中國理工科STEM教育發展探究*

董宏建 白 敏

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中國理工科STEM教育發展探究*

董宏建 白 敏

（北京理工大學遠程教育學院，北京 100081）

隨著信息時代的到來，STEM（Science, Technology, Engineering, Maths）教育成為了技術創新的理論基礎和實踐手段。但就現階段而言，我國理工科STEM教育存在諸多問題。鑒于此，文章指出STEM教育具有跨學科性、實踐性和情境性等特點，分析了STEM教育的國內外發展現狀，提出了適合中國理工科STEM教育的發展取向：設計基于認知學習理論的“項目等級學習塔”；借鑒相關課程融合模式和廣域課程融合模式，逐漸完善理工科STEM教育融合課程體系；加強技術在STEM教育中的作用。

理工科教育；STEM；融合課程；PBL

所謂STEM，是Science（科學）、Technology（技術）、Engineering（工程）、Maths（數學）四個單詞的縮寫。STEM教育是一種跨學科的學習方法，它將學術概念與現實世界的經驗教訓結合起來，使學生綜合運用科學、技術、工程和數學知識，建立起學校、社區以及全球企業之間的聯系，從而有利于學習者發展STEM素養并有能力在新經濟中保持強大的競爭力[1]。

一 STEM教育的特點

STEM教育是一種新的教學理念，它不是簡單地將科學、技術、工程、數學這四大學科的內容進行排列組合或重新疊加，而是突破這四大學科之間的壁壘，通過跨學科的方式來綜合運用這四大學科的相關知識，以使學習者通過實踐解決真實情境中存在的問題，從而達到培養創新能力與實踐能力的目的。因此，STEM教育具有跨學科性、實踐性和情境性等特點。

1 跨學科性

STEM教育的跨學科性主要體現在兩個方面：一是在課程設計上可以運用相關課程融合模式和廣域課程融合模式，從橫向或縱向維度來增強科學、技術、工程、數學之間的學科聯系；二是可以通過基于項目的學習（Project-based Learning，PBL），建立起實際生活與科學、技術、工程、數學之間的聯系，并通過實踐來體現STEM的跨學科教育理念。

2 實踐性

STEM教育強調以學習者為中心，重視對學習者動手、動腦等實踐能力的培養。此外，STEM教育的實踐性還體現在具體的課程實施中，一方面有效的課程組織和精良的硬件設施促進了關注點從知識向實踐的轉變，如一些學校己經開始將微觀裝配實驗室（Fab Lab）整合到具體的課程中；另一方面課程強調以活動為基礎、基于問題解決的學習、同時獲得實踐的課堂體驗[2]。

3 情境性

STEM教育的情境性主要體現在學習者將抽象的書本知識與現實生活情境相結合，通過與真實情境中的問題進行互動，實現知識的遷移。學習者通過對情境性問題的解決，得以體驗真實的生活，與此同時獲得社會性的成長。

二 STEM教育國內外研究綜述

1 國外STEM教育研究現狀

1957年，蘇聯人造衛星上天，使美國陷入極大的恐慌之中，并由此深切意識到科技的重要性。1958年，美國成立了國家航空和宇宙航行局（NASA）。通過太空計劃的快速增長和成功，美國獲得工程學位的人數迅速居于世界之首。隨后，美國相繼出臺了各種研究報告、法案和議案，來推動科學、技術、工程、數學等學科教育的發展。到20世紀90年代，美國國家科學基金會第一次使用STEM概念，來描述涉及一至多門STEM學科的事件、政策、項目或實踐[3]。STEM教育強調科學、技術、工程和數學等四大學科的綜合應用，因此實現了從分科到跨學科的飛躍。與此同時，為了更好地實現STEM教育的跨學科整合，美國聯邦政府建立并支持了眾多的STEM項目，以提高學生的學習能力、滿足知識經濟快速發展的需求。

近幾年來，美國相關STEM教育的文獻研究比較具體，多從實際問題出發，大致分為四個方面：①對STEM教學模式的研究。當前美國主要采用PBL模式，通過為學生創造任務與實踐環境提高STEM教學水平，學生通過這種實踐項目不僅僅對STEM學科知識產生興趣，更重要的是學會運用STEM技能解決生活中的實際問題[4]。②對STEM教育課程的研究。近幾年，國外相關STEM教育課程的研究逐漸增多，研究趨勢是逐漸增加STEM綜合課程，以使學習者能夠更好地運用科學、技術、工程、數學等學科知識解決真實情境中存在的問題[5][6]。③對STEM教育中教師專業發展的研究。在影響學習者學習的眾多因素中，教師的相關特征被認為是最重要的因素之一，而相關學者也證實了STEM教師對STEM教育的態度、增強STEM教師職前培訓等在STEM教育中發揮了至關重要的作用[7][8]。④對STEM教育中學習者成長特征的研究。如Kier等[9]指出，學習者對STEM的學習興趣越高，其學習效果越顯著；Izzo等[10]認為，通過多樣的知識呈現和表達可提高特殊群體對STEM知識的可接受程度；Wilson等[11]認為，學生的歸屬感越強，他們對STEM學習的參與度就會越高；Tuijl等[12]則認為，年輕人的學習選擇和職業決策源于童年。

2 國內STEM教育研究現狀

通過解讀中國STEM教育的相關文獻，可以發現：中國對STEM教育的研究大多比較宏觀，而缺少實證研究。本研究將國內有關STEM教育的研究大體分為四個方面：

①對STEM教育政策的解讀。如馮羽[13]認為政府應為STEM教育提供更多的資源，鼓勵新一代學生開展實踐與創新。②對STEM課程設計和學科整合的研究。STEM教育的研究文獻提出了很多實用的理念，但具體的實踐研究成果并不豐富，大多強調從活動或者項目的角度來加強各學科之間的融合[14]。③對STEM教師的研究。我國對STEM教師的研究還停留在概念和討論階段，缺少深層次的研究成果。多數學者認為首先要扭轉STEM教師的定式教學思維[15]，然后掌握必要的STEM學科知識[16]，并學會引導學生進行科學實踐或科學探究[17]；④對STEM學習興趣的研究。學生對STEM學科的興趣是影響STEM學習的重要因素。唐思晴[18]通過調查問卷研究，指出學習者對STEM學習產生興趣的時間段大多集中在中小學，而影響學習者對STEM學習興趣的因素主要包括教師、家長、書本、課程和實踐活動等。

基于上述有關國內外STEM教育發展現狀的分析，本研究力求取長補短，一方面吸收國外有關STEM教育的文獻研究成果，另一方面致力于推動國內理工科STEM教育的本土化，逐漸明確國內理工科STEM教育的發展趨勢，并提出相應的發展策略。

三 中國理工科STEM教育的發展取向

1 基于STEM的“項目等級塔”設計

在STEM教育中，PBL是一種常用的教學模式，它主要圍繞項目進行跨學科的綜合運用，涉及學生的設計能力、調查能力、分析能力、決策能力等，旨在讓學生有機會在相對長的時間內開展相對自主的工作，并最終做出現實的產品或演示。在這一過程中，學生需運用科學、技術、工程和數學等知識，以實現STEM教育的有效融合。由于每個項目不盡相同，因此為了讓學習者更好地進行PBL，本研究受“戴爾經驗之塔”理論的啟發，結合社會認知理論，設計了基于STEM的“項目等級塔”，以逐步增強學生綜合運用科學、技術、工程和數學等知識的能力。

“項目等級塔”將項目分為三個等級，其中第一等級位于塔的最底層，這一層的項目設計屬于單科項目設計，即只需運用STEM四科中的某一學科進行設計。學習者在進行項目設計時，一般是從第一等級開始，然后逐漸上升到運用STEM四科中兩科及兩科以上多科項目設計的、位于中間層的第二等級，最后上升到進行跨科項目設計的、位于最頂層的第三等級。第三等級的跨科項目設計不僅需要具備扎實的單科知識，而且需要對STEM教育各科知識進行綜合應用，故難度最大。在進行每一等級的項目設計時，都應遵循相應的項目等級標準，如表1所示。

表1 項目等級標準及異同

在進行第一、第二等級的項目設計時，由于只是對STEM單科知識的應用，因此項目的設計相對簡單；學習者通過單科或多科STEM項目的設計，主要獲得學術方面的能力，如對STEM的學習興趣、研究興趣、學科知識/概念的理解能力等。在這兩個階段，教師的主導作用相對突出，控制著項目的時間、發展動向和知識點的應用等；而學生則處于“半”主體地位，主動性并沒有得到凸顯。

第三等級的項目設計是對STEM各科知識的綜合應用，故相對來說比較復雜。完成這個階段的項目設計后，學習者的21世紀能力將會通過以下三個方面得到成長：①完成項目的成就感會增強學習者的自信心；②此階段的項目設計需要與同伴、與教師共同協作，故在設計過程中學習者的協作能力、溝通能力和批判性思維能力都將得到鍛煉并得以提升；③由于此階段的項目與真實生活情境更為貼近，因此學習者的生活和職業技能都會增強。在這個階段，學習者的“全”主體地位得以彰顯；教師則退居幕后，成為學習者的合作伙伴，起輔導作用。

從第一等級到第二等級再到第三等級，學習者的項目設計經歷了一個先“易”后“難”的過程，對學習者相關能力的要求也越來越高。與此同時，教師與學習者的角色、學習者能力的獲得都在不斷發生變化，如圖1所示。

圖1 基于STEM的項目等級塔

圖2 STEM教育相關課程融合模式

圖3 STEM教育廣域課程融合模式

2 理工科STEM教育融合課程體系

STEM教育的跨科理念在教育課程改革中風靡已久，但取得的教育效果并不顯著。究其原因，在于STEM教育的課程設計缺少具體方法和實施步驟。因此，基于社會認知理論，如何將科學、技術、工程和數學等四大學科進行有效的融合，便成為了STEM教育課程改革的關鍵問題。為解決這個問題，本研究借鑒美國馬里蘭州州立大學Herschbach[19]提出的兩種課程模式——相關課程融合模式和廣域課程融合模式，同時結合我國理工科STEM教育的課程現狀，在進行STEM課程設計時注重將科學、技術、工程和數學等四大學科知識按問題邏輯或項目邏輯進行跨學科重組，逐漸完善理工科STEM教育融合課程體系。

（1）基于STEM的相關課程融合模式

相關課程融合模式是指把STEM中的科學、技術、工程和數學等四大學科分別看作是單獨的學科，在學習過程中獨立運用以實現學科連接，但各科教學內容的安排也注重彼此間的聯系，其四大學科之間的關系如圖2所示。如針對“石墨烯電池”這一主題，學習者在科學學科中，學習其各種特性（如石墨烯是目前世界上最薄、最堅硬的納米材料等）；在技術學科中，學習如何運用科學技術來革新現有的電池產業（如加上本身二維晶體的結構優勢制造成電池，它的充電速度將是普通電池的1000倍）；在工程學科中，學習如何利用工業設計技術、機械工程技術等來制造石墨烯電池；在數學學科中，則學習在實際場景中計算石墨烯電池的尺寸、電池容量、充放電速度等。也就是說，相關課程融合模式是針對同一個主題，將其分割科學、技術、工程和數學等四個不同的模塊單獨進行學習、討論。

（2）基于STEM的廣域課程融合模式

廣域課程融合模式不再強調單獨學科的學習，而是針對活動把STEM作為一項綜合技能，學習者需綜合利用科學、技術、工程和數學等知識來解決問題，其四大學科之間的關系如圖3所示。如針對“外骨骼機器人的制作”這一活動，在科學層面需要采用具有不同物理、化學性質的材料，在技術層面需要掌握查閱外文文獻、使用工控機、單片機等技能，在工程層面需要采用不同的機械加工方法、設計不同的機械結構，在數學層面則需要計算外骨骼機器人的大小尺寸、校核強度等——只有綜合運用四大學科的知識，才能保障活動更好地進行。

3 加強技術在STEM教育中的應用

技術在教育中尤其是在科學、技術、工程和數學的教育中扮演著重要的角色，而這種角色主要通過兩種方式來實現[20]：①與科學、工程和數學整合在一起。也就是說，技術本身作為一種學科領域而存在。在此方式中，技術通過嵌入到科學、工程和數學活動中來發揮重要作用。學習者可以利用技術以創造性和挑戰性的方式去解決問題，以使人類的生活更高效、更豐富。②將技術作為一種工具或推力去豐富STEM教育。換言之，技術支持教與學的過程，而這種以教育為目的所使用的技術，可稱為“教育技術”。在教學中使用的數字資源和社交媒體（如維基、博客、論壇等）以及課堂上使用的電腦、投影儀和放映機等，都屬此列。

基于上述技術在STEM教育中的角色定位，我們應當深刻意識到它的重要性。因此，有必要進一步加強技術在STEM教育中的應用，從而促進STEM教育的快速發展。

四 總結與展望

STEM教育雖然在我國理工科教育中實施的時間較短、存在一些問題，但STEM教育的跨學科性、實踐性和情境性等特點，使得STEM教育在全球化、多元化的今天終將發揮其強大的優勢。本研究分析了國內外STEM教育的現狀，設計了基于STEM的“項目等級塔”，通過三個等級先“易”后“難”的過程，實現了教師與學習者角色的轉變，并提升了學習者各方面的能力。并且，還借鑒了相關課程融合模式和廣域課程融合模式，逐漸完善了理工科STEM教育融合課程體系，試圖解答STEM教育中科學、技術、工程和數學等四大學科有效融合的問題。最后，還強調要加強技術在STEM教育中的應用，以期能夠更好地推動我國理工科STEM教育的快速發展。

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編輯：小米

Exploration into the STEM Education Development of Science and Engineering in China

DONG Hong-jian BAI Min

With the advent of the information age, STEM (Science, Technology, Engineering, Maths) education has become the theoretical basis and practical means of technological innovation. However, in regard to present stage, the STEM education of science and engineering in China still has many problems. Based on this, the article pointed out that STEM education had the characteristics of interdisciplinary, practice, situationality and analyzed its domestic and international development situation. At the same time, the development orientation of STEM education in Chinese science and engineering that a “project level learning tower” was designed based on cognitive learning theory, the science and engineering STEM education curriculum system was gradually perfected by learning from the integration modes of the relevant course curriculum and WAN curriculum, and the role of technology in STEM education was strengthened.

science and engineering education; STEM; integration course; PBL

G40-057

A

1009—8097（2016）07—0012—06

10.3969/j.issn.1009-8097.2016.07.002

本文為教育部人文社會科學研究青年基金項目“網絡課程中協作學習環境的新探索——通用協作學習活動庫的設計應用”（項目編號：12YJC880015）的階段性研究成果。

董宏建，副教授，博士，研究方向為教育信息化和課程設計，郵箱為dhj@bit.edu.cn。

2016年3月8日