STEM教育研究與實踐的理念與路徑*
——訪不列顛哥倫比亞大學科學教育專家Samson Nashon教授

陳曉慧，徐 彬，張 哲，Jennifer Jing Zhao

(1.東北師范大學 信息科學與技術(shù)學院，吉林 長春 130117；2.加中對比教育和文化學會 加拿大，溫哥華 V6T 1Z1)

訪談者：您好，Samson教授。非常感謝您能接受我們的訪談。您是不列顛哥倫比亞大學科學教育系的主任，長期從事科學教育的研究，是此領(lǐng)域的專家。目前STEM教育已經(jīng)成為科學教育領(lǐng)域的一種新理念，請問您怎么看待STEM教育及其與科學教育的關(guān)系？

Samson教授：非常高興能夠接受你們的采訪。作為一種教育理念，STEM強調(diào)將科學(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineer)和數(shù)學(Mathematics)四個學科相融合，打破學科壁壘，以知識之間的聯(lián)系作為教學內(nèi)容組織的原則與依據(jù)，基于真實世界中的問題情境開展教學。無論是科學教育還是數(shù)學教育，都需要學習者在真實情境中，調(diào)用各類知識解決復雜問題，本質(zhì)上都是對學習者問題解決能力的培養(yǎng)。從這個角度而言，STEM教育是能夠較好滿足科學教育目標的一種教育理念，因此目前加拿大很多科學教育研究者都在積極推動將STEM教育作為開展科學教育的一種方式。

就我個人理解而言，STEM教育實施成功與否的一個關(guān)鍵因素在于環(huán)境。如何設(shè)置恰當?shù)膯栴}情境，將知識的學習與環(huán)境建立起有效的聯(lián)系是STEM教育推動者必須考慮的問題。因此，我提出了STEM(E)科學教育理念，旨在提醒教師們在實施科學教育過程中，要將環(huán)境因素(Environment)放在與教學內(nèi)容同等重要的位置上。如果在問題情境的設(shè)置環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，那么即使教學內(nèi)容具有再高的合理性，學生都很難取得良好的學習效果。

訪談者：您剛才提到了環(huán)境因素對于STEM教學設(shè)計與科學教育的實施效果具有重要的影響，能否具體解釋一下什么樣的環(huán)境因素設(shè)計是最為合適的？教師在進行環(huán)境因素設(shè)計時，有哪些需要注意的問題或遵從的原則？

Samson教授：環(huán)境因素的設(shè)計需要考慮兩方面問題。

第一，問題情境應是學習者身邊的問題。科學教育中有一個重要的理念是強調(diào)手邊的科學(Hands on Sciences)，與其將科學知識的教育情境設(shè)置在實驗環(huán)境中，不如在學習者身邊尋找科學問題，從而建構(gòu)與學習者個體相關(guān)的科學知識體系。例如，我們可以構(gòu)設(shè)這樣的問題情境：我們所在的城市有條又寬又深的河，那么如何在鞋不濕的前提下渡過這條河就構(gòu)成了一個非常好的身邊的科學問題。為了解決這個問題，我們需要了解河的寬度和深度等數(shù)學問題；如何乘船渡河、船的最大載重量是多少、如何才能不讓船沉等科學、工程和技術(shù)問題。通過解決上述問題，學習者既能學到浮力、速度等科學概念，又能將這些概念與其應用情境建立聯(lián)系，避免這些知識變?yōu)椤岸栊浴敝R，真正實現(xiàn)科學教育的學以致用原則。

第二，問題情境必須是科學問題。有些真實情境中的問題可能需要運用科學知識解決，但其并不一定是科學問題。因此，在教學過程中，我們的提問環(huán)節(jié)應注意問題的設(shè)置是否恰當，否則無論它是一個多么貼近生活的真實問題，這個問題都不宜用在STEM教育的情境設(shè)計中。

訪談者：通過您剛才的介紹，我們了解到STEM教育理念非常適于開展科學教育，但在設(shè)計STEM教學模式時要非常關(guān)注環(huán)境因素的真實性與科學性。那么，據(jù)您了解STEM教育目前在加拿大推廣情況如何？是否有一些國家或政府層面的改革推力？

Samson教授：STEM教育在加拿大比較受歡迎。就高等教育而言，我們學校有許多課程都強調(diào)采用STEM教學方式。而一些諸如建筑學和設(shè)計學等專業(yè)提出了要在STEM教育的基礎(chǔ)上加入Arts，也就是STEAM教育。

在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域采用STEAM教育理念開展的教學實踐更為廣泛。我們經(jīng)常會與溫哥華地區(qū)的部分小學合作，開展科學教育的教學改革相關(guān)研究。據(jù)了解，很多學校目前采取不分科教學的形式，多門課程由同一名教師承擔教學，而這為STEAM教育理念的推廣提供了天然土壤。

至于您剛才問到的STEAM教育改革的推動力，加拿大的政府干預行為或是自上而下的推動力量很少，而改革的動力往往來源于教師自身。在我們開展STEAM教育與科學教育改革方面的研究中，幾乎都是一線教師主動聯(lián)系我們，要求為他們提供新的教學模式和相關(guān)支撐資源。教師們表示，在面對數(shù)字土著一代的學習者時，傳統(tǒng)的知識傳授式教學無法被學生接受，學生們都可以利用工具通過自主學習獲得大量的知識。如果他們不及時進行教學理念和模式的更新，他們就會被時代淘汰。所以，加拿大STEAM教育的改革動力主要來自教師本身，政府或是學校的干預力量很少。

訪談者：您提到了加拿大STEAM教育改革的動力主要來自于教師，并強調(diào)教師采用STEAM教育理念旨在改變傳統(tǒng)講授式教學模式，您是否能夠介紹一下目前STEAM教育采用的具體教學策略？

Samson教授：早在STEM教育出現(xiàn)前，科學教育大多采用的教學模式為基于問題的學習(Problem Based Learning，以下簡稱PBL)。此種教學模式主要是通過設(shè)置一個真實情境中的結(jié)構(gòu)不良問題，引導學習者在情境中發(fā)現(xiàn)問題、尋找解決問題的方法，并從中習得知識。通過這種探索過程，學習者不僅學習到知識，而且能夠明確相關(guān)科學原理發(fā)揮作用的根本原因。我們在此方面開展了大量實證研究，研究結(jié)果均表明，這種情景式的、基于問題的、探究式的學習方式對于提升學生的批判性思維是大有裨益的。

STEAM教育理念提出并被引入科學教育以來，PBL教學模式被應用于STEAM教學的過程中。與傳統(tǒng)的科學教育相比，STEAM教學中的PBL模式盡管在教學模式設(shè)計的一般原則和基本流程方面并沒有很大改進，但是在問題的選擇與資源的利用方面須有所改進。

問題是PBL教學模式的核心，STEAM教育理念與傳統(tǒng)科學教學在問題選擇方面具有較大差異。具體表現(xiàn)為STEAM教育的問題更加綜合化，不僅要考慮問題的真實性和科學性，而且要將學習者原有知識基礎(chǔ)納入到問題設(shè)置中，教師必須詳細了解學習者已經(jīng)掌握的知識、并明確哪些知識是學習者能夠正確掌握的，哪些知識是他們?nèi)菀桩a(chǎn)生錯誤理解的。問題的設(shè)置必須建立在已經(jīng)正確掌握的知識基礎(chǔ)上，并為學習者留有足夠的空間，以利于他們通過個人探索和體驗，去糾正錯誤理解。如果學習者能夠知道他們是如何犯錯的，那么他們就能夠正確掌握這些知識。也正是因此，基于PBL的STEAM教學模式對于科學教育中的“迷思概念”(Misconception)教學具有重要價值。

STEAM教育與PBL教學模式的結(jié)合對于教育資源有了更高的要求，教師在設(shè)計此方面教學時必須考慮可利用的資源。而地方境脈(Local Context)則是教師挖掘可利用資源，設(shè)計真實問題情境與體驗情境的最佳選擇。地方境脈與學習者的生活最為貼近，以其為背景設(shè)計問題最能夠被學習者接受，并將其快速代入探究情境；最有利于教學資源的獲取，地理上的便利性將轉(zhuǎn)化為教學中的便利性，減少STEAM教學設(shè)計的代價。

訪談者：在您看來PBL仍然是開展STEAM教育的最佳教學策略，而問題設(shè)置和資源利用是PBL教學模式的核心。在資源利用方面，您提及了地方境脈是資源利用的關(guān)鍵。我們對于您提到的地方境脈非常感興趣，您是否能夠具體詳細介紹一下此方面內(nèi)容？教師如何將地方境脈融入到他們的科學課程中？

Samson教授：就像前部分所說，兩種習得方式能夠有利于科學知識的習得：一是基于錯誤的學習。相比于接受式學習，學習者在探索學習中犯錯誤，并在同伴或教師的幫助下改正錯誤，從而習得正確的科學知識，是一種更為有效的學習方式；二是基于動手操作的學習。動手操作的經(jīng)驗能夠使學習者對科學探索過程有更深入地認識，這也使得對在探索過程中習得的知識掌握情況更好。

基于這兩個前提，科學教育或STEAM教育的開展必須為學習者創(chuàng)設(shè)真實的問題情境以促進他們探索科學問題，在探索中犯錯，并基于錯誤進行學習。此外，這種問題的探索必須能夠為學習者提供動手實踐的機會，讓學習者充分分析問題情境，在此基礎(chǔ)上進行科學問題解決，這樣此類實踐體驗會成為他們個人經(jīng)驗的一部分，從而使得在實踐過程中習得的科學知識更加扎實。

因此，教師在利用教育資源進行STEAM教學設(shè)計時必須充分考慮學校資源與地方資源。例如，如果我們要設(shè)計一節(jié)以“海洋生物”為教學內(nèi)容的STEAM課程，可以采用兩種方式：其一為將學生帶到溫哥華海洋生物館進行參觀，然后回到教室中，基于參觀內(nèi)容進行課程內(nèi)容探究；其二為直接在海洋生物館上課，邊參觀邊學習。由于溫哥華地區(qū)臨近大西洋，有豐富的海洋生物資源，所以在設(shè)計相關(guān)科學教育時要充分利用此類地方境脈，而不要舍本逐末，選擇沙漠、濕地等境脈設(shè)置STEAM探究情境與問題。

而地方境脈的有效利用也需要地方政府、場館機構(gòu)、高等院校以及中小學之間協(xié)同合作。其中特別要明確的是場館機構(gòu)的作用，在目前的合作體系中，場館機構(gòu)往往是提供實踐場地的一方。而場館工作者對場館資源掌握程度最高，其不僅應當扮演資源提供者的角色，更應當參與STEAM活動設(shè)計，并根據(jù)活動反饋對場館資源進行二次開發(fā)，以使其能夠更好地滿足科學教育的需求。

訪談者：您已經(jīng)對加拿大的STEAM教育實踐及其與科學教育的關(guān)系進行了詳盡地介紹。除了STEM教育實踐外，您是否能夠介紹一下您了解的加拿大科學教育研究的開展情況？

Samson教授：好，那我就以我們團隊目前開展的相關(guān)研究為例，為大家介紹一下。首先，從科學教育教師的角度，我們的研究主要關(guān)注了科學課程的本質(zhì)及其教學理論和教學模式的發(fā)展。理解科學課程和教學的本質(zhì)是開展科學教育一切工作的基礎(chǔ)，它影響著教師開展科學教育的方式與教學設(shè)計的理念。科學課程區(qū)別于傳統(tǒng)的分科課程，它凝結(jié)了自然科學多個學科中對世界的探索方式以及問題解決方法，這與STEM教育的觀念是極其吻合的。科學教育工作者需要深刻理解這一特點，才能在教學活動中培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)與科學探究精神。而針對科學教育相關(guān)教學理論與教學模式的研究，對開展科學教育教學活動，進行科學教育課程改革具有重要的指導性意義。

針對科學教育學習者，我們主要從現(xiàn)象學的角度來研究學習者所持有的科學概念本質(zhì)及其特征，并通過教學活動中的研究探討學習者的先前知識和經(jīng)驗、社會文化背景以及學習背景對個人和群體學習的影響。同時，我們還關(guān)注科學學習的深層元級機制，這一系列的研究側(cè)重于識別、描述和理解在知識構(gòu)建中的作用。這些研究成果將幫助科學教師結(jié)合學習者的認知特點，在充分利用當?shù)刭Y源的基礎(chǔ)上設(shè)計課程和教學模式。此外，學習者的學習表現(xiàn)是任何課程和教學改革的重要動機。通過對基于學習者認知特點的科學教育模式改革，將有利于幫助學習者更好地認知科學世界、形成規(guī)范科學的意識。

訪談者：我們對您提出的規(guī)范科學的概念非常感興趣，您是否能夠詳細介紹一下？

Samson教授：好的。規(guī)范科學是從我們在開展科學教育的教學實踐中凝練出來的。在科學教育課程的實施過程中，我們發(fā)現(xiàn)學生對于科學的認知是不明確的。什么樣的知識可以被視作科學？這些科學中哪些是被大眾接受，具有指導意義的？為了幫助學生們更好地認識這樣一系列問題，我們向?qū)W生提出了“規(guī)范科學”的概念。

在教學實踐中，我們會告訴學生們那些被科學家們所認定的科學屬于規(guī)范科學。這一類科學往往具有一些特點：第一，它是一門科學，是對真實存在的現(xiàn)象或規(guī)律的一種總結(jié)與歸納，符合基本常識；第二，是通過實驗數(shù)據(jù)與實驗現(xiàn)象來表征結(jié)果的，能夠通過實驗或者計算進行多次重復驗證的；第三，它是得到了科學家們普遍認可的，具有一定權(quán)威性和普適性的。當然，這樣的一些“科學”我們特指的是自然科學，而非人文社會科學的范疇。

在向?qū)W生們傳遞“規(guī)范科學”的概念時，我們也注重學生批判性思維的培養(yǎng)，鼓勵學生在學習過程中提出質(zhì)疑。在條件允許的情況下，我們會通過多種方法(如開展實驗、實地觀察、觀看影像資料等)來驗證學生們提出的質(zhì)疑。除此之外，我們還會邀請一些相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域的專家學者，通過更加易懂的方式、科學化的方法來為學生們答疑解惑。通過這樣的教學設(shè)計，既培養(yǎng)了學生的批判性思維，同時也提升了學生對科學學習的興趣和對科學探究的向往。而在學習過程中所形成的價值觀念、認知世界的方式以及形成的科學探究基本素質(zhì)與精神，都將對學生未來發(fā)展與職業(yè)選擇具有重要意義。

訪談者：非常感謝您對我們問題的精彩解答，為我們詳細講述了加拿大科學教育與STEM教育的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀，這對我們的研究具有非常重要的啟示。再次對您接受我們的訪談表示由衷感謝！