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摘要：STEM已成为国内外基础教育课程改革的重要趋势，为探查如何将STEM融入科学教材，该研究构建了STEM分析框架，从学科概念、跨学科概念、科学与工程学实践、跨学科整合程度与情境设置四个维度对加拿大英属哥伦比亚省初中科学教材（BC Science）进行量化与质性分析。文章通过分析总结BC初中科学教材STEM整合的特点及工程学在教材中的展现途径，为我国科学教材编写中融入STEM教育提供四点启示：关注跨学科概念的整合，聚焦科学本质的传递；重视工程学在基础教育中的价值，围绕工程学统整STEM；立足本土创设真实的问题解决情境，培养学生的社会责任感；基于建模、推理论证等理性思维设置实践活动，为培养学生科学探究、创新实践、问题解决等能力提供有效载体。
关键词：STEM教育；科学教材；教材分析；科学教育
STEM已成为国内外基础教育课程改革的重要趋势，以往的课程改革经验表明，教材是保障课程改革顺利推进的决定性因素之一。我国的STEM教育仍处于起步阶段，从理论研究落地到教学实践的发展过程中，相对滞后的STEM教材研究成为制约STEM快速进入基础教育学科课堂的瓶颈。国外中小学教材整合STEM的现有路径主要分为基于科学教材的整合和STEM专门教材的整合两种，普通学校的正式教育（Formal Education）以基于科学教材进行STEM整合为主流范式。对于我国STEM教育的发展现状而言，基于科学教材进行STEM整合更符合课程改革需求、更利于STEM教育迅速落地学校教育。如何将STEM教育融入科学教材之中？科学、技术、工程学和数学四者如何整合？对教师和学生而言相对陌生的工程学如何展现？这些都是开展教材编写与修订工作前亟需解决的问题。
加拿大科学教育对于STEM已有近20年的关注，尽管早前并未使用术语“STEM”而是“STSE（科学一技术一社会一环境）”，其对技术、数学、跨学科实践的重视已充分渗透于科学课程标准和科学教材之中。英属哥伦比亚省（BritishColumbia，以下简称BC省）作为加拿大的教育强省，全省通用的科学教材紧扣课程标准内容要求，STEM的内涵属性鲜明。本研究基于STEM跨学科视域，在文献研究的基础上构建教材分析框架，期望通过分析加拿大BC省科学教材探明两个研究问题：1.BC初中科学教材中的STEM整合有何特点；2.工程学是如何在教材中具体展现的，进而为我国科学教材编写中STEM教育的融人提供借鉴与启示。
（一）研究对象
本研究的分析对象为加拿大BC省使用最为广泛的初中科学教材《BC科学》（BC Science 8、9、10），由麦格劳-希尔集团（McGraw-Hill Ryerson）于2007-2008年出版发行。加拿大的教育实行分权制，各省自主制定课程标准及教材，BC省的科学教育水平在加拿大各省中位列前茅。《BC科學》由百余位科学教育专家、学者历经数年完成，经省教育部门核准并由全球知名教材出版商出版。本研究即对BC省初中科学教材BC Science 8、9、10三册共计12单元、36章、94节内容进行分析。
（二）研究方法
研究采用量化与质性相结合的内容分析法。通过量化统计，尝试对教材的概念分布、STEM整合特点、工程学展现途径等进行分析；通过质性描述，分析教材的内容选取、实践活动等，为我国科学教材编写和课程设计积累经验并提供参考。
量化分析中，首先依据分析框架把教材分为科学文本和实践活动两大部分，分别从科学概念、科学与工程实践两个主题分析。其中，科学文本（学科概念和跨学科概念）划分出282项条目，实践活动（科学与工程学实践）划分出309项条目。两名研究者分别依照分析框架对所有条目进行编码，采用SPSS 21.0软件进行Kappa检验，以Kappa值作为编码一致性的信度指标。本研究中两名研究者对各一级主题的编码一致性系数Kappa值均大于0.85，且Sig.<0.05，表明两名研究者的独立编码结果具有良好的可靠性。随后两名研究者对有分歧的条目和赋值点逐一讨论，得到统一的编码数据供后续分析使用。对编码数据进行分析的过程中，采用SPSS、Excel软件对不同主题的各个变量进行数据统计和图表分析，以便客观、准确地把握BC初中科学教材的内容和特点，从而解答相关研究问题。质性分析主要是对教材内容、实践活动等文本进行整体描述与深入解读，发掘教材编写的深层特色与特点。
（三）研究工具
研究工具的构建主要采用了文献研究的方法，基于文献总结出STEM教育四个显著的内涵特征，然后以四个内涵特征为起点，在已有研究的基础上构建本研究所使用的STEM教材分析框架，并对框架的二级主题进行详细的内涵描述。
1.STEM的内涵特征
STEM最本质的内涵特征直观体现在“STEM”这一首字母缩略词上，即对科学、技术、工程学和数学的整合。尽管目前尚无统一的STEM概念界定，但就其跨学科整合的属性，学界已基本达成共识。聚焦STEM的“跨学科整合”，探明以下两个问题，是准确把握STEM核心内涵特征的关键。
一是“为什么要整合”：科技的飞速发展给社会带来了日新月异的变化，同时人类面临着各种复杂的社会问题，STEM教育最初的提出即为培养学生应对变化和解决社会问题的能力。这些前沿变化和社会问题都是真实存在的复杂情境，是多学科整合的情境，并非依靠单一的学科知识和能力就能适应与解决的。STEM教育的核心特点之一正是基于真实情境的问题解决，在教学中尽可能为学生设置近似真实的情境，能够同时培养学生多学科的知识运用能力和其他多种问题解决能力。认知心理学和学习科学等领域的研究表明，跨学科整合和基于真实情境的策略是有效的，因为它们将碎片化的概念之间构建相互关联，就认知层面而言，相互关联的概念比单独的概念更利于意义建构和日后的信息检索。 二是“如何实现整合”：已有的政策文献及研究表明了STEM跨学科整合的优势，但整合的具体方式方法仍有待明确。美国科学教育专家Bybee指出，以往STEM各学科多以分科的形式出现，实现STEM不同学科之间的整合要以学科核心概念和学科实践为基础。许多STEM教育活动往往更多关注于以学生为主体的动手与实操，而忽略了对跨学科概念及学科概念的传递。澳大利亚Marginson等学者比较不同国家的STEM教育后认为，STEM教育强国基于创新的课程设计较为完善，在STEM教育中给予学科知识更多的关注。Nathan等研究者提出整合STEM的方法，即围绕学科重要概念，在科学和数学表征、技术和工程学目标、设计和构建活动等方面展开整合。以学科概念为基础引导学生关注活动表象下深层的概念结构和关联，以支撑相关概念的意义构建、建立新旧概念之间的联系等。
综上，本研究认为STEM具有以下四个核心内涵特征：（1）强调跨学科整合；（2）基于真实情境的问题解决；（3）聚焦科学与工程学实践；（4）关注学科重要概念。基于此内涵特征构建STEM教材分析框架，即从学科概念、跨学科概念、科学与工程学实践、跨学科整合程度与情境设置四个维度展开。
2.STEM教材分析框架
为了深入细致地分析科学教材中STEM整合的特点、工程学的具体展现等，基于已有研究对STEM教材分析框架进一步细化，分别在四个维度下划分一级主题和二级主题，并对二级主题进行内涵描述。
（1）维度一：学科概念
STEM是科学、技术、工程学和数学的整合，维度一的一级主题即以不同学科为划分依据。结合我国各学科义务教育课程标准和美国的《下一代科学教育标准》（NGSS），将科学划分出物理、化学、生命科学、地球与空间科学四个二级主题并进行内涵描述。科学本质是科学教育的重要组成内容之一，因此在科学主题下划分“科学本质”二级主题，参考NGSS的界定描述其内涵。技术与工程学的二级主题划分与内涵描述，主要参考美国国家教育进步评价项目（NAEP）2014年发布的技术与工程学素养（TEL）评价框架、学者Arthur的著作《技术的本质》。
（2）维度二：跨学科概念
跨学科整合是STEM有别于传统分科教学的显著特点，维度二基于跨学科视角，选取NGSS中的7个跨学科概念（Crosscutting Concepts）作为二级主题，分别对模式、因果关系、系统与系统模型、物质与能量、结构与功能、尺度比率和数量、稳定与变化这7个跨学科概念进行内涵描述。
（3）维度三：科学与工程学实践
为进一步分析教材实践活动模块中的STEM跨学科整合和工程学展现情况，将维度三划分为科学实践和工程学实践两个一级主题。参考NGSS中科学和工程学实践的步骤，及Bybee对科学和工程学实践的理解与阐释，分别对科学实践、工程学实践进行二级主题划分与内涵描述。
（4）维度四：跨学科整合程度与情境设置
维度四划分为整合程度和情境设置两个一级主题，STEM跨学科的整合程度借鉴Vasquez等人的研究，根据整合科目数量、概念主题等，将整合程度分为单学科（Disciplinary）、多学科（Multidisciplinary）、跨学科（Interdisciplinary）和超学科（Transdisciplinary）四个层次（如图1所示）。将情境设置细化为无情境、模拟情境和真实情境三个二级主题：无情境即没有任何动手实操的情境设置；模拟情境包括虚构的、理想化的情境，或人为设置的实验情境；真实情境是指社会性议题、学校及日常等真实生活中会遇到的情境。
在已有研究的基础上，围绕STEM四个核心内涵特征，梳理构建本研究所使用的STEM教材分析框架。其中维度一、维度二用于分析教材的科学文本，维度三、维度四用于分析实践活动。
以下基于STEM教材分析框架的四个维度，从科学概念、科学与工程实践两部分对BC初中科学教材中的科学文本和实践活动进行分析与统计，如表1所示。了解教材科学文本中STEM学科概念、跨学科概念的分布情况，以及实践活动的内容、STEM整合程度和情境设置。同时对BC初中科学教材的教学内容、实践活动等进行基于文本的质性分析，从而详尽地描述与解读教材的特点和可借鉴之处。
（一）科学概念
1.学科概念
（1）STEM各学科的整体分布
对教材中282项科学文本条目进行编码统计，其中包含科学的条目最多，共280条、占总数的99.3%，技术和工程学分别有144、79條，占51.1%、28.0%，包含数学的条目最少，只有44条、占15.6%。BC初中科学教材的内容在科学概念的基础上，超过半数的文本中融入技术概念，工程学概念亦在多于1/4的文本中有所涉及，而教材科学文本中数学概念的呈现则相对较少。
（2）技术概念的分布
根据STEM教材分析框架对教材中与技术相关的内容进行分析。其中占比最多的是技术与社会，共97条，占67.3%；最少的是技术的本质，共4条，占2.8%；技术基础共36条，占25%；信息与通信技术共7条，占4.9%。技术与社会主题的内容占比较多主要源于加拿大及BC省科学课程长期以来对STS和STSE的重视。为更清晰地表达STEM教材分析框架中技术二级主题的内涵描述，特将代表性内容示例汇总如表2所示，章节目次指某年级教材第某章，如G10C6指10年级教材第6章。
（3）工程学概念的分布
教材中工程学概念的分布如图2所示，占比最多的工程学基础中，日常所用工程学成果远多于工程学的基本理念，教材科学文本对于工程学的渗透主要体现在工程学成果层面，仍有待深入。为更清晰地表达工程学二级主题的内涵描述，列举代表性内容汇总于上表2。
（4）科学本质、技术、工程学、数学概念的科学学科分布
科学本质是科学教育持续关注的重要议题之一，与技术、工程学和数学的科学学科分布同时进行分析比较，统计结果如图3所示。整体而言，工程学和数学在不同学科的出现频次差异较大，科学本质和技术则相对均衡，其中技术的数量均大于其他三个主题。就科学学科而言，物理中工程学和数学的数量远多于其他学科；化学中各主题数量在四门学科中均为第三位；生命科学中技术和科学本质有较好体现，但工程学和数学都处于末位；地球与空间科学中科学本质的数量高于其他学科。科学本质、技术、工程学和数学数量加和最高、分布较为均衡的是物理学科。
2.跨学科概念
教材中跨学科概念的整体分布情况如图4所示，数量最多的是尺度比率和数量，物质与能量、系统与系统模型、模式次之，因果关系、结构与功能、稳定与变化最少。需说明的是，因果关系是指对因果现象、机制的解释，教材文本中有大量的科学解释、推理论证等，为提高编码可操作性、保证编码一致性，本研究将因果关系的内涵提高至理论和定理层次，普通的科学解释未计算在内。
跨学科概念在四门科学学科的分布与其整体分布趋势基本相同，尺度比率和数量、物质与能量均较多，因果关系、结构与功能、稳定与变化均较少（如图5所示）。从科学学科的角度来看，物质与能量、尺度比率和数量在四门学科中分布较为均衡，生命科学中系统与系统模型、结构与功能的数量显著多于其他学科，化学中模式、因果关系略多于其他学科，生命科学、地球与空间科学中稳定与变化这一概念的数量多于物理和化学学科。跨学科概念在不同学科的分布差异与学科内容、学科特色相关，例如生命科学中有众多不同尺度的系统（生态系统、生理系统、遗传系统等），常利用模型去模拟或表征生命世界中的现象或系统（如肺与外界的气体交换、细胞模型等），因此系统与系统模型显著多于其他学科。
（二）科学与工程学实践
教材中实践活动共309页，占近三成版面。实践活动指教材特意规划的、需学生动手完成的科学与工程学实践，有单独的活动编号，不包括教材边栏的“探索更多”“连接互联网”等。这些实践活动贯穿教材所有章节，平均每节有3.3个活动。每单元末有两个比单元内“更长、更正式的调查活动”（Longer and More Formal Investigations），分别是项目（Project）和整合研究调查（Integrated ResearchInvestigation）。以下从科学实践和工程学实践两个主题呈现统计结果与分析。
1.科学实践活动分析
教材中的科学实践活动共263个，以动手实操的实验探究、调查研究等为主。依据STEM教材分析框架，从科学实践的8个方面统计所有科学实践活动如图6所示。图中数据均为教材指明由学生完成的内容，例如只有学生需自己提出想要研究的问题时，才计人该活动有“提出科学问题”，而大部分活动会告知研究内容与主题，因此只有12个、4.6%开放度高的科学实践活动中包含“提出科学问题”。其余方面，超过80%的活动对建构科学解释和实施研究计划有要求，56%有分析与解释数据，37%明确指出要有表达交流，30%需要学生进行推理论证，只有不足15%的活动需要学生自己作出假设、设计研究计划。BC初中科学教材的科学实践活动有不同的探究层次和难度设置，如构建科学解释、实施研究计划是基本要求，分析与解释数据、推理论证、表达交流是中等要求，提出科学问题、做出假设和设计研究计划是较高难度的要求，高水平探究和实践大多在单元末的项目和整合调查研究中呈现。
2.工程学实践活动分析
教材中工程学实践活动共46个，以工程学产品制作、三维实体模型构建为主，从工程学实践的8个方面统计所有工程学实践活动如图7所示。图中的数据呈现与上文所述科学实践相同，均为教材中指明由学生完成的内容。其中最多的方面是實施设计方案，共43个、93.5%的工程学实践活动对此内容有要求，该结果体现了建造是工程学的核心，工程学实践以方案设计和实施为基础。其次是构建及应用模型，有28个、60.1%，模型是对实物、系统、过程等内容的表征，模型和模型的构建有助于理解知识和知识形成的过程。如G9C10模拟宇宙膨胀的活动，用记号笔在刚刚吹圆的气球上标记不同圆点代表星系，其中一个代表银河系，再对气球持续充气模拟宇宙膨胀，让学生观察并记录星系（圆点）的位置变化及速度快慢、使用记录的数据绘制图表，引导学生思考自己的观察与哈勃在研究星系运动时的观察是否相似。工程学实践活动中最少的环节也是问题的描述及限制条件，大多由教材明确提供。
3.整合程度分析
依据STEM教材分析框架，将实践活动的跨学科整合程度分为单学科、多学科、跨学科和超学科四个层次。教材的实践活动充分体现了STEM跨学科整合的本质特征，136个、44%的实践活动整合了两门或两门以上紧密关联的学科，42个、14%的实践活动基于真实情境的问题或项目为学生提供应用多学科知识与技能的学习经验。此外分别有39%、3%的实践活动是在单一学科中学习学科独立的概念与技能、跨学科的概念与技能。这四种层次的活动在课程组织中各具价值，并非所有活动整合程度都是越高越好，单学科实践活动同样重要，没有学科概念作为基石，跨学科概念的理解和意义建构无从谈起，更难构建良好的概念体系。在单学科和多学科基础上，学生有了一定的知识和技能储备，才能更适应跨学科和超学科的学习情境、更深入地学习和掌握相关概念和技能。下页图8是“跨学科”整合层次的实践活动典型案例，将物理、工程学、数学等学科的概念与技能整合于模拟气垫船的设计制作中。
BC初中科学教材编排不同整合程度的实践活动时，充分考虑了在章节、单元等水平的螺旋上升，例如位于每单元末的项目和整合研究调查实践活动共24个，其中14个、58%的活动为超学科整合程度，是在单元水平上对实践活动跨学科整合程度的提升。
4.情境设置分析
实践活动的情境设置分为无情境、模拟情境和真实情境三种（内容示例如表3所示）。其中最多的是模拟情境，共204个、约占实践活动的2/3，而模拟情境中绝大部分是给予学生动手实操探究的实验情境，也有虚拟未来的场景，如在月球建造矿产基地、在太平洋底设计水下社区等。其次是真实情境，共69个、22%，提供生活中真实面临的问题与挑战让学生尝试解决或进行探究。例如G9U3单元项目“寻找最好的电池”，以日常生活中为电子设备挑选电池作为背景，引导学生探究不同品牌电池的供电能力，每组自选3个品牌的电池，通过自己设计组装电路、测量电压电流变化、记录数据、绘制图表、计算功率和电池电动势等，去发现哪种品牌的电池能够提供最多的能量。而只有36个、占比12%的实践活动是没有任何动手实操的情境设置的，以材料阅读与分析、图表数据描述与处理等为主，但即使划分在“无情境”下的实践活动大多也有一定的材料和数据背景。例如G10C11关于C02排放的活动，追溯了工业革命以后自1861年至2000年人类活动所带来的C02排放量，以及大气中C02浓度、全球年平均气温等数据，培养学生利用数据作图、读图、分析数据等能力。
综上，BC初中科学教材充分结合本省环境文化等地方背景，围绕科学学科知识整合技术、工程、社会、环境、数学等内容，教材注重科学本质的传递，通过多层次的实践活动和丰富多样的教材栏目，为学生创设科学探究、技术与工程问题解决、技能锻炼的情境与机会。
教材是课程的核心组成要素，教材建设是课程改革推进的重要任务与成果，本研究基于STEM跨学科视域对BC初中科学教材的科学文本和实践活动进行分析，针对两个研究问题得出如下结论：（1）BC初中科学教材STEM整合的特点：基于科学概念和跨学科概念，结合教学内容的学科特色整合STEM，学科之间互相渗透；基于模拟情境或真实情境设置中的实践活动，以项目研究或问题解决的形式整合STEM，实践活动跨学科整合程度高、与实际生活联系紧密；基于教材特色栏目（如科一数互联）整合STEM，强调对学生科学技能和职业生涯的引导；（2）工程学在教材中的展现途径：在科学文本中融人工程学内容、基本原理、工程学产品（图片及文字展示）；使用工程学情境作为科学学习的背景，在工程学实践活动中运用跨学科知识与能力；把工程学设计作为科学单元最终的单元项目，在实际问题解决过程中应用学习成果、锻炼相关技能。
STEM教育是国内外课程改革的重要趋势，2017年初我国教育部颁布的小学科学课程标准明确提出“技术与工程领域”的内容要求，整合STEM的科学课程将成为我国基础教育改革的关注焦点，通过上述分析为我国科学教材编写中融人STEM教育提供如下启示：
（一）关注跨学科概念的整合，聚焦科学本质的传递
基于本研究的分析可知，BC初中科学教材的科学文本中有437处跨学科概念、69处科学本质的内容，充分体现了教材对跨学科概念和科学本质的整合与传递。跨学科概念是连通不同学科的通用概念，如本研究分析的7个跨学科概念，它们对于理解不同学科之间的相互影响与促进、从跨学科整合的角度审视科学学习大有助益。科学本质是科学教育的重要内容和目标，科学教材应在跨学科概念整合的内外，聚焦对科学本质的传递。
教材在学科核心概念的基础上，可结合不同学科的自身属性与特点对跨学科概念进行深层次的融入与呈现。关注跨学科概念在教材概念体系中的整合，将从横向维度连接縱向的学科核心概念，使孤立的、片段的概念构建成具有高度内在一致性的概念体系，更利于概念的意义建构与信息检索。对于跨学科概念的呈现应给予适度的外显化，让学生明确学科间的内在联系，知晓何为跨学科、缘何关注跨学科，建构跨学科概念的同时提升跨学科思维的能力。跨学科概念整合的过程即有科学本质的体现，此外应结合科学史、科学与工程学实践、职业探索等内容传递科学本质，提高学生STEM素养，最终达成科学教育目标。
（二）重视工程学在基础教育中的价值，围绕工程学统整STEM
小至各类人工智能产品，大至建筑、道路、桥梁，工程学对社会发展的贡献远超从前，受到人们越来越多的关注。但基于对BC初中科学教材的分析可知，科学教材往往更关注于科学及其概念本身的传递，对工程学的关注仍显不足，如图2显示教材中有280个条目包含科学、而仅有79个条目包含工程学。 工程学中的创意、设计、实践、产品等重要属性与要素可以极大地丰富基础教育课程的内涵和育人价值，为学生创新、实践和问题解决的培养提供最直接的支撑点，为教育理想和课程目标的实现提供更加真切的途径，在基础教育中有着至关重要的作用。作为STEM终端集成的工程学，常通过两种途径整合：一是基于工程学情境进行科学学习；二是基于工程学实践活动整合STEM，如工程设计、模型构建等活动，本研究的结论与之相近。工程学对于学生实践能力、学习能力、思维能力的发展独具价值，围绕工程学统整STEM的设计思路值得课程与教材研究人员高度关注。
（三）立足本土创设真实的问题解决情境，培养学生的社会责任感
加拿大BC省英属哥伦比亚大学的Nashon教授曾指出，他与同事们在从事科学教育研究时，始终把“地方性”（Local）置于核心。本研究分析的BC初中科学教材即是专门针对加拿大BC省编写的，教材中采用很多贴近学生生活的本土情境，在科学文本和实践活动中渗透本土文化。例如G8C12.1是关于淡水环境的内容，教材结合BC省的丰富的地理资源和生物资源介绍了湖泊、湿地、河流、河口等淡水环境。随后设置“如何拯救这条河”的实践活动，教材分别列出BC省最濒危的12条河流及其所受主要威胁，让学生调研最近的河流，了解河流的使用现状、河流及周边的规划、规划可能带来的环境影响等，综合考虑所需时间、资金、预期成效等，提出详细的解决方案并进行评估。
基于真实情境的问题解决是STEM的内涵特征之一，上述课例的实践活动即是如此，学生将综合运用已有知识、在活动中提升能力，以更好地应对未来可能面对的复杂社会问题与挑战。立足本土创设真实的问题解决情境，促进学生更深入地了解、认识家乡，增强对家乡的归属感和热爱之情，有助于培养学生的社会责任感。
（四）基于建模、推理论证等理性思维设置实践活动，为培养学生科学探究、创新实践、问题解决等能力提供有效载体
“科学总是处于过程之中，科学教育亦当回归于过程”，教材的内容编排要充分给予学生实践机会，让他们在科学与工程学实践中亲身体验同科学家、工程师相似的工作过程，将所学概念应用于实践、在实践中完成新的概念构建，同时提高科学探究、创新实践、问题解决能力等。基于上文的分析可知，BC初中科学教材中的實践活动高度关注建构模型、科学解释构建、推理论证等理性思维。例如G8C1实践活动是关于“米与鸟”的都市传说（Urban Myth）：都市传说是听起来正确其实不然的故事，一则都市传说认为吃米会伤害到鸟类，因为鸟吃到胃里的米会吸水膨胀而导致鸟窒息，请设计并实施实验探究米是否会伤害到鸟类（通过米在水中的膨胀程度模拟）。
高层次的思维能力需要经过系统培养才能获得，在教材的实践活动中体现科学基于实证的本质属性，针对建模、推理论证、科学探究等精心设计的实践活动，是培养学生思维能力的有效工具。同BC初中科学教材一样，实践活动的结构布局应遵循螺旋式设计，根据课程内容、已有知识、学生认知等安排不同层次的科学与工程学实践，在章节及单元末设置层次更高、难度更大、更具挑战性的实践活动。此外，教材应充分利用现代化教育技术手段，为使用者提供全面的实践活动配套资源，如在线学习网站、师生互动平台、活动材料包、教师专业发展支持等，为培养学生科学探究、创新实践、问题解决等能力提供有效载体。
关键词：STEM教育；科学教材；教材分析；科学教育
一、引言
STEM已成为国内外基础教育课程改革的重要趋势，以往的课程改革经验表明，教材是保障课程改革顺利推进的决定性因素之一。我国的STEM教育仍处于起步阶段，从理论研究落地到教学实践的发展过程中，相对滞后的STEM教材研究成为制约STEM快速进入基础教育学科课堂的瓶颈。国外中小学教材整合STEM的现有路径主要分为基于科学教材的整合和STEM专门教材的整合两种，普通学校的正式教育（Formal Education）以基于科学教材进行STEM整合为主流范式。对于我国STEM教育的发展现状而言，基于科学教材进行STEM整合更符合课程改革需求、更利于STEM教育迅速落地学校教育。如何将STEM教育融入科学教材之中？科学、技术、工程学和数学四者如何整合？对教师和学生而言相对陌生的工程学如何展现？这些都是开展教材编写与修订工作前亟需解决的问题。
加拿大科学教育对于STEM已有近20年的关注，尽管早前并未使用术语“STEM”而是“STSE（科学一技术一社会一环境）”，其对技术、数学、跨学科实践的重视已充分渗透于科学课程标准和科学教材之中。英属哥伦比亚省（BritishColumbia，以下简称BC省）作为加拿大的教育强省，全省通用的科学教材紧扣课程标准内容要求，STEM的内涵属性鲜明。本研究基于STEM跨学科视域，在文献研究的基础上构建教材分析框架，期望通过分析加拿大BC省科学教材探明两个研究问题：1.BC初中科学教材中的STEM整合有何特点；2.工程学是如何在教材中具体展现的，进而为我国科学教材编写中STEM教育的融人提供借鉴与启示。
二、研究设计
（一）研究对象
本研究的分析对象为加拿大BC省使用最为广泛的初中科学教材《BC科学》（BC Science 8、9、10），由麦格劳-希尔集团（McGraw-Hill Ryerson）于2007-2008年出版发行。加拿大的教育实行分权制，各省自主制定课程标准及教材，BC省的科学教育水平在加拿大各省中位列前茅。《BC科學》由百余位科学教育专家、学者历经数年完成，经省教育部门核准并由全球知名教材出版商出版。本研究即对BC省初中科学教材BC Science 8、9、10三册共计12单元、36章、94节内容进行分析。
（二）研究方法
研究采用量化与质性相结合的内容分析法。通过量化统计，尝试对教材的概念分布、STEM整合特点、工程学展现途径等进行分析；通过质性描述，分析教材的内容选取、实践活动等，为我国科学教材编写和课程设计积累经验并提供参考。
量化分析中，首先依据分析框架把教材分为科学文本和实践活动两大部分，分别从科学概念、科学与工程实践两个主题分析。其中，科学文本（学科概念和跨学科概念）划分出282项条目，实践活动（科学与工程学实践）划分出309项条目。两名研究者分别依照分析框架对所有条目进行编码，采用SPSS 21.0软件进行Kappa检验，以Kappa值作为编码一致性的信度指标。本研究中两名研究者对各一级主题的编码一致性系数Kappa值均大于0.85，且Sig.<0.05，表明两名研究者的独立编码结果具有良好的可靠性。随后两名研究者对有分歧的条目和赋值点逐一讨论，得到统一的编码数据供后续分析使用。对编码数据进行分析的过程中，采用SPSS、Excel软件对不同主题的各个变量进行数据统计和图表分析，以便客观、准确地把握BC初中科学教材的内容和特点，从而解答相关研究问题。质性分析主要是对教材内容、实践活动等文本进行整体描述与深入解读，发掘教材编写的深层特色与特点。
（三）研究工具
研究工具的构建主要采用了文献研究的方法，基于文献总结出STEM教育四个显著的内涵特征，然后以四个内涵特征为起点，在已有研究的基础上构建本研究所使用的STEM教材分析框架，并对框架的二级主题进行详细的内涵描述。
1.STEM的内涵特征
STEM最本质的内涵特征直观体现在“STEM”这一首字母缩略词上，即对科学、技术、工程学和数学的整合。尽管目前尚无统一的STEM概念界定，但就其跨学科整合的属性，学界已基本达成共识。聚焦STEM的“跨学科整合”，探明以下两个问题，是准确把握STEM核心内涵特征的关键。
一是“为什么要整合”：科技的飞速发展给社会带来了日新月异的变化，同时人类面临着各种复杂的社会问题，STEM教育最初的提出即为培养学生应对变化和解决社会问题的能力。这些前沿变化和社会问题都是真实存在的复杂情境，是多学科整合的情境，并非依靠单一的学科知识和能力就能适应与解决的。STEM教育的核心特点之一正是基于真实情境的问题解决，在教学中尽可能为学生设置近似真实的情境，能够同时培养学生多学科的知识运用能力和其他多种问题解决能力。认知心理学和学习科学等领域的研究表明，跨学科整合和基于真实情境的策略是有效的，因为它们将碎片化的概念之间构建相互关联，就认知层面而言，相互关联的概念比单独的概念更利于意义建构和日后的信息检索。 二是“如何实现整合”：已有的政策文献及研究表明了STEM跨学科整合的优势，但整合的具体方式方法仍有待明确。美国科学教育专家Bybee指出，以往STEM各学科多以分科的形式出现，实现STEM不同学科之间的整合要以学科核心概念和学科实践为基础。许多STEM教育活动往往更多关注于以学生为主体的动手与实操，而忽略了对跨学科概念及学科概念的传递。澳大利亚Marginson等学者比较不同国家的STEM教育后认为，STEM教育强国基于创新的课程设计较为完善，在STEM教育中给予学科知识更多的关注。Nathan等研究者提出整合STEM的方法，即围绕学科重要概念，在科学和数学表征、技术和工程学目标、设计和构建活动等方面展开整合。以学科概念为基础引导学生关注活动表象下深层的概念结构和关联，以支撑相关概念的意义构建、建立新旧概念之间的联系等。
综上，本研究认为STEM具有以下四个核心内涵特征：（1）强调跨学科整合；（2）基于真实情境的问题解决；（3）聚焦科学与工程学实践；（4）关注学科重要概念。基于此内涵特征构建STEM教材分析框架，即从学科概念、跨学科概念、科学与工程学实践、跨学科整合程度与情境设置四个维度展开。
2.STEM教材分析框架
为了深入细致地分析科学教材中STEM整合的特点、工程学的具体展现等，基于已有研究对STEM教材分析框架进一步细化，分别在四个维度下划分一级主题和二级主题，并对二级主题进行内涵描述。
（1）维度一：学科概念
STEM是科学、技术、工程学和数学的整合，维度一的一级主题即以不同学科为划分依据。结合我国各学科义务教育课程标准和美国的《下一代科学教育标准》（NGSS），将科学划分出物理、化学、生命科学、地球与空间科学四个二级主题并进行内涵描述。科学本质是科学教育的重要组成内容之一，因此在科学主题下划分“科学本质”二级主题，参考NGSS的界定描述其内涵。技术与工程学的二级主题划分与内涵描述，主要参考美国国家教育进步评价项目（NAEP）2014年发布的技术与工程学素养（TEL）评价框架、学者Arthur的著作《技术的本质》。
（2）维度二：跨学科概念
跨学科整合是STEM有别于传统分科教学的显著特点，维度二基于跨学科视角，选取NGSS中的7个跨学科概念（Crosscutting Concepts）作为二级主题，分别对模式、因果关系、系统与系统模型、物质与能量、结构与功能、尺度比率和数量、稳定与变化这7个跨学科概念进行内涵描述。
（3）维度三：科学与工程学实践
为进一步分析教材实践活动模块中的STEM跨学科整合和工程学展现情况，将维度三划分为科学实践和工程学实践两个一级主题。参考NGSS中科学和工程学实践的步骤，及Bybee对科学和工程学实践的理解与阐释，分别对科学实践、工程学实践进行二级主题划分与内涵描述。
（4）维度四：跨学科整合程度与情境设置
维度四划分为整合程度和情境设置两个一级主题，STEM跨学科的整合程度借鉴Vasquez等人的研究，根据整合科目数量、概念主题等，将整合程度分为单学科（Disciplinary）、多学科（Multidisciplinary）、跨学科（Interdisciplinary）和超学科（Transdisciplinary）四个层次（如图1所示）。将情境设置细化为无情境、模拟情境和真实情境三个二级主题：无情境即没有任何动手实操的情境设置；模拟情境包括虚构的、理想化的情境，或人为设置的实验情境；真实情境是指社会性议题、学校及日常等真实生活中会遇到的情境。
在已有研究的基础上，围绕STEM四个核心内涵特征，梳理构建本研究所使用的STEM教材分析框架。其中维度一、维度二用于分析教材的科学文本，维度三、维度四用于分析实践活动。
三、研究结果与分析
以下基于STEM教材分析框架的四个维度，从科学概念、科学与工程实践两部分对BC初中科学教材中的科学文本和实践活动进行分析与统计，如表1所示。了解教材科学文本中STEM学科概念、跨学科概念的分布情况，以及实践活动的内容、STEM整合程度和情境设置。同时对BC初中科学教材的教学内容、实践活动等进行基于文本的质性分析，从而详尽地描述与解读教材的特点和可借鉴之处。
（一）科学概念
1.学科概念
（1）STEM各学科的整体分布
对教材中282项科学文本条目进行编码统计，其中包含科学的条目最多，共280条、占总数的99.3%，技术和工程学分别有144、79條，占51.1%、28.0%，包含数学的条目最少，只有44条、占15.6%。BC初中科学教材的内容在科学概念的基础上，超过半数的文本中融入技术概念，工程学概念亦在多于1/4的文本中有所涉及，而教材科学文本中数学概念的呈现则相对较少。
（2）技术概念的分布
根据STEM教材分析框架对教材中与技术相关的内容进行分析。其中占比最多的是技术与社会，共97条，占67.3%；最少的是技术的本质，共4条，占2.8%；技术基础共36条，占25%；信息与通信技术共7条，占4.9%。技术与社会主题的内容占比较多主要源于加拿大及BC省科学课程长期以来对STS和STSE的重视。为更清晰地表达STEM教材分析框架中技术二级主题的内涵描述，特将代表性内容示例汇总如表2所示，章节目次指某年级教材第某章，如G10C6指10年级教材第6章。
（3）工程学概念的分布
教材中工程学概念的分布如图2所示，占比最多的工程学基础中，日常所用工程学成果远多于工程学的基本理念，教材科学文本对于工程学的渗透主要体现在工程学成果层面，仍有待深入。为更清晰地表达工程学二级主题的内涵描述，列举代表性内容汇总于上表2。
（4）科学本质、技术、工程学、数学概念的科学学科分布
科学本质是科学教育持续关注的重要议题之一，与技术、工程学和数学的科学学科分布同时进行分析比较，统计结果如图3所示。整体而言，工程学和数学在不同学科的出现频次差异较大，科学本质和技术则相对均衡，其中技术的数量均大于其他三个主题。就科学学科而言，物理中工程学和数学的数量远多于其他学科；化学中各主题数量在四门学科中均为第三位；生命科学中技术和科学本质有较好体现，但工程学和数学都处于末位；地球与空间科学中科学本质的数量高于其他学科。科学本质、技术、工程学和数学数量加和最高、分布较为均衡的是物理学科。
2.跨学科概念
教材中跨学科概念的整体分布情况如图4所示，数量最多的是尺度比率和数量，物质与能量、系统与系统模型、模式次之，因果关系、结构与功能、稳定与变化最少。需说明的是，因果关系是指对因果现象、机制的解释，教材文本中有大量的科学解释、推理论证等，为提高编码可操作性、保证编码一致性，本研究将因果关系的内涵提高至理论和定理层次，普通的科学解释未计算在内。
跨学科概念在四门科学学科的分布与其整体分布趋势基本相同，尺度比率和数量、物质与能量均较多，因果关系、结构与功能、稳定与变化均较少（如图5所示）。从科学学科的角度来看，物质与能量、尺度比率和数量在四门学科中分布较为均衡，生命科学中系统与系统模型、结构与功能的数量显著多于其他学科，化学中模式、因果关系略多于其他学科，生命科学、地球与空间科学中稳定与变化这一概念的数量多于物理和化学学科。跨学科概念在不同学科的分布差异与学科内容、学科特色相关，例如生命科学中有众多不同尺度的系统（生态系统、生理系统、遗传系统等），常利用模型去模拟或表征生命世界中的现象或系统（如肺与外界的气体交换、细胞模型等），因此系统与系统模型显著多于其他学科。
（二）科学与工程学实践
教材中实践活动共309页，占近三成版面。实践活动指教材特意规划的、需学生动手完成的科学与工程学实践，有单独的活动编号，不包括教材边栏的“探索更多”“连接互联网”等。这些实践活动贯穿教材所有章节，平均每节有3.3个活动。每单元末有两个比单元内“更长、更正式的调查活动”（Longer and More Formal Investigations），分别是项目（Project）和整合研究调查（Integrated ResearchInvestigation）。以下从科学实践和工程学实践两个主题呈现统计结果与分析。
1.科学实践活动分析
教材中的科学实践活动共263个，以动手实操的实验探究、调查研究等为主。依据STEM教材分析框架，从科学实践的8个方面统计所有科学实践活动如图6所示。图中数据均为教材指明由学生完成的内容，例如只有学生需自己提出想要研究的问题时，才计人该活动有“提出科学问题”，而大部分活动会告知研究内容与主题，因此只有12个、4.6%开放度高的科学实践活动中包含“提出科学问题”。其余方面，超过80%的活动对建构科学解释和实施研究计划有要求，56%有分析与解释数据，37%明确指出要有表达交流，30%需要学生进行推理论证，只有不足15%的活动需要学生自己作出假设、设计研究计划。BC初中科学教材的科学实践活动有不同的探究层次和难度设置，如构建科学解释、实施研究计划是基本要求，分析与解释数据、推理论证、表达交流是中等要求，提出科学问题、做出假设和设计研究计划是较高难度的要求，高水平探究和实践大多在单元末的项目和整合调查研究中呈现。
2.工程学实践活动分析
教材中工程学实践活动共46个，以工程学产品制作、三维实体模型构建为主，从工程学实践的8个方面统计所有工程学实践活动如图7所示。图中的数据呈现与上文所述科学实践相同，均为教材中指明由学生完成的内容。其中最多的方面是實施设计方案，共43个、93.5%的工程学实践活动对此内容有要求，该结果体现了建造是工程学的核心，工程学实践以方案设计和实施为基础。其次是构建及应用模型，有28个、60.1%，模型是对实物、系统、过程等内容的表征，模型和模型的构建有助于理解知识和知识形成的过程。如G9C10模拟宇宙膨胀的活动，用记号笔在刚刚吹圆的气球上标记不同圆点代表星系，其中一个代表银河系，再对气球持续充气模拟宇宙膨胀，让学生观察并记录星系（圆点）的位置变化及速度快慢、使用记录的数据绘制图表，引导学生思考自己的观察与哈勃在研究星系运动时的观察是否相似。工程学实践活动中最少的环节也是问题的描述及限制条件，大多由教材明确提供。
3.整合程度分析
依据STEM教材分析框架，将实践活动的跨学科整合程度分为单学科、多学科、跨学科和超学科四个层次。教材的实践活动充分体现了STEM跨学科整合的本质特征，136个、44%的实践活动整合了两门或两门以上紧密关联的学科，42个、14%的实践活动基于真实情境的问题或项目为学生提供应用多学科知识与技能的学习经验。此外分别有39%、3%的实践活动是在单一学科中学习学科独立的概念与技能、跨学科的概念与技能。这四种层次的活动在课程组织中各具价值，并非所有活动整合程度都是越高越好，单学科实践活动同样重要，没有学科概念作为基石，跨学科概念的理解和意义建构无从谈起，更难构建良好的概念体系。在单学科和多学科基础上，学生有了一定的知识和技能储备，才能更适应跨学科和超学科的学习情境、更深入地学习和掌握相关概念和技能。下页图8是“跨学科”整合层次的实践活动典型案例，将物理、工程学、数学等学科的概念与技能整合于模拟气垫船的设计制作中。
BC初中科学教材编排不同整合程度的实践活动时，充分考虑了在章节、单元等水平的螺旋上升，例如位于每单元末的项目和整合研究调查实践活动共24个，其中14个、58%的活动为超学科整合程度，是在单元水平上对实践活动跨学科整合程度的提升。
4.情境设置分析
实践活动的情境设置分为无情境、模拟情境和真实情境三种（内容示例如表3所示）。其中最多的是模拟情境，共204个、约占实践活动的2/3，而模拟情境中绝大部分是给予学生动手实操探究的实验情境，也有虚拟未来的场景，如在月球建造矿产基地、在太平洋底设计水下社区等。其次是真实情境，共69个、22%，提供生活中真实面临的问题与挑战让学生尝试解决或进行探究。例如G9U3单元项目“寻找最好的电池”，以日常生活中为电子设备挑选电池作为背景，引导学生探究不同品牌电池的供电能力，每组自选3个品牌的电池，通过自己设计组装电路、测量电压电流变化、记录数据、绘制图表、计算功率和电池电动势等，去发现哪种品牌的电池能够提供最多的能量。而只有36个、占比12%的实践活动是没有任何动手实操的情境设置的，以材料阅读与分析、图表数据描述与处理等为主，但即使划分在“无情境”下的实践活动大多也有一定的材料和数据背景。例如G10C11关于C02排放的活动，追溯了工业革命以后自1861年至2000年人类活动所带来的C02排放量，以及大气中C02浓度、全球年平均气温等数据，培养学生利用数据作图、读图、分析数据等能力。
综上，BC初中科学教材充分结合本省环境文化等地方背景，围绕科学学科知识整合技术、工程、社会、环境、数学等内容，教材注重科学本质的传递，通过多层次的实践活动和丰富多样的教材栏目，为学生创设科学探究、技术与工程问题解决、技能锻炼的情境与机会。
四、研究结论与启示
教材是课程的核心组成要素，教材建设是课程改革推进的重要任务与成果，本研究基于STEM跨学科视域对BC初中科学教材的科学文本和实践活动进行分析，针对两个研究问题得出如下结论：（1）BC初中科学教材STEM整合的特点：基于科学概念和跨学科概念，结合教学内容的学科特色整合STEM，学科之间互相渗透；基于模拟情境或真实情境设置中的实践活动，以项目研究或问题解决的形式整合STEM，实践活动跨学科整合程度高、与实际生活联系紧密；基于教材特色栏目（如科一数互联）整合STEM，强调对学生科学技能和职业生涯的引导；（2）工程学在教材中的展现途径：在科学文本中融人工程学内容、基本原理、工程学产品（图片及文字展示）；使用工程学情境作为科学学习的背景，在工程学实践活动中运用跨学科知识与能力；把工程学设计作为科学单元最终的单元项目，在实际问题解决过程中应用学习成果、锻炼相关技能。
STEM教育是国内外课程改革的重要趋势，2017年初我国教育部颁布的小学科学课程标准明确提出“技术与工程领域”的内容要求，整合STEM的科学课程将成为我国基础教育改革的关注焦点，通过上述分析为我国科学教材编写中融人STEM教育提供如下启示：
（一）关注跨学科概念的整合，聚焦科学本质的传递
基于本研究的分析可知，BC初中科学教材的科学文本中有437处跨学科概念、69处科学本质的内容，充分体现了教材对跨学科概念和科学本质的整合与传递。跨学科概念是连通不同学科的通用概念，如本研究分析的7个跨学科概念，它们对于理解不同学科之间的相互影响与促进、从跨学科整合的角度审视科学学习大有助益。科学本质是科学教育的重要内容和目标，科学教材应在跨学科概念整合的内外，聚焦对科学本质的传递。
教材在学科核心概念的基础上，可结合不同学科的自身属性与特点对跨学科概念进行深层次的融入与呈现。关注跨学科概念在教材概念体系中的整合，将从横向维度连接縱向的学科核心概念，使孤立的、片段的概念构建成具有高度内在一致性的概念体系，更利于概念的意义建构与信息检索。对于跨学科概念的呈现应给予适度的外显化，让学生明确学科间的内在联系，知晓何为跨学科、缘何关注跨学科，建构跨学科概念的同时提升跨学科思维的能力。跨学科概念整合的过程即有科学本质的体现，此外应结合科学史、科学与工程学实践、职业探索等内容传递科学本质，提高学生STEM素养，最终达成科学教育目标。
（二）重视工程学在基础教育中的价值，围绕工程学统整STEM
小至各类人工智能产品，大至建筑、道路、桥梁，工程学对社会发展的贡献远超从前，受到人们越来越多的关注。但基于对BC初中科学教材的分析可知，科学教材往往更关注于科学及其概念本身的传递，对工程学的关注仍显不足，如图2显示教材中有280个条目包含科学、而仅有79个条目包含工程学。 工程学中的创意、设计、实践、产品等重要属性与要素可以极大地丰富基础教育课程的内涵和育人价值，为学生创新、实践和问题解决的培养提供最直接的支撑点，为教育理想和课程目标的实现提供更加真切的途径，在基础教育中有着至关重要的作用。作为STEM终端集成的工程学，常通过两种途径整合：一是基于工程学情境进行科学学习；二是基于工程学实践活动整合STEM，如工程设计、模型构建等活动，本研究的结论与之相近。工程学对于学生实践能力、学习能力、思维能力的发展独具价值，围绕工程学统整STEM的设计思路值得课程与教材研究人员高度关注。
（三）立足本土创设真实的问题解决情境，培养学生的社会责任感
加拿大BC省英属哥伦比亚大学的Nashon教授曾指出，他与同事们在从事科学教育研究时，始终把“地方性”（Local）置于核心。本研究分析的BC初中科学教材即是专门针对加拿大BC省编写的，教材中采用很多贴近学生生活的本土情境，在科学文本和实践活动中渗透本土文化。例如G8C12.1是关于淡水环境的内容，教材结合BC省的丰富的地理资源和生物资源介绍了湖泊、湿地、河流、河口等淡水环境。随后设置“如何拯救这条河”的实践活动，教材分别列出BC省最濒危的12条河流及其所受主要威胁，让学生调研最近的河流，了解河流的使用现状、河流及周边的规划、规划可能带来的环境影响等，综合考虑所需时间、资金、预期成效等，提出详细的解决方案并进行评估。
基于真实情境的问题解决是STEM的内涵特征之一，上述课例的实践活动即是如此，学生将综合运用已有知识、在活动中提升能力，以更好地应对未来可能面对的复杂社会问题与挑战。立足本土创设真实的问题解决情境，促进学生更深入地了解、认识家乡，增强对家乡的归属感和热爱之情，有助于培养学生的社会责任感。
（四）基于建模、推理论证等理性思维设置实践活动，为培养学生科学探究、创新实践、问题解决等能力提供有效载体
“科学总是处于过程之中，科学教育亦当回归于过程”，教材的内容编排要充分给予学生实践机会，让他们在科学与工程学实践中亲身体验同科学家、工程师相似的工作过程，将所学概念应用于实践、在实践中完成新的概念构建，同时提高科学探究、创新实践、问题解决能力等。基于上文的分析可知，BC初中科学教材中的實践活动高度关注建构模型、科学解释构建、推理论证等理性思维。例如G8C1实践活动是关于“米与鸟”的都市传说（Urban Myth）：都市传说是听起来正确其实不然的故事，一则都市传说认为吃米会伤害到鸟类，因为鸟吃到胃里的米会吸水膨胀而导致鸟窒息，请设计并实施实验探究米是否会伤害到鸟类（通过米在水中的膨胀程度模拟）。
高层次的思维能力需要经过系统培养才能获得，在教材的实践活动中体现科学基于实证的本质属性，针对建模、推理论证、科学探究等精心设计的实践活动，是培养学生思维能力的有效工具。同BC初中科学教材一样，实践活动的结构布局应遵循螺旋式设计，根据课程内容、已有知识、学生认知等安排不同层次的科学与工程学实践，在章节及单元末设置层次更高、难度更大、更具挑战性的实践活动。此外，教材应充分利用现代化教育技术手段，为使用者提供全面的实践活动配套资源，如在线学习网站、师生互动平台、活动材料包、教师专业发展支持等，为培养学生科学探究、创新实践、问题解决等能力提供有效载体。