STEM教育：从哪来，怎么办*

/勇 辉 许春良

近年来，我国中小学掀起了一股STEM教育热潮，尤其是在小学科学领域，从课程标准的修订，到课堂中工程思想及数字化技术的渗透，都表明科学教学正在朝着一个新的方向发展。需要正视的是，我国小学科学课程改革刚刚经历了十多年的探索和发展，不仅在实践层面上形成了以科学探究为主的特征，还具备了一定的教育文化吸纳能力。当来自国外的STEM教育与中国的科学课教学发生碰撞时，极有必要对STEM的起源、特征及价值等进行理性分析，唯有如此才能变革和完善我国小学科学的教学实践。

一、STEM教育概述

1.STEM教育的起源。

STEM教育源于美国的高等教育。1986年，美国国家科学基金会发现美国的本科教育出现了一系列教育质量危机，经过为期一年的研究，基金会发布了一份名为《本科科学、数学和工程教育》的报告。该报告针对美国高等教育阶段科学、数学和工程教育存在的“最严重的缺陷”提出了各种建议，但这些建议大多聚焦在财力扶持、学院管理等政策领域，而非针对美国高等学院的教育改革。在随后的十多年里，美国持续性地出现了科学技术领域人才短缺的现象，人们将主要原因归结于“高等教育课程的内容过于平庸，缺乏激励性”“课堂依赖于教科书，学生接触的只是科学事实，而没有参与科学的过程”“教学方法过于传统并落后于时代的发展”等教育内部原因。在此背景下，STEM教育被列入美国教育改革的宏大蓝图之中，同时STEM教育也从学术思潮层面的教学主张转变为一种国家意志层面的教育行动。以立法维度为例，美国《2015年STEM教育法》就对STEM教育进行了明确的界定，认为STEM教育是指科学、技术、工程和数学等学科的教育，其中还包括计算机科学的教育。此外，美国科学教育改革的风向标《新一代K-12科学教育标准》也首次将工程和技术教育单独列入其中，强调要注重学生的跨学科学习和实践参与，这一标准对我国科学教育改革产生了强大而深远的影响。综上可以看出，源于美国的STEM教育自发源之初就直接指向高等教育的弊端，直至今天，它的根本目的仍在于培养数量稳定的青年科技工作者，以维持、刺激和振兴国家的经济。

2.STEM教育的特征分析。

令人没有想到的是，全球高端制造、人工智能等新兴行业的空前繁荣及这些行业本身所带有的不可阻挡的裹挟力，为STEM教育提供了新的发展机遇。其结果之一是STEM教育正在从发源地美国向其他国家快速铺展开来，当然这与全球经济、文化的一体化不无关系；另一结果则是越来越多的中小学开始关注并尝试进行STEM教育的实践探索，并呈现出令人鼓舞的教学效果和值得期待的发展态势。

STEM教育在短时间里在世界范围内掀起了热潮，对它的内涵及价值也出现了各种不同的解读：有的把STEM理解为一种跨学科课程，有的把它理解为一种整合性的教学策略，有的认为它是指向STEM综合素养的课程培养目标，还有学者干脆提出STEM教育的核心精神就应该包括以上各种认识的综合。[1]这些不同的理解直接影响了STEM教育的实施方式和效果。

相比于分析它的抽象内涵和价值，从显性的特征角度对STEM教育和传统单科教育进行比较，可能更具有现实意义。不难发现，STEM具有如下重要特征，见表1。

STEM教育最核心的特征在于通过团队合作的方式，让学生综合运用科学、技术、工程和数学等学科知识解决现实生活中的真实问题，以学生为中心、充足的时间、明确的结果和跨学科任务等是学习的关键要素。

表1 传统单科教育和STEM教育的比较

3.STEM教育与小学科学课程的碰撞。

我国的STEM教育将小学科学作为主要的切入学科，这不仅是由它首字母“S”所代表的“科学”一词所决定的，更是因为科学学科自身的特点。美国科学促进协会对科学有过描述：“基础的和可应用的自然与社会科学、数学、工程和技术以及它们之间的相互关系，也就是说科学事业是一个整体。”[2]由此可见，科学课程从一开始就包括了科学、数学以及技术等基本要素。因此，与其说是STEM选择了科学课程，倒不如说科学课程本身为STEM教育的兴起提供了天生的沃土，我们甚至可以将STEM教育理解为科学课程的另一种形态。如果说得再透彻一些，STEM教育对小学科学课程的价值并不在于它所提出的基于多学科内容整合的课程结构形态，而在于其所倡导的基于真实问题情境下所采用的跨学科整合的课程实施形态。这正好直接指向并对应解决我国小学科学课程长期以来存在的两个主要缺陷：一是以STEM真实情境任务弥补科学教学内容的弱趣味性和超现实性之缺陷。小学科学课程中很多知识及其呈现方式老旧，这导致学生科学学习的兴趣日益下降。而基于生活情境的问题能够迅速有效地把学生吸引到真实有趣的学习活动中。二是以STEM项目学习、工程产品设计等弥补科学教学方式单一化和程式化之缺陷。传统的讲授法教学看似高效，实则弊端不少。至于探究式学习，稍有不慎也极易陷入死板的程式化陷阱，把原本应当是灵活多变的、开放性的实验探究硬生生地变成按部就班式的僵化流程操作。STEM教育的出现恰好为我们审视并改进科学教学提供了契机。

二、STEM视角下小学科学教学的思考

作为一种舶来品，STEM教育与我国的科学教育直接完美对接的可能性较小，从现实情况来看也的确如此。我国中小学在STEM的推进过程中往往只重视创客教育、发明创造和机器编程等科技项目活动，轻视将其与科学课程进行深度整合。在教育理念层面如何协调人文性和技术性的矛盾，在教学实践层面如何形成有效的STEM教学策略等，需要我们给予重视。

1.坚定不移地落实科学课程的基本理念。

教育或许是整个社会中最需要坚持保守主义立场的一种社会行为，因为任何一点激进都有可能造成无法弥补的遗憾。是培养合格、熟练的劳动者，还是培养德才兼备、全面发展的人？这两个目标同样需要整合，需要辩证地思考。在《义务教育小学科学课程标准》中，开篇即明确提出了科学课程的四大基本理念：一是面向全体学生，二是倡导探究式学习，三是保护学生的好奇心和求知欲，四是突出学生的主体地位。这些基本理念集中体现了我国的教育方针，必须不折不扣地落实在科学课程的实施过程之中，任何与之相违背的教学行动都是不可接受的。STEM教育作为一种源自西方国家的教育新事物，不管是作为一种课程形态，或是一种课程实施形态，从目前来看尚不具备全面替代现行小学科学课程实施方式的条件和时机。

以探究式学习为例，科学探究并不是STEM教育所倡导的教学方式，STEM教育希望构建的是一种在较为复杂的任务情境中培养学生设计能力与问题解决能力的教学形态，这是STEM教育的精髓所在。但小学生的年龄特点决定了他们所能够理解的教育内容必然是人类社会发展和积淀过程中最基本的部分，最适合他们的教学方式也必然是在教师指导下的探究式学习。正如清华大学吴国盛教授所说：“科学教育的内容大概满足某种重演律，即每个个体的受教育过程，基本重演整个人类科学发展的过程。”[3]对于新技术在科学教育中的价值，他则建议“不必过分敏感”，既不要不切实际地热衷引进，也不必恐惧和拒绝。这种态度同样适用于STEM教育对小学科学课程所产生的冲击，即我们绝对不能全面拥抱STEM而抛弃探究式教学，也不能否定本文之前所述的STEM教育对小学科学课程缺陷的弥补作用。

2.探索生活问题与科学问题相互转换的策略。

为解决真实问题而展开学习是STEM教育最重要的特征，但真实的生活问题并不等同于恰当的科学问题，这需要教师对STEM教育以真实任务展开教学的操作策略进行探索和完善，找到真实问题和科学问题之间的联系，这也正是当前小学STEM教育研究的重要内容。

从教育心理学的角度看，发生在学生身边的各种真实事件或那些尚待证明的奇异经验，能够引发他们的探究兴趣。问题在于，发生在学生生活中的真实事件一般都是和某种特定的情境联系在一起的，这些事件所蕴含的数量巨大的信息，很有可能会掩盖住那些教师希望儿童加以关注的特征，而甄别这些特征，是掌握科学基本概念并把它转化应用于其他生活场景所必需的。[4]因此，如果只是把生活事件完整地复制到课堂中来，那便不是明智之举。教师需要对这些生活事件加以提炼或转化，这样才有可能帮助儿童去关注复杂问题中的关键特征，避免学生因信息过于复杂而出现困惑。也就是说，真实的生活问题具有科学学习的价值，但并不意味着它可以直接被引入到课堂教学之中来。教师一旦决定把生活事件引入课堂之中，他就首先需要在事件信息的丰富性和学生科学认识需求之间找到一个平衡点，既对生活中的科学现象加以简化提炼以便于在课堂中进行有控制的测量或实验，避免更多的信息干扰学生的科学探究活动，同时又能够让学习内容有效地激发学生的学习欲望，满足他们对生活中相关现象的探究兴趣。

以师生都喜欢的“制作投石机”为例。在生活中，学生一般以投掷得远为标准，这契合他们日常游戏的现状。如果课堂中教师只是要求学生把弹丸远远地扔出去，那么这种教学策略很明显无法对学生的科学学习产生有针对性的帮助，因为学生的设计方案会过于自由和开放。和自由探究相比，小学生更适合在教师的指导下开展探究活动。所以正确的做法应该是：教师通过和学生一起制订某种游戏规则来鼓励他们提出各种各样的问题，在限定的框架内指导设计合理的投石方案，然后不断地验证投掷效果并提出切实的改进方法，直至取得令人满意的结果。比如：在制订游戏规则时，就可以让学生对制作材料（车架结构、皮筋数量、弹丸大小）进行限定，对投掷要求也要进一步明确，是强调弹丸落地的精准性还是距离，或者是两者的结合。活动任务越明确，学生所学到的科学知识也就越丰富、越体系化。

3.灵活整合科学实验和工程实验。

科学实验和工程实验是科学课上最常见的两种实验类型。科学实验是指学生通过观察、对比等手段获取证据然后解释自然世界和人类世界，获得科学知识的一种学习活动（比如研究黑色和白色材料哪一种更容易吸收热量）；工程实验则是通过设计、实践等解决那些目标指向明确的特定任务，从而积累工程和技术方面的经验（比如怎样提高太阳能热水器的吸热性能）。这与人类认知世界的两大传统如出一辙：即观察思考的传统与行动实践的传统。[5]人类在真实的生活世界中更倾向于借助后者来应对各种问题，并且通过生物遗传和文化传承等途径让下一代人也具备这一习惯。比如：人会在自然界中选择各种不同的材料及制作工艺，以便让箭射得更远，但却很少有人从物理学角度去思考影响箭飞行的力学原理。小学科学课的任务之一就是让学生亲历科学实验和工程实验的过程，获得基本的科学概念，并且利用新形成的科学概念来解决生活中的相关问题，从另一个角度来看，科学概念的形成又能够反向帮助学生更好地理解科学实验和工程实验的论证过程和设计原理，见图1。鉴于学生更倾向于使用工程实验，这就需要教师有意识地设计一些能更好反映科学实验本质的活动，从而实现对两者的灵活整合。

（图 1）

比如在研究“摆的快慢与什么因素有关”时，教师需要考虑以何种实验作为学生起始阶段的学习内容。一种教学思路是先让学生通过几组科学实验知道摆的快慢与摆线长短有直接关系，然后让学生根据这一科学概念设计一个10秒内摆动10次的摆，苏教版科学教材就遵循了这一教学思路；另一种教学思路是先让学生通过尝试性的工程实验制作一个10秒钟内摆动10次的摆，然后让学生根据制作经历总结自己是如何来调整摆的快慢的，从而得出相关的科学概念，这一教学策略曾被路培琦老师采用。仅从形式上看，后一种教学设计更具有STEM教育的外在特征，但前者亦不失为一种选择，它同样实现了科学与工程的整合。但不管是哪一种教学设计，都需要教师分配更多的课堂时间用以学生的自主探究。