摘 要 STEM教育旨在培养学生创新精神和实践能力，是当今世界教育改革的一个新领域。文献分析结果表明目前国内的研究主要集中在内涵辨析、课程设计研究、教学模式、教学支持设计和实施案例分析等方面，本文以STEM教育跨学科整合下学科知识整合取向和STEM素养为理论基础，设计了关注学生知识的意义建构与STEM素养培养的教学应用模式，并从STEM素养和学科知识整合取向对该模式的价值进行分析。
关键词 STEM教育 学科知识整合 STEM素养 应用模式
中图分类号：G434 文献标识码：A
我国教育部2017年发布的《全日制义务教育小学科学课程标准》中指出：科学教育与小学其他学科关系密切，提倡跨学科式学习，即融合科学、技术、工程、数学为一体的STEM教育，是一种以项目学习、问题解决为取向的课程组织方式。《教育信息化“十三五”规划》也倡导：将信息技术与教育融合，探索STEM教育和创客教育等新的教育模式，提高学生的探究能力、创新意识和创新能力。本文致力于将STEM教育的理论与思想更好融入实际教学，重新构建STEM教学应用模式，以期为领域内教师的STEM教育教学设计提供参考模式。
1 STEM教育概述
1.1概念
STEM教育是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）教育的简称，强调将多学科知识进行有机整合，在解决实际问题的驱动下使学生获得知识、应用知识，培养学生创新精神和问题解决的能力。STEM教育具有跨学科、趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、实证性、技术增强性的特点。
1.2研究现状
目前，国内STEM教育的理论研究大致是从内涵辨析、教学模式设计、教学支持设计和实施案例分析等方面进行。傅骞等认为，STEM是基于设计、基于项目和探究的具体自主学习的方式，将STEM教育应用模式分为验证、探究、制造和创造四类，通过案例对每个模式进行说明。祝智庭等在优秀STEM课程的六大特征的基础上得出，STEM教育着力于培养学生应用所学知识解决实际问题的能力、团队合作能力、工程思维和科学探究精神。余胜泉等提出跨学科整合的项目设计模式，包括教学分析、设计项目或问题、工具资源与学习活动设计、学习支架、学习评价设计，强调学生知识的强化与迁移。蔡慧英通过分析新兴学习技术与STEM课堂教学的整合，意图为学习者建构科学探究的学习体验，解决教师为中心的问题。张瑾指出，STEM学习支架分为情境型、策略型、资源型、交流型、评价型支架，并构建了STEM教育学习支架的设计流程及其学习活动的关系框架，为有效实施STEM教育提供指导。
当前教学模式的设计大部分关注整体设计，注重项目或问题的设计，而对于设计何种教学活动以保证学生能获得系统化、结构化的知识的探索较少。秦瑾若等人提出教学活动要以问题为中心，进行“激活旧知”“展示新知”“应用新知”到“整合贯通”四个阶段的循环学习，但并未具体说明如何开展教学活动促进知识的融合贯通。因此，本研究以培养学生STEM素养和促进学生知识的意义建构为指向构建STEM教学应用模式，以提升学生将跨学科知识应用于实际的能力。
2理论基础
2.1 STEM素养
2007年，美国州长协会（National Governors Association，NGA）拟定了一项题为“创新美国：拟定科学、技术、工程与数学议程（InnovationAmerica：BuildingaScience，Technology，EngineeringandMathAgenda）”的共同纲领，从四个方面阐述了STEM 素养：
（1）科学素养（Scientific literacy），即运用科学知识和过程理解自然世界，并参与制定影响自然界的有关决策的能力。
（2）技术素养：（Technological literacy），指使用、管理、理解与评估技术的能力。
（3）工程素养（Engineering literacy），即在工程设计中系统地、创造性地将数学和科学知识应用于生活的实践能力。
（4）数学素养（Mathematical literacy），指学生在提出、表达、和解释多种情境下数学问题的解决方案时，能够进行准确地分析、推理和交流思想的能力。
由上可知，STEM素养是关于个人在科学、技术、工程和数学领域及其交织领域中使用其关于世界运行方式的知识的能力。
2.2 STEM教育学科知识整合取向
余胜泉等认为STEM教育是通过整合的教学方式让学生掌握知识与技能，并运用技能解决真实问题，并提出三种STEM教育跨学科整合取向。
2.2.1生活经验整合取向
注重知識的社会功能，以第三次工业革命代表的知识经济社会要求掌握的知识与技能与多学科知识整合，通过项目设计，将学术性的理论知识转化为解决实际问题的生活性知识。
2.2.2学习者中心整合取向
这种模式强调问题或项目是由学习者或小组调查发现提出的，因此，同时培养了问题解决能力与发现问题的能力。强调以学习者为中心，从学习者生活经验出发探寻各学科整合的切入点。
2.2.3学科知识整合取向
分析各学科最基本的知识结构，以求找到多学科知识点之间的连接点与整合点。通过这些连接点将分散的课程知识按跨学科的问题逻辑结构化，使得课程要素有机联系，形成有机结构。
学科知识整合取向采用基于问题的学习模式，设计有意义的问题情境，让学生通过合作解决情境中的问题，从而习得隐藏于问题中的知识，并促进学生对知识的应用、理解与建构，提高自主学习与解决问题的能力。
3模式构建
本模式从学科知识整合取向出发，将科学、技术、工程与数学素养囊括的学科知识、思维、方法、能力融入教学过程。学生自主学习获得概念知识，通过小组协作探究、解决问题，并在工程设计的过程中应用知识，通过总结知识、试题练习，完善认知结构（如图1所示）。
3.1创设情境
STEM教育注重问题情境下的学习，通过问题情境的创设为学生应用知识解决问题提供情境支架。同时，为避免多学科知识间的劣构化，教师需要对涉及到的学科知识进行分析与重组，使知识间产生联系，并确定核心知识。情境创设从分析学生认知结构、生活经验和所处的社会环境入手，筛选与知识契合的事件、场景和现象，使知识与情境自然融合。对情境进行加工，使问题融于情境，将知识学习通过问题引出来，让学生把问题作为情境来思考，保证问题的劣构性和情境的趣味性、综合性和探究性。
3.2明确问题
整个STEM学习过程以问题解决为导向，因此学生需要明确待解决的问题。对情境进行回忆，联系原有的知识与自身经验提炼出情境中的问题，并且明确问题解决的需求和限制条件。对问题有了初步认识后，明确下一步的学习计划，即认知结构是否有与问题相关的概念、原理等，如果问题不能与原有认知结构产生联系，那么学生就需要制定学习新知的计划。
3.3学习新知
学习新知阶段教师需为学生自主学习提供课件、微课视频、学习网站等多种学习资源。学生通过自主学习掌握基础知识，形成支撑问题解决的基本原理，为有针对性的调查探究提供指引。学习结束后，需完成测试来检验新知的掌握情况。当然，如果学生已有认知结构能够进行同化，可以直接进行理论知识支持下的问题探究活动。
3.4调查探究
调查探究阶段学生通过小组合作，围绕问题展开讨论，确定探究计划，并分工进行实际调查。小组成员对搜集的信息进行探讨，筛选相关有效的内容，形成问题解决的观点。教师引导学生对问题进行分解和深层次分析，通过具体小问题的探究，最终实现总问题的解决。根据不同的探索内容，为学生提供相应的调查途径和方法，教师要充当好引导者和协助者的角色，及时了解学生的问题并给予反馈。
3.5方案设计
在调查探究结果基础上，设计解决问题的方案，并制作必要的草图。方案设计是工程设计思维潜移默化形成的过程，是学生观点展示的过程。设计方案时，教师要提醒学生回顾问题解决的限制条件，比如：时间、地点、资金、现有资源等因素，保证方案的可实现性。对于基础薄弱的学生，教师可以提供设计框架，为学生攀登提供必要的脚手架。
3.6实操建模
该阶段学生根据设计的方案进行实际操作，建造出解决问题的作品或实物。成果呈现形式并不都是物质化的，比如实验数据与结论。实际操作之前，学生通过观看视频掌握工具的使用方法，教师则要提醒和监督学生正确使用工具。设计好的方案在动手实践时并不是一成不变的，建模和实验操作的过程中可能会遇到阻碍，这就需要小组成员对方案进行修改。
3.7测试优化
工程测试是工程设计检验产品常用的方法，测试时可以还原问题发生的情境，模仿特定情境下问题的解决。测试过程中要真实地测量和记录数据、问题和结果，为改进优化工作提供依据。此外，还要对作品进行多次测验，避免不相关因素的干扰与测试结果的偶然性。同样建造完成的作品也不一定是解决问题的最优选择，学生要在不断修改、优化的过程中体验工程设计的重复、递进的迭代过程。
3.8交流评价
完成作品后，每个小组依次展示作品，对设计思路、作品创意等情况进行介绍，介绍完毕后同学和老师对作品做出评价。通过分享交流，培养学生的沟通表达能力与批判性思维。评价环节除了作品评价还要对学生评价，主要从知识掌握、能力、STEM素养方面进行。具体实施就需要教师依据学习目标、学习内容和学生的表现制作小组互评、学生自评的量规，说明评价的标准，保证评价量表的实用性和评价的多元性、有效性。
3.9总结反思
此阶段教师帮助学生对涉及的知识进行总结，将现实问题解决方法延伸到抽象知识层面，是跨学科知识提升的环节。抽象知识可以从分析问题所用的知识、指引调查探究的知识、辅助学习的工具与技术方面的知识、作品建造应用的知识等学习过程中总结。对于重点知识和学生普遍存在的薄弱知识，教师要编写练习题，纠正学生可能存在的片面认识，强化学生掌握的知识。反思环节包括学生对自身学习过程的回顾与反思，还有教师对自己教学组织能力、教学设计能力的反思。师生通过反思，总结优点改正不足，为以后的学习与教学提供指导。
4教学模式的价值探析
本模式建构过程中注重培养学生解决问题的能力、团队合作能力、工程思维和科学探究精神等，可以作为在学科知识整合取向下STEM素养实现的有效途径。
一方面，有利于STEM素养的培养。第一，科学素养的培养。学生在科学探究的过程，以科学知识为指引发现问题、认识问题、解决问题，在科学思维的影响下分析问题、明确问题，逐渐形成科学素养。第二，技术素养的培养。通过探究、设计和建造过程中的技术选择与使用来培养学生技术管理、理解与评估能力，實现技术素养的培养。第三，工程素养的培养。本模式主要是让学生在方案设计和实操建模的过程中形成工程设计思维与能力、工程建造的动手实践能力，收获工程素养。第四，数学素养。数学是学生进行STEM学习的基础。因此在科学探究、技术使用、工程设计和科学建模过程中，学生应用数学知识和数学思维进行数据的测量、分析与推理，提出问题解决方案，形成数学素养。交流评价和总结反思环节指导学生回顾整个的探索和建造过程，总结科学知识，使STEM素养外显化，实现素养真正的提高。
另一方面，有利于学科知识整合下STEM教育的实现。该模式在创设情境时强调教师要对多学科知识进行分析，将知识进行重组，使各学科知识产生联系，确保学生获得良构知识。问题情境通过分析学科知识和学生生活经验提出，保证了学科知识的全面与均衡，并与学生的认知结构相适应。该模式设计了学习新知环节，确保学生有可以利用良构的知识。在总结反思环节中，学生总结学习过程中的知识，相互分享，获得系统化、结构化的知识。
5结语
STEM教育作为新型的教育范式，以培养学生创新思维、实践能力、问题解决能力为目的，促进了教育创新。本文仅在学科知识整合取向下对STEM教学应用模式进行了构建和价值分析，接下来要做的工作是对特定课程进行STEM教学模式的实践探索，并在教学过程中不断对教学模式进行修正，以使学生的学习能力和STEM素养实现最大程度的提高。
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