摘要： 當前STEM教育面臨跨學科學習流于形式、淪為“學科拼盤”等問題。只有實現從淺層次的知識理解到深層次的認知過程，STEM教育才能走向深入。基于認知學徒制的跨學科教學模式的構建與實施是STEM深度學習的有效路徑?；谡J知學徒制的跨學科教學模式包括問題、學習共同體、過程、基于證據的評價四個基本要素，并由七個步驟構成，分別為明確教學目標、學習任務設計、學習活動規(guī)劃、借助技術或工具、學習社群創(chuàng)設、過程證據的采集和證據導向的評價。

關鍵詞：STEM教育；認知學徒；跨學科教學模式；深度學習

STEM是科學（science）、技術（technology）、工程（engineering）和數學（mathematics）四門學科的簡寫，但在開展STEM教育的過程中，教師不能簡單地將這些學科知識疊加，而應將這四門原本分散的學科內容整合成一個有機整體。這樣做的目的是，讓學生能夠運用科學和數學思維，借助技術手段，按照工程的嚴謹性，在解決實際問題的過程中進行知識的學習。

一、當前STEM教育存在的問題與挑戰(zhàn)

STEM教育近幾年來受到重視，在我國教育界廣受歡迎，教師們紛紛嘗試實踐。然而，在教師們實施STEM教育過程中也逐漸暴露出了一些問題。

（一）長期以來的分科教學使得跨學科學習流于形式

當前STEM教育中的跨學科學習，很多只是零散、碎片化知識的簡單堆砌，并非根據不同學科知識內在聯系的有機融合，這使得各學科間無法產生有效的化學反應。由于分科教學觀念根深蒂固，教學方式大多仍停留在“講授—接受”的模式，導致跨學科學習活動往往流于形式。很多情況下，只要學習內容涉及兩種以上學科知識，就被認為是跨學科學習，但學生并沒有真正體驗到如何整合不同學科知識解決問題的過程，也未能建立起知識之間的聯系，無法形成跨學科的理解。要開展真正的跨學科學習，我們需要建立起與分科教學截然不同的教學邏輯、學習體驗和評價標準。

（二）注重表現形式而非內在邏輯，導致跨學科教學淪為“學科拼盤”

許多教師在設計STEM課程時，僅僅是為了“跨”而“跨”，將兩門或更多學科簡單組合就視為跨學科學習。這種做法使得跨學科學習變成了機械的“學科拼盤”，由于不是從知識的內在邏輯出發(fā)來設計教學內容，教師所設計出來的STEM課程無法幫助學生建立起不同學科知識之間的關聯，學生對相關學科知識的理解也無法做到深入。實際上，STEM教育的重點并不在于增加一個或幾個學科，而在于跨學科的整合。

（三）STEM教育淪為玩電子積木與機器人的“秀場”

某些STEM教育實踐案例并未遵循教育規(guī)律，一窩蜂地讓學生學習開源電路板、3D打印、機器人等熱門技術，過分追求技術的炫酷效果，忽視科學教育設計和基礎性學科知識的融合^[1]。機器人教育則長期以來以競賽模式為主導，教學模式單一且側重于模仿驗證實驗，導致學生在創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面存在不足^[2]。事實上，只有技能模仿，缺乏知識融會貫通和遷移應用的學習沒有意義，并不能算作真正的STEM教育。學生在STEM學習過程中，如果離開了科學的原理、數學的邏輯、技術的方法和工程的實踐，僅進行簡單的技術操作和實踐，將與STEM教育的思想背道而馳。

STEM教育并不等同于早期的職業(yè)教育。我們需要思考：是否應該讓中小學生花費大量時間去學習那些超越他們年齡和認知水平的知識？是創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力更重要，還是新奇的知識更重要？我們必須明確，STEM教育的目的并非讓中小學生成為編程高手或過早地操縱機器人。他們正處于積累基礎知識和形成基本思維方式的關鍵階段，不應過早地專注于某個特定領域，只追求技能的熟練，而忽略了對知識的理解。否則，STEM教育就可能淪為職業(yè)教育。

二、從技術學徒到認知學徒

面對當前STEM教育實施過程中所出現的種種現象與問題，我們應借鑒學習科學的相關理念來尋求解決之道。筆者認為，當前的STEM教育需要超越簡單操作、機械記憶和低水平的思維活動，實現從技術學徒向認知學徒的轉變，從而使STEM教育擺脫目前的淺層學習狀態(tài)，達到深度學習的目標。

（一）認知學徒制的由來

學徒制是讓人類文明和技術得以傳承并延續(xù)至今的一種原始、自然的方式。一般由家人或具有技藝的師傅承擔著教育下一代的職責。教學內容是為未來生活和職業(yè)做準備，教學方法有示范、觀察、指導和實踐等。當前的STEM教育就類似于學徒制，它側重于掌握熟練的技能，而不是背后科學知識的理解、數學邏輯的建立以及科學嚴謹的工程實踐。

學校出現后，學生大多集中在教室中學習，教學內容遵循國家制定的課程標準，以教師講授為主要教學方式。這種正規(guī)的學校教育有助于學生形成良好的知識體系，但隨著時間的推移，人們開始意識到學校教育可能導致學生知行分離。學生往往只能被動地接受知識，而無法將所學遷移應用于實際生活。

為此，美國學習科學家柯林斯等人將傳統(tǒng)學徒制與正規(guī)學校教育相結合，建構認知學徒制理論（Cognitive Apprenticeship Theory），用于指導認知領域的教學。該理論核心關注如何組織教學才能使學生獲得的知識不會孤立于使用的情境^[3]，并強調要通過設計一系列的活動，讓學生把自己學習過程中的思維外顯化，學會專家的思維方式，提升思維能力。

（二）認知學徒制理論的內涵

認知學徒制主要包括四個基本的構成元素，將它們組合在一起，就能為創(chuàng)設有效支持認知學徒制的學習環(huán)境提供有價值的思維框架^[4]。

一是內容。教師設計的所有項目背后，都一定要有科學知識，包括相關學科領域的事實性知識、概念性知識和程序性知識，以及怎么學習這些知識的策略。尤為重要的是，這些知識應盡量與學生的年齡、認知水平相吻合，而不能背離他們的身心發(fā)展規(guī)律。

二是方法。學習的過程要誘導學生主體參與、外顯思維。因此，教師應通過示范、指導和搭建腳手架等，促進學生深層次認知投入，并通過讓學生清晰表達、反思與探究等，促進他們思維的外顯。簡單來說，學生既要知道怎么做，更要知道“為什么”這么做。對于中小學生開展項目式學習、跨學科學習而言，“為什么”是第一重要的，而不是“會做什么”。

三是社會性。在項目式學習中，教師要重視學習環(huán)境的社會特性，諸如情境化學習、鼓勵學生參與互動交流、設定目標以激發(fā)內在學習動機等。教師還要充分利用合作與競爭，使學生為了共同的目標而努力，并在良性競爭中認識到自己的優(yōu)勢和不足之處。

四是順序。教師應設計合理的學習活動順序，如確保問題解決的復雜性逐級上升，使學生能夠在難度逐漸增加的有意義任務中不斷進步；學習情境的多樣性也應逐步增加，以強調知識的廣泛適用性。在此過程中，全局性技能的培養(yǎng)應優(yōu)先于局部性技能，即在著手具體任務之前，學生應對整體任務有充分的概念性理解。

（三）認知學徒制的關鍵特征

1.強調知行合一，在真實情境中主動學習和運用知識

認知學徒制強調為學生創(chuàng)設真實或類似真實世界的問題情境，讓學生能夠充分地探究、分析和解決問題，在實踐的過程中積極主動地獲取知識、運用知識和加工知識，從而形成對知識的深刻理解。

2.注重專家實踐文化，教會學生“像專家一樣思考”

認知學徒制要求學生與專家、同伴共同完成任務。在與專家、同伴互動的過程中，學生通過觀察、模仿、練習和實踐，反思自身的思維方式，并將其與專家思維方式進行對比，學習他們處理真實問題的思維方式，以及在任務完成過程中所用到的各種知識和技能，學會如何像專家一樣思考。

3.強調學習的情境化，學生主動學習和遷移所學知識

認知學徒制強調讓學生在真實的情境中學習，真正地理解學習要達成的目標以及所學內容的作用，積極主動地探究和學習知識，建立知識與實際問題之間的關系，并能將所學的知識靈活遷移到不同的情境中去解決實際問題。

4.強調學習活動的透明化和思維過程的外顯化

在傳統(tǒng)教育模式下，學生通常無法觀察到教師解決問題時的認知過程，難以掌握專家的隱性知識。同樣，教師也難以了解學生頭腦中正在進行的認知過程，不能及時對教學做出調整或干預。認知學徒制強調營造問題解決的情境，并要求專家在持續(xù)性有意義的任務中將自身理解、分析和解決問題的心智過程外顯化，使學生能夠獲得專家的隱性知識。學生通過一系列活動，如反思、表達與對比思維方式，也能將其觀察、分析、評價、創(chuàng)造等學習活動透明化，使得教師及時發(fā)現問題與不足。

5.注重學生高階思維能力的培養(yǎng)

認知學徒制不主張死記硬背，而是通過創(chuàng)設真實的問題情境和社會化的學習氛圍，鼓勵學生做中學，與專家和同伴互動交流。在這一過程中，學生不斷反思和自我調整，建立起先前知識、經驗與所學內容之間的聯結，并從中發(fā)現原則和規(guī)律。他們通過搜集發(fā)現過程中的證據來支持自己的結論，并以此構建起自己的理解。這種學習方式不僅有助于實現深度學習，還提升了學生在人際交往、問題解決和信息素養(yǎng)等方面的高階能力。

綜上，認知學徒制與技術學徒制的主要區(qū)別在于，它實現了從“技能的學習”到“認知的學習”（見表1）。

（四）認知學徒制理論指導下的跨學科學習設計

跨學科學習強調學生能夠形成對知識的深刻理解，構建有意義的跨學科知識網絡；強調學生在真實的問題情境中學習，能夠體驗獲得知識的過程；強調能夠獲得學生在學習過程中的學習證據；注重核心素養(yǎng)和高階思維能力的發(fā)展。認知學徒制的特點與跨學科學習的本質很多共通之處，因此認知學徒制理論可以指導跨學科學習設計的實踐?；谡J知學徒制理論的STEM教育需要重視以下方面。

1.支持學生體驗真實解決問題的過程

開展STEM教育時，教師不僅要讓學生了解書本上的知識，更要讓學生參與到真實、有意義的情景問題中去，在解決實際問題的過程中像科學家一樣思考，親自動手探究實驗、觀察、記錄、分析、反思、評價和創(chuàng)造，從而構建模型，形成設計方案（如圖1），而不是照著操作手冊去操作。在此過程中，學生能加深對知識間邏輯關系的理解，體驗知識遷移到不同情境解決問題的過程，促進深層次認知。

2.提供各種鍛煉高階思維水平的活動與實踐

高水平思維要求學生能夠表達內容的不確定性，學習中提出自己的活動路線，從多種視角進行認知，能夠對某個觀點賦予意義，并在思考后能夠對知識做出判斷（如圖2）。學生需要參與到高水平思維活動中來，不斷地思考，對各種信息和觀念進行加工轉換，基于新經驗與舊經驗進行綜合和概括，解釋有關的現象，形成新的假設和推論^[6]，并通過一定的方式做出檢驗。科學的原理、技術的方法、工程的實踐以及數學的理性和邏輯是STEM教育的核心。教師要為學生提供整體認知的機會，真正理解STEM教育不是四種知識的拼盤，而是思維方式和實踐方式的融合。

3.促進學生構建有意義的知識網絡

在STEM教育中，教師不僅要拓展學生的知識廣度，加深他們對特定領域知識的理解，更要幫助他們建立起知識之間的關聯?？鐚W科教學能夠促進學生構建這種知識間的關聯，讓他們發(fā)現知識內在的邏輯，從而對知識產生深刻理解，并能夠從知識的本質出發(fā)進行理解、應用、拓展和創(chuàng)造，有意識地整合知識。通過這種方式，學生的知識不僅在數量上有所增加，認知深度也得到了拓展，并會將認知體系中的概念根據抽象程度與親疏關系建立網狀關系，形成大的、可以解決問題并有效應用于豐富情境的“組塊”。這種“組塊”化的知識結構就是專家知識的存儲方式，具有優(yōu)越的保持性和遷移性^[7]。

三、基于認知學徒制的跨學科教學模式

結合我們團隊的研究工作，筆者構建了基于認知學徒制的跨學科教學模式。

（一）基于認知學徒制的跨學科教學模式基本要素

一是問題或任務。問題或任務一定要實現跨學科整合，與學科教學緊密關聯。教師應根據問題或任務情境進行不同學科知識的重組，確保核心概念都有跨學科項目覆蓋，以保持知識結構體系的整體性。

二是學習共同體。教師要營造社會化學習情境，鼓勵學生與同伴在學習共同體中協(xié)作和表達，同時，教師還應提供指導、示范、建議、支架，外顯專家的思維過程，以便學生觀察并模仿。

三是過程。教師應設計不同層次的認知支架，確保學習活動的復雜度逐層遞進。在平鋪式項目的基礎上，教師更應關注認知遞進式項目，并在活動過程中體現出支架和活動的設計。這樣一來，當支架逐漸淡出時，學生能夠獨立探究，并在問題解決的過程中持續(xù)改進。

四是證據導向的評價。教師應采集學習過程中產生的一系列證據，以對學生進行高階能力的評價，并在評價后及時反饋與改進。

（二）基于認知學徒制的跨學科教學模式

技術支持下基于認知學徒制的跨學科教學模式（如圖3）主要包括七個步驟。

1.明確教學目標：指向深度學習，培養(yǎng)學生高階能力

教學目標設計一定要指向科學的原理、數學的邏輯，要涉及核心素養(yǎng)以及學科核心概念的思維方式訓練，培養(yǎng)學生的高階能力，旨在學生能將所學知識靈活遷移到不同情境中，實現以核心素養(yǎng)導向的教學。

教師應借助技術創(chuàng)設類似真實生活的問題情境，情境中蘊含著教學目標，讓抽象的書本知識與現實生活進行關聯和融合，設計出有意義的項目和問題。利用3D技術、計算機交互技術或虛擬現實技術，教師可創(chuàng)設真實的問題情境（如圖4）。教師還可以基于計算機代理提供認知支架，并通過在線協(xié)作支架維持學習共同體，創(chuàng)設社會化學習情境。

2.學習任務設計：聯系真實世界，基于跨學科整合設計問題或項目

教師在設計學習任務時，要以問題或項目為載體，在確保基礎學科知識完整性的基礎上，基于真實世界和學生的生活經驗，將分學科的知識按問題邏輯或項目邏輯進行跨學科重組。跨學科學習課程的設計和實施，還應在學科知識的系統(tǒng)性與解決實際問題中所獲知識的隨機性之間保持一定的張力和平衡。教師要基于整體知識結構來系統(tǒng)性設計問題，使各問題之間包含的學習議題多次地相互鄰接和交叉重疊^[8]。

項目化學習或者跨學科學習的優(yōu)點是能使知識在情境中呈現，缺點則是打破了知識體系的良構性。如果問題或任務設計不當，可能會導致學生只在某些知識領域得到充分訓練，而其他知識領域則被忽視。因此，在項目設計過程中，教師必須確保涵蓋所有核心概念和關鍵能力，以便學生能夠全面而均衡地掌握學科知識。

教師可通過知識圖譜實現系統(tǒng)化課程設計。知識圖譜作為課程設計工具，可對課程的核心知識及其關系予以可視化展示與管理（如圖5）。設計學習問題或項目時，教師要分析其涵蓋的知識，并與知識圖譜進行關聯。當所有學習項目都與知識圖譜關聯時，教師可以清晰地看到每個知識點上學習項目覆蓋的頻次與強度。如果某個知識點出現結構性缺失，教師可通過定向覆蓋的學習問題或項目設計進行平衡調節(jié)^[9]。

3.學習活動規(guī)劃：學生主動探究問題或任務，體驗獲得知識的過程

學習活動的規(guī)劃應以學生為中心，讓學生在真實的問題情境中積極主動地學習，在教師指導下，像專家一樣思考和解決問題，通過理解問題、探究問題、表達觀點、進行反思和不斷改進，真實地體驗獲得知識的過程，建立不同知識之間的關聯、形成跨學科概念和理解，并靈活地遷移到不同的情境中。

在學習活動規(guī)劃方面，本文主要強調兩個關鍵點：一是項目活動的實施應當線上線下相結合。線下活動負責操作、邏輯推演等任務，線上則利用多樣化數字工具支持活動的開展（如圖6），同時外顯學生的思維過程，以便于成果的展示。二是活動任務應具有結構化設計，做到逐層遞進（如圖7）。這不僅僅是指解決問題的邏輯要逐層遞進，還要求學生認知投入的層次也能像爬山一樣逐層遞進。

4.借助技術或工具：可視化學習過程、外顯化心智活動，促進學生反思和調節(jié)

在跨學科學習過程中，教師借助技術可以搭建腳手架，向學生演示專家思維過程，在學生解決問題過程中，支持學生探究和反思高階思維活動，觸發(fā)學生產生各類學習證據，以便教師監(jiān)控、指導和開展基于證據的評價。

活動有記憶、理解、應用、分析、評價、創(chuàng)造等不同的認知層次。不同認知層次的活動，對應了不同的行為動詞和不同層次的實踐性活動。教師要通過一定的方法把學生線下的作品或線下的操作數字化，從而實現學生思維的外顯。如北京師范大學未來教育高精尖創(chuàng)新中心團隊研發(fā)的證據導向的項目式學習系統(tǒng)（Evidence-based Project Based Learning System， E-PBL）提供了很多認知工具，不僅讓學生獲得了知識，還體驗了獲得知識的過程，并通過知識外顯工具，將學生的思維過程、完成任務的過程展現了出來。

5.學習社群創(chuàng)設：師生共同參與構建學習共同體

教師要創(chuàng)設社會化學習情境，促進學生表達、反思和批判。以小組協(xié)作學習、師生共同參與構建學習共同體的方式開展跨學科學習，能通過學生之間的交流和清晰表達，將學生的學習過程外顯化。教師監(jiān)督學生的學習過程，提供指導、示范，或搭建腳手架，使得專家思維過程外顯化。學生從中觀察和模仿，學會像專家一樣思考和解決問題。

6.過程證據的采集：搜集學習活動中產生的各種證據

學習證據是證明和反映學習活動得以發(fā)生的事實性材料和學習者的外在表達，它是判斷學習活動發(fā)生和證明學習成果的基本依據。從外在表現形式來看，學習證據的形態(tài)主要有實物、書面報告、口頭報告、表演、自我評價報告以及他人評價報告^[10]等?；谡J知學徒制的跨學科學習強調學生真實地體驗獲得知識的過程，學生圍繞問題或任務，思考、探究、討論、計劃、調查、創(chuàng)造等。采集這一過程中的一切學習證據，可為后續(xù)評估和過程性反饋奠定數據基礎。

如今，已有不少支持學習證據采集的技術，如平臺采集類技術記錄學習軌跡，傳感器記錄學習狀態(tài)，教師觀察記錄行為數據。傳統(tǒng)方式也可以搜集線下不同類型的學習證據，如測驗練習、作品實物、思維導圖。教師還可通過各種交互活動采集學生的過程行為表現，基于行為表現數據可視化學生的心智過程。過程數據的分析和可視化，可以幫助學生回顧、重演問題解決過程，促進反思和調節(jié)。比如，教師可視化展示小組成員在認知、情感、社會等方面的貢獻，學生可以對比自己與隊友、自己所在小組與表現較好的小組在行為表現上的差異。

7.證據導向的評價：面向學習過程和結果，基于證據開展多樣化評價

學生做完項目以后，掌握了哪些知識、發(fā)展了哪些思維、有哪些思維方式、素養(yǎng)能力發(fā)展水平如何，教師都能夠通過可視化分析報告，對其認知過程有所了解。此外，學生在知識遷移過程中有哪些關鍵障礙，怎么突破這些障礙？做完項目以后，學生掌握了哪些核心概念，掌握了哪些概念之間的關聯？……也都可以通過可視化分析報告的方式呈現出來?；趯W生的行為數據以及學習中間過程的證據數據，教師就可以評價學生的高階能力發(fā)展水平，并對學生進行科學的指導。

注：本文系余勝泉教授在第八屆 2023 STEM+ 創(chuàng)新教育學術交流研討會所做主旨報告的整理稿。

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（作者系北京師范大學教授、博士生導師，未來教育高精尖創(chuàng)新中心執(zhí)行主任，國家基礎教育信息化教學指導委員會副主任）

責任編輯：牟艷娜