STEM教育及其對科學(xué)教學(xué)的啟示

鐘浩鵬

STEM教育已被證實(shí)能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新探究能力，值得我國小學(xué)科學(xué)教育學(xué)習(xí)借鑒。本文梳理了STEM教育的簡要發(fā)展歷程，分析當(dāng)前我國小學(xué)教育存在的問題，并結(jié)合《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》和核心素養(yǎng)理念，為小學(xué)科學(xué)教學(xué)提供一些建議。

科技飛速發(fā)展的21世紀(jì)要求學(xué)生必須具備創(chuàng)新能力，創(chuàng)新能力的形成離不開科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)，這就要求基礎(chǔ)教育對學(xué)生應(yīng)強(qiáng)化“STEM素養(yǎng)”培養(yǎng)。為提高勞動(dòng)者的創(chuàng)新能力、保持國家的綜合競爭力，我國在千禧年后開始研究學(xué)習(xí)國外STEM教學(xué)理念，嘗試將其根植于教育一線，培養(yǎng)國家所需的新型人才。

一、STEM教育

STEM?是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科的簡稱，強(qiáng)調(diào)四門學(xué)科核心內(nèi)容的有機(jī)整合。近年來，為了進(jìn)一步發(fā)揮技術(shù)增強(qiáng)型學(xué)習(xí)的創(chuàng)新力培養(yǎng)優(yōu)勢，打破學(xué)科壁壘，使得強(qiáng)化藝術(shù)統(tǒng)整的STEAM教育應(yīng)運(yùn)而生。

20世紀(jì)80年代，美國政府為繼續(xù)保持國家經(jīng)濟(jì)的全球領(lǐng)導(dǎo)地位，對科技人才培養(yǎng)模式進(jìn)行了深刻反思。美國國家科學(xué)委員會(huì)在20世紀(jì)90年代首次將“科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)”作為教育綱領(lǐng)性建議向美國當(dāng)局提出，這被認(rèn)為是STEM教育理念的雛形。在之后的幾十年里，美國政府陸續(xù)發(fā)布了《美國競爭力計(jì)劃》《美國競爭力與創(chuàng)新力》等文件，提出提升美國全球競爭力的關(guān)鍵是培養(yǎng)具有STEM素養(yǎng)的人才。此后，美國不斷加大對“STEM教育”的資金投入，完善“STEM教育”硬件和軟件配套設(shè)施。2016年9月，美國教育部發(fā)布《STEM2026：STEM教育創(chuàng)新愿景》，報(bào)告中分析了未來教育發(fā)展的趨勢，指出了STEM教育今后可能存在的問題。

英國的基礎(chǔ)教育歷來重視科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)，該國在1988年的《教育改革法》中正式將科學(xué)列為核心課程。2002年，英國發(fā)布了《為了成功的SET》，重點(diǎn)關(guān)注大學(xué)科學(xué)與工程技術(shù)教育對人才的培養(yǎng)，2004年發(fā)布了《科學(xué)教育投資計(jì)劃》，進(jìn)一步加大政府對STEM教育的注資比例，其中重點(diǎn)關(guān)注提高科學(xué)教師及講師的質(zhì)量和STEM課程的研發(fā)。2014年，英國皇家學(xué)會(huì)指出，在未來的20年內(nèi)，培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)和職業(yè)意識將成為提升國民科學(xué)素養(yǎng)的關(guān)鍵。

亞洲的新加坡和日本因受到地緣因素的限制，兩國的發(fā)展更多地依賴于科技的進(jìn)步和勞動(dòng)力創(chuàng)新能力的提升。以日本為例，二戰(zhàn)后日本政府主導(dǎo)了兩次教育改革，旨在強(qiáng)化“理工科教育”和“信息化教育”，先后頒布了《理科教育振興法》《關(guān)于今后學(xué)校教育綜合擴(kuò)充、整頓的基本對策》等政府文件以推進(jìn)教育改進(jìn)。日本在中小學(xué)階段增加STEM學(xué)科課時(shí)，并進(jìn)行STEM教師專業(yè)培訓(xùn)，鼓勵(lì)推進(jìn)科學(xué)教育項(xiàng)目，設(shè)立STEM精英教育專項(xiàng)基金，培養(yǎng)具有STEM天賦的學(xué)生。

回顧美國、英國和日本的STEM教育發(fā)展歷史，就是一部培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的教育史，雖然其地緣、經(jīng)歷、政治等大相徑庭，但是人才培養(yǎng)理念卻大致相同——通過STEM教育培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，從而提升國家綜合競爭力。

我國的STEM教育起步較晚，在知網(wǎng)中以“STEM教育”和“中小學(xué)”為關(guān)鍵字進(jìn)行搜索，得到的文獻(xiàn)量經(jīng)分析繪圖如圖1所示。

從文獻(xiàn)量分析，我國當(dāng)前對“STEM教育”的研究處于初步探究階段，熱度近年來略有衰減，說明從頂層設(shè)計(jì)到一線研究均對“STEM教育”的重視度略有不足。

同樣對上述文獻(xiàn)進(jìn)行主題交叉矩陣分析，得到的數(shù)據(jù)分析如圖2所示。

從圖2中可以分析獲知，在“STEM教育”研究中，大部分還是集中在“中小學(xué)”“小學(xué)科學(xué)”等方面，高中乃至大學(xué)研究內(nèi)容較少，說明在基層教育研究者眼中，“小學(xué)科學(xué)教育”更適用“STEM教育”。

國內(nèi)對“STEM教育”的理論研究主要集中在對國外政策、報(bào)告、實(shí)施案例的介紹分析層面，雖有一些通過借鑒國外STEM教育實(shí)踐的案例實(shí)施，但作為舶來品，“STEM教育”表現(xiàn)出了與小學(xué)科學(xué)教育融合不密切、案例效果不明顯等狀況。因此，“STEM教育”融入小學(xué)科學(xué)課程仍有待進(jìn)一步研究與分析。

在STEM教育的實(shí)踐應(yīng)用推廣方面，走在最前沿的是長三角地區(qū)和珠三角地區(qū)。受國外先進(jìn)STEM教育理念的影響，該區(qū)域內(nèi)的部分教育機(jī)構(gòu)首先嘗試STEM項(xiàng)目課程教學(xué)，之后由政府牽頭進(jìn)行STEM教育的教師培訓(xùn)和學(xué)校管理培訓(xùn)，部分中小學(xué)也進(jìn)行STEM教育試點(diǎn)。2015年，江蘇省在26所學(xué)校中開展STEM教育試點(diǎn)項(xiàng)目，并進(jìn)行為期兩年的效果分析。在初步取得成效后，江蘇省于2017年遴選出200多所STEM教育項(xiàng)目試點(diǎn)學(xué)校，再給予這些學(xué)校自由度進(jìn)行STEM課程教育摸索。

此外，從2016年開始，由教育部和教育科學(xué)研究院主辦，北京師范大學(xué)、清華大學(xué)、成都科技大學(xué)等高校分別承辦了STEM國際教育大會(huì)。在第四屆STEM國際教育大會(huì)中，中國科學(xué)院科學(xué)傳播局副局長王秀全明確提出，STEM教育是培養(yǎng)青少年創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的重要途徑。2016年，我國在《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中強(qiáng)調(diào)了STEM教育的重要性，2017年教育部正式把STEM教育寫入《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》，標(biāo)志著STEM教育進(jìn)入我國國家課程計(jì)劃。2020年，中國教育科學(xué)研究院啟動(dòng)了“中國STEM教育2029創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”，著眼于STEM教育未來發(fā)展和研究。

二、小學(xué)科學(xué)教學(xué)出現(xiàn)的問題

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步離不開“科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)”的整合，STEM教育恰好將四者有機(jī)融合，力圖實(shí)現(xiàn)“1+1+1+1>4”的效果，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。在小學(xué)科學(xué)課堂中，只有重視STEM教育的落地，才能構(gòu)建推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的科技人才培養(yǎng)模式。

早期科學(xué)教育對于學(xué)生科學(xué)思維及科學(xué)素質(zhì)的形成具有十分重要的影響，因此應(yīng)重視小學(xué)科學(xué)課程，并采用正確的方法進(jìn)行教學(xué)。目前我國小學(xué)科學(xué)教育在十余載的教育改革中穩(wěn)中求進(jìn)，但同時(shí)也暴露出不少問題。

（一）教育觀念相對落后

當(dāng)前，部分小學(xué)對科學(xué)課程的教育觀念相對落后，表現(xiàn)在三方面：一是不重視，表現(xiàn)為課時(shí)量相對不足，“重語數(shù)英、輕音體美科”的現(xiàn)象仍存在;二是經(jīng)費(fèi)投入不夠，在小學(xué)科學(xué)課程教學(xué)中，學(xué)生和教師的實(shí)驗(yàn)設(shè)備需要經(jīng)費(fèi)的投入;三是專任科學(xué)教師缺乏，學(xué)校只招收少量專任科學(xué)教師，部分班級的科學(xué)課程由其他學(xué)科教師兼任，導(dǎo)致存在著科學(xué)知識不正確、教育方式不正確的問題。

（二）教學(xué)方式相對單一

當(dāng)前，在小學(xué)科學(xué)課堂上采用的主要教學(xué)方式為“講授法”與“實(shí)驗(yàn)法”相結(jié)合。從形式上看，教學(xué)方式已有擴(kuò)充——加入了教師演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生實(shí)驗(yàn)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作等方式，但從內(nèi)涵上看，小學(xué)科學(xué)課堂中的實(shí)驗(yàn)探索性較低，開放性較差，因此在課堂中學(xué)生即便在做實(shí)驗(yàn)，仍會(huì)覺得無聊乏味。好奇心強(qiáng)、喜歡探索、喜歡動(dòng)手是小學(xué)生的天性，教學(xué)方法的單一可能導(dǎo)致學(xué)生對科學(xué)課的興趣降低。

（三）教育基礎(chǔ)設(shè)施相對薄弱

學(xué)校公用經(jīng)費(fèi)對科學(xué)課程的投入較少，科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，表現(xiàn)在缺乏專業(yè)實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)保障設(shè)備;部分小學(xué)未設(shè)立科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，或者生物實(shí)驗(yàn)室與化學(xué)實(shí)驗(yàn)室混用，實(shí)驗(yàn)科學(xué)性得不到保證;部分小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備不足，學(xué)生實(shí)驗(yàn)參與度較低;部分小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)保障設(shè)備缺失，學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程安全得不到保障。

裴新寧教授說，當(dāng)前我國科學(xué)教育范式重“知識”輕“實(shí)驗(yàn)”，這就導(dǎo)致雖然中國學(xué)生能夠很好地掌握內(nèi)容和過程知識，但會(huì)“輸”于能力建構(gòu)。嚴(yán)文蕃教授在分析了PISA（上海）成績之后指出：我國學(xué)生在閱讀、數(shù)學(xué)和科學(xué)方面的基礎(chǔ)知識比較扎實(shí)，但主動(dòng)求知欲不高，缺乏學(xué)習(xí)興趣，無法有效地提升個(gè)人創(chuàng)造力。

三、STEM教育對科學(xué)教學(xué)的啟示

《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》指出，科學(xué)課程旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng)，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。國內(nèi)外多年研究均證實(shí)，STEM教育能有效地培養(yǎng)學(xué)生的探究能力、批判性思維、創(chuàng)新能力等科學(xué)素養(yǎng)。因此，在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中學(xué)習(xí)STEM教育理念，可以有效地改善當(dāng)前小學(xué)科學(xué)教學(xué)存在的弊端，進(jìn)一步強(qiáng)化科學(xué)課程的育人效果。

（一）重視動(dòng)態(tài)問題的創(chuàng)設(shè)和解決

STEM教育強(qiáng)調(diào)了教學(xué)過程中真實(shí)的問題情境的重要性，學(xué)生應(yīng)將知識在真實(shí)情境中運(yùn)用，并在此問題情境下分析解決問題。教學(xué)過程中教師要突出學(xué)生的課堂主體性，讓他們在真實(shí)的問題情境中提升科學(xué)素養(yǎng)。例如在探究橋的制作活動(dòng)中，通過讓學(xué)生動(dòng)手操作，將潤揚(yáng)長江大橋（斜拉橋）簡化，并制作出模型，再進(jìn)行工程評價(jià)。學(xué)生在這個(gè)過程中，通過創(chuàng)設(shè)一個(gè)制作斜拉橋的動(dòng)態(tài)問題情境，自己設(shè)計(jì)并制作大橋，不限定最終的大橋樣態(tài)，充分發(fā)揮自己的想象力和設(shè)計(jì)能力。

（二）提升科學(xué)教學(xué)的藝術(shù)性

21世紀(jì)伊始美國教育部門的一份研究報(bào)告指出，傳統(tǒng)STEM教育對部分學(xué)生的興趣激發(fā)效果較差，導(dǎo)致這部分學(xué)生主動(dòng)探索創(chuàng)新的可能性降低。而從心理學(xué)角度出發(fā)，藝術(shù)設(shè)計(jì)能有效激發(fā)學(xué)生探索的興趣，因此在小學(xué)科學(xué)課堂中可以依托特定的藝術(shù)設(shè)計(jì)活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)探究的欲望。例如在《做一艘小船》課中，部分學(xué)生熱衷船體的設(shè)計(jì)，部分學(xué)生喜歡船體結(jié)構(gòu)的組裝，也有部分學(xué)生對船體的美術(shù)涂裝感興趣。因此，可以讓這些學(xué)生分工合作，在一個(gè)小組中各司其職，充分發(fā)揮自己的優(yōu)勢特長。在這個(gè)過程中，教師充分尊重學(xué)生的獨(dú)特性，增強(qiáng)了課堂的藝術(shù)感。

（三）增強(qiáng)科學(xué)教學(xué)的協(xié)作性

STEM教育具有協(xié)作性，所以科學(xué)教學(xué)力求每個(gè)學(xué)生都能參與，同學(xué)、教師之間進(jìn)行合作性交流，完成知識的群體性建構(gòu)。在完成任務(wù)的過程中，學(xué)生需要與同學(xué)、教師甚至專家進(jìn)行交流和討論。例如在教科版小學(xué)科學(xué)四年級“面包發(fā)霉了”這個(gè)課題的研究過程中，需要學(xué)生互相幫助，對于每種會(huì)影響霉菌生長的條件提出自己的看法和觀念，互相啟發(fā)。這個(gè)過程可以增加學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，鞏固知識，發(fā)展能力。

（四）提高科學(xué)教學(xué)的實(shí)踐性

STEM教育強(qiáng)調(diào)學(xué)生多種感官的協(xié)作參與。教師在小學(xué)科學(xué)課堂中要提供給學(xué)生動(dòng)手操作、實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的觀察、動(dòng)手、分析、分享等環(huán)節(jié)中，強(qiáng)化自己的科學(xué)素養(yǎng)。因此在小學(xué)科學(xué)課堂中，探究性實(shí)驗(yàn)和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)會(huì)起到關(guān)鍵的作用。例如，在研究擺的活動(dòng)中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生分析為什么周期變長了，從而分析得到在實(shí)驗(yàn)室中確實(shí)存在空氣阻力、在實(shí)驗(yàn)器材鏈接處存在摩擦力等原因，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)觀察、分析數(shù)據(jù)和交流溝通等能力。

（五）加強(qiáng)科學(xué)教學(xué)的包容性

STEM教育具有開放性和包容性。因此，教師在小學(xué)科學(xué)課堂中應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行新方法新路徑的探索嘗試，包容學(xué)生的失敗和錯(cuò)誤，使學(xué)生敢于嘗試，能在失敗后積極反思，在成功后積累經(jīng)驗(yàn)。教師在課堂中要給予學(xué)生充足的自由條件大膽發(fā)揮想象力，培養(yǎng)其“科學(xué)家思維”。

《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》建議教師在科學(xué)課堂中開展STEM教育，在小學(xué)課堂中開展STEM教育踐行了學(xué)科交叉融合理念，體現(xiàn)了科學(xué)核心素養(yǎng)的育人價(jià)值。建立小學(xué)“科學(xué)融合STEM課程”模式是未來小學(xué)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的必然趨勢，也是科學(xué)教師未來學(xué)習(xí)研究的關(guān)鍵方向。