基礎教育階段STEM教育的性質和路徑

摘? ?要 基礎教育階段STEM教育是培養面向21世紀人才戰略不可缺少的組成部分，是面向全體學生的基礎教育。基礎教育階段STEM課程要基于國家課程標準，整體規劃STEM素養的發展目標和學習進階，在此基礎上從分科和整合兩個層面整體而有序地開展STEM教育。

關鍵詞 STEM教育? 基礎教育 跨學科? ?STEM課程

STEM教育是目前我國教育界的一個熱詞，這股熱度可以從幾方面感受到，一是近年來STEM教育研究論文的數量快速增長，二是全國成立了很多STEM教育研究機構，三是一些中小學開發和實踐了很多STEM課程。然而有研究指出，由于對STEM教育理解的不同，STEM教育的實施內容五花八門，不成系統[1]。如對美國案例的簡單復制，把一些簡單的科技活動直接改頭換面稱為STEM課程[2]。

對北京市200名中學教師所做的調查顯示：87%教師表示僅聽說過STEM教育，但對此沒有深入了解;一些教師認為STEM教育就是跨學科教育，與學校的綜合實踐課程或科技興趣課程有關，而與各學科教師關系不大。正如有文獻指出，目前在一些學校所進行的STEM教育探索具有邊緣性的特征[3-4]。這不由得讓我們思考，STEM教育在基礎教育中到底應該具有什么性質？應該處于什么地位？

一、基礎教育階段STEM教育的性質

1.STEM教育是培養21世紀人才的教育戰略

眾所周知，“STEM”一詞來自英文Science、Technology、Engineering和Mathematics四個英語單詞的首字母。STEM教育緣于美國，是美國政府推動的旨在提高國民科技素養、保持其科技領先優勢、增加具有STEM勝任力的勞動力數量的教育戰略。

盡管美國政府文件中指出術語“STEM教育”是科學、技術、工程和數學的教育[5]，但人們對什么是STEM教育的理解有很大不同。有學者把STEM教育看作是一種跨學科教育方法，要通過工程設計方法，整合科學與數學知識以提升處理真實世界問題的技術和能力[6];有學者將STEM教育理念概括為以數學為基礎，通過工程解讀科學和技術[7]。

跨學科的確是STEM教育的重要特征，但如果我們僅把基礎教育階段STEM教育視為一種整合的教育方法以彌補分科教育的缺陷則比較難以改變其“邊緣化”地位。筆者認為，STEM教育是系統地培養人的科學素養、技術素養、工程素養和數學素養的教育，目的是幫助學生理解科學、技術、工程和數學學科的價值，掌握相關的學科知識與方法，培養在相關領域進行深入學習的興趣和動力，發展系統思維、批判思維和創新思維，塑造面向未來的問題解決能力、創新能力和合作能力。

基礎教育承擔著為學生繼續學習和發展奠定必要的知識基礎、能力基礎和素養基礎的責任，在基礎教育階段開展STEM教育具有以下作用：

（1）培養高階思維

通過STEM課程，學生要學習科學探究和工程設計的方法，在這個過程中學習基于證據的推理、批判性思考以及考慮各種條件的系統設計，能夠提高學生面對復雜問題的分析與解決能力。這些能力是學生未來不論從事任何職業都需要的。

（2）增強社會責任感

通過STEM課程，學生會了解真實社會中的健康、環境、經濟等方面的問題，他們會認識到科學、技術、數學和工程對這些問題解決的貢獻，他們有責任運用自己的所學去解決更多的問題，從而增強社會責任感。

（3）激發學習興趣

STEM課程會為學生提供更多動手實踐的機會，有利于改變目前缺乏動手實踐、死記硬背和“刷題”應試的學習現狀，能夠讓學生在真實的問題解決中深入理解重要的概念和原理，認識到學習這些知識的意義與價值，從而激發學習興趣，奠定扎實的知識基礎、能力基礎和素養基礎。

（4）增進對社會職業的了解

很多高中生對社會上的真實職業和專業缺乏了解，導致高考時不知道自己要選擇什么專業。基礎教育階段的STEM教育給學生提供了了解不同行業的機會，增進了學生對社會職業的了解。

（5）發展團隊合作與交流表達能力

STEM課程中很多的項目需要學生小組共同完成，這會讓他們學會如何分工與協作。STEM課程還會為學生提供展示其成果的機會，提高學生的表達與交流能力。

2.基礎教育階段STEM教育面向全體學生

目前在我國一些中學開展的STEM課程多以校本選修、課外科技興趣課程或作為綜合實踐活動課程的一部分來開展。由于課時、師資和硬件條件限制，這些STEM課程不是所有學生都能參與的。例如，北京某中學開展的一門具有STEM教育性質的選修課程，一學期只能收20名學生參加學習，其他學生即使想報名也因名額限制無法參加。還有學校把STEM教育與科技特長和科技比賽相關聯，成為科技特長生的專屬課程[8]。

作為培養21世紀人才的STEM教育，其在基礎教育階段的實施要堅持基礎性和面向所有學生的原則。基礎教育階段的STEM教育的目的不是要培養未來的科技精英，而是培養面向未來的具有決策力和適應力的未來社會的建設者，所以基礎教育階段的STEM教育是面向全體學生的基礎教育。

二、基礎教育階段STEM教育的實施路徑

1.分科課程中融入STEM教育

要落實面向全體學生的STEM教育，需要在國家課程層面制定相應的課程標準以及進行整體的課程規劃。那么，STEM是作為一門新的國家課程還是在現有的分科國家課程中融入STEM教育？筆者傾向于后者。

首先，用數學、科學、技術和工程于一體的綜合化課程來完全取代分科的數學和科學教學尚不現實，因為這樣高度集成的課程對教師的要求極高，現有教師多難以勝任這樣的教學。如果不考慮目前教師學科知識的現狀而全面實施跨學科教學的話，反而不利于STEM教育。

第二，不同學科有不同的學科知識結構、學科實踐和學科思維，分科與整合相結合的課程體系既能避免學生學到的是零散的知識碎片，也有利于幫助學生把握學科學習的意義與價值，促進知識的理解和遷移應用。

2.將工程與技術教育融入科學和數學教育之中

針對當前基礎教育的現狀，在明晰數學、科學、技術和工程的教育目標基礎上，將技術、工程和數學教育融入科學教育以及將技術、工程和科學教育融入數學教育是實施STEM教育的一種比較可行的策略。這是因為在基礎教育中已有數學課程和科學課程，缺乏的是工程和技術教育以及它們與科學和數學教育的融合。因此，在現有課程體系融入工程與技術教育相當于在原有課程基礎上的調整和豐富，比較容易落實。

可能有人會擔心這樣實施有可能導致基礎教育階段的STEM教育演變為“SteM”教育，即科學和數學的教育比重高于工程和技術的教育比重。筆者認為這恰是基礎教育階段STEM教育應具有的特點，即在基礎教育階段的科學和數學的基礎性地位更加突出，所占的教育比重更大，而到了高等教育階段，則會在理工科專業教育中更加強化工程（E）和技術（T）的教育，這是工程和技術的應用性、綜合性和實踐性所決定的。

3.整體設計學科中和學科外的STEM教育

為了促進學生STEM素養的發展，不僅要在學科教學中融入STEM教育，還要通過更加綜合的基于真實問題解決的跨學科教學，為學生提供更充分、更深入地發展其STEM素養的機會。學科中STEM教育（STEM in disciplines）和學科外整合STEM教育（integrated STEM? besides disciplines）構成了促進學生STEM素養發展的遞進關系（如圖1所示）。

圖1? 學科中的STEM教育和學科外的STEM教育

無論是學科中的STEM教育還是學科外的STEM教育，都要以國家課程標準為依據，針對學生的經驗基礎與認知特點，按照素養發展規律整體規劃STEM素養的學習進階，循序漸進地促進學生STEM素養發展。

對于學科中的STEM教育，要以學科核心概念為教學內容的內在主線，融入科學以及工程的實踐，同時聯系技術和其他學科，幫助學生理解和掌握學科知識和學科思想方法，掌握科學實踐和工程實踐方法，發展學科素養和STEM素養。例如，在物理的“摩擦力”教學中，學生通過系列探究活動認識“改變接觸面粗糙程度或正向壓力可以改變摩擦力的大小”的學科核心概念，并聯系背包帶上的“日字扣”、罐頭開瓶器、登高腳蹬等產品的設計，理解知識的應用，增強學習的使命感和社會責任感。

學科外整合化的STEM教育則要給學生創設基于真實以及更加綜合的學習機會。例如，設計風力發電機的項目，學生首先繪制風能轉化為電能的流程圖，討論風能是如何在不燃燒化石能源的情況下轉化為電能的;接下來動手畫出風力渦輪的設計圖，討論為什么風力渦輪機的葉片是細長的、葉片是用什么材料制成的等問題;學生用材料模擬制作風力渦輪裝置，并進行測試和分析;基于風能的研究，學生還要拓展討論風能、太陽能、水力發電、核能發電以及燃煤發電的利與弊，在地圖上標出我國最適合發展風能、太陽能和水力發電的地方。通過以上這些學習活動，學生綜合運用物理、數學、工程、技術、化學和地理等學科知識分析和解決問題，提高面對真實、復雜問題的分析和解決能力。

三、結語

基礎教育階段STEM教育是國家培養面向21世紀人才戰略的不可缺少的組成部分，是面向全體學生的基礎教育。數學、物理、化學、生物、地理、信息技術等學科教師都要思考如何優化課程和教學方法，以更好地培養學生的STEM素養。

筆者先后與北京市近百名中學教師一起進行了STEM教育理念下的教學案例開發和教學實踐工作。實踐表明，STEM課程在促進學科教學的同時，能夠培養學生的問題解決能力和創新意識。

下面是一位學生學習了STEM課程“洗滌的學問”后的評語：

一瓶在市面上常見的洗滌產品，里面竟然有那么多的奧秘。加入了表面活性劑，能讓物品上的油污更便捷地被洗去。為了讓人們在使用洗滌產品時能夠更加舒適，還加入了色素使顏色更鮮艷，加入香精使聞者舒心。現在很多產品都有著人性化設計，將來我們在設計產品時也要考慮到這些問題。

通過評語可以看到學生不僅認識了洗滌劑去污原理，還具有了學以致用的思考。

圖2是經過一年的教學實踐后實驗班和對比班學生對教學方式和教學效果的評價對比。

圖2實驗班與對比班調查數據對比

由圖2可以看到，實驗班學生在是否增加了對科學探究及科學研究的興趣、是否開拓了視野、是否對學習更有信心等項均高于對比班。

參考文獻

[1] 田慧生，王素，曹培杰，等.中國STEM教育白皮書發布：提高學科的本質認知和科學素養[N].中國教育報，2017-08-26.

[2] 柏毅，葉耀，信疏桐，等.對STEM教育熱潮的冷靜分析與課程實施建議[J].基礎教育參考，2018（05）.

[3] 吳俊杰.邊緣革命：STEM教育的破局之路[J].中小學信息技術教育，2014（03）.

[4] 曾寧，張寶輝，王群利.近十年國內外STEM教育研究的對比分析[J].現代遠距離教育，2018（05）.

[5] 趙建中選編.美國STEM教育政策進展[M].上海：上海科技教育出版社，2015.

[6] Anne Jolly.STEM by design： strategies and activities for grades 4-8[M].New York： Routledge，2016.

[7] 趙慧臣，陸曉婷.開展STEAM教育提高學生創新能力——訪美國STEAM教育知名學者格雷特·亞克門教授[J].開放教育研究，2016，22（05）.

[8] 李晗.風口至，STEM教育能走多遠？[J].經濟，2017（22）.

[作者：周玉芝（1968-），女，黑龍江綏棱人，北京教育學院化學系，副教授，博士。]

【責任編輯? 孫曉雯】