STEM，你慢些走

王平

多数媒体、网站和文献将缩写词STEM归功于2001—2004年间任职于美国国家科学基金会（NSF）的教育和人事主管Judith A.Ramaley，当时她和她的同事们开设了一系列培训课程，其中包括科学、数学、工程和技术的课程，简称SMET，后改为STEM。理由是原来的缩写SMET中的“SM”排在首位，看起来好像科学和数学是首要的，或者是重要的，而新的缩写STEM则建议了一种新的联系，首尾字母“SM”代表的科学和数学支撑了中间的技术和工程学科，而且STEM更好听。

也有资料称，STEM一词来源于缩写词METS，代表了数学、工程、技术和科学。在1996—2004年间，时任美国国家科学基金会的主任Rita Colwell不喜欢METS这个缩写词，因此在她召集的一次跨政府部门的有关科学教育的会议上，她的同事Peter Faletra建议将METS改为STEM。即使现在，我们仍然可以看到美国有些高中称自己是METS学校，如：新泽西州的METS特许高中，但其学校简介中却使用了STEM缩写。

到底是谁首先提出STEM一词并不重要，可以肯定的是：当STEM被提出时，这个缩写词仅仅是指科学、技术、工程和数学四个不同的学科，别无他意。首次公开使用STEM一词似乎是在2005年，当时美国国会两位议员成立了一个科学、技术、工程和数学（STEM）委员会，2008年后成为一个教育术语，并迅速成为许多国家教育政策制定和研究的热点。

尽管STEM一词现在被广泛使用在各种教材、教室、课程、资源、广告、影视、会议、演讲和报告中，然而究竟什么是STEM以及由此产生的一系列相关的问题，比如：教学内容、教学途径、教师培训和教学评估等，仍然有诸多模糊不清之处。

STEM教育定义不清楚

1.在政府和政策层面上，STEM教育的定义和含义不清楚

美国国会下属的国会研究处在2012年发布的一份标题为科学、技术、工程和数学（STEM）教育的报告中指出，美国国家科学基金会研究项目指南中STEM是指物理、化学、生物、数学等核心科学和工程学，以及心理学和社会科学。

美国国土安全部移民海关总署在人才引進项目中指出，STEM教育是指社会科学、数学、化学、物理、计算机和信息科学以及工程学。该报告明确定义：STEM是指在科学、技术、工程和数学领域的教和学，通常包括从幼儿园到博士后的各种正规（课堂教学）和非正规教育活动（课外活动）。报告中多处强调了美国在STEM教育上与其他国家相比表现不佳，然而所列举的证据主要来自TIMSS和PISA两项测试。TIMSS是由美国的国际教育成就评价协会实施的世界范围内的科学和数学测试，PISA是由位于法国的经济合作和发展组织实施的国际学生的阅读、科学和数学测试。这份标题为《STEM教育》的报告指出，在1987—2009年的20多年间，有多达200份冠名“科学教育”的议案被提交给国会，可见该报告将“科学教育”也称为STEM教育。

2012年美国联邦政府资助的名为STEM教育的3个最大的项目是：健康和人力资源部2.74亿美元的职业培训、美国国家科学基金会1.98亿美元的硕博研究生学习，以及教育部1.5亿美元的科学和数学教师在学科知识和教学能力方面的培训。这里的STEM教育实际上也主要是指科学教育或数学教育，而且是从基础教育阶段延伸到职业教育和高等教育。美国教育部网站列出的有关STEM的项目都是指科学、数学或技术教育，鲜有例外。Carmichael（2017）的博士论文进一步证实，美国各联邦机构使用不同的STEM定义。该研究还发现，在美国的50个州中，21个州定义STEM为整合，15个州为单一或整合，5个州为单一学科，9个州没有定义。

可以看到在政府和政策层面上，美国的STEM教育主要是指单一学科的教育，特别是科学和数学教育，而STEM教育和科学教育、数学教育以及技术教育经常混用。

2.在教育研究和教学层面上，STEM教育定义同样不清楚

著名的科学教育学者，5E教学途径的发明人Rodger W.Bybee（2013）指出，定义教育的术语始终是有争议的，一个非常有趣的现象是：很多人想要一个定义，但是当一个定义出现时，很少有人同意，定义STEM也同样。他进一步指出，STEM的含义和意义还不清楚明确，到底应该包含什么有极大争议，有人指整合的四个学科，有人指独立的四个学科。由于含义不清，意义不明，所以政治、政策的取向大于实际教学意义。

美国工程院资深项目官员Greg Pearson于2012—2014年主持了工程院和科学教育委员会有关整合STEM的研究，他们研究了500个声称是STEM的项目，其中70%是指单一学科，主要是科学和数学，而工程和技术很少被关注;30%是某种程度的整合。

美国密西根州立大学教育学院的小学教育和中学教育两个专业，在美国新闻和世界报道的大学排行榜上连续25年排名第一，该学院的CREATE for STEM研究所是最早成立的以STEM冠名的研究机构之一，每年都会召开一个小型研讨会展示本年度的研究动态。在2018年度研讨会上公布的文章，绝大多数都是指科学和数学等单一学科，只有个别大学层次的项目使用了STEM一词。美国华盛顿大学科学和数学研究所在NSF资助下开发了一个称为STEM教学工具的网站，列出了55个和教学相关的话题，其中只有5个在标题中出现了STEM，但其内容仍然是科学教育的话题，其余都是涉及科学教育或者工程教育的。

著名的加州大学伯克利分校儿童早期教育中心前执行主任Macdonald在一份有关幼儿园STEM教育的报告中则混用STEM和科学教育，采用的例子都来自科学教育。波士顿儿童博物馆（2013）发布的幼儿园STEM指南，其中列举的教学活动分别是科学、技术、工程、数学和五官（视、听、触、闻和尝），都是指单一学科的教学。

因此，到底STEM教育是指什么，在政府政策制定和大学研究机构层面，以及中小学和幼儿园教学实施上看都还有待澄清。

整合内容及其教学途径和效果不清楚

STEM教育中常见的说法是将科学、技术、工程和数学四个学科进行整合。然而，在教育文献中整合一词有着很多不同的解释和术语，用于表示“整合”的词多达18个，它们是integrated，interdisciplinary，intradisciplinary，multidisciplinary，connected，coordinated，immersed，blended，transdisciplinary，thematic，nested，sequenced，shared，webbed threaded，networked，unified，fused等。这些词反映了整合什么教学内容以及如何实施教学的途径差异。比如：interdisciplinary是指学科间整合，而intradisciplinary是指学科内整合。

Cohen（1990）认为整合既可以是学科内的，也可以是学科间的。1996年颁布的美国国家科学教育标准提出，教学内容经常需要整合，包括科学学科内不同内容的整合（比如：生物和物理），以及科学和其他学科间的整合（比如：科学和数学）。美国下一代科学标准（NGSS）制定的指导性文件——美国K-12科学教育框架文件（2012）中提出的跨学科概念，实际上是科学学科内的整合，比如：能量是生物、物理、化学和地球科学共同的概念，而NGSS更是直接将工程学科的标准整合进科学学科的标准中。Bryan等（2015）提出了三种整合方式：多个平行的、各个学科的学习目标，一个领域的学习支持另一个领域的学习，一个学科的情境服务于另一个学科。

虽然“整合”一词到1936年才出现在教育领域，然而，整合的教学实践却可以追溯到100多年前。1900年，美国的学校科学和数学协会刊物就开始发表科学和数学的整合教学的文章。1992年，由NSF资助，60位科学家、数学家、科学老师、数学老师、大学科学教育和数学教育研究者、课程专家、教育技术专家以及心理学家经过3天的讨论，没有能就什么是科学和数学的整合达成一致意见，只是给出了一个暂时性的定义：整合是融合数学方法到科学中，以及科學方法到数学中，以至于不能分清它是数学还是科学。

整合如何影响学生的学习，仍有待研究。数学和科学的整合似乎对科学的学习有积极的影响，但数学成绩却很难在STEM整合中获得提高，Fitzallen（2015）则认为，数学有助于其他学科的学习还缺少证据。

美国下一代科学标准（NGSS）致力于把工程教育提高到和科学教育同等重要的地位。尽管科学和工程的整合有助于某些科学概念的学习，但对工程学习的影响，研究结果相互矛盾。常用的整合途径是通过工程设计，而科学和工程的整合又可以有两种类型：科学内容在前，然后学生学习和工程问题相关的工程设计;或者从工程问题开始，随着学生设计的进展，再引出有关科学内容。实际上，没有证据证明哪个类型更有效。

实施STEM教学的途径也多种多样。有的STEM项目直接采用科学教学中常采用的5E学习途径，即：激发、探索、解释、拓展和评估，比如：Brown（2014）采用5E学习途径，引导二年级学生通过设计净水器来学习物体的特性。有的STEM教学采用工程设计途径，即：问题、想象、计划、制作和改进，比如：English（2016）的案例，学生设计并建造一座能抵御地震破坏的建筑物。

Barth（2017）和国际技术、工程教育者协会将工程设计的步骤插入5E途径，但两者采用了不同的方式。前者在五年级学生利用水循环的概念来处理污水的案例中，将工程设计的多个步骤作为5E途径的激发步骤。后者则在5E途径中插入一个工程设计，发展成6E模式。Lantz（2009）认为，探究式途径、项目为导向或问题为导向的学习以及表现行为为基础的教学途径都可能有效。

科学和数学或工程的整合内容、途径和效果尚不确定，试图将四个学科进行整合可能更加困难。English（2016）和Stohlmann（2012）强调，应该发展整合的教学，但不提倡全部四个学科的整合，因为还缺乏证据证明这种整合有助于学生的学习。English（2016）建议，整合途径应该巩固和延伸学科学习。而我国学者唐小为（2014）认为，从科学走向工程的应用延伸模式旨在检验知识应用和解决问题的能力，是一种整合程度较弱的单边路径。而工程框架型模式，即：由设计任务导向相关科学探究，再为改进设计提供依据则有更强的整合性。Bybee（2013）建议要先保持和改善传统的四个学科的教学，然后使用各学科的核心概念进行整合，并提出了STEM教育的1.0、2.0、3.0和4.0的路径，即：单科、两科、三科和四科。

评估方式不清楚

评估传递了什么是值得学习和如何学习的信息，以及对学生的期待是什么。由于没有广泛接受的STEM整合定义，以及实施教学的途径的多样性，因而很难确定明确的教学目标和相应的评估工具。整合STEM教学的一个重要特点是学科间内容的整合，因而需要合适的评估工具来评估学生对整合内容的理解，比如：在科学和数学整合中，学生需要理解科学和数学是如何共同解决问题的。在科学和工程整合中，需要评估学生提出多种解决问题的方法并选择最优方法的能力，以及利用科学概念来解决工程问题的能力等。

English（2016）认为，整合STEM教学中对学生成绩和表现的评估是有限的且不令人信服的。现有的评估，在美国无论是州水平的，还是课堂层次的，都是关注单一学科，而没有评估学生的跨学科整合的能力。而且，倡导整合STEM教学的一个主要期望是激励学生的参与和培养坚强不屈和团结协作的精神，但是这些品质在评估中却很少涉及（Honey等，2014）。

Chalmers等人（2017）为整合STEM教学建议了四大类、近二十种评估工具，包括学生的作品、讲演、报告、展示、视频、概念图、流程图制作、计划、观察、访谈、检测、文件夹、访谈、反思写作等，但仍然是针对单一学科的。

此外，数学和科学课程长期以来一直是基础教育的一部分，教学和评估相对比较成熟，而技术和工程教学历史短，甚至在基础教育领域是长期缺失的，教学和评估方法还有待进一步发展和完善（NRC，2011），因此如何评估技术和工程作为单一学科的学习，以及作为整合STEM教学还不清楚。

教师培养、培训途径不清楚

传统的教师培养和职后培训都是单一专业，主要是科学和数学，而且是分科教学（Honey et al.， 2014;Shernoff，2017）。小学教师经常缺乏或者只有有限的工程和技术的知识，能接触的有关课程和教学材料也很有限，缺少能有效整合STEM學科的资源，在应对工程和技术教学时经常感到压力巨大（Brophy et al.，2008; Cunningham，2008; Diefes-Dux，2014; Lachapelle and Cunningham，2014; Moore et al.， 2014）。

David J.Shernoff（2017）等人指出，过去的师范生培养主要注重于学科教学法、学科内容和课程标准。尽管这些对教学是有帮助的，但是不能完全应对整合STEM教学，因为整合STEM具有综合性和跨学科性。因此，需要重新设计师范生培养项目，以帮助未来的教师理解多学科的知识内容和学科间的联系，以及学生如何理解学科之间的联系。比如：在科学和工程学科整合中，使用探究形成科学解释，然后以此指导工程设计和技术的使用来解决实际问题。

在美国，只有少数教师培养专业试图增加不同的学科课程到培养新教师或培训现有教师的计划中。德克萨斯大学尝试整合工程学院、自然科学学院、教育学院和基础教育学区的资源，来培养整合STEM的教师。比如：来自工程专业的、试图获得教师资格证的学生必须学习更多的数学、物理和化学方面的课程，而来自物理或化学专业的学生，必须学习一些工程方面的课程。

此外，还有一系列的问题需要研究和解决，比如：来自不同学科的教师如何协调教学，师范学生是否需要在某种程度上熟知各个学科的课程标准以及所有学科的核心概念，是否有什么很重要的原则对于整合STEM教学是必需的。在已有的学科教学体系和课时内，哪些学科课程需要增加或者减少都有待研究。

对现有在职教师的培训，同样需要应对STEM教育的挑战。David J.Shernoff （2017）建议，教师的职后培训需要更多地关注教师已有专业领域以外的学科内容和如何整合不同学科的教学目标。工程设计的教学对教师的挑战是复杂和巨大的，教师必须掌握至少两门学科以上的概念、跨学科概念以及科学和工程实践才能进行有效的交流（Moore等，2014）。

面对STEM教育的挑战，传统的教师培养和职后培训都很难应对，如何改革甚至重新设计教师职前和职后的培训模式，是急需研究和解决的问题。因为教师是整合STEM教学的关键，无论有多好的标准、教学设备和教材，教学最终都要由教师来执行。

（作者系北京桂馨慈善基金会科学课项目专家）