蘇詠梅 羅天

【摘要】STEM教育有著豐富的內(nèi)涵和多種理解角度，在其發(fā)展中也伴隨著對其基本概念的爭論。本文對STEM教育的一些基本概念和理解進行了建構(gòu)、分析和討論，提出了一些具有實踐意義的理論框架。

【關(guān)鍵詞】STEM教育;STEM整合;教學(xué)法

自提出以來，STEM教育已經(jīng)逐步成為世界各地教育發(fā)展的新趨勢和新方向。STEM教育的文獻包羅萬象，在形式上包括政府報告、調(diào)研報告、學(xué)術(shù)理論、教學(xué)實證研究和個案討論等;在學(xué)習(xí)階段上從幼兒、小學(xué)、初中、高中到大學(xué)，涵蓋了校內(nèi)和校外、正式和非正式教育;在探討主題上也很廣泛，包括STEM的學(xué)科整合、STEM各領(lǐng)域的參與、教師培訓(xùn)、教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)等。但是，由于不同背景的學(xué)者和教育工作者對STEM教育的概念往往有著不同的理解，STEM教育的討論常常伴隨著迷思和爭議，尤其是關(guān)于下列問題的疑問：“STEM”與“STEM教育”有哪些聯(lián)系和區(qū)別？應(yīng)將STEM視作一門學(xué)科還是一種課程和教學(xué)取向？STEM整合有哪些學(xué)習(xí)內(nèi)容與教學(xué)策略的整合程度和整合模式？科學(xué)、科技、工程和數(shù)學(xué)在STEM教育中各發(fā)揮著什么作用？本文將從這些概念出發(fā)，重新審視、探討和建構(gòu)STEM教育的相關(guān)概念，進而提出對STEM教育的推行建議。

1.“STEM”與“STEM教育”有哪些聯(lián)系和區(qū)別？

全球經(jīng)濟及科技的發(fā)展有賴于科學(xué)、科技、工程和數(shù)學(xué)（簡稱STEM）領(lǐng)域的進步。除了化學(xué)、物理、土木工程和會計等傳統(tǒng)STEM學(xué)科之外，STEM領(lǐng)域還包括一些新興的交叉學(xué)科，如人工智能和生物信息等，這些STEM領(lǐng)域都需要具有跨學(xué)科問題解決能力的科技創(chuàng)新人才。此外，STEM領(lǐng)域之外的許多職業(yè)也需要從業(yè)人員具備一定的STEM素養(yǎng)（NationalScienceandTechnologyCouncil，2013）。

在此背景下，STEM教育應(yīng)運而生，STEM教育不但提供給學(xué)生相關(guān)的科學(xué)、科技、工程和數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，使他們具備相應(yīng)的知識、技能和態(tài)度以滿足未來社會的人力資源需求，還用整合的取向讓學(xué)生經(jīng)歷真實情境下的問題解決過程，進而發(fā)展學(xué)生的高階思維和STEM素養(yǎng)，為學(xué)生未來的工作和生活打下基礎(chǔ)。

從我國的人才現(xiàn)狀來看，尤其是關(guān)鍵科技領(lǐng)域的創(chuàng)新型人才和高水平技能人才，仍是制約我國科技和經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸（王素，2017）。此外，大型國際比較研究數(shù)據(jù)顯示，雖然我國學(xué)生有著較高的數(shù)學(xué)和科學(xué)水平，但是STEM職業(yè)期望低于OECD國家平均水平（王晶瑩，2017）。因此，我國的STEM教育發(fā)展的目標(biāo)之一即是通過深化學(xué)生的STEM學(xué)習(xí)，優(yōu)化進入大學(xué)及更高學(xué)習(xí)階段的科技創(chuàng)新人才，從而增強國家在STEM領(lǐng)域的科技實力。雖然并非每一個學(xué)生都立志在STEM領(lǐng)域工作，但STEM教育的重視實踐、重視合作和重視創(chuàng)造性問題的解決等特征能有效地培養(yǎng)學(xué)生在科學(xué)、科技、工程和數(shù)學(xué)方面的核心素養(yǎng)，有利于我國公眾科學(xué)素養(yǎng)的建設(shè)，有助于形成社會崇尚科技創(chuàng)新、尊重科學(xué)技術(shù)的氛圍。因此，STEM領(lǐng)域的發(fā)展和STEM教育的發(fā)展是相互關(guān)聯(lián)的。圖1解釋了K-12階段、大學(xué)階段及社會/國家層面的STEM教育和STEM領(lǐng)域發(fā)展的聯(lián)系。

盡管STEM教育和STEM領(lǐng)域的發(fā)展緊密相關(guān)，但是在社會經(jīng)濟和發(fā)展層面上推動STEM發(fā)展與在學(xué)校教育中推動STEM發(fā)展的側(cè)重點是不同的。推動STEM領(lǐng)域發(fā)展需要產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、科創(chuàng)領(lǐng)域政策支持和鼓勵科技創(chuàng)新人才投身于STEM行業(yè)參與創(chuàng)科發(fā)展;STEM教育則是從育人層面出發(fā)，通過提倡教師多運用問題解決型、合作型和項目型的實踐課程進行教學(xué)，提供更多整合的科學(xué)、科技、工程和數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)機會，將學(xué)生的學(xué)習(xí)與社會緊密聯(lián)系起來。

2.應(yīng)將STEM視作一門學(xué)科還是一種課程和教學(xué)取向？

一些文章把STEM這個整合了科學(xué)、科技、工程和數(shù)學(xué)四大領(lǐng)域的概念界定為一門學(xué)科，一些文章將STEM定義為跨學(xué)科的課程和教學(xué)取向，那么究竟應(yīng)該把STEM視為一門新的學(xué)科還是一種課程和教學(xué)取向呢？這是一個在設(shè)計和實施STEM教育之前值得教育者思考的問題。

有的教育工作者把STEM看作一門學(xué)科，放人學(xué)校課程內(nèi)。但STEM并不具備知識體系，或者說它可以適用于廣泛的知識內(nèi)容，因為目前難以制定統(tǒng)一的課程標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)習(xí)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)，所以也難以制定相應(yīng)的學(xué)生學(xué)習(xí)評價和教師資質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。我們可以將STEM理解為一系列學(xué)科的集合，尤其是在高等教育的話語體系內(nèi)。在當(dāng)前缺乏系統(tǒng)性STEM教師培訓(xùn)和課程標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的現(xiàn)狀下，將STEM作為一個單獨的學(xué)科看待將會面臨多方面的困難。

有的教育工作者將STEM看成是一種課程和教學(xué)取向。STEM教育需要運用不同領(lǐng)域的知識、技能和態(tài)度，來學(xué)習(xí)解決實際生活中的一些實際的問題。把STEM理解為一種課程和教學(xué)取向時需要注意：STEM作為一種教學(xué)模式，不僅是重學(xué)科整合、重合作和重真實情境下問題的解決，也重在強調(diào)科學(xué)、科技、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)容的學(xué)習(xí)。因此，項目式學(xué)習(xí)和問題式學(xué)習(xí)等不限定學(xué)科內(nèi)容的教學(xué)模式并不能與STEM學(xué)習(xí)等同。

有些人將STEM教學(xué)理解為在現(xiàn)有的數(shù)學(xué)和科學(xué)課程中添加額外的主題課程;另一些人則將STEM教學(xué)理解為把STEM設(shè)置于各學(xué)科中，從而為每個學(xué)科提供更深人的學(xué)習(xí)意義。若將STEM理解為一種課程和教學(xué)取向，可以選擇設(shè)計和實施STEM課程/活動和在原有的其他課程中運用STEM教育理念兩種形式。若是選擇設(shè)計和實施STEM課程，考慮到教師自身不同的學(xué)科背景差異，學(xué)校通常會建議由不同背景的老師成立工作小組，來配合跨學(xué)科性質(zhì)的STEM教學(xué)和課程設(shè)計。這樣的STEM課程實施可以豐富和補充已有的探究性學(xué)習(xí)和研究型課程群（趙興龍等人，2016）。另一方面，教育工作者也可以選擇開展短期的STEM活動，如在外界（企業(yè)或大學(xué)等）的支持下，學(xué)?？砷_展STEM嘉年華和STEM競賽等活動，這些活動都有助于培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生對STEM領(lǐng)域的學(xué)習(xí)動機和興趣。

若是在原本的課程或教學(xué)中運用STEM理念進行教學(xué)設(shè)計，則需要在進行科學(xué)、科技和數(shù)學(xué)教學(xué)時更注重應(yīng)用，并且要注重本學(xué)科與其他STEM領(lǐng)域的聯(lián)系。例如，在學(xué)習(xí)風(fēng)力發(fā)電的原理時，以往可能僅從科學(xué)知識的層面學(xué)習(xí)，而在STEM取向的風(fēng)力發(fā)電專題中，學(xué)生需要在真實情境的問題解決中綜合運用不同學(xué)科的知識、技能和思維模式（見圖2）。由于經(jīng)濟、地理、環(huán)境、氣候、科技水平、動能和電能條件均在不同程度地制約著風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的工程設(shè)計，在學(xué)習(xí)該主題時，學(xué)生還需要綜合考慮不同學(xué)科的因素。

再如，學(xué)習(xí)設(shè)計一個智能保溫感應(yīng)衣。學(xué)生不僅要學(xué)習(xí)編程來控制溫度傳感器的工作，還要運用科學(xué)原理和科學(xué)探究過程來選擇合適的保溫材料，運用數(shù)學(xué)運算和表達（如折線圖）來比較和展示不同材料的保溫效率，運用工程設(shè)計循環(huán)（見圖3）。通過運用多學(xué)科、跨學(xué)科的知識、技能和能力來解決問題是學(xué)習(xí)STEM的重要特征之一。

3.STEM整合有哪些學(xué)習(xí)內(nèi)容與教學(xué)策略的整合程度和整合模式？

對于STEM教學(xué)的理解和實施有著不同的理解?；赩asquez等人（2013）的理念，English（2019）提出了STEM整合的四種程度，即學(xué)科的（disciplinary）、多學(xué)科的（multidisciplinary）、跨學(xué)科的（interdisciplinary）STEM到超越學(xué)科的（transdisciplinary）STEM整合，這樣的分類學(xué)理性很強，但是不便于實際課堂教學(xué)的應(yīng)用。

Cheng與So（2020）從學(xué)習(xí)內(nèi)容、教學(xué)策略和學(xué)習(xí)者三個層面探討了STEM教育中的整合。學(xué)習(xí)內(nèi)容整合是指整合了不同類型和領(lǐng)域的學(xué)科知識內(nèi)容;教學(xué)策略整合是指整合了不同的教學(xué)策略或認知活動;學(xué)習(xí)者整合是指不同的STEM教學(xué)設(shè)計表現(xiàn)出不同程度的學(xué)習(xí)內(nèi)容和教學(xué)策略的整合。

例如，在STEM課堂中學(xué)習(xí)如何編程或操作機器人，并獲得相關(guān)的實踐知識，其內(nèi)容和教學(xué)整合的程度較低，尚未跨越學(xué)科和方法的界限。如果學(xué)習(xí)的目的僅僅是在STEM的特定領(lǐng)域中學(xué)習(xí)一些技能和實踐知識，這種模式可能會有效地減少教學(xué)設(shè)計和實施的復(fù)雜性和難度。

有的STEM教學(xué)設(shè)計中讓學(xué)生用吸管制作穩(wěn)固的橋，或制作飛行更高、更遠、更長時間的紙飛機或水火箭。這種模式的特點是低整合程度的學(xué)習(xí)內(nèi)容（通常只涉及單個或少數(shù)學(xué)科）、高整合程度的教學(xué)方法或認知活動。在這種模式中，STEM學(xué)習(xí)集中在一個有限的領(lǐng)域或?qū)W科，雖然能有效地為學(xué)生提供深人理解學(xué)科概念的機會，但是并不能給予學(xué)生靈活運用多學(xué)科概念和思維的學(xué)習(xí)經(jīng)歷。

在這個設(shè)計中加人更多科學(xué)概念的理解及數(shù)學(xué)模型的運用或可以提高內(nèi)容的整合程度。

也有些STEM學(xué)習(xí)活動讓學(xué)生閱讀與科技創(chuàng)新有關(guān)的材料，以及帶中小學(xué)生到大學(xué)實驗室參觀高科技的示范或展品。這種模式的特點是高整合度的學(xué)習(xí)內(nèi)容和低整合度的教學(xué)方法（如自主閱讀和講授式學(xué)習(xí)）。在這種模式下，學(xué)生在學(xué)習(xí)內(nèi)容上有很大的自由度和廣度，但獨立或受限的教學(xué)方法和認知活動，不利于學(xué)生建立豐富的跨學(xué)科概念聯(lián)系和鍛煉解決復(fù)雜真實問題的高階思維。

另一個STEM教學(xué)案例讓學(xué)生模擬水利工程師的工作。學(xué)生在學(xué)習(xí)了水利工程師的日常任務(wù)，以及利用水庫進行太陽能發(fā)電的科學(xué)原理后，小組合作設(shè)計一個仿真的浮動太陽能發(fā)電系統(tǒng)，獲取可再生能源，以解決為水庫持續(xù)供應(yīng)能源的問題。學(xué)生需要模仿真實的系統(tǒng)，設(shè)計、制作和測試漂浮在水桶中的迷你太陽能電池板。此外，還需要研究在水庫上使用太陽能電池板所產(chǎn)生的問題，如太陽能電池板對藻類生長的影響。這種STEM學(xué)習(xí)模式的特點是高整合度的學(xué)習(xí)內(nèi)容和高整合度的教學(xué)策略，讓學(xué)生參與多樣化的學(xué)習(xí)和認知活動。

值得注意的是，更高的整合程度并不一定就是適合的（NationalResearchCouncil，2014）。以上幾種模式（見圖4）整合程度越高，教師進行教學(xué)設(shè)計和實施的復(fù)雜性越高。此外，教師需要慎重考慮學(xué)生是否有足夠的知識、能力和時間來處理高整合度的STEM學(xué)習(xí)中可能遇到的認知負荷，及隨之而來的學(xué)生學(xué)習(xí)動機的下降。English（2019）指出，對于研究者和教育者而言，人們常常對STEM教育和STEM整合有著不同的理解，而這些不同的理解會造成一些誤讀和困擾。希望上文對不同層面的整合度的分析能夠幫助STEM教育工作者理解自己和他人所持的不同的觀點視角。

4.科學(xué)、科技、工程和數(shù)學(xué)在STEM教育中各自發(fā)揮著什么作用？

STEM教育中的科學(xué)不僅指科學(xué)知識內(nèi)容，也包含科學(xué)探究循環(huán)及其步驟。科學(xué)探究常常作為STEM教學(xué)的支架和主體。Pedaste等人（2015）認為探究的步驟應(yīng)包括提問、假設(shè)、探索、實驗、解釋數(shù)據(jù)和交流。科學(xué)探究活動包括：由成立假設(shè)開始探究，并設(shè)計對照實驗;進行探究，同時找出錯誤的來源和收集數(shù)據(jù)的局限性;得出與科學(xué)現(xiàn)象相關(guān)的研究結(jié)論，并為進一步研究提出改進和建議（So等人，2018）。STEM教育中的科學(xué)不僅能夠讓學(xué)生參與科學(xué)知識學(xué)習(xí)和科學(xué)探究過程，還有助于培養(yǎng)學(xué)生的實證、客觀和理性的科學(xué)精神。

STEM教育中的科技包括計算思維的應(yīng)用，還包括科技產(chǎn)品和流程的學(xué)習(xí)及應(yīng)用。So（2018）等人提出，STEM教育中除了使用程序設(shè)計、編碼和計算思維，使用儀器或科技產(chǎn)品進行數(shù)據(jù)收集、處理和表達同樣重要。計算思維是21世紀(jì)的一種新素養(yǎng)，讓人們透過它來實現(xiàn)新的思維方式、交流和表達想法（Bers，2018）。Castro（2015）建議，學(xué)生既是科技的消費者又是生產(chǎn)者，進行編程活動可以讓學(xué)生成為積極的創(chuàng)造者和生產(chǎn)者，而不是單純的科技消費者（Bers，2018;Eguchi，2014）。

在STEM教育中，工程設(shè)計循環(huán)和設(shè)計思維的重要角色越來越受到認可?？茖W(xué)探究和工程設(shè)計循環(huán)往往被視作STEM活動中的主干。Martin-Ptez等人（2019）更認為工程學(xué)的應(yīng)用有助于學(xué)科整合，可以在一定程度上減少設(shè)計STEM活動的難度。Kelley與Knowles（2016）提出，工程設(shè)計過程應(yīng)包括識別問題、頭腦風(fēng)暴、設(shè)計、制造、測試評估，以及重新設(shè)計。這些過程和實踐通常是STEM的跨學(xué)科問題解決及其教學(xué)的重要成分。STEM教學(xué)中工程思維的鍛煉有助于學(xué)生成為一個有經(jīng)驗的設(shè)計者和問題解決者。English（2019）總結(jié)了七個有經(jīng)驗的設(shè)計者的思維策略和特點：問題的結(jié)構(gòu)化、思維的流暢性、詳細的草圖設(shè)計、能平衡取舍收益及損失、診斷性問題解決、受控制的設(shè)計循環(huán)和反思性的設(shè)計思維。

STEM教育中的數(shù)學(xué)不僅包括數(shù)學(xué)運算，也可包括數(shù)學(xué)建模。數(shù)學(xué)建模不僅指將現(xiàn)實世界的問題轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)問題來解決的迭代過程，還指涉及維持數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)與它所代表的現(xiàn)實世界之間的關(guān)系（Czocher等人，2020）。數(shù)學(xué)建模能力有七個不同活動：制定任務(wù)、系統(tǒng)化、數(shù)學(xué)化、數(shù)學(xué)分析、解釋結(jié)果、評估建模的有效性和交流（Czocher等人，2020）。數(shù)學(xué)建模是對現(xiàn)實生活中的復(fù)雜情況進行數(shù)學(xué)化、驗證和概括的過程（Kertil&Gurel，2016）。

表1梳理了上文的討論，描述了STEM跨學(xué)科學(xué)習(xí)中科學(xué)、科技、工程和數(shù)學(xué)可以扮演的角色。未來研究可以多關(guān)注學(xué)生STEM跨學(xué)科學(xué)習(xí)中各個領(lǐng)域的學(xué)習(xí)效果。English（2019）發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)效果在整合的STEM學(xué)習(xí)中并不如其他三個領(lǐng)域，且關(guān)于整合的STEM學(xué)習(xí)中，工程學(xué)領(lǐng)域?qū)W習(xí)效果的研究較少，所以建議未來的研究應(yīng)多關(guān)注整合的STEM教育中的數(shù)學(xué)和工程的學(xué)習(xí)成果。

本文通過對STEM教育中關(guān)鍵概念的討論，希望厘清STEM領(lǐng)域和STEM教育發(fā)展的區(qū)別和聯(lián)系，解讀STEM作為一個課程和教學(xué)取向的指導(dǎo)意義，辨析STEM有哪些程度的學(xué)習(xí)內(nèi)容和策略的整合，以及梳理科學(xué)、科技、工程和數(shù)學(xué)在STEM教育中發(fā)揮的不同作用。Cheng和So（2020）指出，STEM教學(xué)中有效的整合不僅僅取決于課程和教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計，還取決于課程目標(biāo)和教學(xué)法的設(shè)計、資源、學(xué)生特點和其他背景因素。未來的研究可以關(guān)注在整合的STEM教育中如何推進課程建設(shè)和培養(yǎng)學(xué)生的各種學(xué)習(xí)目標(biāo)（English，2019），以及不同程度和模式的STEM整合為教師帶來的挑戰(zhàn)和給學(xué)生帶來的收益。

（本文作者蘇詠梅系香港教育大學(xué)教授;本文作者羅天系首都師范大學(xué)講師）

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