朱 征

(南京大學 教育研究院，江蘇 南京 210093)

STEM是科學、技術、工程與數(shù)學四門學科英文首字母的縮寫，但STEM教育并非這四門學科的簡單組合，而是一種基于真實問題(或項目)的解決，融合不同學科知識，從而形成嚴謹?shù)暮拖到y(tǒng)化學習經(jīng)驗的學習方式。

STEM教育注重學生科學素養(yǎng)、技術素養(yǎng)、工程素養(yǎng)及數(shù)學素養(yǎng)等科學理工素養(yǎng)的培養(yǎng)，其發(fā)展方向是以技術為橋梁，實現(xiàn)跨學科的整合，關注新技術及其實踐應用，旨在培養(yǎng)能夠綜合運用多學科知識解決實際問題的復合型創(chuàng)新人才。

一、我國中小學STEM教育機遇與瓶頸

2012年《上海教育·環(huán)球教育時訊》開辟STEM教育專欄，這是我國教育雜志第一次較為集中地介紹STEM教育。2016年，我國教育部《教育信息化“十三五”規(guī)劃》指出“有條件的地區(qū)要積極探索信息技術在‘眾創(chuàng)空間’、跨學科學習(STEM教育)、創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應用，著力提升學生的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，養(yǎng)成數(shù)字化學習習慣，促進學生的全面發(fā)展，發(fā)揮信息化面向未來培養(yǎng)高素質人才的支撐引領作用”[1]。2017年2月教育部頒布的《義務教育小學科學課程標準》中首次有了中國版的STEM定義，其中指出“科學、技術、工程與數(shù)學，即STEM，是一種以項目學習、問題解決為導向的課程組織方式，它將科學、技術、工程、數(shù)學有機地融為一體，有利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)”[2]。該定義凸顯STEM教育跨學科、項目式學習以及解決問題這三個特點，更強調創(chuàng)新能力培養(yǎng)。2017年6月，中國教科院成立了STEM教育研究中心，對STEM領域進行廣泛而深刻地研究，一年不到的時間內，該研究中心先后發(fā)布了兩項科研成果——《中國STEM教育白皮書》和《STEM教師能力等級標準》。2018年5月15日，“中國STEM 教育2029行動計劃”在中國教育科學研究院的牽頭下正式啟動。

可以說，近5年的時間里，STEM教育在我國中小學中逐漸升溫。上海、北京先后成立了STEM教育云中心，江蘇、浙江先后召開了全省STEM(STEAM)教育大會。我國STEM教育研究也呈現(xiàn)出逐漸繁榮的態(tài)勢。但是STEM教育發(fā)展也面臨了一系列問題與挑戰(zhàn)。

(一)缺少打通學段的整體設計

如今越來越多的中小學甚至幼兒園開展STEM教育，有的開展機器人制作、創(chuàng)客比賽，有的開設3D打印、計算機編程等選修課，一時間各地都有STEM研討會、各校都有STEM中心，就連各種社會培訓機構都熱推STEM體驗課，STEM教育可謂“遍地開花”。但是由于缺少國家層面的頂層設計，沒有不同年段的STEM課程標準、沒有規(guī)范的教材，使得各地各校對STEM教育的認識各不相同，對其教學標準把握不一，更加缺乏不同年段STEM教育的系統(tǒng)性和連貫性。

(二)社會聯(lián)動機制不夠健全

學校是目前開展STEM教育的主陣地，但是由于受到課時數(shù)量、場地空間、教材教具、師資配備都軟硬件的制約，學校順利開展STEM教育存在一定困難，校外資源的支持就顯得尤為重要。但是目前國內缺少政府層面或社會機構作為中間橋梁，建立聯(lián)動機制，將中小學與高校、科研院所、博物館、科技館、企業(yè)、科創(chuàng)公司等有效整合，從而開展高效的合作[3]。

(三)師資隊伍整體水平不高

教師是實施STEM教育的關鍵，STEM教育需要教師提升跨學科綜合能力，并與不同學科教師開展項目合作，需要更加關注學生學習的路徑，支持或幫助學生更好跨學科地分析與解決問題。我國目前中小學教師幾乎都是單科培養(yǎng)產生，自身缺乏跨學科學習的經(jīng)歷，更沒有STEM教學經(jīng)驗，打破學科邊界進行跨學科的綜合教育對教師們來說是很大的挑戰(zhàn)。而我國目前的教師職后培訓更多的是教學方法和技能的提升，學科專業(yè)知識的專門培訓很少，因此普遍存在在職教師不了解學科發(fā)展前沿、學科知識不能及時更新的情況。因此，師資問題在我國STEM教育中較為突出。

以上這些STEM教育發(fā)展中面臨的問題與挑戰(zhàn)正逐漸成為制約STEM教育順利推進的瓶頸，如何突破瓶頸成為STEM教育研究者和實踐者思考的問題。

二、美國中小學STEM教育實踐與啟示

STEM教育，最早起源于20世紀80年代美國的高等教育領域。美國前兩任總統(tǒng)執(zhí)政時期都高度重視STEM教育，把STEM教育提升到國家層面發(fā)展的策略是美國STEM教育發(fā)展的一個重要特征。進入21世紀以后，美國意識到中小學階段的STEM教育落后于其他國家，學生在科學和數(shù)學方面的國際比較中，美國處于中等偏下水平，國家教育評估結果顯示，只有不到三分之一的8年級學生精通數(shù)學和科學。2010年美國總統(tǒng)科技顧問委員會頒布的《培養(yǎng)與激勵：為了美國未來的 K-12 科學、技術、工程和數(shù)學教育》成為專門針對 K-12 階段STEM教育的政策文本，明確了在中小學實施STEM教育的重要性，從而使STEM教育與美國K-12教育緊密聯(lián)系起來。特朗普總統(tǒng)自上任以來，一直大力推動STEM教育，2017年2月，特朗普簽署了兩項與STEM相關的法案，授權美國國家航空航天局(NASA)和國家科學基金會(NSF)鼓勵更多女性學習并進入STEM領域，9月又簽署了一份備忘錄，將撥款2億美元加大對科學、技術、工程以及數(shù)學(STEM)專業(yè)教育的支持，尤其注重計算機科學和編程方面的學校教育。

美國的STEM教育從高等教育延伸到中小學教育中有近20年的歷史，不論是《培養(yǎng)與激勵: 為了美國未來的 K-12 科學、技術、工程和數(shù)學教育》及之后的一系列政策法案，還是各州各學校的STEM教育實踐，都有很多經(jīng)驗值得借鑒。

(一)中學大學銜接，豐富學生學習體驗

美國聯(lián)邦政府對K-12年級學生的STEM教育不僅能在教室中產生，還能通過教室外的個人和團隊經(jīng)驗創(chuàng)建機會，尋找靈感。因此，聯(lián)邦政府主動發(fā)起激勵行動，支持開發(fā)一系列高質量的基于STEM的課外活動和拓展性日?；顒?，如STEM競賽活動、創(chuàng)客實驗室、暑假及課外計劃等類似活動。美國一項STEM教育相關調查表明，通過一個為期2-3周的大學暑期科學研究項目，向6-12年級學生提供實地考察、在實驗室開展實驗等學生在學校里不曾體驗的真實、科學的相關學習機會，將對學生的科學成就和科學態(tài)度產生顯著的、長期的效果。

美國在STEM教育的實踐中注重中學與大學的有效銜接。奧巴馬總統(tǒng)曾呼吁全面重新思考高中生應該獲得的經(jīng)驗，鼓勵學校增加創(chuàng)新模式、個性化地開展教學，讓學生在畢業(yè)前能接受嚴謹?shù)?、適合他們的教育，為他們順利過渡到大學學習和未來職業(yè)提供保障。

在美國有許多專門的STEM特色學校，這些學校以STEM為重點學科，教學環(huán)境不局限于課堂，它們?yōu)閷W生提供嚴格的、為大學做準備的STEM密集型課程。加利福尼亞州的高技術高中(High Tech High)就是STEM特色學校的典范，它擁有K-12年級的一貫制辦學體系，學生們從個人興趣出發(fā)開展各種項目學習。初中學生可以在當?shù)毓净驒C構完成長達一學期的學術學習，高中學生從興趣和關注點出發(fā)，開發(fā)一個解決社區(qū)問題的實體項目。

除STEM特色學校外，美國還有先修學院(Early College)。先修學院高中有一套完備的課程體系，能為學生免費提供提前修學大學學分的機會，將高中和大學融為一體，從而縮短了高中階段的學習時間。北卡羅來納州維克STEM先修學院高中就是一個案例。它是北卡羅來納州維克縣、北卡羅來納州立大學和北卡羅來納州新學校工程的聯(lián)合項目，學生在獲得高中文憑的同時，還可以修最多兩年的大學學分。學校鼓勵那些對科學、數(shù)學、工程和技術感興趣的學生申請該課程，該課程免費對學生開放，甚至選修大學課程也是免費的。

(二)聯(lián)邦政府主導，形成社會聯(lián)動機制

聯(lián)邦政府在實現(xiàn)國家K-12年級的STEM教育目標上扮演了重要角色。聯(lián)邦政府大力支持各州主導的數(shù)學和科學標準共享行動，為各州提供財政和技術支持。同時，聯(lián)邦政府在STEM教師培養(yǎng)、保留及獎勵方面、STEM學校創(chuàng)建、學生培養(yǎng)與激勵以及教育技術支持等方面都發(fā)揮了主導作用。

奧巴馬總統(tǒng)在任期間，政府采取多重策略推動STEM教育發(fā)展，將STEM置于政府教育工作的優(yōu)先地位。奧巴馬總統(tǒng)本人對此也深切關注，他號召20萬名聯(lián)邦科學家及工程師在當?shù)厣鐓^(qū)開展志愿活動，并思考鼓勵學生參與到STEM的創(chuàng)新活動中。教育部作為K-12年級STEM教學的牽頭者，強力支持參與性的活動，構建校內學習與校外學習之間的橋梁并提高兩者的效率。

聯(lián)邦政府注重與非聯(lián)邦的合作伙伴開展戰(zhàn)略合作，通過與高等教育院校、專業(yè)和科學學會、私人機構、慈善部門、植物園、博物館、科技館、課外活動供應商的合作，拓寬美國STEM教育的渠道以及發(fā)展STEM學科的途徑。例如，成立于1846年的史密森學會(The Smithsonian Institution)擁有19家博物館和美術館、國家動物園以及9個研發(fā)中心，該學會致力于增進多學科領域的參與機會。在聯(lián)邦STEM活動的背景下，史密森學會憑借其特有的實力，扮演著促進與廣大民眾交流信息的角色。

美國的 STEM 教育很大程度上正是得益于其社會組織網(wǎng)絡，美國聯(lián)邦政府和各州、地方政府的支持下，有來自政界、學界、企業(yè)界、學校、社區(qū)和家庭的利益相關群體共同參與。

(三)校內校外合作，促進教師專業(yè)發(fā)展

美國越來越意識到STEM教育確保卓越的最重要因素在于優(yōu)秀的STEM教師，他們既要有深厚的STEM科目內容的知識，又要掌握能教好這些學科的科學技能。為此，奧巴馬政府提出要培養(yǎng)10萬名合格的STEM教師，聯(lián)邦預算投資10億美元用于創(chuàng)建 STEM高級教師團隊，教育部投入8000萬美元用于提升STEM教師培訓項目。

美國STEM教育知名學者格雷特·亞克門(Georgette Yakman)教授在破解教師在不同學科之間進行融合的難題時曾提出“STEM 教育的教師應根據(jù)學生特征，開展不同學科、不同課程之間的融合，這需要不同學科人員之間加強交流，運用跨學科的思維開展合作。學?？梢詾榻處焻f(xié)作提供時間和資源，創(chuàng)建他們分享專業(yè)知識和提升教學技能的條件，不斷促進教師專業(yè)發(fā)展。不同學科人員應充分利用各種社會機構、社會專業(yè)人員等資源，重視開發(fā)校本課程進行課堂教學模式的改革，設計符合學生需要的學習資源和教學模式”[4]。

美國越來越多的STEM學校正在加強和政府、企業(yè)界、高等教育機構的合作，這不僅為學生創(chuàng)設高科技、合作性的學習環(huán)境，也為中小學STEM教師的專業(yè)發(fā)展提供便利。學校也鼓勵老師將自己的經(jīng)驗知識融入課堂教學，并積極與社區(qū)、大學合作，包括由大學幫助設計工程課的課程，大學教師和研究生承擔相關課程的授課等形式。博物館和科技中心也提供有助于教師拓展知識和技能的項目、資源和課程。例如在伊利諾伊州，芝加哥科學和產業(yè)博物館為教師提供課程，增長他們的科學知識，提高其教學技能，并向他們演示如何利用博物館項目和展覽來改進科學課程。

三、高中高校合作推進STEM教育的實踐

南京外國語學校(簡稱“南外”)把“有中國靈魂世界胸懷的現(xiàn)代人”作為學生培養(yǎng)目標，堅持外語特長、文理并蓄。2015年初，南外基于STEM教育的融合理念，從提升校本課程品質、豐富學生社團活動、開拓國際視野課程、開發(fā)實驗創(chuàng)新課程等維度構建并實施STEM課程體系，提升學生科學素養(yǎng)、技術素養(yǎng)、工程素養(yǎng)及數(shù)學素養(yǎng)，培養(yǎng)能夠綜合運用多學科知識解決實際問題的復合型創(chuàng)新人才。

南外注重與高校、科研院所等社會資源的等合作實施。2015年秋季學期開始，南京外國語學校與南京大學、東南大學、南京理工大學、南京航空航天大學、中國藥科大學等在寧的五所知名高校共同啟動“走向大師”工程。由高校專家學者來擔任高中生專業(yè)導師，學生每周都有機會與院士、博導等零距離接觸，領略大師風范，或聆聽科技報告、了解學術前言動態(tài)，或走進高校實驗室，參加科學研究的項目訓練，培養(yǎng)科技理工素養(yǎng)，讓學生有自由探索的時間和空間，鼓勵學生自主的學習，發(fā)現(xiàn)自己的科研興趣，為學生盡早發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)自己的興趣所在，規(guī)劃今后的人生和進入大學后的發(fā)展提供了一個有效平臺[5]。

(一)高中學生走進高校，拓展中學教育資源

利用與高校的合作機制，南外經(jīng)常組織學生走進高校參觀，南大的微結構實驗室、環(huán)境實驗室、東大的機器人實驗室、南航的航空航天館、南理工的納米實驗室、兵器博物館、藥科大的藥學博物館等都熱情對南外學生開放。很多曾走進南外的高校教授親自為中學生講解演示，詳細介紹團隊的科研項目和成果。在東大機器人實驗室，學生親身體驗機械手臂如何將虛擬現(xiàn)實與力傳感裝置的完美結合，了解控制器、核心算法、伺服系統(tǒng)、應用和集成技術等專業(yè)知識；在南航的航空航天館，學生們了解到全部由我國專家設計制造的殲5、殲6、殲7、殲8和殲12型戰(zhàn)斗機等的發(fā)展歷程，從延安二號單槳直升機到長空一號無人機，接受了生動具體的國防教育和愛國主義教育；在藥科大的藥學博物館學生們見到了馬王堆一號漢墓出土的一級文物中藥材、徐國鈞院士早年在峨眉山地區(qū)采集的數(shù)千份藥用植物標本等中藥材標本近3000種，感受到祖國傳統(tǒng)中醫(yī)藥文化。

參觀不僅開闊了眼界、拓展了思維，更是激發(fā)了學生的研究創(chuàng)意。在東大機器人實驗室體驗機械手臂時，南外學生提出“機器人的手指如何感受壓力呢？”“抓力太輕會不會握不住雞蛋，太重了會不會把雞蛋捏碎呢？”“能否給機械手指上裝上能傳導壓力的類似于人類的皮膚呢？”在南大環(huán)境學院聽取大氣污染研究課題時，了解到大氣降塵中含有錳、鉛、鉻等重金屬元素，聯(lián)想到在STEM選修課上曾測定過頭發(fā)、指甲里的重金屬元素，南外學生提出“大氣降塵中的重金屬與青少年體內重金屬含量之間是否存在某種相關性呢？”“中學生體內的重金屬主要來源是什么？”這些“奇思妙想”得到了高校教授的高度認可和贊揚，紛紛表示愿意和南外學生一起把這些創(chuàng)意變?yōu)檠芯繂栴}，變?yōu)楝F(xiàn)實。

(二)高校教授走進高中，彌補中學師資短板

南外幾乎每周邀請一位高校的學科專家教授來校面向高一年級學生開展學術講座。從2015年9月至今的兩年中，先后有南京理工大學陳光教授的《材料與文明》、南京大學朱嘉教授的《新材料與新能源》、南京航空航天大學李晉斌教授的《引力波》、中國藥科大學楊中林教授的《神奇的中草藥》、東南大學宋愛國教授的《機器人的誕生與發(fā)展》等近30場講座，主題涉及環(huán)境與能源、藥物與健康、航空航天、新材料、機器人、人工智能等多個領域。學生感嘆“南京大學研究的潛艇防水材料為國家軍事做出的貢獻功不可沒；東南大學的教授所研究的仿真手臂，造福肢體有所缺陷的人，讓他們不再為生活所擾；藥科大的教授介紹的中草藥如此神奇，中醫(yī)文化如此博大精深……”，感受到科技來源于生活，也造福于生活，再高深的科研終究還是要回歸到現(xiàn)實世界里。學術講座在知識層面極大地豐富了中學生的認知與思維，培養(yǎng)了他們基于科技所產生的民族自豪感與社會責任感。

高校教授們將一個又一個前沿的科學熱點或技術課題借助淺顯易懂的語言帶進中學校園，帶到中學生身邊。中學生有了與“大師”面對面零距離接觸的機會，他們深切地感受到大師們身上所擁有的獨特魅力，體會他們思考問題的方式，理解他們?yōu)橹畩^斗的目標和為社會奉獻的赤誠之心。學生在感想中寫到“仔細聆聽前輩們鏗鏘有力的話語和對我們所說的字字箴言，誰能不為之所動？冰凍三尺，非一日之寒。科學的每一塊奠基石都是前人費勁畢生熱血堆砌所致，而身為學生的我們，則應珍惜他們換來的當下，感謝他們所付出的努力，學習他們的精神和品質，乃至繼續(xù)他們未完成的事業(yè)”。

(三)高中高校科研合作，創(chuàng)新聯(lián)合培養(yǎng)模式

學術講座激發(fā)了興趣，高校參觀激活了創(chuàng)意，一個個由高校教授、研究生、中學老師、中學生組成的科研團隊圍繞不同的研究問題組建而成。東南大學儀器科學與工程學院的宋愛國院長和他的研究生們與南外中學生圍繞傳感器在機器人領域的應用開展合作，希望共同參加“挑戰(zhàn)杯”；南理工的大學生無人機社團和南外的中學生無人機社團共同搭建DIY的無人機；南京大學環(huán)境學院的畢軍教授和他的研究生團隊與南外中學生共同采樣分析南外校園不同場所一年四季的PM2.5指數(shù)；南京航空航天大學的鄭祥明教授和他的學生來南外給學生開設《飛行器》選修課……在這些科研合作中，基礎教育與高等教育的壁壘完全被打破，搭建了中學生參與科研過程、體驗科研經(jīng)歷的新平臺，高校的教授成了中學生的導師，大學生和中學生組建了學習共同體，成為新的學習伙伴。

新平臺、高起點，高中高校的科研合作取得了豐碩的成果。南外化學組的許亮亮老師帶著學生和“能否給機械手指上裝上能傳導壓力的類似于人類的皮膚？”的創(chuàng)意去請教南京大學微結構實驗室的材料領域專家，在緊密合作中，開發(fā)出了基于納米材料的新型電子皮膚，將創(chuàng)意變成為現(xiàn)實，該研究成果獲得了2016年清華大學丘成桐首屆化學獎的銀獎。南外的陳靜老師和學生在南大環(huán)境學院的指導下成功申報了江蘇省環(huán)境基金項目《大氣顆粒物PM2.5及降塵環(huán)境暴露與青少年體內重金屬含量相關性研究》，獲得8萬元科研經(jīng)費，高三年級程昊然同學作為該項目的核心成員之一去美國參加了國際暴露科學協(xié)會2017年年度會議并做論壇發(fā)言……

中學STEM教育的開展，有效融入高中與高校的合作，創(chuàng)新了學生學習方式，使其融合創(chuàng)新能力得到提升。學生在STEM項目的學習和實踐中，理解STEM各領域的學科特征，掌握科學、技術、工程、數(shù)學和藝術領域的基本知識，運用各領域知識發(fā)現(xiàn)、解決實際問題，并且逐步認識到STEM各領域是構成人類社會、物質財富、社會財富以及文化的重要組成部分。

STEM教育并不僅僅指向學生學習，高中高校的合作同時也促進了教師學科專業(yè)知識、項目設計與實施技能、跨學科教學實踐能力的發(fā)展。教師從知識信息的儲存庫轉換到引導者的作用，梳理和重組本學科中的STEM教育素材，有機整合其他學科知識、方法及技術。教師在與高?？蒲性核?、科研學術專家及其他學科的教育專家等的合作中，從課程、教法、教具、學生學習等多個角度開展深入而系統(tǒng)的研究。

四、高中高校合作開展STEM教育的反思

然而，反思現(xiàn)有的合作形式，即講座、參觀和基于某些具體項目的合作是高中STEM教育的有效拓展和延伸，但是其穩(wěn)定性、系統(tǒng)性和長效性還略顯不足。參觀體驗、項目合作畢竟只有少數(shù)學生參與，高中高校聯(lián)合培養(yǎng)的模式只有更加全面、深入地滲透進學校課程，才能引領全體學生和教師共同發(fā)展和提升。我國《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020)》指出，“高中階段教育注重培養(yǎng)學生自主學習、自強自立和適應社會能力，高等教育重在培養(yǎng)高素質專門人才和拔尖創(chuàng)新人才”[6]?？梢姡咧泻透咝W校教育在科技素養(yǎng)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面的連貫性欠佳，需要做好高中和高校STEM課程有效銜接。

高中的STEM課程需要更上位的引領和規(guī)劃，可以邀請高校學科專家和教育專家共同開發(fā)STEM校本課程，這些課程既可以激發(fā)學生興趣，又可以做好知識和能力的鋪墊，避免高中生進入大學后，認為STEM課程太難而失去興趣和動力；另一方面，高中可以為STEM教師創(chuàng)設更多的與高校、科研院所合作的機會，包括中學教師進入高?；蚩蒲性核膶W習培養(yǎng)，促進其本學科及跨學科專業(yè)知識的不斷更新和科研意識、能力的提升，提高中學教師對STEM教育的自信，培養(yǎng)其成為STEM教育專家型教師。

高校則可以以更加開放的姿態(tài)“走出去、請進來”。高校STEM領域的專家教授多走進中學，授課、講座或科研指導，既是科普宣傳提升中學生科學素養(yǎng)，又可為發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新的后備人才奠定基礎，高校也應該增加STEM相關專業(yè)的本科生和研究生到中學實習的機會，鼓勵他們與中學生一起完成STEM實踐活動；高校還可以向中學生更便捷地開放實驗室和儀器設備，鼓勵中學生進入高校了解科研項目、參與課題研究、實現(xiàn)科研創(chuàng)意，從而更好地培養(yǎng)創(chuàng)新意識和能力。

STEM強調的是融合，中學STEM教育只有秉承融合的理念，有效融合中學與高校、社會的資源，合力推進科學學科之間、知識與生活、科學與社會、學生與社會等的立體融合，才能培養(yǎng)出真正的創(chuàng)新型后備人才。