STEM教育的概念重塑

蘇詠梅 羅天

【摘要】STEM教育有著豐富的內涵和多種理解角度，在其發展中也伴隨著對其基本概念的爭論。本文對STEM教育的一些基本概念和理解進行了建構、分析和討論，提出了一些具有實踐意義的理論框架。

【關鍵詞】STEM教育;STEM整合;教學法

自提出以來，STEM教育已經逐步成為世界各地教育發展的新趨勢和新方向。STEM教育的文獻包羅萬象，在形式上包括政府報告、調研報告、學術理論、教學實證研究和個案討論等;在學習階段上從幼兒、小學、初中、高中到大學，涵蓋了校內和校外、正式和非正式教育;在探討主題上也很廣泛，包括STEM的學科整合、STEM各領域的參與、教師培訓、教師教學和學生學習等。但是，由于不同背景的學者和教育工作者對STEM教育的概念往往有著不同的理解，STEM教育的討論常常伴隨著迷思和爭議，尤其是關于下列問題的疑問：“STEM”與“STEM教育”有哪些聯系和區別？應將STEM視作一門學科還是一種課程和教學取向？STEM整合有哪些學習內容與教學策略的整合程度和整合模式？科學、科技、工程和數學在STEM教育中各發揮著什么作用？本文將從這些概念出發，重新審視、探討和建構STEM教育的相關概念，進而提出對STEM教育的推行建議。

1.“STEM”與“STEM教育”有哪些聯系和區別？

全球經濟及科技的發展有賴于科學、科技、工程和數學（簡稱STEM）領域的進步。除了化學、物理、土木工程和會計等傳統STEM學科之外，STEM領域還包括一些新興的交叉學科，如人工智能和生物信息等，這些STEM領域都需要具有跨學科問題解決能力的科技創新人才。此外，STEM領域之外的許多職業也需要從業人員具備一定的STEM素養（NationalScienceandTechnologyCouncil，2013）。

在此背景下，STEM教育應運而生，STEM教育不但提供給學生相關的科學、科技、工程和數學的學習經歷，使他們具備相應的知識、技能和態度以滿足未來社會的人力資源需求，還用整合的取向讓學生經歷真實情境下的問題解決過程，進而發展學生的高階思維和STEM素養，為學生未來的工作和生活打下基礎。

從我國的人才現狀來看，尤其是關鍵科技領域的創新型人才和高水平技能人才，仍是制約我國科技和經濟發展的瓶頸（王素，2017）。此外，大型國際比較研究數據顯示，雖然我國學生有著較高的數學和科學水平，但是STEM職業期望低于OECD國家平均水平（王晶瑩，2017）。因此，我國的STEM教育發展的目標之一即是通過深化學生的STEM學習，優化進入大學及更高學習階段的科技創新人才，從而增強國家在STEM領域的科技實力。雖然并非每一個學生都立志在STEM領域工作，但STEM教育的重視實踐、重視合作和重視創造性問題的解決等特征能有效地培養學生在科學、科技、工程和數學方面的核心素養，有利于我國公眾科學素養的建設，有助于形成社會崇尚科技創新、尊重科學技術的氛圍。因此，STEM領域的發展和STEM教育的發展是相互關聯的。圖1解釋了K-12階段、大學階段及社會/國家層面的STEM教育和STEM領域發展的聯系。

盡管STEM教育和STEM領域的發展緊密相關，但是在社會經濟和發展層面上推動STEM發展與在學校教育中推動STEM發展的側重點是不同的。推動STEM領域發展需要產業結構優化、科創領域政策支持和鼓勵科技創新人才投身于STEM行業參與創科發展;STEM教育則是從育人層面出發，通過提倡教師多運用問題解決型、合作型和項目型的實踐課程進行教學，提供更多整合的科學、科技、工程和數學學習機會，將學生的學習與社會緊密聯系起來。

2.應將STEM視作一門學科還是一種課程和教學取向？

一些文章把STEM這個整合了科學、科技、工程和數學四大領域的概念界定為一門學科，一些文章將STEM定義為跨學科的課程和教學取向，那么究竟應該把STEM視為一門新的學科還是一種課程和教學取向呢？這是一個在設計和實施STEM教育之前值得教育者思考的問題。

有的教育工作者把STEM看作一門學科，放人學校課程內。但STEM并不具備知識體系，或者說它可以適用于廣泛的知識內容，因為目前難以制定統一的課程標準和學習內容標準，所以也難以制定相應的學生學習評價和教師資質標準。我們可以將STEM理解為一系列學科的集合，尤其是在高等教育的話語體系內。在當前缺乏系統性STEM教師培訓和課程標準設計的現狀下，將STEM作為一個單獨的學科看待將會面臨多方面的困難。

有的教育工作者將STEM看成是一種課程和教學取向。STEM教育需要運用不同領域的知識、技能和態度，來學習解決實際生活中的一些實際的問題。把STEM理解為一種課程和教學取向時需要注意：STEM作為一種教學模式，不僅是重學科整合、重合作和重真實情境下問題的解決，也重在強調科學、科技、工程和數學領域內容的學習。因此，項目式學習和問題式學習等不限定學科內容的教學模式并不能與STEM學習等同。

有些人將STEM教學理解為在現有的數學和科學課程中添加額外的主題課程;另一些人則將STEM教學理解為把STEM設置于各學科中，從而為每個學科提供更深人的學習意義。若將STEM理解為一種課程和教學取向，可以選擇設計和實施STEM課程/活動和在原有的其他課程中運用STEM教育理念兩種形式。若是選擇設計和實施STEM課程，考慮到教師自身不同的學科背景差異，學校通常會建議由不同背景的老師成立工作小組，來配合跨學科性質的STEM教學和課程設計。這樣的STEM課程實施可以豐富和補充已有的探究性學習和研究型課程群（趙興龍等人，2016）。另一方面，教育工作者也可以選擇開展短期的STEM活動，如在外界（企業或大學等）的支持下，學校可開展STEM嘉年華和STEM競賽等活動，這些活動都有助于培養和激發學生對STEM領域的學習動機和興趣。

若是在原本的課程或教學中運用STEM理念進行教學設計，則需要在進行科學、科技和數學教學時更注重應用，并且要注重本學科與其他STEM領域的聯系。例如，在學習風力發電的原理時，以往可能僅從科學知識的層面學習，而在STEM取向的風力發電專題中，學生需要在真實情境的問題解決中綜合運用不同學科的知識、技能和思維模式（見圖2）。由于經濟、地理、環境、氣候、科技水平、動能和電能條件均在不同程度地制約著風力發電設備的工程設計，在學習該主題時，學生還需要綜合考慮不同學科的因素。

再如，學習設計一個智能保溫感應衣。學生不僅要學習編程來控制溫度傳感器的工作，還要運用科學原理和科學探究過程來選擇合適的保溫材料，運用數學運算和表達（如折線圖）來比較和展示不同材料的保溫效率，運用工程設計循環（見圖3）。通過運用多學科、跨學科的知識、技能和能力來解決問題是學習STEM的重要特征之一。

3.STEM整合有哪些學習內容與教學策略的整合程度和整合模式？

對于STEM教學的理解和實施有著不同的理解。基于Vasquez等人（2013）的理念，English（2019）提出了STEM整合的四種程度，即學科的（disciplinary）、多學科的（multidisciplinary）、跨學科的（interdisciplinary）STEM到超越學科的（transdisciplinary）STEM整合，這樣的分類學理性很強，但是不便于實際課堂教學的應用。

Cheng與So（2020）從學習內容、教學策略和學習者三個層面探討了STEM教育中的整合。學習內容整合是指整合了不同類型和領域的學科知識內容;教學策略整合是指整合了不同的教學策略或認知活動;學習者整合是指不同的STEM教學設計表現出不同程度的學習內容和教學策略的整合。

例如，在STEM課堂中學習如何編程或操作機器人，并獲得相關的實踐知識，其內容和教學整合的程度較低，尚未跨越學科和方法的界限。如果學習的目的僅僅是在STEM的特定領域中學習一些技能和實踐知識，這種模式可能會有效地減少教學設計和實施的復雜性和難度。

有的STEM教學設計中讓學生用吸管制作穩固的橋，或制作飛行更高、更遠、更長時間的紙飛機或水火箭。這種模式的特點是低整合程度的學習內容（通常只涉及單個或少數學科）、高整合程度的教學方法或認知活動。在這種模式中，STEM學習集中在一個有限的領域或學科，雖然能有效地為學生提供深人理解學科概念的機會，但是并不能給予學生靈活運用多學科概念和思維的學習經歷。

在這個設計中加人更多科學概念的理解及數學模型的運用或可以提高內容的整合程度。

也有些STEM學習活動讓學生閱讀與科技創新有關的材料，以及帶中小學生到大學實驗室參觀高科技的示范或展品。這種模式的特點是高整合度的學習內容和低整合度的教學方法（如自主閱讀和講授式學習）。在這種模式下，學生在學習內容上有很大的自由度和廣度，但獨立或受限的教學方法和認知活動，不利于學生建立豐富的跨學科概念聯系和鍛煉解決復雜真實問題的高階思維。

另一個STEM教學案例讓學生模擬水利工程師的工作。學生在學習了水利工程師的日常任務，以及利用水庫進行太陽能發電的科學原理后，小組合作設計一個仿真的浮動太陽能發電系統，獲取可再生能源，以解決為水庫持續供應能源的問題。學生需要模仿真實的系統，設計、制作和測試漂浮在水桶中的迷你太陽能電池板。此外，還需要研究在水庫上使用太陽能電池板所產生的問題，如太陽能電池板對藻類生長的影響。這種STEM學習模式的特點是高整合度的學習內容和高整合度的教學策略，讓學生參與多樣化的學習和認知活動。

值得注意的是，更高的整合程度并不一定就是適合的（NationalResearchCouncil，2014）。以上幾種模式（見圖4）整合程度越高，教師進行教學設計和實施的復雜性越高。此外，教師需要慎重考慮學生是否有足夠的知識、能力和時間來處理高整合度的STEM學習中可能遇到的認知負荷，及隨之而來的學生學習動機的下降。English（2019）指出，對于研究者和教育者而言，人們常常對STEM教育和STEM整合有著不同的理解，而這些不同的理解會造成一些誤讀和困擾。希望上文對不同層面的整合度的分析能夠幫助STEM教育工作者理解自己和他人所持的不同的觀點視角。

4.科學、科技、工程和數學在STEM教育中各自發揮著什么作用？

STEM教育中的科學不僅指科學知識內容，也包含科學探究循環及其步驟。科學探究常常作為STEM教學的支架和主體。Pedaste等人（2015）認為探究的步驟應包括提問、假設、探索、實驗、解釋數據和交流。科學探究活動包括：由成立假設開始探究，并設計對照實驗;進行探究，同時找出錯誤的來源和收集數據的局限性;得出與科學現象相關的研究結論，并為進一步研究提出改進和建議（So等人，2018）。STEM教育中的科學不僅能夠讓學生參與科學知識學習和科學探究過程，還有助于培養學生的實證、客觀和理性的科學精神。

STEM教育中的科技包括計算思維的應用，還包括科技產品和流程的學習及應用。So（2018）等人提出，STEM教育中除了使用程序設計、編碼和計算思維，使用儀器或科技產品進行數據收集、處理和表達同樣重要。計算思維是21世紀的一種新素養，讓人們透過它來實現新的思維方式、交流和表達想法（Bers，2018）。Castro（2015）建議，學生既是科技的消費者又是生產者，進行編程活動可以讓學生成為積極的創造者和生產者，而不是單純的科技消費者（Bers，2018;Eguchi，2014）。

在STEM教育中，工程設計循環和設計思維的重要角色越來越受到認可。科學探究和工程設計循環往往被視作STEM活動中的主干。Martin-Ptez等人（2019）更認為工程學的應用有助于學科整合，可以在一定程度上減少設計STEM活動的難度。Kelley與Knowles（2016）提出，工程設計過程應包括識別問題、頭腦風暴、設計、制造、測試評估，以及重新設計。這些過程和實踐通常是STEM的跨學科問題解決及其教學的重要成分。STEM教學中工程思維的鍛煉有助于學生成為一個有經驗的設計者和問題解決者。English（2019）總結了七個有經驗的設計者的思維策略和特點：問題的結構化、思維的流暢性、詳細的草圖設計、能平衡取舍收益及損失、診斷性問題解決、受控制的設計循環和反思性的設計思維。

STEM教育中的數學不僅包括數學運算，也可包括數學建模。數學建模不僅指將現實世界的問題轉化成數學問題來解決的迭代過程，還指涉及維持數學結構與它所代表的現實世界之間的關系（Czocher等人，2020）。數學建模能力有七個不同活動：制定任務、系統化、數學化、數學分析、解釋結果、評估建模的有效性和交流（Czocher等人，2020）。數學建模是對現實生活中的復雜情況進行數學化、驗證和概括的過程（Kertil&Gurel，2016）。

表1梳理了上文的討論，描述了STEM跨學科學習中科學、科技、工程和數學可以扮演的角色。未來研究可以多關注學生STEM跨學科學習中各個領域的學習效果。English（2019）發現數學的學習效果在整合的STEM學習中并不如其他三個領域，且關于整合的STEM學習中，工程學領域學習效果的研究較少，所以建議未來的研究應多關注整合的STEM教育中的數學和工程的學習成果。

本文通過對STEM教育中關鍵概念的討論，希望厘清STEM領域和STEM教育發展的區別和聯系，解讀STEM作為一個課程和教學取向的指導意義，辨析STEM有哪些程度的學習內容和策略的整合，以及梳理科學、科技、工程和數學在STEM教育中發揮的不同作用。Cheng和So（2020）指出，STEM教學中有效的整合不僅僅取決于課程和教學內容的設計，還取決于課程目標和教學法的設計、資源、學生特點和其他背景因素。未來的研究可以關注在整合的STEM教育中如何推進課程建設和培養學生的各種學習目標（English，2019），以及不同程度和模式的STEM整合為教師帶來的挑戰和給學生帶來的收益。

（本文作者蘇詠梅系香港教育大學教授;本文作者羅天系首都師范大學講師）

參考文獻：

[1]王素.《2017年中國STEM教育白皮書》解讀.現代教育，2017（7）：4-7.

[2]王晶瑩.關注STEM職業期望的青少年科學素質教育：基于PISA2015和NARST2017的反思[J].科學與社會，2017（3）：33-42.

[3]趙興龍，許林.STEM教育的五大爭議及回應[J].中國電化教育，2016（10）：62-65，

[4] Bers， M. U. （2018）. Coding as a Playground： Programming and Computational Thinking in the Early Childhood Classroom. New York and London： Routledge， Taylor & Francis Group.

[5] in STEM through T Castro， S. （2015）. Meeting the‘Computer Science and Coding. PhD diss.， California State University.

[6] Cheng， Y. C.， & So， W. W. M. （2020）. Managing STEM learning： A typology and four models of integration. International Journal of Educational Management， 34（6）， 1063-1078. https：//doi： 10.1108/IJEM-01-2020-0035

[7] Czocher， J. A.， Melhuish， K.， & Kandasamy， S. S. （2020）. Building mathematics self-efficacy of STEM undergraduates through mathematical modelling. International Journal of Mathematical Education in Science and Technology， 51（6）， 807-834. https：//doi.org/10.1080/0020739X.2019.1634223

[8] Eguchi， A. （2014）. Robotics as a Learning Tool for Educational Transformation. In Proceeding of 4th international workshop teaching robotics， teaching with robotics & 5th international conference robotics in education. Padova （Italy）， 27-34， July

[9]English， L. D. （2019）. Learning while designing in a fourth-grade integrated STEM problem. International Journal of Technology and Design Education， 29（5），1011-1032.https：//doi.org/10.1007/s10798-018-9482-z

[10] Kelley， T. R.， & Knowles， J. G. （2016）. A conceptual framework for STEM education. International Journal of STEM Education， 3（11）.https：//doi： 10.1186/s40594-016-0046-z

[11] Kertil， M. & Gurel， C. （2016）. Mathematical modeling： A bridge to STEM education. International Journal of Education in Mathematics， Science and Technology， 4（1）， 44-55. doi：10.18404/ijemst.95761

[12] Martín-Páez， T.， Aguilera， D.， Perales-Palacios， F. J.， & Vílchez-González， J. M. （2019）. What are we talking about when we talk about STEM education？ A review of literature. Science Education， 103（4）， 799-822. https：//doi.org/10.1002/sce.21522

[13] National Research Council （2014）. STEM integration in K-12 education： Status， prospects， and an agenda for research： National Academies Press.

[14] National Science and Technology Council. （2013）. A report from the committee on STEM education. Washington， D.C： National Science and Technology Council.

[15] Pedaste， M.， M?eots， M.， Siiman， L. A.， de Jong， T.， van Riesen， S. A. N.， Kamp， E. T.， & Tsourlidaki， E. （2015）. Phases of inquiry-based learning： Definitions and the inquiry cycle.Educational Research Review， 14， 47-61. https：//doi.org/10.1016/j.edurev.2015.02.003

[16] So， W. W. M. （2021）. Does computation technology matter in science， technology， engineering and mathematics （STEM） projects？ Research in Science & Technological Education. https：//doi.org/10.1080/02635143.2021.1895099

[17] So， W. W. M.， Zhan， Y.， Chow， S. C. F.， & Leung， C. F. （2018）. Analysis of STEM activities in primary studentsscience projects in an informal learning environment. International Journal of Science and Mathematics Education， 16（6）， 1003-1023. https：//doi.org/10.1007/s10763-017-9828-0

[18] Vasquez， J.， Sneider， C.， & Comer， M. （2013）. STEM lesson essentials， grades 3-8： Integrating science， technology， engineering， and mathematics. Heinemann.