朱寰

STEM即科学、技术、工程、数学的英文首字母组合的简称，于20世纪80年代兴起于美国，是美国为了应对未来挑战而提出的国家发展战略。对于STEM教育的内涵，有人认为STEM教育是课程，有人认为STEM教育是一种理念，尽管人们至今尚未达成共识，但STEM教育倡导问题解决驱动的跨学科整合学习已经成为共识，也逐渐成为研究热点，而如何实现STEM教育的跨学科整合也成为当前一个普遍难点。21世纪以来，随着艺术（Art）在发展学生创造性和批判性思维等方面的作用日益显现，逐步出现了STEM+Art理念，初步形成了“以数学为基础，通过工程和艺术理解科学和技术”的STEAM教育，STEM教育的内涵不断发展完善。2015年的《STEM教育法（2015）》，将计算机科学也纳入STEM教育，从STEM教育到STEAM教育再到STREAM教育，STEAM教育的内涵不断丰富，“STEM+”的观念逐步形成。

2018年11月，我们参加了广东省教育厅主办的“高中课程改革与课堂教学创新——广东省中小学新一轮‘百千万人才培养工程高中名教师培养对象赴美研修”活动。21天研修中，我们参访了14所中小学（2个学区），聆听了来自明尼苏达等大学专家教授的8场讲座，对美国中小学的STEM教育有了较深入的了解。

一、美国K-12阶段STEM整合教育的模式

通过少数跨学科大概念整合学科知识，促进学生实践，实现对重要原理的深入探索及概念理解的逐级发展，这是美国STEM整合的一大特色。

1. 横向整合模式

所谓横向整合模式是指跨学科、跨领域的课程整合模式。在美国政府颁发的《下一代科学教育标准》（NGSS）中，以表现期望为核心，使用“表现期望+基础盒子+连接盒子”的呈现方式实现整合。NGSS的内容标准各条目以表格的形式呈现。基础盒子展现了不同年级（或年级段）的学生在相应的“学科核心理念”和“主题”模式下要达到的预期效果（即“表现期望”），具体体现了“表现期望”要求的科学与工程学实践、学科核心概念及跨学科概念这三个维度的整合（即“基础盒子”），并提示与同年级、跨年级学科核心概念及与其他学科教育标准的联系（即“连接盒子”）。

2. 纵向整合模式

所谓纵向整合模式是指适合各阶段学生认知水平，促使学生核心素养随着学习阶段的延伸实现连贯一致发展的模式。在K-12年级的学习进程中，学生不断拓展和深入对学科核心概念的理解，课标含有各学段对同一核心概念的表现期望。可以分为两种类型：一种是通过核心概念和表现期望进行纵向整合的形式;另一种是通过学科核心概念和内容要求的形式进行纵向整合的形式。纵向整合实质上是对核心概念理解的逐级深入和持续发展，可以系统地帮助学生学习核心概念的内涵，最终为学生比较全面、系统而深入地理解核心概念打下扎实的基础。当然，横向整合模式和纵向整合模式之间也是相互作用的，共同促进课程实施效果。

二、美国STEM整合教育的教学方式

根据深入了解，美国的STEM整合教育比较成熟的教学方式可以归纳为以下三种类型。

1. 基于问题——学科知识整合取向

基于问题的教学方式即通过学生合作，解决融入真实情境中的问题或与客观世界相关的问题，促进学生对所学知识的理解与建构，从而习得隐含于问题背后的学科知识，形成STEM相关技能。

例如，我在明尼苏达杰明学校听了一节二年级跨学科综合课《关于蝴蝶的研究》。为了帮助学生提出问题，在连续几周的教学过程中（每周大概一节课）教师设计这样一些指引：

关于蝴蝶的研究（关于蝴蝶，你有哪些问题？）（学生反馈略）

教师引导：

我已经知道……我已经学过……

我观察到/我注意到/我发现……我想知道……

我很好奇，如果……会怎么样？

我怎么……

在这样一个项目中，教师采用了适合小学生心理特点和知识水平的教学方式，基本没有机械的知识讲解环节，而是以探究活动代替：从问题出发，把学生带入学习场景，然后做相关探索，观察现象、学习概念、动手操作。听课当天是学生观察毛毛虫的第七天，毛毛虫的大小已经有明显的變化。通过观察比较大小变化引申出“标准”的概念，提出测量的方法，进而学习刻度尺的使用和读数。在这些活动中，学生始终处于沉浸的兴奋状态，既学到了科学思维又掌握了科学、数学的相关知识。

2. 基于项目——生活经验整合取向

基于项目的教学方式是以来自生活经验与社会中实践性的项目完成为核心，将跨学科的内容、高级思维能力发展与真实社会生活联系起来。项目学习一般以开发最终作品为出发点，作品设计是项目学习贯穿的主线和驱动力，学生在完成作品的过程中进行检索、讨论、演算、设计、观察等学习活动，并解决一个或多个问题，从而获得知识和技能。

在参访布雷克（Brek）高中时，校方给我们提供了一份“2017-2018 Advanced Science Research Project Highlights”材料介绍。其中列出了该校一些优秀的夏季学期高级科学研究项目，内容广泛、深入、均衡。通过这些优秀科学项目研究吸引有兴趣和动力的高年级学生参加，与导师合作，鼓励有才华的学生尝试从事工程、技术或者数学方面的职业，同时也有助于加强职业之间的联系。

例如该校Louise Kim（19岁）和Spencer Yueh（18岁）在康拉德·伊伯（Conrad Iber）博士的指导下，在明尼苏达大学美景睡眠中心（University of Minnesota Fairview Sleep Center）工作。他们调查了睡眠、情绪和电子设备之间的联系。72名Breck高中的学生自愿佩戴一种名为Actigraph的睡眠追踪设备，为期两周。其中一个星期，受试者不能在睡前两小时使用电子设备。受试者还填写了关于情绪和睡眠质量的日常睡眠日志。研究数据显示，睡前两小时不使用电子设备的青少年睡眠时间更长，睡眠质量更高，情绪也受到积极影响。

还有一个有意思的项目“与长者共舞：探索运动、情绪和记忆之间的联系”。

项目概述：“与长者共舞”量化了舞蹈对老年人情绪健康、身体康复和记忆的影响。琼斯-哈里森的居民每周都要参加凯洛斯·阿利维尔（Kairos Alivel）组织的舞厅活动，这个组织将舞蹈带给不同年龄、能力和文化背景的人。高年级学生在参加适应性代际舞蹈节目前接受Breck学生的采访，参与者进行非正式的交谈，正式的学生观察员则全程追踪参与者的微笑、大笑等行为。随后进行随访。对收集的数据进行统计分析，以确定舞蹈对居民生活的影响，并着眼于创建支持整体健康的程序。

研究问题：舞蹈如何影响老年人的健康？跳舞能改善心情和增加快乐吗？跳舞能减少老年人的痛苦吗？提高记忆力和跳舞有联系吗？一起跳舞能培养一种强烈的团体意识吗？

每节课开始前和结束前，学生们要进行一项关于身心健康和社会福利的调查。在这段时间里，他们和参与者一起跳舞，共75分钟，有各种音乐类型，每隔10～15分钟就有一次谈话的间歇。这些舞蹈课程的参与者是退伍军人事务部的居民，他们在精神或身体上有不同的能力。舞蹈动作是站着或坐着表演的。包括敲击，鼓掌，并且左右摇摆——大多数都是在牵手时完成的。要求第一组学生谈论音乐、舞蹈触发的记忆及参与者感兴趣的其他话题，与参与者进行心理和身体上的交流。第二组由3～4名学生组成，跟踪每个居民微笑或大笑的次数、发言、居民参与的时长，以及其他观察。

3. 基于工程设计——学习者中心整合取向

这种教学方式不强调由教师预设问题或项目，而是由学生主导项目，以个人或小组为单位提出任务，任务内容需要学习并运用跨学科知识。学生在项目问题解决过程中，教师发挥协调、指导、检查、监督、计时和评价作用。学习者中心取向整合模式强调创设学习者可以主动介入、研究与发现的丰富教育环境，让学生在蕴含丰富 STEM 知识的环境中进行交互、探究与发现，创造意义、学习知识，在建构性的环境设计中寻找蕴含 STEM 知识的整合点。

例如，科学教材“Science Dimensions”（《科学的维度》），其中一个课例是让三年级的学生解决一个工程设计问题：很多幼儿园或小学教室里，都有一个植物角，为期两周的假期就要来了，学校要关门，没有人来浇水，植物会干死，怎么办？

学生需要设计一个方案，做一个灌溉装置，解决这个问题。准确地说，就是：我们需要设计一个灌溉装置，能在未来两周内以安全可靠的方式给植物输送适量的水，让植物不干死，也不溺死。

怎么解决这个问题？这就要做调查研究了。现实生活中常用的灌溉方式有哪些？衡量每种方式的利弊，用图表进行整理归纳。植物角里的每种植物，在未来两周内，要浇几次水？用表格列出来。接下来构建灌溉模型。这是一个化繁为简，从简单情况入手，找出基本解决方案，然后攻克复杂问题的有效方式。接着进行实际测试：再次审视，这个装置是否达到了性能要求，而且能满足各种约束条件;能用文字清楚描述自己的思路和步骤，别人能按照这个步骤复制和测试你的作品;做详细测试，每次记录结果并分析;得出结论，告诉大家你的设计思路、产品结果，用实证数据去证明你的作品是可行的。

这种从需求出发提问题、做原型、再完成整体设计的思路，在现代的工业设計里比比皆是。从这个案例来看，比起具体的知识，它包含的这些探索未知、解决问题的科学思维方法，才是STEM课程的精华所在。

三、启示

2016年9月，美国研究所与美国教育部联合发布了《STEM 2026：STEM教育创新愿景》。该报告旨在促进STEM教育公平，及让所有学生都得到优质STEM教育的学习体验，对实践社区、活动设计、教育经验、学习空间、学习测量、社会文化环境等六大方面提出了愿景规划，指出了STEM教育未来十年的发展方向以及存在的挑战。不但制定了全面的STEM教育政策，还建设了相关学科课程标准。基于标准的STEM教育规范了课程的目标、内容，使得课程或项目的开发避免随意性和流于形式。同时，注重STEM课程、教学、评价的整体设计。美国国际技术与工程教育协会（简称ITEEA）近来开发了“I-STEM 模式”，覆盖K-12年级，提供了课程设计（领域、组织主题、主题）、课程实践（教学场景、6E）、课程评价（持久理解、基本问题、表现期望和指标）三个层面的设计，实现了STEM跨学科之间课程、教学、评价的整合，也实现了整合后内容、教学、评价的统一。《下一代科学教育标准》（NGSS）提出了“科学实践”“学科核心概念”“跨学科共通概念”的三维整合，给我们的启示是，应当围绕核心概念尤其是跨学科核心概念整合STEM教育。