全面實施STEM教育

Carolyn+Hayes

非常高興參加此次論壇，與中國的教育者一起討論STEM教學，討論如何提升學生們的收獲。我是美國科學教師協會前主席，今天我想談論的話題對于協會而言是非常重要的，對于美國教師也是非常重要的。

可以說STEM課程是我們協會的一個工作核心，協會和全美教師及國際上的教師共同合作推動STEM課程。我們希望推動創新，確保所有學生都能夠獲得足夠的理工知識。美國是一個多元國家，我們了解到很多兒童生活在貧困當中，英語不是他們的第一語言，我們教授他們科學和工程方面的知識，他們會獲得更多的知識，取得更好的成就。

美國國家科學基金會和美國科學教師協會最早在全美國推出了STEM課程。2011年，這個項目當中工作的全部人員聚在一起，思考如何推廣STEM課程，以及目標是什么。關于STEM有3個重要的目標，我相信中國的教師也有類似的目標。

第一，擴大追求STEM領域高等教育和職業發展的學生數量，同時擴大婦女和少數民族在這個領域的參與。這是我們協會的追求，也是很多企業的需求，我們需要有更多能夠創新的科學家和工程師。我們尤其注重女性、女童，我們不希望她們從小學或者是中學畢業后就不再學習科學，我們希望她們能夠追求這方面的高等教育和職業發展。

第二，我們希望能夠打造和擴大一個具備非常豐富理工知識的工作群體，擴大女性和少數民族的參與。我們不僅僅是需要這樣的科學家，也需要那些能夠培養這些理念的人，所以我們需要一個這樣的工作群體。

第三，讓所有學生提升他們的STEM素養。即使他們以后做的工作跟STEM不相關，我們希望他們成為有STEM素養的全球公民。我們希望他們可以理解全世界到底有哪些問題，并且最后能夠為他們的未來作出正確的決定。

現在的問題就是怎樣實現剛才的目標，我會提出兩點，這是美國的經驗，可能跟中國比較相似。

有一套連貫的標準和課程

首先看連貫的標準，從圖1大家可以看到美國這些年是如何推廣STEM教育的。最下面2013年《新一代科學教育標準》是最重要的一點。必須看一下技術，還有工程，看他們是怎樣推動我們學習科學的。同時我們希望學生也可以意識到科學的性質：科學一直都在變化。為什么會變化？因為技術在變化。這么多技術上的進步，使我們對科學有了更加深刻的理解。1996年有了《國家科學教育標準》，講到學生在生命科學、物理、生命地球、工程，以及太空科學當中需要掌握什么知識。

2012年，美國國家科學促進會的《K-12科學教育框架》，在《新一代科學教育標準》出臺的前1年講到了3個維度的學習，2013年有了正式的《新一代科學教育標準》。現在美國已經有20個州正式通過了《新一代科學教育標準》，有的州還在經歷審核的過程。連貫的標準

發展過程

全體美國人的科學（1989）

國家科學教育標準（1996）

K-12年級科學教育框架（2012）

3個維度的學習

新一代科學教育標準（2013）

圖1連貫的標準

《新一代科學教育標準》到底是什么？就是希望可以讓教師重新審視科學教育怎么進行。我們說到科學的時候，其實講的是STEM，不僅僅是科學，而且是STEM教學。這一標準有4個重點。

第一，少死記硬背多理解。有很多時候學生問我為什么要學習這個，這個問題很重要。因為他們不理解為什么要在課堂上學習，不理解就不會認真聽。他們需要理解周圍的世界，理解世界上各種各樣的現象，所以說《新一代科學教育標準》要求少死記硬背多理解。

第二，跟《州共同核心標準》有更多聯系。《新一代科學教育標準》希望可以在語言藝術與數學方面跟《州共同核心標準》有更多連接。我們發現學生學英語是為了學習語言所代表的概念意義，如果他們可以理解，就會學得更好。

第三，必須基于研究實踐，特別是神經科學。我記得有一本書的作者是一位神經科學家，書中介紹人們怎么學習，大腦怎樣運作，在學習的過程中怎樣記憶。研究發現，學生必須理解并且把各種知識點連接起來，才能夠真正掌握知識點。所以《新一代科學教育標準》不是以教學為主，而是以學生為主，讓他們理解自己到底學習些什么。

第四，要能夠學以致用。死記硬背僅僅是掌握了知識點，但是如果學生能夠把他們在課堂上學習的知識在社區或其他地方應用，他們才能夠記憶并掌握這些知識，而且可以用來做一些其他事情。

接下來我們看看“3個維度的學習”，我覺得這才是科學教育、STEM教育的未來。這3個維度是：①跨學科概念。所有的科學學科概念，不管是地球還是工程、科學、數學，都有跨領域的概念。②學科核心概念。學生學習完以后要掌握的并不是細枝末節的知識點，而是知識的核心概念起到的作用。知識會隨著科學的進步而改變，但是核心知識點是肯定不變的，所以我們希望學生掌握有明顯重要性的概念。③實踐。學習不應該是線性的，而應該是循環的。可以從看到一組數據，想知道數據代表什么開始，這種實踐可以讓你去到其他的一些領域。這3股繩擰在一起，學生就更有能動性，學習更帶勁兒。他們會提問、探討、解釋，不僅僅限于課堂上的書本知識，而是整個世界的現象，這也是教育的目的。

大家可以去NSTA的網站看一看更多信息。關于3個維度學習和跨學科概念，我們希望學生可以找到規律，可以知道因果關系，這樣如果課堂上學習遇到新情況，他們就可以應用規律、結構、框架、功能等方法去理解。我們不僅僅是為初中生設計課程，還有一些適合學前兒童的項目，有能夠適合他們的科學學習內容。

所謂實踐，首先是問問題，然后找到問題，制訂并且使用模型分析、解釋數據，使用數字和計算思維，找到解釋的方法，設計解決方案，根據證據進行辯論，把手中的信息進行有效評估，最終找到能夠解決問題的方案，并且整個過程當中能夠實現信息的分享。學生必須要自己理解，而不是只聽教師講解。endprint

下面我介紹一下課程怎么設計。

首先要對學生的表現有個預期。比如當我講完課程時，學生需要用一個模型展示植物物理結構如何支持它的生長和繁衍。這里包含一些交叉學科和新概念，有些來自于生物，比如說從分子層面到有機層面，從結構層面到過程層面；會有一些跨學科概念，包括物理結構、功能。在我生活的州有一種楓樹，春天的時候這種樹的種子像羽毛和翅膀一樣，這種樹是翅果樹。我們討論它們是如何播種的，它們在空中怎樣飛行。我會讓學生觀察這些現象，有時候會帶學生到野外去。

第二是學生想知道的東西。

第三是希望學生學習的東西。學生觀察之后，我會向他們提問：你看到了什么？觀察到了什么？根據你觀察的東西你想知道什么？你的問題是什么？可以說這是《新一代科學教育標準》當中的核心。我會問學生：你能夠解釋一下你為什么這樣分析嗎？原因是什么？用紙片和回形針，你如何使用這些材料模仿出翅果的飛行過程？

第四，對這個模型的運作方式如何解釋。我讓學生建立一個種子模型，但是很多學生不能夠解釋這個種子模型到底如何運作。在這種情況下，我們可以用紙片和回形針模仿出楓樹種子飛行的過程。我給小學生做了這個實驗，很多人特別喜歡。學生會觀察，他們也許會扔四五次，有一些人的紙模型飛行路徑和方法有一些不同，學生之間會相互問，他們會建立模型，收集數據，進行分析。他們建立模型，對飛行過程進行相應的解釋，這是非常直觀的一個課程設計過程。

我建議大家可以到NSTA官網，那里有專門對《新一代科學教育標準》課程的指導，你們可以了解更多詳細信息。

確保有高質量的教師，能夠教授自己擅長的課程

并不是所有美國小學教師都有很好的專業技能和知識儲備，所以在這方面還要努力。我們認為有幾個重要的點是STEM教師必須具備的：教授知識；了解如何學習；教學法方面的內容知識；合作。

教授知識。無需贅言。

學生是如何學習的，過程如何。首先，很多時候教師過分注重教學內容，而不注重學生學習的過程。學生的背景很多元，學習過程當中他們會代入自己的知識，要解決學生先入為主的觀點，否則就無法教授正確的學習方法。第二，動手學習科學。要了解到這不僅僅是課本上的理論、公式，同時教育學生要有創造性，實現成果并不是只有一種方法。第三，認知。如何教授學生了解他們已經了解的知識是什么，如何在教室之外評價他們的技能，他們如果已經有初步知識和技能可以利用起來進一步幫助他們學習。

教學法內容知識。如果有教師是上世紀90年代畢業的，可能對于3個維度的學習這些理論一無所知，我們就需要教授這些教師3個維度的教學方法。其中一種幫助他們的方法，就是讓他們了解一些教學策略，包括1990年誕生的學習周期方法，這其中包括引入、探究、解釋、拓展、評價。我讓學生參與進來，通過向學生展示視頻和將他們帶到野外探索，他們就會產生問題。基于問題讓學生進行下一步探究，學生收集數據以后向我解釋他們收集的數據意味著什么。然后進行拓展，進行展示。拓展需要進一步學習、研究、觀察，最后作出對于學生研究和學習的反饋，給他們指出方向。可以讓學生觀察學區和校園當中有什么現象，讓他們觀察并參與問題的解決。

合作。一個真正的好教師，不應該僅僅只聚焦自己教授的科目，而是要和其他學科教師，以及社區的領袖和家長進行合作溝通。

最后，我希望有3點能幫助大家有所收獲。第一，執行3個維度的學習。第二，設計教師的職業發展，滿足科學教師的需求。第三，尋找合作伙伴，找到校園之內和社區當中的伙伴，比如父母或者企業。

根據大家所了解到的東西，我相信大家也學習到了一些東西，我們需要思考幾個問題：

你將會停止做什么事情？

你將會繼續做什么事情？

你將會開始做什么事情？

聽過這個演講后，相信大家會有所想法，知道開始做什么事情，要讓學生盡量參與，盡量對科學感興趣，讓他們成為未來的科學家、工程師，讓他們在工作人群當中有較高的理工科素養。endprint