從驗證到創造
——中小學STEM教育應用模式研究

傅 騫，劉鵬飛

(北京師范大學 教育技術學院，北京 100875)

從驗證到創造
——中小學STEM教育應用模式研究

傅 騫，劉鵬飛

(北京師范大學 教育技術學院，北京 100875)

隨著社會對人才需求的不斷提高，以培養創新型復合人才的STEM教育正逐步在全球普及推廣。該文首先描述了STEM教育的概念及發展歷史，然后根據STEM教育應用成果的不同，把STEM教育應用模式分成了驗證、探究、制造和創造四大類，每一類又可以根據應用成果達成方式的不同可以細分為支架類和開放類，并重點描述了各個模式的應用步驟及典型案例。該文進一步指出各個模式之間并非涇渭分明，教師需要圍繞目標，從學習者特點、學習環境等因素出發進行靈活選擇和綜合應用。

STEM教育；應用模式；創客教育

隨著社會對人才需求的不斷提高，以培養創新型復合人才的STEM教育正逐步在全球普及推廣，多個國家都發布了本國的STEM教育發展規劃，中國的教育部也在其發布的《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見(征求意見稿)》中明確提到“有效利用信息技術推進‘眾創空間’建設，探索STEAM教育、創客教育等新教育模式，使學習者具有較強的信息意識與創新意識”，其中的“STEAM教育”就是STEM教育擴展版——將STEM加入A(Art藝術)。 而創客教育和STEM教育有著緊密聯系， STEM教育是未來教育的重要發展方向，對于中國的傳統教育模式更有著重要的意義。

一、STEM教育的概念

STEM是科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)和數學(Mathematics)四個英文首字母的縮寫，簡言之STEM教育就是科學、技術、工程、數學的教育，但現實問題往往無法單憑STEM中的某一門學科知識來解決，必須依靠多學科的協同，因此STEM教育關于如何綜合運用STEM知識解決現實問題的能力的教育，也就是STEM素養教育。

STEM教育的目標就是提升學習者的STEM素養，但對于STEM教育的定義，學術界存在著三種理解：第一種認為STEM教育是一門后設課程，即在學習者學習STEM相關的獨立課程之外再學習一門如何綜合運用STEM知識的獨立課程；第二種認為STEM教育是一門有機整合STEM知識的獨立課程，由它代替傳統的STEM所涉及的課程，培養學習者的綜合運用各專業知識的能力[1]；第三種則將STEM教育視為一種教學策略，其核心目標是通過靈活應用探究性學習、基于項目的學習和基于設計的學習等學習方式，來培養學習者綜合利用STEM知識解決現實問題的能力。

本文的STEM教育將采用第三種觀點，從學習方式和學習目標出發來界定STEM教育可以更好地為課程教師指明STEM教育的方向。基于此定義，本文認為STEM獨立學科的學習也可以是STEM教育，其關鍵在于學習者是如何學習知識和運用知識的，如通過學習者自主的實驗設計來驗證牛頓三大定律便屬于STEM教育；利用數學知識來合理安排職工工資和社保也屬于STEM教育。STEM教育對于中國來說具有更重要的意義，中國從來不缺乏STEM所包含的各獨立學科知識的學習，但由于不注重知識的理解和應用，學習者的STEM素養并不高，這一點必須通過加強STEM教育來提升。

二、各國STEM教育的發展戰略

STEM教育理念的提出最先來源于美國，1986年美國國家科學委員會發表了《本科的科學、數學和工程教育》的報告，首次明確提出“科學、數學、工程、技術教育的集成”的綱領性建議，被視為美國STEM教育的里程碑。從國家的國際競爭力和國家安全角度出發，美國歷屆政府都注重STEM教育的投入。20世紀90年代美國國家科學基金會將科學、數學、工程和技術簡稱為SMET，2001年正式更名為STEM；2006年布什總統公布《美國競爭力計劃》，并為該計劃投資1360億美元，支持美國科技與教育的發展；2007年布什總統簽署了《給未來技術、教育和科學領域杰出成就創造機會》法案，將“加強從小學到研究生的科學、技術、工程和數學綜合教育”視為21世紀教育改革的目標；2009年奧巴馬頒布一項“競爭卓越”的全國性教育計劃，由政府撥款資助STEM教育；奧巴馬在2010年的一次演講中強調STEM教育在保持美國國家領導力與同經濟快速增長的亞洲國家成功競爭方面的重要作用。亞洲一些國家諸如中日韓等，已經在環保科技方面投入了大量的政府投資，讓這一領域在接下來幾個十年里致力于成為新的經濟增長點。奧巴馬表示，美國的國際領導力將依賴于國家如何教育我們的孩子，特別是在STEM方面。2014年奧巴馬政府簽署《2015年STEM教育預算》，繼續加大財政支持，發展美國的STEM教育，2015年12月正式頒布了STEM教育法案，從教師培訓、社會協助、校內外相結合等角度詳細規劃了STEM教育的新動向[2]。

在德國，由于語言的關系，STEM 教育通常被縮寫為 MINT(Mathematik，Informatik，Naturwissenschaft und Technik)教育。而德國政府之所以引進美國STEM教育理念，是因為在作為歐洲主要經濟體的德國出現了高質量的綜合性勞動力匱乏的現象，這是極不利于工業科技持續發展的。因此，在德國的政府報告中多次提到“需要用 MINT教育來彌補該缺陷”的觀點。德國聯邦教育與研究部在其調查報告《MINT展望——MINT事業與 推廣指南》中甚至指出“保證勞動力的數量和質量是聯邦政府活動的重心”[3]。德國將專業技術人才的創造力視為解決當前科技發展中遇到的問題、迎接未來挑戰的核心，因此中小學階段的MINT教育更關注學生在MINT職業上的興趣和發展。德國希望將MINT教育與終身教育結合起來，創造一種可持續發展的MINT教育，因此促進MINT教育鏈的發展成為其教育目標之一[4]。德國教育通過對兒童和青少年進行MINT的興趣吸引和機制激勵，讓他們不斷沿著MINT教育鏈獲得發展。德國在多個政府報告中提及MINT教育及相關領域，意圖借助政府的支持推動MINT的實施。

日本在二十世紀六七十年代實行的教育以書本知識和應試為主，后來隨著社會發展的需要，教育的重心發生變化，以促進學生的全面發展和提高學習能力為目標，在中小學推行“寬裕教育”(Yutori Education)政策，通過縮減課時、精簡知識和減少學分等措施，力圖創造寬松的學習環境來培養學生的“生存能力”，然而寬裕教育并沒有提高學生的生存能力，反而導致了學生學業的下滑，具體表現為日本學生在PISA測試中的表現不佳和TIMSS推理能力的不足。日本政府將這種后果歸結為基礎教育的薄弱，并開始關注美國的STEM教育，以尋求解決途徑。日本小學階段的STEM教育相對側重STEM研究型人才的培養，增加學生對STEM相關學科的興趣和熱情，高中階段實施STEM精英教育。不過日本至今未曾在正式的政府文件中提出STEM教育一詞，而是以一種局部的、潛在的方式實施該教育。

韓國為增強國家科技競爭力而引入了整合型人才教育的概念，從中小學時期就對學生進行STEAM素養的教育，培養中小學生的知識整合應用能力與科技創新能力，進而為提升國家競爭力奠定青少年人才基礎。2011年韓國教育部頒布《搞活整合型人才教育(STEAM)方案》，提出實施要以數學和科學為中心，實現與工程技術相結合的STEAM課程，培養適應社會的具有STEAM素養的綜合型人才，方案同時歸納了四類STEAM課程實施方案，為各中小學實施STEAM課程提供指導。韓國政府指定和扶持整合型人才教育示范學校，也是推動開展整合型人才教育的重要手段[5]。

澳大利亞從2013年起開始提高對STEM教育的重視，經歷了從某些州(如昆士蘭州)致力于實施STEM教育到在國家層面制定發展STEM教育戰略的過程。2013年澳大利亞首席科學家辦公室發布了《國家利益中的STEM戰略》，設定了2013-2025年的戰略發展目標；其中《澳大利亞提升戰略》對教育層次制定了以下具體政策：培養STEM專業教師、提高學生STEM素養、提高課程設計的科學性和合理性、加強與國家課程標準的聯系、保證人才培養模式與市場需求相適應。2014年澳大利亞首席科學家辦公室頒布了題為《STEM：澳大利亞的未來》的文件，對STEM教育和培訓做了詳細的規劃。2015年12月澳大利亞聯邦及各州和地區教育部長在“教育委員會”會議上簽署《STEM學校國家戰略2016-2026》，通過采取國家行動，改進澳大利亞學校的科學、數學和信息技術教學與學習[6]。

三、STEM教育的應用模式

STEM教育作為一種教學策略，在實際應用時，必須以解決現實中的實際問題為目標，以STEM知識的綜合運用為手段。根據具體目標的不同，本文把STEM教育分成驗證型、探究型、制造型和創造型四種不同的應用模式。驗證型STEM教育應用的目標是讓學習者通過綜合運用STEM知識驗證一個學習者已經明確的結果，其核心是學習者的驗證過程和方法而非結果；探究型STEM教育應用的目標是讓學習者通過綜合運用STEM知識去發現并解釋某些學習者未知的現象，其核心是學習者的探究過程及結果；制造型STEM教育應用的目標是讓學習者通過綜合運用STEM知識去完成一個已有形態物品的生產和改良，其核心是學習者的工程實踐能力的培養；創造型STEM教育應用的目標是讓學習者通過STEM知識的綜合運用去完成一個創新物品的設計和制造，其核心是創新的設計。

根據教師在STEM教育應用中給定的限定不同，各個模式又可以分為支架式和開放式，所謂的支架式就是由教師給定框架，包括目標和實現方式，然后由學習者在此基礎上實施，而開放式則更多地由學習者自行提出目標并自行完成任務，需要學習者更多的主觀能動性，當然，支架式和開放式之間并無明確的界限，教師在應用過程中可以根據學習者的不同、目標的不同靈活把握。另外，考慮到STEM教育應用的項目學習屬性，下面的各類應用都以小組協作的方式展開。

(一)驗證型STEM教育應用

驗證型STEM教育應用的目標是學習者完成對已知結果的驗證，例如定律或現象，但這些定律或現象并不是此類應用的重點，怎樣通過STEM知識的綜合運用來驗證這些結果并達到加深理解、領悟科學才是其關鍵，本研究總結的驗證型STEM教育應用基本步驟如下：

(1)明確問題。驗證型STEM教育應用的目標是完成對已知結果的驗證，該結果既可以由老師給定，也可以由學習者提出，同時該結果既可以是某種現象，也可以是某條定律。

(2)設計方案。設計方案的第一步是必須確定要驗證的現象，因為定律也必須通過現象來驗證，然后再根據現象設計合適的驗證方案，其核心是實現現象的可觀察或可記錄性。

(3)評估方案。考慮到方案實施的代價，實施方案必須經過師生協同評估，評估的重點包括現象和定律之間的充分性(驗證定律)和方案的可行性(包括安全、成本、作用等內容)。

(4)實施方案。在完成方案的可行性評估之后，學習者可以開始驗證計劃，本步驟的重點是現象的觀察和記錄，如果遇到無法解決的狀況一定要重新回到步驟2進行新的設計。

(5)分析數據。通過對觀察得到的數據和現象進行分析，并結合必要的現象和定律之間的充分性得出本次驗證的結果，如果無法驗證，分析可能存在的原因，并回到步驟2進行新的設計和實施。

(6)分享反思。反思本驗證方案的有效性和可改進性，并分享自己的驗證過程，總結本次驗證掌握的技能。

1.案例一

科學課探究的問題：驗證水中溶氧量會受不同因素影響而發生變化。課程設計過程如下：

(1)明確問題：學生針對自己做出的對水中溶氧量影響因素的猜想設計驗證實驗，通過控制變量的方法驗證猜想——水中溶氧量會受不同因素影響而改變；(2)設計方案：使用控制變量的實驗方法，對不同的實驗條件進行控制，配合使用測量水中溶氧量的儀器，通過小組討論，確定實驗需要開展的具體步驟及展開過程中需要注意的重要事項，另外確定個體分工，分別確定掌控實驗進度、負責操作儀器與記錄數據及實驗過程的人；(3)評估方案：小組內討論確定好實驗方案后，與教師溝通，共同評估實驗的可行性與嚴密性，教師適當進行指導與鼓勵；(4)實施方案：小組按照評估后的方案，循序開展驗證計劃；(5)分析數據：針對學生得到的一系列數據，教師引導學生結合自己的觀察記錄和測得數據進行數據分析，解答學生在實驗中的問題。有的學生可能得到與他們在學校學習課程中所學(其他條件不變，水氧含量和水溫呈反比)一致的數據，有些可能沒有。教師需要解釋“這種與我們學到的不一致情況在實驗中很常見”，鼓勵學生猜想還有哪些因素影響水氧含量(如氣壓、水壓、水深、水生植物的光合作用、水生動物的呼吸活動、水域的面積等等)；(6)分享反思：實驗小組制作海報，要求呈現研究問題、研究過程、測量數據及結論，與同學們交流分享整個研究活動并互相評價。教師做好指導和相應的點評及對活動的總結。

2.案例二

《驗證牛頓第二定律——力使物體獲得加速度》的課程設計如下：(1)明確問題：物體運動狀態的改變是因受到外力作用。通過實驗驗證牛頓第二定律——力使物體獲得加速度；(2)設計方案：根據已經學習的運用打點計時器、砝碼、小車等工具進行驗證牛頓第二定律的實驗，通過分組討論，使用智能設備與身邊容易獲得的材料設計出一個可行的實驗方案；(3)評估方案：小組通過反復推敲所涉及的實驗方案后，與教師進行交流，得到一定的實驗改進建議，并對實驗設計進行優化，使新的實驗方案可行性得到確定；(4)實施方案：小組按照評估后的方案，分配好小組內組員的分工情況并開展驗證計劃；(5)分析數據：結合實驗中使用的智能設備對實驗獲得的數據進行處理分析，把無效數據合理剔除，并對其他數據進行細致分析，最終得到科學的實驗數據分析結果；(6)分享反思：實驗小組制作海報，要求呈現研究問題、研究過程、測量數據及結論，與同學們交流分享整個研究活動并互相評價，并討論如何對實驗進行進一步的優化。教師做好指導和相應的點評及對活動的總結。

(二)探究型STEM教育應用

探究型STEM教育應用的目標是去發現并解釋學習者未知的現象，無論是探究過程還是解釋現象都將綜合運用STEM知識，從而培養學習者的科學探究精神和能力。探究型STEM教育應用的本質是探究型學習在STEM教育中的特定應用，其應用基本步驟如下：

(1)發現問題。探究型STEM教育應用需要學習者自己去尋找需要探究的問題，根據教師限定條件的多少，學習者發現的問題具有一定的指向性，但絕對不能是限定的，發現問題的能力也是STEM素養的重要組成部分。

(2)收集證據。收集證據是探究型STEM教育應用的最重要環節，根據探究問題的類型，證據收集過程可以分為三大類：一類是直接觀察類，此類過程學習者無需借助任何設備直接靠人體自身感知即可；另外一類是儀器記錄類，此類過程學習者需要借助現有的儀器或設計新的儀器來記錄數據，發現規律；最后一類則是設計交互類，此類過程學習者需要設計專門的交互方案，通過不斷的交互完成環境的準備、問題現象的觸發和對應數據的收集工作。和驗證型STEM教育應用類似，探究型STEM教育應用的收集證據過程也可以細化成設計方案、評估方案和實施方案三個階段。

(3)分析數據。對于探究型STEM教育應用而言，數據分析的過程要比驗證型復雜得多，驗證型的數據分析結果是確定的，而探究型則是未知的。數據分析可以采用結論推導的方法，也可以采用猜想驗證的方法，數據分析的成果是可以描述的現象或規律。

(4)解釋結論。考慮到證據收集和數據分析的復雜性和不確定性，學習者必須從理論的角度來解釋觀察到的現象和規律，否則極有可能得到錯誤的結論。考慮到解釋結論又可能超出學習者的能力，相互協作和教師支持是必須的。

(5)分享反思。當學習者完成了問題的發現和探究以后，學習者需要反思本探究問題的可滲入性及可遷移性，培養更好的問題發現能力；歸納整個證據收集過程和數據分析過程的方法，并考慮必要的改進；同時完成相關方法和結論的發布分享。

1.案例一[7]

美國內布拉斯加大學奧馬哈市分校信息科學技術學院開設的STEM課程——安卓加速器應用程序(Android Acceleration Application)，面向高中生開設，涉及到的學科領域包括數據分析與概率論、物理學和計算機科學。該課程的目的并不是學習如何編寫程序，而是通過編寫程序來體驗工程設計的過程，用編寫程序這種形式開發一款Android應用設備，來探究設備的加速度與力的關系。該課程單元包括兩節課和兩項活動：(1)第一節課是應用程序設計課程，學生通過MIT(麻省理工學院)研發的APP Inventor的在線平臺學習，了解如何創建Android應用程序，然后應用學到的技能創建自己的應用程序，使用該設備收集Android設備的加速度數據并且將數據存儲到數據庫中；(2)第一節課后跟隨的活動就是應用手機內部傳感器(特別是加速器)開發一款Android應用設備，學生將按照工程設計的步驟，找出問題，制定解決方案，實施解決方案，測試解決方案和重新設計，完成設計任務；(3)第二節課學生使用滑動的Android設備收集速度和時間的數據，來探究加速度，學生先根據加速設備形成假設，然后根據牛頓第二定律探究設備上的力是如何變化的，引入不同類型的加速度來探究；(4)第二節課后跟隨的活動就是使用Android設備測量加速度，利用加速度和時間的關系繪制速度時間曲線，理解加速度與施加的力的關系。

課程結束后通過測試學生對速度、加速度和力的關系來評價學生的學習水平，通過詢問學生工程設計過程是如何進行數據收集的這種問題來評價學生是否真正在課程中理解了物理與工程的融合。

2.案例二[8]

美國科羅拉多大學博爾德分校工程學院設計了一個關于空氣污染的STEM課程，涉及的學科是物理科學、地球與空間、工程技術，面向的是小學高年級學生。課程實施的過程如下：(1)學生通過調查空氣的組成、性質、大氣層和空氣在日常生活中的重要性來學習空氣質量的概念，并用糖果拼圖和餅狀圖的方式將空氣成分展示出來；(2)探究有形的或無形的空氣污染的來源和影響，通過閱讀報紙上天氣預報的版面內容、學習空氣質量指數(AQI)的概念，創建AQI信息的圖表，并且解釋氣象工程師是如何使用這些AQI數據的；(3)通過學習天氣和水循環的過程來學習污染物擴散的嚴重后果，學習諸如氣壓、濕度、飽和度、對流等氣象的基本概念，讓學生探究相對濕度對天氣的影響，了解大氣運動是如何影響污染物的移動的；(4)使用簡單模型研究溫室效應；(5)通過討論和交互式模擬探究地球臭氧空洞的成因及影響，能夠解釋工程師是如何致力于研究減少臭氧消耗的；(6)識別造成學校和家庭室內空氣污染的來源物，探索可以減少和放置空氣污染的措施，比如應用各類除塵器清理空氣污染；(7)通過建立和觀察可以治理空氣污染的簡單模型，使學生體驗工程師所設計的治理和防止空氣污染的現代工業技術。每節課最后都有評價環節，允許學生頭腦風暴，提出自己的想法和建議，課后將在課程中學到的知識用在生活中，比如去調查自己的社區是否存在污染物傳輸的現象，并將自己的觀察和想法記錄下來與師生分享。

通過該單元課程，學生達到的目標是掌握關于空氣的科學概念，理解水循環的模型，能解釋氣候和水循環與空氣污染的關系，而且強化了用工程學來解決與實際生活息息相關的空氣污染問題的認識。

(三)制造型STEM教育應用

制造型STEM教育應用的目標是讓學習者通過STEM知識的綜合運用去完成一個已有形態物品的生產和改良，其核心是學習者的工程實踐能力的培養；考慮到學習者必然經歷一個從模仿到改進的過程，本文總結的制造型STEM教育應用的基本步驟如下：

(1)情境引入。制造型STEM教育應用的目標是完成一個具有實際應用價值的物品生產，并在生產過程中培養學習者的STEM綜合能力，所以對于制造型STEM教育應用來說，情境引入有兩方面價值：一方面是理解將要完成的物品的應用價值，激發學習者的參與熱情；另一方面則是通過情境的介紹讓學習者更好地領悟物品的應用場合，激發學習者的改進熱情。

(2)設備培訓。此處所指的設備包括工具、零件和材料。制造型STEM教育應用目標的完成離不開設備的支持，為了讓學習者更好地并且更安全地使用設備，專業的培訓是必要的。但需要注意的是，這里的設備培訓并不是把所有設備的使用全部講一遍，而是只針對本次將會用到的功能做一個簡單的介紹，讓學習者在后面的模仿中深入學習，重點強調設備使用的安全規則。

(3)模仿制造。模仿制造環節的關鍵是讓學習者盡快地完成制造，感受制造帶來的快樂，所以教師在這個環節只需要描述怎么做，不需要講解其中的原理和知識要求，學習者自然地會跟著模仿，無需深入思考，從而盡快達成目標。

(4)知識講解。當學習者完成了既定制造目標后，自然就會從欣賞作品過渡到思考原理，這時候教師再開始知識點的講解會起到更好的效果，包括工作原理、加工要點、設計理念等內容。

(5)協同改進。模仿的目標是為了更好地改進，當學習者了解了自己所完成作品的工作原理和應用情境后，就有可能激發學習者的創新意愿，通過小組之間的協作對原有設計進行合理地改進，制造出更有價值的作品。

(6)分享反思。當學習者完成了改進后的作品以后，需要總結此次制造項目掌握的技能、設計思路以及改進方式，并通過與不同學習者之間的分享交流，享受制造的樂趣，提升參與制造的熱情。

1.案例一

MIT動手創新課程中有一節課：制作電報機，面向的是初中的學生，涉及的學科是物理學和工程學，通過該課程要達到的目標是了解發報機的工作原理，動手制作簡易的電報機，能用光或聲音表達，理解現代信息通訊技術的重要性。教學過程如下：(1)問題情境引入：從古至今人們是如何進行遠距離信息傳遞的？(2)制作簡易的電報機：學生根據以下步驟進行制作：把電池用膠布粘在硬紙板的一角；把按鍵開關用自攻螺絲固定在硬紙板的中央；把二極管用自攻螺絲固定在硬紙板的空位置上；最后把電池、開關、二極管全部串聯起來；(3)測試自制的電報機，了解發報機的工作原理：引導學生思考如何利用電報機進行遠距離的信息傳遞，然后學生分組討論，設計電碼，電碼可以是二進制，也可以是莫爾斯代碼，最后分三種形式進行測試：第一種是同小組的兩位同學之間背對背，一個發送電報，另一個接收電報；第二種是兩個不同的小組背對背，一個發送電報，另一個接收電報；第三種是各組按照任務單向演示臺發送電碼，將最后結果顯示在大屏幕上；通過三種形式的測試，各小組分析自己制作的電報機的優劣，并進行改進；(4)師生總結整個活動過程的各個環節的感受，學生自由提問，教師引發學生進一步思考：除了利用光之外，還可以怎樣利用其它方式進行信息傳遞？如何保證信息的有效傳播？

通過制作電報機，學生們將物理學知識和工程學思想融合在一起，在動手做中體會學習的樂趣，這極大地激發了學生進一步學習和探索的熱情。

2.案例二[9]

美國國防部資助的“明尼蘇達星戰”項目是一個旨在培養學生的科學、數學和技術興趣的非盈利教育項目，該項目的主要活動是讓學生以工程師的身份參與，為探索火星的模擬任務設計和建造模型火箭。隨著3D打印技術的興起，該項目引入了3D打印機。使用3D打印技術進行教學的過程如下：首先向學生傳授火箭的基礎知識，之后學會應用CAD設計軟件設計火箭模型，然后應用3D打印技術將設計的火箭模型的組件制作出來，以測試不同的火箭設計。之后學生會測試火箭部件并且收集火箭的落地位置以及在谷歌地圖上的位置定位等相關數據，然后分析結果，與項目負責工程師討論組件的設計是如何影響其飛行路徑的。

在這一項目課程中，3D打印技術發揮著制作飛機模型組件以及建構學習火箭設計知識的探究情境方面發揮了重要作用，具體表現為：首先，3D打印技術提供了模型組塊快速生成的能力，使原來只能在電腦中存在的設計方案可以通過3D打印機制作出來，這種將理念模型實體化的技術，實現了學生的設計方案，為后續火箭的測試和試飛提供了技術支持；其次，使用3D技術進行教學，塑造了一種真實的問題情境，通過火箭模型的制造成型和測試、試飛，學生們會真切體會到自己的設計與成果建立的真實聯系，這會極大程度地增強學生日后學習的熱情和進行工程設計的興趣。研究發現，3D打印技術在該項目的應用得到師生的一致認可，對該項目的順利進展發揮了積極地推動作用。

3.案例三[10]

美國科羅拉多大學波德分校工程學院整合教學項目中設計的STEM課程——聲音，面向三至五年級的學生設計，涉及的學科領域是物理科學、科學與技術，其目標是讓學生掌握聲音的物理學知識，并能應用工程設計理念和所學知識完成一系列制作活動，培養學生“學以致用”的能力。課程設計如下：(1)向學生展示聲波裝置，以直觀式教學，讓學生認識聲波，了解音頻工作者的工作及其工作環境，通過學習能夠將音頻師的工作同電影和音樂聯系起來，能夠解釋音頻工程師是如何使用聲音的科學知識操縱聲音的；理解聲波是如何傳播和變化的，特別是當聲音穿過不同介質時會發生哪些現象，以及如何根據環境控制聲音的增強和減弱，然后通過問題討論(為什么聲音可以以自己的方式從收音機或MP3播放器中傳出呢？)評價是否掌握了這些知識；(2)在第一個實踐活動中學生們需要分析聲音特性的材料，建模麥克風的位置使其產生一個特定的音樂形象；(3)將學生帶入一個聲音傳播的演示情境中，利用一個由金屬瓶身和PVC桿構成的簡易傳聲裝置認識聲波，觀察聲音在緊繃的桿上產生波動，理解聲波是能量的脈沖，可以在空氣、固體、液體等介質中傳播，聲波具有能量，通過貝爾發明電話的故事強化學生探索聲音科學世界的熱情；(4)在第二個實踐活動中建模和分析一個簡易電話，所需材料是紙杯、圖釘、尼龍繩等，首先學生需要分析聲音是如何通過連接繩子的紙杯進行傳播的，然后他們講紙杯和尼龍繩連起來制成一個簡易電話，最后，他們改變繩子的距離，重新設計簡易電話。通過制作簡易電話，使學生認識遠程通訊使世界聯系更緊密的重要性；(5)向學生介紹聲音環境是如何影響房屋建筑的設計的，通過幾個實例讓學生學習聲學工程的設計，并讓學生使用不同的材料、厚厚的窗簾、吸音板等，來制造一個聲音環境良好的房屋。

將學生常見的生活現象——聲音，與學生不甚了解的音頻師的工作聯系起來，會充分吸引學生的興趣，通過制作簡易電話和具有良好聲音效果的房屋了解聲音工程對人類生活的重要性，讓學生體驗小中見大的科學樂趣。將物理學科與工程學科相結合，讓學生們成為小小工程的制作者。

(四)創造型STEM教育應用

創造型STEM教育應用的目標是讓學習者通過STEM知識的綜合運用去完成一個創新物品的設計和制造，其核心是創新性的實現，是基于設計的學習在STEM教育中的特定應用。當然，在實際的應用中，創新物品的方向是有指向性的，否則，學習者會出現因選擇太多，無從入手的情況。從基于設計的學習模式出發，創造型STEM教育應用基本步驟如下：

(1)情境引入。創造型STEM教育應用的目標是完成一個創新物品的設計和制造，雖然非物化作品的設計也在創新這列，但考慮到成果驗證的方便性，STEM教育中的創新以物化成果為主。創新來自于生活中的問題，所以教師需要引入極具吸引力的情境激發學習者從中尋找需求并明確創造方向。

(2)創新引導。當學習者有了明確的目標以后，教師需要從兩方面對學習者的創新進行引導，一方面是創新的方向，教師需要根據學習者確定的創新物化目標提供可行的創新方向和思路的指導，具體的創造行為由學習者完成；另一方面則是創新的可行性，教師需要對學習者的創新目標進行可行性分析，防止學習者設定一個在當前條件下無法實現的創新目標。

(3)協同設計。當學習者有了切實可行的創造目標以后，就可以采用小組協作的方式，讓每個成員從自己的專業背景出發，完成作品的結構、機械、電子、傳動、外觀、動力、人機交互等方面的設計，并進行必要的評估，設計—評估—再設計是一個迭代過程，直到得到一個大家都認可的設計方案為止。

(4)制造驗證。有了詳細的設計方案以后，學習者就可以開始進行作品的實際制造過程，考慮到設計和制造之間的差異性，一旦在制造過程中出現無法解決的問題，學習者必須回到步驟3進行設計的修改。

(5)應用改進。當完成了創新作品的制造以后，學生就可以把它放到現實的環境中進行有效性的驗證，包括自身功能和用戶體驗兩方面，并形成改進意見，必要時重新回到步驟3開始新一輪的設計過程。

(6)分享反思。當學習者完成了自己認可的創新作品以后，教師需要鼓勵學習者進行必要的產品文稿設計和展示包裝，并進行充分地作品分享，通過分享讓學習者喜歡上創新，同時通過分享中的觀眾交互，反思作品的進一步改進。

1.案例一[11]

澳大利亞昆士蘭科技大學教育學院Lyn D English和Donna T King對工程設計中的STEM學習做了一個縱向研究，選取昆士蘭2所私立小學和3所州立小學，對四年級的學生實施培養學生航空航天領域問題解決能力的STEM課程，為老師提供詳細的課程手冊，包括額外的網絡資源，為學生提供工作手冊，讓學生獨立完成任務。課程是從三個水平進行的：第一個階段是學習航空航天工程和航空動力學的知識，包括認識飛機的結構、學習流體力學原理、探究影響飛機飛行的影響因素；第二個階段是選擇合適的制作材料，使用恰當的測量方法和材料折疊的方法，使用工程設計軟件，繪制2D飛機圖紙或者設計一個3D飛機模型(注：根據學生個人能力和學習水平，可以設計不同復雜程度的作品)，該階段遇到的問題比較多樣，包括飛機材料、形狀、尺寸的確定，飛行性能的好壞等，需要學生綜合運用數學、物理和工程的知識和技能解決問題，然后對初步設計的飛機進行測試，與教師、同學交流想法和改進意見，從而改進設計；第三個階段是對初步設計進行優化，再測試，直到產出滿意的作品，最后給出飛機的設計過程的書面說明和詳細的計算過程。

研究結果顯示，通過一系列STEM課程的學習，學生可以完成初步的設計，并進行較為復雜的再設計飛機模型，而且學生在第二階段和第三階段頻繁地使用了數學思維和工程思維，能夠將相關的數學知識和科學知識應用到航空工程設計中來，為飛機的飛行提出可行性的建議。

2.案例二[12]

EiE(Engineering is Elementary)項目是波士頓科學博物館創辦的項目，其目的是培養孩子們的工程和技術素養，EiE課程實現了工程、技術和科學的充分融合，是典型的STEM教育。現以《一個驚人的想法：報警電路的設計》的EiE單元課程為例進行分析。

該課程單元涉及的學科領域包括物理學和工程學，面向的是3-5年級的學生，課程設計如下：該單元共有5節課，在準備課中認識什么是技術和工程師(不算在正式課程中)。第一節課，情境導入，讓學生閱讀關于Emily報警器的故事，引起學生的好奇心和進一步探索的興趣，使學生初步了解工程設計的內容；第二節課，學習電的基本知識，主要是理解和掌握導體、絕緣體、電壓、電流等科學概念，認識常見的電力技術，認識電能作為一種人類生活廣泛使用的能源對人類社會的重要應用；第三節課，結合前面學的基本電學知識，進一步學習電路，先是認識電路的構成，其次學習畫簡單的電路圖，然后學習不同結構的電路圖的工作原理，最后構建一個電路原理圖；第四節課，設計一個報警電路系統，運用工程設計過程設計報警系統，畫出滿足要求的電路圖，并闡明該電路的工作原理，然后在初步設計的基礎上與教師和同學討論和提問，設想不同的解決方案，進而完善第一階段的報警電路系統設計；第五節課是能力提升課，利用“設計報警系統”這一主題將前四節課所學的內容貫穿起來，綜合之前所學的物理學知識和工程設計理念，進行報警系統的工程設計，全方位檢驗了學生的學習效果。縱觀這一課程單元，前四節課屬于基礎課，逐步向學生傳遞知識信息和訓練基本技能。

EiE課程的特點是持續時間比較短，適合低齡的學生學習，通過提供教學支架或加入較短的活動來充實課程內容。每個單元由多節課組成，每節課之間彼此相連，課堂上提供學生頭腦風暴的機會，訓練學生的思維能力，而且重視課堂管理和使用教學策略，幫助學生掌握優化變量、解釋數據等技能[13]。

3.案例三[14]

世界在運動項目課程依托美國國家標準，通過設計與學齡學生相適應的教學活動，將科學、技術、工程和數學帶入生活。該項目面向的是K-8階段的學生。AWIM項目挑戰賽，由幾個不同的活動組成，項目提供課程主題、簡單的課程計劃、教師手冊、故事書和配套工具。AWIM項目的設計主要包括以下幾個階段：確定挑戰目標、建構知識、設計任務、建造和測試、再設計、呈現作品。具體而言，確定挑戰目標是在給定的虛擬情境中確定待解決的問題或任務；建構知識是學生建構解決問題所需要的知識和技能；設計是學生通過小組合作設計他們自己的玩具以滿足情境提出的要求；建造和測試是學生團隊建造作品，并測試他們的設計是否符合要求；再設計是根據測試結果和師生交流的意見對初期設計的作品進行修改完善，呈現是將最終設計的成果展示給大家。

下面以《油回收船的設計》為例進行分析。油回收船挑戰將教師、學生及行業志愿者聚集起來共同在物理科學中探索，挑戰過程還將應用到數學和科學的概念和技能。第一課，學生被引入一個挑戰的情境，收到一個虛構的玩具公司向他們發出的挑戰——設計油回收船，然后他們將看到一個分離器原型；第二課學生加入設計團隊，通過三步打造一個分離器。首先，他們使用分離器赫爾模型和指令建造船體，然后使用回形針支撐船體起航，最后在分離器上安裝桅桿；第三節課設計油回收船的外觀，需要確定形狀和面積；第四節課分享初步設計成果；第五節課對設計好的分離器進行測試；第六節課測試油回收船；第七節課學生就測試的結果分析討論，制作反映結果的圖表；第八節課重新設計油回收船，滿足分離器和帆的性能要求。學生在完成任務挑戰的過程中，就不斷強化了運用工程的方法解決實際問題的能力。

四、結束語

STEM素養對于一個國家的國際競爭力、經濟發展水平以及國民素質都有著重要的意義，這一切都需要靠STEM教育的正確開展來完成，所以說STEM教育具有及其廣泛的應用前景。本文從不同STEM教育應用學習成果把STEM教育應用分成了驗證型、探索型、制造型和創造型，但這樣的分類并不是絕對的，它只考慮了學習者的最終成果。若從中間過程考慮，驗證、探究、制造和創造是有可能交替出現的，所以教師在使用時需要教師需要圍繞目標，從學習者特點、學習環境等因素出發進行靈活選擇和綜合應用,使STEM教育的效果達到最好。

[1] Morrison, J. & Bartlett, R. STEM as a curriculum: An experiential approach[EB/OL].http://www,mheonline,com/assets/pdf/STEM/articles/stem_as_curriculum,Pdf，2009-03-04.

[2] STEM EDUCATION ACT OF 2015[DB/OL]. https://www.congress.gov/bill/114th-congress/house-bill/1020/tex,2015-10-07.

[3] 楊亞平.美國、德國與日本中小學STEM教育比較研究[J].外國中小學教育,2015,(8):23-30.

[4] W.Bertelsmann Verlag. Hauke Sturm Design, Perspektive MINT—Wegweiser fur MINT-Forderung und Karrieren in Mathematik,Informatik, Naturwissenschaften und Technik.Bundesministerium fur Bildung und Forschung[M].Berlin: Bundesministerium Fur Bildung Und Forschung,2012.

[5] 李協京.整合培養科技創新力[EB/OL]. http://www.ezhijiao.net/newmodel.asp?newsid=24493&t=221,2015-06-03.

[6] 張玉嫻. 追求公平和卓越—新世紀以來澳大利亞基礎教育改革研究[D].上海:華東師范大學,2015.

[7] Scott Burns, Brian Sandal. Curricular Unit: Android Acceleration Application[DB/OL]. https://www.teachengineering.org/view_curricularunit.php?url=collection/uno_/curricular_units/uno_accelerometer/uno_accelerometer_unit.xml,2016-02-19.

[8] Regents of the University of Colorado，Curricular Unit: Air Pollution[DB/OL].https://www.teachengineering.org/view_curricularunit.php?url=collection/cub_/curricular_units/cub_air/cub_air_curricularunit.xml,2016-02-29.

[9] 李青,王青. 3D打印:一種新興的學習技術[DB/OL]. http://www.doc88.com/p-1436193127708.html,2016-02-29.

[10] Regents of the University of Colorado, Curricular Unit: Sound[DB/OL].https://www.teachengineering.org/view_curricularunit.php?url=collection/cub_/curricular_units/cub_sound/cub_sound_curricularunit.xml,2016-02-19.

[11] Lyn D English, Donna T King. STEM learning through engineering design: fourth-grade students’ investigations in aerospace[DB/OL].http://www.doc88.com/p-7018943203601.html,2016-02-19.

[12] EiE. An Alarming Idea: Designing Alarm Circuits [DB/OL].http://www.eie.org/eie-curriculum/curriculum-units/alarming-ideadesigning-alarm-circuits,2016-02-19.

[13] 王玲玲. 基于STEM的小學科學課程設計研究[D].上海:華東師范大學,2015.

[14] SAE International, A World in Motion: skimmer challenge[DB/OL].http://awim.sae.org/curriculum/skimmer/,2016-02-19.

責任編輯：宋靈青

From Verification to Creation—A Research on STEM Education Performance Models in Middle and Primary Schools

Fu Qian, Liu Pengfei
(School of Educational Technology, Beijing Normal University, Beijing 100875)

With the social requirement of talents is on the rise, STEM Education aiming at cultivating creative inter-disciplinary talents has popularized all around the world. This paper firstly describe concept and historical development of STEM Education,then classifies the STEM Education’s performance models based on the different outcomes into four parts: verification, exploration,fabrication and creation. Every model can be implemented with scaffolding or open-ended, the procedures and typical cases will be prominently figured in the paper. Furthermore, the distinction among these models is not clear-cut, so teachers should choose feasibly and apply comprehensively in the consideration of program objectives, learners’ features, learning environment and other factors.

STEM Education; Performance Model; Maker Education

G434

：A

1006—9860(2016)04—0071—08

傅騫：副教授，博士，碩士生導師，研究方向為信息技術教育應用(fredqian@bnu.edu.cn)。

劉鵬飛：在讀碩士，研究方向為數字化科普。

2016年3月1日