STEM教育應用模式分析

周晨露 王海燕

摘 要：在我國大力鼓勵創新創業的時代背景下，培養創新復合型人才顯得至關重要，而STEM教育被認為是創新教育發展的新方向。文章在梳理歸納美國STEM教育的兩類模式的基礎上，總結STEM教育中學科知識的掌握與整合、教師角色的定位與轉換、信息技術的價值與定位三方面的核心經驗，以期為我國基礎教育領域開展STEM教育提供參考與借鑒。

關鍵詞：STEM教育；應用模式；案例分析

中圖分類號：G40-057 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2018）24-0027-04

一、STEM教育研究現狀

在當前我國從制造大國向智造強國轉型升級、國家大力鼓勵創新創業的時代背景下，培養創新復合型人才顯得尤為重要。因此，STEM教育對我國的基礎教育改革有著重要意義。[1]

STEM教育要在學校落地生根，不但需要廣大教師能夠深入理解STEM教育的理念與本質，更需要教師掌握其教育模式。通過學習、借鑒成功的STEM教育模式和案例，在實踐中逐步探索適合我國國情的STEM教育模式，從而為創新復合型人才的培養提供選擇路徑。2017年出臺的《中國STEM教育白皮書》也明確強調了推廣STEM教育成功模式的意義。[2]

我國對STEM教育的研究主要圍繞課程整合方面，根據跨學科整合課程的取向可分為“STEM+”與“STEM-”?！癝TEM+”取向有隨著創客教育的興起而出現的“STEM+創客教育”模式[3]；“STEM-”取向有根據我國基礎科學教育發展的實際需要，提出的“科-工整合”模式[4]。根據跨學科整合的方式進行劃分，有 “以建構大概念為核心的跨學科概念體系模式”“以主題或課題形式來實現跨學科實踐的模式”“通過表現期望的形式來實現橫向整合的模式”“通過核心概念和表現期望相結合的模式”和“通過學科核心概念和內容要求相結合的模式”五種模式。[5]對STEM 教育模式微觀層面大體可分為STEM教學設計和STEM教學模式兩個方面，其中以STEM教學設計的研究為主，對于一線教師而言，其操作性不夠強，不易上手；對STEM教學模式的探究不多，亟待進一步豐富對STEM教學模式的研究。

STEM教育自1986年在美國誕生至今，經30多年的發展歷程逐漸完善，對推動國家創新作出了重要貢獻。[6][7]按教學對象劃分，最初STEM教育是針對K-12學生的，如Marle等人為提高普通學生對STEM的興趣，設計了為期4天的基于情景的科學調查STEM夏令營，使學生對STEM產生濃厚興趣。[8]但隨著研究的深入，研究者關注到了以女性、少數民族、低收入人群等為主的STEM代表性不足學生，他們對STEM興趣弱、在STEM領域比例低。為促進性別、種族的平等，美國學者探索了多種針對STEM代表性不足學生的教學模式。如Gomoll 等人為提高女孩對STEM的興趣，使用基于問題的教學模式為4名女孩提供了課后機器人俱樂部活動。研究結果表明，女孩們對STEM產生興趣并最終選擇STEM相關專業[9]；Bass 等為培養低收入家庭青少年的STEM職業理想，采用基于項目的教學模式，通過游戲設計活動，有效促進STEM代表性不足的青少年從STEM使用者轉換為STEM生產者。[10]

STEM教學模式按教學目標可劃分為興趣提高型、考試提分型、技能培養型、職業體驗型等，如Eichler 等人為提高學生的STEM成績與學習積極性，采用STEM翻轉課堂教學模式進行研究，結果表明這一模式能提高學習主動性，顯著提高課程平均分；[11]Bairaktarova 等人模擬了現實工程應用項目，通過基于項目的教學模式提高了學生的專業技能。[12]

教學模式按照教學方式可分為個性化教學模式、游戲化教學模式等，如Burgin 等人在高中STEM教學中，采用了STEM學徒制模式進行教學，結果表明學生在STEM領域的自我認同感得到提升，對實驗室產生歸屬感，促使他們選擇STEM相關職業；[13]Miller 等人為增強學生STEM職業體驗，設計了基于網絡的法醫科學游戲，這一游戲化教學模式對學生選擇STEM相關職業產生積極影響；[14]Juskeviciene 等為STEM學生提供個性化教學，使用了一對一的移動學習模式，結果顯示這一模式有效提高了學生的學習成果。[15]

二、STEM教育應用模式及案例

通過對國內外STEM教育模式研究的梳理，我們發現在STEM教學模式層面，針對不同對象、不同目標、不同方式的STEM教學，都是基于問題解決展開的。因此，本文根據STEM問題的難易程度以及解決的路徑不同，總結歸納出美國STEM教育應用的兩類教學模式，即問題解決框架提供模式和問題解決框架自主生成模式。

1.問題解決框架提供模式及案例

（1）問題解決框架提供模式

解決STEM復雜問題要求學習者將復雜問題分解成小問題再加以解決，有研究證明解決小問題更有利于學習者知識與技能的遷移。[16]但這種能力是要逐步培養的，當學習者解決復雜問題有困難時，由教師提供一個解決問題的框架。學習者在理解框架的基礎上，將復雜問題分解成若干小問題嘗試解決。最后驗證復雜問題是否解決，如果問題沒有解決，學習者需要思考和判斷原因，然后針對不同的原因返回相應模塊，重復前面的過程，直至問題解決。這個過程伴隨著學習者對STEM學科知識與技能的學習，為問題的解決提供了基礎保證（見圖1）。

（2）問題解決框架提供式應用案例——巧克力工廠

美國科羅拉多大學與企業合作，以巧克力工廠案件為主題，為初二到高三的學生提供了為期4天的STEM夏令營。通過綜合運用跨學科知識解決實際問題，培養學生的創新力、思維邏輯等能力。[10]該案例具體教學過程如下：

①問題提出：圍繞兩家巧克力工廠間的商業糾紛（相互指控對方盜竊巧克力配方、偽造包裝和入侵網站，從而損害競爭對手聲譽），將學習者分成原告雇傭的調查小組（控方）、被告雇傭的調查小組（辯方）和公正的調查小組（任務是確認其他團隊收集的證據是可信的）對巧克力工廠案件進行調查，要解決的問題是：如何收集科學可信的證據并形成調查報告，為當事人進行辯護？

②提供問題解決框架：為便于學生更好地解決這一復雜問題，組織方將問題分解，為學生提供了相關問題解決框架：圍繞本案件，可以從犯罪現場和嫌疑人、巧克力樣本及包裝紙、網絡黑客三個方面入手，為當事人辯護尋找有利證據。

③學生理解問題解決框架：學生通過組織方提供的資料學習證據種類、收集方法與分析原理等，深入理解教師提供的問題解決框架。

④按框架嘗試解決問題：第一天，學生學習羅卡定律并參觀巧克力工廠，仔細觀察案發現場，查看賬本記錄，收集指紋、腳印等現場可能遺留的線索。在現有的線索基礎上進行合理分析和推理，通過審問6名犯罪嫌疑人，發現破綻。第二天，學生從巧克力樣品中提取出可可堿和香草醛，與正品巧克力比對分析（組織方提供包括分析設備和試劑等的支持）。同時，學生在了解包裝紙的產品代碼和編碼策略后，設計能掃描和識別不同條形碼的樂高機器人，來判斷哪家工廠的包裝紙是假冒的。第三天，學習相關的信息安全技術，根據現有的入侵網站的痕跡，查出網絡黑客的ID。最后根據三天搜集的信息，形成調查報告。

⑤評價問題解決與成果展示：第四天，3組學生在模擬法庭上提交調查報告，進行法庭辯護，通過法官最終的判決評價各組的調查結果。

案例中的STEM問題來源于生活，情境性極強，能有效調動學習者的積極性，使學習者將所學所知盡可能地運用起來，體現出STEM的實用性。其中，教師像是幕后的引導者，為學習者提供問題解決框架、設計支架。

2.問題解決框架自主生成模式及案例

（1）問題解決框架自主生成模式

當問題解決框架是由學習共同體自主生成時，就產生了問題解決框架自主生成模式（見圖2）。STEM學習共同體可以由學生、教師或社會力量（企業、組織）等共同組成。在該模式中，問題解決框架是由學習共同體共同協商、自主生成的，教師在必要時提供引導，利用社會力量創設情景、提供支持。學習者按照生成的框架嘗試解決問題，在不斷試錯中學習、完善，甚至調整解決框架，直至探索出最佳的解決方案。該模式能培養學生自主學習和創造性地解決復雜問題的能力。它與另一種模式最顯著的區別在于——它發生在解決復雜問題所遇到的小問題沒有被充分解釋的情況下。STEM學科知識與技能靈活運用是解決問題的關鍵。

（2）問題解決框架自主生成式應用案例——科學奧林匹克競賽

Sahin等組織25名學生參加為期一學期的科學奧林匹克競賽，競賽過程的記錄和競賽結果表明，科學奧林匹克競賽能促進學生自主開展協作學習和探究學習。[17]該案例的教學過程如下：

①問題提出：科學奧林匹克競賽組織方發布競賽通知，要求學生自主組隊，合作完成一款重量輕、射程遠的水火箭。

②學習共同體：參與學生自由組隊，確定隊長并制定團隊規則，過程中可尋求社會幫助。教師和外部人員（如研究生）擔任指導。

③自主生成問題解決框架：團隊成員各自收集相關材料，然后進行內部討論交流。在不斷的肯定-否定-肯定的論證后，最后敲定問題解決框架：從模型設計、材料選取以及發射方法三方面考慮水火箭模型的制作。

④按框架嘗試解決問題：比如在模型設計上，起初選擇普通水瓶作為機身，但在發射時發現普通水瓶體積大，直筒外型的瓶身不便于氣流的通過。團隊對機身進行重新設計，制作外觀接近流線型，效果改善很多。在設計過程中，學習者不斷調試、完善模型，直至制作出團隊都相對滿意的水火箭模型。

⑤評價問題解決：因為是參賽性質，所以各團隊會在參賽規定日期內上交最終的火箭模型。由科學奧林匹克競賽組織方根據模型的外觀、性能與射程等方面綜合評價各參賽小組的作品，評選獎項。

⑥成果展示：由科學奧林匹克競賽組織方組織各團隊（參賽小組）進行成果展示，方便各小組分享與交流。

該案例中的問題屬于復雜的開放性問題，給了學生很多自由發揮創新的機會，引導他們將創意與跨學科知識結合運用到實踐中。在學習共同體解決問題的過程中，教師也參與其中與學習者共同探究，營造一種開放的學習環境。

三、STEM教育應用模式的核心經驗

1.STEM教育中學科知識的掌握與整合

STEM教育被視作提升創造力的教育，[18]其目標是學生能綜合運用跨學科知識創新性地解決問題，以培養學生創新意識、高階思維、解決問題能力等，具有極強的實用性。一線教師往往由此走入誤區，要么過于關注學生創新能力、解決問題能力等的發展，忽略了STEM學科知識對達成教學目標的重要性，認為在STEM問題解決的過程中不需要“傳授”知識；要么特別強調某一門學科的作用，例如過分強調STEM學科中數學的重要性，認為數學是整合STEM學科的關鍵，這些都會間接導致學生無法對STEM學科進行有機整合。如果學生沒有底層STEM學科知識作為基礎，就難以發現學科之間的內在聯系，更沒有可能綜合運用跨學科知識創新性地解決問題。因此，STEM教師要重視每一門STEM學科的獨立價值，關注STEM學科知識之間的關聯，將STEM學科知識結構化地設計成問題，幫助學生系統地掌握STEM知識，建立起學科之間的橋梁，進行有機整合。[19]

2.STEM教育中教師角色的定位與轉換

教師是STEM教育工作者中的核心人員，[18]對學生創新力的培養起到直接作用。為適應STEM教學的需求，STEM教師的角色定位具有多樣性。在課外，STEM教師作為教學設計者，要根據學習者特征，通過問題設計有機整合不同學科，培養學生創新力、問題解決能力等；同時還作為學習者，不斷學習新知識，積累STEM教學經驗，提高STEM教學設計能力。在課上，STEM教師的角色更多樣，并且還需要根據教學情況進行角色轉換。如在問題解決框架提供式案例中，教師主要擔任顧問、引導者的角色，提供的支架相較于傳統教學方式有所減少，在學生遇到困難時提供一定幫助，學生的主導權增強。在問題解決框架自主生成式案例中，教師更多擔任搭檔和資源對接者的角色。在解決問題過程中，教師可能會以搭檔的身份發表自己的想法，和學生一起學習、探究，也可能以指導教師的身份管理團隊，為學生指引方向，也可能作為引薦人幫助團隊尋找社會幫助，幫助學生對接資源。

3.STEM教育中信息技術的價值與定位

隨著教育信息化的發展，信息技術在STEM教學過程中的情境創設、合作探究、形成性評價等方面都發揮了重要價值，而如何利用技術進行STEM教育成為眾多學者關注的焦點。[20]這也導致部分教師產生STEM教育就是機器人、3D打印的錯誤認知，將STEM教育和新興信息技術劃上等號，認為沒有信息技術參與的STEM教育就不是STEM教育。當然信息技術在STEM教育中發揮的價值不容置疑，但不是用了信息技術的就是STEM教育，沒有用信息技術的就不是STEM教育。STEM教育最核心的特征是跨學科性[21]，也可以作為判斷是否是STEM教育的依據之一。STEM教育中信息技術有兩種定位，一是信息技術作為技術學科中的一部分，與其余幾門STEM學科有機整合開展教學，是學習者要學習的、運用以解決問題的；二是信息技術還可以作為STEM教育的外部支持，是輔助STEM教學的，是學習者可以借助的力量，以更好地學習和解決問題。教師在教學過程中要客觀地看待信息技術的價值與定位，對STEM教育理念與本質有更深刻的把握。

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（編輯：李曉萍）