面向未来的STEAM教育:锚定世界前沿真实问题的课程内容选择

彭杜宏

(苏州科技大学 教育学院,江苏苏州 215009)

一、引言

从STEM教育到STEAM教育,跨学科课程越来越受到关注。STEAM教学的有效性问题是决定STEAM教育能否长远发展与深入应用的根本性问题〔1〕。在STEM跨学科课程或主题活动的教学设计中,难点在于如何选择活动内容、如何将所有活动有机整合在一起〔2〕。如何设计好STEAM教育的课程内容也成为当今全世界所关注的热点〔3〕。我国《科学课程标准》强调,精选对学生终身发展有价值的课程内容并规划适合不同学段螺旋上升、有序递进的课程结构〔4〕。2022年联合国在“教育变革峰会”上强调,提供更加优质的教学内容和创新的教学方式。教学内容选择直接关系儿童的学习质量〔5〕,好的内容原料是STEAM教育优质有效的必要基础。

当前中国STEM教育展示出了蓬勃发展的势头,但必须承认的是,我国STEM教育仍处在探索阶段,呈现出混杂无序的现实状态〔6〕。如实践中各学段STEAM教育普遍内容不成体系、课程多以碎片化形式出现、鲜有优秀课例〔7-9〕。依托原有科学课程进行的STEAM教育,学科融合性较差、课程内容单一或过分注重机器人、3D打印、编程技能〔10〕。即使某些获得发表或推广学习的STEAM活动案例(如水果保鲜、防雨鞋、纸桥承重等),其内容难以实现不同学段间的整体关联与纵深推进;或与当前人类社会共同面临的某些艰巨挑战相脱节——缺乏面向世界、面向未来的关切与帮助孩子们参与到当前世界的前瞻理念。寻找与开发优质STEAM教育内容资源成为亟待解决的重要问题〔11〕〔12〕。

教育是面向未来的事业,它需要预见性和前瞻性〔13〕。2021年加拿大英属哥伦比亚大学线上举办的第六届国际STEM教育大会指出,面对新冠疫情、气候变化、就业转型等诸多现实挑战,STEM教育工作者比以往任何时候都需要为世界复杂问题提供解决方案〔14〕。面对信息技术、人工智能、云计算、大数据带来的科技巨变,科学教育改革应该着眼于学生未来生活,尽早让学生们了解不同问题解决的新思路和新方式,让他们更好地为未来做准备〔15〕。正如荷兰教育哲学家比斯塔指出,教育不仅是对我们已经知道的或已经存在的事物的复制,也是对新的开始和新人进入这个世界的方式有真正的关注〔16〕。因此,探索具有中国特色的STEAM课程改革需建立融时代要求与现实情境的STEAM课程内容体系〔17〕。以真实问题解决为本质特征的STEAM教育需要面向世界、面向未来、面向前沿、面向人类社会真实的艰巨挑战;需要打开学生认知的视野,呈现给孩子们开放的世界与未来。由此本研究提出锚定世界前沿(未决)真实问题的STEAM教育取向,作为中小幼STEAM教育课程内容优化升级的一种补充,为找到中小幼STEAM教育优质内容的活水源头并精选贯穿中小幼STEAM教育的内容一体化提供思路,为实践高质量的STEAM教育与目标有效达成提供保障。

二、锚定世界前沿真实问题的多维教育价值

世界前沿问题是在当前和未来对人类有挑战的复杂问题,它们反映的是国际科技前沿、全球共同需求或国家重大需求、人类面临的瓶颈或工程技术难题等。如2005年《Science》杂志发表了125个最重要的前沿科学问题;2021年上海交通大学携手《Science》共同发布了新版125个前沿科学问题〔18〕;2022年中国科协发布了2022年度重大科学问题、工程技术难题〔19〕;2023年中国光学工程学会最新发布了15个前沿真实问题〔20〕。锚定世界前沿真实问题的STEAM教育具有多维而深远的教育价值。

(一)促进中小幼STEAM教育内容一体化的建构

加强大中小幼教育的一体化建设是我国教育改革与发展的重要趋势。目前大中小幼德育、心理健康教育、体育、劳动教育等一体化问题受到学界不同程度的关注。STEM人才建设可持续发展的关键是要有打通各学段的整体设计,而这正是我国STEM教育当前面临的困境之一〔21〕。因而,推进基础教育阶段STEM课程一体化建设是STEM教育研究领域的未来发展方向〔22〕。那么如何有效实现中小幼STEAM教育的纵向一体化?按瑞吉欧课程经验的总结,对教师而言,一项艰巨的任务便是协助孩子找到一个够大、够难的问题,可以让儿童投注最多的精力并长时间思考〔23〕。好的驱动性问题既能展开一系列探究活动,又能增强学生学习的一致性与连贯性。从学生学习的角度看,问题对教学过程具有动力注入、方向指引、阶段形塑等导引作用〔24〕。因此,中小幼STEAM教育要实现螺旋式上升的连续性、递进性、系统性等一体化探索,关键是找到适合于联结中小幼学生STEAM学习的、有足够探究价值的高质量真实问题。有挑战的、好的内容资源是有效实现中小幼STEAM教育一体化的必然选择。以上海交通大学携手《Science》共同发布的世界前沿问题“我们可以阻止全球气候变化吗?”为例,2022年欧盟理事会就提出采取行动应对气候危机,建议通过教育使所有学习者了解气候危机与可持续性,为可持续发展创造支持环境,以积极参与、动手行动、跨学科探索等促进可持续发展。它也被国际上一些学者呼吁纳入大中小科学教育体系〔25〕〔26〕。通过分析该世界前沿真实问题背后蕴含的核心科技工程问题,如“何谓全球气候变化?(全球气候变化的具体表现有哪些?全球气候变化的当前危机与潜在危害有哪些?)”“为什么会发生全球气候变化?”“我们可以采取哪些具体措施来阻止或减缓全球气候变化?”等,继而进一步剖析每个核心问题背后的递进性问题链,便可发现这样的世界前沿真实问题具有巨大的问题探索空间。从核心问题到递进性问题,从发现问题、界定问题到分析问题、解决问题,展开聚焦核心问题与问题引领的动手动脑的深入探究。中小幼不同学段聚焦真实问题背后的核心问题及其递进性问题链,在不同维度、不同层面、不同广度上展开一以贯之的深入探索。由此,世界前沿真实问题转化为驱动性问题,借助它们能实现中小幼STEAM教育一体化的内容建设,促使中小幼STEAM学习更加真实有效、深度贯通和发挥长远价值。

(二)突破唯标准答案、唯结果与功利取向的痼疾

世界前沿真实问题包括人类至今尚未解决或一段时间内有挑战的重大科学、工程与技术难题。它们对当前科学家、工程师、技术人员等有巨大挑战,对学校园所机构的教师而言更是无已知答案或无法查到标准答案的开放性、挑战性问题。由此,教师难以用标准答案来评判学生的探究结果,也难以用心中早已熟知的标准答案来束缚学生的思考与探索过程。教师可以悬置结果、持更开放的态度对待问题的探索过程,可以以更大的容错心态来指导学生,可以欢迎天马行空的涌现与多样化的思路和方案,从而使学生的主体表达得到最大可能的尊重,使个体的思维活动获得无限可能性。同时它们促使教师把注意力放在探索过程上而非最终结果上,放在启发学生发现问题、提出问题、分析问题、解决问题的思维能力上而非内容知识的传授与标准答案的识记上。由此,各层级教育走出长期以来的固守标准答案、结果取向与功利评价,青少年儿童得以自由思考和发现,展开想象的翅膀,提出自己的猜想与假设。

(三)播下对特定问题持续探究与STEAM领域兴趣的种子

对STEM领域产生兴趣和身份意识的最好时期是在幼儿园和小学〔27〕。同时,好奇心是学习的根基和关键的内驱力〔28〕。从小给儿童展现未来世界的某些景象、让他们感知世界前沿的真实问题——从小感知一些世界前沿有挑战的、人类共同面临的难题,感知这些问题在身边的具体现象、典型现象表现,有助于引起儿童对身边前沿真实问题的关注,激发儿童的好奇心,播下钻研探究前沿真实问题的兴趣种子,为儿童日后发展出对该问题的持续探究以及主动投入STEAM职业领域提供必要的铺垫。研究发现,参与STEM教育活动能提升学生的科学探究过程技能、STEM职业兴趣以及STEM领域学习动机以及他们的跨学科观念〔29〕。以有挑战的真实问题来展开STEAM探究也有利于发现早慧或有天赋的儿童,满足他们探究问题、挑战问题的需求与兴趣,为他们将来涉足STEAM领域创新创造提供有力支持。

(四)引发深度学习与创新思维发生发展

世界前沿真实问题是兼具驱动性、挑战性和综合性的复杂未知问题。它们往往具有足够的挑战性、巨大的探究空间、深层的生成性、无标准答案的未知性与开放性等特点。它们需要融合多学科知识、需要撬动高阶思维、需要跨学科融合贯通,并持续尝试和探索。复杂的真实问题背后蕴含着若干核心科学和工程技术问题,每一个核心问题背后又可以分解出若干密切相关的递进性分问题。由此,任何一个问题的探索都有其上下相连与延伸的若干重要问题,从而为深度探究、深度学习提供足够的机会。深度学习强调运用知识解决问题,表现为真实问题驱动、学习者全身心参与下开展的协作探究〔30〕。面向世界前沿真实问题的STEAM探究正好提供了运用知识解决真实问题的探究机会,学习不再是宽泛浅薄的或对知识的被动接受,而是在真实情境中围绕问题解决的知识整合、迁移、反思、应用,在世界前沿真实问题亲历探究实践中逐步发展科学、工程与设计思维、创新创造能力。开放性的问题尤其利于发展儿童的原创性水平,主要是他们的发散性思维和原创性〔31〕。另有研究表明,基于未来问题解决的教育项目有效提高了大学生的未来问题意识、进行创造的自我效能感、感知到的创新行为〔32〕。

(五)真正促进教师与学生共同成为研究者

面对未知的世界前沿真实问题,教师需要和学生一起去学习、去研究、去探索。未知消减了教师的权威和控制,教师不再是知识的拥有者、传递者、灌输者、控制者,不再是二十年如一日地教授同一静止与固化的知识;他们需要与学生一起搜索信息、明确方向、设计方案、尝试改善、持续探究,其好奇心与积极性也被调动起来。同时,教师与青少年儿童一起投入钻研探索,才能真正走出成人的话语体系和成人构建出来的儿童视角,实现儿童立场的真实落地。青少年儿童获得了与教师平等的主体身份与话语权,其探索的热情与天性能得以释放。由此既给予了教师学习的主体性,也还学生学习的主体性。教师与学生共同成为研究者,成为合作研究的共同体。

此外,探究世界前沿真实问题也将有助于发展青少年儿童的公民意识、提升其社会责任感,形成参与改变世界的共同愿景等。因此,瞄向世界前沿(未决)真实问题的STEAM教育内容选择具有多维度、多层面的深远教育意义和社会意义。

三、世界前沿真实问题的精选策略

尽管世界前沿真实问题是有待人类共同努力的艰巨挑战,也是具有多维教育价值的STEAM教育的内容源泉,但不是所有的前沿真实问题都适合直接纳入中小幼STEAM教育内容资源库,不是都有助于促进特定学段教育目标的有效达成。教师敏锐关注搜集世界前沿真实问题后还须对其进行精心遴选,从中选出适宜的代表性问题。精选过程中以下策略可供借鉴。

其一,选择与青少年儿童生活关联度高的前沿真实问题。生活关联度即与青少年儿童生活的相关性,如在青少年儿童生活周围有体现、有反映、有映射,或青少年儿童自己在生活中有见闻、有接触、有兴趣。生活关联度强调所选前沿真实问题完全源自青少年儿童的生活、扎根在他们的日常生活中,不脱离或远离青少年儿童自身的生活。无论是他们亲身经历、遭遇的前沿真实问题,或他们有见闻、有感知、有体会的前沿真实问题,都没超出他们经历体会、所见所闻、感知感受、好奇疑惑的范围。生活关联度越高,青少年儿童的感知经验越丰富,越适合挑选。例如,中国科协2022年发布的世界前沿科学问题“如何利用遥感科技对地球健康开展有效诊断、识别与评估?”与中国光学工程学会2023年发布的工程技术难题“如何构建超大型空间光学装置?”相比,前者相对于青少年儿童的生活关联度可能更高,因为环境污染、极端天气、气候危机、生态失衡等是每一个青少年儿童都有或多或少或深或浅的切肤体验、远近见闻,他们也有接受身体健康检查、操控遥控小汽车或飞机的直接感知亲身经历。

其二,选择现象凸显、现象典型的前沿真实问题。近代教育学之父夸美纽斯在《大教学论》中指出:“可以为教师找出一条金科玉律。一切事物都应该放在感官跟前。”〔33〕教育现象学理论先驱范梅南认为,区分鲜活的此刻(直接此刻)和间接的此刻(间接此刻)极为关键……当我们试图通过口头或书面文字描述来捕捉鲜活存在的“此刻”时,总是已经太迟了〔34〕。可见,直接呈现触动感官的鲜活现象本身是有效教学的重要法则。近年兴起的直观性教学〔35〕、现象教学〔36〕均强调生活现象的重要教育价值。现实世界中待解决的前沿真实问题通常会有直观性、整体性的外部现象表现,对其进行精选时要尽可能选择外部现象表现凸显、典型的真实问题,越凸显越典型越好,或鲜活生动、非同寻常、对比鲜明,或奇妙有趣、充满悬念、触目惊心、令人震撼。由此,能充分调动起青少年儿童的视觉、听觉、嗅觉、触觉等感觉系统——触动感官、直击人心,让其充分感知体验真实问题,继而顺利启动基于主体体验的高阶思维、主动探究与深度学习。

其三,选择跨学科指数高的前沿真实问题。即选择需要多学科综合、跨学科融合探究的真实问题。尽管现实的问题不会以单一学科的面貌出现〔37〕,但有的世界前沿真实问题倾向于纯科学问题。如“为什么生命需要手性?”“人类为何会对狗猫如此着迷?”〔38〕这样的问题,“跨学科性指数”相对偏低。而“我们可以创造一种环保的塑料替代品吗?”“几乎所有材料都可以回收再利用是否可以实现?”〔39〕等问题,“跨学科性指数”相对更高。跨学科性指数高的真实问题往往是现实世界中待解决的复杂难题,它们关乎了是什么、为什么、怎么办、怎么做等多个层面,是跨领域、跨学科、交叉融合的难题,同时背后蕴含了核心科学工程技术问题,既需要深入探索自然世界的事实规律,又需要人类进行动手改进、制作、创造才可能有效解决。在前沿真实问题的牵引下,核心科学工程技术问题驱动、串联、贯穿整个前沿真实问题解决过程,进而自然地引发跨学科的融入。

其四,选择能实现学生亲自动手操作探究的前沿真实问题。操作学习是与符号学习、交往学习等相并列的一种学习类型〔40〕,同时具身认知理论认为学习与认知是身、心、脑的整体性投入。学习是一种具身的行动〔41〕,认知是通过身体活动“生成的”〔42〕。因此,无论儿童还是青少年,其深入有效的STEAM学习都离不开亲自动手操作的探究体验。即使面向高中阶段的学生,能实现亲自动手操作活动的STEM教育也更有助于他们对复杂问题的理解和解决〔43〕。因此,在选择世界前沿真实问题时要考虑能否实现青少年儿童的亲自动手操作探究,在哪里或哪些地方能实现,无论是基于假设—检验的科学实验或调查过程时,还是在运用技术、进行工程设计或创造(如选用材料工具进行模仿加工、想象设计、改善创造或以艺术的方式呈现产品等)时,要在整个问题解决过程中有能实现青少年儿童亲自动手操作解决的环节或部分,如果难以实现青少年儿童亲自动手操作探究则不适合挑选。

最后,选择青少年儿童感兴趣和问题本身趣味性高的前沿真实问题。要从主体与客体两方面同时考量所选前沿真实问题的趣味性,不仅需要跟随青少年儿童的兴趣与关注点,同时要让问题本身成为一个令人兴奋的学习机会与探索过程。尽管前述提及的生活关联性、现象典型性等都为趣味性提供了不可或缺的铺垫,但趣味性本身依然需要作为独立指标着重考量。大量研究表明“兴趣”是使学习发生的内在复杂心理过程〔44〕,面对有挑战的真实问题,若缺乏趣味性或学习者不感兴趣,难以激发内驱力和主动投入。

综上,在世界众多前沿(未决)真实问题中,教师需要综合考量,精选出生活关联度指数、现象典型指数、跨学科性指数、可动手操作性指数以及趣味性指数等方面均高的真实问题,而不仅仅是其中某个或某两个指标指数很高的问题。

四、结语

新一轮的前沿科技迭代与人工智能迅猛发展,世界百年未有之大变局加速演进。面对时代的剧变与未来世界的不确定性,青少年儿童需要发展广泛的适应力、整体的认知力、综合的判断力和融合的想象创造力。然而,当代教育学忽视对当下课程与教学未来适应性的研究,难以使学生获得未来生活真正需要的知识和能力……几百年过去了,课程内容选择方面的问题仍然很严重〔45〕。倪闽景曾指出,我们中学的物理、化学、生物等科学课程始终重解答题目却轻解决问题;我们的理科课程落后世界70年,大量内容是200年以前的知识〔46〕。教育要真正面向未来,就必须认真检视当下的课程内容:究竟哪些内容是儿童未来生活真正需要的? 教育者应该精心选择,将那些对儿童未来发展最有价值和意义的部分在课程中呈现给他们〔47〕。这对我国当下的STEAM教育是一种启示与警醒——我国STEAM教育的高质量发展需要面向未来的高质量供给。面向未来的STEAM教育需要超越已知与惯常,关注前沿与未知。即在零散琐碎或纷繁复杂的众多真实问题中,锚定在青少年儿童生活中有映射、有体现的世界前沿未决真实问题或我国前沿科技工程难题,将其作为STEAM教育内容获取的一种新思路与新源泉,从中进行分析考究、精心挑选。世界前沿真实问题如同驱动性问题,能给不同学段青少年儿童螺旋上升的探索空间和机会,能开发不同学段学生的动手操作探究活动,能形成有序递进的课程内容体系。使用驱动性问题也能展开一系列探究活动、能增强学生学习的一致性和连贯性,提高学生建立与生活的联系和整合学科知识的能力等〔48〕。

不同学段教师的工作重点就是关注与寻找在青少年儿童生活中有体现、有映射、有见闻的世界前沿真实问题,继而精选与捕捉其中最具代表性、最典型、最适宜的部分。教师需要有保持对世界前沿未决或人类共同面临的科技工程难题的关注意识,需要有建立STEAM教育高质量内容资源库的意识;紧随所在班级学生的关注点与兴趣点,保持STEAM教育内容的灵活性、主体性与个性化,满足学生的探究兴趣、认知需求与钻研热情。由此助力青少年儿童敏感于身边看似平常的前沿真实问题,在青少年儿童心中播下兴趣的种子,引领他们学会洞察问题、跨学科融合地分析问题与解决问题,从而在未来人生道路上也不畏挑战,努力地创造性地解决现实复杂问题。为此,教师无需对自己不知道标准答案或不能解答而感到恐慌或有压力。每一项科学突破都始于一个问题。虽然可能无法立即获得所有答案,但虚心倾听青少年儿童对世界前沿未决真实问题的多样性感受与天马行空的思考,也有可能启发我们对这些前沿问题解决的新思路、新视角、新途径,为科技界和人类社会提供灵感与智慧,或有可能更好地整合人文艺术的视角,发挥STEAM跨学科探究优势,继而真正通向问题解决之正道。正如土耳其诗人希克梅特所吟:“把地球交给孩子吧,哪怕仅只一天,让世界学会有爱,孩子们将从我们手中接过地球,从此种上永生的树。”〔49〕