基于COP的小学科学优质课例STEM特征研究

陈 凯，蒋 昱，郭金星，朱玉洁

一、引言

STEM教育已经进入中国教育界和公众视野，目前研究文献以综述性、思辨类、教学经验总结文献为主[1]。教学实践者普遍存在一些误解，有的将STEM学科领域知识加以拼凑而并非有机融合，有的只是根据个人的片面理解去简单地改造现有的科学课或劳技课，有的学校依靠从社会机构购买课程却没有改善本校教师理念和教学水平，有的学校单纯地将机器人编程类课程作为STEM教育的全部等。

STEM是一种以项目学习和问题解决为导向，将科学、技术、工程、数学多学科有机地融为一体的课程组织方式[2]。STEM教学不仅需要聚焦于学科整合能力、解决真实问题能力和创新实践能力的培养，还需要在课程内容上关注STEM不同学科之间的联系和学生兴趣，在教学过程中强化科学实践教学[3]。

国内已有不少将STEM教学运用在小学科学课堂的实例，如“摆的秘密”“形状与结构”“水的净化”等课例实践。但现有的小学科学STEM课例多以教学设计、案例分析的形式呈现经验，缺少基于证据的分析和提炼，尤其缺少对STEM课堂的系统研究。鉴于国内STEM教育刚刚起步，所以我们借助美国课堂观察评价工具对以STEM为特色的小学科学优质课例进行研究，希望在数据中挖掘出小学科学优质课的STEM特征，为STEM课例设计提供更丰富的证据支撑。

二、STEM课堂教学评价的已有研究

STEM课堂教学评价应呈现多样化形式，以过程性评价为主，总结性评价为辅，并采用多元化的评价维度。评价内容除了基本的教学质量以外，包括但不限于师生之间与学生之间的互动。国内外学者开发了多种课堂观察量表或是对不同维度教学的定性描述指南，例如OTOP、VOS、CLOP、CIEOP、SIOP和COPUS[4]等，有的针对整合式STEM课程，有的适合理科单科课程，但也可迁移到其他学科课堂评价。在新近开发的量表中，美国的“改革后的课堂教学观察评价量表（RTOP）”较早被我国学者关注，该工具“基于标准”体现“探究取向”，并已经应用于中国物理课堂教学观察[5]。德克萨斯州立大学的教学观察方案（UTeach Obse-rvation Protocol，UTOP）也被国内用于STEM课堂的分析，在课堂环境和执行效果两个维度上具有较好的课堂区分性[6]。考虑到国际STEM教育的跨学科视角以及对科学实践的关注，我们选择了由北卡罗来纳州大学开发的课堂观察量表（Classroom Observation Protocol，简称COP）[7]，该工具综合考虑课堂中的师生参与、学科内容、实践活动等，与中国本土的小学科学教育标准改革趋势也有所契合。

三、研究设计

（一）研究目的

选择典型的课例录像，借助国外的STEM课堂评价工具进行编码与分析，以此发现我国目前小学科学优质课堂在STEM维度上的特征。

（二）STEM课堂评价工具

COP共有8个维度（见表1），每个维度下有5-9个观察点，针对每个观察点进行编码并打分，观察标度如下：0=完全不符合；1=稍微符合；2=大致符合；3=完全符合。

表1.COP的工具具体内容

续表1.COP的工具具体内容

（三）研究样本

自2018年以来，我国两次举办全国小学STEM课堂教学观摩研讨活动，集中性呈现高水平的STEM课堂示范。本文选取两次活动中八节小学科学优质课课堂视频作为研究对象，基于COP工具对这八节课进行编码分析，用“S+数字”表示不同主题的课堂。

四、研究数据与讨论

（一）信度分析

由于研究者在使用COP进行评分的过程中，主观因素的影响不可避免，对于量表所提供的各个维度评分的标准自然有所差异，因此需要进行评分者信度计算来检验量表是否可信。在本研究中，选择两位评分者按照COP对一个课例视频S1进行分析。一位是有过一年工作经验的科学教师J（本文第二作者）；一位是小学科学教学五年经验的教师Z（本文第四作者）。相互同意度计算方法：

（二）数据分析

通过以上工具分析八节课例获得数据：

1.整体课堂高分数据分析

八节STEM优质课在课堂文化和学生参与度这两个方面都获得了满分。课堂中的小组合作、成果展示和学生互评十分融洽，因此在课堂文化和学生参与两个维度上几乎每一个观察因素都符合量表中给出的特征。说明在STEM课堂中，师生互动、学生的积极思考和行动都不可或缺，有意义STEM项目的调动和激发、优秀教师的教育理念和课堂管理，都是这两个维度高分的关键因素。在视频中明显可以看到教师在课堂中积极寻求学生的主动参与，例如：在S1“美丽的泡泡”课堂第56秒以奖品积极寻求学生的主动参与；第3分钟，又引导学生参与肥皂泡的讨论；5分30秒，让学生自主选择材料制作肥皂泡。

（1）教师的活动分类

研究课例中的教师活动主要分为四种：

一是提问。通常从学生可以根据生活经验作出判断或者学生感兴趣的话题入手，引导进入新知识的学习，最后发展为需要学生使用高阶认知技能解决问题。

二是提示学生的回答并讲解正确的答案。STEM课堂中学生会根据已有经验和课堂问题的铺垫进行推理；教师鼓励学生之间的交流和互相评价，正确的答案往往在学生讨论之间被揭示，不需要额外的讲解。

三是为学生的答案提供反馈。STEM课堂中提供的反馈都是正面的，即使学生提出了错误的回答，教师也在强调犯错不可怕，关键是在错误中吸取经验教训。

四是课堂情况的管理。出现管理项的时间分布在课堂开始时期和小组合作探究结束到学生进行汇报讲解的过渡时期，这两个时间段主要是对课堂秩序的调整。

（2）学生的活动分类

研究样本中的学生活动大致可分为四种：

一是回答问题。教师以提问的形式引发学生对核心概念的思考。例如S4“坚固的建筑”为例：通过学生对地震危害的回答，以驱动性的开放问题引导学生思考如何提高建筑的抗震性能，展开对建筑坚固性能的项目化学习。

二是小组合作探究。小组合作探究常见于工程领域的STEM课程。教师仅提供大纲指引及适当帮助，课程的设计、操作、解释环节全部由学生自己完成。例如从S4课堂6分28秒处，教师仅提供搭建建筑的材料以及要求，而在后面学生搭建模型过程中可以观察到，此时学生正全身心投入模型的搭建，教师只需做好对学生搭建模型的适当指导。

三是在讲台上展示并解释自己的成果。学生呈现出极高的表现欲，具体表现为更主动积极地参与活动和更有逻辑性的表达。例如S4课堂第35分钟，学生在完成模型搭建及抗震性能检测后，运用所学地震知识，对模型作出透彻解释，分析在建筑物底部加上底座后防震能力增强的两种可能，并提供相应理论和证据。

四是互相评价和解释答案。学生在互相评价的过程中由其他组的成员提出疑问或建议，通过分享经验的方式促进学生对自己的学习查漏补缺。例如在S4课堂41分30秒，针对当前模型在现实中的可行性的质疑，模型搭建者进行解答并提出解决方案，加深理解并完善方案。

2.高分值数据分析

八个课例在教学模式的框架、数学和科学学科内容、科学探究与研究性学习、有意义教学中学生的认知和参与这四个观察因素上的得分较高。例如S3“过山车”的开始，教师引导学生解释对过山车结构的认知，实现意义教学后，教师使用准确和适当的科学词汇对问题进行陈述，符合数学和科学学科内容的维度。3分35秒时，教师提供制作材料，并安排学生小组讨论及合作搭建，符合教学模式的框架；同时，学生动手参与过山车模型制作，又体现了课程的科学探究与研究性学习特征。“科学实践”被界定为从自然现象中发现问题，采取科学方法收集处理数据等证据来形成模型或理论，并解决先前提出的问题——这一点恰好从第三个维度的各个要素综合体现，发现大部分课在这个维度得分均超过2.5分，说明我国STEM优质课注意将科学学习与真实问题相联系，“实践”层面有了很大进步。

3.不同课堂数据差异分析

技术应用差异最大，得分最高的是“轮子”“坚固的建筑”和“建立校园生态系统模型”这三节课，得分最低的是S8“星际种植”，体现在教学媒体类型和频次相差较大。以“建立校园生态系统”为例，教师指导学生用Excel统计数据。技术的使用在课堂中占用时间较长。但是在“星际种植”中，使用技术的部分仅是利用多媒体播放视频，课堂中学生没有自己利用技术的机会。所以，不同课堂中主题差异和教师信息技术意识及习惯的差异，决定了对技术工具的依赖性有所不同。有五节课例在这一维度得分偏低，在一定程度上也说明目前的科学课堂技术应用范围还局限在多媒体技术，数字化实验、科学影像工具、VR、大数据分析、人工智能等并未得到广泛关注。

4.STEM特色数据分析

由于研究对象是基于小学科学课程衍生的STEM教学创新设计，所以课堂教学内容仍然得围绕“学科核心概念”——这是学科教学的基础。NGSS认为符合下列两条及以上标准的概念才可以定为核心概念：（1）对科学或工程学的多学科领域都有重要的价值，或者是单一学科重要的组织性概念；（2）可作为理解和探究更复杂的概念及解决问题的重要工具；（3）与学生的兴趣和生活经验相关，或者联系到需要科学或工程学知识的社会性或个人关注的问题；（4）能在不同的年级进行教与学，并呈现出深度和复杂性上的增加水平[8]。依据这些标准作为1f维度的评分依据。

此外，STEM作为跨学科的项目学习方式，还需要关注超出学科界限的概念，这些概念在科学、数学和技术领域中均能彰显其说明事物、创造理论以及在观察和设计时发挥着重要的作用，1h维度的提出是为了学生更好地理解和联系不同学科领域、不同年级阶段的学科核心概念。

1f和1h维度平均分都达到2.88分，说明优质课例注重融合学科视角探究具体问题，也凸显某一学科领域的核心概念学习需要[9]。

五、研究结论

综上所述，STEM优质课例中学生的参与度都很高，并向学生提供了充足的时间进行自我总结和互相评价；都注重科学实践，让学生自己动手，参与设计和制作，并有机会应用工具，兼顾学科核心概念与跨学科概念。不过，部分课例在概念理解、技术应用、项目成果的评价、学生主动性方面表现分数偏低。

六、研究反思

国内针对STEM课堂实证研究还未全面展开[10]，借鉴国际课堂评价工具虽然有助于我国一线教师和教育研究者对STEM课堂的探索，但是在我国中小学的应用中，应该置于怎样的情境中？如何根据我国中小学科学课堂实际和科学课程标准进一步细化或清晰评分规则、更好地表述维度要求？从这个意义上说，COP对于我国只是一件半成品，要真正发挥其作用，还需要实践者的参与和智慧。

研究的样本选择均为在优质课比赛时录制的视频，但毕竟常态课堂和赛课时的师生表现会有所差异；而且赛课时间控制在一小时以内，未必能充分体现工程学探索的全过程，所以以上结论可能存在一定的片面性。