国内整合学科的STEM教育教师专业发展研究

逯行 李子运 李芒

摘 要：自STEM教育理念在中国落地生根以来，人们从关注科学、技术、工程和数学学科的教与学，逐渐转向强调跨学科教学与学习。为了适应STEM教育的进一步发展，本研究进一步定义了整合学科的STEM教育。考虑STEM教育的下一发展阶段，从教育管理者到教师的各个角色，本文对STEM教育相关的理论和实践进行了探索，经历了从强调跨学科到强调整合学科的转变。研究得到以下结论：国内科技教育具有深厚的历史发展积淀，但STEM教育理念还只是初步国际化；教师对整合学科的STEM教育缺乏理解且学科教学知识亟待提升；教师专业发展相关研究重理论建构而轻落地实践；教师教育及专业发展支持体系不健全。最后，研究从政策制定、提升制定发展方案的可行性、优化教师培养策略、正视过程性困难与障碍等方面进行了决策探讨。

关键词：整合学科的STEM教育；教师专业发展；障碍与挑战；对策

中图分类号：G4 文章标志码：A 文章编号：2096-0069（2018）03-0006-07

作者简介：逯行（1989— ），女，河北邯郸人，北京市昌平区教师进修学校教育网络和信息中心教研员，研究方向为教育信息化下的教师专业发展；李子运（1974— ），江苏徐州人，江苏师范大学硕士生导师，副教授，北京师范大学在读博士，研究方向为教育技术基本理论、教育技术哲学；李芒（1961— ），男，北京人，北京师范大学教育学部教授、博士生导师，北京师范大学教师发展中心主任，教学行为研究所所长，研究方向为教育技术基本理论、教育信息化支持下的教师专业发展。

一、从跨学科到整合学科的STEM教育

（一）STEM教育的内涵及其嬗变

当前教育界已经出现了关于STEM教育的多种定义，但整体来看依然缺乏共识。大多数定义都围绕着一个或多个STEM学科的跨学科教与学进行解释，例如，Sanders（桑德斯）将整合学科的STEM教育定义为“探索任意两门或多门STEM学科的跨学科教与学的方法，以及STEM学科与其他一门或多门学科进行跨学科教与学的方法”[1]。Moore（莫尔）等人补充说，学科整合的依据是将学科知识与真实世界的问题建立联系，更具体地说，教育者在参与工程设计的过程中会应用到数学、科学等学科的具体知识，在参与过程中开发出能够支持有意义学习的教学方法和技术手段[2]。

除了涉及多门STEM学科的教学，Kelley（凯利）和Knowles（诺尔斯）还将整合学科的STEM教育进一步表征为在真实环境中开展STEM学科相关的学习，通过将这些学科知识与真实情境之间建立起关联，从而改善学生的学习效果[3]。Stohlman（斯托尔曼）等人认为，整合学科的STEM教育是将STEM学科纳入一门课程，但要说明的是，该门课程可以涉及多个学科且不一定必须包含STEM学科中的全部四门学科[4]。这一说明并不是可有可无的，因为在提及STEM教育的时候，人们不禁会问：课程教学或课堂教学是否要将STEM涉及的四门学科全部整合才算是真正的STEM教育？其他一些研究赋予了STEM教育更多的教育使命，而不仅仅是科学、技术、数学、工程等几门学科的整合教育，例如Dayton Regional STEM Center（代顿区域STEM中心）提出了一个STEM教育的十项基本原则，远远超出了原有定义的四大学科领域，除了整合学科教学，还包括具备吸引不同背景的学生参与学习的潜力、高质量的认知任务及与STEM职业建立联系等[5]。

（二）整合学科的STEM教育的意蕴与规定

通过对已有研究的调研发现，有许多学者对STEM教育的概念框架进行了界定。首先来看工程学科，由于工程学科解决的都是真实世界中的复杂问题，STEM教育经常需要用到数学、物理、科学等学科的知识，因此其自然而然地成了整合STEM其他学科领域的最常见方式。Moore等人提供了实证研究的结果，证明工程学科是将STEM学科纳入K-12阶段的重要纽带和连接器，能够提升学习者的交流和团队协作能力、创新思维能力、问题解决能力，并持续维持学习者在STEM相关职业中的兴趣和动力[6]。这一理解在以往仅强调跨学科教学的基础上将STEM教育向前推进了一步，因此需要设计更新的教学模式、课程结构以促进有意义学习的发生。

对于大多数教师来说，开发新的教学模式和课程结构需要教师更新自我教学技能，对学科知识有新的理解，掌握更多的学科教学法知识，这就对教师的专业发展提出要求，教师需要清晰地认识当前STEM教育的核心内涵、实施框架以及操作方式。以实施框架为例，美国国家工程院和国家研究理事会在《K-12阶段的STEM教育：现状、前景和研究议程》报告中针对K-12阶段实施基于整合学科的STEM教育教学提出了一个较为全面的框架，该框架由四个部分组成，包括目标、结果、性质和范围及如何实施基于整合学科的STEM教育。其中实施基于整合学科的STEM教育指提升学生的STEM素养，帮助学生掌握21世纪核心技能，提升学生对STEM相关学科的兴趣和专注力，也为其从事STEM相关职业做准备。

基于整合学科的STEM教育实施成果，包括学生获得的成果，如学习能力获得提升、21世纪生存能力得到发展等，以及教师获得的成果，如教学实践能力增强、提升对STEM教育的理解、不断增长其学科内容知识和学科教学法知识。报告确定了基于整合学科的STEM教育性质和范围的三个重要因素：STEM各学科领域之间联系的方式与类型、重点学科或优势学科，以及STEM课程教育单元持续时间、规模和复杂性（如一个项目、一门课程、多门课程或整个学校）。同时，报告还确定了影响基于整合学科的STEM教育实施的三要素：教学设计、教育者支持程度、对学习环境的调整和适应。从已经提出的框架來看[7]，已有研究者越来越清晰地认识到，整合学科的STEM教育并不仅仅是关于STEM相关学科的内容，它常涉及教学方式和学习方式的变革，例如更多地运用基于项目的学习，坚持以学习者为中心的教学设计理念，注重培养学生的21世纪生存技能，促使学生成为更加积极的学习者，以培养学生的创造力和批判性思维。

综上分析，本研究认为STEM教育需要并正在经历从跨学科到整合学科的蜕变，整合学科的STEM教育不仅仅是基于某一学科载体为主体，而应在教学中恰当融入其他学科的理论认知和实践认知，尽量做到去主体化，教育工作者以整合学科知识的方式开展教学活动，包括利用科学、技术、工程、数学及其相关领域的实践，创建以学生为中心的学习环境，促进学生设计和实施问题解决方案，并对真实世界中的现象进行建构和论证，在这一学习过程中关注培养学生的创新、批判思考、问题解决、合作交流等能力。

二、对整合学科的STEM教育教师专业发展研究现状的描述

（一）教师对整合学科的STEM教育缺乏理解且学科教学知识亟待提升

有研究指出，跨学科属性是STEM教育最核心的属性，但当前STEM教育中教师虽然比较了解科学、数学、工程各学科的知识，但大多数教师并未清晰掌握通过跨学科整合的方式将技术整合到课程教学中的能力[8]。当前公立院校中从事STEM教学的教师大多是从其他学科中抽调或者在兼任物理、化学、数学等课程的同时，负责学校的STEM教育校本课程。在学科背景、实践经验、基础水平等因素的影响下，教师对整合学科的STEM教育理解不尽相同，例如：有的教师认为基于问题解决的学习是整合STEM相关学科的重要方式；有的教师认为STEM教育所涉及的四门学科重要程度各不相同，如数学是服务其他学科学习的工具，而工程学科是学习成果的输出渠道，因此也最为重要；小学阶段的大多数教师认为开展STEM教育应当重视创设学习情境，而中学教师普遍倾向于真实情境的学习，这可能与不同阶段学生的理解能力不同有关系；有的认为整合是必要的，有的则认为侧重于某一学科领域才是正确的处理方式。

本研究认为，从学科教学知识方面看，当前的STEM教师更好地掌握了学科内容知识，但这还远不足以支撑教学，教师还需要了解适合STEM学科教学的学习理论、教学理论、课程理论等。由于STEM教育更重视在真实情境中运用多种整合方法解决真实世界中的问题，因此对教师的课程设计、学习活动设计、学习情境创设等能力有更高要求。

（二）国内STEM教育的历史文化积淀与国际化理念的统一性

人类思维进化程度没有在国家之间体现出巨大差异，只是针对同一事物的表达方式不尽相同而已。因此需要指出的是，STEM教育的理念并不是国外的新发明，只不过概念的文字表征基于其本国的语言特征。一方面，我们否认一些学者指出的“国内STEM教育处于初步发展阶段”这一结论。我们认为，中国历史上人们对科学、技术、工程和数学方面的教育已经经历了漫长的探索，从《九章算术》《天工开物》中对各种理论技术、技艺的记录、传播，再到近代兴起的注重科学精神养成的科学教育活动，无不体现出深厚的历史积淀，展现人们对科学研究的热情，而这对于当下推进国内STEM教育概念、理念和实践的国际化具有重要的基础作用。同时，优秀的历史文化遗产需要通过校内外科普教育、综合实践活动和科学实践活动、校本课程等方式在我国当前的教育系统中进行体现，为STEM教育和教师专业发展的推进提供重要参考。另一方面，我们肯定“从国际层面来看，当前的STEM教育处于萌芽阶段和初步发展阶段，提出的问题多于被解决的问题”这一观点[9]。由于现代技术的发展，教育融入了更多的现代化元素，对某一领域的问题研究和问题解决提出了越来越丰富的要求。从国际范围内来看，STEM教育教师专业发展研究的理论建构还处于初步发展阶段，对实践的探索也才刚刚开始，考虑到学生核心素养等重要理念的提出，STEM人才的培养变得越来越重要，如此一来，教师培养的滞后性将给学生培养工作带来巨大的负面影响。虽然如此，自STEM理念框架提出以来，教师教育和教师专业发展就一直是研究和探索的重点，但当前STEM领域的研究并没有很好地传承中国历史上的优秀基因，大多数研究是在跟着国外炒作新概念，抛开自己祖国历史上在科学、技术、工程、数学等领域积累的优秀经验，却囿于国外的研究思路，走窄了自己国家的研究之路。

STEM教育理念国际化之后，国外不同的思路和经验能够为中国在STEM教师专业发展领域的独辟蹊径提供经验库，但这并不能够成为缺乏本土化深度的理由和借口，中国的研究还是应当由中国自己来引导。致力于STEM教师专业发展领域的专家学者，应当扎根到实践一线，坚信“一具体，就深刻”的道理，个性化问题个性化解决，重点探索操作方法和策略，强化方案和意见的可行性。

（三）教师专业发展相关研究重理论建构而轻落地实践

由于STEM教育这一概念的国际化刚刚完成，在统一概念的基础上，需要完成更多、更高水平的理论探索和实践探索。就目前STEM教师专业发展领域的相关研究而言，大多偏重理论建构和概念辨析而鲜有代表性的实践探索。通过对已有研究的分析，发现当前对STEM教师专业发展开展相关研究的群体主要为高校專家学者、教育理论研究者，成果集中表现形式为概念界定、STEM教育教师专业发展建议、教学设计建议、课程建设意见等。指导教师如何通过实践提升专业发展水平的研究相对较少，例如在政策导向方面，有学者从国家教育理念与政策取向、实施策略、课程建设、STEM生态发展等角度进行分析，构建针对国内STEM教育发展的实践探索框架[10]，为STEM教师清晰地勾画了专业生长空间，并在大范围上描述了其发展方向，虽具有高瞻远瞩的理论意义，但实际指导意义和可操作性并不是很强。具体到课程设计和实施层面，也鲜有操作性较强的研究成果，如有研究者在梳理和借鉴国外研究现状之后，提出了基于STEM教育的小学科学课程设计及案例，重点考虑通过跨学科的方式整合小学科学课程，从而建构了中小学STEM融入小学科学课程设计的模型[11]。

在实证研究方面，开展实证研究的主体主要集中于中小学一线教师群体，成果多以教学论文的表达形式呈现，有质量的探索相对较少，通过实践调研可以发现，一线教学中主要以3D打印、编程、单片机创新搭建、机器人教学等课程作为整合学科教学的载体，通常学习内容涉及工程设计、数学建模、科学解释与建构等。需要指出的是，在已有的实证研究中，对STEM教学效果的评价不够全面，评价指标不够具体，评价标准的可操作性较差，照搬国外研究成果的现象严重，缺乏对本土学生实际状况的描述和分析。

（四）教师教育及专业发展支持体系不健全

国内教师职业资格认定和准入机制不够健全。首先，按照教育阶段可分为幼儿园、小学、初中、高中、大学等，但教育局通常只验证教师是否具备了教授单一学科的能力，这远远不能满足整合学科的STEM教育多学科教学的特殊要求。其次，在涉及多学科整合教学时，缺乏对教师教学能力的评估标准，以及指导教师提升改进的意见和建议。在进入教学场景之前，教师很难提前判断自己的“知”与“不知”，如学科内容知识、学科教学法知识等。再次，教师资格认证没有对执教年限做规定，这导致部分教师的进修意识薄弱。“一朝为教师，终身为教师”的最大弊端体现在面对STEM教育等新型教育与理念时，教师缺乏自主提升意识，通常表现为欠缺情境创设能力、案例分析能力、实际问题解决能力。最重要的一点是，教师专业发展的社會支持较少，例如缺少高校对中小学教师教学实践和理论提升的密集指导，合作机会少，合作深度和广度不够；缺少相关企业的支持，教师无法及时了解新技术的推广应用，掌握的教学方法陈旧，无法紧跟时代变化，导致教师的专业视角越来越狭窄；缺少与相关领域权威专家或专业人才的合作，教师教育理念落后，教学创新积极性不高；缺少国家顶层设计，教育决策者对STEM教育没有整体框架设计。

三、整合学科的STEM教育教师专业发展的思考与探索

（一）做好课程设计和实施工作，提升影响方案和干预方案的可行性

经过培养，达到参与STEM相关教学活动能力要求的学生，一般都具备一定的逻辑思考能力、独立运用技术解决实际问题的能力、创新创造能力等，STEM教学在学校教学中发挥着积极影响，大多数的学校管理者和一线教师都对STEM教育抱有积极态度。例如，Becker（贝克）和Park（帕克）通过分析28项关于STEM教育学生学习效果的研究，发现STEM教育对小学阶段的学生影响最大，对大学阶段的学生影响最小。其分析结果表明，整合学科的STEM教育能够为学习者创建一个丰富的学习情境，有助于发展学生的学习兴趣，从而改善其认知效果[12]。研究发现，学生在开展模型设计、设计解决方案、应用3D打印技术解决真实问题等STEM学科相关的学习活动时，表现出了较高水平的学习动机和较好的学习效果，学生有更强烈地参与这些学习活动的意愿[13]。这可能是由于学生在参与STEM教育相关活动时，综合应用多种方法解决相较传统学科教学中设置的更为复杂的问题，激发了自身的积极性，也在一定程度上促进了同学之间的协作。

以上所有积极影响的前提是教学实施者、课程开发者、教学设计人员制定了完善的教学方法、课程计划、教学组织等，即在所有这些问题中，可行性是第一大问题。因此，在方案设计中，重视教与学环境的创设，以帮助学生获得参与有意义学习经历为标准，如通过创设以学生为中心的学习环境，为学生创造持续投入研究和探索的学习机会，提升学生深度思考能力和问题解决能力。同时，教学方案和课程设计方案应当注重学习过程的自由化、教学方式的人性化，摒弃旧有教学模式中束缚学生的框架，学生的学习兴趣才能受到前所未有的激发；增加模型设计、解决方案设计、应用3D打印解决真实问题的学习活动，从激发兴趣层面提升学习参与度。

（二）提供政策与资金支持，推动STEM教育教师的专业化

教师的职业素养是决定STEM教育质量的重要因素。在培养STEM教师上，各国均十分重视STEM教育专业教师队伍的建设。在国内特有的体制下，培养STEM教师需要取得国家政策方面的支持。目前国内对科技教育较为重视的一部分省市已经制定和发布了相关政策，如2015年深圳市出台《深圳市中小学科技创新教育三年行动计划（2015—2017年）》，2016年又出台了《深圳市中小学创客教育课程建设指南（试行）》和《深圳市中小学创客教育实践室建设指南（试行）》，为STEM教育的发展和教师地位的明确提供了行政层面的支持。所有希望发展本地STEM的教育工作者都应考虑借鉴国内外的成功经验，增加对STEM教育专业教师培养的重视和投入。同时，优化准入机制，鼓励更多有志于从事STEM教育的人才或组织机构进入这一领域发挥自身价值。

在资金支持方面，以美国为例，国家科学委员会在其2007年发布的STEM教育政策中鼓励教师掌握更多且恰当的学科教学知识，并在其后提出的《总统2012预算要求和中小学教育改革蓝图法案》中明确了培养10万名合格的STEM教师的目标，为了配合教师教育和教师培养目标，政府提供了大量资金支持——教育部的8000万美元和奥巴马后期追加的350万美元。同时，与社会企业建立合作关系，为STEM教师的培养提供学习场所和学习平台支持 [14]。在结合国情的基础上我国可以借鉴其他国家的经验，在资金支持上，从区域到学校各层面设立STEM教育专项建设资金和特殊经费，鼓励区域和学校从实际需求出发，在适应学校发展背景的前提下积极开展自主建设，制定学校STEM教育发展规划时充分考虑区域、学校部门和师生意见，申请项目支持或自筹经费用于STEM教育急需建设的项目[15]。

（三）优化STEM教育职前教师培养方案和在职教师进修方案

首先，帮助职前教师和在职教师掌握恰当的教学方法和有效的教学策略，例如从教学方法层面来分析，STEM教学的整合方法有很多种，需要依据不同教学情境、不同学习者特征、不同学习内容等进行设计和调整，例如美国NGSS（下一代科学标准）建议在实施STEM教学中，教师需要采取一种与传统教学不同的教学方式，扮演学习者向导的角色，辅助学习者持续挑战问题的解决。

其次，加强在职教师对STEM教育所涉及学科的学科内容知识和学科教学法知识的掌握。实施整合学科的STEM教学涉及帮助学生了解不同学科的基础概念和核心概念，并建立不同学科概念之间的关联，这对教师和学生来说都是一个不小的挑战。在实施STEM教学过程中，教师倾向于将建构主义理论作为自己教学的理论指导，选择基于项目的学习、任务式学习、问题解决式教学方法，这对教师在学科内容知识的理解及学科教学法知识的掌握方面都有一定要求，其中，教师的学科教学法知识非常重要，能够对教学效果产生直接影响。教师学科内容知识及学科教学法知识的掌握程度能够从最基础的层面影响STEM教育质量。

再次，重新设计职前教师培养方案，增加复合型教师培养比重。在STEM学科整合理念清晰之前，教师的培养通常指科学教师与数学教师的培养，然而随着STEM教育的不断发展，教师的培养将主要指向复合型教师的培养，包括科学技术工程复合型教师、科学技术数学复合型教师的培养等。在STEM教育师资培养方面，美国为我们提供了可借鉴的经验，例如研究生教育改革工程项目（Transformative Graduate Education Programs，简称TGEP项目）起到了积极的作用，美国国家科学基金会也强调高校应当增加STEM学位的授予数量。同时，为配合改革工程项目的推进，国家需要加强STEM专业师资的培养[16]。在我国STEM教育进入基础教育的起步阶段，师资将是制约STEM教育发展的瓶颈，势必需要借鉴其他国家的优秀经验来改变目前的教育局面。

（四）从决策到执行，正视发展阶段中面临的过程性障碍与挑战

由于“STEM”在中国属于舶来概念，国际化认知在国内还未被普遍接受，实施STEM教育的学校和教师遭遇了各种挑战，如政策、师生、教学资源环境等，但国内从领导层到基层实践者均表达了正视过程性障碍、挑战更高追求的决心和勇气。唯有正视、接纳并尝试解决这些问题，才能够在最大程度上推动整合学科的STEM教育的发展。

从国家层面来看，在肯定STEM教育重要性、正视过程性障碍的基础上，国家倡导驱动性理念，制订相关发展方案，推动STEM教育发展。例如，在领导层的理念倡导方面，2014年9月，李克强总理在夏季达沃斯论坛上喊出“要在960万平方公里土地上掀起‘大众创业‘草根创业新浪潮，形成‘万众创新，人人创新新态势”；2015年，李克强总理在政府工作报告中又提出“大众创业，万众创新”，践行这些理念都需要教育先行，过程性困难与障碍不可避免，从意识上需要肯定并自我鼓励，正视困难。在政策文件颁布上，2006年《国务院关于印发实施〈国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）〉若干配套政策的通知》中指出，要“注重培养学生动手能力，从小养成独立思考、追求新知、敢于创新、敢于实践的习惯，切实加强科技教育”，从国家政策层面鼓励全民行动，开展科技教育，拿出攻坚克难的精神；具体到科学教育的政策颁布来看，2016国务院发布的《全民科学素质行动计划纲要实施方案（2016—2020年）》和2017年教育部印发的《义务教育小学科学课程标准》均强调基于学生发展核心素养框架完善科学课程体系，倡导教师掌握并运用项目式教学、问题解决式教学等方式组织教学活动，这对一线实施课程教学的教师提出了更高要求。

在区域发展层面，结合实际情况，北京市相关管理部门（单位）通过参与区域范围内的改革项目，积极践行2016年教育部在《教育信息化“十三五”规划》中鼓励教师探索STEAM教育、创客教育等新的教学模式的要求，将STEM教育纳入区级“‘十三五规划教育信息化发展纲要”，为STEM教育发展和教师进修提供政策支持。以笔者所在的北京市昌平区为例，全市通过开展中考改革项目“开放性科学实践活动”，为每一名初中生打開了一扇接触STEM教育之门；大部分学校通过校本课程、综合实践活动、社团等方式，均在进行适合本校情况的实践探索；《北京市昌平区教育信息化“十三五”规划（试行）》有意识地为STEM教育做政策倾斜，从资金和行政层面扶持全区STEM教育发展和教师专业发展。但由于各种因素的影响，大部分学校的STEM教育在实施过程中遇到了师资、学生基础能力、内容资源及软硬件环境等各方面的障碍与困难，如STEM所涉各学科之间孤立分开，教师仅仅是将各学科知识简单放在一起进行教授，没有很好地践行整合要求。教师需要探索新的课程设计、教学方法、教学模式等，还需要持之以恒地坚持改革才能取得成效。

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（责任编辑 孙志莉）