知負(fù)荷的學(xué)生的探究能力情況

六、結(jié)論與建議

本研究以小學(xué)5年級《力與運(yùn)動》單元的綜合實(shí)踐活動為例進(jìn)行基于STEM理念的教學(xué)設(shè)計(jì)及實(shí)施，從學(xué)習(xí)興趣、探究能力及認(rèn)知負(fù)荷三方面對STEM教學(xué)對學(xué)生的影響進(jìn)行了研究。通過對研究數(shù)據(jù)以及學(xué)生探究過程的分析發(fā)現(xiàn)：（1）基于STEM的教學(xué)能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；（2）基于STEM的教學(xué)有利于學(xué)生探究能力某些方面的提高；（3）基于STEM的教學(xué)增加了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，但一定程度的認(rèn)知負(fù)荷有利于學(xué)生探究活動的進(jìn)行。

本研究以信息化教育環(huán)境為支撐，基于STEM教育理念，從學(xué)生項(xiàng)目化探究活動出發(fā)進(jìn)行了相關(guān)的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施，但由于對STEM課程仍處于探索階段，教師不完全具備STEM課程所需的綜合素質(zhì)以及條件，本次實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)只是單組實(shí)驗(yàn)，缺少對照組，問卷調(diào)查的數(shù)據(jù)并沒有達(dá)到預(yù)期的效果。之后的研究將從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：（1）建立有效的STEM師資培養(yǎng)機(jī)制，強(qiáng)化STEM師資隊(duì)伍建設(shè)，加強(qiáng)教師學(xué)科間的融合意識；（2）關(guān)注知識學(xué)習(xí)和能力的綜合發(fā)展；（3）建立相應(yīng)的STEM課程實(shí)驗(yàn)室和課程教學(xué)資源，給STEM課程的開展提供更好的支持和保障；（4）繼續(xù)跟進(jìn)STEM課程，進(jìn)行長期更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯?，助力于STEM理念落地，完善STEM課程。

致謝

感謝智慧教學(xué)課題組合作學(xué)校華中科技大學(xué)附屬小學(xué)李曉艷校長和朱映暉老師給予本研究的大力支持和幫助。

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收稿日期　2017-08-28　責(zé)任編輯　汪燕