STEM教育：從哪來，怎么辦

勇輝 許春良

【摘 要】作為一項源于美國的教育改革舉措，STEM對我國的小學科學教學產生了深遠的影響。STEM教育既可以理解為一種課程的結構形態，也可以理解為一種課程的實施形態。作為一種新的視角，STEM教育視域下的科學教學需要教師堅定不移地落實科學課程的基本理念，努力探索生活問題與科學問題相轉換的策略，并靈活整合科學實驗和工程實驗。

【關鍵詞】STEM；科學課程；科學教學

【中圖分類號】G623.6 【文獻標志碼】A 【文章編號】1005-6009（2018）57-0052-04

【作者簡介】1.勇輝，江蘇省宜興市東坡小學（江蘇宜興，214221）校長，高級教師；2.許春良，江蘇省無錫市東北塘實驗小學（江蘇無錫，214191）教師，高級教師，無錫市科學學科帶頭人。

近年來，我國中小學掀起了一股STEM教育熱潮，尤其是在小學科學領域，從課程標準的修訂，到課堂中工程思想及數字化技術的滲透，都表明科學教學正在朝著一個新的方向發展。需要正視的是，我國小學科學課程改革剛剛經歷了十多年的探索和發展，不僅在實踐層面上形成了以科學探究為主的特征，還具備了一定的教育文化吸納能力。當來自國外的STEM教育與中國的科學課教學發生碰撞時，極有必要對STEM的起源、特征及價值等進行理性分析，唯有如此才能變革和完善我國小學科學的教學實踐。

一、STEM教育概述

1.STEM教育的起源。

STEM教育源于美國的高等教育。1986年，美國國家科學基金會發現美國的本科教育出現了一系列教育質量危機，經過為期一年的研究，基金會發布了一份名為《本科科學、數學和工程教育》的報告。該報告針對美國高等教育階段科學、數學和工程教育存在的“最嚴重的缺陷”提出了各種建議，但這些建議大多聚焦在財力扶持、學院管理等政策領域，而非針對美國高等學院的教育改革。在隨后的十多年里，美國持續性地出現了科學技術領域人才短缺的現象，人們將主要原因歸結于“高等教育課程的內容過于平庸，缺乏激勵性”“課堂依賴于教科書，學生接觸的只是科學事實，而沒有參與科學的過程”“教學方法過于傳統并落后于時代的發展”等教育內部原因。在此背景下，STEM教育被列入美國教育改革的宏大藍圖之中，同時STEM教育也從學術思潮層面的教學主張轉變為一種國家意志層面的教育行動。以立法維度為例，美國《2015年STEM教育法》就對STEM教育進行了明確的界定，認為STEM教育是指科學、技術、工程和數學等學科的教育，其中還包括計算機科學的教育。此外，美國科學教育改革的風向標《新一代K-12科學教育標準》也首次將工程和技術教育單獨列入其中，強調要注重學生的跨學科學習和實踐參與，這一標準對我國科學教育改革產生了強大而深遠的影響。綜上可以看出，源于美國的STEM教育自發源之初就直接指向高等教育的弊端，直至今天，它的根本目的仍在于培養數量穩定的青年科技工作者，以維持、刺激和振興國家的經濟。

2.STEM教育的特征分析。

令人沒有想到的是，全球高端制造、人工智能等新興行業的空前繁榮及這些行業本身所帶有的不可阻擋的裹挾力，為STEM教育提供了新的發展機遇。其結果之一是STEM教育正在從發源地美國向其他國家快速鋪展開來，當然這與全球經濟、文化的一體化不無關系；另一結果則是越來越多的中小學開始關注并嘗試進行STEM教育的實踐探索，并呈現出令人鼓舞的教學效果和值得期待的發展態勢。

STEM教育在短時間里在世界范圍內掀起了熱潮，對它的內涵及價值也出現了各種不同的解讀：有的把STEM理解為一種跨學科課程，有的把它理解為一種整合性的教學策略，有的認為它是指向STEM綜合素養的課程培養目標，還有學者干脆提出STEM教育的核心精神就應該包括以上各種認識的綜合。[1]這些不同的理解直接影響了STEM教育的實施方式和效果。

相比于分析它的抽象內涵和價值，從顯性的特征角度對STEM教育和傳統單科教育進行比較，可能更具有現實意義。不難發現，STEM具有如下重要特征，見表1。

STEM教育最核心的特征在于通過團隊合作的方式，讓學生綜合運用科學、技術、工程和數學等學科知識解決現實生活中的真實問題，以學生為中心、充足的時間、明確的結果和跨學科任務等是學習的關鍵要素。

3.STEM教育與小學科學課程的碰撞。

我國的STEM教育將小學科學作為主要的切入學科，這不僅是由它首字母“S”所代表的“科學”一詞所決定的，更是因為科學學科自身的特點。美國科學促進協會對科學有過描述：“基礎的和可應用的自然與社會科學、數學、工程和技術以及它們之間的相互關系，也就是說科學事業是一個整體。”[2]由此可見，科學課程從一開始就包括了科學、數學以及技術等基本要素。因此，與其說是STEM選擇了科學課程，倒不如說科學課程本身為STEM教育的興起提供了天生的沃土，我們甚至可以將STEM教育理解為科學課程的另一種形態。如果說得再透徹一些，STEM教育對小學科學課程的價值并不在于它所提出的基于多學科內容整合的課程結構形態，而在于其所倡導的基于真實問題情境下所采用的跨學科整合的課程實施形態。這正好直接指向并對應解決我國小學科學課程長期以來存在的兩個主要缺陷：一是以STEM真實情境任務彌補科學教學內容的弱趣味性和超現實性之缺陷。小學科學課程中很多知識及其呈現方式老舊，這導致學生科學學習的興趣日益下降。而基于生活情境的問題能夠迅速有效地把學生吸引到真實有趣的學習活動中。二是以STEM項目學習、工程產品設計等彌補科學教學方式單一化和程式化之缺陷。傳統的講授法教學看似高效，實則弊端不少。至于探究式學習，稍有不慎也極易陷入死板的程式化陷阱，把原本應當是靈活多變的、開放性的實驗探究硬生生地變成按部就班式的僵化流程操作。STEM教育的出現恰好為我們審視并改進科學教學提供了契機。

二、STEM視角下小學科學教學的思考

作為一種舶來品，STEM教育與我國的科學教育直接完美對接的可能性較小，從現實情況來看也的確如此。我國中小學在STEM的推進過程中往往只重視創客教育、發明創造和機器編程等科技項目活動，輕視將其與科學課程進行深度整合。在教育理念層面如何協調人文性和技術性的矛盾，在教學實踐層面如何形成有效的STEM教學策略等，需要我們給予重視。

1.堅定不移地落實科學課程的基本理念。

教育或許是整個社會中最需要堅持保守主義立場的一種社會行為，因為任何一點激進都有可能造成無法彌補的遺憾。是培養合格、熟練的勞動者，還是培養德才兼備、全面發展的人？這兩個目標同樣需要整合，需要辯證地思考。在《義務教育小學科學課程標準》中，開篇即明確提出了科學課程的四大基本理念：一是面向全體學生，二是倡導探究式學習，三是保護學生的好奇心和求知欲，四是突出學生的主體地位。這些基本理念集中體現了我國的教育方針，必須不折不扣地落實在科學課程的實施過程之中，任何與之相違背的教學行動都是不可接受的。STEM教育作為一種源自西方國家的教育新事物，不管是作為一種課程形態，或是一種課程實施形態，從目前來看尚不具備全面替代現行小學科學課程實施方式的條件和時機。

以探究式學習為例，科學探究并不是STEM教育所倡導的教學方式，STEM教育希望構建的是一種在較為復雜的任務情境中培養學生設計能力與問題解決能力的教學形態，這是STEM教育的精髓所在。但小學生的年齡特點決定了他們所能夠理解的教育內容必然是人類社會發展和積淀過程中最基本的部分，最適合他們的教學方式也必然是在教師指導下的探究式學習。正如清華大學吳國盛教授所說：“科學教育的內容大概滿足某種重演律，即每個個體的受教育過程，基本重演整個人類科學發展的過程。”[3]對于新技術在科學教育中的價值，他則建議“不必過分敏感”，既不要不切實際地熱衷引進，也不必恐懼和拒絕。這種態度同樣適用于STEM教育對小學科學課程所產生的沖擊，即我們絕對不能全面擁抱STEM而拋棄探究式教學，也不能否定本文之前所述的STEM教育對小學科學課程缺陷的彌補作用。

2.探索生活問題與科學問題相互轉換的策略。

為解決真實問題而展開學習是STEM教育最重要的特征，但真實的生活問題并不等同于恰當的科學問題，這需要教師對STEM教育以真實任務展開教學的操作策略進行探索和完善，找到真實問題和科學問題之間的聯系，這也正是當前小學STEM教育研究的重要內容。

從教育心理學的角度看，發生在學生身邊的各種真實事件或那些尚待證明的奇異經驗，能夠引發他們的探究興趣。問題在于，發生在學生生活中的真實事件一般都是和某種特定的情境聯系在一起的，這些事件所蘊含的數量巨大的信息，很有可能會掩蓋住那些教師希望兒童加以關注的特征，而甄別這些特征，是掌握科學基本概念并把它轉化應用于其他生活場景所必需的。[4]因此，如果只是把生活事件完整地復制到課堂中來，那便不是明智之舉。教師需要對這些生活事件加以提煉或轉化，這樣才有可能幫助兒童去關注復雜問題中的關鍵特征，避免學生因信息過于復雜而出現困惑。也就是說，真實的生活問題具有科學學習的價值，但并不意味著它可以直接被引入到課堂教學之中來。教師一旦決定把生活事件引入課堂之中，他就首先需要在事件信息的豐富性和學生科學認識需求之間找到一個平衡點，既對生活中的科學現象加以簡化提煉以便于在課堂中進行有控制的測量或實驗，避免更多的信息干擾學生的科學探究活動，同時又能夠讓學習內容有效地激發學生的學習欲望，滿足他們對生活中相關現象的探究興趣。

以師生都喜歡的“制作投石機”為例。在生活中，學生一般以投擲得遠為標準，這契合他們日常游戲的現狀。如果課堂中教師只是要求學生把彈丸遠遠地扔出去，那么這種教學策略很明顯無法對學生的科學學習產生有針對性的幫助，因為學生的設計方案會過于自由和開放。和自由探究相比，小學生更適合在教師的指導下開展探究活動。所以正確的做法應該是：教師通過和學生一起制訂某種游戲規則來鼓勵他們提出各種各樣的問題，在限定的框架內指導設計合理的投石方案，然后不斷地驗證投擲效果并提出切實的改進方法，直至取得令人滿意的結果。比如：在制訂游戲規則時，就可以讓學生對制作材料（車架結構、皮筋數量、彈丸大小）進行限定，對投擲要求也要進一步明確，是強調彈丸落地的精準性還是距離，或者是兩者的結合。活動任務越明確，學生所學到的科學知識也就越豐富、越體系化。

3.靈活整合科學實驗和工程實驗。

科學實驗和工程實驗是科學課上最常見的兩種實驗類型。科學實驗是指學生通過觀察、對比等手段獲取證據然后解釋自然世界和人類世界，獲得科學知識的一種學習活動（比如研究黑色和白色材料哪一種更容易吸收熱量）；工程實驗則是通過設計、實踐等解決那些目標指向明確的特定任務，從而積累工程和技術方面的經驗（比如怎樣提高太陽能熱水器的吸熱性能）。這與人類認知世界的兩大傳統如出一轍：即觀察思考的傳統與行動實踐的傳統。[5]人類在真實的生活世界中更傾向于借助后者來應對各種問題，并且通過生物遺傳和文化傳承等途徑讓下一代人也具備這一習慣。比如：人會在自然界中選擇各種不同的材料及制作工藝，以便讓箭射得更遠，但卻很少有人從物理學角度去思考影響箭飛行的力學原理。小學科學課的任務之一就是讓學生親歷科學實驗和工程實驗的過程，獲得基本的科學概念，并且利用新形成的科學概念來解決生活中的相關問題，從另一個角度來看，科學概念的形成又能夠反向幫助學生更好地理解科學實驗和工程實驗的論證過程和設計原理，見圖1。鑒于學生更傾向于使用工程實驗，這就需要教師有意識地設計一些能更好反映科學實驗本質的活動，從而實現對兩者的靈活整合。

（圖1）

比如在研究“擺的快慢與什么因素有關”時，教師需要考慮以何種實驗作為學生起始階段的學習內容。一種教學思路是先讓學生通過幾組科學實驗知道擺的快慢與擺線長短有直接關系，然后讓學生根據這一科學概念設計一個10秒內擺動10次的擺，蘇教版科學教材就遵循了這一教學思路；另一種教學思路是先讓學生通過嘗試性的工程實驗制作一個10秒鐘內擺動10次的擺，然后讓學生根據制作經歷總結自己是如何來調整擺的快慢的，從而得出相關的科學概念，這一教學策略曾被路培琦老師采用。僅從形式上看，后一種教學設計更具有STEM教育的外在特征，但前者亦不失為一種選擇，它同樣實現了科學與工程的整合。但不管是哪一種教學設計，都需要教師分配更多的課堂時間用以學生的自主探究。

【參考文獻】

[1]呂延會.STEM教育的核心精神[J].當代教育科學，2017（05）：16-19.

[2]美國科學促進協會.科學素養的基準[M].中國科學技術協會，譯.北京：科學普及出版社，2001.

[3]吳國盛.技術革命與教育改革[J].人民教育，2018（01）：20-24.

[4]溫·哈倫.以大概念理念進行科學教育[M].韋鈺，譯.北京：科學普及出版社，2016.

[5]郭桂周，滕艷萍，易娜伊.試論科學教育的生命意蘊[J].教育實踐與研究，2017（06）：4-8.