STEM教育：基于學科整合理念的項目教學

趙真

摘 要 面對日益激烈的國際競爭局勢，美國提出STEM教育作為國家戰略發展的重要舉措。STEM教育能夠有效整合科學、技術、工程和數學等多個學科的知識和技能，對提升K-12階段的科學教育質量和兒童的科學素養有極大的推進和革新作用。本文詳細闡述了STEM教育的幾種主要觀點，認為其作為基于項目的教學，展現了學科整合理念，對提高兒童的動手能力、合作交流、綜合思維和技術創新能力等方面有積極意義，顯示了未來教育的發展趨勢。

關鍵詞 STEM教育 整合 項目教學

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2021.02.027

STEM Education： A Project Teaching

Based on the Idea of Subject Integration

ZHAO Zhen

（Department of Education， Minxi Vocational and Technical College， Longyan， Fujian 364000）

Abstract Facing the increasingly fierce international competition， The United States has proposed STEM education as an important measure for national strategic development. STEM education can effectively integrate knowledge and skills from multiple disciplines such as science， technology， engineering and mathematics. It also can greatly promote and innovate the quality of science education in k-12 stage and the scientific literacy of children. This paper elaborates several main viewpoints of STEM education. It is believed that it is a project teaching based on the idea of subject integration and social transformation， and then it has positive significance to improve children's practical ability， cooperative communication， comprehensive thinking and technological innovation ability. It shows the development trend of education in future.

Keywords STEM education; integration; project teaching

1 問題的提出

1986年，美國國家科學委員會發布了“本科的科學、數學和工程教育”報告，該報告首次明確提出“科學、數學、工程和技術”整合教育的建議，一個具有國家戰略意義、以培養綜合性、創造性人才為目的的教育改革浮出水面。盡管美國提出STEM教育始于對本科階段理工科教育的反思，然后延伸至K-12階段，由此打通了從幼兒園到大學的STEM教育。然而，我國對STEM教育聞風而動的實踐者多為幼兒園、中小學教師，他們熱衷于教學實踐與改革，樂于接受新的理念并積極探索，營造了國內STEM教育的追趕浪潮。但是，多數教師對于STEM教育的實踐常常以某一課堂范例為模板來開展，將其理解為固定的教學模型，這必然導致實際教學過程中的片面解讀，教育活動很可能有悖于STEM教育本意，在理論與實踐探索中容易走彎路。因此，明晰STEM教育的內涵是首要解決的問題。

2 STEM教育內涵闡釋

有關STEM教育的內涵從“尼爾報告”開始逐漸豐富化，當前較為典型的觀點有以下四種：

2.1 STEM教育即科學、技術、工程和數學的整合教育

這是一種最經典、最原始的觀點，即把STEM教育看作科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）的跨學科整合教育。它能夠幫助教師改變當前學校教育固守分課教學的傳統，無力建立學科間內在的聯系的現狀。這四門學科分別代表了當前理工科教育最重要的知識與能力體系：科學代表敏銳的觀察、大膽地假設和小心求證，以期作出合理的解釋與預測;技術代表有意識選擇并靈活地操作使用工具，感受工具帶來的便捷與快樂;工程代表改變生活的態度，分析明確問題、設計施工與評估;數學代表以數字抽象問題，進行數據統計分析與推理。而STEM教育以某一問題入手，在真實問題情境中調動學生參與積極性，將這四門不同學科的核心價值融入其中，以核心概念的形式而不是分學科、機械化的知識來開展教育，實現知識技能的適時運用、靈活借鑒，使學生達到高層次的融會貫通。跨學科教學的難于便在于如何有機整合各個學科，并有效發揮各自的價值，科學、技術、工程和數學四者之間的關系也必然相互交錯：科學為數學提供了值得研究的有趣問題;數學的應用價值則為科學和工程提供了有力的分析數據的工具。數學還是科學研究的主要術語，在準確表達科學概念時，數學符號具有極高的價值——符號能夠促使問題簡化并進行復雜運算，更快發現事物之間的隱藏關系。此四者之間既相互依靠又相互促進，從而達成良性互動。

2.2 STEM教育即科學素養教育

科學造就了我們對世界的認知，技術則改變了世界本來的模樣。高質量的科學技術教育能夠改善環境持續惡化、社會沖突尖銳、疾病肆虐、戰爭頻發等社會困境，美國于是將STEM教育擺在了國家安全層面上。因此，培養下一代的科技素養至關重要。STEM教育的第二種觀點，即STEM教育應是科學素養教育。人的素養應包括知識、技能和態度三方面，科學素養也應是立體、全面的。曾有人從個人層面對科學素養做出了解釋：“科學素養由科學知識、研究過程及科學方法、個體的決策能力三個部分構成。”[1]1989年美國國家促進會（AAAS）發布《面向全體美國人的科學》中提到的“科學素養”遠不止于此：“科學素養包括數學、技術、自然科學和社會科學等諸多方面，如理解科學核心概念和原理，尊重自然界的同一性，懂得科學、數學和技術相互依賴的重要方法等，明確了科學素養教育除了滿足科技發展需求外，還應該幫助公民學會明智地參加社會決策和政治決策，以及有助于思考諸如生與死的哲學問題。”美國第一次從國家社會的層面闡述了對公民應具備的科學素養的期待。

2.3 STEM教育即多學科融合教育

STEM教育的內涵在不斷創新中擴展，它所包含的學科家族不斷壯大。2013年全球STEMx教育大會中STEM的后綴“x”便代表了除科學、技術、工程和數學四門學科之外，可以涵蓋的其他學科，如藝術（Art）、閱讀（Read）、社會（Society）、計算機科學（Computer science）等當前和未來社會所需要知識與技能。[2]其中，藝術包括繪畫、泥塑、手工、音樂、表演等內容，STEM與藝術合稱“STEAM”。藝術學科常常在項目中設計制作產品的外觀樣態繪制中充分展現，產品不再是冷冰冰的物質拼接裝置，而變成一件有溫度的工具、一件藝術品。按照目前的趨勢，STEM教育的所包含的學科一定越來越多，所有學科的加入都反映出一個集中的問題——社會需要什么樣的教育，我們就增加什么。從課程發展需要來看，STEM教育并非學科知識的簡單疊加，反而輕易繞過了學科知識框架，借助某一中心問題機智地挑選那些它需要的知識技能，以項目的形式驅動學習者綜合運用多種思維解決問題。因此，STEM教育的多學科整合并不是雜燴拼盤，而是考慮現實需要的意圖關聯。

3 STEM教育：基于學科整合理念的項目教學

3.1 學科整合取向的STEM教育

“整合”意指將各種相關要素聯系起來以使之融為一個有機整體的行為和過程，[3]學科整合的關鍵在于教學內容的設計。STEM作為一種跨學科的教育方式，在內容整合方面體現了超越科技、關注人文的特點。科學是人的科學，是處理人與自然關系的科學。社會生物學之父威爾遜曾說：“科學和人文藝術是由同一臺紡織機編織出來的”。[4]科學在本質上是人文的，缺少了“揚善”和“達美”的科學教育是殘缺不全的。[5]越來越多國家和地區所開展的STEM教育中，出現了“環境與健康”“畜牧養殖與食品生產”“安全與防范”等貫穿科學與人文的交叉性主題。2017年我國教育部印發的《義務教育小學科學課程標準》明確指出科學是一門綜合實踐課程，并將社會、環境等領域列進科學技術課程中，從“科學技術與日常生活的聯系”“科學技術與社會發展的聯系”以及“人類與自然和諧相處”等三個方面描述各年齡段科學課程目標。[6]與此同時，參與科學探究的兒童也應該帶著愛國的心態、服務社會的意識和環境保護的信心，才能驅動持久的創新力。

3.2 基于項目的STEM教育

普遍推廣的STEM教育是基于項目（PBL）的STEM學習，這種學習為學生提供了融入真實情景的體驗，這些體驗輔助學生的學習，幫助學生對科學、技術、工程和數學各領域里的概念形成有力而逼真的理解。為便于開展PBL模式下的STEM教育，Bybee & Landes將其過程總結為5E模型，即約定—探索—解釋—延伸—評估等五個步驟，這一模型被推為實施STEM教育的經典范式。但5E模型只是表明了STEM教育的關鍵環節，有利于STEM教育的師資培訓和實際操作，并非所有的國家和地區都采用此步驟，例如芬蘭在評估學生的理解能力時，便采用LESH轉化模型（Lesh Translation Model）。[7]但總的來說，STEM教育常常是項目導向的，因為項目導向的學習能夠較大程度達成內容的有機整合，引領兒童的知識水平從識記、領會的層次向應用、分析、綜合、評價逐步邁進，技能水平也達到適應和創新的層次。

4 STEM教育的優勢

基于項目的STEM教育相比傳統科學探究活動在動手能力、合作交流、綜合思維和技術創新等方面都有獨特的優勢，每位公民都應該通過STEM教育學習到有利于國家和社會發展的各項能力，承擔起社會責任。

4.1 動手能力是思想物化的必需

科學是“發現的世界”，工程則關乎“造物的世界”。工程項目常常以產品作為成果展示，而產品的加工制作則離不開動手能力。在從設計圖紙到成品過程中，兒童會面臨來自材料本身、設計結構、制作順序、觀點不一致等方面導致的各種意外情形，每解決一個問題，便需要調動兒童對該事物的全部認知，制作的過程相當于原有認知的重塑。早在17世紀，福祿貝爾就曾提出：“手工活動不僅為了職業訓練而考慮，更為兒童提供了一種表達手段和發展思想習慣的強有力途徑。”[9]每個人想法的可行性、材料的特性和工具的使用都需要經過物化活動來實現。

4.2 合作交流是團體共事的基礎

工程項目通常是由一個團隊展開工作，充分利用各成員的實力強項分配工作任務，同時交錯聯系的任務使得成員必須達成高度的配合。成員要能以清楚明確的方式告訴他人自己的想法，例如口頭闡述和書面表達。當遇到困難時，多個成員雖能找到多條解決路徑，但若要形成共識卻需要經過“分辯—評估—優化”，即就每個方案的不同優勢和缺點進行批判性的評估并予以結合。合作性學習提供了學習者自由表達觀點的機會，也給了他們傾聽和批判對方觀點的環境，幫助他們從同伴的身上學習長處。

4.3 綜合思維是問題解決的必然

問題解決是指一系列有目的指向的認知操作過程。[9]絕大部分STEM教育以項目形式開展，討論、設計、執行項目過程中常常會遇到各類問題，問題是否得到圓滿解決直接決定項目的完成度。兒童作為新手與經驗豐富的專家在問題解決中的差異主要體現在對原有知識經驗的搜索和提取，[10]因此問題解決最易體現思維的過程。STEM教育中的綜合思維既有思維方法的綜合使用，又有對事物整體性的把握。問題解決涉及了多學科知識的相互滲入，多數情況甚至需要考慮那些有可能相互沖突的因素。探究的過程中兒童會不斷采用比較、分析、歸納、演繹等思維方法，在不斷選擇、嘗試、確定中對原有觀念進行整合和排序，從而重組內心的觀念。

4.4 關心生活是技術創新的來源

生活是人類所有命題的根源。基于生活需求的多樣化和生活環境多變性，STEM教育所帶來的不僅是兒童科學素養的提升，而且是師生共同生活質量的提升。[11]引導兒童關心和專注于生活，不僅能夠激發兒童學習興趣和探究欲望，更能讓兒童通過自己目前的興趣和經驗觸發技術創新點，在活動過程中感到自身的價值和滿足，消除兒童對創新的偏見和緊張。回歸生活的科技創新應從解決自身周圍環境中的具體問題入手，從兒童最熟悉的產品和設計入手，讓學生成為技術創新的研發者，同時也是技術創新的受益者。

5 STEM教育的未來展望

當前，STEM教育已成為滿足許多國家對科技人才需求的重要戰略，越來越多的報告指出：在小學甚至幼兒園開展STEM教育能夠更早增強兒童對數學和科學等領域學習的興趣和信心。以編程能力為代表，2014年英國把編程技術納入英國國家教學大綱，編程已成為繼閱讀、寫作、算術三項基本能力外兒童需要掌握的第四項必備技能。但更為普遍的是，STEM教育的推廣能夠提升大眾的科學素養，在當代需要提升對科技敏感度的環境中，獲得適合自己的科學教育的機會。再者，STEM教育作為課程整合的成功范例，其優勢并不止限于理工類科目的融合，對社會學、經濟學等問題解決也具有一定的啟發作用。未來的課程整合必將一改學科內的局部整合和學科間的主題整合的現狀，進入“全課程”統整的新階段。

參考文獻

[1] 陸庭鑾.從素養到STEM素養[J].化學教育學，2019（4）.

[2] 祝智庭，雷云鵬.STEM教育的國策分析與實踐模式[J].課程與教學，2018.1.

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[4] （美）愛德華·威爾遜.創造的本源[M].浙江人民出版社，2018.10.

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[11] 阿林·普拉特·普萊瑞著.幼兒園科學探究教學：科學、數學與技術的融合[M].北京：教育科學出版社，2009.4：13.