SSI教育與STEM教育的融合路徑研究 *

董 艷，徐淑華，楊 洋

(1.北京師范大學 科學教育研究院，北京 100875；2.上海師范大學附屬閔行第三中學，上海 201100；3.北京師范大學 人文和社會科學高等研究院教育科技中心，廣東 珠海 519087)

當今時代，人們的生活已經離不開科學技術。科學技術實質上是人類認識世界、改造世界的工具，應該如何協調人與科學技術之間的關系，科學教育工作者應為此做出何種努力，是科學教育一直在思考的問題。隨著科學技術給人們帶來新的問題和新的契機，科學教育也不斷隨之調整自己的方向。其中，SSI教育和STEM教育均是發源于西方的科學教育理念，并且都在我國國內引起了一定反響。兩者從實踐形式來看，都是一種跨學科教育，但在實際的教學實施中，教師可能會有所困擾，無法辨析其內涵而影響具體的實踐開展。再者，隨著新時代的到來，如何回答時代之問，特別是培養什么樣的人，如何培養人，面向未來的新一代學習者是否能夠在科技發展的當前，樹立正確的人生觀和世界觀，擔當起社會發展的重要責任，也是當前跨學科教育如火如荼發展的過程中，需要考慮的。如何將學科與跨學科教育融合于立德樹人的根本任務，從而在重構教學設計或教學活動的時候，讓學生們立足課堂，又心向祖國發展大業，科學教育理應承擔此重任，為祖國繁榮復興輸送更多有擔當、有本領的時代新人。為此，本研究將探索兩種教育形式的融合可操作路徑。

一、研究緣起及開展概況

(一)國際背景

教育是培養人的命題，在不同的歷史背景之下，由于時代要求的更新，教育自身也不斷革新，以更好地回答“培養什么樣的人”。SSI教育和STEM教育的出現各有其特殊的時代意義。社會性科學議題(Socio-scientific Issues，SSI)，是指那些因科學技術的發展與應用，而對社會產生沖擊和影響的科學問題相關的爭議性問題。由于不同個體之間所持立場和價值觀的差異，議題對社會所帶來的影響具有爭議性[1]，SSI教育(Socio-scientific Issues-based Education)，指的就是基于社會性科學議題情境的教與學。STEM是科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)和數學(Mathematics)四門學科的簡稱，強調多學科統整。但STEM教育并不是科學、技術、工程和數學簡單疊加，而是以統整的視角來更好地培養學生的創新精神與實踐能力。STEM整合創新的結果可以是知識層面的，也可以是實踐層面的。

科學、技術促進社會快速發展的同時，所引發的一系列問題也逐漸浮現出來。工業革命帶來大范圍的失業恐慌，也帶來環境污染、生態失衡、能源枯竭等社會問題。20世紀60年代，愈演愈烈的核軍備競賽則進一步加劇了人們對于科學技術的擔憂，并使人們意識到，科學技術應該要受到社會的需要和價值觀的牽引，不能信馬由韁。20世紀70年代，美國掀起了科學、技術與社會運動(Science Technology Society，簡稱STS運動)，在教學中表現為強調要將科學、技術與社會三者緊密聯系。STS教育希望幫助人們理解科學與技術的區別以及技術發展的雙面性，反思人與自然的關系。后來又出現了STSE，試圖在更廣范圍內將科學、技術、社會和環境等予以綜合考慮。但是，STS/STSE被指責沒有關注到學習者的個體情感、倫理發展，造成科學教育的“倫理缺位”，也阻礙了學生深入理解科學的本質，因此逐漸淡出了主流的科學課程，更多情況下是作為學習的背景而存在[2]，而這個時期社會民眾對科技爭議問題的關注有增無減。隨著論證教學的興起、建構主義教育思想逐漸成熟以及非形式邏輯運動的發展，80年代初，正式的SSI教育開始誕生于西方發達資本主義國家(美國、英國)，SSI不僅包含了STS提供的所有內容，同時也考慮了科學的倫理維度、孩子的道德推理和學生的情感發展[3]，涉及的教學功能更多。

如果說SSI是西方科學教育界試圖減少科學技術潛在負面效果的積極干預，那么，STEM教育的提出則是美國對于保持在科技創新上的全球領先地位的努力與嘗試。二戰后，為爭奪世界霸權，美國與蘇聯開始了長達44年的冷戰，并展開了爭奪太空據點的較量。蘇聯率先于1957年成功發射世界上第一顆人造衛星，又于1961年實現把宇航員送上太空，美國在這場較量中的頻頻落后引發了美國公眾對學校教育的深刻反思，他們認為這是由于教育投入不足、課程設置缺乏基礎性和系統性、不重視數學和科學教育所帶來的惡果。在這種強烈的反思和危機意識之下，STEM教育就此萌芽[4]。1986年，美國國家科學理事會(NSB)發布《本科的科學、數學和工程教育》，又稱《尼爾報告》，其中首次明確提出“科學、數學、工程、技術教育的集成”(SME&T)的綱領性建議，并提到“追求卓越，讓美國的下一代在科學技術上發揮領導作用”，該報告也被視為提倡STEM教育開端[5]。2001年后，STEM逐漸取代SME&T，成為四門學科的統稱。在這之后，美國政府陸續出臺STEM相關的教育政策和文件，STEM教育思想開始成為美國科學教育的重要組成部分。2009年，美國頒布了《美國振興及投資法案》，將增加財政投入支持STEM教育寫進法案；時任總統奧巴馬提出教育創新運動，強調美國將優先發展STEM。自此，STEM教育受到廣泛關注，并在國際傳播。

(二)國內相關研究的興起

我國近代科學教育起步較晚，相應的，直到20世紀80年代中期，我國的科學教科書上一直都沒有涉及科技爭議的內容。90年代之后，隨著科技發展浮現的一系列負面問題，國內教科書開始嘗試以課后閱讀材料的形式引入一些簡單的日常科技爭議問題。基于我國存在環境污染、生態環境破壞、發展失調等突出問題，及社會大眾科學素質亟待提高的問題，社會性科學議題的相關研究自2007年起被學界關注[6]。同年STEM教育也進入學術研究，但之后相當長一段時間內，STEM研究大多止步于對國外實施情況的介紹。2012年11月24—27日，北京師范大學教育技術學院承辦了第二屆STEM國際教育大會。2015年，我國教育部在《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見》中首次提出要“探索STEM教育、創客教育等新教育模式”，由此引發了STEM教育研究的熱潮。2017年，教育部印發《義務教育小學科學課程標準》，在實施建議中明確指出“倡導STEM的跨學科學習方式”，STEM教育開始以更多元的方式與我國的教育實際聯系起來。

(三)SSI教育與STEM教育

自我國學者開始關注到SSI教育以來，從學科教學的角度來看，生物學科對該主題的關注最多，其次是化學學科，從學段的角度來看，中等教育階段對此的關注高于高等教育階段。研究主要從兩個主題展開：一是圍繞SSI在國外的發展概況；二是SSI在我國分科教學中的實際應用，包括在生物、物理、化學等方面探索SSI教學。而STEM教育研究的增幅體現在2014—2017年間，至今研究數量總體仍呈上升趨勢。研究主要從以下三個主題展開：一是基于國際經驗，探討STEM教育內涵及其未來走向；二是STEM教育的本土化路徑思考及實踐應用；三則是通過STEM研究和實踐的開展過程中，對我國現階段STEM教育現狀的反思。

二、SSI教育與STEM教育的實踐比較分析

SSI教育與STEM教育既有區別，也有聯系。在教學目標上，SSI教育強調讓學生了解多元觀點和背后的價值觀，并在一種綜合的科學問題解決困境中，嘗試做出科學決策，而STEM教育則強調整合不同學科，通過科學探究與生活相關的真實性問題，并予以工程化實踐，從而達到可見的創新。兩者的差異和共性如表1所示。

表1 SSI教育與STEM教育的比較

續表1

SSI教育通過讓學生關注引起社會爭議的科學問題，來為學生提供知識學習環境的同時，加強對科學、社會、倫理等維度的思考，發展批判性思維和面對沖突時的科學決策能力。而STEM教育更多從科學實用主義的角度來考慮，并通過綜合性解決問題來培養學生的高階能力。2016年美國發布的《STEM2026：STEM教育創新愿景》指出[7]，STEM課程要注重學科的交叉整合，不僅要實現原先四門學科之間的融合，還要重視STEM與其他學科的融合，至少實現一個STEM學科和一個非STEM學科的整合。但不管外在的整合科目如何變化，STEM教育的核心就是通過跨學科教育，來實現學科之間進行靈活地交叉融合，促進各個學科的發展，實現個人見解抑或是實物方面的創新，這一點始終是沒有異議的。

兩者之間的共性在于兩個方面。第一，均偏向生成性教學，注重學生的自主建構。它們與傳統的相對靜態的課堂都有著明顯差別。傳統的課堂教學主要依據學科知識體系結構展開，通常有著固定的、客觀的、具有普遍性的答案，而SSI教育和STEM教育更像是動態課程，學生被提供了更加充分的自主建構的空間和可能性，教師則要依據課堂中的互動狀態及時地調整教學思路和教學行為，教學的結果更依賴于具體教學過程中的生成，而不是教師的預設。第二，兩者都指向科學素養培養，體現科學實踐觀念。科學教育自誕生以來，教學觀也不斷在更新，最初，科學只是被當作零散的事實信息灌輸給學生，學生知其然但不知其所以然。后來，科學探究在科學課中上升到了較重要的地位，近年來，科學探究正在被科學實踐所替代。這期間教學觀的變化——從“將科學作為知識”到“將科學作為探究”，再到“將科學作為實踐”的轉變，反映了科學教育從重視科學知識的掌握到重視科學素養的培養。

在實踐模式方面，SSI教育和STEM教育的教學活動設計各有所側重。SSI教育的探索出現了如決策模式(Decision Making Model)、道德思維模式(Moral Thinking Model)、共識項目模式(Consensus Project Model)等典型的教學模式，盡管略有差異，但基本采取的是辯證教學，學生需要批判思考、審慎評估。根據應用成果的不同，STEM教育應用模式則可以分為探究、制造和創造型，針對不同類別，可以歸納出大致的教學流程[8]，但無論是哪種STEM教育應用模式，都是主要以跨學科整合的方式，促使學生通過多種學科的學習思維過程，經歷運用不同學科知識進行問題的多元化解決，尤其是增加了探究之外的，工程實踐成果產出的模式。STEM的實踐模式更加體系化，SSI實踐模式之間還比較獨立，沒有形成一個較系統的結構。STEM教育實踐的開展在我國十分火熱，本土化成果也逐漸增多，但現階段問題也存在，例如，部分STEM課程脫離了學科課程，缺乏學科內容。STEM課程內容不僅要包含跨學科內容，也要包含學科內容[9]，現階段STEM教育項目大多依托機器人、3D打印、創客等開展，有些機構和學校錯誤理解了STEM的教育目標，片面強調動手操作，甚至忽視基于學科內容生長的科學素養。其次，陷入對新技術、新軟件等昂貴教學資源追求的困局[10]，經費不充裕的學校往往因而對STEM教育望而生畏。此外，據調查研究，學生的STEM職業興趣整體不高，學習態度仍有待進步，尤其是女性[11]。

三、兩模式融合的可行性與必要性分析

SSI教育與STEM教育的提出盡管基于不同的背景，但其最終目標都包含培養學生的科學素養。探討模式融合對基礎教育教師的實踐應用具有操作價值。兩者融合路徑的探索，避免教師因關注某一種模式，忽略另一種模式在促進學生面對科學問題解決過程中的應用可能與思維局限。兩者融合的可行性與必要性有以下幾方面。

從歷史發展來看，SSI教育與STEM教育將殊途同歸。兩者均誕生于西方科學教育，與STS(E)有些淵源。SSI是對STS(E)的超越與發展，增加了學生對社會倫理道德的關注，并嘗試使學生把認知與情感進行聯系，做到更大程度的認知和情感投入，在科學困境中做出更明智的科學決策，旨在希望通過科學地權衡與決策，以減少科學技術可能引起潛在的負面效果。STEM教育則是在一定程度上對STS(E)的發展進行積極回應，旨在通過跨學科融合促進學生綜合技能的提升，STEM使得帶著些許“反科技”色彩的STS(E)社會運動，轉向看到并創造科技的積極效用的社會大潮流[12]。

從內在邏輯來看，STEM教育需要與SSI教育元素融合。如果STEM教育是要讓學生為應對現實世界中的復雜問題做好準備，那么問題中本就存在的非STEM維度應該得到更多關注。Pleasants[13]探討了STEM問題的性質，將其分成非STEM問題、純粹STEM問題、STEM相關問題，并且對現階段STEM教育通常集中于純粹STEM問題表示擔憂：圍繞STEM的討論經常會引發社會、政治等其他非STEM方面的問題；強調純粹STEM可能會帶給學生一種STEM足以解決許多世界上嚴重問題的錯誤印象。Zeidler也提醒人們反思：“STEM中所嵌入的教育經驗對公民的日常生活有什么影響？”，“這種經驗被期望在公民的終身發展中發揮作用，但我們需要思考，這樣的愿景遺漏了什么？”。模糊既定學科體系和文化邊界的尖銳邊緣是必要的。另外，STEM教育中，對社會文化視角和框架的缺失也將造成學生對科學本質的誤解[14]。

兩者融合有助于提升學習者的動機及投入，進而影響學生對科學的理解與技能提升。科學學習環境的真實性及科學探究的開展會影響學習者的動機和認知投入[15]。學習環境的真實程度需通過聯系真實世界、學生生活、學科實踐這三者來實現。學生常常有校內外經驗割裂的問題[16]：他們沒有意識到在課堂所學內容與課外問題之間存在聯系。教學中應將科學現象與日常生活及文化解釋聯系起來，例如，在爭論全球變暖話題時，如果增加對人和環境因素、社會和政策因素的討論，學生的興趣和認知投入會提升[17]。在科學探究開展過程中，當學生有機會決定收集、分析與解釋信息的方式時，學習自主性會得到加強；當學生把自己當作科學家、數學家或歷史學家等不同社會角色時，探究真實世界的主題，并與課堂內外的人分享成果與結論，學生能夠產生更多的價值感，愿意承擔更多義務[18]。SSI與STEM的融合，使得數據的分析和呈現有機會從更多不同視角展開，也能帶給學生至少包括公民和科學家等在內的多重角色體驗，塑造了一個更為真實的學習環境。

SSI教育自身固有的跨學科特性，與STEM教育的跨學科特性相契合，兩者的融合不僅為科學教學提供全新的發展可能，也可彌補現階段STEM教育的部分不足。針對部分STEM課程片面強調動手操作、忽視了本應包含的學科內容的現象，假如以SSI內容來組織STEM的開展，由于解答和推進SSI的需要，學生必然需要學習相關的科學內容知識，這將從源頭有效減少此類現象的發生。針對STEM職業興趣和學習態度有待提升的現象，兩者的融合可以促進學生對科學職業產生更多元的興趣，比如STEM教育中SSI的融入可能有助于提升女性的科學興趣，Haste發現，女孩對科學或科學事業的興趣并不比男孩低，只是她們更關注其中的社會責任以及與人相關的內容[19]，而不是現下經常主導科學交流的技術性話語。

四、兩者融合的實踐模式

結合上述的分析，SSI模式更加強調在科學教學過程中的人文情境與社會情境的探討，以促進學習者能夠在更廣地視角下學習和分析，并通過科學論證地方式促進學生的建構性與批判性思維。而STEM教育模式則更加強調科學教學內容在社會參與過程中的具體表現，以突破學習者對科學知識的工程性與實踐性維度的思考。結合相關研究，本研究提出三種融合方式：(1)基于SSI教育的多情境縱向拓展模式(以探究為核心)；(2)基于STEM教育的多學科橫向統整模式(以實踐為核心)；(3)基于DoPBL設計產出的跨學科項目式之價值融合模式(以設計為核心)。前兩種以其中一種教育模式為主，但考慮到情境的多元化或學科的多元化進行拓展和遷移。第三種則是從跨學科學習的本質出發，強調以學為中心的教學法特質，注重誘發學生的設計思維和行動導向，同時關注學生如何去通過輸出來達到建構對科學問題深層理解的目的。

(一)基于SSI教育的多情境縱向拓展模式(以探究為核心)

第一種融合方式，就是以SSI模式為基準，當學生面對科學問題時，去探究科學問題可能所面臨的不同情境，以及情境之間的沖突。影響學生發展的情境主要包括課堂情境、班級情境、學校情境和社會情境四個層次[20]。學生如果能將在不同情境中進行延伸與拓展，以通過多元化地情境來理解和解決問題，比如從社會情境出發，在課堂及班級情境中構建新的理解，最終再回到社會情境中去，多樣化的情境，更有助于學生的遷移應用。多元情境的維度，為學生探究科學問題提供了多元的視角與空間，同時也為科學問題的解決有了多元的實踐場景。公開分享的環節，有助于學生再次梳理和內化自己在解決科學問題過程中的收獲。海外學者Chowdhury提出了一種情境融合模式[21]，這種模式為學習者提供一種情境間的轉換思維發展模式，重在學生的分析和探究。我們將之稱為TC模型(Trans-contextualisation)。

Chowdhury提出的情境轉換四階段教學提供了一種融合的思路。這里情境轉換主要指的是，從校內轉向校外，教學在更廣泛的情境下促進學生的行為發生變化，而不是僅僅在學校圍墻內對學生產生變化。四階段包括初始情境化階段、去情境化階段、再情境化階段、情境轉換階段。通過不同情境的轉換，讓學生能感受到知識所處的多種環境。

在初始階段，教師要利用社會廣泛關注的、涉及科學成分的社會情境，即某種SSI問題，激發學生的興趣和動機。然后教師要促進學生剝離社會情境，再聚焦到科學知識或學科情境，獲取相關科學能力。教師可以使用結構化、引導式或開放式的探究學習方法，以適應學生之前的學習。為促進學生的理解，教師還應該通過具體的學習成果，幫助學生鏈接科學概念，以及借助其他有意義的媒介，甚至通過討論或辯論等途徑，讓學生進行社會科學的決策互動。在這一過程中，教師要幫助學生應用已獲得的科學概念來處理社會問題；也可以在社會情境內發展符合教育目標的變革性能力(例如論證推理、合理決策等)；以協商一致、民主的方式促進正當的、科學明智的決策能力。最后，教師再通過遷移的方式，讓學習者能夠再將所學內容遷移到新的社會情境過程中去。以科學的方式促進課堂內外對社會問題的參與。這個階段旨在提高學生的認識，并促進他們積極參與解決地方、國家或全球SSI問題。學生的學習將從教育內部情境轉移到更廣泛的環境、經濟、社會領域。學生能夠對新問題提出創新性的解決方案；也可以想出說服和影響他人的方法(例如通過展覽、社交網絡活動等)。

表2呈現了一個Chowdhury設計的情境轉換四階段的具體教學案例，該案例基于10—11年級的科學主題：熱塑性塑料和熱固性塑料。

表2 情境轉換四階段教學案例

(二)基于STEM教育的多學科橫向統整模式(以實踐為核心)

STEM教育強調學科跨越和整合，通過不同學科之間的知識結構與應用方式的學習來成就學生多元能力的發展。第二種融合可以依托STEM教育的學科遷移思想，融合SSI教育學科之間的情境溝通，以通過實踐的方式來實現學科橫向之間的知識應用。假如教師圍繞SSI相關主題設計活動，由于真實情境問題的復雜性，那么活動本身就需要不斷轉換學科的學習過程。以環境問題類型為例，從學生個人層面，可以討論采取怎樣的環境友好行為等議題；從地區或國家層面，可以討論廢物處理會帶來什么影響等議題；從全球層面，可以討論怎樣保持生態環境的可持續性等議題。但這種模式更加強調學生能夠拓展在多維分析的視角上，從工程角度，能夠進行解決模型的設計、繪制、制作、測量、評估、調試等。而在此過程中，學習者還可以借助技術、數學等思維加強分析、增強實踐效率以及解決問題的效果呈現等。

由于科學前進發展的需要，各門學科逐漸分開，形成了各自相對獨立的體系，但是，當面對真實問題時，學生需要綜合聯系多門學科，在不斷的學科轉換過程中，來應用真實情境問題，并對世界形成更加完整連貫的理解。基于STEM教育的融合中，SSI的教學可以在初始教學引導階段，也可以在學生的產品設計的階段，引導學生轉換不同的學科角度，更廣泛地思考，比如是否支持可循環利用，成本效益如何，是否會產生新的污染，是否會影響到其他方面，并在設計中盡量最大化積極效益，減少或規避消極結果。SSI的目的不是渲染消極影響，而是希望學生發現科學風險背后的知識不確定性、知識形成過程的復雜性和科學知識的復雜性。STEM教育在SSI基礎上，增強了對學生向外產出的技術化途徑、工程化設計和實踐、以及數學精細化思維。

(三)基于DoPBL設計產出的跨學科項目式之價值融合模式(以設計為核心)

DoPBL產出式教學模式是為了整合基于項目的學習和基于問題的學習兩種教學模式，并強調學習者在這樣的創新教學過程中，能夠從提出設計型問題出發，再圍繞產出具體的實踐方案，進行科學問題有效解決并促進學生能力提升而提出的[22]。面向設計的產生式學習(DoPBL)作為一種新的教學模式，旨在破解教師對兩種建構主義教學模式的應用混淆，同時著重通過誘導學生面對真實情境下的問題，敢于提出大膽設想，來應對復雜問題的學習。DoPBL不僅整合了項目式學習和問題式學習，同時因為這種學習面對的是創新解決真實的問題，并產出有效有用的方案，所以通常就離不開跨學科知識的應用與跨學科情境學習，而且也會以項目方式輸出學習成果。

本研究所嘗試的SSI與STEM教育的融合，也可以借助這一模型，將跨學科項目式學習的融合體現進去，SSI與STEM的教學基礎都是面向真實的科學問題情境，在這些情境中通過跨學科的思維方式和實踐路徑，再通過不斷地形成解決方案和評估方案，產出項目式的成果，以建立科學知識、科學方法、科學思維的內在邏輯，并通過科學實踐、科學探究、科學辯論等方式進行呈現和表達，促進學習者能夠面向情境，提升其設計思維和批判性思維，以創新地問題解決促進學生科學能力的實現。DoPBL強調學生自我獨立性，但也需要通過小組協作、成員對話，以及產生對科學問題的價值建構，從而達到科學問題的全面、深入、發展地理解相關的問題，并積極參與到社會實踐過程中去。

五、結語

當前，科學教育的價值在于培養學生的科學思維、科學責任與科學精神；而科學教育目標的達成需要具有SSI教學知識和STEM教學知識的教師。在科學教師對社會性科學議題教學知識的理解有限，甚至存在相應錯誤概念的基礎上[23]，如何加強科學教師的SSI教學知識的學習或者職后培訓仍應該成為關注的重點。同樣，我國STEM教師也在這方面需要加以學習。

無論SSI還是STEM教育，其實都只是一種流程模式或聚焦教學的操作模式。人才培養本身是育人和育才相統一的過程[24]，科學教學的實施不僅要關注知識體系或教學結構，更要關注價值體系的整體結構。比如，當前關注課程思政，課程教學通過科學問題所面臨的一種特殊情境，幫助學生體驗科學在社會發展中的重要價值，科學實踐的學術精神，科學探索的挑戰突破，科學與人文的融合等，教學不再是簡單的知識講授與操練習得，應蘊涵豐富的優秀文化以讓學生浸潤其中。每一位從事科學問題解決的未來接班人，應該直面科學發展的難題，同樣也應該直面科學發展所帶來的現實問題，從而促進自身的獨立精神、民主意識，更要促進自我的社會責任和擔當。

正如Hodson強烈呼吁的那樣，“科學應旨在培養積極科學公民：為正義善良而戰的人；愿意努力讓社會朝著更加公正的方向發展的人；為了生物圈的最大利益而努力的人”[25]。探討SSI與STEM教育二者融合的途徑，其本質在于科學教育過程中，既要關注整體和全局，也要關注局部和細微之處。也就是說SSI與STEM的理念和策略整合，在于教師如何通過充分發揮它們的優勢，培養積極科學公民，是科學教育工作者未來值得繼續努力的方向之一。