基于逆向设计的STEM教育

基于逆向设计的STEM教育

蒋雄超

1986年，在《本科的科学、数学和工程教育》的报告中，美国国家科学基金会（NSF）首次明确提出“科学、数学、工程和技术教育集成”的纲领性建议。STEM教育逐步进入各国课堂，受到人们的关注和重视。

2017年，中国教育科学研究院发布了《中国STEM教育白皮书》，指出“STEM教育应该纳入国家创新型人才培养战略，是跨学科、跨学段的连贯课程群，是面向所有学生培养综合素质的载体”。

2018年12月，美国政府又颁布了STEM教育“北极星”计划，旨在通过科学、技术、工程和数学教育建立一支强大的人才创新队伍。由此可见，STEM教育作为一种教学思想和策略，已成为培养创新人才的重大举措。

一、STEM教育的现状与存在的问题

尽管STEM教育的意义如此重大，但在当前的STEM教育中，教师通常以演绎的方式安排任务，根据内容设计教学活动，关注活动形式的多样化，导致学生学习内容过于宽泛，知识间缺少有机联系，学习体验华而不实。这都偏离了STEM教育的本质。

（一）重活动，轻知识

STEM教育强调综合运用跨学科、多学科知识以解决现实中的问题，培养学生的创新精神和实践能力。它的本质是用形象、生动的方式，强化多学科、跨学科知识的学习。

然而，对STEM教育的认识偏差，使其呈现活动导向的误区。教师热衷追求多样化的活动，营造活跃的课堂气氛，并没有真正理解STEM教育在培养学生掌握知识与技能并灵活应用方面的作用，忽视学生对问题现象的思考和质疑以及在探究中培养掌握相应知识与方法的能力。

（二）重模仿，轻创新

STEM教育强调实践，是对已有实践导向、创新导向的各类教育样式的继承与发展，如设计、发明、制作等。学生由此获得更多的动手的机会，但它的重点不是让学生掌握某项技能，而是在亲身体验中获取对知识的深层次理解，在此基础上开展创意创新。

但很多时候，这种“做中学”容易异化成手工课，缺少与学习内容相关联的内涵知识分解，让学生被范例牵着走，STEM学习探究仅停留于技能培养与模仿层面，创新能力的培养价值被弱化。

二、基于逆向设计的STEM教育实施框架

STEM教育强调过程的模糊性与结果的明确性，强调多学科融合的实践探究，注重创新精神和实践能力的培养，而传统的授课方式并不能满足学生在STEM教育活动中的体验。因此，借鉴逆向设计理念，开展基于逆向设计的STEM教育，为学生内化知识行为，实现深度理解

STEM教育理念基础上对所学内容进行思辨和创新，为学生有效地将知识与技能用于解决实际问题提供了思路。

基于逆向设计的STEM教育以想要的结果为起点，根据所要求的学习证据和用以协助学生学习的教学活动来达成目标。它的实施框架主要包括明确预期的学习结果、确定达到预期效果的评定证据和安排相关的教学活动三个方面。

（一）明确预期的学习结果

预期的学习结果，即学生在完成STEM学习后应该知道什么，能够做什么，涉及的哪些内容需要深入理解。因此，在基于逆向设计的STEM教育中，教师要对STEM教育主题和学生学情进行分析，明确活动中学生应该知道的知识、具备的技能、值得探究的内容概念等，然后确定符合学生发展的目标。这一环节是逆向设计的关键，具有导向性作用。

（二）确定达到预期效果的评定证据

评定证据是确定学生达到预期学习结果的评价标准和依据，是基于逆向设计的STEM教育的重要特点。这一评估环节在了解学生反馈的基础上能够进一步指导后续教学，确保教学活动与学习目标相匹配，并使教师的教与学生的学以预期的学习结果为中心。总的来说，它要以兴趣激发、问题识别、实践操作、问题解决、合作交流等作为评价维度，为教师开展有效的STEM教育提供证据。

（三）安排相关的教学活动

明确结果和合适的评估证据后，教师设计和安排教学活动，选择相应的教学策略和方法。通过引导性问题，让学生找寻问题本质，获得真正理解且利用跨学科知识解决问题的能力，培养学生在不同情境中灵活应对问题的能力。

例如，采用基于问题的探究学习、基于项目的问题解决学习等方式，确保学生所学的是主要概念和原理，而不仅仅是孤立的知识。

三、基于逆向设计的STEM教育学习样态

基于逆向设计的STEM教育实施框架，在具体学习环节中，通过先行明确教学目标、评价标准和评价方式，再逆推教学活动设计，抓住关键问题并挖掘学科核心概念和知识，最终促进STEM教育学习目标的达成。

（一）明确达成目标

在基于逆向设计的STEM教育初始，教师要从学生的立场出发，让学生明确需要达到的目标、期望完成的任务、所学内容的价值等，并视情况安排检测学生学情。

例如，在“投石机”的目标设置中，外层表示学生应当熟悉的内容，不需深入探讨，只需大概了解；中间层表示学生应掌握的必备知识（概念、原理）和技能（过程、策略和方法），是学生达成目标的前提；内层则表示学生应深入理解的内容，是学习的核心（如图1）。

（二）激发学习意愿

STEM教育往往由真实问题来驱动，问题是基于逆向设计的STEM教育的关键。目标确立后，教师应在教学活动中充分利用和主题密切相关的核心问题或真实情境任务激发学生的学习意愿，引导学生主动思考，提高参与度。

例如，“投石机”一课中，播放投石机攻城的视频之后，教师通过问题判断学生对什么是投石机是否有了大概的认识；随后开展实物观察，了解构成投石机的各部分及它们的作用，建立初步的设计观念；最后，利用材料尝试搭建结构，在稳定性、弹性、韧性、杠杆撬动等任务体验中，体会投石机整体与部分的关系，激发学生深入探究的热情。

（三）深化探究主题

一个优秀的STEM教育活动，体现的是学生像科学家一样思考，像工程师一样解决问题，主动发表见解、观点，在逐步探究中深化对知识的理解。因而，教师在基于逆向设计的STEM教育中，需要思考帮助学生更好掌握基本知识、探究核心问题、优化学习表现的方法。

无论采用哪种方法，其设计都应以教学目标为依据，根据教学目标设置评价任务，预期学生应有表现开展教学，教学目标、评价任务、预期表现和教学活动的每一点都是对应的。如此，学习才能成为发现证据的过程，评价嵌入学习过程，不断促进目标的达成。表1是“投石机”一课中确定达到预期效果的评定证据和教学活动。

表1

“投石机”中确定达到预期效果的评定证据和教学活动

（四）反思学习过程

STEM教育强调学习过程中知识的累积和技能的获得。因此，基于逆向设计的STEM教育反思，重点在于对学习活动过程的检测和诊断。当完成STEM学习后，教师需要为学生提供反思和再思考的机会，利用反思进一步改善学生的学习并系统梳理知识。

一是过程的反思，如自身参与活动的积极性、小组间的合作交流、归纳整个证据收集过程和数据分析过程的方法等；

在对过程与结果反思的基础上，教师指导学生通过撰写报告、反思日志等方式，总结成败得失，提升个体经验，并根据同伴及教师提出的反馈和建议改进，获取更好的问题解决方式，培养问题发现能力。

（五）展评学习所得

评价是教学设计中必不可少的环节。明确的评估标准和反馈，可以帮助教师根据学生学习情况调整教学设计，使学生更加明确学习目标，改进不足。

以教学目标为依据，采用良好的量规评价，是优化教学设计提高基于逆向设计的STEM教育效果的重要举措。它主要包括对学生表现进行评价的指标、评分等级及评分描述等内容。表2是“投石机”一课的量规评价。

表2

“投石机”一课的量规评价

STEM教育的开展，顺应当今快速发展的社会对人才的需求，是提升国家实力的重要途径。采用逆向设计的STEM教育，改变了提出问题、实践操作、评价交流的传统STEM教育模式，在“以终为始”理念的指引下，实现“教、学、评”一体化，为学生真正理解和运用知识，达成问题解决能力和创造力的培养目标提供了载体，也为教师切实开展STEM教育提供了有效支持，助力实现STEM教育效果的最优化。

注：本文系浙江省教育科学规划2018年度研究课题“创客教育：基于设计性学习的‘双轨共进’模式创生研究”（课题编号：2018SC162）阶段性研究成果。

（作者系浙江省嘉兴市南湖区余新镇中心小学高级教师，浙江省浙派名师培养对象）