STEM教育的困境及出路

楊開城　竇玲玉　李波　公平

摘要：STEM教育的宗旨是整合創新，這對STEM課程的設計、開發和實施都提出了很高的要求。然而我國STEM教育領域卻存在課程體系不明、課程目標不清晰、缺乏細致的探究學習設計、專業教師儲備不足、未形成健康生態等問題。STEM教育遭遇的困境實際上是經驗主義的前現代教育不適應現代社會發展要求的表現。STEM教育不是教學法意義上的教育革新，而是全新的教育實踐。STEM教育需要與以往不同的教育實踐生態。因此只有升級為現代教育，STEM教育才能擺脫上述困境。這就需要我們努力發展新教育學，并在新教育學理論指導下組建新的專業團隊，構建健康的STEM共同體和企業聯盟，開發新的STEM課程并提供STEM教師專業發展服務，培養STEM專業教師以基于一致性的新方式實施課程，允許教師以教育眾籌的方式參與STEM課程升級，最終實現STEM整合創新的教育旨趣。

關鍵詞：STEM教育;STEM課程;STEM共同體;教育困境;新教育學

中圖分類號：G434? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：1009-5195（2020）02-0020-09? doi10.3969/j.issn.1009-5195.2020.02.003

作者簡介：楊開城，博士，教授，博士生導師，北京師范大學教育學部（北京 100875）;竇玲玉，碩士研究生，北京師范大學教育學部（北京 100875）;李波，博士研究生，北京師范大學教育學部（北京 100875）;公平，碩士，培識（北京）技術有限公司（北京 100081）。

一、STEM教育與STEM課程

STEM自1986年誕生至今，以其跨學科整合的獨特優勢倍受各國關注（梁小帆等，2017;李春密等，2017），已在全世界范圍內引起高度重視，美、英、德、澳、日、芬等發達國家皆從國家教育戰略的高度看待STEM教育改革（杜文彬，2018;祝智庭等，2018），投入了大量的人力、物力和財力。但目前我國STEM領域卻良莠不齊，更多的是“雷聲大、雨點兒小”。

STEM教育還沒有成為一個理論性概念，因為它在觀念上未成熟、在實踐上未定型。但我們可以將體現STEM理念、能夠整合S.T.E.M.知識的教育實踐稱為STEM教育。STEM是Science、Technology、Engineering和Mathematics四個單詞首字母的縮寫，其最基本的涵義是科學、技術、工程、數學四門學科的整合（Kennedy et al.，2014），有學者甚至將它看作是“元學科”（趙呈領等，2018）。當然STEM的涵義絕不僅限于整合，整合可以衍生出很多其他意義。比如，祝智庭認為STEM在實踐層面上表現為“能力為本”“整合為要” “項目引領”“繼承創新”和“多方合力”等5個特征（祝智庭等，2018）。我們認為STEM整合的內容包含了技術和工程，其整合的目的自然不僅僅限于“看世界”，更在于“做東西”，而且是通過“做東西”去解決某種問題。所以STEM的宗旨在于整合創新，將看似分立的四門學科知識整合起來產生創見或者進行創造。STEM整合并不是簡單地將S.T.E.M.四類知識拼接于課堂教學之中。相對于諸如“學科的（Disciplinary）、多學科的（Multidisciplinary）、交叉學科的（Interdisciplinary）和跨學科的（Transdisciplinary）” （黃瑄等，2018）整合水平而言，我們更應關注它們之間可能形成的某種真實的內在關聯，也就是說S.T.E.M.整體結構。由于不同學科的知識體系間存在著客觀的界線，最多只是在邊界處存在關聯（比如特定的科學效應同時也是技術效應件），因此我們無法實現這些學科在知識邏輯層面上的整合，STEM只能通過將這些學科知識運用于做事來實現整合。所以，STEM課程必然將整合聚焦于制作，關注科學、技術、工程和數學四門學科如何在制作中發揮知識的功能。泛泛地講，科學知識負責理解與解釋現實世界中的事實或現象;數學中包含著大量具有實踐意義的數形規律，是在科學技術領域中進行定量思考和長程推理的基礎;技術作為人為規定的物質、能量和信息的變換方式（楊開城等，2007），在實踐操作中用來達到特定的技術功能;工程是通過系統方法實現對一組技術操作的再組織，以實現特定的工程目標。所以在STEM的“做東西”過程中，工程負責流程控制、技術負責生成特定的功能、科學和數學負責解釋。如此一來，學生不僅能規范地做事兒，還能夠知其然、知其所以然。

STEM整合的結果可以是科學再發現，也可以是技術再發明。為避免課堂教學中過度簡化的發現過程造成學生對科學的誤解，STEM最好聚焦于技術再發明。同時，S.T.E.M.中，只有技術和工程領域與制作存在著直接的密切聯系，其中以技術領域最為豐富，所以實現STEM課程的學科整合，以技術作為中心學科是最容易入手的。以技術作為整合的核心，才最易抓住STEM的宗旨——整合創新。

從教育發展戰略角度看，STEM不宜僅被看作是教學策略，而應該看作是一種特定功能的課程，因為它已經涉及與以往課程不同的知識內容和學習方式。從這個角度看，STEM“是什么”并不那么關鍵，關鍵是我們能實現何種STEM課程。STEM的宗旨是整合創新，這不但意味著要求學生“創中學”，還意味著課程必須包含協作、探索、問題解決等重要成分。在整個過程中，不但要有知識的運用，還要體現科學精神（價值觀）——基于事實、精確判斷、勇于質疑、理性證偽、平等溝通、創新、協作，等等。這對STEM課程的設計提出了非常高的要求。

二、STEM教育的困境

將S.T.E.M.知識整合于教學過程，它是個難題，對STEM課程開發和實施都提出了很高的要求。目前雖然人們對STEM熱情不減，但STEM領域早已問題重重。

1.STEM課程目標不清晰致使目標-手段一致性不明

已經有學者發現，我國融入3D打印的STEM教育項目存在著教學目標不明確、課程目標與內容之間缺乏連貫性和系統性、教學過程隨意等問題（首新等，2017）。STEM課程或教學目標不明晰的問題不僅限于3D打印的范圍。我們發現很多STEM課程都存在課程目標不清晰的問題。課程目標不清晰，課程的目標-手段一致性也不可能清晰。目標-手段一致性是衡量課程質量的重要指標。

STEM的宗旨是整合創新。但宗旨和目標是兩回事。諸如“整合創新”“培養動手能力”“培養合作能力”“提高科學素養”“培養創新能力”等表述并不適合被看作是某個STEM課程具體的課程目標，這些高大上的說辭缺乏足夠具體的內容（比如，STEM培養的并不是泛泛的動手能力，而是以具體知識應用為背景和內容的動手能力）。把它們作為STEM課程的具體目標，是無法為課程開發者提供指引的，自然也就無法確保目標-手段的一致性。相對而言，教學目標可以很清晰，但我們又不能用具體的教學目標替代課程目標。比如，“認識溫室效應、霧霾產生的原因”、“了解水中常見的污染物”和“學會使用實驗室儀器、藥品對水樣品進行檢測分析”等（蔣曉穎，2018）都屬于教學目標。閱讀教學目標并不能告訴我們相應的課程目標到底是什么。課程目標針對課程，課程常常表現為多次教學，課程目標是對多次教學總體指向性的表達，要說清楚多次教學所針對的能力和價值觀是什么。

由于課程目標不清晰，課程所包含的多次教學極有可能各行其是，教師在根據教學實情對課程進行改編時也會失去方向。在多種因素的作用下，在實施這樣的STEM課程時，教師們極容易追求一種“令學習者滿意、令旁觀者驚異”的單純“好看”的糊涂境界。好看熱鬧的STEM課堂，或許讓人眼前一亮，但這樣的STEM課堂常常是“動手不動腦”“有操作無思維”，遠離了整合創新的STEM宗旨。

2.STEM課程缺乏細致的探究學習設計

很多STEM課堂教學都包含自主探究學習的環節。但我們發現很多STEM課程的自主探究學習都缺乏有針對性的細節設計。在現有的粗線條的設計中，常常是教師布置完探究任務后就放任不管了。在探究學習期間，學生被要求用閱讀、觀察、采訪、摘抄等方式完成“探究學習”。在這樣的探究學習中，學生是否真地去探究了、能否在這個過程中確定并解決特定的疑惑，完全取決于他們自己的意識、感受、能力和習慣。實際情況往往是，這種“探究學習”僅限于信息的收集，偶爾包含自發的信息處理。甚至，如果時間有限，為了控制教學進度，教師會有意無意地代替學生完成“探究”。這完全違背了設置自主探究活動的初衷。

STEM所需要的自主探究學習是項目或問題驅動的，最理想的結果是完成某種創見或創造，因此一定要設置認知困難讓學生克服。即使某些學生因克服不了認知困難而沒有完成創見或創造，這個過程也不宜被替代，這樣的學生可以通過分享他人成就而獲益。由于存在認知困難需要克服，這樣的探究學習常常采用小組學習的方式進行，以便通過群體動力提高學生參與學習的持久力。但小組學習的過程可控性較差，這就需要對小組探究學習的過程進行精心設計，包括任務描述、信息環境的設置、角色分工和規則制定，最重要的是小組探索過程中的支架設計。支架主要用于幫助學生全面理解任務中所包含的知識，理解完成任務的有效方式，架起新舊知識之間的橋梁，構建認知圖式（Van Merriёnboer et al.，2002）?？梢哉f，如果沒有明確、豐富的支架設計，我們設置的自主探究學習便是失敗的。

3.STEM課程體系不明

STEM教育不是教學法意義上的教育革新，而是全新的教育實踐，STEM課程試圖貫穿從小學到高中各個年級。這明顯需要一套STEM課程體系。但就目前而言，我們還缺乏這樣的課程體系。大量的STEM課程都是零起點，處于自由的“野蠻生長”狀態。單個的STEM課程最多只是適應了特定學段學生的能力水平和興趣點，孤立地看似乎很合理，但連續幾個學期的STEM課程組合在一起就變得混亂不堪了。這些課程之間沒有知識邏輯上的先決后繼關系，而且因為零起點的緣故會形成大量的交叉重復。以美國某博物館開發的系列課程為例，該系列課程包含小學低、高學段共20個課程模塊，每個模塊可以看作是一門課程。這個系列課程模塊中，每個模塊都引入一個故事，通過故事中的角色介紹相關的科學、技術和工程知識，在課程的制作環節通過工程五步法引導學生創制特定的技術產品。單就一個模塊來說，我們認為這種設計是合理的，但將20個模塊組合在一起進行分析時，我們發現模塊之間存在著大量關于工程五步、工程師、技術、設計等概念以及各種材料的屬性和功能知識的交叉重復，并且任何模塊的學習并沒有構成對后續學習的支持。

開發設計出一整套STEM課程體系不但周期長而且也對當下的課程實踐能力提出了極高的要求。因為STEM課程體系不是孤立的，整個STEM課程體系不但要確保自身體系結構的合理性，還要正確處理與相應學段其他學科課程之間的關系。這不但要求事先完成對其他課程及已有STEM課程的分析和篩選，還要同時推進其他學科課程的微調，這是一個耗時長、難度大、需多方協同的教育工程。STEM課程不成體系，我們便無法在STEM整合創新的道路上層層遞進，只能長期停留在淺嘗輒止的狀態。

4.STEM教學缺少專業教師

我們知道，教師的教學方式、教授質量會在很大程度上影響學生的學習效果（Johnson，2019），教師個人性格與能力高低也會影響學生對STEM課程的興趣（Christensen et al.，2015）。但現有很多STEM課程缺乏足夠的細節設計，只提供了特定主題和教學思路的指導，這便要求STEM教師需有能力透徹理解STEM宗旨并有足夠經驗將粗線條的教學思路轉化為合理的、能體現STEM理念的教學行為，這個難度非常大。再加上很多STEM教師多數是科學課或者綜合實踐課或者通用技術課教師出身，這使得教師以往的教學經驗難以達到STEM課程的教學要求。因此我們會發現，很多教師并不會上STEM課，我們缺少足夠的STEM教師。正常情況下，我們可以依賴師資培訓來培養所需要的STEM教師?？墒俏覀儼l現，我們也沒有針對STEM課程的專業培訓（楊彥軍等，2019），這主要是因為這類粗線條的STEM課程難以開展有針對性的、規?；慕處熍嘤枺@也直接導致了中小學基礎教育課程中的STEM不能得到廣泛推廣（黃樺，2018）。

STEM課程不是學科中心課程，STEM教學也不是那種講授知識外加應試訓練的教學，STEM教師培訓更不是更新理念、習得新教學法的過程。STEM教育要求STEM教師必須成為專業教師，但傳統的教師培訓無法解決這個問題。比如，澳大利亞的“加強數學與科學教師培訓”項目（徐田子等，2018），美國聯盟機構“100Kin10” （100Kin10，2019）以及“項目引路”計劃（宋怡等，2017）都關注STEM理念、學科內容以及教學法或教學設計的培訓，但這類培訓很難解決STEM師資的問題。因為它是一個STEM教師如何成長為專業教師的問題，并不是理念更新、知識普及、教學法傳授的問題。

5.STEM領域未形成健康生態

STEM教育幾乎涉及教育核心過程的全部環節，絕不是一個教學法更新或者出版STEM教材的問題。因此STEM教育需要與以往不同的教育實踐生態。但目前多數STEM教育創新都是小規模的自發嘗試，把它看作是小打小鬧的“科研項目”或者特定的競賽項目。很多學校的管理層仍處于觀望的狀態，再加上“愿意購買硬件、不愿意購買軟件和服務”觀念的影響，STEM領域難以形成它所需要的針對STEM課程和師資培訓服務的健康市場。在這種條件下，多數STEM課程開發商不得不選擇生產初期投入成本特別低的低端產品，對STEM課程開發不敢冒險做深入探索。所有這些因素使得STEM領域一直在低水平上徘徊，難以形成良好的STEM課程開發、實施、升級的運轉機制?？偟膩碚f，STEM領域生態不良。

三、STEM教育的出路

STEM教育遭遇的困境實際上是經驗主義的前現代教育不適應現代社會發展要求的表現，因此也只有升級為現代教育，STEM教育才能擺脫上述困境。可以說，STEM并不是普通的教育改革，而是一種教育現代升級的機會和入口。只有教育核心過程實現了技術化，教育才能實現現代化。這個核心過程包括課程開發、教學設計和教育系統分析。舊教育學（Pedagogy）只是行動規范及其辯護詞，它不是教育學理論（楊開城，2014），無法為實現教育核心過程技術化提供理論支持。我們需要發展具有實質理論功能的教育學理論，我們稱之為新教育學（Educology）。有了新教育學，我們便可以說，為了擺脫STEM教育的困境，我們需要在新教育學理論指導下組建新的專業團隊，由這些專業團隊開發新的STEM課程，培養STEM專業教師以新的課程實踐方式實施課程，在新的教育生態下參與STEM課程的升級改造?？偠灾?，我們需要用新理論、新團隊、新產品、新方式、新生態來擺脫困境。

1.發展新教育學

STEM領域所面對的問題歸根到底是新教育學理論不在場的問題。比如，STEM課程的問題（比如目標不清晰）歸根到底是STEM課程開發和教學設計的問題，即我們沒有掌握STEM課程開發和教學設計的技術方法。再比如，缺少STEM教師的問題歸根到底是STEM教師的專業成長問題。我們受舊教育學誤導，誤把PCK當作教師專業知識，誤把孤立的教學行為能力看作是教師的專業能力。

與舊教育學生產行動規范及其辯護詞不同，新教育學生產教育實踐所需要的知識，包括科學知識和技術知識。新教育學由教育技術學與教育科學這兩大分支構成。教育技術學包括教學設計學、課程開發理論和教育工程學三個分支，分別提供教學設計技術、課程開發技術以及教育工程管理技術。教學設計技術和課程開發技術可以用來解決前述第1～3個問題，并輔助第4個問題的解決，教育工程管理技術可以用來處理第5個問題。只不過，必先有教學設計技術和課程開發技術才可能創生教育工程技術，教育工程學目前還不成熟。

以“以學習活動為中心的教學設計理論”（Learning-Activity-Centered Instructional Design，簡稱LACID）①為例：LACID提供的知識建模技術可以將學習內容表達為一張知識建模圖，這張知識建模圖可以清晰地表征一次教學的學習內容;LACID提供的二維目標表征方法（用<知識點，學習水平>的方式），可以清晰地表達一次教學的學習目標，其中知識點在知識建模圖中可以找到。LACID認為教學設計的基本單位是學習活動，學習活動由活動任務構成，而活動任務由師生交互構成。LACID將活動任務區分為意義建構和能力生成兩類，再將意義建構區分為6類，將能力生成區分4類，并提供了由知識組塊出發選擇任務類型的映射表，方便設計者選擇活動任務類型。有了具體的知識組塊和任務類型，設計者再開始設計師生交互，這樣便確保了整個教學方案目標-手段的一致性。最后，LACID提供了12要素學習動力設計模型，用于提升教學方案的動力水平。LACID還提供了一種稱為FC知識圖變形法的操作方法，用于設計問題、項目、主題。LACID提供的擴展的FC知識圖可以用于為協作學習或探究學習設計學習支架（楊開城等，2018）。LACID認為有6個指標——整圖知識點總激活量、目標知識點激活度、學生參與度、媒體多元性、信息流類型完整性、目標手段一致性——可以描述教學方案的質量（楊開城等，2015），這6個指標可以通過教育系統分析技術推算出來。以“以知識組件為中心的課程開發理論”（Knowledge-Component-Centered Curriculum Development，簡稱KCCCD）②為例：KCCCD在LACID知識建模技術的基礎上，提供了知識建模圖剪枝算法，幫助設計者梳理一門課甚至一個課程體系所包含的知識內容。KCCCD認為課程目標包含能力和價值觀兩個領域，并提供了能力建模技術幫助設計者清晰地表征課程目標;課程目標中的能力都是指特定知識的運用能力;一門課是知識組件的結構化組合，并提供了知識組件的設計方法;知識組件是特定知識的學習方式、評價方式以及所需資源工具的綜合體，學習者通過知識組件學習知識而達到特定的能力目標和價值觀目標;一個知識組件可以包含多個學習活動，設計者可以選擇多個知識組件構建成一門課。KCCCD認為課程的主要功能就是傳遞知識以及基于已經傳遞的知識生成特定的能力，不包含知識的課程不能被稱為課程。有9個指標可以用來描述課程的質量，包括與目標的一致性、與學習者特征的一致性、教師自由度、學生自由度、學生參與度、結構合理性、目標可行性、目標完整性、與開發需求的一致性。這9個指標可以通過課程開發過程中產生的基礎數據推算出來。一門課的結構就是這門課所包含的知識組件之間的關系以及這些知識組件與課程知識建模圖之間的映射關系。有了知識建模圖、能力建模圖和知識組件集合，課程設計者便可以按照同樣的思路構建和調整一個課程體系。從時間維度看，課程體系表現為知識和能力的建構、擴展和提升的過程。

新教育學中的教育科學包括教育現象學和教育價值學，它們利用教育系統分析技術分別探索教育系統中事實性信息流和價值性信息流的流動特征和規律。教育系統分析技術既屬于新教育學中教育科學的研究方法，又是教育實踐中可用的專業分析技術。教育系統分析技術的基礎是IIS（Instructional Information Set）圖分析法（楊開城，2007;楊開城等，2010）。IIS圖分析法（IIS-Map-Based Analysis）將教育系統切分為信息流序列，信息流具有知識屬性，這樣我們便可以考察教育系統中的信息流是如何圍繞著知識的意義建構和能力生成而流動的，以及這些信息流的流動具備何種特征。比如，以IIS圖分析法為工具，我們確證了上述教學方案的6個質量指標;以IIS圖分析法為基礎，我們提出的教學過程機制圖可以表征教學系統的中觀過程（楊開城等，2017a）。教育科學的結論是關于教育系統特征的，教育系統分析技術提供了一套編碼體系可以將教育過程表征為可以反復閱讀和反思的數據，這些數據反映了一個教學過程的質量和教師的專業能力。因此，新教育學中的教育科學所提供的研究方法和結論，可以用來解決STEM領域面對的第4個問題。

總之，從整體理論框架和已有的積累上看，新教育學為擺脫STEM面臨的困境提供了完整的知識儲備。

2.搭建新團隊、開發新課程

目前國內獨創的STEM課程多數是中小學教師和高校STEM研究團隊開發的。但現有的STEM課程開發多數是經驗主義的，成本高、質量不穩定，而且難以規?；?、不可持續。為了更清晰地理解目前的STEM課程開發水平，我們將STEM課程進行了粗略地劃代。

開發STEM課程的首個困難是生成STEM主題或創意。人們常常在課外活動、綜合實踐課、通用技術課的經驗中尋找主題資源，由此造就了STEM的前身——大手工課。所謂大手工課，主要是指面向大孩子稍顯復雜的手工課。在大手工課上，孩子們在教師指導下，按照某種“手工工藝流程”做東西——由于很直觀，不需要講知識，也不需要在知識層面上進行辨析和思考就可以做出東西來，有些學生做的東西質量還很好，體現了學生原有的創造性。大手工課有時披著高科技外衣，很是打眼，卻不屬于STEM。而且大手工課多數不包含知識，自然也不會生成特定的能力，這便為STEM課程的課程目標不清晰埋下了伏筆。

在大手工課的基礎上，如果我們嵌入系統工程方法，即整合一點工程知識，那么大手工課便演變為第一代STEM。之所以稱之為第一代STEM，是因為它是基于STEM理念打造的（雖然未必體現了STEM理念），又真實整合了工程知識。第一代STEM看似體現了STEM的創中學，但往往“動手不動腦”“有操作無思維”，只不過是有流程規范的大手工課而已。這倒不是說，學生在這樣的課上沒有收獲，而是說學生的收獲無法事先確定。也就是說，第一代STEM繼承了大手工課目標不清晰的特征。

在第一代STEM的基礎上，如果在課程中整合科學知識，我們便可得到第二代STEM課程。在STEM課程中，科學的功能是解釋，解釋為什么要做“那個東西”，以及“那個東西”為什么會起作用（特定功能）。由于科學與技術在邊界處相連接，即技術效應件同時也體現了科學效應。第二代STEM有可能也整合了技術——學生做的那個東西包含了特定功能的技術部件。但經驗主義的課程開發方式使得第二代STEM仍然保持課程目標不清的特征，依靠反復的試驗排除缺陷（常常是按照DBR（Design-Based Research）的方式磨課），而且具體設計也無法精細化，很難確保目標-手段一致性。在實施第二代STEM課程的時候，如果教師忽略了其中的科學成分，就會將其降格為第一代STEM或者一代半STEM。也就是說，第二代STEM課程的功能不穩定。有一點需要說明的是，在“做東西”過程中討論算術級別對成本計算之類的話題，看似整合了數學，實則不是！只有將數形規律或者定量推理整合到解決問題的過程之中，才算是整合了數學。

第二代STEM課程是經驗主義的STEM課程開發方式的極限。經驗主義開發方式成本高、功能質量不穩定，知識體系不清晰，難以規模化、體系化和迭代升級。最重要的是第二代STEM課程并未真正實現STEM整合，無法將S.T.E.M.知識有機地整合到一個“做東西”的學習過程中，并強化科學精神的價值觀。

我們將真正實現STEM整合的課程稱為第三代STEM。要想開發第三代STEM課程及其體系，必須依賴教學設計技術和課程開發技術，比如LACID和KCCCD。LACID和KCCCD技術是專業技術，運用它們進行STEM課程開發是一個繁雜的技術性過程，它在性質上不是一種研究活動，而是課程生產活動。因此，不宜將專業的STEM課程開發工作交給普通一線教師去做。雖然有人認為STEM教師的課程開發能力屬于其綜合能力的一部分（劉倩，2019），教師應參與STEM課程開發，成為專業的課程設計者（葉兆寧等，2018），但這些觀點的合理性是以我們缺乏專門且專業的STEM開發團隊為前提的。雖然我們并不反對個別STEM教師掌握STEM課程開發的能力，但把它普遍作為STEM教師的專業能力，則是不合理的。因為STEM課程絕不是在某個創意下的大手工課，STEM課程開發的工作性質以及工作量絕不是一個STEM教師可以獨立承擔的。即使一線教師們掌握了這些技術也難以規?；亻_發STEM課程并形成體系。

STEM課程開發的工作只能交給課程開發商去做。STEM教育也需要STEM課程開發商的參與。如果課程開發商仍然堅持經驗主義的課程生產方式，將危及自己的生存。STEM課程開發本身周期長、工作涉及面廣，經驗主義開發方式成本太高、效率太低，最多只能產生第二代STEM的低端產品。第三代STEM課程要求細節設計，因為S.T.E.M.知識的整合只能整合于細節，科學精神的體現也在于細節設計。要完成細節設計，只能采用教學設計技術和課程開發技術。所以課程開發商必須組建運用這些技術進行課程開發的專業團隊，學習并掌握課程開發技術和教學設計技術，并搭建相應的技術平臺、制定技術標準，專門從事STEM課程的設計、開發、維護和升級，并為他們的客戶（采納他們產品的學校教師）提供STEM教師培訓的服務，這樣才能開發出真正的STEM課程——第三代STEM。

3.實現基于一致性的STEM實踐新方式

新教育學認為，教育實踐的質量取決于兩方面：一個是課程的質量（見前文所述的多個指標），另一個是課程是否能夠得到全面徹底地貫徹執行。在課程質量合理的條件下，新教育學要求課程實施要與課程設計一致。課程實施需要教師先做教學設計產生教學方案再實施教學方案，因此新教育學要求教師的教學行動要與教學方案相一致。如果在整個課程實施過程中，所有的教學方案質量都合理，所有的教學方案與行動的一致性都令人滿意，新教育學則認為教育實踐是合理的。如果發現教學效果不佳，從擔責的角度看（不把責任推給學生等其他方面），新教育學認為，要么是課程質量有問題，要么是上述一致性有問題。

課程質量主要由課程開發商負責，而確保教學方案的設計質量以及教學方案與教學行動的一致性則是教師的責任。這個責任背后是教師的專業能力，這個能力要求教師既能夠設計教學方案又要確保教學方案得到貫徹執行。我們將這個能力稱為基于設計的行動力。所謂基于設計的行動力是指教師能夠運用教學設計技術設計教學方案并在教學實施時貫徹執行這個方案的能力。它既是確保方案落實的行動力，又是基于行動經驗的教學設計力，因此也可以稱為基于行動的設計力。這種能力不是舊教育學所主張的教學符合PCK的能力，而是教學符合教學方案的能力，即確保教學方案與教學行動一致性的能力。

通常情況下，教師的教學方案的設計能力與教學實施能力是兩個分立的能力，都是一種低水平的職業能力。教師的教學設計常常是粗線條的教學思路規劃，在沒有掌握教學設計技術的情況下，教師設計的教學方案中即使有細節，往往也是想象的產物，而且常常目標-手段一致性不清、學生參與度較低。而教師的教學實施常常并不在乎教學方案，設計教學方案常常是為了應付檢查而不是服務于教學。因此，要想將這兩個能力整合為一種能力，一方面教師必須掌握教學設計技術，能夠設計目標-手段一致性、學生參與度、教學適應性都很強的包含教學過程細節的詳案，另一方面我們必須利用教育系統分析技術將教學方案和真實的教學活動過程都分解為信息流序列和師生行為序列，繪制教學過程機制圖，對比二者之間的差異，找到教學方案與行動的不一致之處，以此尋找教學方案中不切實際的設計以及不恰當的教學“意外”背后的知識、理念、意識、行為能力和習慣的因素，促使教師反思，看到自己專業能力的真相、制定專業成長計劃，從而彌合他的設計力與行動力，最終生成并提升基于設計的行動力。此外分析教學方案與行動的一致性所產生的數據完全可以用來評估一個教學過程的質量，同時也可以用來確定提升課程質量的入手點。

STEM教育特別適合上述基于一致性的教育實踐方式。一方面，基于一致性的分析數據可以更客觀地評價STEM課程和教學：另一方面，提升STEM教師基于設計的行動力是培養STEM教師的根本渠道。STEM課既沒有紙筆考試，又難以僅憑作品分析來體現教學效果，因為學生做出的東西并不重要，重要的是做的過程。STEM教師的主要責任并不是讓學生做成某個東西，而是確保“做”的過程體現STEM理念、整合S.T.E.M.知識。這就給STEM教學和STEM教師的評價提出了新要求。其實，根據教學效果做出各種評價雖然具有一定的合理性，但卻不科學。因為那個效果并非客觀證據，效果的好與壞只能是當事人的主觀判斷。我們需要基于一致性的理論邏輯來評價STEM教學、考察STEM教師專業能力的生成與提升。

由于STEM課程需要將S.T.E.M.知識和科學精神整合于細節，因此STEM課程必須提供師生交互過程設計。但這個過程設計不可能完全適用于實際教學的具體情況。STEM教師必須對STEM課程的教學交互進行調整，甚至增刪改某些教學環節，因此STEM教師必須掌握教學設計技術。只有掌握了教學設計技術，STEM教師才能做到調整設計而不傷害原有STEM課程其他方面的質量，比如目標-手段一致性，等等。一旦教師修改了STEM課的教學方案，那么這個教學方案就可以看作是該教師自己生產的教學方案，該教師有責任在教學中貫徹執行該教學方案。也就是說，STEM教師必須具備針對STEM課程的基于設計的行動力。

當然，基于教學方案-行動一致性分析的教師專業成長不但需要新教育學的教育系統分析技術，而且也需要專門的分析團隊，因此從根本上需要STEM課程開發商具備基于教學方案-行動一致性分析的教師培訓服務的能力，針對自身開發的STEM產品，提供教師專業成長的專業服務。STEM課程開發商很容易具備這個能力，因為教育系統分析所需要的基礎數據在STEM課程開發過程中已經生成了。

4.構建STEM領域的新生態

由于STEM課程的獨特性，STEM教育不可能沿用“政府制定課程標準、組織專家編撰教材、組織出版社出版教材、學校購置教材并實施教學”的方式。STEM教育不可能先有頂層設計再通過行政體系逐級落實。STEM教育需要更加靈活的實踐方式。STEM課程要求創中學，要做東西。做東西不需要有主題內容上的強制標準，也不需要全國或區域“一盤棋”。因此，STEM教育的發展必定是自底向上的。從前文可以看出，STEM教育需要課程開發商的參與，開發各種STEM課程。但一旦STEM課程主題曝光，便會被迅速仿制，使得各個STEM課程開發商的產品趨同。因此，健康的STEM教育需要STEM課程開發商能夠淘汰被過度曝光的STEM課程，迅速更新自己的STEM課程產品。這說明，STEM課程需要快速進化。這種快速進化需要特定的教育生態。如果STEM課程開發商、政府、學校、場館、教育學研究機構各行其是，不能形成某種密切的交往關系，那么企業家的逐利本性、行政組織的保守本性以及研究機構的低市場運作能力，就會使得STEM領域長期停留在低水平徘徊的狀態，無法快速進化。

我們需要構建由政府部門、科研機構、STEM課程開發商、公共服務機構（科技館、圖書館、博物館、展覽館等）和中小學校共同參與的、多方協同的STEM共同體，特別是STEM課程開發商之間形成的企業聯盟。這個共同體內部既有行政體系又有市場網絡，可以定期溝通，分享STEM實踐經驗，升級STEM開發技術，淘汰過時產品。在STEM共同體中：教育科研機構負責創生教育學理論以及傳播和培訓這些理論;課程開發商通過建立專業的課程開發團隊，負責生產和改進STEM課程及其體系，通過校企合作提供STEM教師的專業培訓服務;學校和其他STEM消費組織購買STEM課程及其教師培訓服務，并負責反饋STEM課程產品的缺陷信息、改進意見，學校教師還可以通過“教育眾籌”（楊開城等，2017b）的方式參與STEM課程的開發、維護和升級;政府組織感知上述主體的需求，適時出臺各種扶持性政策，并進行價格監督、數據安全監管。我們目前沒有這樣的共同體，也沒有STEM企業聯盟。STEM共同體和企業聯盟的建立，需要事先針對STEM教育基本框架、產業鏈的基本構成、不同主體的分工、行政與市場的界線、各種技術標準、數據規范、基礎數據的共享等方面建立初步的共識。這不但需要課程開發技術和教學設計技術的知識，更需要新教育學的教育工程學知識。

四、小結

STEM教育的宗旨是整合創新。目前STEM領域充斥著大量經驗主義的第一代STEM和第二代STEM課程，所需要的STEM教師也儲備不足，還缺乏STEM教育所需要的教育生態，這使得我們難以實現STEM教育戰略。我們只有努力發展新教育學，并在新教育學理論指引下，組建專業的課程開發團隊，構建健康的STEM共同體和企業聯盟，實現STEM教育的現代化，STEM教育才能擺脫上述困境。

注釋：

① 楊開城（2016）.以學習活動為中心的教學設計實訓指南[M]. 北京： 電子工業出版社.

② 楊開城（2018）.課程開發——一種技術學的視角[M]. 北京： 北京師范大學出版社.

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收稿日期 2019-12-20責任編輯 汪燕