中小學STEM教育的發展現狀及啟示

劉 陽 王志博 王會麗

（東北師范大學 信息科學與技術學院，吉林 長春130117）

引言

隨著社會對人才需求的不斷提高，培養創新型復合人才的STEM 教育受到各個國家的廣泛關注，多個國家都發布了本國的STEM 教育發展規劃，力求在知識經濟時代取得主導權。如美國早在20 世紀90年代將科學、數學、工程和技術融合稱為SMET。近年來，美國政府更是加大財政支持，發展STEM 教育，并于2015年頒布了STEM 教育法案。此外，德國、日本、韓國、澳大利亞紛紛出臺系列政策。我國近年來也頒布一系列相關政策，如《教育信息化“十三五”規劃》強調STEM 教育對中小學教育發展以及高素質人才培養的支撐作用[1]。由此可見，STEM 教育，尤其STEM 基礎教育廣受國內外關注。近年來，STEM 教育理念引入中小學，成為許多國家基礎教育改革政策的主導方向，許多國家的中小學開展了機器人、3D 打印、創客等一系列的STEM 項目活動，取得了一定的成果。

一、STEM教育的源起

STEM 教育的起源可以追溯到20 世紀50年代美國教育學者提出的科學素養概念。國家綜合實力的增強關鍵要依靠國民科學素養的全面提升，這一觀點受到了眾多教育者的認同。隨著科學和工程的進步，人們的生活發生了巨大的變化，技術素養開始受到教育者的關注，該時期可認為是STEM 教育的萌芽階段。1983年美國高質量教育委員會發布《國家處在危機中：教育改革勢在必行》的報告，指出美國學校的教育質量正在持續下降，相關數據也顯示，美國中小學的數學和技術等素養與其世界地位不符，這讓美國政府對未來發展產生了憂慮，出于國家的自我保護和迎接未來的挑戰，80年代，美國發起了教育改革，此次改革，主要關注綜合化核心課程，重視基礎教育。1986年，美國國家科學委員會發表了《本科的科學、數學和工程教育》的報告，首次明確提出“科學、數學、工程、技術教育的集成”的綱領性建議，被視為美國STEM 教育的里程碑[2]。2001年，美國國家科學基金會將科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineer）和數學（Mathematics)命名為STEM，其描述涉及一至多門STEM 學科的事件、政策、項目或實踐。自美國實施STEM 教育以來，在國民素質、國家競爭力、創新等方面有顯著提升，與此同時，其他國家也認識到了STEM 教育的重要性，德國、澳大利亞、日本、泰國等紛紛開展了STEM 教育的探索，加大STEM 教育的投入，特別是中小學STEM 教育的實施。STEM 教育是未來教育的發展方向，是創新型復合人才的重要培養方式，對我國傳統教育的創新有著重要意義。

二、STEM教育的內涵

STEM 是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四個英文首字母的縮寫，是一種將科學、技術、工程和數學等學科深度融合的教育。其中，科學指代科學素養，注重知識的運用，及物理、化學、生物等知識的認識和掌握并能對世界規律預測；技術指代技術素養，注重改造創新，要求學生能夠懂得技術、操作技術、運用技術、理解技術，并能夠給予一定的評價；工程指代工程素養，注重項目的設計與開發，要求學生具有工程技術的設計、開發和運用的能力，培養工程學習興趣；數學指代數學素養，注重分析推理，學生能在學習、發現和解決數學問題時培養數學思維能力，這四種素養綜合在一起，便構成了STEM 素養，即STEM 教育的目標。STEM 教育注重學科之間的關聯性，學生依靠多學科協同合作解決現實生活中的問題，旨在培養學生的團結協作、問題解決和創新思維等能力。

教育者對STEM 教育的理解各有不同，主要集中在以下三種：第一種認為STEM 教育是一門后設課程，也就是說學生在學習STEM 教育的相關獨立學科之外，再學習一門如何綜合運用這些科目的STEM 課程；第二種認為STEM 教育是一門整合型的獨立課程，由它代替STEM 教育涉及的課程，培養學生綜合運用專業知識的能力[3]，布賴納（Breiner）等的調查顯示，美國科學基金（National Science Foundation）、高校研究團體、絕大部分中小學階段的教育機構和學校等都贊同STEM 教育中最重要的理念是整合[4]；第三種認為STEM 教育是一種教學策略，通過項目學習、探究式學習等教學方式培養學生綜合運用多門學科知識解決現實問題的有效手段。目前，中小學STEM 教育的課堂實施上，主要集中在第三種觀點，推翻“滿堂灌”的教學模式，強調以學生為主體，教師利用探究式的教學方法自上而下地傳授知識，使學生自己建構知識。

三、中小學STEM教育的發展現狀

（一）中小學STEM課堂與項目

1.中小學STEM課堂

中小學的STEM 教育強調課程融合，其課堂需要教師提出實際問題，學生組成協作小組進行探究學習，在探究的過程中，學生要善于技術搜集與數據分析，并能設計、測試和改進一個解決方案，最終與同伴分享交流成果[5]。中小學STEM 課程標準傾向于學科之間的融合，根據課程標準，中小學STEM 課程重視學科知識之間的內在聯系，強調整合性學習，一些教育者提出打破學科之間的界限重新設計課程，取消分科教學，設計STEM 項目將相關學科的知識融入進去，就是我們上述所提到的將STEM 教育作為一個整合的獨立課程。然而真正落實到學校的課堂時發現，由于人類認知的局限性，取消分科教學還是很難實現。目前，美國、澳大利亞等國家在STEM 的課程設置上仍然施行分學科教學。

美國的STEM 課程設置強調整合化，其課程體系將數學、科學和信息技術等課程設置為核心課程，并設置多種多樣的選修課對核心課程進行輔助，另外，美國在K-12 階段還廣泛實施一些STEM 整合的課程[6]，例如：美國的NCSSM 學校為了培養學生的創新能力從而開發出了一系列具有挑戰性的STEM 整合課程，其課程滿足了學校和學生的雙重需要。而我國中小學STEM 課程的實施主要由校外培訓和校內課程兩種形式組成，其中，校內課程采用兩種教學方式，一種是一門學科穿插其他學科知識進行教學，另一種是單獨開設自主編寫教材的STEM 課程，例如：人大附中等學校就開發了相應的STEM 課程。

2.中小學STEM項目

項目是STEM 教育中實現課程融合的又一重要方式。中小學STEM 項目鼓勵學生自己提出研究方向，自主開展項目研究，在發現問題、提出問題、討論問題、驗證問題等一系列基于項目的學習中，培養學生的STEM素養，因此，中小學STEM 項目也是各國研究的熱點。例如：美國的PLTW（Project Lead The Way）與學校進行合作，為中小學提供成熟的STEM 課程，以及STEM 課程資源和STEM 實驗工具等。除了在校內實施STEM 項目外，國外很多國家也實施以STEM 活動學習為主題的校外中小學STEM 項目，其類型包含夏令營項目、周末項目和放學后項目等，并成立校外STEM 中心進行支持和管理[7]。

（二）中小學STEM教育教學模式

1.STEM+創客教育的教學模式

在“互聯網+”時代，STEM 教育和創客教育作為培養創新人才的有效路徑，常常被結合在一起進行研究。STEM 教育和創客教育存在很多的共性，因此，許多學者都基于建構主義與創新理論將二者融合，構建教學模式。楊維從教學活動、教學資源、教學架構和教學評價等方面進行思考，構建了基于中小學課程整合的創客教育一般模式框架[8]。趙呈領結合項目式學習和體驗式學習策略，通過基礎知識學習、確定評價標準、項目創作、展示與評價等教學環節構建了創客—STEM 教學模式[9]。

2.STEM教育與新元素相結合的教學模式

STEM 教育作為一種全新的教育范式，受到眾多研究者的關注，他們將STEM 教育與新的元素相結合，創建出了更加新穎而有效的教學模式，近幾年研究者將一些教學理論融入到STEM 教育中去，在具體的學科上進行應用，取得了良好的效果。胡喜霞將活動理論融入到STEM 教育中，構建出了基于問題的STEM 教學模式，并在機器人教學活動中進行應用。趙呈領將5E 的教學流程融入到STEM 教學中，構建出了5E 探究式教學模式，其包含參與（Engage）、探究（Explore）、解釋（Explain）、精致（Elaborate）和評價（Evaluate）五個環節[10]。

（三）中小學STEM教育對教師的要求

中小學STEM 教育的發展對教師提出了新的要求。雖然STEM 教育強調以學生為主體，但教師的作用也不容忽視，STEM 教師不僅要掌握STEM 相關學科的知識，還要具備學科整合的能力，在教學過程中引導學生進行跨學科學習、重置知識，并能及時發現學生的錯誤并作出應對。在具體的中小學STEM 活動中，首先要求教師對所包含的學科具有良好的整合能力，包括對學科內容的整合、學習方法的整合等等。其次教師在帶領學生進行基于工程技術的實踐的同時，本身也要具有一定的實踐能力；為了培養學生的批判性思維、問題解決能力、創造性思維，教師應該合理引導學生進行相應能力的培養。最后，教師要熟練運用項目式和問題解決式教學方法進行教學。教師在中小學STEM 教學中發揮著巨大作用，因此，各國紛紛展開了STEM 教師的培養計劃，力求STEM 教師的專業化。例如：美國對于STEM 教育教師的培養主要指復合型教師的培養，包括科學技術工程復合型教師（STE）、科學工程技術復合型教師（SET）和科學技術數學復合型教師（STM）等[11]。

（四）中小學STEM教育的測量與評價

由于STEM 教育不同于傳統的教育，其評價和測量的形式也具有多樣性，傳統的考試已經不能滿足其評價需求，對于STEM 教育的起源國家——美國目前也沒有一個系統完善的STEM 教育評價體系。STEM 教育目前實施綜合測評，即教師在STEM 教學過程中觀察并記錄學生的表現。除了教師評價外，美國中小學還使用全國教育進步評價（National Assessment of Educational Progress）和國際學生評估項目（Program for International Student Assessment，PISA）等來對學生的相關能力進行綜合測評。其中，全國教育進步評價是一個面對全國中小學數學和相關科目的評估平臺；PISA 項目主要集中在中小學生的數學和科學等綜合素養的評測。

四、對我國STEM教育發展的啟示

（一）建全STEM教育相關政策

對比美國歷屆政府都重視STEM 教育的投入，從布什總統開始，每屆總統都頒布了相應的政策對STEM 教育進行支持。然而我國的STEM 教育基本處于起步階段，政府的重視程度還不夠，因此，想在未來大力發展STEM 教育，必須積極建立全國性的STEM 教育相關機構或中心，發布全國性支持政策，提升國民對STEM 教育的重視，促進其更好的發展。

（二）加大STEM教育經費投入

STEM 教育需要經費的支持，STEM 相應設備價格的昂貴，設備的維護和修理等成為很大一筆開銷，一定程度上也限制了STEM 教育的發展。

建議政府加大對STEM 教育的財政投入，出臺更多的相關保護和支持STEM 教育的政策，為中小學STEM教育的開展提供足夠的設備資源。同時學校可與STEM相關企業進行合作，企業不僅為學校提供成熟的STEM課程，還可提供完整的STEM 資源和工具，能使學校有效地進行STEM 教育。

（三）重視STEM教育的師資建設

STEM 教育作為一種新型的教學理念，對中小學實施STEM 教育的教師提出了一些相應的專業要求，但是目前從事STEM 教育的高質量教師的缺乏，也使推行STEM 教育存在一些局限，授課教師學科背景單一，難以承擔重任。由于STEM 教育對教師專業性的嚴格要求，所以對STEM 教師的專業化培訓有待提升。未來必須加強專業化STEM 教師的培訓，重視STEM 教師的個性化發展，提升其地位和工資待遇，并出臺績效鼓勵政策，促進學科教師的終身學習和發展[10]。

建議加強校內、校際以及社會的合作，共同培養STEM 教育師資，促進STEM 教育的發展。同時，學校可根據自身財政情況、可用資源來設計STEM 教育師資培養方案，并尋求社會力量的幫助，促進STEM 教育師資的培養。

（四）理論研究與實踐相統一

由于STEM 教育是一個比較新鮮的領域，理論研究已經較為豐富，諸多學者提出基于K-12 的STEM 教育教學模式，如“STEM+創客教育”教學模式、基于問題的STEM 教育模式等。然而，在一線教學的開展過程中，理論研究與實踐卻存在較大差距。首先，在學校方面，我國“應試教育”體制使得STEM 教育課程受重視程度不夠，教師難以開展STEM 課程。其次，大多數實踐研究僅停留在將各學科的簡單疊加，而忽視將學科知識、內容、教學方法等深度整合。

建議中小學開展“雙師”模式，即開展STEM 教育的同時，聘請STEM 課程方面的專家實施課程或指導項目的開展，由于專家的流動性和課程與項目的實施過程存在不確定事件的發生，中小學應配一位專業對口的教師全程跟進課程[13]，保證STEM 教育的順利進行。

五、結語

國內外對中小學STEM 教育的發展都充滿了熱情，紛紛制定相應的政策支持中小學STEM 教育的發展，美國的中小學STEM 教育發展相對成熟，相較于其他國家處于領先地位，而我國STEM 教育起步較晚，存在研究不全、認識不夠深刻等諸多問題。本文通過文獻梳理，將STEM 教育的源起、內涵和發展現狀進行總結，發現了其對我國STEM 教育未來發展的啟示，以期對未來的STEM 教育的研究提供參考。