STEM教育理念下5E教学模式研究现状与展望.pdf

232美眉 2023.08 下教研与美育观点交流STEM 教育理念下 5E 教学模式研究现状与展望董玥玥（郑州科技学院，河南郑州450064）摘要：STEM 教育理念下 5E 教学模式研究是近年来的一个热点议题，学者们从不同的视角，用不同的方法对其进行了研究和探索，取得了一系列成果，形成了不少共识，也存在一些争论。文章对 STEM 教育理念、5E 教学模式的研究现状进行了梳理，并对其进行了简评与展望，旨在更好推进 STEM 教育理念下 5E 教学模式的发展。关键词：STEM 教育理念；5E 教学模式；跨学科研究 真实世界具有复杂性和整体性的特点，为了创造性解决现实社会中各种复杂的问题，现代教育强调各学科之间的理论、思想和方法要相互融合、相互渗透，STEM 教育理念正是在这样的背景下产生的。STEM 是 Science、Technology、Engineering 和 Mathematics 首字母缩写的组合，即科学、技术、工程和数学的集成，后来又补充了 Art，即艺术，并不断融合其他研究领域，形成“STEM+”教育理念，强调培养学生跨学科、多学科综合解决现实问题的复合能力，旨在培养创新型复合人才。1986 年，美国发布尼尔报告首次明确提出学科集成。2001 年，美国国家科学基金会教育与人力资源部负责人朱迪斯正式提出 STEM 一词。2008 年金融危机后，世界各国认识到 STEM 教育的重要性，英国、德国、日本、澳大利亚、韩国等国家先后进行政策部署，积极采取措施推进 STEM 项目研究。近年来，我国也越来越关注 STEM 教育。2015 年，教育部发布关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见明确提出要“探索 STEM 教育等新教育模式”。2017 年 6 月，中国教育科学研究院发布中国 STEM教育白皮书，提出 STEM 教育应纳入国家创新型人才战略。2017、2018 年召开第一届、第二届中国 STEM 教育发展大会，从政策顶层设计、师资培养、资源整合、课程标准与评价等多方面入手推动我国 STEM 教育发展，为培养具有探索能力、创新意识的实践型复合人才提供支持，增强国家竞争力。2020年 11 月，教育部发布新文科建设宣言，指出“应对新变化、解决复杂问题亟需跨学科专业的知识整合”。一、STEM 教育理念研究（一）国外 STEM 教育理念研究国外关于 STEM 教育的研究已经趋于成熟，主要围绕着STEM 教育的内涵、教学目标、教学方法和整合途径等问题展开。第一，STEM 教育的内涵研究。布赖纳等认为社会和一些政府机构侧重从功利性角度理解 STEM 教育，强调培养出合格和足量的 STEM 劳动力，对学科整合没有要求；一些教育机构则侧重从学科整合的角度理解 STEM 教育内涵，强调学科之间的内在联系。桑德持学科整合性的观点，认为教育是基于项目的、整合技术的教育，帮助学生运用科学和数学知识解决现实中的技术和工程问题。之后更多的学者主张整合233美眉 2023.08 下教研与美育观点交流性 STEM 教育，但对如何整合有两种不同的观点：一方面，学者们认为应该重新设置一门独立的课程，这门课程整合科学、技术、工程和数学四个学科领域，莫里森的研究认同这个观点；另一方面，学者们把STEM教育理解成一种教学理念，把这种理念融合在日常的教学中，不强求四门学科一个都不能少，塔玛拉摩尔就认为工程可以被整合到其余三门学科的课堂中。第二，STEM 教育的教学目标研究。国外研究指出小学和中学的 STEM 教育目标比较一致，麦迪生指出美国中小学STEM 教育目标主要包括三个：增加追求 STEM 领域的高学位或投身 STEM 相关职业的学生数量、增加具有 STEM 能力的劳动力数量、提高学生的 STEM 素质，其中前两个目标要重点提高女性和少数民族的比例。美国社区学院的 STEM 教学目标有很大区别，这是由于各学院会结合自己学院的特色提出具有针对性的教学目标。此外，罗杰拜尔从国家的角度提出 STEM 教育的目标是培养学生 21 世纪的新技能，进而提高国家的竞争力。第三，STEM 教育的教学方法研究。基于问题的学习和基于项目的学习是目前最常用的两种教学方法，其共同特点是对一个开放式问题进行探究。两种教学方法也存在不同点，拜瑞指出基于问题的学习所采用的问题是教师虚构出来的问题；而基于项目的学习所使用的问题是来自现实的 问题。第四，STEM 教育的整合途径研究。情境整合是目前大多数学者所使用的一种整合途径，即以一个学科的内容为核心目标，利用其他学科的问题情境推动核心内容学习。摩尔设计了通过工程学科的情境来学习科学。此外，还有内容整合途径和辅助式整合途径，其中内容整合是指教师所设计的概念本身就涉及多个领域，进而融合多学科的内容；辅助式整合指教学内容覆盖两门以上的学科，但只把其中一门学科作为主要的内容进行教学，其他学科起到辅助的作用。国外学者对 STEM 教育进行了探讨，目前没有完全一致的观点。虽然都是对学科进行整合，但由于教学内容和教学项目不同，对 STEM 教育的理解自然不同。国外学者的研究为本课题的研究提供了很好的借鉴，课题组尝试把 STEM 教育理念扩展到文科领域，真正实现学科之间的融合。（二）国内 STEM 教育理念研究我国学者对 STEM 教育的关注比较晚，主要围绕理论探讨和教学实践展开。一方面，在关于 STEM 教育理论探讨的文献中，学者们对其发展背景、目标、概念和发展现状进行了研究。在发展背景及目标研究上，杨亚平从背景、目标和实施三个维度对美国、德国和日本中小学的 STEM 教育进行比较，指出三个国家都将其视为 21 世纪教育改革的方向；肖化等比较了中国内地、中国香港和美国在结构、学段、理念、目标、内容和实施建议上小学科学课程标准的区别，并对我国 STEM 教育体系提出建议；蒋帆等在多中心治理的理论视角观照下，对美国“多元主义的非中心”特征的 STEM 教育治理路径进行了分析。在概念界定研究上，学者们倾向于从整合角度理解STEM教育，赵中建认为 STEM 教育就是将分散的四门学科集合成一个新的整体；付骞等也认为现实问题需要依靠多学科的协同，而STEM 教育符合这一原则。在发展现状研究上，常咏梅等指出国内 STEM 教育的研究主要集中在背景、课程整合、STEM教育与创客教育关系、教师教育和教学实践研究上；龚道玉等从学习结果的视角对 STEM 教育价值、达成路径以及学生学习结果评价三个方面的研究现状进行述评，并对未来的发展方向给出建议。另一方面，学者们对 STEM 教育的教学实践进行了研究。陶涛在新工科视域下，提出了 STEM 教育融入“实验室安全”课堂教学的思路和方法。赵呈领等构建了创客STEM 教学模式，通过基础知识学习、确定评价标准、项目创作、展示和评价教学环节，为教学实践提供指导。赵慧臣将 STEM 教育运用在中学生的探究学习，指出应组建跨学科的研究团队、基于问题开展研究、综合多种研究方法和形成便于传播应用的研究成果。谢丽等以物理课程为例，指出在 STEM 教育理念下使用 6E 设计型的学习模式。赵呈领等针对发现式探究、推理式探究和实验式探究三种教学策略，设计了面向 STEM教育的包含参与、探究、解释、迁移和评价的 5E 教学模型。虽然国内关于 STEM 教育的研究比较晚，但近几年也取得了比较丰富的成果。学者们将 STEM 教育与自己的学科领域相结合，设计不同的教学内容、教学目标和教学方法，赋予其不同的内涵，但其最终的目标都是培养 21 世纪的创新型跨学科人才，能够具体解决现实世界中的问题。二、5E 教学模式研究（一）国外 5E 教学模式研究20 世纪 50 年代后期到 60 年代早期，美国物理学家卡普拉斯主持了第二轮科学教育课程改革研究会，开发了 SCIS 课程。在此基础上，亚特金提出由初步探索、发明和发现三个阶段组成的 Atkin-Karplus 学习环。Lawson 对学习环进行了修234美眉 2023.08 下教研与美育观点交流改，即初步探究、概念引入和概念应用。Bybee er al 认为学习环的术语虽然进行了修改，但概念基本保持不变，其中初步探索指让学生对要研究的对象进行初步的理解；概念引入指引入新的概念；概念应用指在具体的情境中进行运用。美国生物学课程研究所（BSCS）1989 年对 Atkin-Karplus 学习环进行了完善，提出了 5E 教学模式，即参与、探索、阐释、迁移和评价。Ismet Ergin 对 5E 教学模式的内容、逻辑关系和方法进行阐述，并结合案例对每一环节如何实施进行了展示，概述了 3E、4E 和 7E 的变式。Jun Won Hee 将 5E 教学模式运用在护理学课程中，为教学提供了新的示范。Aaron J.Sickel 通过研究一名生物学教师如何设计 5E 教学模式，并如何根据不同内容对教学模式进行调整，指出该模式能引起学生有意义的学习。综上所述，国外学者们对 5E 教育内涵进行了研究，并对其在实践中如何运用进行了探讨，大部门学者都认为 5E 教育可以结合学科的特点进行不同的变体，并赋予不同的内涵。（二）国内 5E 教学模式研究虽然 5E 教学模式已经比较成熟，只有很少一部分国内学者对 5E 教学模式进行理论方面的研究，比如胡久华等系统梳理了 5E 教学模式的发展历程、内涵及特征，对我国现有的关于 5E 教学模式的案例进行分析，指出我国 5E 教学模式的现状和存在的问题，提出改进措施，并指明了今后的研究方向。此外，还有一部分学者将 5E 教学模式结合具体的课程进行实践探索。汪涛等通过 5E 教学的五个环节探究了河流地貌；李珊珊以“血糖调节”这一节课为例，将 5E 教学与课堂进行很好的衔接；王宁波等对 STEM 教育理念下“5E”教学模式在高中地理教学中的必要性和可行性进行了阐述。综上所述，国内学者们围绕 5E 教学模式的具体实践展开研究，虽然 5E 教学模式的五个环节没有区别，但是学者们会结合自己的课程内容对五个环节进行新的理解。三、研究述评与研究展望目前，国内外学者对 STEM 教育和 5E 教学模式进行了探讨，取得了丰富的成果。一方面，国外关于 STEM 教育的研究已经成熟，我国 STEM 教育的研究尚处于起步阶段。国内外研究在界定 STEM 教育的内涵时，主要强调围绕理、工科的课程确定具体的教学项目，这个教学项目贯穿科学、技术、工程和数学四个学科领域。在 STEM 教育的应用上，很少有学者把 STEM 教育理念运用到文科领域的教学研究中，没有真正实现学科之间的融合。此外，STEM 教育研究主要是集中在中小学阶段，高等教育阶段的 STEM 教育研究文献较少。另一方面，国外学者对 5E 教学模式从理论和实践两个方面进行了研究。但大部分国内学者只是运用 5E 教学模式进行一节课教学实践，关于连续性的教学实践研究较少，也未能有效贯彻 STEM 教育理念，缺少能否提高学生跨学科解决现实问题能力的实验数据说明。因此，本研究在已有研究的基础上进行了创新性研究。第一，本研究在界定 STEM 教育内涵时，强调 STEM 教育内涵的整合性，即不仅仅只关注科学、技术、工程和数学这四门学科，可以根据研究的领域对其内涵的外延进行扩充，形成“STEM+”教育。第二，本研究倾向于将“STEM+”教育理解成一种教育理念，在 5E 教育模型中贯穿这一教育理念，关注理论方面的研究。第三，本研究尝试将“STEM+”教育理念扩展到文科领域的教学中，真正打破现有的学科边界。第四，本研究将“STEM+”教育理念引入到高等教育阶段进行运用，而不是再局限于中小学阶段。第五，本研究将“STEM+”教育理念运用到 5E 教学模式中，并在实践中进行运用和评价。【本文系 2022 年郑州科技学院校级教学改革项目“跨学科教育理念下探究式教学模式的构建与应用”（项目编号：2022JGYB27）；河南省教育科学规划 2023 年度一般课题“新文科视域下本科生跨学科培养模式研究”（项目编号：2023YB0304）研究成果】参考文献：1Morrison J,Raymond V.STEM as curriculumJ.Education Week,2009(23):28-31.2Medicine N A O.Successful K-12 STEM Education:Identifying Effective Approaches in Science,Technology,Engineering,and MathematicsJ.National Academics Press,2011(44):4-6.3 陶涛.“新工科”视域下 STEM 教育融入“实验室安全”课程建设的探索和实践 J.大学化学,2023(6):1-7.4 蒋帆,邓莉.多中心治理:美国 STEM 教育治理实践的经验与启示 J.比较教育学报,2023(2):66-78.5 王宁波,孟丽红.STEM 教育理念下“5E”教学模式在高中地理教学中的设计研究 J.中学地理教学参考,2023(11):53-56,80.作者简介：董玥玥（1983），女，河南信阳人，硕士研究生学历，副教授，研究方向：区域经济发展与管理。