1986年，美國國家科學(xué)委員會（NSB）在《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》報告中提出了針對科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)（STEM）的綱領(lǐng)性建議，STEM首次出現(xiàn)在教育視野中。2007年，美國國家科學(xué)基金會（NSF）將STEM正式作為教育術(shù)語使用^[1]，圍繞STEM的課程構(gòu)建逐漸成為全球關(guān)注的教育話題。然而在實踐中，STEM課程有一種形式化的傾向，似乎只要科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門學(xué)科的知識同時出現(xiàn)在課程中，就可以稱之為STEM課程。

米爾頓·霍林（Milton Huling）和杰姬·斯皮克·德懷爾（Jackie Speake Dwyer）從科學(xué)教育出發(fā)，重新探討STEM教學(xué)。他們認(rèn)為，STEM教學(xué)不僅僅是涉及1門或多門學(xué)科的教學(xué)，而是通過數(shù)學(xué)、技術(shù)和工程的整合應(yīng)用來支持科學(xué)概念的學(xué)習(xí)?？茖W(xué)概念不僅僅是指傳統(tǒng)意義上的科學(xué)學(xué)科概念，而是與提出問題并能夠解決問題相關(guān)，實際上是一種“像科學(xué)家一樣思考”的大概念（big idea）。大概念是指反映專家思維方式的概念、觀念或論題，具有生活價值。^[2]學(xué)生在掌握大概念之后，能夠在相似的生活情境中實現(xiàn)遷移和運用。理解大概念有助于達成高通路遷移，形成具體與抽象交錯的復(fù)雜認(rèn)知結(jié)構(gòu)，通過跨學(xué)段、跨學(xué)科的學(xué)習(xí)，加深對科學(xué)概念的理解，最終解決以大概念為統(tǒng)領(lǐng)的大挑戰(zhàn)。

一、用StEMT重新定義STEM

在STEM課程中往往需要完成作品、解決問題，教師和學(xué)生常常將大量的時間花費在制作過程中，忽略對問題解決過程的理解。^[3]技術(shù)作為解決問題的工具，將其融入問題的解決方案才具有實際意義。從這一觀點出發(fā)，霍林和德懷爾用StEMT重新定義STEM，將科學(xué)與技術(shù)工具進行二次融合，提出融入技術(shù)工具（tools, t）的科學(xué)（St），加上工程（E）、數(shù)學(xué)（M）、技術(shù)（T）組成StEMT。在這個過程中，教師能夠?qū)茖W(xué)和技術(shù)之間的差異形成更清晰的認(rèn)知，即技術(shù)不是一門單獨的學(xué)科或一種技能，而是與科學(xué)相融合、支持科學(xué)大概念學(xué)習(xí)的工具。

科學(xué)是StEMT課程的重心，學(xué)生只有在理解科學(xué)大概念的基礎(chǔ)上，才能應(yīng)用知識開發(fā)技術(shù)，生成問題的解決方案。在科學(xué)大概念的統(tǒng)領(lǐng)下，StEMT課程的重構(gòu)為有效的科學(xué)教學(xué)進一步指明了方向，它不是一種簡單的教學(xué)模型，而是一個概念框架，目的是將科學(xué)和數(shù)學(xué)與建構(gòu)主義學(xué)習(xí)活動聯(lián)系起來，讓學(xué)生在提出問題和解決問題的過程中接受認(rèn)知上的挑戰(zhàn)，幫助教師有效地教授科學(xué)大概念。^[4]StEMT的出現(xiàn)使得STEM發(fā)生了從原理到應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，這對美國STEM課程體系的重構(gòu)和實施具有重要意義。

二、確立以大概念為內(nèi)核的大挑戰(zhàn)

StEMT圍繞解決真實世界中的挑戰(zhàn)以支持科學(xué)大概念的學(xué)習(xí)。因此，StEMT課程設(shè)計的第一步是確立以大概念為內(nèi)核的大挑戰(zhàn)。大挑戰(zhàn)（grand challenges）指的是當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)、國家層面或者全球范圍內(nèi)還未解決的問題，如節(jié)水或改善水質(zhì)問題，發(fā)現(xiàn)預(yù)防、治療腦疾病或損傷的新方法等。這些大挑戰(zhàn)都是基于現(xiàn)實的，能夠在StEMT和學(xué)生的真實生活之間建立相關(guān)性。這樣，在解決大挑戰(zhàn)的過程中，學(xué)生能夠看到StEMT在解決與他們息息相關(guān)的重要問題上的價值。

大挑戰(zhàn)是圍繞相應(yīng)的跨學(xué)科大概念和學(xué)科核心概念來開展的。StEMT課程設(shè)計中的大概念分為兩類，一類是作為錨點支撐整體框架設(shè)計的跨學(xué)科大概念，另一類是統(tǒng)攝單元設(shè)計的學(xué)科核心概念。^[5]傳統(tǒng)的STEM課程可能會用這樣的問題來引導(dǎo)教學(xué)：“熱量是如何影響水的存在形態(tài)的？”而StEMT課程的大挑戰(zhàn)則是：“如何利用相變和物態(tài)的知識來為第三世界國家的人提供清潔的飲用水？”例如，針對水的三態(tài)（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)）這一學(xué)習(xí)主題，教師在課程的導(dǎo)入部分使用傳統(tǒng)問題，當(dāng)確認(rèn)學(xué)生掌握了相關(guān)概念并準(zhǔn)備好將先驗知識應(yīng)用到實際問題中時，就引入基于現(xiàn)實的StEMT大挑戰(zhàn)。表1呈現(xiàn)了“清潔用水，造福地球”這一學(xué)習(xí)主題下的大挑戰(zhàn)及其對應(yīng)的跨學(xué)科大概念和學(xué)科核心概念。

表1   “清潔用水，造福地球”主題學(xué)習(xí)大挑戰(zhàn)及大概念

值得注意的是，大挑戰(zhàn)的提出并不局限于課堂教學(xué)，教師可以針對不同年齡的學(xué)生在不同學(xué)校、不同社區(qū)、課后或非正式的學(xué)習(xí)場景中將大挑戰(zhàn)傳達給學(xué)生。^[6]例如，在學(xué)前階段，教師可以引導(dǎo)兒童提出一個問題，并作為參與者陪同兒童解決問題；在小學(xué)階段，教師可以針對某一生活場景讓學(xué)生設(shè)計一種機制或制作一種工具，如怎樣防止接取熱水時被燙傷；在中學(xué)階段，高年級學(xué)生可以獨立扮演工程師或科學(xué)家的角色，在教師提供的虛擬情境中為當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)或環(huán)境提供解決方案。

三、通過“5E”探究解決大挑戰(zhàn)

（一）“5E”教學(xué)模式的內(nèi)涵

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為學(xué)生是在已有知識的基礎(chǔ)上建構(gòu)新的知識。^[7]在知識建構(gòu)的過程中，采用符合學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律的、基于研究的教學(xué)模式至關(guān)重要。在科學(xué)教育領(lǐng)域，探究一直以來是備受推崇的教學(xué)方式?！?E”教學(xué)模式就是一種典型的探究模式，由美國生物科學(xué)課程研究會（Biological Sciences Curriculum Study，BSCS）開發(fā)，被廣泛應(yīng)用于新課程材料研發(fā)和教師專業(yè)發(fā)展領(lǐng)域?！?E”教學(xué)模式由五個階段組成（見圖1），融合了探究性學(xué)習(xí)環(huán)境的各個方面：吸引學(xué)生參與；探究概念；讓學(xué)生對正在學(xué)習(xí)的概念進行解釋；實現(xiàn)概念和技能的遷移，讓學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用于新的情境中；整個過程中，師生共同評價，以達到檢驗教育成效的目的。^[8]表2呈現(xiàn)了“5E”教學(xué)模式各個階段的操作概要，教師可以據(jù)此對科學(xué)課程進行高效且有序的組織與教學(xué)。

圖1   “5E”教學(xué)模式

表2   “5E”教學(xué)模式概要^[9]

（二）“5E”融合StEMT的實際應(yīng)用

在霍林和德懷爾看來，將工程置于“5E”教學(xué)模式的遷移階段是二者融合的基本前提（見圖2），因為工程既不是一個獨立的實體，也無法作為一門獨立的學(xué)科，其存在的意義是為了支持科學(xué)概念的學(xué)習(xí)。

圖2   StEMT與“5E”教學(xué)模式相融合^[10]

在“5E”教學(xué)模式下，學(xué)生解決大挑戰(zhàn)是基于已知的科學(xué)概念，從引入階段到遷移階段，對科學(xué)概念的理解不斷加深，最終形成解決真實問題的大概念。表3呈現(xiàn)了“水的凈化”這一融入工程項目的課例。在引入階段，教師提出科學(xué)問題“熱量是如何影響水的狀態(tài)的？”，以引導(dǎo)學(xué)生進行初步的探究。探究之后，教師根據(jù)探究結(jié)果對現(xiàn)象進行解釋。在此階段，學(xué)生能夠獲得基本的科學(xué)概念，即熱量會影響水的狀態(tài)，熱量越高，水分子之間的間隙越大。接著，教師在“5E”教學(xué)模式的遷移環(huán)節(jié)中插入一個工程設(shè)計挑戰(zhàn)，讓學(xué)生使用跨學(xué)科的方法解決基于真實情景的大挑戰(zhàn)問題——“如何利用相變和物態(tài)的知識來為第三世界國家的人提供清潔的飲用水？”。在此階段，學(xué)生在解決大挑戰(zhàn)的過程中不斷積累“像科學(xué)家一樣思考”的科學(xué)概念，即大概念，這些大概念將進一步促成問題的解決。

表3   “水的凈化”工程項目^[11]

四、啟示

綜合以上美國在STEM課程重構(gòu)方面的相關(guān)經(jīng)驗，從以下三個方面對我國學(xué)校STEM課程構(gòu)建及教師教學(xué)提供一些啟示。

（一） 深化科學(xué)概念并統(tǒng)領(lǐng)教學(xué)

美國STEM課程的設(shè)計在理念、目標(biāo)、過程等方面始終貫穿大概念統(tǒng)領(lǐng)科學(xué)教育的宗旨，并配套相關(guān)的政策支持和理論依據(jù)。用科學(xué)概念統(tǒng)領(lǐng)教學(xué)，一方面要把握科學(xué)概念的內(nèi)涵，即體現(xiàn)專家思維、反映專家實踐的大概念，另一方面教學(xué)過程中學(xué)生除了需要理解關(guān)于自然界的科學(xué)概念，還應(yīng)該知道這些用于解釋科學(xué)的概念是如何得到的，因為概念本位并非為了概念而概念，概念獲得的方式遠比概念本身重要，其本質(zhì)是通過概念實現(xiàn)知識整合并撬動學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。^[12]

（二）以解決現(xiàn)實世界的大挑戰(zhàn)為驅(qū)動

大概念統(tǒng)領(lǐng)下的STEM是以解決現(xiàn)實世界的大挑戰(zhàn)為驅(qū)動，體現(xiàn)專家思維、反映專家實踐的科學(xué)教學(xué)。在解決大挑戰(zhàn)的過程中，學(xué)生面臨的問題不再是淺表化的科學(xué)問題，而是針對當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)、國家層面或者全球范圍內(nèi)還未解決的問題所提出的科學(xué)問題。這些問題使學(xué)生能夠在理解基本科學(xué)概念的基礎(chǔ)上，發(fā)展綜合解決問題的能力。其目的不再是讓學(xué)生學(xué)會書本上的科學(xué)知識，而是與真實生活之間建立相關(guān)性，認(rèn)識到STEM解決與他們息息相關(guān)的問題的價值。

（三）基于真實性的“5E”探究開展教學(xué)

StEMT課程的實施采用了基于探究的“5E”教學(xué)模式，在傳統(tǒng)的STEM課程中融入來自真實世界的工程與設(shè)計應(yīng)用，以解決真實世界的大挑戰(zhàn)為驅(qū)動，構(gòu)建跨學(xué)科的探究學(xué)習(xí)項目，培養(yǎng)學(xué)生更上位的科學(xué)素養(yǎng)。從教學(xué)途徑來看，要解決來自真實世界的大挑戰(zhàn)，需要多個學(xué)科的交叉運用，整合的、跨學(xué)科的“5E”教學(xué)模式即是符合STEM教學(xué)需要的方式之一。要使“5E”教學(xué)模式與大概念統(tǒng)領(lǐng)下STEM教學(xué)完全匹配，還需對其整個過程進行設(shè)計。通過在“5E”教學(xué)模式中嵌入工程設(shè)計挑戰(zhàn)，使工程與科學(xué)實現(xiàn)深度融合，可以更好地支持學(xué)生對科學(xué)概念的學(xué)習(xí)與理解。