STEM教育中的跨學(xué)科教學(xué)何以可能

摘要：跨學(xué)科教學(xué)何以可能，是STEM教育能不能做好的一個深層次基本理論問題。該文基于知識理論和歷史向度，對這一問題嘗試進(jìn)行了回答。知識的統(tǒng)一性源于自然的統(tǒng)一性。自然演化的邏輯決定了學(xué)科在分化過程中的聯(lián)系。這種聯(lián)系表現(xiàn)為學(xué)科鄙視鏈和學(xué)科依存鏈正反兩種基本形式。基于知識的進(jìn)化論與學(xué)科的生態(tài)學(xué)，作者以課程設(shè)置的連續(xù)統(tǒng)詮釋了基礎(chǔ)教育學(xué)段課程設(shè)置的基本結(jié)構(gòu)，并以數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)與工程連續(xù)統(tǒng)揭示了STEM教育在層次上的豐富性。在對歷史的回溯中，為STEM教育倡導(dǎo)的跨學(xué)科教學(xué)理念找到了進(jìn)步教育綜合課程這一思想源頭，并面向現(xiàn)實(shí)與未來闡述了STEAM給STEM帶來的三重新意涵，即想象力與創(chuàng)造力的彰顯、科學(xué)與人文兩種文化的融合，以及美學(xué)意蘊(yùn)的釋放，最終推動教育走向真善美統(tǒng)一的新境界。

關(guān)鍵詞：STEM教育；跨學(xué)科教學(xué)；學(xué)科依存鏈；課程連續(xù)統(tǒng)

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

本文系2021年度華中師范大學(xué)國家教師發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基地建設(shè)專項(xiàng)“人工智能+STEAM與創(chuàng)客教師研訓(xùn)”（項(xiàng)目編號：CCNUTEI2021-14）、2022年度教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“基于‘AI三個課堂’的STEAM與創(chuàng)客教師研訓(xùn)模式創(chuàng)新與應(yīng)用實(shí)踐”（項(xiàng)目編號：220402377295714）研究成果。

隨著素質(zhì)教育的深入推進(jìn)和新課程標(biāo)準(zhǔn)的頒行，STEM教育引起了越來越多關(guān)注，但在實(shí)踐中也暴露出一些問題，其中最嚴(yán)峻的莫過于如何真正在跨學(xué)科教學(xué)中實(shí)現(xiàn)學(xué)科融合。常見的是，在一節(jié)課里機(jī)械地把幾個學(xué)科生硬拼湊在一起，各科教師你方唱罷我登場，讓教學(xué)變成了一塊百衲布，不僅沒有在跨學(xué)科教學(xué)中實(shí)現(xiàn)學(xué)科間的融合，而且還讓原來分科教學(xué)保有的系統(tǒng)性和連貫性優(yōu)勢蕩然無存。實(shí)踐中出現(xiàn)這些亂象，與理論上的“迷思”有關(guān)。理論上正本清源，實(shí)踐中才能撥亂反正。本文試圖通過追問STEM教育是一種理工領(lǐng)域的跨學(xué)科教學(xué)這一共識背后更為深層的問題——跨學(xué)科教學(xué)何以可能——來為理論上迷思的澄清和實(shí)踐中亂象的反正盡綿薄之力。

一、知識的進(jìn)化論與學(xué)科的生態(tài)學(xué)

跨學(xué)科教學(xué)涉及的深層次基本理論問題首先是學(xué)科的概念及學(xué)科之間的關(guān)系。不能在理論上回答學(xué)科究竟是什么及學(xué)科之間究竟是什么關(guān)系，跨學(xué)科教學(xué)的實(shí)踐必然會陷入盲目的境地。

1.自然的演化與學(xué)科的分化

學(xué)科是和科學(xué)與知識這兩個概念密切聯(lián)系在一起的?？茖W(xué)不斷發(fā)展，知識之樹不斷生長，學(xué)科不斷分化。這是一個三位一體、相互耦合、螺旋上升的過程。對于什么是學(xué)科，恩格斯在《自然辯證法》里曾有過非常經(jīng)典的論述。他指出：“每一門科學(xué)都是分析某一個別的運(yùn)動形式或一系列相互關(guān)聯(lián)和相互轉(zhuǎn)化的運(yùn)動形式的，因此，科學(xué)分類就是這些運(yùn)動形式本身依其內(nèi)在序列所進(jìn)行的分類、排序，科學(xué)分類的重要性也正在于此”[1]。這一馬克思主義科學(xué)哲學(xué)的基本觀點(diǎn)為科學(xué)的分類設(shè)定了最根本、最科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)，即根據(jù)物質(zhì)運(yùn)動的形式來對科學(xué)進(jìn)行分類，分類的結(jié)果即是各種不同的學(xué)科。循著這一思想不斷發(fā)展的歷史軌跡，漸次形成了學(xué)科劃分的基本框架，即從研究對象和研究方法兩個維度出發(fā)，構(gòu)成一個二維矩陣式的學(xué)科分類學(xué)[2]。也就是說，一門學(xué)科要想成立，要么有獨(dú)特的研究對象，要么有獨(dú)特的研究方法，或二者同時具備。以獨(dú)特的方法來研究獨(dú)特的對象便產(chǎn)出了獨(dú)特的知識，由此一個學(xué)科便獲得了立身之本。瞿葆奎和唐瑩在“教育分支科學(xué)叢書”的長篇序言中在對教育科學(xué)體系進(jìn)行審視時對此曾有過非常詳盡而精辟的討論[3]。

恩格斯在《自然辯證法》里進(jìn)一步指出：“當(dāng)我先把物理學(xué)叫做分子的力學(xué)、把化學(xué)叫做原子的物理學(xué)，再進(jìn)一步把生物學(xué)叫做蛋白質(zhì)的化學(xué)的時候，我是想借此表示這些科學(xué)中的一門向另一門的過渡，從而既表示出兩者的聯(lián)系、連續(xù)性，又表示出它們的差異、非連續(xù)性”[4]。這句話非常深刻和明確地揭示了當(dāng)時僅有的三門科學(xué)——物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)——之間的關(guān)系。這種關(guān)系蘊(yùn)含著知識的統(tǒng)一性。長期以來一直存在著這種對知識統(tǒng)一性的追求。從羅素與懷特海的《數(shù)學(xué)原理》到溫伯格的《終極理論之夢》，都展示了這種雄心。盡管不同學(xué)科擁有不同知識，但所有這些知識都是對我們生活的這個現(xiàn)實(shí)生活之經(jīng)驗(yàn)世界的描述。知識之所以具有統(tǒng)一性，源于這個世界本身是統(tǒng)一的。自科學(xué)革命以來，知識之樹蓬勃生長，分叉越來越多，反映的是人類在追求知識統(tǒng)一之路上面臨的學(xué)科高度分化這一現(xiàn)實(shí)。這在教育實(shí)踐中的反映，主要表現(xiàn)為分科教學(xué)這一制度安排。分科教學(xué)讓學(xué)校為學(xué)生人為構(gòu)造了一個純粹學(xué)科的世界——數(shù)學(xué)的世界、科學(xué)的世界、文學(xué)的世界，如此等等。但現(xiàn)實(shí)中并不存在這樣一個純粹的數(shù)學(xué)的世界或科學(xué)的世界，而只有一個現(xiàn)實(shí)生活的經(jīng)驗(yàn)世界。當(dāng)學(xué)生走出校門，在這個現(xiàn)實(shí)生活的經(jīng)驗(yàn)世界中根本找不到一個純粹數(shù)學(xué)或科學(xué)的世界，他會迅速拋棄在學(xué)校里人為建構(gòu)的純粹的數(shù)學(xué)或科學(xué)世界，而回歸現(xiàn)實(shí)生活的經(jīng)驗(yàn)世界。就像莫里斯（Jan Morrison）等人指出的那樣，“將知識組織成學(xué)科可能有助于研究，有助于深入探究任何自然現(xiàn)象的秘密或?qū)⒅R劃分為可教授的部分。但它并不能反映現(xiàn)實(shí)，也不能傳達(dá)我們所生活的世界的精彩。它更無助于引導(dǎo)學(xué)生走向探究的對立面：通過應(yīng)用知識設(shè)計(jì)方案來解決問題”[5]。所謂的“高分低能”，蓋源于此！

面對這一南轅北轍的景象，更加有必要厘清學(xué)科之間的關(guān)系，并以此來認(rèn)識和推進(jìn)知識的統(tǒng)一這一宏大工程?！爸R樹”因此成為一個非常有效的隱喻和概念工具。心理學(xué)家亨瑞其斯（Gregg Henriques）曾開發(fā)過一個“知識樹”（Tree of Knowledge，簡稱ToK），如圖1所示。他認(rèn)為，自大爆炸以來，宇宙的演化在時間的長河中先后跨越了四個層級，分別是物質(zhì)、生命、心智和文化，由此漸次形成了四個不同的知識分支，即物理學(xué)、生物學(xué)（包括化學(xué)，因?yàn)樯镞^程都是化學(xué)過程）、心理學(xué)和社會學(xué)（二者無疑都是廣義的）[6]。作為一個更大的知識統(tǒng)一理論的一部分，這棵知識樹和傳統(tǒng)意義上的知識樹不同的地方在于：它由自然和知識兩條線索構(gòu)成，并形象展現(xiàn)了自然演化和學(xué)科分化在邏輯上的一致性。這和恩格斯在《自然辯證法》中提出的依據(jù)物質(zhì)運(yùn)動方式的不同對科學(xué)進(jìn)行分類的思想是一致的。亨瑞其斯的知識樹將現(xiàn)代經(jīng)驗(yàn)自然科學(xué)描述為一種論證系統(tǒng)，其功能是描繪這個世界的復(fù)雜性和變化。我們可以把知識樹視為知識進(jìn)化的一種概念模型。這一概念模型不僅展現(xiàn)了學(xué)科之間的關(guān)系，而且還揭示了這樣一個事實(shí)，即學(xué)科之間的聯(lián)系是錯綜復(fù)雜的，不僅存在橫向聯(lián)系，還存在縱向聯(lián)系。

2.學(xué)科鄙視鏈與學(xué)科依存鏈

如果說橫向聯(lián)系提供的是學(xué)科交叉的機(jī)會，那么縱向聯(lián)系導(dǎo)致的歷史和現(xiàn)實(shí)后果就不那么美妙了。長期以來，不僅存在著斯諾（C. P. Snow）在《兩種文化》中揭示的文理之爭所展現(xiàn)的科學(xué)與人文兩種文化的對立，即使在自然科學(xué)內(nèi)部各學(xué)科之間也是齟齬不斷，一定要爭一個高低貴賤出來。坊間流傳的“學(xué)科鄙視鏈”就是這樣出現(xiàn)的?；ヂ?lián)網(wǎng)上有一幅漫畫，生動展現(xiàn)了這種學(xué)科之間的鄙視關(guān)系。一般的鄙視鏈條是：心理學(xué)家看不上社會學(xué)家（如下頁圖2所示），生物學(xué)家看不上心理學(xué)家，化學(xué)家看不上生物學(xué)家，物理學(xué)家看不上化學(xué)家，數(shù)學(xué)家看不上物理學(xué)家，邏輯學(xué)家看不上數(shù)學(xué)家，飄在天上的哲學(xué)家一方面看不上所有呆在地上的這些人，另一方面相互之間也看不上。這雖然是一種戲謔，但也在某種程度上是對學(xué)科之間在縱向上存在層級關(guān)系的一種幽默反映。對教育而言，其價(jià)值在于提示基礎(chǔ)教育的基礎(chǔ)性究竟在哪里。按照一般的經(jīng)驗(yàn)來說，學(xué)數(shù)學(xué)的很容易轉(zhuǎn)學(xué)物理，學(xué)物理的很容易轉(zhuǎn)學(xué)化學(xué)，學(xué)化學(xué)的很容易轉(zhuǎn)學(xué)生物，學(xué)生物的很容易轉(zhuǎn)學(xué)醫(yī)學(xué)，學(xué)醫(yī)學(xué)的很容易轉(zhuǎn)學(xué)心理，學(xué)心理的很容易轉(zhuǎn)學(xué)教育，但反過來就幾乎不可能了?；A(chǔ)教育的基礎(chǔ)性主要是由基礎(chǔ)學(xué)科的教學(xué)來體現(xiàn)和保證的。這也是為什么基礎(chǔ)教育階段學(xué)科設(shè)置不能像高等教育那樣的原因。這提醒我們，在中小學(xué)推行STEM教育更加需要慎重，始終不能忘記基礎(chǔ)教育的基礎(chǔ)性。

如果從相反的方向來審視這幅圖，把學(xué)科鄙視鏈進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，就可以展現(xiàn)出不同學(xué)科之間存在的另外一種關(guān)系，即依存關(guān)系。如果說社會學(xué)只是心理學(xué)的應(yīng)用，心理學(xué)只是生物學(xué)的應(yīng)用，生物學(xué)只是化學(xué)的應(yīng)用，化學(xué)只是物理學(xué)的應(yīng)用，物理學(xué)只是數(shù)學(xué)的應(yīng)用，數(shù)學(xué)只是邏輯學(xué)的應(yīng)用。那么反過來看，社會學(xué)也是心理學(xué)發(fā)展的溫床和土壤，心理學(xué)也是生物學(xué)發(fā)展的溫床和土壤，生物學(xué)也是化學(xué)發(fā)展的溫床和土壤，化學(xué)也是物理學(xué)發(fā)展的溫床和土壤，物理學(xué)也是數(shù)學(xué)發(fā)展的溫床和土壤，數(shù)學(xué)也是邏輯學(xué)發(fā)展的溫床和土壤。后者事實(shí)上也一直在從前者中汲取智慧與力量。沒有前者后者也就失去了用武之地。后者的力量正是通過前者才得以展現(xiàn)出來。托尼·比徹（Tony Becher）等人曾經(jīng)使用“部落”的概念來隱喻不同學(xué)科之間的生態(tài)關(guān)系。盡管不同的學(xué)術(shù)部落都有自己的領(lǐng)地而且以筑起高高的學(xué)科壁壘來禁止他人踏足，但正是各種不同學(xué)術(shù)部落的存在，共同維系著人類知識這一生物種群的多樣性，并使其生生不息[7]。正如生物多樣性是生物種群可持續(xù)發(fā)展的生命線一樣，學(xué)科多樣性也是學(xué)科種群可持續(xù)發(fā)展的生命線。學(xué)科依存鏈和學(xué)科鄙視鏈結(jié)合在一起，才構(gòu)成了一幅完整的圖景，其中蘊(yùn)涵著科學(xué)把握學(xué)科之間關(guān)系的辯證法。

二、課程設(shè)置連續(xù)統(tǒng)與跨學(xué)科教學(xué)

前述有關(guān)知識進(jìn)化論與學(xué)科生態(tài)學(xué)的討論為理解教育實(shí)踐中的學(xué)科融合與跨學(xué)科教學(xué)提供了新思路。在現(xiàn)行教育體系中，課程設(shè)置基本上是按照學(xué)科進(jìn)行的。每一門課程背后都對應(yīng)著一個學(xué)科。因此也可以按照知識進(jìn)化論和學(xué)科生態(tài)學(xué)的觀點(diǎn)來描述這些學(xué)科課程之間的關(guān)系。

1.課程設(shè)置的連續(xù)統(tǒng)與跨學(xué)科教學(xué)的邏輯鏈

所有學(xué)科都是對現(xiàn)實(shí)生活之經(jīng)驗(yàn)世界的描述。只有一個現(xiàn)實(shí)生活的經(jīng)驗(yàn)世界，因此它必定是統(tǒng)一的。這一統(tǒng)一的世界決定了所有學(xué)科之間必然存在聯(lián)系，進(jìn)而預(yù)示著知識統(tǒng)一的前景。這是知識統(tǒng)一理論的基本假設(shè)。從這一假設(shè)出發(fā)，可以看到：所有學(xué)科課程蘊(yùn)含的知識都是對現(xiàn)實(shí)生活之經(jīng)驗(yàn)世界的描述，在基礎(chǔ)教育學(xué)段，這些課程構(gòu)成了一個從現(xiàn)實(shí)生活的經(jīng)驗(yàn)世界出發(fā)，最終又回到現(xiàn)實(shí)生活之經(jīng)驗(yàn)世界的連續(xù)統(tǒng)，如圖3所示。

在這一連續(xù)統(tǒng)中，離現(xiàn)實(shí)生活之經(jīng)驗(yàn)世界最近的是體育。這是因?yàn)?，人類最早和這個世界的交互主要是通過肢體進(jìn)行的。正是這種以自身肢體為工具中介展開的交互，構(gòu)成了人類心理發(fā)生與發(fā)展的起點(diǎn)。皮亞杰的發(fā)生認(rèn)識論早已對這一點(diǎn)進(jìn)行了非常深入而詳盡的闡釋。排在體育之后的是包括音樂和美術(shù)的藝術(shù)。音樂和美術(shù)反映的是在人類早期以自身肢體與這個世界展開交互之后以及語言誕生之前，以音調(diào)和線條對這個世界的表達(dá)。排在藝術(shù)之后的是語言，包括母語和外語。它反映的是人類發(fā)展進(jìn)程中言語符號的出現(xiàn)。這些言語符號不但是對現(xiàn)實(shí)生活之經(jīng)驗(yàn)世界的描述，更重要的是人際之間溝通與交流的更有效工具。在語言之后的是數(shù)學(xué)。數(shù)學(xué)是使用比自然語言更加抽象的符號對這個世界的描述。數(shù)學(xué)語言不僅更抽象，也更精確。到這里可以看到，這些課程以及這些課程背后映射的學(xué)科是從現(xiàn)實(shí)生活的經(jīng)驗(yàn)世界出發(fā)，但離現(xiàn)實(shí)生活之經(jīng)驗(yàn)世界漸行漸遠(yuǎn)的。

隨著人類以受控實(shí)驗(yàn)對自然更有力的叩問，當(dāng)數(shù)學(xué)語言被用于描述自然時，科學(xué)就誕生了。這就是李約瑟（Joseph Needham）所謂西方近代自然科學(xué)的基本結(jié)構(gòu)，即把數(shù)學(xué)假說應(yīng)用于自然，充分認(rèn)識和運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法，區(qū)分第一性質(zhì)和第二性質(zhì)，空間的幾何化，接受實(shí)在的機(jī)械論模型[8]?？茖W(xué)是使用遠(yuǎn)比藝術(shù)和自然語言精確的數(shù)學(xué)語言對這個世界的描述。這種描述蘊(yùn)涵著改造自然的絕大力量。因此在科學(xué)課程之后是技術(shù)課程，包括信息科技和通用技術(shù)。近代以來，技術(shù)創(chuàng)新都是科學(xué)革命結(jié)出的碩果，并成為工業(yè)革命的主要動力。通用技術(shù)課程展現(xiàn)的是第一次工業(yè)革命以來傳統(tǒng)科技創(chuàng)新及其在社會生產(chǎn)與生活中的應(yīng)用。信息科技課程反映的則是第三次和現(xiàn)在剛剛興起的第四次工業(yè)革命以來以信息通訊技術(shù)（ICT）為代表的新興科技創(chuàng)新及其在社會生產(chǎn)與生活中的應(yīng)用。在技術(shù)課程之后是綜合實(shí)踐課程，綜合實(shí)踐課程的目的是實(shí)現(xiàn)之前分科教學(xué)習(xí)得之知識的跨學(xué)科融合應(yīng)用。這種跨學(xué)科融合應(yīng)用的邏輯延伸很自然地就構(gòu)成了勞動教育，即對現(xiàn)實(shí)生活之經(jīng)驗(yàn)世界的改造。最后，道德與法制所蘊(yùn)含的德育功能貫穿滲透于所有學(xué)科與跨學(xué)科教學(xué)過程之中。

由此，我們從現(xiàn)實(shí)生活的經(jīng)驗(yàn)世界出發(fā)，最終又回到了現(xiàn)實(shí)生活的經(jīng)驗(yàn)世界。這是一個持續(xù)展開的螺旋式上升的過程。澄清了義務(wù)教育階段設(shè)置課程之間的基本關(guān)系，才能真正理解“五育并舉”促進(jìn)學(xué)生德智體美勞全面發(fā)展背后的邏輯，進(jìn)而在教育實(shí)踐中推進(jìn)跨學(xué)科教學(xué)，特別是STEM教育。

2. STEM教育中的數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)、工程連續(xù)統(tǒng)

目前，雖然STEM教育搞得生動活潑，紅紅火火，但很多并沒有取得預(yù)期效果。其中很重要的原因在于對STEM教育的理解往往是表面性、機(jī)械式、拼盤化的，即把STEM教育視為科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四大學(xué)科教學(xué)的雜糅，對這四大學(xué)科之間究竟是一種什么樣的關(guān)系卻避而不談，或僅僅引述詞典里科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的定義，就事論事，浮光掠影，根本于事無補(bǔ)。事實(shí)上，對STEM教育究竟是什么及怎么做這個問題的回答，離不開對科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四大學(xué)科之間關(guān)系的澄清，更離不開對STEM教育歷史演進(jìn)的系統(tǒng)回顧。唯有如此，才能真正實(shí)現(xiàn)歷史與邏輯的同一。

首先，來看科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四大學(xué)科之間的關(guān)系?？茖W(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)之間不但和科學(xué)內(nèi)部不同學(xué)科之間一樣存在著層次性，而且還存在著錯綜復(fù)雜的交互關(guān)系。如果說數(shù)學(xué)和科學(xué)在思維方式上是分析的，那么技術(shù)和工程在思維方式上則是綜合的。工程面向現(xiàn)實(shí)世界，立足真實(shí)場景，解決實(shí)踐問題，它包括兩個核心步驟：設(shè)計(jì)和造物。設(shè)計(jì)不可避免地要利用多學(xué)科知識，其中主要的是科學(xué)。造物則是使用工具裝備把存在于頭腦中的設(shè)計(jì)藍(lán)圖即認(rèn)知的人造物（Cognitive Artifacts）轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的人造物（Artifacts）。而這些工具裝備正是技術(shù)創(chuàng)新的結(jié)晶。由此決定了技術(shù)和工程之間密不可分的親緣關(guān)系。盡管人們對工程究竟是什么存在著各種不同的理解與認(rèn)知，但一般都把其視為借助于工具裝備對自然的改造。這也是工程（Engineering）不同于手工（Handcraft）的地方。

這一點(diǎn)對于STEM教育具有非常重要的意義。實(shí)踐中，往往在“做中學(xué)”的名義下把手工等同為工程，進(jìn)而認(rèn)為做手工就是STEM教育。其實(shí)大謬不然。手工基于個體經(jīng)驗(yàn)和隱性知識，主要靠人力勞動。工程則基于普遍原理與顯性知識，主要靠工具裝備。手工和工程的區(qū)別，可以用一個簡單的例子來說明。比如，在農(nóng)村院子邊上搭一個茅房屬于手工，而在城里蓋一棟樓房則屬于工程。搭一個茅房，基本上不用畫圖紙，因此談不上什么設(shè)計(jì)，也不用使用什么太高級的諸如挖掘機(jī)之類的工具裝備，一般用鐵鍬挖一個坑，四周用秸稈做一個圍擋就可以了。蓋一棟樓房則不然，不僅要有非常完備的設(shè)計(jì)圖紙，而且還需要使用諸如吊塔之類的各種工程機(jī)械裝備。二者需要用到的科學(xué)知識和蘊(yùn)含的技術(shù)含量有天壤之別、云泥之分。

工程實(shí)踐使用的那些工具裝備無疑是技術(shù)創(chuàng)新的結(jié)晶。這些裝備之所以能被制造出來且發(fā)揮相應(yīng)的功能，顯然是由科學(xué)原理來保證的。也正是在這一意義上，現(xiàn)代技術(shù)才被視為基于科學(xué)的技術(shù)（Science-based Technology）。關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新必然以基礎(chǔ)科學(xué)的突破為前提。如果說這展現(xiàn)了科學(xué)、技術(shù)與工程之間的線性相關(guān)，那么反過來看，工程實(shí)踐并不僅僅只是技術(shù)裝備的簡單應(yīng)用，同時也是技術(shù)創(chuàng)新重要的策源地，技術(shù)創(chuàng)新也并不僅僅只是科學(xué)研究在應(yīng)用上的邏輯延展，同時也持續(xù)為科學(xué)研究提供強(qiáng)有力的工具手段，并反向推動基礎(chǔ)科學(xué)不斷取得新突破。這正是斯托克斯（Donald Stokes）在《巴斯德象限》一書中所要力圖展現(xiàn)的當(dāng)代基礎(chǔ)科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新之間的雙向交互關(guān)系[9]。推而廣之，這也是當(dāng)代科學(xué)、技術(shù)與工程在實(shí)踐中展現(xiàn)出來的三位一體、耦合發(fā)展的基本趨勢。

數(shù)學(xué)與科學(xué)的關(guān)系就更明確了。誠如李約瑟所言，科學(xué)源于把數(shù)學(xué)假說應(yīng)用于自然，充分認(rèn)識和運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法，持續(xù)推動空間幾何化的歷史努力[10]?？峦呃祝ˋlexandre Koyré）甚至把對近代以來興起的這場科學(xué)革命的刻畫“近乎等同于自然的數(shù)學(xué)化（幾何化），從而近乎等同于科學(xué)的數(shù)學(xué)化（幾何化）”[11]。伽利略曾說：“哲學(xué)被寫在這本永遠(yuǎn)敞開于我們眼前的巨大的書里——我的意思是宇宙，然而，如果我們不首先努力弄懂它的語言，認(rèn)識書寫它的文字，就理解不了它。它是用數(shù)學(xué)語言寫成的”[12]。這也是牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》這一科學(xué)革命的里程碑式作品中展現(xiàn)的圖景。正如《物理世界的數(shù)學(xué)奇跡》一書的最后一句話所言：“宇宙正對我們輕聲耳語，透露自己的秘密，用的還是立體聲”，而這一立體聲的主旋律無疑是數(shù)學(xué)的[13]。數(shù)學(xué)的穿透力之強(qiáng)，可能還不止于科學(xué)這一層，甚至還一直延伸到了技術(shù)和工程的層面。數(shù)學(xué)這一學(xué)科的基礎(chǔ)性由此可見一斑！

數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)、工程之間錯綜復(fù)雜的交互關(guān)系決定了STEM教育蘊(yùn)涵著豐富的層次性。它遠(yuǎn)不止讓學(xué)生在活動課中做個東西出來那么簡單，也不僅僅只是在工程實(shí)踐的過程中掌握各種技術(shù)裝備的使用，而是以借助技術(shù)裝備的工程實(shí)踐來觸發(fā)和驅(qū)動科學(xué)探究不斷走向深入，并在技術(shù)應(yīng)用和科學(xué)探究的過程中持續(xù)深化對數(shù)學(xué)運(yùn)算和邏輯運(yùn)演的理解與認(rèn)知。從這一意義上來講，STEM教育就是一個剝洋蔥的過程。最外面的一層是工程，里面的一層是技術(shù)，再里面的一層是科學(xué)，最里面的那層則是數(shù)學(xué)。工程面向的是現(xiàn)實(shí)生活的經(jīng)驗(yàn)世界，數(shù)學(xué)面向的則是抽象思維的邏輯世界。這是兩個不同的世界。教育的使命就是打通這兩個世界，并推動學(xué)生在這兩個世界的來回穿梭中實(shí)現(xiàn)發(fā)展。從工程這一層出發(fā)，一直剝到數(shù)學(xué)這個洋蔥芯，這是一個從具體到抽象不斷螺旋式上升的過程。這就是杜威（John Dewey）所謂“教育即經(jīng)驗(yàn)”“教育即經(jīng)驗(yàn)的持續(xù)不斷的改組與改造”一語的真諦。

反觀現(xiàn)在很多STEM教育，層次的豐富性很弱，有時甚至只有一層。這在實(shí)踐中表現(xiàn)為，很多 STEM課程口口聲聲自詡“做中學(xué)”，但往往變成了“有做而沒有學(xué)”。學(xué)生忙活半天，往往變成了學(xué)手藝，甚至出現(xiàn)照著說明書不動腦子機(jī)械拼裝最后雖然做出了個東西但卻對其背后的原理一無所知最終在學(xué)習(xí)上一無所獲的荒誕情形?；A(chǔ)教育面臨著因藍(lán)翔技校化而喪失基礎(chǔ)性的風(fēng)險(xiǎn)！教育要從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，但并不能止于經(jīng)驗(yàn)。杜威曾指出：“相信所有真正的教育都是透過經(jīng)驗(yàn)而來，這并不意味著所有的經(jīng)驗(yàn)都是適當(dāng)?shù)暮偷韧诮逃?。?jīng)驗(yàn)和教育彼此之間并不直接是可以畫上等號。有些經(jīng)驗(yàn)甚至是錯誤的教育”[14]。杜威當(dāng)年的警告言猶在耳，今日的STEM教育當(dāng)引以為戒。

三、STEM教育的歷史回溯與內(nèi)涵闡釋

雖然基于知識理論的分析有助于深化對跨學(xué)科教學(xué)的理解，但要真正把握STEM教育跨學(xué)科教學(xué)的邏輯，僅有理論層面的分析顯然是不夠的。邏輯源于歷史，是從歷史中抽象出來的，因此也是由歷史規(guī)定的。對于STEM教育究竟是什么這個問題的回答，只有使用歷史的方法，才能真正做到內(nèi)涵與外延的同一。

1.STEM教育的跨學(xué)科教學(xué)理念究竟從哪里來

如果做一個歷史的考察，就會發(fā)現(xiàn)，與今日不同，STEM這個詞最早是作為一個高等教育領(lǐng)域內(nèi)的概念出現(xiàn)的[15]。在美蘇冷戰(zhàn)最激烈的年代，前蘇聯(lián)于1957年底把人類歷史上第一顆人造地球衛(wèi)星送上了太空，震驚了美國朝野。在謀一隅也謀全局、謀一時也謀萬世的戰(zhàn)略思想指引下，美國迅速通過了兩個重量級的教育改革法案，一個是《國防教育法案》，另一個是《高等教育法案》，全面改革教育體系，以應(yīng)對蘇聯(lián)在國防尖端科技方面的競爭。在高等教育領(lǐng)域，對數(shù)學(xué)、科學(xué)與工程教育給予了前所未有的高度重視，投入了大量資源，推動了以斯坦福大學(xué)為代表的一批“冷戰(zhàn)大學(xué)”快速崛起。STEM的前身SME應(yīng)運(yùn)而生。作為高等教育領(lǐng)域內(nèi)的一個概念，SME這個詞作為科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程的簡寫，用來指稱的是科學(xué)、數(shù)學(xué)與工程教育，其中并無跨學(xué)科教學(xué)的含義。因?yàn)樵诋?dāng)時的高等教育領(lǐng)域，數(shù)學(xué)、科學(xué)與工程分屬不同學(xué)科門類，有各自的院系和建制，雖然有對學(xué)科協(xié)同與交叉的關(guān)注，但主要是在研究而不是在教學(xué)的意義上。進(jìn)入20世紀(jì)70年代后，伴隨著硅谷崛起，信息科技革命終修成正果，高等教育機(jī)構(gòu)普遍開設(shè)了信息科技類學(xué)科專業(yè)，信息科技的話語權(quán)和影響力不斷增大，技術(shù)教育引起了越來越多重視，終于得以與科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程并列，SME也進(jìn)化為STEM。但此時，還是作為一個高等教育領(lǐng)域的概念，僅僅只是作為科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)教育的簡稱和統(tǒng)稱，盡管也有研究層面上對學(xué)科交叉的強(qiáng)調(diào)，但仍無教育層面上跨學(xué)科教學(xué)的含義。其背后深層的原因可能在于，和基礎(chǔ)教育的基礎(chǔ)性相比，高等教育更多強(qiáng)調(diào)的是專業(yè)教育。

與高等教育同步，20世紀(jì)60年代，在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域，認(rèn)知心理學(xué)家布魯納（Jerome Bruner）領(lǐng)導(dǎo)啟動了一場為期十年的基礎(chǔ)教育課程與教學(xué)改革運(yùn)動。這場改革的主戰(zhàn)場和主陣地就是數(shù)學(xué)與科學(xué)教育。其最為鮮明的特色是大批科學(xué)家和數(shù)學(xué)家引領(lǐng)并親身投入數(shù)學(xué)與科學(xué)教育改革的第一線，編寫科學(xué)與數(shù)學(xué)教科書，開發(fā)科學(xué)與數(shù)學(xué)教學(xué)資源，探索科學(xué)與數(shù)學(xué)教學(xué)新模式和新方法。這是一場數(shù)學(xué)與科學(xué)成色十足的教育改革實(shí)踐探索，給后來者留下了豐富而珍貴的思想財(cái)富。特別是布魯納倡導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)成為其后驅(qū)動STEM教育的重要動力[16]。但STEM這個詞正式進(jìn)入基礎(chǔ)教育，要到20世紀(jì)80年代。其中標(biāo)志性的事件是1983年《國家處于危機(jī)之中》報(bào)告的出版、1989年美國科學(xué)促進(jìn)會啟動的2061計(jì)劃。至20世紀(jì)90年代初，STEM基本上完成了向基礎(chǔ)教育領(lǐng)域概念的轉(zhuǎn)變。當(dāng)時美國國家科學(xué)基金會在SME的基礎(chǔ)上先是使用了SMET這個詞，其后因發(fā)音容易引起歧義，才改為STEM[17]。此時它被賦予了更加豐富的內(nèi)涵，已經(jīng)不僅僅是作為科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育的簡稱和統(tǒng)稱了，而是具有跨學(xué)科教學(xué)的新指向[18]。

這種變化究竟是如何發(fā)生的呢？這可能和美國基礎(chǔ)教育領(lǐng)域內(nèi)長期以來存在著的杜威的綜合課程傳統(tǒng)密切相關(guān)。眾所周知，作為進(jìn)步教育的領(lǐng)軍人物，杜威經(jīng)驗(yàn)自然主義的教育思想在教育史上具有非常重要的地位，也為美國教育的實(shí)踐打上了深刻烙印。杜威經(jīng)驗(yàn)自然主義的教育思想以實(shí)用主義的哲學(xué)為引領(lǐng)，以機(jī)能主義的心理學(xué)為基石，系統(tǒng)回答了什么是教育、什么是學(xué)校、教材如何組織、教學(xué)如何開展以及學(xué)校何以促進(jìn)社會進(jìn)步等問題。其中最核心的是課程與教學(xué)問題。杜威在課程構(gòu)建上提出了綜合課程的觀點(diǎn)，在教學(xué)實(shí)施上提出了與綜合課程相應(yīng)的“做中學(xué)”的教學(xué)法，產(chǎn)生了深遠(yuǎn)而廣泛的影響。因此有理由認(rèn)為，正是由于杜威綜合課程的理念和對“做中學(xué)”教學(xué)法的倡導(dǎo)，才使STEM在進(jìn)入基礎(chǔ)教育領(lǐng)域后獲得了跨學(xué)科教學(xué)的新內(nèi)涵。如果說在概念層面上，“我們必須首先認(rèn)識到STEM是一個統(tǒng)一的概念，而不僅僅是四個學(xué)科以方便發(fā)音的縮寫詞構(gòu)成的組合”[19]，那么在課程和教學(xué)層面上，這一跨學(xué)科的理念也很自然地包含了兩個方面的內(nèi)容，即在課程構(gòu)建上強(qiáng)調(diào)基于學(xué)科知識整合的綜合課程，在教學(xué)實(shí)施上強(qiáng)調(diào)以活動為中心的“做中學(xué)”[20]。思想的力量就是如此隱秘而強(qiáng)大！

2.STEAM究竟給STEM教育帶來了什么

當(dāng)然，正如從SME到STEM一樣，STEM的概念也在不斷進(jìn)化。其最近一步的發(fā)展便是廣為認(rèn)知的STEAM，藝術(shù)（Arts）加入了進(jìn)來。很多人認(rèn)為，藝術(shù)加進(jìn)來就是通過藝術(shù)設(shè)計(jì)讓STEM教育中工程實(shí)踐的造物環(huán)節(jié)產(chǎn)出的人工制品更好看[21]。這固然不錯，但顯然遠(yuǎn)不止于此。藝術(shù)加進(jìn)來，不僅使跨學(xué)科教學(xué)的幅度更廣闊，更重要的是賦予了STEM教育這一面向理工領(lǐng)域的跨學(xué)科教學(xué)更加豐富的內(nèi)涵和更加崇高的使命。

首先，STEAM以藝術(shù)為STEM教育插上了想象力和創(chuàng)造性的翅膀，使學(xué)生能在數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)和工程的天空中自由翱翔。藝術(shù)教育是啟發(fā)式的[22]，其最重要的價(jià)值在于培養(yǎng)人的想象力，而想象力是創(chuàng)造力最核心的成分。STEM教育中無論是數(shù)學(xué)還是科學(xué)，抑或技術(shù)與工程，都是邏輯主導(dǎo)的。雖然不管是數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)與工程的研究還是學(xué)習(xí)都需要想象力的參與，但數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)與工程的課堂本身卻并不能培養(yǎng)這種想象力。斯托克斯迪克（Martin Storksdieck）指出，STEM教育應(yīng)該從人文領(lǐng)域那里得到啟發(fā)，至少擁有一種能夠激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造力和想象力的東西[23]。這一重任顯然落在了藝術(shù)的肩上。很多教育工作者認(rèn)為，STEM缺少與創(chuàng)造力相關(guān)的成分，而培養(yǎng)創(chuàng)造力最好的途徑則是藝術(shù)[24]。藝術(shù)提供了一種不同于科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)的看世界的方式，這是一種可以導(dǎo)致對世界有不同理解的啟發(fā)式方法，是解放數(shù)學(xué)家、科學(xué)家和工程師的思想并為其注入一定程度的創(chuàng)造力和創(chuàng)新性的有效手段。“當(dāng)藝術(shù)在學(xué)校中缺席時，那些對藝術(shù)有天賦或興趣的學(xué)生就失去了在我們的教育體系中找到自己位置的機(jī)會。最終的結(jié)果是讓年輕人喪失了獲得意義的多樣性和深刻性的機(jī)會”[25]。而有了藝術(shù)教育的加持及其對學(xué)生想象力的激發(fā)與培養(yǎng)，便為他們對數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)與工程的學(xué)習(xí)注入了源源不斷的澎湃動力。類似于工程教育中的工程設(shè)計(jì)方法或技術(shù)教 育中使用的設(shè)計(jì)循環(huán)以及科學(xué)課程中使用的科學(xué)方法，藝術(shù)把具有啟發(fā)式性質(zhì)的工作室心智模式或思維習(xí)慣作為一種基于經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)，用來解決問題、開展學(xué)習(xí)、進(jìn)行研究或做出發(fā)現(xiàn)，這可以為STEM教育提供很大幫助[26]。

其次，STEAM以藝術(shù)賦予了作為理工領(lǐng)域跨學(xué)科教學(xué)的STEM教育以藝術(shù)修養(yǎng)和人文關(guān)懷，進(jìn)而打破了科學(xué)與人文兩種文化的對立。科學(xué)與人文的對立，是一個老生常談但又束手無策的問題。20世紀(jì)50年代，當(dāng)斯諾發(fā)表《兩種文化》時，他想展現(xiàn)的是人文在科學(xué)面前的傲慢。出人意料的是，《兩種文化》問世之后，科學(xué)與人文這兩種文化的對立便發(fā)生了迅速翻轉(zhuǎn)。伴隨著科學(xué)技術(shù)在社會生產(chǎn)與生活中不斷展現(xiàn)出越來越巨大的力量，它一改之前的弱勢，變成了傲慢的那一方。盡管人文學(xué)者對科學(xué)文化的這種傲慢痛心疾首、口誅筆伐，但根本無濟(jì)于事。通過藝術(shù)，把人文精神融入到STEM教育中，以STEAM這一新的跨學(xué)科教學(xué)形式首先在教育上把科學(xué)與人文整合起來，將學(xué)生對科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)與工程的學(xué)習(xí)與對人類事務(wù)、福利、價(jià)值觀或文化的興趣和關(guān)注融為一體[27]，可以有效避免把科學(xué)技術(shù)在社會文化中表現(xiàn)出來的那種傲慢傳遞給學(xué)生，把未來一代造就成具有深厚人文修養(yǎng)的科技專才或具有濃郁科學(xué)精神的人文學(xué)者，對于科學(xué)與人文這兩種文化在更廣泛社會生活中的融合具有基礎(chǔ)性的意義。有學(xué)者指出，現(xiàn)在STEAM教育中的“A”越來越被用來指設(shè)計(jì)和美術(shù)、音樂和表演藝術(shù)[28]。這顯然非常狹隘。它還肩負(fù)著兩種文化融合的重任，因此需要在STEAM活動的實(shí)踐中融入更多社會文化背景，以提出更多獨(dú)特的人文問題。

第三，更深一層來講，STEAM以藝術(shù)讓STEM教育中固有的美學(xué)意蘊(yùn)更加充分地釋放了出來，從而使教育臻于真善美的新境界。藝術(shù)的功能是審美。藝術(shù)教育不僅僅只是培養(yǎng)人的想象力和創(chuàng)造力，打破科學(xué)與人文兩種文化的對立，其最高層次的追求是培養(yǎng)一個人審美的能力。藝術(shù)經(jīng)驗(yàn)往往被當(dāng)作穿著禮服在音樂廳里和劇院中正襟危坐聽音樂和看戲劇，被看成是去博物館和畫廊觀賞藝術(shù)名作，被局限于閱讀文學(xué)名著[29]。其實(shí)并不盡然。從中世紀(jì)的手工作坊中，一方面生長出現(xiàn)代的制造業(yè)，另一方面也生長出美的藝術(shù)。近代以來，伴隨著科技革命和工業(yè)革命，這一潮流得到了進(jìn)一步弘揚(yáng)與發(fā)展。杜威認(rèn)為：“為了理解藝術(shù)產(chǎn)品的意義，我們不得不暫時忘記它們，將它們放在一邊，而求助于我們一般不看成是從屬于審美的普通的力量與經(jīng)驗(yàn)的條件”[30]。STEM教育能夠提供給學(xué)生的，就是這種“普通的力量與經(jīng)驗(yàn)的條件”。STEM教育本身已具有內(nèi)在的審美維度，STEM課程中的問題解決不僅涉及到形式推理而且還包括審美體驗(yàn)[31]。數(shù)學(xué)和科學(xué)展現(xiàn)的是理性之美，技術(shù)和工程展現(xiàn)的則是力量之美。數(shù)學(xué)運(yùn)演、科學(xué)探究、技術(shù)創(chuàng)新和工程實(shí)踐都可以獲得審美體驗(yàn)，因?yàn)樗鼈儭敖Y(jié)合了情感、滿足和理解”[32]。通過審美探究來解決問題和協(xié)調(diào)多種解決方案是數(shù)學(xué)家、科學(xué)家、工程師和藝術(shù)家共同的事業(yè)[33]。藝術(shù)加進(jìn)來后，與科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)和工程的跨學(xué)科融合，將極大促進(jìn)美學(xué)思維和數(shù)學(xué)思維、科學(xué)思維、技術(shù)思維、工程思維的激蕩與融合，使STEM內(nèi)蘊(yùn)的審美維度進(jìn)一步彰顯，培養(yǎng)學(xué)生對數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)和工程的審美能力，讓他們能夠領(lǐng)略數(shù)學(xué)與科學(xué)的真以及技術(shù)和工程的善，進(jìn)而在這一過程中獲得豐富而深刻的情感體驗(yàn)，從而達(dá)到真善美的統(tǒng)一這一教育的最高境界。

四、結(jié)語

面對百年未有之大變局，舉國上下對科學(xué)教育前所未有地重視，STEM教育承載著新一輪科學(xué)教育創(chuàng)新發(fā)展的希望，并必然會在本土化實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)研究的中國化，產(chǎn)出具有民族特色的理論成果?！盎締栴}的命運(yùn)往往就是被后來那些把基礎(chǔ)視為理所當(dāng)然的人看成沒有意義”，但沒有對基本問題的探討作為開端，其后的一切根本不可能開始[34]。立足現(xiàn)實(shí)，面向未來，加強(qiáng)STEM教育的基礎(chǔ)理論研究，特別是對其涉及到的深層次重大理論問題做出科學(xué)回答，是教育工作者肩負(fù)的重大歷史責(zé)任與時代使命。本文基于知識理論和歷史回溯對跨學(xué)科教學(xué)何以可能這一問題進(jìn)行的初步探討，僅僅是漫長理論建構(gòu)之路上微不足道的一小步。我們真誠地希望也堅(jiān)定地相信，未來會有更多更好的研究成果持續(xù)不斷涌現(xiàn)出來，中國STEM教育的百花園必然會百花盛開，萬紫千紅！

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作者簡介：

鄭旭東：教授，博士，研究方向?yàn)榻逃夹g(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論。

周冰：在讀博士，研究方向?yàn)榻逃夹g(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論。

沈曉臣：在讀碩士，研究方向?yàn)榻逃夹g(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論。

How Interdisciplinary Teaching in STEM Education is Possible

—An Examination on the Basis of Knowledge Theory and Historical Dimensions

Zheng Xudong， Zhou Bing， Shen Xiaochen

（Faculty of Artificial Intelligence in Education， Central China Normal University， Wuhan 430079， Hubei）

Abstract： How interdisciplinary teaching can be possible is a fundamental theoretical question of whether STEM education can do well. This article attempts to answer this question based on knowledge theory and historical dimension. The unity of knowledge originates from the unity of nature. The logic of natural evolution determines the connections between disciplines in the process of differentiation. This connection manifests as two opposite basic forms： the chain of disciplinary contempt and the chain of disciplinary dependence. Based on the theory of evolution of knowledge and the ecology of disciplines， the author interprets the basic structure of curriculum design in the basic education stage through the continuum of curriculum design， and reveals the richness of STEM education at the level through the continuum of mathematics， science， technology， and engineering. In retrospect of history， the interdisciplinary teaching concept advocated by STEM education has been identified as the source of the progressive education comprehensive curriculum， and the three new meanings brought by STEAM to STEM are elaborated in terms of reality and future， namely the manifestation of imagination and creativity， the integration of science and humanities， and the release of aesthetic connotations， ultimately promoting education to a new realm of unity of the truth， the good， and the beauty.

Keywords： STEM education； interdisciplinary teaching； discipline dependency chain； curriculum continuity

責(zé)任編輯：李雅瑄