美國STEAM課程的實踐和啟示

美國的實踐：從STEM到STEAM到STREAM

STEM源于四個學科的縮寫，S代表科學（Science），T代表技術（Technology），E代表工程（Engineering），M代表數學（Mathematics）。這四個學科的整合，相近于我國教育教學領域的“理工科”。

STEM的重點在科學教育。美國的科學教育主要是指生物、化學、物理、地球或環境。21世紀以前，美國50個州中只有40個州對科學課有要求，而且要求只學兩年。2001年頒布《不讓一個孩子掉隊》法案以后，美國教育部門開始重視科學教育課程。以前美國的技術教學與中國的勞技課相似，小學里的技術課也類似于中國課堂情境下的手工勞動。現在加入了越來越多高科技的內容。在工程方面，原來中小學課程沒有工程內容，現在工程教育進入中小學。2010年，已有九個州把工程正式列入課程標準，目前這個數字已經大增，但并不是所有州的課程里都有工程。在數學方面，美國中小學數學內容領域包含了我們熟悉的算術、幾何、代數、三角的內容，最大的不同是美國的高中有微積分。美國有43個州規定學生必須學習兩年的數學必修課。

近年來，美國教育研究者和實踐者愈加認識到藝術教育對科學教育的重要影響，特別是藝術教育對于學生創新創造思維的培養能夠在很大程度上轉化、融通并促進科學教育中的創造力。因此，在原有STEM基礎之上添加了藝術Arts（簡寫為A），發展成為STEAM。最近在美國教育界一些學者和實踐者們開始倡導STREAM的理念，其中新添加的R代表寫作（wRiting）。寫作為什么重要？美國做過一項研究，把我們認為的諾貝爾獎獲得者和科學院士等最頂尖的科學家和一般的科學家做比較，發現他們在寫作方面存在著巨大的差別，從統計數據來看，大約有20倍的差異。因此人們逐漸認識寫作的重要性。

STEAM課程的特點和內容

強調學科的整合。美國提倡的STEM到STEAM，再到STREAM，最核心的概念就是學科的整合。用整合取代分科，學科界限漸漸消失。

美國從1894年十個著名哈佛教授成立的十人教授委員會對美國學校的課程進行評價以來，一直在關于分科還是整合學科的問題上爭鳴不斷、改革不斷，分久必合，合久必分。目前提倡的STEAM課程是最典型的整合學科的實踐代表。STEAM強調知識和技能的整合，但是分兩層，一層是原有特定學科的知識和技能，一層是跨學科的知識和技能。多學科和跨學科的課程組織方法是不一樣的。多學科課程組織方法是，以特定主題為中心，不管有多少門學科，例如語文、數學、藝術等，所有課程都圍繞這個主題開展教學。跨學科的課程組織方法更加強調各個學科之間的連接和交叉，而不是把一個學科和另外一個學科分開來講授。學科整合根據不同學科知識和技能融合的方式與程度分為幾種水平：序列式、平行式、部分式、提升式和總體融合式。其中總體融合式的水平最高。

美國新一代的科學教育標準很好地回答了“學什么”這個問題。該標準提出了學科核心概念和跨學科核心概念這兩個維度。學科核心概念指的是，每個學科有本身的核心概念。以生命科學為例，其核心概念包括：LS1（從分子到器官：結構與過程）、LS2（生態系統：相互作用，能量和變化）、LS3（遺傳：特質的遺傳與變異）、LS4（生物進化：單一性與多樣性）。跨學科核心概念指的是，各個學科之間有共同的跨學科核心概念。例如，STEAM課程的跨學科核心概念包括：模式，因果關系——方式及其解釋，度量、比例和數量，系統和系統模型，能源和物質——流動、循環和儲存，結構和功能，穩定性和變化。

STEAM課程的內容還要緊跟科技的發展趨勢。目前科學技能領域的一個新趨勢是特別強調計算思維。現在人類已經進入人工智能（Artificial Intelligence，AI）時代，而人工智能的背后是計算思維。因此，這一趨勢帶來的啟示是，學校的STEAM課程設置中從低年級起就應著重培養學生的計算思維。所謂的計算思維教育，就是要讓孩子理解AI背后的計算思維，要讓孩子們像計算機科學家那樣去思考問題，將來能夠理解機器人是怎樣構造以及如何運作的。最近，哈佛大學與麻省理工學院合作把計算思維課程內容模塊化，提供給中小幼學生。未來的課程組織趨勢是整合，因為當前信息時代的知識量非常龐大，而很多的知識都是碎片化的，處理碎片化知識的最有效途徑就是整合。

強調綜合能力的培養。另一方面，STEAM課程理念與目前國際上倡導培養學生關鍵品格的教育形勢緊密關聯。在中國，人們將這些關鍵品格稱為核心素養；在美國，稱為21世紀的能力。這些能力本身就是復合性的，必須通過跨學科的、整合的課程設置來培養。世界經濟論壇提到，應對未來必須具備三大塊核心素養：一塊是基礎素養；另一塊是勝任力，包括一些基本的、很重要的創造能力、溝通能力；第三塊是個性特質，如領導力和適應社會的個性品質。無論中國、美國，還是世界經濟論壇都強調培養學生的批判性思維、創新思維、合作能力，而STEAM課程為發展這些素養、能力和品質提供了很好的基礎。

世界經濟論壇提出的21世紀技能

STEAM課程的實施

STEAM課程的教學特點可以歸納為：學習環境是探究式的，學習內容是跨學科的，學習方法是基于項目的，教師角色是支架式的。

STEAM課程的學習環境是探究式的，學習內容是跨學科的。科學教育教學容易陷入一個誤區，就是把抽象的科學概念以抽象的方法教給學生。然而科學概念的發展是從具體到抽象的，要破解這個誤區，就要回到原本的、真實的情境中。因此，STEAM課程的教學強調真實情境。復雜的真實世界中的問題幾乎都是需要多學科的、跨學科的知識和技能去解釋和解決的。教學如果要促進跨學科的知識運用，必須對真實情境的現象進行探究、抽象和歸納；教師不應該期望學生在運用單一具體的例子解決問題時，能從背后的抽象表征中做出推斷。探究式的跨學科的學習有助于長期及短期的概念遷移和知識運用。

STEAM的學習方法是基于項目式的學習。理想的探究式學習要借助于項目式的學習，而項目式學習的關鍵，在于項目活動的設計。STEAM學習中結合了工程，這為項目學習提供了很好的途徑。中國教師可能最不熟悉的是工程，因為中小學沒有這一門課。過去在美國也是只在大學才開始教授工程這門學科，后來發現大學生學習工程已經為時太晚，工程教育應該從小的時候就開始。理解工程設計的特征，有助于教師們更好地開展STEAM教學。工程設計的流程是：提出問題、調查現狀、構思、設計、制作、測試、改進成果和成果展示。工程本質上就是設計、構造一個物品或物件，是項目式學習的具體化。

STEAM教學過程中教師的作用是支架式的。STEAM學習結果很大程度上取決于教師的經驗和教師有效支持學生問題解決的能力。高水平STEAM教師的角色是提供協助，如悉心安排社會支持、監控學習、幫助學生保持在達成目標的軌道上。STEAM教師還要使跨學科的整合學習過程更加清晰。學生一般不能做到即時整合和深刻理解他們所學的各個學科的概念，或不能整合包括各個學科的跨學科的核心概念。STEAM教師要清楚地把學生注意力吸引到不同學科之間的深層結構關系，要把這些關系講清楚，幫助學生深刻地理解跨學科的核心概念。

STEAM教師還要強調科學學習過程中的社會學習。社會學習的過程是觀察、模仿、合作、展示、塑造。社會學習的最好形式就是組成學習共同體。STEAM的學習共同體有如下特征：小組的每個成員要承擔有意義的角色；對所有參與者都要求最大程度的參與；輪換角色和互換同伴指導；為每個學生，不論組內還是組外，制定清晰具體的學習目標和評估方式。此外，教師們熟悉的一些理論，如認知理論、建構理論、情境理論、支架理論等都能有效促進STEAM教學及培養學生核心素養。

STEAM課程在美國和中國面臨的共同挑戰和障礙，不是缺少學習材料或適當的設備，而是缺少能教好STEAM課程的師資隊伍。老師必須自身具備STEAM素養才能成為有效的STEAM老師。要解決這一困境，第一個辦法是邀請高校教師到中小學教STEAM；第二個辦法是開展多學科教師的團隊合作，但這一途徑中最稀缺的是工程學科教師。幸而，在中國有很多工科學生和工程人員，因此可能的解決方案之一是中小學校與高校和工廠企業開展合作。中小學STEAM課程的教學不能離開大學，要充分利用大學的資源，與大學建立緊密聯系。

STEAM課程的評價

如何了解學生在STEAM課程中學會了什么，這是評價的問題。通常教師們熟悉的是特定學科的評價，但不熟悉整合型、項目型學習的評價方法。解決途徑之一就是要求教師設計對于具體學科和整合學習均有效的評價，及運用多種形式的評價，如形成性評價、臨時性評價、總結性評價等，也就是綜合評價，來評價學生的學習效果。設計STEAM綜合評價需要回答兩個重要的問題：一是什么才能算是學習的證據，二是什么類型的情境和任務才能引出這些證據。因為STEAM的課程學習過程實際上是工程設計的過程，其結果就是學習、設計出的產品，產品就是一種核心證據。另外還要收集有關學生設計過程的證據，即學生學習和思維過程的評價證據。

在此舉一個STEAM課程整合信息技術的評價案例。波士頓科學博物館開發了一個為期8周的關于能源概念的項目。每位參加這個項目的學生都可以在手機上或電腦上使用一個名叫“工程師筆記本”的App。這個App會把學生所有的操作步驟記錄下來，包括最初的草稿、歷次修訂的版本，以及學生的互動。在形成性評價方面，新開發的嵌入式評價任務和題目是自動計分的；有些設計和畫圖可以被同伴評價；對于自動計分的任務和題目，計算機系統提供個性化的反饋，并生成評估報告；學生學習進展報告可錄入“工程師筆記本”中，也可以作為教師所教班級成績的記錄。在終結性評價方面，學生可以打印自我評價、概念圖，教師使用等級量表對此進行評價。此外，項目結束后可實施機考，并實現自動化計分。

最后分享一個關于STEAM教學的案例。這是東波士頓小學和其他幾個小學合作設計的項目。該案例以鄭和下西洋的故事為背景。鄭和到達非洲后，帶回來一個非洲的長頸鹿獻給了當時的明朝皇帝，明皇帝覺得長頸鹿是一個吉祥物，會給大明朝帶來福氣，于是請畫家給長頸鹿畫畫，請詩人為它作詩。美國東波士頓小學的STEAM教師們覺得這個故事很有趣，于是在2001年參加了與絲綢之路有關的研討會，閱讀了大量相關資料，并在2004年去到長頸鹿的家鄉非洲，請當地的百歲老人參與訪談，做了關于長頸鹿的口述史研究。教師們非常努力地通過不同途徑積累收集了相當豐富的材料，但不可能把所有這些材料都呈現給學生，且必須要有一個核心主題貫穿整個STEAM課程項目，因此最后確定主題為“非洲長頸鹿到中國的旅行”，因為長頸鹿被視為中非友誼的象征。在這個整合型的課程中，各門學科都結合工程設計，設置了相應的項目學習內容，如通過圖形、測量等學習數學的知識與技能，通過建筑設計和構造船只學習工程學科的知識與技能，通過建筑繪圖加強藝術學科的知識與技能等。評價的內容和方法也是以學生的項目學習成果展示為主。