STEM教育及其对科学教学的启示

钟浩鹏

STEM教育已被证实能够培养学生的创新探究能力，值得我国小学科学教育学习借鉴。本文梳理了STEM教育的简要发展历程，分析当前我国小学教育存在的问题，并结合《义务教育科学课程标准》和核心素养理念，为小学科学教学提供一些建议。

科技飞速发展的21世纪要求学生必须具备创新能力，创新能力的形成离不开科学、技术、工程和数学的基础，这就要求基础教育对学生应强化“STEM素养”培养。为提高劳动者的创新能力、保持国家的综合竞争力，我国在千禧年后开始研究学习国外STEM教学理念，尝试将其根植于教育一线，培养国家所需的新型人才。

一、STEM教育

STEM 是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的简称，强调四门学科核心内容的有机整合。近年来，为了进一步发挥技术增强型学习的创新力培养优势，打破学科壁垒，使得强化艺术统整的STEAM教育应运而生。

20世纪80年代，美国政府为继续保持国家经济的全球领导地位，对科技人才培养模式进行了深刻反思。美国国家科学委员会在20世纪90年代首次将“科学、数学、工程和技术”作为教育纲领性建议向美国当局提出，这被认为是STEM教育理念的雏形。在之后的几十年里，美国政府陆续发布了《美国竞争力计划》《美国竞争力与创新力》等文件，提出提升美国全球竞争力的关键是培养具有STEM素养的人才。此后，美国不断加大对“STEM教育”的资金投入，完善“STEM教育”硬件和软件配套设施。2016年9月，美国教育部发布《STEM2026：STEM教育创新愿景》，报告中分析了未来教育发展的趋势，指出了STEM教育今后可能存在的问题。

英国的基础教育历来重视科学素养培养，该国在1988年的《教育改革法》中正式将科学列为核心课程。2002年，英国发布了《为了成功的SET》，重点关注大学科学与工程技术教育对人才的培养，2004年发布了《科学教育投资计划》，进一步加大政府对STEM教育的注资比例，其中重点关注提高科学教师及讲师的质量和STEM课程的研发。2014年，英国皇家学会指出，在未来的20年内，培养学生的STEM素养和职业意识将成为提升国民科学素养的关键。

亚洲的新加坡和日本因受到地缘因素的限制，两国的发展更多地依赖于科技的进步和劳动力创新能力的提升。以日本为例，二战后日本政府主导了两次教育改革，旨在强化“理工科教育”和“信息化教育”，先后颁布了《理科教育振兴法》《关于今后学校教育综合扩充、整顿的基本对策》等政府文件以推进教育改进。日本在中小学阶段增加STEM学科课时，并进行STEM教师专业培训，鼓励推进科学教育项目，设立STEM精英教育专项基金，培养具有STEM天赋的学生。

回顾美国、英国和日本的STEM教育发展历史，就是一部培养学生创新能力的教育史，虽然其地缘、经历、政治等大相径庭，但是人才培养理念却大致相同——通过STEM教育培养学生的创新能力，从而提升国家综合竞争力。

我国的STEM教育起步较晚，在知网中以“STEM教育”和“中小学”为关键字进行搜索，得到的文献量经分析绘图如图1所示。

从文献量分析，我国当前对“STEM教育”的研究处于初步探究阶段，热度近年来略有衰减，说明从顶层设计到一线研究均对“STEM教育”的重视度略有不足。

同样对上述文献进行主题交叉矩阵分析，得到的数据分析如图2所示。

从图2中可以分析获知，在“STEM教育”研究中，大部分还是集中在“中小学”“小学科学”等方面，高中乃至大学研究内容较少，说明在基层教育研究者眼中，“小学科学教育”更适用“STEM教育”。

国内对“STEM教育”的理论研究主要集中在对国外政策、报告、实施案例的介绍分析层面，虽有一些通过借鉴国外STEM教育实践的案例实施，但作为舶来品，“STEM教育”表现出了与小学科学教育融合不密切、案例效果不明显等状况。因此，“STEM教育”融入小学科学课程仍有待进一步研究与分析。

在STEM教育的实践应用推广方面，走在最前沿的是长三角地区和珠三角地区。受国外先进STEM教育理念的影响，该区域内的部分教育机构首先尝试STEM项目课程教学，之后由政府牵头进行STEM教育的教师培训和学校管理培训，部分中小学也进行STEM教育试点。2015年，江苏省在26所学校中开展STEM教育试点项目，并进行为期两年的效果分析。在初步取得成效后，江苏省于2017年遴选出200多所STEM教育项目试点学校，再给予这些学校自由度进行STEM课程教育摸索。

此外，从2016年开始，由教育部和教育科学研究院主办，北京师范大学、清华大学、成都科技大学等高校分别承办了STEM国际教育大会。在第四届STEM国际教育大会中，中国科学院科学传播局副局长王秀全明确提出，STEM教育是培养青少年创新精神和实践能力的重要途徑。2016年，我国在《教育信息化“十三五”规划》中强调了STEM教育的重要性，2017年教育部正式把STEM教育写入《义务教育小学科学课程标准》，标志着STEM教育进入我国国家课程计划。2020年，中国教育科学研究院启动了“中国STEM教育2029创新行动计划”，着眼于STEM教育未来发展和研究。

二、小学科学教学出现的问题

科学技术的进步离不开“科学、技术、工程、数学”的整合，STEM教育恰好将四者有机融合，力图实现“1+1+1+1>4”的效果，从而培养学生的创新能力。在小学科学课堂中，只有重视STEM教育的落地，才能构建推动社会发展的科技人才培养模式。

早期科学教育对于学生科学思维及科学素质的形成具有十分重要的影响，因此应重视小学科学课程，并采用正确的方法进行教学。目前我国小学科学教育在十余载的教育改革中稳中求进，但同时也暴露出不少问题。

（一）教育观念相对落后

当前，部分小学对科学课程的教育观念相对落后，表现在三方面：一是不重视，表现为课时量相对不足，“重语数英、轻音体美科”的现象仍存在;二是经费投入不够，在小学科学课程教学中，学生和教师的实验设备需要经费的投入;三是专任科学教师缺乏，学校只招收少量专任科学教师，部分班级的科学课程由其他学科教师兼任，导致存在着科学知识不正确、教育方式不正确的问题。

（二）教学方式相对单一

当前，在小学科学课堂上采用的主要教学方式为“讲授法”与“实验法”相结合。从形式上看，教學方式已有扩充——加入了教师演示实验、学生实验和团队协作等方式，但从内涵上看，小学科学课堂中的实验探索性较低，开放性较差，因此在课堂中学生即便在做实验，仍会觉得无聊乏味。好奇心强、喜欢探索、喜欢动手是小学生的天性，教学方法的单一可能导致学生对科学课的兴趣降低。

（三）教育基础设施相对薄弱

学校公用经费对科学课程的投入较少，科学基础设施薄弱，表现在缺乏专业实验室、实验器材和实验保障设备;部分小学未设立科学实验室，或者生物实验室与化学实验室混用，实验科学性得不到保证;部分小学科学实验器材准备不足，学生实验参与度较低;部分小学科学实验保障设备缺失，学生实验过程安全得不到保障。

裴新宁教授说，当前我国科学教育范式重“知识”轻“实验”，这就导致虽然中国学生能够很好地掌握内容和过程知识，但会“输”于能力建构。严文蕃教授在分析了PISA（上海）成绩之后指出：我国学生在阅读、数学和科学方面的基础知识比较扎实，但主动求知欲不高，缺乏学习兴趣，无法有效地提升个人创造力。

三、STEM教育对科学教学的启示

《义务教育小学科学课程标准》指出，科学课程旨在培养学生的科学核心素养，提升学生的创新能力。国内外多年研究均证实，STEM教育能有效地培养学生的探究能力、批判性思维、创新能力等科学素养。因此，在小学科学教学中学习STEM教育理念，可以有效地改善当前小学科学教学存在的弊端，进一步强化科学课程的育人效果。

（一）重视动态问题的创设和解决

STEM教育强调了教学过程中真实的问题情境的重要性，学生应将知识在真实情境中运用，并在此问题情境下分析解决问题。教学过程中教师要突出学生的课堂主体性，让他们在真实的问题情境中提升科学素养。例如在探究桥的制作活动中，通过让学生动手操作，将润扬长江大桥（斜拉桥）简化，并制作出模型，再进行工程评价。学生在这个过程中，通过创设一个制作斜拉桥的动态问题情境，自己设计并制作大桥，不限定最终的大桥样态，充分发挥自己的想象力和设计能力。

（二）提升科学教学的艺术性

21世纪伊始美国教育部门的一份研究报告指出，传统STEM教育对部分学生的兴趣激发效果较差，导致这部分学生主动探索创新的可能性降低。而从心理学角度出发，艺术设计能有效激发学生探索的兴趣，因此在小学科学课堂中可以依托特定的艺术设计活动，激发学生学习主动性，实现探究的欲望。例如在《做一艘小船》课中，部分学生热衷船体的设计，部分学生喜欢船体结构的组装，也有部分学生对船体的美术涂装感兴趣。因此，可以让这些学生分工合作，在一个小组中各司其职，充分发挥自己的优势特长。在这个过程中，教师充分尊重学生的独特性，增强了课堂的艺术感。

（三）增强科学教学的协作性

STEM教育具有协作性，所以科学教学力求每个学生都能参与，同学、教师之间进行合作性交流，完成知识的群体性建构。在完成任务的过程中，学生需要与同学、教师甚至专家进行交流和讨论。例如在教科版小学科学四年级“面包发霉了”这个课题的研究过程中，需要学生互相帮助，对于每种会影响霉菌生长的条件提出自己的看法和观念，互相启发。这个过程可以增加学生的团队协作能力，巩固知识，发展能力。

（四）提高科学教学的实践性

STEM教育强调学生多种感官的协作参与。教师在小学科学课堂中要提供给学生动手操作、实验的机会，让学生在实验的观察、动手、分析、分享等环节中，强化自己的科学素养。因此在小学科学课堂中，探究性实验和学生分组实验会起到关键的作用。例如，在研究摆的活动中，教师可以引导学生分析为什么周期变长了，从而分析得到在实验室中确实存在空气阻力、在实验器材链接处存在摩擦力等原因，培养学生实验观察、分析数据和交流沟通等能力。

（五）加强科学教学的包容性

STEM教育具有开放性和包容性。因此，教师在小学科学课堂中应鼓励学生进行新方法新路径的探索尝试，包容学生的失败和错误，使学生敢于尝试，能在失败后积极反思，在成功后积累经验。教师在课堂中要给予学生充足的自由条件大胆发挥想象力，培养其“科学家思维”。

《义务教育小学科学课程标准》建议教师在科学课堂中开展STEM教育，在小学课堂中开展STEM教育践行了学科交叉融合理念，体现了科学核心素养的育人价值。建立小学“科学融合STEM课程”模式是未来小学培养创新型人才的必然趋势，也是科学教师未来学习研究的关键方向。