中小学STEM教师专业素养模型的理论建构

摘   要：21世纪的挑战在中小学催生了全新的学习范式，STEM教育是应对的主要路径之一，STEM教师是其中重要的力量，因此有必要构建素养模型为教师的专业发展、专业实践赋能。文章在文献研究和案例研究的基础上，提出中小学STEM教育的总体认知框架，包括跨学科整合性、真实问题驱动、各学科平等性等基本假设，莱斯转换模型、STEM转换模型等参照系，经验学习、具体操作物、多元表征等理论框架和七个特征的概念框架；梳理了专业素养研究的发展脉络和重要概念，提出在情景专业主义视角下构建中小学教师专业素养模型；最后以美国州首席教育官员理事会提出的素养导向的教师核心教学标准模型为蓝本，综合总体STEM教育认知框架和专业素养理论，构建了包含学习者和学习、内容知识、教学实践、专业责任四大素养，12个亚素养的中小学STEM教师专业素养模型，并细化了指标体系。

关键词：中小学STEM教育；专业素养模型；跨学科整合性；莱斯转换模型；中小学STEM教师素养模型

中图分类号：G451         文献标志码：A         DOI：10.3969/j.issn.1672-3937.2024.09.03

一、引言

21世纪以来，全球各国高度重视STEM教育，其推进STEM教育的紧迫感很大程度上源于对全球安全和经济稳定性产生威胁的环境和社会因素，同时，STEM教育受到“乌卡时代”①创新性危机的迫切需求和学科过度分化之后进入统整发展期的强力驱动。从这个意义上说，如今STEM教育的意义已经超出帮助学生在数学和科学测评中取得高分，或在STEM职业领域占据一席之地，更是为了回应时代的重大挑战。[1]

对于具有深厚的分科教育传统的中国中小学来说，STEM教育作为一个以跨学科整合性作为核心原则的知识领域[2]，学术性和挑战性都很大。中小学STEM教师是应对挑战的核心力量，承担着多重关键角色：探索情景学习（situated learning），实施跨学科教学，提升科学与数学教育质量，培养学生创新素养。为中小学STEM教师构建作为坐标系的专业素养模型是教育领域的重要任务。

二、中小学STEM教育总体认知框架

中小学STEM教育不是在上位理论框架指导下严密地进行应用和实践，而是从行动研究、扎根研究中不断总结经验、提炼规律、厘清核心要素、凝练有效特征，再进一步将其概念化和理论化。将中小学STEM教育视为一个新兴的知识领域，可以梳理出其独特的基本假设、参照系、理论框架和概念框架。藉此，中小学教师可以总体把握其核心要素和关键原则。

（一）基本假设

第一个基本假设是中小学STEM教育具有跨学科整合性。但通常STEM各子学科之间的联系并不明显，需要教师通过各种教学法与课堂策略进行展示，或支持学生自行探索。[3]第二个基本假设是中小学STEM教育是通过解决真实世界的问题来予以情境化的。第三个基本假设是中小学STEM教育支持学生21世纪技能的发展。第四个基本假设是中小学STEM教育各子学科间不存在主导学科、平行学科之分，应当同等看待。第五个基本假设是中小学STEM教育应当融入艺术、伦理、可持续发展等维度，避免落入唯技术中心主义的窠臼。[4]

（二）参照系

任何一个知识领域都有自己的参照系（reference），也就是韦伯所称的“理想型”。例如，物理学所创设的“无摩擦力学环境”，经济学提出的“一般均衡市场”。这些“理想型”并非现实本身，但抓住了核心要素和关键特征，为分析现实情况提供了起点和参照系。

莱斯转换模型（Lesh Translation Model）和STEM转换模型（STEM Translation Model）[5]可作为中小学STEM教育的参照系。

莱斯转换模型包含五个节点（见图1），分别是书面符号、口语表征、图像或图表符号、基于经验的隐喻、具体模型，节点之间的箭头代表不同的表征、符号内部或者之间的转换。转换是指某个概念从一种表征到另一种表征的联结或者重构。

例如，当学生先用文字描述了某个物体势能变化的状态，再用绘图的方式来展现该物体高度的变化时，就完成了从书面符号到图表或图像符号的转换。莱斯转换模型是一个理想型的、促进学生概念理解的思维框架，源于迪尼的多元具象表现理论，该理论扎根于其“内在规律通过厘定一个概念不同具象表现之间的联系才能得以揭示”的理念。[6]教师可以借助莱斯转换模型，要求学生在不同的表征之间进行转换，并通过观察学生在不同表征模式之间转换的流畅性，度量其概念理解的程度。

STEM转换模型（见图2）由莱斯转换模型衍生而来。如果将STEM视为一门“超级学科”，以贯通性（crosscutting）概念、实践或思维方式为“胶水”，将不同的STEM子学科粘合起来，那么各子学科就可以类比为莱斯转换模型的一个节点。数学、科学问题及其解决方案就成为STEM问题的具体表现形式。[7]

例如，“风涡轮设计”工程挑战是个综合性STEM问题，但学生一旦破题之后，就会“分支”到特定数学或科学原理的探究当中，如齿轮比率调整、叶片设计、风速计算，每个“分支”就体现出特定学科教学的特征。[8]如何促使学生感知并建立学科之间的联系？教师应鼓励学生运用STEM转换模型，在不同的子学科之间进行转换，即对于同一个STEM问题，变换问题解决的学科视角及其采用的概念、方法和技能，并通过相互对比、辨析异同、建立联系，创造性地整合出最优方案。这个过程能促使学生对各个学科的核心概念、对STEM跨学科大概念产生更细微的理解。将重点放在学科的联系和转换上，将各学科视为STEM“超级学科”的一种具象表现形式[9]，更易理解STEM转换模型。

（三）理论框架

中小学STEM教育秉承社会建构主义的学习理论[10]，在这种理论框架下，学习不再是静态的、个体的，而是学习者在特定的情景下，通过与同伴、教师、工具、资源、环境的充分互动，共同凝练集体智慧，建构知识以及文化身份的过程。因此，中小学STEM教育不能只关注课程和教学法，而应该系统性地考虑如何创设有效学习环境。历史上，杜威、迪尼和莱斯三位学者通过持续的研究、讨论和阐述，为STEM学习环境的创设奠定了理论基础。[11]

1.核心概念或探究方式的整合

中小学STEM教育的核心是整合性，涉及各学科概念及探究方式的整合。在不同的问题情境下，不同学科有望整合出结构与功能、能量与物质、因果关系等贯通性概念。相比之下，探究方式的整合比较复杂，如科学中会用到科学探究，技术领域会用到计算思维，工程中会用到工程设计，数学中会用到演绎推理[12]，它们是彼此独立、具有不同认知论基础的问题解决路径，其不同整合方式都有优势和劣势，对特定种类的问题具有特殊的适切性。而真实世界的问题又都是复杂、综合的，解决这些问题要求最大程度地发挥每种探究方式的优势。从这个视角出发，STEM的整合性不是简单地囊括各学科的内容、技能、思维方式，而是深入理解这些学科间的互动模式，及其互相支持和互补的方式。[13]

2.体现跨学科性

莱斯提出：“为了让学生为解决社会问题做好准备，有必要为他们提供机会，借助整合性STEM教育，通过丰富、有吸引力、深刻的学习经验来理解问题。”[14]杜威早在1899年就提出类似的观点：“分学科孤立的教学会弱化学科之间的联系，阻碍学生对他们希望洞察的现象或解决的问题形成整体的认识。”他进一步阐述：“启蒙之初，就为儿童引入泾渭分明的分科教学，会造成脱节和分化，而非协调与联系。在学校的人造环境之外，我们的生活经验都是整体化的，只有当我们有意识地对其进行反思时，才能清晰地从中分解出各个学科。”[15]

莱斯以数学学科为例，指出数学教学掩盖了真实世界的情况，如教科书惯例化呈现和描述的图景在真实的场景中往往更复杂、情境化且综合多门学科。[16]如此一来，学生往往很难将学校所学与实际问题建立联系。因此，中小学STEM教育至关重要的是要在学科之间进行有意义的整合。

3.营造真实世界、问题导向的学习环境

为了减轻乃至根治分科教学带来的学习与生活脱节的弊病，杜威于1916年提出一条“另类”解决思路，即创设围绕专业（occupation）开展课程教学的学习环境，毕竟“唯一充分的专业训练就是真正地训练专业技能 ”。但杜威对专业或职业做出了不同于常规的界定，认为专业是一种有指向性的社会活动，在这种活动中取得的成就以及对下属的帮助，足以使个体对其他人产生切实可感的重要性。[17]杜威认为专业并非归属于某个行业领域，而是真实、吸引人、有成就感的社会活动。基于此，杜威提出学校教育应该模仿专业活动而开展。[18]

前文列举的“风涡轮设计”工程挑战，其驱动性问题是“如何在自己学校的操场上为风涡轮挑选一个最佳的安置场所”。在应对该挑战的过程中，学生探究风车设计的各种参数，观察、记录天气变化情况，并对相关的科学工程概念进行深度学习。[19]该问题情境是STEM整合性的，且该挑战是为了促进社区的公共利益，也具有真实世界问题导向的显著特征。

4.STEM学习的本质是社会性、合作性

杜威、迪尼和莱斯三位学者都认为学生应当进行合作学习，但分别从不同的视角进行了阐述。杜威认为，教育本质上是社会性的，也是民主社会的一个重要功能。因此，学生应当作为社区中的成员，对相关议题采取行动。杜威构想中的学生行动应当是社区行动，要求学生作为学习共同体中的成员进行协作。[20]而莱斯的推导逻辑是，学校外的真实生产、生活中的跨学科问题都是由分属不同专业领域的人组成团队来解决的，因此，学生也应该以团队的形式来解决问题。[21]迪尼支持合作学习的理论基础在于其认为学习是社会性的。[22]

总体而言，三位学者分别从公民素养、专业实践、学习本质三个角度进行论证，殊途同归于“合作学习”这一交汇点。

5.引入个人经验

杜威和莱斯认为学生将个人经验带入到真实情境中的学习非常重要。例如，在“风涡轮设计”案例中，正是因为将问题情境设置在学生所在的学校，学术问题得以转换为个人和社区的有效行动，成为杜威所描述的“能够为他人服务的活动，并因服务成就来获得个人权力”。[23]这些活动也符合莱斯所提出的“真实性原则”[24]，即学生基于对个人经验和知识的延展就能理解其所处情境的活动。在学校之外，问题往往比较复杂，涉及人们的偏好、价值观和社会关系。因此，在中小学STEM教育中为学生创设的挑战性问题也应当体现这些特征。

相较而言，迪尼则更注重个人经验的引入本身。他认为只要学生能够在学习活动和真实经验之间建立有意义的联系，学习活动可以在缺乏真实情境创设的情况下进行。对于数学学习与真实经验之间的关系，迪尼认为：“数学知识是生活经验中美妙的、规律的、结构化的关系的晶体化（crystallization，即显性的固化）。这些关系是从与真实生活实际接触的过程中提炼出来的。”[25]拓展迪尼的观点，可以发现：除了数学规律，学生还能够从感知真实世界中更好地理解相关科学概念。例如，儿童在移动不同尺寸的物体时更深刻地理解“力与运动”的概念。迪尼认为，与个人经验建立联系不仅在于将学校学习和学生生活联系起来，更在于帮助学生抽象出数学模型、规律、结构，这个过程对学习至关重要。为此，他表示：“教师的角色就是将学生‘带入’合适的经验，来加速他们对相关概念的理解。”[26]

三位学者都认同“概念理解扎根于真实生活经验”。迪尼称之为具身知识（embodiment knowledge）[27]，即知识和能力是围绕真实经验来组织的。杜威对专业也有类似论述：“专业既是磁石，也是胶水，对于知识的组织（结构化）至关重要……而且专业诉诸于真实需要，在应用中一直被表达，一直被重新调整，因此永远不会僵化过时。”[28]可以说，专业知识是活化的、动态发展的、以专业实践为核心组织的。莱斯认为，该观点是情景认知（situated cognition）的先驱，并认为：“情境（context）至关重要，因为学习者的心智模型植根于具体情境”。[29]