基于设计的跨学科STEM教学对小学生跨学科学习态度的影响研究Word格式文档下载.docx

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15G080）研究成果。

一、引言

2016年教育部发布的《教育信息化“十三五”规划》中提出“积极探索信息技术在跨学科学习（STEAM）教育、创客教育等新的教育模式中的应用，促进学生的全面发展[1]”。

随后，2017年6月《中国STEM教育白皮书》指出，应将跨学科STEM（科学、技术、工程、艺术与数学）教育纳入国家创新型人才培养战略，是全社会共同参与的教育创新实践[2]。

从中可以看出，跨学科STEM教育对当今知识经济社会及其重要，如何开展跨学科STEM教育也成为教育工作者深思的问题。

传统分科式教育将课程按照具体学科划分，不利于学生对知识体系部分到整体的把握和理解，更割裂了学生与真实世界的有机联系[3]。

如何在融合学生与真实世界的联系的同时，帮助学生打好扎实的科学、技术、工程与数学知识，培养学生问题解决、科学探究、创造发明与交流合作的能力，提升学生学习跨学科内容学习的兴趣是本研究的重点，其教学模式创新成为STEM教育研究者亟需解决的关键问题。

二、文献综述

（一）跨学科STEM教育

STEM教育概念最初源于美国，是科学、技术、工程与数学的首字母缩写。

当前国内外的主流教育体系中，科学、技术、工程和数学四门学科在K12教育中通常作为分科课程进行教学[4]。

2017年2月，教育部颁布《义务教育小学科学课程标准》，我国首次以科学课为依托，提出STEM教育的标准[5]。

该标准强调STEM教育的核心是一种跨学科的学习方式。

跨学科的学习方式的内涵在于通过四门学科的有机整合，培养学生能够综合运用科学、技术、工程和数学等相关领域知识解决生活中的实际问题，从而培养学生的问题解决能力、创新能力和综合实践应用能力[6]。

20世纪90年代，著名的新进步主义代表人物詹姆斯.比恩在杜威的教育思想的基础上，提出了课程统整的理念，强调学习者经验的重要性。

学习应以儿童和社会问题为中心，由师生共同设计、建构意义，即通过选取自我和社会共同关注的主题或问题，形成基于主题的概念网，确定与大概念相关的活动，然后开展活动，呈现结果，共同制定评价规则与方法，开展评价[7]。

2016年9月，美国教育部发布《STEM2026：

STEM教育中的创新愿景》。

该报告提出了六大原则，强调跨学科STEM的教与学融合的重要性。

六大原则为STEM的融合提出了指导性建议：

网络化且参与度高的实践社区、设计的游戏和冒险的学习活动、包含跨学科方法解决“大挑战”的教育经验、灵活且包容的学习空间、创新且可操作的学习测量、多元化且多机遇的社会文化影像[8]。

美国《下一代科学教育标准》强调跨学科的大概念，指出不同科学领域统一的思维方式，需要明晰跨学科大概念，将不同学科领域中相互关联的知识组织成连贯条理的客观世界[9]。

因此，跨学科STEM教育强调以真实问题或主题为驱动，利用科学、技术、工程、数学以及艺术等多学科相互关联的跨学科概念知识解决问题，实现从跨学科知识综合应用的角度提高学生解决问题、探究和创造的能力[10]。

在实践过程中，学生融入多元的社区实践环境中，切实参与到实践活动中，主动、积极地通过观察与操作获得真实的学习与动手体验，深层次建构多学科知识，最终实现跨越学科边界，运用多学科综合知识解决问题，培养综合能力[11]。

（二）基于设计的跨学科STEM教学与课程项目

学科融合过程中，不同的理论框架和教学模式不断涌现。

其中，基于设计的学习一直得到广泛的关注。

基于设计的学习（Design-BasedLearning），简称DBL，其课程项目最早于1996年由乔治亚技术学院Kolodner教授提出[12]。

STEM课程的雏形最初以科学与数学的整合为主，美国数学教育家JohnPerry提出应协调数学与科学的关系，更好整合两者的教学[13]。

之后，以科学课为主导，工程设计作为实践过程，同时少量融入信息技术或数学的课程迅猛发展。

在此背景下，基于设计的学习应运而生。

2004年密歇根大学Fortus教授提出基于设计的科学DBS（Design-basedScience），DBS的学习环框架分为五部，第一步，鉴别与定义情境，提供学生与任务相对应的情境；

第二步，背景研究，教师展示新的科学概念，告知学生阅读材料，以及如何调查与收集相关信息；

第三步是开发个人与集体观念，学生结合调查的背景，自己设计解决方案，然后配对讨论，在小组中展示他们的解决方案，将个人观念与小组观念融合；

第四步，建构产品，每个设计小组分成两对，每两个学生一同建构模型，最终开发产品；

第五步，反馈，学生相互进行评价，互相提供反馈[14]。

2015年斯坦福大学教育学院教授Kim开发基于设计的学习课程，该课程学生开发自己的实验设计，利用推理与问题解决思路投入到问题的解决中，同时在主题式整合背景下利用脚手架评价与报告科学现象[15]。

2015年乔治亚大学高级创新学习研究中心的IkseonChoi教授领导的团队开发基于设计的整合STEM机器人学习课程，该课程面向五年级学生，使用基于情境与场景的学习环境，通过机器人应用工程设计过程、科学探究、数学思维与计算思维。

总之，基于设计（DBL）的STEM课程强调从主题或真实问题出发，以科学为主导，融合数学与技术，以工程设计为载体，探究新的解决方案，最终迭代形成完善的作品。

（三）跨学科STEM学习态度

积极的跨学科态度可减少学习者面对跨学科STEM学习挑战所产生的畏难情绪，帮助学习者在迁移的新环境中平稳过渡地学习高阶STEM课程[16]。

因此，测量跨学科STEM学习态度是了解学习者STEM课程学习成果的重要指标之一。

虽然许多测量工具都为测量学习态度提供了坚实的基础，但将多学科的态度放在同一个尺度上进行测量的工具很少，能准确测量针对STEM课程或项目的学习者跨学科STEM态度的评价量规十分有限。

在此背景下上，Mahoney专门为跨学科STEM教育开发了态度调查问卷，STEM课程项目较之于其他传统的课程而言，学习者面临着新的教育材料、形式和内容，因此，在课程实施中，学习者面对新的挑战和变化，会有哪些意识？

是否觉得STEM课程有价值？

在学习的过程中，学习者对自我效能（能力感知）是否满意？

参与课程学习后，是否愿意进一步从事STEM相关职业？

因此，《跨学科STEM问卷》结合前人开发的CBAM态度问卷和TEO态度问卷，融合STEM课程的特点，设计了跨学科STEM学习态度问卷的四个维度，即“意识”“能力感知”“价值”和“倾向”。

该问卷经过STEM教育专家小组三轮审核。

第一轮确保主成分分析和文献综述结果一致,有较好的效度。

利用Cronbach系数分析得知每一个组成分的信度系数也非常高。

随后，问卷进行第二轮修改，随后发放到一所开展STEM教学的高中和一个传统的预科大学进行先行对比实验，跨学科STEM教学的态度展现出高的信度与效度[17]。

毫无疑问，跨学科STEM教育已成为我国重要发展战略，目前我国小学STEM教育开展状况方兴未艾，正努力跨越传统分科式教育的弊端，建立学生与真实世界的联系，将多门学科知识进行深度融合，培养学习者高阶思维能力和核心素养。

但如何开展跨学科STEM教育，创新教学模式成为STEM教育研究者亟需深思的问题。

基于此，笔者提出基于设计的跨学科STEM理论框架。

研究问题如下：

基于设计的跨学科STEM理论框架是怎样的？

由哪些层次要素组成？

基于设计的跨学科STEM教学是否可以促进学习者的跨学科学习态度？

三、基于设计的跨学科四层STEM理论框架

本团队提出的基于设计的跨学科STEM理论框架融合詹姆斯.比恩（JamesA.Beane）的“主题-概念-活动”的课程统整理念，DavidFortus提出的基于设计的“科学环”教学流程，美国《下一代科学标准》NGSS提出的跨学科大概念，以及国际《STEM2026：

STEM教育中的创新愿景》中的未来STEM发展要素，结合在两所合作小学——武汉经济技术开发区实验小学和华中科技大学附属小学两年来指导STEM课程开发的实践经验，建构基于设计的跨学科STEM理论框架。

该模型共有四层，如图1所示，从内到外依次分别为：

学科内容层、跨学科大概念层、教学设计层、学习目标层。

从学科内容层而言，以主题为入角点，融合科学（S）、技术（T）、工程（E），数学（M）等多学科（STEM）内容，归纳分析学科共性特征和内容，探究学科间交叉内容，实现学科与学科内容的跨越。

其中，数学强调问题解决与知识本体，科学作为学习的情境和迁移的知识概念，科学探究过程与问题解决过程作为高阶能力培养的基石。

工程设计作为STEM内容的催化剂与整合器。

工程设计将科学、数学、技术与艺术放在一个平台上，给学生提供一个系统的流程解决问题。

通过产品的设计与开发，将数学问题解决与科学探究融合其中，技术则是知识本体、工具，或者设计、生产与研究的过程。

通过学科内容与过程的整合，实现学科与学科内容的跨越。

从跨学科大概念层而言，以凝练跨学科的核心概念作为核心，即凝练“抽象与具体、数量与比例、图式与模式、结构与功能、原因与结果”等多对跨学科的核心大概念，对核心概念进行细化分解以及横向联结，实现学科大概念的跨越。

从教学设计层而言，该层是教学实施的核心，教学实施依次从五个核心要素依次按步骤实施，并迭代循环，实现跨学科学习过程的跨越。

五个核心要素分别为：

第一步，确定主题、鉴定情境；

第二步，田野学习、形成概念问题；

第三步，探究主题与开发观念；

第四步，开发原型与构建产品；

第五步，评价反馈与分享展示。

该过程的核心是基于主题情境，设计产品。

学生在设计过程中，将科学知识与真实世界的问题解决进行整合。

学校教学被批判的原因之一在于学生的经验与真实社会情境是脱离的[18]。

通过设计过程，学生观察真实社会与生活，选取“弱构”的主题，开展田野学习，在教师引导下深入社会，调查背景，逐步明晰跨学科的概念网，重新建构真实社会与学科知识的关系，对观念进行深入的挖掘和探究，以问题解决为导向开始开发产品原型并不断构建产品，然后与同伴相互反馈评价，迭代完善产品，最后分享展示，实现跨学科学习过程的跨越。

从学习目标层而言，该层注重学生21世纪核心能力的培养，实现学生跨学科认知、情感与能力的跨越。

受传统课程观影响，研究者和教师往往将教学视作知识的习得，只追求知识的结果，而不注重知识习得的过程，注重构建系统的知识内容而忽略知识探究的方式[19]。

该层强调在前三层的实践中培养学生跨学科概念的习得，跨学科态度的转变，以及问题解决能力、探究能力、工程设计能力以及协作能力的培养，实现学习思维的跨越。

四、基于设计的跨学科STEM课程《水之旅》教学设计与实施

（一）基于设计的跨学科STEM课程《水之旅》教学内容与目标分析

基于设计的跨学科STEM课程《水之旅》教学内容分为学科核心知识内容和跨学科大概念，教学目标从认知、能力与情感三维阐述，其中认知通过教学内容的“核心知识内容和跨学科大概念”呈现。

课程《水之旅》是经济技术开发区实验小学四年级开展的STEM综合实践主题课。

其教学内容与目标分析如表1所示。

（二）基于设计的跨学科STEM课程《水之旅》教学设计与实施

基于设计的跨学科STEM理论框架突出“跨学科”和“基于设计”的过程。

跨学科强调通过主题打通学科与学科的界限，通过不同的学科视域透视关于“水”的多样性问题，构成不同学科能力要求的STEM教学设计，即培养科学（S）的探究能力、技术（T）协作能力、数学（M）的问题解决能力以及工程（E）设计能力。

结合基于设计的跨学科STEM理论框架第三层的教学设计，按照科学的思维步骤，开展学习活动。

具体的教学设计与实施图如图2所示。

该教学在武汉经济技术开发区实验小学四年级实施应用。

1.学生确定“水”主题，鉴定“水浪费”以及“水污染”的社会情境，初步形成问题解决的能力

真实生活情境是指当地社区或者地域相关的社会与文化情境。

将真实生活情境问题引入到中小学阶段教育或课后项目活动中，整合STEM教育经验和资源，解决真实世界的社会文化问题。

跨学科STEM课程核心在于为学生营造一个真实的学习情境，学生在教师的引导下自发发现和提出一些社会生活中关注的重大主题，例如，生态失衡、环境污染、资源短缺等，这些均是STEM课程教育素材。

学生选择《水之旅》作为主题，“我觉得地球上大部分都是水，所以我想调查水”“我觉得水资源特别珍贵，我们住在长江边，每天都能看见水，可是有些地方的小朋友很缺水，我觉得要珍惜水资源，所以我选择水作为主题”。

如图3所示，学生选择水作为自我和社会方面共同关注的焦点问题，通过画海报的形式抒发自己对水为主题的相关问题的关注。

2.学生开展田野学习，形成“节约水”“净化水”的问题概念，进一步形成问题解决的能力

学生到供水厂、污水厂开展田野学习，在学习过程中，逐步形成“节约水”“净化水”的问题概念。

实验学校对供水厂和污水厂进行实地考察，与当地社区等组织进行资源整合，共同打造具有地方特色的实践社区。

首先将供水厂的专业人员请到学校里开展知识讲座，随后让学生深入开展田野学习，到供水厂污水厂了解一手资料，了解水是如何供给市民的，以及工厂如何治理污水，对背景进行调查研究，在真实的环境和情境中学习，加深对知识的内化。

学生在供水厂和污水厂的田野学习中，明确探究的问题“如何节约水”以及“如何净化水”，学生在供水厂按照“取水—沉淀—过滤—入请水库”的过程参观了水是怎么净化后送到家家户户的。

学生在参观过程中，提出多样化问题“家里停水是不是因为水厂没水了？

”感叹家用水来之不易，“天哪，原来我们平时喝的水这么不容易得到啊！

”“治理污水真的好复杂，我们要爱惜水”。

如图4所示，学生在供水厂开展田野学习。

学生在参观完供水厂和污水厂后，按照教师要求画出自来水厂净水过程流程图和污水处理流程图，设计智能污水处理系统，为后期制作污水净化装置做准备。

如图5所示。

3.学生探究“每天生活用水量式多少”“如何节约用水”，开发“节约水”的观念，促进科学探究和问题解决能力的培养

学生根据田野学习产生的问题“如何节约水”，以小组为单位开展问题分析、提出假设、搜集证据、即搜集数据、分析和处理数据，最后验证假设得出结论的科学探究活动。

如图6、图7所示，学习者协作开展科学探究活动，探究“每天生活用水量是多少”“如何节约水”，学习者根据自己的生活经验提出问题“一家人每天要使用多少生活用水”，提出假设，“假设每日基本用水量为多少”，然后制定观察计划，在家收集“洗菜、洗碗、刷牙、洗脸”等多元用水量数据，然后分析与解释数据，最终得出结论和解决问题的建议，“淋浴时间应该减少一些，洗碗的时候应把水龙头调小一点”。

4.学生开发污水净化装置原型，建构制作净水装置产品，以期“净化水”，促进工程设计的能力

美国科学教育标准（NRC）中定义设计过程为鉴定和定义问题，收集分析数据，定义解决问题的标准，制作原型，评价和选择合适的解决方案，实施方案，最终评价结果[20]。

该实践活动共6课时，依托课程为科学课和信息技术课。

首先，学生定义待解决的问题，即如何进行污水处理，净化水资源。

随后，学生利用网络收集和分析信息：

“治理污水的工具有哪些？

需要采购哪些设备和工具？

这些材料和工具需要满足哪些标准？

如何利用科学的方法设计制作解决水污染问题的产品？

”如图8所示，学生协作制定解决方案和确定解决方案的标准。

制定基本解决方案和材料标准后，学生完成教师布置的设计任务单，设计构建污水净化器的原型。

学生进行小组合作，将前期参观污水厂获取的信息、网络获取到的信息以及科学课学习到的知识进行整合，绘制污水净化器的原型。

图9是学生设计的污水净化器，该设计注重分层处理污水，将物理与化学方法相结合，通过将污水进行聚集、净化、检验、聚集的方式对污水进行处理，并写到“这样就不用浪费水了，污水可以变成纯净水，二次利用咯”。

学生绘画污水净化装置设计图后，在教师指导下，不断优化设计。

其后，结合设计图，实施制作污水净化器，并测试污水净化装置并评估。

图10为学生制作污水处理净化器的实施过程。

5.学生结合教师、同伴与自我评价反馈，分享展示“节水报告”“污水净化器”等产品与作品，最终促进问题解决能力和协作能力的培养

学生将所学的知识运用到《水之旅》的主题学习中，设计制作以科学探究、数学问题解决为内核的多元产品，学生最后以报告的形式展示和分享得到的结论和建议。

展示“节水报告”“污水净化装置”等产品与作品。

在STEM+A（艺术）的分享与展示中，学生还将设计的海报、图画、书法、编排的戏剧、定格动画融入，将自身情感与知识经验融入，形成各具特色的设计报告、方案和成果作品，在创造过程中体验快乐和学习的乐趣。

五、基于设计的跨学科STEM教学效果测评

（一）研究目标

本研究设计单组前后测实验，选取武汉经济技术开发区实验小学四年级参与跨学科STEM课程的265名小学生为研究对象，其中男生133人,女生132人。

以基于设计的跨学科STEM教学为自变量，以学生的跨学科学习态度为因变量，采用《跨学科STEM态度量表》为测量工具，探讨全校范围的基于设计的跨学科STEM教学对学生跨学科学习态度的影响。

（二）测量工具

问卷改编自Mahoney开发的基于STEM的学生态度问卷[21]。

该问卷从意识（Awareness）、价值（Value）、能力感知（PerceivedAbility）、倾向（Commitment）四个维度调查学习者对跨学科STEM的学习态度。

每个维度共7道题，共28道题目，分别调查学生对STEM课程以及对科学、数学、信息技术与工程的态度。

问卷采用李克特五分量表，每题陈述有“非常同意”“同意”“不一定”“不同意”“非常不同意”五等选项。

问卷具有良好的信度，在意识维度上，Cronbach的Alpha值为0.864，在价值维度上，Cronbach的Alpha值为0.86，在能力感知维度上，Cronbach的Alpha值为0.80，在倾向维度上，Cronbach的Alpha值为0.82。

均在0.7以上，问卷具有较好的信度。

学生在参与以水为主题的STEM课程前填写前测问卷，在结束STEM课程后填写后测问卷。

（三）实验研究数据分析

为了检验基于设计的跨学科STEM教学对学生跨学科学习态度的影响，在该教学开展的前后对学生进行了问卷前后测量，数据分析使用SPSS与Excel软件进行描述性统计分析与推断性统计分析。

1.学生在开展跨学科STEM学习之前跨学科学习态度均值较高，在经过基于设计的跨学科STEM学习后，学生的STEM学习态度在意识、价值、能力感知和倾向维度上均值有提升。

如图11所示。

如图11所示，调查结果显示，学生整体STEM学习态度本身就较高，意识、价值、能力感知与倾向维度上均值分别为4.32，4.47，3.7和4.17，可能得益于该实验学校开展了近两年的创客学习，学生在创客学习的过程中，对信息技术、工程设计与制作、数学与科学融合的实践课有较为浓厚的兴趣。

在开展跨学科STEM课程后，学生在意识、价值、能力感知与倾向维度上有不同程度的提升。

可见，STEM课程的学习促进学习者对基于设计的跨学科STEM学习更感兴趣，理解其价值，对自己的跨学科能力更自信，并增强未来从事STEM相关工作的意愿。

2.学生在经过基于设计的跨学科STEM课程学习后，在意识和能力感知维度上均值有显著提升，数据结果如表3所示。

数据分析使用配对样本t检验。

在经过基于设计的跨学科STEM课程学习后，学生的STEM学习态度在意识和能力感知维度上有所提升。

在对STEM课程的整体意识维度上，学生对STEM课程的喜爱有显著提升（m前测=4.32，m后测=4.45，t=-2.89）。

在对STEM课程的能力感知维度上，学生对STEM有更强的能力感知，认为“STEM课程对我而言很容易”（m前测=3.70，m后测=3.95，t=4.50），在价值和倾向维度上，有部分题目显示出显著差异性，价值维度上学生表示“STEM课程对我而言，很有帮助”显著增加（m前测=4.31，m后测=4.52，t=3.27，p=0.00），在倾向维度上，学生表示“我以后想从事STEM相关工作”的意愿显著增加（m前测=3.98，m后测=4.25，t=2.78，p=0.01）。

3.在单个学科维度上，学生通过跨学科STEM学习后，在意识上认为数学和科学更有趣味性；

在能力感知方面，认为信息技术和工程变得更容易，具体数据结果如表4所示。

在单个学科维度上，学生通过基于设计的跨学科STEM学习后，在意识上，认为数学与科学更有趣味性（t数学=-2.98，p=0.00，t科学=-2.27，p=0.02）；

在能力感知上，认为信息技术和工程学习更容易（t信息技术=-2.40，p=0.02，t工程=-3.72，p=0.00）。

六、总结与思考

本研究采用基于设计的跨学科STEM理论框架进行教学设计与实施，该模式强调通过主题联通学科，开展基于主题的全校范围的跨学科STEM学习，同时，以工程设计为核心，开展解决真实社会生活问题的学习和注重科学探究过程的学习。

研究采用单组前后测准实验研究法，对学生跨学科STEM态度进行分析。

研究发现。

（一）从跨学科STEM学习意识维度而言，学生在真实社会生活情境下的“水”主题学习中潜移默化的融入跨学科意识。

学生对社会方面共同关注的焦点问题“水”兴趣浓厚，希望进一步从多学科融合的视角了解“水”的相关概念与知识。

学生自发的在中午课间催促同组的伙伴“某某某，快来开会了”，午托时间是学生们自主活动学习《水之旅》的时间，学生自由组合，分工明确，共同制作“保护水”的科学与英语绘本。

事实上，该跨学科STEM教学模式的益处在于，主题是学习者感兴趣的社会话题，学生的学习融合数学、科学、工程设计与信息技术，甚至融合语文、英语和综合实践课程。

学生在意识上不断的将真实生活的问题情境建构到跨学科知识中。

“我很感兴趣水是怎么形成的？

”“我想知道家里自来水是如何产生的？

”“家里每天用了多少水呢？

”“我准备上网搜搜污水处理有哪些步（骤）？

”“我觉得净水器太酷了”。

学生在协作学习的过程中提出的问题和话语建构中展现出物理、化学等科学概念以及信息技术和工程实践概念与知识。

在“水之旅”主题的学习中，潜移默化的融入跨学科意识。

（二）从跨学科STEM学习价值维度而言，学生在学习过程中，能感受到通过跨学科知识和概念解决共同主题问题的价值。

A学生感慨“原来水的过滤这么复杂，要经过这么多道工序呀，设计这些的科学家真了不起！

”B同学说道“我