近日，美國(guó)聯(lián)邦教育部與“數(shù)字前景”公司合作發(fā)布了《促進(jìn)STEM教與學(xué)的九種方式》報(bào)告，該報(bào)告通過(guò)系統(tǒng)研究相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合中小學(xué)教學(xué)案例，梳理出了有效促進(jìn)STEM（科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)）學(xué)習(xí)的九種方式。這些借助新技術(shù)的教學(xué)方法主要聚焦在培養(yǎng)學(xué)生STEM素養(yǎng)、提高計(jì)算思維與技能等方面。每種方法后面附有相應(yīng)的學(xué)校案例介紹，案例學(xué)校分布于美國(guó)主要的州和地區(qū)，既具有代表性，也方便在全美中小學(xué)STEM課堂中推廣。這份報(bào)告對(duì)于我國(guó)當(dāng)前教育改革之關(guān)注學(xué)科交叉融合、注重提升學(xué)生核心素養(yǎng)也有一定的借鑒意義。

    方法一：

    動(dòng)態(tài)表征

數(shù)字模型、交互式仿真和虛擬環(huán)境等動(dòng)態(tài)表征是科學(xué)家、數(shù)學(xué)家和工程師所采用的基本方法。動(dòng)態(tài)表征法（Dynamic Representations）基于計(jì)算機(jī)模型，幫助學(xué)習(xí)者構(gòu)建自然或工程現(xiàn)象的準(zhǔn)確認(rèn)知模型與知識(shí)結(jié)構(gòu)，這種方法在形式上千差萬(wàn)別，要求學(xué)習(xí)者所具備的能力水平也不盡相同。師生通過(guò)與數(shù)字模型、仿真模擬系統(tǒng)深入互動(dòng)，動(dòng)態(tài)表征數(shù)學(xué)、科學(xué)及工程原理，可以深度理解并掌握科學(xué)原理和概念。為了更好地支持學(xué)習(xí)者，教師通常在STEM學(xué)科涉及的系統(tǒng)性和過(guò)程性知識(shí)與技能中，利用動(dòng)態(tài)表征法，并設(shè)置相應(yīng)的教學(xué)支架，為學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解提供一種框架，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)。大量的實(shí)踐證明，這種方法是頗見(jiàn)成效的。

在美國(guó)拉斯韋加斯的沃爾特·布蘭肯學(xué)校，老師借助互動(dòng)模擬技術(shù)向三年級(jí)學(xué)生講授天氣和氣候。學(xué)生通過(guò)在線模擬獲取美國(guó)兩個(gè)地區(qū)的天氣信息，及時(shí)查看溫度、濕度、雨水和風(fēng)向測(cè)量結(jié)果，然后利用平板電腦對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化處理，以觀察天氣模式并相互分享各自的發(fā)現(xiàn)。由于拉斯韋加斯的天氣變化有限，學(xué)生通過(guò)在線模擬學(xué)習(xí)不同地區(qū)的天氣既拓展了視野，又樂(lè)在其中。

    方法二：

    協(xié)同推理

師生圍繞科學(xué)概念開(kāi)展協(xié)作推理（Collaborative Reasoning），能鼓勵(lì)學(xué)生平等參與以改進(jìn)或完善對(duì)概念的認(rèn)識(shí)。借助技術(shù)工具可以擴(kuò)大交流、聚焦研討、增強(qiáng)協(xié)作。該方法促使學(xué)生深度參與研討，建構(gòu)并達(dá)成對(duì)問(wèn)題的理解共識(shí)，亦有助于實(shí)現(xiàn)均衡參與，抑制那些研討中個(gè)別喧賓奪主或輕易聽(tīng)信于人的現(xiàn)象。

在美國(guó)內(nèi)布拉斯加州的菲利普·H·舒爾中學(xué)的聲學(xué)課上，教師首先向?qū)W生展示大頭釘接觸塑膠唱片產(chǎn)生聲音的現(xiàn)象，引起學(xué)生發(fā)問(wèn)：“聲音是如何產(chǎn)生并傳播到人耳的？”然后，學(xué)生使用筆記本電腦創(chuàng)建數(shù)字模型來(lái)回答，并引發(fā)出更多問(wèn)題。教師鼓勵(lì)全班一起探討，學(xué)生使用在線交流和協(xié)作平臺(tái)提出問(wèn)題、分享觀點(diǎn)。老師在課堂上展示每個(gè)學(xué)生的數(shù)字模型，并討論學(xué)生開(kāi)發(fā)的數(shù)字模型與科學(xué)模型的相似之處或不同之處。這樣，教師與學(xué)生共同建構(gòu)科學(xué)概念，推動(dòng)科學(xué)探究。

    方法三：

    即時(shí)與個(gè)性化反饋

數(shù)字工具能幫助學(xué)生學(xué)習(xí)STEM技能與概念，并提供即時(shí)、個(gè)性化的反饋（Immediate and Individualized Feedback）。面臨挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生根據(jù)反饋來(lái)制定合理的目標(biāo)并規(guī)劃學(xué)習(xí)行為?？茖W(xué)有效的反饋可以幫助學(xué)生縮小現(xiàn)有水平和預(yù)期水平之間的差距。根據(jù)課程學(xué)習(xí)目標(biāo)，反饋可采取多種不同的形式?？荚囈话銓儆谘舆t性反饋，課上課下交流則屬于即時(shí)性反饋。一項(xiàng)涉及來(lái)自129個(gè)課堂的4000名二年級(jí)學(xué)生的準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)學(xué)生使用計(jì)算機(jī)練習(xí)算術(shù)技能并收到即時(shí)反饋時(shí)，他們的學(xué)習(xí)收益更大。

在美國(guó)北卡羅來(lái)納州的格林中央高中，學(xué)生在線觀看老師講解問(wèn)題視頻，然后自己解決問(wèn)題。教師借助在線平臺(tái)，可以看到每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)遇到學(xué)習(xí)困難的學(xué)生，并通過(guò)提示或示例的方式提供及時(shí)的個(gè)性化的反饋。

    方法四：

    科學(xué)論證

科學(xué)論證（Science Argumentation Skills）是一個(gè)思維過(guò)程，需要批判性思維來(lái)提出和捍衛(wèi)解釋關(guān)于科學(xué)現(xiàn)象的理論的證據(jù)，這對(duì)于所有科學(xué)領(lǐng)域的探索都是至關(guān)重要的。學(xué)生運(yùn)用科學(xué)論證有助于建構(gòu)知識(shí)，辨析不同觀念并開(kāi)展獨(dú)立思考。現(xiàn)代技術(shù)可以通過(guò)多種方式促進(jìn)科學(xué)論證。研究發(fā)現(xiàn)，成績(jī)較低的學(xué)生可借助計(jì)算機(jī)技術(shù)顯著提升科學(xué)論證能力。

美國(guó)明尼蘇達(dá)州的韋弗湖STEM小學(xué)四年級(jí)開(kāi)設(shè)了為期一年的關(guān)于湖泊生態(tài)健康的研究課，學(xué)生持續(xù)觀察附近的淡水湖，使用探頭記錄水和湖區(qū)土壤溫度，收集湖水樣本，用濁度管記錄水的透明度，拍攝數(shù)碼照片，記錄湖區(qū)不同時(shí)期的季節(jié)變換。在此過(guò)程中，學(xué)生根據(jù)自己的觀察與資料搜集創(chuàng)建相應(yīng)的網(wǎng)站，周圍社區(qū)可通過(guò)該網(wǎng)站了解湖泊是否健康。通過(guò)這樣的學(xué)習(xí)，學(xué)生利用技術(shù)搜集與分析信息，表述自己觀點(diǎn)并開(kāi)展相應(yīng)的論證。相應(yīng)地，學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力、表達(dá)能力以及科學(xué)論證能力都有所提升。

    方法五：

    工程設(shè)計(jì)流程

學(xué)生可借助工程設(shè)計(jì)流程（Engineering Design Processes）和相應(yīng)的技術(shù)修訂、實(shí)施和測(cè)試問(wèn)題并找到解決方案。工程涉及設(shè)計(jì)、迭代與系統(tǒng)化等環(huán)節(jié)。借助技術(shù)工具，學(xué)生可將科學(xué)和數(shù)學(xué)思路應(yīng)用于設(shè)計(jì)。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，那些通過(guò)科學(xué)與技術(shù)相結(jié)合的工程模塊單元學(xué)習(xí)的學(xué)生，顯著拓展了STEM領(lǐng)域知識(shí)，并提升了高階思維技能，包括解決問(wèn)題的能力和程序知識(shí)。

在美國(guó)佛羅里達(dá)州圣彼得堡的道格拉斯·詹姆遜小學(xué)，學(xué)生們從幼兒園開(kāi)始學(xué)習(xí)“計(jì)劃、設(shè)計(jì)、檢查和共享”的工程設(shè)計(jì)流程。該校三年級(jí)開(kāi)設(shè)了隔熱材料專題，學(xué)生測(cè)試不同材料耐熱程度，例如不同顏色的紙和鋁箔，以選擇隔熱層，設(shè)計(jì)制造保溫箱。之后，學(xué)生們將冰塊放入保溫箱，進(jìn)行初始溫度測(cè)量，再將保溫箱在陽(yáng)光下放置30分鐘。然后，他們使用探針溫度計(jì)檢查保溫箱溫度，記錄測(cè)量結(jié)果并繪制相關(guān)的圖表?；氐浇淌液螅麄?cè)俅蜷_(kāi)保溫箱，測(cè)量已融冰的毫米高度，據(jù)此比較不同保溫材料的耐熱程度。借助工程設(shè)計(jì)流程，學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)、分享與比較來(lái)確定最適宜的保溫材料，增進(jìn)了認(rèn)識(shí)，提高了技能。

    方法六：

    計(jì)算思維

計(jì)算思維（Computational Thinking）主要是借助算法思維開(kāi)展的抽象推理和借自動(dòng)化執(zhí)行程序來(lái)解釋與解決問(wèn)題，該方法可廣泛適用于科學(xué)和數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)。學(xué)生利用信息技術(shù)，通過(guò)算法、數(shù)據(jù)計(jì)算和模擬來(lái)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，從而獲得對(duì)相關(guān)現(xiàn)象的新認(rèn)識(shí)。一項(xiàng)針對(duì)高中生的準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，將計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)編程結(jié)合起來(lái)進(jìn)行教學(xué)，可大大提高學(xué)生的推理能力，包括進(jìn)行推測(cè)和從數(shù)據(jù)中得出結(jié)論。

在美國(guó)印第安納州哥倫布市的南邊小學(xué)，計(jì)算思維課程涵蓋了從幼兒園到五年級(jí)全程。該校二年級(jí)就要求學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)編程來(lái)闡述蝴蝶的生命周期。高年級(jí)開(kāi)設(shè)機(jī)器人課程，要求學(xué)生通過(guò)編程設(shè)計(jì)機(jī)器人，運(yùn)用計(jì)算思維來(lái)解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。通過(guò)修正編程錯(cuò)誤，學(xué)生逐漸了解到計(jì)算思維需要不斷的反復(fù)試驗(yàn)，并且鍛煉了在一次次錯(cuò)誤和失敗中堅(jiān)定信心，提高科研心理素質(zhì)。

    方法七：

    基于項(xiàng)目的跨學(xué)科學(xué)習(xí)

學(xué)生借助數(shù)字技術(shù)工具開(kāi)展富有挑戰(zhàn)性的跨學(xué)科項(xiàng)目學(xué)習(xí)活動(dòng)（Project-based Interdisciplinary Learning），能有效整合STEM多個(gè)學(xué)科。開(kāi)展這類項(xiàng)目學(xué)習(xí)，可以為學(xué)生提供關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)、更吸引人、更深度集中的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，進(jìn)而提高綜合能力。在跨學(xué)科學(xué)習(xí)中，學(xué)生可像專業(yè)科學(xué)家那樣，運(yùn)用數(shù)字技術(shù)搜集、組織和交流信息，輔助任務(wù)管理，探索問(wèn)題解決之道，以及設(shè)計(jì)產(chǎn)品等。

在美國(guó)華盛頓州的亨利埃塔·萊克斯健康與生物科學(xué)高中，該校STEM項(xiàng)目圍繞防曬霜的化學(xué)成分及其環(huán)境影響這一專題展開(kāi)。首先，教師在課堂上介紹一類分子模型，這類分子在包括防曬霜在內(nèi)的非處方產(chǎn)品中很常見(jiàn)。通過(guò)研究，學(xué)生了解到某些化合物（如氧苯甲酮）對(duì)珊瑚礁和皮膚有害。在研究過(guò)程中，學(xué)生充分利用了開(kāi)放性的化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)以及三維交互式化學(xué)結(jié)構(gòu)模型，制作了防曬手冊(cè)和項(xiàng)目海報(bào)，在課堂上展示研究成果，并詳細(xì)闡述防曬霜成分對(duì)珊瑚礁系統(tǒng)和人類健康的影響。

    方法八：

    嵌入評(píng)議

嵌入評(píng)議（Embedded Assessments）是利用數(shù)字技術(shù)，將評(píng)議嵌入到STEM教學(xué)中，可實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確反映出學(xué)習(xí)活動(dòng)的性質(zhì)、質(zhì)量等信息，并促使學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提出解決方案。課堂評(píng)議也可幫助教師調(diào)整教學(xué)方式，更好地滿足學(xué)生需求。該方法與即時(shí)個(gè)性化反饋有交集之處，即學(xué)生能及時(shí)得到反饋信息并作出改進(jìn)。

在美國(guó)紐約州錫拉丘茲市的松樹(shù)林中學(xué)，每一堂課教師都會(huì)提出富有啟發(fā)性的問(wèn)題，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)散思維，廣泛討論。在討論過(guò)程中，學(xué)生圍繞問(wèn)題展開(kāi)獨(dú)立思考，分享觀點(diǎn)，相互開(kāi)展同行評(píng)議，然后大家綜合匯集討論意見(jiàn)，促進(jìn)了對(duì)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)和理解。在該校生物課堂上，老師提問(wèn)：“如果從食物鏈中去除或添加某些物種會(huì)發(fā)生什么變化？”學(xué)生小組討論，相互評(píng)價(jià)，然后集中整理意見(jiàn)。借助在線平臺(tái)，學(xué)生反思并綜合了各種想法，從多個(gè)角度反思并認(rèn)識(shí)了食物鏈變化及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。

    方法九：

    基于證據(jù)的模型

開(kāi)發(fā)、測(cè)試和利用基于證據(jù)的模型（Evidence-based Models）是科學(xué)家和工程師的常用方法，也可廣泛應(yīng)用于STEM教學(xué)。學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)、證據(jù)開(kāi)發(fā)模型，并明確模型的應(yīng)用范圍。通過(guò)開(kāi)發(fā)模型以融合STEM理論與實(shí)踐的教學(xué)可幫助學(xué)生增進(jìn)理解，發(fā)展技能。例如，六年級(jí)學(xué)生在學(xué)習(xí)氣體和液體運(yùn)動(dòng)時(shí)，利用計(jì)算機(jī)繪制氣味向鼻子傳播的模型，隨著探究的深入和知識(shí)的積累，學(xué)生不斷修改模型，最終他們的模型逐漸與完整的科學(xué)模型趨于一致。

在美國(guó)得克薩斯州奧斯汀的雪松國(guó)際下一代中學(xué)，老師讓學(xué)生圍繞“如何在學(xué)校建筑中增加可利用空間”展開(kāi)設(shè)計(jì)。學(xué)生利用測(cè)量工具和數(shù)學(xué)知識(shí)測(cè)量每個(gè)房間的大小，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)新的學(xué)校空間模型，新模型所展示的學(xué)校空間比現(xiàn)有的空間要大。在此過(guò)程中，學(xué)生創(chuàng)建樓層平面草圖，并與圖形設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)展開(kāi)協(xié)作。此前開(kāi)展這類項(xiàng)目時(shí)，學(xué)生主要通過(guò)手繪草圖開(kāi)發(fā)模型，但是這些模型傳達(dá)的信息有限。而現(xiàn)在利用數(shù)字技術(shù)生成模型時(shí)，傳達(dá)的信息更加詳細(xì)、清晰、豐富。

上述九種方法均強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)在當(dāng)前STEM學(xué)習(xí)和教學(xué)中不可或缺的作用，并鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立思考、自主探索、開(kāi)展協(xié)作、不懼失敗，此外，尤為注重跨學(xué)科學(xué)習(xí)。

2018年12月，美國(guó)聯(lián)邦政府出臺(tái)STEM教育的第二個(gè)五年規(guī)劃《為成功規(guī)劃路線：美國(guó)STEM教育行動(dòng)方略》，又名“北極星計(jì)劃”。在該報(bào)告中，美國(guó)聯(lián)邦政府前所未有地重視STEM學(xué)科融合，指出最具變革性的發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新往往就是發(fā)生在學(xué)科融合之際——“STEM教育能夠?qū)崿F(xiàn)不同學(xué)科知識(shí)的整合并提出創(chuàng)造性的解決方案，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的問(wèn)題和挑戰(zhàn)”，并強(qiáng)調(diào)STEM教育并不僅僅停留在培養(yǎng)批判性思維、問(wèn)題解決能力以及高階思維、研發(fā)設(shè)計(jì)與推理等現(xiàn)代技能上，同樣也應(yīng)關(guān)注一些行為素養(yǎng)的培養(yǎng)，諸如堅(jiān)韌品格、適應(yīng)性能力、合作能力、組織能力以及責(zé)任感等。此外，該報(bào)告還突出強(qiáng)調(diào)數(shù)字素養(yǎng)及計(jì)算思維的培養(yǎng)。美國(guó)當(dāng)前中小學(xué)STEM教學(xué)與其聯(lián)邦政府的倡議是相呼應(yīng)的，注重?cái)?shù)字素養(yǎng)培育、開(kāi)展跨學(xué)科學(xué)習(xí)和借助信息技術(shù)促進(jìn)STEM教與學(xué)，已成為當(dāng)前美國(guó)STEM教學(xué)的突出特征。

（作者單位：中國(guó)教育科學(xué)研究院，本研究為該院2019年度基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目“特朗普時(shí)期美國(guó)基礎(chǔ)教育創(chuàng)新研究”[GYI2019079]成果之一）

《中國(guó)教育報(bào)》2019年11月22日第5版