STEM视野下的科学素养培育及教师能力提升

夏立群

（广东海洋大学 a.水产学院；b.水产科学与技术国家级实验教学示范中心，广东 湛江 524088）

科学教育是当前各阶段、各专业教育的主要内容，但让学生接受科学教育的目的并不是一定将其培养成为一个科学家，而是让学生具备最基本的科学素养。什么是科学素养，如何培养这些科学素养，从事科学教育的教师应该具备什么样的能力？这些问题对于描绘科学教育的目标至关重要，而STEM教育具有重要的启示意义。

一、STEM对于培养科学素养的作用

传播科学知识与培养科学素养是科学教育的基本目标。作为一个含混的概念，科学素养被广泛认为是科学教育的理想结果。一方面，决策者和教育工作者经常混淆科学素养和知识素养。尽管二者含义不同，但在一般意义上，它们通常被认为是同义的，知识被等同于科学知识。科学素养重在一个人掌握了多少科学知识。另一方面，科学素养还在于一个人能够利用科学知识做出明智的判断。这是科学教育工作者一直在努力实现的目标，但不幸的是大多数人并没有真正认识到科学素养的重要性，或者在某些场合中歪曲了它，仅仅将其作为一种静态的知识内容，其结果是受教育者成为一个信息的储存库，而不是能动的创造者。总之，尽管有许多争议，但从科学素养的角度来说，科学教育不只是一种知识教育，同时更是一种创造力教育。前者关乎1到100，而后者则关乎0到1。我们为什么在科学研究的尖端和前沿领域仍然相对落后，我们的基础性科学教育到底欠缺什么，从事科学教育的教师需要有什么样的素养？对此，STEM教育能够提供一定的借鉴。

STEM中，S指科学（Science），T指技术（Technology），E 指工程（Engineering），M 指数学（Mathematics），STEM的提出强调了这四个学科在当代社会中的重要地位。在当前，世界各地对STEM教育的解释各不相同，根据对中国教育科学研究院STEM教育研究中心发布的《中国STEM教育白皮书》（以下简称《白皮书》）的分析，大致可以总结出两个理解共识［1］。一方面，在某些情况下，STEM教育被用作一个总括术语，指的是一个或多个组成学科的科学教学，因此，有时STEM教育被用作科学教育的同义词。另一方面，STEM教育是一种跨学科、多学科的综合方法，因此，它也可以理解为强调用综合思维解决问题或批判性思维的培养。对于STEM教育目的的标志性总结，则来自Rodger W.Bybee，他将STEM教育的目的总结为四点：一是个体的知识、态度和技能，以识别生活中的问题和难题，解释自然和社会；二是理解STEM作为人类知识、探究和设计形式的特征；三是了解STEM学科如何塑造我们的物质、智力和文化环境；四是作为一个建设性的、关心的和反思的公民，愿意参与STEM相关的问题［2］（P70）。从Rodger W.Bybee的这一总结可以发现STEM教育与传统科学教育的不同之处，STEM教育对科学教育的启示不在于增长学生的知识体量，而是在于如何培养学生跨学科的、综合的、开放的思维能力。跨学科整合始于一个现实世界的问题，为了得出结论，它将跨课程内容与批判性思维、解决问题的技能和知识结合在一起。更具体地说，课堂中的STEM课程在设计之初，就设计了要确保五种技能，包括适应性、复杂沟通、非常规问题解决、自我管理和系统思维。如果学生要解决个人和社会问题，这些技能是必要的。可以说，STEM教育因此获得了公民教育的意义。如果我们把科学素养视为知识与实践的综合，那么可以说二者都关注我们生活的世界背景和在日常生活中做出的决定。这些决定不仅仅是基于科学，不同的社会、政治、文化观点都是这些决定的一部分。在做出这些决定时，人们应该应用一些其他的知识基础，如数学推理及技术和工程过程。

所以，STEM教育并不是要替代传统的科学教育，尤其是物理、生物、化学等具体学科的教育。这些传统学科的完整性仍然需要得到尊重，只是STEM教育提示我们要比以前更加注重它们之间的重要关联，这种重要关联要求教师在课程和课堂中更加明确地表达一种综合的跨学科教学理念。从这一点来说，科学、技术、工程和数学作为一种教学和课程方法，符合科学素养的培养理念，STEM教育毫无疑问可以促进科学素养的培养，它可以让传统的科学教育摆脱纯粹知识教育的窠臼，更好地提升学生的社会适应力、生存力和解决实践问题的能力。

二、STEM教育存在的问题

STEM教育作为一种强调集成科学、技术、工程和数学的课程教学方法，虽然因为对STEM的含义缺乏共识而导致对其形成了许多模糊的使用，STEM教育仍越来越受到各国政府和教育界尤其是科学教育界的重视［1］。我国和世界各国一样，近年来也越来越重视STEM教育，并制定了一系列相关政策［3］，在教育领域对STEM教育的开发和实施也处于热点。

根据《中国STEM教育白皮书》的总结分析，我国STEM教育对于科学素养的培养存在六个阻碍［1］，其中从教育层面来说有三个主要问题：不同学段整体设计不足、STEM教育的标准与评估机制缺失、缺乏专业的STEM师资队伍。前两个问题涉及教育设计，后一个则是人力问题。因此，除了关于STEM教育是什么的问题之外，STEM教育还有一些其他实践问题需要解决。

（一）STEM缺乏一种不同学段、不同课程的整体设计

STEM是一个单独的学科，还是一个综合的课程方法。对于前者来说，将STEM视为一门独立学科的想法一直是许多科学教育者的困惑，STEM的四个学科具有不同的认识方式，对于数据和证据的构成有不同的约定。对于后者来说，如果STEM是一种综合的课程教学方法，但处理的是不同的认识方式，所以永远无法实现真正的综合，而只是跨学科的联系。这实质上又会回到关于专才教育和通才教育的争执之中，而后者显然是不可取的。单个STEM的学科基于不同的认识论假设，STEM学科的整合可能会损害任何单个STEM学科的完整性。如果科学、技术、工程和数学被概念化为一种课程教学方法，它的跨学科性质不仅包括科学知识的获取和应用，还包括其他知识基础。

（二）尚未形成一套关于STEM教育的评估机制

教育评估机制的落后，并不单纯是教育管理者的无能，如《白皮书》指出，因为我国STEM教育还处于发展初期，相应的标准还处于空白状态［1］。STEM的课程组织、教学目标、教学效果等教育环节如何设置考核标准，目前仍缺乏标准化的合理设计。STEM教育需要高质量、目的明确的短期、中期和长期评估。评估是双刃剑，既可以促进也可能阻碍教师教学和学生培养。这一任务显然处于中观层面，既不能依赖于宏观教育管理部门，也无法依赖于微观的教育者。如何制定合理的教师贡献考核及学生学习效果评价，是一场对以学校为主的教育机构的考验。

（三）我国缺乏专业的STEM师资队伍

STEM教育的综合性质要求科学教育的教师了解STEM学科的核心概念和原则，并开发出跨学科和学年的、连贯一致的教学方案和教学组织形式。如《白皮书》所说，中国STEM教育最缺少的是技术与工程教育，而原有的师范院校中没有相应专业，所以技术工程类教师非常紧缺，即使有些学校已经开设了STEM方面的选修课或必修课，但都面临着合格教师短缺的问题［1］。STEM教育的设计原则要求通过融合科学探究、技术和工程设计、数学分析，研究和设计使学生参与解决现实世界问题的实践，从而掌握跨学科的知识和技能。但是，单一的培养主体及单一的培养模式无法满足STEM教师培养的所有需求，需要政府、学校及社会组织的多方参与［4］。从目前的情况来说，对STEM教师的要求不可谓不高，这一问题也给关于知识教育和素质教育这一老话题再次带来新挑战。

三、STEM视野下的科学教育师资培养

STEM教育的实现要有多方面的障碍，有些是普遍性的设计因素，有些是特殊化的人力因素，因此，促进师资培养是发展STEM教育的基本途径。

（一）从教师综合能力来说，要培养从小学到大学的各级从事科学教育的教师讲授STEM课程内容的能力

教师需要深刻而持久地理解构成科学、技术、工程和数学的各个学科的内容和性质，以及在解决现实世界问题中有意义的联系方式。必须在四个学科之间建立明确而重要的联系，同时平衡整合背景、吸引和激励学生的方案。一方面可以通过个别教师的活动来实现，如合作教学和团队教学；另一方面，为了实现这种多学科的融合，教师需要得到更有针对性的专业学习机会。

（二）从教学方式来说，需要改变传统理论授课的方式

教师在STEM某个学科的教育能力，需要一种明确针对创新、跨学科教学的方法，教师教育计划和在职教师的专业学习需要包含这些跨学科的教学法。STEM教育既涉及知识问题，也涉及现实生活问题，因此，STEM需要改变以往理论传授的模式，采取模拟解决真实问题的方式展开。这包括组织学生采取探究的方法，如小组合作等方式来对问题和潜在的解决方案进行讨论，从而在具体教学中形成一种整合方法来挖掘学生的学习潜力。教师通过让学生进行提问、收集数据和得出结论的开放式情境，使学生能够以类似于科学家工作的方式进行学习。虽然科学探究与知识问题密切相关，但不仅仅是发展知识，还包括观察、推断、分类、预测、测量、提问、解释和分析数据等，科学探究是将这些环节与科学知识、科学推理和批判性思维相结合的过程。因此，教师的专业素养既需要学科素养，也需要设计素养［5］。

（三）从专业学习来说，需要提升技术与工程学科的专业能力

在当前的概念中，STEM被描述为一种综合的课程方法，能够解决科学、技术、工程和数学之间的相互作用，以比当前的课程方法更真实的方式解决问题。科学教育一直在当前的教学中将各种学科和课程分开，更不用说排除了对技术或工程的任何正式关注。当前关于自然世界、社会、个人的问题通常不属于任何单一学科的范围，而是需要不同背景和专业知识的团队及个人的合作，这就是STEM的本质。STEM不是一门学科，它没有自己的性质，我们只是将STEM描述为一种课程方法。科学和数学在STEM教育中具有基础性的知识地位，因此是STEM课程的明确重点，也是目前科学教育教师所擅长之处。但是，从STEM教育的综合特点和师资现状来说，提升科学教育教师STEM教育能力的重点在于提升技术和工程的专业能力。因此，加强STEM教育中对技术和工程的整合，是促进当前跨学科联系和关系的发展方向。总的来说，真正的STEM教学需要采用和适应新的教学方法，这需要大量的教师教育课程及教师再培训或STEM尤其是技术和工程的培训计划。

结语

STEM教育当然不是目前解决科学教育问题的唯一方法，但从现有的各种理念来说，它看起来似乎更可行，因为它承诺不会将面临的问题置身于各个学科的孤岛中。事实上，影响我们的包括重大科学问题、社会问题和个体发展问题在内的真正问题，从来都不在任何单一学科的范围内。理论上，STEM基本原理是使学生能够更真实地参与现实世界中感兴趣的问题，使他们能够学习科学、技术、工程和数学学科的知识，并展示具有科学素养的判断能力。STEM的课程或教学方法最明显地体现在解决问题和批判性思维上。STEM所设想提供的知识，为我们提供了关于如何发展知识及知识如何应用的可能答案。当然，逻辑是一回事，实践是另一回事。目前并没有有力的实践结果证明接受STEM教育的学生就能够表现出更高的成就、批判性思维和解决问题的能力，这种实践结果的缺失不仅由于STEM处于初步阶段，还在于综合教育的效果本身就是难以短期证明的。在这个意义上，STEM教育本身也是一种教育实验。