真实性学习视角下的STEM设计
“假如生活在两三个世纪前的人物，比如英国的南丁格尔、法国的塔列郎还有美国的富兰克林走进今天的教室，会感到相当的熟悉，即便校园之外的世界已经发生了翻天覆地的变化。”[1]在《与大数据同行：学习和教育的未来》一书中，舍恩伯格以穿越剧的方式暗指今天的教育已经落后于时代的发展。在步入信息时代的今天，我们仍延续着工业时代的教育方式，这种教育方式的最大特点就是传授专家结论，而这些既有的结论在信息时代可以轻而易举地通过网络获得。信息时代的世界更加灵活多变，需要人类解决的问题更加复杂。随着人工智能的兴起，人们越来越意识到，未来人需要做人工智能做不到的事。因此，珀金斯提出要“为未知而教”[2]，学校教育要做的就是在已知和未知之间搭建起桥梁。威金斯则坦言“学校教育的目标是使学生在真实世界能得心应手地生活”[3]。因此，新的教育范式提倡“为真实而学，在真实中学”[4]。而STEM则是具有真实性学习价值的典型领域，因为它以工程学或科学为核心，打破学科界限，在解决真实性问题的同时渗透专家思维。
《美国STEM课例设计（小学卷）》一书选择、收集和整理了一至六年级的50个小学课例，参考了评价专家韦伯开发的认知深度模型，将认知深度分为回忆、记忆，技能、概念，策略思维，扩展思维、发散思维四个等级，等级3和等级4都指向探究如何解决现实生活中的问题，可以说收集的课例都反映了真实性学习的理念，主要体现以下三个方面，即真实的目标设定、真实的问题情境、真实的学习过程。
一、体现真实的目标设定
真实的目标设定实际上指的就是培养什么样的人的问题，当前对于核心素养、关键能力或综合能力的讨论都关乎这个问题。人们逐渐意识到信息时代需要的人才和工业时代有巨大的差异。教育最终要使学生学会“解决真实情境中的问题”，这需要三大能力支柱，即创新能力、合作能力和元认知能力。未来真实情境中的问题往往是复杂的、没有现成方案的、需要创造性地运用专家思维来解决的，因为简单重复性的任务都交给人工智能来完成了，人的创新能力是必需的；在社会的各行各业中，很难找到一个职业是可以不需要和任何人打交道的，在全球化时代沟通交流变得更为重要，单枪匹马几乎不可能完成一个复杂任务，因此合作能力是必需的；元认知能力可以让学习者保持更新的活力，因此元认知是必需的。
而在《美国STEM课例设计（小学卷）》里我们也看到了对这三种能力的强调。
1.创新能力实际上就是对专家思维的强调，这点从课例名称就不难看出，比如“桥梁悬臂——像工程师一样思考”“接骨手术——STEM＋X，我是医生” “设计热卖的音乐盒——人人都是产品经理”等课例，强调要像工程师、医生、产品经理一样思考。而贯穿在课例中的大概念也反映了专家思维，比如“环境如何塑造生命形态”“严格条件下寻找最优解”“运动与平衡”“模型设计中的不断改进”“环境与人类活动的平衡”等。大概念的形成往往不是一蹴而就的，需要反复在课例中体现，比如以“科学实验如何设计”这一大概念为例，在二年级的课例“撞上之前停下来——初探减速运动”中探讨“你们总结出科学实验的模式了吗？如果有，是怎样的模式？”；在三年级的课例“太阳科学家——对照实验的设计与实施”探讨“你们总结出对照实验的模式了吗？”；在四年级的课例“神奇的植物——科学实验的设计思路”中探讨“实验组和对照组的影响因素有什么异同？这些异同是怎样反映到实验数据当中的？如果实验数据不能够支持假设，是什么原因？实验还存在哪些缺陷？”。关于科学实验的设计内容在不同的话题中反复出现，层层推进学生对实验设计这一大概念的认识。
2.合作能力的评价是课例评价量规中的重要内容，几乎所有课例提供的评价量规里都有对“小组合作”的打分，考量分工是否合理、合作是否顺畅，不仅重视组内的合作，也重视组间的合作，例如“你们组有没有从其他组借鉴一些做法？借鉴了什么？为什么？”。
3.当学生完成任务后，都有一个反思的环节，让学生思考“你们小组最后选用的设计优势在哪里？相比被舍弃的设计，它有什么样的优点？”，体现了对元认知能力的重视。
此外，值得一提的是，所有的课例都在出示任务后配有相应的评价量规，这就是威金斯所说的“像评估员一样思考”。评价量规既有分值，同时也详细给出了相应分数的描述，从而帮助教师明晰目标。这种目标→证据→活动的设计序列不仅让后面的教学活动能紧紧围绕目标展开，同时也让学生在一开始领到任务时就明确了自己努力的方向。
二、体现真实的问题情境
真实的问题情境一般有以下几个特征：（1）现实性。现实性一方面是指符合生活需要和现实逻辑，比如“防震高塔——地震和建筑物设计探究”“信息的加密与传递——密码学初步”“设计游乐场——想象并动手付诸实践”都是现实发生的事，而“去火星——探讨宇宙飞船安全着陆的方法”“创设一个外星人故事——创造性写作”，看似是一个未经证明的假设，但通过合理的想象依然可以保证它符合现实的逻辑。现实性另一方面是指具有时代性，比如轻轨消声、纳米材料、火星登陆都反映了科技的进步，这恰恰是当前学科教学所缺乏的，经典的学科体系做到及时更新比较困难。（2）限制性。真实问题的解决常常是有时间、空间、资源等限制的，比如在课例中，在制作时通常会有材料的限制，如30根吸管、60厘米长的胶带。所有的课例也都根据任务的难度给出了不同的时间限制。（3）跨学科性。书中所有的案例都标注了课程领域，至少是两个以上学科的组合，学科组合是多种多样的，既有工程学与艺术的组合，也有工程学、物理、数学、语文、艺术的组合，还有语文、生物、物理、工程学的组合。除了常见学科外，还有一些以往小学生没有接触过的学科，比如建筑学、气象学、密码学等，都为学生开拓了视野，使他们慢慢开始接触和了解各种专业。跨学科性也反映了真实问题的复杂性，但基本上所有的课例都会涉及工程学和科学，尤其是工程学，因为工程学直接面向真实问题的解决，我们会发现，一旦涉及工程学，往往就具有跨学科性。
三、体现真实的学习过程
尽管每个课例会稍有区别，但基本上可分为导入、执行任务、展示和总结三个部分。
1.导入部分起到激发疑问、知识准备的作用。杜威的思维五步法第一步就是要感到困惑，因为只有产生困惑才会开始思考，这恰恰是我们的日常教学所缺乏的。《美国STEM课例设计（小学卷）》课例中的导入部分除了能联结学生的生活经验，还能有效地激发学生的好奇心，比如“创造外星人物品——打破常规思考”课例在导入部分讲了一个故事，在我国的某岛屿上，科学家观测到有一架不明飞行物迫降在某岛屿上，很可能是外星人，这时要组织专家进行调查。当专家组赶到时，发现外星人已经撤离，但留下了一件物品，请根据对外星人生活的推测来创造这件物品。而知识准备则是通过学生自主阅读或教师讲解为后面的解决问题做好准备。课例特别提示要注意保护学生的兴趣，比如在“火山喷发——运用科学现象，发现科学规律”课例中，教师无须在导入时用专业名词讲解火山喷发原理，只须用通俗易懂的语言或隐喻来解释就可以，因为大量的专业名词会降低学生的学习兴趣，而对兴趣和好奇心的保护恰恰是当前教育所忽视的。如珀金斯所言，不要认为好奇心与困惑感的存在是理所当然的，事实上，随着时间的推移，传统学校的学生都有失去这种敏感性的危险。[5]
2.执行任务则是主体部分，是指应用所学来解决问题。这里的所学不仅有专家结论，更强调专家思维，如在“神奇的植物——科学实验的设计思路”的课程任务明确写到“本节课学生不但可以学到植物的向性运动，更重要的是能建立对科学实验的认识和批判性思维，这对学生今后面临复杂的现实问题时能够迅速抓住问题的关键点、提出解决方案并整理思路和做法很有助益”，这节课的任务就是让学生合作设计一组实验，证明植物是具有趋光性的。书中有一些课例安排了两个任务，比如在“遮风挡雨——材料性能测试”中，第一个任务是“设计实验，测定几种材料的透性”，第二个任务是“要求选择一种透性最强的材料制作一把雨伞，并设计一句广告语”。而“海上航行——模型设计中的不断改进”课例中的任务，则更接近真实的设计过程，第一个任务是“用一张铝箔自由设计并制作一只小船，进行载重实验”，此过程教师给的指导很少，让学生在试误中总结经验，探讨原理，发现载重量和体积成正比；第二个任务则是在学生发现的原理的基础上重新设计小船，体现设计中再设计的循环上升过程。
3.展示和总结则是作品展示和反思总结。要求小组不仅对作品进行展示，而且展示创意、设计、分工、建造和最终完善的过程，也就是要把思路呈现出来，教师和其他小组都可以提问，达到佐藤学所说的反刍[6]，即不断地反复咀嚼和思考。书中如“你们选择的是哪一种形式的桥梁？为什么选择这种形式来制作？”“你们觉得这种形式的桥梁有什么优点？有什么缺点？”“你们认为这种桥梁最好使用在哪些地方？其他几种桥梁可以使用在哪些地方？”这些问题可以引发学生进一步思考。有些课例中还设置了拓展模块，除了思考问题，还会布置一些具体的后续任务，比如“绘制校园地图——STEM project”课例在完成校园地图绘制后，学生可以选取三个时间点，做一份人员热点地图。
纵观书中50个课例，有一个非常明显的特点，就是问题贯穿在整个学习过程之中。各个环节都提出了一系列问题，且这些问题与传统教学的问题有很大的区别。传统教学的问题往往有明确的答案，教师希望学生能命中答案。费舍尔形象地将之比喻为打网球，教师把球扔出去，让学生接回，如果一个学生没接住就换下一个学生，直到有学生接住就告一段落，换下一个问题[7]。
而《美国STEM教学设计（小学卷）》一书中设计的问题更具有真实性，答案更具有开放性，符合现实世界的问题没有唯一解的特点。这类问题不是为了导向封闭的答案，而是为了打开学生的思路，比如“外星人居住的星球是什么样的？”“如果我们闻不到味道，世界会变成什么样子？”“如果现在在地上挖一口井，一直挖到通向地球的另一端，从这个井口扔一个东西进去，这个东西会是什么样的运动状态？”此外，书中还有一些总结类的问题是直指大概念的，比如“科学家是用哪种方式描述他们的研究过程和结果的？科学家针对实验进行的写作和作家进行的写作在你看来是否有区别？科学家写作具有什么特点？为什么科学家要选择这种方式进行写作？”不仅教师提问，同时也鼓励学生提问。麦克泰格和威金斯认为，教育的一个长期目标是把学生培养成更好的提问者，因为随着知识更新速度的不断加快，提问能力的强弱在一定程度上决定了学生汲取新知识能力的强弱，提问是探究的代名词，标志着学生正在主动进行知识建构。[8]因此，在课例的反思阶段，教师会问学生“你们小组在制作过程中考虑了多少问题？是什么问题？为什么要考虑这些问题？”，从而倡导学生积极提问。可以说，这本书也是一本问题示范书，让教师们明白怎样提问才能引导学生不断思考。
当前，STEM引起理论界和实践界的极大关注，它的意义不仅在于开设了一门新课程，更是提供转变教育观念和方式的切入口。通过STEM教育，我们可以再次理解真实性学习，即为真实而学，在真实中学，重塑我们的教育观念，改变我们的教学方式，为学生未来解决真实问题打下坚实的基础，做好充分的准备。
（作者系浙江大学教育学院课程与学习科学系主任）
注释：
[1] 维克托・迈尔-舍恩伯格, 肯尼思・库克耶：《与大数据同行:学习和教育的未来》，上海：华东师范大学出版社, 2015：15.
[2] 戴维·珀金斯：《为未知而教，为未来而学》，浙江：浙江人民出版社, 2015：15.
[3] 格兰特•威金斯，杰伊•麦克泰格著，闫寒冰，宋雪莲，赖平译：《追求理解的教学设计（第二版）》，上海：华东师范大学出版社，2017：18.
[4] 刘徽：《启动真实性教育变革》，《中国教育报》2018年01月03日第5版.
[5]戴维·珀金斯：《为未知而教，为未来而学》，浙江：浙江人民出版社, 2015：79.
[6]佐藤学, 钟启泉, 陈静静：《教师的挑战：宁静的课堂革命》，上海：华东师范大学出版社, 2012：6-7.
[7]罗伯特・费舍尔：《创造性对话:课堂里的思维交流》，北京：社会科学文献出版社, 2014：119.
[8]格兰特•威金斯，杰伊•麦克泰格著，闫寒冰，宋雪莲，赖平译：《追求理解的教学设计（第二版）》，上海：华东师范大学出版社，2017：19.
文章发表于《未来教育家杂志》
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《美国STEM课例设计（小学卷）》
陈如平 李佩宁 主编
教育科学出版社2018年4月出版
内容简介：本书的课例设计按年级分类，每个年级有8个或10个课例。每个课例都从课程背景与目标、课程领域、建议年级、建议时间、课程任务、教学过程等维度进行介绍。教学过程充分体现设计思维和科学研究过程，鼓励学生通过小组合作完成任务。此外，本书每个课例都配备了评价量规，用于指导教师和学生明确高质量学习要求。同时，教师和学生也可以结合自身实际，一起讨论制定评价量规。