STEM教育：基于真實問題情景的跨學科式教育

秦瑾若　傅鋼善

摘要：STEM教育是當今知識經濟時代下全新的教育范式，以培養具有善于質疑、勇于實踐和敢于創新的學習品質，以及具有跨學科知識素養和解決真實問題能力的人才為根本目標，已經成為了各國教育領域的重要發展戰略。該文首先從傳統分科式教學的弊端、知識經濟時代對創新性人才的需求和第四次工業革命帶來的發展機遇三個方面理清了提倡STEM教育的理據，之后對STEM教育的基本內涵、起源發展和價值取向進行了詳細的闡述，最后根據STEM教育的內涵、價值取向和教學理念，探討了STEM教育在實際教學當中的應用模式。

關鍵詞：STEM教育；學習品質；跨學科知識；真實問題

STEM教育是對教育方式的一種質性描述，實施跨學科融合式教育，重在培養創新型和復合型人才。隨著社會各行各業對人才整體質量要求的不斷提高，STEM教育已經成為了全球各地教育專家和學者們關注的熱點話題，《2015年地平線報告》（基礎教育版）指出，未來的1-2年內STEAM教育將會成為驅動學校教育技術應用的關鍵因素，并在全球范圍興起與推廣，其中的STEAM教育即是在STEM教育中加入“A（Art）（中文名：藝術）”元素，本質與STEM教育相同。作為培養具有全面科學素養和創新探究能力人才的教育新形態，STEM教育將會是21世紀中教育事業成功的關鍵，已經成為各國教育領域的重要發展戰略。

一、提倡STEM教育的理據

（一）傳統分科式教學的弊端

傳統教育把課程按具體學科劃分，不可否認，這種分科式的教學方式有利于知識組織的條理化、邏輯化和系統化，便于學生吸收掌握。然而，高度分化的課程體系導致了學科之間的彼此孤立，相互分離，缺乏相互協調與橫向聯系，不僅不利于對知識體系從部分到整體的理解和把握，更是割裂了教育和真實世界的有機聯系。因為知識源于生活，學生的實際生活是—個完整的體驗，不是劃分為多個學科的，其認知方式具有整體性的特點。而且，真實生活中的問題具有復雜性和多樣性的特點，蘊含多種類型的信息，往往不能通過一門學科知識解決。所以，這種分科式教學一方面會導致學生所學知識不能應用于實際問題當中，造成“知識無用論”的現象；另一方面，整體教學還是停留在學生被動接受學習的層次上，側重知識的復制和積累，不能培養學生的探究能力和創新意識，體驗不到學習的真正樂趣。

（二）知識經濟時代對創新性人才的需求

人類已經踏人知識經濟時代，這是一個以知識創造為核心特征的高度信息化時代。在新時代背景下，知識和信息化靜為動，分布式地蘊含于動態的社會情境中，其表現形式不斷變化，內涵不斷豐富，獲取與傳遞方式越來越廣泛，總體呈現出動態性、復雜性、多樣性和共享性的特點。這種轉型與變革趨勢一方面促進了對知識與技能的深層次理解和掌握，另一方面也加快了知識更新和淘汰的進程。知識不再只是對客觀世界簡單靜態的表征，而是主體與客體之間互相動態作用與影響的結果。在知識經濟時代下，創新性人才的培養成為核心目標和最終歸宿。學習不再是教師灌輸、學生被動接受的過程，而是學生主動建構和實踐探索的有意義活動。傳統的接受性學習已經不能滿足當今時代的要求，學生要有熱愛探究、敢于探究的意識和精神，能夠運用所學知識解決真實生活中的復雜問題。

（三）第四次工業革命帶來的發展機遇

在經歷了分別以水蒸氣、電氣和電子信息為標志的前三次工業革命后，人類社會已經迎來了第四次工業革命。這是一個以信息物理融合系統（GPS）為基礎，以智能制造為主導，以實現生產方式信息化和智能化為目標的重大革命。2016年1月，在瑞士召開的世界經濟論壇把主題定為了“掌握第四次工業革命”，探討了第四次工業革命的趨勢與實現路徑。與之前的工業革命相比，第四次工業革命的發展突破了線性的遞增模式，實現了呈指數級的飛速增長。隨著這次工業革命的到來，催生出了以人工智能、云計算、物聯網、移動互聯網、機器人、3D打印、5G通信、納米技術、無人駕駛汽車等先進的科技，并通過將各個技術有效融合，逐漸消除虛擬世界和現實世界的屏障。第四次工業革命改變了社會結構以及人類的生產生活方式，給社會各行各業帶來了空前的發展機遇，整體的信息化和智能化水平不斷提高，教育行業作為其中的重要一員，應該抓住時機，利用先進科技，使教學方式、學習方式和教學理念朝著個性化、生成化、智能化和融合化的方向發展，促進信息技術與教育的深度融合。

二、STEM教育概述

（一）STEM教育的基本內涵

STEM教育即科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）教育的簡寫，提倡跨學科教育，使用多學科的思維和知識解決實際問題。STEM教育并不是將科學、技術、工程和數學四類學科簡單的疊加，而是使它們彼此之間進行有效融合，組成為一個有機的整體，并以真實問題解決為任務驅動，在實踐中應用知識、獲得知識，培養學生的問題解決能力、復合思維和創新思維。美國學者Georgette Yakman在此基礎上又提出了STEAM教育的概念，即向STEM中加入了“A（Art）”元素，這里的A不單指的是藝術，還包括美術、人文、歷史、哲學、宗教等學科。總之，不論是STEM教育還是STEAM教育，它們在本質上都屬于跨學科教育的典型形式，鼓勵學生用多學科的知識和視角解決真實問題，提升跨學科思維能力和創造性思維能力。為了更深刻地理解跨學科式教育的思想，這里借鑒由Georgette Yakman提出的STEAM教育模型，如圖1所示，總共分為五層，最底層是具體課程層，是整個跨學科教育開展的基礎，主要是科學、技術、工程、數學等學科所包括的具體課程；第二層是學科層，強調科學、技術、工程等學科之間的聯系；第三層是學科融合層，在把科學、技術、工程和數學四門學科互相融合的基礎上，滲透藝術類學科；第四層是STEAM層，開展STEAM教育，解決實際問題，培養跨學科思維和創新能力；最頂層是終身融合層，培養跨學科素養，融合各類跨學科知識，靈活應用，成為終身的技能和素養。這五層相互遞進，彼此間互相影響，下層的融合是上層開展的基礎，上層的開展又會影響下層融合的方式。該模型清晰地說明了跨學科教育的實質，有助于跨學科教育的開展。作為典型的跨學科式教育形式，STEM教育的核心價值在于既保留了每一門學科的特點，又可以使這些學科進行靈活地交叉融合，促進各個學科的發展。從教學目標上看，STEM教育的目標是培養學生的STEM素養，即學生通過在真實項目中的實踐，從多個方面對一個科學現象進行探索與思考，提升科學素養、技術素養、工程素養和數學素養，以達到培養學生跨學科多元思維的目標。簡言之，STEM教育實質是以培養STEM素養為目標，進行基于真實問題隋景下的跨學科式教育。從學習階段來看，STEM教育涵蓋了從K-12、大學本科到研究階生階段的教育范圍，代表了一種偏工科思維的文化素養，促進學生進行深度學習、探究學習和意義學習。

（二）STEM教育的起源與發展

從歷史發展上看，STEM教育起源于美國。1975年，美國學者Hurd率先指出學科之間的融合貫通使得傳統學科的概念除了作為學校劃分具體課程的依據之外，已經沒有實質的意義。1986年，美國國家科學委員會發布報告《本科的科學、數學和工程教育》，提出了“科學、數學、工程和技術教育集成”的綱領性理念，旨在打破學科之間的界限，培養學生的理工素養，被視為STEM教育的里程碑。之后美國國家基金會將這四門學科簡稱為SMET教育。到了2001年，正式更名為STEM，成為四門學科的統稱，并將其稱為教育的一次全新嘗試，目的是提倡問題解決驅動的跨學科式理工科教育。這標志著科學教育進入了新紀元。隨后，美國學者Georgette Yakman在此基礎上提出了STEAM教育的概念，拓寬學科范圍。2006年到2007年間，美國總統布什分別頒布了《美國競爭計劃》和《給未來技術、教育和科學領域杰出成就創造機會》兩項重要文件，大力投入資金，發展美國的STEM教育。隨后，美國的“21世紀技能合作組織”在2007年制定了《21世紀技能框架》，提出了以核心學科為基礎的教學四大原則：參與學習過程、加強學習深度、知識實踐應用、跨學科學習。到了2014年，美國新任總統奧巴馬上任后，以創新發展為理念，繼續推進STEM教育，簽署了《2015年STEM教育預算》，投入更多的人力、物力和財力。2015年美國正式頒布了STEM教育法案，主要從老師培訓、教學制度、社會與學校結合等方面規劃了STEM教育的新方向。除此，進入21世紀后，全球多個國家也加入到STEM教育改革的隊伍中，積極推進本國STEM教育的發展。2001年，我國教育部和科技協會啟動了“做中學”的改革項目，旨在提高全民的創新思維和科學素養。2015年，李克強總理在政府工作報告中提出“大眾創業，萬眾創新”的全新理念，大力發展創新產業鏈。2016年6月7日，我國教育部頒布了《教育信息化“十三五”規劃》文件，明確指出“積極探索信息技術在眾創空間、跨學科學習（STEAM教育）、創客教育等新的教育模式中的應用，著力提升學生的信息素養、創新意識和創新能力”。這作為綱領性的文件，標志著我國正式踏入STEM教育改革的隊伍中。STEM教育作為今后發展的大趨勢，對于我國教育教學方式的革新有著更加重要的價值和意義。

（三）STEM教育的價值取向

1.多學科交叉融合，實現跨學科式教育

傳統教育將知識按具體學科劃分，割裂了學科與學科之間、學科與真實世界之間的聯系，不能有效培養學生解決現實問題的能力，使學生的學習缺乏真實性和創造性。STEM教育從真實問題出發，以多學科交叉融合的理念為指導，在解決問題的過程中靈活運用科學、技術、工程和數學等學科知識。這種把多學科相融合的教育方式使學習與實際生活密切相關，滿足了學生的認知需要，而且通過提供多門學科的方法和視角，提高了學生運用多門學科知識解決真實問題的能力，有利于解決學校課程滯后與學科發展之間的矛盾，增加學生對社會和未來的適應性。在此過程中，一方面，學生根據具體問題靈活選擇相應的學科知識；另一方面，學生在解決問題的過程中，進一步加深了對學科知識的理解。STEM教育從多學科的視角來培養學生解決實際問題的能力，提高STEM素養，實現跨學科教育。可以說，跨學科式教學是STEM教育的核心價值取向。

2.基于真實問題隋景，回歸現實生活

STEM教育注重學生學習與實際生活之間的聯系，教育要立足于生活，從真實生活中的問題出發。強調“做中學”“學中做”的教學理念，開展基于真實問題情景下的探索式學習。STEM教育認為知識蘊含在真實的問題情境中，教師為學生創設情景，學生利用多門學科知識積極探索，培養發現、分析和解決問題的能力。真實問題成為貫穿整個學習過程的主線，把核心問題轉化為一系列的學習任務，學生通過高投入的實踐探索，達到對知識的意義建構和深層次理解。在STEM教育中，上課地點不再是黑板加粉筆、課桌椅子整齊擺放的教室，而是在配有平板電腦、傳感器、電路板、單片機、模板、畫刷、3D打印機、電線、體感設備等先進科技工具的工作坊中。學生使用先進的學習工具，通過自主、協作和創造性地應用多門學科知識，解決實際問題，提高能力。此外，在學習過程中，教師還要為學生創設不同的問題情境，通過在多種情景下的遷移運用，培養了學生發散思維和創新思維，進一步鞏固和深化所學知識，達到深度學習的層次。

3.重視學習過程，加強學習體驗

學習的實質在于對過程的體驗、思考和感悟，而非體現在試卷上的學習結果。STEM教育重視學習過程，強調學生主動、積極參與到學習過程中，使學生通過觀察與實際操作來獲得真實的學習體驗，在學習體驗中探究、反思與提高，實現理論知識與實踐技能的有效銜接，促進知識的深層次建構。STEM教育通過為學生提供多種真實情景和先進工具，加強學生的學習體驗。學生應用科學、技術、工程和數學等多門學科知識，協作和探究式地解決現實問題。在參與和體驗學習的過程中，學生不僅獲得了結果性知識，更重要的是，提高了他們的學習能力，學會從多學科、多視角、多維度來分析和解決問題，收獲了蘊含在真實問題情境中的過程性知識，實現了從“學會”到“會學”的質的突破。例如，美國科羅拉多大學的博爾德分校在“整合學與教”的項目中開設了一個有關空氣污染的STEM課程，通過學習，學生不僅掌握了氣象的概念，以及空氣污染的來源、途徑和預防方面的知識，更重要的是，在探索發現的過程中，提高了他們應用工程、技術等學科知識發現和解決真實生活中關于空氣污染問題的能力。

4.技術作為支持工具，有效開展學習活動

技術不僅是STEM教育的重要組成要素，也是整個教學得以開展的核心支持工具，無縫融合于學習活動的各個環節中。這里的技術工具不單是指前面提到的3D打印機、電路板、傳感器等硬件設備，還包括Scratch可視化編程軟件、思維導圖等認知工具。認知工具是指幫助學生進行認知處理的計算機技術，即用來發展學生批判性思維和創造性思維的各種軟件系統。現對Scratch可視化編程工具做一簡單介紹，該工具由麻省理工學院（MIT）開發，旨在提高青少年的編程能力，是目前風靡全球的可視化編程軟件。Scratch不僅操作簡便，界面大方，學生可以在游戲、活動和創造中提高能力，而且該工具可以連接多種硬件系統，實現“軟硬互通”，比女IPicoboard傳感器、Arduino單片機等硬件平臺，把虛擬世界和真實世界聯系起來。美國學者Yakman于2011年6月在MIT網站上開設Scratch課程，一經上線就受到學生們的喜愛，據統計，目前該網站上已經有17204968個項目被分享。在STEM教育中，學生在教師的引導下使用技術工具來分析與解決問題，在這個過程中，鍛煉了學生的動手實踐和探索發現能力，提高技術素養。

總之，STEM教育是一種以真實問題解決為任務驅動、立足學習過程、多技術交叉融合的跨學科式教育，以培養具有全面科學素養和創新實踐能力的人才為根本目標。學生在獲取知識、探索意識、學科融合、技能培養和問題解決等方面的能力都發生了質的飛躍，這是達到STEM教育目標的具體體現。

三、STEM教育的應用模式設計

本部分根據STEM教育的內涵特質和價值取向，嘗試構建一個STEM教育的應用模式，以期為今后STEM教育的設計與實施提供理論借鑒和實踐參考。

（一）STEM教育應用模式設計遵循的理念

為了保證STEM教育的應用能夠真正體現出它的實質和價值，在培養復合型和創新型人才中發揮實質作用，在具體應用的過程中要遵循趣味性、多維性、協作性和項目性四大設計理念，如圖2所示。這四大理念并不是簡單的疊加，而是相互融合，彼此貫通，共同指導STEM教育應用的開展。

1.趣味性理念

愛玩是孩子們的天性，STEM教育的使命就是讓教學回歸真實生活，在做中學，在玩耍中體驗，解放學生的天性。通過把學生身邊的實際問題轉化成一個個充滿趣味的學習項目，使學生在完成趣味項目的同時掌握知識。趣味性理念主要體現在以下兩方面：

（1）教學內容的趣味性

教學內容是整個教學體系的核心要素，STEM教育的內容設計既要包含學生需要掌握的知識點，還要基于真實的問題情境，吸引學生注意，激發學生的學習動機，給學生帶來學習的趣味性。為此，一方面，教師可以把知識內容轉化為真實生活中一個個有趣的問題，把學科知識和實際生活聯系起來，組織學生思考和實踐；另一方面，可以把具體內容游戲化，教師為學生設計一些小游戲，比如闖關類、角色扮演類、猜謎類等，進一步激發學生的學習興趣。

（2）教學活動的趣味性

傳統的教學方式重視靜態知識的傳授，學習大多處于固定的教室中，學習內容基本以課本知識為主，學生處于被動的接受狀態，教學活動枯燥單一。在STEM教育模式下，教學活動被注入全新的血液，可以采用包括趣味程序設計、實地調研、外出郊游、組裝拼接、闖關游戲、小組競賽等豐富且有趣味性的教學活動。學生參與到趣味的教學活動中，在快樂中學習，能夠體驗到問題解決的成就感和愉悅感。在這里需要說明，STEM教育并不絕對排斥傳統的教學方式，而是采用以參與真實活動為主，知識點講解為輔的教學方式。

2.多維性理念

STEM教育基于真實問題情境，融合多種學科知識和多種科學技術，以培養學生的STEM素養為目標。STEM教育在實際應用中要遵循多維性的理念，這主要體現在以下幾方面：

（1）教學目標的多維性

STEM教育首先要制定總體目標，之后從新課改三維目標（知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀）再進行詳細闡述，最后在每個目標下再根據實際劃分為更多培養學生創造思維與復合思維的子目標，形成STEM教育的多層次目標體系。

（2）教學內容的多維性

STEM教育強調教學內容要和學生的真實生活緊密結合，從實際問題出發，進行探索式的學習。通過信息技術的使用，教學內容超越了單一的紙質課本范疇，在線平臺、虛擬社區、真實場景等都可以提供豐富多彩的教學內容。具體可采用以真實場景為主，其他方式為輔的教學手段。

（3）教學資源的多維性

要開展STEM教育，除了教材之外，更要為學生提供豐富多樣的學習資源，除了前面提到的電路板、3D打印機、Scratch編程工具等，還可以提供微視頻、導學案、優秀作品等資源。另外，要根據具體不同的問題內容額外增添工具，比如某一個問題包含生物和數學方面的知識，還需要有溫度計、顯微鏡、氣壓計、計算器等工具。而且有能力的學校可以聯合校內教師和校外專家資源，給學生提供更加全面和專業的指導。

（4）教學評價的多維性

不同于傳統教學只重視結果單一化的評價方式，STEM教育要進行多維性的評價方式。立足于過程性評價，強調評價主體的多元化、評價對象的個性化和評價結果的全面化。可以為每位學生建立電子檔案袋，詳細記錄有關他們學習過程和學習結果的數據，以便開展基于大數據分析的綜合評價和個性化評價。

3.協作性理念

STEM教育的本質是要解決真實問題，這些問題往往瞬息萬變、復雜多樣，難度較大，所以只有通過學生與教師以及其他同學的交流討論、協同探索，才能順利解決，有效完成對知識的意義建構。通過歸納，STEM教育中的協作性主要體現在以下幾方面：

（1）學生和教師的協作

這里主要指的是教師作為學習活動的組織者、學習過程的引導者和學習疑問的解答者。學生在教師的幫助下，積極參與實踐活動，循序漸進地完成學習任務，提高能力。

（2）學生和學生的協作

學生之間組成小組，根據問題，以小組為單位進行資料的搜集、分析和處理，提出假設并進行驗證，彼此之間分工合作，互相之間進行思維上的碰撞，共同商討，解決問題。

（3）教師和教師的協作

STEM教育面對的是一個個真實的問題，而這些問題在本質上是跨學科的，往往不能通過一門學科的知識解決，所以就需要不同學科教師之間的互助協作，彼此分工，共同指導學生完成項目。

4.項目性理念

STEM教育是真實問題情景下的教育，學生面臨的是一個個劣構、復雜的學習問題，為了方便學生理解和掌握，需要把問題轉化為可操作的項目，學習的實質就是解決問題和完成項目的過程。所以，項目的設計是STEM教育的核心工作和著力點。教師要組織學生開展基于項目的學習（Project-Based Learning），這本質上是一種基于建構主義的情景化學習模式，強調知識蘊含在真實項目和問題當中，讓學生參與到實際操作當中，通過完成一個個項目達到對知識的理解和掌握。這些項目成為聯系各個學科的紐帶，學生在教師的引導下進行基于真實項目的探索式學習，在完成項目的過程中進行知識的建構和深化。目前美國在這方面開展的比較成熟，設立了“項目引路”（PLTW）機構，核心理念是讓學生參與到項目中，分析與解決問題，最終完成學習任務。目前，PLTW已經與多所高校以及其他教育機構一起開展STEM教育，效果顯著。在參與項目的過程中，學生從被動的接受者轉變為主動的探究者，教師從灌輸者轉變為學生學習的引導者和幫助者。

（二）STEM教育應用模式設計的具體過程

根據STEM教育的特點和設計理念，本研究設計出了一個STEM教育的應用模式，如下頁圖3所示，具體包括教學目標、教學內容、教學項目、教育工具與資源、教學活動和教學評價六個循環往復的過程。

1.教學目標

STEM教育的總體教學目標是以3D打印設備、體感設備、Scratch編程工具等前沿科技為手段，綜合運用多門學科知識，立足學習過程，在真實問題情境中進行探究式的學習，從而培養學生的創新能力、實踐能力、探索精神、協作意識和科學素養。在遵循總目標的前提下，從三維目標來進一步劃分：第一是知識與技能方面，要求學生掌握電子器件識別、電路連通、硬件組裝、程序編寫與調試、3D打印制作等；第二是過程與方法，學生在教師的引導下，以小組為單位，利用多學科知識和多種工具資源進行探索式的學習，通過觀察、思考、實踐和感悟，掌握分析問題和解決問題的方法；第三是情感態度與價值觀，通過真實體驗和探索實踐，提高學生動手解決問題的興趣，培養學生勇于探究、主動參與、互幫互助的學習精神。

2.教學內容

教學內容是整個體系的中心，承接教學目標，并直接決定教學工具的選擇、教學活動的組織以及教學評價的設計等環節。與傳統分學科的書本知識不同，STEM教育的教學內容源于真實生活中的問題，用多學科知識解決問題，在問題解決的過程中應用和學習跨學科知識。教學內容體現出劣構性、復合性與創新性的特征，設計難度較傳統教育方式有所加大。

在教學目標的指導下，要以學生的學習興趣和認知水平為基礎，通過精心挑選真實生活中的問題和現象，靈活組織跨學科的教學內容。在這里，可以根據具體問題以某門學科的內容為主，其余學科內容為輔。比如編程類的課程，要以計算機科學、數學為主，工程類、藝術類作為輔助學科。與傳統的學科內容相比，STEM教育使學生的學習回歸真實生活，教學內容更具有綜合性、靈活性與真實性，注重培養學生的科學素養。

3.教學項目

確定教學內容后，就要把這些設計好的內容轉化為可操作的教學項目，即要進行具體任務的設計。教師把教學內容轉化為一個個真實的STEM實踐項目，這些項目以問題為出發點，每個項目要根據知識點設計多個教學活動，讓學生帶著問題參與其中，通過參與實踐和完成一系列的任務，掌握知識技能，培養探索精神。在項目具體設計時，注意有以下要求：第一，項目要源于學生的真實生活，與真實生活密切相關；第二，項目要有一定的新穎性和趣味性，能夠激發學生學習的動力；第三，項目要包含學生所要掌握的知識點；第四，項目要有一定復雜性和劣構性，讓學生進行協作、探究式的學習；第五，多個項目和活動之間要有一定的梯度性，分為不同層次，彼此間由淺入深，一方面可以讓學生循序漸進地掌握所學知識，培養知識遷移能力，另一方面可以滿足不同水平學生的需要，促進個性化學習。另外，教學項目的設計除了滿足學生需要之外，還要考慮實施的其他實際條件，比如教師水平、硬件設備、軟件工具、活動地點、其他社會資源等。

4.教學工具與教學資源

教學工具與教學資源是進行項目和問題研究的重要支持，是STEM教育得以開展的必要保障。教育工具分為硬件工具和軟件工具，硬件工具包括電路板、傳感器、3D打印機等設備；軟件工具包括可視化編程、概念圖、可視化圖譜、3D建模工具等。教學資源不僅包括網絡平臺、微視頻、導學手冊、練習冊等，還包括校內教師、校外專家等資源。在設計工具和資源時，需要注意以下幾點：一是要盡量簡化工具的操作難度，讓學生能夠掌握；二是要緊貼項目的內容，教師要了解完成項目所需的必備知識，確保工具和資源能夠支持學生完成項目任務；三是教師要考慮到學生在學習過程中可能遇到的問題，利用技術提供支架式服務；四是可以設計一些拓展類資源，深化對所學知識的理解。

5.教學活動

為了保證STEM教育能夠順利實施，需要教學活動作為樞紐將前面幾個環節連接起來，這需要教師根據教學目標、內容、項目等進行精心設計，讓學生在活動中掌握知識，在探索中進行意義建構。STEM教育中教學活動的設計應該遵循梅瑞爾的首要教學原理，又稱為五星教學原理，該原理以問題解決為中心，主要思想如下：（1）只有當學生進行真實問題的解決時，才能促進學習；（2）當激活原有知識并作為新知識學習的基礎時，才能夠促進學習；（3）當把新知識展示給學生時，才能促進學習；（4）當學生應用知識時，才能夠促進學習；（5）當新知識與學生生活融為一體時，才能促進學習。具體的五星教學結構如圖4所示，概括為“一個中心+四個基本點”，即要求整個教學活動應該以問題為中心，進行從“激活舊知”“展示新知”“應用新知”到“整合貫通”四個階段循環往復的學習階段。

激活舊知：首先要激活學生的原有知識，以便在新舊知識之間建立聯系，并激發學習動機。具體可以使用設置問題引導、情景創設、游戲導人等方式。

展示新知：在此階段，教師要引導學生將新舊知識聯系起來，通過對舊知識的回顧和對新知識的體驗，達到對新知識的初步理解。要注意根據知識內容的不同選擇不同的展示方式。對于概念類的知識，可以舉出正例和反例，促進比較和思考；對于操作類知識，可以用簡單示范、虛擬實驗、學習視頻等方式進行。

應用新知：初步學習新的知識后，要進一步加深新舊知識的聯系，強化對知識的理解和掌握。教師要引導學生探索真實的項目，動手實踐，利用跨學科知識解決真實問題，學生在解決問題的過程中領會、感悟、構建知識，把知識轉化為技能，實現對新知識的內化。

整合貫通：該階段的任務是進一步強化所學知識，融會貫通。STEM教育的核心特點是多學科的交叉融合，學生需要對學到的多門學科知識進行梳理整合，反復思考。教師可以為學生提供多種問題情境，供學生練習，舉一反三，綜合運用多學科知識解決現實生活中的劣構性問題。實現知識的遷移和進一步內化，加深理解。

6.教學評價

STEM教育的評價應以過程性評價為主，總結性評價為輔，并采用多元化的評價方式，即教師、社會專家學者和學生均參與評價，主要是對學生的創造意識、問題解決能力和創造能力進行評估。過程性評價方面，教師和社會專家主要評估學生在學習過程中表現出的STEM素養、實踐能力和探究意識。具體可以采用視頻行為采集、記錄過程表、在線學習行為記錄、隨堂測試等方式。學生互評主要是對同伴在學習過程中的表現進行評估，比如參與度、積極性等，同學之間可以互相鼓勵。學生自評主要是對自己的表現情況進行反思。總緒l生評價方面，在教學活動結束之后，教師和學生對學習效果進行檢驗，看是否達到預期效果。在這里需要強調，評價不是目的，只是一種手段，STEM教育的真正目的是讓學生體驗真實情境中探究學習的過程，達到熱愛學習、熱愛生活的實質目標。

四、結束語

STEM教育作為一種全新的教育范式，顛覆了傳統的教與學方式，將會推動整個教育體系的發展與變革，具有廣闊的應用前景，應該作為政府、社會和學校重點關注的對象。目前，相比于MOOCs、微課、翻轉課堂等，STEM教育在我國的起步較晚，屬于新事物，還存在很多挑戰：一是如何具體設計STEM課程、STEM教學大綱以及STEM教材；二是如何把STEM教育與信息技術深度融合；三是如何設計有效的評價體系，進行科學而全面的評估；四是如何促進不同學科教師之間進行跨學科式的協作教學；五是如何把STEM教育與學校、地方和國家的課程體系有機融合，真正落到課程教學當中；六是如何進一步激活學生的創造意識和深入探索的能力。這些問題都需要學者們進行更深入的研究、實踐與探索，做好充足準備，積極迎接嶄新教育時代的到來。