STEM 整合教育的有效途径及障碍分析

深圳市优必选科技股份有限公司 吴成琳

我们在不断变化、日益全球化的社会中面临的问题往往是融合了多学科的，所以这些问题大多数需要整合多个跨学科概念来解决。近些年，STEM 教育的火热也从现象上解释了这类教育的强大驱动力。STEM 是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）四门学科英文首字母的缩写，其字面上并没有整合的意思。直到美国国家研究委员会2009年的报告《K-12教育中的工程》认为，“在现实世界中，工程不是孤立的，它不可避免地涉及科学、技术和数学”，STEM 整合的理念才逐渐被重视起来。

一、STEM 整合教育

人们通常很容易把科学、技术和工程看作是三个非常独立的学科，但它们往往是紧密相连的。科学家使用工程师创造的技术来进行研究，当工程师开始设计一项新技术时，他们会利用科学家得出的科学知识。科学、技术和工程受到社会的影响且影响着社会。人类的价值、需求或问题往往决定了科学家研究什么问题、工程师解决什么问题。同时，作为科学和工程产品的技术影响着社会，改变着人类文化价值观，比如人工智能应用中的伦理问题等。

由于越来越多的国家意识到在课程整合中加入工程的必要性，美国于2013 年春季发布的《下一代科学标准》也包括了工程和工程设计。我国也在2017 年颁布的《义务教育小学科学课程标准》中提倡跨学科学习方式，建议采用以项目、问题解决为导向的课程组织方式，并将科学、技术、工程、数学有机融合，引导学生高效高质完成学习任务从而培养学生的科学思维，提高学生的创新能力。因此，学校采用分科式STEM 教学并不能很好地帮助学生发展更符合新类型的数学、科学、工程思维的理解和能力，而这些思维对于以技术为基础的信息时代却是最重要的。

STEM 整合教育（Integrated STEM Education）中的整合也常被译为融合、综合等，其理论基础与美国教育学家约翰·杜威的工作和建构主义理论相关。总的来说，STEM 整合教育是将科学、技术、工程和数学这四个学科结合成一个基于学科和现实问题之间的联系的课程、单元或课节。其目的是提供一种将学科联系起来的方法，使学习变得有联系、有重点、有意义，并以学生为中心。

多学科融合的教学方法并不新鲜。工程在学生学习科学和数学内容时可以作为一个连接的桥梁。研究表明，教室中的工程设计支持了融合科学、数学和技术的跨学科方法，以及与问题解决、创造性思维和沟通相关的技能。研究提供的证据表明，将工程融入K-12 科学和数学课程有利于学生学习相应的内容。工程本质上就是应用数学、科学和技术领域的概念来系统地解决复杂问题。这些问题基本上都是现实世界中的问题，需要学生对问题的背景情境有一定的熟悉和理解，否则容易造成学生难以理解问题本身及问题涉及的相关概念。通常，一个熟悉的情境可以让学生更容易摒除干扰因素，从而自然根据先前的经验来构建新的知识。还有，因为工程与学生的日常生活以及所处的社会环境具有相关性，涉及的内容和待解决的问题往往都鼓励学生从不同的角度思考及解决问题，所以学生很可能会更有动力去深入探索课程内容的相关知识。

二、STEM 整合教育的有效途径

在STEM 整合课程的设计和实施过程中大致存在两种不同的课程模型：内容整合和情境整合。两者在课程设计形式以及教学目标上有区分，但无论是哪种方法，均能使教师在选择如何将STEM 整合到课堂上时具有灵活性。

（一）内容整合

内容整合的单元或课节有多个STEM 学科学习目标。这些单元侧重于将STEM 的多个内容领域合并到一个单一的课程活动中，以便从多个内容领域中思考一些大的想法。例如，通过创造新的、低摩擦涂层来增加髋关节置换的寿命的课程单元情境，可能会带来材料科学、化学工程、物理、生物医学工程和数学等领域的内容。这种与社会相关的背景是STEM学科如何帮助提高生活质量的一个实例。由于目前的髋关节置换术可以持续10 年左右，更强的涂层可能意味着接受髋关节置换术的人在他们的一生中可能不需要第二次置换术，这也赋予这个教学实例丰富的社会价值。教师在这种背景的单元中教授每个学科的内容，并强调这些学科是如何在一起解决这个问题的。学生则是利用一切可利用的学科资源，从问题解决出发，以结果为导向，将资源整合，从而给出理想的解决方案。

（二）情境整合

情境整合主要关注单一学科的内容，并使用来自其他学科的情境使内容更加相关。例如，数学教师可能会在某个教学单元介绍巧克力饼干的制作问题，并提出成本控制及客户体验的需求，例如，饼干上的巧克力块不能太多也不能太少，那么至少需要多少巧克力才能让巧克力饼干既好吃又节约成本？这个问题建立在一个整合的情境下，比如，加工生产、物料配比等，而课程的内容却是集中在数学统计上，特别是对正态分布和集中趋势的了解。在这种情况下，数学内容是主要目标，但整合的情境帮助教师激励学生学习并使学习内容沉浸在真实的情境中。这种整合途径带给学生极大的学习兴趣，将枯燥且抽象的数学建模过程融入日常生活场景，有利于学生进行具象的类比，促进知识迁移并建构新的知识。

三、STEM 整合教育的障碍

STEM 整合教育在实施过程中也面临种种障碍。综合来看，内容知识的不足、缺乏高质量的课程模型以及需要大量的课程材料和资源是目前主要的三个障碍，对STEM 整合教育的落地有着巨大的挑战。

（一）教师内容知识不足

教学科目的内容知识对教师教学的有效性有着很大的影响。教师对于科学和数学整合的内容知识本身的理解是有难度的，这便导致整合过程愈加复杂。因为许多教师在学科内容知识方面存在差距，很难促进对整合的深刻理解。这样的情况并不少见。通常我们要求科学和数学教师教授另一门学科，可能会造成新的知识差距和跨专业的困难。很少有小学教师能轻松地教授科学和数学，更不用说技术和工程了。针对课程整合的教师培训也并非常态，教师基本只能靠不定期的讲座和论坛来补充相应知识。在各个年级，教师必须得到应有的支持，完善相应的教师专业发展路径等，才能有效地教授STEM 整合课程。

（二）缺乏高质量的课程模型

由于缺乏高质量的课程模型，许多学校很难将STEM 整合教育贯彻下去。目前，市面上很难找到一个适用性强的课程模型来指导教师或学校开发STEM 整合课程。出现这个现象的深层原因也在于STEM 的整合不是强制的，课程使用的是学科之间的自然联系。作为小学科学和数学课程的一部分，现实世界的主题包括行人过马路、午餐排队、减少浪费、饮料设计等，解决的问题往往都链接了真实生活。传统的科学或数学课程模型都难以满足解决现实世界问题所需的综合性。另一方面，即便是将整合好的课程模型给到教师，教师也很难在缺乏相应培训的情况下，对模型进行熟练应用。

（三）需要大量的课程材料和资源

STEM 整合教育的另一个障碍是需要大量的课程材料和资源，让学生通过设计、表达、测试和修改他们的想法来研究关于现实问题的可能解决方案。其中，电子资料是教师教学效能达到最大的必要条件。互联网、小程序、设计类程序、动态模拟软件、机器人软件和大型计算软件都可以集成到课程中，以帮助解决问题。但是，并非所有学校都有相应的技术或材料资源。在我国现实课堂中，互联网往往因为安全因素而无法普及；平板及电脑也因各种原因，如伤害学生眼睛和使学生分心，被拒之门外。大部分情况下，学生在课堂上所能利用到的资源仅仅是教师提供的一些简易的阅读材料和操作单。

总而言之，基于STEM 整合的教学方式聚焦于学生的全面发展和主观能动性的发挥，为学生提供了自主发展的平台，有利于学生综合素质的发展。在课堂上使用STEM 整合的好处是可以让学生综合思考，并尝试解决来自多个学科的最真实和自然的问题。然而，设计和实施高质量的STEM 整合课程对一线教师来说并不容易。就像工程设计一样，好的课程设计应该是迭代的，需要多个周期的创建、测试和修改。因此，教师应该基于建构主义学习理论，为学生提供使用其先验知识学习和思考的机会，并从多个学科的整合中发展新的知识。虽然很多障碍确实存在，但如果教师从自身内在出发，且希望做出必要的改变，进行有意义的STEM 整合，这些障碍便是可以克服的。当然，这也需要外在的学校管理人员及教育管理部门的决心和大力支持。