STEM教育产生的必然性分析及其开展教学模式研究

杨彦栋

(宁夏师范学院 教务处，宁夏 固原 756099)

STEM教育是美国政府为了能在21世纪培养出能够在世界科学技术方面的领导者，以维护美国在20世纪世界霸权地位提出的人才培养战略计划的产物。从1986年美国科学基金会发布《科学、数学和工程本课程教育》(Undergraduate Science，Mathematics and Engineering Education)的报告到2016年美国研究所与美国教育部联合发布了 《STEM 2026：STEM 教育创新愿景》(STEM 2026：A Vision for Innovation in STEM Education)30年时间。在这期间美国政府和研究机构发布了一系列关于开展STEM教育的政策、法规和研究报告，从最初的更多探讨开展STEM教育必要性逐步到探索建立STEM教育体系开发STEM教学内容探究STEM教学方法到未来开展STEM教育的愿景，在不断地细化和深化。

2008年开始我国学者开始从人力资源视角关注STEM教育[1]到2017年STEM教育井喷式研究，十年间从对美国STEM教育政策解读[2]及STEM教育对我国教育的启示[3-5]到STEM教育课程开发[6]、教学方法的探讨[7-8]、各种开展STEM教育的案例研究[9-11]，国内学者对于STEM教育的关注在不断拓宽，研究在不断深入。

人们对事物的认识一般按照“是什么”“怎么样”的逻辑开始，对STEM教育的认识也可以按照这一逻辑开始认识。通过对美国关于STEM教育的政策、法规、研究报告等一系列文献的研读，可以理出一条STEM教育产生演变的发展路线：STEM教育起初只是单纯为了培养在科学、数学、工程、技术领域的领导人才，使美国在21世纪能够继续领导全球，促进美国经济和国力提升。随着STEM教育的开展人们逐渐重视跨学科的联系，这种跨学科联系不仅仅是为了开展STEM教育，它是一个国家经济发展和科技创新的需要，也是社会和科学问题解决复杂性对跨学科知识结合需求的需要，还是一个国家创新型人才培养的需要。本文把STEM教育产生发展历史与社会发展及人才培养需要相结合分析了STEM教育产生的必然性及开展STEM教育的必要性，并对当前开展STEM教育的创客教育模式和PBL模式进行了比较。

一、STEM教育产生的必然性

(一)国家经济发展和科技创新的需要

1986年美国国家科学基金会(NSF)发布了《科学、数学和工程本科生教育》(Undergraduate Science，Mathematics and Engineering Education)的报告，报告在分析美国科学、数学等领域的大学教育现状，强调要关注不断下降的高等教育质量加强大学教育，为保持美国在经济领域的长期健康发展在以后的世界科学和技术领域有足够的科学家和工程师，提出了发展计划，明确各州政府以及学术机构等部门的角色和作用[12]。在之后的各种报告包括2016年发布的《STEM 2026：STEM 教育创新愿景》(STEM 2026：A Vision for Innovation in STEM Education)中还是提到为了维护美国长期在经济等领域的领导和领先地位，解决21世纪面临的各种挑战和国家安全，培养具有全球竞争力的劳动力，就需要培养更多的具有STEM素养的劳动力[13]。从这些报告中我们可以看出美国从刚开始提出的STEM教育仅是从学科角度对科学、技术、工程和数学学科教育的一种统称，2015年美国国会颁布的《2015年STEM教育法》中也明确提出“‘STEM education’ means education in the subjects of science，technology，engineering，and mathematics，including computer science”(“STEM教育”是科学、技术、工程、数学学科的教育，还包括计算机科学教育)[14]。为什么美国如此重视这些学科？这就要从这些学科在美国经济发展中做出了贡献思考。19至20世纪建立在科学和工程基础上的美国创造力，带动美国走在创新的前沿，无论是在经济发展还是在科学技术发展上都处于世界领先地位，最终使得美国在20世纪成为全球超级大国。进入21世纪，面对经济全球化和知识经济带来的优势和挑战，科学创新已经变得日益重要[15]。因此美国提出STEM教育是美国为了维护美国强国地位，培养21世纪在科学技术等领域具有领导力的人才需要。现代经济增长理论揭示了科技创新对经济增长的重要促进作用，认为创新是经济发展的根本动力。当今世界各国经济发展水平的差异也更多地表现为科技创新及其产业发展水平的差异，因此各国都高度重视科技创新，极大地培养全民族的创新文化和创新精神，以来促进科技创新。[16]经济学家普遍认为：自二战以来半数以上的经济增长均源于技术创新。丰富的创新渠道在一个地区的工业发展、商业化、竞争力以及可持续增长能力中发挥关键作用，STEM劳动力是创新渠道的有利组成部分[17]，随着美国提出STEM教育世界各个国家也重视自己国家的STEM教育。STEM教育被各国所重视就是因为这些学科在本科经济发展等方面产生的巨大作用。所以开展STEM教育首先国家经济发展科技创新的需要。

(二)问题解决复杂性需要跨学科知识的结合

科学的发展促进了新技术的诞生，科学在促进科学技术本身发展的同时，形成新技术革命推动人类社会产生了前所未有的发展。科学的发展为学科的分化提出了必要性，也提供了可能性。学科的分化意味着人们的知识需求与积累已经达到了相当庞大的程度，社会分工不断精细化对人的能力的要求不断提高，学科的分化随着科学的发展而发展、社会需要的增加而改变。[18]随着科学的发展学科的纵向分化也越来越细。

从系统角度看自然界和社会是一个复杂系统，20世纪中后期出现了一系列人口、资源、环境、灾害等复杂性问题，把研究对象看成一个特定条件下的简单系统研究，已经不能适应快速发展的科学本身提出的挑战，也不能适应新的技术革命。在解决这些复杂性问题中原有学科相互渗透、交叉，各学科原有的严格有序的边界变得模糊不清，学科逐渐向综合化方向发展，并出现许多新的综合性学科，一些学科也开始不断调整自己的研究方向，拓展研究领域，学科的交叉、综合已成为不可阻挡的科学文化格局。[19]

在美国STEM教育开展过程中，对于STEM教育课程设计更多的人呼吁加强STEM中两种或多种学科间的联系，认为以更具关联性的方式教STEM，在现实生活的复杂性问题情境中，会使STEM学科更加贴近师生，这也会提高学生学习积极性、学习兴趣、学业成绩和学习毅力。美国国家工程院和国家研究委员会2014年发布的《K-12年级STEM整合教育：现状、前景和研究议程》提出STEM整合教育的结果、STEM整合教育的本质和STEM整合教育的设计和实施开展研究。

在STEM引入国内也有很多研究者提倡STEM各学科的整合，认为这样不仅可让学生体验运用科学解决实际问题的乐趣，加深对科学理论的理解[20]而且可以从多学科的视角来培养学生解决实际问题的能力[21]培养学生利用多门学科知识积极探索，发现、分析和解决问题的能力。[22]我们可以看到现实问题解决的复杂性要求跨学科知识的结合，而STEM整合教育的形式和理念不仅有利于体验解决实际问题的乐趣，加深对学科理论的理解和运用而且也有利于培养学生解决问题能力。

(三)创新型人才培养的需要

在人类社会发展进程中，人才是社会文明进步和社会发展的重要推动力量。当今世界正处在大发展大变革大调整的百年未有之大变局时期。世界的多极化和经济全球化已经深入发展，科学技术进步日新月异，知识经济方兴未艾，加快人才培养和储备是在激烈的国际竞争中赢得主动的重大战略选择。[23]创新是引领发展的第一动力，创新驱动实质上是人才驱动，科技的创新，必然需要大量创新型人才。

21世纪科学技术已渗透到社会生活的方方面面，使得大量社会问题和科学技术问题的解决不得不依赖于多学科的综合应用。打破学科界限推动跨界融合，开阔学生专业视野，培养创新型人才已成为世界各国人才培养共同的目标。2016年《中国学生核心素养》总体框架正式发布，其中一部分就是学生的实践创新能力。实践创新主要是学生在日常生活、问题解决、适应挑战等方面所形成的实践能力、创新意识和行为表现。[24]STEM教育综合了科学、技术、工程、数学等学科，具有跨学科的特点，强调知识和技能的相互融会贯通，破解学生综合能力培养中的难题。[25]美国格雷特·亚克门( Georgette Yak man)教授及其团队在STEM教育实施和发展过程中在科学、技术、工程、数学教育基础上加入了艺术提出STEAM教育，无论是STEM教育还是STEAM教育都强调用跨学科的方法教授各学科的知识，引导学生适应不断更新的专业知识和快速变化的社会生活，以系统的方式认识世界，以创新的方式改造世界，培养学生解决问题的创新能力。[26-27]

STEM教育产生于美国，起初目的是维护美国在世界上的领先地位，要在科学、技术、工程、数学等各个学科培养具有创新能力的劳动者，但是在其发展和实施过程中逐渐发展为一种跨学科整合的教学理念。

二、开展STEM教育的形式

STEM教育是教学模式还是教学理念？一些研究者认为是教学模式[28-30]。我们通过对STEM教育产生背景及发展过程的一些政策和研究报告等分析，发现STEM产生根源是为了创新人才培养，STEM教育的目标是通过跨学科课程整合培养创新型人才，开展STEM教育必要性包括人才培养和社会问题解决等方面的需求，因此STEM教育一种人才培养的教育理念，在这种教育理念下我们可以通过各种教学模式开展STEM教育，实现跨学科的整合，促进创新型人才的培养。创客教育、PBL教学模式、GBS教学模式是目前常见的三种主要开展形式。

(一)创客教育形式(模式)

1.创客教育

目前学者普遍认同创客教育起源于创客运动。创客运动是源于20世纪盛行于欧美国家的DIY动手活动热潮和黑客社区的黑客文化，它的核心特征是从精英创造大众化产品到大众创造小众化产品转变。[31]创客运动包括了创新探索的精神、动手实践的文化、开发共享的理念，以及对技术的极致钻研的精神，是对注重动手创造的深层文化价值观的重新诠释，[32]而这一文化价值观的核心即是创客精神。创客精神不仅仅表现在单个个体身上，还表现或存在于社会和整个国家和民族群体中。无论是对个人而言还是对一个民族和国家而言对创客精神的培养尤为重要，它是人们探索创新的动力源泉，创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力，正因为如此创客教育以创客精神的培养作为自己的终极使命,从群体创客精神培养而言创客教育是一种以培育大众创客精神为导向的教育形态，从对个体创客精神培养而言创客教育则应是一种以培养学习者，特别是青少年学习者的创客素养为导向的教育模式。[33]

2.创客空间

2001年麻省理工学院由比特与原子研究中心发起成立的微观装配实验室(Fab Lab)项目开启了从个人创意设计到制造实现的新时代，这是国际创客运动发展进程中的里程碑，它为创客活动提供了有一定科技含量的软硬件工具、材料和场所，被认为是创客空间发展建设的雏形。目前，已有 30 多个国家通过标准化制作工具(如3D打印机、激光切割器、数控铣床、嵌入式处理器、CAD/CAM软件等)与流程分享，建设了 Fab Lab，形成了全球最大规模的分布式创新制造实验室。随着创客运动发展创客空间范围扩展到博物馆、图书馆、学校、社区学院、课外俱乐部等，正在形成更加多样化和复杂化的创客图景。[34]创客空间的建设为创客教育的开展提供了环境，创客空间的多样化发展促进了创客教育的形式也呈现出多样化包含了正式学习和非正式学习。

3.以创客教育的形式开展STEM教育

创客教育以其提升学生信息素养、创新意识和创新能力为根本，这与STEM教育理念相符合，也与STEM教育的目标相一致，是目前国内开展STEM教育的探讨的主流形式。截至2021年6月19日在CNKI中以“创客教育”+“篇名”进行检索可检索到3142篇文献，这些文献主要分布在2013年至2021年，并且逐年呈翻倍增长趋势。

虽然关于创客教育研究很多，但是对于具体如何利用创客教育模式进行人才培养，特别是在教学实践中如何具体开展创客教育的流程等研究不但数量少，而且观点比较分散。在CNKI中通过“创客教育模式”进行篇名、关键词、摘要搜索，可检索496篇文献，通过文献阅读剔除无关文献，共有34篇文献研究创客教育模式。对这些文献进行研读分析，发现，创客教育模式研究主要集中在课堂教学层次和人才培养的系统层次，涵盖了中小学、大学各个学段。其中有20篇文章重在人才培养的系统层次探讨创客教育模式，其中，代表有徐美娟等人提出的“EP2社团的创客教育模式”[35]、王旭卿提出的“向STEM教育的创客教育模式”[36]及赖丽花提出的“基于社团选修课的创客教育模式”(创客教育开展形式)[37]。14篇重点探究了创客教育如何在实际课堂中实施，以及具体的实施流程，从课堂教学开展的过程角度，把创客教育教学过程划分为多个环节和阶段。这一类的代表有朱龙等人提出的“面向创客教育的设计型学习模式”、梁小帆提出的“基于关联主义学习理论创客教育模式”，高金丽提出的“SCS创客教学法”，杨晓彤等人提出的“CMT 模式”等。

我们把14篇文章中提出的创客教育教学过程开展环节中的关键词提取，制成如下表所示创客教育教学环节表。然后对教学环节中出现的关键词利用NLPIR大数据搜索与挖掘共享平台，进行分析发现任务(项目或问题)、作品、情境、分享、评价(反思)等都是出现频率比较高的词，可见创客教育开展环节都重视情境设计、问题(项目、任务)的确定，以及最终作品的分享和评价反思。这些特点其实与PBL教学模式是一致的。

表1 创客教育教学环节整理表

(二)PBL教学模式

PBL教学模式在国内有两种不同看法，一种是认为是Project based learning的缩写，翻译为“基于项目的学习”[52]；另一种认为是Problem based learning的缩写，翻译为“基于问题的学习”[53-54]。基于项目的学习是围绕某个具体的学习项目，把学生融入有意义的任务完成的过程中，通过在一定时间内解决一系列相互关联着的问题，让学生积极地学习，自主地进行知识的建构的一种新型的探究性学习模式。PBL主要包括内容、活动、情境、结果四个要素，其教学实施流程一般由项目选定、制订计划、活动探究、作品制作、成果交流和活动评价等六个步骤。[55]

PBL是将学习置在有意义的复杂问题情境中，让学生通过解决设置的问题，来学习隐含于问题背后的科学知识，形成解决问题的技能和自主学习的能力。[56]项目(问题)、学习小组、解决问题所需要的知识和技能、问题解决程序、学生自主学习的精神是PBL的五个关键要素。[57]组织小组、开始一个新问题、后续行动、活动汇报、问题后的反思是基于问题学习实施的五个步骤。[58]

三、创客教育与PBL的比较

(一)蕴含相似的教育理念

无论基于项目学习还是基于问题学习，其实质都是把学习融入实际解决的任务和问题中，通过任务和问题的完成实现知识的建构和能力的培养。在其一般性的实施流程中都重视情境的创设，项目或问题的明确，成员的合作交流以及成果的汇报与交流。这些特征与创客教育特征是一致的，并且这些特征也体现着当前建构主义和杜威“做中学”理念。

(二)注重知识的综合运用

无论是PBL还是创客教育都注重知识的综合，非单纯的某门学科知识的应用，这也更接近于现实中真实问题解决情境。文章前面也提到“问题解决复杂性需要跨学科知识的结合”，这是导致对STEM教育被重视的原因之一，PBL和创客教育在开展教学过程中恰好能够综合各学科知识，把STEM教育理念体现到教学实践中，实现跨学科知识的整合，促进创新型人才的培养。

四、小结

综上我们从STEM产生历史和发展看，国家经济发展和科技创新、问题解决复杂性需要跨学科知识的结合、创新型人才培养的需要是STEM教育产生的必然性。我们认为STEM教育应该是一种人才培养的教育理念，在这种教育理念下我们可以通过各种教学模式开展STEM教育，实现跨学科的、创新型人才的培养。创客教育和PBL是目前国内开展STEM教育的两种主要形式，这两种教学形式蕴含相似的教育理念，并且都注重知识的综合运用。

虽然创客教育和PBL是目前实现STEM教育理念比较普遍的方法，但是相较而言创客教育的研究还刚开始，大多针对意义、价值等基本问题的论述，但是对于创客教育在学校中的实施路径及实践模式还处于讨论阶段，有注重以活动为基础开展的[59]；注重以课程开展的[60]；将创客教育融合在课程教学中的探讨[61]；还有从学校创客教育实施体系方面的探讨[62]。在各个学段的学校教学中如何有效地利用创客教育落实STEM教育理念还有很多问题需要研究。