交叉融合的STEM教育：背景、內涵與展望

袁智強

摘要：“中興事件”反映了中國核心技術受制于人的局面沒有得到根本性改變。從中小學甚至幼兒園開始滲透STEM教育理念、培養理工科思維的需求變得越來越強烈。STEM教育包括分科式STEM教育和整合性STEM教育。培養核心素養是開展STEM教育的重要目標。一方面，要立足常規課堂，扎實做好分科式STEM教育;另一方面，要通過改造傳統課堂或借助綜合實踐活動課程、校本課程和社團活動等機會，努力開展整合性STEM教育。

關鍵詞：交叉融合 STEM教育 整合性 分類框架 核心素養

一、STEM教育的背景

STEM教育理念源自美國，起因是20世紀50年代，蘇聯的衛星首先成功升入太空，給美國帶來了極大的刺激，使美國認識到發展科技的重要性。此后，美國政府將STEM教育上升到國家戰略層面，出臺了一系列的政策和措施。當下，STEM教育理念在中國的推行亦有其現實背景：

（一）核心技術——被人卡住了脖子

進入21世紀，中國的綜合國力日益強盛。然而，與美國等發達國家相比，中國在很多領域的技術仍然比較落后，處處受制于人。一個標志性的事件是“中興事件”。2018年4月16日，美國商務部宣布未來7年將禁止美國公司向中興通訊公司銷售零部件、商品、軟件和技術。禁售的理由是中興通訊公司違反了美國限制向伊朗出售美國技術的條款。如果這一制裁措施正式生效，這家中國最大的通信設備上市公司將“立即進入休克狀態”。2018年6月7日，美國商務部宣布與中興通訊公司達成和解協議。但是，中興通訊公司需要支付10億美元罰款，另需準備4億美元交由第三方保管。此外，美國選擇合規團隊進駐中興通訊公司，并要求其在30天內更換董事會和高管團隊。“中興事件”正式塵埃落定。“中興事件”的“解決”方式令人遺憾，發人深省。其中的關鍵原因在于中國還不能生產高精度的芯片。

“中興事件”表明，中國的核心技術受制于人的局面沒有得到根本性改變。《科技日報》于2018年上半年刊登了包括芯片制造在內的35項“卡脖子”技術，涉及半導體、機器人與自動化、裝備制造、信息技術、生物醫藥、航空航天等領域。這些核心技術的研究不是一朝一夕之功，需要一代又一代人的不斷努力。因而，從中小學甚至幼兒園開始滲透STEM教育理念、培養理工科思維的需求變得越來越強烈。

（二）數理學科——不容樂觀的現狀

雖然培養高素質理工科人才的呼聲越來越高，數學和物理等理科在中小學的地位卻受到了一定程度的挑戰，而工程思維在中小學更是難覓蹤跡。2013年10月，新浪微博關于“數學該滾出高考嗎？”的調查顯示，10萬多網友參與投票討論，其中7萬多網友支持“讓數學滾出高考”。如果說，“讓數學滾出高考”只是一種情緒宣泄，那么“讓物理滾出高考”則在很大程度上已經成為一種現實。2017年高考，浙江全省29.13萬考生中選考物理的只有8萬多人;在上海實行新高考改革的第一年，選擇物理科目的考生僅占總人數的30%。“讓數學滾出高考”“新高考棄物理”，那么誰來研究那些卡住我們脖子的亟待攻克的核心技術？

（三）未雨綢繆——刻不容緩的行動

2017年10月18日，習近平總書記在中國共產黨第十九次全國代表大會上做報告，提出要加快建設創新型國家和世界科技強國。2018年1月19日，國務院印發《關于全面加強基礎科學研究的若干意見》，提出要堅持從教育抓起，潛心加強基礎科學研究，對數學、物理等重點基礎學科給予更多傾斜;完善學科布局，推動基礎學科與應用學科均衡協調發展，鼓勵開展跨學科研究，促進自然科學、人文社會科學等不同學科之間的交叉融合。2018年9月17日，教育部等六部門聯合印發《關于實施基礎學科拔尖學生培養計劃2.0的意見》，要求“促進學科交叉、科教融合”，提出要把促進交叉作為拔尖創新人才培養的重要途徑，建設跨學科課程體系，組建跨學科教學團隊，設立交叉學科研究課題，為拔尖學生參與跨學科學習和研究創造條件。

一些知名企業家、數學家、科學家和高等學府做出了積極的響應。例如，阿里巴巴董事局主席馬云邀請田剛等數學家于2018年9月開始啟動全球數學競賽。騰訊科技董事會主席馬化騰于2018年11月9日正式宣布投入10億元設立騰訊基金，與北京大學教授饒毅等科學家共同發起設立“科學探索獎”。北京大學和清華大學等高等學府設立“數學英才班”等理科實驗班……

如何吸引更多的優秀人才從事基礎研究和科技創新？教育界如何為建設創新型國家和世界科技強國做貢獻？STEM教育被寄予厚望。

二、STEM教育的內涵

STEM教育究竟是什么？學術界雖然一致認可STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四個英文單詞首字母的縮寫，但是對STEM教育到底涉及上述四個學科領域中的一個、兩個、三個、四個，又或者拓展至更多，有各種各樣的說法。此外，開展STEM教育的目標是什么？開展STEM教育的形式是怎樣的？這些問題也都沒有形成統一的認識。

（一）STEM教育的分類

鑒于上述事實，筆者在梳理相關文獻的基礎上，結合國家政策需求和教學實際情況，提煉出了一個STEM教育的分類框架，如圖1。

瓦斯奎茲等人依據學科之間關聯度的增加，將STEM教育的整合水平劃分為四個層次：分學科（disciplinary）STEM教育，多學科（multidisciplinary）STEM教育，跨學科（interdisciplinary）STEM教育和超學科（transdisciplinary）STEM教育。

分學科STEM教育層次，教師將引導學生按照傳統方式，在每個STEM學科中分別學習相應的知識和技能。多學科STEM教育層次，教師仍然引導學生在每個STEM學科中分別學習相應的知識和技能;雖然可能涉及同一主題（例如數學和物理中都涉及向量），但是教師在講授這些主題時并沒有引導學生建立相應的聯系。跨學科STEM教育層次，教師將引導學生從兩個或更多學科的角度學習有緊密聯系的知識和技能。超學科STEM教育層次，教師將引導學生把從兩個或更多學科學到的知識和技能應用到真實世圖1界的問題中，從而幫助學生獲得更豐厚的學習體驗。

前兩種STEM教育采用傳統的教學方式，統稱為分科式STEM教育。后兩種STEM教育特別強調學科的交叉融合，統稱為整合性STEM教育。雖然整合性STEM教育特別強調跨學科的特征，但是在培養高素質理工科人才的大背景下，傳統的分科式STEM教育——科學（物理、化學、生物學、地理等）教育、技術教育、工程教育和數學教育等，仍然應該加強，也應當屬于STEM教育的范疇。

跨學科STEM教育往往基于問題，采用STEM相關課程整合模式，也就是說：把科學、技術、工程和數學等STEM學科分別看作單獨的學科，在學習過程中獨立運用，以實現學科交叉融合，但各學科教學內容的安排會注重彼此之間的聯系。超學科STEM教育往往基于項目，采用STEM廣域課程整合模式，也就是說：不再強調單獨學科的學習，而是針對活動項目把STEM作為一項綜合技能，讓學生綜合利用科學、技術、工程和數學等學科領域知識來解決問題。在STEM廣域課程整合模式中，又可以分為中心項目模式、學生主導項目模式和使用學生主導項目作為課程內容的模式。

（二）STEM教育的目標

我國當前的基礎教育改革十分關注培養兩類核心素養：一類是學生核心素養，另一類是學科核心素養。中國學生發展核心素養，以“全面發展的人”為核心，分為文化基礎、自主發展、社會參與三個方面，綜合表現為人文底蘊、科學精神、學會學習、健康生活、責任擔當、實踐創新六大素養。學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力。例如，數學學科核心素養包括數學抽象、邏輯推理、數學建模、直觀想象、數學運算和數據分析。

培養核心素養是開展STEM教育的重要目標。STEM教育既關注學生核心素養的培養，也關注學科核心素養的培養。相比而言，分科式STEM教育更加關注學科核心素養的培養;整合性STEM教育中的跨學科STEM教育仍然立足于學科本位，重點關注學科核心素養的培養;而超學科STEM教育則超越了學科本身，重點關注學生核心素養的培養。培養核心素養，提升交流、合作、批判和創新等“21世紀技能”，為建設創新型國家和世界科技強國做貢獻，是我國開展STEM教育的目標。

（三）STEM教育的實施

如何開展STEM教育？一方面，立足常規課堂，扎實做好分科式STEM教育，確保傳統的科學教育、技術教育、工程教育和數學教育保持高質高效;另一方面，通過改造傳統課堂或借助綜合實踐活動課程、校本課程和社團活動等機會，努力開展整合性STEM教育。

每一個從事分科式STEM教育的教師都可以通過改造傳統課堂的方式開展跨學科STEM教育。例如，在科學或數學或工程課中，整合技術以及至少另外一個STEM學科的內容;或在技術課中，整合工程、科學或數學中的至少兩個STEM學科的內容。這里強調技術不可缺少，是因為信息技術與學科教學深度融合的理念已經深入人心。但是，如果只有技術與單一的STEM學科，則與原來的教育理念沒有太大的區別，因而要求跨學科STEM教育要有包括技術在內的三個或三個以上STEM學科的內容。每一個從事分科式STEM教育的教師還可以借助綜合實踐活動課程、校本課程和社團活動等機會，基于項目式學習開展超學科STEM教育，在此過程中整合科學、技術、工程或數學等三個或三個以上STEM學科的內容。

此外，從建設創新型國家和世界科技強國這一根本立足點出發，STEM教育可以進行拓展，加入更多元素，成為“STEM+”教育。例如，在STEM教育中加入“藝術（Arts）”，成為STEAM教育——當然，藝術的引入在于更好地實現原有的STEM教育目標，而不是用STEM作為媒介表征或學習藝術;在STEM教育中加入“社會（Society）”，成為STEMS教育，倡導科技人文融合創新。

三、STEM教育的展望

（一）中國STEM教育頂層設計出臺

2016年6月，教育部印發的《教育信息化“十三五”規劃》首次提出：在有條件的地區要積極探索信息技術在“眾創空間”、跨學科學習（STEM教育）、創客教育等新的教育模式中的應用。2017年3月，教育部頒布的《義務教育小學科學課程標準》中增加了“技術與工程領域”，首次融合了STEM教育中的工程教育。2018年1月，教育部頒布的2017年版普通高中信息技術、通用技術、物理、化學、生物學和地理等課程標準中都提到了STEM教育理念。

當前，STEM教育已經在我國一些發達地區和中心城市（如北京、上海、廣州、深圳、南京、成都等）逐步展開，許多學校開展了一系列相關的STEM教育教學實踐。對此，不少機構和企業設立了相關的研究中心。如，自2017年6月開始，中國教育科學研究院成立了STEM教育研究中心，在各省市建立了一批STEM教育協同創新中心，組織召開了中國STEM教育發展大會，發布了《中國STEM教育白皮書》《STEM教師能力等級標準（試行）》等文件，啟動了“中國STEM教育2029行動計劃”。上海STEM云中心等一大批企業開始介入中小學STEM教育。

然而，與美國將STEM教育上升到國家戰略層面，先后于2013年5月發布《聯邦政府關于科學、技術、工程和數學（STEM）教育戰略規劃（2013—2018年）》，于2016年9月發布《STEM 2026：STEM教育創新愿景》，以及于2018年12月發布《制定成功路線：美國的STEM教育戰略》等綱領性文件相比，中國STEM教育的頂層設計尚未形成。期待中國整合政府部門、企事業單位、大學和中小學等方面的力量，盡早研制形成中國的STEM教育頂層設計。

（二）各地區STEM教育政策順利落地

2018年9月26日-27日，江蘇省第二屆STEM教育大會在無錫市召開。由江蘇省教育科學研究院中小學教學研究室、南京師范大學教育科學學院和江蘇鳳凰數字傳媒有限公司聯合建立的江蘇STEM教育協同創新研究中心，在大會現場發布了《江蘇省基礎教育STEM課程指導綱要（試行）》（以下簡稱《綱要》）。這是全國首個省級STEM教育綱領性文件。《綱要》的研制堅持目標導向（規范引領STEM教育實踐）、問題導向（解決本土STEM教育問題）和績效導向（促進學生STEM素養提升），堅持一體化設計、結構化設計和本土化設計。《綱要》包括課程性質與基本理念、課程目標、課程內容、課程實施、課程評價、課程保障與管理等方面的內容。《綱要》指出，STEM課程的總目標是提高每個學生的STEM素養，涉及知識融通與應用、系統設計與創新、物化實踐與表達、文化體驗與認同、科學態度與責任等五個維度。

中小學及幼兒園的STEM教育是一個新事物，《綱要》也是一個新事物，因而需要不斷總結經驗，在實踐中改進和完善。期待這份《綱要》能夠在實施過程中不斷完善，形成一個可供其他省市借鑒的藍本，從而促進各地區STEM教育政策的出臺和順利落地。

（三）學校STEM教育活動有序開展

當前，眾多的中小學和幼兒園正在積極探索STEM教育。一批教師在此過程中涌現出來，如北京市景山學校吳俊杰、浙江省溫州中學謝作如等。學校投入大量資金建立了一個又一個創客空間和STEM實驗室。創意電子設計、3D打印、激光切割、機器人編程等創客教育和STEM教育的相關課程正在如火如荼地開設著。

然而，學校STEM教育活動應該如何開展，課程應該如何設置，專業的師資力量到底從何而來，這一系列的問題都還沒有很好地解決，從而導致課程質量良莠不齊，教學效果大打折扣。開展STEM教育應該不忘初心：一方面，要立足常規課堂，扎實做好分科式STEM教育，培養學科核心素養;另一方面，要積極創造條件開展整合性STEM教育，在關注學科核心素養的同時，更加關注學生的交流、合作、批判和創新等方面的能力。

（四）各類STEM教育研究扎實推進

STEM教育的順利開展需要一系列研究成果的支撐。STEM教育相關理論的研究、國內外STEM教育政策的研究、STEM教育課程設計的研究、STEM教育教學模式與學習模式的研究、STEM教育評價的研究、STEM教育相關工具的研究、STEM教師教育的研究以及STEM正式與非正式學習的研究等領域都需要進一步的探索。

除了政策解讀和經驗介紹以外，我們需要更多基于實證的STEM教育研究成果。期待我國的STEM教育者們研究者們響應《教育實證研究華東師范大學行動宣言》（2017年1月14日）的號召，產生一系列的研究成果，從而指導STEM教育教學實踐。

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