STEM教育的發展及在博物館中的應用

劉瑤

摘? 要： STEM是一種綜合性的跨學科學習手段，它注重對科學思維和理性思維的培養。隨著科技信息時代的到來，STEM得到了廣泛的重視。美國等一些發達國家頒布政策法令大力支持STEM教育，使得STEM教育在正規的學校教育和非正規的教育機構中得以很好地發展。中國對STEM教育的認識較晚，但是也在探索嘗試中逐漸發展起來，如今STEM教育已在學校以及科技館中得到廣泛應用。而博物館在促進STEM教育發展中的重要性卻往往被忽視。博物館應正確認識自身在STEM教育中的價值，并逐步發揮自身在STEM教育領域的作用，以期更好地服務于兒童。

關鍵詞：STEM;博物館;兒童

引 言

STEM教育是一種新興的教育理念和模式。簡單來說，STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四門學科英文首字母的縮寫，但其含義不止于此，其根本核心是將這四門學科整合成一個有機整體，旨在培養學生的實踐能力和創新精神[1]。STEM教育與人們的生活是息息相關的。從宏觀方面來看，STEM教育有助于我們了解自然、認識世界，以及提高人們利用自然資源、改造生存環境的能力。從微觀方面來看，燈會發光發熱、車輪是圓的、熱水吹一吹會變涼等日常生活現象中都蘊含著STEM原理。STEM教育啟發我們把科學知識運用于生活中，重視培養科學思維和理性思維。同時，STEM教學更注重教育的實踐性，鼓勵兒童動腦、動手，培養兒童的綜合技能，在幫助兒童學習方面發揮著重要作用。

一、STEM教育的發展概述

STEM教育起源于美國。一直以來，美國都十分重視培養具有STEM教育背景的人才。隨著科技時代的到來，科學技術成為促進各國發展，并在國際競爭中保持優勢的重要因素，而培養能夠綜合運用STEM知識解決實際問題的創新人才成為一項勢在必行的舉措。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》報告[2]，標志著美國開始關注學生理科能力的培養。此后，美國開始全面推進實施STEM教育。1999年，美國國家科學基金會（National Science Foundation）發表了題為《塑造未來：透視科學、數學、工程和技術的本科教育》的報告，提出了關于促進STEM教育的政策建議。2000年以后，美國公布了一系列文件和法案，如《美國競爭力計劃》《美國創新戰略》《教育中的創新愿景》《美國創造機會以有意義地促進技術、教育和科學之卓越法》等。這些文件和法案均強調了STEM教育在人才培養中的重要地位。正是由于國家為STEM教育提供了有力的組織保障及資金支持，使得美國的STEM教育戰略得以有效實施，并對美國整個國家的發展起到了至關重要的作用。

中國的STEM教育起步較晚，從文獻來看，2014年以后，有關STEM教育的文章在數量上才開始穩步增加，尤其在2016年有了明顯的增長。由于中國對STEM的認識剛剛起步，這一階段該主題的文章多集中在介紹STEM的定義、特征，以及國外STEM教育的發展經驗等方面，未形成完整的體系，也缺乏實踐經驗。2016年以后，STEM、STEAM 等詞語才開始頻繁出現在與教育相關的文件里。2016年6月，教育部印發的《教育信息化“十三五”規劃》通知明確指出，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，為教育信息化提供了更為廣闊的發展空間[3]。這一政策表明了國家對培養具有STEM教育背景的人才的重視。2017年和2018年兩年，中國陸續發布了《中國STEM教育白皮書》《中國STEAM教育發展報告（起點篇）》《中國STEM教育2029行動計劃》《STEM教師能力等級標準（試行）》。2019年11月，教育部發布了《2019年教育信息化和網絡安全工作要點》，規定從跨學科學習（STEAM教育）等四個方面探索推進信息化教學應用的長效機制。2019年3月，教育部發布了《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》，規定把學生實驗操作情況和能力表現納入綜合素質評價。這些舉措表明，中國政府和社會力量也都在支持STEM教育的發展，同時國內學者對STEM教育也逐漸有了更清晰的認識。

二、國外的STEM教育實踐

美國十分重視對具有STEM教育背景的人才的培養：在學校正規教育方面，美國政府加大從小學到大學STEM教育的支持力度;在非正規教育方面，政府鼓勵教師把學生帶到科技館、博物館等校外場所進行科學啟蒙教育，鼓勵學校和科技館、博物館等建立長期有效的合作關系，以加強學生STEM綜合素養的培養。美國最著名的兒童博物館之一波士頓兒童博物館，是孩子們的天堂，博物館像兒童樂園一樣色彩豐富，設置了兒童喜歡的各種動手參與項目。兒童可以觀察小球或小船在流動的水中的漂流方向和速度，觀看小球在不同的軌道中的運動軌跡，還可以親自動手做木工活等。同時，波士頓兒童博物館還專門為教師和家長撰寫了幼兒STEM教育的活動指南《STEM萌芽》（STEM Sprouts）。美國芝加哥兒童博物館是一個將學習和游戲相結合的地方，博物館中有恐龍遠征、水稻探險等展覽，可以讓兒童在駕駛模型汽車時了解汽車的構造，在航天飛機模型里了解航天飛機的知識。這種鼓勵兒童探索，并讓其自己發現、建構知識體系的游戲過程就是STEM教育的重要體現。美國匹茲堡兒童博物館和西雅圖兒童博物館都以啟發兒童的想象力和創造力為宗旨，為他們提供教育項目。

除美國外，很多其他國家也非常重視STEM教育。英國重視低幼階段的科學教育，鼓勵科技館等機構對學校教師進行培訓，旨在幫助教師了解科學學習的方式，使教師能夠潛移默化地在教學中體現這一學習方式，同時鼓勵教師把學生帶到科技館進行科學啟蒙[4]。韓國國立果川科學館分設了不同的展館，其中兒童館專門為年齡較小的嬰幼兒而設計，通過游戲發展兒童的好奇心，鼓勵他們探索，啟發他們的思維。而在其基礎科學館中，兒童可以調動各種感官來感受自然科學的魅力。館內還專門設計了“地震體驗” “臺風體驗” “流浪血管探索”“滴水之旅”等深受兒童和家長喜愛的STEM相關活動，兒童在游戲中獲得科學探索的經驗，并發現隱藏在我們日常生活中的科學原理[4]。日本為了實現中小學階段的STEM教育目標，對傳統教育進行了改革：從整體上修改教學大綱，增加STEM教育的課時和內容，激發學生探索STEM的興趣，盡可能保證學生接受STEM教育機會的增加，從而提高全民STEM相關素養;重點選拔、培養具有STEM天賦的學生;鼓勵女性從事STEM相關職業;加大STEM教師培訓[5]。德國政府認為STEM教育應貫穿整個教育過程，尤其關注在教育初始階段對STEM教育的應用傳播。德國的STEM教育重視幼兒階段的啟蒙，到了中學教育階段，一部分中學專門培養學生的STEM技能，還有一部分中學開設了STEM教育項目，供學生們選擇。

三、中國的STEM教育實踐

中國的STEM教育實踐分為正規教育中進行的STEM實踐和非正規教育中進行的STEM實踐兩種。目前，許多幼兒園和小學都開展了STEM理念下的課程改革。以某幼兒園為例，園內專門開辟出“木工坊”教室，作為開展兒童STEM教育活動的場所。教師擔任著啟發者和引導者的角色，鍛煉兒童使用工具的能力，同時注重培養兒童的溝通協調能力、動手動腦能力、處理問題能力、想象力等綜合能力[6]。國內還有許多幼兒園已經開始把STEM教育融入日常的教學中，用積木搭建房屋、軌道，以鍛煉兒童的技術思維能力和工程思維能力;一些精心設計的科學小游戲，如“破譯磁鐵的秘密”“追尋調皮的光”等，激發了幼兒科學探究的興趣。中國教育科學研究院STEM研究中心組織實施了“中國STEM教育2029行動計劃”，于2018年開展遴選領航學校及種子學校等相關工作。北京大學附屬小學、中國人民大學附屬中學實驗小學等79所學校被列為領航學校;北京市海淀區中關村第二小學、北京市海淀區中關村第一小學被列為種子學校。2017年到2019年，江蘇省已連續召開了三屆全省STEM教育大會，并在第二屆STEM教育大會上發布了《江蘇省基礎教育STEM課程指導綱要（試行）》。在兩年多的時間里，STEM教育在江蘇省的幼兒園和小學、初中學校中廣泛開展[7]。

如今，學校之外的非正式教育機構也為兒童提供了開展STEM教育的場所，科技館、博物館、校外興趣班、兒童娛樂場所等都在積極開發STEM教育項目，其中科技館以其自身優勢成為最重要的機構之一。科技館不僅在場館布置上注重科學知識的傳播，而且鼓勵兒童動手參與其中。為了配合STEM素養的人才培養目標，科技館開發了聚焦兒童參與的課程活動，讓兒童在玩的過程中培養邏輯思維能力和推理判斷能力，啟發他們對數學問題的敏感性以及人與人之間的互動交流能力，這些能力的培養都為兒童的多元化發展提供了可能。重慶科技館的STEM教育引導兒童在實驗中自己認識并領悟常見的晶體，不僅能讓他們學到自然科學知識，而且對他們建立科學的思維邏輯有較大幫助[8]。上海科技館不僅設有科學類展覽、電影等類型的展覽活動，還設有“STEM科技館奇妙日”教育活動。例如，“迷你污水處理系統”課程讓兒童了解污水對環境造成的破壞，“混色電路”課程讓兒童了解電路的結構。這些身邊的科學引導兒童關注生活中的科學原理，引發他們對生活環境的思考。與科技館角色一樣，作為社會教育機構的博物館也具有啟迪兒童科學素養、發展綜合能力的職責。博物館應借鑒科技館的經驗，啟發兒童動手、動腦，在“玩中學”“學中做”。同時，博物館更應該關注兒童在參觀過程中自然而然產生的STEM探索契機，并抓住這些契機與博物館自身的優勢結合起來，開展兒童的STEM學習活動。

四、博物館中的STEM教育

博物館一直被看作民族文化基因的寶庫，肩負著傳承與弘揚中華優秀傳統文化的重任，以至于忽視了博物館本身蘊含的科技力量和對科學思維能力的培養。其實，從博物館的文物本身到與觀眾互動的設施都包含著STEM元素。

（一）通過文物進行STEM教育

文物是歷史的標本，記錄著人類發展的歷程。同時，文物本身也代表著當時社會的科技發展水平。比如，素有“入窯一色，出窯萬彩”美譽的鈞窯瓷器，之所以能呈現出色彩豐富的變化，這是因為瓷器燒制的過程中金屬著色劑產生了氧化還原反應;瓷器上獨具魅力的開片紋飾是燒制過程中熱脹冷縮原理的體現;銅鏡的廣泛應用是因為銅具有較好的光澤度和延展性。這些科學知識為博物館開展STEM教育提供了豐富的素材。

為了充分發揮博物館的社會教育功能，助力兒童成長，2013年，吉林省博物院創辦了品牌教育活動——“奇趣博覽大講堂”;隨后該博物館又開設了一系列研學實踐教育課程，如“瓷苑掇英，大美青花”“泥條盤筑話陶藝”“百花圖卷繪春色”等。在研發實踐教育活動的過程中，博物館融入了對兒童STEM能力的培養。博物館不僅向兒童傳播中國優秀的歷史文化，還挖掘文物中的科學知識，注重多學科知識的交叉，而且十分重視兒童動手能力的培養。課程通過知識小課堂、頭腦風暴、趣味游戲、巧手制作等多個環節，讓兒童手腦齊動，加深兒童對文物的了解。

“瓷苑掇英，大美青花”是吉林省博物院社會教育的品牌課程之一。課程介紹了瓷器的產生過程、發展歷史和制作步驟，讓兒童了解我國在世界享有盛譽的青花瓷器的奧秘。在課堂授課環節，教師首先會向兒童展示陶質、瓷質兩種材質的杯子，通過讓兒童用手觸摸、用耳朵聽敲擊聲、用眼睛觀察杯子裝滿水后是否有滲出現象等引導兒童描述它們材質的不同，啟發兒童自己總結出瓷器光滑、堅硬、耐臟耐腐蝕等特點。然后教師提出問題，例如“在生活中見到過哪些瓷器”“古代瓷器是什么樣的”“瓷器有什么作用”“瓷器是如何制作的”，通過這些問題，教師帶領兒童進入課程主題。提問的方式就輕松地融入了STEM的學習體驗。在這一過程中，兒童培養的好奇心、溝通能力、自信、主動思考等都屬于STEM思維方式。在介紹不同時期的瓷器時，授課教師會展示某一時期瓷器的照片，引導兒童交流并討論出瓷器的特點，并用以點概面的方式梳理出瓷器的發展就是從“百家爭鳴”到“一家獨大”的過程。最后授課老師會通過快問快答、連連看等小游戲幫助兒童回顧從課程中學到的知識，讓兒童自己在頭腦中建立古代瓷器與現代瓷器的聯系。在巧手制作環節，兒童可以自己動手設計并繪制瓷盤，通過回顧古代瓷器的圖案紋飾與裝飾手法，結合自己的想象力與創造力，創作出獨一無二的瓷盤。這個過程提升了兒童的審美情趣，同時也是STEM教育中工程思維能力的體現。

（二）通過展項互動進行STEM教育

不僅文物本身蘊含著STEM知識，而且博物館展項的互動性和創新性皆符合STEM教育的本質。互動展項是博物館展示的一種新模式，為博物館展示提供了一種新思路。目前，越來越多的博物館在各個方面的發展抓住了STEM的探索契機，增設了數字化、現代化的互動展項，有意識、有目的地把STEM元素融入其中。

博物館發展初期，常給人以莊重、嚴肅的印象，導致博物館觀眾少、在參觀過程中容易產生疲勞等現象，要改變這些現象，博物館需要通過科技手段幫助觀眾調動多感官來體驗和了解事物，從而構建出新的知識體系。因此，幾乎所有的博物館都設有互動展項，努力為觀眾提供良好的參觀體驗。博物館不僅能讓觀眾領略文化的魅力，還能感受科技的力量。

在互動展項的設計方面，博物館要具有明確的目的性，以目的為基礎，減少操作方面的學習成本，使觀眾快速了解操作方法，短時間內激發參與者的興趣。吉林省博物院為滿足觀眾的好奇心，設置了數字化互動展項——“琳瑯滿目、觸手可及”的電子魔墻、2017年全國十大考古新發現——寶馬城遺址3D復原場景、二維碼語音講解導覽系統等多種多樣的互動形式，這些互動形式都展現了STEM教育的重要價值，滿足了觀眾對文物的多種想象。

“琳瑯滿目、觸手可及”電子魔墻約20平方米，內容融匯了吉林省博物院600余件（套）文物信息、圖片資料，魔墻技術利用復雜的算法處理，讓本來靜止的文物圖片“動”了起來。兒童可以根據自己的喜好選擇文物進行觀看。通過點擊、平移和旋轉等不同手勢觸摸屏幕，能更好地更全面地了解文物信息。STEM教育并不需要實施者具有高深的知識背景，也不一定要在工程師的指導下才能完成，STEM教育的重點在于讓兒童了解STEM教育并能主動探索，簡單的操作手勢就是兒童探索STEM的過程。由于文物的特殊性，有些文物不適合長時間展出，無法讓兒童一飽眼福，這一展示方式可以讓珍藏在庫房中的文物以一種數字化的展示方式被兒童了解。“寶馬城遺址3D復原場景”采用了3D技術，把寶馬城的復原場景活靈活現地展現給兒童，使兒童有了更直接的感官體驗。3D技術的最大優勢在于可以使畫面變得立體逼真，打破文物與觀眾的時空阻隔，以高科技手段呈現細節，讓兒童有身臨其境般的感覺。這種3D技術就是STEM中的工程與技術的體現。如今，二維碼語音講解導覽系統是應用十分廣泛的導覽系統。相較于人工講解，使用手機掃描二維碼聽取講解詞既簡單又方便。二維碼語音講解導覽系統通過科技手段豐富了文物信息的傳播展示方式，既滿足了兒童對文物背后故事的好奇心，同時又體現了STEM的理念，即把科技帶到人們身邊，幫助人們了解和感受科技的力量。科技的發展讓博物館變得有了溫度，讓沉睡千百年的文物活了起來。

五、反思與展望

博物館在開展STEM教育中具有巨大的潛力，其價值不容被忽視。作為一種兒童的校外教育場所，博物館蘊含著豐富的科學知識，在培養兒童的STEM思維方面也具有得天獨厚的優勢，有助于培養兒童的創造力和想象力，也能促進兒童以后的學習。

為了更好地發掘、提升博物館在STEM教育中的作用，全社會需要共同努力，讓博物館成為培養STEM人才的重要場所。

首先，政府應該重視兒童參與STEM教育的重要性，在政策上給予支持。政府應出臺相關的政策，引導社會力量大力支持博物館發展STEM教育，全面提升博物館STEM教育的專業化、高效化和可操作化。另外，政府需劃撥固定經費用于博物館STEM教育活動的研發以及開展活動過程中所產生的花銷。

其次，支持學校和博物館的長期合作，發揮博物館在兒童科學啟蒙中的作用，更有效地培養兒童的STEM素養。館校合作是將博物館教育資源與學校教育有效銜接的途徑，國內絕大多數博物館都舉辦過兒童STEM教育活動，在這類活動如火如荼進行的過程中也存在著一些問題，例如兒童群體相對固定，難以吸引新的小觀眾等。這些問題的出現，一方面是因為博物館自身存在宣傳不足、交通不便利、教育活動名額少等情況;另一方面是因為學生的課業負擔重，閑暇時間少，博物館教育沒有納入應試教育考核體系等。在這種情況下，博物館走進校園，是一條讓學生接受博物館教育的有效途徑，能最大限度地做好在校學生的科學啟蒙工作。

最后，為博物館的工作人員提供培訓的機會。可以采用引進來、走出去相結合的方式培訓博物館的工作人員。例如，請一些STEM教育活動開展較好的博物館專家前來授課，傳授教學經驗并介紹實際案例;或者組織館內從事STEM教育的教育者到其他博物館實地參觀學習。只有從事STEM教育的教育者具有良好的教育功底，才能設計開發出更好的STEM教育活動。這樣才能充分利用博物館內的教育資源，更好地培養兒童的STEM素養，吸引更多的兒童參與到博物館的STEM教育中來。

【參考文獻】

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