STEM教育：基于学科整合理念的项目教学

赵真

摘 要 面对日益激烈的国际竞争局势，美国提出STEM教育作为国家战略发展的重要举措。STEM教育能够有效整合科学、技术、工程和数学等多个学科的知识和技能，对提升K-12阶段的科学教育质量和儿童的科学素养有极大的推进和革新作用。本文详细阐述了STEM教育的几种主要观点，认为其作为基于项目的教学，展现了学科整合理念，对提高儿童的动手能力、合作交流、综合思维和技术创新能力等方面有积极意义，显示了未来教育的发展趋势。

关键词 STEM教育 整合 项目教学

中圖分类号：G642                                 文献标识码：A   DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2021.02.027

STEM Education： A Project Teaching

Based on the Idea of Subject Integration

ZHAO Zhen

（Department of Education， Minxi Vocational and Technical College， Longyan， Fujian 364000）

Abstract Facing the increasingly fierce international competition， The United States has proposed STEM education as an important measure for national strategic development. STEM education can effectively integrate knowledge and skills from multiple disciplines such as science， technology， engineering and mathematics. It also can greatly promote and innovate the quality of science education in k-12 stage and the scientific literacy of children. This paper elaborates several main viewpoints of STEM education. It is believed that it is a project teaching based on the idea of subject integration and social transformation， and then it has positive significance to improve children's practical ability， cooperative communication， comprehensive thinking and technological innovation ability. It shows the development trend of education in future.

Keywords STEM education; integration; project teaching

1 问题的提出

1986年，美国国家科学委员会发布了“本科的科学、数学和工程教育”报告，该报告首次明确提出“科学、数学、工程和技术”整合教育的建议，一个具有国家战略意义、以培养综合性、创造性人才为目的的教育改革浮出水面。尽管美国提出STEM教育始于对本科阶段理工科教育的反思，然后延伸至K-12阶段，由此打通了从幼儿园到大学的STEM教育。然而，我国对STEM教育闻风而动的实践者多为幼儿园、中小学教师，他们热衷于教学实践与改革，乐于接受新的理念并积极探索，营造了国内STEM教育的追赶浪潮。但是，多数教师对于STEM教育的实践常常以某一课堂范例为模板来开展，将其理解为固定的教学模型，这必然导致实际教学过程中的片面解读，教育活动很可能有悖于STEM教育本意，在理论与实践探索中容易走弯路。因此，明晰STEM教育的内涵是首要解决的问题。

2 STEM教育内涵阐释

有关STEM教育的内涵从“尼尔报告”开始逐渐丰富化，当前较为典型的观点有以下四种：

2.1 STEM教育即科学、技术、工程和数学的整合教育

这是一种最经典、最原始的观点，即把STEM教育看作科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）的跨学科整合教育。它能够帮助教师改变当前学校教育固守分课教学的传统，无力建立学科间内在的联系的现状。这四门学科分别代表了当前理工科教育最重要的知识与能力体系：科学代表敏锐的观察、大胆地假设和小心求证，以期作出合理的解释与预测;技术代表有意识选择并灵活地操作使用工具，感受工具带来的便捷与快乐;工程代表改变生活的态度，分析明确问题、设计施工与评估;数学代表以数字抽象问题，进行数据统计分析与推理。而STEM教育以某一问题入手，在真实问题情境中调动学生参与积极性，将这四门不同学科的核心价值融入其中，以核心概念的形式而不是分学科、机械化的知识来开展教育，实现知识技能的适时运用、灵活借鉴，使学生达到高层次的融会贯通。跨学科教学的难于便在于如何有机整合各个学科，并有效发挥各自的价值，科学、技术、工程和数学四者之间的关系也必然相互交错：科学为数学提供了值得研究的有趣问题;数学的应用价值则为科学和工程提供了有力的分析数据的工具。数学还是科学研究的主要术语，在准确表达科学概念时，数学符号具有极高的价值——符号能够促使问题简化并进行复杂运算，更快发现事物之间的隐藏关系。此四者之间既相互依靠又相互促进，从而达成良性互动。

2.2 STEM教育即科学素养教育

科学造就了我们对世界的认知，技术则改变了世界本来的模样。高质量的科学技术教育能够改善环境持续恶化、社会冲突尖锐、疾病肆虐、战争频发等社会困境，美国于是将STEM教育摆在了国家安全层面上。因此，培养下一代的科技素养至关重要。STEM教育的第二种观点，即STEM教育应是科学素养教育。人的素养应包括知识、技能和态度三方面，科学素养也应是立体、全面的。曾有人从个人层面对科学素养做出了解释：“科学素养由科学知识、研究过程及科学方法、个体的决策能力三个部分构成。”[1]1989年美国国家促进会（AAAS）发布《面向全体美国人的科学》中提到的“科学素养”远不止于此：“科学素养包括数学、技术、自然科学和社会科学等诸多方面，如理解科学核心概念和原理，尊重自然界的同一性，懂得科学、数学和技术相互依赖的重要方法等，明确了科学素养教育除了满足科技发展需求外，还应该帮助公民学会明智地参加社会决策和政治决策，以及有助于思考诸如生与死的哲学问题。”美国第一次从国家社会的层面阐述了对公民应具备的科学素养的期待。

2.3 STEM教育即多学科融合教育

STEM教育的内涵在不断创新中扩展，它所包含的学科家族不断壮大。2013年全球STEMx教育大会中STEM的后缀“x”便代表了除科学、技术、工程和数学四门学科之外，可以涵盖的其他学科，如艺术（Art）、阅读（Read）、社会（Society）、计算机科学（Computer science）等当前和未来社会所需要知识与技能。[2]其中，艺术包括绘画、泥塑、手工、音乐、表演等内容，STEM与艺术合称“STEAM”。艺术学科常常在项目中设计制作产品的外观样态绘制中充分展现，产品不再是冷冰冰的物质拼接装置，而变成一件有温度的工具、一件艺术品。按照目前的趋势，STEM教育的所包含的学科一定越来越多，所有学科的加入都反映出一个集中的问题——社会需要什么样的教育，我们就增加什么。从课程发展需要来看，STEM教育并非学科知识的简单叠加，反而轻易绕过了学科知识框架，借助某一中心问题机智地挑选那些它需要的知识技能，以项目的形式驱动学习者综合运用多种思维解决问题。因此，STEM教育的多学科整合并不是杂烩拼盘，而是考虑现实需要的意图关联。

3 STEM教育：基于学科整合理念的项目教学

3.1 学科整合取向的STEM教育

“整合”意指将各种相关要素联系起来以使之融为一个有机整体的行为和过程，[3]学科整合的关键在于教学内容的设计。STEM作为一种跨学科的教育方式，在内容整合方面体现了超越科技、关注人文的特点。科学是人的科学，是处理人与自然关系的科学。社会生物学之父威尔逊曾说：“科学和人文艺术是由同一台纺织机编织出来的”。[4]科学在本质上是人文的，缺少了“扬善”和“达美”的科学教育是残缺不全的。[5]越来越多国家和地区所开展的STEM教育中，出现了“环境与健康”“畜牧养殖与食品生产”“安全与防范”等贯穿科学与人文的交叉性主题。2017年我国教育部印发的《义务教育小学科学课程标准》明确指出科学是一门综合实践课程，并将社会、环境等领域列进科学技术课程中，从“科学技术与日常生活的联系”“科学技术与社会发展的联系”以及“人类与自然和谐相处”等三个方面描述各年龄段科学课程目标。[6]与此同时，参与科学探究的儿童也应该带着爱国的心态、服务社会的意识和环境保护的信心，才能驱动持久的创新力。

3.2 基于项目的STEM教育

普遍推广的STEM教育是基于项目（PBL）的STEM学习，这种学习为学生提供了融入真实情景的体验，这些体验辅助学生的学习，帮助学生对科学、技术、工程和数学各领域里的概念形成有力而逼真的理解。为便于开展PBL模式下的STEM教育，Bybee & Landes将其过程总结为5E模型，即约定—探索—解释—延伸—评估等五个步骤，这一模型被推为实施STEM教育的经典范式。但5E模型只是表明了STEM教育的关键环节，有利于STEM教育的师资培训和实际操作，并非所有的国家和地区都采用此步骤，例如芬兰在评估学生的理解能力时，便采用LESH转化模型（Lesh Translation Model）。[7]但总的来说，STEM教育常常是项目导向的，因为项目导向的学习能够较大程度达成内容的有机整合，引领儿童的知识水平从识记、领会的层次向应用、分析、綜合、评价逐步迈进，技能水平也达到适应和创新的层次。

4 STEM教育的优势

基于项目的STEM教育相比传统科学探究活动在动手能力、合作交流、综合思维和技术创新等方面都有独特的优势，每位公民都应该通过STEM教育学习到有利于国家和社会发展的各项能力，承担起社会责任。

4.1 动手能力是思想物化的必需

科学是“发现的世界”，工程则关乎“造物的世界”。工程项目常常以产品作为成果展示，而产品的加工制作则离不开动手能力。在从设计图纸到成品过程中，儿童会面临来自材料本身、设计结构、制作顺序、观点不一致等方面导致的各种意外情形，每解决一个问题，便需要调动儿童对该事物的全部认知，制作的过程相当于原有认知的重塑。早在17世纪，福禄贝尔就曾提出：“手工活动不仅为了职业训练而考虑，更为儿童提供了一种表达手段和发展思想习惯的强有力途径。”[9]每个人想法的可行性、材料的特性和工具的使用都需要经过物化活动来实现。

4.2 合作交流是团体共事的基础

工程项目通常是由一个团队展开工作，充分利用各成员的实力强项分配工作任务，同时交错联系的任务使得成员必须达成高度的配合。成员要能以清楚明确的方式告诉他人自己的想法，例如口头阐述和书面表达。当遇到困难时，多个成员虽能找到多条解决路径，但若要形成共识却需要经过“分辩—评估—优化”，即就每个方案的不同优势和缺点进行批判性的评估并予以结合。合作性学习提供了学习者自由表达观点的机会，也给了他们倾听和批判对方观点的环境，帮助他们从同伴的身上学习长处。

4.3 综合思维是问题解决的必然

问题解决是指一系列有目的指向的认知操作过程。[9]绝大部分STEM教育以项目形式开展，讨论、设计、执行项目过程中常常会遇到各类问题，问题是否得到圆满解决直接决定项目的完成度。儿童作为新手与经验丰富的专家在问题解决中的差异主要体现在对原有知识经验的搜索和提取，[10]因此问题解决最易体现思维的过程。STEM教育中的综合思维既有思维方法的综合使用，又有对事物整体性的把握。问题解决涉及了多学科知识的相互渗入，多数情况甚至需要考虑那些有可能相互冲突的因素。探究的过程中儿童会不断采用比较、分析、归纳、演绎等思维方法，在不断选择、尝试、确定中对原有观念进行整合和排序，从而重组内心的观念。

4.4 关心生活是技术创新的来源

生活是人类所有命题的根源。基于生活需求的多样化和生活环境多变性，STEM教育所带来的不仅是儿童科学素养的提升，而且是师生共同生活质量的提升。[11]引导儿童关心和专注于生活，不仅能够激发儿童学习兴趣和探究欲望，更能让儿童通过自己目前的兴趣和经验触发技术创新点，在活动过程中感到自身的价值和满足，消除儿童对创新的偏见和紧张。回归生活的科技创新应从解决自身周围环境中的具体问题入手，从儿童最熟悉的产品和设计入手，让学生成为技术创新的研发者，同时也是技术创新的受益者。

5 STEM教育的未来展望

当前，STEM教育已成为满足许多国家对科技人才需求的重要战略，越来越多的报告指出：在小学甚至幼儿园开展STEM教育能够更早增强儿童对数学和科学等领域学习的兴趣和信心。以编程能力为代表，2014年英国把编程技术纳入英国国家教学大纲，编程已成为继阅读、写作、算术三项基本能力外儿童需要掌握的第四项必备技能。但更为普遍的是，STEM教育的推广能够提升大众的科学素养，在当代需要提升对科技敏感度的环境中，获得适合自己的科学教育的机会。再者，STEM教育作为课程整合的成功范例，其优势并不止限于理工类科目的融合，对社会学、经济学等问题解决也具有一定的启发作用。未来的课程整合必将一改学科内的局部整合和学科间的主题整合的现状，进入“全课程”统整的新阶段。

参考文献

[1] 陆庭銮.从素养到STEM素养[J].化学教育学，2019（4）.

[2] 祝智庭，雷云鹏.STEM教育的国策分析与实践模式[J].课程与教学，2018.1.

[3] 李旭.多元智能与幼儿园课程整合的策略研究[D].南京师范大学，2006.

[4] （美）爱德华·威尔逊.创造的本源[M].浙江人民出版社，2018.10.

[5] 耿淑玲.科學文化：儿童科学教育的灵魂[J].学前教育研究，2009（4）：23-26.

[6] 中华人民共和国教育部.义务教育小学科学课程标准[M].北京：人民教育出版社，2017.1.

[7] 杨盼，韩芳.芬兰STEM教育的框架及趋势[J].电化教育研究， 2019（9）：106-112.

[8] 约翰·西拉—布拉奇福德等著.早期科学、设计与技术能力的培养[M].上海：上海远东出版社，2002：7.

[9] 彭克宏，马国泉.社会科学大词典[M].北京：中国国际广播出版社，1989.10.

[10] 樊雅琴，黄若琳，崔迎等.STEM教育背景下学生问题解决能力的培养[J].现代教育技术， 2019，（1）：114-119.

[11] 阿林·普拉特·普莱瑞著.幼儿园科学探究教学：科学、数学与技术的融合[M].北京：教育科学出版社，2009.4：13.