杨开城 窦玲玉 公平
[摘 要] 专业素养是专业能力所蕴含的专业知识、思维方式和价值观。教师核心专业能力是一种被称为基于设计的行动力的综合能力，并非PACK的运用能力，因为PACK不是知识论意义上的知识。基于设计的行动力所蕴含的教师专业素养可以区分为学科素养和设计素养。学科素养蕴含在课程之中，通过课程分析可以使之清晰化;设计素养蕴含在技术性教学设计理论之中。以STEM课程“抓住风：设计风车”为例，STEM教师的学科素养包括掌握课程包含的S.T.E.M.学科知识、能利用课程提供的材料制定一款特定功能的风车、能独立完成不同材料捕捉风能的单因素实验、身体力行地传递科学精神。以“以学习活动为中心的教学设计理论”为例，STEM教师的设计素养包括能基于教学设计的基本观念思考教学设计;能运用知识建模进行学习内容分析，并用“（知识点，学习水平）”方式陈述学习目标;能结合实情和知识建模图组块确立任务类型，并将它们具体化为师生交互过程;拥有足够的FC知识（Facts and Cases），并能够设计新的FC知识;能结合实情和动力设计模型提升教学方案的质量水平;能结合经验设计探究学习的学习支架。
[关键词] 专业素养; STEM教师; 基于设计的行动力; 学科素养; 设计素养
一、教师的专业性和专业素养
专业教师与非专业教师到底哪里不同，是专业教师更有经验吗？非也。我们可以用经验水平区分新手教师与专家教师，但不能用它判断一位教师是否是专业教师。根据利伯曼提出的专业标准，专业的核心要件是围绕专业技术组织起来的专业知识[1]，因此，我们可以说，专业教师与非专业教师的差异就在于专业教师掌握了特定的专业知识（进而表现出专业能力、专业意识和价值观，并获得了社会认可的专业权力）。但学界普遍认为PACK或TPACK（后文只提及PACK）是教师的专业知识。言下之意，非专业教师只要掌握PACK，就可以成为专业教师了。可问题是，PACK是知识吗？很明显，从描述方式上看，PACK绝不是知识论或认识论意义上的知识，它没有真值，与真伪无关。PACK不是真伪意义上的知识，它自然不会有什幺解释力，或者被用于解决什幺问题。从内容上看，PACK属于行动规范，教师可以“按照”它行动。学界也存在大量“准实验”研究试图检验PACK的有效性。而实质上，“准实验”的结论并不科学，也不可靠，它们检验的只是PACK的可行性，而非有效性。也就是说，即使“按照”PACK行动，其教学效果也很难保证。既然PACK不是知识，而是行动规范，这种行动规范的功能又是可疑的，教师为何在课堂上要“按照”PACK行动，难道是为了符合与教学目标没有直接关联的PACK，教学难道不是为了达到教学目标吗？
此外，学界又认为PACK具有默会性质[2]，它属于实践的“隐性知识”，无法清晰地对应行动过程。严格来说，我们没有客观标准来判定一个教学过程是否符合某个PACK。既然如此，就只能依赖学生成绩判断。只要学生成绩好，就说明教师掌握了PACK，至于具体的教学过程到底发生了什幺，似乎并不重要。这无疑将专业教师等同于“有经验教师”（前文已经否定了这个判断）。而且，将这种所谓的默会知识作为教师专业知识，又如何实现在他者眼光注视下的专业成长呢？他者除了表达某种不满或遗憾，对于专业水平有待提升的教师有什幺帮助？尽管具有话语权者可以将PACK当作知识让教师去学习，但这种强制权力最终会使得“符合PACK的教学过程”成了目的。把手段当成了目的，会导致一种教师专业成长的异化。
如果教师专业知识不是PACK，那幺教师专业知识是什幺？当然，一位教师越是通晓哲学、心理学、经济学、社会学、管理学等人文社会科学领域的知识就越好，但这些知识只是教师职业的背景知识。我们讨论的教师专业知识是与教学有直接关联的、在某种程度上独属于教师的知识。如果这种知识真的存在，它必然对应某种运用领域，我们称之为教师的专业领域。教师的专业领域在哪里，是教学活动过程吗？PACK聚焦教学活动过程。依照前文，这是失败的尝试。如果我们将视野扩大一些，将教师的工作从教学活动中暂时移开，我们便会发现，教学活动之前和之后的工作对于教师同样重要，而这两个同样重要的工作所对应的知识和技术却被长期忽视。
教学活动之前的教师工作是教学设计，教学活动之后的教师工作是教学系统分析与反思。与教学包含无法概念化的学生个体以及教师个体（因而无法从中提取知识）不同，教学设计与教学系统分析与反思工作面对的是客观的信息，完全可以提取出知识。目前，这两个领域所对应的知识分别是教学设计技术与教学系统分析技术。由于教学系统分析技术目前太过复杂，暂时无法成为教师的日常工作，本文不加讨论。这里想强调的是，教学设计工作可以成为教学设计技术的应用领域。而我们可以认为专业教师与非专业教师的区别就是专业教师掌握了教学设计技术，并且应用这项技术进行日常教学设计工作，而不是说专业教师的教学过程具有某种模式特征，或者体现了某种教学法。我们知道，教学设计既可以是仅凭经验的，也可以是经验结合设计技术的方式，因此，我们将仅凭经验进行教学设计的教师看作是非专业教师，而应用设计技术进行教学设计的教师看作是专业教师，这是可以接受的。
这里的教学设计能力是教学设计技术的应用能力，而教学设计技术是一种技术知识，一种显性的、功能明确的且可被重复检验的知识。这种知识的传递以及相应的能力生成过程也不会像PACK那样隐性神秘，而是一个显性的、外在的训练过程。这使得非专业教师成长为专业教师有路可循，而且成本可控。
那幺，教师教学设计技术的应用能力就是教师的专业能力吗？仍不准确。因为教师的主业不是教学设计而是教学，只不过教学需要经过深思熟虑的理性设计。所以，教师的专业能力并不是单纯的教学设计能力。教师的教学设计是为了教学行动，教学的设计与行动本就是一体。精心设计教学方案、通过教学过程执行该方案并机智处理现场状况，这是教师的本真职业状态。因此，我们把设计与行动融为一体的教师职业能力称为基于设计的行动力[3]。这个能力就是教师的专业能力，它又可称为基于行动的设计力。这项专业能力体现着教师教学知行合一的水平。
如果承认基于设计的行动力是教师的专业能力，那幺我们便可以将这项综合能力所蕴含的知识、思维方式与价值观看作是教师的专业素养。也就是说，非专业教师由于习得了相应的知识并将它们转化为真实的基于设计的行动力，在这个过程中养成了特定的思维方式，生成并固化了特定的价值观，那幺他就成长为专业教师了。基于设计的行动力的实质就是懂学科、会设计、能行动。因此，我们可以将教师的专业素养拆解为两个侧面，一个侧面是教师的学科素养，另一个侧面是教师的设计素养。当然这两个素养密切关联并表现在行动中。这里的学科素养并非单指知晓特定学科知识的语义，而是指在教学情境下对特定学科知识的理解①与运用能力以及相应的意识、习惯和价值观;这里的设计素养是指基于特定学科的教学设计的知识、能力、意识、习惯和价值观。
近年来，国内STEM教育研究方兴未艾。在众多研究课题中，STEM教师的专业发展问题一直是一个焦点，而STEM教师的专业素养问题是解决STEM教师专业发展问题的基础。“新思维能力、跨学科能力、创新能力、连通能力”[4]等泛泛的能力“大词”并不适合用来描述STEM教师的专业素养，更无法指引STEM教师的专业培训活动的展开。我们需要确定STEM教师专业素养的具体内容。
二、STEM教师的学科素养
STEM教师需要掌握哪些学科知识呢，难道是所有这四类学科的全部K-12学段（甚至包含一部分本科阶段）的知识？当然不是。我们很难将STEM教师想象成四类学科教师的高级复合体！那幺我们如何确定STEM教师学科素养的具体内容呢？可以肯定的是，仅从STEM教育理念出发，我们是无法确定STEM专业教师的学科素养的。要想确立STEM教师的学科素养，必须依赖对STEM课程的课程分析。
道理很简单。STEM教育不可能由STEM教师仅凭借经验和对STEM价值理念的理解就能实现。越是超越的教育价值、越是高阶的教育追求，就越需要将特定的课程作为教育实践的基础，当然也需要特定的教师。STEM教育需要STEM课程。而STEM教师的核心任务就是实施STEM课程，将STEM课程中的教育价值转化为学生的成长。因此，我们可以断言，STEM教育对STEM教师的学科素养的要求全部蕴含在相应的STEM课程之中了。课程是一种旨在实现特定教育价值的规定，STEM课程自然也就是一种实现STEM教育价值的各种具体规定。如果我们能从这些规定中感知到对STEM教师学科知识、能力、意识和价值观的要求，我们便知道了STEM教师的学科素养。所以，STEM课程是识别STEM教师学科素养唯一合法的数据源。这并不是说，STEM课程直接规定了STEM教师的学科素养，而是说，我们需要通过课程分析从STEM课程中鉴别出STEM教师学科素养。通过课程分析，我们便清楚STEM课程中“有什幺”，由此推断这个STEM课程需要STEM教师具备什幺样的学科素养——针对具体内容的学科知识，教师无障碍地能说、能做些什幺。
下面我们以某公司的一门STEM课程——“抓住风：设计风车”为例，讨论如何通过课程分析鉴别出STEM教师的学科素养。其基本思路是，先搞清楚一个STEM课程里有什幺（具体的规定），然后再基于教师实施该课程时的基本任务分析出STEM教师学科素养的具体内容。
1. STEM课程里面有什幺
课程作为一种服务于教育的知识产品，其首要属性就是它的目标。课程必须规定它的目标，还须规定达到这个目标的“手段”，包括所选择的知识、所设定的教学过程以及可能用到的资源。对于STEM课程来说，它的特异性就在于它还须规定STEM主题任务以及完成主题任务所需要的工具材料。我们可以阅读课程材料来获得这些信息。如果STEM课程是应用课程开发和教学设计技术生成的，那幺设计过程的文档材料是获得这些信息的便捷来源。
（1）课程目标、主题任务与知识内容
课程目标是指课程旨在生成和强化的能力和价值观。“抓住风：设计风车”STEM课程的能力总目标是：学生能够运用与风能有关的物理学知识、材料的物理属性知识、风车的基本构成知识以及关于“角”的知识，按照工程设计的要求，创制利用风能做功的装置;它的价值观目标主要是指科学精神，包括基于事实、理性证伪、平等沟通、精准预测，等等。主题任务是指为达成特定课程目标，学生需要完成的工程设计作品或其他事务。“抓住风：设计风车”STEM课程的主题任务是要求学生制作和改进一款风车，该风车必须具有一定的输出功率。为达成特定的课程能力目标，课程必然包含特定的知识内容，这些知识是学生理解和完成主题任务的智识工具。在课程实施过程中，学生需要习得和运用这些知识来理解和克服所面对的挑战、解释特定作品的功能原理。为了直观快捷地把握课程所蕴含的这些知识内容，我们常常把它们绘制成知识网络图。对于“抓住风：设计风车”STEM课程来说，我们用知识建模图（如图1所示）来表示该STEM课程模块的知识内容。
（2）基本行动过程
由于该STEM课程产品是按照以学习活动为中心的教学设计（Learning-Activity-Centered Instructional Design，LACID）理论[5]设计的，因此，它提供了教学详案，预设了教学交互的细节，此外还规定了课前准备工作以及一些教学提示。但这也导致课程过程的信息量巨大、信息太过琐碎，不利于我们的分析工作。我们需要将课程信息进行压缩简化，既去掉某些琐碎的细节，又保留课程的核心信息。这里我们选择用教学过程机制图[6]来表征课程的全部教学过程。
整个课程由6节40分钟的课组成，每节课都是一个学习活动序列，每个学习活动都是一个活动任务序列，每个任务都表现为一系列师生交互。如果我们将每个任务看作一个教学环节，将它画成教学过程机制图，那幺整个课程的教学过程就表现为一个教学过程机制图序列。
教学过程机制图的绘制过程也很简单：第一步，将师生交互行为进行行为编码，说清楚行为主体的角色与行为类型;第二步，将设计该任务时所选择的知识组块作为环节的主题图;第三步，添加任务描述（设计意图）、角色行为统计和具体的行为序列。表1是“抓住风：设计风车”STEM课程第一节课第一个任务的附带行为编码的部分交互设计表，图2是第一节课的教学过程机制图，它包含两个任务（也就是两个环节）。
（3）媒体资源与工具材料
由于STEM课程产品包含教学详案，因此，提供了可直接使用的媒体资源以及各种学生学习、创制作品所需要的工具材料，如不同硬度的卡片、泡沫球、螺丝母（被当作砝码）、铝箔、毛毡，等等。
2. STEM教师的学科素养包含什幺
STEM教师的基本任务就是课程实施，包含两个方面：传递课程和调适课程。调适课程涉及STEM教师的设计素养，这放到后文讨论。传递课程是指STEM教师不但要表现出课程规定的行动，还要创生一些行动，具体包括知识传递（解释、演示、提问与回答）、引导发现（实验与试验中的指导与排错、现象的解释与归因）、工程设计作品的设计与制作、课前工具材料的预加工、增加学生的认知投入而不仅仅是行为投入（让学生敢想敢说敢争论、巧妙提问和追问）、让尽量多的学生参与（打破固有的权力空间分布、巧妙分组、鼓励奇思妙想、花时间等待更多学生回应、引导活跃水平低的学生主动参与小组活动、设置答疑环节）等。
要能完成上述传递课程的工作，结合上述课程分析的结果，我们可以判断STEM教师在实施“抓住风：设计风车”这门课时应该具备的学科素养。
（1）掌握S.T.E.M.学科知识
STEM教师当然需要掌握S.T.E.M.学科知识，但这种掌握绝非学术意义上或者应考意义上的掌握，而是从学生的视角、学生学习的尺度上的掌握（如更适合学生接受的知识描述方式、常见的误解等），包括正式的学科知识以及STEM课程的工具材料的物理化学特征以及技术功能。虽然有些材料的物理化学特征很直观（如材料的硬度、强度），但仍有一些材料的物理化学特征以及某些部件的技术功能需要教师专门观察和学习。
“抓住风：设计风车”STEM课程所涉及的S.T.E.M.知识完全反映在图1所示的知识建模图中了。
（2）能独立完成工程设计作品
STEM教师必须能够独立地遵循工程设计过程、创制过特定功能的工程设计作品，能解释其功能原理，能排除常见的故障。只有这样，STEM教师才能体会学生在创制作品时可能遭遇的困境和麻烦，才能及时给予帮助和引导。
“抓住风：设计风车”STEM课程要求STEM教师必须能够利用课程提供的材料和自备的材料独立制作一款风车，并能够根据材料特性和相应的知识将风车调整到功能最好的状态。
（3）能独立完成特定的科学实验
STEM课程包含一些学生自主探索或者师生共同探索的科学实验，因此，STEM教师必须能独立完成这些实验，并能够解释遇到的实验现象和数据，能够快速有效地控制实验条件。只有如此，STEM教师才能够在学生遭遇探索困境时正确诊断、正确引导以及提供直接的帮助。
“抓住风：设计风车”STEM课程要求STEM教师能够独立完成不同材料捕捉风能的单因素科学实验，并能够根据实际条件控制船帆导轨的平滑性，减少导轨对实验数据的影响。
（4）具备科学家与工程师意识，身体力行地传递科学精神
STEM教师与其他教师不同的地方之一就是思维习惯。STEM教师常常以科学家和工程师自居，明显表现出好奇心、对新现象敏感，尊重新解释，勇于质疑，区分事实与观点，喜欢奇思妙想，重视设计，讲求规范，用知识思考设计，等等。当然，这种意识是长期自我修炼的结果。但没有这种意识，课堂教学中学生便很难得到科学精神的熏陶。其实，科学精神是一种超越性精神，一种很美好的精神。科学发现与技术发明是一种重要的精神生活。
三、STEM教师的设计素养
很多STEM教育价值（如创中学、问题解决、协作探索、目标—手段一致性、学生参与度、媒体多元性、STEM整合度等）已经嵌入课程产品中，但教师的工作并非机械地传递课程信息，而是需要根据自己面对的实情以个性化的方式“接力”完成教育价值的落实。因此，STEM教师在实施课程时的另一个重要工作是调适课程。它需要STEM教师对课程产品的终端环节进行适应性改编（如交互过程、知识和现象的新解释、新例子、提供更合适的学习支架，甚至生成更合适的新作品），生成个性化的教学方案。由于STEM教师调适课程时不能降低原有课程的质量指标，因此，STEM教师必须理解原有课程的设计过程，并掌握相应的教学设计技术，否则无法完成这个“接力”工作。其实无论如何，教师都会参与教育系统的设计。这里的教育系统是一种抽象的多层次信息网络系统，它由一系列课程系统组成，课程系统由一系列教学系统组成[7]。教师必然参与教学系统的设计，并通过行动将整个教育系统由设计态转变成运行态。因此，务实的课程开发会给教师预留这个设计空间。这个教师自觉的设计空间被称之为课程的教师自由度[8]。
当然，STEM教师必须具备相应的STEM学科素养之后，才可能真实掌握某种教学设计技术。但教学设计技术是相对独立的知识。以LACID理论为例，STEM教师的设计素养包括：
1. 能基于教学设计的基本观念思考教学设计
这些观念涉及对知识、学习、学生以及教学的基本立场和看法，是统合哲学、心理学、社会学等学科理论的结果。如LACID主张“知识是意义、过程和价值的综合体”“学习是个体建构与群体建构的辩证统一”“学生是天然的主体”“教学是一种促使学习者从他主、他导、他律向自主、自导、自律转移的过程”等观念。这些观念可能直接对应着某些设计决策或者为决策提供依据。当STEM教师能够利用这些观念为自己的设计提供辩护时，就说明教师能够用这些观念思考了。
2. 能运用知识建模进行学习内容分析，并用“（知识点，学习水平）”方式陈述学习目标
知识建模技术是LACID提供的学习内容分析技术。所谓知识建模是指按照特定规范绘制知识网络图的过程。这个规范被称为知识建模规范。所绘制的知识网络图被称为知识建模图。知识建模是清晰化学习内容的重要手段，也是后续活动任务设计的数据基础。
学习目标包含两个信息：一是学习什幺，二是学到什幺水平。前者是指具体的知识点，这些知识点可以在知识建模图中找到。后者被区分为两个水平：理解和运用。“（知识点，学习水平）”的学习目标表征方式有别于自然语言的方式，很形式化，但可以降低沟通成本。最重要的是，采用这种表征方式后，学习目标便可以明晰地被逐层分配到活动和任务之中，以便确保教学方案的目标—手段一致性。
3. 能结合实情和知识建模图组块确立任务类型，并将它们具体化为师生交互过程
任何知识点都处在知识网络之中。目标知识点的学习依赖于这个知识点的类型以及与其他先决知识点之间的关系。这组包含目标知识点及其先决知识点的知识点集合在知识建模图中表现为一个子图，这个子图被称为知识组块。知识组块的结构特征决定了可用的学习策略。这里的学习策略被称为任务类型。LACID一共区分6类意义建构类任务和4类能力生成类任务。意义建构类任务的选择可以依据一个组块特征与任务类型对应表进行;能力生成类任务的设计依赖特定的FC知识（Facts and Cases），FC知识是指特定学科的事实和范例知识。
4. 拥有足够的FC知识，并能够运用知识网络图变形法来设计FC知识
FC知识是知识建模规范中非常重要的一类知识，包括课堂提问（Questions）、问题（Problems）、项目、案例、现象、论证过程、计算推理过程，等等。FC知识是其他知识的典型运用过程。在某种程度上说，FC知识的量是教师学科素养的高低标志。但FC知识是可以设计的，所以，它既属于教师的学科素养，也属于教师的设计素养。教师通过设计而拥有的FC知识越多，他就越有可能有针对性地设计教学以适应学生个体差异。知识网络图变形法可以用于FC知识的设计。
5. 能结合实情和动力设计模型提升教学方案的质量水平
教师在设计任务和师生交互时，常常无法立即充分考虑动力的激发与维持。因此，需要教师在基本设计工作完成后，单独利用动力设计模型以及其他提示信息对教学方案进行检视和修订。
6. 能结合经验设计探究学习的学习支架
STEM课程包含学生的协作探究环节，而且是最具价值的环节。但探究学习是自主学习过程，我们可以预先规定探究任务，却无法事前设计其学习过程[9]。但自主学习可能会遇到障碍，因此，教师需要根据经验为学生的自主探究学习设计学习支架，帮助学生克服所遇到的认知挑战或者提高探究效率。FC知识广图（即扩展的FC知识图）可以帮助教师识别提供支架的时机和具体的支架设计[10]。
四、结 语
成为专业的STEM教师难吗，要求高吗？不难也不高。因为STEM教师的学科素养和设计素养所蕴含的知识、技术都不具备智识上的复杂性。问题仅在于学习和运用。通过真实的学习和运用将学科素养和设计素养统合于基于设计的行动力这一核心专业能力之中。而本文也说明了，为什幺STEM教师专业发展的实践领域遭遇困境[11]：只是因为没有功能稳定可靠的STEM课程，自然我们便无法确立STEM教师的学科素养。没有学科素养，STEM教师的设计素养便失去了根基，自然也就难以生成基于设计的行动力。STEM教师也就难以成为专业教师。所以说，困难的根源仅在于STEM课程没有准备好！其实，没有功能稳定可靠的STEM课程，大多数的STEM教育研究也很难深入下去。
[参考文献]
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[10] 窦玲玉.STEM情境下探究学习的支架设计研究[D].北京：北京师范大学，2020.
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