STEAM视域下初中跨学科融合单元课程研发与实施方案

    本方案在文献分析的基础上，确定STEAM课程的框架，进而展开STEAM课程的设计、实施与评估，归纳STEAM课程设计与实施模式。主要的研究内容包括：
    一、STEAM学科融合单元课程研究和实施的原则与思路
这部分的研究和实施是本研究的理论基础。在对国内外文献进行充分分析的基础上，立足本校实际，确定STEAM学科融合单元课程设计的基本原则与思路。在这一过程中，我们将重点分析STEAM课程和传统课程的区别是什么，其根本属性和特征是什么以及构建符合中国国情STEAM课程体系应当采取什么样的可行性路径。基于对这些问题分析，提出具有可操作性性的课程设计的基本原则与思路，形成对其后课程设计与实施工作的具有指导意义的基本准则。
    二、学科融合单元课程的设计与实施
这部分研究和实施是本课题实施的核心内容。在前期理论研究的基础上，这部分研究和实施将结合本校实际，构建并实施具有本土特色的STEAM课程体系。具体的研究内容包括：
    首先，确定课程的目标指标体系，即确定本课程体系主要聚焦的学生综合素养培养的内容。我们认为，STEAM学科融合单元课程的目标不应当仅仅局限于学生某一方面素养的培养，而应该是学生身心的全面发展。因此，其目标应当更为综合与全面。在参考E. Saxton等人（2014）设计的STEAM通用测评系统的基础上，本研究拟将学业成绩（主要指 STEAM 相关学科的测试成绩）、 高阶认知能力（主要指问题解决能力、创新能力和协作能力）及 情感态度（主要指 STEAM 领域的学习兴趣、求知欲和科学态度等）等维度作为STEAM课程设计的核心目标，再结合现有的相关学科的课程标准，进而形成具体的STEAM课程标准。
    第二，建立可操作、可发展、可创造的常态案例。基于STEAM理念，建立一批跨学科单元课程，如物理—化学、数学—生物、语文—地理；英语—历史等学科课程。通过跨学科单元课程研发将其与其它学科内容、方法、工具等联系起来，研发项目完成或问题解决过程中的学习资源与工具、学习活动过程、学习支架、学习评价、强化练习等关键因素，进行STEAM教学实践，积累一批可操作、可发展、可创造常态案例。
    第三，提炼可操作、可推广的STEAM课程群。在实践中提炼形成一批精品课程，按课程四要素研发课程纲要，研制课程资源包，形成初中跨学科课程领域的STEAM课程菜单在此基础上，培养学生掌握概念和技能的能力，让学生在真实的学习情境环境中参与实践活动，培养学生解决问题的能力的和自主学习的能力。
    第四，探索符合本校实际的实施路径和策略。初步的思路为，转变教师单一学科教学理念，研发教师培训纲要，提升教师跨学科研发单元课程的能力，积累推广STEAM教育资源和形成STEAM教育理念下的教学实践模式，总结提炼学校层面推进STEAM课程的路径和策略。
    第五，探索利用PBL实施STEAM课程，挖掘深层次学习能力的有效方式。在PBL中，学生能够参与到有意义的，自己感兴趣的研究调查中去。PBL活动的真实性激励学生，提升他们学习的价值。学生们决定解决问题的方法，以及完成任务所必须执行的活动或过程。比起在传统课堂中获得的知识，由于学生积极的参与到项目中去，所以他们记住课本知识的时间更久。通过PBL获得知识的学生更能将所学知识运用到现实情景中去。初步思路为我的想法是，把PBL作为传统教育方法的一个强有力的辅助工具，而不是革命者。在通过PBL探究式学习的同时，仍然关注基于传统的教学方法。根据年级不同，学科能力不同，把PBL项目分为三个等级，两个类别（分别是必要项目和拓展项目）。具体如下：
    I级为短期项目（类别：必要项目）。这种项目建立在课程内容基础之上，每个学期，学生都要完成核心科目（如2017年义务教育小学科学课程标准中“物质科学、生命科学、地球与宇宙科学、工程与技术”）。I级的探究活动主要是基于课程的学习，教师的作用主要是监督和引导学生取得成功的学习成果。在此过程中，教师会去挑战，扩展学生对概念的理解和技能，让学生通过新的经验获得更深更广的理解，获得更多信息，提高技能，以及通过开展其他活动来运用他们对概念的理解。
    II级和III级为学年项目（类别：拓展项目）。这种项目是跨学科的项目。它主要考察学生对知识的迁移、转化等能力。这两类项目是为学有余力，希望顺着自己兴趣方向发展，喜欢创造，想要进行自己的研究，开发自己的产品的学生而设立。可以在物理和数学、物理和化学、工程与技术等方向发起。II级项目针对那些独立发展项目思路，自发引导问题有困难的学生。III级项目适用于自始至终几乎不需要教师帮助，完全能自主研发的学生。在II级和III级项目的各个阶段，教师应及时引导学生，以便提供必要的帮助并发表反馈意见。学生在II级和III级项目中取得的成果，应在科学展览，相关科学竞赛中展出。
    三、STEAM学科融合单元课程实施效果的评价
    目前国内绝大多数的同类研究，往往均止步于课程的设计与实施，缺少对课程实施效果的评价。这是得人们对于自己设计的课程到底是否有效，仍然无法做出科学的、证据充分的回答。本研究着眼于这一不足，再课程实施效果的评价方面予以强化。通过严谨的实验设计，来对课程实施后的效果进行监测和评价。具体而言：
    首先，在实施STEAM课程之前，设置实验组与对照组。以参加STEAM课程学习的学生为实验组，以未参加STEAM课程学习的学生为对照组。在实施课程之初，对两组学生进行前测，测试的内容包括成绩、问题解决能力和创新能力等高阶认知能力以及学生的情感态度。一个学年后，再对两组进行后测，测试内容与前测一致。
    第二，通过计算效应量（effect size，SE）以评估课程实施的效果。根据已确定的课程培养目标，本研究拟从学业成绩、高阶认知能力及情感态度等维度测量学生STEAM学习的效应量。根据本研究的设计，主要计算Cohen的d值（1969）、Hedges的g值（1981）和Glass的Δ值（1976）这样的差异类效应量。与显著性统计检验不同，效应量基本不受样本容量的影响，可以有效了解自变量作用的大小，比较不同研究之间的实验结果或计算某一自变量的综合效果（Chow,1988）。这使得效应量指标在研究教育教学改革或心理测量方面具有明显的优势。通过计算学生STEAM学习效应量，反映STEAM课程实施的效果。
    第三，进一步分析影响课程效果的因素。以前测与后测的数据作为因变量，以师资队伍素质、学生家庭背景、学校办学条件等因素作为控制变量，构建双重差分模型（DID），分析影响实验组和对照组间STEAM课程效果差异的因素。
    四、归纳STEAM学科融合单元课程设计和实施的模式
    总结项目开展过程中的经验与教训，提炼出STEAM课程设计与实施的模式。这些经验主要包括如何确定STEAM课程标准，如何搜集STEAM课程主题，如何围绕主题组织课程内容，如何开展STEAM课程效果的评估等方面。通过提炼STEAM课程设计的过程并进行推广，促进我国STEAM教育的发展。
    研究和实施目标
    本研究以设计和实施具有本土特色的STEAM学科融合单元课程为总目标，力图达到以下具体研究目标：
    第一，形成较为系统的STEAM课程体系。通过确立课程标准和课程原则，围绕STEAM课程主题组织课程内容以及对课程的实施效果进行评估这样一个过程，开发出一套比较系统的、可推广的STEAM课程。
    第二，评估STEAM课程的效果，分析影响STEAM课程效果的因素。通过比较组间差异，计算效应量来反映STEAM课程是否有效，再以前测、后测数据为因变量，以学生背景、师资队伍等因素为控制变量构建DID模型来分析影响STEAM课程实施效果的因素。
    第三，形成STEAM学科融合单元课程设计与实施的模式。在课题研究的基础上，提炼出STEAM课程设计与实施的模式，为STEAM教育的本土化提供可借鉴的经验。
    五、 拟解决的关键科学问题
    本研究和实施立足于我国的国情与教情，努力回应我国STEAM课程建设实践探索和理论研究方面的关键问题。
    第一，应该如何根据我国的实际情况，构建具有操作性的、科学合理的STEAM学科融合单元课程，以培养和发展学生的综合素养。
    第二，STEAM课程是否有效？本研究通过严谨的实验设计，力图考察在相应的测评指标上，实验组的效果是否比对照组更好？经过一段时间后实验组学生的学习效果如何？基于此，科学测定STEAM学科融合单元课程的有效性。
    第三，影响课程实施效果的因素有哪些？本研究以前测、后测的结果为因变量，以师资队伍、学生背景、课程设计等因素为自变量，构建DID模型分析影响STEAM课程的因素。以科学分析，到底有哪些关键性因素起到了作用，从而是课程的改进与完善可以建立在科学的基础之上。
    六、拟采取的研究和实施方案及可行性分析
    1.研究和实施方案
    第一，在文献分析的基础上，确定STEAM课程的核心培养目标与评价标准。在参考既有研究及已有相关课程标准的基础上，结合本校具体情况制定。初步拟定的核心标准是学生的学业成绩、高阶认知能力和情感态度；在此基础上，结合学科课程标准，比如已有的中学物理学科课程标准，形成具体的、可操作性的STEAM课程标准并以此作为设计STEAM课程的依据。
    第二，进行课程设计。首先，根据文献和国内STEAM教学活动的成功经验，搜集整理有效的STEAM课程主题。其次，依据相应的STEAM课程设计方法组织课程内容。拟采用Mitts，C. R.(2016)所提出的“七步法”进行设计，即按照确定问题（Identify），界定概念（Define），搜集有关资料建立知识库（Document），理解（Understand）相关知识，创造性的给出解决措施（Research/Create），确定实施方案（Implement）并交流成果（Communicate）的流程设计单元课程。
    第三，实施课程与组织实验。在实施课程的同时，以参与STEAM课程学习的学生为实验组，以未参与的为对照组，进行实验。在课程开始之初进行前测；一个学年过后进行后测。主要的测试内容包括学生的学业成绩、高阶认知能力和情感态度。
    第四，评估STEAM课程的效果。一是效应量的计算。利用前测与后测数据，比较实验组与对照组之间的差距并计算效应量，效应量的大小反映的便是STEAM课程的有效程度。二是影响STEAM课程效果的因素分析。本研究以前测、后测所得的结果为因变量，以学生背景、师资队伍等为因变量构建DID模型分析这些因素对STEAM课程效果的影响
    第五，总结STEAM课程设计和实施的模式。本课题通过提炼课程设计、实施与评估过程中的经验，形成STEAM设计范式，最终以研究报告的形式呈现。
根据以上研究设计，本研究的总体方案如下图所示：

    2.关键技术问题说明
    基于以上研究设计，对本研究和实施涉及的关键技术问题说明如下。
   （1）利用测量工具与调查问卷获取数据
    如何运用一定的工具与方法，收集学生STEAM学习效果及相关影响因素的数据是同类研究的一个难点。国外的同类研究，很多都将学生的学业表现作为STEAM学习效果的一个重要评价内容。但由于我国中小学没有类似美国SAT、ACT、NAEP那样统一的学业水平测试，因此难以对不同学校、不同区域的中小学生学习效果进行横向比较。缺少必要的测量工具，使我国针对STEAM学习效果的研究，还基本处在理论探讨阶段，难以向纵深发展。而开发相应的测量工具，不仅难度极大，且成本较高。
    针对这一问题，本研究采取的研究思路是，利用既有的评价工具与数据采集途径，开展测评工作与数据收集工作。本研究由于测试范围小，数据收集的难度不大，且可依托南京师范大学教育科学学院等专业研究团队设计量表与问卷，可以确保测评工具的科学性，研究具有可行性。
    (2)通过效应量测度中小学生STEAM学习效果
    针对虚无假设显著性检验（null hypothesis significance testing, NHST）存在的问题，近年来研究者们倾向用其他数据的信息来更为合理地判读和NHST的结果。其中,报告ES是最为常见的改进方案之一。比如，美国心理学会自1994年起即要求公开发表的研究报告应包括ES的测定结果。与国外的规范应用相比，国内大多数学术期刊并没有硬性要求报告ES，部分研究者对NHST显著性差异也存在着误读，将统计显著性（statistical significance）等同于实验结果的实际重要性（practical significance）。针对这些不足，本研究在对STEAM课程效果进行判读时，将以ES作为主要依据进行测算。
    在具体的计算过程中，本研究将主要计算差异类效应量。这类效应量主要用于组间均值比较。为消除原始数据均值差值单位不一、难以比较的问题，Cohen（1969）和Glass（1976）提出用均值之差的标准化指替代原始值差值，这成为差异类效应量的基本思路。在本研究中，首先需要计算实验组和参照组学生在学业成绩、高阶认知能力和情感态度方面的差异。在通过测试和问卷调查获得原始数据后，可考虑用Cohen的d值、Hedges的g值和Glass的Δ值来表征学生STEAM学习的效果。以Cohen的d值为例，令实验组、参照组的样本容量分别为 n1，n2,样本均值分别为M1，M2，样本标准差为s1,s2,则组间差异的效应量为
d =(M1-M2)/σpooled                            (1)
其中g值和Δ值的计算公式中的分子与d值公式相同，仅分母有所差别。由于本研究的样本量较大，因此三个值的计算结果应该相差不大（Rosnow & Rosenthal, 2003）。在实际计算过程中，将根据样本方差情况决定计算公式。
    除计算实验组与对照组之间差异效应量以外，本研究还将计算实验组学生个体前、后测之间的差异效应量。计算原理与上述原理相同。
    通过计算这些效应量，本研究将可以判读参加了STEAM课程学习的学生，在学业成绩、高阶认知能力和情感态度等方面是否与对照组有差异，以及这些学生在整体和个人层面，所取得的成效到底有多大。从而回答STEAM课程是否有效这一关键性问题。
    (3)构建计量模型分析影响因素
    通过双重差分法（DID）分析有哪些因素影响了实验组和对照组学生间STEAM学习效果的差异。DID是社会科学研究中常用的基于随机实验思想的因果推断模型之一，其基本思路和原理是：在满足随机性和同质性假设条件下，进行（准）自然实验。假定实验组在ti时间点上受到了一个外生干预（如STEAM教学改革或政策影响），我们在这个干预之前（t0）和干预之后（t1）通过前测和后测可观测到结果变量Y10和Y11。前后测的结果差异（Y11-Y10）不仅受实验影响，还会受到“时间发展趋势”的影响。比如，自然条件下，即使没有接受STEAM教育，被试由于心智发展，其学业成绩、高阶认知能力等也会出现逐步提高的趋势。而DID模型通过比较和实验组具有同样时间趋势，但没有受到实验影响的控制组结果变量的变化，来剥离出实验的效应。如图1所示，控制组前测和后测的结果差异为（Y01-Y00），则实验效应可表示为δ=（Y11-Y10）-（Y01-Y00）。在这个过程中，将相关的影响因素作为控制变量代入模型，即可在考察STEAM教育效应的同时，分析各个相关要素的影响。


       图2 DID模型原理示意图
    基于这一思路，本研究通过准自然实验设计，选取实验组和控制组样本，通过前测和后测获得学生学习成效数据，建立两期DID模型。以STEAM学习对小学生学业成绩的影响为例，建立模型如下：
Yi=α+βTi +γDi+δ(Ti·Di)+τX+εi                  （3）
其中，Yi为学生i的学业成绩，Ti是实施STEAM教育的虚拟时间变量，Ti=0代表实施前，Ti=1代表实施后；Di代表实验组的虚拟变量，Di=1代表来自实验组的样本，否则Di=0。X是包括学校及个人不随时间变化的一组控制变量，ε是残差项。得到回归结果后，我们即可通过系数δ分析STEAM教育对学生学业的效应，同时通过系数τ分析各个相关要素的影响。用同样的方法，亦可考察各因素对学生高阶认知能力和情感态度的影响。
    (4)研究和实施可行性分析
    经严密论证，课题组认为本研究方案具有可行性，可以较好地实现研究目标。其理由为：
    第一，研究和实施计划逻辑严密。本研究聚焦于我国推进STEAM教育过程中的关键问题，沿着“理论准备——课程设计——课程实施——课程评估——形成模式”的研究路径展开，各个研究内容之间环环相扣，层层铺垫，具有明确而严谨的逻辑关系，可确保研究逐层推进。
    第二，研究和实施方法科学合理。本研究采用DID定量分析方法开展研究，相比传统的回归技术，这些方法更为先进与合理，能够处理传统分析技术难以解决的一些问题，从而使本研究能够获得更为科学可靠的结论。课题组成员能够熟练运用这些方法开展研究，并对关键技术环节进行了一定的预研究，取得了初步的研究成果，显示了良好的研究前景。
    第三，研究和实施数据具可获得性。本课题以学校为主体展开，容易获得校级数据以及学生标准化测试成绩。另外可利用现有的测量工具，节省了大量测量工具和调查问卷开发、验证的成本，而且可以利用相应的数据采集渠道，较为方便地获得本研究所需要的高质量数据，确保本研究能够顺利开展。
    第四，与高校研究团队密切合作。本校与南京师范大学等专业机构的研究团队有密切合作，相关团队长期从事教育评估、教育管理和STEAM教育方面的研究，具有深厚的科研实力，团队的负责人及主要成员均有主持、参与省和国家课题研究的经验。
    七. 本项目的特色与创新之处
    本研究的研究特色集中体现在：紧扣当前国家及区域教育发展的重要问题，本着为教育改革与发展提供扎实证据与政策参考为宗旨，与我国的国情与教情紧密结合，充分依托合作研究团队的研究经验，努力回应理论研究与现实工作的迫切需要，具有明确的研究内容和目标。
    本研究的创新之处主要体现在：在研究内容方面，国内关于STEAM课程的研究还处于学理探讨和经验介绍阶段，本研究将推进STEAM课程本土化以及STEAM课程评估的实证研究，提升提升本领域研究的科学品质；在研究方法方面，运用DID等前沿定量分析方法，突破了传统多元线性回归等定量分析技术的局限，使本研究能够更为精确地分析影响因素、因果关系和作用机制，进而得到更为科学的研究结论。