STEM素養(yǎng)的內(nèi)涵及結(jié)構(gòu)框架模型研究

楊彥軍 張佳慧 吳丹

[摘? ?要] STEM教育的發(fā)展為創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)提供了一條可行之路，而深入研究STEM素養(yǎng)的內(nèi)涵及結(jié)構(gòu)是當(dāng)前推進(jìn)STEM教育的關(guān)鍵所在。為此，文章首先通過分析現(xiàn)有研究明確STEM素養(yǎng)的內(nèi)涵，再通過對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)STEM素養(yǎng)構(gòu)成要素的政策文件的梳理總結(jié)論述STEM素養(yǎng)的構(gòu)成。在此基礎(chǔ)上，從知能、情意、價(jià)值三個(gè)維度系統(tǒng)分析STEM素養(yǎng)的結(jié)構(gòu)，提出STEM素養(yǎng)結(jié)構(gòu)金字塔模型，將知能維度的STEM素養(yǎng)分為STEM學(xué)科基礎(chǔ)知能、STEM學(xué)科核心素養(yǎng)、STEM共同核心素養(yǎng)三層內(nèi)容。STEM學(xué)科基礎(chǔ)知能層指數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)、工程、計(jì)算機(jī)等具體學(xué)科或領(lǐng)域中的基本知識(shí)、基本技能、基本方法等;STEM學(xué)科核心素養(yǎng)層指解決STEM相關(guān)學(xué)科或多學(xué)科交叉融合領(lǐng)域復(fù)雜性問題所應(yīng)具備的關(guān)鍵能力;STEM共同核心素養(yǎng)層指解決超越具體學(xué)科或工作領(lǐng)域的真實(shí)世界復(fù)雜性問題的綜合能力。最后細(xì)化各個(gè)層次中STEM素養(yǎng)的構(gòu)成要素和內(nèi)容，以求為STEM教育的開展打好基礎(chǔ)，明確方向。

[關(guān)鍵詞] STEM素養(yǎng); STEM教育; 核心素養(yǎng)

[中圖分類號(hào)] G434? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A

[作者簡(jiǎn)介] 楊彥軍（1981—），男，甘肅天水人。副教授，博士，主要從事信息技術(shù)與教育研究。E-mail：ts.yyj@126.com。

一、引? ?言

教育學(xué)領(lǐng)域的“STEM”是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）學(xué)科的簡(jiǎn)稱，是幾個(gè)學(xué)科英文名稱首字母的縮寫。在不同語境下可以指領(lǐng)域、學(xué)科、課程和教育理念等。STEM概念的提出最早源于二戰(zhàn)后美國(guó)政府對(duì)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域研究工作的重視，進(jìn)而強(qiáng)調(diào)高校STEM人才的培養(yǎng)和STEM課程教學(xué)質(zhì)量的提升。世紀(jì)之交，全球范圍內(nèi)對(duì)21世紀(jì)人才特征的分析，逐漸形成了培養(yǎng)具備STEM素養(yǎng)的科技創(chuàng)新人才的共識(shí)。美國(guó)州長(zhǎng)協(xié)會(huì)（National Governors Association，簡(jiǎn)稱NGA）在《創(chuàng)新美國(guó)：擬定科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)議程》（Innovation America： Building a Science， Technology， Engineering and Math Agenda）中指出，在知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代只有具備STEM素養(yǎng)的人，才能在激烈競(jìng)爭(zhēng)中取得先機(jī)、贏得勝利[1]。《中國(guó)STEM教育白皮書》指出，STEM教育是面向所有學(xué)生的培養(yǎng)綜合素質(zhì)的載體[2]，這種綜合素質(zhì)的核心是STEM素養(yǎng)。但關(guān)于什么是STEM素養(yǎng)、STEM素養(yǎng)的內(nèi)涵包括哪些、STEM素養(yǎng)的結(jié)構(gòu)包括哪些方面等還沒有更為具體深入的研究。根據(jù)我國(guó)STEM教育現(xiàn)狀和落實(shí)STEM素養(yǎng)的現(xiàn)實(shí)需求，有必要對(duì)STEM素養(yǎng)的內(nèi)涵及結(jié)構(gòu)進(jìn)行更為細(xì)致的分析。為此，本文對(duì)STEM素養(yǎng)的內(nèi)涵與構(gòu)成進(jìn)行了梳理總結(jié)，并深入分析了STEM素養(yǎng)的結(jié)構(gòu)模型及具體要素。

二、STEM素養(yǎng)的內(nèi)涵

（一）現(xiàn)有STEM素養(yǎng)的研究

STEM素養(yǎng)的概念界定目前尚未形成廣泛共識(shí)?，F(xiàn)有的關(guān)于STEM素養(yǎng)的界定多從兩方面出發(fā)：一是STEM素養(yǎng)涵蓋的學(xué)科范疇，二是STEM素養(yǎng)培養(yǎng)的能力方向。側(cè)重于STEM素養(yǎng)培養(yǎng)的能力方向的定義較多，如諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主萊德曼（Lederman L.M.）將STEM素養(yǎng)（STEM Literacy）界定為能夠適應(yīng)和接納在與他人合作中由新技術(shù)所引發(fā)的變化的能力，具備STEM素養(yǎng)的人能夠預(yù)期他們行動(dòng)的多層次影響、能夠和不同對(duì)象有效交流復(fù)雜觀點(diǎn)，最重要的是，能夠?yàn)橐粋€(gè)真實(shí)而復(fù)雜的問題找到前所未有的創(chuàng)新解決方案[3]。著名科學(xué)教育專家羅杰·W·拜比（Bybee R.W.）認(rèn)為，STEM素養(yǎng)（STEM Literacy）包括：在實(shí)際生活情境中發(fā)現(xiàn)問題、解決疑難、解釋自然和人造物、形成基于證據(jù)的結(jié)論的知識(shí)、態(tài)度和技能;理解STEM是關(guān)于人類探究和設(shè)計(jì)知識(shí)的學(xué)科;意識(shí)到STEM學(xué)科對(duì)我們的材料、智力和文化環(huán)境等方面的影響;作為一個(gè)富有建設(shè)性和善于思考的公民運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等概念參與STEM相關(guān)事務(wù)的意愿[4]。國(guó)內(nèi)學(xué)者楊彥軍等人將STEM素養(yǎng)界定為個(gè)體在STEM相關(guān)領(lǐng)域中綜合運(yùn)用STEM學(xué)科相關(guān)知識(shí)、技能、情感、態(tài)度和價(jià)值觀等解決真實(shí)世界復(fù)雜性問題的綜合能力[5]。另外，也有一些定義側(cè)重于STEM素養(yǎng)涵蓋的范疇，如NGA將STEM素養(yǎng)（STEM Literacy）界定為個(gè)人將其關(guān)于現(xiàn)實(shí)世界運(yùn)行方式的知識(shí)運(yùn)用于科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)以及相關(guān)跨學(xué)科領(lǐng)域的能力[1]。美國(guó)學(xué)校科學(xué)與數(shù)學(xué)協(xié)會(huì)（School Science and Mathematics Association）認(rèn)為，STEM教育的目標(biāo)應(yīng)該比科學(xué)素養(yǎng)廣，它是科學(xué)與工程實(shí)踐、學(xué)科重要（核心）概念和跨學(xué)科概念的三緯融合[6]。北伊利諾伊大學(xué)艾倫·佐爾曼（Zollman A.）認(rèn)為，不能將STEM素養(yǎng)（STEM Literacy）視為領(lǐng)域知識(shí)，而應(yīng)當(dāng)理解成包含技能、能力、事實(shí)性知識(shí)、程序性知識(shí)和元認(rèn)知技能的綜合能力[7]。

（二）STEM素養(yǎng)的定義

通過對(duì)以上定義的分析可見：對(duì)STEM素養(yǎng)的界定既要明確學(xué)科范疇，也要強(qiáng)調(diào)綜合能力的特點(diǎn)。就STEM素養(yǎng)涉及的學(xué)科范疇來看，它既要包含STEM各學(xué)科特有的知識(shí)體系，也要包含數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)、工程、計(jì)算機(jī)等STEM相關(guān)學(xué)科交叉的共通概念;就STEM素養(yǎng)涵蓋的內(nèi)容來看，它既要包括基本知識(shí)、技能、方法及創(chuàng)造性地解決復(fù)雜問題的多維能力，也要強(qiáng)調(diào)情感、態(tài)度和價(jià)值觀在其中的導(dǎo)向作用。此外，關(guān)于素養(yǎng)一詞的英語表達(dá)也未統(tǒng)一，經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（Organization for Economic Co-operation and Development，簡(jiǎn)稱OECD）曾使用“competencies”表述素養(yǎng)，指出素養(yǎng)不只是知識(shí)與技能，還涉及滿足特定情況下復(fù)雜需求的能力[8]。在《21世紀(jì)技能框架》[9]等文件中開始使用“skills”一詞指代素養(yǎng)，提出對(duì)未來社會(huì)人才的要求。近年來，在美國(guó)發(fā)布的《STEM 2026報(bào)告》[10]、《北極星計(jì)劃》[11]和澳大利亞發(fā)布的《STEM學(xué)校教育國(guó)家戰(zhàn)略》[12]等文件普遍使用“l(fā)iteracy”代表素養(yǎng)。綜合來看，“l(fā)iteracy”更加強(qiáng)調(diào)知識(shí)、能力、態(tài)度的綜合，體現(xiàn)出情感、態(tài)度、價(jià)值觀的地位，并側(cè)重于后天的可發(fā)展性，在近年來的文獻(xiàn)中也經(jīng)常使用，因此，本研究采用“l(fā)iteracy”來表示STEM素養(yǎng)中的“素養(yǎng)”一詞。綜上所述，我們可以將STEM素養(yǎng)界定為：STEM素養(yǎng)（STEM Literacy）是個(gè)體在STEM相關(guān)領(lǐng)域綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)、工程和計(jì)算機(jī)等STEM學(xué)科相關(guān)知識(shí)、技能、方法、情感、態(tài)度和價(jià)值觀以創(chuàng)造性地解決復(fù)雜問題的綜合能力。

三、STEM素養(yǎng)的結(jié)構(gòu)框架模型

STEM教育的核心目標(biāo)是發(fā)展學(xué)習(xí)者的STEM素養(yǎng)，STEM素養(yǎng)是個(gè)體在具體的問題情境中綜合運(yùn)用相關(guān)學(xué)科知識(shí)、技能、方法、情感、態(tài)度和價(jià)值觀以創(chuàng)造性地解決復(fù)雜問題的綜合能力。為了將STEM素養(yǎng)的培養(yǎng)落實(shí)到具體的課程和教學(xué)活動(dòng)中，需要對(duì)其具體內(nèi)涵進(jìn)行更加深入細(xì)致的分析。

（一）STEM素養(yǎng)的構(gòu)成研究

雖然目前關(guān)于STEM素養(yǎng)的內(nèi)容鮮有系統(tǒng)的論述，但已有一些研究論及了STEM素養(yǎng)的構(gòu)成。有學(xué)者將現(xiàn)有的關(guān)于STEM素養(yǎng)內(nèi)涵的研究分為還原論和整體論兩種視角。還原論視角認(rèn)為，可將STEM素養(yǎng)還原為科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)等不同STEM學(xué)科素養(yǎng)。整體論視角認(rèn)為，STEM素養(yǎng)側(cè)重于科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等各個(gè)學(xué)科相關(guān)內(nèi)涵的深度整合，強(qiáng)調(diào)通過對(duì)STEM學(xué)科知識(shí)、技能、方法的融合，學(xué)生能夠具備解決實(shí)際問題、探索現(xiàn)實(shí)世界的能力。[13]從還原論視角來看，余勝泉等指出，STEM素養(yǎng)包含了科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)，包括運(yùn)用這些學(xué)科的相關(guān)能力、將所學(xué)的知識(shí)與技能轉(zhuǎn)化為探索現(xiàn)實(shí)世界各個(gè)方面的綜合能力[14]。祝智庭等認(rèn)為，STEM教育服務(wù)于學(xué)生的核心素養(yǎng)發(fā)展，主要包括科學(xué)素養(yǎng)、合作精神、創(chuàng)造力、批判思維、問題解決能力、深度學(xué)習(xí)能力、適應(yīng)未來的能力等[15]。從整體論視角出發(fā)，有研究者認(rèn)為，STEM素養(yǎng)是指科學(xué)技術(shù)與工程素養(yǎng)（Science technology & engineering literacy，STEL）、數(shù)學(xué)技術(shù)與工程素養(yǎng)（Mathematics technology and engineering literacy，MTEL）和科學(xué)數(shù)學(xué)素養(yǎng)（Science mathematics literacy，SML）所共同涵蓋的部分，它由跨學(xué)科的知識(shí)和實(shí)踐技能組成，用于解決日常生活中與STEM相關(guān)的問題[16]。美國(guó)喬治敦大學(xué)教育和勞動(dòng)力中心（Georgetown University Center on Education and the Workforce，簡(jiǎn)稱GCEW）的《STEM》研究報(bào)告顯示，STEM工作者需具備的能力框架包含STEM知識(shí)、技能、能力、職業(yè)價(jià)值和職業(yè)興趣五部分[17]。其實(shí)，還原論和整體論并不是截然對(duì)立的，現(xiàn)代系統(tǒng)論將這兩者有機(jī)整合。根據(jù)現(xiàn)代系統(tǒng)論觀點(diǎn)，對(duì)STEM素養(yǎng)內(nèi)涵的分析既要從還原論視角做精細(xì)化分析以利于跨學(xué)科整合中的精準(zhǔn)實(shí)踐，又要基于整體論視角展開探索以便于課程和教學(xué)活動(dòng)的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，從而將系統(tǒng)的整體性和局部的具體性有機(jī)結(jié)合，在具體全面概括STEM素養(yǎng)內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，將其層次化和原子化，從而為具體實(shí)踐提供操作依據(jù)。此外，還有一些重要的STEM教育政策文件、研究報(bào)告等文獻(xiàn)中也零星地提及STEM素養(yǎng)的構(gòu)成要素，相關(guān)文件中涉及的STEM素養(yǎng)構(gòu)成要素見表1。

通過對(duì)以上文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有相關(guān)文件大多未把STEM素養(yǎng)的內(nèi)涵與構(gòu)成要素當(dāng)作主要研究?jī)?nèi)容，由于各自視角和關(guān)注重點(diǎn)不同，表述STEM素養(yǎng)時(shí)也存在較大差異。有些研究更加關(guān)注STEM學(xué)科知識(shí)與技能，如《推動(dòng)STEM教育，發(fā)揮創(chuàng)意潛能》[18]、《STEM教育政策聲明（2017—2026）》[19]等;有的研究則視角相對(duì)比較宏觀，重點(diǎn)關(guān)注各學(xué)科核心素養(yǎng)或21世紀(jì)技能方面，如《STEM教育的國(guó)策分析與實(shí)踐模式》[15];有的從整體架構(gòu)著手，如《STEM報(bào)告》[17];還有的以系統(tǒng)性描述為主，如《STEM教育理念與跨學(xué)科整合模式》[14]、《STEM素養(yǎng)視域下的科學(xué)教學(xué)： 審思與重構(gòu)》[13]。為了更直觀地顯示相關(guān)文件對(duì)STEM素養(yǎng)內(nèi)涵的描述，對(duì)這些文件中涉及的STEM素養(yǎng)構(gòu)成要素做詞云分析（如圖1所示），可以發(fā)現(xiàn)其中主要包括批判性思維、問題解決、創(chuàng)造性思維、團(tuán)隊(duì)合作、跨學(xué)科思維等21世紀(jì)綜合素養(yǎng)，數(shù)學(xué)素養(yǎng)、科學(xué)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)等學(xué)科核心素養(yǎng)以及STEM相關(guān)學(xué)科或領(lǐng)域的基本知識(shí)和基本技能。

（二）STEM素養(yǎng)的結(jié)構(gòu)模型

現(xiàn)有的研究因側(cè)重點(diǎn)不同，對(duì)STEM素養(yǎng)的內(nèi)涵表述存在差異，總的來說，主要包括批判性思維、問題解決、創(chuàng)造性思維、團(tuán)隊(duì)合作、跨學(xué)科思維、數(shù)學(xué)素養(yǎng)、科學(xué)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)以及STEM相關(guān)學(xué)科或領(lǐng)域的基本知識(shí)、基本技能、基本方法等。從各要素的抽象程度和適用范圍來看，STEM素養(yǎng)是有層次性的。美國(guó)喬吉特·亞克曼（Georgette Yakman）教授曾根據(jù)STEM學(xué)科間整合程度的差異提出STE@M學(xué)科整合教育框架（STEAM framework）[20]。該框架在縱向上由高到低分為五層：第一層是表明STEAM教育終身性和整體性的“終極目標(biāo)層（Life-long Holistic）”;第二層是強(qiáng)調(diào)以跨學(xué)科方式解決問題為主的“綜合層（Integrative）”;第三層是強(qiáng)調(diào)藝術(shù)對(duì)其他各個(gè)學(xué)科滲透的“多學(xué)科層（Multidisciplinary）”;第四層是以關(guān)聯(lián)視角的分科教學(xué)為主的“特定學(xué)科層（Discipline Specific）”;第五層是與特定學(xué)科課程相關(guān)的“具體內(nèi)容層（Content Specific）”。從橫向上又將多學(xué)科層分為藝術(shù)等人文類學(xué)科和STEM課程體系，特定學(xué)科層分為科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科，具體內(nèi)容層則分為更具體的各基礎(chǔ)課程或?qū)I(yè)領(lǐng)域。此模型將學(xué)習(xí)者素養(yǎng)、能力的發(fā)展分為相互銜接漸進(jìn)的多個(gè)水平、不同階段，體現(xiàn)了STEM素養(yǎng)構(gòu)成要素的層次性和STEM素養(yǎng)發(fā)展的階段性特征，同時(shí)也反映了STEM教育途徑的多樣性，具有借鑒意義。但該模型僅關(guān)注學(xué)習(xí)者認(rèn)知層面的培養(yǎng)，而忽略了學(xué)習(xí)者情感、態(tài)度、價(jià)值觀的變化，可能會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)者整體發(fā)展的失衡。馮友梅和李藝對(duì)布魯姆的教育目標(biāo)分類學(xué)進(jìn)行了反思，指出其因?qū)θ说那懈疃萑肓藷o綜合的誤區(qū)，對(duì)認(rèn)知領(lǐng)域的執(zhí)著使得動(dòng)作技能和情感領(lǐng)域孤懸在外，僅僅對(duì)外在行為的描述使得知識(shí)與思維、能力無法聯(lián)通[21]?？梢?，對(duì)于STEM素養(yǎng)內(nèi)涵的分析，也不能簡(jiǎn)單地將知識(shí)與能力割裂，或粗暴地將認(rèn)知與情感分離。事實(shí)上，學(xué)習(xí)者的情感、態(tài)度、價(jià)值觀的培養(yǎng)與認(rèn)知領(lǐng)域的STEM素養(yǎng)的發(fā)展是并重的，它滲透在各層次的STEM教育中，與學(xué)習(xí)者認(rèn)知能力的發(fā)展相互促進(jìn)，新加坡政府的核心素養(yǎng)框架就將包括尊重、誠(chéng)信、關(guān)愛、抗逆、和諧、負(fù)責(zé)等內(nèi)容的核心價(jià)值置于中心[22]，可見其重要性。有研究者以皮亞杰的發(fā)生認(rèn)識(shí)論哲學(xué)為理論基礎(chǔ)，建構(gòu)了包括學(xué)科知識(shí)、問題解決、學(xué)科思維三個(gè)層次的全人教育（教學(xué)）目標(biāo)分層結(jié)構(gòu)描述模型[23]，建立起了知識(shí)與思維、能力的聯(lián)系，提出知識(shí)從屬于思維，思維的結(jié)構(gòu)與水平?jīng)Q定著知識(shí)的結(jié)構(gòu)與水平的觀點(diǎn)，為我們厘清STEM素養(yǎng)相關(guān)要素之間的層次關(guān)系提供了很好的啟示。根據(jù)知識(shí)與思維、能力的內(nèi)在聯(lián)系和本質(zhì)的一致性，可建立起面向全人教育的STEM素養(yǎng)內(nèi)涵三維金字塔模型。

根據(jù)以上分析，將STEM素養(yǎng)整體上從以“全人發(fā)展”為目標(biāo)導(dǎo)向的知能、情意、價(jià)值三個(gè)維度描述，三個(gè)方面相互促進(jìn)、融為一體，是人的全面發(fā)展和全人教育的基本要求。知能維度是STEM素養(yǎng)中的知識(shí)、技能（含身體準(zhǔn)備）、方法的部分;情意維度是STEM素養(yǎng)中支撐STEM實(shí)踐活動(dòng)開展的情感、意志、責(zé)任感等個(gè)人品質(zhì)方面的部分;價(jià)值維度是STEM素養(yǎng)中引導(dǎo)STEM實(shí)踐導(dǎo)向的價(jià)值選擇、倫理道德等方面的部分。例如，一個(gè)具備良好STEM素養(yǎng)的心外科醫(yī)生在給病人做心臟手術(shù)時(shí)，不但要具備有關(guān)人體心臟、血管、神經(jīng)等位置方面的知識(shí)和制定科學(xué)治療方案的專業(yè)能力，還要有操作手術(shù)刀或治療設(shè)備實(shí)施手術(shù)的專業(yè)技能，這是“知能”維度;與此同時(shí)，他還應(yīng)該具有把病人當(dāng)成血肉之軀的“人”的共情能力，而不是僅僅把病人當(dāng)作各種器官組成的“肉體”，在手術(shù)的過程中要具備能夠克服長(zhǎng)時(shí)間手術(shù)過程帶來的身體不適的意志力和有始有終地完成手術(shù)的責(zé)任心，這是“情意”維度;在治療整個(gè)病患的過程中應(yīng)當(dāng)全身心關(guān)注病人的身心健康而非個(gè)人績(jī)效、在整個(gè)從業(yè)生涯中應(yīng)當(dāng)注重懸壺濟(jì)世的價(jià)值追求而非金錢權(quán)力的物欲滿足，這是價(jià)值維度。在此基礎(chǔ)上，將STEM素養(yǎng)的構(gòu)成要素進(jìn)一步分層歸類，從縱向上可將其分為抽象程度不同的若干層次，如學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)與技能、學(xué)科核心素養(yǎng)和共同核心素養(yǎng);從橫向上劃分為具體的類目，如最頂層的共同核心素養(yǎng)可以從認(rèn)知維度劃分為批判性思維、問題解決、交流與合作等具體類別，從情意維度劃分為共情、愛、審美情趣、普遍信念等具體類別，從價(jià)值觀維度劃分為積極的科學(xué)態(tài)度、人生態(tài)度以及愛國(guó)、敬業(yè)、誠(chéng)信、友善等社會(huì)道德的具體類別。每一層次均由知能、情意和價(jià)值三個(gè)維度融合而成，三個(gè)維度和縱橫兩向結(jié)合形成STEM素養(yǎng)結(jié)構(gòu)金字塔模型，如圖2所示。情感和價(jià)值維度更具整體性且涉及面非常廣，本研究不作深入探討。聚焦知能維度，最底層是STEM各相關(guān)學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)、技能和方法的綜合;中間層次是建立在STEM基本知識(shí)、技能和方法之上的學(xué)科核心素養(yǎng);最頂層是超越學(xué)科界限的共同核心素養(yǎng)（或者“21世紀(jì)技能”“學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)”等），由低到高抽象性和綜合性逐漸增強(qiáng)。三層素養(yǎng)之間相互影響，相互促進(jìn)，基礎(chǔ)知識(shí)、技能和方法的掌握是高階綜合素養(yǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)，核心素養(yǎng)和學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展也能反過來提高基礎(chǔ)知識(shí)和技能學(xué)習(xí)的效率。

（三）STEM素養(yǎng)的要素框架

雖然STEM素養(yǎng)結(jié)構(gòu)金字塔模型很好地體現(xiàn)了STEM素養(yǎng)的整體性與層次性特征，但對(duì)于每個(gè)層次內(nèi)的關(guān)鍵要素缺乏系統(tǒng)全面的呈現(xiàn)。因此，還有必要進(jìn)一步對(duì)STEM素養(yǎng)的關(guān)鍵要素進(jìn)行細(xì)化分析，力求構(gòu)建出較為完善的STEM素養(yǎng)的要素框架。將表1中所涉及的STEM素養(yǎng)要素按照STEM素養(yǎng)模型的分層標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分層分類標(biāo)記，得到表2的STEM素養(yǎng)的要素框架，鑒于以上文件對(duì)STEM素養(yǎng)的分析較少涉及情感、態(tài)度、價(jià)值觀方面，在表2中暫不列出分類。

1. STEM共同核心素養(yǎng)層要素

STEM共同核心素養(yǎng)是指用于解決超越具體學(xué)科或工作領(lǐng)域的真實(shí)世界復(fù)雜性問題的綜合能力。它是學(xué)生應(yīng)該具備的最核心、最具有普適性的關(guān)鍵素養(yǎng)，是STEM素養(yǎng)發(fā)展水平的重要指標(biāo)，也是實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)教育的關(guān)鍵組成部分。它的內(nèi)容與21世紀(jì)技能組織提出的21世紀(jì)技能框架和中國(guó)政府提出的學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)具有內(nèi)在一致性，但更加強(qiáng)調(diào)在解決科技類問題過程中經(jīng)常用到的相關(guān)共同核心素養(yǎng)。由表2可知，STEM共同核心素養(yǎng)在知能維度主要包括批判性思維、問題解決能力、合作與交流、創(chuàng)新能力及創(chuàng)造力等。批判性思維是對(duì)于信息反思、質(zhì)疑的態(tài)度和反思時(shí)能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行辨別、分析、判斷和做出決策的能力[24]。STEM教育過程中，學(xué)習(xí)者通過多種方式搜集信息以明確問題、小組商討以深入問題、制定方案以解答問題、反思學(xué)習(xí)過程等步驟逐步發(fā)展批判性思維。問題解決能力指能夠正確地定義問題、分析問題、收集并組織信息以提出問題解決方案的能力。創(chuàng)造力（Creativity）是一種提出或產(chǎn)生新穎且適當(dāng)?shù)墓ぷ鞒晒哪芰25]。褚宏啟教授指出，核心素養(yǎng)的核心是創(chuàng)新能力，培養(yǎng)創(chuàng)新人才是中國(guó)教育的首要目標(biāo)，是中國(guó)教育現(xiàn)代化的首要任務(wù)[26]。因此，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力也是STEM教育的重要任務(wù)。而STEM教育過程中采取的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)和問題解決式學(xué)習(xí)方式常常需要多人合作，因而也有助于培養(yǎng)學(xué)生的交流與合作能力。

2. STEM學(xué)科核心素養(yǎng)層要素

STEM學(xué)科核心素養(yǎng)層是指解決數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)、工程、計(jì)算機(jī)等相關(guān)學(xué)科或多學(xué)科交叉融合領(lǐng)域復(fù)雜性問題所應(yīng)具備的相關(guān)思維和能力。它是STEM共同核心素養(yǎng)在學(xué)科或交叉學(xué)科上的具體化，是基于學(xué)科的綜合思維模式。根據(jù)表2可知，STEM學(xué)科核心素養(yǎng)在知能維度主要包括技術(shù)素養(yǎng)、數(shù)學(xué)素養(yǎng)、科學(xué)素養(yǎng)、數(shù)字素養(yǎng)、工程思維、計(jì)算思維、設(shè)計(jì)思維、跨學(xué)科思維等學(xué)科綜合能力。技術(shù)思維是一種考慮理論和實(shí)踐的連接，從理論出發(fā)論證實(shí)踐的可行性，選擇符合目標(biāo)的技術(shù)要素，設(shè)計(jì)合理的技術(shù)結(jié)構(gòu)，以期達(dá)到目標(biāo)—手段的一致，確保行動(dòng)的可靠性的思維方式[27]。STEM教育不僅要求學(xué)生會(huì)使用技術(shù)，還要發(fā)展技術(shù)思維，能夠在特定的情境選擇恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)，創(chuàng)造性地解決問題，不斷深化學(xué)習(xí)能力。工程思維是以系統(tǒng)分析和比較權(quán)衡為核心的一種籌劃性思維[28]。具備科學(xué)素養(yǎng)的人則需要具備識(shí)別科學(xué)原理的能力、運(yùn)用科學(xué)原理的能力、科學(xué)探究的能力和應(yīng)用科學(xué)技術(shù)的能力[29]。數(shù)學(xué)素養(yǎng)不是簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算，而是經(jīng)過長(zhǎng)期、反復(fù)的反省和積累，將數(shù)學(xué)知識(shí)、數(shù)學(xué)運(yùn)算內(nèi)化為經(jīng)驗(yàn)與思維的過程。STEM教育為數(shù)學(xué)知識(shí)的運(yùn)用提供了真實(shí)情境，可促進(jìn)數(shù)學(xué)思維的形成及數(shù)學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。數(shù)字素養(yǎng)是一種利用信息和通信技術(shù)發(fā)現(xiàn)、評(píng)定、創(chuàng)建和交換信息的能力，需要具備認(rèn)知技能和技術(shù)技能[30]。通過將計(jì)算機(jī)科學(xué)與STEM課程相結(jié)合，可以培養(yǎng)學(xué)生檢索、篩選、辨別、整合信息的能力，進(jìn)而提升學(xué)生的數(shù)字素養(yǎng)和計(jì)算思維水平。STEM教育跨學(xué)科融合的特點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生跨學(xué)科思維的發(fā)展，即在基于問題或項(xiàng)目的學(xué)習(xí)活動(dòng)中，能有效、主動(dòng)地調(diào)用相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)和技能分析、解決問題，積極建構(gòu)獨(dú)特的學(xué)科知識(shí)體系，具備多學(xué)科知識(shí)融合的理念。作為STEM素養(yǎng)中間層次的內(nèi)涵，STEM學(xué)科核心素養(yǎng)是連接頂層設(shè)計(jì)與實(shí)際課程開發(fā)實(shí)施的橋梁。

3. STEM學(xué)科基礎(chǔ)知能層要素

根據(jù)《推動(dòng)STEM教育，發(fā)揮創(chuàng)意潛能》[18]和美國(guó)發(fā)布的《STEM 2026：STEM 教育中的創(chuàng)新愿景》[10]，STEM教育可提升學(xué)習(xí)者在STEM相關(guān)領(lǐng)域中的基礎(chǔ)知識(shí)、技能和方法等，即學(xué)科基礎(chǔ)知能或經(jīng)常說的“雙基”目標(biāo)。STEM學(xué)科基礎(chǔ)知能包括科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)的基本知識(shí)、基本技能和基本方法，或與STEM主題相關(guān)的其他領(lǐng)域的知識(shí)、技能和方法。具體來說，STEM基礎(chǔ)知識(shí)主要指STEM領(lǐng)域的基本知識(shí)與原理，如數(shù)學(xué)、物理、科學(xué)、生物、環(huán)境、信息等;STEM基本技能主要指口頭表達(dá)能力、實(shí)驗(yàn)操作能力、動(dòng)手實(shí)踐能力、信息搜集能力、數(shù)據(jù)利用能力、寫作技能、時(shí)間管理能力等STEM教育培養(yǎng)的基礎(chǔ)技能;STEM基本方法指STEM學(xué)習(xí)和實(shí)踐中的常用方法，如科學(xué)實(shí)驗(yàn)法、科學(xué)觀察、社會(huì)調(diào)查法、定量分析法、定性分析法等。STEM共同核心素養(yǎng)和STEM學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)，最終還是要依托能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者提供有效學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的課程，無論是采取分科式還是整合式STEM教育方式，相關(guān)學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能和基本方法的學(xué)習(xí)都是起點(diǎn)。正如有學(xué)者所指出的，知識(shí)是學(xué)科核心素養(yǎng)產(chǎn)生的源泉。對(duì)學(xué)習(xí)者來說，基礎(chǔ)知識(shí)的理解和基本技能的形成是形成學(xué)科核心素養(yǎng)的前提和條件[31]。

總之，可將STEM素養(yǎng)的內(nèi)涵進(jìn)一步細(xì)化分析，最頂層的共同核心素養(yǎng)層包括合作與交流、創(chuàng)造力、批判性思維、問題解決、元認(rèn)知等認(rèn)知領(lǐng)域素養(yǎng)和正義、平等、關(guān)懷、責(zé)任、倫理、法治等綜合素養(yǎng)，中間層的學(xué)科核心素養(yǎng)層主要包括科學(xué)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、信息素養(yǎng)、計(jì)算思維、跨學(xué)科思維等學(xué)科專業(yè)素養(yǎng)和跨學(xué)科素養(yǎng)以及信念、真理、獨(dú)特性、尊重等情感價(jià)值觀，最底層的學(xué)科基礎(chǔ)知能層包括STEM具體學(xué)科或領(lǐng)域中的基本知識(shí)、技能和方法。需要注意的是，在實(shí)際教育實(shí)踐中，并不是每一門STEM課程或每一種STEM教育模式都會(huì)涉及上述全部的STEM素養(yǎng)，不同類型的STEM課程在STEM素養(yǎng)的培養(yǎng)方面各有側(cè)重點(diǎn)。但STEM課程開發(fā)人員或教師在開發(fā)STEM課程或?qū)嵤㏒TEM教育時(shí)，應(yīng)盡可能地圍繞上述STEM素養(yǎng)開展工作，以求最大化地促進(jìn)學(xué)生的發(fā)展。

四、結(jié)? ?語

STEM教育已成為當(dāng)前世界各國(guó)推動(dòng)教育系統(tǒng)變革的戰(zhàn)略選擇和重要抓手，通過系統(tǒng)實(shí)施STEM教育以培養(yǎng)具備STEM素養(yǎng)的科技創(chuàng)新人才已成為各國(guó)增強(qiáng)綜合國(guó)力和提升國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的主要途徑。我國(guó)在建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家的進(jìn)程中，在科技領(lǐng)域經(jīng)歷了“跟跑”“并跑”的發(fā)展階段后，必然要經(jīng)歷從局部“領(lǐng)跑”走向全面“領(lǐng)跑”的過程，在這個(gè)過程中，核心技術(shù)“買不來”、高端人才“買不到”，必須獨(dú)立自主地依靠本國(guó)自身科技創(chuàng)新和人才培養(yǎng)。STEM人才培養(yǎng)與儲(chǔ)備是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型國(guó)家建設(shè)戰(zhàn)略和中華民族偉大復(fù)興的基礎(chǔ)性、前瞻性工程，全局性的STEM教育生態(tài)體系的建立刻不容緩，系統(tǒng)完善的課程開發(fā)和有效的教學(xué)實(shí)踐探索亟待展開。本研究對(duì)STEM人才必備素養(yǎng)的內(nèi)涵和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為深入地探討，以期為提升STEM課程設(shè)計(jì)質(zhì)量、將STEM素養(yǎng)培養(yǎng)落到實(shí)處提供借鑒，亦希望發(fā)揮“引玉”之效，引起更多同仁對(duì)本課題的持續(xù)、系統(tǒng)、深入探索。

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