孫妍妍 何灃燊

（華東師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)系，上海，200062）

STEM（Science、Technology、Engineering、Math）教育源于美國20世紀(jì)80年代基于實(shí)用主義的國策，經(jīng)歷30余年的發(fā)展，目前已成為世界多國培養(yǎng)新世紀(jì)創(chuàng)新人才、提高公民綜合素質(zhì)的戰(zhàn)略性教育政策選擇（祝智庭 & 雷云鶴，2018）。在我國2016年發(fā)布的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中，STEM教育首次被納入國家戰(zhàn)略發(fā)展政策，成為我國培養(yǎng)面向未來高素質(zhì)人才的重要手段。

STEM教育是一種跨學(xué)科的學(xué)習(xí)方式，它消除了科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)4個(gè)學(xué)科之間的傳統(tǒng)障礙（Vasquez & Sneider，2013），通過聚焦于真實(shí)世界的問題來培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的綜合能力，如知識(shí)遷移能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力及科學(xué)探究精神等（余勝泉 & 胡翔，2015）。近年來，STEM教育在我國蓬勃發(fā)展，多個(gè)省市（江蘇省、深圳市、成都市等）正式發(fā)文支持STEM課程建設(shè)，STEM課程的設(shè)計(jì)也逐漸成為教育實(shí)踐與研究的焦點(diǎn)。

然而，與傳統(tǒng)課程相比，中小學(xué)STEM課程建設(shè)仍缺乏成熟的科學(xué)體系，經(jīng)常存在偏離STEM教學(xué)理念的課程設(shè)計(jì)（余勝泉 & 吳斕，2019）。這種偏離主要源于兩類理解上的不足：一是對STEM教育中學(xué)科融合的學(xué)習(xí)方式理解不足。如果教師將跨學(xué)科學(xué)習(xí)等同于不同學(xué)科知識(shí)的簡單疊加，就會(huì)產(chǎn)生在授課過程中強(qiáng)調(diào)單獨(dú)的學(xué)科知識(shí)、過于關(guān)注結(jié)果的問題。例如，有些STEM課程的教學(xué)目標(biāo)偏離為讓學(xué)生學(xué)習(xí)使用激光切割、3D打印、開源電路板等新技術(shù)來完成作品設(shè)計(jì)，除了技術(shù)本身，在課程設(shè)計(jì)中并無學(xué)科知識(shí)的融合。二是對STEM教育中聚焦真實(shí)問題的學(xué)習(xí)方式理解不足。與傳統(tǒng)課程不同，STEM課程的學(xué)習(xí)是圍繞問題的解決來展開的。在這個(gè)過程中，除了知識(shí)學(xué)習(xí)本身，也需要學(xué)生具備解決問題的相關(guān)高階思維能力。而教師在課程設(shè)計(jì)中往往會(huì)忽略對學(xué)生問題解決系列能力的培養(yǎng)，導(dǎo)致將STEM課程淪為機(jī)械的操作與簡單的模仿。

在STEM教育中，科學(xué)、技術(shù)與數(shù)學(xué)都是在中小學(xué)開設(shè)的傳統(tǒng)學(xué)科，只有“工程”是新加入的元素。而教師對STEM教育教學(xué)理念的兩種理解不足都與對“工程”在STEM教育中的作用理解不足相關(guān)，往往直接體現(xiàn)在STEM課程中驅(qū)動(dòng)問題的設(shè)計(jì)上。簡要來說，驅(qū)動(dòng)問題是STEM教育中的核心元素，它既為學(xué)科知識(shí)融合提供了紐帶，也為問題解決過程提供了支撐。驅(qū)動(dòng)問題是課程中的核心骨架，決定了STEM課程中活動(dòng)的設(shè)計(jì)和評價(jià)方式。缺乏“工程”的STEM驅(qū)動(dòng)問題，往往難以做到跨學(xué)科知識(shí)的融合，也忽視了問題解決過程。為解決這一問題，本研究從STEM課程中的關(guān)鍵元素“工程”出發(fā)，對課程驅(qū)動(dòng)問題的結(jié)構(gòu)與特征進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上探討STEM課程中驅(qū)動(dòng)問題的設(shè)計(jì)方法與構(gòu)建原則，并分析了相關(guān)案例，以期為中小學(xué)STEM課程的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

一、STEM課程中的“工程”：驅(qū)動(dòng)問題的核心

（一）STEM課程中的驅(qū)動(dòng)問題

STEM課程以促進(jìn)教學(xué)實(shí)踐的變革為出發(fā)點(diǎn)，目的為培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科知識(shí)融合能力、知識(shí)遷移能力、問題解決能力、協(xié)同創(chuàng)新能力等高階思維能力（杜文彬，2018）。聚焦于真實(shí)情境下的問題解決是STEM課程的核心特征，問題化學(xué)習(xí)（problem-based learning）與項(xiàng)目學(xué)習(xí)（project-based learning）是STEM課程的一般實(shí)踐模式，驅(qū)動(dòng)問題（Driving question）是STEM課程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵支撐。余勝泉等人（2015）認(rèn)為，STEM課程中跨學(xué)科整合最核心的部分是項(xiàng)目或問題的設(shè)計(jì)，這與驅(qū)動(dòng)問題的構(gòu)建密切相關(guān)。在STEM課程中，驅(qū)動(dòng)問題（Driving question）向?qū)W生介紹了現(xiàn)實(shí)世界中的難題，其中包括一個(gè)讓學(xué)生覺得有趣并且想去回答的問題或需要解決的困境（LaForce，Noble & Blackwell，2017）。好的驅(qū)動(dòng)問題應(yīng)能促使學(xué)生去討論與調(diào)查某一主題，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建解決方案。驅(qū)動(dòng)問題作為STEM課程的核心，起到了確立課程主題與目標(biāo)、支撐課程結(jié)構(gòu)、確定評估維度的作用。與一般問題化/項(xiàng)目學(xué)習(xí)相比，STEM課程中的驅(qū)動(dòng)問題包含著一個(gè)不可或缺的元素，即“工程”。在STEM課程中，“工程”既不是傳統(tǒng)意義上的工程教育，也不局限于工程思維。

（二）驅(qū)動(dòng)問題的中心元素：“工程”

1. 對“工程”的教學(xué)：工程教育的三次范式轉(zhuǎn)變

人類進(jìn)入工業(yè)時(shí)代后，如何教授與“工程”相關(guān)的知識(shí)與技能日漸重要。工程教育在不同的歷史時(shí)期經(jīng)歷了不同范式的轉(zhuǎn)變：經(jīng)驗(yàn)范式到技術(shù)范式、技術(shù)范式到科學(xué)范式、科學(xué)范式到工程實(shí)踐范式（時(shí)慧 & 李峰，2019；肖鳳翔 & 覃麗君，2018），這體現(xiàn)了工業(yè)體系的發(fā)展需求與教育理念的變遷。

工程教育最初的目的是培養(yǎng)工程領(lǐng)域中的“普通工作者”（孔寒冰，2014），因此遵循著個(gè)人通過長期的學(xué)徒期走上工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)范式。工業(yè)發(fā)展初期，工業(yè)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，為培養(yǎng)可以參與到經(jīng)濟(jì)建設(shè)的現(xiàn)場工程師，滿足簡單的工業(yè)生產(chǎn)需要（李茂國 & 朱正偉，2017），形成了重視實(shí)踐、強(qiáng)調(diào)工程技術(shù)應(yīng)用和實(shí)踐操作的技術(shù)范式。人才的培養(yǎng)方式也從“學(xué)徒制”言傳身教轉(zhuǎn)變?yōu)樵盒Ｊ焦こ探逃Ｊ剑ㄈ~民 & 葉偉巍，2013）。

而后美國和蘇聯(lián)在二戰(zhàn)后的工程教育都強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)科學(xué)知識(shí)，反映了工程教育向科學(xué)范式的轉(zhuǎn)變，工程師與科學(xué)家的培養(yǎng)方式趨向雷同，工程教育越來越“科學(xué)化”（項(xiàng)聰，2014）。至20世紀(jì)末，國際工程界開始反思這種科學(xué)化的工程教育，提出了回歸工程實(shí)踐的建議，美國麻省理工學(xué)院提出了構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作（Conceive，Design，Implement，Operate，簡稱CDIO）的工程教育理念，成為了工程范式的典型代表（上海理工大學(xué)規(guī)劃發(fā)展處，2018）。

隨著人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)的興起，在線學(xué)習(xí)、智慧學(xué)習(xí)等新的學(xué)習(xí)方式的出現(xiàn)，美國麻省理工學(xué)院啟動(dòng)了新一輪的工程教育改革計(jì)劃，提出“新工程教育轉(zhuǎn)型”。該計(jì)劃強(qiáng)調(diào)關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、方式和內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維、科學(xué)思維和人本思維，造就能引領(lǐng)未來工程產(chǎn)業(yè)發(fā)展的，兼具工具理性和價(jià)值理性的人本式工程人才（時(shí)慧 & 李峰，2019；肖鳳翔 & 覃麗君2018）

2. “工程”在K-12教育中的重要體現(xiàn)：工程思維

工程教育范式的轉(zhuǎn)變與K-12階段教育目標(biāo)的轉(zhuǎn)變具有一致性，即從知識(shí)與技能的傳授轉(zhuǎn)向?qū)W(xué)習(xí)者思維能力與個(gè)人素養(yǎng)的關(guān)注。隨著STEM教育的發(fā)展，工程教育在K-12階段受到的關(guān)注持續(xù)增加。2009年美國國家研究委員會(huì)（National Research Council，2009）公布了《K-12教育中的工程：現(xiàn)狀理解與未來提升》和《K-12工程教育標(biāo)準(zhǔn)》兩份研究報(bào)告，其中說到工程教育已經(jīng)緩慢進(jìn)入了美國的K-12課堂，不同程度的正規(guī)工程教育已經(jīng)覆蓋到數(shù)百萬的中小學(xué)生（趙中建，2016）；報(bào)告中亦指出了中小學(xué)工程教育標(biāo)準(zhǔn)的3大原則：強(qiáng)調(diào)工程設(shè)計(jì)、發(fā)展STM（科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)）知識(shí)與技能、培養(yǎng)工程思維習(xí)慣（National Research Council，2009），其中，工程思維的培養(yǎng)是工程教育在K-12階段實(shí)踐的重要方向，也是連接工程設(shè)計(jì)與科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)知識(shí)與技能的橋梁。

張艷秋等（2014）認(rèn)為工程思維是工程師作為工程活動(dòng)的主體在解決工程活動(dòng)實(shí)際問題時(shí)運(yùn)用的思維。李永勝（2015）認(rèn)為工程思維是一種廣泛存在于各類工程活動(dòng)中的特定思維模式，它與科學(xué)思維和技術(shù)思維既相互聯(lián)系、滲透，又互相區(qū)別。侯甜等（2019）認(rèn)為工程思維是在完成工程項(xiàng)目的過程中人們形成的一種思維方式，其主要特點(diǎn)是現(xiàn)實(shí)性、創(chuàng)造性及復(fù)雜性。現(xiàn)實(shí)性體現(xiàn)在工程思維的目標(biāo)為創(chuàng)造滿足需求的產(chǎn)品，工程活動(dòng)創(chuàng)造出人造實(shí)體的特征體現(xiàn)出工程思維的創(chuàng)造性，而工程過程中需滿足不同限定因素需要體現(xiàn)了工程思維的復(fù)雜性。

不同學(xué)者在對工程思維進(jìn)行定義時(shí)，均強(qiáng)調(diào)了在工程實(shí)踐當(dāng)中工程思維作為一種思維模式的重要性。在中小學(xué)階段，要求學(xué)生掌握具體而復(fù)雜的工程技術(shù)既難達(dá)到也非必要，因此，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維是工程教育在K-12階段的合理切入點(diǎn)。

3. STEM課程中的“工程” 驅(qū)動(dòng)

科學(xué)、技術(shù)與數(shù)學(xué)是學(xué)校中傳統(tǒng)的教學(xué)科目，而“工程”則是新加入的元素，成為STEM教育區(qū)別于傳統(tǒng)跨學(xué)科教學(xué)的核心標(biāo)志（Jolly，2016）。在STEM教育當(dāng)中，“工程”既有別于傳統(tǒng)的工程教育，也不局限于工程思維的教學(xué)。與傳統(tǒng)工程教育相比，STEM課程中“工程”雖然包含一些與工程相關(guān)的動(dòng)手操作或知識(shí)技能，但并不涉及對工程知識(shí)的系統(tǒng)講授，即沒有將“工程”視為一個(gè)與科學(xué)、技術(shù)與數(shù)學(xué)并列的單獨(dú)學(xué)科；培養(yǎng)學(xué)生的工程思維也非STEM課程中學(xué)生思維培養(yǎng)的唯一目標(biāo)，而是以“工程”為中心，為工程思維與其他高階思維的培養(yǎng)提供框架、創(chuàng)造環(huán)境?？偨Y(jié)來說，“工程”作為STEM課程中的核心元素，起到了驅(qū)動(dòng)力的作用。這種驅(qū)動(dòng)力主要通過工程設(shè)計(jì)過程來體現(xiàn)，作用集中于兩個(gè)方面：一是對科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)相關(guān)知識(shí)概念的串聯(lián)，二是對學(xué)生工程思維能力及其他高階思維的培養(yǎng)。

在串聯(lián)知識(shí)方面，工程與科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)有著天然的聯(lián)系。在工程設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，往往需要使用數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)的相關(guān)概念與知識(shí)來解決復(fù)雜的問題，這個(gè)過程既具有系統(tǒng)性，也需要?jiǎng)?chuàng)造力（Capraro，Capraro，& Morgan，2013），是理論知識(shí)在實(shí)踐當(dāng)中的綜合應(yīng)用。因此，在中小學(xué)工程教育當(dāng)中，幫助學(xué)生發(fā)展相關(guān)STM（科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)）知識(shí)與技能是重要原則之一（National Research Council，2009）。工程中要解決的問題是真實(shí)世界中的復(fù)雜問題，解決問題的過程為學(xué)生提供了一個(gè)良好的學(xué)習(xí)情境。在工程設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生可以將不同學(xué)科中的抽象知識(shí)進(jìn)行綜合性的實(shí)踐應(yīng)用，從而對學(xué)科知識(shí)產(chǎn)生更大興趣與更深入的理解。在培養(yǎng)學(xué)生思維能力方面，工程的驅(qū)動(dòng)力通過工程設(shè)計(jì)過程得到了直接體現(xiàn)。工程設(shè)計(jì)過程為復(fù)雜問題的解決提供了可行性框架（祝智庭 & 雷云鶴，2018），這個(gè)框架可以幫助學(xué)生們培養(yǎng)問題解決能力、邏輯思維、協(xié)作能力，同時(shí)更好地發(fā)揮創(chuàng)造力。

綜上可知，“工程”是STEM課程區(qū)別于傳統(tǒng)數(shù)學(xué)教育與科學(xué)教育的關(guān)鍵元素。在工程元素的連接和驅(qū)動(dòng)下，STEM課程不再是幾個(gè)學(xué)科知識(shí)的簡單組合和機(jī)械疊加，而是跨學(xué)科知識(shí)的綜合實(shí)踐應(yīng)用與高階思維能力的培養(yǎng)。有了工程的支撐，STEM課程才不會(huì)落入重知識(shí)而輕創(chuàng)新、重模仿而輕思考、重技術(shù)而輕素養(yǎng)的錯(cuò)誤路徑。

4.工程設(shè)計(jì)過程：STEM驅(qū)動(dòng)問題的核心

在STEM課程當(dāng)中，“工程”主要體現(xiàn)在工程設(shè)計(jì)過程中（Jolly，2016）。工程設(shè)計(jì)過程（Engineering Design Process，簡稱EDP）是指工程師在解決工程問題時(shí)遵循的一系列步驟。多位學(xué)者強(qiáng)調(diào)了工程設(shè)計(jì)過程在STEM教育中的重要性。祝智庭等人（祝智庭 & 雷云鶴，2018）認(rèn)為，STEM教育需要融合工程設(shè)計(jì)過程是因?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)果決性的特點(diǎn)。在李克東等人提出的STEM 教育跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動(dòng)5EX 設(shè)計(jì)模型中，工程設(shè)計(jì)與技術(shù)設(shè)計(jì)活動(dòng)（Engineering and Technology ）是其中的重要環(huán)節(jié)之一（李克東 & 李穎，2019）。工程設(shè)計(jì)過程有一些不同的版本，但這些版本中的基本步驟都遵循著一致的理念。

Jolly（2016）將STEM課程中的工程設(shè)計(jì)過程描述為8個(gè)步驟（如圖1所示）：第一步是定義問題（Define the problem），即從真實(shí)情境中抽象出需要解決的工程問題；第二步是背景研究（Research），即從多種渠道（線上、線下、領(lǐng)域?qū)＜业龋┦占鉀Q問題需要的相關(guān)知識(shí)與信息，為問題解決做準(zhǔn)備；第三步是想象（Imagine），即在背景研究的基礎(chǔ)之上進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，開拓思維，為問題解決方法提出具有創(chuàng)造力的方案；第四步是計(jì)劃（Plan），即在遴選最佳方案后，制定開展此方案的詳細(xì)計(jì)劃；第五步是創(chuàng)造（Create），即根據(jù)計(jì)劃來制作解決問題的原型（Prototype）；第六步是測試與評估（Test and evaluate），即對解決方案及原型進(jìn)行測試，并評估其效果；第七步是重新設(shè)計(jì)（Redesign），即根據(jù)測試與評估的結(jié)果來對解決方案及原型進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，解決存在的問題并進(jìn)行優(yōu)化；第八步是交流（Communication），其中包括團(tuán)隊(duì)成員的交流和團(tuán)隊(duì)成員與外部人員對問題、解決方案及其效果的交流。值得注意的是，這8個(gè)步驟并不是線性關(guān)系，而是不斷迭代的。在解決問題的過程當(dāng)中，可以不斷重復(fù)這些步驟，甚至在兩個(gè)步驟之間往復(fù)，直到找到最優(yōu)的解決方法。

圖1 工程設(shè)計(jì)過程

在STEM課程中，驅(qū)動(dòng)問題的設(shè)計(jì)是“工程”中心地位的集中體現(xiàn)。一個(gè)好的驅(qū)動(dòng)問題可以為課程提供結(jié)構(gòu)合理的骨架，支撐以工程為中心的教學(xué)設(shè)計(jì)，并為合理的評估方式提供框架。在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)問題時(shí)，工程設(shè)計(jì)過程的中心驅(qū)動(dòng)作用體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

第一是對跨學(xué)科知識(shí)的串聯(lián)。在傳統(tǒng)的學(xué)科教學(xué)中，知識(shí)的講授是以單一學(xué)科為基礎(chǔ)的。在STEM課程當(dāng)中，課程設(shè)計(jì)當(dāng)中往往以問題或項(xiàng)目為中心，涉及跨學(xué)科的知識(shí)點(diǎn)（余勝泉 & 胡翔，2015）。在驅(qū)動(dòng)問題中，這些學(xué)科知識(shí)點(diǎn)是以工程設(shè)計(jì)過程為中心而串聯(lián)在一起的，并非簡單的疊加。

第二是作為課程結(jié)構(gòu)的支撐，為培養(yǎng)學(xué)生高階思維能力提供有利環(huán)境。工程設(shè)計(jì)過程本身具有清晰的結(jié)構(gòu)，代表了解決工程問題的一般邏輯。因此，以工程設(shè)計(jì)過程為支架的驅(qū)動(dòng)問題設(shè)計(jì)對培養(yǎng)學(xué)生的工程思維具有先天的優(yōu)勢。美國國家研究委員會(huì)將工程思維分解為幾種不同的能力：系統(tǒng)思維、創(chuàng)造力、樂觀主義、合作、交流溝通和倫理考慮（National Research Council，2009）。工程設(shè)計(jì)過程為系統(tǒng)思維和創(chuàng)造力的培養(yǎng)搭建了實(shí)踐框架。與此同時(shí)，課程中以工程設(shè)計(jì)過程為中心的驅(qū)動(dòng)問題設(shè)計(jì)往以小組為單位，是一種建構(gòu)主義教學(xué)實(shí)踐（余勝泉 & 胡翔，2015；Sanders，2009），可以為樂觀主義、合作、交流溝通、倫理考慮等能力的培養(yǎng)提供適合的情境。

第三是支撐了多元化的評價(jià)方式。工程設(shè)計(jì)過程本身具有迭代性，這反應(yīng)了真實(shí)問題解決的過程，也代表了解決方案不斷完善的過程。因此，這使得單純使用傳統(tǒng)的測驗(yàn)型等總結(jié)性評價(jià)無法有效評估學(xué)生在課程中的表現(xiàn)。對學(xué)生在STEM課程中的表現(xiàn)可以采用多元化的評估方式和角度，例如對學(xué)生任務(wù)完成或作品進(jìn)行量表式評估、對學(xué)生的協(xié)作過程進(jìn)行觀察與互評、在上課的過程中通過提問來評估學(xué)生的掌握程度等（Jolly，2016）。

二、STEM課程驅(qū)動(dòng)問題的元素

（一）問題中的基本元素

Davidson（1994）等人認(rèn)為，所有問題都包含3個(gè)重要元素：假設(shè)條件（Givens），目標(biāo)（A goal）和障礙（Obstacles）。假設(shè)條件是指構(gòu)成問題情境初始狀態(tài)的要素、它們之間的關(guān)系以及條件；目標(biāo)是指問題的解決方案或期望的結(jié)果；障礙既包括問題解決者的特征也包括問題狀況的特征，這些特征使得解決者很難將問題從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)換為目標(biāo)狀態(tài)。

在STEM課程的驅(qū)動(dòng)問題設(shè)計(jì)中，通過與工程設(shè)計(jì)過程的融合，這3個(gè)元素都可以轉(zhuǎn)化為課程元素。如圖2所示，在STEM課程當(dāng)中，假設(shè)條件相當(dāng)于問題情境的設(shè)置、學(xué)生具有的先驗(yàn)知識(shí)和問題或項(xiàng)目的已有條件，這3個(gè)方面共同構(gòu)成了驅(qū)動(dòng)問題的初始狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)問題中的目標(biāo)在STEM課程當(dāng)中相當(dāng)于最終作品或最終解決方案，對驅(qū)動(dòng)問題目標(biāo)的表述可以決定對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評估維度。而“障礙”，即可能阻礙將問題從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)化為目標(biāo)狀態(tài)的因素，可以成為STEM課程中教學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在STEM課程當(dāng)中，教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該圍繞著障礙進(jìn)行，在分析學(xué)生特性與問題特征的基礎(chǔ)之上，通過支撐性教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)，幫助學(xué)生從問題的初始狀態(tài)向問題的目標(biāo)過渡，即克服障礙以達(dá)到目標(biāo)。

圖2 問題經(jīng)典結(jié)構(gòu)與STEM課程設(shè)計(jì)

（二）基于問題元素分解的案例分析：海岸堤壩設(shè)計(jì)活動(dòng)

史蒂文斯理工學(xué)院工程與科學(xué)教育創(chuàng)新中心（the Center for Innovation in Engineering and Science Education，Stevens Institute of Technology，2009）為6—12年級(jí)學(xué)生設(shè)計(jì)了關(guān)于海岸堤壩建設(shè)的STEM課程項(xiàng)目，見圖3。課程的驅(qū)動(dòng)問題，即項(xiàng)目本身，要求學(xué)生為一個(gè)600米海堤的設(shè)計(jì)提交方案，以保護(hù)主要的沿海公路免受侵蝕。其中，問題的情境為某一特定海岸防波堤的建設(shè)。根據(jù)問題的情境，課程設(shè)計(jì)為學(xué)生提供了海岸的相關(guān)信息，其中包括該海岸歷史浪高峰值、海岸周邊的環(huán)境與生態(tài)信息等；根據(jù)學(xué)生的先驗(yàn)知識(shí)，問題的已知條件被設(shè)定為已知海堤所需承受海浪能量的計(jì)算方法、已知計(jì)算海浪能量的參數(shù)、建造海堤不同材料的特性（強(qiáng)度、用量等）與成本。問題情境與根據(jù)學(xué)生先驗(yàn)知識(shí)設(shè)定的已知條件共同構(gòu)成了問題的假設(shè)/初始條件。

圖3 海堤建設(shè)項(xiàng)目問題結(jié)構(gòu)及課程設(shè)計(jì)分解

問題的目標(biāo)設(shè)定為特定海岸建設(shè)一座穩(wěn)固的、在成本預(yù)算內(nèi)的、對周圍生態(tài)友好的堤壩，以保護(hù)公路免受海水侵蝕。根據(jù)問題的目標(biāo)，課程將對最終方案的評估維度設(shè)置為計(jì)算的正確性、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性、堤壩的預(yù)期壽命、設(shè)計(jì)的美觀程度以及項(xiàng)目成本。成果的呈現(xiàn)形式為一份對海岸堤壩設(shè)計(jì)的方案以及對此方案的匯報(bào)。

從問題的初始狀態(tài)到目標(biāo)的主要障礙可以分為3點(diǎn)：一是如何設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)以阻擋海浪能量；二是如何選擇材料以平衡成本效益；三是如何在考慮美觀性的情況下平衡對生態(tài)環(huán)境的影響。項(xiàng)目的學(xué)習(xí)活動(dòng)正是圍繞這3點(diǎn)來展開的，引導(dǎo)學(xué)生調(diào)研當(dāng)?shù)睾０短卣鳎ê＠朔逯?、?dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境等）計(jì)算海浪能量、搭建合理結(jié)構(gòu)、對材料進(jìn)行選擇、對成本進(jìn)行控制，最終得出最佳方案，作為項(xiàng)目的成果。

在課程的進(jìn)行過程當(dāng)中，學(xué)生需要反復(fù)驗(yàn)證自己的假設(shè)，發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，定義問題—背景調(diào)查—想象—計(jì)劃—?jiǎng)?chuàng)造—驗(yàn)證與評估—重新設(shè)計(jì)的工程設(shè)計(jì)過程一直貫穿始終。

三、STEM課程中驅(qū)動(dòng)問題的基本特征

（一）問題的基本特征

在問題化和項(xiàng)目學(xué)習(xí)中，除了問題結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)問題的基本特征也影響著教學(xué)的難度與教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)。本小節(jié)總結(jié)了Jonassen提出的驅(qū)動(dòng)問題的5個(gè)基本特征：結(jié)構(gòu)、情境性、復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)性與領(lǐng)域特殊性（Jonassen & Huang，2008；Jonassen，2000；Jonassen，2010），并討論了在以“工程”為中心的STEM驅(qū)動(dòng)問題中這5個(gè)特征的表現(xiàn)。

從結(jié)構(gòu)特征（structure）上來說，驅(qū)動(dòng)問題可以分為良構(gòu)問題（well-structured question）與劣構(gòu)問題（illstructured question）（Jonassen，2000）。良構(gòu)問題是指去情境化的、已經(jīng)轉(zhuǎn)化好了的問題。在一個(gè)良構(gòu)問題中，問題條件中已經(jīng)呈現(xiàn)了解決問題所需的全部信息，且在解決過程中要求應(yīng)用有限的、規(guī)律性的外部規(guī)則和原理。一般來說，良構(gòu)問題具有唯一的答案，教師可以為學(xué)生提供規(guī)劃好的解決過程。例如，數(shù)學(xué)中的追及問題就是典型的良構(gòu)問題。

與良構(gòu)問題相反，劣構(gòu)問題條件中有一個(gè)或多個(gè)問題要素不清楚或有某種程度上的不確定性，在問題解決過程中擁有多種解決方案、多種解決途徑，因此也擁有多種評價(jià)解決方案的標(biāo)準(zhǔn)。問題要素與解決方案的不確定性決定了在解決劣構(gòu)問題的過程中并沒有固定的理論和原則。劣構(gòu)問題更加接近存在于我們生活和工作中的問題，具有情景化的特性。例如，在某地搭建橋梁時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)除了理論上的計(jì)算，往往要綜合考慮當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)、地質(zhì)條件、資金情況、使用頻率，與周圍建筑的審美搭配情況等多個(gè)情境性的問題來選擇最優(yōu)方案。相對來說，工程問題因?yàn)榫哂幸蕾嚽榫?、有多種解決方案等特性，屬于劣構(gòu)問題。因此，在以“工程”為中心的STEM課程設(shè)計(jì)當(dāng)中，驅(qū)動(dòng)問題應(yīng)為劣構(gòu)問題。

問題的情境（context）和問題的結(jié)構(gòu)相關(guān)，是驅(qū)動(dòng)問題的另一重要特征。情境性的程度是良構(gòu)問題和劣構(gòu)問題的重要區(qū)別。良構(gòu)問題往往對問題進(jìn)行了去情境化的處理。例如數(shù)學(xué)中的追及問題是指兩物體或兩人在同一直線或封閉圖形上運(yùn)動(dòng)所涉及的追及、相遇問題，在進(jìn)行應(yīng)用問題的條件描述時(shí)，重點(diǎn)落在對兩物體或兩人在距離和速度上的特征，而不關(guān)心人或物體本身特征，或者環(huán)境中可能影響運(yùn)動(dòng)的其他因素。問題的條件和問題解決的過程都是經(jīng)過抽象的。

在劣構(gòu)問題中，問題所發(fā)生的情境是問題不可分割的一部分，也必然會(huì)成為解決方案的一部分（Wood，1983）。例如，廣東省廣州市花都區(qū)秀全外國語學(xué)校以小課題研究的形式開展的“花都天馬河水質(zhì)狀況的初步調(diào)查與探究”活動(dòng)（黃春媚，2018），在問題提出時(shí)僅給定調(diào)查天馬河水質(zhì)這一主題，不同河道流段情況、水質(zhì)污染程度、水質(zhì)污染原因、水質(zhì)污染帶來哪些影響均需學(xué)生通過設(shè)計(jì)、調(diào)查、實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一一探索。解決這樣的現(xiàn)實(shí)問題促使學(xué)生帶著已有的知識(shí)儲(chǔ)備深入到真實(shí)情景中，在現(xiàn)實(shí)條件（水域情況、有限經(jīng)費(fèi)、相關(guān)人員配合程度等）的制約或支持下，設(shè)計(jì)并實(shí)施不同的調(diào)查方案（觀察記錄、問卷、訪談）、實(shí)驗(yàn)（化學(xué)實(shí)驗(yàn)、生物實(shí)驗(yàn)），并最終形成不同的成果。在以“工程”為中心的STEM課程設(shè)計(jì)當(dāng)中，驅(qū)動(dòng)問題應(yīng)當(dāng)具有高情境性，課程中的情境設(shè)置不僅為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)情趣，也應(yīng)成為問題條件和解決方案的一部分。

驅(qū)動(dòng)問題的第三個(gè)特征是復(fù)雜性（Complexity）。Kotovsky（1985）等人認(rèn)為問題的難易程度和復(fù)雜性由問題空間（Problem space）的大小決定，而問題空間的大小由“每個(gè)節(jié)點(diǎn)（nodes）上的分支數(shù)（number of branches）以及解決一個(gè)節(jié)點(diǎn)所需要的探究深度”（Kotovsky，1985，p. 248）組成。值得注意的是，問題的復(fù)雜性和問題的結(jié)構(gòu)并沒有直接的關(guān)系，既存在復(fù)雜性高的良構(gòu)問題，也存在復(fù)雜性低的劣構(gòu)問題。Jonassen（2008）等人認(rèn)為，問題的復(fù)雜性由4個(gè)因素所決定：解決問題所需的知識(shí)廣度、在解決過程中所涉及概念理解與應(yīng)用的難度、解決問題所需的技能和知識(shí)水平以及問題空間中變量之間關(guān)系的非線性度。在以“工程”為中心的STEM課程設(shè)計(jì)中，對驅(qū)動(dòng)問題的復(fù)雜性并沒有硬性的要求。根據(jù)課程的長短與學(xué)生的基本水平，教師可以通過調(diào)整解決問題所需的節(jié)點(diǎn)分支、所需學(xué)科知識(shí)與概念廣度與難度，以及問題條件與解決方案之間的線性程度來調(diào)整驅(qū)動(dòng)問題的復(fù)雜性。

動(dòng)態(tài)性（Dynamicity）是驅(qū)動(dòng)問題的第4個(gè)特征。動(dòng)態(tài)性是指問題中某個(gè)因子的改變可能引起其他因子的輸出變化，而實(shí)際上改變了問題的屬性（Jonassen & Huang，2008）。在良構(gòu)問題中，因?yàn)閱栴}條件確定、因子沒有變化，所以問題是趨于靜態(tài)的。而在劣構(gòu)問題當(dāng)中，因?yàn)閱栴}條件中有一個(gè)或多個(gè)問題要素不清楚或有某種程度上的不確定性，則問題趨于動(dòng)態(tài)。在以“工程”為中心的STEM課程設(shè)計(jì)當(dāng)中，驅(qū)動(dòng)問題是趨于動(dòng)態(tài)的，這與生活中工程問題具有一致性。例如，上海市上海中學(xué)陳希和程林（2019）設(shè)計(jì)的“建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”課程，是基于“設(shè)計(jì)制作一個(gè)能經(jīng)受特定考驗(yàn)的三層建筑結(jié)構(gòu)模型”這一任務(wù)，要求學(xué)生解決通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使模型承載盡量大的豎向荷載作用（建筑結(jié)構(gòu)實(shí)際承受的永久荷載和使用活荷載）和具有扭轉(zhuǎn)分量的水平運(yùn)動(dòng)（模擬地震作用）這一問題。不同的常見建筑物具有不同的結(jié)構(gòu)和功能，承受的常見荷載的作用方向和時(shí)間是不同的。而當(dāng)遭遇地震、大風(fēng)、大雪等災(zāi)害時(shí)建筑物又會(huì)承受動(dòng)態(tài)的荷載。學(xué)生設(shè)計(jì)的不同方案在不斷改變的“考驗(yàn)”下輸出不同的結(jié)果。由此可見，驅(qū)動(dòng)問題的動(dòng)態(tài)性可以支持解決方案的多樣性，從而為學(xué)生的批判性思維與創(chuàng)新能力提供發(fā)展空間。

領(lǐng)域特殊性（Domain Specificity）是驅(qū)動(dòng)問題的第5個(gè)特征。領(lǐng)域特殊性是指解決問題時(shí)依賴于某領(lǐng)域內(nèi)特定的認(rèn)知策略的程度，也決定了問題的難度。在問題解決過程當(dāng)中，對特殊領(lǐng)域知識(shí)和認(rèn)知策略形成特定的模式是專家和新手的區(qū)別（孫妍妍 & 祝智庭，2018），在問題解決過程中對知識(shí)的領(lǐng)域特殊性要求越高，驅(qū)動(dòng)問題的難度就越大?？鐚W(xué)科的知識(shí)學(xué)習(xí)模式是STEM課程的重要特點(diǎn)，在以“工程”為中心的STEM課程設(shè)計(jì)當(dāng)中，驅(qū)動(dòng)問題應(yīng)具有一定領(lǐng)域特殊性，即探索問題解決方案的過程需要學(xué)生有效地應(yīng)用數(shù)學(xué)、科學(xué)、信息技術(shù)、通用技術(shù)、工程等多個(gè)學(xué)科中的領(lǐng)域知識(shí)。

（二）基于問題特征的案例分析：火星教育項(xiàng)目

火星教育項(xiàng)目由美國亞利桑那州立大學(xué)（ASU）和美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）合作開發(fā)，它根據(jù)美國宇航局（NASA）的火星探測項(xiàng)目中的科學(xué)研究和工程實(shí)踐活動(dòng)展開，鼓勵(lì)教育工作者和學(xué)生在現(xiàn)實(shí)或模擬環(huán)境中參與，形成了一系列K-12階段的STEM課程（楊彥軍 & 饒菲菲，2019）。從問題特征上來說，該課程的驅(qū)動(dòng)問題具有以下特點(diǎn)（圖4）：

圖4 火星教育項(xiàng)目中STEM課程驅(qū)動(dòng)問題的特征分析

劣構(gòu)性?；鹦墙逃?xiàng)目STEM課程主要采用基于問題和項(xiàng)目兩種學(xué)習(xí)方式。在基于問題的學(xué)習(xí)中為學(xué)生設(shè)計(jì)復(fù)雜的、真實(shí)的劣構(gòu)問題，如火星居住地設(shè)計(jì)、火星探測器設(shè)計(jì)等，學(xué)生需通過學(xué)習(xí)探索，并考慮不同條件的限制，形成多樣的解決方案如不同的火星居住地設(shè)計(jì)、不同的探測器設(shè)計(jì)等。在問題中既有不確定的條件，也不存在唯一的、既定的解決方案，是典型的劣構(gòu)問題。

高情境性?；鹦墙逃?xiàng)目STEM課程中驅(qū)動(dòng)問題均具有非常高的情境性。如在課程任務(wù)“火星上的建造者”當(dāng)中，學(xué)生需要使用工具和材料來解決人類在火星上的居住問題。在問題解決過程當(dāng)中，設(shè)計(jì)不僅需要考慮工程性和結(jié)構(gòu)性，也要考慮火星真實(shí)環(huán)境的情境性。在設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中，火星上的地理與氣候環(huán)境即是問題的一部分，也是問題解決方案中的重要元素。

高復(fù)雜性。在火星教育項(xiàng)目STEM課程中，由火星探索主題衍生出的驅(qū)動(dòng)問題，都具有較高的復(fù)雜性。如課程中的環(huán)節(jié)之一是探索火星上的生物，問題有較多的分支節(jié)點(diǎn)，涉及學(xué)科包括地質(zhì)、機(jī)械、遙感、生物學(xué)等，具有較高的廣度與難度，不同的條件變量與問題之間存在較高的非線性程度。

高動(dòng)態(tài)性?；鹦墙逃?xiàng)目STEM課程中驅(qū)動(dòng)問題的因子具有不確定性，因此具有較高的動(dòng)態(tài)性。例如在關(guān)于生命探測部分，教師引導(dǎo)學(xué)生討論出不同的生命標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)只需邏輯自洽而沒有定標(biāo)，因此在后續(xù)探索活動(dòng)中使用不同的標(biāo)準(zhǔn)對土壤樣本進(jìn)行分析，會(huì)得出不同結(jié)果，這使整個(gè)問題的解決具有動(dòng)態(tài)性。

領(lǐng)域特殊性：火星教育項(xiàng)目STEM課程這一以外星探測為主題的課程，需要學(xué)生有效地運(yùn)用科學(xué)知識(shí)（航天航空、機(jī)器人、生物學(xué)、物理、化學(xué)等）、數(shù)學(xué)、信息技術(shù)、通用技術(shù)及工程的方法，才能完成這一具有較高特殊性的主題學(xué)習(xí)。

四、以“工程”為中心的STEM課程驅(qū)動(dòng)問題設(shè)計(jì)

（一）STEM課程驅(qū)動(dòng)問題的結(jié)構(gòu)

如圖5所示，在STEM課程當(dāng)中，可以以工程設(shè)計(jì)過程為基礎(chǔ)，根據(jù)對驅(qū)動(dòng)問題結(jié)構(gòu)的分解來進(jìn)行課程設(shè)計(jì)。首先，確立問題的假設(shè)/初始條件，明確問題的情境是什么，學(xué)生的先驗(yàn)知識(shí)是什么，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并明確問題的已知條件。然后，對問題的理想目標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)描述，其中包括學(xué)生完成任務(wù)的具體標(biāo)準(zhǔn)是什么，評價(jià)的維度是什么，以及成果是如何呈現(xiàn)的。在問題的初始條件與目標(biāo)明確之后，學(xué)習(xí)活動(dòng)的設(shè)計(jì)則可以圍繞初始條件和目標(biāo)中間的障礙展開，以幫助學(xué)生達(dá)到解決問題的目標(biāo)。

圖5 驅(qū)動(dòng)問題與課程設(shè)計(jì)

以“工程”為中心的驅(qū)動(dòng)問題具有特定的問題特征。一個(gè)好的驅(qū)動(dòng)問題應(yīng)當(dāng)是劣構(gòu)的、與情境緊密相連的，并且具有領(lǐng)域相關(guān)性與動(dòng)態(tài)性。課程的驅(qū)動(dòng)問題對其復(fù)雜性并沒有明確要求，可以根據(jù)學(xué)生的情況與課時(shí)來靈活安排，通過控制解決問題的知識(shí)廣度與概念難度、問題的分支節(jié)點(diǎn)等關(guān)鍵元素來調(diào)節(jié)問題的復(fù)雜性。與此同時(shí)，在驅(qū)動(dòng)問題的設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，工程設(shè)計(jì)過程起到了學(xué)科知識(shí)串聯(lián)與問題解決框架的作用。

（二）以“工程”為中心的STEM課程驅(qū)動(dòng)問題設(shè)計(jì)原則

在以“工程”為中心STEM課程中，驅(qū)動(dòng)問題的結(jié)構(gòu)與特征決定了課程問題的設(shè)計(jì)原則：

首先是通過開放性設(shè)計(jì)來保證驅(qū)動(dòng)問題劣構(gòu)性與動(dòng)態(tài)性。驅(qū)動(dòng)問題中的“工程”決定了問題的劣構(gòu)性及動(dòng)態(tài)性。為保證驅(qū)動(dòng)問題的劣構(gòu)性和動(dòng)態(tài)性，問題設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)是開放的，這種開放性既體現(xiàn)在問題的解決方案中，也體現(xiàn)在學(xué)習(xí)過程當(dāng)中。驅(qū)動(dòng)問題的劣構(gòu)性決定了問題解決方案的開放性。在劣構(gòu)的驅(qū)動(dòng)問題中，問題條件因素中的不確定性使問題的解決方法可以有多種方式，這和真實(shí)世界中的工程問題往往沒有固定的解決方案具有一致性。驅(qū)動(dòng)問題的動(dòng)態(tài)性決定了學(xué)習(xí)過程的開放性。在STEM課程當(dāng)中，驅(qū)動(dòng)問題的動(dòng)態(tài)性表現(xiàn)為因子的不確定性。這種不確定性是工程問題的特性，可以引起辯論和討論，激勵(lì)學(xué)生進(jìn)行協(xié)作學(xué)習(xí)與自主學(xué)習(xí)，鼓勵(lì)學(xué)生探索多種解決問題的方式，為學(xué)生充分提供思考與學(xué)習(xí)的空間。這種開放式的學(xué)習(xí)過程可以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生協(xié)作能力、問題解決能力和創(chuàng)新思維的目的。以“工程”為中心，劣構(gòu)的、動(dòng)態(tài)的驅(qū)動(dòng)問題可以從根本上避免在STEM課程中將學(xué)習(xí)技術(shù)本身作為課程的核心、落入學(xué)生模仿教師過程性操作的窠臼，防止課程設(shè)計(jì)背離STEM教育理念的初衷（余勝泉 & 吳斕，2019）。

第二是通過與真實(shí)世界的相關(guān)性來保證驅(qū)動(dòng)問題的高情境性與領(lǐng)域特殊性。在以“工程”為中心的STEM課程設(shè)計(jì)當(dāng)中，驅(qū)動(dòng)問題應(yīng)當(dāng)是高情境性的。設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)膯栴}情境應(yīng)當(dāng)與真實(shí)世界中的問題一樣，即問題的情境是問題解決方法的一部分，這也是劣構(gòu)問題的特性。例如在前文分析的火星教育STEM課程當(dāng)中，問題的情境始終貫穿在工程設(shè)計(jì)過程中?；鹦堑沫h(huán)境既是問題的情境設(shè)置，也是學(xué)生在完成項(xiàng)目中需要考慮的條件。與真實(shí)世界相關(guān)的驅(qū)動(dòng)問題往往具有領(lǐng)域特殊性，使學(xué)生在解決問題的過程中可以將特定的學(xué)科理論知識(shí)使用在具體情境當(dāng)中，這個(gè)過程可以幫助學(xué)生完成學(xué)科中的知識(shí)遷移，達(dá)到深度學(xué)習(xí)的狀態(tài)（孫妍妍 & 祝智庭，2018）。除此之外，驅(qū)動(dòng)問題與真實(shí)世界的相關(guān)性也有助于提高學(xué)生參與課程學(xué)習(xí)的興趣。當(dāng)學(xué)生們認(rèn)為他們需要學(xué)習(xí)的主題與現(xiàn)實(shí)世界息息相關(guān)時(shí)，他們就有可能更加積極主動(dòng)地投入。

第三是以“工程”為中心的整合性原則。在以“工程”為中心的STEM課程中，一個(gè)好的驅(qū)動(dòng)問題應(yīng)當(dāng)具有整合性。首先，驅(qū)動(dòng)問題的整合性表現(xiàn)為通過工程設(shè)計(jì)過程對數(shù)學(xué)、技術(shù)、科學(xué)等學(xué)科知識(shí)進(jìn)行串聯(lián)。在通過工程設(shè)計(jì)解決問題的過程中，學(xué)生應(yīng)當(dāng)能夠融合多個(gè)學(xué)科知識(shí)來進(jìn)行理論知識(shí)的跨學(xué)科綜合應(yīng)用，這是驅(qū)動(dòng)問題領(lǐng)域特殊性特征的集中體現(xiàn)。其次，好的驅(qū)動(dòng)問題應(yīng)當(dāng)對STEM課程具有整體的推動(dòng)作用。學(xué)生們可以將驅(qū)動(dòng)問題作為一個(gè)跳板來引領(lǐng)課程的整體學(xué)習(xí)。在跨學(xué)科知識(shí)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，學(xué)生應(yīng)當(dāng)可以通過工程設(shè)計(jì)過程來找尋問題的解決方式，課程中所有的學(xué)習(xí)和研究都在驅(qū)動(dòng)問題的引領(lǐng)之下。

第四是保證問題適度復(fù)雜性的原則，這也是驅(qū)動(dòng)問題設(shè)計(jì)的一般性原則。驅(qū)動(dòng)問題的復(fù)雜性由4個(gè)因素決定：解決問題所需的知識(shí)廣度、在解決過程中所涉及概念理解與應(yīng)用的難度、解決問題所需的技能和知識(shí)水平以及問題空間中變量之間關(guān)系的非線性度（Jonassen，2008）。根據(jù)這4個(gè)因素，以“工程”為中心的STEM課程中驅(qū)動(dòng)問題的復(fù)雜性可以靈活調(diào)整。

這4個(gè)因素對驅(qū)動(dòng)問題的影響主要集中在兩個(gè)方面：首先，解決問題所需的知識(shí)廣度、在解決過程中所涉及概念理解與應(yīng)用的難度、解決問題所需的技能3個(gè)因素均與學(xué)生先驗(yàn)知識(shí)相關(guān)聯(lián)。一個(gè)好的驅(qū)動(dòng)問題應(yīng)該能夠促使學(xué)生用到以前的知識(shí)與技能，通過工程設(shè)計(jì)過程的紐帶作用，幫助學(xué)生將他們的所學(xué)應(yīng)用到新的情境中去。在這個(gè)過程中，學(xué)生可以學(xué)習(xí)新的相關(guān)知識(shí)、概念與技能，完成知識(shí)的遷移。其次，在學(xué)生先驗(yàn)知識(shí)的基礎(chǔ)之上，好的驅(qū)動(dòng)問題應(yīng)當(dāng)能夠促使學(xué)生在解決問題的過程中進(jìn)行研究、調(diào)查與反思，而問題解決過程的復(fù)雜性與問題空間中變量之間關(guān)系的非線性度相關(guān)。以“工程”為中心的驅(qū)動(dòng)問題是劣構(gòu)的，沒有確定的答案，需要學(xué)生用他們在整個(gè)項(xiàng)目中獲得的研究和知識(shí)來支持他們的解決方式。問題的復(fù)雜程度可以由設(shè)置問題的分支節(jié)點(diǎn)來控制，問題空間中變量之間的非線性關(guān)系越強(qiáng)，問題的復(fù)雜性就越高。一個(gè)好的驅(qū)動(dòng)問題的復(fù)雜性應(yīng)當(dāng)是既可以鼓勵(lì)學(xué)生在解決問題的過程中發(fā)揮其最大潛力，又可以保證學(xué)生能夠通過努力而找到適合的解決方案。

五、總結(jié)與建議

本文提出STEM課程中以“工程”為中心的驅(qū)動(dòng)問題設(shè)計(jì)方式，并通過分析問題的結(jié)構(gòu)與特征討論了驅(qū)動(dòng)問題對課程設(shè)計(jì)的支架性作用與驅(qū)動(dòng)問題的設(shè)計(jì)原則。驅(qū)動(dòng)問題是STEM課程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵元素，驅(qū)動(dòng)問題的設(shè)計(jì)決定了問題的初始條件與目標(biāo)，為學(xué)習(xí)活動(dòng)的設(shè)計(jì)提供了框架。

在教學(xué)實(shí)踐方面，以“工程”為中心的驅(qū)動(dòng)問題設(shè)計(jì)不但對教師的理論基礎(chǔ)與教學(xué)設(shè)計(jì)能力提出了要求，也需要學(xué)校提供有效的組織與支持。在此基礎(chǔ)上，本文從教師與學(xué)校兩個(gè)層面對以“工程”為中心的STEM課程實(shí)踐提出以下建議：

首先是以“工程”為紐帶，在課程中正確地體現(xiàn)跨學(xué)科性。STEM課程中的跨學(xué)科學(xué)習(xí)并非學(xué)科知識(shí)的簡單疊加，而是以工程設(shè)計(jì)過程為紐帶，將科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)知識(shí)在問題解決的過程中串聯(lián)在一起，形成整體上的融合。要做到這一點(diǎn)，既需要教師個(gè)人對工程設(shè)計(jì)過程的深入理解，也需要學(xué)校組織跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)在課程建設(shè)中進(jìn)行深度合作。教師對工程設(shè)計(jì)過程的深入理解可以幫助他們定位學(xué)科在STEM課程問題解決過程中起到的作用，因而能夠?qū)TEM課程的教學(xué)目標(biāo)與具體學(xué)科知識(shí)點(diǎn)與學(xué)科技能緊密聯(lián)系；學(xué)校組織的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)可以促進(jìn)不同學(xué)科教師之間的深度合作，通過集體研討，團(tuán)隊(duì)可以圍繞著工程設(shè)計(jì)過程合理融合不同學(xué)科的知識(shí)點(diǎn)與知識(shí)技能，作為課程的整體學(xué)習(xí)目標(biāo) 。

第二是轉(zhuǎn)變課程評價(jià)方式。對標(biāo)驅(qū)動(dòng)問題中的工程設(shè)計(jì)過程，注重對學(xué)生問題解決能力與工程思維的培養(yǎng)。以“工程”為中心的驅(qū)動(dòng)問題具有劣構(gòu)性、動(dòng)態(tài)性的特征，即問題的解決方式與問題情境緊密相連。工程設(shè)計(jì)過程本身就是解決工程問題的程序，因此可以為課程中的問題解決過程提供可行性框架，即為課程設(shè)計(jì)提供了支撐。這種支撐既體現(xiàn)在圍繞著工程設(shè)計(jì)過程所構(gòu)建的學(xué)習(xí)活動(dòng)上，也體現(xiàn)在課程的評價(jià)方式上。以“工程”為中心的驅(qū)動(dòng)問題設(shè)計(jì)鼓勵(lì)學(xué)生探尋多種解決問題的方式。這種特性決定了在對學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行評價(jià)時(shí)，使用傳統(tǒng)的總結(jié)性評價(jià)方式并不能達(dá)到效果。如何采用多元化評價(jià)方式對學(xué)生的問題解決過程進(jìn)行多維度的過程性評價(jià)是轉(zhuǎn)變評價(jià)方式的關(guān)鍵。

許多研究者也注意到了這一問題，對STEM課程的評價(jià)提出了相關(guān)建議，例如余勝泉等人（2019）在證據(jù)導(dǎo)向的STEM教育模式中，強(qiáng)調(diào)了學(xué)習(xí)成果的可驗(yàn)證性，認(rèn)為教師應(yīng)當(dāng)基于證據(jù)對學(xué)生進(jìn)行表現(xiàn)性與形成性評價(jià)；吳忭等人（2018）提出了將認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析法作為STEM課程中的學(xué)習(xí)評價(jià)新思路。對教師來說，應(yīng)當(dāng)在理解以“工程”為中心的STEM課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過研修來了解多元化評價(jià)方式，并將評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與驅(qū)動(dòng)問題的設(shè)計(jì)相互對應(yīng)；對學(xué)校來說，應(yīng)當(dāng)為STEM課程的實(shí)施提供多種實(shí)踐方式，除正式課程外，也可以校本學(xué)習(xí)、課外興趣小組等進(jìn)行，為教師對課程進(jìn)行多元化評價(jià)創(chuàng)造更為靈活的環(huán)境。

第三是多方合力建設(shè)，構(gòu)建STEM課程的生態(tài)共同體。基于工程設(shè)計(jì)過程的驅(qū)動(dòng)問題設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)真實(shí)的問題情境。然而，在教育實(shí)踐的過程當(dāng)中，基礎(chǔ)教育中的教師可能存在因?yàn)槿狈こ虒W(xué)訓(xùn)練而無法很好地將工程設(shè)計(jì)思維融入課程的問題（Thornburg，2008）。與此同時(shí)，教師在課程設(shè)計(jì)中構(gòu)建真實(shí)問題時(shí)也可能會(huì)受到條件與材料的限制，無法最大程度的模擬真實(shí)世界。為解決這一問題，首先應(yīng)當(dāng)為教師提供相關(guān)的培訓(xùn)與研修，使教師充分理解STEM教育的內(nèi)涵與工程特性。其次，學(xué)校應(yīng)當(dāng)借助多方面力量進(jìn)行STEM課程的建設(shè)，以學(xué)校為中心，通過聯(lián)接家庭、社區(qū)、高等院校、博物館/圖書館/科技館等文化機(jī)構(gòu)、本地企業(yè)，形成STEM教育生態(tài)共同體，為提高學(xué)生工程思維能力、問題解決能力，與創(chuàng)新實(shí)踐能力等新世紀(jì)人才的綜合素養(yǎng)而通力協(xié)作（黃樺，2019；祝智庭 & 雷云鶴，2018）。