基于项目式学习的STEM教学法：解析教师自主设计的综合性STEM课程单元

【摘要】：科学、技术、工程和数学教学（STEM）与项目式教学（PBI）作为促进学生深度学习和真实体验的有效教学方法，近年来备受教育界的关注，但对于这两种既相互联系又各具特点的教学方法之间共同点的研究却相对匮乏。本研究采用内容分析法，剖析了八位教师为1至8年级学生开发的八套STEM项目式学习课程单元，对每套课程单元在STEM综合性和项目式学习质量方面进行了评分。研究结果显示，这些课程单元在学习情境的真实性、交流机会以及最终成果的公开呈现方面表现出色。然而，在STEM内容的整合与学习目标的设定、学生的意见与选择、评估方式以及课程组织方面也存在一些不足之处。分析结果还表明：为小学低年级（1年级和5年级）开发的课程单元普遍优于为中学（7年级和8年级）开发的单元。最后，本文讨论了这些研究结果对教学实践和未来研究的启示，旨在为STEM项目式学习的进一步优化和发展提供参考。

二、文献综述

2.1. STEM整合

      在正规教育体系中，STEM学科常被孤立教授，而STEM职业却要求从业者融合多学科知识。为激发学生对STEM的兴趣与参与度，无论其未来职业选择，STEM整合教育通过真实情境将各学科紧密结合。尽管教师普遍认同STEM教育的重要性，但对整合的理解各异，课程材料设计也呈现多样性。内容整合方法从浅尝辄止到深度跨学科融合不等，旨在有意义地连接各领域，同时达成各学科教学目标。因此，STEM教育的综合实施并无统一方法。

      高质量的科学教学普遍认为，其关键已从单纯记忆离散的科学事实，转变为通过真实的实践活动来运用和应用科学概念。K-12科学教育框架与下一代科学标准着重指出了应培养学生掌握的一系列科学与工程实践技能，这些技能涵盖：在科学领域定义问题（工程领域则对应地定义挑战）；开发并运用模型；规划并执行调查；分析并解释数据；运用数学与计算思维；构建科学解释（对工程而言则是设计解决方案）；参与基于证据的论证；以及获取、评估和交流信息。鉴于对工程实践的重视及对下一代科学标准中数学应用的明确强调，综合STEM（科学、技术、工程和数学）教学已成为科学教室中常见的实践方式。

       尽管STEM整合教育日益受到重视，但在其课程与教学的实施过程中仍面临诸多挑战。例如，Hutner等人的研究表明，负责实施STEM设计挑战的教师常会遇到与目标相关的冲突，特别是在课程节奏与强制性测试要求之间。同样，马歇尔等人的研究也发现，那些旨在强化概念发展、知识构建及学生自主性的课程，与教师的评估目标（如词汇掌握、个人责任感及时间管理效率）之间存在着紧张状态。此外，教师们普遍感到自己在实施综合性STEM教学方面准备不足，且缺乏足够的时间来筹备和指导综合性的STEM活动及教学单元。因此，尽管大量研究文献积极倡导注重深层次概念发展的教学方法，教师们仍担忧这种方法可能会影响到学生在标准化考试中的成绩，并且在实际操作中，他们面临着如何挤出时间进行综合性STEM教学的难题。

       2.2.项目式教学

      过去二十年间，研究文献广泛支持将项目式学习（PBI）作为实现教学目的的有效工具。尽管PBI的定义尚未统一，但学界对于构成高质量PBI的关键要素已达成普遍共识：这些要素包括一个核心驱动问题或议题，用以引导学生学习；明确的学习目标；学生参与学科实践活动；协作学习；提供脚手架以支持学生学习；运用技术增强理解；给予学生接收和应用反馈的机会；以及产出具体的最终产品或成果。学者们还强调，项目的真实性和以学生为中心的教学方法是高质量PBI不可或缺的关键要素，并指出学生应自主开发子驱动问题，以塑造个人的学习路径。此外，最终产品或成果应基于学生在整个PBI过程中达成的各个里程碑来构建，并通过公开展示的方式呈现给观众，同时鼓励与行业专家合作，将其作为项目合作伙伴。

       关于PBI是否有效提升学生的学业成绩，已有研究进行了深入探讨。Condliffe等人的文献综述指出，PBI作为一种潜力巨大的教学策略，其有效性虽被广泛看好，但因研究设计与测量工具的质量问题，其效果尚未得到充分验证。Chen和Yang则通过对30篇期刊文章的荟萃分析，得出结论：相较于传统教学，PBI与学生的积极学业成果呈正相关；不过，这种积极影响在社会科学领域表现得更为显著，而在科学和数学领域则相对较弱。值得注意的是，PBI带来的积极成果涵盖了多个方面，包括内容知识的提升、科学和技术自我效能感的增强、行为与认知参与度的提高，以及对STEM（科学、技术、工程和数学）领域态度的积极转变。

      尽管PBI展现出了诸多积极成果，但教师在实施高质量PBI时仍面临重重挑战。他们在设计和实施问题时常感困难，难以推动教学单元的发展，并赋予学生自主学习和提问的权力。此外，教师易将PBI误解为单纯的实践活动，导致其在科学课堂中的应用缺乏真实性。时间和项目管理也是一大难题。在综合STEM背景下，PBI还需关注学生跨学科学习的支持，确保基准课程覆盖关键内容。成功的PBI实施需依赖充分的专业发展支持，且成效可能需要数年才能显现。因此，PBI的复杂性持续对课程设计与实施构成挑战。

       2.3 教师作为课程设计者

      课程设计虽复杂，却为从事此工作的教师提供了通过深入分析、深刻反思及开发课程材料来实现专业成长的机会。当课程设计本质上基于合作时，教师能够更频繁地向其他教育工作者学习，借鉴他们独特的经验。然而，现实中许多教师缺乏课程开发的专业知识，这直接导致了他们所开发的课程材料质量存在较大的差异。

     尽管开发教师主导的STEM PBI课程的重要性显而易见，但这一过程中遇到的挑战已在多项研究中被充分阐述。Slavit等人的案例表明，即使在新建的STEM学校，教师每周都预留时间合作规划项目，也只有少数项目得以完全开发并应用于课堂。Guzey等人的分析则显示，教师开发的综合STEM课程单元质量差异大，多处于中低水平。Roehrig等人指出，这些课程单元在地球科学和生命科学领域尤其缺乏连贯性。教师在努力兼顾学术标准和高认知需求的同时，面临着课程设计上的诸多难题，进而影响了科学PBI单元（如设定驱动性问题、持续探究等关键特征）的实施效果。因此，在教师成功参与设计任务之前，亟需定制化的专业发展计划，以应对课程设计中的特定挑战。

三、理论框架

     本研究立足于两个核心框架。首要的是摩尔等人提出的STEM教学框架，该框架为开发和评估STEM课程设定了六项关键原则。这些原则具体涵盖：（1）构建一个激励且吸引人的学习环境；（2）设定一个工程设计挑战；（3）提供再设计以从失败中吸取教训的机会；（4）融入数学或科学内容；（5）采用以学生为中心的教学法；（6）强调团队合作与沟通能力。本研究旨在运用这六项原则来界定高质量的STEM课程。

       其次，PBLWorks黄金标准所基于的项目学习框架详细阐述了高质量基于项目的学习（PBL）或PBI项目的七大核心要素，包括：（1）挑战性的问题或议题；（2）持续性的探究；（3）真实性体验；（4）学生的意见和选择；（5）深度反思；（6）批评和修订；（7）公开呈现。这两个框架之间存在着显著的重叠与共同目标，例如，高质量STEM教学框架中强调的激励性和吸引力背景原则，与PBI框架中的挑战性问题或议题以及真实性要素不谋而合。同时，两者都高度重视迭代与修订的重要性。因此，尽管这些框架各有特色，但它们完全可以在一个统一的课程单元内相辅相成，共同发挥作用。

四、背景与研究设计

本研究运用多案例研究设计，深入分析了八位教师所开发的综合STEM PBI单元。这些课程单元旨在未来数年内，于美国西南部一所新建的PreK-8年级STEM学校中实施。值得注意的是，该州尚未采纳下一代科学标准或共同核心国家标准。为此，由大学工作人员主导的一系列夏季专业发展（PD）活动，向参与的教师介绍了PBI与STEM整合的理念。活动的初期阶段，一个为期五天的PD研讨会聚焦于课程开发与学术标准的解析。此后，紧接着进行了两个课程编制周期，每个周期大约持续3至4周。在这一周期内，教师们分组协作，发展各自的教学思路，并从其他教师及PD引导者处获取反馈，最终在周期结束时对课程单元进行修订。共有12名教师以每组三人的形式参与课程单元的开发，整个夏季期间，每个小组完成了两个单元的设计。这些教师拥有多样化的教学经验，不仅限于STEM学校所在区域，且除课程设计工作外，他们并不隶属于该STEM学校。在开发过程中，各小组获得了包含预算问题设计清单与映射文件的辅助材料。需说明的是，本研究的作者并未参与夏季的PD活动或课程单元的开发工作。表1提供了所开发课程单元的简要概述。

表1 STEM PBI课程单元

  我们进行了内容分析，旨在解读文本数据并探究八个课程单元所传递的核心信息。由于分析工作建立在与高质量STEM整合及PBI相关的既有模型和理论基础上，我们采用了定向或演绎的方法进行内容分析。

      基于我们的理论框架，我们选定了两个现有工具来评估课程单元的质量。首要工具是STEM整合课程评估（STEM ICA），它专为衡量课程单元中STEM整合的质量而设计。该评估标准由九个核心质量要素构成，这些要素均源自摩尔等人的综合STEM框架，包括：激励与参与情境、工程设计挑战、科学内容的整合、数学内容的整合、教学策略、团队合作、交流能力、表现与形成性评估，以及组织能力。本项目开发的课程还融入了英语语言艺术与阅读（ELAR）及社会研究的内容，我们在此基础上增加了两个额外元素，以全面反映科学与数学的整合标准。每个项目均按照5分制进行评分，具体分数为0（不存在）、1（较弱）、2（适当）、3（良好）和4（优秀）。评分时，评分员会先就每个单元的相关特定元素提出一系列是/否问题，然后根据这些问题为所选分数提供充分证据。例如，在评估激励与参与情境的项目时，会包含六个是/否问题，这些问题广泛覆盖了学生利用个人知识和经验、激励不同背景的学生、融入当前事件或问题，以及涉及全球、经济、环境或社会问题的方面。因此，在确定单个项目的分数时，会综合考虑上述所有因素。此外，每个单元还会获得一个总体评级，以概括其在支持学生学习方面的有效性。

      其次，我们采用了巴克教育研究所制定的现有PBI设计规则，以评估项目是否符合PBLWorks黄金标准框架的要求。该框架包含八个关键维度：学生学习目标、有挑战性问题、持续性的探究、真实性、学生的意见和选择、反思、批评和修正，以及公开呈现。针对每个项目，我们采用3分制进行评分，具体分为：1分（缺乏有效PBI特征）、2分（需进一步完善）和3分（具备有效PBI特征）。

      评分工作首先由三名研究人员分别独立完成。完成独立评分后，研究人员召开会议，汇报并深入讨论每个项目，直至就评分结果达成共识。在整个评分过程中，他们不断对评分指南进行迭代优化，以提供更加明确的标准和实例。为识别课程单元间的差异并确保评分标准的一致应用，研究人员采用了持续的比较分析策略。

五、结论

5.1. STEM整合课程评估

       除了我们在STEM-ICA规则中采用的11个项目外，每个单元还获得了一个总体评分，用以反映其STEM整合的质量。在本研究涵盖的8个单元中，总体STEM-ICA评分分布情况为：3个单元获得1分（表示整合质量弱）、4个单元获得2分（表示整合充分）以及1个单元获得3分（表示整合良好）。表现最出色的单元是五年级的《我们的水怎么了？》，它聚焦于附近一个湖泊的水质问题。对比小学单元与中学单元的质量，可以明显看出差异：所有小学单元至少达到了充分整合的水平，其中表现最佳的单元更是被评为良好；而中学单元则普遍表现较弱，所有获得1分的单元均来自中学，仅有一个中学单元被认为整合充分。表2详细列出了每个单元在11个单项上的评分以及它们在STEM-ICA量表上的总体评分。

       5.1.1. 激励与参与情境

       在这八个教学单元中，学习背景的设计通常能够有效地激励并吸引学生。根据这一标准，所有单元均获得了2分（充分）或3分（良好）的评价。这些单元的共同优势在于，它们能够将学习内容与当地社区环境相结合，并关注当代环境和社会问题。例如，五年级的《当地河流泛滥》单元聚焦于流经学校附近干旱地区的河流所面临的洪水问题；而八年级的《为什么化学在社区中很“重要”》单元，则重点讨论了环境毒素，特别是当地铅冶炼厂和其他产生危险废物的公司对环境和健康的长期影响。这些背景紧密关联学生所在社区的现实世界，为学习提供了丰富而有力的动力。然而，遗憾的是，在许多情况下，这些单元并未明确尝试利用学生已有的知识和经验。若能加强这方面的努力，将进一步提升这些单元的教学效果，并确保它们能够激励并吸引来自不同背景的学生。

      5.1.2. 工程设计挑战

       这些教学单元在工程设计挑战标准方面的表现呈现出多样化的质量水平，具体为5个单元获得1分（弱）、2个单元获得2分（充分）、1个单元获得3分（良好）。值得注意的是，中学单元的评分全部为1分，而小学单元的评分则更加多变。表现最出色的单元是专为五年级设计的《我们的水怎么了？》，该项目聚焦于评估STEM学校附近一个湖泊的水质，并要求学生提出改善水质的解决方案。该单元不仅提供了工程设计过程的明确指导，还为学生创造了设计水过滤系统的机会，使他们能够参与多种工程实践活动。然而，学生在从失败中学习并将所学融入重新设计方面的机会相对有限，因此该单元在工程教学方面仍有提升空间。各单元的共通不足之处在于缺乏明确的标准和限制来指导学生进行设计工作，并且与工程领域的联系不够紧密，从而影响了学生对该专业的深入理解。在评分较低的单元中，虽然未设置明确的工程设计挑战，但仍有一些嵌入式机会能够培养学生的工程思维习惯，如系统思维、创造力和毅力。如果大多数单元能提供更多从事工程设计的机会，将对学生大有裨益。

表2 各单元STEM-ICA评分表

      5.1.3. 科学内容的整合

     总体而言，课程单元在科学内容的综合方面达到了适当的水平（平均分为2分），仅有两个单元的得分未超过此标准。由于各单元存在一系列问题，因此在科学内容整合方面并未展现出一致的优势。具体而言，除了六个单元获得2分（足够）外，还有一个单元在科学内容整合方面仅获得1分（弱），即八年级的《我们的社区绅士化与环境不公现象》单元。该单元因多种原因在科学整合方面表现薄弱，例如，所选择的科学学术标准（如生态系统中的生物体和种群如何利用及竞争生物与非生物资源）未得到充分探讨，且明确处理的内容极少。此外，该单元缺乏让学生参与动手科学调查的机会，大部分活动仅限于阅读信息文本。这一问题是大多数单元的通病，它们往往过度依赖信息文本和视频，有时仅让学生按照既定步骤进行验证性实验。

      仅有一个单元《我们的水怎么了？》（为五年级设计）在科学内容整合方面获得了3分（良好）的评价。该单元通过丰富的活动与科学标准建立了紧密联系，并为学生提供了参与实际科学调查的机会，使他们能够运用更广泛的科学实践。然而，该单元在构建跨科学活动的联系以帮助学生形成对科学概念的连贯理解方面仍有待提升。科学整合的一致性问题在所有单元中都较为普遍，具体表现为明确涉及科学标准的活动往往与项目整体脱节，似乎仅仅是为了满足标准而被加入其中。

       八个单元在数学内容的整合上表现各异，其中三个单元得分为1（弱）、三个单元得分为2（足够）、一个单元得分为3（好）。与工程设计挑战和科学内容标准的整合情况相似，表现最出色的单元是五年级的《我们的水怎么了？》。该单元在数学内容的整合上尤为突出，包括明确的指示来测量（质量和体积）站点活动，使用比例模型，以及处理小数。这些数学活动与单元主题紧密相关，展现出与其他活动的真实性和一致性。相比之下，大多数其他单元中的数学课程显得不够真实，对最终项目的贡献微乎其微。这些课程往往仅为了应对某个标准而设置，而非促进对研究现象的深入理解。为了提升数学综合的质量，数学活动和课程需要更加紧密地与项目背景及学习目标相结合，并促进对数学思维的连贯理解。

       ELAR整合的有效性在不同单元间存在差异，这一差异在评分模式中也有所体现。尽管一年级和五年级的单元通常展现出较强的ELAR整合，但七年级和八年级的单元则不然。年轻班级的课程获得了两个3分（好）和两个4分（优秀）；然而，进入中学后，评分变为两个2分（足够）、一个1分（弱），仅有一个3分（好）。这种分数上的差异揭示了共同的优势和劣势，而这些优势和劣势往往决定了单元在这一标准上的得分高低。例如，在内容领域最具影响力的单元中，ELAR指令被明确且一致地嵌入到单元的上下文和设计挑战所解决的问题中。这些单元促进了ELAR与整个单元学科做法的一致性。一年级《我们互相依赖》单元提供了ELAR整合的“优秀”范例，其中包括与科学研究过程相一致的多个写作研讨会，以及该单元的里程碑任务和最终成果。一个“好”的八年级单元《我们的社区绅士化和环境不公现象》也包含明确的ELAR教学与写作研讨会，以及让学生听、说、写的机会；然而，该单元未能涵盖所有指定为在单位内教授的国家标准。相比之下，得分较低的单元缺乏频繁和明确的ELAR指令，导致连贯性不足。七年级《社区健康倡议》单元是ELAR整合的一个“弱”例，缺乏明确的指导，仅表现出与标准的隐性联系，这是低分单元的另一个常见弱点。为了加强表现不佳的课程单元，我们将纳入明确且一致的ELAR教学，建立与国家标准和单元本身的有意义联系。有效的ELAR整合，如《我们互相依赖》单元所示，不仅增强了学生在工程设计挑战中获取相关STEM知识的能力，还促进了宝贵的阅读和写作技能的发展。

       5.1.6. 社会研究内容的整合

       在整个单位中，社会研究内容的整合表现平平，错失了进一步跨学科联系的机会。具体而言，有两个单位得分0（不存在），两个单位得分1（弱），三个单位得分2（足够）。其中，七年级的《社区健康倡议》单元是结构最为薄弱的单元之一，该单元涵盖了心理健康、运动和营养等方面，却完全忽视了与社会研究相关的任何国家标准，尽管这些标准为社会研究整合提供了诸多机会。例如，本可以纳入与供求、商业和农业生产等经济概念相关的社会研究标准。此外，该单元也未探讨城市化相关的背景问题及其政策后果，如当地社区存在的粮食沙漠现象。在其他单元中，虽然提到了社会研究标准，但缺乏深入介绍，也未促进对概念的连贯理解。许多单元都需要更多的信息和支持，以充分执行标准，从而确保对社会研究内容及其与更广泛问题的联系有明确且一致的理解。

       在八个单元中，教学策略的相对一致性较为明显，其中一个单元得分为1（弱），其余七个单元均得分为2（足够）。以得分最低的单元——五年级的《当地河流泛滥》为例，其教学策略往往侧重于单一的动手活动（如烹饪书实验室）或动脑活动（如阅读），而未能将两者有效结合。该单元给予学生的选择机会有限，同时也未为教师提供充分的指导，以帮助他们了解如何最有效地开展活动。整体来看，这些单元结合了以学生为中心的活动和教师指导的活动，但大多数标准仍主要通过传统的教师指导活动来实现。单元内的课程和活动与整体问题及背景的联系不够紧密，导致学生难以理解每节课和每项活动的重要性。此外，还需要为学生提供更多明确的辩论机会，以支持他们发展提出和评估各种想法的技能。

       所有八个单元均为学生提供了在小组活动中与同龄人合作的机会，但这些合作机会的频率和质量却大相径庭。其中，五个单元被评为充分（评分为2），两个单元被评为弱（评分为1），仅有一个单元被评为良好（评分为3）。值得注意的是，这种团队合作质量的差异仅存在于小学单元中，而中学单元均被评为适当。获得弱评级的两个单元分别是一年级的《我们互相依赖》单元和五年级的《当地河流泛滥》单元。这两个单元主要包含了个人活动，这些活动最终汇总成一个集体产品。然而，它们缺乏将不同个人作业整合成一个有凝聚力的小组产品的过程，其中应包括相互问责机制，且存在单个学生的作业被当作小组产品提交的情况。明确的合作目的、程序以及维持个人责任，是这些单元普遍存在的问题。

       被评为“好”的单位是五年级的《我们的水怎么了？》。该单元的独特优势在于明确了角色和团队合作的期望，采用了学生和教师共同遵循的标准，以及一致的团队合作方法。这些措施为学生每天提供了进行小组合作的时间。与其他单元相比，该单元在支持积极团队合作的教学策略方面表现突出，确保了学生能够作为小组进行富有成效的参与。

      沟通是八个单元中有效整合STEM的最一致且强有力的标准，其中七个单元得分为3（良好），一个单元得分为4（优秀）。这些单元的共同优势在于为学生提供了多样化的机会，以培养他们的口头和书面沟通技巧，同时接触课程材料。例如，七年级的《抵御灾难行动》单元（得分为3）要求学生在正式和非正式场合下交流科学概念，每项表演任务都以发展有效沟通技能为目标。而五年级的《我们的水怎么了？》单元（得分为4，唯一一个优秀）则展现出类似优势，并进一步要求学生向真实观众传达工程思维和解决方案。值得注意的是，这些成功的单元并未陷入一个常见弱点：缺乏明确的论证要求，以及使用论证策略的机会少或弱。例如，一年级的《我们互相依赖》单元虽包含交流机会，却未明确指导学生运用论证作为向观众传达学习成果的工具。然而，纳入论证要求并非万能之策，它必须与有力的课程设计和实施相结合。八年级的《我们的社区绅士化与环境不公现象》单元虽包含论证，但并未完全要求学生向观众传达工程思维和解决方案，与《抵御灾难行动》单元情况相似。此外，五年级的《当地河流泛滥》单元虽包含论证要求，但实施程度有限。因此，尽管所有单元在这一标准上均获得高分，但对论证策略和工程沟通的有意、明确要求将进一步提升它们对学生学习和技能发展的潜在影响。

       除了两个课程单元外，其余所有课程单元在纳入有效衡量学生知识和技能获得的评估方面均表现较弱，得分为1（弱）。这些单元存在的共同弱点包括：标题问题（如规则使用不一致、规则过于宽泛且与单元上下文不符、以及完全缺乏规则）；缺乏教师指导来实施单元评估，部分原因是缺乏实用的规则；评估未能与国家标准建立有意义的联系，未能明确针对内容或技能学习；此外，在如何评估学生方面普遍缺乏明确性。以一年级单元《自己动手种蔬菜！》为例，该单元得分为1，展现出了上述许多弱点。例如，虽然单元大纲在开头提到了标题的介绍，但这些标题既未提供给课程的读者，也未在单元的后续部分中再次引用。此外，该单元未能促使教师进行实质性的形成性评估，而是主要依赖于同伴反馈，这虽然是各单位中为数不多的优势之一，但并未以结构化的形式广泛实施。许多单元要求学生向同学提供反馈，然而这种反馈往往缺乏系统性。

       五年级单元《我们的水怎么了？》得分为3分，展现出了独特优势，与其他单元相比，它为同伴反馈提供了明确的结构。与得分较低的单元不同，该单元还明确列出了学生在每个表演任务中需要达成的具体标准；此外，它频繁引用相关标题，并促使教师在单元的第二天解释与单元产品相关的标题。同样，五年级的《当地河流泛滥》单元（得分为2）也在早期阶段引入了项目标题，尽管没有像《我们的水怎么了？》那样提供教师的标题范例。为了加强课程单元，可以采取以下措施：制定与单元背景及其相关标准明确相关的标题；平衡结构化的教师评估和同伴形成性评估；支持教师有效评估学生的学习和发展。此外，由于所有单元都包含一定的小组元素，因此进一步区分个人评估和小组评估变得尤为重要，包括为教师提供进行这些评估的支持。

       在八个课程单元中，六个得分较低（1分，表示弱），两个五年级单元得分稍高（2分，表示足够）。所有单元均未提供教学日历，导致教师缺乏必要支持，课程可行性受限。同时，课程缺乏教师指导，核心任务细节缺失。例如，《我们互相依赖》单元要求一年级学生参与研究并纳入绩效任务，但未说明数据获取方法。许多单元活动和课程安排缺乏逻辑和顺序，仅少数单元能保持流程连贯性。此外，学习目的和目标不明确，教学材料与国家标准联系不紧密，可能导致重要内容被忽视。尽管存在这些弱点，仍有亮点出现，如《当地河流泛滥》单元包含子标题，明确主要焦点和意图，绩效任务相互关联。但优势不足以提升整体分数，如《社区健康倡议》单元虽有副标题，但组织结构薄弱，优势难以体现。这些单元在组织上虽有不足，但通过加入教学日历、细化课程和活动介绍，并明确其与单元背景的联系，可有效缓解结构性缺陷。

       5.2. 黄金标准PBI

       与STEM-ICA不同，黄金标准PBI的标题并不反映单元质量的总体得分。因此，在后续章节中，我们将详细描述每个项目的得分模式，分数范围从1（缺乏有效PBI特征）到3（包含有效PBI特征）。表3列出了每个单元在八个项目上的具体分数。

表3 各单元PBI评分表

       5.2.1. 学生学习目标

      在八个单元中，有五个单元因缺乏有效PBI（得分为1）的学生学习目标功能而表现不佳，它们仅列出了学术标准，未提供关于学习目标的任何细节。若未能将标准细化为明确、具体的学习目标，并明确每项活动所关联的学习目标，则难以评估学生每日是否有意义地学习。此外，这些单元虽列出了多种成功技能（如调查、解决问题、宣传），却未提供教授和评估这些技能的途径。

      仅有三个单元（一年级《我们互相依赖》、五年级《当地河流泛滥》和五年级《我们的水怎么了？》）包含学生学习目标，得分为2（需要进一步发展）。值得注意的是，这三个单元均为小学年级设计。尽管包含学习目标，但这些目标多聚焦于基础回忆级知识，且包含一些难以在一天内完成的次要部分，削弱了活动重点。例如，《当地河流泛滥》单元的一个学习目标是：“学生将提出并总结推论，综合研究结果，描述人们如何及为何通过防洪策略改变环境，使生物体能在其中生活，包括收集、组织、展示和解释数据。”尽管该目标各要素均重要，但将不同学习目标分别聚焦于数据收集、组织、展示和解释，再总结和呈现发现，将更有效地指导教师和学生。

      5.2.2. 挑战性的问题或议题

      在八个单元中，有四个单元因缺乏有效PBI功能而得分为1，另四个单元则需进一步开发，得分为2，这一分布在小学和中学间并无差异。总体而言，这些单元在激发有意义学习潜力方面存在一些问题。具体而言，部分驱动问题将学生局限于单一解题方法，降低了学生在探索问题时所面临的挑战水平。例如，五年级的《当地河流泛滥》单元，其驱动问题是：“作为雨水排放运营管理者,我们如何能够通过建立一个网站来向市议会通报洪水的影响，从而改善我们社区的现有防洪系统？”尽管洪水背景设定有意义，但问题却限制了学生探索的开放性，引导学生统一使用网站向市理事会倡导。尽管有些驱动问题本质上开放，似乎允许多种解决方案，但教学活动并未支持学生探索不同方案，导致学生再次趋向于单一解决方案。此外，部分驱动问题超出了学生的理解能力，如一年级“我们彼此依赖”单元的驱动问题：“作为环保活动家，我们如何才能意识到保护当地河流沿着草原生态系统的必要性？”由于包含大量复杂学术词汇，该问题未能使一年级学生从单元开始就积极参与。部分单元在维持与驱动问题一致联系方面还需努力，以避免看似仅是一系列彼此略有关联的任务。

       5.2.3. 持续性的探究

      在持续探究标准方面，8个单位中有7个得到2分（需要进一步发展）。唯一例外的是七年级的《抵御灾难行动》单元，得分为1分（缺乏有效的PBI功能）。该单元由一系列与单一调查重点关系不明确的任务组成，如阅读灾难性事件知识、进行科学实验以及参观环境中心了解生态系统。这些活动虽可相互关联，但并未尝试，可能给学生留下不连贯的印象。此外，该单元未提供机会让学生提出问题以指导探究或影响项目方向，这一缺点在多数其他单元中也普遍存在。尽管有些单元让学生有机会确定已知和未知，但这些想法并未实质性地引导探究过程。许多单元还侧重于信息收集，而非深入探究学生感兴趣的主题。

       5.2.4. 真实性

       所有八个单元在真实性方面均得分为2（需要进一步发展），表现出一致性。各单元均以现实世界的问题为核心，通常聚焦于当地社区。例如，一年级的《自己动手种蔬菜》！单元让学生探索通过建立社区花园来改善食物获取的途径，并提供机会让学生使用真实工具和材料参与实际任务。然而，尽管这些单元拥有强烈的现实背景，却往往未能与学生个人关注、兴趣和身份建立明确联系。在整个单元学习过程中，学生鲜有机会分享与感兴趣主题相关的个人经验，而即便是简短的个性化联系也能增强单元的真实性。

       5.2.5. 学生的意见和选择

      大多数课程单元在这一标准上得分为2（需要进一步发展），表明学习者在整个单元中表达意见和做出选择的机会有限。其中，五年级和八年级的两个单元得分为1（缺乏有效的PBI功能），显示出学生独立性不足，且即便是这些单元，也需要在学生独立活动前增加教师的指导。例如，五年级的《我们的水怎么了？》单元缺乏对工程挑战多解方案的探索，且包含大量对特定主题的直接指导，如教师播放的关于关键科学概念的幻灯片。随后，该单元要求学生建立附近湖泊及其污染物的比例模型，但指导主要来源于一个通用的在线课程计划，这些资源不足以支持学生在独立建模中取得成功。在其他单元中，学生的选择往往无关紧要，并未对其最终产品产生实质性影响。因此，课程单元需有意且系统地纳入学生的声音，并平衡学生自由与教师指导之间的关系，为学生独立工作做好准备。

       5.2.6. 深度反思

       整个单元在反思方面表现不一，其中三个单元得分为1（缺乏有效的PBI功能），其余五个单元得分为2（需要进一步发展）。这些单元中的反思大多仅停留在表面层面，且通常发生在一次活动或一节课之后。例如，在五年级的《当地河流泛滥》单元中，学生仅在洪水模拟实验后进行了一次反思，而反思的问题并未促使学生对知识有更深层次的理解。为了进一步加强各单元的反思环节，应在整个单元中提供一致的反思机会，并在单元结束后进行全面反思。此外，应引导学生反思他们的技能和理解是如何发展的，并思考他们的项目如何在课堂外得到应用。

      5.2.7. 批评和修正

     除两个单位外，其余均显示需进一步发展PBI设计标准。其中，一年级《自己动手种蔬菜！》单元因缺乏有效PBI功能得最低分1；而五年级《我们的水怎么了？》单元则因包含有效PBI功能获最高分3。各单元虽提供学生给予和接受同伴反馈的机会，但这些机会结构化不足，缺乏标题和明确评论标准，因此难以提升作业质量。部分单元如《自己动手种蔬菜！》过于依赖同伴反馈，未平衡同伴与教师反馈，导致PBI功能缺失，且修订过程不明，反馈未有效融入修订。一年级《我们互相依赖》单元存在类似问题，但包含同行、教师和专家反馈的多元过程。然而，预算设计仍需完善，因同伴反馈占比过高，修订过程薄弱。五年级《我们的水怎么了？》单元在批评与修订过程中表现最佳，反馈结构化且用于修改学生工作。为加强课程单元，应提供频繁、有组织的反馈机会，涵盖同龄人、教师和专家，针对内容知识和项目背景。同时，要求学生将反馈作为单元持续期间的迭代修订过程的一部分。

       5.2.8. 公开呈现

     在生产公共产品这一标准上，所有八个单位均获得高分，均得3分（具备有效的PBI特征）。以八年级《为什么化学在社区中很“重要”》单元为例，学生需研究社区内潜在的化学危害及其对人类和环境的不良影响。最终项目要求各小组以纪录片形式，在电影节上向城市领导人、环境工作组和社区倡导者展示调查结果，旨在提高公众意识并提出可能的解决方案，以减轻进一步的不利影响。为在课程单元中获得此标准的高分，学生的作品需公开并在课堂外展示，同时学生还需解释其选择的原因、调查过程、工作方法以及学习成果。八个单元均展现出了这些功能。

六、限制与启示

尽管这项研究为教师开发的课程单元中STEM整合和PBI质量提供了有价值的信息，但仍需考虑一些局限性。首先，内容分析仅能揭示记录中的内容，即单元计划中所写的内容。参与本研究的教师使用了特定的课程规划模板，因此可能受到模板内容限制的影响。这些教师可能拥有不同的课程设计愿景，并对模板内容有不同的解读，这与研究人员的理解可能存在差异。然而，由于这些单元的设计初衷是在教师间共享使用，我们不能假设所有使用这些课程单元的教师都能完全实现其隐含的设计意图。

      其次，这些教师开发的STEM PBI单元是在特定背景下完成的，因此在概括这些发现时需持谨慎态度。开发这些单元的教师拥有特定的背景和专业发展（PD）经验，旨在满足特定的州学术标准，并且由于COVID-19疫情，所有的PD和协作活动都在线上进行。因此，不同的PD计划、对不同学术标准的关注，或采用不同的合作方式，都可能导致课程单元的优势和劣势与本研究观察到的有所不同。该领域需要更多的研究来深入探索。

最后，使用两种现有工具进行课程单元分析，也带来了一些基于这些工具的局限性。一个关键点是，STEM-ICA工具将工程设计置于核心地位，而这并非当前研究课程开发的主要焦点，因此这些单元在工程为中心的标准上得分较低并不意外。此外，这两种工具采用了不同的评定量表：STEM-ICA使用五分量表，而PBI设计标准仅包含三个性能水平。值得注意的是，PBI规范缺乏总体评级来评估PBI设计的有效性，也没有提供评估单元整体质量的指南。许多单位得分处于标准的中间类别，使得使用PBI设计标准难以区分质量较低和较高的单位。尽管STEM-ICA的五分量表能更精细地检测各单位间的质量差异，但鲜有单位获得4分（最高评级），且整个单元中也未出现该评分。类似地，Guzey等人的研究也发现，其研究中的课程单元无一获得总分4分。

影响和未来研究

       本研究基于现有文献，通过综合STEM和PBI两个不同但相关的视角，评估了教师开发的课程单元质量。研究发现，这些课程单元在STEM和PBI方面的质量相对较弱，凸显了充足的专业发展（PD）和时间对于支持教师开发高质量STEM PBI课程的重要性。

       教师需获得支持，以发展批判性思维，分析并优化现有教材，减轻课程开发的时间负担。PD机会应聚焦于构建和维护单元故事情节，确保教学元素的连贯性。此外，本研究揭示了学术标准与STEM PBI教学之间的紧张关系，并提供了新的见解，即这种紧张关系也体现在教学规划和设计中。鉴于研究发生在未采用新一代科学标准或共同核心国家标准的州，未来研究应探讨学术标准如何影响教师开发的STEM PBI课程质量。

       研究还发现，小学课程单元普遍强于中学单元，提示需考虑小学和中学教师在课程开发上的不同需求。PD计划应针对教师的特定受众及其优势与需求。未来研究需进一步探索影响教师开发课程质量的因素，并考察教师开发课程的实施情况，无论是由开发者本人还是其他教师实施，以提供对课程计划与实施的深入洞察，并强调教师开发课程供他人使用的主要考虑因素。鉴于综合STEM和PBI对学生参与和深度学习的重要性，对融合这些框架的课程进行深入研究将对未来实践产生深远影响。