指向“4C 能力”发展的STEM 教育跨学科发展研究*
刘 颖
（云南师范大学 教育科学与管理学院，云南 昆明 650000）
摘 要： “4C 能力”作为STEM 发展的核心要义，旨在通过对真实问题的解决，发展学生的批判性思维能力、创新思维能力、合作能力、沟通能力，因此关注STEM 教育中学生的“4C 能力”能够促进学生思维品质和实践能力的发展。文章立足于STEM 教育跨学科的内涵与特征，剖析“4C 能力”与STEM教育跨学科发展的关系。研究发现，加强STEM 课程师资队伍建设、合理配置STEM 课程现代技术资源、设置完整的STEM 课程方案设计是促进STEM 教育跨学科发展的有效路径。
关键词： 4C 能力；STEM 教育；跨学科发展
一、引言
2013 年德国认为人类已经进入到了以创新科技为目标的第四次工业革命时代，呼吁为未来社会培养具有创新思维、创新技术的新型人才。我国“六卓越一拔尖”计划2.0 提出要“强化实践能力和创新创业能力，培育科学道德、批判精神和创新精神，提升沟通表达能力和团队协作精神，造就敢闯会创、敢为天下先的青年英才。”[1]
对于STEM 的研究，研究者大多把研究的视角聚焦于STEM 课程的设计当中，要求教师具备STEM 的专业发展能力，但是对STEM 教育的育人价值，也就是STEM教育对学生发展提出的价值诉求没有给予太多的关注。由此可见，将STEM 教育的育人价值和“4C 能力”的人才培养联系起来，将会给STEM 教育的研究提供新契机，明确STEM 教育中学生需要达到的层次，为教师和学生的发展提供了一个清晰的方向。
所谓“4C 能力”，是美国制定的“21 世纪学习框架”当中需要发展的学生能力，包括批判性思维能力（Critical Thinking）、沟通能力（Communication）、协作能力（Collaboration）以及创新创造能力（Creativity）。
二、STEM 教育的内涵与特征
1.STEM 教育的内涵
STEM 教育并不是将科学、技术、工程和数学四门学科的教学内容进行简单的排列组合，或进行一个简单、机械的拼凑，而是教师通过自身的STEM 专业能力将四门学科组成一个富有生命力的整体。STEM 教育的发展并不是一蹴而就的，而是经历了图1 所示的“四个发展阶段”[2]，这四个阶段的发展又与布卢姆的教育目标分类学的划分阶段相联系:①分科课程阶段，各个学科之间的距离较远，彼此独立，呈现出相互分离的状态，并且存在碎片化知识的特点，此阶段各学科之间的关联性较差，注重的是记忆和理解；②多学科阶段，学生能够在这个阶段中习得涵盖概念和技能的主题内容，多学科阶段开始注重将碎片化的知识重新进行排列组合，开始重视各科之间知识的关联性与交互性；③学科间阶段，强调学生在高度相关的两门以上的学科中学习概念和技能，这一阶段高度关注各科知识之间的交互性，强调对知识的应用和分析能力；④跨学科发展阶段，即STEM 教育融合阶段，这一阶段强调围绕项目驱动实现实际生活中的问题解决，注重学生评价和创造的能力。跨学科教育强调学科之间的融合与发展，并且给予了各个学科自我发展的空间，使各科仍然具备自身学科的特色与课程品质。前面的阶段发展成为融合阶段发展的重要基石，STEM 教育最终走向的是学科之间的融合与创新。
图1 STEM 教育发展阶段关系图
2.STEM 教育的特征
（1）以跨学科教育为核心，实现多门学科的交叉性
传统教育将知识按具体学科划分，强调学科知识组织的条理化、逻辑化以及系统化，目的是为了形成结构良好的知识板块，使学生对知识的学习有更高层次上的把握。但是，这种强制性的划分同时也割裂了学科知识之间的内在联系，分裂的知识之间相互掣肘，最终导致学生的学习缺乏真实的问题情境。
STEM 教育的核心就是打破原有知识之间的阻碍，整合课程学科知识，使之形成一种跨学科的教育组织形式。“跨学科课程整合就是环绕一个共同的主题，打破学科的界限，把不同学科、不同领域的理论和方法有机结合，有目的、有计划地设计组织课程内容和教学活动，以提高学生能力、促进学生全面发展为最终目的的一种课程组织方式和课程设计理念。”[3]
“将各科内容改造成以问题为核心的课程组织，通过序列化的问题有机串接起各学科知识，使课程要素形成有机联系和有机结构。”[4]STEM 教育的诉求就是促使各学科形成一个有机的序列和结构，在多门学科的整合过程中找到学科知识的衔接点，围绕真实情境展开，促进学生的科学思维能力和动手能力。跨学科知识的整合能够促使学生掌握问题解决的能力与素养，触发学生思考与自主学习的能力。
STEM 教育跨学科学习注重学生运用所学的知识在真实的情境中能够解决实际的问题，强调在生活中的学习，要求学生能够对生活中出现的问题寻根究底，找到问题解决的办法，从而促使学生具备团队协作以及创新创造的能力。
（2）以真实情境为依托，倡导现实生活的回归性
生态处理技术是由水、植物、土壤、微生物和阳光等组成的污水自然净化系统。与传统的废水处理相比较具有低成本、低耗能、几乎无再生污染等优点。如今，人工湿地以低投资、低运行费用和美观以及其高污染物去除效率等特点被广泛应用于污水的二级和三级处理[39]
（3）以项目驱动为目标，促进问题解决的多维性
在建筑施工阶段中运用BIM技术还可对系统结构进行调整，对施工管理各项功能统一管理，在具体实施中可采用SD模型构建方式来施工作业，并对各项数据严格查询。值得注意的是，施工人员在对施工模型进行构建时应从企业实际情况出发，对施工管理系统加以完善，为施工进度管理提供保障，对建筑工程进行动态化管理。在一个虚拟的环境中，利用现有的数据信息资料，模拟实际施工情况，及时发现建筑施工中存在的质量问题和安全问题，并针对这些问题及时找到解决对策，保证施工人员的人生安全，保证施工的质量。
Anne Jolly 通过总结实践案例得出了STEM 课程具有六大优势，其中最主要的是STEM 课程能够聚焦于真实世界中的问题，随后才是在此基础上进行项目导向或问题解决的学习。“跨学科STEM 教育强调以真实问题或主题为驱动，利用科学、技术、工程、数学以及艺术等多学科相互关联的跨学科概念知识解决问题，实现从跨学科知识综合应用的角度提高学生解决问题、探究和创造的能力。”[5]跨学科STEM 教育区别于传统教育围绕教科书展开的学习方式，寻求的是学生在真实问题的情境下，利用自身的知识、经验以及技能，并且能够依靠技术找到问题解决的办法。STEM 跨学科教育以真实性问题为依托，学生通过在团队小组中的互动，交流学习的经验与方法，为实际生活中出现的问题提出具有创新性的解决方法，从而培养学生学习的迁移性，依靠建构性的思维实现对问题的深层次理解，培养学生的动手能力。
制作阅读分享课件。我们在教学中发现，大一的学生普遍缺乏表达和展示的意识。通过导入课件制作，让学生认识到如何增强现场展示的效果。同时，引导学生的阅读发散思维。比如，有学生在分享《岛上书店》这本书时，用课件展示的方式，从遇见、作者背景、精句摘录、人物分析、主题感悟这个几个角度和其他同学分享了自己的阅读过程和反思。这有助于改变当下大学生执迷于手机快餐式阅读的现状，唤醒他们对于沉浸式阅读的兴趣。
纳入标准：①年龄≥60岁；②临床确诊为MRSA、肠球菌等耐药菌感染；③入住ICU；④需使用万古霉素治疗。排除标准：①既往有万古霉素过敏史以及不耐受或已经出现过明显毒副作用者；②联合使用可能干扰血药浓度监测的药物（如具肾毒性的药物、其他中枢神经系统感染治疗药物）[6]的患者。
（4）以现代技术为支撑，保证学习活动的有效性
采用SPSS23.0软件包进行统计学分析。临床资料年龄及孕周分析、凋亡指数比较均采用均数的t检验；Fas、Fasl的表达强度用等级资料秩和检验；AI与Fas、Fasl之间相关性分析采用Spearman非参数相关分析；P<0.05记差异有统计学意义的检验标准。
教育技术的发展为STEM 教育提供技术上的支持，为了实现STEM 教育更好地发展，各个国家都在为STEM 教育的未来教室寻找更好的技术支持和设备支撑。在STEM 教育中，交互式白板、平板电脑、触摸屏等现代化教学设备能够给学生的学习带来更好的观感和体验，教师能够为学生提供线上教学资源，学生也能够更好地进行学习。“在21 世纪的今天，电子化学习作为将世界教育与课堂连接在一起的技术手段，是知识经济发展的必然要求，是教育信息化发展的必然方向，是世界各国基础教育信息化新战略的核心。”[8]
在STEM 的教育教学过程中，已经改变了传统的“一桌一椅一黑板”的教学方式，学生在STEM 教室中可以触及平板电脑、3D 打印机、体感设备等现代化的教育设备，在这种由新型的教育设备配备的教室中，学生可以对STEM 项目有更高思维层次的把控。STEM 教育作为依靠教育技术与现代化的工具围绕真实情境展开的新型教育教学活动，可以激发学生的学习动机，学生在不断探索与实践的过程中能够始终保持对新事物的好奇心，维持学生的学习兴趣。
三、“4C 能力”与STEM 教育跨学科发展的关系
“‘4C 能力’作为21 世纪必须掌握的能力，可以通过创新式的学习方法来实现问题或项目的学习，这种学习能力鼓励合作，培训沟通能力，促进元认知知识的学习，设计与真实相关的学习世界，以学生为中心。”[9]
“STEM 教育是真实问题情景下的教育，学生面临的是一个个劣构、复杂的学习问题，为了方便学生理解和掌握，需要把问题转化为可操作的项目，学习的实质就是解决问题和完成项目的过程。所以，项目的设计是STEM 教育的核心工作和着力点。”[6]STEM 课程当中，学生面对的不是结构良好的问题形式，而是结构不良好的问题设计，教师在设计项目或是活动的时候就要有意识地将劣构的问题进行高级思维层次的把控。因此，教师要组织学生开展基于项目的学习，基于项目的学习本质上要求学生和教师形成学习共同体，在这个过程当中，教师扮演的是引导者的角色，教师除了通过给学生提供引发问题思考的“支架”促进学生对真实情境的把握之外，没有其余的教学影响。学生在实际的操作过程当中通过自身对问题的探索与反思，不断促进知识在个体、群体之间进行流转，从而促使学生具备反思性的学习品质，促进自身科学素养与能力素养的发展。个体参与知识共享的过程，就是获取跨界知识主动建构的过程。”[7]
“4C 能力”要求学生的学习不是无意义的学习，而是有意义的学习，学生通过在学习过程中实现对问题的解决，从而对理论和实践有一个高层次的把握，达到深度学习的要求。基于“4C 能力”的STEM 跨学科学习，是在四门学科的学科知识基础上，围绕跨学科知识的一个统一的核心主题，运用现代化技术设备的教学组织形式，培养学生批判性思维、沟通能力、协作能力以及创新创造能力为一体的系列实践课程。二者关系如图2 所示。
图2 “4C 能力”与STEM 教育关系图
1.“4C 能力”是STEM 教育跨学科发展的最终目标
“4C 能力”培养的创客课程具有“六大特征”[7]，主要包括以下内容：①融合性，以STEM 教育理念为指导，打破学科界限，强调跨学科知识的融合；②实践性，以现实生活的真实问题为导向，设置课程主题，强调“做中学”的直接体验；③探究性，以培养学生发现问题、提出问题、分析问题、解决问题的能力为目标，设计课程活动，强调在复杂情境中获取有价值信息的敏锐度和洞察力；④协同性，以团队协作、人机协作活动为核心，设计课程任务，强调师生多方参与协同完成；⑤创新性，以激发学生学习兴趣为出发点，组织课程内容，强调创意与成果的作品化，在实践中勇于创新；⑥分享性，以提高学生的自我效能感为目标，设计课程目标，强调以作品展示和语言表达来分享快乐。
2.4 统计学方法 由双人录入数据并核对，采用SPSS 17.0统计软件进行分析。计量资料以x±s表示，采用t检验；计数资料采用χ2检验。检验水准α=0.05。
这些围绕“4C 能力”展开的课程设计目标体现出批判性的思维能力、沟通能力、协作能力和创新创造能力的价值诉求，形成反省性的思维品质。STEM 教育跨学科的发展依靠真实情境为出发点的项目活动设计，用现代化的技术手段作为STEM 课程的技术保障，最终实现学生创新能力的发展。STEM 课程最主要的学习是跨学科知识的学习，对两门或以上的学科进行学科知识之间的联系与融合，是一门培养学生运用创新知识和创造技能解决真实情境中发生问题的综合实践课程，使学生具备探索式的思维模式和实践技巧。
2.STEM 教育跨学科发展是实现“4C 能力”发展的重要途径
STEM 教育围绕四门学科展开，以整合的教学方式培养学生知识和技能的掌握，融合的STEM 教育具备新的核心特征，即“跨学科、趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、实证性和技术增强性。”[4]美国学者艾布特斯（Abts）认为STEM 课程属于“元科学”（metadiscipline）的课程范式，它的诉求是对知识原理的不断追溯，最终促使四门学科知识结构具备统整性的特点，它们存在于真实世界当中，彼此联系。STEM 教育促使四门学科的知识内部进行一个有机的运作与整合，将彼此形成一个庞大的知识体系，各个知识脱离相互独立的状态，从而实现知识之间的跨越与衔接，在真实情境中检验学生对理论知识和实践技能的掌握程度，从而实现反思性的教学，培养学生对于问题解决的复合思维品质和反省思维能力，突破创新性的学习方法。
“4C 能力”的培养与发展最终的诉求是发展学生的批判性思维、沟通能力、协作能力以及创新创造能力，而STEM 课程恰好通过围绕真实情境中的项目驱动来展开设计，要求学生在项目完成或解决问题的过程中运用沟通能力、协作能力等呈现作品。“关于学习和创新技能的主题，或称为学习和创新技能，被描述为批判性思维技能、沟通和协作、创造力和创新，这些技能在核心研究领域的每个背景和21 世纪的学习主题中被教授。”[10]“4C能力”的培养需要通过STEM 课程这一路径来实现其中的核心价值诉求。
20世纪60年代，美国空军飞行力学实验室开发了气动数据库DATCOM，其包罗了从1903年第一架飞机开始直到1978年中止数据库更新的几乎全部美国飞机的飞行试验数据[1,2]。虽然DATCOM在面对一些特殊布局如飞翼式布局时，分析起来比较困难，在面对超级复杂的超常规布局时更是无法使用，但这是人类第一次将数据库技术应用到飞机数据管理中。
四、指向“4C 能力”发展的STEM 教育跨学科发展路径
1.加强STEM 课程师资队伍建设
STEM 课程自开设以来，最终指向的是学生“4C 能力”的发展，STEM 课程是一个统整性的综合活动实践课程，这就对教师课程整合的能力要求颇高。“但是，教师将原本分科的教材内容直接安置到STEM 课程主题之下，出现为整合而整合、不协调等拼凑现象。”[11] David 的研究显示，“STEM 教育的整合可能面临K-12 教师极少获得工程学位，因为对工程没有深刻理解，不能很好地激发学生对工程方法兴趣的现实难题。”[12]
美国STEM 教育国家研究院（The National Institute for STEM Education，简称NISE）为实施STEM 教育的教室、学校和地区颁发证书。应用一个能力本位的、学术性引领的在线学习平台，通过对三大领域共15 种教师行为的熟练程度进行论证，用以认证教师STEM 教育专业技能。因此，如果要保证STEM 教师专业能力的可持续发展，应当创办STEM 教育专业、开展STEM 教育教师培训课程、组建STEM 教育团队、设立STEM 教育研究机构、设立STEM 教育特色校等等。
STEM 课程作为一门综合性较强的课程，需要培养专门的STEM 课程师资队伍，不能将四门学科的知识进行简单的拼凑，要想发展学生的STEM 科学素养，促进学生的深度学习和迁移学习以及维持学生的学习兴趣，要求教师的教学方式和教学理念有一个深层次的转变，需要教师发展自身的STEM 学科专业素养，促进教师STEM 课程整合的意识和能力。
组织相容性抗原在角膜上皮细胞、基质及内皮细胞均有表达。WHITSETT等[7]的研究结果表明，在年轻人的角膜中，这些抗原含量较年长人多。而PALAY等[8]的研究发现，来自年轻人的角膜植片在用于成年人的角膜移植术与发生排斥反应有很大的相关性，以此间接说明，移植排斥可能与供受体的年龄相关。然而在本次研究中，没有发现供受体年龄与角膜排斥概率有明显相关性。同时，也有一些文献认为供受体超过40岁，仍然是排斥发生的一个潜在危险因素[9]。
2.合理配置STEM 课程现代技术资源
STEM 教育主张技术作为课程开展的有力支撑，强调学生要具备一定的技术素养，要求学生了解现代化教育技术的使用过程，以备日后STEM 课程的学习，培养学生善于运用技术解决问题的能力，从而支持深度学习的发生。“问题解决或项目完成需要学习者在大量信息基础上进行自主学习、意义建构，因此设计STEM 的学习环境和丰富的学习资源与工具是STEM 教学设计必不可少的环节。”[4] STEM 课程技术资源的设计主要包括在教学中需要用到的各项设备、器材和各种信息化工具，如3D 打印机、开源电路板的使用等等。这些工具的使用能够为学生的跨学科能力提供技术支持，在很大程度上提高学生的问题解决能力。
为了实现最优质的STEM 教学技术资源，首先，要整合现代信息技术，选择本次STEM 课程需要用到的技术资源。这就需要教师在STEM 课程开始时就确定与选择与本次课程相关的技术设备，并且要提前告知学生本次课程将使用哪些设备。其次，要将选择的STEM 教学技术资源与STEM 课程的教学设计进行配套使用，利用Scratch 可视化程序设计等工具作为STEM 课程发展的项目支撑，在技术设备使用的过程中要维持学生的学习兴趣与学习状态，以免学生因操作问题而丧失了学习的动机。最后，对本次使用的技术资源教学效果进行有效的评价与评估，要对学生完成的作品进行一个可视化的分析，促使学生在自己完成的基础上形成反思与改进，检验教育技术是否为学生的发展带来新的机遇。
3.设置完整的STEM 课程方案设计
目前，人们对STEM 课程仍旧存在两个误区：一是将STEM 课程整合理解为科学、技术、工程和数学四门学科分支的综合，教师对STEM 课程的理解局限于四门课程简单的叠加，出现为整合而整合的现象；二是将STEM 课程与综合课程、综合实践活动课程相混淆，这两种误区的存在都是因为教师没有明确的STEM 课程理念和STEM 课程的方案设计。“STEM 教育学习项目不是课外的科技小组活动，它是一种与传统课堂教学不同的课程教学方式。它要有明确的教学目标、教学进度、教学策略和教学评价。”[13]将散乱的学科知识进行有机的整合，从而形成跨学科知识系统，这正是STEM 课程整合的出发点，在STEM 课程的整合过程当中，需要具备系统健全的课程标准，在教学目标、教学内容、教学过程、教学方法、教学评价等方面都要进行详细规划，由此将STEM 课程的权威性和有效性确定下来。
STEM 课程的学习应当以真实情境中的问题为核心，在教师的帮助下由学生创造性地解决实际的问题，不仅保持了问题设计的真实性，同时也激发了学生学习的创造性。选取教师和学生共同关注的真实问题或主题，形成本次STEM 课程的框架和范围，确定相关的活动和经验的提取，共同开展活动、制定评价标准，最后开展STEM 课程的评价，通过师生共同参与的STEM 活动，学生的沟通能力、协作能力才能得以发挥。
STEM 课程的划分可以根据不同的主题和项目活动内容进行划分，在保障项目和主体能够完成的情况下，教师可以根据自己STEM 课程教学的进度进行能力层次难度的划分，促使每一个学生都能参与到学习中来，避免出现学生学习的“边缘化”现象。
1）单井增压注水技术节能量的评价。通过分析，适合采用单井增压注水技术的注水系统是胜北注水系统，系统注水站出口压力23.5 MPa，输入功率84.43 kW，注水量是8.367 m3/h。系统如果采取单井增压注水技术，系统的注水压力可以降到9 MPa，不需要增压的注水量为6.908 m3/h，则该系统可节约电量为37.64×104kWh。
根据这些主题所包含的学习任务不同，教师的STEM 课程设计也有所差别，但是优秀的STEM 课程教学计划最终要明晰的是本次STEM 课程的教学目标、教学内容、教学方法以及教学评价，并且STEM 教师要了解学生在课上能够学到哪些知识，这些知识应当学到什么程度，学生的思维品质最终要如何发展等等，这些问题都是教师需要考虑的。通过设置完整的STEM 课程方案设计，对学生STEM 素养发展有一个准确的把握，由此能够成为发展学生“4C 能力”品质的有效保证。
五、总结
STEM 教育作为一种全新的教学范式，颠覆了传统的教学组织形式，为未来社会的人才培养观奠定了方向，即STEM 教育跨学科发展最终要实现的是学生围绕项目活动的展开在小组活动中进行有效的沟通和协作，从而形成创造性的思维品质，STEM 教育不是一个人的学习，而是将学生的智慧聚集在一起，激发创造性的思维碰撞。指向“4C 能力”发展的STEM 教育跨学科发展还应当注重以下几个方面：一是STEM 课程的教学设计，STEM 课程是否应当有一个统一指导性的课程体系，如果有，教师应当如何结合学生的情况进行校本课程的开发；二是STEM 教师专业发展的问题，STEM 课程对教师的要求较高，教师的专业发展能力是否应当有一个标准，这些标准又有哪些维度和量化的指标体系。这两个方面都需要学者们进行深入的实践与探索，从而为培养21 世纪需要的具有“4C 能力”素养的人才做好充分的准备。
参考文献：
[1]教高[2018]8 号.教育部等六部门关于实施基础学科拔尖学生培养计划2.0 的意见[Z].
[2]Thananuwong,R.Learning Science from Toys：A Pathway to Successful lntergrated STEM Teaching and Learning in Thai Middle School[J].K-12 STEM Education,2015(2)：75-84.
[3]李克东,李颖.STEM 教育与跨学科课程整合[J].教育信息技术,2017(10)：3-10+13.
[4]余胜泉,胡翔.STEM 教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究,2015(4)：13-22.
[5]唐烨伟,郭丽婷,解月光,等.基于教育人工智能支持下的STEM 跨学科融合模式研究[J].中国电化教育,2017(8)：46-52.
[6]秦瑾若,傅钢善.STEM 教育：基于真实问题情景的跨学科式教育[J].中国电化教育,2017(4)：67-74.
[7]赵慧勤,王兆雪,张天云.面向智能时代“4C 能力”培养的创客课程设计与开发——基于STEAM 理念的实施路径[J].远程教育杂志,2019(1)：104-112.
[8]孙刚成,左晶晶.国际STEM 教育研究的动态、热点与趋势——基于CiteSpace 的可视化分析[J].外国中小学教育,2019(3)：23-31.
[9]Zubaidah,S.21st Century Skills：Skills Taught Through Learning.State University of Malang Journal[J].Journal Routledge Taylor &Francis Group,2016(1)：1-17.
[10]Tan C.,Chua C.S.K.,Goh O..Rethinking the Framework for 21st-Century Education：Toward a Communitarian Conception[J].Journal Routledge Taylor&Francis Group,2015(79)：307-320.
[11]李玉珠.学科课程整合的实践探索、问题及思考[D].北京：首都师范大学,2007.
[12]David Thornburg.Why STEM are interrelated：The importance of interdisciplinary studies in K-12 education[EB/OL].http：//www.tcse-k 12.org/pages/stem.pdf.
[13]李克东,李颖.STEM 教育跨学科学习活动5EX 设计模型[J].电化教育研究,2019(4)：5-13.
中图分类号： G420
文献标志码： A
文章编号： 1673-8454（2019）24-0006-05
*本文系云南师范大学2019 年研究生创新项目“STEM 教育背景下小学教师跨学科能力发展研究”（编号：ysdyjs2019056）阶段性成果之一。
(编辑：李晓萍)
标签：4C能力论文; stem教育论文; 跨学科发展论文; 云南师范大学教育科学与管理学院论文;