融合：實現(xiàn)STEM教育的有效策略

STEM教育出現(xiàn)于21世紀(jì)初，即科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）教育的統(tǒng)稱。但它并不僅僅是把這4個詞堆疊在一起，而具有一定的深意、內(nèi)涵和教育意義。

隨著人類科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的聯(lián)系也越來越緊密，解決任何一個領(lǐng)域的問題都會涉及到其他三個領(lǐng)域；任何一個領(lǐng)域的發(fā)展都將為其他領(lǐng)域打開進(jìn)步的空間；任何一個領(lǐng)域的素質(zhì)都是未來公民的基本素質(zhì)。因此，在STEM教育提出之初，人們就意識到STEM教育不僅對國家未來的創(chuàng)新能力和競爭力有決定性的影響，而且是社會進(jìn)步的必要基礎(chǔ)，公民的科學(xué)素質(zhì)直接關(guān)系著21世紀(jì)的社會文化、價值取向和民主政治的實現(xiàn)。同時對兒童學(xué)習(xí)能力的科學(xué)研究則表明，兒童生而具有強大的學(xué)習(xí)能力，兒童缺乏的是知識和經(jīng)驗，而并不缺乏推理能力，兒童是主動的學(xué)習(xí)者，兒童可以在有效的引導(dǎo)下，學(xué)習(xí)更多的基本知識和技能。因而這些基本素質(zhì)的培養(yǎng)都可在從幼兒園到高中畢業(yè)的學(xué)習(xí)期間逐步完成。

可是，在普通人眼中只有在理工科大學(xué)里才會出現(xiàn)的工程問題，能在中小學(xué)的課堂中研究嗎？如何實現(xiàn)呢？要想解決這個問題，首先要理解科學(xué)、技術(shù)與工程的聯(lián)系和區(qū)別，找出在小學(xué)學(xué)習(xí)階段科學(xué)與工程教育的交集，再對教育進(jìn)行反思，就不難理解如何將看似復(fù)雜的工程問題結(jié)合在K-12年級的課程中，幫助學(xué)生發(fā)展科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)的綜合素質(zhì)。

什么是技術(shù)、工程、技術(shù)和工程素養(yǎng)

2012年發(fā)布的美國國家教育進(jìn)展評估（National Assessment Of Educational Progress，NAEP）的《2014年國家教育進(jìn)展評估的技術(shù)和工程素養(yǎng)框架》報告對技術(shù)、工程，及其素養(yǎng)給出了廣義的定義，如下：

技術(shù)：指任何為了滿足人類需求而進(jìn)行的對自然狀態(tài)的改變或者對世界的改造。

工程：指為滿足人類需求系統(tǒng)地、反復(fù)地設(shè)計對象、進(jìn)程和系統(tǒng)的一種途徑。

技術(shù)與工程素養(yǎng)：指使用、理解和評估技術(shù)的能力，以及理解開發(fā)解決方案和實現(xiàn)目標(biāo)的技術(shù)原理和策略。

雖然有很多學(xué)者對技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、技術(shù)和工程素養(yǎng)等給出不同的定義，但在這些不同范圍的定義中都顯示出技術(shù)和工程之間密不可分的關(guān)系。該框架提出2014年技術(shù)與工程素養(yǎng)評估的領(lǐng)域分為3個部分：技術(shù)與社會（Technology and Society）、設(shè)計與系統(tǒng)（Design and Systems）、信息與通信技術(shù)（Information and Communication Technoloay）。

科學(xué)、技術(shù)與工程有怎樣的聯(lián)系與區(qū)別

科學(xué)、技術(shù)與工程，三者既緊密聯(lián)系密不可分，同時又在目的、形式和任務(wù)、研究方式、成果和評價標(biāo)準(zhǔn)等各方面都有所不同。科學(xué)在于認(rèn)識世界，解釋自然界的客觀規(guī)律，而技術(shù)和工程則是在尊重自然規(guī)律的基礎(chǔ)上，改造世界，實現(xiàn)對自然界的控制和利用，解決社會發(fā)展過程中遇到的難題。

實踐是科學(xué)、技術(shù)與工程的重要特征和需求。參與科學(xué)實踐可以幫助學(xué)生理解科學(xué)知識如何建構(gòu)，可以讓學(xué)生認(rèn)識到調(diào)查、模仿和解釋世界的各種方法；參與工程學(xué)實踐同樣幫助學(xué)生理解工程師的工作，以及工程學(xué)和科學(xué)之間的關(guān)系。上圖來自干2012年美國國家研究理事會（NRC）頒布的《K-12年級科學(xué)教育框架》，它描述了科學(xué)家和工程師的工作。不論是科學(xué)家還是工程師，他們的主要活動是調(diào)查和實證探究；他們的工作的本質(zhì)是建構(gòu)解釋或利用推理、創(chuàng)造性思維和模型進(jìn)行設(shè)計，形成解決方案；分析、辯論和評價則是科學(xué)和工程學(xué)研究得到認(rèn)可的唯一途徑。在這些活動和辯論中科學(xué)家和工程師都嘗試使用最合適的方法和工具來完成任務(wù)，它們都是創(chuàng)造性的過程，都不只使用一種方法，都具有重復(fù)性和系統(tǒng)性。

可見，科學(xué)、技術(shù)與工程學(xué)之間有著一種很強的共通性和互補關(guān)系，是辯證統(tǒng)一的整體。它們的交集就是人類社會的進(jìn)步與發(fā)展。哪怕是最簡單的科學(xué)現(xiàn)象和問題，都可以在人類生活中找到它的影子，找到它轉(zhuǎn)化為技術(shù)和工程的途徑。而當(dāng)人類在解決實際生活問題時，想到的不僅是技術(shù)、是設(shè)計、是工程，同樣也必須考慮其中涉及的科學(xué)原理和規(guī)律，只有遵循這些原理和規(guī)律，才能真正找到問題的本質(zhì)。從這一點來看，他們之間的交集足以支持在從幼兒園到高中的學(xué)習(xí)過程中將科學(xué)、技術(shù)與工程聯(lián)系起來開展教育活動。

將STEM教育引入科學(xué)課堂時，有什么樣的標(biāo)準(zhǔn)

教育過程畢竟不同于真實的科學(xué)研究和工程實踐，教師關(guān)注的是將STEM引入科學(xué)課堂時，技術(shù)和工程部分的教學(xué)目標(biāo)是什么，標(biāo)準(zhǔn)是什么。

《2014年國家教育進(jìn)展評估的技術(shù)和工程素養(yǎng)框架》對技術(shù)與工程素養(yǎng)評估的3個部分給出了具體的內(nèi)容和分年級評估框架，該框架非常有利于幫助科學(xué)教師在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計時思考如何制訂出適合技術(shù)與工程素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)方案。這里以“設(shè)計與系統(tǒng)”中的“工程設(shè)計”為例，介紹其分年級評價框架，詳見表1。

而《K-12年級科學(xué)教育框架》從“實踐”的角度分析了科學(xué)與工程的不同要求，也是科學(xué)教師考慮教學(xué)計劃和策略時不可或缺的參考，讀者可參閱《中國科技教育》2012年第2期《在K-12階段教育中的科學(xué)與工程實踐》一文。

將STEM教育引入科學(xué)課堂時，教學(xué)是怎樣的

有了教學(xué)目標(biāo)，教師更關(guān)注的是如何實現(xiàn)STEM的各項目標(biāo)。其實，STEM的各個方面都相互關(guān)聯(lián)，只有將它們?nèi)诤掀饋?，才能高效地實現(xiàn)所有維度的目標(biāo)和要求。那么，如何融合呢？筆者認(rèn)為這不僅離不開科學(xué)課程這個載體，也需要更多的教育教學(xué)方法與策略。

科學(xué)問題本就源于自然，源于某一現(xiàn)象的問題，如“為什么杯子里的熱水會變涼？”工程學(xué)則源于需要解決的某個難題，例如“怎樣讓房子更保暖？”這兩個貌似不相同的問題，其本質(zhì)卻都是熱學(xué)中能量的傳遞問題。當(dāng)教學(xué)圍繞這個本質(zhì)展開時，就有了一條隱形的線索，將科學(xué)和工程問題有效地結(jié)合在一起?？梢?，STEM的教學(xué)并不是簡單地將科學(xué)與工程組合起來，而是要把學(xué)生學(xué)習(xí)到的零碎的知識與機械過程轉(zhuǎn)變成一個探究世界相互聯(lián)系的不同側(cè)面的過程。

基于科學(xué)情境，結(jié)合技術(shù)與工程活動——小小建筑師

“小小建筑師”是“做中學(xué)”科學(xué)教育改革實驗項目為低年級（1-2年級）小學(xué)生開發(fā)的教學(xué)模塊。該模塊圍繞如何使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固開展設(shè)計與技術(shù)的教學(xué)活動。這是一個科學(xué)和技術(shù)交織在一起的案例，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性中既有科學(xué)原理，又蘊含著工程設(shè)計和操作技術(shù)。

學(xué)生首先探索三角形和正方形的特點，嘗試加固正方體和立方體，了解結(jié)構(gòu)的對稱性和穩(wěn)定性，理解三角形是一種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，理解結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性與結(jié)構(gòu)的形狀、所用材料的材質(zhì)、連接的方式等有關(guān)。最后通過設(shè)計和制作搭建建筑，運用三角形的穩(wěn)定性，探索建筑物的穩(wěn)固性。

結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性是一條有效的線索，它連按著與穩(wěn)固性和結(jié)構(gòu)相關(guān)的科學(xué)原理和工程技術(shù)。具體教學(xué)活動如表2。

基于實際工業(yè)情境，融合科學(xué)問題與工程技術(shù)——流動的液體

這是一個非常有效的方法，利用兒童日常生活中可能接觸到的工業(yè)情境，融合科學(xué)問題和工程技術(shù)，例如在2012年11月舉辦的第3期“做中學(xué)”高級研修活動中用到的關(guān)于膠水、關(guān)于冷卻的實例，以及本期專題中介紹的“流動的液體”等?；谏钋榫?，巧妙結(jié)合科學(xué)、技術(shù)和工程問題——自封袋

這是來自《Everyday Engineering：Putting the E in STEM Teaching and Learning》一書中的一個實例——探索自封袋。

自封袋是學(xué)生生活中常見的用品，通過不同的連接方式，使兩個部分牢固地鎖在一起，起到密封的作用。這其中包括有材料的特征和特性、連接的方式和方法、受力的控制等科學(xué)原理和工程技術(shù)。學(xué)生通過觀察和研究常見的各種自封袋，了解力可以通過多種方式進(jìn)行傳遞，可以用一些裝置控制力，以實現(xiàn)自由地打開和閉合；了解這樣的裝置中有的部分需要能移動和旋轉(zhuǎn)、有的部分必須牢牢地固定??；理解在設(shè)計結(jié)構(gòu)時要考慮其用途和條件的限制，要考慮材質(zhì)的選擇和鏈接的方法。

在這個案例中，解決自由地打開和閉合這個實際問題成為一個貫穿始終的線索，將科學(xué)學(xué)習(xí)、設(shè)計和技術(shù)運用結(jié)合起來見表3。

融合是將STEM教育引入中小學(xué)科學(xué)課堂的有效策略

從本專題的實例中，讀者不難看出在科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)之間存在著一種相互支撐、相互補充、共同發(fā)展的關(guān)系。如果要了解它們，尤其是它們之間的關(guān)系，就不能獨立其中任何一個部分，只有在交互中，在相互的碰撞中，才能實現(xiàn)深層次的學(xué)習(xí)、理解性學(xué)習(xí)，也才能真正培養(yǎng)兒童各個方面的技能和認(rèn)識。

可見，當(dāng)教師在考慮如何將STEM教育引入中小學(xué)科學(xué)課堂時，必須將它們看作4種彩線，交織在一起，融合在一起，才能織出絢麗的畫卷。

參考文獻(xiàn)

[1]韋鈺，美國正在建設(shè)優(yōu)秀STEM項目數(shù)據(jù)庫，中國科技教育，2012（9）