基于中美STEM教育比較的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式新探索

馮碧薇

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新人才培養(yǎng)STEM教育中美比較基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)PBL

創(chuàng)新人才培養(yǎng)一直是國(guó)內(nèi)外基礎(chǔ)教育和高等教育階段工作的重心和面臨的難題。我國(guó)教育部原副部長(zhǎng)杜玉波曾表示，提高教育質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)首先提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。為了培養(yǎng)創(chuàng)新人才，提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)解決人才就業(yè)不足、人才缺口增大等各項(xiàng)問(wèn)題，美國(guó)高度重視STEM教育。STEM教育理念是美國(guó)教育領(lǐng)域的前沿戰(zhàn)略，通過(guò)多項(xiàng)政府文件自上而下地開(kāi)展和普及。

STEM是科學(xué)（science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）的縮寫(xiě)詞，由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）提出，涉及化學(xué)、計(jì)算機(jī)、工程學(xué)、地球科學(xué)、生命科學(xué)、數(shù)理科學(xué)、物理、天文學(xué)和社會(huì)科學(xué)。STEM教育是將各門(mén)學(xué)科的內(nèi)容融合為有機(jī)體，以更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。STEM教育往往具有基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)（PBL）、實(shí)踐性、綜合性、跨學(xué)科和真實(shí)情境融合等特征。與傳統(tǒng)教學(xué)相比，STEM教育在教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)方式、評(píng)價(jià)等方面都具有明顯的差異。

美國(guó)STEM教育開(kāi)展最早，機(jī)制相對(duì)成熟，具有重要的參考意義。中國(guó)借鑒STEM教育理念進(jìn)行本土化嘗試的目標(biāo)是希望凸顯育人價(jià)值，既面向全體學(xué)生，也旨在全面提升人才的創(chuàng)新素質(zhì)。筆者通過(guò)赴美研修，實(shí)地了解了美國(guó)加州地區(qū)STEM教育開(kāi)展的方方面面，包括：創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和利用，課程內(nèi)容及開(kāi)發(fā)方式，基于項(xiàng)目的STEM研究開(kāi)展案例，教師專(zhuān)業(yè)化培訓(xùn)模式及跨學(xué)科合作現(xiàn)狀等。下文通過(guò)比較中美STEM教育開(kāi)展情況，對(duì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式提出了思考和建議。

一、美國(guó)STEM教育開(kāi)展方式及相關(guān)案例

在美國(guó)，主要通過(guò)以下幾種方式開(kāi)展STEM教育培養(yǎng)創(chuàng)新人才：①常規(guī)課融入STEM理念，通過(guò)基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)提高問(wèn)題解決能力;②開(kāi)展STEM選修課;③成立STEM或STEAM（在STEM基礎(chǔ)上結(jié)合了藝術(shù)元素Art）學(xué)校，開(kāi)展創(chuàng)新教育，培養(yǎng)創(chuàng)新人才;④專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)組織培訓(xùn)STEM教師，提高9幣資水平。

1.基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)案例

在Arcadia高中工程技術(shù)選修課上，配有1個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人是位有著數(shù)學(xué)、編程、工程背景的高中教師。他的實(shí)驗(yàn)室主要分為兩部分，其中一個(gè)教室是編程專(zhuān)用，里面的學(xué)生人手1臺(tái)電腦，學(xué)習(xí)的程序主要以Java和C++為主，授課方式與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)課堂相似，以教師課堂講解、學(xué)生課后練習(xí)為主。在課上，教師會(huì)讓學(xué)生做多個(gè)與STEM相關(guān)的項(xiàng)目。例如讓學(xué)生設(shè)計(jì)并制作一個(gè)機(jī)械裝置，目的是在雙手不觸碰到類(lèi)似網(wǎng)球大小的空心球的情況下，把小球彈射到2米遠(yuǎn)、2米高的1個(gè)桶里，并需要在一定時(shí)間內(nèi)持續(xù)完成多個(gè)小球的投射。學(xué)生可以利用吹風(fēng)機(jī)給小球提供動(dòng)力，也可以利用大氣壓力原理達(dá)到目的，裝置完全由學(xué)生自行設(shè)計(jì)完成。

在美國(guó)，一些高中學(xué)校開(kāi)設(shè)生涯與技術(shù)教育課程，有許多與工程相關(guān)，學(xué)生在課程中需要完成許多項(xiàng)目，類(lèi)似于我們熟知的STEM課程。在PalmDesert高中有工程銜接課程，學(xué)生學(xué)習(xí)使用3D打印軟件等，并需要在12年級(jí)選擇自己感興趣的項(xiàng)目完成1個(gè)課題。Shadow Hill高中開(kāi)設(shè)有景觀(guān)學(xué)課程，學(xué)生在課上學(xué)習(xí)生物、環(huán)境科學(xué)、工程學(xué)等學(xué)科知識(shí)，并完成一些項(xiàng)目。比如學(xué)生會(huì)利用4周時(shí)間在課上使用木頭搭建植物種植架子，同時(shí)設(shè)計(jì)自動(dòng)灌溉時(shí)間，在當(dāng)?shù)厣衬貐^(qū)種植植物。

2.STEM學(xué)校案例

美國(guó)加州La Quinta初中約有560名學(xué)生，規(guī)模較小，但學(xué)校是STEM特長(zhǎng)校，開(kāi)設(shè)STEM必修課和STEM選修課，除此之外還有普通選修課。學(xué)校許多文科教師（比如歷史教師）同樣可以開(kāi)設(shè)STEM寫(xiě)作、資料查詢(xún)類(lèi)的選修課，指導(dǎo)學(xué)生如何進(jìn)行文獻(xiàn)綜述的寫(xiě)作和網(wǎng)絡(luò)資料查新，這樣的技能對(duì)于學(xué)生未來(lái)發(fā)展也是非常重要的。

學(xué)校STEM課程開(kāi)設(shè)情況基本是每天1個(gè)課時(shí)，每個(gè)課時(shí)約50分鐘，1周4～5課時(shí)。所有教師都開(kāi)設(shè)STEM選修課程，其中一些選修課屬于PLTW課程（Project Lead The Way，“項(xiàng)目引路”項(xiàng)目是美國(guó)規(guī)模較大的技術(shù)教育項(xiàng)目之一）。還有一些教師則是自己開(kāi)設(shè)STEM選修課程，比如數(shù)學(xué)教師開(kāi)設(shè)數(shù)學(xué)與藝術(shù)融合的跨學(xué)科STEM選修課程“舞蹈中的數(shù)學(xué)”等。每年，教師還會(huì)參與州內(nèi)舉辦的STEM相關(guān)會(huì)議，提高自身對(duì)STEM教育的理解和相關(guān)技能。

二、國(guó)內(nèi)STEM教育開(kāi)展現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)STEM教育在北京、上海等地開(kāi)展較多。根據(jù)上海市教委教研室2017年6月的一項(xiàng)調(diào)查指出：“通過(guò)1131份學(xué)生網(wǎng)上問(wèn)卷調(diào)查及62份教師網(wǎng)上問(wèn)卷調(diào)查，得到以下基本信息：學(xué)校校長(zhǎng)及教師99%認(rèn)為STEM教育很重要，說(shuō)明STEM教育被廣泛認(rèn)可。在相對(duì)重視的前提下，學(xué)校對(duì)開(kāi)設(shè)這類(lèi)課程所用的教室也有特別的考量，超過(guò)60%的學(xué)校建有創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室?！?/p>

“在課時(shí)安排上，STEM教育的開(kāi)展大多集中在拓展課課時(shí)，部分集中在研究型課程課時(shí)，平均每周課時(shí)在2課時(shí)左右。許多學(xué)校選擇每周拓展課時(shí)中拿出2課時(shí)，也有些學(xué)校采用1+1模式，即每周1節(jié)拓展課與1節(jié)自然（科學(xué)、勞技）課，整合出2課時(shí)，滿(mǎn)足課時(shí)需要。另外有一些學(xué)校將已有的選修課劃分到STEM的各個(gè)領(lǐng)域，供學(xué)生選修。學(xué)校開(kāi)展STEM教育大多采用基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方式，學(xué)生或教師根據(jù)現(xiàn)象提出研究主題，圍繞研究主題，通過(guò)一系列課時(shí)完成教學(xué)?！?/p>

三、基于中美對(duì)比的創(chuàng)新人才培養(yǎng)新探索

立足于創(chuàng)新人才培養(yǎng)，美國(guó)采用更為多元的教學(xué)方式，比如基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)、STEM學(xué)校、志愿者活動(dòng)和職業(yè)體驗(yàn)課程等;而國(guó)內(nèi)則更多地以拓展課和選修課開(kāi)展STEM課程，以及STEM體驗(yàn)活動(dòng)為主。雖然目前國(guó)內(nèi)開(kāi)展STEM教育已有諸多成功案例，學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)正在逐步提高。然而STEM教育本土化實(shí)施時(shí)，在課程開(kāi)發(fā)、課堂教學(xué)方式和教師培訓(xùn)方面依然有所不足。以下結(jié)合美國(guó)之行獲得的案例、已有的STEM教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和國(guó)外創(chuàng)新教育案例，提出了創(chuàng)新人才培養(yǎng)的新模式，以供教育研究者參考。

1.鼓勵(lì)基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，推動(dòng)教學(xué)轉(zhuǎn)型

PBL是一套設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)情境的完整方法。通過(guò)真實(shí)的、有意義的、連貫的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，促成學(xué)生對(duì)知識(shí)內(nèi)容深入而全面的理解。不僅讓學(xué)生覺(jué)得有趣、著迷，更是“學(xué)習(xí)的核心”。就像在公司或組織的項(xiàng)目中工作一樣，我們模擬學(xué)生在團(tuán)隊(duì)中的學(xué)習(xí)，讓他們探究、研究、合作和創(chuàng)造持久的解決方案，解決現(xiàn)實(shí)世界中的復(fù)雜問(wèn)題，這就是PBL的要點(diǎn)。

在美國(guó)，基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)手段非常常見(jiàn)，尤其是在常規(guī)課堂上也普遍應(yīng)用，比如在音樂(lè)課上，教師會(huì)發(fā)放不同年代的CD，讓學(xué)生完成一個(gè)稱(chēng)為“Decades”的項(xiàng)目。學(xué)生通過(guò)欣賞音樂(lè)和查閱資料，了解不同年代樂(lè)曲的特征，最后選擇某個(gè)特殊年代的樂(lè)曲以小組為單位進(jìn)行編舞和展示。在自然科學(xué)和工程學(xué)的課上，這樣的案例更多。

同樣，國(guó)內(nèi)目前也越來(lái)越多應(yīng)用基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)手段，特別在開(kāi)展STEM教育時(shí)常以項(xiàng)目為基礎(chǔ)。然而，在常規(guī)課程中很少使用基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方法。一些常見(jiàn)的做法是先讓學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，然后在單元教學(xué)中穿插探究活動(dòng)，這個(gè)過(guò)程并沒(méi)有引導(dǎo)學(xué)生圍繞一個(gè)核心問(wèn)題或挑戰(zhàn)尋找解決方案，因此和PBL有較大差別。PBL是通過(guò)設(shè)立一個(gè)真實(shí)有意義的問(wèn)題，學(xué)生通過(guò)解決問(wèn)題獲得書(shū)本中教師需要傳授的知識(shí)點(diǎn)。比如借鑒國(guó)外自然科學(xué)課例，教師可以提出“如何在當(dāng)?shù)胤N植可食用的植物”的問(wèn)題，學(xué)生可以通過(guò)觀(guān)察植物形態(tài)、測(cè)量植物生長(zhǎng)情況、識(shí)別并描述植物生命周期的不同階段，解釋和推斷環(huán)境因素是如何影響植物的生長(zhǎng)地點(diǎn)和生長(zhǎng)時(shí)間的。相關(guān)分析記錄可以利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法呈現(xiàn)，學(xué)生學(xué)習(xí)統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)和作圖，相關(guān)結(jié)論可以通過(guò)論文或答辯形式展示，學(xué)生學(xué)習(xí)寫(xiě)作完成口頭和書(shū)面形式的表述。

這些常規(guī)課上完成的項(xiàng)目，有利于學(xué)生進(jìn)一步設(shè)計(jì)和完成高水準(zhǔn)的STEM項(xiàng)目，教師需要學(xué)會(huì)創(chuàng)設(shè)適宜學(xué)生成長(zhǎng)的空間，幫助每一位學(xué)生成長(zhǎng)為積極的、有創(chuàng)新能力的、能夠相互合作的創(chuàng)新人才。

2.建設(shè)STEM理念學(xué)校，顛覆傳統(tǒng)課程體系

以美國(guó)圣地亞哥高科技高中為例，學(xué)校打破傳統(tǒng)的按學(xué)科分類(lèi)的教學(xué)模式，完全采用PBL學(xué)習(xí)方法，貫穿STEM理念，讓學(xué)生通過(guò)完成一個(gè)個(gè)項(xiàng)目獲得應(yīng)學(xué)并且實(shí)用的知識(shí)和技能。學(xué)生的課堂都被改裝為一個(gè)個(gè)現(xiàn)實(shí)生活化的操作場(chǎng)所機(jī)械車(chē)間、攝影棚、商店等，置身其中就如同處于一個(gè)個(gè)鮮活的社會(huì)場(chǎng)景中。學(xué)習(xí)內(nèi)容都在現(xiàn)實(shí)性意義的項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)下，由學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐操作完成。比如，11年級(jí)學(xué)生的一個(gè)課例名為“Ebola Going Viral”，學(xué)生需要完成如下幾個(gè)任務(wù)：①小組團(tuán)隊(duì)合作了解埃博拉病毒如何傳播、如何引起死亡，以及公眾對(duì)疾病的態(tài)度;②制作一套問(wèn)卷調(diào)查醫(yī)護(hù)人員（調(diào)查傳染病與社區(qū)人員之間的聯(lián)系）和社區(qū)公眾（調(diào)查公眾如何識(shí)別傳染病及看法）;③收集數(shù)據(jù)并與全國(guó)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（如CDC）進(jìn)行比較，找出誤解;④開(kāi)發(fā)一項(xiàng)產(chǎn)品，通過(guò)可訪(fǎng)問(wèn)的形式呈現(xiàn)科學(xué)數(shù)據(jù)解決公眾理解上存在的問(wèn)題，基于調(diào)查提出一種控制埃博拉疫情蔓延的解決方法（須采用多媒體技術(shù)）。在完成任務(wù)的過(guò)程中，學(xué)生能夠掌握生物學(xué)知識(shí)、社會(huì)科學(xué)調(diào)查方法、醫(yī)學(xué)常識(shí)、信息技術(shù)和寫(xiě)作技能。

在國(guó)內(nèi)，目前類(lèi)似的學(xué)校也已經(jīng)有一些雛形，并且取得了不錯(cuò)的成績(jī)。比如山東濰坊高新區(qū)鋼城現(xiàn)代學(xué)校，學(xué)校的課堂沒(méi)有上下課鈴，教師根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)生狀態(tài)自由調(diào)整課時(shí)。小學(xué)階段課程設(shè)計(jì)了“我與自然”“我與社會(huì)”“我與自己”3個(gè)宏觀(guān)的單元主題，每個(gè)主題用5～7周時(shí)間進(jìn)行教學(xué)。各個(gè)學(xué)科的知識(shí)點(diǎn)則被整合融入主題活動(dòng)中，讓知識(shí)和學(xué)生的生活對(duì)按。這樣的主題活動(dòng)可以整合和覆蓋各學(xué)科課標(biāo)要求70%的知識(shí)點(diǎn)，其余知識(shí)點(diǎn)教師則按照正常的課時(shí)安排授課。

目前，STEM教育很多都是以基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方式完成的，結(jié)合國(guó)內(nèi)外已有案例，通過(guò)建設(shè)STEM理念學(xué)校，重組跨學(xué)科知識(shí)點(diǎn)為真實(shí)項(xiàng)目，學(xué)生在完成任務(wù)過(guò)程中掌握學(xué)科知識(shí)，能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新人格。

四、結(jié)語(yǔ)

創(chuàng)新人才培養(yǎng)一直是高等教育面臨的重點(diǎn)和難題。其實(shí)，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)并不是一個(gè)孤立的階段，也不是單純通過(guò)高等教育培養(yǎng)可以一蹴而就形成的，這是一個(gè)連續(xù)漸進(jìn)的過(guò)程，因此小學(xué)、中學(xué)階段的創(chuàng)新教育則顯得尤為重要。中小學(xué)階段，借鑒STEM教育理念，開(kāi)展基于項(xiàng)目的選修課程，一定程度上已經(jīng)提高了學(xué)生對(duì)自我、對(duì)社會(huì)和對(duì)科研的認(rèn)識(shí)。在此基礎(chǔ)上，將基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)理念推廣、應(yīng)用于常規(guī)學(xué)科課程，增加戶(hù)外項(xiàng)目實(shí)踐體驗(yàn)課程，或者在學(xué)校層面鼓勵(lì)跨學(xué)科知識(shí)融合與顛覆傳統(tǒng)課堂的嘗試，或能為創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供新的方向。