關于STEM教育實踐與發展的思考

(英屬哥倫比亞大學,加拿大 溫哥華)

在20世紀60年代美國興起STS教育，到20世紀80年代發展為STEM教育。進入21世紀后，隨著人們對科學和工程技術教育的重要性認識日益增強，逐步認識到科學必須與人文融合，融入“ARTS”的STEM進而發展為STEAM教育。國內STEM教育的研究方興未艾，筆者對國內STEM教育的實踐發展中存在的問題、應避免的錯誤以及發展方向進行了思考。

1 國內STEM教育現狀簡介

當前，我國STEM教育在頂層設計方面的探索主要體現在“指導意見”“教育信息化規劃”等方面，具體措施如下：(1) 教育部于2015年9月發布的《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)》，鼓勵探索STEAM教育、創客教育等新教育模式。(2) 2016年教育部印發《教育信息化“十三五”規劃》，提出“要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”。(3) 《義務教育小學科學課程標準(2017年版)》也提出“STEM是一種課程組織方式”。

學術團體的STEM教育研究和實踐較為活躍，主要表現為：(1) 2017年3月北京師范大學智慧學習研究院發布《2017新媒體聯盟中國高等教育技術展望：地平線項目區域報告》，其中指出：STEAM學習的興起將是短期內我國教育技術的重要發展趨勢之一。(2) 2017年6月中央教科院STEM教育研究中心發布《中國STEM教育白皮書》，其中明確提出：應將跨學科STEM(科學、技術、工程、藝術與數學)教育納入國家創新型人才培養戰略，是全社會共同參與的教育創新實踐。(3) 中央教科院STEM研究中心與地方進行深度合作，省級層面主要有浙江省和江蘇省，最近北京市海淀區也參與了系統創新中心的建設。

迄今為止，國家層面成立了“國家隊”級別的研究機構——中央教科院STEM教育研究中心。該研究中心公布了《中國STEM教育白皮書》與《STEM教師能力等級標準》兩項科研成果，并舉辦了兩屆“STEM教育發展大會”。除此之外，對STEM教育推進的整體策略、框架設計、課程方案和師資建設等尚沒有官方表述。

相對而言，省級、市級和學校層面的表現較為搶眼，各省成立了相應的研究機構，很多市級研究機構與高校聯手成立聯盟，學校層面與企業、國外高校的合作也非常多。以研究機構的成立為例，主要有三種方式：一是以省教研室或教科院牽頭成立研究中心，如江蘇省STEM教育協同創新研究中心；二是以科技教育中心牽頭成立研究聯盟，如廣州市青少年科技教育協會、香港特別行政區行政長官卓越教學獎教師協會、香港科技教育學會、澳門科技教育協會等成立的“穗港澳STEM教育聯盟”；三是高校、企業和行業協會聯合成立互聯網平臺中心，如上海STEM云中心。

2 STEM教育存在的典型問題

先引用一組來自美國華盛頓特區科技政策研究所、美國加州大學圣芭芭拉分校納米技術應用研究中心研究員Xueying Han等發表在2018年4月《PLOS ONE》上的一篇論文的調研數據，這對國內開展STEM教育有一定的啟示。該文對中國25所頂尖大學的STEM教師(即從事科學、技術、工程和數學專業的高校教師和研究人員)進行了調研，分析了國內的STEM的研究環境，得出以下結論：(1) 37%的受訪者認為需要促進“短期思考力的發展和獲得即時成功感”；(2) 33%的受訪者認為要給予足夠的研究經費；(3) 31%的受訪者認為要減少管理阻滯，激活個體創造力；(4) 27%的受訪者認為要建立合理的STEM評估體系。

由此看來，國內高校STEM教師的專業研究領域的典型問題可概括為兩類：一是思維方式問題，主要是指個體創造力需要發展；二是管理方面問題，主要指向經費和管理、評價方式，期待更加靈活、開放和多元，減少人為干擾因素。

國內中小學及學前教育中STEM教育也表現出以下問題：(1) 低學段活躍，高學段趨冷。幼兒園比小學活躍，小學比中學活躍。(2) 科研人員熱心，行政管理人員或冷或熱。從文獻研究來看，STEM教育的研究主陣營是科研部門，學校層面高質量論文較少，僅有少量活動報道。(3) 學生喜歡，教師無能為力。學校開設相關的課程，學生特別喜歡，但是很多教師受限于自身學科背景，導致指導無力，教師幾乎沒有受到系統的培訓和指導。

3 STEM教育實踐中應避免的問題

3.1 STEM教育過程中應防止行政強推模式

在STEM教育實踐中，我們通常受到來自某些方面的干擾，常常采用“模式化”“運動化”“樣板化”等方式，希望通過整體推動、典型輻射、績效評估、頒證發獎等方式進行高效率的實施，而基層學校往往由于師資、課程開發能力、家長與社會認同等問題，可能只在表面上進行應付，實質上并沒有任何進展。進而導致開場“轟轟烈烈”，過程“蜻蜓點水”，最終“怨聲載道”。

3.2 STEM教育應防止“學科化”思維

有研究表明，STEM教育的核心是“問題化”“項目化”“學習化”“產品化”，也就是說，要有真實問題，要以項目驅動學習，要以產品進行表達。如果在STEM教育實踐中，以某一單科進行植入，顯然就異化了STEM學習的本質，比如：某學校是物理學科見長，就僅在物理學科中進行STEM的實踐，這顯然是將STEM教育進行“單科化”改造。

3.3 STEM教育的師資與課程設計應防止“兩張皮”

實踐表明，師資和課程需要統整設計，既不是先有課程，再有師資；更不是先有師資，再設計課程。實踐證明，只有將師資與課程進行整體設計，師資的“迭代升級”與“課程迭代升級”同步進行，這樣的STEM教育才有生命力。如錫山高級中學依托江南大學的設計專業和澳大利亞新南威爾士州的“設計課程”，進行STEM教育實踐，就是很好的范例。

3.4 STEM教育實踐場域要防止“實驗室換裝化”

在STEM教育實踐初期，很多學校都采用將物理、化學等自然學科實驗室進行換裝，增加一些3D打印、體感技術、VR或AR等設備，這在初期開設一些課程有一定價值和意義。但是，當STEM教育實踐向縱深發展時，專業的“校內STEM創新實驗室”“校外STEM實驗室”“學院與公司合作STEM實驗室”必須有序和錯位發展。

4 應重視STEM創新實驗室的建設

借鑒國外經驗，筆者認為國內STEM教育的發展，應重視STEM創新實驗室的建設，發展思路為：整合型創新實驗室、RAL(遠程訪問)型實驗室和公益開放型實驗室。

4.1 整合型創新實驗室

圖1 Nspire圖形計算器

這類實驗室建設大多基于“實驗儀器—傳感器—圖形計算器”的發展模式，為學生搭建有效實驗平臺。這種線上交互的多媒體平臺使得學生能夠即時有效地模擬實驗過程，通過傳感器(pH、溫度、壓力……)，實現實時查看數據結果和實驗反饋，傳感器的數據輸出端口連接圖形計算器(如圖1)，計算器通過線性回歸等統計方法分析實驗結果，得出結論。最后，科學應用實驗結論，通過圖形計算器，模擬真實環境下的情況。

與傳統實驗室相比，省去了學生手工填寫實驗數據、繪制圖像等過程，以圖形計算器代替人工處理樣本數據，可促進實驗數據輸出與分析的效率，提高學生的理論知識與遠程數據處理工具相結合的應用能力，有效融合并提高數學、科學和工程的學科核心素養，培養學生應用理論知識解決實際生活問題的能力。

如學生在探究“滑輪半徑和所吊物品移動速度”關系的實驗中，運用小車、電動機、滑輪、繩子和刻度尺來構建基礎實驗裝置，速度傳感器和Nspire圖形計算器相連，構建數據輸出和分析平臺，學生探究不同滑輪半徑下小車的速度，得出相應的線性關系圖像，通過該圖像分析滑輪半徑與小車速度的實際關系。借助這一關系，學生能夠解決在實際生活中運用吊車運送物品的速度，并可以嘗試構建實現機械效率最大化的相關實驗模型。

4.2 遠程訪問(RAL)型實驗室

如圖2所示，遠程訪問型實驗室(RAL)允許對先進的科學實驗裝置進行異地控制，這種學習活動雖然多數在大學中使用，也可以給中小學生提供額外的學習機會。

圖2 遠程訪問(RAL)型實驗室工作架構

目前的RAL技術僅向本科工程教育和企業經營單位提供服務，合作的機會和實驗設計得不到很好的支持。未來，RAL技術如果能激活高校和企業的興趣，并允許其獲得合理的商業回報，可開發出適合中小學的產品，為中小學開展STEM教育提供有力支撐。

4.3 公益開放型實驗室

美國具有代表性的公益開放型實驗室有波士頓藝術學院STEAM實驗室、曼哈頓兒童博物館STEAM實驗室等，研究發現：美國STEAM實驗室已成為學生創新學習的實踐空間、教師提升教學技能的工作站、家庭融入學生學習的互動場所，成為社會公眾提升鑒賞能力的助推器。

由此看來，國內建立公益型開放實驗室，可以關注以下幾個方面：(1) 面向現實需求尋求社會支持；(2) 加大資源設備的建設，完善人員配置，培養具備綜合素養的實驗室志愿者服務團隊；(3) 依據學生年級和年齡層次，設計并不斷更新場館內的STEM項目；(4) 發揮實驗室作用，構建學習共同體，實驗室教師不只局限于學校教師，還可聘請科學家、工程師或藝術家，通過夏令營、選修課、博物館體驗等活動形式，為學生演示真實產品創作和工程創造的過程。