作者：王晓宇 东南大学脑与学习科学系
研究生导师：姜飞月
【推荐摘要】：探索性学习是一种支持学习者自由探索相关教学资源的主动学习方式；学习者在学习中发挥更积极的作用，而不是被动地接受信息。这是一种流行的STEM综合教育的教学方法，涉及多个学科和知识领域。然而，实证评估表明，探索性学习并不总是对所有学习者有效，一些学习者可能会受益于更多的结构化、明确的指示。在本文中，我们重点讨论了如何在自主探索性学习的过程中支持学习者有效的知识传播和学习结果，而不削弱学习者在主动学习环境中的作用。通过结合支架式提问和计算思维（CT），提出了一个支持综合STEM教育中探索性学习的实用策略。首先，我们分析了如何优化教师的提问策略，以有效传播知识，使学习者的学习过程更加活跃。然后，讨论了如何利用CT的优势。最后，我们构建了一个适合K-12 STEM教育的以问题为导向的整合CT的学习模型（POLMICT）。通过将POLMICT应用于初中的STEM课程，我们得出结论：支架式提问策略可以作为教师向学习者传授知识的桥梁，以提高探索性学习的有效性，而在这个过程中嵌入CT有助于学习者探索并确保他们在STEM环境中的积极作用。
【关键词】：STEM教育，探索性学习，计算性思维，支架式提问，学习过程
01
简介
STEM是科学、技术、工程和数学的缩写。STEM教育以综合教学的方式帮助学生掌握知识和技能，促进学生灵活迁移，解决实际问题。STEM教育强调的是跨学科的整合。其核心特征是跨学科性、趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性和经验性。在STEM综合教育中，探索性学习是一种涉及多个学科和知识领域的主动学习。主动学习表现为：在个体需要的驱动下，学习者自由探索相关教学资源，坚持不懈地进行自我学习、自我评估、自我监控，从而提高学习效率。它有利于学习者计算思维（CT）的发展，有利于解决问题能力的形成，有利于终身学习理念的建立。此外，STEM教育与学习者的探索性学习追求的目标是一致的。STEM教育充满了探索性学习的理念和精神，它可以支持探索性学习的实践活动。
现有的STEM教育模式和方法是多样的。虽然它们在一定程度上促进了学生的探索兴趣，但并不能保证学生探索性学习结果的有效性。此外，实证评估显示，自主探索性学习并不总是对所有学习者有效，但有些学习者可能会从更多的结构化和明确的指导中受益。换句话说，有效的探索性学习不仅需要教师给予学生更多的探究空间，激发他们的探究兴趣，而且还需要教师提供适当的指导，促进学生高阶思维的发展。基于以上分析，我们发现：在K-12阶段的STEM教育中，如何在自主探索性学习的过程中保证知识传播的有效性和学习者的学习效果，又不削弱学习者在学习环境中主动探究的热情，是一个重要问题。因此，本文基于建构主义学习理论，构建了适合K-12 STEM教育的以问题为导向的整合计算思维的学习模式（POLMICT），将支架式提问与CT相结合，支持探索性学习，保证学习者探索性学习的自主性，提高学习者的学习效果。
02
相关工作
本文第二部分主要采用文献研究法，对STEM教育、探索性学习、提问、CT等几个概念的研究状况进行了界定和说明，从而引出本文的目的。
在综合STEM教育中，有三种主要的学习方法。基于问题的学习（PBL），基于项目的学习（PJBL），以及基于动手的探究学习（HIBL）。以上三种学习方法都要求学生在学习过程中保持自主探索的热情，培养学生的CT，解决现实生活中跨学科的实际问题。
探索式学习是开展STEM教育的有效路径，具有“独立、探究、合作”的特点。目前，探索性学习的概念已经从确认性探究转变为创造性探究。但是，我国义务教育阶段的探索性学习实践还存在着不规范的现象，表现为探究精神不足，探究效率低。因此，我们要正视中小学生探索性学习中存在的问题，即自主探索性学习并非对所有学习者都有效。例如，对现场有依赖性或自我效能感低的学习者在学习中更多地依赖教师的领导，更喜欢教师传授知识。本文的研究目的之一是为这类问题找到有效的解决方案。
PBL的关键在于问题设计，而 “问题驱动 ”的重点在于构建 “问题链”。在STEM教育中，基于问题的教学是以问题为导向，以学习者为中心的教学。当然，不同的提问策略也会对学生的探索性学习产生不同的影响。为了达到探索的目的，教师需要使用带有问题的策略。本文旨在开发一种提问策略，帮助教师提高对各种提问过程和思维能力的理解，并帮助教师通过支架式提问促进学生的反思和CT技能的发展。
Jeannette Wing首次提出CT的概念，并将CT定义为一种思维模式。CT不仅适用于计算机科学的概念和思维，而且还提供了一个广泛用于分析工作、学习和生活中的问题的视角。CT包括五个要素：分解能力、概括能力、算法思维、评价能力和抽象能力。STEM教育的教学过程分为五个步骤：发现问题、计划、尝试、修改、交流。STEM教育的教学过程需要CT能力的支持，同时，探索性学习也会培养学生的CT能力。目前，国内对CT培养的研究是从普通高等教育开始的，但在K-12阶段，CT能力在教学过程中的应用和培养还处于起步阶段。本文构建了适合K-12阶段的POLMICT，帮助教师运用提问策略和CT来组织教学；促进学生运用思维方法构建知识和技能，培养CT能力。
03
方法
通过构建适合K-12 STEM教育的以问题为导向的整合计算思维学习模型（POLMICT），提出了一种支持STEM综合教育中探索性学习的实用方法，该模型将支架式提问与CT相结合。
3.1. STEM教育中的支架式提问策略
在STEM教育中，PBL、PJBL和HIBL从一个需要解决的问题开始。这个问题被称为驱动问题（DQ）。学生探索DQ，并在探索的过程中学习和应用学科思想。实现PBL、PJBL和HIBL的目标有多种途径，有时甚至目标相对模糊，因为小学和初中学生的认知水平是有限的。因此，教师需要使用支架式提问来细化和优化STEM课程的这些问题、项目和设计。当提问路径确定且唯一时，学生容易产生无力感和依赖感，创造性地解决问题的动力减弱；当提问路径不确定或多样化时，容易激发学生的积极性，使他们在解决问题的体验中充分融入创新。
有效的支架式问题的特点是目标明确，而计划模糊。同时，它也为学生提供了一个学习支架，让他们自主探索。具体来说：
教师为学生提供有趣的学习情境，使学生能够产生、思考和解决问题。
教师根据教学内容设计支架式问题或相关的 “问题链”，引导和促进学生的思维活动。
教师通过支架式问题为学生提供问题线索，激发学生的兴趣，引导学生自主探索和学习，找到解决问题的方法。
教师引导学生对提出问题有更深刻的理解，并能总结和评价他们解决问题的方法。
教师评价学生在问题探索过程中的表现，评价学生探索性学习的效果。
3.2. CT在STEM教育中的应用
CT与STEM教育的契合点在于跨学科和问题解决。培养学生的问题解决能力是K-12教育阶段的重要教育目标之一。CT作为一种解决问题的思维方式，是所有受教育者应该具备的能力。小学生和中学生的思维是不断发展的。培养他们的CT，需要与STEM教育的跨学科知识整合理念相结合，从各个方面入手，与多学科有机结合。同时，STEM教育的教学过程也需要CT能力的支持。学生的基本CT能力也能促进学习任务的完成和学习目标的实现。
在培养中小学生的CT能力时，教师要有目的地引入问题或创设情境，激发学生的主动探究，培养学生解决跨学科问题的能力。为了更好地实施STEM教育，有必要在STEM教育的教学过程中培养学生的CT能力。同时，STEM教学过程中的关键步骤也需要CT要素的支持。CT包括五个要素：分解能力、概括能力、算法思维、评价能力和抽象能力。STEM教育的教学过程分为五个步骤：发现问题、计划、尝试、修改和交流。CT和STEM教育之间的关系如图1所示。
图1. CT和STEM教育之间的关系
3.3. STEM教育中的支架式提问与CT
将CT理念融入STEM教育的教学或学习过程中，教师通过有效提问为学生构建学习支架，学生利用CT方法进行探究性学习，更好地发挥两者的效能。综合运用CT教学策略，构建以教师为主导、以学生为主体、以问题解决能力培养为目标的新型教学模式----The Problem-Oriented Learning Model of Integrating Computational Thinking（POLMICT）。
POLMICT以CT为切入点，以探索性学习为主导，以“问题”为主线，将教师的教学过程和学生的学习过程联系起来。POLMICT要求教师运用CT方法提出问题，引导学生进行探索性学习，并提供有效资源帮助学生探索学习任务。学生要用CT方法梳理知识结构，主动探索学习，完成学习任务，构建学习模式。通过POLMICT，学生可以更好地进行自主学习、协作学习和探索学习，掌握知识，达到知识迁移和思维能力训练的目的。
POLMICT主要由“一个支架”、“一个核心”、“两个主体”和“五个阶段”构成，如图2所示。
一个支架：教师的提问被用作学生探索性学习的支架。其设计要点是 （1）与学生原有的与CT相关的学习经验相一致，所提供的支架应置于学生的 “最近发展区”；（2）体现教师的CT过程，为学生回答问题和解决问题提供反馈。
一个核心：教师用CT来组织教学，学生用一系列的CT方法进行自我探究和学习，达到跨学科解决问题的目的。
两个主体：教师是问题的设计者、问题探索的组织者、问题解决的引导者；学生是主动的主体，利用CT来思考、分析、解决问题。
五个阶段：基于POLMICT的教学活动可分为五个阶段：准备、问题、分析、解决方案和总结。每个阶段对应的CT能力是分解能力、归纳能力、算法思维、评估能力和抽象能力。
图2. 以问题为导向的整合CT的学习模式（POLMICT）
04
应用
第四部分主要采用比较实验法，我们利用POLMICT和通用探究教学模式（GITM），针对学生初始情况相同的班级，分别设计并实施了初中STEM课程《保护鸡蛋》的实例。该课程涵盖科学、技术、工程、艺术、生物和物理等领域。学生回顾生活中各种高空坠落的现象，思考高空坠物造成的伤害，并思考如何解决现实生活中的此类问题。
4.1. 基于POLMICT的探索性学习活动过程
根据POLMICT，在课堂上，教师用支架式问题引导学生自主探索，用CT方法设计保护鸡蛋的缓冲方法和结构，解决实际情况中如何保护高空坠物的跨学科问题。基于POLMICT的“保护鸡蛋 ”的探索性学习活动过程及相应的CT能力见表1。
在分析阶段，教师向学生提出的探究任务、材料和支架问题如表2所示。
4.2. 基于GITM的探索性学习活动过程
另外，我们采用GITM，设置相同的课时，设计并实施本课例。基于GITM的探索性学习活动过程如表3所示。
4.3. GITM和POLMICT的比较分析
以上两种模式对应于五个教学阶段。根据表2的评价指标，教师对各班学生的探索表现和展示的成果进行了评价。结果显示，GITM和POLMICT的每个阶段对学生探索性学习的效果都有明显不同的影响。具体而言：
第一阶段：GITM对应的是 “创造一个情境”。教师和学生只通过一个情境进行互动。学生还没有形成探索性学习的心理准备，探索之初所需要的能力也没有被激发出来。而与POLMICT相对应的“准备”要求教师引入DQ，启发学生积极思考，激发学生的兴趣。学生用CT的方法来明确和分解探索性学习的DQ。“如何设计高空坠物的缓冲方法和结构，以保证坠物的良好状态”，并制定下一步的探索计划。这个阶段对应的CT能力是分解能力。
第二阶段：GITM对应的是“启发思考”。由于没有明确的工具和方法供教师启发学生思考，学生独立思考的深度和广度都受到限制。而对应POLMICT的 “问题”则要求教师设计和重述DQ，并抛出支架问题或“问题链”。如：（1）从高空坠落会对坠落物造成什么样的伤害？（2）老鹰、兔子和蚂蚁从高空坠落时会发生什么？（3)生活中减缓下坠的方法有哪些？上述问题为学生提供了一定程度的探索性学习支持。学生利用CT方法找到解决DQ的切入点，在头脑中构建出保护高空坠物的方法。这个阶段对应的CT能力是归纳能力。
第三阶段：GITM对应的是“自我探索”。由于教师没有明确的内容和形式来指导学生的自主探究，学生自主探究的积极性和有效性得不到保证。而与POLMICT相对应的“分析”则需要教师提出探究任务和支架问题等材料，如表2所示。学生根据教师提供的相关资源，组织和分析自己的计划，进行自主探究。与此阶段相对应的CT能力是算法思维。
第四阶段：GITM对应的是“交流”。教师简单地组织讨论，学生机械地分享，没有充分发挥师生之间的互动。而“解决方案”对应POLMICT，要求每组学生总结自主探索过程中发现的一些问题（或不成功的点），可能包括以下内容。（1)鸡蛋从缓冲器上掉下来，被损坏。（2）缓冲装置很软，但鸡蛋还是受损。（3）鸡蛋没有落在缓冲装置的中心。在此基础上，教师用CT方法有针对性地给学生解释这些难点问题。在教师的帮助和指导下，学生对自己的设计进行测试和修改，完善了鸡蛋保护装置的设计方案，明确了解决探究问题的思路。与此阶段相对应的CT能力是评价能力。
第五阶段：GITM对应的是“总结”。教师不能有效地使用提问策略，学生的知识和技能建构的效果就无法得到准确的评估。而与POLMICT对应的“总结”要求学生运用新学的科学概念进行交流。如：改变缓冲装置的形状，减少鸡蛋下落时受到的冲击力，或者增加缓冲结构的冗余设计和容错设计，以保证效果。在展示之后，学生可以描述足够的细节，使他们的方法更容易被他人理解，并能清楚地解释哪些因素影响缓冲装置的性能。除了装置本身的工程设计外，教师还需要关注学生在探究活动中形成的书面报告材料；学生所经历的是科学探究、跨学科解决问题、发展CT的过程。这个阶段对应的CT能力是抽象。
05
结论
上述应用表明，在GITM下，学生也能在规定时间内完成给定的探索性任务。但是，由于学习支架和CT的缺乏，学生的主动性和创造性没有得到充分的发挥，跨学科解决问题的能力也没有得到充分的发展。而在POLMICT中，学生从现实的DQ引起的认知冲突开始，通过从头到尾体验一个探究任务的完整过程，容易理解影响缓冲装置性能的因素，通过迁移和内化解决类似的跨学科问题。在解决教学问题的同时，也培养了学生的跨学科问题解决能力和CT能力。POLMIC的实践证明，在探索性学习中使用支架式提问策略，不仅可以保证学习者知识和技能建构的有效性，还可以促进学习者发展CT。同时，在不同学习者的探索性学习过程中，有CT基础的学习者在联系不同学科、设计问题解决方案、整合资源等方面表现出极大的优势。所有这些都初步证实了“支架式提问策略可以作为教师向学习者传授知识的桥梁，以提高探索性学习的有效性，而在这个过程中嵌入CT有助于学习者探索并保证他们在STEM环境中的积极作用”的论点。
因此，在K-12教育阶段，POLMIC可以作为一个有效的模式，通过结合支架式提问和CT来支持学生的探索性学习。
虽然POLMIC的构建和应用周期有限，但可以通过进一步的研究加以优化。例如，我们可以关注：（1）如何优化教师的支架式提问策略，如何制定、展示和评价支架式问题？（2）如何促进教师利用CT组织教学，促进学生利用CT开展探索性学习？（3）如何准确评价学习者使用POLMICT进行探索性学习的效果。此外，将STEM教育、探索性学习、CT等概念引入实际教学中，充分发挥其教学效果，为其实际应用提供参考。
查阅原文：Qian Qian, Yuan Liu , Haokun International Journal of Elementary Education
DOI：10.11648/j.ijeedu.20211003.17
转自：“百研工坊”微信公众号
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