STEAM視角下基于STAD型合作學習的課程設計研究

白偉偉　方海光　黃雪　焦寶聰

[摘 要]STEAM教育作為一種以培養綜合性高素質人才為目標的創新教育模式，對提升學生創新思維、合作能力和綜合實踐能力具有積極作用。趣味性、跨學科、技術性、合作性是STEAM教育的鮮明特點，教師可通過設計課程資源提高STEAM教育的功能和作用。本文將STAD型合作學習引入到STEAM教育課程設計中，旨在課程實施中，提高學生的團隊協作能力和進步即成功的意識，不斷鼓舞學生取得進步。依據構建模型，以博弈數學課程為案例，有效地提高了學生的創新合作能力、探索學習能力、思考與解決問題能力，塑造了積極的人格和價值觀。該模型是一種具備可操作性和可推廣性的方法，就STEAM教育而言有較強的指導意義。

[關鍵詞] STEAM教育；合作學習；STAD型合作學習；博弈數學

[中圖分類號] G642.3 [文獻標識碼] A [文章編號]1005-5843（2017）10-0108-07

[DOI]10.13980/j.cnki.xdjykx.2017.10.020

一、引言

STEAM教育理念是指以數學為基礎，借助工程和藝術解讀科學和技術，將人文藝術中的“誰來做”和“為什么”（Who and Why）加入到STEAM教育領域的“做什么”和“怎么做”（What and How）中，形成良好的結構性課程，發揮學生主體性，促使正確的價值觀在STEAM教育過程中扮演首要角色。STEAM教育注重引導學生運用跨學科思維解決實際問題，讓學生遠離碎片化的知識和死記硬背的過程，引導學生聯系不同學科之間的知識，不僅提升學生的演繹歸納等邏輯思維能力，也培養了問題解決能力、自我實現的激勵能力及同伴合作能力[1]。STEAM教育倡導PBL（ProjectBased Learning）教學模式，在兩個層面上開展教學：直接教學與小組協作問題解決。其注重培養將STEAM學科知識整合到某一核心任務中，更注重培養學生的問題解決能力和創新能力，但學生團隊合作能力的培養有待加強。本文就此問題，基于學生小組成績分工法（StudentTeamAchievement Divisions Cooperative Learning，以下簡稱STAD型合作學習），并在STEAM視野下，從提高學生團隊合作能力角度進行課程設計研究。

二、STEAM教育的教學策略研究現狀

關于STEAM教育的研究多集中在發達國家，如美國、英國等。美國的項目引路計劃（PLTW）在中學階段STEM課程中，如綜合實踐課程、信息技術課程或校本課程多采用PBL教學模式，STEAM[是Science（科學）、Technology（技術）、Egineering（工程）、Arts（藝術）、Maths（數學）5個單詞的縮寫]教育是STEM教育發展性、包容性更強的跨學科綜合素質教育，逐漸聚焦在分析不同學科之間的聯系，而非關注某些知識屬于某種學科領域，要求各個學科在教學過程中必須緊緊相連。我國相關學者認為，STEAM教育知識整合有三種方式：以學科知識整合為方向、以生活經驗整合為方向、以學習者中心整合為方向。這三種整合方式的優點在于將其知識情境化與社會化[2]。STEAM教育采用的教學模式主要是PBL教學模式和問題式學習模式，利用學生自主探究的過程來獲得與現實有關且能付諸行動的學習結果。PBL以探究為基礎的任務組成，這些任務幫助學生學習技術性、人文社科性的核心課程內容，是探究式學習的特殊形式，項目結束時以累積性的手工制作或體驗來確定所獲得知識，或以創意性的設計方案結束。有研究團隊開發出支持兒童探究式教學方法的軟件工具：（1）探究式學習在線評估與記錄系統；（2）社會情緒能力評估系統；（3）執行功能評估系統與評估關鍵能力系統，幫助STEAM探究式學習的過程記錄和評價[3]。在美國中小學中應用比較廣泛的是研究性學習，這是一種深層次的學習方式，建立在學生所掌握的基本知識與技能的基礎之上。并并對學生有一定的要求，學生需要在學習過程中創造出有價值的作品，并要以口述、海報等形式進行展示和結題[4]。

STEAM教育具有跨學科、趣味性、情境性、設計性、實證性、合作性等特點，強調在群體合作中相互幫助、相互啟發，是基于現實環境的以學生為中心的教學模式[5]。建構主義指出，學習環境的四大要素包括“情境”、“協作”、“會話”和“意義建構”。STEAM教育的合作性指學生以小組為單元，搜集和分析相關學習材料、提出和驗證假設、評價學習成果；學習者通過交流討論完成學習任務。STEAM教育系統強調合作性，因為合作學習不僅有助于提高學生成績、形成學生對學科的積極態度、發展批判性思維能力等方面有積極作用，還強調掌握知識技能的水平，使下一代能夠將其所學知識應用于合作情境中，其最終目的是改變傳統教學過度強調競爭的格局，響應教育社會化和培養社會所需人才的號召。

合作學習在20世紀70年代初興起于美國，我國相關學者提出，合作學習是指以異質學習小組為基本形式，系統利用教學動態因素之間的互動，以小組總成績為評價標準，促進小組內部進行任務分工，積極承擔角色職能，共同達成教學目標的教學活動[6]。合作學習方法包括5個要素：（1）積極互賴。要求學生知道自己為小組所有成員的學習負責。（2）面對面地促進相互作用。要求學生進行面對面的交流。（3）個人責任制。要求每個學生承擔并掌握所分配的任務，分工明確，責任到人。（4）社交技能。（5）小組自評。要求小組定期評價學習活動的進程和功能發揮程度、以提高小組活動的高效性[7]。目前，教學實踐中運用多種合作學習方法或策略，譬如小組游戲競賽法（TGT）、切塊拼接法（Jigsaw）、合作閱讀綜合法（CIRC）、共學式（LT）、學生小組成績分工法（STAD）、團隊協助個人化（TAI）、學術爭論（AC）、小組調查法（GI）等。

本文采用的研究方法為STAD型合作學習，STAD是美國約翰·霍普金斯大學斯萊文及其同事所研制的一系列學生小組學習方法之一。它適合于大多數學科和年級水平，適合于有一個明確答案的簡單陳述性知識的教學。STAD型合作學習的原則就是小組獎勵、所有人成功機會均等以及組內合作、組間競爭。在STAD型合作學習中，學生被分成幾個學習小組，確定小組目標，且要求成員在成績水平、性別、性格等方面具有異質性，實行個人責任制，小組成員享受平等的成功機會。教學流程先由教師授課；然后學生在小組內進行互助合作學習，使小組成員掌握學習內容；最后所有學生單獨參加個人測驗。把學生的測驗得分與其以往測驗的平均分或基礎分對比，根據學生達到或超過他們自己先前成績的程度來計分。然后將小組成員的個人分數相加構成小組分，進行團隊競爭。但STAD型合作學習不存在任務專業化問題，不適用于個人學習[8]。研究表明，STAD與其他教學策略相比，將合作目標、任務與高度的個人責任相結合，穩定性和適應性更強，STAD對學生的相互影響、同伴教學及提高技能有效。國外有研究表明，STAD型合作學習與PBL教學策略比較，STAD更有助于提高學生的數學學習成績和解決問題的能力[9]。

三、STEAM教育下基于STAD教學策略模型的建構

在基于PBL的STEAM教育中的課堂組織實際上包含兩個突出的問題：如何設計基于PBL的學習活動，從而使學生的學習和積極行為的表現最大化；學生分組活動時與課堂管理相聯系的各種主題。當師生對協作性學習環境感到舒適自然時，項目實施效果更佳。本研究在STEAM教育課程中基于STAD教學策略，對其小組協作學習進行改進型模型構建（圖1）。

在開展STEAM教育項目活動時，首先確定STEAM項目學習目標，明確學生應取得的成就，規劃合適的課程計劃，對STEAM項目進行詳細分析，即存在的問題和難點。在選擇方法和技術階段，選擇適合于學生的教育方法，譬如示范、模擬、研究性學習或探究性學習等。教師根據學生的特征和明確的結果，選擇適合于師生角色的樂高積木、實驗套件、網絡應用等種類的技術，小型學習共同體和專業學習共同體有助于為STEAM學習項目挑選最合適的技術。學生在可能的時候可以自己選擇，或必要時根據教師的指導來自行選擇。

利用STAD教學策略進行小組分配，首先安排學生進行獨立前測，判斷學生水平，確定學生基礎分，或依對學生的了解，征求學生意見來制定基礎分，并對其排名，進行異質分組，使小組總體水平保持一致。在開展STEAM項目階段，學生應承擔積極的角色，并和其他學生進行合作。教師應確保STEAM項目中應用的技術運作良好，保證學生能正常使用。在把設備交給學生之前，教師務必通曉相關技術的全面知識，包括負面影響，如某化學試劑的腐蝕性等。同時，必須考慮學生技能的水平，給學生必要的時間和技術支持。教師要防止組內權利的失衡，對組內成員進行個人責任分工，并設計小組交流對話，為學生提供一個足夠豐富的學習經驗和社交互動的機會。

成果交流階段，教師組織對小組成果進行展示和評價，提高學生的成就感，形式主要以展覽會、報告會、辯論賽、小型比賽等為主。在評估修改階段，主要包括兩個維度，即小組評價和個人評價。個人評價包括組內同伴評價、個體評價和個人提高分的計算。對于沒有標準答案的項目，主要包括專業知識評價和合作能力評價，每一項目滿分為10分；對于有標準答案的項目，可根據情況設計分值，個人提高分的計算方式如表1所示。小組評價包括以下維度：時間計劃、結果表達、成果展示、教師專業評價及小組提高分。按照小組成員的提高分，小組提高分可記為：小組分數=小組成員提高分之和/小組人數。最后，小組和個人分別進行統計分數并有相應獎勵機制，詳細過程如圖2所示。

STAD教學策略使小組成員通過自己的努力，進步幅度越大，個人成績和小組成績越高，且全體學生成功機會均等。提高分在于鼓勵學生在STEAM教育活動中聚焦于進步的過程，保證全體學生的學習積極性，培養學生組內合作、組間競爭的能力。

四、 博弈數學課程案例

（一）重力棋的原理及特點

博弈數學教育課程由丹麥科技創新中心旗下Gravity Board Games教育機構與丹麥數學教育聯盟共同研發并獲得國際專利的教育產品，結合“數學思維、合作博弈、創新設計”項目體驗式課程，融合了物理學、數學、人文社會科學等學科，該課程以STEAM教育理論為指導，提倡探索式學習，強調結論提煉對學習和生活的指導和應用，適用于7～16歲青少年的活動課程、校外課程等。博弈數學課程體系所用教具為丹麥希格斯重力棋，棋盤如圖3所示，棋盤蘊含了杠桿原理的知識，以棋盤中軸（數字0處）為支點，向左右兩端延伸，為等長力臂。如圖4所示，重力棋包括“4”、“3”、“2”、“1”游戲棋子，“7”平衡棋子，“1”圓形主棋和“1”三角形主棋，如圖5所示，共四枚骰子，每面數字為“1”、“2”、“3”，學生通過投擲骰子，決定主棋的走棋策略，來獲得游戲棋子，放置本方的黃色格子內，根據杠桿原理的知識，實現重力獲勝，此種獲勝方式稱為二維零和博弈，或通過吃掉對方主棋獲勝，此稱為三維零和博弈。小組內部成員在最少時間內實現二維零和博弈，則稱為合作博弈。重力棋蘊含了豐富的物理學、四則運算、概率與統計、博弈論等豐富的知識。如表2所示，課程體系結構包括零和博弈、合作博弈、數理邏輯和創新應用四個階段，注重培養學生的數學思維、合作能力及創新設計能力。在課程設計中借助STAD型合作學習設計教學活動，不僅有利于學生學習零和博弈、合作博弈的內容知識，提高學生綜合運用知識的能力，同時有利于學生認識到個人與團體之間的關系，提高團隊合作能力。

（二）基于STAD型合作學習的博弈數學課程模型

本研究選取了北京市第二實驗小學怡海分校五年級博弈數學課程的“合作博弈”知識點，教學目標是培養學生量化分析博弈，初步認識風險和概率計算的知識，引發學習者深入思考和行為改變；教學難點是通過STAD教學策略，讓學生認識到個人利益與團隊利益相一致的觀念，促進學生團隊精神的培養，借助的技術為丹麥重力棋。學生在探索解決方案的共同目標上，遵循的技術規則如表3所示，規則的設計理念為個人利益與團隊利益相一致。

教師在課程前對學生進行測試，結合課堂比賽成績，對學生進行重新分組，4人一組。依據規則8，開始進行活動，尋求合作博弈的勝利最大化。組內，兩名同學對弈，一名同學負責指導，一名同學負責監督其他小組遵守紀律，文明下棋，組內成員各司其職，互相交流，共同為團隊勝利贏取更多分數。四局比賽結束后，小組內部舉行小型會議，推舉一名匯報人，發表活動總結。小組成員填寫評價表，對本人及其他小組成員合作能力及對弈成績進行評價，記為個人提高分，鼓勵學生不斷進步，進步即成功。

（三）案例經驗及分析

根據小組比賽情況，統計各小組得分，選取第一組為研究對象，組內成員的得分情況如表4所示，可知A同學的分數最高，裁判工作和指導者工作均完成，責任意識比較強，在合作博弈過程中，達到雙贏，但時間分數稍有落后。A和C同學較基礎分數提高，個人提高分為20分。B和D同學在第三局雙輸，均得0分，小組內部交流策略需提高，個人提高分是10分。如表5所示，第四組在每局比賽中均以第一名完成雙贏比賽，可見小組協作能力比較強，值得推廣。結合各小組基礎分，計算得出小組提高分，第三小組提高分最高，其獲得的進步更大，教師在評價階段，不僅注重對第四組的表揚，還要有對第三組進步的認可和獎勵。

STAD型合作學習策略的優勢是對進步的獎勵和肯定，經過長期實踐發現，設置更合理的獎懲制度也是對STAD型合作學習的有效反饋機制。設置獎項如班級優秀學習小組、進步學習小組、校級優秀學習小組、校級優秀班級等，與之相對應的是針對個人的獎勵，如合作之星、進步標兵、三好學生等個人榮譽稱號，全面促進以個人進步帶動小組合作，形成良好的組間、班間、校間的合作與競爭，鼓勵不同基礎的學生完成不同層次的學習目標，盡而推動學校的課程教學改革。同時，從博弈數學的研究角度出發，利用規則的自定義和創新，使合作共贏比單獨完成任務的收益更能影響學生傾向于選擇合作策略，對課堂組織開展的活動提出了更高要求，此經驗同樣適用于其他STEAM課程，例如3D打印課程、中小學編程教學等，亦可取得不錯的效果。

五、結論

我國STEAM教育正處于發展初期，已有的課程資源零散且不規范，沒有形成科學完善的課程資源體系。在設計融合STEAM教育資源時，資源設計者應從生活角度出發，融合數學、科學、工程等元素，不僅擴寬了學生的知識覆蓋面，如信息技術、醫學、數學應用、工程等內容，適當增加內容的縱向深度，結合STAD型合作學習設計教學，強調合作共贏對學生人格發展的重要作用。其突出的價值在于成功機會均等，重視進步的過程而非結果，以此鼓勵學生樹立成功的信心和追求成功的動力，使學生變得更加優秀。在STAD型合作學習中，學生提升自身能力的動機提高，對合作、決策認識更清晰，且鍛煉了學生在合作學習中有效溝通和表達的能力。當集體利益和個人利益有沖突時，能夠認清核心和本質，做出正確的決策，提高學生以集體利益為重的意識，引發學生深入思考和行為改變。本文在進行文獻研究時發現，STEAM教育強調以學科融合性來解決問題，利用STAD型合作學習能提高學生的積極性和團隊合作能力，存在的問題是其原有知識體系結構的劣構化，易造成學生知識結構不良，這種基礎知識的結構性偏差在中小學是個不容忽視的問題。本項目的下一步研究方向是試圖解決知識體系劣構化的問題，為STEAM教育實施方案的可行性增加法碼。

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（責任編輯：趙淑梅）