简介:本文是stem和课程设计类论文如何写与本位类在职毕业论文范文.
摘 要：厘清STEM能力结构是设计STEM课程体系的关键.2019年联合国教科文组织国际教育局（IBE-UNESCO）发布第30号报告《探索21世纪STEM能力》,从知识、技能、态度与价值观三个维度分析了STEM能力框架,明确了STEM课程所要教授的基本元素.该文梳理了IBE-UNESCO STEM能力框架,探究能力为本的STEM课程整合的方法.提出了以大概念架构能力要素,设计STEM课程体系;面向职业应用,设计经典STEM课程;以项目/任务/问题为载体,设计STEM活动;与家庭、社会共享资源合力,打造STEM学习环境等策略,以期为改进我国STEM课程设计提供参考.
关键词：STEM;能力;能力本位;能力框架;课程设计
中图分类号：G434
文献标识码：A
一 引言
当今,以智能化为代表的工业革命4.0时代,社会需要具有新技术和跨学科思想的科学型劳动力,每一个人都要具备适应当今及未来社会之需的能力.在社会可持续发展和个人幸福生活两大愿景下,能力为本的STEM教育是时展的需求.STEM教育利用科学、数学、技术、工程等知识,制定和提供创新的解决方案,解决日常或社会问题,致力于培养应社会之需的未来人才.尽管过去二十年里STEM教育改革备受社会各界关注,但对STEM课程整合的细节方面还缺乏共识.国内STEM教育起步晚,存在顶层设计、社会联动机制、整体设计、师资力量等方面诸多问题[1][2].教育部门应重新思考传统课程界限,以能力为本位,以解决真实世界的问题为目标,设计并应用超越知识领域的STEM课程[3].厘清STEM能力结构是设计STEM课程体系的关键.
能力不是一套固定的技能,在真实的生活和工作环境中,人们运用专业知识和经验,及科学探索和问题解决等技能,并融入适当价值观等不同要素,进行决策、采取行动并解决问题,其中所需要的能力是综合的.传统课程中,知识和技能是按科目划分的.STEM教育则将科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科联合为实体.课程开发人员需考虑跨学科的概念和方法,并认识到每个STEM学科的特殊性和特点,课程设计需要更多地从整体角度出发.2019年2月,联合国教科文组织的国际教育局（IBE-UNESCO）关于当今课程、学习和评估关键问题的第30号报告《探索21世纪STEM能力》[4],分析了21世纪STEM能力框架,为STEM能力本位课程设计提供蓝图,对我国改进STEM课程设计具有借鉴意义.
二 STEM能力框架与课程设计内容
IBE从能力发展观角度将能力定义为“在21世纪背景下,以能动性和性地使用知识技能、价值观、态度和技术,实现个人有效参与体现集体和全球利益的行动并发展能力”[5].知识、技能、态度和价值观综合应用于识别生活中的问题,解释自然和设计世界的问题,并对STEM相关问题得出基于证据的结论[6].从解决真实复杂问题过程角度,能力的组成部分既要有知道“是什么”和“怎么做”两个基本部分,还要体现特定的态度和价值观,而且以一种整体的方式工作,能力的各个组成部分需要整合到学生的学习过程中,以使学生能够参与到问题中来.知识、技能、态度和价值观是STEM能力框架的三大方面,同时也是设计与开发STEM课程的关键要素.
(一)设计STEM知识
1、STEM知识构成
STEM知识与包含的学科内容相关,IBE-UNESCO从知识来源和应用的角度,将其分为三类：认识性知识（Epistemological Knowledge）,程序性知识（Procedural Knowledge）和技术性知识（Technical Knowledge）.认识性知识是人们对客观世界认识中形成的相关事实、思想、概念、原理,以及科学本质的认识和理解.认识性知识显示了学生学习的相关性和目的,涉及到像从业者那样思考、行动和理解[7].程序性知识,又称过程性知识,是解决问题的执行动作序列,即步骤与要点[8].程序性知识通过课堂内外的调查和实践活动发展起来,学生掌握程序性知识,能够促进其对STEM原理的理解和应用.技术性知识是指知识、技能、态度和价值观在特定操作或任务中的应用,是对技能如何执行的理解.技术性知识响应特定职业或行业需求的特定知识形式,包括职业知识和各级工程师以及技术人员所需的知识.
对STEM知识的设计是STEM教育工作的开展的基础.但仅从“微观”的角度分析其构成,难以满足基于能力本位的STEM知识体系的建构.从知识体系角度,跨领域的STEM知识综合为一个整体体系,需要将不同的理解元素连接成一个连贯的整体,大概念是建构STEM知识体系的人手点和方法.从综合应用角度,STEM知识最终应用于不同的职业领域,STEM知识架構的另一种方法为职业性知识架构.
2、大概念建构STEM知识
大概念（Big Idea）是对特定学科颅域学习的中心概念或陈述,通过这些概念（陈述）能将学习内容不同的理解元素连接成一个连贯的学科/领域整体[9].IBE-UNESCO认为任何研究领域里,大概念都是其构成基石,通过大概念可以建构知识体系.在大概念之间建立联系,然后将这些联系外推到同一领域或其它领域,学生可以发展他们对该学科/领域的基本理解.
大概念架构STEM知识是将STEM知识融合为整体的一种重要的思路.美国国家研究委员会提出通过跨STEM学科领域联结关系,提供一个组织架构,从不同的STEM领域汲取和结合知识,形成一个连贯的、以科学为基础的基本概念框架.其中最为关键的七个方面联结方式为：（1）模式;（2）因果关系、机制和解释;（3）规模、比例、数量;（4）系统和系统模型;（5）能量和物质流动、循环和守恒;（6）结构和功能;（7）稳定和变化[10].通过对观察到事件的形式或模式组织分类,并提示有关关系和影响关系的因素的问题,调查和解释因果关系,厘清规模、比例或数量的变化如何影响系统的结构或性能,跟踪能量和物质的流入、流出和系统内部的流动有助于了解系统的可能性和局限性,明确稳定性条件和系统变化或演化的决定因素等,进行重新组织.从这些核心的大概念人手组织成四个领域：（1）物理科学,（2）生命科学,（3）地球和空间科学与工程,（4）科学的技术和应用,并分布在从小学到高中的多个年级,形成新一代科学标准（NGSS Next GenerationScience Standards）[11].该标准在每个年级都有概述,其深度和复杂性均不断提高.
大概念就像STEM知识体系的骨架,将不同学科领域的知识进行联结,形成整合的STEM知识体系.这些联结的数量和强度是他们理解水平的指标.通过大概念学习网,教师需要不断地帮学生将学习内容与大概念联系起来,并在整个课程中不断地强化它们,使学生能够把不同学科领域看作是一组互相关联的概念、事实或技能,形成一个更有意义的知识体系,从而使学习变得连贯、有意义.教学中大概念也是关键学习节点,联结方式则为重要的教学设计点.重新梳理STEM知识体系,进一步按专题或主题架构,可设计为STEM课程体系.
3、职业性知识架构STEM知识
每一门职业如软件工程、建设施工、机械制造、嵌入式系统开发、操作监控,故障排除、设备维修保养、系统分析评价、质量控制分析等,均需要掌握复杂的技术性知识.STEM课程需要致力于让学习者更好地将教育经验与未来职业联系起来[12].技术性知识包括职业知识和各级工程师以及技术人员所需的知识.
国民教育系统除了为学生提供基础教育,中等职业学校及高等学校还为学生将来的职业生涯做准备.国民教育系列以外的许多校外学习中心或培训机构,也经常致力于努力开发STEM教育项目,为年轻的学习者提供学习机会利于他们上岗或培养专门的STEM能力,例如少年宫、夏令营、课外活动和竞赛等.
(二)掌握STEM技能
技能通常是衡量专业能力的重要指标,无论执行STEM相关任务还是非STEM任务,均需要掌握那些已发展或正在发展的技能.鉴于STEM领域的快速发展,所有的学习者都需要使自己保持持续的专业技能发展和其它技能的提升.IBE-UNESCO认为STEM技能主要包括认知技能、信息处理、解决问题与工程思维、科学调查、计算思维与通信技术、设计思维与创新能力、动手操作技能、沟通协作技能8种技能.深入分析各个维度的STEM技能,探究技能掌握方法,是STEM课程的重要设计点.
1、认知技能
认知是指通过思维和经验进行认识与理解事物的心理过程.认知技能是识别、收集、处理和使用相关数据做出決策的过程,在信息管理处理、创造性和分析性思维、解决问题、科学调查、创造力和计算性思维等技能的基础上作出判断.认知技能是学习者内心与客观的事物、问题不断交互、反思形成自己独到的见解的过程,是STEM的一种基本技能.
学习者应用认知技能,实质是通过科学方法和证据,使用分析性、推理性和批判性思维来评估观点,获取有效的判断经验.分析性思维通过数学、科学等原理与方法,以及已有经验数据的加工处理,使人能够系统地设想、表达和概念化问题以及解决方案.解决每一个问题需要运用推理性思维和批判性思维,通过逻辑推理发现问题本质,这也是创新发现的重要基础.认知技能在不断实践中提升,必要时还需要借助一定工具和方法,如通过组织结构图、思维导图等可以进行快速问题分析,通过组织问题讨论可以有效调度批判性、推理、分析等思维解决问题,以获取解决方案.
2、信息处理—数据解释和数据分析
信息处理技能是为特定的任务寻找、整理、组织和选择有效的信息,生成、理解、解释、分析和推断经验数据,测试其真实性、有效性和可靠性,并以有效的方式显示结果.学生不能仅凭他们的感受或想法下结论,而是要基于支持的科学数据得到最佳解决方案[13].
获取信息,并能够通过辅助工具如纸质的图表、数据图、Excel电子表、数据库、大数据分析软件等的应用,掌握数据分析技巧是STEM学习不可或缺的技能.21世纪信息爆炸的时代,对信息处理能力的要求越来越高,越来越多的信息和“大数据”被收集和使用,信息处理成为每一个人必备的信息素养,以数据驱动决策越来越成为各行各业的习惯.
3、解决问题与工程思维
处理生活中、工作中各种各样的事务都需要解决问题,解决问题的过程包括识别和分解复杂的问题,分析数据,制定解决方案,评估选项和实施解决方案.IBE-UNESCO认为解决问题是STEM研究和STEM职业的一项关键技能.解决问题能力是工程思维的基础,工程思维体现系统化解决问题的能力.工程师经常需要使用解决问题的技能,他们的工作中往往不仅要考虑客户的需求,还要全面考虑安全性和可持续性等因素,并设计模型或系统来理解问题、设计解决方案、测试解决方案、寻找替代解决方案并告知决策过程.美国皇家工程学院和机械工程师学会认为解决问题的技能是工程思维或工程思维的一部分,它描述了工程师思考和行动的方式,包括系统思考、发现问题、适应新问题、创造性地解决问题、可视化和改进等[14][15].
基于问题的学习,常通过一个现实的问题驱动自我指导的问题解决过程,以培养学生解决问题的能力[16].一个适合学习者的好问题能激发学习者求知欲和探究欲,具有一定的驱动力,即使教师不提供具体的学习指导,也能作为一种学习的资源,驱动学生实现他们的探究目标.在培养解决问题能力基础上,还需要系统化地培养工程思维能力.一个孩子就是一个小工程师,工程习惯和思维往往需要在小时候打下基础.
4、科学调查
用数据驱动决策的前提是获得可靠的数据,科学调查是系统地获得信息和数据的方法.科学解决问题的重要步骤为对周围的世界进行现象观察,制定假设,深入调查,实验和测试假设,分析数据和发展结论,探索和寻求相关规律、数据等答案,在调查的基础上,对数据进行统计和分析,对概率和错误率等进行分析.
PISA和TIMSS这两个享誉国际的教育评估单位,其评估框架内均包含科学调查和实验技能评价,要求学生做出假设和控制变量,科学地解释数据和证据[17][18].国际文凭组织提倡注重持续调查的教学方法,主张教师和学生在探索学科内部和跨学科的研究领域时,开发探究性陈述和探究性问题,通过探究性学习,学生可以在全球背景下对STEM的大概念有一个概念上的理解,同时还可以培养思维、沟通、自我管理和研究的技能[19][20].掌握科学调查的科学过程技能以及所需的知识和科学态度,是STEM学习的必要条件.
5.计算思维与通信技术
计算思维指用计算机科学的概念、算法、数据模拟等方式,进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动.Wing J.M于2006年首次提出计算思维,他指出制定问题和解决方案的方式,像计算机科学家一样思考比能够给计算机编程更有意义[21].计算思维有利于STEM任务的高效执行,程序设计和执行是一个非常严密的过程,计算思维的培养能有效帮助问题解决思维的培养.
IBE-UNESCO认为在工业革命4.0时期,有效利用信息和通信技术（ICT）技能并保持其联通性对STEM领域的发展具有重要意义.使用计算机、平板电脑及移动电话等进行电子邮件发送、互联网浏览、视频通话、文件传送、在线合作编辑等基本的信息通信技术已成为当今日常工作和生活必备的通信方式,同时随着科技发展,人们还需要不断学习使用新媒体通信方法.
6、设计思维与创新能力
在这个创新、发明、创造和设计的时代,我们更加依赖工程和技术创新,设计思维已成为一种必要.设计思维涉及到一个结构化的框架,以创造性的战略和过程来设计方案或开发产品.有时避开一系列有序的步骤或严格的技术规则,在个人的灵感、同理心和意念的指引下,让创意变得可行,并付诸实践.通过积极地让学生参与工程设计挑战,不仅引领他们学习了工程设计过程和工程实践知识,还加深了他们对学科核心思想的理解[22].工程设计活动填补了抽象的知识和应用之间的空白,还增强了学生的科学、技术和数学知识[23].
设计思维需要通过信息收集、创意性头脑风暴、构思、原型设计、试错、反思与回顾、重新设计、改进、测试和实施等阶段,将批判性和创造性思维集成在一起,这些阶段可以有效地应用于STEM学习和STEM职业.创造力是运用想象力创造事物的能力.一个有创造力的人可以通过发现隐藏的模式和在看似不相关的现象之间建立联系,以独到的、新颖的方式感知世界,并创作独特作品或进行工程设计.
7、动手操作技能
动手操作技能是典型的STEM技能,主要指具有亲身参与安全正确操作科学技术设备、仪器、标本等的技能,常见于一些特定的职业,如电工、管道工、飞机机械师、自动化技术员和机电一体化工程师等[24].IBE-UNESCO认为社会或国家的需求随技术变革而发展变化,因此职业和技术技能的培训需要具备对劳动力市场动态预测和响应的能力,职业技术教育机构必须决定专注于哪种技能,以及提供哪种培训模式（通常包括学徒制）.
动手操作技能在实践和操练中培养.一些国家在中学提供职业/技术技能培训,以帮助学生就未来的职业培养动手操作能力.设计实践性任务,让学生通过亲身实践活动,培养动手操作技能,同时还可以让学生体验其它相关的技能,如创新设计、解决问题等.
8.沟通协作技能
在信息社会中,人们生活在信息的海洋中,既从信息环境中获取自己关注的信息,也贡献信息.每一个人都是信息节点,学习活动具有社会性,学习者之间的交互显得非常重要.在同一个工作环境中,大多数任务是复杂和相互关联的,需要通过有效的团队合作来实现.STEM技能和知识在设计和构建解决方案方面的应用将通过许多人和团队的合作来实现.协作沟通的技能是所有人应具备的基本技能.有效的协作使每个团队成员都有平等的机会在共同的职责范围内参与交流,以加深他们的所学.
STEM学习中,有效的协作和沟通技能并不总是自然产生的,需要学习者或教师有意培养协作的契机和氛围,需要明确的发展目标和给力的教学组织.协作型教学组织的团队成员基于共同的愿景目标,分担责任,既能够在团队中独立工作,又能够有机会互相交流和合作,以清晰有效的方式向其他团队成员或利益相关者传达信息.协作学习过程中,需要有意设计沟通环节,培养沟通协作能力.
(三)融入STEM态度和价值观
学领域认为价值观体现为“一种系统的、理性的方式来解决困境,并在面对选择冲突时确定最佳行动方案”[25].IBE-UNESCO认为从事科学研究或解决问题不仅需要技能,还需要特定的认知、价值观和态度.真实世界,需要面对社会的各种问题和困境,如解决诸如粮食短缺、住房问题、气候变化、环境污染、基因检测等世界可持续性发展问题,STEM教育需要引导学生学习如何制定创新的解决方案,指导其选择对社会带来最大好处（伤害最小）的干预措施.IBE-UNESCO对STEM价值与的12种规范及其相应的活动进行了说明,如表1所示.
对照上页表1中STEM态度与价值观及其活动表现,结合平时学生日常表现,不难发现积极的态度如对事物充满好奇心,具有合作精神,有责任心,做事严谨等,在完成各项工作中,均會充满能量感,更利于工作的完成.学习者内在的态度和价值观外显表现在具体的STEM实践活动中,正确的态度与价值观促进实践活动,负面态度影响工作顺利开展,违反道德规范的价值观可能导致危害社会的行为.态度和价值观是STEM学习和实践的组成部分,在STEM实践中内化为STEM哲学,成为一种内驱力,应用于日常生活和未来的职业中.
三 能力本位STEM课程整合
(一)课程整合斜面启示
STEM学习的重点不是单个学科本身,而是解决现实世界的问题,需要考虑多方面、跨学科和综合的能力.美国当前存在不同的STEM实践模型,在学校中可以采用多种方法来教授STEM[27]： （1）分别教授四个STEM学科;（2）教授这四个STEM学科,并重点以其中一两个学科加强STEM教学（当今美国大多数学校中正实行的）;（3）将STEM学科之一整合到其他三个学科中,例如工程内容可以集成到科学、技术和数学课程中;（4）将所有四个学科相互融合,并将它们作为一个综合的主题进行教学.美国STEM从初期探索阶段正逐渐向优化发展.发展STEM教育进程中,还需要落实为具体的课程体系,有待设计一个有效的课程整合方案.
大概念如何落实到具体的学习活动?在STEM课程设计中,应尽量让学生以真正的技术团队成员参与.对于复杂的整体（跨学科）层面的问题,设计为有主题意义的项目,可让学生团队直接参与项目的设计.项目可以分阶段细化为任务和具体的问题.以项目/任务/问题为载体的STEM学习,从大概念至具体学习活动,主要包括四大关键步骤：（1）围绕大概念中关键节点,设计主要的学习主题单元,规划项目中主要完成时间进展和内容进展.（2）从关键概念人手设计项目单元.（3）主题项目进一步可按不同大概念节点,落实为主题任务序列.（4）学习团队既可以分工并行再交流共享所学,也可以同步合作完成项目.教师在其中充分发挥STEM专家和协作者等多重角色,引领学生综合运用认知技能、解决问题和工程思维、科学调查、计算思维和ICT、设计思维,创意和创新、动手能力和技术能力、协作和沟通等技能开展学习.
(二)面向职业应用,设计经典STEM课程
学习者最终需要面向职业,而STEM技术性知识,与职业技能紧密关联.课程开发人员需要向学生提供与STEM职业相关的技术知识.大概念架构的STEM融合课程体系以知识模块为框架,而职业类课程则面向典型的应用.而职业类课程存在每一行业的知识与技能具有复杂性、综合性特点,很多职业可自成一个体系,但因为STEM能力具有可迁移性,课程设计应该以能力的形成为主线,而不是达成仅某一专业的学习.针对中、小、幼学生不同的认知水平和动手能力,设计不同难度水平的职业类课程.
可根据不同年龄段的学生设计不同难度的职业类课程,在幼儿阶段可设计职业体验类、角色扮演等STEM课程、简单的模型课程.小学到中学均可设计模型课程、职业体验、职业观摩、模拟职业、真实职业项目设计等课程.教学内容可引入职业课程或模拟职业课程中实现,STEM课程内容可按职业需求设计学段,幼、小段可设计如船模、车模、航模、园林建设、建筑物模型、桥梁模型等课程,在中高段越来越向真实感职业项目过渡,并增加创新设计、计算思维等复杂的技能要素.这样,从幼小学段开设,在孩子心中播下STEM种子,从小工程师培养逐步为接轨多个行业的大工程师的培养.
(三)以项目,任务/问题为载体,设计STEM活动
学生应用所学知识解决这些真实世界和情境的科学问题,其本质上是基于建构主义的情景化学习模式,通过项目来实现对知识的理解和掌握[32].知识与能力在具体学习项目、问题中联结,落实能力为本的具体的学习活动.通过探究性学习,让学生参与提问、体验式学习和实践活动,使他们能够发现新的概念,发展新的理解.让学生参与项目设计,不仅学习工程设计过程和工程实践,同时也加深了他们的理解.合作学习的原则表明,学生应该有机会互相交流和合作,以加深他们的知识.教师需要基于STEM教育课程设计主旨和关键步骤,进一步设计学生学习活动方案,同时还可引领学生参与设计,主要工作：（1）学习目标明确,项目规划、学习计划制定;（2）融合知识、技能、态度与价值观,按项目规划设计任务序列,明确任务要求;（3）任务书制定,任务执行的辅学资源准备,STEM活动材料准备;（4）学习活动组织与开展,形成学习评价贯穿;（5）项目/任务/问题的总结,交流,项目答辩等阶段性评价活动.
学生在教师引领下参与教学活动的全过程,教师帮助学生建构知识、技能、态度价值观的三维能力.教学活动中需要充分调动学习主动性,引领学生调查、探究和动手操作.从学生学习投入的角度来看,任务、问题、作业等目标明确,学生注意力更容易集中,教师更容易提供明确的指导.不管关键思想有多抽象,活动设计都必须尽快將这些目标转化为学生能够理解的、实际的任务和要求.
(四)与家庭、社会共享资源,合力打造STEM学习环境
虽然近年来国内教育各界对STEM教育寄予了厚望,并落实于行动中.但STEM教育仍有许多问题.目前国内STEM项目主要集中在少年官、学校兴趣选修及校外专门培训机构,未形成系统化、常态化的教育,存在多方面的问题.
首先是STEM师资短缺的问题,当前一般学校师资难以胜任跨行业、职业的专家指导.与校外企业和相关专业人士合作,聘请外部的专业人士或专家可以使STEM的教学变得更有背景、更有意义、更有影响力.学校可以聘请科学家、工程师、数字专家来指导学生;让学生参与他们正在进行的研究和创新项目;引导他们设计实验,创造自己的创新.这可以弥补或克服教师对STEM采用跨学科方法的准备不足或担忧,同时保持各个学科完整地服务于高等教育、工业和STEM领域的特定技术要求.
其次是学习环境问题,如果没有真实感环境的体验、沉浸式学习,大概念只是无用的抽象概念.STEM学习还需要为学生提供足够的真实或模拟的体验,以使理解得以发展.STEM学习需要支持科学、技术、工程和数学综合性学习环境.学习环境的首先需要考虑的两个因素是安全与可行.这样一个完整的STEM学习环境应该是能打破学科边界,允许学生应用多学科知识解决问题,提供参与提问、体验式学习和实践活动的学习环境.为STEM课程设计提供利于学生能力自主发展的空间：
（1）提供真实的学习环境,将问题放到真实情景中解决,参与真实的工程活动.
（2）建设课程相关专用的网络平台,以便于专用的学习资源共享,学习问题交流、经验分享等.
（3）提供一些模拟仿真的学习环境,如一些辅助STEM学习的专用仿真软件的应用.
（4）对真实的职业空间或大概念架构的学习空间进行压缩,在传统实验室的空间的基础上,以完成一项工程项目需要的环境为基准,建设校园微缩版项目基地.
（5）建设城市共享的STEM学习环境,充分依托城市公共的资源,打通校间共用探究空间,如少年宫、博物馆、科技馆、专业STEM学校等城市公共STEM学习空间.
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作者简介：
金旭球：讲师,研究方向为课程教学论、现代教育技术（risca@.com）.
总结：总结:上文是适合不知如何写本位方面的大学硕士和本科毕业论文的毕业生以及可作为关于stem和课程设计论文开题报告和相关职称论文课题写作参考文献资料.
本位引用文献:
[1] 计算机课程设计相关论文选题 计算机课程设计毕业论文题目怎么定
[2] 计算机网络课程设计专业论文题目 计算机网络课程设计专业论文题目怎么拟
[3] 新颖的课程设计论文题目 课程设计论文题目选什么比较好
