基于大概念的STEM教学设计模型研究
董黎明 陈蕊 曹炯炯 白凌燕 王星华
摘 要：由于大概念与STEM教育都具有“跨学科整合、知识的综合性”等特征，随着近年来STEM教育在我国的不断深入发展，越来越多的教育研究与实践者开始聚焦从大概念的角度探究STEM教育。文章在对大概念与STEM教育关系进行剖析的基础上，从以学为主的教学设计角度，构建由概念确定、主题或项目分析、情境与资源设计、活动设计、效果评价设计和分享设计六阶段组成的基于大概念的STEM教学设计模型，以期为相关研究与实践者提供参考。
关键词：教学设计模型;STEM教育;大概念;微课程
中图分类号：G421? ? ? ?文献标志码：A? ? ? ? ? 文章编号：1673-8454（2021）06-0032-04
一、引言
对于大概念的内涵，学者们基于不同角度提出了不同的观点。美国学者克拉克（E· Clark）从概念间关系出发提出大概念是联结各种小概念的“概念”，是归档无限数量信息的框架或结构。[1]英国学者温尼（W·Harlen）从大概念解释范围的角度出发，提出大概念是解释和预测较大范围自然界现象的基本概念。[2]我国学者赵康从认识论与方法论角度提出大概念是指普适性极强、虽一二字词却蕴含深刻思想，能发挥革新理论、活跃学术、推动理论变革与进步等重要作用的概念，如“范式”“主义”等。[3]虽然学者们对大概念的内涵尚未形成统一的认识，但核心内容还是很明确的，即大概念对自然界现象具有广泛的解释能力，具有强大的综合性，能够对相关现象及关系进行概括和整合。
综上所述，我们把大概念界定为能够广泛解释自然界现象及关系的综合性概念。对于STEM教育，学者们一般认为是系统整合科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）等21世纪人才所需要的学科核心素养与能力的教育。[4]STEM教育源于综合课程理念，强调各学科知识通过整合形成的多元交叉学科知识，并基于多元交叉学科知识，通过全科思维方式解决真实问题。大概念与STEM教育在内涵上都具有“跨学科整合、知识的综合性”等特征，随着近年来STEM教育在我国基础教育中的不断深入发展，如何把大概念与STEM教育相结合，促进STEM教育科学发展，特别是如何基于大概念进行STEM教学设计成为越来越多教育实践者关注的焦点。本研究通过对大概念与STEM关系进行分析，在对已有大概念在STEM教育中教学设计模型分析的基础上，基于以学为主的教学设计模型理论，提出基于大概念的STEM教学设计模型，并通过实例对模型的应用原则进行论述。
二、大概念与STEM的关系
1.大概念是实现STEM教育的核心目标
综合发展学生科学、技术、工程与数学各个领域的核心素养（即STEM素养）是STEM教育的核心目标。[5]各个学科都包含多个维度的核心素养，如在《義务教育数学课程标准（2011年版）》中就明确提出了数学学科的10个核心素养，即运算能力、推理能力、模型思想、几何直观、数据分析观念、符号意识、空间观念、数感、应用意识和创新意识，[6]这10个核心素养中，几何直观、符号意识、数感等均具有大概念的内涵，具有广泛解释性和强综合性，可代表数学学科领域中的大概念，STEM教育的其他学科中也具有这一特点。因此，STEM教育的部分核心目标本质上就是大概念。
2.大概念的思维方式是实施STEM教育的必然要求
STEM教育强调以真实问题或主题为驱动，利用科学、技术、工程和数学等多学科相互关联的跨学科概念知识解决问题，实现从跨学科知识综合应用的角度提高学生解决问题、探究和创造的能力。[7]学生利用技术与工程的方式解决问题必须要结合科学与数学的原理，通过综合运用各学科中的概念知识，即利用大概念的思维方式来解决问题，实现把各学科知识迁移到项目或问题情境中，完成对问题的解决。因此大概念的思维方式是实施STEM教育的必然要求。
3.大概念是提升STEM教育中学生思维能力的核心方法
大概念的思维方式具有抽象性、解释性和综合性基本特征，学生通过大概念的思维方式形成更具高阶层次的概念结构或系统，在这个过程中，由于不同学生的理解具有差异性，新奇想法得以碰撞，从而产生基于STEM学科知识的新构思，最终促进学生综合思维能力的发展。STEM教学不是空中楼阁， 其实现的路径就是基于综合思维能力“学会解决真实问题”[8]，即利用大概念的思维方法来综合解决真实问题。
4.STEM教育是形成大概念的重要途径
STEM教育最重要的性质就是跨学科整合性。首先，STEM教育具有分科整合性，它代表着科学、技术、工程和数学四门独立的学科领域的有效整合，四门学科领域的核心概念与知识是STEM教育的基础，对这些学科核心概念进行整合，是形成大概念的重要途径。其次，STEM素养是当前各国教育界关注的焦点，是人才发展的核心。STEM素养的核心也是跨学科知识整合，即通过发展STEM素养的过程形成大概念。
三、大概念在STEM中的教学设计模型构建
1.模型构建理论基础
模型是再现现实的一种理论性的简约形式，教学设计模型是在教学设计的实践当中逐渐形成的、运用系统方法进行教学设计的理论简约形式。从理论基础和实施方法上分析，教学设计模型包括以教为主的教学设计模型、以学为主的教学设计模型和“教师主导和学生主体”的教学设计模型三类。以学为主的教学设计模型基于建构主义学习理论，强调学生为中心、情境和协作学习对于意义建构的关键作用、学习环境和学习资源对“学”的有效支持等原则。本研究基于大概念的STEM教学设计强调学生问题驱动、有效情境支持、协作、分享等理念。两者存在高度的一致性，所以本研究基于以学为主的教学设计模型，结合大概念与STEM教育的特点，构建基于大概念的STEM教学设计模型。以学为主的教学设计模型的设计路径包括教学目标分析、情境创设、信息资源设计与提供、自主学习策略设计、协作学习策略设计、学习效果评价设计和强化练习设计七个环节（见图1）。[9]
2.模型构建过程
基于图1的七个环节，依据大概念在STEM中的教学设计模型理论探究结论，本文构建了基于大概念的STEM教学设计模型（见图2）。
（1）概念确定阶段
概念确定阶段是为了让学生在项目体验中通过确定大概念、STEM教育学科关键概念及关系的确定，构建概念相关的学科知识体系、学科知识间的结构和关系，为主题或项目分析奠定基础。①确定大概念。通过对课程标准的分析，结合STEM教育知识综合性的特点，确定大概念。②确定学科关键概念。基于大概念，从STEM四类学科中确定相关的学科概念。③概念间关系分析。分析大概念与关键概念、学科关键概念之间的关系。④概念分析表填写是对上述三方面项目以表格的方式进行具体的描述。
（2）主题或项目分析阶段
本阶段包括主题或项目的确定、目标分析、内容选择、参与对象分析等方面。①设定主题或项目。基于大概念、学科概念、概念间关系分析结果，以主题、项目或案例等形式設计STEM学习任务，本环节是STEM教学设计的核心，强调综合性和情境性。②目标分析。在STEM教育项目目标设定中，围绕着学生STEM素养发展为核心，在主题或项目分析时以具体目标为载体，实现核心目标的具体化。基于科学、技术、工程和数学四个学科，从知识、技能、情感三个维度对项目或主题任务进行分析，并围绕着STEM素养发展为核心整合各个维度的目标。③内容分析。围绕着活动的目标从四门学科中选择活动内容、确定内容间的结构关系。④对象分析。从需求和动机两个维度分析参与主题或项目的对象。⑤主题或项目分析表填写。把上述分析结果以表格进行具体描述。
（3）资源与情境设计阶段
资源与情境设计阶段包括以下七个方面：①活动情境设计。对于学习者STEM素养的培养，活动情境或者环境具有关键的作用。基于上一阶段内容分析的结果，创建学习者有身临其境感觉的项目或主题真实的情境或虚拟项目情境。②微课程设计。学习者在一定的基础知识之上形成STEM素养。由于微课程具有的目标针对性、内容精简性，可有效地适应当前碎片化学习趋势，在奠定STEM素养培养之前，学习者掌握必要的基础知识具有关键的作用。因此在教学活动之前，以大概念或学科关键概念所涉及的文化知识和项目或主题完成需要的技能和方法为内容进行微课程的设计十分重要。③相关学习资源设计。以微课程内容为核心，设计音频、文本等其他形式的学材。④资源制作。设计微课程所需要的学习资源，并对相关资源进行录制、编辑和处理等。⑤资源组织与呈现设计。从资源呈现平台选择和资源呈现界面设计两方面进行有效的设计。⑥自主学习单制作。设计自主学习单来引导学习者活动前有效的自主学习。⑦资源与情境设计表填定。对于上述的设计结果用表格的形式予以体现。[10]
（4）活动设计阶段
本阶段主要包括四个阶段：①活动策略设计。STEM教育强调学习者“做中学”和“创中学”，同时根据以学为主的教学设计模型自主学习策略和协作学习策略的特点，基于大概念的STEM教学在活动策略上一般会选择抛锚式策略、支架式策略、随机进入式策略、示范模仿策略等。②教学结构设计。即设计教学过程的环节和其安排进程。依据STEM教育强调“做中学”“创中学”的特点，教学结构一般按准备、创意、创图、创物和创享五个环节推进。准备阶段在活动之前，通过项目或主题引导单自主学习，为项目或主题活动奠定所需要的知识和技能;创意阶段即学生在活动情境中，基于STEM学科关键概念，在教师的引导下，产生完成项目或主题的构思或想法;创图阶段即学生依据STEM学科知识和技能把构思图示化的过程;创物阶段即学生主要依据工程和技术学科的知识技能把图示化的构思进行物化，并利用科学与数学学科知识和技能对物化的构思进行验证;创享阶段即学生利用大概念的综合解释方法，基于STEM关键概念对项目或主题完成结果进行反思、评价和分享，产生新的构思和形成新的概念图（即形成项目或主题的概念结构）。③活动支持设计。设计学习者活动过程中需要的材料、工具交互方式等。④活动设计表填写。把上述分析设计结果以表格的形式体现。
（5）学生评价设计
通过整合STEM各学科目标，围绕着具体活动目标设计学生评价：①表现性评价设计。从活动参与度和活动中的态度两方面对学生在活动过程中的具体表现进行评价设计。②结果性评价设计。从知识技能、过程方法和情感态度价值观三个维度对学习者活动结果的综合水平和作品设计进行评价设计。③评价呈现设计。把教师评价、学生互评、学生自评按一定的权重结合起来，对活动中学生评价的分数、等级和评语三部分进行设计。④评价设计表填写。对上述设计结果用表格具体呈现。
（6）学生分享设计
有效的分享可以促进学生对STEM学习成果进行完善和反思，如何促进学生在STEM教育中进行有效的分享，需要前期科学精细的设计。本阶段包括：①分享形式设计。在这一环节主要是对学生在完成项目或主题形成的成果，分享一些设计模板，如分享PPT模板、分享演讲模板等。②分享途径设计。这个环节主要根据项目或主题可能成果的特点，为学生设计分享的途径，如设计小组内、组间、班级间、学校间分享的途径。③分享生成设计。STEM教育中学生分享的目的是为了通过有效的分享，验证成果并产生新的问题或新构思，促进STEM素养发展。在分享的过程中，产生的新问题或新构思即分享的主要生成，教师在分享生成设计环节中为学生提供相关资源，设计相关情境促进学生学习中的生成。④分享设计表填写。用表格的形式体现上述三方面设计的结果。
四、结束语
本文提出基于大概念的STEM教学设计模型，并将模型在教学实践中的应用原则进行论述。教学设计模型的成熟过程是一个实践修正的过程，本研究提出的基于大概念的STEM教学设计模型是基于现有本主题相关文献研究与教学实践总结的基础上提出来的，在教学实践过程中的具体应用必然存在一些需要完善的地方，需要通过实践数据对模型的可操作性进行进一步完善。另一方面，本研究提出的是一个基于大概念的STEM通用教学设计模型，由于STEM教育按活动场所、活动目标和活动内容等标准可以分为多种类型，如按活动场所标准可以把STEM教育分为“基于教室开展的STEM课程”“正式与非正式场馆结合的学习活动”和“基于终身学习概念所设计的学习共同体STEM项目”三大类型。[11]最后，不同类型的STEM教育具体教学中存在着显著的不同，模型如何体现不同类别STEM教育特点也是后续研究的一个重点。
参考文献：
[1]E·Clark.Designing and Implementing an Integrated Curriculum：A student-centered Approach[M].Brandon，Vermont：Holistic Education Press，1997：94.
[2]H·Wynne.Principles and Big Ideas of Science Education[M].Ashford Colour Press Ltd，2010.
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[6]马云鹏.小学数学核心素养的内涵与价值[J].小学数学教育，2015（9）：3-5.
[7]张屹，赵亚萍，何玲，等.基于STEM的跨学科教学设计与实践[J].现代远程教育研究，2017（6）：75-84.
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[10]董黎明，焦宝聪.核心素养视域下创客教育目标与实施路径研究[J].中国电化教育，2018（9）：48-55.
[11]江丰光，和静雯.国内外STEM教育活动类型分析[J].中小学信息技术教育，2017（11）：64-70.
（编辑：鲁利瑞）
