從素養到STEM素養

陸庭鑾

摘要：從素養引入，重點闡述與理解素養、科學素養、學科核心素養、STEM素養由來與內涵，并就如何培養學生的STEM素養提出一些建設性的意見。

關鍵詞：素養;科學素養;學科核心素養;STEM素養

文章編號：1008-0546（2019）04-0022-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.04.007

我們在教學過程中經常會遇到一個熱詞：素養，素養是什么？科學素養又指什么？STEM素養指什么？它們之間有什么關聯？如何準確地把握其內涵？特別是現代教育中如何采取有效措施培養學生的STEM素養。

一、素養

對于素養的基本理解，有3個典型的解釋。解釋1：由訓練和實踐而獲得的技能。解釋2：在特定的復雜真實情境下，個體完成某項任務所具有的先決條件，是可學、可教、可測的。解釋3：素養是決定一個人的行為習慣和思維方式的內在特質。

從廣義上素養可以理解為“三個做”即“能做什么、想做什么、會怎么做”。“能做什么”即要求學習者具備一定的基礎知識與基本技能;“想做什么”取決于學習者對自我的角色定位與認知;“會怎么做”取決于學習者的個人品質和學習動機及價值觀。有專家指出，素養是一個人的“精神長相”、是一個人的“人格”（品格）、是一個人的“行為習慣”、是一個人的“思維方式”，[1]。

當然素養可分為顯性素養與隱性素養，冰山理論認為，海面之上的顯性的知識與技能易獲得，而海面以下的隱性素養，如學習動機、個人品質及價值觀常隱于海平面以下的需要在長期實踐活動中獲得。

二、科學素養

科學素養的概念最早是在上世紀提出的，到了上世紀五、六十年代開始被不斷地報道。國際經濟合作組織（OECD）、國際學生科學素養測試大綱（PISA）及，美國學者米勒分別從評價角度、學習的視角及公眾的視角加以觀察和研究。一般認為，科學素養由3個部分所構成：科學知識研究過程及科學方法、個體的決策能力。它是在美國最早提出的，要認識科學素養，首先從東西方的科學科技發展過程理解，歐州從文藝復興運動開始，科學技術得出了迅猛的發展。可以說，“今日科學的出現，不是利益于《圣經》，而是利益于文藝復興。文藝復興并非一個政治運動或宗教運動，它是一種新的心態”[2]。

那么，科學素養提出的背景是什么呢？在20世紀中葉，前蘇聯的科學技術的迅猛發展，促使美國人對曾經走過的科技道路進行了反思，重新思考科學教育改革的方向;歐州發達資本主義國家的工業革命的發展，促進了其科學技術的發展，同時也帶來了一些不利的負面的影響，正確處理好科學技術的發展與社會自然和諧發展已顯得非常重要了;由于科學技術的迅猛發展，在能源、環境及隨之產生一系列問題，在公民素養的調查中發現很多的公民缺少認識或不認識，社會的變革與發展需要大量有科學素養的公民。

結合以上背景，科學素養（Scientific Literacy）被提出，1989年，美國國家促進會（AAAS）針對此提出“2061計劃”或《面向全體美國人的科學》（Science for all Americans），科學素養第一次被提出，同時對科學素養進行了界定，“具備并使用科學數學和技術學的知識做出有關個人和社會的重要決策”。在這個概念中，特別提及素養所涉及的知識與決策能力。

隨之，制定了相配套的課標，美國在提出“2061計劃”之后不久出版了《科學素養的基準》，主要論述科學素養的確定及教學設計的確定。1996版美國國家科學教育標準（NSES），明確提出科學素養是“一個人能識別國家和地區決定所賴以為基礎的科學問題，并能提出有科學技術根據的見解”。NGSS2013提出了新的科學教育標準，指出“跨科概念與核心概念、科學與探究共同構成了自然科學領域有效科學學習的3個維度，其中每個維度都有不同的行為目標。”

我國在2001年頒布的國家義務教育化學、物理與生物和科學標準中，科學素養被提出，公之于眾，2011版《化學課程標準》在《前言》部分提出了培養與提高學生的科學素養[3]，科學素養統領課程目標，具體表現為知識與技能、過程與方法、情感、態度與價值觀，科學素養從提出到今天已近17年。可以說科學素養是新課程改革的主旋律與主旨，一直在實施與強調。

三、學科核心素養

科學素養的落實終究要具體到學科，通過學科的教育教學實現學生素養的提升。可以理解為學科核心素養是在科學素養基礎之上基于學科的特點而提出的，是學科素養的具體落實與深化。每一個學科有它與其他學科共性的東西，但更多地，每一門學科也有獨特的自身的一些功能，有它獨特的思想與方法。就好像是“理發”與“美發”關系，后者要求更加的具體與精美[4]。

我國的化學學科核心素養的制定又是在學生發展核心素養基礎之上提出的，是為了實現立德樹人的目標的。它們之間的關系是具體與抽象、部分與整體的關系。針對化學學科的具體特點，《普通高中化學課程標準（2017版）》提出學科核心素養的具體5項指標。這些學科素養是在三維目標基礎之上的繼承與創新、發展與超越，更加具體與水平化[5]。

四、STEM素養

1.STEM的提出與確立

近幾年，美國學者在不斷思考與探討新一代的國家科學教育標準（NGSS），培養學生哪些科學素養？是傳統的知識？還是能力與方法？還是指向具體實踐的跨學科的、技術設計的新思想與新方法？可以認為，STEM的提出是教育理念的不斷轉變與深化，20世紀50年代以來，美國共經歷了4次科學課程改革，前2次的課程改革過分關注學科與社會、技術及環境的關系，卻忽略了學科本身的學科本質及學科整合教學。人類在關注本體知識的同時，更應關注知識的統整，具體到如何確立一個真實情境下某個工程的問題，怎樣做一個計劃，怎樣解決工程問題所需要的技術與相關的證據[6]。與此相適應的，強化課程整合（Currieulum Integration）是20世紀80年代以來課程設計領域出現的新趨勢。有學者預言，課程整合將是未來21世紀課程設計的主流。

2011年美國頒布了《K-12科學教育的框架：實踐，跨學科概念與核心概念》，明確指出：科學教育從傳統傳授零碎與分散的知識轉向整合的知識，科學教育應包括實踐、跨學科概念與核心概念3個維度，并且對3個維度提出了具體的學習標準與要求。并且針對此標準提出了6個跨學科概念，分別是模式、原因與結果、比例與數量、系統和系統模型、能量和物質、結構和功能[7]。

2013年6月發布的美國《新一代科學教育標準》（NGSS）（第四代科學課程改革階段）中明確要求在美國的科學教育中要整合技術工程和數學教育。

2015年美國正式頒布了STEM教育法案。

我國研究起步較晚些，在我國基礎教育階段還沒有建立起較為完善的STEM教育體系，還處于探索階段，對于STEM教育的理念還沒有普及，相關教育的政府文件相對較少。還需要學習與借鑒美國先進的教育經驗，結合我國實際教育現狀，探索有效的教改措施。

2.STEM教育內涵的基本理解

STEM教育是一種基于整合的教育，它是在真實情境之下，面對真實的問題或任務，通過有效設置問題、角色扮演、合作學習達到解決實際問題的目的。它的特點是：情境與合作、跨學科整合、問題驅動[8]。其中各字母代表的涵義分別為：

S-科學（Science），了解新知識、探究新知識的科學方法，往往涉及提出問題、做出假設、制定計劃、進行實驗、得出結論、反思與評價等。

T-技術（Technology），它是在科學探究的過程中為了解決實際問題做出某些改進或創造的手段，包括選擇材料、選擇工具、技巧與方法等。

E-工程（Engineering），以工程師身份，對某一個項目學習制定出一整套科學的程序，包括明確任務、制定計劃、實施步驟、初步試驗、修改原型、迭代優化與產品定型等。

M-數學（Mathematics），它是人類解決問題或進行每項科學研究時所涉及到的對客觀世界的描述或運算過程，包括測量數據、數據列表、曲線描述與數學關系描述等。

3.STEM素養的基本理解

在我國，對于STEM素養的正式文件見于教育部2016年6月頒布的《教育信息化“十三五”規劃》，在這份文件中明確指出“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，著力提升學生的信息素養、創新意識和創新能力。”這標志著STEM教育改革在中國走上了正規化快速道路，切實采取有效措施培養學生的STEM素養顯得十分的必要與重要。STEM素養分別體現四類不同的素養，分別為：科學素養技術素養、工程素養與數學素養等。

科學素養是運用科學知識理解自然界并參與影響自然界的有關決策的能力。科學素養的形成必須具備一定的科學知識.科學能力與科學的態度。

技術素養即使用、管理、理解與評價技術的能力。其基本內涵是技術知識與工具、技術能力與方法、技術意識與態度。

工程素養是對技術的工程設計與開發過程的理解能力。涉及工程知識、工程設計與技能、工程意識等3個具體內涵。

數學素養是學生在解決實際數學問題時分析、判斷、遷移及推理等能力。涉及數學知識、數學能力、數學意識與態度等[9]。

4.化學教學與STEM素養的培養

（1）案例

教學中有關水的性質的教學。

提出問題：能源問題涉及到國家的振興與發展，涉及到千家萬戶，利用好水資源解決能源危機，實際解決問題的過程中需要綜合考慮哪些因素？請你以工程設計的視角，需要進行哪些步驟和技術的改進？小組進行討論，形成一系列問題，如科學問題技術問題、工程問題及數學問題，現列舉如下。

需要解決的科學問題有：了解其中的物質轉化及能量轉化情況，采用何種形式的能量的轉化，能否采用合適的催化劑，從定性和定量角度分析水轉化為氫氣的宏觀與微觀特征。

需要解決的技術問題有：主要涉及在水分解過程中，采用的裝置分析，電極的選取、氫氣產生的速率的影響因素、電壓的大小及氫氣的收集等問題。

需要解決的工程問題有：從整體上統籌考慮，主要考慮在電解過程中團隊合作意識、安全意識、制取氫氣的成本等，如何優化方案使方案更具有實用價值與社會推廣價值。

需要解決的數學問題有：從定量角度進行分析，消耗的能源與產生的能量的比較分析，理論產生的氫氣量與實際產生的氫氣質量分析，容器的體積與承受的壓強的數據分析等。

（2）培養途徑

在實際教學中實施項目化學習設計是培養學生STEM素養的有效途徑，根據深度學習的相關特征，形成項目化學習整體設計的一般程序與模式，提出4個方面的總體設計，即4個實施階段，一是以項目為根，注重真實問題情境的創設;二是以體驗為主，注重主體獲取新知;三是以交流為介，注重主體的實踐;四是以整合為標，注重工程價值設計。在具體實施時，第1階段重點是挖掘有價值的工程問題，確定具體的學習項目，體現生活化與社會化的特點，培養學生的科學素養;第2階段重點是通過主體參與與體驗獲取新知，在此過程中培養學生實踐能力與科學精神;第3階段是強化學生角色培養，進行科學問題的探討及技術的改進，培養學生的技術素養科學素養等;第4階段重點是整合有關知識，整體進行工程設計，綜合考慮一些因素，進行角度體驗，設計出合理的方案，培養學生的工程素養、科學素養及數學素養等。

參考文獻

[1]余文森.簡論素養的意義[J].當代教育與文化.2018（3）：1-3

[2]錢旭紅等.改變思維[M]上海：上海文藝出版社，2012：35

[3]義務教育化學課程標準（2011版）[M].北京：北京師范大學出版集團，2011

[4]王祖浩.從科學素養到學科核心素養[J].第15屆上海國際課程論壇報告，2018

[5]中華人民共和國教育部·普通高中化學課程標準（2017版）[M].北京：北京師范大學出版集團，2011

[6]楊妙霞.美國《國家科學教育標準》中教師專業技能分析[J].化學教學，2018（6）：27

[7]李克東等.STEM教育與跨學科課程整合[J].教育信息技術，2017（10）：3-10

[8]周禮等.基于STEM理念的校本課程[J].化學教學，??? 2016（10）：13

[9]1田小蘭等.STEM素養及其在化學課程中的體現[J].教學與管理，2018（1）：107