對STEM教育熱潮的冷靜分析與課程實施建議

柏毅 葉耀 信疏桐 龐謙竺

[摘 ? 要]從STEM教育的內涵及其在美國和中國的發展方式、推進模式和教育理念三方面分析了當前中美STEM教育的差異，總結了STEM教育的六大特征，并以美國康涅狄格科學中心的STEM項目為例，闡述了對STEM教育中的規劃過程進行形成性評測和總結性評測的方法，為當前我國STEM課程的實施提出了建設性意見。

[關鍵詞]STEM;科學教育;評測

近年來，STEM教育已成為國際教育界的關注熱點，我國也在多個地區逐步開展STEM教育。由于人們普遍認為STEM教育是實現國家創新和培養創客的關鍵所在，故而近年來在我國掀起了STEM教育的熱潮，這種熱潮會帶動我國STEM教育事業的發展，但與此同時我們也應該看到，在過于急功近利的發展過程中也暴露出一些隱患。

一、何為STEM

STEM即科學（Science）、技術（Technology）、數學（Mathematics）、工程（Engineering）四門學科首字母的縮寫。其中科學是指讓學生試圖理解自然世界，通過收集實證經驗，基于證據測試想法，給出合理普適的答案;技術（產品和過程）源于工程設計，可通過改造自然以滿足人類需求;數學是基礎工具，學生運用數學，通過邏輯證明解釋模式和關系;最后，用科學和數學知識系統化地設計產品和工藝、體系化途徑和方法，從而滿足社會的需要，這就是工程。STEM教育為眾多孤立學科建立了一座橋梁，為學生提供整體認識世界的機會，通過把這四個領域內的學科知識和技能整合到教學中，使學生學到的零碎知識變成一個互相聯系的統一的整體，以消除傳統教學中各學科知識割裂、不利于學生綜合解決實際問題的障礙，是一種跨學科的學習方法。課堂特點就是強調學生在“雜亂無章”的學習情境中提升設計能力與問題解決能力。課堂上教師提出一個問題，然后由學生組成探究小組開展研究。在研究過程中，學生要使用有效技術搜集、分析數據，并設計、測試和改進一個解決方案，然后與同伴交流研究成果。為此，學生往往需要花費更多的課外時間。

早在1986年，美國國家科學委員會（NSB）發表的《本科的科學、數學和工程教育》報告中就提出了美國STEM學科集成戰略，旨在大力培養創新人才和具備科學素養的美國公民[1]。這時的STEM教育只在本科教育階段推進，其目的是吸引美國學生學習理工學科，增加美國理工科人才的競爭力。之后美國人意識到，大學階段才開展STEM教育可能為時已晚，必須前移到基礎教育階段，這樣更有助于培養學生對理工科學習的興趣和能力。2007年，美國國家科學委員會（NSB）發表《國家行動計劃：應對美國科學、技術、工程和數學教育系統的緊急需要》報告，要求增強國家層面對K-12和本科階段的STEM教育的主導作用，表明STEM教育從本科階段延伸到中小學教育階段[2]。

當前，我國基礎教育階段的STEM教育已經起步。從2009年教育國際評估組織調查結果發現，我國青少年的想象力和創造力相對落后，這一結論促使我國開始重視STEM教育，其目的是更多地培養掌握現代科技的創新型人才。然而，我國目前進行的STEM教育在真實問題、項目引領、學科交叉、注重解決實際問題等方面與美國仍有不小的差距。特別是近幾年，我國迅速掀起了STEM熱潮，但其實施情況并不盡如人意。這與傳統的教育理念、STEM教育的發展及推動方式都有著密切的關系。

二、中美STEM教育比較

首先，中國和美國STEM教育發展的道路有所不同。由于美國面臨的是畢業生的實際培養與經濟發展需求不符、頂尖美國大學的 STEM 畢業生較少、性別及種族差異顯著等問題，所以美國STEM教育首先是在大學開始實行的，最初的目的是希望發掘人才。大學是很好的研究型機構，STEM教育在其早期發展過程中得到了充分的孕育，繼而形成了完整的STEM教育體系。在此之后，才開始向基礎教育階段擴展。美國STEM在基礎教育階段的實行，目的其實是希望從基礎教育階段開始，就挖掘出更多的對理工科有興趣的人才。從高等教育到基礎教育的擴展經歷了約30年的時間，才形成了今天這樣集合了理論、實踐和應用的STEM教育的完整架構。從大學開始開展的STEM教育建立了非常好的理論架構，形成了“研究—理論—實踐”的一體化結構，然后再向基礎教育階段延伸。也就是說，美國STEM教育是有理論支持的、有保障的，這正是它的最大優勢。而中國STEM教育走在前面的并不是深入的理論研究，而是對美國案例的簡單復制。這種復制的興起與源于商業的積極推動不無關系，并隨之快速地進入了中小學的一線課堂，尤其以小學為盛。另一種普遍的現象是把一些簡單的科技活動直接改頭換面稱為STEM課程，甚至一些玩具廠家也在自己的普通益智產品上貼上STEM的標簽。作為科學教育研究工作者，應該冷靜面對當前中國的STEM熱潮，認真思考對復制的STEM案例是否進行了完全消化，警惕“拿來主義”，因為其展現的只是表面的、缺乏本質的課堂。

其次，兩國STEM教育的推進模式也完全不同。美國在基礎教育階段推進STEM教育的模式是優先激發學生對數理化的興趣，強調要創設一個真實的問題與情境，開展基于問題的學習（PBL）和跨學科的綜合;要求嚴格按照科學論文的方式來進行STEM教育，強調培養學生嚴謹的科學思維是STEM教育的一個重要目的。雖然中國的教育一直以來都非常重視理工科，但是這種重視很大程度上是在高考的壓力下形成的。因此，長期的刷題習慣使得一些原本在低年級時思維活躍的學生思維趨于固化、創造力被束縛。很多活動中出現的宣傳式的說明、卡通式的展板、流程式的授課方式等反映出現階段我國科學教育缺乏對嚴謹的科學思維的培養。

在STEM教育的理念上，美國STEM教育真正做到了以學生為中心，給予學生充足的資料和時間，讓學生進行充分的探究活動，最終獲得親自實驗的結果。而我國的現狀是教師掌控欲過強、學生的探究活動不足，STEM課成為實驗課、制作課、科學秀，缺乏把學科知識點與現實生活真正融合起來的綜合運用。

隨著時代的發展，STEM的內容也不斷豐富，2008年，美國弗吉尼亞理工大學學者雅克曼（G.Yakman）提出STΣ@M教育模式，解釋了如何將傳統的科學、技術、工程、藝術和數學學科整合在一個結構化框架中，以此制定整合的課程計劃，如圖1所示。之后又在此基礎上增加讀寫能力一項，進而形成STREAM教育理念。但這同時也出現了新的問題。由于只要讓自己的研究項目與STEM沾邊，就有可能從美國政府那里領到經費，所以一時間在美國國內，“小溪泛濫”（STREAM），“蒸汽彌漫”（STEAM）。這兩年，STEM在國內也更多地以“STEAM”的形式出現。因為有“A”（Art），有些人興奮起來了，認為自己有了搭乘“STEM快車”的機會。但實際上，“A”所對應的概念，并非是大多數人所理解的“藝術”，而是“人文”。任何一門學科都是為人服務的，因此不能沒有人文因素。沒有人文因素的事物，是不能被人所利用的，也就沒有價值。STEM所服務的對象，以及所創造出來的產品，都離不開人文的因素。這才是“A”的真正意義。同理，STREAM中的“R”指向的也不是一般意義上的“閱讀和寫作”，而是指與科學理論、工程技術相關的那部分內容的“閱讀”。比如說，沒有數理化基礎知識的作家寫不出好的科幻小說，讀者也讀不懂。有無STEAM訓練經歷使學生對于科幻作品的理解也會截然不同。不僅閱讀文字作品是這樣，讓他們創作一幅未來的圖畫也有相似情形。沒有受過STEAM訓練的學生畫一幅畫，往往天馬行空;而有過此經歷的學生畫出來，則有變為現實的可能。

綜上所述，當前中國一些所謂的STEM課其實缺少STEM的神髓。STEM教育強調以學生為中心，不是空話和口號，而是在課堂中能實際體驗到的行動。習慣了傳統課堂模式的教師通常控制欲望強烈，當學生提出的問題超過課程范圍，教師要么避而不答，要么用其他話題轉移，這就使得很多STEM課程變為實驗課、制作課、科技活動課和科技活動“秀”，這對學生創新能力和科學素養的培養無益。

三、 STEM教育的六大特征

1.應包含“S、T、E、M”幾大要素

STEM中的“S”，是指科學的概念，而這種科學概念是開展STEM課程的基礎，因為無論課程主題是什么，都要圍繞一個科學概念來展開。“T”所代表的技術是學生在課程中操作工具、運用材料等動手能力。“E”即工程，是進行問題分析、設計方案、建模、測試等解決問題的過程，這也通常是課程設計的主線。“M”是數學和計算思維，是指學生和教師進行數據解讀與分析的能力。

這就意味著STEM教育是一種“后設學科”，即這一學科的建立是基于不同學科之間的融合然后形成一個新的整體。同時也意味著STEM并不是科學、技術、工程和數學的簡單組合，而是把學生學習到的零碎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。

2.以工程設計過程為主導

STEM教育的關鍵是科學、技術、工程、數學課程的整合。這種課程整合（curriculum integration）的思想越來越受到重視，因為教育者越來越發現真實世界中的問題往往并不能被劃分成學校中的單一學科，而是需要多學科知識（數學、物理、化學、生物等）的整合，單一學科知識或能力無法完成復雜情境下的工程設計任務。此時就需要工程設計思維來解決問題。

工程設計難有固定的程式，但工程思維通常包括以下一些固定的步驟：一是確定需要解決的問題和需要達成的目標;二是研究和產生解決問題的方案;三是根據已有知識與目標制作模型;四是對模型進行評估，選擇最優方案;五是如果沒有達到預期目標，則重新定義問題，設計步驟[4]。

目前能夠接觸到的STEM課程，大多是以工程為主線、科學為基礎、技術和數學為應用的課程。STEM課程中的工程思維則具有目標性、社會性、合作性的特點。因此，工程設計能夠有效地整合STEM 課程的4個要素，在有意義的情境中強化科學、技術、工程和數學各學科概念的學習和應用。

3.關心現實問題，注重在真實情境中學習

情境學習理論強調知識與情境之間動態的相互作用的過程，布朗（Brown）等人認為：知識與活動是不可分離的，活動不是學習與認知的輔助手段，它是學習整體中的一個有機組成部分。可以說是學習者在情境中通過活動獲得了知識，學習與認知本質上是情境性的[5]。而在STEM課堂中，情境的意義在于：提出需要解決的問題、指出任務要求、反映出科學家與工程師工作的意義和方式。

“流動的液體”（Runny Liquids）是英國約克大學CIEC科學促進項目（CIEC Promoting Science）開發的教學資源之一，適用于8～10歲的兒童。這是一套典型的工業情境中的課程。這一任務是由一封來自粘合劑制造商的求助信開始的。

尊敬的研究組：

我們為巧克力制造商生產了一種特殊的粘合劑，他們使用這種合劑將包裝紙粘到一起。

我們已經發現了粘合劑最好的原料是樹體內的一種液體。遺憾的是，我們的新配方存在一個問題：這種液體非常粘稠，不能順暢地通過我們的管道，同時它也非常難以攪拌，導致我們需要大量的電力來運轉攪拌機，造成巨大的成本。

我們知道你們研究組正在研究液體。如果能得到你們關于怎樣解決這個問題的建議，我們將感到非常榮幸。希望你們能提供盡量多的數據，包括測量不同種類液體流動性的數據。任何有助于讓我們的液體流得更順暢的建議都將給我們很大幫助。

期待能盡快得到你們的回復。

簡·惠靈頓

工業聚合樹脂有限公司總經理

這種情境設計可以提高課程相關性，幫助學生建立課程和現實世界的聯系，讓學習更有目的。

4.以學生為中心，主動實踐

STEM的課堂中學生才是主體，強調教師的引導者作用，通過問題的提出及由淺入深的環節設置逐步引導學生獨立解決問題。教師應當承擔的任務可以是：為學生提供理論及活動支持、在課堂活動中兼顧所有學生、科學概念與科學原理的引入、牽引整合相關概念（學科知識、學生觀念、學生總結）;教師還要基于學生已有知識，合理設置活動難度，引導學生發揮主觀能動性，激發學生對課題的興趣，使他們能夠進行主動探索，嘗試解決問題和建模，并對自己所收集的數據進行分析和總結。

5.學生進行合作學習，參與整個STEM過程

合作學習是STEM課程的重要內容。通過讓學生以小組為單位完成任務來鼓勵學生合作，引導學生公開地參與交流、互相支持，并尊重其他同學所做出的貢獻。在達成團隊目標的過程中，由不同水平的學生組成合作小組將有助于展示不同的觀點和經驗，有利于全體學生的發展。

可以給組內學生指定正式角色，這將有助于簡化合作任務，使整個項目順利開展。小組成員的角色可以包括以下四種：

（1）組長：領導其他學生擔任好各自的角色。

（2）指導員：指導團隊的每一步工作，關注任務完成的進度，鼓勵隊員重新嘗試。

（3）材料主管：收集、組織并指導材料的使用。

（4）記錄員：記錄隊員想法，并展示項目報告。

這種與他人合作分享觀點、計劃和結論的課堂組織形式，可以讓學生在與他人的對話中提升見解，也有利于全體師生參與課堂活動

6.結果開放，允許多個正確答案

在進行工程設計時，學生們常會提出一些出乎教師意料的設計思路，結果可能成功，可能失敗，也有可能雖然成功但是與教師預期結論并不相同。STEM課程作為一種融合了多種概念的“后設課程”，在探究活動中出現不同結果是十分正常的。這就要求教師認真對待學生的設計思路，允許學生失敗，因為基于失敗作品的重新研制也是正常且必要的，對失敗的反思、重新設計與制作的過程，可以更好地幫助學生學習。

四、 STEM教育中對學生與教師的評價

完整的課堂不僅要給學生提供學習內容，還要有完整的評價標準，不僅針對學生，還要針對教師。2017年9月18日，中國教育科學研究院STEM教育研究中心組織召開了《STEM教師能力等級標準（征求意見稿）》（以下統稱《標準》）專家論證會。《標準》對STEM教師需要掌握的專業知識和專業技能及實踐操作等方面提出了具體而實用的指導意見，作為STEM從業教師實施教育教學行為的指導大綱，能有效促進STEM教師隊伍的專業化發展，同時解決了STEM師資培訓缺少框架和依據的問題，推進了STEM教育培訓工作的專業化和標準化。具體標準見表1。

對學生的評測通常包括形成性評測和總結性評測兩個部分。形成性評測的應用是一個連續的反復進行的過程。評測中所獲得的有關學生概念和能力的信息，要同時告知教學的各個方面，并能促進學生主動參與學習。形成性評測整合于教學之中，并且對所有領域科目都有效。在形成性評測中，教師和學生一起收集和使用實證，以決定下一步的學習，使學生進一步趨近特定的課程目標。對教師來說，形成性評測的要點是要和學生分享目標，讓學生認識到學習活動的目的與收獲;將判斷學習活動預期質量的標準，明晰地告訴學生，以便學生有效管理自己的時間和精力。總結性評測結果除了會告知學生自己，還會告知家長和其他教師，使他們能夠了解學生相對于目標和標準而言所取得的成績。

以美國康涅狄格科學中心開發的STEM案例為例，其形成性評測量表依照工程過程（engineering process）識別問題、創建設計（藍圖）、建立模型、檢驗和收集數據、分析數據和再設計、交流結果（匯報）、交流結果（建議書）的七個步驟，將學生在每一步驟中所達到的水平分為5級，對應分值為0至4分（見表2）。教師在實施形成性評測過程中，對照量表中的能力要求為學生各個步驟的表現評分。隨后的總結性評測將在形成性評測的基礎上運用評級單來進行（見表3）。

康涅狄格科學中心的STEM開發團隊強調，工程過程的形成性評測量表是在單元教學時評測學生的一種方法，當然，也可以在整個單元的各個時期，或者特定的某些調整中選擇使用其他策略。對于課程中涉及的小組活動，可以收集學生的工程筆記本來更好地了解他們對科學內容及工程過程的理解。總結性評測可以在單元結束時來評測學生對工程過程的理解，其中的建議書要求學生將小組在整個過程中所做的工作匯總，使用檢驗和再設計中的證據撰寫一段文字來論證本組的設計是解決既定問題的最好方案。建議書可以通過在單元結束時檢查其完整性和使用過程量表來評價。由于交流結果建議書和匯報都應涵蓋過程的所有步驟，所以可用相同的量表進行評價。

五、STEM課程實施建議

針對目前我國STEM教育中存在的諸多問題，面對當前STEM教育的熱潮，科學教育工作者當然要借鑒國外STEM教育案例，但不可照搬照抄或簡單地用科技活動充當STEM課程，而是要在深入理解STEM教育精髓的基礎上，通過不斷學習和實踐發展出屬于中國的本土化STEM課程體系，這將是一個任重而道遠的過程。在此提出實施STEM課程的如下建議。

1.以技術和工程為問題情境進行本土化STEM課程的設計

在STEM教育中，學生的興趣是根本。以技術和工程設計為問題情境，更易激發學生興趣，同時便于結合與之相關聯的物理與工程的基本原理，如力、運動、能量、電、磁等。通過與科學教師的討論發現，STEM課程中所結合的學習內容，往往是學生在其他學科課程（包括數學）中需要學習的知識和原理，融合的STEM課程設計有利于打通各學科之間的關聯。在STEM課程中學生參與設計、搭建、測試、改進的過程，從中可以真切地感受到科學知識如何被應用于解決實際問題，同時豐富發現問題、解決問題的經驗。STEM課程要能夠提高學生解決工程問題的各項綜合能力和素質，體現出跨學科的集成與融合。

2.以大概念的理念為指導，開展基于探究式的科學教學

STEM課程實施過程充分體現了探究式科學教育的重要性。“探究學習”一詞是由美國芝加哥大學教授施瓦布（J.J. Schwab）于 1961年在《作為探究的科學教學》（Teaching of Science as Enquiry）報告中首次提出的。他指出：“如果要學生學習科學的方法，那么有什么學習比通過積極地投入到探究的過程中去更好呢？”[6]從那時以來，探究學習不僅成為科學教學的主流方式，而且成為科學教育的一個重要目標。自我國在21世紀初啟動新一輪課程改革以來，探究學習便成為最熱門的關鍵詞之一。韋鈺院士領銜的“做中學”科學教育實踐項目開啟了中國的探究式科學教育。2017年1月新頒布的《義務教育小學科學課程標準》在描述科學課的基本理念時強調：小學科學課程以探究式學習為主要的學習方式。探究式的學習和科學課程有著天然的聯系，因為探究是科學家探索和了解自然、獲得科學知識的主要方法[7]。以實證為基礎、運用數量分析和邏輯推理，公開研究結果，接受質疑，不斷更新和深入，正是STEM教育的特點。

3.以提高學生科學素養為目標，關注對學生學習效果的評測

STEM教育的根本目標在于培養和提高學生的科學素養。因此，認為STEM的評測應以產品為依據的說法是不正確的。評測在STEM教育中發揮著關鍵的作用。在任何情況下，評測的最終目的都應該是改進學習。對學生學習過程的形成性評測和對學生學習進度的總結性評測，都應服務于STEM教育的整體目標。

參考文獻

[1]龍玫， 趙中建. 美國國家競爭力： STEM 教育的貢獻[J]. 現代大學教育，2015（2）：41-49.

[2]Shapingthe Future ： Strategies forRevitalizing Undergraduate Education[M].Proceedings from the National WorkingConference. Arlington， VA： National ScienceFoundation，1996，6.

[3]Yakman G. STΣ@M Education： an overview ofcreating a model of integrative education[EB/OL].http：//steamedu.com/wp-content/uploads/2014/12/2008-PATT-Publication-STEAM.

[4]Committee on K-12 Engineering Education. Engineering in K-12 education： Understanding the Status and Improving the Prospects[M]. Washington， D.C.： National Academies Press，2009.

[5]張振新，吳慶麟.情境學習理論研究綜述[J].心理科學，2005（1）：125-127.

[6]韋鈺，P. Rowell.探究式科學教育教學指導[M].北京：教育科學出版社，2005.

[7]溫·哈倫.以大概念的理念進行科學教育[M].韋鈺，譯.北京：科學普及出版社，2016.