中小學(xué)STEM教育的發(fā)展現(xiàn)狀及啟示

劉 陽 王志博 王會(huì)麗

（東北師范大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長春130117）

引言

隨著社會(huì)對(duì)人才需求的不斷提高，培養(yǎng)創(chuàng)新型復(fù)合人才的STEM 教育受到各個(gè)國家的廣泛關(guān)注，多個(gè)國家都發(fā)布了本國的STEM 教育發(fā)展規(guī)劃，力求在知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代取得主導(dǎo)權(quán)。如美國早在20 世紀(jì)90年代將科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)融合稱為SMET。近年來，美國政府更是加大財(cái)政支持，發(fā)展STEM 教育，并于2015年頒布了STEM 教育法案。此外，德國、日本、韓國、澳大利亞紛紛出臺(tái)系列政策。我國近年來也頒布一系列相關(guān)政策，如《教育信息化“十三五”規(guī)劃》強(qiáng)調(diào)STEM 教育對(duì)中小學(xué)教育發(fā)展以及高素質(zhì)人才培養(yǎng)的支撐作用[1]。由此可見，STEM 教育，尤其STEM 基礎(chǔ)教育廣受國內(nèi)外關(guān)注。近年來，STEM 教育理念引入中小學(xué)，成為許多國家基礎(chǔ)教育改革政策的主導(dǎo)方向，許多國家的中小學(xué)開展了機(jī)器人、3D 打印、創(chuàng)客等一系列的STEM 項(xiàng)目活動(dòng)，取得了一定的成果。

一、STEM教育的源起

STEM 教育的起源可以追溯到20 世紀(jì)50年代美國教育學(xué)者提出的科學(xué)素養(yǎng)概念。國家綜合實(shí)力的增強(qiáng)關(guān)鍵要依靠國民科學(xué)素養(yǎng)的全面提升，這一觀點(diǎn)受到了眾多教育者的認(rèn)同。隨著科學(xué)和工程的進(jìn)步，人們的生活發(fā)生了巨大的變化，技術(shù)素養(yǎng)開始受到教育者的關(guān)注，該時(shí)期可認(rèn)為是STEM 教育的萌芽階段。1983年美國高質(zhì)量教育委員會(huì)發(fā)布《國家處在危機(jī)中：教育改革勢在必行》的報(bào)告，指出美國學(xué)校的教育質(zhì)量正在持續(xù)下降，相關(guān)數(shù)據(jù)也顯示，美國中小學(xué)的數(shù)學(xué)和技術(shù)等素養(yǎng)與其世界地位不符，這讓美國政府對(duì)未來發(fā)展產(chǎn)生了憂慮，出于國家的自我保護(hù)和迎接未來的挑戰(zhàn)，80年代，美國發(fā)起了教育改革，此次改革，主要關(guān)注綜合化核心課程，重視基礎(chǔ)教育。1986年，美國國家科學(xué)委員會(huì)發(fā)表了《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》的報(bào)告，首次明確提出“科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程、技術(shù)教育的集成”的綱領(lǐng)性建議，被視為美國STEM 教育的里程碑[2]。2001年，美國國家科學(xué)基金會(huì)將科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineer）和數(shù)學(xué)（Mathematics)命名為STEM，其描述涉及一至多門STEM 學(xué)科的事件、政策、項(xiàng)目或?qū)嵺`。自美國實(shí)施STEM 教育以來，在國民素質(zhì)、國家競爭力、創(chuàng)新等方面有顯著提升，與此同時(shí)，其他國家也認(rèn)識(shí)到了STEM 教育的重要性，德國、澳大利亞、日本、泰國等紛紛開展了STEM 教育的探索，加大STEM 教育的投入，特別是中小學(xué)STEM 教育的實(shí)施。STEM 教育是未來教育的發(fā)展方向，是創(chuàng)新型復(fù)合人才的重要培養(yǎng)方式，對(duì)我國傳統(tǒng)教育的創(chuàng)新有著重要意義。

二、STEM教育的內(nèi)涵

STEM 是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四個(gè)英文首字母的縮寫，是一種將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科深度融合的教育。其中，科學(xué)指代科學(xué)素養(yǎng)，注重知識(shí)的運(yùn)用，及物理、化學(xué)、生物等知識(shí)的認(rèn)識(shí)和掌握并能對(duì)世界規(guī)律預(yù)測；技術(shù)指代技術(shù)素養(yǎng)，注重改造創(chuàng)新，要求學(xué)生能夠懂得技術(shù)、操作技術(shù)、運(yùn)用技術(shù)、理解技術(shù)，并能夠給予一定的評(píng)價(jià)；工程指代工程素養(yǎng)，注重項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與開發(fā)，要求學(xué)生具有工程技術(shù)的設(shè)計(jì)、開發(fā)和運(yùn)用的能力，培養(yǎng)工程學(xué)習(xí)興趣；數(shù)學(xué)指代數(shù)學(xué)素養(yǎng)，注重分析推理，學(xué)生能在學(xué)習(xí)、發(fā)現(xiàn)和解決數(shù)學(xué)問題時(shí)培養(yǎng)數(shù)學(xué)思維能力，這四種素養(yǎng)綜合在一起，便構(gòu)成了STEM 素養(yǎng)，即STEM 教育的目標(biāo)。STEM 教育注重學(xué)科之間的關(guān)聯(lián)性，學(xué)生依靠多學(xué)科協(xié)同合作解決現(xiàn)實(shí)生活中的問題，旨在培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作、問題解決和創(chuàng)新思維等能力。

教育者對(duì)STEM 教育的理解各有不同，主要集中在以下三種：第一種認(rèn)為STEM 教育是一門后設(shè)課程，也就是說學(xué)生在學(xué)習(xí)STEM 教育的相關(guān)獨(dú)立學(xué)科之外，再學(xué)習(xí)一門如何綜合運(yùn)用這些科目的STEM 課程；第二種認(rèn)為STEM 教育是一門整合型的獨(dú)立課程，由它代替STEM 教育涉及的課程，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)的能力[3]，布賴納（Breiner）等的調(diào)查顯示，美國科學(xué)基金（National Science Foundation）、高校研究團(tuán)體、絕大部分中小學(xué)階段的教育機(jī)構(gòu)和學(xué)校等都贊同STEM 教育中最重要的理念是整合[4]；第三種認(rèn)為STEM 教育是一種教學(xué)策略，通過項(xiàng)目學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)等教學(xué)方式培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用多門學(xué)科知識(shí)解決現(xiàn)實(shí)問題的有效手段。目前，中小學(xué)STEM 教育的課堂實(shí)施上，主要集中在第三種觀點(diǎn)，推翻“滿堂灌”的教學(xué)模式，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體，教師利用探究式的教學(xué)方法自上而下地傳授知識(shí)，使學(xué)生自己建構(gòu)知識(shí)。

三、中小學(xué)STEM教育的發(fā)展現(xiàn)狀

（一）中小學(xué)STEM課堂與項(xiàng)目

1.中小學(xué)STEM課堂

中小學(xué)的STEM 教育強(qiáng)調(diào)課程融合，其課堂需要教師提出實(shí)際問題，學(xué)生組成協(xié)作小組進(jìn)行探究學(xué)習(xí)，在探究的過程中，學(xué)生要善于技術(shù)搜集與數(shù)據(jù)分析，并能設(shè)計(jì)、測試和改進(jìn)一個(gè)解決方案，最終與同伴分享交流成果[5]。中小學(xué)STEM 課程標(biāo)準(zhǔn)傾向于學(xué)科之間的融合，根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，中小學(xué)STEM 課程重視學(xué)科知識(shí)之間的內(nèi)在聯(lián)系，強(qiáng)調(diào)整合性學(xué)習(xí)，一些教育者提出打破學(xué)科之間的界限重新設(shè)計(jì)課程，取消分科教學(xué)，設(shè)計(jì)STEM 項(xiàng)目將相關(guān)學(xué)科的知識(shí)融入進(jìn)去，就是我們上述所提到的將STEM 教育作為一個(gè)整合的獨(dú)立課程。然而真正落實(shí)到學(xué)校的課堂時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于人類認(rèn)知的局限性，取消分科教學(xué)還是很難實(shí)現(xiàn)。目前，美國、澳大利亞等國家在STEM 的課程設(shè)置上仍然施行分學(xué)科教學(xué)。

美國的STEM 課程設(shè)置強(qiáng)調(diào)整合化，其課程體系將數(shù)學(xué)、科學(xué)和信息技術(shù)等課程設(shè)置為核心課程，并設(shè)置多種多樣的選修課對(duì)核心課程進(jìn)行輔助，另外，美國在K-12 階段還廣泛實(shí)施一些STEM 整合的課程[6]，例如：美國的NCSSM 學(xué)校為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力從而開發(fā)出了一系列具有挑戰(zhàn)性的STEM 整合課程，其課程滿足了學(xué)校和學(xué)生的雙重需要。而我國中小學(xué)STEM 課程的實(shí)施主要由校外培訓(xùn)和校內(nèi)課程兩種形式組成，其中，校內(nèi)課程采用兩種教學(xué)方式，一種是一門學(xué)科穿插其他學(xué)科知識(shí)進(jìn)行教學(xué)，另一種是單獨(dú)開設(shè)自主編寫教材的STEM 課程，例如：人大附中等學(xué)校就開發(fā)了相應(yīng)的STEM 課程。

2.中小學(xué)STEM項(xiàng)目

項(xiàng)目是STEM 教育中實(shí)現(xiàn)課程融合的又一重要方式。中小學(xué)STEM 項(xiàng)目鼓勵(lì)學(xué)生自己提出研究方向，自主開展項(xiàng)目研究，在發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、討論問題、驗(yàn)證問題等一系列基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)中，培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)，因此，中小學(xué)STEM 項(xiàng)目也是各國研究的熱點(diǎn)。例如：美國的PLTW（Project Lead The Way）與學(xué)校進(jìn)行合作，為中小學(xué)提供成熟的STEM 課程，以及STEM 課程資源和STEM 實(shí)驗(yàn)工具等。除了在校內(nèi)實(shí)施STEM 項(xiàng)目外，國外很多國家也實(shí)施以STEM 活動(dòng)學(xué)習(xí)為主題的校外中小學(xué)STEM 項(xiàng)目，其類型包含夏令營項(xiàng)目、周末項(xiàng)目和放學(xué)后項(xiàng)目等，并成立校外STEM 中心進(jìn)行支持和管理[7]。

（二）中小學(xué)STEM教育教學(xué)模式

1.STEM+創(chuàng)客教育的教學(xué)模式

在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代，STEM 教育和創(chuàng)客教育作為培養(yǎng)創(chuàng)新人才的有效路徑，常常被結(jié)合在一起進(jìn)行研究。STEM 教育和創(chuàng)客教育存在很多的共性，因此，許多學(xué)者都基于建構(gòu)主義與創(chuàng)新理論將二者融合，構(gòu)建教學(xué)模式。楊維從教學(xué)活動(dòng)、教學(xué)資源、教學(xué)架構(gòu)和教學(xué)評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行思考，構(gòu)建了基于中小學(xué)課程整合的創(chuàng)客教育一般模式框架[8]。趙呈領(lǐng)結(jié)合項(xiàng)目式學(xué)習(xí)和體驗(yàn)式學(xué)習(xí)策略，通過基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)、確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、項(xiàng)目創(chuàng)作、展示與評(píng)價(jià)等教學(xué)環(huán)節(jié)構(gòu)建了創(chuàng)客—STEM 教學(xué)模式[9]。

2.STEM教育與新元素相結(jié)合的教學(xué)模式

STEM 教育作為一種全新的教育范式，受到眾多研究者的關(guān)注，他們將STEM 教育與新的元素相結(jié)合，創(chuàng)建出了更加新穎而有效的教學(xué)模式，近幾年研究者將一些教學(xué)理論融入到STEM 教育中去，在具體的學(xué)科上進(jìn)行應(yīng)用，取得了良好的效果。胡喜霞將活動(dòng)理論融入到STEM 教育中，構(gòu)建出了基于問題的STEM 教學(xué)模式，并在機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)中進(jìn)行應(yīng)用。趙呈領(lǐng)將5E 的教學(xué)流程融入到STEM 教學(xué)中，構(gòu)建出了5E 探究式教學(xué)模式，其包含參與（Engage）、探究（Explore）、解釋（Explain）、精致（Elaborate）和評(píng)價(jià)（Evaluate）五個(gè)環(huán)節(jié)[10]。

（三）中小學(xué)STEM教育對(duì)教師的要求

中小學(xué)STEM 教育的發(fā)展對(duì)教師提出了新的要求。雖然STEM 教育強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體，但教師的作用也不容忽視，STEM 教師不僅要掌握STEM 相關(guān)學(xué)科的知識(shí)，還要具備學(xué)科整合的能力，在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行跨學(xué)科學(xué)習(xí)、重置知識(shí)，并能及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生的錯(cuò)誤并作出應(yīng)對(duì)。在具體的中小學(xué)STEM 活動(dòng)中，首先要求教師對(duì)所包含的學(xué)科具有良好的整合能力，包括對(duì)學(xué)科內(nèi)容的整合、學(xué)習(xí)方法的整合等等。其次教師在帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行基于工程技術(shù)的實(shí)踐的同時(shí)，本身也要具有一定的實(shí)踐能力；為了培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維、問題解決能力、創(chuàng)造性思維，教師應(yīng)該合理引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)能力的培養(yǎng)。最后，教師要熟練運(yùn)用項(xiàng)目式和問題解決式教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)。教師在中小學(xué)STEM 教學(xué)中發(fā)揮著巨大作用，因此，各國紛紛展開了STEM 教師的培養(yǎng)計(jì)劃，力求STEM 教師的專業(yè)化。例如：美國對(duì)于STEM 教育教師的培養(yǎng)主要指復(fù)合型教師的培養(yǎng)，包括科學(xué)技術(shù)工程復(fù)合型教師（STE）、科學(xué)工程技術(shù)復(fù)合型教師（SET）和科學(xué)技術(shù)數(shù)學(xué)復(fù)合型教師（STM）等[11]。

（四）中小學(xué)STEM教育的測量與評(píng)價(jià)

由于STEM 教育不同于傳統(tǒng)的教育，其評(píng)價(jià)和測量的形式也具有多樣性，傳統(tǒng)的考試已經(jīng)不能滿足其評(píng)價(jià)需求，對(duì)于STEM 教育的起源國家——美國目前也沒有一個(gè)系統(tǒng)完善的STEM 教育評(píng)價(jià)體系。STEM 教育目前實(shí)施綜合測評(píng)，即教師在STEM 教學(xué)過程中觀察并記錄學(xué)生的表現(xiàn)。除了教師評(píng)價(jià)外，美國中小學(xué)還使用全國教育進(jìn)步評(píng)價(jià)（National Assessment of Educational Progress）和國際學(xué)生評(píng)估項(xiàng)目（Program for International Student Assessment，PISA）等來對(duì)學(xué)生的相關(guān)能力進(jìn)行綜合測評(píng)。其中，全國教育進(jìn)步評(píng)價(jià)是一個(gè)面對(duì)全國中小學(xué)數(shù)學(xué)和相關(guān)科目的評(píng)估平臺(tái)；PISA 項(xiàng)目主要集中在中小學(xué)生的數(shù)學(xué)和科學(xué)等綜合素養(yǎng)的評(píng)測。

四、對(duì)我國STEM教育發(fā)展的啟示

（一）建全STEM教育相關(guān)政策

對(duì)比美國歷屆政府都重視STEM 教育的投入，從布什總統(tǒng)開始，每屆總統(tǒng)都頒布了相應(yīng)的政策對(duì)STEM 教育進(jìn)行支持。然而我國的STEM 教育基本處于起步階段，政府的重視程度還不夠，因此，想在未來大力發(fā)展STEM 教育，必須積極建立全國性的STEM 教育相關(guān)機(jī)構(gòu)或中心，發(fā)布全國性支持政策，提升國民對(duì)STEM 教育的重視，促進(jìn)其更好的發(fā)展。

（二）加大STEM教育經(jīng)費(fèi)投入

STEM 教育需要經(jīng)費(fèi)的支持，STEM 相應(yīng)設(shè)備價(jià)格的昂貴，設(shè)備的維護(hù)和修理等成為很大一筆開銷，一定程度上也限制了STEM 教育的發(fā)展。

建議政府加大對(duì)STEM 教育的財(cái)政投入，出臺(tái)更多的相關(guān)保護(hù)和支持STEM 教育的政策，為中小學(xué)STEM教育的開展提供足夠的設(shè)備資源。同時(shí)學(xué)?？膳cSTEM相關(guān)企業(yè)進(jìn)行合作，企業(yè)不僅為學(xué)校提供成熟的STEM課程，還可提供完整的STEM 資源和工具，能使學(xué)校有效地進(jìn)行STEM 教育。

（三）重視STEM教育的師資建設(shè)

STEM 教育作為一種新型的教學(xué)理念，對(duì)中小學(xué)實(shí)施STEM 教育的教師提出了一些相應(yīng)的專業(yè)要求，但是目前從事STEM 教育的高質(zhì)量教師的缺乏，也使推行STEM 教育存在一些局限，授課教師學(xué)科背景單一，難以承擔(dān)重任。由于STEM 教育對(duì)教師專業(yè)性的嚴(yán)格要求，所以對(duì)STEM 教師的專業(yè)化培訓(xùn)有待提升。未來必須加強(qiáng)專業(yè)化STEM 教師的培訓(xùn)，重視STEM 教師的個(gè)性化發(fā)展，提升其地位和工資待遇，并出臺(tái)績效鼓勵(lì)政策，促進(jìn)學(xué)科教師的終身學(xué)習(xí)和發(fā)展[10]。

建議加強(qiáng)校內(nèi)、校際以及社會(huì)的合作，共同培養(yǎng)STEM 教育師資，促進(jìn)STEM 教育的發(fā)展。同時(shí)，學(xué)?？筛鶕?jù)自身財(cái)政情況、可用資源來設(shè)計(jì)STEM 教育師資培養(yǎng)方案，并尋求社會(huì)力量的幫助，促進(jìn)STEM 教育師資的培養(yǎng)。

（四）理論研究與實(shí)踐相統(tǒng)一

由于STEM 教育是一個(gè)比較新鮮的領(lǐng)域，理論研究已經(jīng)較為豐富，諸多學(xué)者提出基于K-12 的STEM 教育教學(xué)模式，如“STEM+創(chuàng)客教育”教學(xué)模式、基于問題的STEM 教育模式等。然而，在一線教學(xué)的開展過程中，理論研究與實(shí)踐卻存在較大差距。首先，在學(xué)校方面，我國“應(yīng)試教育”體制使得STEM 教育課程受重視程度不夠，教師難以開展STEM 課程。其次，大多數(shù)實(shí)踐研究僅停留在將各學(xué)科的簡單疊加，而忽視將學(xué)科知識(shí)、內(nèi)容、教學(xué)方法等深度整合。

建議中小學(xué)開展“雙師”模式，即開展STEM 教育的同時(shí)，聘請(qǐng)STEM 課程方面的專家實(shí)施課程或指導(dǎo)項(xiàng)目的開展，由于專家的流動(dòng)性和課程與項(xiàng)目的實(shí)施過程存在不確定事件的發(fā)生，中小學(xué)應(yīng)配一位專業(yè)對(duì)口的教師全程跟進(jìn)課程[13]，保證STEM 教育的順利進(jìn)行。

五、結(jié)語

國內(nèi)外對(duì)中小學(xué)STEM 教育的發(fā)展都充滿了熱情，紛紛制定相應(yīng)的政策支持中小學(xué)STEM 教育的發(fā)展，美國的中小學(xué)STEM 教育發(fā)展相對(duì)成熟，相較于其他國家處于領(lǐng)先地位，而我國STEM 教育起步較晚，存在研究不全、認(rèn)識(shí)不夠深刻等諸多問題。本文通過文獻(xiàn)梳理，將STEM 教育的源起、內(nèi)涵和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)了其對(duì)我國STEM 教育未來發(fā)展的啟示，以期對(duì)未來的STEM 教育的研究提供參考。