指向“4C能力”发展的STEM教育跨学科发展研究

2022.10.17

刘颖

摘要：“4C能力”作为STEM发展的核心要义，旨在通过对真实问题的解决，发展学生的批判性思维能力、创新思维能力、合作能力、沟通能力，因此关注STEM教育中学生的“4C能力”能够促进学生思维品质和实践能力的发展。文章立足于STEM教育跨学科的内涵与特征，剖析“4C能力”与STEM教育跨学科发展的关系。研究发现，加强STEM课程师资队伍建设、合理配置STEM课程现代技术资源、设置完整的STEM课程方案设计是促进STEM教育跨学科发展的有效路径。

关键词：4C能力;STEM教育;跨学科发展

中图分类号：G420? ? ? ? 文獻标志码：A? ? ? ? ? 文章编号：1673-8454（2019）24-0006-05

一、引言

2013年德国认为人类已经进入到了以创新科技为目标的第四次工业革命时代，呼吁为未来社会培养具有创新思维、创新技术的新型人才。我国“六卓越一拔尖” 计划2.0提出要“强化实践能力和创新创业能力，培育科学道德、批判精神和创新精神，提升沟通表达能力和团队协作精神，造就敢闯会创、敢为天下先的青年英才。”[1]

对于STEM的研究，研究者大多把研究的视角聚焦于STEM课程的设计当中，要求教师具备STEM的专业发展能力，但是对STEM教育的育人价值，也就是STEM教育对学生发展提出的价值诉求没有给予太多的关注。由此可见，将STEM教育的育人价值和“4C能力”的人才培养联系起来，将会给STEM教育的研究提供新契机，明确STEM教育中学生需要达到的层次，为教师和学生的发展提供了一个清晰的方向。

所谓“4C能力”，是美国制定的“21世纪学习框架”当中需要发展的学生能力，包括批判性思维能力（Critical Thinking）、沟通能力（Communication）、协作能力（Collaboration）以及创新创造能力（Creativity）。

二、STEM教育的内涵与特征

1.STEM教育的内涵

STEM教育并不是将科学、技术、工程和数学四门学科的教学内容进行简单的排列组合，或进行一个简单、机械的拼凑，而是教师通过自身的STEM专业能力将四门学科组成一个富有生命力的整体。STEM教育的发展并不是一蹴而就的，而是经历了图1所示的“四个发展阶段”[2]，这四个阶段的发展又与布卢姆的教育目标分类学的划分阶段相联系：①分科课程阶段，各个学科之间的距离较远，彼此独立，呈现出相互分离的状态，并且存在碎片化知识的特点，此阶段各学科之间的关联性较差，注重的是记忆和理解;②多学科阶段，学生能够在这个阶段中习得涵盖概念和技能的主题内容，多学科阶段开始注重将碎片化的知识重新进行排列组合，开始重视各科之间知识的关联性与交互性;③学科间阶段，强调学生在高度相关的两门以上的学科中学习概念和技能，这一阶段高度关注各科知识之间的交互性，强调对知识的应用和分析能力;④跨学科发展阶段，即STEM教育融合阶段，这一阶段强调围绕项目驱动实现实际生活中的问题解决，注重学生评价和创造的能力。跨学科教育强调学科之间的融合与发展，并且给予了各个学科自我发展的空间，使各科仍然具备自身学科的特色与课程品质。前面的阶段发展成为融合阶段发展的重要基石，STEM教育最终走向的是学科之间的融合与创新。

2.STEM教育的特征

（1）以跨学科教育为核心，实现多门学科的交叉性

传统教育将知识按具体学科划分，强调学科知识组织的条理化、逻辑化以及系统化，目的是为了形成结构良好的知识板块，使学生对知识的学习有更高层次上的把握。但是，这种强制性的划分同时也割裂了学科知识之间的内在联系，分裂的知识之间相互掣肘，最终导致学生的学习缺乏真实的问题情境。

STEM教育的核心就是打破原有知识之间的阻碍，整合课程学科知识，使之形成一种跨学科的教育组织形式。“跨学科课程整合就是环绕一个共同的主题，打破学科的界限，把不同学科、不同领域的理论和方法有机结合，有目的、有计划地设计组织课程内容和教学活动，以提高学生能力、促进学生全面发展为最终目的的一种课程组织方式和课程设计理念。”[3]

“将各科内容改造成以问题为核心的课程组织，通过序列化的问题有机串接起各学科知识，使课程要素形成有机联系和有机结构。”[4]STEM教育的诉求就是促使各学科形成一个有机的序列和结构，在多门学科的整合过程中找到学科知识的衔接点，围绕真实情境展开，促进学生的科学思维能力和动手能力。跨学科知识的整合能够促使学生掌握问题解决的能力与素养，触发学生思考与自主学习的能力。

（2）以真实情境为依托，倡导现实生活的回归性

STEM教育跨学科学习注重学生运用所学的知识在真实的情境中能够解决实际的问题，强调在生活中的学习，要求学生能够对生活中出现的问题寻根究底，找到问题解决的办法，从而促使学生具备团队协作以及创新创造的能力。

Anne Jolly通过总结实践案例得出了STEM课程具有六大优势，其中最主要的是STEM课程能够聚焦于真实世界中的问题，随后才是在此基础上进行项目导向或问题解决的学习。“跨学科STEM教育强调以真实问题或主题为驱动，利用科学、技术、工程、数学以及艺术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。”[5]跨学科STEM教育区别于传统教育围绕教科书展开的学习方式，寻求的是学生在真实问题的情境下，利用自身的知识、经验以及技能，并且能够依靠技术找到问题解决的办法。STEM跨学科教育以真实性问题为依托，学生通过在团队小组中的互动，交流学习的经验与方法，为实际生活中出现的问题提出具有创新性的解决方法，从而培养学生学习的迁移性，依靠建构性的思维实现对问题的深层次理解，培养学生的动手能力。

四、指向“4C能力”发展的STEM教育跨学科发展路径

1.加强STEM课程师资队伍建设

STEM课程自开设以来，最终指向的是学生“4C能力”的发展，STEM课程是一个统整性的综合活动实践课程，这就对教师课程整合的能力要求颇高。“但是，教师将原本分科的教材内容直接安置到STEM课程主题之下，出现为整合而整合、不协调等拼凑现象。”[11] David的研究显示，“STEM教育的整合可能面临K-12教师极少获得工程学位，因为对工程没有深刻理解，不能很好地激发学生对工程方法兴趣的现实难题。”[12]

STEM课程作为一门综合性较强的课程，需要培养专门的STEM课程师资队伍，不能将四门学科的知识进行简单的拼凑，要想发展学生的STEM科学素养，促进学生的深度学习和迁移学习以及维持学生的学习兴趣，要求教师的教学方式和教学理念有一个深层次的转变，需要教师发展自身的STEM学科专业素养，促进教师STEM课程整合的意识和能力。

美国STEM教育国家研究院（The National Institute for STEM Education，简称NISE）为实施STEM教育的教室、学校和地区颁发证书。应用一个能力本位的、学术性引领的在线学习平台，通过对三大领域共15种教师行为的熟练程度进行论证，用以认证教师STEM教育专业技能。因此，如果要保证STEM教师专业能力的可持续发展，应当创办STEM教育专业、开展STEM教育教师培训课程、组建STEM教育团队、设立STEM教育研究机构、设立STEM教育特色校等等。

2.合理配置STEM课程现代技术资源

STEM教育主张技术作为课程开展的有力支撑，强调学生要具备一定的技术素养，要求学生了解现代化教育技术的使用过程，以备日后STEM课程的学习，培养学生善于运用技术解决问题的能力，从而支持深度学习的发生。“问题解决或项目完成需要学习者在大量信息基础上进行自主学习、意义建构，因此设计STEM的学习环境和丰富的学习资源与工具是STEM教学设计必不可少的环节。”[4] STEM课程技术资源的设计主要包括在教学中需要用到的各项设备、器材和各种信息化工具，如3D打印机、开源电路板的使用等等。这些工具的使用能够为学生的跨学科能力提供技术支持，在很大程度上提高学生的问题解决能力。

为了实现最优质的STEM教学技术资源，首先，要整合现代信息技术，选择本次STEM课程需要用到的技術资源。这就需要教师在STEM课程开始时就确定与选择与本次课程相关的技术设备，并且要提前告知学生本次课程将使用哪些设备。其次，要将选择的STEM教学技术资源与STEM课程的教学设计进行配套使用，利用Scratch可视化程序设计等工具作为STEM课程发展的项目支撑，在技术设备使用的过程中要维持学生的学习兴趣与学习状态，以免学生因操作问题而丧失了学习的动机。最后，对本次使用的技术资源教学效果进行有效的评价与评估，要对学生完成的作品进行一个可视化的分析，促使学生在自己完成的基础上形成反思与改进，检验教育技术是否为学生的发展带来新的机遇。

3.设置完整的STEM课程方案设计

目前，人们对STEM课程仍旧存在两个误区：一是将STEM课程整合理解为科学、技术、工程和数学四门学科分支的综合，教师对STEM课程的理解局限于四门课程简单的叠加，出现为整合而整合的现象;二是将STEM课程与综合课程、综合实践活动课程相混淆，这两种误区的存在都是因为教师没有明确的STEM课程理念和STEM课程的方案设计。“STEM教育学习项目不是课外的科技小组活动，它是一种与传统课堂教学不同的课程教学方式。它要有明确的教学目标、教学进度、教学策略和教学评价。”[13]将散乱的学科知识进行有机的整合，从而形成跨学科知识系统，这正是STEM课程整合的出发点，在STEM课程的整合过程当中，需要具备系统健全的课程标准，在教学目标、教学内容、教学过程、教学方法、教学评价等方面都要进行详细规划，由此将STEM课程的权威性和有效性确定下来。

STEM课程的学习应当以真实情境中的问题为核心，在教师的帮助下由学生创造性地解决实际的问题，不仅保持了问题设计的真实性，同时也激发了学生学习的创造性。选取教师和学生共同关注的真实问题或主题，形成本次STEM课程的框架和范围，确定相关的活动和经验的提取，共同开展活动、制定评价标准，最后开展STEM课程的评价，通过师生共同参与的STEM活动，学生的沟通能力、协作能力才能得以发挥。

STEM课程的划分可以根据不同的主题和项目活动内容进行划分，在保障项目和主体能够完成的情况下，教师可以根据自己STEM课程教学的进度进行能力层次难度的划分，促使每一个学生都能参与到学习中来，避免出现学生学习的“边缘化”现象。

根据这些主题所包含的学习任务不同，教师的STEM课程设计也有所差别，但是优秀的STEM课程教学计划最终要明晰的是本次STEM课程的教学目标、教学内容、教学方法以及教学评价，并且STEM教师要了解学生在课上能够学到哪些知识，这些知识应当学到什么程度，学生的思维品质最终要如何发展等等，这些问题都是教师需要考虑的。通过设置完整的STEM课程方案设计，对学生STEM素养发展有一个准确的把握，由此能够成为发展学生“4C能力”品质的有效保证。

五、总结

STEM教育作为一种全新的教学范式，颠覆了传统的教学组织形式，为未来社会的人才培养观奠定了方向，即STEM教育跨学科发展最终要实现的是学生围绕项目活动的展开在小组活动中进行有效的沟通和协作，从而形成创造性的思维品质，STEM教育不是一个人的学习，而是将学生的智慧聚集在一起，激发创造性的思维碰撞。指向“4C能力”发展的STEM教育跨学科发展还应当注重以下几个方面：一是STEM课程的教学设计，STEM课程是否应当有一个统一指导性的课程体系，如果有，教师应当如何结合学生的情况进行校本课程的开发;二是STEM教师专业发展的问题，STEM课程对教师的要求较高，教师的专业发展能力是否应当有一个标准，这些标准又有哪些维度和量化的指标体系。这两个方面都需要学者们进行深入的实践与探索，从而为培养21世纪需要的具有“4C能力”素养的人才做好充分的准备。

参考文献：

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[11]李玉珠.学科课程整合的实践探索、问题及思考[D].北京：首都师范大学，2007.

[12]David Thornburg. Why STEM are interrelated ：The importance of interdisciplinary studies in K-12 education[EB/OL].http：//www.tcse-k 12.org/pages/stem.pdf.

[13]李克东，李颖.STEM教育跨学科学习活动5EX设计模型[J].电化教育研究，2019（4）：5-13.（编辑：李晓萍）