STEM教育的跨学科、真实性、能力本位对教师开展STEM学习设计提出了多重挑战,STEM教师面临着学习设计能力匮乏的困境,在教学实践中显露出诸多问题。在提升师范生STEM学习设计能力以应对现实难题的背景下,本研究设计了STEM协同学习设计项目,该项目通过真实情境下的STEM学习设计实践提升师范生的STEM学习设计能力。本研究旨在基于在线讨论话语数据,分析师范生在STEM协同学习设计中的认知和非认知表现,进而探索如何有效引导师范生开展STEM学习设计。为此,本研究构建了虚拟实习平台支持下基于逆向设计的STEM学习设计模式,共有33位师范生（分为八组）参加了本研究的STEM协同学习设计项目,收集到各组讨论产生的9707条话语数据和八组STEM学习设计报告。为了分析师范生STEM协同学习设计的认知表现,本研究从理论和实践的视角编制了STEM学习设计能力编码框架,通过统计编码频次、分析认知网络分析法生成的STEM学习设计能力网络和发展轨迹,探索小组和个体的认知表现。在小组层面,根据小组STEM学习设计报告评分将八组区分为高能力组和低能力组,研究发现:高能力组的STEM学习设计维度编码频次高于低能力组,且比低能力组更重视学情分析,更能保持STEM学习设计的一致性;而低能力组设计的STEM课程往往缺乏学科融合,且小组协作过程中缺乏规划,在项目中期阶段与高能力组存在明显差距。在个体层面,根据发言数将个体区分为核心参与者、中等参与者和边缘参与者,分析发现:不同参与程度个体对STEM学习设计各有贡献,但在集体责任意识上存在明显差异,具体表现在边缘参与者极少主动承担促进协作设计的职责;此外,边缘参与者在讨论中存在应付任务和兴趣为主的双重倾向,而核心参与者在STEM协同学习设计过程中较少起到促进讨论的作用;且研究发现部分组存在组员同质化倾向,组内讨论缺乏质疑。这些研究结果可为促进低能力组转变为高能力组、提升边缘参与者的积极性提供实证依据。影响STEM协同学习设计的不仅包括认知因素,还包括非认知因素。对此,本研究基于构建的非认知在线讨论编码框架,从社交、情感、元认知维度分析了师范生STEM协同学习设计的非认知表现。研究发现:（1）部分组低层次社会交互占比过多,组内缺乏积极互赖,自发提问、主动询问等互助行为较少;（2）个别组在群体共同作用下营造了积极的协作氛围,但部分组存在特定个体过多的消极情感发言阻碍讨论深入的现象;（3）各组元认知策略应用不足,尤其缺乏对讨论进度的监控、对问题的调节以及评价与反思,讨论效率及质量有待提升。本研究对STEM学习设计表现的分析,揭示了在STEM协同学习设计过程中,师范生认知层面和非认知层面存在的问题。基于此,本研究提出了五个促进认知发展的策略,包括具象化设计情境策略、促进设计一致性策略、提供学习支架策略、促进学科融合策略、引发认知冲突策略,以及三个引导非认知发展的策略,包括增强协作认同感策略、避免情绪冲突策略、培养元认知策略。本研究对于STEM学习设计表现的评价,以及STEM学习设计能力的培养实践具有借鉴意义。