对STEM教育热潮的冷静分析与课程实施建议

柏毅 叶耀 信疏桐 庞谦竺

[摘   要]从STEM教育的内涵及其在美国和中国的发展方式、推进模式和教育理念三方面分析了当前中美STEM教育的差异，总结了STEM教育的六大特征，并以美国康涅狄格科学中心的STEM项目为例，阐述了对STEM教育中的规划过程进行形成性评测和总结性评测的方法，为当前我国STEM课程的实施提出了建设性意见。

[关键词]STEM;科学教育;评测

近年来，STEM教育已成为国际教育界的关注热点，我国也在多个地区逐步开展STEM教育。由于人们普遍认为STEM教育是实现国家创新和培养创客的关键所在，故而近年来在我国掀起了STEM教育的热潮，这种热潮会带动我国STEM教育事业的发展，但与此同时我们也应该看到，在过于急功近利的发展过程中也暴露出一些隐患。

一、何为STEM

STEM即科学（Science）、技术（Technology）、数学（Mathematics）、工程（Engineering）四门学科首字母的缩写。其中科学是指让学生试图理解自然世界，通过收集实证经验，基于证据测试想法，给出合理普适的答案;技术（产品和过程）源于工程设计，可通过改造自然以满足人类需求;数学是基础工具，学生运用数学，通过逻辑证明解释模式和关系;最后，用科学和数学知识系统化地设计产品和工艺、体系化途径和方法，从而满足社会的需要，这就是工程。STEM教育为众多孤立学科建立了一座桥梁，为学生提供整体认识世界的机會，通过把这四个领域内的学科知识和技能整合到教学中，使学生学到的零碎知识变成一个互相联系的统一的整体，以消除传统教学中各学科知识割裂、不利于学生综合解决实际问题的障碍，是一种跨学科的学习方法。课堂特点就是强调学生在“杂乱无章”的学习情境中提升设计能力与问题解决能力。课堂上教师提出一个问题，然后由学生组成探究小组开展研究。在研究过程中，学生要使用有效技术搜集、分析数据，并设计、测试和改进一个解决方案，然后与同伴交流研究成果。为此，学生往往需要花费更多的课外时间。

早在1986年，美国国家科学委员会（NSB）发表的《本科的科学、数学和工程教育》报告中就提出了美国STEM学科集成战略，旨在大力培养创新人才和具备科学素养的美国公民[1]。这时的STEM教育只在本科教育阶段推进，其目的是吸引美国学生学习理工学科，增加美国理工科人才的竞争力。之后美国人意识到，大学阶段才开展STEM教育可能为时已晚，必须前移到基础教育阶段，这样更有助于培养学生对理工科学习的兴趣和能力。2007年，美国国家科学委员会（NSB）发表《国家行动计划：应对美国科学、技术、工程和数学教育系统的紧急需要》报告，要求增强国家层面对K-12和本科阶段的STEM教育的主导作用，表明STEM教育从本科阶段延伸到中小学教育阶段[2]。

当前，我国基础教育阶段的STEM教育已经起步。从2009年教育国际评估组织调查结果发现，我国青少年的想象力和创造力相对落后，这一结论促使我国开始重视STEM教育，其目的是更多地培养掌握现代科技的创新型人才。然而，我国目前进行的STEM教育在真实问题、项目引领、学科交叉、注重解决实际问题等方面与美国仍有不小的差距。特别是近几年，我国迅速掀起了STEM热潮，但其实施情况并不尽如人意。这与传统的教育理念、STEM教育的发展及推动方式都有着密切的关系。

二、中美STEM教育比较

首先，中国和美国STEM教育发展的道路有所不同。由于美国面临的是毕业生的实际培养与经济发展需求不符、顶尖美国大学的 STEM 毕业生较少、性别及种族差异显著等问题，所以美国STEM教育首先是在大学开始实行的，最初的目的是希望发掘人才。大学是很好的研究型机构，STEM教育在其早期发展过程中得到了充分的孕育，继而形成了完整的STEM教育体系。在此之后，才开始向基础教育阶段扩展。美国STEM在基础教育阶段的实行，目的其实是希望从基础教育阶段开始，就挖掘出更多的对理工科有兴趣的人才。从高等教育到基础教育的扩展经历了约30年的时间，才形成了今天这样集合了理论、实践和应用的STEM教育的完整架构。从大学开始开展的STEM教育建立了非常好的理论架构，形成了“研究—理论—实践”的一体化结构，然后再向基础教育阶段延伸。也就是说，美国STEM教育是有理论支持的、有保障的，这正是它的最大优势。而中国STEM教育走在前面的并不是深入的理论研究，而是对美国案例的简单复制。这种复制的兴起与源于商业的积极推动不无关系，并随之快速地进入了中小学的一线课堂，尤其以小学为盛。另一种普遍的现象是把一些简单的科技活动直接改头换面称为STEM课程，甚至一些玩具厂家也在自己的普通益智产品上贴上STEM的标签。作为科学教育研究工作者，应该冷静面对当前中国的STEM热潮，认真思考对复制的STEM案例是否进行了完全消化，警惕“拿来主义”，因为其展现的只是表面的、缺乏本质的课堂。

其次，两国STEM教育的推进模式也完全不同。美国在基础教育阶段推进STEM教育的模式是优先激发学生对数理化的兴趣，强调要创设一个真实的问题与情境，开展基于问题的学习（PBL）和跨学科的综合;要求严格按照科学论文的方式来进行STEM教育，强调培养学生严谨的科学思维是STEM教育的一个重要目的。虽然中国的教育一直以来都非常重视理工科，但是这种重视很大程度上是在高考的压力下形成的。因此，长期的刷题习惯使得一些原本在低年级时思维活跃的学生思维趋于固化、创造力被束缚。很多活动中出现的宣传式的说明、卡通式的展板、流程式的授课方式等反映出现阶段我国科学教育缺乏对严谨的科学思维的培养。

在STEM教育的理念上，美国STEM教育真正做到了以学生为中心，给予学生充足的资料和时间，让学生进行充分的探究活动，最终获得亲自实验的结果。而我国的现状是教师掌控欲过强、学生的探究活动不足，STEM课成为实验课、制作课、科学秀，缺乏把学科知识点与现实生活真正融合起来的综合运用。

随着时代的发展，STEM的内容也不断丰富，2008年，美国弗吉尼亚理工大学学者雅克曼（G.Yakman）提出STΣ@M教育模式，解释了如何将传统的科学、技术、工程、艺术和数学学科整合在一个结构化框架中，以此制定整合的课程计划，如图1所示。之后又在此基础上增加读写能力一项，进而形成STREAM教育理念。但这同时也出现了新的问题。由于只要让自己的研究项目与STEM沾边，就有可能从美国政府那里领到经费，所以一时间在美国国内，“小溪泛滥”（STREAM），“蒸汽弥漫”（STEAM）。这两年，STEM在国内也更多地以“STEAM”的形式出现。因为有“A”（Art），有些人兴奋起来了，认为自己有了搭乘“STEM快车”的机会。但实际上，“A”所对应的概念，并非是大多数人所理解的“艺术”，而是“人文”。任何一门学科都是为人服务的，因此不能没有人文因素。没有人文因素的事物，是不能被人所利用的，也就没有价值。STEM所服务的对象，以及所创造出来的产品，都离不开人文的因素。这才是“A”的真正意义。同理，STREAM中的“R”指向的也不是一般意义上的“阅读和写作”，而是指与科学理论、工程技术相关的那部分内容的“阅读”。比如说，没有数理化基础知识的作家写不出好的科幻小说，读者也读不懂。有无STEAM训练经历使学生对于科幻作品的理解也会截然不同。不仅阅读文字作品是这样，让他们创作一幅未来的图画也有相似情形。没有受过STEAM训练的学生画一幅画，往往天马行空;而有过此经历的学生画出来，则有变为现实的可能。

综上所述，当前中国一些所谓的STEM课其实缺少STEM的神髓。STEM教育强调以学生为中心，不是空话和口号，而是在课堂中能实际体验到的行动。习惯了传统课堂模式的教师通常控制欲望强烈，当学生提出的问题超过课程范围，教师要么避而不答，要么用其他话题转移，这就使得很多STEM课程变为实验课、制作课、科技活动课和科技活动“秀”，这对学生创新能力和科学素养的培养无益。

三、 STEM教育的六大特征

1.应包含“S、T、E、M”几大要素

STEM中的“S”，是指科学的概念，而这种科学概念是开展STEM课程的基础，因为无论课程主题是什么，都要围绕一个科学概念来展开。“T”所代表的技术是学生在课程中操作工具、运用材料等动手能力。“E”即工程，是进行问题分析、设计方案、建模、测试等解决问题的过程，这也通常是课程设计的主线。“M”是数学和计算思维，是指学生和教师进行数据解读与分析的能力。

这就意味着STEM教育是一种“后设学科”，即这一学科的建立是基于不同学科之间的融合然后形成一个新的整体。同时也意味着STEM并不是科学、技术、工程和数学的简单组合，而是把学生学习到的零碎知识与机械过程转变成一个探究世界相互联系的不同侧面的过程。

2.以工程设计过程为主导

STEM教育的关键是科学、技术、工程、数学课程的整合。这种课程整合（curriculum integration）的思想越来越受到重视，因为教育者越来越发现真实世界中的问题往往并不能被划分成学校中的单一学科，而是需要多学科知识（数学、物理、化学、生物等）的整合，单一学科知识或能力无法完成复杂情境下的工程设计任务。此时就需要工程设计思维来解决问题。

工程设计难有固定的程式，但工程思维通常包括以下一些固定的步骤：一是确定需要解决的问题和需要达成的目标;二是研究和产生解决问题的方案;三是根据已有知识与目标制作模型;四是对模型进行评估，选择最优方案;五是如果没有达到预期目标，则重新定义问题，设计步骤[4]。

目前能够接触到的STEM课程，大多是以工程为主线、科学为基础、技术和数学为应用的课程。STEM课程中的工程思维则具有目标性、社会性、合作性的特点。因此，工程设计能够有效地整合STEM 课程的4个要素，在有意义的情境中强化科学、技术、工程和数学各学科概念的学习和应用。

3.关心现实问题，注重在真实情境中学习

情境学习理论强调知识与情境之间动态的相互作用的过程，布朗（Brown）等人认为：知识与活动是不可分离的，活动不是学习与认知的辅助手段，它是学习整体中的一个有机组成部分。可以说是学习者在情境中通过活动获得了知识，学习与认知本质上是情境性的[5]。而在STEM课堂中，情境的意义在于：提出需要解决的问题、指出任务要求、反映出科学家与工程师工作的意义和方式。

“流动的液体”（Runny Liquids）是英国约克大学CIEC科学促进项目（CIEC Promoting Science）开发的教学资源之一，适用于8～10岁的儿童。这是一套典型的工业情境中的课程。这一任务是由一封来自粘合剂制造商的求助信开始的。

尊敬的研究组：

我们为巧克力制造商生产了一种特殊的粘合剂，他们使用这种合剂将包装纸粘到一起。

我们已经发现了粘合剂最好的原料是树体内的一种液体。遗憾的是，我们的新配方存在一个问题：这种液体非常粘稠，不能顺畅地通过我们的管道，同时它也非常难以搅拌，导致我们需要大量的电力来运转搅拌机，造成巨大的成本。

我们知道你们研究组正在研究液体。如果能得到你们关于怎样解决这个问题的建议，我们将感到非常荣幸。希望你们能提供尽量多的数据，包括测量不同种类液体流动性的数据。任何有助于让我们的液体流得更顺畅的建議都将给我们很大帮助。

期待能尽快得到你们的回复。

简·惠灵顿

工业聚合树脂有限公司总经理

这种情境设计可以提高课程相关性，帮助学生建立课程和现实世界的联系，让学习更有目的。

4.以学生为中心，主动实践

STEM的课堂中学生才是主体，强调教师的引导者作用，通过问题的提出及由浅入深的环节设置逐步引导学生独立解决问题。教师应当承担的任务可以是：为学生提供理论及活动支持、在课堂活动中兼顾所有学生、科学概念与科学原理的引入、牵引整合相关概念（学科知识、学生观念、学生总结）;教师还要基于学生已有知识，合理设置活动难度，引导学生发挥主观能动性，激发学生对课题的兴趣，使他们能够进行主动探索，尝试解决问题和建模，并对自己所收集的数据进行分析和总结。

5.学生进行合作学习，参与整个STEM过程

合作学习是STEM课程的重要内容。通过让学生以小组为单位完成任务来鼓励学生合作，引导学生公开地参与交流、互相支持，并尊重其他同学所做出的贡献。在达成团队目标的过程中，由不同水平的学生组成合作小组将有助于展示不同的观点和经验，有利于全体学生的发展。

可以给组内学生指定正式角色，这将有助于简化合作任务，使整个项目顺利开展。小组成员的角色可以包括以下四种：

（1）组长：领导其他学生担任好各自的角色。

（2）指导员：指导团队的每一步工作，关注任务完成的进度，鼓励队员重新尝试。

（3）材料主管：收集、组织并指导材料的使用。

（4）记录员：记录队员想法，并展示项目报告。

这种与他人合作分享观点、计划和结论的课堂组织形式，可以让学生在与他人的对话中提升见解，也有利于全体师生参与课堂活动

6.结果开放，允许多个正确答案

在进行工程设计时，学生们常会提出一些出乎教师意料的设计思路，结果可能成功，可能失败，也有可能虽然成功但是与教师预期结论并不相同。STEM课程作为一种融合了多种概念的“后设课程”，在探究活动中出现不同结果是十分正常的。这就要求教师认真对待学生的设计思路，允许学生失败，因为基于失败作品的重新研制也是正常且必要的，对失败的反思、重新设计与制作的过程，可以更好地帮助学生学习。

四、 STEM教育中对学生与教师的评价

完整的课堂不仅要给学生提供学习内容，还要有完整的评价标准，不仅针对学生，还要针对教师。2017年9月18日，中国教育科学研究院STEM教育研究中心组织召开了《STEM教师能力等级标准（征求意见稿）》（以下统称《标准》）专家论证会。《标准》对STEM教师需要掌握的专业知识和专业技能及实践操作等方面提出了具体而实用的指导意见，作为STEM从业教师实施教育教学行为的指导大纲，能有效促进STEM教师队伍的专业化发展，同时解决了STEM师资培训缺少框架和依据的问题，推进了STEM教育培训工作的专业化和标准化。具体标准见表1。

对学生的评测通常包括形成性评测和总结性评测两个部分。形成性评测的应用是一个连续的反复进行的过程。评测中所获得的有关学生概念和能力的信息，要同时告知教学的各个方面，并能促进学生主动参与学习。形成性评测整合于教学之中，并且对所有领域科目都有效。在形成性评测中，教师和学生一起收集和使用实证，以决定下一步的学习，使学生进一步趋近特定的课程目标。对教师来说，形成性评测的要点是要和学生分享目标，让学生认识到学习活动的目的与收获;将判断学习活动预期质量的标准，明晰地告诉学生，以便学生有效管理自己的时间和精力。总结性评测结果除了会告知学生自己，还会告知家长和其他教师，使他们能够了解学生相对于目标和标准而言所取得的成绩。

以美国康涅狄格科学中心开发的STEM案例为例，其形成性评测量表依照工程过程（engineering process）识别问题、创建设计（蓝图）、建立模型、检验和收集数据、分析数据和再设计、交流结果（汇报）、交流结果（建议书）的七个步骤，将学生在每一步骤中所达到的水平分为5级，对应分值为0至4分（见表2）。教师在实施形成性评测过程中，对照量表中的能力要求为学生各个步骤的表现评分。随后的总结性评测将在形成性评测的基础上运用评级单来进行（见表3）。

康涅狄格科学中心的STEM开发团队强调，工程过程的形成性评测量表是在单元教学时评测学生的一种方法，当然，也可以在整个单元的各个时期，或者特定的某些调整中选择使用其他策略。对于课程中涉及的小组活动，可以收集学生的工程笔记本来更好地了解他们对科学内容及工程过程的理解。总结性评测可以在单元结束时来评测学生对工程过程的理解，其中的建议书要求学生将小组在整个过程中所做的工作汇总，使用检验和再设计中的证据撰写一段文字来论证本组的设计是解决既定问题的最好方案。建议书可以通过在单元结束时检查其完整性和使用过程量表来评价。由于交流结果建议书和汇报都应涵盖过程的所有步骤，所以可用相同的量表进行评价。

五、STEM课程实施建议

针对目前我国STEM教育中存在的诸多问题，面对当前STEM教育的热潮，科学教育工作者当然要借鉴国外STEM教育案例，但不可照搬照抄或简单地用科技活动充当STEM课程，而是要在深入理解STEM教育精髓的基础上，通过不断学习和实践发展出属于中国的本土化STEM课程体系，这将是一个任重而道远的过程。在此提出实施STEM课程的如下建议。

1.以技术和工程为问题情境进行本土化STEM课程的设计

在STEM教育中，学生的兴趣是根本。以技术和工程设计为问题情境，更易激发学生兴趣，同时便于结合与之相关联的物理与工程的基本原理，如力、运动、能量、电、磁等。通过与科学教师的讨论发现，STEM课程中所结合的学习内容，往往是学生在其他学科课程（包括数学）中需要学习的知识和原理，融合的STEM课程设计有利于打通各学科之间的关联。在STEM课程中学生参与设计、搭建、测试、改进的过程，从中可以真切地感受到科学知识如何被应用于解决实际问题，同时丰富发现问题、解决问题的经验。STEM课程要能够提高学生解决工程问题的各项综合能力和素质，体现出跨学科的集成与融合。

2.以大概念的理念为指导，开展基于探究式的科学教学

STEM课程实施过程充分体现了探究式科学教育的重要性。“探究学习”一词是由美国芝加哥大学教授施瓦布（J.J. Schwab）于 1961年在《作为探究的科学教学》（Teaching of Science as Enquiry）报告中首次提出的。他指出：“如果要学生学习科学的方法，那么有什么学习比通过积极地投入到探究的过程中去更好呢？”[6]從那时以来，探究学习不仅成为科学教学的主流方式，而且成为科学教育的一个重要目标。自我国在21世纪初启动新一轮课程改革以来，探究学习便成为最热门的关键词之一。韦钰院士领衔的“做中学”科学教育实践项目开启了中国的探究式科学教育。2017年1月新颁布的《义务教育小学科学课程标准》在描述科学课的基本理念时强调：小学科学课程以探究式学习为主要的学习方式。探究式的学习和科学课程有着天然的联系，因为探究是科学家探索和了解自然、获得科学知识的主要方法[7]。以实证为基础、运用数量分析和逻辑推理，公开研究结果，接受质疑，不断更新和深入，正是STEM教育的特点。

3.以提高学生科学素养为目标，关注对学生学习效果的评测

STEM教育的根本目标在于培养和提高学生的科学素养。因此，认为STEM的评测应以产品为依据的说法是不正确的。评测在STEM教育中发挥着关键的作用。在任何情况下，评测的最终目的都应该是改进学习。对学生学习过程的形成性评测和对学生学习进度的总结性评测，都应服务于STEM教育的整体目标。

参考文献

[1]龙玫， 赵中建. 美国国家竞争力： STEM 教育的贡献[J]. 现代大学教育，2015（2）：41-49.

[2]Shapingthe Future ： Strategies forRevitalizing Undergraduate Education[M].Proceedings from the National WorkingConference. Arlington， VA： National ScienceFoundation，1996，6.

[3]Yakman G. STΣ@M Education： an overview ofcreating a model of integrative education[EB/OL].http：//steamedu.com/wp-content/uploads/2014/12/2008-PATT-Publication-STEAM.

[4]Committee on K-12 Engineering Education. Engineering in K-12 education： Understanding the Status and Improving the Prospects[M]. Washington， D.C.： National Academies Press，2009.

[5]张振新，吴庆麟.情境学习理论研究综述[J].心理科学，2005（1）：125-127.

[6]韦钰，P. Rowell.探究式科学教育教学指导[M].北京：教育科学出版社，2005.

[7]温·哈伦.以大概念的理念进行科学教育[M].韦钰，译.北京：科学普及出版社，2016.