STEM教育研究與實(shí)踐的理念與路徑*
——訪不列顛哥倫比亞大學(xué)科學(xué)教育專家Samson Nashon教授

陳曉慧，徐 彬，張 哲，Jennifer Jing Zhao

(1.東北師范大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130117；2.加中對比教育和文化學(xué)會 加拿大，溫哥華 V6T 1Z1)

訪談?wù)撸耗茫琒amson教授。非常感謝您能接受我們的訪談。您是不列顛哥倫比亞大學(xué)科學(xué)教育系的主任，長期從事科學(xué)教育的研究，是此領(lǐng)域的專家。目前STEM教育已經(jīng)成為科學(xué)教育領(lǐng)域的一種新理念，請問您怎么看待STEM教育及其與科學(xué)教育的關(guān)系？

Samson教授：非常高興能夠接受你們的采訪。作為一種教育理念，STEM強(qiáng)調(diào)將科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineer)和數(shù)學(xué)(Mathematics)四個學(xué)科相融合，打破學(xué)科壁壘，以知識之間的聯(lián)系作為教學(xué)內(nèi)容組織的原則與依據(jù)，基于真實(shí)世界中的問題情境開展教學(xué)。無論是科學(xué)教育還是數(shù)學(xué)教育，都需要學(xué)習(xí)者在真實(shí)情境中，調(diào)用各類知識解決復(fù)雜問題，本質(zhì)上都是對學(xué)習(xí)者問題解決能力的培養(yǎng)。從這個角度而言，STEM教育是能夠較好滿足科學(xué)教育目標(biāo)的一種教育理念，因此目前加拿大很多科學(xué)教育研究者都在積極推動將STEM教育作為開展科學(xué)教育的一種方式。

就我個人理解而言，STEM教育實(shí)施成功與否的一個關(guān)鍵因素在于環(huán)境。如何設(shè)置恰當(dāng)?shù)膯栴}情境，將知識的學(xué)習(xí)與環(huán)境建立起有效的聯(lián)系是STEM教育推動者必須考慮的問題。因此，我提出了STEM(E)科學(xué)教育理念，旨在提醒教師們在實(shí)施科學(xué)教育過程中，要將環(huán)境因素(Environment)放在與教學(xué)內(nèi)容同等重要的位置上。如果在問題情境的設(shè)置環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，那么即使教學(xué)內(nèi)容具有再高的合理性，學(xué)生都很難取得良好的學(xué)習(xí)效果。

訪談?wù)撸耗鷦偛盘岬搅谁h(huán)境因素對于STEM教學(xué)設(shè)計與科學(xué)教育的實(shí)施效果具有重要的影響，能否具體解釋一下什么樣的環(huán)境因素設(shè)計是最為合適的？教師在進(jìn)行環(huán)境因素設(shè)計時，有哪些需要注意的問題或遵從的原則？

Samson教授：環(huán)境因素的設(shè)計需要考慮兩方面問題。

第一，問題情境應(yīng)是學(xué)習(xí)者身邊的問題。科學(xué)教育中有一個重要的理念是強(qiáng)調(diào)手邊的科學(xué)(Hands on Sciences)，與其將科學(xué)知識的教育情境設(shè)置在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，不如在學(xué)習(xí)者身邊尋找科學(xué)問題，從而建構(gòu)與學(xué)習(xí)者個體相關(guān)的科學(xué)知識體系。例如，我們可以構(gòu)設(shè)這樣的問題情境：我們所在的城市有條又寬又深的河，那么如何在鞋不濕的前提下渡過這條河就構(gòu)成了一個非常好的身邊的科學(xué)問題。為了解決這個問題，我們需要了解河的寬度和深度等數(shù)學(xué)問題；如何乘船渡河、船的最大載重量是多少、如何才能不讓船沉等科學(xué)、工程和技術(shù)問題。通過解決上述問題，學(xué)習(xí)者既能學(xué)到浮力、速度等科學(xué)概念，又能將這些概念與其應(yīng)用情境建立聯(lián)系，避免這些知識變?yōu)椤岸栊浴敝R，真正實(shí)現(xiàn)科學(xué)教育的學(xué)以致用原則。

第二，問題情境必須是科學(xué)問題。有些真實(shí)情境中的問題可能需要運(yùn)用科學(xué)知識解決，但其并不一定是科學(xué)問題。因此，在教學(xué)過程中，我們的提問環(huán)節(jié)應(yīng)注意問題的設(shè)置是否恰當(dāng)，否則無論它是一個多么貼近生活的真實(shí)問題，這個問題都不宜用在STEM教育的情境設(shè)計中。

訪談?wù)撸和ㄟ^您剛才的介紹，我們了解到STEM教育理念非常適于開展科學(xué)教育，但在設(shè)計STEM教學(xué)模式時要非常關(guān)注環(huán)境因素的真實(shí)性與科學(xué)性。那么，據(jù)您了解STEM教育目前在加拿大推廣情況如何？是否有一些國家或政府層面的改革推力？

Samson教授：STEM教育在加拿大比較受歡迎。就高等教育而言，我們學(xué)校有許多課程都強(qiáng)調(diào)采用STEM教學(xué)方式。而一些諸如建筑學(xué)和設(shè)計學(xué)等專業(yè)提出了要在STEM教育的基礎(chǔ)上加入Arts，也就是STEAM教育。

在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域采用STEAM教育理念開展的教學(xué)實(shí)踐更為廣泛。我們經(jīng)常會與溫哥華地區(qū)的部分小學(xué)合作，開展科學(xué)教育的教學(xué)改革相關(guān)研究。據(jù)了解，很多學(xué)校目前采取不分科教學(xué)的形式，多門課程由同一名教師承擔(dān)教學(xué)，而這為STEAM教育理念的推廣提供了天然土壤。

至于您剛才問到的STEAM教育改革的推動力，加拿大的政府干預(yù)行為或是自上而下的推動力量很少，而改革的動力往往來源于教師自身。在我們開展STEAM教育與科學(xué)教育改革方面的研究中，幾乎都是一線教師主動聯(lián)系我們，要求為他們提供新的教學(xué)模式和相關(guān)支撐資源。教師們表示，在面對數(shù)字土著一代的學(xué)習(xí)者時，傳統(tǒng)的知識傳授式教學(xué)無法被學(xué)生接受，學(xué)生們都可以利用工具通過自主學(xué)習(xí)獲得大量的知識。如果他們不及時進(jìn)行教學(xué)理念和模式的更新，他們就會被時代淘汰。所以，加拿大STEAM教育的改革動力主要來自教師本身，政府或是學(xué)校的干預(yù)力量很少。

訪談?wù)撸耗岬搅思幽么骃TEAM教育改革的動力主要來自于教師，并強(qiáng)調(diào)教師采用STEAM教育理念旨在改變傳統(tǒng)講授式教學(xué)模式，您是否能夠介紹一下目前STEAM教育采用的具體教學(xué)策略？

Samson教授：早在STEM教育出現(xiàn)前，科學(xué)教育大多采用的教學(xué)模式為基于問題的學(xué)習(xí)(Problem Based Learning，以下簡稱PBL)。此種教學(xué)模式主要是通過設(shè)置一個真實(shí)情境中的結(jié)構(gòu)不良問題，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者在情境中發(fā)現(xiàn)問題、尋找解決問題的方法，并從中習(xí)得知識。通過這種探索過程，學(xué)習(xí)者不僅學(xué)習(xí)到知識，而且能夠明確相關(guān)科學(xué)原理發(fā)揮作用的根本原因。我們在此方面開展了大量實(shí)證研究，研究結(jié)果均表明，這種情景式的、基于問題的、探究式的學(xué)習(xí)方式對于提升學(xué)生的批判性思維是大有裨益的。

STEAM教育理念提出并被引入科學(xué)教育以來，PBL教學(xué)模式被應(yīng)用于STEAM教學(xué)的過程中。與傳統(tǒng)的科學(xué)教育相比，STEAM教學(xué)中的PBL模式盡管在教學(xué)模式設(shè)計的一般原則和基本流程方面并沒有很大改進(jìn)，但是在問題的選擇與資源的利用方面須有所改進(jìn)。

問題是PBL教學(xué)模式的核心，STEAM教育理念與傳統(tǒng)科學(xué)教學(xué)在問題選擇方面具有較大差異。具體表現(xiàn)為STEAM教育的問題更加綜合化，不僅要考慮問題的真實(shí)性和科學(xué)性，而且要將學(xué)習(xí)者原有知識基礎(chǔ)納入到問題設(shè)置中，教師必須詳細(xì)了解學(xué)習(xí)者已經(jīng)掌握的知識、并明確哪些知識是學(xué)習(xí)者能夠正確掌握的，哪些知識是他們?nèi)菀桩a(chǎn)生錯誤理解的。問題的設(shè)置必須建立在已經(jīng)正確掌握的知識基礎(chǔ)上，并為學(xué)習(xí)者留有足夠的空間，以利于他們通過個人探索和體驗(yàn)，去糾正錯誤理解。如果學(xué)習(xí)者能夠知道他們是如何犯錯的，那么他們就能夠正確掌握這些知識。也正是因此，基于PBL的STEAM教學(xué)模式對于科學(xué)教育中的“迷思概念”(Misconception)教學(xué)具有重要價值。

STEAM教育與PBL教學(xué)模式的結(jié)合對于教育資源有了更高的要求，教師在設(shè)計此方面教學(xué)時必須考慮可利用的資源。而地方境脈(Local Context)則是教師挖掘可利用資源，設(shè)計真實(shí)問題情境與體驗(yàn)情境的最佳選擇。地方境脈與學(xué)習(xí)者的生活最為貼近，以其為背景設(shè)計問題最能夠被學(xué)習(xí)者接受，并將其快速代入探究情境；最有利于教學(xué)資源的獲取，地理上的便利性將轉(zhuǎn)化為教學(xué)中的便利性，減少STEAM教學(xué)設(shè)計的代價。

訪談?wù)撸涸谀磥鞵BL仍然是開展STEAM教育的最佳教學(xué)策略，而問題設(shè)置和資源利用是PBL教學(xué)模式的核心。在資源利用方面，您提及了地方境脈是資源利用的關(guān)鍵。我們對于您提到的地方境脈非常感興趣，您是否能夠具體詳細(xì)介紹一下此方面內(nèi)容？教師如何將地方境脈融入到他們的科學(xué)課程中？

Samson教授：就像前部分所說，兩種習(xí)得方式能夠有利于科學(xué)知識的習(xí)得：一是基于錯誤的學(xué)習(xí)。相比于接受式學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者在探索學(xué)習(xí)中犯錯誤，并在同伴或教師的幫助下改正錯誤，從而習(xí)得正確的科學(xué)知識，是一種更為有效的學(xué)習(xí)方式；二是基于動手操作的學(xué)習(xí)。動手操作的經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蚴箤W(xué)習(xí)者對科學(xué)探索過程有更深入地認(rèn)識，這也使得對在探索過程中習(xí)得的知識掌握情況更好。

基于這兩個前提，科學(xué)教育或STEAM教育的開展必須為學(xué)習(xí)者創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境以促進(jìn)他們探索科學(xué)問題，在探索中犯錯，并基于錯誤進(jìn)行學(xué)習(xí)。此外，這種問題的探索必須能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者提供動手實(shí)踐的機(jī)會，讓學(xué)習(xí)者充分分析問題情境，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)問題解決，這樣此類實(shí)踐體驗(yàn)會成為他們個人經(jīng)驗(yàn)的一部分，從而使得在實(shí)踐過程中習(xí)得的科學(xué)知識更加扎實(shí)。

因此，教師在利用教育資源進(jìn)行STEAM教學(xué)設(shè)計時必須充分考慮學(xué)校資源與地方資源。例如，如果我們要設(shè)計一節(jié)以“海洋生物”為教學(xué)內(nèi)容的STEAM課程，可以采用兩種方式：其一為將學(xué)生帶到溫哥華海洋生物館進(jìn)行參觀，然后回到教室中，基于參觀內(nèi)容進(jìn)行課程內(nèi)容探究；其二為直接在海洋生物館上課，邊參觀邊學(xué)習(xí)。由于溫哥華地區(qū)臨近大西洋，有豐富的海洋生物資源，所以在設(shè)計相關(guān)科學(xué)教育時要充分利用此類地方境脈，而不要舍本逐末，選擇沙漠、濕地等境脈設(shè)置STEAM探究情境與問題。

而地方境脈的有效利用也需要地方政府、場館機(jī)構(gòu)、高等院校以及中小學(xué)之間協(xié)同合作。其中特別要明確的是場館機(jī)構(gòu)的作用，在目前的合作體系中，場館機(jī)構(gòu)往往是提供實(shí)踐場地的一方。而場館工作者對場館資源掌握程度最高，其不僅應(yīng)當(dāng)扮演資源提供者的角色，更應(yīng)當(dāng)參與STEAM活動設(shè)計，并根據(jù)活動反饋對場館資源進(jìn)行二次開發(fā)，以使其能夠更好地滿足科學(xué)教育的需求。

訪談?wù)撸耗呀?jīng)對加拿大的STEAM教育實(shí)踐及其與科學(xué)教育的關(guān)系進(jìn)行了詳盡地介紹。除了STEM教育實(shí)踐外，您是否能夠介紹一下您了解的加拿大科學(xué)教育研究的開展情況？

Samson教授：好，那我就以我們團(tuán)隊目前開展的相關(guān)研究為例，為大家介紹一下。首先，從科學(xué)教育教師的角度，我們的研究主要關(guān)注了科學(xué)課程的本質(zhì)及其教學(xué)理論和教學(xué)模式的發(fā)展。理解科學(xué)課程和教學(xué)的本質(zhì)是開展科學(xué)教育一切工作的基礎(chǔ)，它影響著教師開展科學(xué)教育的方式與教學(xué)設(shè)計的理念。科學(xué)課程區(qū)別于傳統(tǒng)的分科課程，它凝結(jié)了自然科學(xué)多個學(xué)科中對世界的探索方式以及問題解決方法，這與STEM教育的觀念是極其吻合的。科學(xué)教育工作者需要深刻理解這一特點(diǎn)，才能在教學(xué)活動中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)與科學(xué)探究精神。而針對科學(xué)教育相關(guān)教學(xué)理論與教學(xué)模式的研究，對開展科學(xué)教育教學(xué)活動，進(jìn)行科學(xué)教育課程改革具有重要的指導(dǎo)性意義。

針對科學(xué)教育學(xué)習(xí)者，我們主要從現(xiàn)象學(xué)的角度來研究學(xué)習(xí)者所持有的科學(xué)概念本質(zhì)及其特征，并通過教學(xué)活動中的研究探討學(xué)習(xí)者的先前知識和經(jīng)驗(yàn)、社會文化背景以及學(xué)習(xí)背景對個人和群體學(xué)習(xí)的影響。同時，我們還關(guān)注科學(xué)學(xué)習(xí)的深層元級機(jī)制，這一系列的研究側(cè)重于識別、描述和理解在知識構(gòu)建中的作用。這些研究成果將幫助科學(xué)教師結(jié)合學(xué)習(xí)者的認(rèn)知特點(diǎn)，在充分利用當(dāng)?shù)刭Y源的基礎(chǔ)上設(shè)計課程和教學(xué)模式。此外，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)表現(xiàn)是任何課程和教學(xué)改革的重要動機(jī)。通過對基于學(xué)習(xí)者認(rèn)知特點(diǎn)的科學(xué)教育模式改革，將有利于幫助學(xué)習(xí)者更好地認(rèn)知科學(xué)世界、形成規(guī)范科學(xué)的意識。

訪談?wù)撸何覀儗δ岢龅囊?guī)范科學(xué)的概念非常感興趣，您是否能夠詳細(xì)介紹一下？

Samson教授：好的。規(guī)范科學(xué)是從我們在開展科學(xué)教育的教學(xué)實(shí)踐中凝練出來的。在科學(xué)教育課程的實(shí)施過程中，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生對于科學(xué)的認(rèn)知是不明確的。什么樣的知識可以被視作科學(xué)？這些科學(xué)中哪些是被大眾接受，具有指導(dǎo)意義的？為了幫助學(xué)生們更好地認(rèn)識這樣一系列問題，我們向?qū)W生提出了“規(guī)范科學(xué)”的概念。

在教學(xué)實(shí)踐中，我們會告訴學(xué)生們那些被科學(xué)家們所認(rèn)定的科學(xué)屬于規(guī)范科學(xué)。這一類科學(xué)往往具有一些特點(diǎn)：第一，它是一門科學(xué)，是對真實(shí)存在的現(xiàn)象或規(guī)律的一種總結(jié)與歸納，符合基本常識；第二，是通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來表征結(jié)果的，能夠通過實(shí)驗(yàn)或者計算進(jìn)行多次重復(fù)驗(yàn)證的；第三，它是得到了科學(xué)家們普遍認(rèn)可的，具有一定權(quán)威性和普適性的。當(dāng)然，這樣的一些“科學(xué)”我們特指的是自然科學(xué)，而非人文社會科學(xué)的范疇。

在向?qū)W生們傳遞“規(guī)范科學(xué)”的概念時，我們也注重學(xué)生批判性思維的培養(yǎng)，鼓勵學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中提出質(zhì)疑。在條件允許的情況下，我們會通過多種方法(如開展實(shí)驗(yàn)、實(shí)地觀察、觀看影像資料等)來驗(yàn)證學(xué)生們提出的質(zhì)疑。除此之外，我們還會邀請一些相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域的專家學(xué)者，通過更加易懂的方式、科學(xué)化的方法來為學(xué)生們答疑解惑。通過這樣的教學(xué)設(shè)計，既培養(yǎng)了學(xué)生的批判性思維，同時也提升了學(xué)生對科學(xué)學(xué)習(xí)的興趣和對科學(xué)探究的向往。而在學(xué)習(xí)過程中所形成的價值觀念、認(rèn)知世界的方式以及形成的科學(xué)探究基本素質(zhì)與精神，都將對學(xué)生未來發(fā)展與職業(yè)選擇具有重要意義。

訪談?wù)撸悍浅８兄x您對我們問題的精彩解答，為我們詳細(xì)講述了加拿大科學(xué)教育與STEM教育的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀，這對我們的研究具有非常重要的啟示。再次對您接受我們的訪談表示由衷感謝！