STEM 整合教育的有效途徑及障礙分析

深圳市優必選科技股份有限公司 吳成琳

我們在不斷變化、日益全球化的社會中面臨的問題往往是融合了多學科的，所以這些問題大多數需要整合多個跨學科概念來解決。近些年，STEM 教育的火熱也從現象上解釋了這類教育的強大驅動力。STEM 是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）四門學科英文首字母的縮寫，其字面上并沒有整合的意思。直到美國國家研究委員會2009年的報告《K-12教育中的工程》認為，“在現實世界中，工程不是孤立的，它不可避免地涉及科學、技術和數學”，STEM 整合的理念才逐漸被重視起來。

一、STEM 整合教育

人們通常很容易把科學、技術和工程看作是三個非常獨立的學科，但它們往往是緊密相連的。科學家使用工程師創造的技術來進行研究，當工程師開始設計一項新技術時，他們會利用科學家得出的科學知識。科學、技術和工程受到社會的影響且影響著社會。人類的價值、需求或問題往往決定了科學家研究什么問題、工程師解決什么問題。同時，作為科學和工程產品的技術影響著社會，改變著人類文化價值觀，比如人工智能應用中的倫理問題等。

由于越來越多的國家意識到在課程整合中加入工程的必要性，美國于2013 年春季發布的《下一代科學標準》也包括了工程和工程設計。我國也在2017 年頒布的《義務教育小學科學課程標準》中提倡跨學科學習方式，建議采用以項目、問題解決為導向的課程組織方式，并將科學、技術、工程、數學有機融合，引導學生高效高質完成學習任務從而培養學生的科學思維，提高學生的創新能力。因此，學校采用分科式STEM 教學并不能很好地幫助學生發展更符合新類型的數學、科學、工程思維的理解和能力，而這些思維對于以技術為基礎的信息時代卻是最重要的。

STEM 整合教育（Integrated STEM Education）中的整合也常被譯為融合、綜合等，其理論基礎與美國教育學家約翰·杜威的工作和建構主義理論相關。總的來說，STEM 整合教育是將科學、技術、工程和數學這四個學科結合成一個基于學科和現實問題之間的聯系的課程、單元或課節。其目的是提供一種將學科聯系起來的方法，使學習變得有聯系、有重點、有意義，并以學生為中心。

多學科融合的教學方法并不新鮮。工程在學生學習科學和數學內容時可以作為一個連接的橋梁。研究表明，教室中的工程設計支持了融合科學、數學和技術的跨學科方法，以及與問題解決、創造性思維和溝通相關的技能。研究提供的證據表明，將工程融入K-12 科學和數學課程有利于學生學習相應的內容。工程本質上就是應用數學、科學和技術領域的概念來系統地解決復雜問題。這些問題基本上都是現實世界中的問題，需要學生對問題的背景情境有一定的熟悉和理解，否則容易造成學生難以理解問題本身及問題涉及的相關概念。通常，一個熟悉的情境可以讓學生更容易摒除干擾因素，從而自然根據先前的經驗來構建新的知識。還有，因為工程與學生的日常生活以及所處的社會環境具有相關性，涉及的內容和待解決的問題往往都鼓勵學生從不同的角度思考及解決問題，所以學生很可能會更有動力去深入探索課程內容的相關知識。

二、STEM 整合教育的有效途徑

在STEM 整合課程的設計和實施過程中大致存在兩種不同的課程模型：內容整合和情境整合。兩者在課程設計形式以及教學目標上有區分，但無論是哪種方法，均能使教師在選擇如何將STEM 整合到課堂上時具有靈活性。

（一）內容整合

內容整合的單元或課節有多個STEM 學科學習目標。這些單元側重于將STEM 的多個內容領域合并到一個單一的課程活動中，以便從多個內容領域中思考一些大的想法。例如，通過創造新的、低摩擦涂層來增加髖關節置換的壽命的課程單元情境，可能會帶來材料科學、化學工程、物理、生物醫學工程和數學等領域的內容。這種與社會相關的背景是STEM學科如何幫助提高生活質量的一個實例。由于目前的髖關節置換術可以持續10 年左右，更強的涂層可能意味著接受髖關節置換術的人在他們的一生中可能不需要第二次置換術，這也賦予這個教學實例豐富的社會價值。教師在這種背景的單元中教授每個學科的內容，并強調這些學科是如何在一起解決這個問題的。學生則是利用一切可利用的學科資源，從問題解決出發，以結果為導向，將資源整合，從而給出理想的解決方案。

（二）情境整合

情境整合主要關注單一學科的內容，并使用來自其他學科的情境使內容更加相關。例如，數學教師可能會在某個教學單元介紹巧克力餅干的制作問題，并提出成本控制及客戶體驗的需求，例如，餅干上的巧克力塊不能太多也不能太少，那么至少需要多少巧克力才能讓巧克力餅干既好吃又節約成本？這個問題建立在一個整合的情境下，比如，加工生產、物料配比等，而課程的內容卻是集中在數學統計上，特別是對正態分布和集中趨勢的了解。在這種情況下，數學內容是主要目標，但整合的情境幫助教師激勵學生學習并使學習內容沉浸在真實的情境中。這種整合途徑帶給學生極大的學習興趣，將枯燥且抽象的數學建模過程融入日常生活場景，有利于學生進行具象的類比，促進知識遷移并建構新的知識。

三、STEM 整合教育的障礙

STEM 整合教育在實施過程中也面臨種種障礙。綜合來看，內容知識的不足、缺乏高質量的課程模型以及需要大量的課程材料和資源是目前主要的三個障礙，對STEM 整合教育的落地有著巨大的挑戰。

（一）教師內容知識不足

教學科目的內容知識對教師教學的有效性有著很大的影響。教師對于科學和數學整合的內容知識本身的理解是有難度的，這便導致整合過程愈加復雜。因為許多教師在學科內容知識方面存在差距，很難促進對整合的深刻理解。這樣的情況并不少見。通常我們要求科學和數學教師教授另一門學科，可能會造成新的知識差距和跨專業的困難。很少有小學教師能輕松地教授科學和數學，更不用說技術和工程了。針對課程整合的教師培訓也并非常態，教師基本只能靠不定期的講座和論壇來補充相應知識。在各個年級，教師必須得到應有的支持，完善相應的教師專業發展路徑等，才能有效地教授STEM 整合課程。

（二）缺乏高質量的課程模型

由于缺乏高質量的課程模型，許多學校很難將STEM 整合教育貫徹下去。目前，市面上很難找到一個適用性強的課程模型來指導教師或學校開發STEM 整合課程。出現這個現象的深層原因也在于STEM 的整合不是強制的，課程使用的是學科之間的自然聯系。作為小學科學和數學課程的一部分，現實世界的主題包括行人過馬路、午餐排隊、減少浪費、飲料設計等，解決的問題往往都鏈接了真實生活。傳統的科學或數學課程模型都難以滿足解決現實世界問題所需的綜合性。另一方面，即便是將整合好的課程模型給到教師，教師也很難在缺乏相應培訓的情況下，對模型進行熟練應用。

（三）需要大量的課程材料和資源

STEM 整合教育的另一個障礙是需要大量的課程材料和資源，讓學生通過設計、表達、測試和修改他們的想法來研究關于現實問題的可能解決方案。其中，電子資料是教師教學效能達到最大的必要條件。互聯網、小程序、設計類程序、動態模擬軟件、機器人軟件和大型計算軟件都可以集成到課程中，以幫助解決問題。但是，并非所有學校都有相應的技術或材料資源。在我國現實課堂中，互聯網往往因為安全因素而無法普及；平板及電腦也因各種原因，如傷害學生眼睛和使學生分心，被拒之門外。大部分情況下，學生在課堂上所能利用到的資源僅僅是教師提供的一些簡易的閱讀材料和操作單。

總而言之，基于STEM 整合的教學方式聚焦于學生的全面發展和主觀能動性的發揮，為學生提供了自主發展的平臺，有利于學生綜合素質的發展。在課堂上使用STEM 整合的好處是可以讓學生綜合思考，并嘗試解決來自多個學科的最真實和自然的問題。然而，設計和實施高質量的STEM 整合課程對一線教師來說并不容易。就像工程設計一樣，好的課程設計應該是迭代的，需要多個周期的創建、測試和修改。因此，教師應該基于建構主義學習理論，為學生提供使用其先驗知識學習和思考的機會，并從多個學科的整合中發展新的知識。雖然很多障礙確實存在，但如果教師從自身內在出發，且希望做出必要的改變，進行有意義的STEM 整合，這些障礙便是可以克服的。當然，這也需要外在的學校管理人員及教育管理部門的決心和大力支持。