“双高合作”——突破STEM教育瓶颈的有效尝试 *

朱 征

(南京大学 教育研究院，江苏 南京 210093)

STEM是科学、技术、工程与数学四门学科英文首字母的缩写，但STEM教育并非这四门学科的简单组合，而是一种基于真实问题(或项目)的解决，融合不同学科知识，从而形成严谨的和系统化学习经验的学习方式。

STEM教育注重学生科学素养、技术素养、工程素养及数学素养等科学理工素养的培养，其发展方向是以技术为桥梁，实现跨学科的整合，关注新技术及其实践应用，旨在培养能够综合运用多学科知识解决实际问题的复合型创新人才。

一、我国中小学STEM教育机遇与瓶颈

2012年《上海教育·环球教育时讯》开辟STEM教育专栏，这是我国教育杂志第一次较为集中地介绍STEM教育。2016年，我国教育部《教育信息化“十三五”规划》指出“有条件的地区要积极探索信息技术在‘众创空间’、跨学科学习(STEM教育)、创客教育等新的教育模式中的应用，着力提升学生的信息素养、创新意识和创新能力，养成数字化学习习惯，促进学生的全面发展，发挥信息化面向未来培养高素质人才的支撑引领作用”[1]。2017年2月教育部颁布的《义务教育小学科学课程标准》中首次有了中国版的STEM定义，其中指出“科学、技术、工程与数学，即STEM，是一种以项目学习、问题解决为导向的课程组织方式，它将科学、技术、工程、数学有机地融为一体，有利于学生创新能力的培养”[2]。该定义凸显STEM教育跨学科、项目式学习以及解决问题这三个特点，更强调创新能力培养。2017年6月，中国教科院成立了STEM教育研究中心，对STEM领域进行广泛而深刻地研究，一年不到的时间内，该研究中心先后发布了两项科研成果——《中国STEM教育白皮书》和《STEM教师能力等级标准》。2018年5月15日，“中国STEM 教育2029行动计划”在中国教育科学研究院的牵头下正式启动。

可以说，近5年的时间里，STEM教育在我国中小学中逐渐升温。上海、北京先后成立了STEM教育云中心，江苏、浙江先后召开了全省STEM(STEAM)教育大会。我国STEM教育研究也呈现出逐渐繁荣的态势。但是STEM教育发展也面临了一系列问题与挑战。

(一)缺少打通学段的整体设计

如今越来越多的中小学甚至幼儿园开展STEM教育，有的开展机器人制作、创客比赛，有的开设3D打印、计算机编程等选修课，一时间各地都有STEM研讨会、各校都有STEM中心，就连各种社会培训机构都热推STEM体验课，STEM教育可谓“遍地开花”。但是由于缺少国家层面的顶层设计，没有不同年段的STEM课程标准、没有规范的教材，使得各地各校对STEM教育的认识各不相同，对其教学标准把握不一，更加缺乏不同年段STEM教育的系统性和连贯性。

(二)社会联动机制不够健全

学校是目前开展STEM教育的主阵地，但是由于受到课时数量、场地空间、教材教具、师资配备都软硬件的制约，学校顺利开展STEM教育存在一定困难，校外资源的支持就显得尤为重要。但是目前国内缺少政府层面或社会机构作为中间桥梁，建立联动机制，将中小学与高校、科研院所、博物馆、科技馆、企业、科创公司等有效整合，从而开展高效的合作[3]。

(三)师资队伍整体水平不高

教师是实施STEM教育的关键，STEM教育需要教师提升跨学科综合能力，并与不同学科教师开展项目合作，需要更加关注学生学习的路径，支持或帮助学生更好跨学科地分析与解决问题。我国目前中小学教师几乎都是单科培养产生，自身缺乏跨学科学习的经历，更没有STEM教学经验，打破学科边界进行跨学科的综合教育对教师们来说是很大的挑战。而我国目前的教师职后培训更多的是教学方法和技能的提升，学科专业知识的专门培训很少，因此普遍存在在职教师不了解学科发展前沿、学科知识不能及时更新的情况。因此，师资问题在我国STEM教育中较为突出。

以上这些STEM教育发展中面临的问题与挑战正逐渐成为制约STEM教育顺利推进的瓶颈，如何突破瓶颈成为STEM教育研究者和实践者思考的问题。

二、美国中小学STEM教育实践与启示

STEM教育，最早起源于20世纪80年代美国的高等教育领域。美国前两任总统执政时期都高度重视STEM教育，把STEM教育提升到国家层面发展的策略是美国STEM教育发展的一个重要特征。进入21世纪以后，美国意识到中小学阶段的STEM教育落后于其他国家，学生在科学和数学方面的国际比较中，美国处于中等偏下水平，国家教育评估结果显示，只有不到三分之一的8年级学生精通数学和科学。2010年美国总统科技顾问委员会颁布的《培养与激励：为了美国未来的 K-12 科学、技术、工程和数学教育》成为专门针对 K-12 阶段STEM教育的政策文本，明确了在中小学实施STEM教育的重要性，从而使STEM教育与美国K-12教育紧密联系起来。特朗普总统自上任以来，一直大力推动STEM教育，2017年2月，特朗普签署了两项与STEM相关的法案，授权美国国家航空航天局(NASA)和国家科学基金会(NSF)鼓励更多女性学习并进入STEM领域，9月又签署了一份备忘录，将拨款2亿美元加大对科学、技术、工程以及数学(STEM)专业教育的支持，尤其注重计算机科学和编程方面的学校教育。

美国的STEM教育从高等教育延伸到中小学教育中有近20年的历史，不论是《培养与激励: 为了美国未来的 K-12 科学、技术、工程和数学教育》及之后的一系列政策法案，还是各州各学校的STEM教育实践，都有很多经验值得借鉴。

(一)中学大学衔接，丰富学生学习体验

美国联邦政府对K-12年级学生的STEM教育不仅能在教室中产生，还能通过教室外的个人和团队经验创建机会，寻找灵感。因此，联邦政府主动发起激励行动，支持开发一系列高质量的基于STEM的课外活动和拓展性日常活动，如STEM竞赛活动、创客实验室、暑假及课外计划等类似活动。美国一项STEM教育相关调查表明，通过一个为期2-3周的大学暑期科学研究项目，向6-12年级学生提供实地考察、在实验室开展实验等学生在学校里不曾体验的真实、科学的相关学习机会，将对学生的科学成就和科学态度产生显著的、长期的效果。

美国在STEM教育的实践中注重中学与大学的有效衔接。奥巴马总统曾呼吁全面重新思考高中生应该获得的经验，鼓励学校增加创新模式、个性化地开展教学，让学生在毕业前能接受严谨的、适合他们的教育，为他们顺利过渡到大学学习和未来职业提供保障。

在美国有许多专门的STEM特色学校，这些学校以STEM为重点学科，教学环境不局限于课堂，它们为学生提供严格的、为大学做准备的STEM密集型课程。加利福尼亚州的高技术高中(High Tech High)就是STEM特色学校的典范，它拥有K-12年级的一贯制办学体系，学生们从个人兴趣出发开展各种项目学习。初中学生可以在当地公司或机构完成长达一学期的学术学习，高中学生从兴趣和关注点出发，开发一个解决社区问题的实体项目。

除STEM特色学校外，美国还有先修学院(Early College)。先修学院高中有一套完备的课程体系，能为学生免费提供提前修学大学学分的机会，将高中和大学融为一体，从而缩短了高中阶段的学习时间。北卡罗来纳州维克STEM先修学院高中就是一个案例。它是北卡罗来纳州维克县、北卡罗来纳州立大学和北卡罗来纳州新学校工程的联合项目，学生在获得高中文凭的同时，还可以修最多两年的大学学分。学校鼓励那些对科学、数学、工程和技术感兴趣的学生申请该课程，该课程免费对学生开放，甚至选修大学课程也是免费的。

(二)联邦政府主导，形成社会联动机制

联邦政府在实现国家K-12年级的STEM教育目标上扮演了重要角色。联邦政府大力支持各州主导的数学和科学标准共享行动，为各州提供财政和技术支持。同时，联邦政府在STEM教师培养、保留及奖励方面、STEM学校创建、学生培养与激励以及教育技术支持等方面都发挥了主导作用。

奥巴马总统在任期间，政府采取多重策略推动STEM教育发展，将STEM置于政府教育工作的优先地位。奥巴马总统本人对此也深切关注，他号召20万名联邦科学家及工程师在当地社区开展志愿活动，并思考鼓励学生参与到STEM的创新活动中。教育部作为K-12年级STEM教学的牵头者，强力支持参与性的活动，构建校内学习与校外学习之间的桥梁并提高两者的效率。

联邦政府注重与非联邦的合作伙伴开展战略合作，通过与高等教育院校、专业和科学学会、私人机构、慈善部门、植物园、博物馆、科技馆、课外活动供应商的合作，拓宽美国STEM教育的渠道以及发展STEM学科的途径。例如，成立于1846年的史密森学会(The Smithsonian Institution)拥有19家博物馆和美术馆、国家动物园以及9个研发中心，该学会致力于增进多学科领域的参与机会。在联邦STEM活动的背景下，史密森学会凭借其特有的实力，扮演着促进与广大民众交流信息的角色。

美国的 STEM 教育很大程度上正是得益于其社会组织网络，美国联邦政府和各州、地方政府的支持下，有来自政界、学界、企业界、学校、社区和家庭的利益相关群体共同参与。

(三)校内校外合作，促进教师专业发展

美国越来越意识到STEM教育确保卓越的最重要因素在于优秀的STEM教师，他们既要有深厚的STEM科目内容的知识，又要掌握能教好这些学科的科学技能。为此，奥巴马政府提出要培养10万名合格的STEM教师，联邦预算投资10亿美元用于创建 STEM高级教师团队，教育部投入8000万美元用于提升STEM教师培训项目。

美国STEM教育知名学者格雷特·亚克门(Georgette Yakman)教授在破解教师在不同学科之间进行融合的难题时曾提出“STEM 教育的教师应根据学生特征，开展不同学科、不同课程之间的融合，这需要不同学科人员之间加强交流，运用跨学科的思维开展合作。学校可以为教师协作提供时间和资源，创建他们分享专业知识和提升教学技能的条件，不断促进教师专业发展。不同学科人员应充分利用各种社会机构、社会专业人员等资源，重视开发校本课程进行课堂教学模式的改革，设计符合学生需要的学习资源和教学模式”[4]。

美国越来越多的STEM学校正在加强和政府、企业界、高等教育机构的合作，这不仅为学生创设高科技、合作性的学习环境，也为中小学STEM教师的专业发展提供便利。学校也鼓励老师将自己的经验知识融入课堂教学，并积极与社区、大学合作，包括由大学帮助设计工程课的课程，大学教师和研究生承担相关课程的授课等形式。博物馆和科技中心也提供有助于教师拓展知识和技能的项目、资源和课程。例如在伊利诺伊州，芝加哥科学和产业博物馆为教师提供课程，增长他们的科学知识，提高其教学技能，并向他们演示如何利用博物馆项目和展览来改进科学课程。

三、高中高校合作推进STEM教育的实践

南京外国语学校(简称“南外”)把“有中国灵魂世界胸怀的现代人”作为学生培养目标，坚持外语特长、文理并蓄。2015年初，南外基于STEM教育的融合理念，从提升校本课程品质、丰富学生社团活动、开拓国际视野课程、开发实验创新课程等维度构建并实施STEM课程体系，提升学生科学素养、技术素养、工程素养及数学素养，培养能够综合运用多学科知识解决实际问题的复合型创新人才。

南外注重与高校、科研院所等社会资源的等合作实施。2015年秋季学期开始，南京外国语学校与南京大学、东南大学、南京理工大学、南京航空航天大学、中国药科大学等在宁的五所知名高校共同启动“走向大师”工程。由高校专家学者来担任高中生专业导师，学生每周都有机会与院士、博导等零距离接触，领略大师风范，或聆听科技报告、了解学术前言动态，或走进高校实验室，参加科学研究的项目训练，培养科技理工素养，让学生有自由探索的时间和空间，鼓励学生自主的学习，发现自己的科研兴趣，为学生尽早发现和培养自己的兴趣所在，规划今后的人生和进入大学后的发展提供了一个有效平台[5]。

(一)高中学生走进高校，拓展中学教育资源

利用与高校的合作机制，南外经常组织学生走进高校参观，南大的微结构实验室、环境实验室、东大的机器人实验室、南航的航空航天馆、南理工的纳米实验室、兵器博物馆、药科大的药学博物馆等都热情对南外学生开放。很多曾走进南外的高校教授亲自为中学生讲解演示，详细介绍团队的科研项目和成果。在东大机器人实验室，学生亲身体验机械手臂如何将虚拟现实与力传感装置的完美结合，了解控制器、核心算法、伺服系统、应用和集成技术等专业知识；在南航的航空航天馆，学生们了解到全部由我国专家设计制造的歼5、歼6、歼7、歼8和歼12型战斗机等的发展历程，从延安二号单桨直升机到长空一号无人机，接受了生动具体的国防教育和爱国主义教育；在药科大的药学博物馆学生们见到了马王堆一号汉墓出土的一级文物中药材、徐国钧院士早年在峨眉山地区采集的数千份药用植物标本等中药材标本近3000种，感受到祖国传统中医药文化。

参观不仅开阔了眼界、拓展了思维，更是激发了学生的研究创意。在东大机器人实验室体验机械手臂时，南外学生提出“机器人的手指如何感受压力呢？”“抓力太轻会不会握不住鸡蛋，太重了会不会把鸡蛋捏碎呢？”“能否给机械手指上装上能传导压力的类似于人类的皮肤呢？”在南大环境学院听取大气污染研究课题时，了解到大气降尘中含有锰、铅、铬等重金属元素，联想到在STEM选修课上曾测定过头发、指甲里的重金属元素，南外学生提出“大气降尘中的重金属与青少年体内重金属含量之间是否存在某种相关性呢？”“中学生体内的重金属主要来源是什么？”这些“奇思妙想”得到了高校教授的高度认可和赞扬，纷纷表示愿意和南外学生一起把这些创意变为研究问题，变为现实。

(二)高校教授走进高中，弥补中学师资短板

南外几乎每周邀请一位高校的学科专家教授来校面向高一年级学生开展学术讲座。从2015年9月至今的两年中，先后有南京理工大学陈光教授的《材料与文明》、南京大学朱嘉教授的《新材料与新能源》、南京航空航天大学李晋斌教授的《引力波》、中国药科大学杨中林教授的《神奇的中草药》、东南大学宋爱国教授的《机器人的诞生与发展》等近30场讲座，主题涉及环境与能源、药物与健康、航空航天、新材料、机器人、人工智能等多个领域。学生感叹“南京大学研究的潜艇防水材料为国家军事做出的贡献功不可没；东南大学的教授所研究的仿真手臂，造福肢体有所缺陷的人，让他们不再为生活所扰；药科大的教授介绍的中草药如此神奇，中医文化如此博大精深……”，感受到科技来源于生活，也造福于生活，再高深的科研终究还是要回归到现实世界里。学术讲座在知识层面极大地丰富了中学生的认知与思维，培养了他们基于科技所产生的民族自豪感与社会责任感。

高校教授们将一个又一个前沿的科学热点或技术课题借助浅显易懂的语言带进中学校园，带到中学生身边。中学生有了与“大师”面对面零距离接触的机会，他们深切地感受到大师们身上所拥有的独特魅力，体会他们思考问题的方式，理解他们为之奋斗的目标和为社会奉献的赤诚之心。学生在感想中写到“仔细聆听前辈们铿锵有力的话语和对我们所说的字字箴言，谁能不为之所动？冰冻三尺，非一日之寒。科学的每一块奠基石都是前人费劲毕生热血堆砌所致，而身为学生的我们，则应珍惜他们换来的当下，感谢他们所付出的努力，学习他们的精神和品质，乃至继续他们未完成的事业”。

(三)高中高校科研合作，创新联合培养模式

学术讲座激发了兴趣，高校参观激活了创意，一个个由高校教授、研究生、中学老师、中学生组成的科研团队围绕不同的研究问题组建而成。东南大学仪器科学与工程学院的宋爱国院长和他的研究生们与南外中学生围绕传感器在机器人领域的应用开展合作，希望共同参加“挑战杯”；南理工的大学生无人机社团和南外的中学生无人机社团共同搭建DIY的无人机；南京大学环境学院的毕军教授和他的研究生团队与南外中学生共同采样分析南外校园不同场所一年四季的PM2.5指数；南京航空航天大学的郑祥明教授和他的学生来南外给学生开设《飞行器》选修课……在这些科研合作中，基础教育与高等教育的壁垒完全被打破，搭建了中学生参与科研过程、体验科研经历的新平台，高校的教授成了中学生的导师，大学生和中学生组建了学习共同体，成为新的学习伙伴。

新平台、高起点，高中高校的科研合作取得了丰硕的成果。南外化学组的许亮亮老师带着学生和“能否给机械手指上装上能传导压力的类似于人类的皮肤？”的创意去请教南京大学微结构实验室的材料领域专家，在紧密合作中，开发出了基于纳米材料的新型电子皮肤，将创意变成为现实，该研究成果获得了2016年清华大学丘成桐首届化学奖的银奖。南外的陈静老师和学生在南大环境学院的指导下成功申报了江苏省环境基金项目《大气颗粒物PM2.5及降尘环境暴露与青少年体内重金属含量相关性研究》，获得8万元科研经费，高三年级程昊然同学作为该项目的核心成员之一去美国参加了国际暴露科学协会2017年年度会议并做论坛发言……

中学STEM教育的开展，有效融入高中与高校的合作，创新了学生学习方式，使其融合创新能力得到提升。学生在STEM项目的学习和实践中，理解STEM各领域的学科特征，掌握科学、技术、工程、数学和艺术领域的基本知识，运用各领域知识发现、解决实际问题，并且逐步认识到STEM各领域是构成人类社会、物质财富、社会财富以及文化的重要组成部分。

STEM教育并不仅仅指向学生学习，高中高校的合作同时也促进了教师学科专业知识、项目设计与实施技能、跨学科教学实践能力的发展。教师从知识信息的储存库转换到引导者的作用，梳理和重组本学科中的STEM教育素材，有机整合其他学科知识、方法及技术。教师在与高校科研院所、科研学术专家及其他学科的教育专家等的合作中，从课程、教法、教具、学生学习等多个角度开展深入而系统的研究。

四、高中高校合作开展STEM教育的反思

然而，反思现有的合作形式，即讲座、参观和基于某些具体项目的合作是高中STEM教育的有效拓展和延伸，但是其稳定性、系统性和长效性还略显不足。参观体验、项目合作毕竟只有少数学生参与，高中高校联合培养的模式只有更加全面、深入地渗透进学校课程，才能引领全体学生和教师共同发展和提升。我国《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020)》指出，“高中阶段教育注重培养学生自主学习、自强自立和适应社会能力，高等教育重在培养高素质专门人才和拔尖创新人才”[6]。可见，高中和高校学校教育在科技素养和创新能力培养方面的连贯性欠佳，需要做好高中和高校STEM课程有效衔接。

高中的STEM课程需要更上位的引领和规划，可以邀请高校学科专家和教育专家共同开发STEM校本课程，这些课程既可以激发学生兴趣，又可以做好知识和能力的铺垫，避免高中生进入大学后，认为STEM课程太难而失去兴趣和动力；另一方面，高中可以为STEM教师创设更多的与高校、科研院所合作的机会，包括中学教师进入高校或科研院所的学习培养，促进其本学科及跨学科专业知识的不断更新和科研意识、能力的提升，提高中学教师对STEM教育的自信，培养其成为STEM教育专家型教师。

高校则可以以更加开放的姿态“走出去、请进来”。高校STEM领域的专家教授多走进中学，授课、讲座或科研指导，既是科普宣传提升中学生科学素养，又可为发现和培养拔尖创新的后备人才奠定基础，高校也应该增加STEM相关专业的本科生和研究生到中学实习的机会，鼓励他们与中学生一起完成STEM实践活动；高校还可以向中学生更便捷地开放实验室和仪器设备，鼓励中学生进入高校了解科研项目、参与课题研究、实现科研创意，从而更好地培养创新意识和能力。

STEM强调的是融合，中学STEM教育只有秉承融合的理念，有效融合中学与高校、社会的资源，合力推进科学学科之间、知识与生活、科学与社会、学生与社会等的立体融合，才能培养出真正的创新型后备人才。