STEM+本土化的实践探究

冯碧薇

摘要：STEM指的是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）。立足于国内实际的教育发展现状，许多国内研究者和团队已经开展了STEM+的研究和实践，其中“+”是实施STEM教育本土化的一个符号标志。本文分析了STEM教育本土化发展的动因，结合案例探究了STEM+在本土化实践过程中如何切实地与生活联系并体现其跨学科特点。最后，对STEM教育在国内发展提出了几点建议。

关键词：STEM+ 本土化 实践探究 跨学科

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）的英文首字母缩写词。STEM一词由美国国家科学基金会（NSF）在一次科学教育会议中提出后被广泛使用。美国国家科学基金会对STEM项目作出了更为广泛的定义：STEM涉及化学（chemistry）、计算机（computer）、工程学（engineering）、地球科学（geosciences）、生命科学（life science）、数理科学（mathematical sciences）、物理（physics）、天文学（astronomy）和社会科学（social science）。STEM教育是将各门学科的内容融合为有机体，以更好地培养学生的创新精神和实践能力。与传统教学相比，STEM教育在教学目标、教学方式、评价体系等方面都具有明显的差异（见表1）。

立足于国内实际的教育发展现状，许多国内研究者和团队对国内外教材、创新理念进行了重构，开展了STEM+本土化的研究和实践。其中，“+”是实施STEM教育本土化的一个符号，“它意味着无限可能，不仅体现内容的增加，更是育人理念的全面提升，代表了学生科学精神和综合能力的延伸，强调社会价值、人文艺术、信息技术与STEM的融合，学生智力因素和非智力因素的融合，试图走出一条培养学生全面发展的改革新路”。

一、STEM教育本土化的动因分析

STEM教育理念是美国教育领域的前沿战略，美国高度重视STEM教育的重要原因是解决STEM人才就业不足、人才缺口增大等各项问题。另外，提高国际竞争力也是促进美国实施STEM教育战略的关键原因之一。日本STEM教育的核心推动力则是学生学业成就下降。基于不同的动因，各个国家实践STEM教育的方法不尽相同：美国以建立STEM为核心的学校，在学校中开设STEM课程，建立供学校和社区使用的STEM教育中心等形式加快STEM教育改革的步伐；德国通过设立第三方独立机构提高学生STEM技能；而日本则偏向于传统教育的创新（比如通过修改课程大纲等方式）及国际合作。

基于国内实际教育的发展现状，华东师范大学课程与教学研究所教授赵中建认为：不同于美国，中国借鉴STEM教育理念进行本土化尝试的目标则是更希望凸显出育人价值，即面向全体学生，也旨在全面提升创新素质。在此育人目标下，目前国内的STEM+本土化实践探究以在学校开设STEM+项目课程为主耍手段，旨在培育学生创新思维能力和动手实践能力。

二、STEM+的本土化实践探究

STEM教育是学习方法上的一种改革，以日常生活中常用的一次性餐盒为例，餐盒合成时涉及的化学材料、成分，就是“S”，即科学原理；把餐盒做成固定的形状则是“T”，属于技术手段；如何使用一次性餐盒制作小发明，是“E”，即工程；在回收利用餐盒时涉及到各类型计算，就是“M”，属于数学问题。在实践STEM+教学的过程中，笔者认为需要体现其具备的三大核心特征，即联系实际生活、跨学科性、学生为中心。

探究点1：如何设计可行的STEM项目课题并凸显其与真实世界的紧密联系

生活经验与社会取向的STEM+课程整合模式一般采用基于项目的学习方法，以实践性的项目完成为核心，将高阶思维能力发展与真实生活环境联系起来。中学阶段，通过开设科技类选修课程、科技类社团活动等方式能够激发学生对于STEM+项目研究的兴趣。在中学阶段下的知识储备和视野范围内，学生所能够提出的许多课题大都与生活相联系，来源于自己的所见所闻、期待解决的日常生活中的问题和应用于生活的制作发明，如何引导学生平衡兴趣和科研的可行性才是关键。这就要求学生在设计课题的时候不但要贴近生活，还应当在做好足够的调查和文献查询后，才能完成一份理想的开题报告。

在指导学生进行STEM+研究的过程中，笔者发现有一些方法能够较好地引导学生在资料搜索后提出联系生活实际的课题。其一是“以关键词为导向的课题研究”，由教师预设问题或项目引导学生完成。例如：教师首先介绍以“一次性餐盒”为关键词的研究案例，引导学生通过查阅资料，提出一个与关键词相关的研究方案和设计。该方案设计可以是一项关于一次性餐盒的調查研究，也可围绕一次性餐盒引起的白色污染问题展开的相关科学研究或发明制作。在这种教学引导下，3位感兴趣的学生提出了相关研究方案（见表2）：课题1设计实验研究如何更好地降解PLA类塑料（如温度、化学试剂和降解的微牛物菌株），以解决白色污染问题；课题2通过化学方法将一次性餐盒溶解回收后，再利用化学工程技术将其制作成胶粘剂；课题3则是按照一定的步骤合成凝结多糖并制作成食用包装解决普通塑料难降解的问题。“以关键词为导向的课题研究”的优点是，能够应用已有案例引起学生的兴趣和思考，通过关键词引导学生搜索文献材料，在建立了一定的相关研究方法和前沿知识后再提出方案设计，在一定程度上提高了研究课题的可行性。

其二是鼓励“类比型课题研究”。所谓的类比可以是类比相似的研究手段、设计思路或者研究对象。例如：在STEM+教育实践过程中，曾经提及学生好奇市面上为什么只有绿豆芽却没有赤豆芽做的一个相关课题研究，通过类比相似设计思路，有学生提出“为什么日常生活中只有酸奶却没有酸豆奶”，并成功尝试分离纯化了乳酸菌完成了此项课题研究。再如：表2课题1中使用“唯一碳源法”从土壤中筛选能够降解PLA类塑料的微生物菌群（即用PLA类塑料为唯一碳源，只有能够利用此种塑料的微生物才能够存活生长，其余微生物由于缺乏碳源而无法存活），通过类比相似的研究手段，成功完成的研究型课题也很多（见表3）。由此可见，在了解了原有研究方法、设计方案的基础上，只要进行合理类比，更容易设计一个具有可行性的STEM+课题。

探究点2：如何提供一个将跨学科知识融合的有效载体

STEM教育的另一个核心特征即跨学科陸，这就要求教育工作者不再将重点放在某个特定学科上或者过分关注科学界限，而是更注重于培养学生利用综合的知识和素养解决问题。例如：在我们已有的课程中，劳技、信息技术、科学等课程能够在一定程度上帮助学生提高动手能力，但却无法提供一个串联各门学科的知识进行实际应用的有效载体。

针对STEM教育整合这一目的，国外有许多值得借鉴的理念。美国马里兰大学教授Herschbach提出了相关课程（the Correlated curriculum）模式和广域课程（the broad fields curricNum）模式。“相关课程模式将各科目仍保留为独立学科，但各科目教学内容的安排注重彼此间的联系”。例如：上生物课可能需要学生预先掌握化学原理，生物和化学教师通过沟通，将这两次课安排在时间节点相近进行教学。而广域课程模式则取消了学科间的界限，将所有学科内容整合到新的学习领域。例如：教师通过设计检测PM2.5的装置，将STEM相关知识均包含在内。这两种课程设计在国内STEM+教育中普遍接受程度高，应用也比较广泛。

在STEM+实践探究的过程中，笔者发现主题式教学在跨学科教学整合方面具有很好的效果。借鉴美国高中生参加的一项比赛——美国学术十项全能比赛（USAD），该竞赛包括数学、经济学、科学、社会科学、艺术等10门学科，所有内容都围绕同一个主题（如“印度”、“二战”）进行探究性学习。目前，此种教学方式已经推广到国内，增加了中国赛区，学生通过9人团队参与学习和比赛。这种模式虽然依然存在学科分类的界限，但是由于学科知识点围绕着同一个研究主题，使学生能够灵活地将学习内容融合为一体。教师通过“问题驱动型”的教学模式能够更好地帮助学生进行此种跨学科学习。在教学过程中，一些开放性问题（如“如何看待印度人口增长问题”）能够引导学生将不同学科之间的知识点进行整合，从经济学理论、数学计算、自然科学模型等方面进行思考和解决问题。这些启发式的问题是多学科知识融合的交叉点与整合点，是学生学习与探究的触发器，也是创新学习的载体。

上文中提到，生活经验与社会取向课程整合模式一般采用基于项目的学习方法。在项目设计的实施过程中，许多课题往往涉及到跨学科的知识和技能。例如“天然植物来源的抑菌成分研究”，植物有效成分的提取属于化学研究领域，而成分的抑菌效果需要利用微生物的常识和操作。通过学生自主提出并完成跨学科课题，也是STEM+教育的重要部分。

此外，国外一些微观装配实验室（fab lab）的成立也为跨学科学习提供了良好的平台。目前，国内创新实验室建设很多，但跨学科的创新实验室建设却寥寥无几。通过借鉴国外相关实验室建设的经验，在学校内建立小型的微观装配实验室或大型的跨学科综合型实验室能够为STEM+教育提供更广阔的应用平台。

三、关于STEM+本土化的几点建议

目前，在国內，STEM+教育改革正处于初级尝试阶段，许多标准和制度尚不健全。为更好地实施和开展STEM+，笔者有如下几个建议。①加大宣传和资金投入力度。尽管一些学校已经投入到STEM+教学中，但目前大多数中小学对于STEM+教学理念尚不完全了解，资金投入不够也限制了其在国内的发展。政府加大宣传与资金投入，特别是关注偏远地区的发展，能够更好地推动其在国内的发展。②培养优秀的STEM+教师。“天才的培育离不开培育天才的土壤”，只有通过不断开展教师培训，优化教师团队的质量，才能够进一步推动国内STEM+教育的发展。③注重STEM+实践教学。在推进STEM+科学教育实践过程中，首先通过开设富有特色的STEM+科学创意活动和STEM+创新课程能够培养学生对科研的热爱和兴趣，随后通过创新实验室的建设推荐学生将科技创意转化成成果。在此过程中，不断完善教材、课程和实验室的建设，将为青少年科学素养的培养提供坚实的平台。