STEM教育：基于學(xué)科整合理念的項(xiàng)目教學(xué)

趙真

摘 要 面對(duì)日益激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)局勢(shì)，美國(guó)提出STEM教育作為國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展的重要舉措。STEM教育能夠有效整合科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)和技能，對(duì)提升K-12階段的科學(xué)教育質(zhì)量和兒童的科學(xué)素養(yǎng)有極大的推進(jìn)和革新作用。本文詳細(xì)闡述了STEM教育的幾種主要觀點(diǎn)，認(rèn)為其作為基于項(xiàng)目的教學(xué)，展現(xiàn)了學(xué)科整合理念，對(duì)提高兒童的動(dòng)手能力、合作交流、綜合思維和技術(shù)創(chuàng)新能力等方面有積極意義，顯示了未來教育的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 STEM教育 整合 項(xiàng)目教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2021.02.027

STEM Education： A Project Teaching

Based on the Idea of Subject Integration

ZHAO Zhen

（Department of Education， Minxi Vocational and Technical College， Longyan， Fujian 364000）

Abstract Facing the increasingly fierce international competition， The United States has proposed STEM education as an important measure for national strategic development. STEM education can effectively integrate knowledge and skills from multiple disciplines such as science， technology， engineering and mathematics. It also can greatly promote and innovate the quality of science education in k-12 stage and the scientific literacy of children. This paper elaborates several main viewpoints of STEM education. It is believed that it is a project teaching based on the idea of subject integration and social transformation， and then it has positive significance to improve children's practical ability， cooperative communication， comprehensive thinking and technological innovation ability. It shows the development trend of education in future.

Keywords STEM education; integration; project teaching

1 問題的提出

1986年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì)發(fā)布了“本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育”報(bào)告，該報(bào)告首次明確提出“科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)”整合教育的建議，一個(gè)具有國(guó)家戰(zhàn)略意義、以培養(yǎng)綜合性、創(chuàng)造性人才為目的的教育改革浮出水面。盡管美國(guó)提出STEM教育始于對(duì)本科階段理工科教育的反思，然后延伸至K-12階段，由此打通了從幼兒園到大學(xué)的STEM教育。然而，我國(guó)對(duì)STEM教育聞風(fēng)而動(dòng)的實(shí)踐者多為幼兒園、中小學(xué)教師，他們熱衷于教學(xué)實(shí)踐與改革，樂于接受新的理念并積極探索，營(yíng)造了國(guó)內(nèi)STEM教育的追趕浪潮。但是，多數(shù)教師對(duì)于STEM教育的實(shí)踐常常以某一課堂范例為模板來開展，將其理解為固定的教學(xué)模型，這必然導(dǎo)致實(shí)際教學(xué)過程中的片面解讀，教育活動(dòng)很可能有悖于STEM教育本意，在理論與實(shí)踐探索中容易走彎路。因此，明晰STEM教育的內(nèi)涵是首要解決的問題。

2 STEM教育內(nèi)涵闡釋

有關(guān)STEM教育的內(nèi)涵從“尼爾報(bào)告”開始逐漸豐富化，當(dāng)前較為典型的觀點(diǎn)有以下四種：

2.1 STEM教育即科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的整合教育

這是一種最經(jīng)典、最原始的觀點(diǎn)，即把STEM教育看作科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）的跨學(xué)科整合教育。它能夠幫助教師改變當(dāng)前學(xué)校教育固守分課教學(xué)的傳統(tǒng)，無力建立學(xué)科間內(nèi)在的聯(lián)系的現(xiàn)狀。這四門學(xué)科分別代表了當(dāng)前理工科教育最重要的知識(shí)與能力體系：科學(xué)代表敏銳的觀察、大膽地假設(shè)和小心求證，以期作出合理的解釋與預(yù)測(cè);技術(shù)代表有意識(shí)選擇并靈活地操作使用工具，感受工具帶來的便捷與快樂;工程代表改變生活的態(tài)度，分析明確問題、設(shè)計(jì)施工與評(píng)估;數(shù)學(xué)代表以數(shù)字抽象問題，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與推理。而STEM教育以某一問題入手，在真實(shí)問題情境中調(diào)動(dòng)學(xué)生參與積極性，將這四門不同學(xué)科的核心價(jià)值融入其中，以核心概念的形式而不是分學(xué)科、機(jī)械化的知識(shí)來開展教育，實(shí)現(xiàn)知識(shí)技能的適時(shí)運(yùn)用、靈活借鑒，使學(xué)生達(dá)到高層次的融會(huì)貫通。跨學(xué)科教學(xué)的難于便在于如何有機(jī)整合各個(gè)學(xué)科，并有效發(fā)揮各自的價(jià)值，科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四者之間的關(guān)系也必然相互交錯(cuò)：科學(xué)為數(shù)學(xué)提供了值得研究的有趣問題;數(shù)學(xué)的應(yīng)用價(jià)值則為科學(xué)和工程提供了有力的分析數(shù)據(jù)的工具。數(shù)學(xué)還是科學(xué)研究的主要術(shù)語，在準(zhǔn)確表達(dá)科學(xué)概念時(shí)，數(shù)學(xué)符號(hào)具有極高的價(jià)值——符號(hào)能夠促使問題簡(jiǎn)化并進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算，更快發(fā)現(xiàn)事物之間的隱藏關(guān)系。此四者之間既相互依靠又相互促進(jìn)，從而達(dá)成良性互動(dòng)。

2.2 STEM教育即科學(xué)素養(yǎng)教育

科學(xué)造就了我們對(duì)世界的認(rèn)知，技術(shù)則改變了世界本來的模樣。高質(zhì)量的科學(xué)技術(shù)教育能夠改善環(huán)境持續(xù)惡化、社會(huì)沖突尖銳、疾病肆虐、戰(zhàn)爭(zhēng)頻發(fā)等社會(huì)困境，美國(guó)于是將STEM教育擺在了國(guó)家安全層面上。因此，培養(yǎng)下一代的科技素養(yǎng)至關(guān)重要。STEM教育的第二種觀點(diǎn)，即STEM教育應(yīng)是科學(xué)素養(yǎng)教育。人的素養(yǎng)應(yīng)包括知識(shí)、技能和態(tài)度三方面，科學(xué)素養(yǎng)也應(yīng)是立體、全面的。曾有人從個(gè)人層面對(duì)科學(xué)素養(yǎng)做出了解釋：“科學(xué)素養(yǎng)由科學(xué)知識(shí)、研究過程及科學(xué)方法、個(gè)體的決策能力三個(gè)部分構(gòu)成?！盵1]1989年美國(guó)國(guó)家促進(jìn)會(huì)（AAAS）發(fā)布《面向全體美國(guó)人的科學(xué)》中提到的“科學(xué)素養(yǎng)”遠(yuǎn)不止于此：“科學(xué)素養(yǎng)包括數(shù)學(xué)、技術(shù)、自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)等諸多方面，如理解科學(xué)核心概念和原理，尊重自然界的同一性，懂得科學(xué)、數(shù)學(xué)和技術(shù)相互依賴的重要方法等，明確了科學(xué)素養(yǎng)教育除了滿足科技發(fā)展需求外，還應(yīng)該幫助公民學(xué)會(huì)明智地參加社會(huì)決策和政治決策，以及有助于思考諸如生與死的哲學(xué)問題?！泵绹?guó)第一次從國(guó)家社會(huì)的層面闡述了對(duì)公民應(yīng)具備的科學(xué)素養(yǎng)的期待。

2.3 STEM教育即多學(xué)科融合教育

STEM教育的內(nèi)涵在不斷創(chuàng)新中擴(kuò)展，它所包含的學(xué)科家族不斷壯大。2013年全球STEMx教育大會(huì)中STEM的后綴“x”便代表了除科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門學(xué)科之外，可以涵蓋的其他學(xué)科，如藝術(shù)（Art）、閱讀（Read）、社會(huì)（Society）、計(jì)算機(jī)科學(xué)（Computer science）等當(dāng)前和未來社會(huì)所需要知識(shí)與技能。[2]其中，藝術(shù)包括繪畫、泥塑、手工、音樂、表演等內(nèi)容，STEM與藝術(shù)合稱“STEAM”。藝術(shù)學(xué)科常常在項(xiàng)目中設(shè)計(jì)制作產(chǎn)品的外觀樣態(tài)繪制中充分展現(xiàn)，產(chǎn)品不再是冷冰冰的物質(zhì)拼接裝置，而變成一件有溫度的工具、一件藝術(shù)品。按照目前的趨勢(shì)，STEM教育的所包含的學(xué)科一定越來越多，所有學(xué)科的加入都反映出一個(gè)集中的問題——社會(huì)需要什么樣的教育，我們就增加什么。從課程發(fā)展需要來看，STEM教育并非學(xué)科知識(shí)的簡(jiǎn)單疊加，反而輕易繞過了學(xué)科知識(shí)框架，借助某一中心問題機(jī)智地挑選那些它需要的知識(shí)技能，以項(xiàng)目的形式驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)者綜合運(yùn)用多種思維解決問題。因此，STEM教育的多學(xué)科整合并不是雜燴拼盤，而是考慮現(xiàn)實(shí)需要的意圖關(guān)聯(lián)。

3 STEM教育：基于學(xué)科整合理念的項(xiàng)目教學(xué)

3.1 學(xué)科整合取向的STEM教育

“整合”意指將各種相關(guān)要素聯(lián)系起來以使之融為一個(gè)有機(jī)整體的行為和過程，[3]學(xué)科整合的關(guān)鍵在于教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)。STEM作為一種跨學(xué)科的教育方式，在內(nèi)容整合方面體現(xiàn)了超越科技、關(guān)注人文的特點(diǎn)?？茖W(xué)是人的科學(xué)，是處理人與自然關(guān)系的科學(xué)。社會(huì)生物學(xué)之父威爾遜曾說：“科學(xué)和人文藝術(shù)是由同一臺(tái)紡織機(jī)編織出來的”。[4]科學(xué)在本質(zhì)上是人文的，缺少了“揚(yáng)善”和“達(dá)美”的科學(xué)教育是殘缺不全的。[5]越來越多國(guó)家和地區(qū)所開展的STEM教育中，出現(xiàn)了“環(huán)境與健康”“畜牧養(yǎng)殖與食品生產(chǎn)”“安全與防范”等貫穿科學(xué)與人文的交叉性主題。2017年我國(guó)教育部印發(fā)的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》明確指出科學(xué)是一門綜合實(shí)踐課程，并將社會(huì)、環(huán)境等領(lǐng)域列進(jìn)科學(xué)技術(shù)課程中，從“科學(xué)技術(shù)與日常生活的聯(lián)系”“科學(xué)技術(shù)與社會(huì)發(fā)展的聯(lián)系”以及“人類與自然和諧相處”等三個(gè)方面描述各年齡段科學(xué)課程目標(biāo)。[6]與此同時(shí)，參與科學(xué)探究的兒童也應(yīng)該帶著愛國(guó)的心態(tài)、服務(wù)社會(huì)的意識(shí)和環(huán)境保護(hù)的信心，才能驅(qū)動(dòng)持久的創(chuàng)新力。

3.2 基于項(xiàng)目的STEM教育

普遍推廣的STEM教育是基于項(xiàng)目（PBL）的STEM學(xué)習(xí)，這種學(xué)習(xí)為學(xué)生提供了融入真實(shí)情景的體驗(yàn)，這些體驗(yàn)輔助學(xué)生的學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生對(duì)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)各領(lǐng)域里的概念形成有力而逼真的理解。為便于開展PBL模式下的STEM教育，Bybee & Landes將其過程總結(jié)為5E模型，即約定—探索—解釋—延伸—評(píng)估等五個(gè)步驟，這一模型被推為實(shí)施STEM教育的經(jīng)典范式。但5E模型只是表明了STEM教育的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有利于STEM教育的師資培訓(xùn)和實(shí)際操作，并非所有的國(guó)家和地區(qū)都采用此步驟，例如芬蘭在評(píng)估學(xué)生的理解能力時(shí)，便采用LESH轉(zhuǎn)化模型（Lesh Translation Model）。[7]但總的來說，STEM教育常常是項(xiàng)目導(dǎo)向的，因?yàn)轫?xiàng)目導(dǎo)向的學(xué)習(xí)能夠較大程度達(dá)成內(nèi)容的有機(jī)整合，引領(lǐng)兒童的知識(shí)水平從識(shí)記、領(lǐng)會(huì)的層次向應(yīng)用、分析、綜合、評(píng)價(jià)逐步邁進(jìn)，技能水平也達(dá)到適應(yīng)和創(chuàng)新的層次。

4 STEM教育的優(yōu)勢(shì)

基于項(xiàng)目的STEM教育相比傳統(tǒng)科學(xué)探究活動(dòng)在動(dòng)手能力、合作交流、綜合思維和技術(shù)創(chuàng)新等方面都有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，每位公民都應(yīng)該通過STEM教育學(xué)習(xí)到有利于國(guó)家和社會(huì)發(fā)展的各項(xiàng)能力，承擔(dān)起社會(huì)責(zé)任。

4.1 動(dòng)手能力是思想物化的必需

科學(xué)是“發(fā)現(xiàn)的世界”，工程則關(guān)乎“造物的世界”。工程項(xiàng)目常常以產(chǎn)品作為成果展示，而產(chǎn)品的加工制作則離不開動(dòng)手能力。在從設(shè)計(jì)圖紙到成品過程中，兒童會(huì)面臨來自材料本身、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、制作順序、觀點(diǎn)不一致等方面導(dǎo)致的各種意外情形，每解決一個(gè)問題，便需要調(diào)動(dòng)兒童對(duì)該事物的全部認(rèn)知，制作的過程相當(dāng)于原有認(rèn)知的重塑。早在17世紀(jì)，福祿貝爾就曾提出：“手工活動(dòng)不僅為了職業(yè)訓(xùn)練而考慮，更為兒童提供了一種表達(dá)手段和發(fā)展思想習(xí)慣的強(qiáng)有力途徑?！盵9]每個(gè)人想法的可行性、材料的特性和工具的使用都需要經(jīng)過物化活動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。

4.2 合作交流是團(tuán)體共事的基礎(chǔ)

工程項(xiàng)目通常是由一個(gè)團(tuán)隊(duì)展開工作，充分利用各成員的實(shí)力強(qiáng)項(xiàng)分配工作任務(wù)，同時(shí)交錯(cuò)聯(lián)系的任務(wù)使得成員必須達(dá)成高度的配合。成員要能以清楚明確的方式告訴他人自己的想法，例如口頭闡述和書面表達(dá)。當(dāng)遇到困難時(shí)，多個(gè)成員雖能找到多條解決路徑，但若要形成共識(shí)卻需要經(jīng)過“分辯—評(píng)估—優(yōu)化”，即就每個(gè)方案的不同優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)進(jìn)行批判性的評(píng)估并予以結(jié)合。合作性學(xué)習(xí)提供了學(xué)習(xí)者自由表達(dá)觀點(diǎn)的機(jī)會(huì)，也給了他們傾聽和批判對(duì)方觀點(diǎn)的環(huán)境，幫助他們從同伴的身上學(xué)習(xí)長(zhǎng)處。

4.3 綜合思維是問題解決的必然

問題解決是指一系列有目的指向的認(rèn)知操作過程。[9]絕大部分STEM教育以項(xiàng)目形式開展，討論、設(shè)計(jì)、執(zhí)行項(xiàng)目過程中常常會(huì)遇到各類問題，問題是否得到圓滿解決直接決定項(xiàng)目的完成度。兒童作為新手與經(jīng)驗(yàn)豐富的專家在問題解決中的差異主要體現(xiàn)在對(duì)原有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的搜索和提取，[10]因此問題解決最易體現(xiàn)思維的過程。STEM教育中的綜合思維既有思維方法的綜合使用，又有對(duì)事物整體性的把握。問題解決涉及了多學(xué)科知識(shí)的相互滲入，多數(shù)情況甚至需要考慮那些有可能相互沖突的因素。探究的過程中兒童會(huì)不斷采用比較、分析、歸納、演繹等思維方法，在不斷選擇、嘗試、確定中對(duì)原有觀念進(jìn)行整合和排序，從而重組內(nèi)心的觀念。

4.4 關(guān)心生活是技術(shù)創(chuàng)新的來源

生活是人類所有命題的根源。基于生活需求的多樣化和生活環(huán)境多變性，STEM教育所帶來的不僅是兒童科學(xué)素養(yǎng)的提升，而且是師生共同生活質(zhì)量的提升。[11]引導(dǎo)兒童關(guān)心和專注于生活，不僅能夠激發(fā)兒童學(xué)習(xí)興趣和探究欲望，更能讓兒童通過自己目前的興趣和經(jīng)驗(yàn)觸發(fā)技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)，在活動(dòng)過程中感到自身的價(jià)值和滿足，消除兒童對(duì)創(chuàng)新的偏見和緊張?；貧w生活的科技創(chuàng)新應(yīng)從解決自身周圍環(huán)境中的具體問題入手，從兒童最熟悉的產(chǎn)品和設(shè)計(jì)入手，讓學(xué)生成為技術(shù)創(chuàng)新的研發(fā)者，同時(shí)也是技術(shù)創(chuàng)新的受益者。

5 STEM教育的未來展望

當(dāng)前，STEM教育已成為滿足許多國(guó)家對(duì)科技人才需求的重要戰(zhàn)略，越來越多的報(bào)告指出：在小學(xué)甚至幼兒園開展STEM教育能夠更早增強(qiáng)兒童對(duì)數(shù)學(xué)和科學(xué)等領(lǐng)域?qū)W習(xí)的興趣和信心。以編程能力為代表，2014年英國(guó)把編程技術(shù)納入英國(guó)國(guó)家教學(xué)大綱，編程已成為繼閱讀、寫作、算術(shù)三項(xiàng)基本能力外兒童需要掌握的第四項(xiàng)必備技能。但更為普遍的是，STEM教育的推廣能夠提升大眾的科學(xué)素養(yǎng)，在當(dāng)代需要提升對(duì)科技敏感度的環(huán)境中，獲得適合自己的科學(xué)教育的機(jī)會(huì)。再者，STEM教育作為課程整合的成功范例，其優(yōu)勢(shì)并不止限于理工類科目的融合，對(duì)社會(huì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等問題解決也具有一定的啟發(fā)作用。未來的課程整合必將一改學(xué)科內(nèi)的局部整合和學(xué)科間的主題整合的現(xiàn)狀，進(jìn)入“全課程”統(tǒng)整的新階段。

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