STEM教育在創造發明活動中的實踐與思考

錢利群

STEM代表科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics），STEM教育就是科學、技術、工程、數學的教育。

STEM教育作為美國政府提升國家核心競爭力的重要途徑，同樣受到了中國教育界的矚目，近年來在引入STEM教育理念的同時，也進行了部分STEM課程的推廣，如小學階段的船模探索、鳥籠制作等活動。中國福利會少年宮在青少年創造發明暨青少年工程創新活動中嘗試融入STEM教育，在經過一年多的深入實踐與思考后，總結了四點經驗。

經驗一：營造良好的環境是青少年創新發明活動融入STEM教育的基礎

目前中國青少年創造發明活動比較注重最后的成果，以此出發，絕大部分創造發明活動的環境布置更像一個小型車間。從STEM視角來看，如此單一的環境難以滿足青少年在基于項目的跨學科學習中的需求。

實踐證明，符合STEM教育理念的青少年創造發明活動場所應該是一個能夠放松探討的空間，是一個印證團隊設想的實驗室，是一個小小設計師的樂園。其中至少需要有三大空間：討論區、加工區、測試區。討論區是一個進行討論、交流學習的區域，在該區域內要有網絡查詢、信息公示欄等功能，學生可以根據各自項目需求進行在線學習，或者將自己研究的項目公示出來供大家探討，更可以此來組建自己的研究團隊；加工區配備一些常用工具，如臺鉆、小型綜合機床等。另外3D打印機、各式傳感器套件、物聯網套件也應當成為標準配備，獨特的零件能夠立即建模并3D打印，一個電機的觸發控制可以是光控傳感器、氣體傳感器、聲音傳感器，各個設備之間能夠通過藍牙或者WiFi即時通信，這些都能夠給予青少年創造發明更廣闊的空間；測試區是配備標準的測量儀器、設備的空間，學生們的作品在這里經過科學的試驗、測量，給進一步修改提供數據。在這樣的環境配置下，能夠給一個基于項目研究的團隊提供自主學習、設計、制作、試驗、交流、改進、運行的條件。

經驗二：優良的師資是STEM教育在青少年創造發明活動中實施的有力保障

目前，國內輔導青少年創造發明活動的師資有以下幾種來源，校內一般由科學、物理、勞技老師兼任，校外一般是有物理、工程、計算機等專業背景的專職老師，還有一些高校工程專業的教授作為特聘輔導教師，這些來源的指導教師都具有同一特點：專業背景單一，要適應STEM教育的跨學科教育方式都面臨著巨大挑戰。

將STEM教育融入創造發明活動后，基于項目的跨學科學習形式成為常態，經常會出現如下場景，在學生團隊A研究“定時錄音牙刷”時，有學生提出“什么是有效刷牙方法？”“錄音模塊如何進行編程燒錄？”學生團隊B研究“自發電GPS定位自行車”時，提出“GPS定位精度與模塊選擇的關系？”“自行車不同騎行速度與輪轂發電電流穩定的關系？”學生團隊C研究“上階梯星棘輪的研制與實驗”時，3D建模軟件，星棘輪支撐角度調整與節省力的測量與計算等諸如此類問題層出不窮。面對這種情況，一位教師能夠精通那么多專業是不現實的，學高為師將成為過去式，教師與學生的界限需要模糊，一位優秀的STEM教師不僅能夠按項目指引學生團隊，而且能夠與學生團隊一起學習，成為團隊一員，是否肯學、好學是評判STEM教師的重要標準。

經驗三：著眼于實際問題的STEM教育給予青少年參與創造發明活動更強大的動力

在現有的創造發明活動中，普遍現象是學生注重知識技能的積累，在提出創新發明創意時也往往停留在書面階段，只將創意寫出來、畫出來，或者只是制作了演示模型。這些問題引入STEM教育后，都是完全能夠克服的。

STEM教育理念中科技理工的核心素養為“解決問題、邏輯思考、批判性思考和創造力”，這也是青少年跟上時代發展腳步的核心競爭力。真正能夠走向運用階段的發明，將極大地激勵孩子投入項目研究的熱情，成為他們參與活動的強大動力。如“定時錄音牙刷”項目中，孩子們觀察發現中學生們的牙齒普遍不白，通過調查發現是因為自小沒有養成良好刷牙習慣造成的，繼而開始了項目研究。他們不知道有效刷牙方法，就去請教牙科醫生，不會燒錄錄音模塊就現學現用，動手能力不夠就一次次地嘗試，在活動課程中時間不夠就利用大量課余時間……孩子們從不知正確的刷牙方法到成為牙科小專家，從錄制幾個簡單測試音到制成3分鐘的刷牙操，從粗糙的簡單組合模型到精細加工的牙刷杯組，在這樣解決一個個來源于實際問題的過程中進行著跨學科的學習，提升工程技術的基本素養的目標便水到渠成。

經驗四：團隊合作研究是基于STEM教育的創造發明活動的重要育人手段

因此目前的青少年發明創造項目一般都是由1至3名學生組成，這讓指導教師進行活動設計時，沒有特別關注團隊合作研究的內容。

引入STEM教育后，團隊合作研究成為了硬性要求，每個項目必須要有3名以上學生參與，任何一名學生都可以利用自己的創新發明創意在公示欄中招募合作對象，團隊組建后，制訂研究計劃時必須進行任務分工，分清每個成員的任務，共同來推進項目。看似簡單的合作人數改變，培育效果十分明顯，學生在團隊合作的真實環境中學會與人相處，學會與人溝通，學會互相配合，明確自己在團隊中的分工定位，能夠在整個團隊中尋找機會表現自己，這將有效地提升青少年將來的整體競爭力。

綜上所述，一個典型融入STEM教育的青少年創造發明活動現場就是在一個表面上看來雜亂無章實際分工合作有條不紊的學習情境中，輔導者通過項目引領的方式，吸引學生團隊聚焦在解決實際問題的項目里，通過對項目的實際解決，按項目需求學習各科知識，整體提升學生的工程技術素養。