从技术学徒到认知学徒：STEM深度学习的路径

摘要：当前STEM教育面临跨学科学习流于形式、沦为“学科拼盘”等问题。只有实现从浅层次的知识理解到深层次的认知过程，STEM教育才能走向深入。基于认知学徒制的跨学科教学模式的构建与实施是STEM深度学习的有效路径。基于认知学徒制的跨学科教学模式包括问题、学习共同体、过程、基于证据的评价四个基本要素，并由七个步骤构成，分别为明确教学目标、学习任务设计、学习活动规划、借助技术或工具、学习社群创设、过程证据的采集和证据导向的评价。关键词：STEM教育；认知学徒；跨学科教学模式；深度学习STEM是科学（science）、技术（technology）、工程（engineering）和数学（mathematics）四门学科的简写，但在开展STEM教育的过程中，教师不能简单地将这些学科知识叠加，而应将这四门原本分散的学科内容整合成一个有机整体。这样做的目的是，让学生能够运用科学和数学思维，借助技术手段，按照工程的严谨性，在解决实际问题的过程中进行知识的学习。一、当前STEM教育存在的问题与挑战STEM教育近几年来受到重视，在我国教育界广受欢迎，教师们纷纷尝试实践。然而，在教师们实施STEM教育过程中也逐渐暴露出了一些问题。（一）长期以来的分科教学使得跨学科学习流于形式当前STEM教育中的跨学科学习，很多只是零散、碎片化知识的简单堆砌，并非根据不同学科知识内在联系的有机融合，这使得各学科间无法产生有效的化学反应。由于分科教学观念根深蒂固，教学方式大多仍停留在“讲授—接受”的模式，导致跨学科学习活动往往流于形式。很多情况下，只要学习内容涉及两种以上学科知识，就被认为是跨学科学习，但学生并没有真正体验到如何整合不同学科知识解决问题的过程，也未能建立起知识之间的联系，无法形成跨学科的理解。要开展真正的跨学科学习，我们需要建立起与分科教学截然不同的教学逻辑、学习体验和评价标准。（二）注重表现形式而非内在逻辑，导致跨学科教学沦为“学科拼盘”许多教师在设计STEM课程时，仅仅是为了“跨”而“跨”，将两门或更多学科简单组合就视为跨学科学习。这种做法使得跨学科学习变成了机械的“学科拼盘”，由于不是从知识的内在逻辑出发来设计教学内容，教师所设计出来的STEM课程无法帮助学生建立起不同学科知识之间的关联，学生对相关学科知识的理解也无法做到深入。实际上，STEM教育的重点并不在于增加一个或几个学科，而在于跨学科的整合。（三）STEM教育沦为玩电子积木与机器人的“秀场”某些STEM教育实践案例并未遵循教育规律，一窝蜂地让学生学习开源电路板、3D打印、机器人等热门技术，过分追求技术的炫酷效果，忽视科学教育设计和基础性学科知识的融合[1]。机器人教育则长期以来以竞赛模式为主导，教学模式单一且侧重于模仿验证实验，导致学生在创新能力培养方面存在不足[2]。事实上，只有技能模仿，缺乏知识融会贯通和迁移应用的学习没有意义，并不能算作真正的STEM教育。学生在STEM学习过程中，如果离开了科学的原理、数学的逻辑、技术的方法和工程的实践，仅进行简单的技术操作和实践，将与STEM教育的思想背道而驰。STEM教育并不等同于早期的职业教育。我们需要思考：是否应该让中小学生花费大量时间去学习那些超越他们年龄和认知水平的知识？是创新意识、创新思维和创新能力更重要，还是新奇的知识更重要？我们必须明确，STEM教育的目的并非让中小学生成为编程高手或过早地操纵机器人。他们正处于积累基础知识和形成基本思维方式的关键阶段，不应过早地专注于某个特定领域，只追求技能的熟练，而忽略了对知识的理解。否则，STEM教育就可能沦为职业教育。二、从技术学徒到认知学徒面对当前STEM教育实施过程中所出现的种种现象与问题，我们应借鉴学习科学的相关理念来寻求解决之道。笔者认为，当前的STEM教育需要超越简单操作、机械记忆和低水平的思维活动，实现从技术学徒向认知学徒的转变，从而使STEM教育摆脱目前的浅层学习状态，达到深度学习的目标。（一）认知学徒制的由来学徒制是让人类文明和技术得以传承并延续至今的一种原始、自然的方式。一般由家人或具有技艺的师傅承担着教育下一代的职责。教学内容是为未来生活和职业做准备，教学方法有示范、观察、指导和实践等。当前的STEM教育就类似于学徒制，它侧重于掌握熟练的技能，而不是背后科學知识的理解、数学逻辑的建立以及科学严谨的工程实践。学校出现后，学生大多集中在教室中学习，教学内容遵循国家制定的课程标准，以教师讲授为主要教学方式。这种正规的学校教育有助于学生形成良好的知识体系，但随着时间的推移，人们开始意识到学校教育可能导致学生知行分离。学生往往只能被动地接受知识，而无法将所学迁移应用于实际生活。为此，美国学习科学家柯林斯等人将传统学徒制与正规学校教育相结合，建构认知学徒制理论（CognitiveApprenticeshipTheory），用于指导认知领域的教学。该理论核心关注如何组织教学才能使学生获得的知识不会孤立于使用的情境[3]，并强调要通过设计一系列的活动，让学生把自己学习过程中的思维外显化，学会专家的思维方式，提升思维能力。（二）认知学徒制理论的内涵认知学徒制主要包括四个基本的构成元素，将它们组合在一起，就能为创设有效支持认知学徒制的学习环境提供有价值的思维框架[4]。一是内容。教师设计的所有项目背后，都一定要有科学知识，包括相关学科领域的事实性知识、概念性知识和程序性知识，以及怎么学习这些知识的策略。尤为重要的是，这些知识应尽量与学生的年龄、认知水平相吻合，而不能背离他们的身心发展规律。二是方法。学习的过程要诱导学生主体参与、外显思维。因此，教师应通过示范、指导和搭建脚手架等，促进学生深层次认知投入，并通过让学生清晰表达、反思与探究等，促进他们思维的外显。简单来说，学生既要知道怎么做，更要知道“为什么”这么做。对于中小学生开展项目式学习、跨学科学习而言，“为什么”是第一重要的，而不是“会做什么”。三是社会性。在项目式学习中，教师要重视学习环境的社会特性，诸如情境化学习、鼓励学生参与互动交流、设定目标以激发内在学习动机等。教师还要充分利用合作与竞争，使学生为了共同的目标而努力，并在良性竞争中认识到自己的优势和不足之处。四是顺序。教师应设计合理的学习活动顺序，如确保问题解决的复杂性逐级上升，使学生能够在难度逐渐增加的有意义任务中不断进步；学习情境的多样性也应逐步增加，以强调知识的广泛适用性。在此过程中，全局性技能的培养应优先于局部性技能，即在着手具体任务之前，学生应对整体任务有充分的概念性理解。（三）认知学徒制的关键特征1.强调知行合一，在真实情境中主动学习和运用知识认知学徒制强调为学生创设真实或类似真实世界的问题情境，让学生能够充分地探究、分析和解决问题，在实践的过程中积极主动地获取知识、运用知识和加工知识，从而形成对知识的深刻理解。2.注重专家实践文化，教会学生“像专家一样思考”认知学徒制要求学生与专家、同伴共同完成任务。在与专家、同伴互动的过程中，学生通过观察、模仿、练习和实践，反思自身的思维方式，并将其与专家思维方式进行对比，学习他们处理真实问题的思维方式，以及在任务完成过程中所用到的各种知识和技能，学会如何像专家一样思考。3.强调学习的情境化，学生主动学习和迁移所学知识认知学徒制强调让学生在真实的情境中学习，真正地理解学习要达成的目标以及所学内容的作用，积极主动地探究和学习知识，建立知识与实际问题之间的关系，并能将所学的知识灵活迁移到不同的情境中去解决实际问题。4.强调学习活动的透明化和思维过程的外显化在传统教育模式下，学生通常无法观察到教师解决问题时的认知过程，难以掌握专家的隐性知识。同样，教师也难以了解学生头脑中正在进行的认知过程，不能及时对教学做出调整或干预。认知学徒制强调营造问题解决的情境，并要求专家在持续性有意义的任务中将自身理解、分析和解决问题的心智过程外显化，使学生能够获得专家的隐性知识。学生通过一系列活动，如反思、表达与对比思维方式，也能将其观察、分析、评价、创造等学习活动透明化，使得教师及时发现问题与不足。5.注重学生高阶思维能力的培养认知学徒制不主张死记硬背，而是通过创设真实的问题情境和社会化的学习氛围，鼓励学生做中学，与专家和同伴互动交流。在这一过程中，学生不断反思和自我调整，建立起先前知识、经验与所学内容之间的联结，并从中发现原则和规律。他们通过搜集发现过程中的证据来支持自己的结论，并以此构建起自己的理解。这种学习方式不仅有助于实现深度学习，还提升了学生在人际交往、问题解决和信息素养等方面的高阶能力。综上，认知学徒制与技术学徒制的主要区别在于，它实现了从“技能的学习”到“认知的学习”（见表1）。（四）认知学徒制理论指导下的跨学科学习设计跨学科学习强调学生能够形成对知识的深刻理解，构建有意义的跨学科知识网络；强调学生在真实的问题情境中学习，能够体验获得知识的过程；强调能够獲得学生在学习过程中的学习证据；注重核心素养和高阶思维能力的发展。认知学徒制的特点与跨学科学习的本质很多共通之处，因此认知学徒制理论可以指导跨学科学习设计的实践。基于认知学徒制理论的STEM教育需要重视以下方面。1.支持学生体验真实解决问题的过程开展STEM教育时，教师不仅要让学生了解书本上的知识，更要让学生参与到真实、有意义的情景问题中去，在解决实际问题的过程中像科学家一样思考，亲自动手探究实验、观察、记录、分析、反思、评价和创造，从而构建模型，形成设计方案（如图1），而不是照着操作手册去操作。在此过程中，学生能加深对知识间逻辑关系的理解，体验知识迁移到不同情境解决问题的过程，促进深层次认知。2.提供各种锻炼高阶思维水平的活动与实践高水平思维要求学生能够表达内容的不确定性，学习中提出自己的活动路线，从多种视角进行认知，能够对某个观点赋予意义，并在思考后能够对知识做出判断（如图2）。学生需要参与到高水平思维活动中来，不断地思考，对各种信息和观念进行加工转换，基于新经验与旧经验进行综合和概括，解释有关的现象，形成新的假设和推论[6]，并通过一定的方式做出检验。科学的原理、技术的方法、工程的实践以及数学的理性和逻辑是STEM教育的核心。教师要为学生提供整体认知的机会，真正理解STEM教育不是四种知识的拼盘，而是思维方式和实践方式的融合。3.促进学生构建有意义的知识网络在STEM教育中，教师不仅要拓展学生的知识广度，加深他们对特定领域知识的理解，更要帮助他们建立起知识之间的关联。跨学科教学能够促进学生构建这种知识间的关联，让他们发现知识内在的逻辑，从而对知识产生深刻理解，并能够从知识的本质出发进行理解、应用、拓展和创造，有意识地整合知识。通过这种方式，学生的知识不仅在数量上有所增加，认知深度也得到了拓展，并会将认知体系中的概念根据抽象程度与亲疏关系建立网状关系，形成大的、可以解决问题并有效应用于丰富情境的“组块”。这种“组块”化的知识结构就是专家知识的存储方式，具有优越的保持性和迁移性[7]。三、基于认知学徒制的跨学科教学模式结合我们团队的研究工作，笔者构建了基于认知学徒制的跨学科教学模式。（一）基于认知学徒制的跨学科教学模式基本要素一是问题或任务。问题或任务一定要实现跨学科整合，与学科教学紧密关联。教师应根据问题或任务情境进行不同学科知识的重组，确保核心概念都有跨学科项目覆盖，以保持知识结构体系的整体性。二是学习共同体。教师要营造社会化学习情境，鼓励学生与同伴在学习共同体中协作和表达，同时，教师还应提供指导、示范、建议、支架，外显专家的思维过程，以便学生观察并模仿。三是过程。教师应设计不同层次的认知支架，确保学习活动的复杂度逐层递进。在平铺式项目的基础上，教师更应关注认知递进式项目，并在活动过程中体现出支架和活动的设计。这样一来，当支架逐渐淡出时，学生能够独立探究，并在问题解决的过程中持续改进。四是证据导向的评价。教师应采集学习过程中产生的一系列证据，以对学生进行高阶能力的评价，并在评价后及时反馈与改进。（二）基于认知学徒制的跨学科教学模式技术支持下基于认知学徒制的跨学科教学模式（如图3）主要包括七个步骤。1.明确教学目标：指向深度学习，培养学生高阶能力教学目标设计一定要指向科学的原理、数学的逻辑，要涉及核心素养以及学科核心概念的思维方式训练，培养学生的高阶能力，旨在学生能将所学知识灵活迁移到不同情境中，实现以核心素养导向的教学。教师应借助技术创设类似真实生活的问题情境，情境中蕴含着教学目标，让抽象的书本知识与现实生活进行关联和融合，设计出有意义的项目和问题。利用3D技术、计算机交互技术或虚拟现实技术，教师可创设真实的问题情境（如图4）。教师还可以基于计算机代理提供认知支架，并通过在线协作支架维持学习共同体，创设社会化学习情境。2.学习任务设计：联系真实世界，基于跨学科整合设计问题或项目教师在设计学习任务时，要以问题或项目为载体，在确保基础学科知识完整性的基础上，基于真实世界和学生的生活经验，将分学科的知识按问题逻辑或项目逻辑进行跨学科重组。跨学科学习课程的设计和实施，还应在学科知识的系统性与解决实际问题中所获知识的随机性之间保持一定的张力和平衡。教师要基于整体知识结构来系统性设计问题，使各问题之间包含的学习议题多次地相互邻接和交叉重叠[8]。项目化学习或者跨学科学习的优点是能使知识在情境中呈现，缺点则是打破了知识体系的良构性。如果问题或任务设计不当，可能会导致学生只在某些知识领域得到充分训练，而其他知识领域则被忽视。因此，在项目设计过程中，教师必须确保涵盖所有核心概念和关键能力，以便学生能够全面而均衡地掌握学科知识。教师可通过知识图谱实现系统化课程设计。知识图谱作为课程设计工具，可对课程的核心知识及其关系予以可视化展示与管理（如图5）。设计学习问题或项目时，教师要分析其涵盖的知识，并与知识图谱进行关联。当所有学习项目都与知识图谱关联时，教师可以清晰地看到每个知识点上学习项目覆盖的频次与强度。如果某个知识点出现结构性缺失，教师可通过定向覆盖的学习问题或项目设计进行平衡调节[9]。3.学习活动规划：学生主动探究问题或任务，体验获得知识的过程学习活动的规划应以学生为中心，让学生在真实的问题情境中积极主动地学习，在教师指导下，像专家一样思考和解决问题，通过理解问题、探究问题、表达观点、进行反思和不断改进，真实地体验获得知识的过程，建立不同知识之间的关联、形成跨学科概念和理解，并灵活地迁移到不同的情境中。在学习活动规划方面，本文主要强调两个关键点：一是项目活动的实施应当线上线下相结合。线下活动负责操作、逻辑推演等任务，线上则利用多样化数字工具支持活动的开展（如图6），同时外显学生的思维过程，以便于成果的展示。二是活动任务应具有结构化设计，做到逐层递进（如图7）。这不仅仅是指解决问题的逻辑要逐层递进，还要求学生认知投入的层次也能像爬山一样逐层递进。4.借助技术或工具：可视化学习过程、外显化心智活动，促进学生反思和调节在跨学科学习过程中，教师借助技术可以搭建脚手架，向学生演示专家思维过程，在学生解决问题过程中，支持学生探究和反思高阶思维活动，触发学生产生各类学习证据，以便教师监控、指导和开展基于证据的评价。活动有记忆、理解、应用、分析、评价、创造等不同的认知层次。不同认知层次的活动，对应了不同的行为动词和不同层次的实践性活动。教师要通过一定的方法把学生线下的作品或线下的操作数字化，从而实现学生思维的外显。如北京师范大学未来教育高精尖创新中心团队研发的证据导向的项目式学习系统（Evidence-basedProjectBasedLearningSystem，E-PBL）提供了很多认知工具，不仅让学生获得了知识，还体验了获得知识的过程，并通过知识外显工具，将学生的思维过程、完成任务的过程展现了出来。5.学习社群创设：师生共同参与构建学习共同体教师要创设社会化学习情境，促进学生表达、反思和批判。以小组协作学习、师生共同参与构建学习共同体的方式开展跨学科学习，能通过学生之间的交流和清晰表达，将学生的学习过程外显化。教师监督学生的学习过程，提供指导、示范，或搭建脚手架，使得专家