中、小學(xué)STEM教育的價(jià)值定位、實(shí)踐路徑和誤區(qū)*

張春雷 鄧燕平

（華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院 上海 200062）

1 STEM 教育的起源和發(fā)展

STEM 是科學(xué)（science）、技術(shù)（technology）、工程（engineering）和數(shù)學(xué)（mathematics）4 個(gè)單詞的首字母縮寫。在美國，STEM 的提出經(jīng)歷了從SME 到SME&T，然后才改為STEM 的變化過程，后又有學(xué)者加入了藝術(shù)（arts）進(jìn)而變?yōu)镾TEAM，但是目前主流學(xué)者和相關(guān)國際教育雜志更多使用的還是STEM，因此本文仍然沿用STEM 這一縮寫。

STEM 教育興起背后的邏輯是提高國家競爭力。20 世紀(jì)80年代，在經(jīng)濟(jì)全球化的背景下，美國意識到要想持續(xù)保持國際領(lǐng)先的地位，唯一途徑就是擁有創(chuàng)新的研究思想、最好的技術(shù)、最具創(chuàng)造力和適應(yīng)力的勞動(dòng)力，以及能對科技議題作出明智判斷的公民，因此大學(xué)的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育至關(guān)重要，它關(guān)系到一個(gè)國家的科學(xué)與技術(shù)能力，進(jìn)而影響國家的工業(yè)、經(jīng)濟(jì)競爭力及國防力量。 與此同時(shí)，美國高等教育研究會(huì)的一項(xiàng)研究卻發(fā)現(xiàn)，選擇數(shù)學(xué)和科學(xué)相關(guān)專業(yè)的大學(xué)生正在減少，這可能會(huì)直接導(dǎo)致美國科學(xué)家、 數(shù)學(xué)家及工程師數(shù)量減少和水平降低［1］。正是在這一背景下，1986年，美國國家科學(xué)委員會(huì)（National Science Board，NSB）在“Undergraduate Science, Mathematics and Engineering Education”報(bào)告中，指出美國需要高度重視高等教育階段的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育［2］。這就是最早的SME 教育，后來技術(shù)也被加入其中，SME 變?yōu)镾ME&T，關(guān)注的范圍也從大學(xué)擴(kuò)展到K-12 教育階段。 美國國家研究委員會(huì)認(rèn)為，所有學(xué)生都應(yīng)有機(jī)會(huì)獲得與科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)相關(guān)的課程學(xué)習(xí)，并能通過科學(xué)探究的直接體驗(yàn)獲得這些學(xué)科素養(yǎng)［3］。 起初，NSF、NRC 等機(jī)構(gòu)使用SMET 代表4 門學(xué)科的總稱，2001年美國國家科學(xué)基金會(huì)教育與人力資源部前主任Judith A.Ramaley，首次將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)課程縮寫改為STEM［4］，之后迅速被許多高等教育機(jī)構(gòu)和學(xué)界采納。

雖然不同研究者對STEM 教育的內(nèi)涵還有不同的理解，但整合性STEM 教育已成為大勢所趨。美國國家工程院（National Academy of Engineering，NAE）和美國國家研究委員會(huì)（National Research Council，NRC），在2014年聯(lián)合發(fā)表的研究報(bào)告“STEM Integration in K-12 Education: Status，Prospects，and an Agenda for Research”中，突出強(qiáng)調(diào)了整合性STEM 教育（integrated STEM education）這一概念，將整合性的STEM 教育作為最有潛力的發(fā)展方向，并認(rèn)為這種整合需要同時(shí)體現(xiàn)在2 個(gè)方面，一是體現(xiàn)在學(xué)生學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)上，二是體現(xiàn)在預(yù)期的學(xué)習(xí)成果評價(jià)上［5］。 即STEM 教育活動(dòng)一方面要讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中體驗(yàn)到不同學(xué)科的學(xué)習(xí)，同時(shí)在評價(jià)上也要兼顧不同學(xué)科學(xué)習(xí)成果的評價(jià)。從以上觀點(diǎn)分析，美國STEM 教育運(yùn)動(dòng)標(biāo)志著美國對科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等領(lǐng)域關(guān)注的提升，也逐漸形成了STEM 教育發(fā)展的重要方向——整合性STEM 教育。

2 STEM 教育的價(jià)值定位

21 世紀(jì)以來，以美國、英國、德國為代表的主要發(fā)達(dá)國家，都從國家戰(zhàn)略高度制定了STEM 教育的政策與措施。 我國經(jīng)濟(jì)正處在轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，對科技創(chuàng)新人才數(shù)量和質(zhì)量有了更高的要求，社會(huì)各界也開始重視和開展STEM 教育，進(jìn)而促進(jìn)公民科學(xué)素質(zhì)提升和STEM 領(lǐng)域創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

為了更好地踐行STEM 教育，首先要明確STEM 教育的中國定位，即回答“STEM 教育獨(dú)特的價(jià)值究竟是什么”這一關(guān)鍵問題。只有清晰定位STEM 教育的價(jià)值，才能更好地使其為我所用。STEM 教育具有哪些價(jià)值？ STEM 教育的價(jià)值主要表現(xiàn)在以下方面：①提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；②發(fā)展學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)；③提高學(xué)生對工程技術(shù)的理解和實(shí)踐能力；④加深學(xué)生對學(xué)科之間，以及科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)之間聯(lián)系的理解。 例如Monterastelli 等人的研究表明，在醫(yī)療健康情境中將工程學(xué)與生物學(xué)概念相整合，通過講授與動(dòng)手活動(dòng)的方式開展整合性STEM 教育，能增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生從事科技行業(yè)的傾向［6］。

在學(xué)生認(rèn)知發(fā)展方面，STEM 教育也具獨(dú)特的優(yōu)勢。首先，不同學(xué)科的恰當(dāng)整合可實(shí)現(xiàn)相互促進(jìn)的目的，例如將數(shù)學(xué)和科學(xué)進(jìn)行整合教育，有助于提高學(xué)生對數(shù)學(xué)和科學(xué)的學(xué)習(xí)。 Hurley（2001）對有關(guān)整合數(shù)學(xué)和科學(xué)的教學(xué)與沒有整合的控制組的31 個(gè)研究進(jìn)行了元分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)整合對于學(xué)生數(shù)學(xué)和科學(xué)的成績均有積極的影響。

其次，關(guān)注工程和技術(shù)有助于學(xué)生對科學(xué)和技術(shù)的學(xué)習(xí)和理解。 美國新澤西州關(guān)于工程和技術(shù)的課程干預(yù)大規(guī)模試點(diǎn)研究顯示了一些可喜的成果。 Engineering Our Future New Jersey（EOFNJ）是史蒂文斯理工學(xué)院、新澤西州教育部、美國國家科學(xué)教育中心等機(jī)構(gòu)，共同努力將示范性工程技術(shù)課程變成新澤西州K-12 教育主流的項(xiàng)目。EOFNJ 的目標(biāo)是保證新澤西州未來5年的所有K-12 學(xué)生都能體驗(yàn)注重創(chuàng)新的工程學(xué)課程，并將其作為小學(xué)、 初中和高中教育的必要組成部分。EOFNJ 在多個(gè)學(xué)校的不同年級進(jìn)行了試點(diǎn)研究。研究結(jié)果顯示，不論小學(xué)、初中還是高中，前、后測結(jié)果都表明學(xué)生對工程和科學(xué)技術(shù)的理解均有顯著改善［7］。

STEM 教育不僅可以發(fā)展學(xué)生的科學(xué)、 工程、技術(shù)素養(yǎng)，圍繞科學(xué)探究和工程設(shè)計(jì)展開的STEM 教育，還有助于學(xué)生更深入地了解科學(xué)過程、 科學(xué)本質(zhì)，以及科學(xué)、 技術(shù)與社會(huì)之間的聯(lián)系。在這些目標(biāo)中，工程學(xué)素養(yǎng)及與工程學(xué)相關(guān)的整合教育是目前我國學(xué)校教育的薄弱環(huán)節(jié)，特別是義務(wù)教育階段的工程學(xué)教育非常薄弱。 學(xué)生在大學(xué)入學(xué)前，幾乎沒有進(jìn)行過系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)和實(shí)踐，雖然學(xué)校會(huì)開設(shè)手工、勞技、通用技術(shù)等課程，但缺乏系統(tǒng)的課程體系和工程學(xué)素養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，以至于學(xué)生畢業(yè)進(jìn)入社會(huì)后，缺乏基本的工程設(shè)計(jì)素養(yǎng)和工程問題解決能力，這不僅影響個(gè)人生活質(zhì)量，還會(huì)影響公民參與工程學(xué)相關(guān)的社會(huì)決策，對于我國從“中國制造”向“中國創(chuàng)造”的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型是非常不利的。 因此就我國現(xiàn)階段的教育情況而言，STEM 教育的獨(dú)特價(jià)值在于發(fā)展學(xué)生的工程技術(shù)素養(yǎng)和學(xué)科交叉素養(yǎng)，提高學(xué)生利用多學(xué)科知識創(chuàng)造性解決現(xiàn)實(shí)問題的能力。

隨著人工智能的飛速發(fā)展，未來很多從事簡單機(jī)械工作的所謂專業(yè)人才將會(huì)被取代，未來社會(huì)需要更多的能應(yīng)用多學(xué)科知識和能力創(chuàng)造性解決真實(shí)問題的創(chuàng)新人才。 而現(xiàn)行的分科課程展現(xiàn)給學(xué)生是相對割裂的世界圖景，人類對世界的認(rèn)知被硬性地分割到不同的學(xué)科，學(xué)生所看到的更多是不同學(xué)科視角下的世界，而不是世界原有的完整圖景和真實(shí)面貌，這就需要跨學(xué)科的整合性STEM 教育加以補(bǔ)充。

3 STEM 教育的實(shí)踐路徑

如何在現(xiàn)有的學(xué)校教育中，有效開展STEM 教育？ STEM 教育有2 種典型的可行路徑，一是研究科學(xué)問題，發(fā)現(xiàn)未知規(guī)律，即科學(xué)探究的路徑，它是科學(xué)家認(rèn)識世界的基本方式；二是應(yīng)用科學(xué)原理和工程技術(shù)解決現(xiàn)實(shí)生活中的難題，設(shè)計(jì)方案，發(fā)明產(chǎn)品，這是工程設(shè)計(jì)的路徑，它是工程師改造世界的基本方式。 2 種路徑的目標(biāo)、過程、產(chǎn)出和評估方式都有顯著不同。 科學(xué)探究遵循科學(xué)研究的范式，講究證據(jù)、邏輯和推理，其產(chǎn)出是新發(fā)現(xiàn)或新理論。工程設(shè)計(jì)遵循工程學(xué)實(shí)踐的范式，講究設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)和優(yōu)化，其產(chǎn)出是新產(chǎn)品或新發(fā)明。

在中、小學(xué)階段納入工程學(xué)教育對于學(xué)生發(fā)展具有重要價(jià)值。NAE 和NRC 在“Engineering in K-1 2 Education:Understanding the Status and Improving the Prospects”報(bào)告中指出，在K-12 階段加入工程學(xué)教育對學(xué)生可能有5 個(gè)方面的作用：①促進(jìn)科學(xué)和數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)和成就；②提高對工程和工程師的工作的認(rèn)識；③理解并具備從事工程設(shè)計(jì)的能力；④培養(yǎng)以工程作為職業(yè)的興趣；⑤提高技術(shù)素養(yǎng)［8］。

過去中、小學(xué)開展的研究性學(xué)習(xí)更偏向科學(xué)問題研究，例如中學(xué)開展的研究性學(xué)習(xí)、探究性學(xué)習(xí)等。 因此，當(dāng)下STEM 教育可以更偏向工程學(xué)實(shí)踐，以及與工程技術(shù)相聯(lián)系的多學(xué)科整合性學(xué)習(xí)。本文著重介紹圍繞工程設(shè)計(jì)開展STEM 教育的路徑和方法。

工程設(shè)計(jì)是一種工程師運(yùn)用數(shù)學(xué)和科學(xué)知識解決技術(shù)挑戰(zhàn)和問題的方法。 基于工程設(shè)計(jì)開展學(xué)習(xí)是工程學(xué)教育的重要標(biāo)志。 依據(jù)美國技術(shù)素養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)“Standards for Technological Literacy: Content for the Study of Technology”（ITEEA，2000），工程設(shè)計(jì)具有多個(gè)屬性：①目的性。 設(shè)計(jì)師需要有明確和清楚的目標(biāo)，因此設(shè)計(jì)可被描繪成一個(gè)有特定目的地的旅游而不是一次觀光旅行；②需要依據(jù)一定的規(guī)范和約束進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中規(guī)范說明了設(shè)計(jì)的意圖，約束是指設(shè)計(jì)者所必須應(yīng)對的限制，例如成本、尺寸要求，或是所用材料的物理限制等；③設(shè)計(jì)的過程是系統(tǒng)的、迭代的，需經(jīng)過不斷測試和評估，最終形成一個(gè)趨近完善的設(shè)計(jì)或產(chǎn)品。Sadler 等人發(fā)現(xiàn)多次反復(fù)迭代的設(shè)計(jì)活動(dòng)，能讓學(xué)生不斷地改善他們對知識的理解［9］。

圍繞工程設(shè)計(jì)開展整合性STEM 教育應(yīng)該注意以下4 個(gè)要點(diǎn)：①從真實(shí)的生活問題入手；②反復(fù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；③應(yīng)用多個(gè)學(xué)科的知識和方法；④創(chuàng)造協(xié)作、交流、表達(dá)的機(jī)會(huì)。 圍繞工程設(shè)計(jì)開展STEM 教育，學(xué)生需要從現(xiàn)實(shí)生活遇到的真實(shí)難題入手，然后有明確的定義需求和目標(biāo)，確定存在的約束條件，利用相關(guān)科學(xué)、技術(shù)和工程設(shè)計(jì)的知識設(shè)計(jì)解決難題的方案，運(yùn)用多學(xué)科的知識和研究方法分析、檢測方案的可行性，選擇最合適的解決方案，構(gòu)建和實(shí)施設(shè)計(jì)，測試和評估設(shè)計(jì)，在必要時(shí)重復(fù)步驟反復(fù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成最終的設(shè)計(jì)或產(chǎn)品。師生最后需要展示自己的設(shè)計(jì)或產(chǎn)品，并進(jìn)行表達(dá)、交流和反思。

4 STEM 教育的實(shí)踐誤區(qū)

早期，國內(nèi)只有一些零散的課外培訓(xùn)機(jī)構(gòu)推動(dòng)STEM 教育，但是伴隨著社會(huì)對公民科學(xué)素養(yǎng)要求的提升，尤其在我國正式發(fā)布了相關(guān)政策支持STEM 教育發(fā)展之后，STEM 教育逐漸引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。 2016年國務(wù)院發(fā)布的《全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)計(jì)劃綱要實(shí)施方案（2016—2020年）》強(qiáng)調(diào)指出，高中階段要鼓勵(lì)探索開展科學(xué)創(chuàng)新與技術(shù)實(shí)踐的跨學(xué)科探究活動(dòng)［10］。 同年6 月，在《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中明確提出，“有條件的地區(qū)要積極探索信息在‘眾創(chuàng)空間’、跨學(xué)科學(xué)習(xí)（STEAM 教育）、創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應(yīng)用，著力提升學(xué)生的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力”［11］。

雖然STEM 教育已引起廣泛的關(guān)注，但在實(shí)踐層面仍存在許多問題和認(rèn)識誤區(qū)。 許多學(xué)校都在開展STEM 教育，但對于什么是STEM 教育，如何開展和評價(jià)STEM 教育仍存在理解偏差甚至認(rèn)識誤區(qū)。 例如將STEM 教育簡單地看作拔高教育、精英教育，只篩選尖子生參與STEM 學(xué)習(xí)；或?qū)TEM教育看作拼盤教育，簡單地將不同專業(yè)的幾個(gè)大學(xué)講座拼在一起；或?qū)TEM 教育等同于昂貴的機(jī)器人課程或樂高課程，這些都是對STEM 教育的誤解。 有些學(xué)校還讓學(xué)生學(xué)習(xí)3D 打印、機(jī)器人或搞小發(fā)明小創(chuàng)造，過分關(guān)注技術(shù)的酷炫，而沒有將基礎(chǔ)性學(xué)科知識融進(jìn)技術(shù)之中［12］。 一些培訓(xùn)機(jī)構(gòu)將STEM 教育看作一種商業(yè)模式，只關(guān)注利用提高動(dòng)手能力、 創(chuàng)新、 創(chuàng)造等標(biāo)語吸引家長眼球從而盈利，偏離了STEM 教育的真正價(jià)值內(nèi)涵和要求。

首先，STEM 教育不是拔高教育，它適合不同層次的所有學(xué)生。STEM 教育的本意絕不是選拔科學(xué)或工程學(xué)的精英，而是面向所有學(xué)生、提高學(xué)生綜合素養(yǎng)的整合性教育。 其次，STEM 教育不是拼盤教育，它不是簡單地將各個(gè)學(xué)科教師的某些精彩講座拼湊在一起，或是將高校的專家講座拼湊在一起，而是真正地基于真實(shí)問題或項(xiàng)目的整合性學(xué)習(xí)。 學(xué)生是基于問題解決或項(xiàng)目需求而進(jìn)行學(xué)習(xí)，具有自主性、學(xué)習(xí)內(nèi)容和順序具有個(gè)性化、多樣性的特點(diǎn)。 最后，STEM 教育不是貴族教育，它不是只有物質(zhì)條件好的學(xué)校才能進(jìn)行的教育，并不等同于樂高或機(jī)器人課程。 雖然樂高、機(jī)器人等載體確實(shí)可開展一些STEM 教育活動(dòng)，但很多STEM 教育是可以借助非常廉價(jià)的教學(xué)資源就能開展的，例如為南非貧困地區(qū)設(shè)計(jì)一款環(huán)保的、高效率的太陽能灶，在這樣的活動(dòng)中昂貴的設(shè)備并不是STEM 教育的必需品。 此外，為了給不同學(xué)習(xí)條件下的STEM 學(xué)習(xí)者提供更多的幫助和支持，對于昂貴的教學(xué)設(shè)備和資源，學(xué)校和相關(guān)企業(yè)可借助互聯(lián)網(wǎng)平臺、通過交換共享的思路進(jìn)行解決。

綜上所述，STEM 教育對于現(xiàn)在的中、 小學(xué)教育體系具有獨(dú)特的價(jià)值，其價(jià)值在于發(fā)展學(xué)生的工程學(xué)素養(yǎng)，以及學(xué)科交叉、綜合素養(yǎng)，其實(shí)踐的基本路徑包括科學(xué)探究和工程設(shè)計(jì)。 必須認(rèn)清和合理定位STEM 教育在中國的獨(dú)特價(jià)值，選擇可行的實(shí)踐路徑，走出認(rèn)識誤區(qū)，才能使STEM 教育真正在中國開花結(jié)果。