融合：實現STEM教育的有效策略

STEM教育出現于21世紀初，即科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）教育的統稱。但它并不僅僅是把這4個詞堆疊在一起，而具有一定的深意、內涵和教育意義。

隨著人類科學技術的不斷進步，科學、技術、工程和數學領域的聯系也越來越緊密，解決任何一個領域的問題都會涉及到其他三個領域；任何一個領域的發展都將為其他領域打開進步的空間；任何一個領域的素質都是未來公民的基本素質。因此，在STEM教育提出之初，人們就意識到STEM教育不僅對國家未來的創新能力和競爭力有決定性的影響，而且是社會進步的必要基礎，公民的科學素質直接關系著21世紀的社會文化、價值取向和民主政治的實現。同時對兒童學習能力的科學研究則表明，兒童生而具有強大的學習能力，兒童缺乏的是知識和經驗，而并不缺乏推理能力，兒童是主動的學習者，兒童可以在有效的引導下，學習更多的基本知識和技能。因而這些基本素質的培養都可在從幼兒園到高中畢業的學習期間逐步完成。

可是，在普通人眼中只有在理工科大學里才會出現的工程問題，能在中小學的課堂中研究嗎？如何實現呢？要想解決這個問題，首先要理解科學、技術與工程的聯系和區別，找出在小學學習階段科學與工程教育的交集，再對教育進行反思，就不難理解如何將看似復雜的工程問題結合在K-12年級的課程中，幫助學生發展科學、技術、工程與數學的綜合素質。

什么是技術、工程、技術和工程素養

2012年發布的美國國家教育進展評估（National Assessment Of Educational Progress，NAEP）的《2014年國家教育進展評估的技術和工程素養框架》報告對技術、工程，及其素養給出了廣義的定義，如下：

技術：指任何為了滿足人類需求而進行的對自然狀態的改變或者對世界的改造。

工程：指為滿足人類需求系統地、反復地設計對象、進程和系統的一種途徑。

技術與工程素養：指使用、理解和評估技術的能力，以及理解開發解決方案和實現目標的技術原理和策略。

雖然有很多學者對技術素養、工程素養、技術和工程素養等給出不同的定義，但在這些不同范圍的定義中都顯示出技術和工程之間密不可分的關系。該框架提出2014年技術與工程素養評估的領域分為3個部分：技術與社會（Technology and Society）、設計與系統（Design and Systems）、信息與通信技術（Information and Communication Technoloay）。

科學、技術與工程有怎樣的聯系與區別

科學、技術與工程，三者既緊密聯系密不可分，同時又在目的、形式和任務、研究方式、成果和評價標準等各方面都有所不同。科學在于認識世界，解釋自然界的客觀規律，而技術和工程則是在尊重自然規律的基礎上，改造世界，實現對自然界的控制和利用，解決社會發展過程中遇到的難題。

實踐是科學、技術與工程的重要特征和需求。參與科學實踐可以幫助學生理解科學知識如何建構，可以讓學生認識到調查、模仿和解釋世界的各種方法；參與工程學實踐同樣幫助學生理解工程師的工作，以及工程學和科學之間的關系。上圖來自干2012年美國國家研究理事會（NRC）頒布的《K-12年級科學教育框架》，它描述了科學家和工程師的工作。不論是科學家還是工程師，他們的主要活動是調查和實證探究；他們的工作的本質是建構解釋或利用推理、創造性思維和模型進行設計，形成解決方案；分析、辯論和評價則是科學和工程學研究得到認可的唯一途徑。在這些活動和辯論中科學家和工程師都嘗試使用最合適的方法和工具來完成任務，它們都是創造性的過程，都不只使用一種方法，都具有重復性和系統性。

可見，科學、技術與工程學之間有著一種很強的共通性和互補關系，是辯證統一的整體。它們的交集就是人類社會的進步與發展。哪怕是最簡單的科學現象和問題，都可以在人類生活中找到它的影子，找到它轉化為技術和工程的途徑。而當人類在解決實際生活問題時，想到的不僅是技術、是設計、是工程，同樣也必須考慮其中涉及的科學原理和規律，只有遵循這些原理和規律，才能真正找到問題的本質。從這一點來看，他們之間的交集足以支持在從幼兒園到高中的學習過程中將科學、技術與工程聯系起來開展教育活動。

將STEM教育引入科學課堂時，有什么樣的標準

教育過程畢竟不同于真實的科學研究和工程實踐，教師關注的是將STEM引入科學課堂時，技術和工程部分的教學目標是什么，標準是什么。

《2014年國家教育進展評估的技術和工程素養框架》對技術與工程素養評估的3個部分給出了具體的內容和分年級評估框架，該框架非常有利于幫助科學教師在進行教學設計時思考如何制訂出適合技術與工程素養的教學目標和教學方案。這里以“設計與系統”中的“工程設計”為例，介紹其分年級評價框架，詳見表1。

而《K-12年級科學教育框架》從“實踐”的角度分析了科學與工程的不同要求，也是科學教師考慮教學計劃和策略時不可或缺的參考，讀者可參閱《中國科技教育》2012年第2期《在K-12階段教育中的科學與工程實踐》一文。

將STEM教育引入科學課堂時，教學是怎樣的

有了教學目標，教師更關注的是如何實現STEM的各項目標。其實，STEM的各個方面都相互關聯，只有將它們融合起來，才能高效地實現所有維度的目標和要求。那么，如何融合呢？筆者認為這不僅離不開科學課程這個載體，也需要更多的教育教學方法與策略。

科學問題本就源于自然，源于某一現象的問題，如“為什么杯子里的熱水會變涼？”工程學則源于需要解決的某個難題，例如“怎樣讓房子更保暖？”這兩個貌似不相同的問題，其本質卻都是熱學中能量的傳遞問題。當教學圍繞這個本質展開時，就有了一條隱形的線索，將科學和工程問題有效地結合在一起。可見，STEM的教學并不是簡單地將科學與工程組合起來，而是要把學生學習到的零碎的知識與機械過程轉變成一個探究世界相互聯系的不同側面的過程。

基于科學情境，結合技術與工程活動——小小建筑師

“小小建筑師”是“做中學”科學教育改革實驗項目為低年級（1-2年級）小學生開發的教學模塊。該模塊圍繞如何使結構更加穩固開展設計與技術的教學活動。這是一個科學和技術交織在一起的案例，結構的穩固性中既有科學原理，又蘊含著工程設計和操作技術。

學生首先探索三角形和正方形的特點，嘗試加固正方體和立方體，了解結構的對稱性和穩定性，理解三角形是一種穩定的結構，理解結構的穩固性與結構的形狀、所用材料的材質、連接的方式等有關。最后通過設計和制作搭建建筑，運用三角形的穩定性，探索建筑物的穩固性。

結構的穩固性是一條有效的線索，它連按著與穩固性和結構相關的科學原理和工程技術。具體教學活動如表2。

基于實際工業情境，融合科學問題與工程技術——流動的液體

這是一個非常有效的方法，利用兒童日常生活中可能接觸到的工業情境，融合科學問題和工程技術，例如在2012年11月舉辦的第3期“做中學”高級研修活動中用到的關于膠水、關于冷卻的實例，以及本期專題中介紹的“流動的液體”等。基于生活情境，巧妙結合科學、技術和工程問題——自封袋

這是來自《Everyday Engineering：Putting the E in STEM Teaching and Learning》一書中的一個實例——探索自封袋。

自封袋是學生生活中常見的用品，通過不同的連接方式，使兩個部分牢固地鎖在一起，起到密封的作用。這其中包括有材料的特征和特性、連接的方式和方法、受力的控制等科學原理和工程技術。學生通過觀察和研究常見的各種自封袋，了解力可以通過多種方式進行傳遞，可以用一些裝置控制力，以實現自由地打開和閉合；了解這樣的裝置中有的部分需要能移動和旋轉、有的部分必須牢牢地固定住；理解在設計結構時要考慮其用途和條件的限制，要考慮材質的選擇和鏈接的方法。

在這個案例中，解決自由地打開和閉合這個實際問題成為一個貫穿始終的線索，將科學學習、設計和技術運用結合起來見表3。

融合是將STEM教育引入中小學科學課堂的有效策略

從本專題的實例中，讀者不難看出在科學、技術、工程、數學之間存在著一種相互支撐、相互補充、共同發展的關系。如果要了解它們，尤其是它們之間的關系，就不能獨立其中任何一個部分，只有在交互中，在相互的碰撞中，才能實現深層次的學習、理解性學習，也才能真正培養兒童各個方面的技能和認識。

可見，當教師在考慮如何將STEM教育引入中小學科學課堂時，必須將它們看作4種彩線，交織在一起，融合在一起，才能織出絢麗的畫卷。

參考文獻

[1]韋鈺，美國正在建設優秀STEM項目數據庫，中國科技教育，2012（9）