作者：方莹 东南大学脑与学习科学系，儿童发展与教育研究所
研究生导师：柏毅 夏小俊
【摘要】：在过去的十年里，STEM教育和研究在国际上越来越受欢迎。然而，在现有的K-12 STEM课堂观察协议中，缺乏关于综合STEM经验/课程的特征如何导致预期结果以及如何衡量这些结果的规范。为了弥补这一差距，我们建议开发一种新的综合STEM课堂观察协议(ISTEM协议)。本文描述了正在进行ISTEM开发工作，其中包括两次创造性的尝试。首先，将生产性学科参与框架用于设计课堂观察协议，该协议提供了一个连贯的设计原则框架，以实现所需的三维教学成果。其次，学生参与的跨学科性被解释为学生在STEM问题解决过程中采取系统和基于学科的方法做出和证明决策的程度。系统方案包括15个项目(4分制)，对观察到的课程中发现的证据的程度进行整体评分，包括:(1)生产性跨学科参与的三维教学成果(5个项目)和(2)问题处理、资源、权威和问责制设计原则(10个项目)。随附的系统简介直观地表示并传达了设计原则的优势和不足，从而为学生富有成效的跨学科参与程度提供了解释。ISTEM将作为STEM教育研究人员的研究工具，并作为STEM课堂教师的教学指南，以改进他们对STEM学习体验的设计。
【关键词】：跨学科·观察协议·生产性学科参与·STEM教育
介绍
壹
在过去十年中，STEM教育和研究在国际上越来越受欢迎(Li et al, 2020)。对美国STEM K-12教育计划的回顾指出，在综合STEM经验/课程的特征如何产生预期结果以及如何衡量这些结果方面，规范不足(国家研究委员会[NRC]， 2014年)。观察工具如STEM课堂观察协议，为STEM教育利益相关者(包括研究人员、教师、教师教育者、课程开发人员和政策制定者)提供指导，指导他们如何获得“良好的”综合STEM体验(Dare et al, 2021)。然而，我们对现有的K-12综合STEM(而不是单一学科STEM)课堂观察协议进行了文献检索，没有人明确阐述了一套具有相应教学成果的设计原则/特征。
为了弥补这一差距，我们提出了一种新的综合STEM课堂观察协议(ISTEM)，该协议由生产性学科参与(PDE)框架提供信息(Engle, 2012;Engle & Conant, 2002)。在本文中，我们报告了在确保ISTEM的有效性、可靠性和可用性方面的设计考虑和挑战。
文献综述
贰
2.1定义STEM集成
根据STEM教育工作者(Vasquez et al.， 2013)和STEM专业人士(Choi & Pak, 2006)提出的多学科、跨学科和跨学科的定义，系统STEM协议侧重于跨学科水平的STEM整合。也就是说，学生应用两个或多个STEM学科的概念、技能和实践，通过学科之间的互动和模糊学科界限来解决现实世界的问题，这样问题就不能轻易归类为科学、技术、工程或数学问题，也不能通过单一的学科方法来寻求解决方案。因此，我们提出的用于中小学STEM课堂的协议侧重于跨学科整合。
2.2现有的协议
现有的STEM课堂观察协议主要针对STEM的大专/大学水平和单一学科(例如，参见Anwar & Menekse, 2021)。然而，我们确定了三个针对K-12教室的综合STEM观察方案。这些协议- Wheeler等人(2019)的工程设计课堂观察协议(COPED)， Peterman等人(2017)的工程注入课程(EIL)规则，以及Dare等人(2021)的K-12 STEM观察协议(STEM- op) -进行了如下比较，其主要特征总结在表1中。
2.3框架和STEM集成
这三个协议都在不同程度上集成了STEM。COPED和EIL Rubric注重科学与工程的整合;STEM- op通常考虑所有四个STEM学科的集成(参见表1的集成相关项目)。COPED强调在中学科学课堂中整合工程设计，其框架基于(1)工程设计过程组件(EDPC:问题、头脑风暴、研究、规划、构建、测试、评估、重新设计和共享)以及过程是由教师驱动还是由学生驱动的程度，以及(2)工程思维习惯(EHOM:创造力、发散性思维、系统思维、乐观主义、协作、沟通和对伦理考虑的关注)。EDPC可以被认为是综合STEM课程的设计特征，而EHOM则是教学成果。
2.4项目类型和分析性质
这三份协议在项目类型和分析经验教训的方式上各不相同。对于COPED，观察员根据每隔2分钟观察到的任何学生的行为，对EDPC、EHOM和分组(全班、小组或个人)的存在进行编码。例如，如果一个小组中的一个学生在2分钟的时间间隔内在头脑风暴中表现出创造力，则为创造力和头脑风暴编码，并在该时间间隔内将小组圈起来。此外，观察者被要求为每个间隔写一篇课程描述。观察后，观察者(基于观察代码)指出每个观察到的EDPC在多大程度上是由教师驱动的，而不是由学生驱动的。EIL Rubric用于分析课程文档，例如课程计划、工作表和评估。观察员确定一组课程文件是否符合前面描述的分为三个部分的19项检查表的要求。部分分数是根据选中的项生成的。然后将部分分数相加，生成一组课程文档的总整体分数。STEMOP包括10个项目，每个项目在4点李克特量表上，每个评级都有具体的陈述。。因此，观察者使用STEM-OP对观察到的课程进行整体评分。
叁
结果
我们遵循了现有STEM观测方案的方法(即Dare等人，2021;Milford & Tippett, 2015;Wainwright et al, 2003;Wheeler等人，2019)开发综合STEM课堂观察(isstem)协议。具体来说，协议开发包括三个阶段:(1)初步协议开发;(2)迭代试点测试、方案评审和修订;(3)可靠性建立。不幸的是，由于与covid -19相关的情况，我们在第三阶段取得的进展有限。尽管如此，我们还是提供了ISTEM的概述以及阶段1和阶段2的详细描述。
3.1初步ISTEM开发
ISTEM旨在观察小学/小学和中学课堂上的个别综合STEM课程，并应满足三个标准:有效性，可靠性和易用性，作为分析实时综合STEM课程的研究工具。此外，协议项目应该由一套连贯的设计原则和教学成果构成框架，我们通过应用生产性学科参与(PDE)框架实现了这一点(Engle, 2012;Engle & Conant, 2002)。PDE框架规定了四个指导原则，以促进学生参与具体的学科实践(例如，科学论证)，以富有成效的方式展示智力进步(即，三维教学成果)。学生应该参与对学科社区有意义的问题，并提供资源来帮助他们解决问题。学生还应该被赋予提出/构建自己的想法/解决方案的权力，但他们的想法/解决方案要表达清晰。
3.2富有成效的跨学科参与
我们说明了我们如何将PDE框架的三维结果和设计原则应用于系统方案，通过使用假设的案例，学生解决了为口服药物制作药丸涂层的STEM问题，该问题符合耐久性(2分钟后在胃中溶解)，成本和吞咽药丸的便利性(因此是药丸涂层活性)的标准。随后讨论了使用ISTEM的详细分析。
在三维结果中，参与度是指学生在STEM课程(ISTEM中的一个项目)中认知参与的程度，以及作为一个小组(一个项目)解决STEM问题的程度。借鉴ICAP框架(Chi & Wylie, 2014)和Walton的对话类型(Walton, 1998)，以药丸涂层活动为例，学生们大多以小组为单位工作多名学生提出和挑战的想法，表现出高度参与小组工作和批判性讨论。相反，如果一个小组的学生单独解决问题的不同部分，其中一个学生主要告诉其他人该怎么做，那么这个小组的参与度就很低。
我们将参与的跨学科性解释为学生采取系统的、基于学科的方法来制定和证明与解决STEM问题相关的决策的程度。参考药丸包衣活动，评估所有三个解决方案标准的小组根据科学调查的证据(例如，系统地以增量量测试每种成分以确定满足耐久性标准的最小量)和数学推理(例如，根据所使用的每种成分的数量和单位成本估计药丸包衣成本)推理出优化的解决方案，这体现了决策中的高度跨学科性。
关于四个设计原则，问题化考虑的是学生所面临的问题的性质在多大程度上对学生和STEM社区是一个有意义的问题。一个有意义的STEM问题是复杂的(需要多个STEM学科的概念/技能来解决)，真实的(与学生的生活/现实生活相关)，开放式的(有不止一个可能的解决方案)，扩展的(需要长时间的研究问题，不能通过简单的搜索解决方案来解决，例如通过互联网)，持久的(发生在多种环境中;不是一次性的问题，也不是只存在于教科书中)(Tan et al, 2019)。
问题的提出应与资源平衡，如(1)给学生提供材料和设备;(2)为学生提供有足够支撑的讲义，教师参与小组讨论以支持小组决策;(3)安排充足的教学时间。权威描述了学生在多大程度上被赋予了知识权威，如果(1)学生可以提出自己的想法，并得到同龄人的认可进行讨论，(2)老师批评或强调他们的想法/解决方案的优点，而不建议改变什么，(3)学生有机会提出额外的成功标准并提出理由。那么符合权威性标准。最后，生产力是指在观察到的STEM课程中，学生在决策/解决方案方面取得智力进步或改进的程度，以及学生最终解决方案满足成功标准/解决方案要求的程度。
3.3 ISTEM概述和结构
当前版本的系统工程ISTEM(附录A)包括对系统工程系统阶段、系统工程系统任务、系统工程设计维度及其设计原则的描述，以及有待完成的四个部分。A部分捕获观察到的综合STEM课程的基本信息，包括STEM阶段和任务的顺序。在B部分，观察者(1)记录观察到的STEM阶段的持续时间，(2)通过复选框指出制定的STEM任务和STEM阶段内教学活动的性质，(3)撰写课程的描述性观察笔记。
观察者应该观察一个小组在小组活动期间的互动，对应在每个STEM阶段标记的个性化表格。随着课程的进行，表格可以根据需要重复。系统方案的C和D部分在观察后完成。使用A部分的观察笔记作为证据，观察者根据四个设计原则(C部分)的10个项目中的每一个项目的证据存在程度(0到3)和三维教学成果的5个项目(D部分)分配一个等级。
3.4有效性和可靠性考虑
两位作者分别编码了8个STEM课程视频(小学和中学各4个，总计约10小时的录音)。由于样本量小(n=8)，训练有素的评分者猜测评级的可能性很低，我们选择使用百分比一致性作为评分者间可靠性的指标。百分比协议项目的范围从100%(3项)，到88%至63%(9项)，到50%至38%(3项)。我们承认，基于现有样本，后三项——跨学科性(50%)、权威:教师参与(38%)和问责制:标准性质(38%)——没有达到令人满意的评分者间信度。然而，我们选择保留这些项，因为它们与PIE框架高度相关。此外，两个编码器可以通过讨论对所有项目达成一致的评分，这表明随着更多的视频样本被编码，可靠性可能会提高。
使用ISTEM进行分析
四
给其中一个编码课程的项目评级，说明ISTEM如何根据学生的PIE和设计原则制定的程度来描述和传达综合STEM课程的概况。由于评分不打算被解释为间隔量表，因此没有给任何设计原则或课程分配单一分数(Wainwright et al, 2003)。
4.1 STEM课程背景
该研究观察了新加坡K-12教室中实施的综合STEM课程。录像集中在整个课堂教学和小组活动中的一个小组，模拟观察者在课堂观察中可能注意到的内容。报道的1-h STEM课程是两部分STEM课程的第二部分(因此，药丸涂层第2课)(Koh & Tan, 2019)。中学生(相当于八年级)以四人或五人为一组，研究前面描述的药丸涂层问题。研究人员给学生们提供了一套材料，用来制作巧克力糖(模拟药丸)和一杯醋(模拟胃)的涂层。在第一课上，老师向学生们讲解药丸是如何通过人体消化系统的。学生们也有时间在小组中探索制作自己的药丸涂层。
4.2 ISTEM课程简介
第2课通过STEM阶段、任务和活动顺序进行。这位接受过科学教学培训的老师回顾了这个问题，并要求第一课中使用长效药片涂层的小组分享他们的“配方”。学生们花了大部分时间在他们的小组中研究和开发药丸涂层，因为他们首先制作药丸涂层，每次满足一个标准，然后制作包含所有三个标准的最佳涂层。在实践活动中，观察组参与了仅成员和教师参与的讨论，以及与其他组的同龄人进行的简短讨论。老师通过总结和反思STEM活动如何与制药公司的现实药物开发相似来结束这堂课。
系统配置文件可视化地显示了课程的设计原则(图2)和PIE范围(图3)。药丸涂层问题被认为对学生和STEM社区来说是一个有意义的问题(对图2中的问题项评分=3)。学生们被提供了必要的材料(评分=3)来制作涂层，并获得了足够的教师支持(评分=2)。老师修改了任务，观察组只有时间生产符合一个标准的药丸涂层(评分=1)。因此，解决问题的资源并没有很好地平衡问题，特别是缺少时间，如图2所示。值得注意的是，所有三个权威项目的评分都很低。学生只在老师的支持下提出想法(评分=1)，因为老师主要是告诉学生该做什么(评分=1);这个项目有一个相反的评级:教师参与得越多，评级越低)，包括告诉班级将油作为一种成分(基于药丸涂层最长的小组分享的“配方”)，并告诉观察组在他们的测试中使用多少醋。此外，所有的标准都是由老师给出的，学生毫无理由地接受(评分=0)。相反，问责制项目的评分较高，因为小组的想法大多是由老师批评的(评分=2)。
考虑了两个STEM学科(评分=3)的良好学科概念/实践:科学概念(药丸包衣应持续一定时间的科学概念是基于保护药物免受胃酸的影响)和数学推理(根据成分成本，减少成分量可以成比例地降低药丸包衣成本)。
观察组表现出较低的PIE(图3)。小组成员主要从事信息寻求话语(认知评级=1)，并通过分工完成任务，在小组内的子小组中工作(参与小组工作评级=2)。学生的决定通常是随机的和不合理的(例如，学生说要使用多少面粉和油，没有理由)，尽管该小组确实在老师的支持下展示了基于学科的决策(跨学科评分=1)。在生产率方面，该小组只生产了符合耐久性标准的药丸涂层，并且这与自第1课(生产率评级=0)以来的初始解决方案相比如何有所改进并不明显。因此，该小组没有产生一个优化的最终解决方案，以满足所有标准(解决方案评级=0)。
结论
五
总的来说，权力和责任的不平衡，以及缺乏时间作为资源，可能解释了该组织的低PIE。从权威和问责项目的证据来看，观察组的学生在提出和审议他们的想法方面并不主动。一个原因可能是，老师坚持在产生最佳解决方案之前，小组为标准提供单独的解决方案，这对学生来说可能没有意义(低学生权威)。教师以牺牲学生权威为代价的坚持和权威主张，在观察到的课程中，学生可能不习惯维护自己的权威，而他们的老师可能不愿意与学生分享权威，因为担心学生可能无法成功完成学习或任务。此外学生可能不熟悉在系统和基于学科的决策中对自己的想法进行批判性讨论的话语，即跨学科参与。低PIE的另一个原因可能是学生没有发现这个问题对他们个人有意义，导致学生没有参与寻找问题的最佳解决方案。
通过PDE框架(Engle, 2012;恩格尔和科南特，2002)，ISTEM作为一个可行的工具，为如何设计综合的STEM经验，以满足期望的教学成果提供指导。ISTEM假定学生在考虑解决方案时的PIE作为有价值的综合STEM教育成果，这在以前的协议中没有明确说明。此外，与问题处理、资源、权限和问责制相对应的ISTEM项目提出了实现和平衡这四个设计原则以促进三维PIE结果的方法。
查阅原文：Yann Shiou Ong · Jaime Koh· Aik‑Ling Tan · Yong Sim Ng SPRINGER，Research in Science Education
DOI：10.1007/s11165-023-10110-z
转自：“百研工坊”微信公众号
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