美国STEAM课程的实践和启示

美国的实践：从STEM到STEAM到STREAM

STEM源于四个学科的缩写，S代表科学（Science），T代表技术（Technology），E代表工程（Engineering），M代表数学（Mathematics）。这四个学科的整合，相近于我国教育教学领域的“理工科”。

STEM的重点在科学教育。美国的科学教育主要是指生物、化学、物理、地球或环境。21世纪以前，美国50个州中只有40个州对科学课有要求，而且要求只学两年。2001年颁布《不让一个孩子掉队》法案以后，美国教育部门开始重视科学教育课程。以前美国的技术教学与中国的劳技课相似，小学里的技术课也类似于中国课堂情境下的手工劳动。现在加入了越来越多高科技的内容。在工程方面，原来中小学课程没有工程内容，现在工程教育进入中小学。2010年，已有九个州把工程正式列入课程标准，目前这个数字已经大增，但并不是所有州的课程里都有工程。在数学方面，美国中小学数学内容领域包含了我们熟悉的算术、几何、代数、三角的内容，最大的不同是美国的高中有微积分。美国有43个州规定学生必须学习两年的数学必修课。

近年来，美国教育研究者和实践者愈加认识到艺术教育对科学教育的重要影响，特别是艺术教育对于学生创新创造思维的培养能够在很大程度上转化、融通并促进科学教育中的创造力。因此，在原有STEM基础之上添加了艺术Arts（简写为A），发展成为STEAM。最近在美国教育界一些学者和实践者们开始倡导STREAM的理念，其中新添加的R代表写作（wRiting）。写作为什么重要？美国做过一项研究，把我们认为的诺贝尔奖获得者和科学院士等最顶尖的科学家和一般的科学家做比较，发现他们在写作方面存在着巨大的差别，从统计数据来看，大约有20倍的差异。因此人们逐渐认识写作的重要性。

STEAM课程的特点和内容

强调学科的整合。美国提倡的STEM到STEAM，再到STREAM，最核心的概念就是学科的整合。用整合取代分科，学科界限渐渐消失。

美国从1894年十个著名哈佛教授成立的十人教授委员会对美国学校的课程进行评价以来，一直在关于分科还是整合学科的问题上争鸣不断、改革不断，分久必合，合久必分。目前提倡的STEAM课程是最典型的整合学科的实践代表。STEAM强调知识和技能的整合，但是分两层，一层是原有特定学科的知识和技能，一层是跨学科的知识和技能。多学科和跨学科的课程组织方法是不一样的。多学科课程组织方法是，以特定主题为中心，不管有多少门学科，例如语文、数学、艺术等，所有课程都围绕这个主题开展教学。跨学科的课程组织方法更加强调各个学科之间的连接和交叉，而不是把一个学科和另外一个学科分开来讲授。学科整合根据不同学科知识和技能融合的方式与程度分为几种水平：序列式、平行式、部分式、提升式和总体融合式。其中总体融合式的水平最高。

美国新一代的科学教育标准很好地回答了“学什么”这个问题。该标准提出了学科核心概念和跨学科核心概念这两个维度。学科核心概念指的是，每个学科有本身的核心概念。以生命科学为例，其核心概念包括：LS1（从分子到器官：结构与过程）、LS2（生态系统：相互作用，能量和变化）、LS3（遗传：特质的遗传与变异）、LS4（生物进化：单一性与多样性）。跨学科核心概念指的是，各个学科之间有共同的跨学科核心概念。例如，STEAM课程的跨学科核心概念包括：模式，因果关系——方式及其解释，度量、比例和数量，系统和系统模型，能源和物质——流动、循环和储存，结构和功能，稳定性和变化。

STEAM课程的内容还要紧跟科技的发展趋势。目前科学技能领域的一个新趋势是特别强调计算思维。现在人类已经进入人工智能（Artificial Intelligence，AI）时代，而人工智能的背后是计算思维。因此，这一趋势带来的启示是，学校的STEAM课程设置中从低年级起就应着重培养学生的计算思维。所谓的计算思维教育，就是要让孩子理解AI背后的计算思维，要让孩子们像计算机科学家那样去思考问题，将来能够理解机器人是怎样构造以及如何运作的。最近，哈佛大学与麻省理工学院合作把计算思维课程内容模块化，提供给中小幼学生。未来的课程组织趋势是整合，因为当前信息时代的知识量非常庞大，而很多的知识都是碎片化的，处理碎片化知识的最有效途径就是整合。

强调综合能力的培养。另一方面，STEAM课程理念与目前国际上倡导培养学生关键品格的教育形势紧密关联。在中国，人们将这些关键品格称为核心素养；在美国，称为21世纪的能力。这些能力本身就是复合性的，必须通过跨学科的、整合的课程设置来培养。世界经济论坛提到，应对未来必须具备三大块核心素养：一块是基础素养；另一块是胜任力，包括一些基本的、很重要的创造能力、沟通能力；第三块是个性特质，如领导力和适应社会的个性品质。无论中国、美国，还是世界经济论坛都强调培养学生的批判性思维、创新思维、合作能力，而STEAM课程为发展这些素养、能力和品质提供了很好的基础。

世界经济论坛提出的21世纪技能

STEAM课程的实施

STEAM课程的教学特点可以归纳为：学习环境是探究式的，学习内容是跨学科的，学习方法是基于项目的，教师角色是支架式的。

STEAM课程的学习环境是探究式的，学习内容是跨学科的。科学教育教学容易陷入一个误区，就是把抽象的科学概念以抽象的方法教给学生。然而科学概念的发展是从具体到抽象的，要破解这个误区，就要回到原本的、真实的情境中。因此，STEAM课程的教学强调真实情境。复杂的真实世界中的问题几乎都是需要多学科的、跨学科的知识和技能去解释和解决的。教学如果要促进跨学科的知识运用，必须对真实情境的现象进行探究、抽象和归纳；教师不应该期望学生在运用单一具体的例子解决问题时，能从背后的抽象表征中做出推断。探究式的跨学科的学习有助于长期及短期的概念迁移和知识运用。

STEAM的学习方法是基于项目式的学习。理想的探究式学习要借助于项目式的学习，而项目式学习的关键，在于项目活动的设计。STEAM学习中结合了工程，这为项目学习提供了很好的途径。中国教师可能最不熟悉的是工程，因为中小学没有这一门课。过去在美国也是只在大学才开始教授工程这门学科，后来发现大学生学习工程已经为时太晚，工程教育应该从小的时候就开始。理解工程设计的特征，有助于教师们更好地开展STEAM教学。工程设计的流程是：提出问题、调查现状、构思、设计、制作、测试、改进成果和成果展示。工程本质上就是设计、构造一个物品或物件，是项目式学习的具体化。

STEAM教学过程中教师的作用是支架式的。STEAM学习结果很大程度上取决于教师的经验和教师有效支持学生问题解决的能力。高水平STEAM教师的角色是提供协助，如悉心安排社会支持、监控学习、帮助学生保持在达成目标的轨道上。STEAM教师还要使跨学科的整合学习过程更加清晰。学生一般不能做到即时整合和深刻理解他们所学的各个学科的概念，或不能整合包括各个学科的跨学科的核心概念。STEAM教师要清楚地把学生注意力吸引到不同学科之间的深层结构关系，要把这些关系讲清楚，帮助学生深刻地理解跨学科的核心概念。

STEAM教师还要强调科学学习过程中的社会学习。社会学习的过程是观察、模仿、合作、展示、塑造。社会学习的最好形式就是组成学习共同体。STEAM的学习共同体有如下特征：小组的每个成员要承担有意义的角色；对所有参与者都要求最大程度的参与；轮换角色和互换同伴指导；为每个学生，不论组内还是组外，制定清晰具体的学习目标和评估方式。此外，教师们熟悉的一些理论，如认知理论、建构理论、情境理论、支架理论等都能有效促进STEAM教学及培养学生核心素养。

STEAM课程在美国和中国面临的共同挑战和障碍，不是缺少学习材料或适当的设备，而是缺少能教好STEAM课程的师资队伍。老师必须自身具备STEAM素养才能成为有效的STEAM老师。要解决这一困境，第一个办法是邀请高校教师到中小学教STEAM；第二个办法是开展多学科教师的团队合作，但这一途径中最稀缺的是工程学科教师。幸而，在中国有很多工科学生和工程人员，因此可能的解决方案之一是中小学校与高校和工厂企业开展合作。中小学STEAM课程的教学不能离开大学，要充分利用大学的资源，与大学建立紧密联系。

STEAM课程的评价

如何了解学生在STEAM课程中学会了什么，这是评价的问题。通常教师们熟悉的是特定学科的评价，但不熟悉整合型、项目型学习的评价方法。解决途径之一就是要求教师设计对于具体学科和整合学习均有效的评价，及运用多种形式的评价，如形成性评价、临时性评价、总结性评价等，也就是综合评价，来评价学生的学习效果。设计STEAM综合评价需要回答两个重要的问题：一是什么才能算是学习的证据，二是什么类型的情境和任务才能引出这些证据。因为STEAM的课程学习过程实际上是工程设计的过程，其结果就是学习、设计出的产品，产品就是一种核心证据。另外还要收集有关学生设计过程的证据，即学生学习和思维过程的评价证据。

在此举一个STEAM课程整合信息技术的评价案例。波士顿科学博物馆开发了一个为期8周的关于能源概念的项目。每位参加这个项目的学生都可以在手机上或电脑上使用一个名叫“工程师笔记本”的App。这个App会把学生所有的操作步骤记录下来，包括最初的草稿、历次修订的版本，以及学生的互动。在形成性评价方面，新开发的嵌入式评价任务和题目是自动计分的；有些设计和画图可以被同伴评价；对于自动计分的任务和题目，计算机系统提供个性化的反馈，并生成评估报告；学生学习进展报告可录入“工程师笔记本”中，也可以作为教师所教班级成绩的记录。在终结性评价方面，学生可以打印自我评价、概念图，教师使用等级量表对此进行评价。此外，项目结束后可实施机考，并实现自动化计分。

最后分享一个关于STEAM教学的案例。这是东波士顿小学和其他几个小学合作设计的项目。该案例以郑和下西洋的故事为背景。郑和到达非洲后，带回来一个非洲的长颈鹿献给了当时的明朝皇帝，明皇帝觉得长颈鹿是一个吉祥物，会给大明朝带来福气，于是请画家给长颈鹿画画，请诗人为它作诗。美国东波士顿小学的STEAM教师们觉得这个故事很有趣，于是在2001年参加了与丝绸之路有关的研讨会，阅读了大量相关资料，并在2004年去到长颈鹿的家乡非洲，请当地的百岁老人参与访谈，做了关于长颈鹿的口述史研究。教师们非常努力地通过不同途径积累收集了相当丰富的材料，但不可能把所有这些材料都呈现给学生，且必须要有一个核心主题贯穿整个STEAM课程项目，因此最后确定主题为“非洲长颈鹿到中国的旅行”，因为长颈鹿被视为中非友谊的象征。在这个整合型的课程中，各门学科都结合工程设计，设置了相应的项目学习内容，如通过图形、测量等学习数学的知识与技能，通过建筑设计和构造船只学习工程学科的知识与技能，通过建筑绘图加强艺术学科的知识与技能等。评价的内容和方法也是以学生的项目学习成果展示为主。