周晨露 王海燕

摘 要：在我國(guó)大力鼓勵(lì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的時(shí)代背景下，培養(yǎng)創(chuàng)新復(fù)合型人才顯得至關(guān)重要，而STEM教育被認(rèn)為是創(chuàng)新教育發(fā)展的新方向。文章在梳理歸納美國(guó)STEM教育的兩類(lèi)模式的基礎(chǔ)上，總結(jié)STEM教育中學(xué)科知識(shí)的掌握與整合、教師角色的定位與轉(zhuǎn)換、信息技術(shù)的價(jià)值與定位三方面的核心經(jīng)驗(yàn)，以期為我國(guó)基礎(chǔ)教育領(lǐng)域開(kāi)展STEM教育提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：STEM教育；應(yīng)用模式；案例分析

中圖分類(lèi)號(hào)：G40-057 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2018）24-0027-04

一、STEM教育研究現(xiàn)狀

在當(dāng)前我國(guó)從制造大國(guó)向智造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)型升級(jí)、國(guó)家大力鼓勵(lì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的時(shí)代背景下，培養(yǎng)創(chuàng)新復(fù)合型人才顯得尤為重要。因此，STEM教育對(duì)我國(guó)的基礎(chǔ)教育改革有著重要意義。[1]

STEM教育要在學(xué)校落地生根，不但需要廣大教師能夠深入理解STEM教育的理念與本質(zhì)，更需要教師掌握其教育模式。通過(guò)學(xué)習(xí)、借鑒成功的STEM教育模式和案例，在實(shí)踐中逐步探索適合我國(guó)國(guó)情的STEM教育模式，從而為創(chuàng)新復(fù)合型人才的培養(yǎng)提供選擇路徑。2017年出臺(tái)的《中國(guó)STEM教育白皮書(shū)》也明確強(qiáng)調(diào)了推廣STEM教育成功模式的意義。[2]

我國(guó)對(duì)STEM教育的研究主要圍繞課程整合方面，根據(jù)跨學(xué)科整合課程的取向可分為“STEM+”與“STEM-”。“STEM+”取向有隨著創(chuàng)客教育的興起而出現(xiàn)的“STEM+創(chuàng)客教育”模式[3]；“STEM-”取向有根據(jù)我國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)教育發(fā)展的實(shí)際需要，提出的“科-工整合”模式[4]。根據(jù)跨學(xué)科整合的方式進(jìn)行劃分，有 “以建構(gòu)大概念為核心的跨學(xué)科概念體系模式”“以主題或課題形式來(lái)實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科實(shí)踐的模式”“通過(guò)表現(xiàn)期望的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)橫向整合的模式”“通過(guò)核心概念和表現(xiàn)期望相結(jié)合的模式”和“通過(guò)學(xué)科核心概念和內(nèi)容要求相結(jié)合的模式”五種模式。[5]對(duì)STEM 教育模式微觀(guān)層面大體可分為STEM教學(xué)設(shè)計(jì)和STEM教學(xué)模式兩個(gè)方面，其中以STEM教學(xué)設(shè)計(jì)的研究為主，對(duì)于一線(xiàn)教師而言，其操作性不夠強(qiáng)，不易上手；對(duì)STEM教學(xué)模式的探究不多，亟待進(jìn)一步豐富對(duì)STEM教學(xué)模式的研究。

STEM教育自1986年在美國(guó)誕生至今，經(jīng)30多年的發(fā)展歷程逐漸完善，對(duì)推動(dòng)國(guó)家創(chuàng)新作出了重要貢獻(xiàn)。[6][7]按教學(xué)對(duì)象劃分，最初STEM教育是針對(duì)K-12學(xué)生的，如Marle等人為提高普通學(xué)生對(duì)STEM的興趣，設(shè)計(jì)了為期4天的基于情景的科學(xué)調(diào)查STEM夏令營(yíng)，使學(xué)生對(duì)STEM產(chǎn)生濃厚興趣。[8]但隨著研究的深入，研究者關(guān)注到了以女性、少數(shù)民族、低收入人群等為主的STEM代表性不足學(xué)生，他們對(duì)STEM興趣弱、在STEM領(lǐng)域比例低。為促進(jìn)性別、種族的平等，美國(guó)學(xué)者探索了多種針對(duì)STEM代表性不足學(xué)生的教學(xué)模式。如Gomoll 等人為提高女孩對(duì)STEM的興趣，使用基于問(wèn)題的教學(xué)模式為4名女孩提供了課后機(jī)器人俱樂(lè)部活動(dòng)。研究結(jié)果表明，女孩們對(duì)STEM產(chǎn)生興趣并最終選擇STEM相關(guān)專(zhuān)業(yè)[9]；Bass 等為培養(yǎng)低收入家庭青少年的STEM職業(yè)理想，采用基于項(xiàng)目的教學(xué)模式，通過(guò)游戲設(shè)計(jì)活動(dòng)，有效促進(jìn)STEM代表性不足的青少年從STEM使用者轉(zhuǎn)換為STEM生產(chǎn)者。[10]

STEM教學(xué)模式按教學(xué)目標(biāo)可劃分為興趣提高型、考試提分型、技能培養(yǎng)型、職業(yè)體驗(yàn)型等，如Eichler 等人為提高學(xué)生的STEM成績(jī)與學(xué)習(xí)積極性，采用STEM翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式進(jìn)行研究，結(jié)果表明這一模式能提高學(xué)習(xí)主動(dòng)性，顯著提高課程平均分；[11]Bairaktarova 等人模擬了現(xiàn)實(shí)工程應(yīng)用項(xiàng)目，通過(guò)基于項(xiàng)目的教學(xué)模式提高了學(xué)生的專(zhuān)業(yè)技能。[12]

教學(xué)模式按照教學(xué)方式可分為個(gè)性化教學(xué)模式、游戲化教學(xué)模式等，如Burgin 等人在高中STEM教學(xué)中，采用了STEM學(xué)徒制模式進(jìn)行教學(xué)，結(jié)果表明學(xué)生在STEM領(lǐng)域的自我認(rèn)同感得到提升，對(duì)實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生歸屬感，促使他們選擇STEM相關(guān)職業(yè)；[13]Miller 等人為增強(qiáng)學(xué)生STEM職業(yè)體驗(yàn)，設(shè)計(jì)了基于網(wǎng)絡(luò)的法醫(yī)科學(xué)游戲，這一游戲化教學(xué)模式對(duì)學(xué)生選擇STEM相關(guān)職業(yè)產(chǎn)生積極影響；[14]Juskeviciene 等為STEM學(xué)生提供個(gè)性化教學(xué)，使用了一對(duì)一的移動(dòng)學(xué)習(xí)模式，結(jié)果顯示這一模式有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。[15]

二、STEM教育應(yīng)用模式及案例

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外STEM教育模式研究的梳理，我們發(fā)現(xiàn)在STEM教學(xué)模式層面，針對(duì)不同對(duì)象、不同目標(biāo)、不同方式的STEM教學(xué)，都是基于問(wèn)題解決展開(kāi)的。因此，本文根據(jù)STEM問(wèn)題的難易程度以及解決的路徑不同，總結(jié)歸納出美國(guó)STEM教育應(yīng)用的兩類(lèi)教學(xué)模式，即問(wèn)題解決框架提供模式和問(wèn)題解決框架自主生成模式。

1.問(wèn)題解決框架提供模式及案例

（1）問(wèn)題解決框架提供模式

解決STEM復(fù)雜問(wèn)題要求學(xué)習(xí)者將復(fù)雜問(wèn)題分解成小問(wèn)題再加以解決，有研究證明解決小問(wèn)題更有利于學(xué)習(xí)者知識(shí)與技能的遷移。[16]但這種能力是要逐步培養(yǎng)的，當(dāng)學(xué)習(xí)者解決復(fù)雜問(wèn)題有困難時(shí)，由教師提供一個(gè)解決問(wèn)題的框架。學(xué)習(xí)者在理解框架的基礎(chǔ)上，將復(fù)雜問(wèn)題分解成若干小問(wèn)題嘗試解決。最后驗(yàn)證復(fù)雜問(wèn)題是否解決，如果問(wèn)題沒(méi)有解決，學(xué)習(xí)者需要思考和判斷原因，然后針對(duì)不同的原因返回相應(yīng)模塊，重復(fù)前面的過(guò)程，直至問(wèn)題解決。這個(gè)過(guò)程伴隨著學(xué)習(xí)者對(duì)STEM學(xué)科知識(shí)與技能的學(xué)習(xí)，為問(wèn)題的解決提供了基礎(chǔ)保證（見(jiàn)圖1）。

（2）問(wèn)題解決框架提供式應(yīng)用案例——巧克力工廠(chǎng)

美國(guó)科羅拉多大學(xué)與企業(yè)合作，以巧克力工廠(chǎng)案件為主題，為初二到高三的學(xué)生提供了為期4天的STEM夏令營(yíng)。通過(guò)綜合運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新力、思維邏輯等能力。[10]該案例具體教學(xué)過(guò)程如下：

①問(wèn)題提出：圍繞兩家巧克力工廠(chǎng)間的商業(yè)糾紛（相互指控對(duì)方盜竊巧克力配方、偽造包裝和入侵網(wǎng)站，從而損害競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手聲譽(yù)），將學(xué)習(xí)者分成原告雇傭的調(diào)查小組（控方）、被告雇傭的調(diào)查小組（辯方）和公正的調(diào)查小組（任務(wù)是確認(rèn)其他團(tuán)隊(duì)收集的證據(jù)是可信的）對(duì)巧克力工廠(chǎng)案件進(jìn)行調(diào)查，要解決的問(wèn)題是：如何收集科學(xué)可信的證據(jù)并形成調(diào)查報(bào)告，為當(dāng)事人進(jìn)行辯護(hù)？

②提供問(wèn)題解決框架：為便于學(xué)生更好地解決這一復(fù)雜問(wèn)題，組織方將問(wèn)題分解，為學(xué)生提供了相關(guān)問(wèn)題解決框架：圍繞本案件，可以從犯罪現(xiàn)場(chǎng)和嫌疑人、巧克力樣本及包裝紙、網(wǎng)絡(luò)黑客三個(gè)方面入手，為當(dāng)事人辯護(hù)尋找有利證據(jù)。

③學(xué)生理解問(wèn)題解決框架：學(xué)生通過(guò)組織方提供的資料學(xué)習(xí)證據(jù)種類(lèi)、收集方法與分析原理等，深入理解教師提供的問(wèn)題解決框架。

④按框架?chē)L試解決問(wèn)題：第一天，學(xué)生學(xué)習(xí)羅卡定律并參觀(guān)巧克力工廠(chǎng)，仔細(xì)觀(guān)察案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)，查看賬本記錄，收集指紋、腳印等現(xiàn)場(chǎng)可能遺留的線(xiàn)索。在現(xiàn)有的線(xiàn)索基礎(chǔ)上進(jìn)行合理分析和推理，通過(guò)審問(wèn)6名犯罪嫌疑人，發(fā)現(xiàn)破綻。第二天，學(xué)生從巧克力樣品中提取出可可堿和香草醛，與正品巧克力比對(duì)分析（組織方提供包括分析設(shè)備和試劑等的支持）。同時(shí)，學(xué)生在了解包裝紙的產(chǎn)品代碼和編碼策略后，設(shè)計(jì)能掃描和識(shí)別不同條形碼的樂(lè)高機(jī)器人，來(lái)判斷哪家工廠(chǎng)的包裝紙是假冒的。第三天，學(xué)習(xí)相關(guān)的信息安全技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)有的入侵網(wǎng)站的痕跡，查出網(wǎng)絡(luò)黑客的ID。最后根據(jù)三天搜集的信息，形成調(diào)查報(bào)告。

⑤評(píng)價(jià)問(wèn)題解決與成果展示：第四天，3組學(xué)生在模擬法庭上提交調(diào)查報(bào)告，進(jìn)行法庭辯護(hù)，通過(guò)法官最終的判決評(píng)價(jià)各組的調(diào)查結(jié)果。

案例中的STEM問(wèn)題來(lái)源于生活，情境性極強(qiáng)，能有效調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者的積極性，使學(xué)習(xí)者將所學(xué)所知盡可能地運(yùn)用起來(lái)，體現(xiàn)出STEM的實(shí)用性。其中，教師像是幕后的引導(dǎo)者，為學(xué)習(xí)者提供問(wèn)題解決框架、設(shè)計(jì)支架。

2.問(wèn)題解決框架自主生成模式及案例

（1）問(wèn)題解決框架自主生成模式

當(dāng)問(wèn)題解決框架是由學(xué)習(xí)共同體自主生成時(shí)，就產(chǎn)生了問(wèn)題解決框架自主生成模式（見(jiàn)圖2）。STEM學(xué)習(xí)共同體可以由學(xué)生、教師或社會(huì)力量（企業(yè)、組織）等共同組成。在該模式中，問(wèn)題解決框架是由學(xué)習(xí)共同體共同協(xié)商、自主生成的，教師在必要時(shí)提供引導(dǎo)，利用社會(huì)力量創(chuàng)設(shè)情景、提供支持。學(xué)習(xí)者按照生成的框架?chē)L試解決問(wèn)題，在不斷試錯(cuò)中學(xué)習(xí)、完善，甚至調(diào)整解決框架，直至探索出最佳的解決方案。該模式能培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)造性地解決復(fù)雜問(wèn)題的能力。它與另一種模式最顯著的區(qū)別在于——它發(fā)生在解決復(fù)雜問(wèn)題所遇到的小問(wèn)題沒(méi)有被充分解釋的情況下。STEM學(xué)科知識(shí)與技能靈活運(yùn)用是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

（2）問(wèn)題解決框架自主生成式應(yīng)用案例——科學(xué)奧林匹克競(jìng)賽

Sahin等組織25名學(xué)生參加為期一學(xué)期的科學(xué)奧林匹克競(jìng)賽，競(jìng)賽過(guò)程的記錄和競(jìng)賽結(jié)果表明，科學(xué)奧林匹克競(jìng)賽能促進(jìn)學(xué)生自主開(kāi)展協(xié)作學(xué)習(xí)和探究學(xué)習(xí)。[17]該案例的教學(xué)過(guò)程如下：

①問(wèn)題提出：科學(xué)奧林匹克競(jìng)賽組織方發(fā)布競(jìng)賽通知，要求學(xué)生自主組隊(duì)，合作完成一款重量輕、射程遠(yuǎn)的水火箭。

②學(xué)習(xí)共同體：參與學(xué)生自由組隊(duì)，確定隊(duì)長(zhǎng)并制定團(tuán)隊(duì)規(guī)則，過(guò)程中可尋求社會(huì)幫助。教師和外部人員（如研究生）擔(dān)任指導(dǎo)。

③自主生成問(wèn)題解決框架：團(tuán)隊(duì)成員各自收集相關(guān)材料，然后進(jìn)行內(nèi)部討論交流。在不斷的肯定-否定-肯定的論證后，最后敲定問(wèn)題解決框架：從模型設(shè)計(jì)、材料選取以及發(fā)射方法三方面考慮水火箭模型的制作。

④按框架?chē)L試解決問(wèn)題：比如在模型設(shè)計(jì)上，起初選擇普通水瓶作為機(jī)身，但在發(fā)射時(shí)發(fā)現(xiàn)普通水瓶體積大，直筒外型的瓶身不便于氣流的通過(guò)。團(tuán)隊(duì)對(duì)機(jī)身進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，制作外觀(guān)接近流線(xiàn)型，效果改善很多。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)習(xí)者不斷調(diào)試、完善模型，直至制作出團(tuán)隊(duì)都相對(duì)滿(mǎn)意的水火箭模型。

⑤評(píng)價(jià)問(wèn)題解決：因?yàn)槭菂①愋再|(zhì)，所以各團(tuán)隊(duì)會(huì)在參賽規(guī)定日期內(nèi)上交最終的火箭模型。由科學(xué)奧林匹克競(jìng)賽組織方根據(jù)模型的外觀(guān)、性能與射程等方面綜合評(píng)價(jià)各參賽小組的作品，評(píng)選獎(jiǎng)項(xiàng)。

⑥成果展示：由科學(xué)奧林匹克競(jìng)賽組織方組織各團(tuán)隊(duì)（參賽小組）進(jìn)行成果展示，方便各小組分享與交流。

該案例中的問(wèn)題屬于復(fù)雜的開(kāi)放性問(wèn)題，給了學(xué)生很多自由發(fā)揮創(chuàng)新的機(jī)會(huì)，引導(dǎo)他們將創(chuàng)意與跨學(xué)科知識(shí)結(jié)合運(yùn)用到實(shí)踐中。在學(xué)習(xí)共同體解決問(wèn)題的過(guò)程中，教師也參與其中與學(xué)習(xí)者共同探究，營(yíng)造一種開(kāi)放的學(xué)習(xí)環(huán)境。

三、STEM教育應(yīng)用模式的核心經(jīng)驗(yàn)

1.STEM教育中學(xué)科知識(shí)的掌握與整合

STEM教育被視作提升創(chuàng)造力的教育，[18]其目標(biāo)是學(xué)生能綜合運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)創(chuàng)新性地解決問(wèn)題，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、高階思維、解決問(wèn)題能力等，具有極強(qiáng)的實(shí)用性。一線(xiàn)教師往往由此走入誤區(qū)，要么過(guò)于關(guān)注學(xué)生創(chuàng)新能力、解決問(wèn)題能力等的發(fā)展，忽略了STEM學(xué)科知識(shí)對(duì)達(dá)成教學(xué)目標(biāo)的重要性，認(rèn)為在STEM問(wèn)題解決的過(guò)程中不需要“傳授”知識(shí)；要么特別強(qiáng)調(diào)某一門(mén)學(xué)科的作用，例如過(guò)分強(qiáng)調(diào)STEM學(xué)科中數(shù)學(xué)的重要性，認(rèn)為數(shù)學(xué)是整合STEM學(xué)科的關(guān)鍵，這些都會(huì)間接導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法對(duì)STEM學(xué)科進(jìn)行有機(jī)整合。如果學(xué)生沒(méi)有底層STEM學(xué)科知識(shí)作為基礎(chǔ)，就難以發(fā)現(xiàn)學(xué)科之間的內(nèi)在聯(lián)系，更沒(méi)有可能綜合運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)創(chuàng)新性地解決問(wèn)題。因此，STEM教師要重視每一門(mén)STEM學(xué)科的獨(dú)立價(jià)值，關(guān)注STEM學(xué)科知識(shí)之間的關(guān)聯(lián)，將STEM學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)化地設(shè)計(jì)成問(wèn)題，幫助學(xué)生系統(tǒng)地掌握STEM知識(shí)，建立起學(xué)科之間的橋梁，進(jìn)行有機(jī)整合。[19]

2.STEM教育中教師角色的定位與轉(zhuǎn)換

教師是STEM教育工作者中的核心人員，[18]對(duì)學(xué)生創(chuàng)新力的培養(yǎng)起到直接作用。為適應(yīng)STEM教學(xué)的需求，STEM教師的角色定位具有多樣性。在課外，STEM教師作為教學(xué)設(shè)計(jì)者，要根據(jù)學(xué)習(xí)者特征，通過(guò)問(wèn)題設(shè)計(jì)有機(jī)整合不同學(xué)科，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新力、問(wèn)題解決能力等；同時(shí)還作為學(xué)習(xí)者，不斷學(xué)習(xí)新知識(shí)，積累STEM教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提高STEM教學(xué)設(shè)計(jì)能力。在課上，STEM教師的角色更多樣，并且還需要根據(jù)教學(xué)情況進(jìn)行角色轉(zhuǎn)換。如在問(wèn)題解決框架提供式案例中，教師主要擔(dān)任顧問(wèn)、引導(dǎo)者的角色，提供的支架相較于傳統(tǒng)教學(xué)方式有所減少，在學(xué)生遇到困難時(shí)提供一定幫助，學(xué)生的主導(dǎo)權(quán)增強(qiáng)。在問(wèn)題解決框架自主生成式案例中，教師更多擔(dān)任搭檔和資源對(duì)接者的角色。在解決問(wèn)題過(guò)程中，教師可能會(huì)以搭檔的身份發(fā)表自己的想法，和學(xué)生一起學(xué)習(xí)、探究，也可能以指導(dǎo)教師的身份管理團(tuán)隊(duì)，為學(xué)生指引方向，也可能作為引薦人幫助團(tuán)隊(duì)尋找社會(huì)幫助，幫助學(xué)生對(duì)接資源。

3.STEM教育中信息技術(shù)的價(jià)值與定位

隨著教育信息化的發(fā)展，信息技術(shù)在STEM教學(xué)過(guò)程中的情境創(chuàng)設(shè)、合作探究、形成性評(píng)價(jià)等方面都發(fā)揮了重要價(jià)值，而如何利用技術(shù)進(jìn)行STEM教育成為眾多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。[20]這也導(dǎo)致部分教師產(chǎn)生STEM教育就是機(jī)器人、3D打印的錯(cuò)誤認(rèn)知，將STEM教育和新興信息技術(shù)劃上等號(hào)，認(rèn)為沒(méi)有信息技術(shù)參與的STEM教育就不是STEM教育。當(dāng)然信息技術(shù)在STEM教育中發(fā)揮的價(jià)值不容置疑，但不是用了信息技術(shù)的就是STEM教育，沒(méi)有用信息技術(shù)的就不是STEM教育。STEM教育最核心的特征是跨學(xué)科性[21]，也可以作為判斷是否是STEM教育的依據(jù)之一。STEM教育中信息技術(shù)有兩種定位，一是信息技術(shù)作為技術(shù)學(xué)科中的一部分，與其余幾門(mén)STEM學(xué)科有機(jī)整合開(kāi)展教學(xué)，是學(xué)習(xí)者要學(xué)習(xí)的、運(yùn)用以解決問(wèn)題的；二是信息技術(shù)還可以作為STEM教育的外部支持，是輔助STEM教學(xué)的，是學(xué)習(xí)者可以借助的力量，以更好地學(xué)習(xí)和解決問(wèn)題。教師在教學(xué)過(guò)程中要客觀(guān)地看待信息技術(shù)的價(jià)值與定位，對(duì)STEM教育理念與本質(zhì)有更深刻的把握。

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（編輯：李曉萍）