STEM+本土化的實踐探究

馮碧薇

摘要：STEM指的是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學（Mathematics）。立足于國內實際的教育發(fā)展現(xiàn)狀，許多國內研究者和團隊已經開展了STEM+的研究和實踐，其中“+”是實施STEM教育本土化的一個符號標志。本文分析了STEM教育本土化發(fā)展的動因，結合案例探究了STEM+在本土化實踐過程中如何切實地與生活聯(lián)系并體現(xiàn)其跨學科特點。最后，對STEM教育在國內發(fā)展提出了幾點建議。

關鍵詞：STEM+ 本土化 實踐探究 跨學科

STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學（Mathematics）的英文首字母縮寫詞。STEM一詞由美國國家科學基金會（NSF）在一次科學教育會議中提出后被廣泛使用。美國國家科學基金會對STEM項目作出了更為廣泛的定義：STEM涉及化學（chemistry）、計算機（computer）、工程學（engineering）、地球科學（geosciences）、生命科學（life science）、數(shù)理科學（mathematical sciences）、物理（physics）、天文學（astronomy）和社會科學（social science）。STEM教育是將各門學科的內容融合為有機體，以更好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力。與傳統(tǒng)教學相比，STEM教育在教學目標、教學方式、評價體系等方面都具有明顯的差異（見表1）。

立足于國內實際的教育發(fā)展現(xiàn)狀，許多國內研究者和團隊對國內外教材、創(chuàng)新理念進行了重構，開展了STEM+本土化的研究和實踐。其中，“+”是實施STEM教育本土化的一個符號，“它意味著無限可能，不僅體現(xiàn)內容的增加，更是育人理念的全面提升，代表了學生科學精神和綜合能力的延伸，強調社會價值、人文藝術、信息技術與STEM的融合，學生智力因素和非智力因素的融合，試圖走出一條培養(yǎng)學生全面發(fā)展的改革新路”。

一、STEM教育本土化的動因分析

STEM教育理念是美國教育領域的前沿戰(zhàn)略，美國高度重視STEM教育的重要原因是解決STEM人才就業(yè)不足、人才缺口增大等各項問題。另外，提高國際競爭力也是促進美國實施STEM教育戰(zhàn)略的關鍵原因之一。日本STEM教育的核心推動力則是學生學業(yè)成就下降。基于不同的動因，各個國家實踐STEM教育的方法不盡相同：美國以建立STEM為核心的學校，在學校中開設STEM課程，建立供學校和社區(qū)使用的STEM教育中心等形式加快STEM教育改革的步伐；德國通過設立第三方獨立機構提高學生STEM技能；而日本則偏向于傳統(tǒng)教育的創(chuàng)新（比如通過修改課程大綱等方式）及國際合作。

基于國內實際教育的發(fā)展現(xiàn)狀，華東師范大學課程與教學研究所教授趙中建認為：不同于美國，中國借鑒STEM教育理念進行本土化嘗試的目標則是更希望凸顯出育人價值，即面向全體學生，也旨在全面提升創(chuàng)新素質。在此育人目標下，目前國內的STEM+本土化實踐探究以在學校開設STEM+項目課程為主耍手段，旨在培育學生創(chuàng)新思維能力和動手實踐能力。

二、STEM+的本土化實踐探究

STEM教育是學習方法上的一種改革，以日常生活中常用的一次性餐盒為例，餐盒合成時涉及的化學材料、成分，就是“S”，即科學原理；把餐盒做成固定的形狀則是“T”，屬于技術手段；如何使用一次性餐盒制作小發(fā)明，是“E”，即工程；在回收利用餐盒時涉及到各類型計算，就是“M”，屬于數(shù)學問題。在實踐STEM+教學的過程中，筆者認為需要體現(xiàn)其具備的三大核心特征，即聯(lián)系實際生活、跨學科性、學生為中心。

探究點1：如何設計可行的STEM項目課題并凸顯其與真實世界的緊密聯(lián)系

生活經驗與社會取向的STEM+課程整合模式一般采用基于項目的學習方法，以實踐性的項目完成為核心，將高階思維能力發(fā)展與真實生活環(huán)境聯(lián)系起來。中學階段，通過開設科技類選修課程、科技類社團活動等方式能夠激發(fā)學生對于STEM+項目研究的興趣。在中學階段下的知識儲備和視野范圍內，學生所能夠提出的許多課題大都與生活相聯(lián)系，來源于自己的所見所聞、期待解決的日常生活中的問題和應用于生活的制作發(fā)明，如何引導學生平衡興趣和科研的可行性才是關鍵。這就要求學生在設計課題的時候不但要貼近生活，還應當在做好足夠的調查和文獻查詢后，才能完成一份理想的開題報告。

在指導學生進行STEM+研究的過程中，筆者發(fā)現(xiàn)有一些方法能夠較好地引導學生在資料搜索后提出聯(lián)系生活實際的課題。其一是“以關鍵詞為導向的課題研究”，由教師預設問題或項目引導學生完成。例如：教師首先介紹以“一次性餐盒”為關鍵詞的研究案例，引導學生通過查閱資料，提出一個與關鍵詞相關的研究方案和設計。該方案設計可以是一項關于一次性餐盒的調查研究，也可圍繞一次性餐盒引起的白色污染問題展開的相關科學研究或發(fā)明制作。在這種教學引導下，3位感興趣的學生提出了相關研究方案（見表2）：課題1設計實驗研究如何更好地降解PLA類塑料（如溫度、化學試劑和降解的微牛物菌株），以解決白色污染問題；課題2通過化學方法將一次性餐盒溶解回收后，再利用化學工程技術將其制作成膠粘劑；課題3則是按照一定的步驟合成凝結多糖并制作成食用包裝解決普通塑料難降解的問題?！耙躁P鍵詞為導向的課題研究”的優(yōu)點是，能夠應用已有案例引起學生的興趣和思考，通過關鍵詞引導學生搜索文獻材料，在建立了一定的相關研究方法和前沿知識后再提出方案設計，在一定程度上提高了研究課題的可行性。

其二是鼓勵“類比型課題研究”。所謂的類比可以是類比相似的研究手段、設計思路或者研究對象。例如：在STEM+教育實踐過程中，曾經提及學生好奇市面上為什么只有綠豆芽卻沒有赤豆芽做的一個相關課題研究，通過類比相似設計思路，有學生提出“為什么日常生活中只有酸奶卻沒有酸豆奶”，并成功嘗試分離純化了乳酸菌完成了此項課題研究。再如：表2課題1中使用“唯一碳源法”從土壤中篩選能夠降解PLA類塑料的微生物菌群（即用PLA類塑料為唯一碳源，只有能夠利用此種塑料的微生物才能夠存活生長，其余微生物由于缺乏碳源而無法存活），通過類比相似的研究手段，成功完成的研究型課題也很多（見表3）。由此可見，在了解了原有研究方法、設計方案的基礎上，只要進行合理類比，更容易設計一個具有可行性的STEM+課題。

探究點2：如何提供一個將跨學科知識融合的有效載體

STEM教育的另一個核心特征即跨學科陸，這就要求教育工作者不再將重點放在某個特定學科上或者過分關注科學界限，而是更注重于培養(yǎng)學生利用綜合的知識和素養(yǎng)解決問題。例如：在我們已有的課程中，勞技、信息技術、科學等課程能夠在一定程度上幫助學生提高動手能力，但卻無法提供一個串聯(lián)各門學科的知識進行實際應用的有效載體。

針對STEM教育整合這一目的，國外有許多值得借鑒的理念。美國馬里蘭大學教授Herschbach提出了相關課程（the Correlated curriculum）模式和廣域課程（the broad fields curricNum）模式。“相關課程模式將各科目仍保留為獨立學科，但各科目教學內容的安排注重彼此間的聯(lián)系”。例如：上生物課可能需要學生預先掌握化學原理，生物和化學教師通過溝通，將這兩次課安排在時間節(jié)點相近進行教學。而廣域課程模式則取消了學科間的界限，將所有學科內容整合到新的學習領域。例如：教師通過設計檢測PM2.5的裝置，將STEM相關知識均包含在內。這兩種課程設計在國內STEM+教育中普遍接受程度高，應用也比較廣泛。

在STEM+實踐探究的過程中，筆者發(fā)現(xiàn)主題式教學在跨學科教學整合方面具有很好的效果。借鑒美國高中生參加的一項比賽——美國學術十項全能比賽（USAD），該競賽包括數(shù)學、經濟學、科學、社會科學、藝術等10門學科，所有內容都圍繞同一個主題（如“印度”、“二戰(zhàn)”）進行探究性學習。目前，此種教學方式已經推廣到國內，增加了中國賽區(qū)，學生通過9人團隊參與學習和比賽。這種模式雖然依然存在學科分類的界限，但是由于學科知識點圍繞著同一個研究主題，使學生能夠靈活地將學習內容融合為一體。教師通過“問題驅動型”的教學模式能夠更好地幫助學生進行此種跨學科學習。在教學過程中，一些開放性問題（如“如何看待印度人口增長問題”）能夠引導學生將不同學科之間的知識點進行整合，從經濟學理論、數(shù)學計算、自然科學模型等方面進行思考和解決問題。這些啟發(fā)式的問題是多學科知識融合的交叉點與整合點，是學生學習與探究的觸發(fā)器，也是創(chuàng)新學習的載體。

上文中提到，生活經驗與社會取向課程整合模式一般采用基于項目的學習方法。在項目設計的實施過程中，許多課題往往涉及到跨學科的知識和技能。例如“天然植物來源的抑菌成分研究”，植物有效成分的提取屬于化學研究領域，而成分的抑菌效果需要利用微生物的常識和操作。通過學生自主提出并完成跨學科課題，也是STEM+教育的重要部分。

此外，國外一些微觀裝配實驗室（fab lab）的成立也為跨學科學習提供了良好的平臺。目前，國內創(chuàng)新實驗室建設很多，但跨學科的創(chuàng)新實驗室建設卻寥寥無幾。通過借鑒國外相關實驗室建設的經驗，在學校內建立小型的微觀裝配實驗室或大型的跨學科綜合型實驗室能夠為STEM+教育提供更廣闊的應用平臺。

三、關于STEM+本土化的幾點建議

目前，在國內，STEM+教育改革正處于初級嘗試階段，許多標準和制度尚不健全。為更好地實施和開展STEM+，筆者有如下幾個建議。①加大宣傳和資金投入力度。盡管一些學校已經投入到STEM+教學中，但目前大多數(shù)中小學對于STEM+教學理念尚不完全了解，資金投入不夠也限制了其在國內的發(fā)展。政府加大宣傳與資金投入，特別是關注偏遠地區(qū)的發(fā)展，能夠更好地推動其在國內的發(fā)展。②培養(yǎng)優(yōu)秀的STEM+教師。“天才的培育離不開培育天才的土壤”，只有通過不斷開展教師培訓，優(yōu)化教師團隊的質量，才能夠進一步推動國內STEM+教育的發(fā)展。③注重STEM+實踐教學。在推進STEM+科學教育實踐過程中，首先通過開設富有特色的STEM+科學創(chuàng)意活動和STEM+創(chuàng)新課程能夠培養(yǎng)學生對科研的熱愛和興趣，隨后通過創(chuàng)新實驗室的建設推薦學生將科技創(chuàng)意轉化成成果。在此過程中，不斷完善教材、課程和實驗室的建設，將為青少年科學素養(yǎng)的培養(yǎng)提供堅實的平臺。