張屹 李幸等

摘要：作為一種跨學(xué)科式教育，STEM教育日益成為當(dāng)前知識(shí)經(jīng)濟(jì)社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。該研究提出包含“學(xué)科內(nèi)容層、跨學(xué)科大概念層、教學(xué)設(shè)計(jì)層和學(xué)習(xí)目標(biāo)層”的四層基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科STEM理論框架。該框架強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者基于真實(shí)的社會(huì)問題主題，開展田野學(xué)習(xí)形成跨學(xué)科大概念，利用“設(shè)計(jì)”迭代制作解決實(shí)際問題的產(chǎn)品，推進(jìn)學(xué)習(xí)者大概念知識(shí)習(xí)得、跨學(xué)科態(tài)度的轉(zhuǎn)變以及問題解決能力、科學(xué)探究能力以及工程設(shè)計(jì)能力的提升。該研究通過單組前后測實(shí)驗(yàn)，從跨學(xué)科的意識(shí)、能力感知、價(jià)值和傾向四個(gè)維度調(diào)查武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)實(shí)驗(yàn)小學(xué)四年級(jí)學(xué)生的跨學(xué)科學(xué)習(xí)態(tài)度。研究表明，基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科STEM教學(xué)在以上四個(gè)維度上提升學(xué)生的跨學(xué)科學(xué)習(xí)態(tài)度，同時(shí)，對科學(xué)與數(shù)學(xué)單科的學(xué)習(xí)意識(shí)上有顯著提升，對信息技術(shù)與工程的能力感知上有顯著提升。該研究提供基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科STEM教學(xué)案例，以期對研究者和教師起到借鑒作用。

關(guān)鍵詞：基于設(shè)計(jì)；跨學(xué)科STEM；教學(xué)理論框架；跨學(xué)科學(xué)習(xí)態(tài)度

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、引言

2016年教育部發(fā)布的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中提出“積極探索信息技術(shù)在跨學(xué)科學(xué)習(xí)（STEAM）教育、創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應(yīng)用，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展”。隨后，2017年6月《中國STEM教育白皮書》指出，應(yīng)將跨學(xué)科STEM（科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)與數(shù)學(xué)）教育納入國家創(chuàng)新型人才培養(yǎng)戰(zhàn)略，是全社會(huì)共同參與的教育創(chuàng)新實(shí)踐。從中可以看出，跨學(xué)科STEM教育對當(dāng)今知識(shí)經(jīng)濟(jì)社會(huì)及其重要，如何開展跨學(xué)科STEM教育也成為教育工作者深思的問題。傳統(tǒng)分科式教育將課程按照具體學(xué)科劃分，不利于學(xué)生對知識(shí)體系部分到整體的把握和理解，更割裂了學(xué)生與真實(shí)世界的有機(jī)聯(lián)系。如何在融合學(xué)生與真實(shí)世界的聯(lián)系的同時(shí)，幫助學(xué)生打好扎實(shí)的科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生問題解決、科學(xué)探究、創(chuàng)造發(fā)明與交流合作的能力，提升學(xué)生學(xué)習(xí)跨學(xué)科內(nèi)容學(xué)習(xí)的興趣是本研究的重點(diǎn)，其教學(xué)模式創(chuàng)新成為STEM教育研究者亟需解決的關(guān)鍵問題。

二、文獻(xiàn)綜述

（一）跨學(xué)科STEM教育

STEM教育概念最初源于美國，是科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)的首字母縮寫。當(dāng)前國內(nèi)外的主流教育體系中，科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門學(xué)科在K12教育中通常作為分科課程進(jìn)行教學(xué)。2017年2月，教育部頒布《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》，我國首次以科學(xué)課為依托，提出STEM教育的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)STEM教育的核心是一種跨學(xué)科的學(xué)習(xí)方式?？鐚W(xué)科的學(xué)習(xí)方式的內(nèi)涵在于通過四門學(xué)科的有機(jī)整合，培養(yǎng)學(xué)生能夠綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)解決生活中的實(shí)際問題，從而培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力、創(chuàng)新能力和綜合實(shí)踐應(yīng)用能力。20世紀(jì)90年代，著名的新進(jìn)步主義代表人物詹姆斯·比恩在杜威的教育思想的基礎(chǔ)上，提出了課程統(tǒng)整的理念，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者經(jīng)驗(yàn)的重要性。學(xué)習(xí)應(yīng)以兒童和社會(huì)問題為中心，由師生共同設(shè)計(jì)、建構(gòu)意義，即通過選取自我和社會(huì)共同關(guān)注的主題或問題，形成基于主題的概念網(wǎng)，確定與大概念相關(guān)的活動(dòng)，然后開展活動(dòng)，呈現(xiàn)結(jié)果，共同制定評價(jià)規(guī)則與方法，開展評價(jià)。2016年9月，美國教育部發(fā)布《STEM2026：STEM教育中的創(chuàng)新愿景》。該報(bào)告提出了六大原則，強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科STEM的教與學(xué)融合的重要性。六大原則為STEM的融合提出了指導(dǎo)性建議：網(wǎng)絡(luò)化且參與度高的實(shí)踐社區(qū)、設(shè)計(jì)的游戲和冒險(xiǎn)的學(xué)習(xí)活動(dòng)、包含跨學(xué)科方法解決“大挑戰(zhàn)”的教育經(jīng)驗(yàn)、靈活且包容的學(xué)習(xí)空間、創(chuàng)新且可操作的學(xué)習(xí)測量、多元化且多機(jī)遇的社會(huì)文化影像。美國《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科的大概念，指出不同科學(xué)領(lǐng)域統(tǒng)一的思維方式，需要明晰跨學(xué)科大概念，將不同學(xué)科領(lǐng)域中相互關(guān)聯(lián)的知識(shí)組織成連貫條理的客觀世界。因此，跨學(xué)科STEM教育強(qiáng)調(diào)以真實(shí)問題或主題為驅(qū)動(dòng)，利用科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)以及藝術(shù)等多學(xué)科相互關(guān)聯(lián)的跨學(xué)科概念知識(shí)解決問題，實(shí)現(xiàn)從跨學(xué)科知識(shí)綜合應(yīng)用的角度提高學(xué)生解決問題、探究和創(chuàng)造的能力。在實(shí)踐過程中，學(xué)生融人多元的社區(qū)實(shí)踐環(huán)境中，切實(shí)參與到實(shí)踐活動(dòng)中，主動(dòng)、積極地通過觀察與操作獲得真實(shí)的學(xué)習(xí)與動(dòng)手體驗(yàn)，深層次建構(gòu)多學(xué)科知識(shí)，最終實(shí)現(xiàn)跨越學(xué)科邊界，運(yùn)用多學(xué)科綜合知識(shí)解決問題，培養(yǎng)綜合能力。

（二）基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科STEM教學(xué)與課程項(xiàng)目

學(xué)科融合過程中，不同的理論框架和教學(xué)模式不斷涌現(xiàn)。其中，基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)一直得到廣泛的關(guān)注。基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)（Design-Based Learning），簡稱DBL，其課程項(xiàng)目最早于1996年由喬治亞技術(shù)學(xué)院Kolodner教授提出。STEM課程的雛形最初以科學(xué)與數(shù)學(xué)的整合為主，美國數(shù)學(xué)教育家John Perry提出應(yīng)協(xié)調(diào)數(shù)學(xué)與科學(xué)的關(guān)系，更好整合兩者的教學(xué)。之后，以科學(xué)課為主導(dǎo)，工程設(shè)計(jì)作為實(shí)踐過程，同時(shí)少量融入信息技術(shù)或數(shù)學(xué)的課程迅猛發(fā)展。在此背景下，基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)應(yīng)運(yùn)而生。2004年密歇根大學(xué)Fortus教授提出基于設(shè)計(jì)的科學(xué)DBS（Design-based Science），DBS的學(xué)習(xí)環(huán)框架分為五部，第一步，鑒別與定義情境，提供學(xué)生與任務(wù)相對應(yīng)的情境；第二步，背景研究，教師展示新的科學(xué)概念，告知學(xué)生閱讀材料，以及如何調(diào)查與收集相關(guān)信息；第三步是開發(fā)個(gè)人與集體觀念，學(xué)生結(jié)合調(diào)查的背景，自己設(shè)計(jì)解決方案，然后配對討論，在小組中展示他們的解決方案，將個(gè)人觀念與小組觀念融合；第四步，建構(gòu)產(chǎn)品，每個(gè)設(shè)計(jì)小組分成兩對，每兩個(gè)學(xué)生一同建構(gòu)模型，最終開發(fā)產(chǎn)品；第五步，反饋，學(xué)生相互進(jìn)行評價(jià)，互相提供反饋。2015年斯坦福大學(xué)教育學(xué)院教授Kim開發(fā)基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)課程，該課程學(xué)生開發(fā)自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，利用推理與問題解決思路投入到問題的解決中，同時(shí)在主題式整合背景下利用腳手架評價(jià)與報(bào)告科學(xué)現(xiàn)象。2015年喬治亞大學(xué)高級(jí)創(chuàng)新學(xué)習(xí)研究中心的Ikseon Choi教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)基于設(shè)計(jì)的整合STEM機(jī)器人學(xué)習(xí)課程，該課程面向五年級(jí)學(xué)生，使用基于情境與場景的學(xué)習(xí)環(huán)境，通過機(jī)器人應(yīng)用工程設(shè)計(jì)過程、科學(xué)探究、數(shù)學(xué)思維與計(jì)算思維?？傊谠O(shè)計(jì)（DBL）的STEM課程強(qiáng)調(diào)從主題或真實(shí)問題出發(fā)，以科學(xué)為主導(dǎo)，融合數(shù)學(xué)與技術(shù)，以工程設(shè)計(jì)為載體，探究新的解決方案，最終迭代形成完善的作品。

（三）跨學(xué)科STEM學(xué)習(xí)態(tài)度

積極的跨學(xué)科態(tài)度可減少學(xué)習(xí)者面對跨學(xué)科STEM學(xué)習(xí)挑戰(zhàn)所產(chǎn)生的畏難情緒，幫助學(xué)習(xí)者在遷移的新環(huán)境中平穩(wěn)過渡地學(xué)習(xí)高階STEM課程。因此，測量跨學(xué)科STEM學(xué)習(xí)態(tài)度是了解學(xué)習(xí)者STEM課程學(xué)習(xí)成果的重要指標(biāo)之一。雖然許多測量工具都為測量學(xué)習(xí)態(tài)度提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，但將多學(xué)科的態(tài)度放在同一個(gè)尺度上進(jìn)行測量的工具很少，能準(zhǔn)確測量針對STEM課程或項(xiàng)目的學(xué)習(xí)者跨學(xué)科STEM態(tài)度的評價(jià)量規(guī)十分有限。在此背景下上，Mahoney專門為跨學(xué)科STEM教育開發(fā)了態(tài)度調(diào)查問卷，STEM課程項(xiàng)目較之于其他傳統(tǒng)的課程而言，學(xué)習(xí)者面臨著新的教育材料、形式和內(nèi)容，因此，在課程實(shí)施中，學(xué)習(xí)者面對新的挑戰(zhàn)和變化，會(huì)有哪些意識(shí)？是否覺得STEM課程有價(jià)值？在學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)習(xí)者對自我效能（能力感知）是否滿意？參與課程學(xué)習(xí)后，是否愿意進(jìn)一步從事STEM相關(guān)職業(yè)？因此，《跨學(xué)科STEM問卷》結(jié)合前人開發(fā)的CBAM態(tài)度問卷和TEO態(tài)度問卷，融合STEM課程的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了跨學(xué)科STEM學(xué)習(xí)態(tài)度問卷的四個(gè)維度，即“意識(shí)”“能力感知”“價(jià)值”和“傾向”。該問卷經(jīng)過STEM教育專家小組三輪審核。第一輪確保主成分分析和文獻(xiàn)綜述結(jié)果一致，有較好的效度。利用Cronbach系數(shù)分析得知每一個(gè)組成分的信度系數(shù)也非常高。隨后，問卷進(jìn)行第二輪修改，隨后發(fā)放到一所開展STEM教學(xué)的高中和一個(gè)傳統(tǒng)的預(yù)科大學(xué)進(jìn)行先行對比實(shí)驗(yàn)，跨學(xué)科STEM教學(xué)的態(tài)度展現(xiàn)出高的信度與效度。

毫無疑問，跨學(xué)科STEM教育已成為我國重要發(fā)展戰(zhàn)略，目前我國小學(xué)STEM教育開展?fàn)顩r方興未艾，正努力跨越傳統(tǒng)分科式教育的弊端，建立學(xué)生與真實(shí)世界的聯(lián)系，將多門學(xué)科知識(shí)進(jìn)行深度融合，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者高階思維能力和核心素養(yǎng)。但如何開展跨學(xué)科STEM教育，創(chuàng)新教學(xué)模式成為STEM教育研究者亟需深思的問題?；诖?，筆者提出基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科STEM理論框架。研究問題如下：基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科STEM理論框架是怎樣的？由哪些層次要素組成？基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科STEM教學(xué)是否可以促進(jìn)學(xué)習(xí)者的跨學(xué)科學(xué)習(xí)態(tài)度？

三、基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科四層STEM理論框架

本團(tuán)隊(duì)提出的基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科STEM理論框架融合詹姆斯·比恩（James A.Beane）的“主題—概念—活動(dòng)”的課程統(tǒng)整理念，David Fortus提出的基于設(shè)計(jì)的“科學(xué)環(huán)”教學(xué)流程，美國《下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》NGSS提出的跨學(xué)科大概念，以及國際《STEM2026：STEM教育中的創(chuàng)新愿景》中的未來STEM發(fā)展要素，結(jié)合在兩所合作小學(xué)——武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)實(shí)驗(yàn)小學(xué)和華中科技大學(xué)附屬小學(xué)兩年來指導(dǎo)STEM課程開發(fā)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建構(gòu)基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科STEM理論框架。該模型共有四層，如圖1所示，從內(nèi)到外依次分別為：學(xué)科內(nèi)容層、跨學(xué)科大概念層、教學(xué)設(shè)計(jì)層、學(xué)習(xí)目標(biāo)層。

從學(xué)科內(nèi)容層而言，以主題為人角點(diǎn)，融合科學(xué)（S）、技術(shù)（T）、工程（E），數(shù)學(xué)（M）等多學(xué)科（STEM）內(nèi)容，歸納分析學(xué)科共性特征和內(nèi)容，探究學(xué)科間交叉內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)學(xué)科與學(xué)科內(nèi)容的跨越。其中，數(shù)學(xué)強(qiáng)調(diào)問題解決與知識(shí)本體，科學(xué)作為學(xué)習(xí)的情境和遷移的知識(shí)概念，科學(xué)探究過程與問題解決過程作為高階能力培養(yǎng)的基石。工程設(shè)計(jì)作為STEM內(nèi)容的催化劑與整合器。工程設(shè)計(jì)將科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)與藝術(shù)放在一個(gè)平臺(tái)上，給學(xué)生提供一個(gè)系統(tǒng)的流程解決問題。通過產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)，將數(shù)學(xué)問題解決與科學(xué)探究融合其中，技術(shù)則是知識(shí)本體、工具，或者設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與研究的過程。通過學(xué)科內(nèi)容與過程的整合，實(shí)現(xiàn)學(xué)科與學(xué)科內(nèi)容的跨越。

從跨學(xué)科大概念層而言，以凝練跨學(xué)科的核心概念作為核心，即凝練“抽象與具體、數(shù)量與比例、圖式與模式、結(jié)構(gòu)與功能、原因與結(jié)果”等多對跨學(xué)科的核心大概念，對核心概念進(jìn)行細(xì)化分解以及橫向聯(lián)結(jié)，實(shí)現(xiàn)學(xué)科大概念的跨越。

從教學(xué)設(shè)計(jì)層而言，該層是教學(xué)實(shí)施的核心，教學(xué)實(shí)施依次從五個(gè)核心要素依次按步驟實(shí)施，并迭代循環(huán)，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科學(xué)習(xí)過程的跨越。五個(gè)核心要素分別為：第一步，確定主題、鑒定情境；第二步，田野學(xué)習(xí)、形成概念問題；第三步，探究主題與開發(fā)觀念；第四步，開發(fā)原型與構(gòu)建產(chǎn)品；第五步，評價(jià)反饋與分享展示。該過程的核心是基于主題隋境，設(shè)計(jì)產(chǎn)品。學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中，將科學(xué)知識(shí)與真實(shí)世界的問題解決進(jìn)行整合。學(xué)校教學(xué)被批判的原因之一在于學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)與真實(shí)社會(huì)隋境是脫離的。通過設(shè)計(jì)過程，學(xué)生觀察真實(shí)社會(huì)與生活，選取“弱構(gòu)”的主題，開展田野學(xué)習(xí)，在教師引導(dǎo)下深入社會(huì)，調(diào)查背景，逐步明晰跨學(xué)科的概念網(wǎng)，重新建構(gòu)真實(shí)社會(huì)與學(xué)科知識(shí)的關(guān)系，對觀念進(jìn)行深入的挖掘和探究，以問題解決為導(dǎo)向開始開發(fā)產(chǎn)品原型并不斷構(gòu)建產(chǎn)品，然后與同伴相互反饋評價(jià)，迭代完善產(chǎn)品，最后分享展示，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科學(xué)習(xí)過程的跨：越。

從學(xué)習(xí)目標(biāo)層而言，該層注重學(xué)生21世紀(jì)核心能力的培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生跨學(xué)科認(rèn)知、情感與能力的跨越。受傳統(tǒng)課程觀影響，研究者和教師往往將教學(xué)視作知識(shí)的習(xí)得，只追求知識(shí)的結(jié)果，而不注重知識(shí)習(xí)得的過程，注重構(gòu)建系統(tǒng)的知識(shí)內(nèi)容而忽略知識(shí)探究的方式。該層強(qiáng)調(diào)在前三層的實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科概念的習(xí)得，跨學(xué)科態(tài)度的轉(zhuǎn)變，以及問題解決能力、探究能力、工程設(shè)計(jì)能力以及協(xié)作能力的培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)思維的跨越。

四、基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科STEM課程《水之旅》教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

（一）基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科STEM課程《水之旅》教學(xué)內(nèi)容與目標(biāo)分析

基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科STEM課程《水之旅》教學(xué)內(nèi)容分為學(xué)科核心知識(shí)內(nèi)容和跨學(xué)科大概念，教學(xué)目標(biāo)從認(rèn)知、能力與情感三維闡述，其中認(rèn)知通過教學(xué)內(nèi)容的“核心知識(shí)內(nèi)容和跨學(xué)科大概念”呈現(xiàn)。課程《水之旅》是經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)實(shí)驗(yàn)小學(xué)四年級(jí)開展的STEM綜合實(shí)踐主題課。其教學(xué)內(nèi)容與目標(biāo)分析如表1所示。

（二）基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科STEM課程《水之旅》教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科STEM理論框架突出“跨學(xué)科”和“基于設(shè)計(jì)”的過程?？鐚W(xué)科強(qiáng)調(diào)通過主題打通學(xué)科與學(xué)科的界限，通過不同的學(xué)科視域透視關(guān)于“水”的多樣性問題，構(gòu)成不同學(xué)科能力要求的STEM教學(xué)設(shè)計(jì)，即培養(yǎng)科學(xué)（S）的探究能力、技術(shù)（T）協(xié)作能力、數(shù)學(xué)（M）的問題解決能力以及工程（E）設(shè)計(jì)能力。結(jié)合基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科STEM理論框架第三層的教學(xué)設(shè)計(jì)，按照科學(xué)的思維步驟，開展學(xué)習(xí)活動(dòng)。具體的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施圖如圖2所示。

該教學(xué)在武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)實(shí)驗(yàn)小學(xué)四年級(jí)實(shí)施應(yīng)用。

1.學(xué)生確定“水”主題，鑒定“水浪費(fèi)”以及“水污染”的社會(huì)情境，初步形成問題解決的能力

真實(shí)生活情境是指當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)或者地域相關(guān)的社會(huì)與文化情境。將真實(shí)生活情境問題引入到中小學(xué)階段教育或課后項(xiàng)目活動(dòng)中，整合STEM教育經(jīng)驗(yàn)和資源，解決真實(shí)世界的社會(huì)文化問題?？鐚W(xué)科STEM課程核心在于為學(xué)生營造—個(gè)真實(shí)的學(xué)習(xí)情境，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下自發(fā)發(fā)現(xiàn)和提出一些社會(huì)生活中關(guān)注的重大主題，例如，生態(tài)失衡、環(huán)境污染、資源短缺等，這些均是STEM課程教育素材。學(xué)生選擇《水之旅》作為主題，“我覺得地球上大部分都是水，所以我想調(diào)查水”“我覺得水資源特別珍貴，我們住在長江邊，每天都能看見水，可是有些地方的小朋友很缺水，我覺得要珍惜水資源，所以我選擇水作為主題”。如圖3所示，學(xué)生選擇水作為自我和社會(huì)方面共同關(guān)注的焦點(diǎn)問題，通過畫海報(bào)的形式抒發(fā)自己對水為主題的相關(guān)問題的關(guān)注。

2.學(xué)生開展田野學(xué)習(xí)，形成“節(jié)約水”“凈化水”的問題概念，進(jìn)一步形成問題解決的能力

學(xué)生到供水廠、污水廠開展田野學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)過程中，逐步形成“節(jié)約水”“凈化水”的問題概念。實(shí)驗(yàn)學(xué)校對供水廠和污水廠進(jìn)行實(shí)地考察，與當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)等組織進(jìn)行資源整合，共同打造具有地方特色的實(shí)踐社區(qū)。首先將供水廠的專業(yè)人員請到學(xué)校里開展知識(shí)講座，隨后讓學(xué)生深入開展田野學(xué)習(xí)，到供水廠污水廠了解一手資料，了解水是如何供給市民的，以及工廠如何治理污水，對背景進(jìn)行調(diào)查研究，在真實(shí)的環(huán)境和情境中學(xué)習(xí)，加深對知識(shí)的內(nèi)化。學(xué)生在供水廠和污水廠的田野學(xué)習(xí)中，明確探究的問題“如何節(jié)約水”以及“如何凈化水”，學(xué)生在供水廠按照“取水—沉淀_過濾—人請水庫”的過程參觀了水是怎么凈化后送到家家戶戶的。學(xué)生在參觀過程中，提出多樣化問題“家里停水是不是因?yàn)樗畯S沒水了？”感嘆家用水來之不易，“天哪，原來我們平時(shí)喝的水這么不容易得到?。　薄爸卫砦鬯娴暮脧?fù)雜，我們要愛惜水”。如圖4所示，學(xué)生在供水廠開展田野學(xué)習(xí)。學(xué)生在參觀完供水廠和污水廠后，按照教師要求畫出自來水廠凈水過程流程圖和污水處理流程圖，設(shè)計(jì)智能污水處理系統(tǒng)，為后期制作污水凈化裝置做準(zhǔn)備。如圖5所示。

3.學(xué)生探究“每天生活用水量式多少”“如何節(jié)約用水”，開發(fā)“節(jié)約水”的觀念，促進(jìn)科學(xué)探究和問題解決能力的培養(yǎng)

學(xué)生根據(jù)田野學(xué)習(xí)產(chǎn)生的問題“如何節(jié)約水”，以小組為單位開展問題分析、提出假設(shè)、搜集證據(jù)、即搜集數(shù)據(jù)、分析和處理數(shù)據(jù)，最后驗(yàn)證假設(shè)得出結(jié)論的科學(xué)探究活動(dòng)。如圖6、圖7所示，學(xué)習(xí)者協(xié)作開展科學(xué)探究活動(dòng)，探究“每天生活用水量是多少”“如何節(jié)約水”，學(xué)習(xí)者根據(jù)自己的生活經(jīng)驗(yàn)提出問題“一家人每天要使用多少生活用水”，提出假設(shè)，“假設(shè)每日基本用水量為多少”，然后制定觀察計(jì)劃，在家收集“洗菜、洗碗、刷牙、洗臉”等多元用水量數(shù)據(jù)，然后分析與解釋數(shù)據(jù)，最終得出結(jié)論和解決問題的建議，“淋浴時(shí)間應(yīng)該減少一些，洗碗的時(shí)候應(yīng)把水龍頭調(diào)小一點(diǎn)”。

4.學(xué)生開發(fā)污水凈化裝置原型，建構(gòu)制作凈水裝置產(chǎn)品，以期“凈化水”，促進(jìn)工程設(shè)計(jì)的能力

美國科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)（NRC）中定義設(shè)計(jì)過程為鑒定和定義問題，收集分析數(shù)據(jù)，定義解決問題的標(biāo)準(zhǔn)，制作原型，評價(jià)和選擇合適的解決方案，實(shí)施方案，最終評價(jià)結(jié)果。該實(shí)踐活動(dòng)共6課時(shí)，依托課程為科學(xué)課和信息技術(shù)課。首先，學(xué)生定義待解決的問題，即如何進(jìn)行污水處理，凈化水資源。隨后，學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)收集和分析信息：“治理污水的工具有哪些？需要采購哪些設(shè)備和工具？這些材料和工具需要滿足哪些標(biāo)準(zhǔn)？如何利用科學(xué)的方法設(shè)計(jì)制作解決水污染問題的產(chǎn)品？”如圖8所示，學(xué)生協(xié)作制定解決方案和確定解決方案的標(biāo)準(zhǔn)。制定基本解決方案和材料標(biāo)準(zhǔn)后，學(xué)生完成教師布置的設(shè)計(jì)任務(wù)單，設(shè)計(jì)構(gòu)建污水凈化器的原型。學(xué)生進(jìn)行小組合作，將前期參觀污水廠獲取的信息、網(wǎng)絡(luò)獲取到的信息以及科學(xué)課學(xué)習(xí)到的知識(shí)進(jìn)行整合，繪制污水凈化器的原型。圖9是學(xué)生設(shè)計(jì)的污水凈化器，該設(shè)計(jì)注重分層處理污水，將物理與化學(xué)方法相結(jié)合，通過將污水進(jìn)行聚集、凈化、檢驗(yàn)、聚集的方式對污水進(jìn)行處理，并寫到“這樣就不用浪費(fèi)水了，污水可以變成純凈水，二次利用咯”。

學(xué)生繪畫污水凈化裝置設(shè)計(jì)圖后，在教師指導(dǎo)下，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)。其后，結(jié)合設(shè)計(jì)圖，實(shí)施制作污水凈化器，并測試污水凈化裝置并評估。圖10為學(xué)生制作污水處理凈化器的實(shí)施過程。

5.學(xué)生結(jié)合教師、同伴與自我評價(jià)反饋，分享展示“節(jié)水報(bào)告”“污水凈化器”等產(chǎn)品與作品，最終促進(jìn)問題解決能力和協(xié)作能力的培養(yǎng)

學(xué)生將所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到《水之旅》的主題學(xué)習(xí)中，設(shè)計(jì)制作以科學(xué)探究、數(shù)學(xué)問題解決為內(nèi)核的多元產(chǎn)品，學(xué)生最后以報(bào)告的形式展示和分享得到的結(jié)論和建議。展示“節(jié)水報(bào)告”“污水凈化裝置”等產(chǎn)品與作品。在STEM+A（藝術(shù)）的分享與展示中，學(xué)生還將設(shè)計(jì)的海報(bào)、圖畫、書法、編排的戲劇、定格動(dòng)畫融入，將自身情感與知識(shí)經(jīng)驗(yàn)融入，形成各具特色的設(shè)計(jì)報(bào)告、方案和成果作品，在創(chuàng)造過程中體驗(yàn)快樂和學(xué)習(xí)的樂趣。

五、基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科STEM教學(xué)效果測評

（一）研究目標(biāo)

本研究設(shè)計(jì)單組前后測實(shí)驗(yàn)，選取武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)實(shí)驗(yàn)小學(xué)四年級(jí)參與跨學(xué)科STEM課程的265名小學(xué)生為研究對象，其中男生133人，女生132人。以基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科STEM教學(xué)為自變量，以學(xué)生的跨學(xué)科學(xué)習(xí)態(tài)度為因變量，采用《跨學(xué)科STEM態(tài)度量表》為測量工具，探討全校范圍的基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科STEM教學(xué)對學(xué)生跨學(xué)科學(xué)習(xí)態(tài)度的影響。

（二）測量工具

問卷改編自Mahoney開發(fā)的基于STEM的學(xué)生態(tài)度問卷。該問卷從意識(shí)（Awareness）、價(jià)值（Value）、能力感知（Pereeived Ability）、傾向（Commitment）四個(gè)維度調(diào)查學(xué)習(xí)者對跨學(xué)科STEM的學(xué)習(xí)態(tài)度。每個(gè)維度共7道題，共28道題目，分別調(diào)查學(xué)生對STEM課程以及對科學(xué)、數(shù)學(xué)、信息技術(shù)與工程的態(tài)度。問卷采用李克特五分量表，每題陳述有“非常同意”“同意”“不一定”“不同意”“非常不同意”五等選項(xiàng)。問卷具有良好的信度，在意識(shí)維度上，Cronbach的Alpha值為0.864，在價(jià)值維度上，Cronbach的Alpha值為0.86，在能力感知維度上，Cronbach的Alpha值為0.80，在傾向維度上，Cronbach的Alpha值為0.82。均在0.7以上，問卷具有較好的信度。學(xué)生在參與以水為主題的STEM課程前填寫前測問卷，在結(jié)束STEM課程后填寫后測問卷。

（三）實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)分析

為了檢驗(yàn)基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科STEM教學(xué)對學(xué)生跨學(xué)科學(xué)習(xí)態(tài)度的影響，在該教學(xué)開展的前后對學(xué)生進(jìn)行了問卷前后測量，數(shù)據(jù)分析使用SPSS與Excel軟件進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析與推斷性統(tǒng)計(jì)分析。

1.學(xué)生在開展跨學(xué)科STEM學(xué)習(xí)之前跨學(xué)科學(xué)習(xí)態(tài)度均值較高，在經(jīng)過基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科STEM學(xué)習(xí)后，學(xué)生的STEM學(xué)習(xí)態(tài)度在意識(shí)、價(jià)值、能力感知和傾向維度上均值有提升。如圖11所示。

如圖11所示，調(diào)查結(jié)果顯示，學(xué)生整體STEM學(xué)習(xí)態(tài)度本身就較高，意識(shí)、價(jià)值、能力感知與傾向維度上均值分別為4.32，4.47，3.7和4.17，可能得益于該實(shí)驗(yàn)學(xué)校開展了近兩年的創(chuàng)客學(xué)習(xí)，學(xué)生在創(chuàng)客學(xué)習(xí)的過程中，對信息技術(shù)、工程設(shè)計(jì)與制作、數(shù)學(xué)與科學(xué)融合的實(shí)踐課有較為濃厚的興趣。在開展跨學(xué)科STEM課程后，學(xué)生在意識(shí)、價(jià)值、能力感知與傾向維度上有不同程度的提升?？梢?，STEM課程的學(xué)習(xí)促進(jìn)學(xué)習(xí)者對基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科STEM學(xué)習(xí)更感興趣，理解其價(jià)值，對自己的跨學(xué)科能力更自信，并增強(qiáng)未來從事STEM相關(guān)工作的意愿。

2.學(xué)生在經(jīng)過基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科STEM課程學(xué)習(xí)后，在意識(shí)和能力感知維度上均值有顯著提升，數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。

數(shù)據(jù)分析使用配對樣本t檢驗(yàn)。在經(jīng)過基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科STEM課程學(xué)習(xí)后，學(xué)生的STEM學(xué)習(xí)態(tài)度在意識(shí)和能力感知維度上有所提升。在對STEM課程的整體意識(shí)維度上，學(xué)生對STEM課程的喜愛有顯著提升（m_前測=4.32，m_后測=4.45，t=-2.89）。在對STEM課程的能力感知維度上，學(xué)生對STEM有更強(qiáng)的能力感知，認(rèn)為“STEM課程對我而言很容易”（m_前測=3.70，m_后測=3.95，t=4.50），在價(jià)值和傾向維度上，有部分題目顯示出顯著差異性，價(jià)值維度上學(xué)生表示“STEM課程對我而言，很有幫助”顯著增加（m_前測=4.31，m_后測=4.52，t=3.27，p=0.00），在傾向維度上，學(xué)生表示“我以后想從事STEM相關(guān)工作”的意愿顯著增加（m_前測=3.98，m_后測=4.25，t=2.78，p=0.01）。

3.在單個(gè)學(xué)科維度上，學(xué)生通過跨學(xué)科STEM學(xué)習(xí)后，在意識(shí)上認(rèn)為數(shù)學(xué)和科學(xué)更有趣味性；在能力感知方面，認(rèn)為信息技術(shù)和工程變得更容易，具體數(shù)據(jù)結(jié)果如表4所示。

在單個(gè)學(xué)科維度上，學(xué)生通過基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科STEM學(xué)習(xí)后，在意識(shí)上，認(rèn)為數(shù)學(xué)與科.學(xué)更有趣味性（t_{數(shù)學(xué)}=-2 98，p=0.00，t_科學(xué)=-2.27，p=0.02）；在能力感知上，認(rèn)為信息技術(shù)和工程學(xué)習(xí)更容易（t_{信息技術(shù)}=-2 40，p=0.02，t_工程=-3.72，p=0.00）。

六、總結(jié)與思考

本研究采用基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科STEM理論框架進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施，該模式強(qiáng)調(diào)通過主題聯(lián)通學(xué)科，開展基于主題的全校范圍的跨學(xué)科STEM學(xué)習(xí)，同時(shí)，以工程設(shè)計(jì)為核心，開展解決真實(shí)社會(huì)生活問題的學(xué)習(xí)和注重科學(xué)探究過程的學(xué)習(xí)。研究采用單組前后測準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究法，對學(xué)生跨學(xué)科STEM態(tài)度進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)。

（一）從跨學(xué)科STEM學(xué)習(xí)意識(shí)維度而言，學(xué)生在真實(shí)社會(huì)生活情境下的“水”主題學(xué)習(xí)中潛移默化的融入跨學(xué)科意識(shí)。學(xué)生對社會(huì)方面共同關(guān)注的焦點(diǎn)問題“水”興趣濃厚，希望進(jìn)一步從多學(xué)科融合的視角了解“水”的相關(guān)概念與知識(shí)。學(xué)生自發(fā)的在中午課間催促同組的伙伴“某某某，快來開會(huì)了”，午托時(shí)間是學(xué)生們自主活動(dòng)學(xué)習(xí)《水之旅》的時(shí)間，學(xué)生自由組合，分工明確，共同制作“保護(hù)水”的科學(xué)與英語繪本。事實(shí)上，該跨學(xué)科STEM教學(xué)模式的益處在于，主題是學(xué)習(xí)者感興趣的社會(huì)話題，學(xué)生的學(xué)習(xí)融合數(shù)學(xué)、科學(xué)、工程設(shè)計(jì)與信息技術(shù)，甚至融合語文、英語和綜合實(shí)踐課程。學(xué)生在意識(shí)上不斷的將真實(shí)生活的問題情境建構(gòu)到跨學(xué)科知識(shí)中。“我很感興趣水是怎么形成的？”“我想知道家里自來水是如何產(chǎn)生的？”“家里每天用了多少水呢？”“我準(zhǔn)備上網(wǎng)搜搜污水處理有哪些步（驟）？”“我覺得凈水器太酷了”。學(xué)生在協(xié)作學(xué)習(xí)的過程中提出的問題和話語建構(gòu)中展現(xiàn)出物理、化學(xué)等科學(xué)概念以及信息技術(shù)和工程實(shí)踐概念與知識(shí)。在“水之旅”主題的學(xué)習(xí)中，潛移默化的融入跨學(xué)科意識(shí)。

（二）從跨學(xué)科STEM學(xué)習(xí)價(jià)值維度而言，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，能感受到通過跨學(xué)科知識(shí)和概念解決共同主題問題的價(jià)值。A學(xué)生感慨“原來水的過濾這么復(fù)雜，要經(jīng)過這么多道工序呀，設(shè)計(jì)這些的科學(xué)家真了不起！”B同學(xué)說道“我覺得自己真棒，通過向爺爺學(xué)習(xí)怎么估算用水量，我發(fā)現(xiàn)我們每天用水量真多。”?！睂W(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，為了解決“凈化水”和“節(jié)約水”的問題，積極的構(gòu)建跨學(xué)科知識(shí)，發(fā)現(xiàn)了科學(xué)的價(jià)值，“設(shè)計(jì)水過濾裝置的科學(xué)家真了不起”，感受到數(shù)學(xué)的價(jià)值，“我自己計(jì)算了每天的用水量”，在引擎搜索的過程中感受到技術(shù)的價(jià)值，“我上網(wǎng)采購了原材料準(zhǔn)備制作凈水裝備，我感覺我為凈水做了一點(diǎn)小貢獻(xiàn)。”，在設(shè)計(jì)和制作凈水裝置的過程中感受到了工程設(shè)計(jì)的價(jià)值。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，感受到跨學(xué)科知識(shí)的價(jià)值。

（三）從跨學(xué)科STEM學(xué)習(xí)能力感知維度，學(xué)生對自身的科學(xué)探究能力、數(shù)學(xué)的問題解決能力以及工程設(shè)計(jì)能力和技術(shù)應(yīng)用更有自信。規(guī)范學(xué)生按照科學(xué)的思維過程方式開展學(xué)習(xí)，例如，問題解決按照“產(chǎn)生問題、明確問題、實(shí)施計(jì)劃、解決問題”，科學(xué)探究按照“提出假設(shè)、制定計(jì)劃、收集數(shù)據(jù)、分析解釋數(shù)據(jù)、得出結(jié)論”，設(shè)計(jì)過程按照“定義問題、收集分析信息、制定解決方案、制定標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)原型、迭代完善、評估分享”。C學(xué)生開心表示“我能制作凈水裝置了！”，D同學(xué)表示“我發(fā)現(xiàn)自己做一個(gè)凈水裝置也不難嘛”，E同學(xué)自豪的說“我感覺我也能解決水的小問題了，為社會(huì)做了一點(diǎn)貢獻(xiàn)”。

（四）從跨學(xué)科STEM學(xué)習(xí)的傾向維度而言，學(xué)生對未來從事STEM相關(guān)學(xué)科以及STEM融合學(xué)科都表達(dá)了愿景。學(xué)生對于進(jìn)一步開展基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科STEM活動(dòng)表達(dá)了濃厚興趣，“我還想通過這種方式學(xué)習(xí)其他主題，我還想探究天氣，想探究橋梁，想探究食物”。學(xué)生對于進(jìn)一步學(xué)習(xí)跨學(xué)科融合學(xué)科也表達(dá)了自己的渴望。F同學(xué)表示“我未來想做一名科學(xué)家，我想為保護(hù)地球貢獻(xiàn)自己的力量”。

由于研究對象、研究條件、教師等多方面因素的限制，教學(xué)設(shè)計(jì)還有待完善。在今后的研究中，結(jié)合教學(xué)模式，還需結(jié)合主題開展更廣泛的研究以及進(jìn)行更科學(xué)的規(guī)范，同時(shí)，在研究方法上進(jìn)行更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)和更深入的探討。