从素养到STEM素养

陆庭銮

摘要：从素养引入，重点阐述与理解素养、科学素养、学科核心素养、STEM素养由来与内涵，并就如何培养学生的STEM素养提出一些建设性的意见。

关键词：素养;科学素养;学科核心素养;STEM素养

文章编号：1008-0546（2019）04-0022-03

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.04.007

我们在教学过程中经常会遇到一个热词：素养，素养是什么？科学素养又指什么？STEM素养指什么？它们之间有什么关联？如何准确地把握其内涵？特别是现代教育中如何采取有效措施培养学生的STEM素养。

一、素养

对于素养的基本理解，有3个典型的解释。解释1：由训练和实践而获得的技能。解释2：在特定的复杂真实情境下，个体完成某项任务所具有的先决条件，是可学、可教、可测的。解释3：素养是决定一个人的行为习惯和思维方式的内在特质。

从广义上素养可以理解为“三个做”即“能做什么、想做什么、会怎么做”。“能做什么”即要求学习者具备一定的基础知识与基本技能;“想做什么”取决于学习者对自我的角色定位与认知;“会怎么做”取决于学习者的个人品质和学习动机及价值观。有专家指出，素养是一个人的“精神长相”、是一个人的“人格”（品格）、是一个人的“行为习惯”、是一个人的“思维方式”，[1]。

当然素养可分為显性素养与隐性素养，冰山理论认为，海面之上的显性的知识与技能易获得，而海面以下的隐性素养，如学习动机、个人品质及价值观常隐于海平面以下的需要在长期实践活动中获得。

二、科学素养

科学素养的概念最早是在上世纪提出的，到了上世纪五、六十年代开始被不断地报道。国际经济合作组织（OECD）、国际学生科学素养测试大纲（PISA）及，美国学者米勒分别从评价角度、学习的视角及公众的视角加以观察和研究。一般认为，科学素养由3个部分所构成：科学知识研究过程及科学方法、个体的决策能力。它是在美国最早提出的，要认识科学素养，首先从东西方的科学科技发展过程理解，欧州从文艺复兴运动开始，科学技术得出了迅猛的发展。可以说，“今日科学的出现，不是利益于《圣经》，而是利益于文艺复兴。文艺复兴并非一个政治运动或宗教运动，它是一种新的心态”[2]。

那么，科学素养提出的背景是什么呢？在20世纪中叶，前苏联的科学技术的迅猛发展，促使美国人对曾经走过的科技道路进行了反思，重新思考科学教育改革的方向;欧州发达资本主义国家的工业革命的发展，促进了其科学技术的发展，同时也带来了一些不利的负面的影响，正确处理好科学技术的发展与社会自然和谐发展已显得非常重要了;由于科学技术的迅猛发展，在能源、环境及随之产生一系列问题，在公民素养的调查中发现很多的公民缺少认识或不认识，社会的变革与发展需要大量有科学素养的公民。

结合以上背景，科学素养（Scientific Literacy）被提出，1989年，美国国家促进会（AAAS）针对此提出“2061计划”或《面向全体美国人的科学》（Science for all Americans），科学素养第一次被提出，同时对科学素养进行了界定，“具备并使用科学数学和技术学的知识做出有关个人和社会的重要决策”。在这个概念中，特别提及素养所涉及的知识与决策能力。

随之，制定了相配套的课标，美国在提出“2061计划”之后不久出版了《科学素养的基准》，主要论述科学素养的确定及教学设计的确定。1996版美国国家科学教育标准（NSES），明确提出科学素养是“一个人能识别国家和地区决定所赖以为基础的科学问题，并能提出有科学技术根据的见解”。NGSS2013提出了新的科学教育标准，指出“跨科概念与核心概念、科学与探究共同构成了自然科学领域有效科学学习的3个维度，其中每个维度都有不同的行为目标。”

我国在2001年颁布的国家义务教育化学、物理与生物和科学标准中，科学素养被提出，公之于众，2011版《化学课程标准》在《前言》部分提出了培养与提高学生的科学素养[3]，科学素养统领课程目标，具体表现为知识与技能、过程与方法、情感、态度与价值观，科学素养从提出到今天已近17年。可以说科学素养是新课程改革的主旋律与主旨，一直在实施与强调。

三、学科核心素养

科学素养的落实终究要具体到学科，通过学科的教育教学实现学生素养的提升。可以理解为学科核心素养是在科学素养基础之上基于学科的特点而提出的，是学科素养的具体落实与深化。每一个学科有它与其他学科共性的东西，但更多地，每一门学科也有独特的自身的一些功能，有它独特的思想与方法。就好像是“理发”与“美发”关系，后者要求更加的具体与精美[4]。

我国的化学学科核心素养的制定又是在学生发展核心素养基础之上提出的，是为了实现立德树人的目标的。它们之间的关系是具体与抽象、部分与整体的关系。针对化学学科的具体特点，《普通高中化学课程标准（2017版）》提出学科核心素养的具体5项指标。这些学科素养是在三维目标基础之上的继承与创新、发展与超越，更加具体与水平化[5]。

四、STEM素养

1.STEM的提出与确立

近几年，美国学者在不断思考与探讨新一代的国家科学教育标准（NGSS），培养学生哪些科学素养？是传统的知识？还是能力与方法？还是指向具体实践的跨学科的、技术设计的新思想与新方法？可以认为，STEM的提出是教育理念的不断转变与深化，20世纪50年代以来，美国共经历了4次科学课程改革，前2次的课程改革过分关注学科与社会、技术及环境的关系，却忽略了学科本身的学科本质及学科整合教学。人类在关注本体知识的同时，更应关注知识的统整，具体到如何确立一个真实情境下某个工程的问题，怎样做一个计划，怎样解决工程问题所需要的技术与相关的证据[6]。与此相适应的，强化课程整合（Currieulum Integration）是20世纪80年代以来课程设计领域出现的新趋势。有学者预言，课程整合将是未来21世纪课程设计的主流。

2011年美国颁布了《K-12科学教育的框架：实践，跨学科概念与核心概念》，明确指出：科学教育从传统传授零碎与分散的知识转向整合的知识，科学教育应包括实践、跨学科概念与核心概念3个维度，并且对3个维度提出了具体的学习标准与要求。并且针对此标准提出了6个跨学科概念，分别是模式、原因与结果、比例与数量、系统和系统模型、能量和物质、结构和功能[7]。

2013年6月发布的美国《新一代科学教育标准》（NGSS）（第四代科学课程改革阶段）中明确要求在美国的科学教育中要整合技术工程和数学教育。

2015年美国正式颁布了STEM教育法案。

我国研究起步较晚些，在我国基础教育阶段还没有建立起较为完善的STEM教育体系，还处于探索阶段，对于STEM教育的理念还没有普及，相关教育的政府文件相对较少。还需要学习与借鉴美国先进的教育经验，结合我国实际教育现状，探索有效的教改措施。

2.STEM教育内涵的基本理解

STEM教育是一种基于整合的教育，它是在真实情境之下，面对真实的问题或任务，通过有效设置问题、角色扮演、合作学习达到解决实际问题的目的。它的特点是：情境与合作、跨学科整合、问题驱动[8]。其中各字母代表的涵义分别为：

S-科学（Science），了解新知识、探究新知识的科学方法，往往涉及提出问题、做出假设、制定计划、进行实验、得出结论、反思与评价等。

T-技术（Technology），它是在科学探究的过程中为了解决实际问题做出某些改进或创造的手段，包括选择材料、选择工具、技巧与方法等。

E-工程（Engineering），以工程師身份，对某一个项目学习制定出一整套科学的程序，包括明确任务、制定计划、实施步骤、初步试验、修改原型、迭代优化与产品定型等。

M-数学（Mathematics），它是人类解决问题或进行每项科学研究时所涉及到的对客观世界的描述或运算过程，包括测量数据、数据列表、曲线描述与数学关系描述等。

3.STEM素养的基本理解

在我国，对于STEM素养的正式文件见于教育部2016年6月颁布的《教育信息化“十三五”规划》，在这份文件中明确指出“积极探索信息技术在众创空间、跨学科学习（STEAM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。”这标志着STEM教育改革在中国走上了正规化快速道路，切实采取有效措施培养学生的STEM素养显得十分的必要与重要。STEM素养分别体现四类不同的素养，分别为：科学素养技术素养、工程素养与数学素养等。

科学素养是运用科学知识理解自然界并参与影响自然界的有关决策的能力。科学素养的形成必须具备一定的科学知识.科学能力与科学的态度。

技术素养即使用、管理、理解与评价技术的能力。其基本内涵是技术知识与工具、技术能力与方法、技术意识与态度。

工程素养是对技术的工程设计与开发过程的理解能力。涉及工程知识、工程设计与技能、工程意识等3个具体内涵。

数学素养是学生在解决实际数学问题时分析、判断、迁移及推理等能力。涉及数学知识、数学能力、数学意识与态度等[9]。

4.化学教学与STEM素养的培养

（1）案例

教学中有关水的性质的教学。

提出问题：能源问题涉及到国家的振兴与发展，涉及到千家万户，利用好水资源解决能源危机，实际解决问题的过程中需要综合考虑哪些因素？请你以工程设计的视角，需要进行哪些步骤和技术的改进？小组进行讨论，形成一系列问题，如科学问题技术问题、工程问题及数学问题，现列举如下。

需要解决的科学问题有：了解其中的物质转化及能量转化情况，采用何种形式的能量的转化，能否采用合适的催化剂，从定性和定量角度分析水转化为氢气的宏观与微观特征。

需要解决的技术问题有：主要涉及在水分解过程中，采用的装置分析，电极的选取、氢气产生的速率的影响因素、电压的大小及氢气的收集等问题。

需要解决的工程问题有：从整体上统筹考虑，主要考虑在电解过程中团队合作意识、安全意识、制取氢气的成本等，如何优化方案使方案更具有实用价值与社会推广价值。

需要解决的数学问题有：从定量角度进行分析，消耗的能源与产生的能量的比较分析，理论产生的氢气量与实际产生的氢气质量分析，容器的体积与承受的压强的数据分析等。

（2）培养途径

在实际教学中实施项目化学习设计是培养学生STEM素养的有效途径，根据深度学习的相关特征，形成项目化学习整体设计的一般程序与模式，提出4个方面的总体设计，即4个实施阶段，一是以项目为根，注重真实问题情境的创设;二是以体验为主，注重主体获取新知;三是以交流为介，注重主体的实践;四是以整合为标，注重工程价值设计。在具体实施时，第1阶段重点是挖掘有价值的工程问题，确定具体的学习项目，体现生活化与社会化的特点，培养学生的科学素养;第2阶段重点是通过主体参与与体验获取新知，在此过程中培养学生实践能力与科学精神;第3阶段是强化学生角色培养，进行科学问题的探讨及技术的改进，培养学生的技术素养科学素养等;第4阶段重点是整合有关知识，整体进行工程设计，综合考虑一些因素，进行角度体验，设计出合理的方案，培养学生的工程素养、科学素养及数学素养等。

参考文献

[1]余文森.简论素养的意义[J].当代教育与文化.2018（3）：1-3

[2]钱旭红等.改变思维[M]上海：上海文艺出版社，2012：35

[3]义务教育化学课程标准（2011版）[M].北京：北京师范大学出版集团，2011

[4]王祖浩.从科学素养到学科核心素养[J].第15届上海国际课程论坛报告，2018

[5]中华人民共和国教育部·普通高中化学课程标准（2017版）[M].北京：北京师范大学出版集团，2011

[6]杨妙霞.美国《国家科学教育标准》中教师专业技能分析[J].化学教学，2018（6）：27

[7]李克东等.STEM教育与跨学科课程整合[J].教育信息技术，2017（10）：3-10

[8]周礼等.基于STEM理念的校本课程[J].化学教学，    2016（10）：13

[9]1田小兰等.STEM素养及其在化学课程中的体现[J].教学与管理，2018（1）：107