STEAM在美國科學教育中的體現及其啟示

史柏良

STEAM是本世紀初首先興起于美國的旨在提高學生技術素養、增強國家科技競爭力的綜合教育實踐活動。起初以科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）等相關科目的英文首字拼寫命名為“STEM”，后來發展為加入藝術科（Arts）的“STEAM”。其中的“Arts”不僅指藝術，而且涵蓋范圍可以擴大至包含人文教育在內的更廣闊的領域。以科學和數學為中心，并將其與實用性技術工程相結合，實現跨越學科的整合教育。呈現出三個基本特征：一是將科學與現實世界聯系起來；二是關聯學科的整合學習；三是突出科學與工程實踐，在《美國新一代科學教育標準》（以下簡稱《新標準》）中體現得尤為明顯。《新標準》于2013年4月9日正式頒布；到2013年底，美國有一半以上的州已在實施或承諾實施該課程標準。

一、《新標準》的制定背景

1.美國的戰略人才觀

在全球貿易自由化的背景下，美國對人才的培養提出了更高的要求，認為學生應具備豐富的知識，而不是某一項專業的學科知識和能力。例如，與人溝通、協商并達成建設性成果的能力；有效解決問題的能力；自我主動管理及發展的能力；以科技為基礎的整合式思考分析和判斷的思維能力。這就意味著要開展跨學科的整合教育，培養其綜合實踐能力與創新應用能力。

2.教學內容與時間之間的矛盾

為解決這一矛盾，《新標準》提出的解決方案是：基礎教育階段科學教育課程的學習應力求通過少數“大概念”整合各學科知識，促進學生參與實踐，實現對重要原理的深入探索及概念理解的逐級發展，也就是學生所學內容是綜合了各科知識，并在其中滲透了科學本質教育。STEAM教育解決了內容和課時的矛盾。

二、《新標準》的框架體系

新一代科學教育標準首次提出了三維整合的框架體系，即科學與工程學實踐、科學核心概念和跨學科共同概念三者有效地整合，例如初中生物學相關內容的框架體系。維度1科學與工程學實踐：（1）提出問題（科學）和界定問題（工程）；（2）開發和使用模型；（3）規劃和實施調查；（4）分析和解釋數據；（5）使用數學和計算思維；（6）形成解釋（科學）和設計解決方案（工程）；（7）參與基于證據的討論；（8）獲取、評價和交流信息。維度2學科核心概念：（1）從分子到生命體：結構和功能；（2）生態系統：相互作用、能量和動力；（3）遺傳：性狀的傳遞和變異；（4）生物進化：統一性和多樣性。維度3跨學科共同概念：（1）模式（規律）；（2）因果關系：機制與解釋；（3）系統與系統模型；（4）物質與能量；（5）結構與功能；（6）尺度、比率和數量；（7）穩定與變化。

科學與工程學實踐和跨學科共同概念一方面強化了跨學科學習，增強了學生對實際復雜問題的解決，更重要的是增強了學生的實踐能力。科學核心概念始終統領這些學習活動的開展。

三、《新標準》的關鍵內容

1.科學核心概念

科學核心概念也稱大概念，是指本學科內處于重要位置的概念，《新標準》篩選出12個核心概念，其中涉及生物學科的核心概念一共有四個（見維度2），可以看出每個核心概念都是需要關聯學科整合研究的。

2.跨學科共同概念

例如，“能量”這一重要概念在物理、化學和生物學科中各有不同的內涵。如何全面系統地理解這些重要概念，需要各個學科之間的整合滲透，也需要各個學科反復強化并建立聯系。

3.科學與工程學實踐

用“科學實踐”替代“科學探究”。強調從實踐層面上理解科學的知識、方法和本質，更重要的是強調動手實踐的重要意義。工程學實踐是為解決具體的問題而進行的科學活動。

強調科學實踐和工程學實踐，可以把科學概念與科學探究和工程設計的實踐融合起來，從而通過多年的學校教育培養學生的動手實踐和創新能力。

四、對科學教育的啟示

美國作為世界上最發達的科技強國，他們科學教育中的steam教育趨勢勢必影響到世界各國的科學教育觀念，其中的一些核心理念值得我們認真學習和借鑒。

1.凸顯科學核心概念

正如《科學教育的原則和大概念》序言所述：“科學教育不應該傳授給孩子支離破碎、脫離生活的抽象理論和事實，而是應當慎重選擇一些重要的科學觀念，用恰當、生動的方法，幫助孩子們建立一個完整的對世界的理解。”要學習重要的主題，科學學習的每個階段都要指向這些主題。

2.強調跨學科的學習

跨學科共同概念不僅可以提高學生的理解能力，更重要的是可以教會學生用多學科、多維度和系統性的觀點看待核心的學習內容，從而更好地提高其科學素養。

3.強調實踐能力的培養

以“科學實踐”替代“科學探究”，目前可以起到糾偏的作用，尤其對于那些只講授科學知識，不重視科學實踐和實驗活動的教師來說，則顯得更重要和迫切。

4.適當引入工程學實踐

工程學實踐的學習要求比科學實踐要高，涉及更高層次的動手操作及設計活動，是培養學生解決現實問題能力的重要途徑，更是培養未來工程學專才的重要推手。在現有課程中引入工程學實踐對于我們來說是一件新鮮事物，可以嘗試在單元中少量引入工程學實踐，如對實驗、制作等活動進行拓展和創新設計，在保證對重要概念理解的基礎上，增加一些設計和工程方面的內容。

5.搭建學習技術的平臺

要解決重要的現實問題，需要關聯學科的整合學習，需要各學科的專業人員參與，如教師、學生、社區成員參加協作性的活動，一同尋找問題解決的方法，與專家解決問題是所處的社會情形類似。學習技術給學生提供了腳手架，幫助學生在活動的參與過程中提高興趣和能力。

以《設計橋梁》一課為例，我們已經可以展開這樣的教學：在一個數字化教室內，教師正帶著人手一機的孩子們進行橋梁承重結構的學習。教師通過數字化觸控大屏介紹各類橋梁的結構，并共同確定研究的結構類型，并推送到學生機上。教師通過教學終端了解每個學生的研究進度和研究狀況，課后學生還可以和家人一起打開上課時的作業，探討具體的研究內容。翌日課上教師通過終端了解每個學生的學習困難，進行個別指導。如果不能解決，就可以通過網絡和遠在橋梁邊的工程人員或專家進行實時溝通，掌握實時可靠信息。橋梁3D建模成功后，可以進行承重的模擬實驗，并請專家進行實時指導，弄清哪一部分結構有問題。如果確有問題，就可以在3D結構圖中模擬拆除。哪一部分結構需要改變和加強，也可以在3D結構圖中完善。在保證橋梁結構不受影響的情況下，進行美化設計，并通過3D打印完成，各小組可以進行真實的承重測試。需要加固時，可以即時在原來的3D圖中修改，并打印出來裝上去。如果其他班級學生有相同的學習內容，甚至可以通過在線視屏看到彼此的比賽成績。

可以看出這一主題學習是典型的STEAM教育。通過科學、技術、工程、數學和美術等學科共同進行的，各科從不同角度圍繞設計橋梁這一主題開展教學活動，通過真實問題、創意設計、工程實踐等學習過程，讓學生了解橋梁設計的全過程，承重測試可以喚起學生探究的興趣和愿望，真正令人興奮的是隨著打印技術的發展，這些設計能夠變為現實和改變現實。