STEM教育的根本動(dòng)因和未來(lái)方向

倪閩景

STEM教育的根本動(dòng)因和未來(lái)方向

倪閩景*

科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)和數(shù)學(xué)(Mathematics)這四門學(xué)科已經(jīng)存在很長(zhǎng)時(shí)間了，為什么現(xiàn)在會(huì)如此強(qiáng)調(diào)四門學(xué)科的交叉融合和有機(jī)統(tǒng)整，倡導(dǎo)STEM教育這樣的新范式？世界究竟發(fā)生了什么變化，讓我們對(duì)教育變革的呼聲如此迫切？問(wèn)題的答案只有一個(gè)：信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，創(chuàng)造了一個(gè)全新的世界，也為科學(xué)教育變革創(chuàng)造了新的可能性。只有明白這點(diǎn)，才能更好地理解STEM教育的現(xiàn)實(shí)背景，才能更好地推進(jìn)STEM教育。

一、信息化拓展了學(xué)習(xí)的形態(tài)

從儲(chǔ)存的方式來(lái)看，知識(shí)可以分為細(xì)胞知識(shí)（儲(chǔ)存在人腦之中，在有文字出現(xiàn)以前，只有這種方式）、原子知識(shí)（存在于紙張、錄音帶上，主要在圖書(shū)之中）和比特知識(shí)（儲(chǔ)存在數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)空間）。在信息化浪潮來(lái)臨以前，世界只有兩種知識(shí)形態(tài)，要么在書(shū)本上，要么在人的腦子里，而這兩種形態(tài)決定了知識(shí)稀缺的現(xiàn)實(shí)，誰(shuí)掌握有知識(shí)的頭腦或豐富的圖書(shū)，誰(shuí)就有了學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)和權(quán)利。但是信息技術(shù)在短短的幾十年里，就顛覆了知識(shí)稀缺的狀況，大大拓展了學(xué)習(xí)的形態(tài)。

一是拓展了人與人發(fā)生學(xué)習(xí)關(guān)系的空間。原來(lái)學(xué)校學(xué)習(xí)只能在一個(gè)真實(shí)的班級(jí)里發(fā)生，因?yàn)橛辛诵畔⒒?，現(xiàn)在學(xué)習(xí)可以在世界范圍里發(fā)生。比如來(lái)自中國(guó)山區(qū)的孩子，就可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，在可汗學(xué)院學(xué)習(xí)學(xué)科知識(shí)。世界開(kāi)始像同一個(gè)學(xué)校，同一個(gè)班級(jí)。

二是拓展了學(xué)習(xí)發(fā)生的機(jī)會(huì)。原來(lái)知識(shí)掌握在少部分人手里，因?yàn)橛辛诵畔⒒F(xiàn)在我們可以在極短時(shí)間里用極低成本，來(lái)獲取需要的知識(shí)。電子書(shū)籍、電子期刊、各種知識(shí)類APP和網(wǎng)絡(luò)課程，都能使需要的知識(shí)快速呈現(xiàn)在學(xué)習(xí)者面前。

三是拓展了學(xué)習(xí)經(jīng)歷分享和積累的途徑。在網(wǎng)絡(luò)空間的學(xué)習(xí)過(guò)程，會(huì)產(chǎn)生真實(shí)的學(xué)習(xí)記錄；同時(shí)在現(xiàn)實(shí)世界里的學(xué)習(xí)場(chǎng)景，也可以用視頻或照片方式記錄下學(xué)習(xí)過(guò)程。這些都是不可再生的數(shù)據(jù)資源，可以用信息技術(shù)來(lái)充分分享、儲(chǔ)存和分析，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者之間的學(xué)習(xí)關(guān)聯(lián)。

因此，信息化使原來(lái)班級(jí)授課制和教師傳授式的學(xué)習(xí)形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡S時(shí)隨地的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)內(nèi)容更豐富，學(xué)習(xí)過(guò)程更個(gè)性化，學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)更均等化，同時(shí)也打破了單一學(xué)科的局限，超越了教師個(gè)人專業(yè)的局限，為科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的融合教育提供了可能性。我們可以從一些學(xué)校的藝術(shù)教師、體育教師在STEM教學(xué)出眾的表現(xiàn)中，發(fā)現(xiàn)這樣一些特點(diǎn)：在世界范圍里收集學(xué)習(xí)資源，在跨領(lǐng)域中尋找活動(dòng)主題，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境里充分交流展示，在多種技術(shù)的整合中實(shí)施教學(xué)。

二、信息化改變了學(xué)習(xí)的目的

很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，知識(shí)主要存在于圖書(shū)之中和教師的腦子里，我們的教育也主要通過(guò)閱讀和記憶來(lái)塑造大腦，學(xué)習(xí)的主要目的是延續(xù)和重復(fù)前人的生產(chǎn)知識(shí)。信息化創(chuàng)造了大量知識(shí)工具，把每個(gè)人從一個(gè)簡(jiǎn)單的知識(shí)儲(chǔ)存容器或者簡(jiǎn)單的智力機(jī)器當(dāng)中解放了出來(lái)。比如計(jì)算能力曾經(jīng)是非常重要的技能，有了計(jì)算器這樣的知識(shí)工具，每個(gè)人都可以算得又快又準(zhǔn)，實(shí)際上學(xué)生已經(jīng)沒(méi)有必要用近十年的時(shí)間去學(xué)習(xí)加減乘除了。再比如，有了百度搜索、維基百科等知識(shí)工具，我們通過(guò)關(guān)鍵詞搜索就可以獲取很多知識(shí)。不必要記憶的東西不再去記憶，不必要掌握的技能不再要求掌握，這樣就出現(xiàn)了所謂的“認(rèn)知盈余”，從而增加出來(lái)了很多自由時(shí)間，一方面當(dāng)然是給了人們更多的閑暇時(shí)間，但更重要的一方面是可以讓人們?nèi)氖聞?chuàng)造性勞動(dòng)，用新的方法去塑造大腦，塑造適合創(chuàng)造性活動(dòng)的個(gè)性化人腦神經(jīng)回路。

信息技術(shù)創(chuàng)造和拓展了人人可以創(chuàng)新的平臺(tái)。原來(lái)學(xué)生要?jiǎng)?chuàng)造、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)的成本比較高，因?yàn)橛辛诵畔⒒?，學(xué)生可以很方便地開(kāi)展低成本的創(chuàng)造性活動(dòng)?？梢哉f(shuō)，因?yàn)橛辛诵畔⒒澜缬种鼗啬贻p人的手里。世界進(jìn)入了一個(gè)創(chuàng)新的爆發(fā)期，無(wú)數(shù)的創(chuàng)意改變了人們的生活，也在改變我們的觀念。比如“喜馬拉雅——一個(gè)人的電臺(tái)”這項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能讓普通學(xué)生創(chuàng)建自己的個(gè)人電臺(tái)，孩子創(chuàng)造知識(shí)的時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨。而這一點(diǎn)我們以前是無(wú)法想象的。再比如，一些學(xué)校的3D打印，實(shí)際上已經(jīng)成為STEM課程中的一個(gè)環(huán)節(jié)。學(xué)生在實(shí)施各個(gè)領(lǐng)域的項(xiàng)目時(shí)，非常自然地應(yīng)用3D打印來(lái)制作項(xiàng)目中的零件或作品。

因此，信息化對(duì)教育最深刻的影響是改變了學(xué)習(xí)的目的——教育不再以記憶和重復(fù)人類過(guò)去的知識(shí)為目的，而是以造就個(gè)性化的創(chuàng)新型大腦為目的。歸根到底，STEM教育的核心就是給學(xué)生提供更多的創(chuàng)造性學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，而成本低廉、高度集成的知識(shí)工具，為新的學(xué)習(xí)提供了支持。

三、信息化在STEM教育中的應(yīng)用分析

從上面的分析來(lái)看，STEM教育不是傳統(tǒng)科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)這四門學(xué)科簡(jiǎn)單的融合，而是以信息化為特征的跨學(xué)科教育變革，其教育內(nèi)容、教學(xué)方法、學(xué)習(xí)資源和評(píng)估等方面，都深深烙上了信息化的印記。

一是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)學(xué)科自身內(nèi)容的變革，其特征是從記憶性知識(shí)向探究性知識(shí)、實(shí)踐性知識(shí)遷移。比如過(guò)去學(xué)習(xí)“為什么杯子里的熱水會(huì)變涼”這個(gè)科學(xué)問(wèn)題，我們主要的目的是要學(xué)生掌握熱傳導(dǎo)這個(gè)現(xiàn)象；過(guò)去學(xué)習(xí)“怎樣讓杯子里的熱水保溫”這個(gè)技術(shù)問(wèn)題，我們主要目的是讓學(xué)生了解不同物質(zhì)導(dǎo)熱性的不同?，F(xiàn)在我們可以把溫度傳感器放在水里，直接觀察熱水變涼整個(gè)過(guò)程的溫度-時(shí)間圖像，研究不同材料包裹杯子后熱水變涼的不同情景，學(xué)生甚至可以自己帶不同材料來(lái)分析。同樣，小學(xué)階段的數(shù)學(xué)，過(guò)去教師更多的是教學(xué)生進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算；有了信息化，我們可以開(kāi)始引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)和圖像建模等內(nèi)容的學(xué)習(xí)，而這些學(xué)習(xí)內(nèi)容在生活中非常普遍和實(shí)用。對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，從真實(shí)生活經(jīng)驗(yàn)而來(lái)的真實(shí)問(wèn)題，成為學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容，會(huì)對(duì)學(xué)習(xí)的意義產(chǎn)生根本性的改變。學(xué)生通過(guò)體驗(yàn)知識(shí)獲得的過(guò)程，促進(jìn)元認(rèn)知能力的發(fā)展，通過(guò)應(yīng)用知識(shí)解決問(wèn)題達(dá)成對(duì)知識(shí)的靈活掌握，促進(jìn)對(duì)知識(shí)進(jìn)行社會(huì)性、情境性的遷移運(yùn)用。

二是以問(wèn)題學(xué)習(xí)和項(xiàng)目學(xué)習(xí)為特征，用信息化這根珍珠鏈串聯(lián)起科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)?？茖W(xué)以探究為主要方法，技術(shù)以設(shè)計(jì)為主要方法，工程以系統(tǒng)應(yīng)用為主要方法，數(shù)學(xué)以演繹歸納為主要方法。如果不體現(xiàn)這些學(xué)科最為本質(zhì)的方法，學(xué)校開(kāi)展項(xiàng)目學(xué)習(xí)，要么是短期行為，要么是浮于表面的教學(xué)秀。我們欣喜地從一些學(xué)校的教學(xué)案例中看到，學(xué)校利用信息化手段，在體現(xiàn)了學(xué)科主要方法的同時(shí)，創(chuàng)造了整體性的STEM教育新的實(shí)施方法。這種新穎的教學(xué)方法，在兩種情境里都在發(fā)揮作用。第一種情況是在跨學(xué)科的主題學(xué)習(xí)當(dāng)中，在探究課、拓展課上，讓學(xué)生圍繞解決生活當(dāng)中的實(shí)際問(wèn)題，去創(chuàng)造性地探究、設(shè)計(jì)，比如“荒島逃生”項(xiàng)目和“水循環(huán)植物養(yǎng)殖系統(tǒng)”項(xiàng)目，得到了學(xué)生的喜愛(ài)。第二種情況是在基礎(chǔ)型課程當(dāng)中，在平時(shí)的科學(xué)課、數(shù)學(xué)課，甚至在語(yǔ)文、數(shù)學(xué)、藝術(shù)等課堂上，圍繞著問(wèn)題解決，形成了“像科學(xué)家工作般學(xué)習(xí)”和“像工程師工作般學(xué)習(xí)”的特點(diǎn)。

三是教與學(xué)環(huán)境的信息化，使STEM教育成為可記錄、可傳播、可分析的生態(tài)鏈。有些學(xué)校的STEM教育教師團(tuán)隊(duì)有一個(gè)微信群，教師們教學(xué)的點(diǎn)滴過(guò)程、教學(xué)設(shè)計(jì)的奇思妙想等，都會(huì)在這個(gè)微信群里共享，在不經(jīng)意中建立起了一種教師互相學(xué)習(xí)和激勵(lì)的機(jī)制，同時(shí)在向家長(zhǎng)和社會(huì)傳播的過(guò)程中，產(chǎn)生了宣傳和輻射的效果。學(xué)校教師在研究某種材料固液態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了一種有趣的材料，結(jié)果竟然可以用在其他教學(xué)環(huán)境中。某個(gè)孩子的創(chuàng)意作品，因?yàn)樾畔⒒瘋鞑サ牧α?，在短時(shí)間里讓這個(gè)孩子成為小有知名度的小小發(fā)明家，甚至去非常有知名度的“聽(tīng)道”論壇上演說(shuō)。

綜上所述，STEM教育顯然不是簡(jiǎn)單地將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)組合起來(lái)，而是要把學(xué)生學(xué)習(xí)到的零碎的知識(shí)轉(zhuǎn)變成一個(gè)探究世界相互聯(lián)系的不同側(cè)面的過(guò)程，這里有一條隱形的線索，就是信息化的適當(dāng)應(yīng)用。分析每一個(gè)STEM教學(xué)案例，總有一個(gè)或幾個(gè)環(huán)節(jié)，出現(xiàn)了信息化深深的烙印，無(wú)法剝離，應(yīng)用自然。

四、教育的未來(lái)走向?qū)TEM的呼喚

智人以制造和使用工具為標(biāo)志，距今已經(jīng)20萬(wàn)年了。發(fā)展到現(xiàn)在，人類對(duì)知識(shí)工具的靈活應(yīng)用將成為創(chuàng)造性活動(dòng)的核心。對(duì)教育而言，也到了應(yīng)用知識(shí)工具創(chuàng)造新的教育形態(tài)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上，一是要應(yīng)用知識(shí)工具創(chuàng)新課堂設(shè)計(jì)和學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)，圍繞發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，學(xué)會(huì)知識(shí)工具的創(chuàng)造性應(yīng)用，讓學(xué)生體驗(yàn)全新學(xué)習(xí)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)新大腦塑造。二是要應(yīng)用知識(shí)工具，實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力的多重激發(fā)：目標(biāo)激勵(lì)，教師鼓勵(lì)，同伴挑戰(zhàn)，知識(shí)魅力。而STEM 教育恰恰綜合體現(xiàn)了這個(gè)教育轉(zhuǎn)型的要求。

從課程變革的角度看，目前世界上呈現(xiàn)出兩個(gè)大趨勢(shì)：一個(gè)是學(xué)科更加細(xì)分，商科、藝術(shù)、設(shè)計(jì)與技術(shù)（D&T）、媒體素養(yǎng)等內(nèi)容也進(jìn)入核心課程，為學(xué)生提供更充分的選擇，并輔之以職業(yè)體驗(yàn)和志愿者服務(wù)，這是北美選擇的教育道路；另一個(gè)是學(xué)科消失，以主題學(xué)習(xí)、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)（PBL）為主，圍繞創(chuàng)造發(fā)明、角色扮演、挑戰(zhàn)創(chuàng)業(yè)、問(wèn)題解決等綜合性活動(dòng)組織學(xué)習(xí)路徑，就如芬蘭正在選擇的道路。而這兩者，都深深依賴于信息化的深度融入。當(dāng)然有的學(xué)校也開(kāi)始了第三條道路，上海徐匯區(qū)的康健外國(guó)語(yǔ)小學(xué)，采用“4+1課程變法”，一周4天是學(xué)科教學(xué)，1天是綜合性主題學(xué)習(xí)，這一群學(xué)生的發(fā)展情況將非常值得追蹤關(guān)注。

課程即大腦，有怎樣的課程，將造就怎樣的大腦。教育未來(lái)的走向?qū)⑸钌钣绊懙絊TEM教育的價(jià)值判斷。人類并不會(huì)一直做同樣的事情，也不會(huì)一直用相同的方式做事。有人認(rèn)為，在整個(gè)生命史上出現(xiàn)過(guò)三次生命綻放：第一次綻放是在5.5億年之前，寒武紀(jì)時(shí)代突然爆發(fā)了一場(chǎng)生物進(jìn)化革命，產(chǎn)生了無(wú)數(shù)新的生命形式，實(shí)現(xiàn)了從多細(xì)胞生命到多樣化生態(tài)的飛躍；第二次綻放大概是在10萬(wàn)年前，出現(xiàn)了人類語(yǔ)言，隨后又出現(xiàn)了文字，使人類進(jìn)入了文化進(jìn)化的階段；而目前階段正處于生命的第三次綻放階段，其特征就是信息化主導(dǎo)的數(shù)字進(jìn)化，是人腦和電腦相關(guān)聯(lián)，進(jìn)入了一個(gè)以創(chuàng)新創(chuàng)造為主導(dǎo)的新時(shí)代。關(guān)于這個(gè)時(shí)代對(duì)教育的影響，筆者提出以下三個(gè)預(yù)測(cè)。

一是對(duì)于學(xué)習(xí)者而言，未來(lái)人類遇到的瓶頸將無(wú)關(guān)知識(shí)，而是如何形成共識(shí)。信息化破除了知識(shí)權(quán)威，讓每一個(gè)人都有了表達(dá)的機(jī)會(huì)，而形成共識(shí)將難度加大。STEM教育當(dāng)中，應(yīng)該有更多的主題能夠讓學(xué)生體驗(yàn)觀念沖突，并讓學(xué)生們體驗(yàn)協(xié)商和妥協(xié)，而這方面實(shí)際上有大量的案例可以去實(shí)踐，也非常值得我們用時(shí)間去讓孩子們體會(huì)溝通和作決定。

二是對(duì)于學(xué)習(xí)者而言，未來(lái)人類面臨的是超大教育規(guī)模帶來(lái)的挑戰(zhàn)。以前我們只有幾個(gè)電臺(tái)或電視臺(tái)可供選擇，現(xiàn)在可能已經(jīng)有上千個(gè)電臺(tái)或電視臺(tái)可供選擇了，未來(lái)可能人人都有電臺(tái)或電視臺(tái)，數(shù)據(jù)技術(shù)時(shí)代將大大改變我們的行為方式，學(xué)會(huì)選擇已經(jīng)成為核心要素。STEM教育有必要讓孩子們了解，沒(méi)有完美的選擇，只有現(xiàn)實(shí)的選擇，無(wú)論是設(shè)計(jì)方面，還是材料加工方面，真正科學(xué)的態(tài)度，并不是追求正確，而是解決問(wèn)題。而且可以進(jìn)一步明白，解決一個(gè)問(wèn)題，往往會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題，這也恰恰是技術(shù)和人類不斷進(jìn)步的特征。

三是對(duì)于學(xué)習(xí)者而言，未來(lái)人類最大的特征是相互關(guān)聯(lián)并透明，形成開(kāi)放、集體的創(chuàng)新范式。信息化讓每一個(gè)人的隱私完全處于脆弱的狀態(tài)，如果大多數(shù)人不尊重這樣一個(gè)現(xiàn)實(shí)，那么信息化將讓未來(lái)人類生活在無(wú)比黑暗之中。STEM 教育需要激發(fā)的是集體創(chuàng)造力，讓人和人之間的連接變成資源和學(xué)會(huì)尊重的機(jī)會(huì)，互相尊重，互相分享，并在思想關(guān)聯(lián)中孕育創(chuàng)造力。創(chuàng)新實(shí)際上從來(lái)就是一個(gè)社會(huì)現(xiàn)象，一個(gè)人的創(chuàng)意只有得到別人的認(rèn)同，才會(huì)真正變成改變社會(huì)的動(dòng)力。因此在STEM教育當(dāng)中，要?jiǎng)?chuàng)造機(jī)會(huì)讓學(xué)生理解社會(huì)運(yùn)作的系統(tǒng)性，了解不同角色在創(chuàng)造活動(dòng)當(dāng)中的重要性，理解競(jìng)爭(zhēng)與合作、發(fā)展與成本、行為與規(guī)則。比如學(xué)生為了解決某個(gè)問(wèn)題，可能會(huì)借助蘋果公司的平臺(tái)來(lái)開(kāi)發(fā)APP軟件，而這個(gè)過(guò)程當(dāng)中創(chuàng)生出來(lái)的STEM教育資源，絕對(duì)不局限于開(kāi)發(fā)出了一個(gè)APP，教師們必須仔細(xì)判斷和引導(dǎo)過(guò)程性的教育價(jià)值。

信息化為教育打開(kāi)的價(jià)值空間，只是剛剛開(kāi)始，無(wú)論是教還是學(xué)，無(wú)論是知識(shí)傳遞還是創(chuàng)新體驗(yàn)，最激動(dòng)人心的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。但是，我們必須要理解和把握未來(lái)教育的特征：不是要學(xué)得更多，而是要學(xué)得更多樣；不是要學(xué)得更快，而是要學(xué)得更快樂(lè)。這兩者，顯然更是STEM教育成功的核心。

* 倪閩景，上海市教育委員會(huì)副主任。