(1.东北师范大学，吉林长春;2.长春教育学院，吉林长春)
STEM教育中，学习者通过综合调用跨学科的知识提高解决问题的能力，有助于培养学习者的创造、交流和协作等重要技能。以教师为中心的传统学习环境未能完全发挥STEM教育的优势，而知识建构环境具有以学生为中心、支持学生知识建构的特点，为推广STEM教育带来契机。结合认知心理学、协同知识建构等理论，从生成机制、动力机制、输出机制和强化机制等四个角度，探究知识建构环境下STEM学习发生的内在机制，并采用准实验研究法，对学生学习行为表现、学习效率、作品成绩等知识建构活动进行定量和定性的作用效度分析。结果表明，实验组(知识建构环境)STEM项目完成表现、STEM产品设计及各项相关指标等均明显优于对照组(非知识建构环境)。利用知识建构环境进行STEM教学，有助于提升学生协作交流能力、问题解决能力和设计思维，促进学生深层次知识建构。
知识建构；STEM学习；内在机制；深度学习；课堂教学
一、引言培养创新型人才是各国人才发展的重要任务，STEM教育的产生与发展顺应了时代发展趋势。美国国家科学教师协会认为，STEM教育有助于培养21世纪的重要技能，如创造、交流、协作和设计技能，这些技能是当今解决紧迫的社会、经济和环境问题所急需的[1]。目前传统教育主要以培养学生应试教育能力为主，相应的学习环境、教学方法、配套资源等都为此服务。而STEM教育作为新的教育理念和教育思想，注重学生综合能力的培养，所以利用传统教学方式、学习环境等，不足以支持STEM教育优势的充分发挥。美国教育部于年发布的《技术促进STEM学习的9个维度与案例》中提出，利用协作工具支持学习者围绕STEM进行协作推理，使小组成员平等参与讨论，并帮助个人和小组改进他们的观点，能培养学生的科学探究能力[2]。Pei-JungLi等认为，在知识建构环境中学生能够通过持续交流想法来改进提高学生科学探究质量[3]；Hong等提出了知识建构环境有利于职前教师和在职教师的学习和专业发展的观点[4]；Gilbert等则认为知识建构环境能提高学生的思维和学习技能(即交流、创造、批判和协作技能)以及提高他们的社会学习能力[5]；周东岱等则构建了基于知识建构的STEM教学模式，并认为该模式能显著提升学生的知识建构水平和STEM素养水平[6]；李海峰等提出知识建构是知识的社会性协商和共建过程，有助于提升学习绩效[7]。因此，本研究提出知识建构环境有利于STEM学习的假设，在调研STEM环境有效性因素的基础上，阐述知识建构环境的特点，并基于认知心理学、协同知识建构等理论，设计了STEM学习内在机制，在大学课堂中进行实证研究以验证假设。
二、STEM学习环境(一)影响STEM学习环境有效性的因素根据教育传播理论，合理的学习环境应该包含很多因素，如硬件设施良好、隐性知识丰富、支持教师教学、支持以学生为中心、促进学生交流等，它们同样适用于STEM学习环境。
STEM方法的主要特征之一是它与生俱来的整合性，即STEM教育是跨学科或多学科的，需支持多种教学法。从更深的意义上讲，这还意味着一种创新的方法，它不仅可以整合多个学科，还可以将其他教学因素(例如态度、动机、信念和更高层次的认知技能等)整合到内容知识的创造性使用中。为此，国内外皆提出了多种面向设计和基于项目的集成STEM指导方法。例如，Kelley等提出了STEM教育的概念框架，其中包括科学探究、技术素养、数学思维和工程设计等四个要素，其中工程设计扮演主要角色[8]。杨彦*等提出了基于整体设计的STEM教学法，能有效整合各年级的STEM教育活动，提升学习活动的科学性以及促进学习结果的迁移[9]。张屹等探究了基于设计的STEM教学法，认为其能提升学生工程设计能力、问题解决能力以及跨学科学习的能力[10]。姜强等通过基于问题的教学方法并提供脚手架支持STEM活动，有助于学生高阶思维的提升[11]。首新等利用文化—历史观的方法构建STEM教学模式，开展STEM教学，有利于学生STEM技能的提高尤其是高层次STEM技能的提高[12]。因此，有效的STEM学习环境应该在不同的STEM教学法下都能支持学生的有效学习。
有效的STEM教育需要以学习者为中心的环境，让学生积极、建设性地学习跨学科知识。Cornelius-White认为积极的学习成果与以学习者为中心的环境以及良好的师生关系有关[13]。与杜威的“以学生为中心，重视实践活动中的体验式教学”教育思维一致，Deslauriers等在STEM课程中的研究还表明，以学生为中心的方法与学习者参与之间存在积极联系[14]。Cantrell等认为有效的STEM学习环境必须使学生能够从第一手经验中学习[15]。但是，Walter等对来自高等院校教师的一项调查显示，62%的STEM相关学科教学采用集体授课的方式，较少使用以学生为中心的学习方法[16]，Hurtado等从另一项对所高校的调查中也证实了这一发现[17]。由此可见，培育以学生为中心的STEM学习环境仍然是一个巨大的挑战，尤其是在高等教育环境中。
学习者之间的协作交流对于有效的STEM学习环境至关重要。Wilson等研究发现，同伴主导的协作学习是STEM教育中的一种常见做法[18]。Gasiewski等认为通过有意义的结构化协作可以提高学习参与度[19]。因此，有效的STEM学习环境应能提供学习社区以支持学生协作解决跨学科问题，培养学习者的高阶思维能力。
综上所述，有效的STEM学习环境应支持综合的跨学科知识，允许学生从事基于设计或项目的任务，营造以学生为中心的学习氛围，促进体验式学习并鼓励同伴互动和协作。一个以集体智慧为中心的知识建构学习环境应运而生，支持学生协作建构知识，通过思想碰撞实现创新思考解决问题。
(二)支持STEM学习的知识建构环境Scardamalia等将知识建构环境定义为一个物理、虚拟或混合的空间，在该空间中，学习者能够产生并改进新思想以共同促进知识建构[20]。知识建构环境以学生为中心，具有开放、协同共建和自主进化的特点，既可以强化自组织学习方式，又能发挥集体智慧，以实现知识动态建构。知识建构环境主要包括集体智慧、社区发展和承担认知等三个维度。其中，以集体智慧为中心的知识建构环境重视与问题相关想法的持续产生、发展和改进，使学生能够在混乱和多样性中辨别复杂理念、学习综合理念，并通过整合和扩展STEM知识，对所解决的问题有更深的理解；在社区发展方面，知识建构环境支持学习者在社区中协作交流、观点整合、分组工作，以实现集体智慧的提升。所有成员都被视为合法的知识贡献者，而不是被分为有知识者与无知识者，或创新者与非创新者。同时，鼓励团体以增进集体知识为荣，通过评估和整合成员在当前知识问题上的不同优势培养分布式专业知识，促进基于小组的跨学科学习，这在STEM教育中非常重要；关于承担认知，知识建构环境强调社区成员通过行使知识代理权来承担知识领导者角色的重要性，鼓励学习者在设定目标、管理知识和制定策略时具有元认知和动机积极性。他们不仅要提出想法并与同伴分享，还应积极参与社区知识讨论，以帮助小组实现最终知识目标。为了提高知识水平，学习者不仅需要了解社区中当前的知识状态，还需以建设性方式扩展自己的知识。简而言之，学习者需要成为自主的认知主体，能够与其他学员一起达成目标、解决问题，个人学习成果被认为是集体努力的副产品。
三、知识建构环境下STEM学习发生的内在机制在知识建构环境下，本研究结合皮亚杰认知心理学、协同知识建构等理论，从生成机制、动力机制、输出机制和强化机制等四个角度研究STEM学习发生的内在机制(如图1所示)。其中，生成机制是STEM学习发生的前提基础，动力机制可促进STEM学习有效进行，输出机制是助力达成STEM学习目标的重要途径，强化机制是STEM学习可持续发展的阶梯。当一轮强化结束后，学习会重新触发生成机制，开始下一轮的STEM学习。
图1STEM学习发生的内在机制
(一)STEM学习发生的生成机制STEM学习发生的生成机制主要包括知识生成和心理态度两个因素。
1.知识生成
知识生成是指学习者在学习过程中通过联结新旧知识进行知识建构，从而达到知识掌握和同化的认知层次。知识掌握是指学习者对知识内容的接受程度，主要包括知识领会、知识巩固和知识应用三个阶段，分别指学习者了解知识的基本概念信息，能长期记忆、重拾已领会知识，以及利用知识解决相关问题。同化是皮亚杰认知心理学中的一个概念，指学习者将新掌握的知识材料添加到自身知识体系中，丰富和拓展学习者的知识库，未对知识体系结构做出改变，而是引起学习者知识量的变化。在STEM学习开始之前，要求学生掌握一定的完成STEM项目所需的跨学科知识，通过教师课上讲授和学生课下自主建构实现。学生通过学习领会知识，将所学知识同化到自己原有的知识体系中，新旧知识联结并能形成自己的问题解决方案。
2.心理态度
STEM学习通常采用合作学习的方式开展学习任务。对于一些内向或不善言辞的学生来说，合作学习产生的小组交流会使他们感到困难，他们会因为害怕说错而不敢说话，给学习带来负面作用。因此，在学习正式开始前，应该让学生了解合作交流是容易的。知识建构环境支持学习者在知识建构平台中采用匿名的方式发言，学习者不会因发言错误而焦虑，他们可以随时发表自己的观点，促进学习任务高质量完成。
(二)STEM学习发生的动力机制动力机制是指通过鼓励学习者进行良性竞争和小组协作，保障STEM学习的效果、效率和效益，使学生维持态度积极、行为高效的学习状态。
1.竞争
“高尚的竞争是一切卓越才能的源泉。”这种竞争一定是良性、正向的。STEM学习过程的竞争分为组间竞争和组内竞争，其中组间竞争是主要的学习动力来源。在STEM学习过程中会对小组项目成品进行公开评价打分，通过对比形成竞争。知识建构环境具有开放共享的特点，支持查看、评论组间不同成员的观点和方案，当发现对方更优秀时，学生就会产生压力，进而将压力化为学习的动力。组内竞争表现为每一位成员都希望自己的观点和方案能被小组接受，成员之间存在竞争就需要学生不断改进观点，优化方案，使之成为最优解，促进小组集体智慧的增长。
2.协作
有效的小组协作，可以提高学生的协作交流能力和知识建构能力。协作要求协调多位成员为共同完成同一目标而努力。在STEM学习中，协作促进学生产生学习动力主要通过小组交流和小组分工实现。知识建构环境强调集体智慧的重要性，所有成员都是知识的贡献者，并以增进集体知识为荣。当学习者为了一个问题不断辩论、修正得出新答案，并为新的答案再次辩论并达成一致时，集体智慧就得到了增长。学生也会因为贡献观点而感受到自身的价值，产生继续学习的动力。同时，通过小组分工，让学生承担自己的责任，可有效减少学生的学习依赖现象，当考虑到个人任务未完成会导致小组进度减缓时学生就会产生学习动力，积极完成任务。
(三)STEM学习发生的输出机制STEM学习发生的输出机制是学习目标顺利达成的重要途径。通常，STEM学习通过人工制品判断学习者的认知思维；通过实际产品，判断小组的知识掌握情况。
1.人工制品
人工制品是学习者的思维可视化产品，将抽象内容具体化的图形产品。通过获取同伴知识和对手信息，帮助学习者理清自身逻辑，实现知识建构，加快完成小组任务。人工制品的实现要求学生达到皮亚杰顺应的心理认知水平。顺应是指学习者在同化过程之后，为了适应新的环境场合，必须重新编辑、整合知识，调整现有的知识结构。在这一过程中，学习者的知识结构会发生质的变化，主要通过协同建构实现。通过小组成员多方辩解、沟通和改进使想法达成一致，在这一过程中有学习者会显现承担认知代理的能力，整合所有观点，形成统一的问题解决方案，形成人工制品。
2.实际产品
输出实际产品要求学生能将内化的STEM技能转化为外显的产品，也就是达到综合创新的认知层次。综合不是简单地将各部分重新组合，而是将研究对象的各个部分、层次、结构和原理等重新进行联结，对事物达成新的整体认识。创新是指利用新的方式方法，对现有事物的创造性改进并取得一定成效。从学生的产品可以判断出学生在整个STEM学习过程中是否掌握了相关技能以及是否具备创新能力。
(四)STEM学习发生的强化机制斯金纳的强化理论认为，强化是一种能控制学习者行为的变量。通过给予学习者一种外部刺激，引发学习者的正强化，提高学习者的学习能力。强化机制会强化学习者的元认知，促进学生能力发展；支持学习者的能力迁移，使学生超越自身最近发展区，让整个STEM教学有效并持续进行。
1.元认知强化
元认知是一种过程，是学习者对自身认知的监控与调节，同时也是一种知识实体，是对自身“认知”的认知。通过评价和反思可以帮助学生发现存在的问题，并促进学习者元认知能力的提升。STEM学习中采用多元化的评价方式对整个学习过程、学习效果进行评价，既包括教师评价，也包括小组互评、组内互评等。反思包括认知反思(与任务相关的反思)和社会反思(与任务不相关的反思)。认知反思是通过对照其他人的成果，反思个人的学习成效，并对方案、产品做进一步的修改；社会反思是学生对整个小组协作交流的过程进行反思，提高自身协作交流能力。所有评价反思都是为了促进学生能力进一步提升。
2.超越最近发展区
维果斯基认为学生的发展有两种水平，一种是学生当前的认知水平，另一种是学生有潜力达到的认知水平，中间的差异就是最近发展区，而学习的目的就是要超越当前最近发展区，进入下一个最近发展区，可以通过迁移来实现。迁移是以认知结构为中介进行的，先前学习所获得的新经验，通过影响原有认知结构的有关特征影响新学习。迁移代表学习者对所学知识的掌握，同时代表学习者的能力更进一步，以进入下一阶段的STEM项目学习，跳转到下一个最近发展区，并再次经历STEM学习的内在机制，如此循环往复、螺旋上升，从而提升学生STEM学习能力。
四、实证研究(一)研究设计1.研究目的及问题
研究目的是探究知识建构环境下STEM学习发生的内在机制及其作用效度。研究问题有：
(1)知识建构环境下STEM学习行为表现怎样？
(2)STEM学习发生的内在机制对学习效果有何影响？
(3)学生对支持STEM学习的知识建构环境认同感如何？
2.研究对象
研究对象是没有正式参加过STEM学习的某高校教育技术学专业32名本科学生，采用准实验研究法，分配实验组(知识建构环境)和对照组(非知识建构环境)各4组，每组4人。
(二)教学设计本研究以STEM项目“纸桥搭建”为例进行教学设计，开展为期4周的实验。
1.课程活动
课程活动主要包括面对面学习活动和在线学习活动。在课堂中的面对面活动主要包括教师讲授、学生小组合作完成STEM作品创建、展示和评价等。在线活动为学生自主学习网上资源，进行个人知识建构。
2.课程要求
学生在参与教学活动过程中，要求实验组学生使用知识建构环境及其工具访问、交换和集成信息，完成方案制作，运用数学思维来发现问题，分析潜在结构并构建制作方案，设计最终产品。
3.实施过程
根据STEM学习发生的内在机制将实验环节划分为知识生成、协同构建、产品输出和评价反思四个阶段。在知识生成阶段，由教师提供纸桥搭建相关学习材料，学生进行时长30分钟的自主学习。学生根据掌握的知识完成教师提供的学习任务单，形成个人方案，实现知识掌握和外部同化。在协同构建阶段，学生形成4人小组，互相修改、讨论彼此的方案，最终达成一致，形成统一的纸桥搭建方案，实现外部顺应。在产品输出阶段，要求学生以小组为单位制作出一个完整的纸桥作品，并讲解其制作原理以达到综合创造的认知水平。在评价反思阶段，对纸桥进行称重实验，并由教师根据量表进行打分。最后学生根据评价结果进行反思，重新修改方案设计，实现元认知能力的提升。
4.实验环境
在实施过程中，实验组学生的互动协作利用知识建构工具WiseMapping开展学习。在WiseMapping中，学生可以添加节点、注释、关系、链接、共享等功能构建动态知识图谱(如图2所示)。关于知识建构环境详细介绍请参见面向深度学习的课堂教学结构化变革研究之一“变革与新生：基于众包的自组织协同知识建构研究”[21]。
图2动态知识图谱
(三)研究结果与分析1.知识建构环境下STEM学习行为表现分析
知识建构环境下，学习者通过组内、组间节点交互，进行观点改进、增强集体智慧，促进社区知识发展；通过节点关系整合，承担认知代理。表1列出了学生在WiseMapping中的学习行为表现(以小组作为分析单位)，共建立了个节点，平均每个参与者48.38个。其中，学生单独创建节点个，平均每人34.81个，组内协作共建节点个，平均每组54.25个，每位同学平均13.56个，其所达到的内部认知为外部同化。组内观点交互56次，组间评价节点55次，组内交互和组间交互行为促使外部顺应心理的达成。节点之间利用关系功能形成联系73次，小组成员通过整合节点之间的关系来综合小组的观点，即主动承担认知代理。总体而言，通过上述学习活动记录显示，学生自我建构比协同建构更积极，同时有学生愿意承担认知责任，整合小组观点，在此课程中互动是真正存在的。
表1知识建构环境下STEM学习行为表现
2.STEM学习效果分析
(1)STEM学习效率分析
本研究采用曼惠特尼U检验分析方法，针对实验组和对照组协同建构环节、产品输出环节的学习持续时长(单位：分钟)分析环境对学习效率的影响，统计结果如表2所示。
表2曼惠特尼U检验分析学习效率
注：**代表P0.01。
从表2中可以看出，两组学生在协同建构时长和产品输出时长上存在显著差异。在协同建构环节，实验组所用时长大于对照组。而在产品输出阶段，对照组所用时长大于实验组。这种现象是因为知识建构环境有利于学生发表自己的想法，相比较传统的学习环境，网络中的匿名发言会使学习者感到安全并愿意发言。因此，实验组学生在达到外部顺应的认知过程中，会用更多的时间进行观点的探讨和改进，以此形成的一致方案综合了更多的观点智慧，考虑问题也更加细致。同时，可视化知识图谱使整合的观点逻辑清晰、步骤明确，因而会在产品输出阶段花费较少的时间。
(2)STEM作品成绩分析
在作品展示阶段，其中①—④号为实验组作品，⑤—⑧号为对照组作品，如图3所示。在砝码称重评价中，所有小组的作品皆没有坍塌现象，学生产品质量得以保证。由小组派出成员代表，对纸桥搭建原理、方法、分工和思路来源等进行逐一讲解，展示预期效果图，并和实际产品进行对比，说明存在差异的原因。
图3STEM学习作品：纸桥
在评分阶段，根据Besemer等的创意产品分析矩阵[22](CPAM)，并结合本案例的实际情况进行更改，采用新颖性、解决性、精致和综合三个大维度，创意、价值、迁移度、方案完成度和外观五个子维度对小组的纸桥作品进行打分(满分分)。为了消除差异，预先由两名研究者随机挑选四个作品进行打分，一致性为0.78。然后再对意见不一致的评分再次讨论，以达成%的共识。
从作品的各项指标得分情况中可以看出(如表3所示)，实验组与对照组的学生作品在各个维度都有一定差距，其中外观维度差距最大、方案完成维度次之、创意维度最小。在产品制作上，实验组更