STEM教育理念對科學(xué)教育實(shí)踐的三大啟示

李婧

【摘 要】伴隨人工智能和大數(shù)據(jù)浪潮，致力于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者創(chuàng)新實(shí)踐能力和分析決策能力的STEM教育已然成為當(dāng)前科學(xué)教育的主流形式。本文試圖結(jié)合STEM教育的核心特征，解讀以能力為本位、以實(shí)踐為導(dǎo)向的跨學(xué)科綜合教育形態(tài)的STEM教育理念對當(dāng)前科學(xué)教育實(shí)踐的三大啟示，以期對開展科學(xué)教育實(shí)踐提供借鑒，并為相關(guān)的科學(xué)教育實(shí)踐者提供參考。

【關(guān)鍵詞】STEM教育；科學(xué)教育；跨學(xué)科整合；科學(xué)實(shí)踐

【中圖分類號】G42 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2018）010-045-03

STEM教育及核心特征

1986年，美國國家科學(xué)基金會(huì)發(fā)布《本科科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》報(bào)告（又稱《尼爾》報(bào)告），首次明確提出“科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)教育集成”的綱領(lǐng)性建議，被視為STEM集成的開端。STEM教育著眼于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，不局限于某個(gè)特定學(xué)科或者過于關(guān)注學(xué)科界限，而是將重心放在特定問題上，讓學(xué)習(xí)者在發(fā)現(xiàn)、探索、實(shí)踐和分享中進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，從而獲得在真實(shí)世界中應(yīng)用知識解決問題的綜合能力。相對傳統(tǒng)教育而言，STEM教育具備以下特征：

一是能力本位。STEM教育發(fā)端于美國，根植于美國的實(shí)用主義哲學(xué)。著名教育家杜威將實(shí)用主義哲學(xué)與美國教育實(shí)際情況結(jié)合，提出了“教育即生活”“教育即生長”“做中學(xué)”等教育理念，認(rèn)為教學(xué)要從兒童的現(xiàn)實(shí)生活出發(fā)，強(qiáng)調(diào)兒童在自身活動(dòng)中進(jìn)行學(xué)習(xí)，反對不顧兒童接受能力的直接灌輸和生吞活剝獲取間接經(jīng)驗(yàn)的方式。STEM教育也與此理念一脈相承，表現(xiàn)出“能力為本”的特征，即在跨學(xué)科的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的問題解決能力、自主創(chuàng)新能力、深度學(xué)習(xí)能力和適應(yīng)未來能力。STEM教育不是教授學(xué)習(xí)者孤立、抽象的學(xué)科知識，而是強(qiáng)調(diào)讓學(xué)習(xí)者獲得將知識進(jìn)行情境化應(yīng)用和解決問題的能力；注重過程的能力培養(yǎng)，而非側(cè)重結(jié)果的知識累積；引導(dǎo)學(xué)習(xí)者積極地參與真實(shí)實(shí)踐，而非死記硬背學(xué)科知識。

二是跨學(xué)科整合。認(rèn)知科學(xué)的研究表明：相互有聯(lián)系的知識要比分離的知識碎片更容易用于新遇到的情況，這支持了整合學(xué)科的做法。STEM教育應(yīng)運(yùn)而生，跨學(xué)科性是它最重要的核心特征。STEM教育旨在加強(qiáng)科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科的整合，加強(qiáng)知識概念與現(xiàn)實(shí)世界經(jīng)驗(yàn)之間的聯(lián)系，強(qiáng)調(diào)問題導(dǎo)向，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)習(xí)者進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，是一種跨學(xué)科綜合教育的形態(tài)。隨著STEM教育理念的普及，也逐漸擴(kuò)展出STEAM（科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)）教育、STREAM（科學(xué)、技術(shù)、閱讀、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)）教育，但無論何種形式、何種叫法，它們的核心都是跨學(xué)科整合。余勝泉教授稱其為STEM+，并認(rèn)為我們不應(yīng)該過度聚焦應(yīng)該包含什么領(lǐng)域，而是應(yīng)該回歸STEM教育跨學(xué)科整合的本質(zhì)和核心，需要使學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)零碎知識變成相互聯(lián)系統(tǒng)一的整體，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)習(xí)者解決實(shí)際問題的綜合能力。

三是實(shí)踐體驗(yàn)。優(yōu)秀的STEM教育實(shí)踐既要?jiǎng)?chuàng)設(shè)有利于學(xué)習(xí)者應(yīng)用相關(guān)知識的問題情境讓學(xué)習(xí)者進(jìn)行探究、實(shí)踐，又要鼓勵(lì)引導(dǎo)學(xué)習(xí)者進(jìn)行協(xié)作會(huì)話、反思。STEM教育強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者的參與和實(shí)踐，讓學(xué)習(xí)者動(dòng)腦、動(dòng)手、動(dòng)嘴，自主參與學(xué)習(xí)過程，體驗(yàn)創(chuàng)造、設(shè)計(jì)、建構(gòu)、發(fā)現(xiàn)、合作并解決問題的整個(gè)流程，同時(shí)把知識還原于豐富的生活，結(jié)合生活中有趣、有挑戰(zhàn)性的問題，讓學(xué)習(xí)者在問題解決過程中不僅獲得既定的顯性知識，同時(shí)收獲蘊(yùn)含在問題解決過程中的隱性知識和過程性知識。讓學(xué)習(xí)者以一種類似科學(xué)家或者工程師工作的方式去體驗(yàn)、去實(shí)踐，是STEM教育的另一大核心特征。

STEM教育理念對科學(xué)教育實(shí)踐的三大啟示

1.科學(xué)教育應(yīng)是發(fā)揮學(xué)習(xí)者“四動(dòng)”的有機(jī)整體

STEM教育強(qiáng)調(diào)能力本位，解決真實(shí)的問題，而這里的能力強(qiáng)調(diào)的是全方位、整合的能力。當(dāng)前的科學(xué)教育更多地注重教給學(xué)習(xí)者既定事實(shí)、實(shí)驗(yàn)技能或者固化步驟的思維方式，把科學(xué)教育簡單地理解為步驟化的科學(xué)探究過程，把整個(gè)科學(xué)教育的課程設(shè)計(jì)分解為固定的、按部就班的、可供學(xué)習(xí)者依葫蘆畫瓢的步驟，至于為什么要這樣畫，是否還有其他畫法，則不做過多深究。換言之，當(dāng)前的科學(xué)教育更側(cè)重學(xué)習(xí)者“動(dòng)手”的實(shí)驗(yàn)?zāi)７履芰?。然而，正如《以大概念理念進(jìn)行科學(xué)教育》一書中闡釋：“科學(xué)教育的目的是培養(yǎng)知情的決策者，使學(xué)習(xí)者具有進(jìn)行正確決策的知識基礎(chǔ)和能力”，如果科學(xué)教育只是教給學(xué)習(xí)者一些零碎的、不連貫的知識片段，堆積在一起的科學(xué)定律或者固定化、程序化的實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)習(xí)者是很難培養(yǎng)自主決策判斷能力和創(chuàng)新能力的。

筆者認(rèn)為，科學(xué)教育應(yīng)該是發(fā)揮學(xué)習(xí)者“動(dòng)腦”“動(dòng)手”“動(dòng)嘴”“動(dòng)筆”能力的有機(jī)整體?！皠?dòng)腦”是核心，是假說、推測、科學(xué)解釋、理論構(gòu)建等理論性思考的體現(xiàn)，幫助學(xué)習(xí)者對有關(guān)科學(xué)的大概念進(jìn)行建構(gòu)?！皠?dòng)手”是由“動(dòng)腦”驅(qū)動(dòng)，為“動(dòng)腦”服務(wù)，側(cè)重實(shí)踐操作，讓事實(shí)說話，為學(xué)習(xí)者建構(gòu)和不斷修正自己的科學(xué)理論提供依據(jù)?！皠?dòng)嘴”和“動(dòng)手”是科學(xué)共同體真實(shí)互動(dòng)的體現(xiàn)，進(jìn)一步促進(jìn)“動(dòng)腦”的發(fā)展。真實(shí)的科學(xué)研究具有社會(huì)性，科學(xué)家之間不僅分工協(xié)作，而且相互交流借鑒?？茖W(xué)教育的“動(dòng)嘴”可以體現(xiàn)在師生之間、生生之間開展的開放性討論或者科學(xué)辯論中，無關(guān)對錯(cuò)，言之有理即可?！皠?dòng)筆”則是用書面形式進(jìn)行論證，鼓勵(lì)學(xué)習(xí)者將自己的推理過程、科學(xué)解釋、建構(gòu)的理論等用文字表達(dá)出來，這是最高的思維形式，也是學(xué)習(xí)者自己進(jìn)行科學(xué)探究、科學(xué)實(shí)踐的記錄。

總而言之，科學(xué)教育不應(yīng)該僅停留在學(xué)習(xí)者的動(dòng)手能力上，而忽視推理建模、建構(gòu)科學(xué)解釋、評價(jià)辯論、分享交流等重要科學(xué)實(shí)踐行為。STEM教育理念下的科學(xué)教育應(yīng)該關(guān)注學(xué)習(xí)者動(dòng)腦能力、動(dòng)手能力、動(dòng)嘴能力和動(dòng)筆能力的有機(jī)整合，以動(dòng)手服務(wù)動(dòng)腦，以動(dòng)嘴、動(dòng)筆促進(jìn)動(dòng)腦的教學(xué)實(shí)踐模式。

2.科學(xué)教育應(yīng)反映科學(xué)中各學(xué)科相互聯(lián)系的本質(zhì)

STEM教育的創(chuàng)新之處在于將四門學(xué)科有機(jī)整合起來，打破學(xué)科間的界限，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科整合的教學(xué)，從而幫助學(xué)習(xí)者獲得相互聯(lián)系、統(tǒng)一的而非割裂的、離散的知識。2013年4月9日，美國發(fā)布的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（Next Generation Science Standards，以下簡稱《新標(biāo)準(zhǔn)》），為了突出“整合”這一核心設(shè)計(jì)理念有七大概念轉(zhuǎn)變，排在第一位的就是“科學(xué)教育應(yīng)該如在真實(shí)世界中的實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)?zāi)菢臃从晨茖W(xué)中各學(xué)科相互聯(lián)系的本質(zhì)”?！缎聵?biāo)準(zhǔn)》圍繞12個(gè)學(xué)科核心概念組織內(nèi)容，共16個(gè)主題作為內(nèi)容呈現(xiàn)的基本單元，打破了分科教學(xué)模式。

筆者認(rèn)為，《新標(biāo)準(zhǔn)》中提到的“科學(xué)教育應(yīng)該如在真實(shí)世界中的實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)?zāi)菢臃从晨茖W(xué)中各學(xué)科相互聯(lián)系的本質(zhì)”的設(shè)計(jì)理念，也是建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的體現(xiàn)，反映了對知識情境性的強(qiáng)調(diào)，注重把學(xué)習(xí)置于真實(shí)的復(fù)雜情境中。從周圍世界或日常生活中選擇非良構(gòu)問題是開展科學(xué)教育的最佳出發(fā)點(diǎn)。由于問題情境的復(fù)雜性，解決非良構(gòu)問題不僅需要完整的具體領(lǐng)域知識和結(jié)構(gòu)性知識，還需要元認(rèn)知（如一般策略、監(jiān)控、評估和計(jì)劃等）和非認(rèn)知因素（價(jià)值觀、情感、情緒）的參與。一個(gè)非良構(gòu)問題可能存在多種可能有效的解決方案，這與科學(xué)家的真實(shí)實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)場景是類似的，為了在具有挑戰(zhàn)的真實(shí)情境中做出明智的決策，學(xué)習(xí)者需要像科學(xué)家一樣思考，運(yùn)用認(rèn)知觀、價(jià)值觀、態(tài)度、信念、動(dòng)機(jī)和情感等分析問題，并收集各種證據(jù)，整合各種觀點(diǎn)來證明自己的決策。學(xué)習(xí)者在具體情境中形成與具體情境直接關(guān)聯(lián)的、不規(guī)范的、非正式的非結(jié)構(gòu)性知識和經(jīng)驗(yàn)，正是STEM教育強(qiáng)調(diào)的創(chuàng)新能力和分析決策能力最為有力的抓手。

3.科學(xué)教育應(yīng)體現(xiàn)完整的科學(xué)探究、實(shí)踐過程

STEM教育注重實(shí)踐，不僅強(qiáng)調(diào)讓學(xué)習(xí)者在真實(shí)情境中“做中學(xué)”，而且提倡學(xué)習(xí)者在教室里或者學(xué)習(xí)過程中所為和科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里或工程師在實(shí)踐項(xiàng)目中所為只有程度不同，沒有本質(zhì)區(qū)別。換而言之，科學(xué)教育應(yīng)該體現(xiàn)完整的科學(xué)探究、實(shí)踐過程，給學(xué)習(xí)者提供像科學(xué)家和工程師般探究實(shí)踐的機(jī)會(huì)。

筆者認(rèn)為，完整的科學(xué)探究或科學(xué)實(shí)踐是一個(gè)不斷假設(shè)、不斷驗(yàn)證、不斷犯錯(cuò)、不斷修正的過程?？茖W(xué)教育也應(yīng)該讓學(xué)習(xí)者反復(fù)經(jīng)歷這樣的思考過程，學(xué)習(xí)用證據(jù)和推理說話。科學(xué)教育不應(yīng)該是著眼在執(zhí)行程序化的步驟和得出正確的結(jié)論，而是應(yīng)該關(guān)注學(xué)習(xí)者的想法是如何形成和發(fā)展的。幫助學(xué)習(xí)者建構(gòu)和不斷改進(jìn)自己的科學(xué)概念或科學(xué)理論，進(jìn)而形成科學(xué)思維，是科學(xué)教育的核心目標(biāo)。美國《新標(biāo)準(zhǔn)》也提出基于“進(jìn)階矩陣”（progression matrix）設(shè)計(jì)科學(xué)教育內(nèi)容，從而促使學(xué)習(xí)者的科學(xué)素養(yǎng)從幼兒園到12年級連貫一致的發(fā)展。這也說明了，無論何種年齡階段、何種認(rèn)知水平的學(xué)習(xí)者，都應(yīng)該有體驗(yàn)完整的科學(xué)探究、實(shí)踐過程的機(jī)會(huì)，進(jìn)而建構(gòu)自己的科學(xué)概念或者理論，并不斷修正完善，只是各階段的程度不同而已。

STEM教育如火如荼，受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注。本文結(jié)合STEM教育的核心特征和當(dāng)前科學(xué)教育的現(xiàn)狀，解讀STEM教育理念對當(dāng)前科學(xué)教育的三大啟示，以期為科學(xué)教育實(shí)踐提供借鑒和參考。優(yōu)秀的科學(xué)教育應(yīng)該聚焦反映科學(xué)中各學(xué)科相互聯(lián)系本質(zhì)的非良構(gòu)問題，為學(xué)習(xí)者提供反復(fù)經(jīng)歷不斷假設(shè)、驗(yàn)證、犯錯(cuò)、修正的完整科學(xué)探究或科學(xué)實(shí)踐的機(jī)會(huì)，讓學(xué)習(xí)者動(dòng)腦、動(dòng)手、動(dòng)嘴和動(dòng)筆，以幫助學(xué)習(xí)者建構(gòu)和不斷修正自己的科學(xué)概念或科學(xué)理論，進(jìn)而形成科學(xué)思維，培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐能力和分析決策能力，加強(qiáng)對未來的適應(yīng)。

作者單位：中國科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心