基于认知深度模型的STEM课程设计路径研究

1、基于认知深度模型的STEM课程设计路径研究*摘要：进行高质量的STEM课程设计，是确保STEM教学实践有效性的关键。文章基于认知深度模型，针对STEM 课程案例进行分析，挖掘不同年级STEM课程在设计思路、目标定位、主题内容、活动设计、成果输出等要素 设计中所处的认知深度层级。文章指出，低年级（1、2年级）STEM课程设计强调学生通过感官体验以习得基 本知识和技能，处于认知深度模型中的“回忆/重现”“技能/概念”层级；中年级（3、4年级）STEM课程设计 强调引导学生的发现、探究、问题解决、方案设计，处于认知深度模型中的策略性思维”层级；高年级（5 年级及以上）STEM课程设计强调基于复杂问题

2、的解决、产品原型及创新产品设计，处于认知深度模型中拓 展性思维”层级。面向不同年级STEM课程设计的路径分析将为一线教师提供了支撑和指引，即低年级STEM 课程设计重在基于感官体验和动手实践形成初步认知、中年级STEM课程设计重在基于科学实验和协作探究寻 求问题解决方案、高年级STEM课程设计重在基于科学探究和工程思维进行创新创造。关键词：STEM课程；认知深度模型；课程设计；低年级；中年级；高年级STEM教育关注不同学科之间的知识联系，引导学生运用跨学科思维解决现实生活中的真 实问题，并以此培养包括科学探究、问题解决、创新创造等在内的系列高阶思维能力。近年来, STEM教育在我国蓬勃发展，相

3、关政策制定、学术研究均有明显进展，跨学科教学实践也在深 入推进。但也有研究发现，STEM教育存在部分一线教师对STEM教育的理解普遍囿于S、T、 E、M四个字母所代表的学科名称、将STEM课程等同于创客类课程、STEM课程实践停留于 项目式学习流程式教学等系列问题1o STEM课程是学校开展STEM教学实践的主要依据，一 线教师对STEM课程设计的掌握度直接影响教学实践的有效性。目前，一线学校使用的STEM 课程及相关资源多从机构购买，教师缺少对STEM课程设计的整体把握和深度思考，使课程教 学实践效果并未达到预期。本研究参考韦伯认知深度模型，针对系列STEM课程案例进行深入 分析，挖掘不同年

4、级STEM课程在设计思路、目标定位、主题内容、活动设计、成果输出等课 程设计核心要素的认知深度层级，以期为一线教师全方位设计STEM课程提供路径支持。一 STEM课程设计路径分析课程作为教育的专业实践，是教育思想、教育目标和教育内容的主要载体，是学校教育教 学活动的基本依据，直接影响人才培养质量HL为有效推进STEM课程教学实践，国内外研究 者围绕STEM课程设计展开了系列探索，如Herschbach。提出了相关课程模式和广域课程模式 相关课程模式将各学科仍保留为独立学科，但各学科在教学内容的安排上注重彼此之间的 联系；广域课程模式则打破了学科之间的界限，将所有学科教学内容统整到一个新领域，在

5、此 基础上形成有组织的课程结构。而在我国，叶兆宁等4提出围绕“大概念”，即基于学科领域中 的大概念（如科学领域中的“物质”“能量”等），通过问题引入、知识建构、问题解决环节设 计STEM课程；陈希等同提出采用6E设计型学习模式，基于工程设计思维对STEM课程进行设 计；陈鹏6提出技术教育STEM整合课程的设计理念，引导学生基于真实的设计挑战展开实践, 历经“共情一定义一构思一原型一测试”过程以发展核心素养；而王晶莹等E从知识场域、活动 设计、活动类型、课程评价四个方面对中美STEM课例进行比较分析，指出STEM课例内容设 计集中于科学知识，活动设计方面国外较多采用5E教学模式和设计型学习模式、

6、国内则较多采 用传统教学模式，活动类型有小组讨论、交流展示、实验探究、动手实践、调查研究、课堂游 戏、课堂观察等，课程评价涉及知识、能力等多方面评测。综上可知，STEM课程模式设计、 主题设计、教学模式、活动类型等是研究者普遍关注的内容，且从泛在层面为STEM课程设计 提供了指引。但不同年级的STEM课程设计存在一定的差异，且STEM课程设计是系统化工程, 目标、内容、活动、评价等各要素设计具有一体性，其中课程标准是课程设计的重要依据，指 引课程各要素的设计。因此，本研究将基于认知深度模型这一 STEM课程标准化工具，通过深 入分析系列STEM课程案例，挖掘不同年级STEM课程设计在设计思路、

7、目标定位、主题内容、 活动设计、成果输出等方面的一体化设计路径。二认知深度模型：STEM课程标准化工具认知深度模型(Depth of Knowledge Model，DOK Model)由美国教育评价专家Webb开发, 主要用于分析课程标准、课程任务、课程评价中的认知深度，评测课程任务与课程标准、课程 评价之间的一致性叫即检验课程任务的设计是否符合课程标准。该模型包括回忆/复述、技 能/概念、策略性思维和拓展性思维四个认知深度层级，各层级认知水平描述如表1所示。作为 STEM课程标准化工具，认知深度模型为STEM课程设计提供了方向性指引。各认知深度层级 均设有系列目标达成性动词，与课程目标相匹

8、配，其对应的认知水平反映学生需要完成的任务。表1认知深度模型各认知深度及其认知水平描述层级认知深度认知水平描述1回忆/重现(Recall andReproduction)学生能够回忆并且重现出所学的相关知识和技能。例如，学生能够描述相关 概念、术语、细节等，能够使用流程图、概念图等图示化形式展现过程或描 述主题，能够使用基本的公式、算法等。2技能/概念(Short-term Skills andConcepts)学生能够基于已有知识进一步思考，做出解释说明、比较、推理。例如，学 生能够描述模型的外观、解释模型的工作原理；能够阐明问题发生的原因、 解释发生的过程；能够比较异同、对所学内容进行总结

9、概括等。3策略性思维(Strategic Thinking)学生能够基于生活中的真实问题寻求策略性解决方案。例如，学生能够收集 信息为自己的观点提供数据、证据支持，能够发现问题、明确问题并对问题 进行设计探究，能够针对复杂的问题进行解释说明、模型构建。4拓展性思维(Extended Thinking)学生能够解决真实生活中的复杂问题并对解决方案进行反思、评价和调整。 例如，学生能够分析和整合多源信息，能够开展从提出问题、到合作探究、 再到产品创造等全流程项目实践，能够运用跨学科知识解决生活中的问题。三基于认知深度模型的STEM课程案例分析1研究目标本研究针对基础教育领域系列STEM主题式课程设

10、计案例进行内容分析，挖掘不同年级 STEM课程在设计思路、目标定位、主题内容、活动设计、成果输出等要素中所凸显的认知深 度层级，分析不同年级STEM课程设计的差异性和侧重性，并在此基础上凝练STEM课程设计 路径及其相应的策略、方法。2研究方法本研究主要采用案例研究法和内容分析法，通过分析系列STEM课例设计思路、目标定位、 主题内容、活动设计、成果输出等方面的特点，将其和认知深度模型认知深度层级所对应的目 标达成性动词与对应的认知水平进行分析，挖掘不同年级STEM课程设计的路径、策略和方法。3数据收集本研究遴选的案例主要有陈如平、李佩宁主编的美国STEM课程设计（小学卷）（含有 面向16年级

11、的50个课例）和培生集团面向幼儿园至八年级研发的18个STEM课例。4数据分析本研究将18年级划分为低年级（1、2年级）、中年级（3、4年级）、高年级（5年级及以 上）三个阶段，并基于认知深度模型，分别从设计思路、目标定位、主题内容、活动设计、成 果输出等维度对各年级STEM课例进行深入分析。表2三个阶段STEM课例的设计思路和对应的认知深度层级阶段设计思路认知深度层级低年级感官体验/观察真实生活现象一发现物体的特 点、规律一设计简易产品，把握物体的性质回忆/重现、技能/概念：描述事物现象、物体特点、 描述事物发生的过程、解释事物发生的结果中年级设计科学实验一观察实验现象一发现物体的特 点、规

12、律一设计解决真实生活问题的产品一寻 求问题解决的策略、方案策略性思维：描述、解释说明实验现象、阐明物体 的特点和规律、明确设计产品要解决的问题、对问 题进行探究、寻求问题的解决方案、设计产品模型高年级真实生活中的问题一小组合作探究设计问题解 决方案一设计与制作能够解决问题的产品一方 案与产品的修正、完善、创新、优化拓展性思维：提出问题、设计问题解决方案、统整 与分析多维信息、设计产品原型、制作产品、修正 与完善方案、创新与优化产品1）设计思路低、中、高年级三个阶段STEM课例的设计思路和对应的认知深度层级如表2所示，可以 看出：低年级STEM课程设计主要是让学生通过感官体验和对真实现象进行观察

13、，以形成对 物体特点、规律的初步认知，并以此设计简易产品，达成知识和技能的浅层次应用。例如，“纸 的立体造型一一STEM课程之初识材料与受力”通过让学生直观感受木头、塑料、金属、玻璃 等各种材料，了解材料性质，观察和记录不同材料的受力表现（如拉伸、压缩、弯折等），初步 认知物体力学性质，并以此为基础利用纸和胶带设计一个立体造型。中年级STEM课程设计 主要是让学生通过设计科学实验，观察实验现象形成对物体特点和规律的认知，并以此设计面 向真实问题解决的产品，寻求解决策略方案。例如，“声音可以移动一一STEM课程之声音的定 向传播”让学生通过实验了解声音传播的规律，通过小组合作设计一个声音传播装置

14、。高年 级STEM课例主要是面向真实生活问题的解决，让学生通过头脑风暴、小组合作、调查研究、 实验论证等方式完成问题解决方案设计与产品创作。例如，“保护鸡蛋一一STEM课程之工程设 计中的冗余与容错”让学生了解各类高空坠落（如高空抛物、降落伞等）现象、思考高空坠落 带来的损害以及生活中如何防止损害发生，在此基础上通过小组合作设计缓冲方式与结构。（2）目标定位低、中、高年级三个阶段STEM课例的目标定位和对应的认知深度层级如表3所示，可以 看出：低年级STEM课程设计的目标定位主要是通过各种感官体验与动手实践等，帮助学生 习得基本知识和技能。例如，“仔细听咚咚响一一STEM课程之初探振动发生的规

15、律”让学生 通过体验不同类型的声音，形成对声音概念、类型、原理的基本认知。中年级STEM课程设 计的目标定位主要是通过科学实验，引导学生发现问题、探寻问题产生的原因并寻求问题解决 方案。例如，“撞上之前停下来STEM课程之探索减速运动”通过科学实验，让学生深入理 解摩擦力和减速运动的概念和原理。高年级STEM课程设计的目标定位主要是面向真实生活 中的复杂问题，关注学生问题解决能力、创新思维、创新能力等的培养。例如，“防震高塔一一 STEM课程之地震和建筑设计探究”通过头脑风暴的形式，让学生习得地震基本知识、地震振 动台基本原理，在此基础上遴选防震材料、画出设计图、制作防震高塔并进行防震测试。表

16、3三个阶段STEM课例的目标定位和对应的认知深度层级阶段目标定位认知深度层级低年级感知、观察、语言表达、沟通、问题识别、类比、归纳总结、初 步具有科学思维意识、初步能够进行科学实验设计回忆/重现、技能/概念：强调认知 过程中的初步理解和技能习得中年级掌握一定的科学知识、具有一定的科学思维、能够设计科学实验、 发现问题、工程思维、合作交流、动手实践策略性思维：强调认知过程中的 问题发现和问题解决高年级发现问题、明确问题、制定方案、复杂问题解决、创新思维、创 新能力、创新产品设计、沟通协作、合作探究、知识迁移拓展性思维：强调认知过程中的 复杂问题解决和产品创作（3）主题内容低、中、高年级三个阶段S

17、TEM课例的主题内容和对应的认知深度层级如表4所示，可以 看出：低年级STEM课程设计注重借助生活中可直接感知的物体，引导学生通过感官体验发 现物体特征、性能和状态。例如，“制作轮子一一STEM课程之探索身边现象的本质”让学生观 察车轮的形状、运动状态，了解车轮组成部分与车轮运动原理。中年级STEM课程设计强调 基于生活中值得探究的问题现象，组织学生开展科学实验，设计科学实验、记录实验现象、感 悟实验过程、发现事物规律，并以此进行产品设计与制作。例如，“漂浮的胡萝卜一一STEM课 程之浮力及其应用”通过实验让学生观察不同物体在不同溶液中的漂浮状态，发现物体漂浮规 律，并以此制作悬浮的胡萝卜。高

18、年级STEM课程设计聚焦面向生活中真实问题解决的综合 作品创作，学生小组针对真实问题设计解决方案、开展协作探究、设计与创作作品，并对方案、 产品进行修正、完善、创新和优化。例如，“像工程师一样思考一一STEM课程之悬臂设计与制 作”针对塔吊吊起重物这一真实问题，引出悬臂概念，并让学生使用胶带、吸管等材料制作悬 臂结构；而“小工具与大问题一一STEM课程之精确量具的设计、制作和标定”让学生知悉密 度和盐度概念、盐度和密度的关系，小组合作制作测量液体密度装置。表4三个阶段STEM课例的主题内容和对应的认知深度层级阶段主题内容认知深度层级低年级基于生活中学生能够直接接触的物体、常见的现象，依托学生的

19、感 官体验（触觉、视觉、嗅觉、味觉、听觉），挖掘物体特征、性能和 状态。例如，各种形式的液体、固体、气体、动物、植物、天气等。回忆/重现、技能/概念：生活 中常见的现象、可直接接触的 物体中年级基于生活中学生熟悉的现象，提出问题，开展科学实验，设计科学 实验、记录实验现象、感悟实验过程、发现物体规律。例如，水的 状态、各种形式的力、声音的现象和规律等。策略性思维：生活中值得探究 的问题现象高年级基于真实生活中复杂问题的解决，引入科学探究和工程思维，制定 解决方案、创新产品设计。例如，造桥、造船、建造抗震设置等。拓展性思维：生活中的复杂问 题表5三个阶段STEM课例的主要活动/支架设计和对应的认

20、知深度层级阶段主要活动/支架设计认知深度层级低年级活动：感官体验、动手操作、观点表达、小组研讨、 分享交流、总结展示；支架：问题清单、评价量规。回忆/重现、技能/概念：是什么（真实生活现 象）、为什么（感官体验）、怎么做（简易产 品创作）中年级活动：发现问题、寻求解决方案、制定实验计划、执 行实验任务（观察、记录、结论）、产品设计、小组 研讨、分享交流、总结反思；支架：问题清单、评价量规、项目任务单。策略性思维：是什么（真实生活问题）、为什 么（科学实验探究）、怎么做（解决方案+产 品创作）高年级活动：引入真实生活复杂问题、制定解决方案、设计 原型、创作产品、小组研讨、分享交流、总结反思； 支

21、架：问题清单、评价量规、项目任务单。拓展性思维：是什么（真实生活复杂问题）、 怎么做（解决方案+原型设计+产品创作）（4）活动设计低、中、高年级三个阶段STEM课例的主要活动/支架设计和对应的认知深度层级如表5所 示，可以看出：低年级STEM课程设计的主要活动有基于感官的实践体验、动手操作、个人 观点表达、小组合作研讨和全班分享交流。例如，“黑暗中的艺术品一一STEM课程之感知世界 的触觉”让学生感受玻璃、砂纸、橡皮、石块、肥皂泡、沙子等不同物体特征及受力，阐明自 己观点，小组合作制作数字盲文、脸部模型等并在全班进行分享交流。中年级STEM课程设 计的主要活动为科学实验探究活动，小组合作发现问

22、题、制定实验计划、执行实验任务、得出 实验结论，设计面向生活真实问题解决的产品。例如，“遮风挡雨一一STEM课程之材料性能测 试”让学生通过实验了解绘图纸、报纸、织物、蜡纸等材料透水性，选择最佳材料制作雨伞。 高年级STEM课程设计的主要活动为面向真实生活复杂问题解决的产品设计，包括制定解决 方案、原型设计、产品创作等。例如，“风力使者一一STEM课程之我是小创客”针对目前不可 再生能源枯竭，如何利用新能源这一真实生活问题，制作一个利用风力驱动的能打水的辘轳。（5）成果输出低、中、高年级三个阶段STEM课例的主题成果输出和对应的认知深度层级如表6所示， 可以看出：低年级STEM课程的成果输出主

23、要有学生阐明观点、表达想法、比较异同、基于 观察过程数据记录形成观察表或观察报告，设计简易产品等。例如，“舌尖上的色彩一一STEM 课程之视觉、味觉的感知与创造”让学生观察、品尝不同颜色食物形成观察表，基于不同颜色 食物汁制作出不同颜色并形成相应配方表等。中年级STEM课程设计强调学生能够像科学家 一样思考，注重习得科学知识、实验方法，能够记录、分析实验数据并形成实验报告，设计面 向真实生活问题解决的策略方案并创作相应产品等。例如，“太阳科学家一一STEM课程之对照 试验的设计与实施”让学生学习科学家进行实验、精确测量数据、记录实验现象和实验数据。 高年STEM课程设计关注面向真实问题解决的产

24、品设计和制作，小组合作设计真实问题解决 方案，并在此基础上通过建模的形式创作出产品以解决真实生活问题。例如，“我是医生一一 STEM课程之接骨手术”基于生活中运动跌倒骨折这一真实问题，组织学生运用外科移植技术 和生物材料学知识，以小组的形式设计一个修复股骨的手术方案并进行手术的模拟实践操作。表6三个阶段STEM课例的主题成果输出和对应的认知深度层级阶段主题成果输出认知深度层级低年级表达观点、回答问题、观察表或观察报告、简易产品回忆/呈现、技能/概念：概念、观点、 想法、原因、原理、结论、技能中年级记录实验现象的数据报告，面向真实问题解决的策略性方案、产品策略性思维：原理、解决方案、产品高年级面

25、向真实生活中问题解决的方案、产品制作拓展性思维：解决方案、产品四基于认知深度模型的STEM课程设计路径分析认知深度模型从课程标准、课程任务、课程评价等相一致性的视角，为STEM课程设计提 供了指引。本研究基于认知深度模型，针对系列STEM课程案例进行深入分析，挖掘不同年级 STEM课程在设计思路、目标定位、主题内容、活动设计、成果输出等课程设计各要素中的异 同，提出了各年级的STEM课程设计路径：1低年级STEM课程设计：基于感官体验和动手实践形成初步认知低年级（1、2年级）STEM课程各要素设计处于认知深度模型中的“回忆/重现” “技能/概 念”层级；课程目标定位在学生基础科学知识和基本技能

26、的习得；主题内容倾向于真实生活中 学生能够直接接触的物体、常见的现象等；课程活动主要有学生通过各种感官体验来了解物体 的特征、性能和状态，以获得对物体的初步认知，并在此基础上通过动手操作实践制作简易产 品；成果输出主要包括学生个体或小组观点阐明、想法表达、感官体验过程数据记录表或观察 报告、简易产品设计等。2中年级STEM课程设计：基于科学实验和协作探究寻求问题解决方案中年级（3、4年级）STEM课程各要素设计处于“策略性思维”层级；课程目标定位在学 生能够发现问题并寻求问题的解决方案；主题内容倾向于真实生活中学生熟悉的、值得探究的 问题现象；课程活动主要有学生能以小组的形式开展科学实验，习得科学原理，发现事物规律, 寻得问题解决的策略性方案，并在此基础上进行相应产品设计；成果输出主要包括科