交叉融合的STEM教育：背景、内涵与展望

袁智强

摘要：“中兴事件”反映了中国核心技术受制于人的局面没有得到根本性改变。从中小学甚至幼儿园开始渗透STEM教育理念、培养理工科思维的需求变得越来越强烈。STEM教育包括分科式STEM教育和整合性STEM教育。培养核心素养是开展STEM教育的重要目标。一方面，要立足常规课堂，扎实做好分科式STEM教育;另一方面，要通过改造传统课堂或借助综合实践活动课程、校本课程和社团活动等机会，努力开展整合性STEM教育。

关键词：交叉融合 STEM教育 整合性 分类框架 核心素养

一、STEM教育的背景

STEM教育理念源自美国，起因是20世纪50年代，苏联的卫星首先成功升入太空，给美国带来了极大的刺激，使美国认识到发展科技的重要性。此后，美国政府将STEM教育上升到国家战略层面，出台了一系列的政策和措施。当下，STEM教育理念在中国的推行亦有其现实背景：

（一）核心技术——被人卡住了脖子

进入21世纪，中国的综合国力日益强盛。然而，与美国等发达国家相比，中国在很多领域的技术仍然比较落后，处处受制于人。一个标志性的事件是“中兴事件”。2018年4月16日，美国商务部宣布未来7年将禁止美国公司向中兴通讯公司销售零部件、商品、软件和技术。禁售的理由是中兴通讯公司违反了美国限制向伊朗出售美国技术的条款。如果这一制裁措施正式生效，这家中国最大的通信设备上市公司将“立即进入休克状态”。2018年6月7日，美国商务部宣布与中兴通讯公司达成和解协议。但是，中兴通讯公司需要支付10亿美元罚款，另需准备4亿美元交由第三方保管。此外，美国选择合规团队进驻中兴通讯公司，并要求其在30天内更换董事会和高管团队。“中兴事件”正式尘埃落定。“中兴事件”的“解决”方式令人遗憾，发人深省。其中的關键原因在于中国还不能生产高精度的芯片。

“中兴事件”表明，中国的核心技术受制于人的局面没有得到根本性改变。《科技日报》于2018年上半年刊登了包括芯片制造在内的35项“卡脖子”技术，涉及半导体、机器人与自动化、装备制造、信息技术、生物医药、航空航天等领域。这些核心技术的研究不是一朝一夕之功，需要一代又一代人的不断努力。因而，从中小学甚至幼儿园开始渗透STEM教育理念、培养理工科思维的需求变得越来越强烈。

（二）数理学科——不容乐观的现状

虽然培养高素质理工科人才的呼声越来越高，数学和物理等理科在中小学的地位却受到了一定程度的挑战，而工程思维在中小学更是难觅踪迹。2013年10月，新浪微博关于“数学该滚出高考吗？”的调查显示，10万多网友参与投票讨论，其中7万多网友支持“让数学滚出高考”。如果说，“让数学滚出高考”只是一种情绪宣泄，那么“让物理滚出高考”则在很大程度上已经成为一种现实。2017年高考，浙江全省29.13万考生中选考物理的只有8万多人;在上海实行新高考改革的第一年，选择物理科目的考生仅占总人数的30%。“让数学滚出高考”“新高考弃物理”，那么谁来研究那些卡住我们脖子的亟待攻克的核心技术？

（三）未雨绸缪——刻不容缓的行动

2017年10月18日，习近平总书记在中国共产党第十九次全国代表大会上做报告，提出要加快建设创新型国家和世界科技强国。2018年1月19日，国务院印发《关于全面加强基础科学研究的若干意见》，提出要坚持从教育抓起，潜心加强基础科学研究，对数学、物理等重点基础学科给予更多倾斜;完善学科布局，推动基础学科与应用学科均衡协调发展，鼓励开展跨学科研究，促进自然科学、人文社会科学等不同学科之间的交叉融合。2018年9月17日，教育部等六部门联合印发《关于实施基础学科拔尖学生培养计划2.0的意见》，要求“促进学科交叉、科教融合”，提出要把促进交叉作为拔尖创新人才培养的重要途径，建设跨学科课程体系，组建跨学科教学团队，设立交叉学科研究课题，为拔尖学生参与跨学科学习和研究创造条件。

一些知名企业家、数学家、科学家和高等学府做出了积极的响应。例如，阿里巴巴董事局主席马云邀请田刚等数学家于2018年9月开始启动全球数学竞赛。腾讯科技董事会主席马化腾于2018年11月9日正式宣布投入10亿元设立腾讯基金，与北京大学教授饶毅等科学家共同发起设立“科学探索奖”。北京大学和清华大学等高等学府设立“数学英才班”等理科实验班……

如何吸引更多的优秀人才从事基础研究和科技创新？教育界如何为建设创新型国家和世界科技强国做贡献？STEM教育被寄予厚望。

二、STEM教育的内涵

STEM教育究竟是什么？学术界虽然一致认可STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四个英文单词首字母的缩写，但是对STEM教育到底涉及上述四个学科领域中的一个、两个、三个、四个，又或者拓展至更多，有各种各样的说法。此外，开展STEM教育的目标是什么？开展STEM教育的形式是怎样的？这些问题也都没有形成统一的认识。

（一）STEM教育的分类

鉴于上述事实，笔者在梳理相关文献的基础上，结合国家政策需求和教学实际情况，提炼出了一个STEM教育的分类框架，如图1。

瓦斯奎兹等人依据学科之间关联度的增加，将STEM教育的整合水平划分为四个层次：分学科（disciplinary）STEM教育，多学科（multidisciplinary）STEM教育，跨学科（interdisciplinary）STEM教育和超学科（transdisciplinary）STEM教育。

分学科STEM教育层次，教师将引导学生按照传统方式，在每个STEM学科中分别学习相应的知识和技能。多学科STEM教育层次，教师仍然引导学生在每个STEM学科中分别学习相应的知识和技能;虽然可能涉及同一主题（例如数学和物理中都涉及向量），但是教师在讲授这些主题时并没有引导学生建立相应的联系。跨学科STEM教育层次，教师将引导学生从两个或更多学科的角度学习有紧密联系的知识和技能。超学科STEM教育层次，教师将引导学生把从两个或更多学科学到的知识和技能应用到真实世图1界的问题中，从而帮助学生获得更丰厚的学习体验。

前两种STEM教育采用传统的教学方式，统称为分科式STEM教育。后两种STEM教育特别强调学科的交叉融合，统称为整合性STEM教育。虽然整合性STEM教育特别强调跨学科的特征，但是在培养高素质理工科人才的大背景下，传统的分科式STEM教育——科学（物理、化学、生物学、地理等）教育、技术教育、工程教育和数学教育等，仍然应该加强，也应当属于STEM教育的范畴。

跨学科STEM教育往往基于问题，采用STEM相关课程整合模式，也就是说：把科学、技术、工程和数学等STEM学科分别看作单独的学科，在学习过程中独立运用，以实现学科交叉融合，但各学科教学内容的安排会注重彼此之间的联系。超学科STEM教育往往基于项目，采用STEM广域课程整合模式，也就是说：不再强调单独学科的学习，而是针对活动项目把STEM作为一项综合技能，让学生综合利用科学、技术、工程和数学等学科领域知识来解决问题。在STEM广域课程整合模式中，又可以分为中心项目模式、学生主导项目模式和使用学生主导项目作为课程内容的模式。

（二）STEM教育的目标

我国当前的基础教育改革十分关注培养两类核心素养：一类是学生核心素养，另一类是学科核心素养。中国学生发展核心素养，以“全面发展的人”为核心，分为文化基础、自主发展、社会参与三个方面，综合表现为人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当、实践创新六大素养。学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。例如，数学学科核心素养包括数学抽象、逻辑推理、数学建模、直观想象、数学运算和数据分析。

培养核心素养是开展STEM教育的重要目标。STEM教育既关注学生核心素养的培养，也关注学科核心素养的培养。相比而言，分科式STEM教育更加关注学科核心素养的培养;整合性STEM教育中的跨学科STEM教育仍然立足于学科本位，重点关注学科核心素养的培养;而超学科STEM教育则超越了学科本身，重点关注学生核心素养的培养。培养核心素养，提升交流、合作、批判和创新等“21世纪技能”，为建设创新型国家和世界科技强国做贡献，是我国开展STEM教育的目标。

（三）STEM教育的实施

如何开展STEM教育？一方面，立足常规课堂，扎实做好分科式STEM教育，确保传统的科学教育、技术教育、工程教育和数学教育保持高质高效;另一方面，通过改造传统课堂或借助综合实践活动课程、校本课程和社团活动等机会，努力开展整合性STEM教育。

每一个从事分科式STEM教育的教师都可以通过改造传统课堂的方式开展跨学科STEM教育。例如，在科学或数学或工程课中，整合技术以及至少另外一个STEM学科的内容;或在技术课中，整合工程、科学或数学中的至少两个STEM学科的内容。这里强调技术不可缺少，是因为信息技术与学科教学深度融合的理念已经深入人心。但是，如果只有技术与单一的STEM学科，则与原来的教育理念没有太大的区别，因而要求跨学科STEM教育要有包括技术在内的三个或三个以上STEM学科的内容。每一个从事分科式STEM教育的教师还可以借助综合实践活动课程、校本课程和社團活动等机会，基于项目式学习开展超学科STEM教育，在此过程中整合科学、技术、工程或数学等三个或三个以上STEM学科的内容。

此外，从建设创新型国家和世界科技强国这一根本立足点出发，STEM教育可以进行拓展，加入更多元素，成为“STEM+”教育。例如，在STEM教育中加入“艺术（Arts）”，成为STEAM教育——当然，艺术的引入在于更好地实现原有的STEM教育目标，而不是用STEM作为媒介表征或学习艺术;在STEM教育中加入“社会（Society）”，成为STEMS教育，倡导科技人文融合创新。

三、STEM教育的展望

（一）中国STEM教育顶层设计出台

2016年6月，教育部印发的《教育信息化“十三五”规划》首次提出：在有条件的地区要积极探索信息技术在“众创空间”、跨学科学习（STEM教育）、创客教育等新的教育模式中的应用。2017年3月，教育部颁布的《义务教育小学科学课程标准》中增加了“技术与工程领域”，首次融合了STEM教育中的工程教育。2018年1月，教育部颁布的2017年版普通高中信息技术、通用技术、物理、化学、生物学和地理等课程标准中都提到了STEM教育理念。

当前，STEM教育已经在我国一些发达地区和中心城市（如北京、上海、广州、深圳、南京、成都等）逐步展开，许多学校开展了一系列相关的STEM教育教学实践。对此，不少机构和企业设立了相关的研究中心。如，自2017年6月开始，中国教育科学研究院成立了STEM教育研究中心，在各省市建立了一批STEM教育协同创新中心，组织召开了中国STEM教育发展大会，发布了《中国STEM教育白皮书》《STEM教师能力等级标准（试行）》等文件，启动了“中国STEM教育2029行动计划”。上海STEM云中心等一大批企业开始介入中小学STEM教育。

然而，与美国将STEM教育上升到国家战略层面，先后于2013年5月发布《联邦政府关于科学、技术、工程和数学（STEM）教育战略规划（2013—2018年）》，于2016年9月发布《STEM 2026：STEM教育创新愿景》，以及于2018年12月发布《制定成功路线：美国的STEM教育战略》等纲领性文件相比，中国STEM教育的顶层设计尚未形成。期待中国整合政府部门、企事业单位、大学和中小学等方面的力量，尽早研制形成中国的STEM教育顶层设计。

（二）各地区STEM教育政策顺利落地

2018年9月26日-27日，江苏省第二届STEM教育大会在无锡市召开。由江苏省教育科学研究院中小学教学研究室、南京师范大学教育科学学院和江苏凤凰数字传媒有限公司联合建立的江苏STEM教育协同创新研究中心，在大会现场发布了《江苏省基础教育STEM课程指导纲要（试行）》（以下简称《纲要》）。这是全国首个省级STEM教育纲领性文件。《纲要》的研制坚持目标导向（规范引领STEM教育实践）、问题导向（解决本土STEM教育问题）和绩效导向（促进学生STEM素养提升），坚持一体化设计、结构化设计和本土化设计。《纲要》包括课程性质与基本理念、课程目标、课程内容、课程实施、课程评价、课程保障与管理等方面的内容。《纲要》指出，STEM课程的总目标是提高每个学生的STEM素养，涉及知识融通与应用、系统设计与创新、物化实践与表达、文化体验与认同、科学态度与责任等五个维度。

中小学及幼儿园的STEM教育是一个新事物，《纲要》也是一个新事物，因而需要不断总结经验，在实践中改进和完善。期待这份《纲要》能够在实施过程中不断完善，形成一个可供其他省市借鉴的蓝本，从而促进各地区STEM教育政策的出台和顺利落地。

（三）学校STEM教育活动有序开展

当前，众多的中小学和幼儿园正在积极探索STEM教育。一批教师在此过程中涌现出来，如北京市景山学校吴俊杰、浙江省温州中学谢作如等。学校投入大量资金建立了一个又一个创客空间和STEM实验室。创意电子设计、3D打印、激光切割、机器人编程等创客教育和STEM教育的相关课程正在如火如荼地开设着。

然而，学校STEM教育活动应该如何开展，课程应该如何设置，專业的师资力量到底从何而来，这一系列的问题都还没有很好地解决，从而导致课程质量良莠不齐，教学效果大打折扣。开展STEM教育应该不忘初心：一方面，要立足常规课堂，扎实做好分科式STEM教育，培养学科核心素养;另一方面，要积极创造条件开展整合性STEM教育，在关注学科核心素养的同时，更加关注学生的交流、合作、批判和创新等方面的能力。

（四）各类STEM教育研究扎实推进

STEM教育的顺利开展需要一系列研究成果的支撑。STEM教育相关理论的研究、国内外STEM教育政策的研究、STEM教育课程设计的研究、STEM教育教学模式与学习模式的研究、STEM教育评价的研究、STEM教育相关工具的研究、STEM教师教育的研究以及STEM正式与非正式学习的研究等领域都需要进一步的探索。

除了政策解读和经验介绍以外，我们需要更多基于实证的STEM教育研究成果。期待我国的STEM教育者们研究者们响应《教育实证研究华东师范大学行动宣言》（2017年1月14日）的号召，产生一系列的研究成果，从而指导STEM教育教学实践。

参考文献：

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