STEM学习成效的混合研究-以浙江省H市为例

/STEM学习成效的混合研究——以浙江省H市为例【摘要】STEM是当前教育改革的一个热点话题，然而在推进过程中也出现了各种疑虑，STEM有没有成效以及有哪些方面的成效成为人们关心的话题。通过混合方法对浙江省H市学生的STEM学习成效进行研究，结果发现：STEM在学生的学习态度、学科学习和高阶能力方面均有正向成效，并呈上升趋势。STEM的学习成效受学习时间长短的影响，具有时间累积效应。STEM在学生的学习态度、学科学习和高阶能力的成效之间存在着复杂的相互影响。因此，无论在小学、初中还是高中都应该积极推进STEM，并且持续性地开展，积极加强STEM与国家课程之间的关联，推动教学改革，从而不断提升STEM的学习成效。【关键词】STEM；学习成效；混合研究

随着STEM教学实践的推进，学习成效必然成为人们关心的话题，当前已经有国内研究开始关注STEM在学习态度和创造力方面的成效。但还缺乏对STEM学习成效的整体性研究，尚无法完全解答实践中的相关疑惑。因此，本文通过混合研究方法，尝试回答以下两个问题：(1)STEM是否具有学习成效？具体体现在哪些方面？(2)STEM在各方面的成效如何？以何种机制起效？ 一、实证研究方法与数据 (一)方法设计和样本选择 本文选择浙江省H市的一所小学、一所初中和一所高中(下称H小学、H初中和H高中)作为样本。H市自2015年开始STEM实践，使用的STEM课程资源主要有三种，即教师自主开发、国外课程引进以及国外项目改编，其中H小学、H初中以STEM社团活动为主，也会在假期开展全员的STEM项目，H高中则是在部分实验班开展STEM。 本文采用包括实地访谈、问卷调查、纵向数据分析、单因素单组前后测实验在内的混合研究方法。我们先通过半结构式的开放式访谈全面了解教师对STEM学习成效的看法，在此基础上设计问卷就STEM对学生的学习态度、学科学习和高阶能力三方面的成效进行调查，因为学科学习通过问卷很难准确测出，且有更好的方法进行更为精准的研究，所以在问卷调查上涉及学科学习的题项较少，另外补充了纵向数据分析和交叉实验研究，对学科学习方面的成效进行分析。 (二)实地访谈方法 2018年11月，研究者对有过STEM教学经历的9名教师进行深度访谈，其中包括教研员(2名)和教师(7名)；被访对象的年段分布如下：小学(4名)、初中(3名)、高中(2名)；被访教师的学科背景分布如下：科学(5名)、信息技术(3名)、语文(1名)。访谈采用半结构式，主要的中心问题包括“STEM对学生有影响吗？STEM对学生的哪些方面有影响？STEM对哪类学生影响更大？”等。共计访谈时间244分钟，整理访谈录音字数达61000多字。 (三)问卷调查方法 问卷主要调查学习态度和高阶能力。其中，学习态度题项主要借鉴了吉世印等人的中学生物理学习兴趣量表、俄勒冈职业兴趣量表以及边玉芳的学习自我效能量表；高阶能力问卷是在彭美慈等人修订的CTDI-CV中文版《加利福尼亚批判性思维倾向问卷》、威廉斯创造力倾向测量表、王一敏等人的问题解决能力调查问卷和张薇莉的合作能力测量表的基础上编制的。[1-7] 问卷调查在2019年3月至6月进行，被调查者包括小学的四、五、六年级的全体学生，初中三个年级的全体学生，以及高中的高一和高二的实验班学生。共发出问卷2118份，回收2118份，总回收率100％，有效问卷2064份，有效率为97.5％。问卷各维度的信度都高于0.7且问卷的整体内部一致性为0.916，信度良好。 (四)纵向数据分析 纵向数据是指同一个体在不同时间点上的数据。H市的小学已经开展STEM六年，而初中则开展STEM三年，因此积累了学生的纵向数据。研究采撷了数学和科学两科的历年成绩(期中和期末考试)作为纵向数据。其中，H小学选取了六年级有STEM经历的学生(以下简称STEM学生)26人为实验组，随机选取4个平行班中的任一个班级(604班)共41人，排除掉4个有STEM教育经历的学生和1个学科历年成绩不全的学生，保留36个没有STEM经历的学生(以下简称非STEM学生)作为对照组。H初中则将三个年级都列为研究对象，其中七年级有STEM经历的学生28人，作为实验组；同时随机选取10个平行班中的任一个班级(708班)共47人，排除掉2个有STEM经历的学生，保留45人作为对照组。八年级中有STEM经历的学生27人，作为实验组；同时随机选取10个平行班中的任一个班级(803班)共52人，排除掉1个有STEM经历的学生，保留51人作为对照组。九年级中有STEM经历的学生39人，作为实验组；同时随机选取10个平行班中的任一个班级(905班)共49人，排除掉4个有STEM经历的学生，保留45人作为对照组。 为了排除各学期试卷难度差异造成的数据误差，对成绩数据进行了标准化处理，运用线性混合模型对纵向数据进行分析。 (五)单因素单组前后测实验研究 为了测试STEM对于学科学习的成效，研究设计了单因素单组前后测实验。初一共10个班级的学生参加，总共470人，由于在寒假期间开展，有67人请假，因此最终有403人参与实验研究。实验研究从2019年1月24日到1月25日，持续两天，参与的项目为改编后的2018年“浙江省—印第安纳州中小学STEM课程平移项目”中的串并联项目。①实验对学生进行了AB卷前后测，AB卷为对等测试。剔除只参加前测或后测的学生30人，最后有效样本为373人。数据分析采用多元回归分析模型，分别以学生在二三个板块的成绩作为因变量，把性别、参与STEM、AB卷难度作为自变量。 二、研究结果 (一)实地访谈结果 (1)在学习态度方面，教师们都认为学生普遍地喜爱STEM学习，对STEM的热爱基本是受内在兴趣驱动的，而且因为面向真实问题解决的STEM探寻是没有止境的，所以往往会引发持续性的兴趣。但同时，初中和高中教师反映，随着年级的增长，学生对STEM的兴趣会呈现消退的趋势，其中原因，初中和高中各有不同，初中是因为新鲜度的降低和课程难度的提高，高中则是学业压力所致。而小学生则始终对STEM保持高度的热情。(2)在学科学习方面，教师们认为，STEM与传统学科教学不同，不是系统地传授科学知识，而是在问题解决中通过“运用知识”来“学习知识”，这种在具体情境中的学习更接近专家的认知结构形成过程，所获取的知识也更容易迁移到日后的解决问题中去。同时，教师也认为，即便对现有的学业测评，STEM也起到了一定的作用，一些学生通过STEM明显提升了学科学习能力，也就是说，STEM能促进他们对学科知识的理解。(3)在高阶能力方面，因为STEM没有唯一的标准答案，它更多指向的是复杂的问题解决，学生需要借鉴已有的研究，形成自己解决问题的思路，与他人合作完成，并且阐述作品。 (二)问卷调查结果 1.描述性统计和T检验 (1)学习态度维度下设两个指标，即兴趣倾向和自我效能。调查可知，兴趣倾向维度上，STEM学生的均值都高于非STEM学生，其中小学五六年级、初中二三年级以及高一均存在显著性差异，小学四年级、初一则没有显著性差异。自我效能维度上，STEM学生的均值都高于非STEM学生，其中小学五六年级、初二、初三有显著性差异。(2)高阶能力维度下设四个指标，即批判性思维、创造性思维、合作能力和问题解决能力。调查可知，STEM学生这四种能力的均值都高于非STEM学生。具体来看，在创造性思维、合作能力和问题解决能力三个指标上，均是小学五六年级、初二、初三有显著性差异，小学四年级，初一以及高一没有显著性差异。而批判性思维则与其他三个指标稍有区别，只有六年级和初三存在显著性差异。此外，我们还发现STEM对学生批判性思维的影响存在性别差异，STEM只能显著地提高男生的批判性思维水平，但不能显著地提升女生的批判性思维，其余的三项高阶能力均不存在性别差异。 2.学习态度变化趋势 STEM学生和非STEM学生在小学阶段的学习态度在五年级时差别最大，而初中阶段两类学生的学习态度之间的差距在持续地变大。 3.回归分析结果 回归分析发现，学生参与STEM的时间越长，学生的学习态度(包括兴趣倾向、自我效能)和高阶能力(批判性思维、创造性思维、合作能力和问题解决能力)都越高，上述六项的回归系数分别为0.633，0.276，0.195，0.431，0.471，0.367，且均达到了非常显著的水平。 4.相关性和双因素方差分析结果 通过皮尔逊相关性分析发现，无论是STEM学生还是非STEM学生，他们的学习态度与高阶能力的皮尔逊相关系数均为0.78，两者存在着高度的正相关的关系。 进一步运用双因素方差分析研究学科学习(科学成绩、数学成绩)与STEM这两个因素对学习态度的共同影响，以及它们对高阶能力的共同影响。调查可知，科学成绩与STEM对高阶能力影响的F值分别为169.58(p值＜0.001)和27.76(p值＜0.001)，说明科学成绩与STEM都和高阶能力显著相关；数学成绩与STEM对于高阶能力影响的F值分别为203.56(p值＜0.001)和31.09(p值＜0.001)，说明数学成绩与STEM都和高阶能力显著相关，且从F值来看，比科学更高，说明相关性更大。 科学成绩与STEM对学习态度影响的F值分别为349.58(p值＜0.001)和34.36(p值＜0.001)，说明科学成绩与STEM都和学习态度显著相关；数学成绩与STEM对学习态度影响的F值分别为355.59(p值＜0.001)和40.32(p值＜0.001)，说明数学成绩与STEM都和学习态度显著相关。 此外，研究发现，数学成绩与STEM这两个因素在对高阶能力和学习态度产生的影响上还存在交互作用，F值分别为5.05(p值＜0.05)和7.18(p值＜0.01)，这说明，数学成绩越好的学生，参加STEM，他们的高阶能力和学习态度提升越快。 (三)纵向数据分析结果 纵向数据分析发现，小学STEM学生和非STEM学生在数学成绩上有显著差异，但在科学成绩上没有显著差异，且在性别上存在显著差异。具体来看，同一性别的学生，STEM学生比非STEM学生数学标准分平均多3.02分。在STEM学生中，男生平均比女生高4.52分。初中STEM学生和非STEM学生成绩差别十分显著，但不存在性别差异。每增加一年STEM时间，数学成绩平均增加6.84分，科学成绩平均增加7.40分。 (四)单因素单组前后测实验结果 单因素单组前后测实验研究发现，STEM对学生的知识识记、知识理解和知识迁移的影响系数分别为2.06、0.71和4.34，均达到了非常显著的水平，则说明STEM对学生学科学习的三个方面(知识识记、知识理解和知识迁移)均有显著的提升作用，且对知识迁移影响最大。 三、讨论 (一)STEM在学生的学习态度、学科学习和高阶能力方面均有正向成效，并呈上升趋势 研究结果显示，STEM在学生的学习态度、学科学习和高阶能力方面均有正向成效，这也和国外研究的元分析结果类似。问卷研究发现一个“半年无成效现象”，即在学习态度和高阶能力上，除了小学四年级、初一和高一外，STEM和非STEM学生在大部分指标上均存在显著性差异，而这三个年级STEM都只开展了半年。这个研究结果一方面反映了问卷的可靠性，另一方面表明了STEM和非STEM学生存在的差异并非是因为起始水平的差异，从而有力地证实了STEM的学习成效，这与国外学者如托马斯(Thomas，R.B.)等人[8][9]，国内学者如吴永和等人的研究结果一致[10]，同时也和元分析的结果一致。而且，STEM在学习态度、学科学习和高阶能力上的提升总体呈上升趋势。虽然在访谈中，初高中的教师提到学业压力、难度增加和新鲜感丧失，会让学生对STEM的兴趣消退，但从问卷结果来看，学生对STEM的兴趣基本是在不断上升的，特别是在初中阶段，STEM对初中学生的效应特别显著，这也在陈凯等人的研究中得以印证。[11]在高阶能力方面，STEM在初高中的效应更大，这与周榕等人的研究结果一致，他们发现STEM对创造力的效应值从学段上排序从高到低依次为高中、初中、大学及以上、小学。[12] (二)STEM的学习成效受学习时间长短的影响，具有时间累积效应 无论是问卷调查还是纵向数据分析，都验证了STEM的学习成效与学习时间具有关联，本文称之为STEM产生学习成效的“时间累积效应”。时间累积效应主要体现在两个方面：首先，STEM的学习成效存在时间门槛。总体来说，学习态度和高阶能力的时间门槛在半年到一年半之间。而高阶能力中的批判性思维“门槛”更高，STEM学生和非STEM学生直到九年级才表现出显著差异，也就是说，批判性思维的时间门槛应该在一年半到两年半之间。需要指出的是，学科学习并没有出现时间门槛，实验研究表明，两天的STEM项目就会产生学科学习的成效。其次，STEM的时长与学习成效存在线性关联。从问卷调查来看，STEM的时长与学习态度和高阶能力水平存在着显著的线性回归关系，即学生参与STEM的时间越长，学生的学习态度和高阶能力越高，与非STEM学生之间的差异也会更加显著。纵向数据分析结果也表明，参加STEM时间越长，学业成绩提升越大。小学阶段，STEM对学科学习的正向作用主要体现在数学学科上，而初中则体现在数学和科学两门学科上。这与国外已有的研究结果一致，比如亚比多(ApeweaoeX.S.)[13]等人和罗宾逊[14]等人的结果均表明，学生创造力的受影响程度与教学周期正相关。 (三)STEM在学生的学习态度、学科学习和高阶能力