基于逆向設計的STEM教育

蔣雄超

1986年，在《本科的科學、數學和工程教育》的報告中，美國國家科學基金會（NSF）首次明確提出“科學、數學、工程和技術教育集成”的綱領性建議。STEM教育逐步進入各國課堂，受到人們的關注和重視。

2017年，中國教育科學研究院發布了《中國STEM教育白皮書》，指出“STEM教育應該納入國家創新型人才培養戰略，是跨學科、跨學段的連貫課程群，是面向所有學生培養綜合素質的載體”。

2018年12月，美國政府又頒布了STEM教育“北極星”計劃，旨在通過科學、技術、工程和數學教育建立一支強大的人才創新隊伍。由此可見，STEM教育作為一種教學思想和策略，已成為培養創新人才的重大舉措。

一、STEM教育的現狀與存在的問題

盡管STEM教育的意義如此重大，但在當前的STEM教育中，教師通常以演繹的方式安排任務，根據內容設計教學活動，關注活動形式的多樣化，導致學生學習內容過于寬泛，知識間缺少有機聯系，學習體驗華而不實。這都偏離了STEM教育的本質。

（一）重活動，輕知識

STEM教育強調綜合運用跨學科、多學科知識以解決現實中的問題，培養學生的創新精神和實踐能力。它的本質是用形象、生動的方式，強化多學科、跨學科知識的學習。

然而，對STEM教育的認識偏差，使其呈現活動導向的誤區。教師熱衷追求多樣化的活動，營造活躍的課堂氣氛，并沒有真正理解STEM教育在培養學生掌握知識與技能并靈活應用方面的作用，忽視學生對問題現象的思考和質疑以及在探究中培養掌握相應知識與方法的能力。

（二）重模仿，輕創新

STEM教育強調實踐，是對已有實踐導向、創新導向的各類教育樣式的繼承與發展，如設計、發明、制作等。學生由此獲得更多的動手的機會，但它的重點不是讓學生掌握某項技能，而是在親身體驗中獲取對知識的深層次理解，在此基礎上開展創意創新。

但很多時候，這種“做中學”容易異化成手工課，缺少與學習內容相關聯的內涵知識分解，讓學生被范例牽著走，STEM學習探究僅停留于技能培養與模仿層面，創新能力的培養價值被弱化。

二、基于逆向設計的STEM教育實施框架

STEM教育強調過程的模糊性與結果的明確性，強調多學科融合的實踐探究，注重創新精神和實踐能力的培養，而傳統的授課方式并不能滿足學生在STEM教育活動中的體驗。因此，借鑒逆向設計理念，開展基于逆向設計的STEM教育，為學生內化知識行為，實現深度理解

STEM教育理念基礎上對所學內容進行思辨和創新，為學生有效地將知識與技能用于解決實際問題提供了思路。

基于逆向設計的STEM教育以想要的結果為起點，根據所要求的學習證據和用以協助學生學習的教學活動來達成目標。它的實施框架主要包括明確預期的學習結果、確定達到預期效果的評定證據和安排相關的教學活動三個方面。

（一）明確預期的學習結果

預期的學習結果，即學生在完成STEM學習后應該知道什么，能夠做什么，涉及的哪些內容需要深入理解。因此，在基于逆向設計的STEM教育中，教師要對STEM教育主題和學生學情進行分析，明確活動中學生應該知道的知識、具備的技能、值得探究的內容概念等，然后確定符合學生發展的目標。這一環節是逆向設計的關鍵，具有導向性作用。

（二）確定達到預期效果的評定證據

評定證據是確定學生達到預期學習結果的評價標準和依據，是基于逆向設計的STEM教育的重要特點。這一評估環節在了解學生反饋的基礎上能夠進一步指導后續教學，確保教學活動與學習目標相匹配，并使教師的教與學生的學以預期的學習結果為中心?？偟膩碚f，它要以興趣激發、問題識別、實踐操作、問題解決、合作交流等作為評價維度，為教師開展有效的STEM教育提供證據。

（三）安排相關的教學活動

明確結果和合適的評估證據后，教師設計和安排教學活動，選擇相應的教學策略和方法。通過引導性問題，讓學生找尋問題本質，獲得真正理解且利用跨學科知識解決問題的能力，培養學生在不同情境中靈活應對問題的能力。

例如，采用基于問題的探究學習、基于項目的問題解決學習等方式，確保學生所學的是主要概念和原理，而不僅僅是孤立的知識。

三、基于逆向設計的STEM教育學習樣態

基于逆向設計的STEM教育實施框架，在具體學習環節中，通過先行明確教學目標、評價標準和評價方式，再逆推教學活動設計，抓住關鍵問題并挖掘學科核心概念和知識，最終促進STEM教育學習目標的達成。

（一）明確達成目標

在基于逆向設計的STEM教育初始，教師要從學生的立場出發，讓學生明確需要達到的目標、期望完成的任務、所學內容的價值等，并視情況安排檢測學生學情。

例如，在“投石機”的目標設置中，外層表示學生應當熟悉的內容，不需深入探討，只需大概了解；中間層表示學生應掌握的必備知識（概念、原理）和技能（過程、策略和方法），是學生達成目標的前提；內層則表示學生應深入理解的內容，是學習的核心（如圖1）。

（二）激發學習意愿

STEM教育往往由真實問題來驅動，問題是基于逆向設計的STEM教育的關鍵。目標確立后，教師應在教學活動中充分利用和主題密切相關的核心問題或真實情境任務激發學生的學習意愿，引導學生主動思考，提高參與度。

例如，“投石機”一課中，播放投石機攻城的視頻之后，教師通過問題判斷學生對什么是投石機是否有了大概的認識；隨后開展實物觀察，了解構成投石機的各部分及它們的作用，建立初步的設計觀念；最后，利用材料嘗試搭建結構，在穩定性、彈性、韌性、杠桿撬動等任務體驗中，體會投石機整體與部分的關系，激發學生深入探究的熱情。

（三）深化探究主題

一個優秀的STEM教育活動，體現的是學生像科學家一樣思考，像工程師一樣解決問題，主動發表見解、觀點，在逐步探究中深化對知識的理解。因而，教師在基于逆向設計的STEM教育中，需要思考幫助學生更好掌握基本知識、探究核心問題、優化學習表現的方法。

無論采用哪種方法，其設計都應以教學目標為依據，根據教學目標設置評價任務，預期學生應有表現開展教學，教學目標、評價任務、預期表現和教學活動的每一點都是對應的。如此，學習才能成為發現證據的過程，評價嵌入學習過程，不斷促進目標的達成。表1是“投石機”一課中確定達到預期效果的評定證據和教學活動。

表1

“投石機”中確定達到預期效果的評定證據和教學活動

（四）反思學習過程

STEM教育強調學習過程中知識的累積和技能的獲得。因此，基于逆向設計的STEM教育反思，重點在于對學習活動過程的檢測和診斷。當完成STEM學習后，教師需要為學生提供反思和再思考的機會，利用反思進一步改善學生的學習并系統梳理知識。

一是過程的反思，如自身參與活動的積極性、小組間的合作交流、歸納整個證據收集過程和數據分析過程的方法等；

在對過程與結果反思的基礎上，教師指導學生通過撰寫報告、反思日志等方式，總結成敗得失，提升個體經驗，并根據同伴及教師提出的反饋和建議改進，獲取更好的問題解決方式，培養問題發現能力。

（五）展評學習所得

評價是教學設計中必不可少的環節。明確的評估標準和反饋，可以幫助教師根據學生學習情況調整教學設計，使學生更加明確學習目標，改進不足。

以教學目標為依據，采用良好的量規評價，是優化教學設計提高基于逆向設計的STEM教育效果的重要舉措。它主要包括對學生表現進行評價的指標、評分等級及評分描述等內容。表2是“投石機”一課的量規評價。

表2

“投石機”一課的量規評價

STEM教育的開展，順應當今快速發展的社會對人才的需求，是提升國家實力的重要途徑。采用逆向設計的STEM教育，改變了提出問題、實踐操作、評價交流的傳統STEM教育模式，在“以終為始”理念的指引下，實現“教、學、評”一體化，為學生真正理解和運用知識，達成問題解決能力和創造力的培養目標提供了載體，也為教師切實開展STEM教育提供了有效支持，助力實現STEM教育效果的最優化。

注：本文系浙江省教育科學規劃2018年度研究課題“創客教育：基于設計性學習的‘雙軌共進’模式創生研究”（課題編號：2018SC162）階段性研究成果。

（作者系浙江省嘉興市南湖區余新鎮中心小學高級教師，浙江省浙派名師培養對象）