【刊载信息】胡艺龄,彭晓玲,吴忭.2021.STEM教师教学设计能力在线培养模式研究[J].中国远程教育（8）：31-39.
【摘要】机器与人类劳动分工的不断裂变、重组，促使教育领域的研究者和实践者深入思考应该如何培养创新型、复合型、应用型的21世纪人才。STEM教育作为对这一命题的重要回应，尚面临着教师数量不足与质量不佳的困境。为改变STEM课程教学目标不明确、教学设计模式不清晰的现状，培育未来教师的设计思维并促使其外化为实践，打造从教师教育到教师实践无缝衔接的教育生态，是有效途径之一。本研究从设计理论、培养模式和标准框架的联合视角，构建了STEM协同教学设计模式，并通过创设整合了真实教学设计问题和虚拟导师等多元支架的虚拟实习环境，使教师投入到包含STEM教学设计要素的逆向设计活动中，在实践中发展STEM教学设计能力。初步研究表明，该模式在提升教师的STEM教学设计表现和协作能力上体现出一定的作用，在破解STEM课程中目标缺位与异位困境、满足教师完成STEM跨学科设计的需求、提供多元交互式设计实践机会等方面具有独特优势。
【关键词】STEM；STEM教师；教师教育；虚拟实习；教学设计；设计思维；逆向设计；协同设计
一、
引言
STEM（科学、技术、工程、数学）教育的诞生为学习者跨学科解决真实挑战、发展多元创新思维提供了可行的操作路径，顺应了知识经济时代对创新型、复合型、应用型人才的需求，已成为教育领域对如何培养21世纪人才问题的重要回应。美、英、德、芬兰等国相继出台了国家层面的STEM教育政策和报告，积极推进STEM教育改革，并确立了教师在其中的关键引领作用（中国教育科学研究院，2017）。我国从2015年起提出了一系列关于STEM教育的政策意见，近两年也逐渐将改革的目光转向STEM教师教育，启动建设集资源整合和师资培养于一体的平台。但由于缺乏对于STEM教育核心内涵、实施框架和操作方式的深入理解，当前在STEM教育实践中教师还存在“认同但缺乏行动”“忽视全面的理解，特别是对工程与技术的理解”“实践缺乏专业化指导”等诸多问题（李学书,2019;Salami,etal.,2015）。可以看到，面对我国STEM教师培养模式不清晰、STEM教学效能受到质疑的双重困境，创新STEM教师培养模式、突破STEM师资在数量和质量上的瓶颈成为STEM教师教育改革的重点。
二、
STEM教师教育的发展现状和研究回溯
（一）国内外STEM教师教育政策动向和实践困境
我国自2015年“探索STEAM教育、创客教育等新教育模式”首次写入中国教育信息化的政策文件以来，STEM教育在全国各地中小学逐渐升温。中国教育科学研究院2017年发布的《中国STEM教育白皮书》分析了我国STEM教育的背景和现状，明确指出STEM教育目前在学校实施中面临的最大瓶颈就是教师问题（中国教育科学研究院，2017）。教师是STEM课程在中小学课堂落地生根并切实提高学生STEM素养的关键因素，有效实施跨学科教学要求教师不仅要掌握学科内容知识，更要理解跨学科整合的理念，围绕大概念（包括内容大概念和过程大概念）进行STEM课程设计（Chalmers,etal.,2017）。
（二）STEM教师教学设计能力培养现状
培养什么、如何培养是STEM教师教育的关键议题。“教学是一门设计科学”“教师即设计师”“为学习而设计”等观点彰显了设计的核心地位。Huizinga（2014）等人发现教师在协同设计跨学科课程时缺乏课程设计知识、教学内容知识以及课程一致性知识等设计专业知识。因此，学者们提出，面对真实、复杂的教学挑战，STEM教师不仅需要跨学科整合能力和整合技术的学科教学知识（technologicalpedagogicalcontentknowledge，TPACK），更需要一种指向解决复杂教学问题的设计思维。这种设计思维体现在，本着技术变革学习的教育目标，通过循环迭代设计、创新教学方式和在行动中反思来形成最终的问题解决方案，是数字时代教师专业能力的高阶体现（尹睿,等,2018）。
（三）STEM教师教学设计能力评价标准
三、
STEM协同教学设计模式构建
（一）理论基础
1.逆向设计的教学法建模
2.虚拟实习的专业实践模式
虚拟实习（virtualinternships）的概念最初由Shaffer（2007）提出，指的是交互式指导下的在线模拟，学习者像科学家、艺术家、工程师一样思考，协作解决需要创新解决方案的现实世界问题。例如，为了培养学习者的工程思维，学习者作为一家虚拟工程公司的实习生，在模拟真实的工程挑战中和同事协作，明确需求、制定方案、测试原型、衡量伦理问题等。虚拟实习强调的是任务内容和解决问题过程的真实性，而非技术支持下的环境虚拟性（如VR/AR环境）或物理逼真度。前期不同领域的专业实践研究表明，虚拟实习具有培养工程思维（Chesler,etal.,2015）、提高专业技能、转变专业态度（Faucette&Nugent,2015）、降低职业焦虑等突出优势。
在教师教育中，虚拟实习指的是基于在线环境，学习者在真实的任务中扮演实习教师的角色，协作完成真实的教学设计问题（Theelen,etal.,2019）。教学设计是一种复杂、劣构、涉及决策过程的问题解决活动（Jonassen,1997）。在面向教学设计能力培养的STEM教师教育中，虚拟实习的专业实践模式提供了“在设计中学习”的环境。该模式强调使实习教师置身于真实的任务中，教师在应用知识、技能设计特定教学方案的过程中有效整合不同学科，将科学、技术、工程、数学学科知识和教学法知识融入真实情境中的问题，设计需要灵活运用各学科知识创造性解决问题的学习任务，在解决复杂问题的过程中培养学生的高阶思维能力。由教师教育者和技术工具合作扮演虚拟导师角色，实现对实习教师的“从旁”引导，通过讲解设计原则、示范设计过程、引导和促进实习教师合作开展设计方案讨论，以及对实习教师的阶段性设计成果提供反馈建议，实现由传统一对一的认知学徒模式拓展为满足STEM协同教学设计需求的虚拟实习专业实践模式。
（二）STEM教师教学设计培训模式构建
基于上述分析，本研究将STEM教学设计要素融入逆向设计的一般过程，构建了虚拟实习环境支持下的STEM协同教学设计模式，包含逆向设计、STEM协同设计、虚拟实习环境三层，如图1所示。最里层为逆向设计流程指导的STEM教学设计，包含明确预期结果、确定评估证据、设计学习体验三个阶段，进一步细分为七个步骤；第二层既表示STEM核心特征——跨学科整合，又表示STEM教师教育中不同学科教师协同设计教案的方式；最外层是支持STEM协同教学设计的虚拟实习环境及支架设计，包括技术环境提供的个性化功能和虚拟导师的引导和干预。
图1虚拟实习环境支持下的STEM协同教学设计模式
1.以逆向设计为核心
总体来看，STEM逆向设计应包括三个阶段。阶段一：分析课程标准并选择学习目标，即明确预期的结果。标准决定并塑造了设计工作，教学设计师在课程标准的指导下学会设计包含跨学科概念的学习目标，将不同学科领域中相互关联的目标在特定情境下有机整合，共同发展学生的科学探究、技术素养、数学思维和工程设计能力。阶段二：确定评估证据并思考评价方法，即确定证明预期目标达到的学习证据。逆向设计是面向理解的设计，与STEM评价理念吻合，强调基于绩效表现、与真实世界要求一致的评价，证明学生能够在真实情境中运用知识技能，促进持久理解。针对“评价范式应转向于服务学习”这一旨趣，STEM教师需要考虑多样化的评价方法，针对不同的学习表现和学习结果提供全方位的评价反馈。阶段三：设计学习体验，即确定教学内容和活动安排。无论是来自理论应然的逻辑还是实践实然的验证，基于探究的学习、基于项目的学习、基于问题的学习、基于案例的学习等模式为STEM学习活动设计提供了参考。除此之外，STEM教师还需考虑教学策略、课程顺序、资源材料等课程设计细节。
从逆向设计三个阶段可以看出，逆向设计是有目的的设计，帮助教师将课程和评估聚焦在大概念、本质问题和真实表现上，其在逻辑上是顺向的，但与传统设计常识相比是逆向的。需要注意的是，任何设计都是一个循环迭代的过程，逆向设计的三个阶段并非绝对的线性关系。将逆向设计作为指导STEM教师教案设计的优势在于：①以学生为中心，以学习目标为起点。基于跨学科学习目标开展教学，将教学作为达成目标的手段而不是目的。②过程诊断，以评促学。逆向设计的评价设计先于教学活动设计，教学指向发现证据、接近目标的过程，打破了事后评价的桎梏。另外，从明线上看，教师以评价为导向支持学生跨学科学习；从暗线上看，学生成为评价的主体和共同参与者，也发展了学生的自我评价能力以及自我监控的元认知能力（田莉,等,2015）。③保持目标、评价与教学的一致性（叶海龙,2011）。例如，在美国《下一代科学课程标准》（NextGenerationScienceStandards，NGSS）的学生预期表现中，将学科核心概念与跨学科概念、科学和工程实践相结合，要求STEM教师在设计评估时思考什么是学习证据以及如何引出此类证据的情境和任务类型。
2.以STEM协同设计为抓手
STEM教育的核心是打破单学科的孤岛现状，通过现实世界的真实问题整合学科（Honey,etal.,2014）。因此，STEM注重以创新的方式整合各个学科的大概念，为学生提供以更真实的方式理解世界的机会。这通常需要通过与其他教师合作绘制课程地图来实现（Basham,etal.,2010）。本模式中以教师参与课程协同设计为抓手，构建STEM学科教师协作设计平台。既为教师提供了有效设计和实施STEM跨学科整合课程的实践机会，也使得各学科教师的思想、专业知识和经验在交互中产生倍增效应。已有研究表明，STEM教师协作对其教学有积极影响，在内容知识和教学知识、教学实践、学生STEM学科成绩提升上都有良好的表现（Fulton&Britton,2011），在设计高质量的课程中被广泛应用（Hixon,2008）。
3.以虚拟实习环境为支撑、多元支架为助力
4.基于虚拟实习的STEM教师教学培训系统开发
在构建STEM协同教学设计模式的基础上，本研究采用基于设计的研究理念，设计并开发了一款单页面架构（singlepageapplication，SPA）的学习设计工具类WebApp。通过需求分析、元数据设计、功能设计、流程设计和交互设计，整合开发的学习设计平台提供了一套系统的支架以支持用户进行完整的STEM课程设计，同时该工具还能为用户的课程设计结果生成最终的STEM课程设计报告以辅助STEM培训者进行有关培训的评价。前端网页的开发以HTML5、CSS3与JavaScript三者结合为主，服务器端的API主要由PHP来实现，系统界面如图2所示，基本学习活动流程如图3所示。
图2基于虚拟实习的STEM教师培训系统
图3学习活动——学习活动区域
四、
虚拟实习背景下STEM协同教学设计的应用研究
本研究以设计“水过滤主题的STEM课程”为课例，将虚拟实习环境支持下的STEM协同教学设计模式应用于上海市某高校的中小学在职教师培训教学中，通过学习制品的评估（专家法）、《STEM教学设计能力量表》、《协作水平量表》等评价方法和工具验证模式的有效性。
（一）研究设计
此次实验，共有21位在职教师自愿参与了主题为“水过滤主题的STEM课程设计”的教学设计活动，随机分为6组，每组3~4人。实验周期为一学期（36课时）。研究工具采用本研究团队自主研发的STEM虚拟实习平台，在虚拟导师的指导下每组都将完成8个STEM课程协同设计活动（如图4所示）。其中，虚拟导师由真实的STEM教育专家与智能代理共同组成，专家承担指导教学活动设计、参与小组讨论、评估教学设计效果等职责；智能代理负责提供课程资源、问答结构性知识、发布阶段性任务等。在研究项目开始之前，研究者与两名人类虚拟导师研讨虚拟实习环境支持下的STEM协同教学设计模式、活动设计、虚拟实习平台功能、支架设计内容等，以使虚拟导师全面、深入地理解教学过程。在设计活动结束后，两位专家使用《STEM教学设计评价量规》对各组完成的STEM课程设计报告进行评估，21位研究对象有效完成了《STEM教学设计能力量表》《协作水平量表》的测量。
图4虚拟实习环境支持下的STEM协同教学设计流程
（二）研究工具
《STEM教学设计评价量规》依据STEM教学设计能力评价标准，结合水过滤主题的设计内容，设计评价指标用于评估学习制品，即STEM课程设计报告。共包括八个维度：吸引学生投入的情境、工程设计挑战、科学内容整合、数学内容整合、技术整合、STEM整合、内容选择与活动设计、绩效与评价设计，每个维度的满分为五分。两位专家用该量规评估了六组受训教师的STEM课程设计报告，Cohen’sKappa值为0.77，具有较高的一致性。
《STEM教学设计能力量表》：依据STEM教学设计能力评价标准，研究者编制了与《STEM教学设计评价量规》维度一致的量表，每个维度下3~4个题项，共28个题项。量表采用李克特五点计分（1=完全不同意，5=完全同意，得分越高说明自我感知的STEM教学设计能力越高），各维度的内部一致性信度系数在0.76~0.90之间。
《协作水平量表》：采用Rose（2002）编制的《小组协作量表》的简化版测量小组协作水平，该量表由14个题项组成，采用李克特五点计分，从“1=完全不同意”到“5=完全同意”。示例题项如，“我们团队经常就不同的设计方案进行争论探讨”“我依赖导师来验证我的观点是否正确”（反向计分）。在本次测量中，该量表内部一致性信度系数为0.87。
（三）分析与讨论
1.STEM课程设计能力
研究结果显示，两位专家对6个小组的STEM课程设计报告评分（每组八个维度的均分）均在3.5分以上（M=3.75，SD=0.21），说明在本研究构建的模式指导下生成的学习制品质量较高。自评结果显示，被试对各自小组在STEM课程设计能力8个维度上的平均打分都高于4.0分，三分之二的小组平均分高于4.0分，所有小组的平均分为4.35分（SD=0.53）。即在虚拟实习环境中，基于逆向设计的协同STEM课程设计活动，无论从客观还是主观情形来看均能有效提升教师各个维度的设计能力。
2.小组协作水平
协作情况分析的结果显示，88.89%的被试认为团队协作提高了学习效率和学习质量，与个人独立设计相比，更愿意参与协同设计。总体协作水平的均分及方差为M（SD）=3.99（0.68），说明大部分教师小组在协同设计过程中能够共同承担责任、解决问题、管理冲突，在发展设计能力的同时有效提升协作能力。
表2STEM课程设计报告评分及《STEM教学设计能力量表》得分
五、
结语
无论是何种形式的STEM教师教育，其关键不仅是让教师习得一种方法，更应使教师具备“适应性专长”，既能运用已有的知识技能有效解决问题，也能突破常规，重构STEM教学理念，不断寻求适用于新情境的策略。本研究从提高STEM教师设计能力的目标出发，在厘清STEM教师教育与设计思维关系的基础上，首先通过逆向设计建模STEM教学设计流程构建基于虚拟实习的专业实践模式，再通过设计和实施虚拟实习STEM协同教学设计环境开展初步效果验证。总体来看：
（一）逆向设计可破解STEM课程中目标缺位与异位困境
中小学在开展STEM教育实践的过程中，由于缺乏目标导向和多学科知识的融合，导致课程教学目标不明确、教学设计模式不清晰。逆向设计使教学从基于经验或内容走向了基于课程标准，保持了课程内容、评估和交付的一致性，能够有效促进STEM课程学习目标的达成。
（二）协同教案设计契合STEM跨学科整合的本质
“重学科知识，轻教学实践”的教师教育模式在培养STEM教师的设计思维时存在局限，尤其是对单学科谱系下培养的新STEM教师而言。协同教案设计提供了集体设计的机会，在分布式认知活动中教师运用跨学科思维开展合作。通过在“设计中学习”，教师不仅可以收获STEM课程设计的学习体验，还有机会通过集体知识管理、反思性实践形成STEM教学设计模式。
（三）虚拟实习环境为跨学科整合的多元交互式设计实践提供了支持
虚拟实习环境为教师提供了践行知识技能、保障有效交互、及时评价反馈的模拟环境，拓宽了STEM教师的学习通道。营造真实性、参与性的设计实践环境有利于充分调动STEM教师的内在动机，促进STEM课程设计的持续性改进。
最后，在本研究构建的模式指导下的STEM教师教育仍存在一定缺陷。如对学科结构性知识的学习和跨学科整合经验的培养不足、协作初期教师之间存在矛盾需要调解等，需要通过不断迭代改进逆向设计活动，完善虚拟实习环境的功能和支架设计，设计有效的虚拟导师引导策略，不断推动STEM教学设计活动深入开展。
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作者简介
胡艺龄，博士，副教授，硕士生导师；彭晓玲，硕士研究生；吴忭，博士，副教授，硕士生导师，本文通讯作者。华东师范大学教育信息技术学系（200062）。
基金项目：本文受2019年度教育部人文社会科学研究青年基金项目“基于虚拟实习的STEM教师教育创新模式与应用研究”（项目批准号：19YJC880033）资助。