STEM教育應用模式分析

周晨露 王海燕

摘 要：在我國大力鼓勵創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的時代背景下，培養(yǎng)創(chuàng)新復合型人才顯得至關(guān)重要，而STEM教育被認為是創(chuàng)新教育發(fā)展的新方向。文章在梳理歸納美國STEM教育的兩類模式的基礎(chǔ)上，總結(jié)STEM教育中學科知識的掌握與整合、教師角色的定位與轉(zhuǎn)換、信息技術(shù)的價值與定位三方面的核心經(jīng)驗，以期為我國基礎(chǔ)教育領(lǐng)域開展STEM教育提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：STEM教育；應用模式；案例分析

中圖分類號：G40-057 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2018）24-0027-04

一、STEM教育研究現(xiàn)狀

在當前我國從制造大國向智造強國轉(zhuǎn)型升級、國家大力鼓勵創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的時代背景下，培養(yǎng)創(chuàng)新復合型人才顯得尤為重要。因此，STEM教育對我國的基礎(chǔ)教育改革有著重要意義。[1]

STEM教育要在學校落地生根，不但需要廣大教師能夠深入理解STEM教育的理念與本質(zhì)，更需要教師掌握其教育模式。通過學習、借鑒成功的STEM教育模式和案例，在實踐中逐步探索適合我國國情的STEM教育模式，從而為創(chuàng)新復合型人才的培養(yǎng)提供選擇路徑。2017年出臺的《中國STEM教育白皮書》也明確強調(diào)了推廣STEM教育成功模式的意義。[2]

我國對STEM教育的研究主要圍繞課程整合方面，根據(jù)跨學科整合課程的取向可分為“STEM+”與“STEM-”。“STEM+”取向有隨著創(chuàng)客教育的興起而出現(xiàn)的“STEM+創(chuàng)客教育”模式[3]；“STEM-”取向有根據(jù)我國基礎(chǔ)科學教育發(fā)展的實際需要，提出的“科-工整合”模式[4]。根據(jù)跨學科整合的方式進行劃分，有 “以建構(gòu)大概念為核心的跨學科概念體系模式”“以主題或課題形式來實現(xiàn)跨學科實踐的模式”“通過表現(xiàn)期望的形式來實現(xiàn)橫向整合的模式”“通過核心概念和表現(xiàn)期望相結(jié)合的模式”和“通過學科核心概念和內(nèi)容要求相結(jié)合的模式”五種模式。[5]對STEM 教育模式微觀層面大體可分為STEM教學設(shè)計和STEM教學模式兩個方面，其中以STEM教學設(shè)計的研究為主，對于一線教師而言，其操作性不夠強，不易上手；對STEM教學模式的探究不多，亟待進一步豐富對STEM教學模式的研究。

STEM教育自1986年在美國誕生至今，經(jīng)30多年的發(fā)展歷程逐漸完善，對推動國家創(chuàng)新作出了重要貢獻。[6][7]按教學對象劃分，最初STEM教育是針對K-12學生的，如Marle等人為提高普通學生對STEM的興趣，設(shè)計了為期4天的基于情景的科學調(diào)查STEM夏令營，使學生對STEM產(chǎn)生濃厚興趣。[8]但隨著研究的深入，研究者關(guān)注到了以女性、少數(shù)民族、低收入人群等為主的STEM代表性不足學生，他們對STEM興趣弱、在STEM領(lǐng)域比例低。為促進性別、種族的平等，美國學者探索了多種針對STEM代表性不足學生的教學模式。如Gomoll 等人為提高女孩對STEM的興趣，使用基于問題的教學模式為4名女孩提供了課后機器人俱樂部活動。研究結(jié)果表明，女孩們對STEM產(chǎn)生興趣并最終選擇STEM相關(guān)專業(yè)[9]；Bass 等為培養(yǎng)低收入家庭青少年的STEM職業(yè)理想，采用基于項目的教學模式，通過游戲設(shè)計活動，有效促進STEM代表性不足的青少年從STEM使用者轉(zhuǎn)換為STEM生產(chǎn)者。[10]

STEM教學模式按教學目標可劃分為興趣提高型、考試提分型、技能培養(yǎng)型、職業(yè)體驗型等，如Eichler 等人為提高學生的STEM成績與學習積極性，采用STEM翻轉(zhuǎn)課堂教學模式進行研究，結(jié)果表明這一模式能提高學習主動性，顯著提高課程平均分；[11]Bairaktarova 等人模擬了現(xiàn)實工程應用項目，通過基于項目的教學模式提高了學生的專業(yè)技能。[12]

教學模式按照教學方式可分為個性化教學模式、游戲化教學模式等，如Burgin 等人在高中STEM教學中，采用了STEM學徒制模式進行教學，結(jié)果表明學生在STEM領(lǐng)域的自我認同感得到提升，對實驗室產(chǎn)生歸屬感，促使他們選擇STEM相關(guān)職業(yè)；[13]Miller 等人為增強學生STEM職業(yè)體驗，設(shè)計了基于網(wǎng)絡(luò)的法醫(yī)科學游戲，這一游戲化教學模式對學生選擇STEM相關(guān)職業(yè)產(chǎn)生積極影響；[14]Juskeviciene 等為STEM學生提供個性化教學，使用了一對一的移動學習模式，結(jié)果顯示這一模式有效提高了學生的學習成果。[15]

二、STEM教育應用模式及案例

通過對國內(nèi)外STEM教育模式研究的梳理，我們發(fā)現(xiàn)在STEM教學模式層面，針對不同對象、不同目標、不同方式的STEM教學，都是基于問題解決展開的。因此，本文根據(jù)STEM問題的難易程度以及解決的路徑不同，總結(jié)歸納出美國STEM教育應用的兩類教學模式，即問題解決框架提供模式和問題解決框架自主生成模式。

1.問題解決框架提供模式及案例

（1）問題解決框架提供模式

解決STEM復雜問題要求學習者將復雜問題分解成小問題再加以解決，有研究證明解決小問題更有利于學習者知識與技能的遷移。[16]但這種能力是要逐步培養(yǎng)的，當學習者解決復雜問題有困難時，由教師提供一個解決問題的框架。學習者在理解框架的基礎(chǔ)上，將復雜問題分解成若干小問題嘗試解決。最后驗證復雜問題是否解決，如果問題沒有解決，學習者需要思考和判斷原因，然后針對不同的原因返回相應模塊，重復前面的過程，直至問題解決。這個過程伴隨著學習者對STEM學科知識與技能的學習，為問題的解決提供了基礎(chǔ)保證（見圖1）。

（2）問題解決框架提供式應用案例——巧克力工廠

美國科羅拉多大學與企業(yè)合作，以巧克力工廠案件為主題，為初二到高三的學生提供了為期4天的STEM夏令營。通過綜合運用跨學科知識解決實際問題，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新力、思維邏輯等能力。[10]該案例具體教學過程如下：

①問題提出：圍繞兩家巧克力工廠間的商業(yè)糾紛（相互指控對方盜竊巧克力配方、偽造包裝和入侵網(wǎng)站，從而損害競爭對手聲譽），將學習者分成原告雇傭的調(diào)查小組（控方）、被告雇傭的調(diào)查小組（辯方）和公正的調(diào)查小組（任務是確認其他團隊收集的證據(jù)是可信的）對巧克力工廠案件進行調(diào)查，要解決的問題是：如何收集科學可信的證據(jù)并形成調(diào)查報告，為當事人進行辯護？

②提供問題解決框架：為便于學生更好地解決這一復雜問題，組織方將問題分解，為學生提供了相關(guān)問題解決框架：圍繞本案件，可以從犯罪現(xiàn)場和嫌疑人、巧克力樣本及包裝紙、網(wǎng)絡(luò)黑客三個方面入手，為當事人辯護尋找有利證據(jù)。

③學生理解問題解決框架：學生通過組織方提供的資料學習證據(jù)種類、收集方法與分析原理等，深入理解教師提供的問題解決框架。

④按框架嘗試解決問題：第一天，學生學習羅卡定律并參觀巧克力工廠，仔細觀察案發(fā)現(xiàn)場，查看賬本記錄，收集指紋、腳印等現(xiàn)場可能遺留的線索。在現(xiàn)有的線索基礎(chǔ)上進行合理分析和推理，通過審問6名犯罪嫌疑人，發(fā)現(xiàn)破綻。第二天，學生從巧克力樣品中提取出可可堿和香草醛，與正品巧克力比對分析（組織方提供包括分析設(shè)備和試劑等的支持）。同時，學生在了解包裝紙的產(chǎn)品代碼和編碼策略后，設(shè)計能掃描和識別不同條形碼的樂高機器人，來判斷哪家工廠的包裝紙是假冒的。第三天，學習相關(guān)的信息安全技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)有的入侵網(wǎng)站的痕跡，查出網(wǎng)絡(luò)黑客的ID。最后根據(jù)三天搜集的信息，形成調(diào)查報告。

⑤評價問題解決與成果展示：第四天，3組學生在模擬法庭上提交調(diào)查報告，進行法庭辯護，通過法官最終的判決評價各組的調(diào)查結(jié)果。

案例中的STEM問題來源于生活，情境性極強，能有效調(diào)動學習者的積極性，使學習者將所學所知盡可能地運用起來，體現(xiàn)出STEM的實用性。其中，教師像是幕后的引導者，為學習者提供問題解決框架、設(shè)計支架。

2.問題解決框架自主生成模式及案例

（1）問題解決框架自主生成模式

當問題解決框架是由學習共同體自主生成時，就產(chǎn)生了問題解決框架自主生成模式（見圖2）。STEM學習共同體可以由學生、教師或社會力量（企業(yè)、組織）等共同組成。在該模式中，問題解決框架是由學習共同體共同協(xié)商、自主生成的，教師在必要時提供引導，利用社會力量創(chuàng)設(shè)情景、提供支持。學習者按照生成的框架嘗試解決問題，在不斷試錯中學習、完善，甚至調(diào)整解決框架，直至探索出最佳的解決方案。該模式能培養(yǎng)學生自主學習和創(chuàng)造性地解決復雜問題的能力。它與另一種模式最顯著的區(qū)別在于——它發(fā)生在解決復雜問題所遇到的小問題沒有被充分解釋的情況下。STEM學科知識與技能靈活運用是解決問題的關(guān)鍵。

（2）問題解決框架自主生成式應用案例——科學奧林匹克競賽

Sahin等組織25名學生參加為期一學期的科學奧林匹克競賽，競賽過程的記錄和競賽結(jié)果表明，科學奧林匹克競賽能促進學生自主開展協(xié)作學習和探究學習。[17]該案例的教學過程如下：

①問題提出：科學奧林匹克競賽組織方發(fā)布競賽通知，要求學生自主組隊，合作完成一款重量輕、射程遠的水火箭。

②學習共同體：參與學生自由組隊，確定隊長并制定團隊規(guī)則，過程中可尋求社會幫助。教師和外部人員（如研究生）擔任指導。

③自主生成問題解決框架：團隊成員各自收集相關(guān)材料，然后進行內(nèi)部討論交流。在不斷的肯定-否定-肯定的論證后，最后敲定問題解決框架：從模型設(shè)計、材料選取以及發(fā)射方法三方面考慮水火箭模型的制作。

④按框架嘗試解決問題：比如在模型設(shè)計上，起初選擇普通水瓶作為機身，但在發(fā)射時發(fā)現(xiàn)普通水瓶體積大，直筒外型的瓶身不便于氣流的通過。團隊對機身進行重新設(shè)計，制作外觀接近流線型，效果改善很多。在設(shè)計過程中，學習者不斷調(diào)試、完善模型，直至制作出團隊都相對滿意的水火箭模型。

⑤評價問題解決：因為是參賽性質(zhì)，所以各團隊會在參賽規(guī)定日期內(nèi)上交最終的火箭模型。由科學奧林匹克競賽組織方根據(jù)模型的外觀、性能與射程等方面綜合評價各參賽小組的作品，評選獎項。

⑥成果展示：由科學奧林匹克競賽組織方組織各團隊（參賽小組）進行成果展示，方便各小組分享與交流。

該案例中的問題屬于復雜的開放性問題，給了學生很多自由發(fā)揮創(chuàng)新的機會，引導他們將創(chuàng)意與跨學科知識結(jié)合運用到實踐中。在學習共同體解決問題的過程中，教師也參與其中與學習者共同探究，營造一種開放的學習環(huán)境。

三、STEM教育應用模式的核心經(jīng)驗

1.STEM教育中學科知識的掌握與整合

STEM教育被視作提升創(chuàng)造力的教育，[18]其目標是學生能綜合運用跨學科知識創(chuàng)新性地解決問題，以培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識、高階思維、解決問題能力等，具有極強的實用性。一線教師往往由此走入誤區(qū)，要么過于關(guān)注學生創(chuàng)新能力、解決問題能力等的發(fā)展，忽略了STEM學科知識對達成教學目標的重要性，認為在STEM問題解決的過程中不需要“傳授”知識；要么特別強調(diào)某一門學科的作用，例如過分強調(diào)STEM學科中數(shù)學的重要性，認為數(shù)學是整合STEM學科的關(guān)鍵，這些都會間接導致學生無法對STEM學科進行有機整合。如果學生沒有底層STEM學科知識作為基礎(chǔ)，就難以發(fā)現(xiàn)學科之間的內(nèi)在聯(lián)系，更沒有可能綜合運用跨學科知識創(chuàng)新性地解決問題。因此，STEM教師要重視每一門STEM學科的獨立價值，關(guān)注STEM學科知識之間的關(guān)聯(lián)，將STEM學科知識結(jié)構(gòu)化地設(shè)計成問題，幫助學生系統(tǒng)地掌握STEM知識，建立起學科之間的橋梁，進行有機整合。[19]

2.STEM教育中教師角色的定位與轉(zhuǎn)換

教師是STEM教育工作者中的核心人員，[18]對學生創(chuàng)新力的培養(yǎng)起到直接作用。為適應STEM教學的需求，STEM教師的角色定位具有多樣性。在課外，STEM教師作為教學設(shè)計者，要根據(jù)學習者特征，通過問題設(shè)計有機整合不同學科，培養(yǎng)學生創(chuàng)新力、問題解決能力等；同時還作為學習者，不斷學習新知識，積累STEM教學經(jīng)驗，提高STEM教學設(shè)計能力。在課上，STEM教師的角色更多樣，并且還需要根據(jù)教學情況進行角色轉(zhuǎn)換。如在問題解決框架提供式案例中，教師主要擔任顧問、引導者的角色，提供的支架相較于傳統(tǒng)教學方式有所減少，在學生遇到困難時提供一定幫助，學生的主導權(quán)增強。在問題解決框架自主生成式案例中，教師更多擔任搭檔和資源對接者的角色。在解決問題過程中，教師可能會以搭檔的身份發(fā)表自己的想法，和學生一起學習、探究，也可能以指導教師的身份管理團隊，為學生指引方向，也可能作為引薦人幫助團隊尋找社會幫助，幫助學生對接資源。

3.STEM教育中信息技術(shù)的價值與定位

隨著教育信息化的發(fā)展，信息技術(shù)在STEM教學過程中的情境創(chuàng)設(shè)、合作探究、形成性評價等方面都發(fā)揮了重要價值，而如何利用技術(shù)進行STEM教育成為眾多學者關(guān)注的焦點。[20]這也導致部分教師產(chǎn)生STEM教育就是機器人、3D打印的錯誤認知，將STEM教育和新興信息技術(shù)劃上等號，認為沒有信息技術(shù)參與的STEM教育就不是STEM教育。當然信息技術(shù)在STEM教育中發(fā)揮的價值不容置疑，但不是用了信息技術(shù)的就是STEM教育，沒有用信息技術(shù)的就不是STEM教育。STEM教育最核心的特征是跨學科性[21]，也可以作為判斷是否是STEM教育的依據(jù)之一。STEM教育中信息技術(shù)有兩種定位，一是信息技術(shù)作為技術(shù)學科中的一部分，與其余幾門STEM學科有機整合開展教學，是學習者要學習的、運用以解決問題的；二是信息技術(shù)還可以作為STEM教育的外部支持，是輔助STEM教學的，是學習者可以借助的力量，以更好地學習和解決問題。教師在教學過程中要客觀地看待信息技術(shù)的價值與定位，對STEM教育理念與本質(zhì)有更深刻的把握。

參考文獻：

[1]傅騫，劉鵬飛.從驗證到創(chuàng)造——中小學STEM教育應用模式研究[J].中國電化教育，2016（4）：71-78.

[2]《中國STEM教育白皮書》編委會.中國STEM教育白皮書[Z].北京：中國教育科學研究院， 2017：39-40.

[3]王旭卿.面向STEM教育的創(chuàng)客教育模式研究[J].中國電化教育，2015（8）：36-41.

[4]唐小為，王唯真.整合STEM發(fā)展我國基礎(chǔ)科學教育的有效路徑分析[J].教育研究，2014（9）：61-68.

[5]李春密，趙蕓赫.STEM相關(guān)學科課程整合模式國際比較研究[J].比較教育研究，2017，39（5）：11-18.

[6]Langdon D，Mckittrick G，Beede D，et al.STEM： Good Jobs Now and for the Future[J]. Us Department of Commerce，2011（22）：96-98.

[7]Geno JA. Igniting STEAM through CTE[J].Techniques： Connecting Education & Careers，2015，90（3）：28-33.

[8]Marle P D， Decker L， Taylor V， et al. CSI–Chocolate Science Investigation and the Case of the Recipe Rip-Off： Using an Extended Problem-Based Scenario To Enhance High School Students Science Engagement[J].Journal of Chemical Education， 2014，91（3）：345-350.

[9]Gomoll A， Hmelo-Silver C E， ?abanovic S， et al. Erratum to： Dragons， Ladybugs， and Softballs： Girls STEM Engagement with Human-Centered Robotics[J].Journal of Science Education & Technology， 2016，25（6）：915-915.

[10]Bass K M， Dahl I H， Panahandeh S. Designing the Game： How a Project-Based Media Production Program Approaches STEAM Career Readiness for Underrepresented Young Adults[J]. Journal of Science Education & Technology，2016，25（6）：1-16.

[11]Eichler J F， Peeples J. Flipped Classroom Modules for Large Enrollment General Chemistry Courses： A Low Barrier Approach to Increase Active Learning and Improve Student Grades.[J].Chemistry Education Research & Practice，2016， 17（1）：197-208.

[12]Bairaktarova D， Cox M F， Srivastava M. A Project-Based Approach Professional Skills Training in an Undergraduate Engineering Curriculum[J].International Journal of Engineering Education，2015，31（1）：425-433.

[13]Burgin S R， Mcconnell W J， Iii A M F. “I Actually Contributed to Their Research”： The influence of an abbreviated summer apprenticeship program in science and engineering for diverse high-school learners[J].International Journal of Science Education，2015，37（3）：411-445.

[14]Miller L M， Chang C I， Wang S， et al. Learning and motivational impacts of a multimedia science game[J].Computers & Education，2011，57（1）：1425-1433.

[15]Juskeviciene A， Jasute E， Kurilovas E， et al. Application of 1：1 Mobile Learning Scenarios in Computer Engineering Education[J].International Journal of Engineering Education，2016， 32（3（A））：1087-1096.

[16][美]David H.Jonassen著，鐘志賢、謝榕琴編譯.基于良構(gòu)和劣構(gòu)問題求解的教學設(shè)計模式（下）[J].電化教育研究，2003（11）：61-66.

[17]Sahin A， Ayar M C， Adiguzel T. STEM Related After-School Program Activities and Associated Outcomes on Student Learning.[J].Kuram Ve Uygulamada Egitim Bilimleri，2014（14）：309-322.

[18]趙慧臣，陸曉婷.開展STEAM教育， 提高學生創(chuàng)新能力——訪美國STEAM教育知名學者格雷特·亞克門教授[J].開放教育研究，2016，22（5）：4-10.

[19]李雁冰.“科學、技術(shù)、工程與數(shù)學”教育運動的本質(zhì)反思與實踐問題——對話加拿大英屬哥倫比亞大學Nashon教授[J].開放教育研究，2014，43（11）：3-8.

[20]唐燁偉，郭麗婷，解月光等.基于教育人工智能支持下的STEM跨學科融合模式研究[J].中國電化教育， 2017（8）：46-52.

[21]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學科整合模式[J].開放教育研究，2015（4）：13-22.

（編輯：李曉萍）