苏咏梅 罗天

【摘要】STEM教育有着丰富的内涵和多种理解角度，在其发展中也伴随着对其基本概念的争论。本文对STEM教育的一些基本概念和理解进行了建构、分析和讨论，提出了一些具有实践意义的理论框架。

【关键词】STEM教育;STEM整合;教学法

自提出以来，STEM教育已经逐步成为世界各地教育发展的新趋势和新方向。STEM教育的文献包罗万象，在形式上包括政府报告、调研报告、学术理论、教学实证研究和个案讨论等;在学习阶段上从幼儿、小学、初中、高中到大学，涵盖了校内和校外、正式和非正式教育;在探讨主题上也很广泛，包括STEM的学科整合、STEM各領域的参与、教师培训、教师教学和学生学习等。但是，由于不同背景的学者和教育工作者对STEM教育的概念往往有着不同的理解，STEM教育的讨论常常伴随着迷思和争议，尤其是关于下列问题的疑问：“STEM”与“STEM教育”有哪些联系和区别？应将STEM视作一门学科还是一种课程和教学取向？STEM整合有哪些学习内容与教学策略的整合程度和整合模式？科学、科技、工程和数学在STEM教育中各发挥着什么作用？本文将从这些概念出发，重新审视、探讨和建构STEM教育的相关概念，进而提出对STEM教育的推行建议。

1.“STEM”与“STEM教育”有哪些联系和区别？

全球经济及科技的发展有赖于科学、科技、工程和数学（简称STEM）领域的进步。除了化学、物理、土木工程和会计等传统STEM学科之外，STEM领域还包括一些新兴的交叉学科，如人工智能和生物信息等，这些STEM领域都需要具有跨学科问题解决能力的科技创新人才。此外，STEM领域之外的许多职业也需要从业人员具备一定的STEM素养（NationalScienceandTechnologyCouncil，2013）。

在此背景下，STEM教育应运而生，STEM教育不但提供给学生相关的科学、科技、工程和数学的学习经历，使他们具备相应的知识、技能和态度以满足未来社会的人力资源需求，还用整合的取向让学生经历真实情境下的问题解决过程，进而发展学生的高阶思维和STEM素养，为学生未来的工作和生活打下基础。

从我国的人才现状来看，尤其是关键科技领域的创新型人才和高水平技能人才，仍是制约我国科技和经济发展的瓶颈（王素，2017）。此外，大型国际比较研究数据显示，虽然我国学生有着较高的数学和科学水平，但是STEM职业期望低于OECD国家平均水平（王晶莹，2017）。因此，我国的STEM教育发展的目标之一即是通过深化学生的STEM学习，优化进入大学及更高学习阶段的科技创新人才，从而增强国家在STEM领域的科技实力。虽然并非每一个学生都立志在STEM领域工作，但STEM教育的重视实践、重视合作和重视创造性问题的解决等特征能有效地培养学生在科学、科技、工程和数学方面的核心素养，有利于我国公众科学素养的建设，有助于形成社会崇尚科技创新、尊重科学技术的氛围。因此，STEM领域的发展和STEM教育的发展是相互关联的。图1解释了K-12阶段、大学阶段及社会/国家层面的STEM教育和STEM领域发展的联系。

尽管STEM教育和STEM领域的发展紧密相关，但是在社会经济和发展层面上推动STEM发展与在学校教育中推动STEM发展的侧重点是不同的。推动STEM领域发展需要产业结构优化、科创领域政策支持和鼓励科技创新人才投身于STEM行业参与创科发展;STEM教育则是从育人层面出发，通过提倡教师多运用问题解决型、合作型和项目型的实践课程进行教学，提供更多整合的科学、科技、工程和数学学习机会，将学生的学习与社会紧密联系起来。

2.应将STEM视作一门学科还是一种课程和教学取向？

一些文章把STEM这个整合了科学、科技、工程和数学四大领域的概念界定为一门学科，一些文章将STEM定义为跨学科的课程和教学取向，那么究竟应该把STEM视为一门新的学科还是一种课程和教学取向呢？这是一个在设计和实施STEM教育之前值得教育者思考的问题。

有的教育工作者把STEM看作一门学科，放人学校课程内。但STEM并不具备知识体系，或者说它可以适用于广泛的知识内容，因为目前难以制定统一的课程标准和学习内容标准，所以也难以制定相应的学生学习评价和教师资质标准。我们可以将STEM理解为一系列学科的集合，尤其是在高等教育的话语体系内。在当前缺乏系统性STEM教师培训和课程标准设计的现状下，将STEM作为一个单独的学科看待将会面临多方面的困难。

有的教育工作者将STEM看成是一种课程和教学取向。STEM教育需要运用不同领域的知识、技能和态度，来学习解决实际生活中的一些实际的问题。把STEM理解为一种课程和教学取向时需要注意：STEM作为一种教学模式，不仅是重学科整合、重合作和重真实情境下问题的解决，也重在强调科学、科技、工程和数学领域内容的学习。因此，项目式学习和问题式学习等不限定学科内容的教学模式并不能与STEM学习等同。

有些人将STEM教学理解为在现有的数学和科学课程中添加额外的主题课程;另一些人则将STEM教学理解为把STEM设置于各学科中，从而为每个学科提供更深人的学习意义。若将STEM理解为一种课程和教学取向，可以选择设计和实施STEM课程/活动和在原有的其他课程中运用STEM教育理念两种形式。若是选择设计和实施STEM课程，考虑到教师自身不同的学科背景差异，学校通常会建议由不同背景的老师成立工作小组，来配合跨学科性质的STEM教学和课程设计。这样的STEM课程实施可以丰富和补充已有的探究性学习和研究型课程群（赵兴龙等人，2016）。另一方面，教育工作者也可以选择开展短期的STEM活动，如在外界（企业或大学等）的支持下，学校可开展STEM嘉年华和STEM竞赛等活动，这些活动都有助于培养和激发学生对STEM领域的学习动机和兴趣。

若是在原本的课程或教学中运用STEM理念进行教学设计，则需要在进行科学、科技和数学教学时更注重应用，并且要注重本学科与其他STEM领域的联系。例如，在学习风力发电的原理时，以往可能仅从科学知识的层面学习，而在STEM取向的风力发电专题中，学生需要在真实情境的问题解决中综合运用不同学科的知识、技能和思维模式（见图2）。由于经济、地理、环境、气候、科技水平、动能和电能条件均在不同程度地制约着风力发电设备的工程设计，在学习该主题时，学生还需要综合考虑不同学科的因素。

再如，学习设计一个智能保温感应衣。学生不仅要学习编程来控制温度传感器的工作，还要运用科学原理和科学探究过程来选择合适的保温材料，运用数学运算和表达（如折线图）来比较和展示不同材料的保温效率，运用工程设计循环（见图3）。通过运用多学科、跨学科的知识、技能和能力来解决问题是学习STEM的重要特征之一。

3.STEM整合有哪些学习内容与教学策略的整合程度和整合模式？

对于STEM教学的理解和实施有着不同的理解。基于Vasquez等人（2013）的理念，English（2019）提出了STEM整合的四种程度，即学科的（disciplinary）、多学科的（multidisciplinary）、跨学科的（interdisciplinary）STEM到超越学科的（transdisciplinary）STEM整合，这样的分类学理性很强，但是不便于实际课堂教学的应用。

Cheng与So（2020）从学习内容、教学策略和学习者三个层面探讨了STEM教育中的整合。学习内容整合是指整合了不同类型和领域的学科知识内容;教学策略整合是指整合了不同的教学策略或认知活动;学习者整合是指不同的STEM教学设计表现出不同程度的学习内容和教学策略的整合。

例如，在STEM课堂中学习如何编程或操作机器人，并获得相关的实践知识，其内容和教学整合的程度较低，尚未跨越学科和方法的界限。如果学习的目的仅仅是在STEM的特定领域中学习一些技能和实践知识，这种模式可能会有效地减少教学设计和实施的复杂性和难度。

有的STEM教学设计中让学生用吸管制作稳固的桥，或制作飞行更高、更远、更长时间的纸飞机或水火箭。这种模式的特点是低整合程度的学习内容（通常只涉及单个或少数学科）、高整合程度的教学方法或认知活动。在这种模式中，STEM学习集中在一个有限的领域或学科，虽然能有效地为学生提供深人理解学科概念的机会，但是并不能给予学生灵活运用多学科概念和思维的学习经历。

在这个设计中加人更多科学概念的理解及数学模型的运用或可以提高内容的整合程度。

也有些STEM学习活动让学生阅读与科技创新有关的材料，以及带中小学生到大学实验室参观高科技的示范或展品。这种模式的特点是高整合度的学习内容和低整合度的教学方法（如自主阅读和讲授式学习）。在这种模式下，学生在学习内容上有很大的自由度和广度，但独立或受限的教学方法和认知活动，不利于学生建立丰富的跨学科概念联系和锻炼解决复杂真实问题的高阶思维。

另一个STEM教学案例让学生模拟水利工程师的工作。学生在学习了水利工程师的日常任务，以及利用水库进行太阳能发电的科学原理后，小组合作设计一个仿真的浮动太阳能发电系统，获取可再生能源，以解决为水库持续供应能源的问题。学生需要模仿真实的系统，设计、制作和测试漂浮在水桶中的迷你太阳能电池板。此外，还需要研究在水库上使用太阳能电池板所产生的问题，如太阳能电池板对藻类生长的影响。这种STEM学习模式的特点是高整合度的學习内容和高整合度的教学策略，让学生参与多样化的学习和认知活动。

值得注意的是，更高的整合程度并不一定就是适合的（NationalResearchCouncil，2014）。以上几种模式（见图4）整合程度越高，教师进行教学设计和实施的复杂性越高。此外，教师需要慎重考虑学生是否有足够的知识、能力和时间来处理高整合度的STEM学习中可能遇到的认知负荷，及随之而来的学生学习动机的下降。English（2019）指出，对于研究者和教育者而言，人们常常对STEM教育和STEM整合有着不同的理解，而这些不同的理解会造成一些误读和困扰。希望上文对不同层面的整合度的分析能够帮助STEM教育工作者理解自己和他人所持的不同的观点视角。

4.科学、科技、工程和数学在STEM教育中各自发挥着什么作用？

STEM教育中的科学不仅指科学知识内容，也包含科学探究循环及其步骤。科学探究常常作为STEM教学的支架和主体。Pedaste等人（2015）认为探究的步骤应包括提问、假设、探索、实验、解释数据和交流。科学探究活动包括：由成立假设开始探究，并设计对照实验;进行探究，同时找出错误的来源和收集数据的局限性;得出与科学现象相关的研究结论，并为进一步研究提出改进和建议（So等人，2018）。STEM教育中的科学不仅能够让学生参与科学知识学习和科学探究过程，还有助于培养学生的实证、客观和理性的科学精神。

STEM教育中的科技包括计算思维的应用，还包括科技产品和流程的学习及应用。So（2018）等人提出，STEM教育中除了使用程序设计、编码和计算思维，使用仪器或科技产品进行数据收集、处理和表达同样重要。计算思维是21世纪的一种新素养，让人们透过它来实现新的思维方式、交流和表达想法（Bers，2018）。Castro（2015）建议，学生既是科技的消费者又是生产者，进行编程活动可以让学生成为积极的创造者和生产者，而不是单纯的科技消费者（Bers，2018;Eguchi，2014）。

在STEM教育中，工程设计循环和设计思维的重要角色越来越受到认可。科学探究和工程设计循环往往被视作STEM活动中的主干。Martin-Ptez等人（2019）更认为工程学的应用有助于学科整合，可以在一定程度上减少设计STEM活动的难度。Kelley与Knowles（2016）提出，工程设计过程应包括识别问题、头脑风暴、设计、制造、测试评估，以及重新设计。这些过程和实践通常是STEM的跨学科问题解决及其教学的重要成分。STEM教学中工程思维的锻炼有助于学生成为一个有经验的设计者和问题解决者。English（2019）总结了七个有经验的设计者的思维策略和特点：问题的结构化、思维的流畅性、详细的草图设计、能平衡取舍收益及损失、诊断性问题解决、受控制的设计循环和反思性的设计思维。

STEM教育中的數学不仅包括数学运算，也可包括数学建模。数学建模不仅指将现实世界的问题转化成数学问题来解决的迭代过程，还指涉及维持数学结构与它所代表的现实世界之间的关系（Czocher等人，2020）。数学建模能力有七个不同活动：制定任务、系统化、数学化、数学分析、解释结果、评估建模的有效性和交流（Czocher等人，2020）。数学建模是对现实生活中的复杂情况进行数学化、验证和概括的过程（Kertil&Gurel，2016）。

表1梳理了上文的讨论，描述了STEM跨学科学习中科学、科技、工程和数学可以扮演的角色。未来研究可以多关注学生STEM跨学科学习中各个领域的学习效果。English（2019）发现数学的学习效果在整合的STEM学习中并不如其他三个领域，且关于整合的STEM学习中，工程学领域学习效果的研究较少，所以建议未来的研究应多关注整合的STEM教育中的数学和工程的学习成果。

本文通过对STEM教育中关键概念的讨论，希望厘清STEM领域和STEM教育发展的区别和联系，解读STEM作为一个课程和教学取向的指导意义，辨析STEM有哪些程度的学习内容和策略的整合，以及梳理科学、科技、工程和数学在STEM教育中发挥的不同作用。Cheng和So（2020）指出，STEM教学中有效的整合不仅仅取决于课程和教学内容的设计，还取决于课程目标和教学法的设计、资源、学生特点和其他背景因素。未来的研究可以关注在整合的STEM教育中如何推进课程建设和培养学生的各种学习目标（English，2019），以及不同程度和模式的STEM整合为教师带来的挑战和给学生带来的收益。

（本文作者苏咏梅系香港教育大学教授;本文作者罗天系首都师范大学讲师）

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