STEM教育：從哪來，怎么辦*

/勇 輝 許春良

近年來，我國中小學(xué)掀起了一股STEM教育熱潮，尤其是在小學(xué)科學(xué)領(lǐng)域，從課程標(biāo)準(zhǔn)的修訂，到課堂中工程思想及數(shù)字化技術(shù)的滲透，都表明科學(xué)教學(xué)正在朝著一個(gè)新的方向發(fā)展。需要正視的是，我國小學(xué)科學(xué)課程改革剛剛經(jīng)歷了十多年的探索和發(fā)展，不僅在實(shí)踐層面上形成了以科學(xué)探究為主的特征，還具備了一定的教育文化吸納能力。當(dāng)來自國外的STEM教育與中國的科學(xué)課教學(xué)發(fā)生碰撞時(shí)，極有必要對(duì)STEM的起源、特征及價(jià)值等進(jìn)行理性分析，唯有如此才能變革和完善我國小學(xué)科學(xué)的教學(xué)實(shí)踐。

一、STEM教育概述

1.STEM教育的起源。

STEM教育源于美國的高等教育。1986年，美國國家科學(xué)基金會(huì)發(fā)現(xiàn)美國的本科教育出現(xiàn)了一系列教育質(zhì)量危機(jī)，經(jīng)過為期一年的研究，基金會(huì)發(fā)布了一份名為《本科科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》的報(bào)告。該報(bào)告針對(duì)美國高等教育階段科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育存在的“最嚴(yán)重的缺陷”提出了各種建議，但這些建議大多聚焦在財(cái)力扶持、學(xué)院管理等政策領(lǐng)域，而非針對(duì)美國高等學(xué)院的教育改革。在隨后的十多年里，美國持續(xù)性地出現(xiàn)了科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域人才短缺的現(xiàn)象，人們將主要原因歸結(jié)于“高等教育課程的內(nèi)容過于平庸，缺乏激勵(lì)性”“課堂依賴于教科書，學(xué)生接觸的只是科學(xué)事實(shí)，而沒有參與科學(xué)的過程”“教學(xué)方法過于傳統(tǒng)并落后于時(shí)代的發(fā)展”等教育內(nèi)部原因。在此背景下，STEM教育被列入美國教育改革的宏大藍(lán)圖之中，同時(shí)STEM教育也從學(xué)術(shù)思潮層面的教學(xué)主張轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N國家意志層面的教育行動(dòng)。以立法維度為例，美國《2015年STEM教育法》就對(duì)STEM教育進(jìn)行了明確的界定，認(rèn)為STEM教育是指科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科的教育，其中還包括計(jì)算機(jī)科學(xué)的教育。此外，美國科學(xué)教育改革的風(fēng)向標(biāo)《新一代K-12科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》也首次將工程和技術(shù)教育單獨(dú)列入其中，強(qiáng)調(diào)要注重學(xué)生的跨學(xué)科學(xué)習(xí)和實(shí)踐參與，這一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)我國科學(xué)教育改革產(chǎn)生了強(qiáng)大而深遠(yuǎn)的影響。綜上可以看出，源于美國的STEM教育自發(fā)源之初就直接指向高等教育的弊端，直至今天，它的根本目的仍在于培養(yǎng)數(shù)量穩(wěn)定的青年科技工作者，以維持、刺激和振興國家的經(jīng)濟(jì)。

2.STEM教育的特征分析。

令人沒有想到的是，全球高端制造、人工智能等新興行業(yè)的空前繁榮及這些行業(yè)本身所帶有的不可阻擋的裹挾力，為STEM教育提供了新的發(fā)展機(jī)遇。其結(jié)果之一是STEM教育正在從發(fā)源地美國向其他國家快速鋪展開來，當(dāng)然這與全球經(jīng)濟(jì)、文化的一體化不無關(guān)系；另一結(jié)果則是越來越多的中小學(xué)開始關(guān)注并嘗試進(jìn)行STEM教育的實(shí)踐探索，并呈現(xiàn)出令人鼓舞的教學(xué)效果和值得期待的發(fā)展態(tài)勢。

STEM教育在短時(shí)間里在世界范圍內(nèi)掀起了熱潮，對(duì)它的內(nèi)涵及價(jià)值也出現(xiàn)了各種不同的解讀：有的把STEM理解為一種跨學(xué)科課程，有的把它理解為一種整合性的教學(xué)策略，有的認(rèn)為它是指向STEM綜合素養(yǎng)的課程培養(yǎng)目標(biāo)，還有學(xué)者干脆提出STEM教育的核心精神就應(yīng)該包括以上各種認(rèn)識(shí)的綜合。[1]這些不同的理解直接影響了STEM教育的實(shí)施方式和效果。

相比于分析它的抽象內(nèi)涵和價(jià)值，從顯性的特征角度對(duì)STEM教育和傳統(tǒng)單科教育進(jìn)行比較，可能更具有現(xiàn)實(shí)意義。不難發(fā)現(xiàn)，STEM具有如下重要特征，見表1。

STEM教育最核心的特征在于通過團(tuán)隊(duì)合作的方式，讓學(xué)生綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)解決現(xiàn)實(shí)生活中的真實(shí)問題，以學(xué)生為中心、充足的時(shí)間、明確的結(jié)果和跨學(xué)科任務(wù)等是學(xué)習(xí)的關(guān)鍵要素。

表1 傳統(tǒng)單科教育和STEM教育的比較

3.STEM教育與小學(xué)科學(xué)課程的碰撞。

我國的STEM教育將小學(xué)科學(xué)作為主要的切入學(xué)科，這不僅是由它首字母“S”所代表的“科學(xué)”一詞所決定的，更是因?yàn)榭茖W(xué)學(xué)科自身的特點(diǎn)。美國科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)對(duì)科學(xué)有過描述：“基礎(chǔ)的和可應(yīng)用的自然與社會(huì)科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)以及它們之間的相互關(guān)系，也就是說科學(xué)事業(yè)是一個(gè)整體?！盵2]由此可見，科學(xué)課程從一開始就包括了科學(xué)、數(shù)學(xué)以及技術(shù)等基本要素。因此，與其說是STEM選擇了科學(xué)課程，倒不如說科學(xué)課程本身為STEM教育的興起提供了天生的沃土，我們甚至可以將STEM教育理解為科學(xué)課程的另一種形態(tài)。如果說得再透徹一些，STEM教育對(duì)小學(xué)科學(xué)課程的價(jià)值并不在于它所提出的基于多學(xué)科內(nèi)容整合的課程結(jié)構(gòu)形態(tài)，而在于其所倡導(dǎo)的基于真實(shí)問題情境下所采用的跨學(xué)科整合的課程實(shí)施形態(tài)。這正好直接指向并對(duì)應(yīng)解決我國小學(xué)科學(xué)課程長期以來存在的兩個(gè)主要缺陷：一是以STEM真實(shí)情境任務(wù)彌補(bǔ)科學(xué)教學(xué)內(nèi)容的弱趣味性和超現(xiàn)實(shí)性之缺陷。小學(xué)科學(xué)課程中很多知識(shí)及其呈現(xiàn)方式老舊，這導(dǎo)致學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的興趣日益下降。而基于生活情境的問題能夠迅速有效地把學(xué)生吸引到真實(shí)有趣的學(xué)習(xí)活動(dòng)中。二是以STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)、工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)等彌補(bǔ)科學(xué)教學(xué)方式單一化和程式化之缺陷。傳統(tǒng)的講授法教學(xué)看似高效，實(shí)則弊端不少。至于探究式學(xué)習(xí)，稍有不慎也極易陷入死板的程式化陷阱，把原本應(yīng)當(dāng)是靈活多變的、開放性的實(shí)驗(yàn)探究硬生生地變成按部就班式的僵化流程操作。STEM教育的出現(xiàn)恰好為我們審視并改進(jìn)科學(xué)教學(xué)提供了契機(jī)。

二、STEM視角下小學(xué)科學(xué)教學(xué)的思考

作為一種舶來品，STEM教育與我國的科學(xué)教育直接完美對(duì)接的可能性較小，從現(xiàn)實(shí)情況來看也的確如此。我國中小學(xué)在STEM的推進(jìn)過程中往往只重視創(chuàng)客教育、發(fā)明創(chuàng)造和機(jī)器編程等科技項(xiàng)目活動(dòng)，輕視將其與科學(xué)課程進(jìn)行深度整合。在教育理念層面如何協(xié)調(diào)人文性和技術(shù)性的矛盾，在教學(xué)實(shí)踐層面如何形成有效的STEM教學(xué)策略等，需要我們給予重視。

1.堅(jiān)定不移地落實(shí)科學(xué)課程的基本理念。

教育或許是整個(gè)社會(huì)中最需要堅(jiān)持保守主義立場的一種社會(huì)行為，因?yàn)槿魏我稽c(diǎn)激進(jìn)都有可能造成無法彌補(bǔ)的遺憾。是培養(yǎng)合格、熟練的勞動(dòng)者，還是培養(yǎng)德才兼?zhèn)?、全面發(fā)展的人？這兩個(gè)目標(biāo)同樣需要整合，需要辯證地思考。在《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中，開篇即明確提出了科學(xué)課程的四大基本理念：一是面向全體學(xué)生，二是倡導(dǎo)探究式學(xué)習(xí)，三是保護(hù)學(xué)生的好奇心和求知欲，四是突出學(xué)生的主體地位。這些基本理念集中體現(xiàn)了我國的教育方針，必須不折不扣地落實(shí)在科學(xué)課程的實(shí)施過程之中，任何與之相違背的教學(xué)行動(dòng)都是不可接受的。STEM教育作為一種源自西方國家的教育新事物，不管是作為一種課程形態(tài)，或是一種課程實(shí)施形態(tài)，從目前來看尚不具備全面替代現(xiàn)行小學(xué)科學(xué)課程實(shí)施方式的條件和時(shí)機(jī)。

以探究式學(xué)習(xí)為例，科學(xué)探究并不是STEM教育所倡導(dǎo)的教學(xué)方式，STEM教育希望構(gòu)建的是一種在較為復(fù)雜的任務(wù)情境中培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)能力與問題解決能力的教學(xué)形態(tài)，這是STEM教育的精髓所在。但小學(xué)生的年齡特點(diǎn)決定了他們所能夠理解的教育內(nèi)容必然是人類社會(huì)發(fā)展和積淀過程中最基本的部分，最適合他們的教學(xué)方式也必然是在教師指導(dǎo)下的探究式學(xué)習(xí)。正如清華大學(xué)吳國盛教授所說：“科學(xué)教育的內(nèi)容大概滿足某種重演律，即每個(gè)個(gè)體的受教育過程，基本重演整個(gè)人類科學(xué)發(fā)展的過程?！盵3]對(duì)于新技術(shù)在科學(xué)教育中的價(jià)值，他則建議“不必過分敏感”，既不要不切實(shí)際地?zé)嶂砸M(jìn)，也不必恐懼和拒絕。這種態(tài)度同樣適用于STEM教育對(duì)小學(xué)科學(xué)課程所產(chǎn)生的沖擊，即我們絕對(duì)不能全面擁抱STEM而拋棄探究式教學(xué)，也不能否定本文之前所述的STEM教育對(duì)小學(xué)科學(xué)課程缺陷的彌補(bǔ)作用。

2.探索生活問題與科學(xué)問題相互轉(zhuǎn)換的策略。

為解決真實(shí)問題而展開學(xué)習(xí)是STEM教育最重要的特征，但真實(shí)的生活問題并不等同于恰當(dāng)?shù)目茖W(xué)問題，這需要教師對(duì)STEM教育以真實(shí)任務(wù)展開教學(xué)的操作策略進(jìn)行探索和完善，找到真實(shí)問題和科學(xué)問題之間的聯(lián)系，這也正是當(dāng)前小學(xué)STEM教育研究的重要內(nèi)容。

從教育心理學(xué)的角度看，發(fā)生在學(xué)生身邊的各種真實(shí)事件或那些尚待證明的奇異經(jīng)驗(yàn)，能夠引發(fā)他們的探究興趣。問題在于，發(fā)生在學(xué)生生活中的真實(shí)事件一般都是和某種特定的情境聯(lián)系在一起的，這些事件所蘊(yùn)含的數(shù)量巨大的信息，很有可能會(huì)掩蓋住那些教師希望兒童加以關(guān)注的特征，而甄別這些特征，是掌握科學(xué)基本概念并把它轉(zhuǎn)化應(yīng)用于其他生活場景所必需的。[4]因此，如果只是把生活事件完整地復(fù)制到課堂中來，那便不是明智之舉。教師需要對(duì)這些生活事件加以提煉或轉(zhuǎn)化，這樣才有可能幫助兒童去關(guān)注復(fù)雜問題中的關(guān)鍵特征，避免學(xué)生因信息過于復(fù)雜而出現(xiàn)困惑。也就是說，真實(shí)的生活問題具有科學(xué)學(xué)習(xí)的價(jià)值，但并不意味著它可以直接被引入到課堂教學(xué)之中來。教師一旦決定把生活事件引入課堂之中，他就首先需要在事件信息的豐富性和學(xué)生科學(xué)認(rèn)識(shí)需求之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，既對(duì)生活中的科學(xué)現(xiàn)象加以簡化提煉以便于在課堂中進(jìn)行有控制的測量或?qū)嶒?yàn)，避免更多的信息干擾學(xué)生的科學(xué)探究活動(dòng)，同時(shí)又能夠讓學(xué)習(xí)內(nèi)容有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，滿足他們對(duì)生活中相關(guān)現(xiàn)象的探究興趣。

以師生都喜歡的“制作投石機(jī)”為例。在生活中，學(xué)生一般以投擲得遠(yuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)，這契合他們?nèi)粘Ｓ螒虻默F(xiàn)狀。如果課堂中教師只是要求學(xué)生把彈丸遠(yuǎn)遠(yuǎn)地扔出去，那么這種教學(xué)策略很明顯無法對(duì)學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)產(chǎn)生有針對(duì)性的幫助，因?yàn)閷W(xué)生的設(shè)計(jì)方案會(huì)過于自由和開放。和自由探究相比，小學(xué)生更適合在教師的指導(dǎo)下開展探究活動(dòng)。所以正確的做法應(yīng)該是：教師通過和學(xué)生一起制訂某種游戲規(guī)則來鼓勵(lì)他們提出各種各樣的問題，在限定的框架內(nèi)指導(dǎo)設(shè)計(jì)合理的投石方案，然后不斷地驗(yàn)證投擲效果并提出切實(shí)的改進(jìn)方法，直至取得令人滿意的結(jié)果。比如：在制訂游戲規(guī)則時(shí)，就可以讓學(xué)生對(duì)制作材料（車架結(jié)構(gòu)、皮筋數(shù)量、彈丸大?。┻M(jìn)行限定，對(duì)投擲要求也要進(jìn)一步明確，是強(qiáng)調(diào)彈丸落地的精準(zhǔn)性還是距離，或者是兩者的結(jié)合?；顒?dòng)任務(wù)越明確，學(xué)生所學(xué)到的科學(xué)知識(shí)也就越豐富、越體系化。

3.靈活整合科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)驗(yàn)。

科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)驗(yàn)是科學(xué)課上最常見的兩種實(shí)驗(yàn)類型?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)是指學(xué)生通過觀察、對(duì)比等手段獲取證據(jù)然后解釋自然世界和人類世界，獲得科學(xué)知識(shí)的一種學(xué)習(xí)活動(dòng)（比如研究黑色和白色材料哪一種更容易吸收熱量）；工程實(shí)驗(yàn)則是通過設(shè)計(jì)、實(shí)踐等解決那些目標(biāo)指向明確的特定任務(wù)，從而積累工程和技術(shù)方面的經(jīng)驗(yàn)（比如怎樣提高太陽能熱水器的吸熱性能）。這與人類認(rèn)知世界的兩大傳統(tǒng)如出一轍：即觀察思考的傳統(tǒng)與行動(dòng)實(shí)踐的傳統(tǒng)。[5]人類在真實(shí)的生活世界中更傾向于借助后者來應(yīng)對(duì)各種問題，并且通過生物遺傳和文化傳承等途徑讓下一代人也具備這一習(xí)慣。比如：人會(huì)在自然界中選擇各種不同的材料及制作工藝，以便讓箭射得更遠(yuǎn)，但卻很少有人從物理學(xué)角度去思考影響箭飛行的力學(xué)原理。小學(xué)科學(xué)課的任務(wù)之一就是讓學(xué)生親歷科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)驗(yàn)的過程，獲得基本的科學(xué)概念，并且利用新形成的科學(xué)概念來解決生活中的相關(guān)問題，從另一個(gè)角度來看，科學(xué)概念的形成又能夠反向幫助學(xué)生更好地理解科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)驗(yàn)的論證過程和設(shè)計(jì)原理，見圖1。鑒于學(xué)生更傾向于使用工程實(shí)驗(yàn)，這就需要教師有意識(shí)地設(shè)計(jì)一些能更好反映科學(xué)實(shí)驗(yàn)本質(zhì)的活動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)兩者的靈活整合。

（圖 1）

比如在研究“擺的快慢與什么因素有關(guān)”時(shí)，教師需要考慮以何種實(shí)驗(yàn)作為學(xué)生起始階段的學(xué)習(xí)內(nèi)容。一種教學(xué)思路是先讓學(xué)生通過幾組科學(xué)實(shí)驗(yàn)知道擺的快慢與擺線長短有直接關(guān)系，然后讓學(xué)生根據(jù)這一科學(xué)概念設(shè)計(jì)一個(gè)10秒內(nèi)擺動(dòng)10次的擺，蘇教版科學(xué)教材就遵循了這一教學(xué)思路；另一種教學(xué)思路是先讓學(xué)生通過嘗試性的工程實(shí)驗(yàn)制作一個(gè)10秒鐘內(nèi)擺動(dòng)10次的擺，然后讓學(xué)生根據(jù)制作經(jīng)歷總結(jié)自己是如何來調(diào)整擺的快慢的，從而得出相關(guān)的科學(xué)概念，這一教學(xué)策略曾被路培琦老師采用。僅從形式上看，后一種教學(xué)設(shè)計(jì)更具有STEM教育的外在特征，但前者亦不失為一種選擇，它同樣實(shí)現(xiàn)了科學(xué)與工程的整合。但不管是哪一種教學(xué)設(shè)計(jì)，都需要教師分配更多的課堂時(shí)間用以學(xué)生的自主探究。