初中STEAM课程认知能力和科学素养培养模型*——基于反思性学习的思考

金 洲 李颖欣 戴 坚 黄诘雅

（浙江工业大学 教育科学与技术学院，浙江 杭州 310023）

一、引言

当今世界科学技术创新对社会的引领作用更加凸显，对新型人才的需求也与日俱增，倡导多学科融合、注重创新精神和实践能力培养的STEAM 课程引起广泛关注。但是在热点背后也存在一些亟待解决的问题，我国STEAM 课程中科学探究的过程存在知识深度和系统性上的不足[1]。其中，重“技能培养”轻“知识学习”、重“活动形式”轻“科学精神”是主要的两大问题[2]。

二、理论基础

（一）反思性学习的内涵

反思性学习是指学习者以自身经验、活动或身心结构为对象，以反身性的自我观察、分析、评价、改造、修炼等方式进行的学习，是建构性学习、自主学习、学生主体性发展等的核心环节[3]。

文章认为，反思性学习并不只是在某一教学阶段或者某一教学时刻去做的事情，而应该贯穿到整个STEAM 课程的培养过程中，在各个教学环节都应该有所体现和表达。而依据各个教学环节对教学内容侧重点的不同，无论是认识能力培养和科学素养培养，无论是对过去教学的先前环节、过去教学的当前环节，还是在对现在教学的先前环节，反思性学习都应该存在并从这些环节中总结反思，利用现有经验推动教学环节的进一步完善。

（二）反思性学习的功能和途径

目前，反思性学习的主要功能在于通过反思提高学习者自我认识、自我评价、自我对待以及自我发展的能力[3]。

反思性学习注重经验及其转变的过程性和技术性，趋向社会性和实践性，主要体现在：反思形式从沉思走向实践反思；从个体反思性学习走向社会化反思性学习；从过去的“反思性”走向外显的、实证的“反思”；从以往的经验反思性学习走向转换的反思性学习[4]。

日常教学中，反思性学习的内容主要有学习过程的反思、学习结果的反思、学习环境的反思以及学习动机的反思四个方面[5]，工具主要有驱动性问题、反思性学习表、网络反思性学习平台、电子学习档案袋以及试题等[6]。

（三）反思性学习与STEAM课程的关系

1.反思性学习提供了检查机制。反思性学习可以作为STEAM 课程下的一种检查机制，帮助学生监控自己的学习活动，帮助教师调控自己的教学活动。要求教师在课前进行历史反思，在课中进行实时反思，在课后进行即时反思，改进后续的学习课程，循环往复。反思学习虽与形成性评价类似，但包括了在形成性评价后给予反馈的环节，这种反馈包括了“回溯”“跳跃”和“迁移”。

2.反思性学习提供了润滑剂。反思性学习提升了STEAM 课程的灵活性和可操纵性。在实际的STEAM 课程上，可能因为教学时间的限制或是教学材料的限制而导致学生在整个教学过程中缺少反思过程，而教师也在教学过程中未给予学生有效的反思时间，学生无法对已学知识完全掌握，自然更不可能去理解其他更深层次的内容。而反思机制作为可以一种“回溯”和“跳转”的综合运用手段，灵活调整各个教学环节的时间、各个环节的次序等，根据实际情况操纵和调控教学环节顺序，能够有效对学生认知能力和科学素养培养过程中出现的问题进行及时发现和解决。

3.反思性学习提供了认知能力与科学素养之间的“桥梁”。反思性学习不应该局限于时间维度各个教学环节的进行上，更应该扩展到空间维度“认知能力”与“科学素养”的交互上。具体来说，“认知能力”培养和“科学素养”培养两者是面对学生核心发展的不同侧面，是独立的，但又是相互关联的，“科学素养”的培养是在学生“认知能力”达到一定要求的基础上，而“认知能力”提升的最终目标是实现“科学素养”，而连通两者的“桥梁”就是反思性学习。

三、初中STEAM课程现存问题及原因分析

（一）课程流程固定化

课程流程固定化是目前初中STEAM 课程的主要问题。课程环节单一与教师教学水平较低有直接关系，许多教师在设计STEAM 课程教案时仅通过套用标准STEAM 课程模板或依据其他标准课堂模板修改后得到，极大程度上限制了教学环节的灵活性和可操作性，按部就班极大程度上导致了教学流程固定化。

（二）社会程度浅

社会程度浅体现在两个方面：一是STEAM 课程严重脱离实际。脱离实际是指STEAM 课程依据的问题来源远离实际、实践操作背离实际、结论得出超出实际。在STEAM 课程中学到的知识、掌握的技能、设想的方法无法运用到实际情况，并起到重要作用。二是在STEAM 课程中无法有效锻炼学生的社会交流能力、社会思维辨析能力等社会综合能力，造成学生社会程度浅的问题。

（三）重视外在活动形式、缺乏科学精神培养

目前的STEAM 教育在很大程度上外在活动形式准备较为充足，但是严重缺乏核心素养的培养环节，其中最主要的就是科学精神的培养。究其原因主要是教师对STEAM 教育了解程度较低、学生对STEAM 教育接受程度不高、社会对STEAM 教育期望值过大等共同导致STEAM 课程呈现形式优良但缺乏科学实质的关键问题。

针对以上问题，本研究提出了基于反思性学习的新型初中STEAM 课程认知能力和科学素养培养模型。

四、初中STEAM课程现存问题及原因分析

基于反思性学习的初中STEAM 课程认知能力和科学素养培养模型（以下简称模型）如图1 所示，由内、中、外三层组成。内层为STEAM 课程的基本环节，包括发现问题、设计方案、收集证据、分析证据、得出结论和表达交流；中层为安德森认知发展理论中认识能力的目标要求，包括记忆、理解、运用、分析、评价、创造；外层为科学素养培养的基本过程，包括设计科学研究、科学地解释数据和证据、科学地解释现象、评价科学研究。

图1 基于反思性学习的初中STEAM课程认知能力和科学素养培养模型

模型三层结构既相互独立，又相互对应。相互独立体现在各层次内部为基本闭环，且在最内层的STEAM教学环节中存在着反思机制，根据实际教学情况进行“回溯”和“跳跃”，同时借用模型三层结构的具体形式投影到认知能力培养与科学素养培养上。相互对应体现在：依据最内层STEAM 课程教学环节划分整个课程时间，由所在具体课程教学环节两侧与圆心的反向延长线所组成的扇形，确定认知能力培养和科学素养培养环节的一一对应关系。如图2 科学素养中“科学地解释数据和证据”位于认知能力结构“分析”和“评价”之间，同时与STEAM 教学环节的“分析证据”相对应。

图2 基于反思性学习的初中STEAM课程认知能力和科学素养培养模型层级

（一）课程目标

目前STEAM 课程面向群体以中小学生为主，学生大多处于具体运算阶段，思维的抽象逻辑程度比较低，需要借助具体的事物以及过去的经验。在此阶段，学生对知识能力的培养提出较高要求的同时也对科学素养快速提升提出了强烈的需求，逐渐形成了较强的抽象逻辑思维以及系统思维能力。因此，在实际的课程中应当以认知能力培养和科学素养培养为背景进行具体的课程目标设计。

（二）课程内容

1.认知能力培养。目前，STEAM 课程在认知能力培养方面较为薄弱。模型以安德森认知目标模型为主体，分为记忆、理解、运用、分析、评价和创造六个环节。从最初的发现问题开始，教师可以教授学生适当的“记忆”方面的知识，也就是可解决问题的基础知识，并从此出发，设计具体解决问题的方案。在设计方案的过程中，学生逐渐“理解”所学的基础知识，并往外延伸与此有关的其他方面知识。然后，学生通过收集证据和分析证据环节，将所学知识“运用”到实际的动手实践过程中，培养学生运用知识的能力。接下来，在得出结论环节和表达交流环节，学生将“评价”STEAM 课程过程中的知识学习与实践经验得出结论。最后，学生对现有的设计方案进行“创造”，培养学生自我认知能力，达成认识目标。在课外时间，学生也可以去搜索与本节课课题有关的知识，重复进行安德森认知目标模型的六个环节，从而实现不同目标层次的具体要求。

与此同时，在正向循环认知能力培养过程的同时，教师也应当允许反思的发生。当学生未能运用知识到具体实践中时，可以反向思考是因为学生“记忆”环节不到位还是“理解”环节不到位的原因，并对此进一步的讲解补充；同时，如果学生在评价过程中对某个作品的评价与其他同伴作品的评价有较大差异时，教师可以思考，这位同学是否在最初的“知识”掌握环节中有所问题，又或者是学生在实际“运用”“分析”过程中与其他的同学存在些许差异等。将反思性学习融入到认知能力培养方面，能够真正实现学生在STEAM 课程中认知能力的提升。

从整体来看，STEAM 课程环节与认知能力培养环节一一对应又相互错开。在发现问题阶段和设计方案初期，学生逐渐对解决实际问题所需的知识达到熟记的要求；在设计方案后期和收集证据阶段，学生逐渐理解所接受到的知识，并根据自己的理解收集相关的证据支持自己的假设假说；在分析证据阶段初期，学生运用已有认知尝试解决问题；在分析证据阶段后期，学生将对证据的分析转化为自身的知识，并结合之前学习过的知识进行总体分析，在“得出结论”阶段的初期加以运用；在得出结论的后期，学生综合多学科多方面的认知知识，并在表达交流环节进行总结、评价。最后学生也可以联系生活实际，根据其他学生和教师的评价修改原有设计方案，进行进一步的改进和创造。具体对应关系如表1所示。

表1 初中STEAM 课程环节与认知能力培养对应关系

2.科学素养培养。研究调查发现，目前STEAM 课程片面注重活动形式和课堂氛围，一定程度上缺乏实践活动的科学性和严谨性，仅仅是把“表面功夫”做好，却忽视了学生科学素养的提升。如今STEAM 课程更是应当把重点放在引导学生在实践活动中掌握科学知识和科学方法，培养科学精神。

模型的外环以PISA2018 发布的有关科学素质的能力“科学地解释现象”“评价和设计科学探究”“科学地解释数据和证据”为基础，并进一步将“评价和设计科学研究”分为“设计科学研究”和“评价科学研究”两个部分。以最初“设计科学研究”为出发点，经过收集证据和分析证据（即科学地解释数据和证据）后，科学地解释现象，评价自己和其他同学设计的科学探究，有效提高学生的科学探究能力，并根据科学探究的评价结果重新设计科学研究，如此循环。

在此循环过程中，可以利用反思机制，在根据所设计的科学研究对数据和证据进行收集、分析、解释的过程中，对出现的问题进行反思，并重设科学研究，再次进行具体的收集、分析、解释工作；而发现已有的数据和证据无法科学地解释现象时，反思出现问题的原因，并对出现的原因（可能是因为对数据和证据的分析解释不合理或者在最初的研究假设中出现了问题）进行修改和调整。在最后的评价科学研究阶段，学生和教师对整个研究过程进行分析，从整体的角度分析存在的问题，加以改进。

从整体上看，“设计科学探究”与STEAM 课程环节中的“设计方案”、安德森认知目标发展理论的“记忆”“理解”相对应，在学生记忆能力与理解能力提升的同时，加强对科学方案设计、科学严谨表达的能力；在设计方案阶段“科学地解释数据和证据”“科学地解释现象”与STEAM 课程过程中的“收集证据”“分析证据”“得出结论”，安德森认知目标发展理论中的“运用”“分析”相对应，加强学生的科学计算能力和科学分析能力；“评价科学探究”与STEAM 课程过程中的“表达交流”、安德森认知目标发展理论中的“评价”相对应，增强学生对科学意义的体会、科学价值的判断，真实锻炼学生的科学精神，达到良好的实际教学效果。具体对应关系如表2所示。

表2 初中STEAM 课程环节与科学素养培养对应关系

（三）课程实施

1.发现问题。发现问题是STEAM 课程的开端，在“发现问题”的教学环节中教师引导学生从身边的生活实际出发，发现真实可解决问题并以解释此类现象、解决此类问题为目的，为设计科学研究方案打下坚实基础，促进学生的记忆和理解能力。

2.设计方案。设计方案是STEAM 教学的关键环节，一个好的设计方案是后面其余教学环节的总规划。作为一份“科学指南”，好的科学设计方案不是一次性就能够完成的，而是需要通过后续教学环节中出现的问题通过不断反思改进的，锻炼学生对知识的理解能力，推动科学研究的设计进度，完善科学设计方案。

3.收集证据。收集证据是对之前所设计方案的一种体现，也是对之后得出结论的根本证据。就实际而言，对于目前STEAM 课程中存在的真实性缺乏、未能从实质上对科学素养以及认知能力培养提供切实帮助的原因，很大程度上是收集到的证据准确性差、虚假程度高，极大程度上是为了理想的结论或结果而编撰证据，无法体现反思性学习的真实效果，也无法依靠对所出现的问题（证据为什么收集不精准、证据如何精准收集等）进行反思以提高科学素养能力。

4.分析证据。若仅仅完成证据的收集是完全不够的，还需要对证据进行分析，这是培养认知能力的主要方式，不仅培养学生的应用、分析能力，还能够锻炼学生的科学思维逻辑和抽象思维逻辑。在面对如此庞大真实复杂随机的数字中，发现实际规律和总结实际证据是摆在所有学生面前的一大难题，而教师就要充分借用此机会，在对学生提供适当帮助的同时，对基本的科学方法进行解释说明和强化练习。

5.得出结论。对证据的收集分析以得到最终的结果。但是在目前STEAM 教学过程中出现得到结果与预期效果不一致的情况，这时候许多学生会选择放弃得到的真实结果而杜撰出虚假的自己设想的结果，而教师也对此环节不加以干预，这对学生的科学素养培养进程造成极大的负面影响。教师应当引导学生从先前教学环节中分析原因，如果是某些操作原因、计算原因等则改正过来重新实验；如果发现之前操作并没有任何错误，那么就要接受这个实验结果，这是科学素养的一种真实体现。

6.表达交流。表达交流是学习者理解所学内容并用自己的语言表达出来的逻辑体现内容，具有现实意义的同时，也有利于教师从学生的讲述中发现学生在课堂实践中存在的问题和课程实践对学生认知能力和科学素养的提升效果，有利于教师对整节课进行反思，并对教学设计加以改进。

五、基于反思性学习的初中STEAM 课程学习效果评价

（一）评价标准

基于反思性学习的初中STEAM 课程学习效果评价可以分为认知能力、科学素养、反思程度三个大类，三个大类之中又细分为具体十四个二级小类，详细如表3 所示。其中评价的主体是教师、学生（自我评价和同侪互评）、家长三方。

表3 初中STEAM 课程学习效果评价体系

（二）评价内容

基于反思性学习的初中STEAM 课程学习坚持以人为本，以促进学生提升认知能力与发展核心素养为根本目标，在评价过程中需遵从以下原则：

1.“技能培养”和“知识学习”并重。知识学习是技能培养的基础，而技能培养是知识学习的进一步提高，从“记忆”“理解”“应用”到“分析”“评价”“创造”，让技能培养与知识学习并重，是当前初中STEAM 课程摆脱形式注重实际的基本之策。

2.“活动形式”“科学精神”并重。“活动形式”应该以“科学精神”培养为核心，“科学精神”培养应该以“活动形式”的优化为创新，创建“活动形式”精良、“科学精神”纯粹的STEAM 课程。

3.多能力并重。从理性思维能力、批判质疑能力、科学探究能力这三大科学素养结构关键成分角度培养学生的综合素质能力，多角度能力并重培养，全方位素质综合发展，切实评价真正体现初中STEAM 课程教学中认知能力和科学素养的提升效果。

六、结语

本研究基于反思性学习理论、布鲁姆认知目标分类理论以及PISA2018 科学素养培养理论，分析造成目前STEAM 课程重“技能培养”轻“知识学习”、重“活动形式”轻“科学精神”问题的原因，构建基于反思性学习的初中STEAM 课程认知和科学素养培养模型。此模型较好地解决了STEAM 课程流程固定化、学习程度浅、重视外在活动形式、缺乏科学精神培养等具体问题，能够推动STEAM 课程教师教学效果和学生学习效率的提高，进而推动STEAM 课程在我国的进一步发展。但是，模型还存在一些缺陷，如什么时候进行反思性学习、教师应该如何进行反思性学习，反思性学习的内容有哪些等问题，都需要通过进一步研究加以解决。