STEM視野下的科學(xué)素養(yǎng)培育及教師能力提升

夏立群

（廣東海洋大學(xué) a.水產(chǎn)學(xué)院；b.水產(chǎn)科學(xué)與技術(shù)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，廣東 湛江 524088）

科學(xué)教育是當(dāng)前各階段、各專業(yè)教育的主要內(nèi)容，但讓學(xué)生接受科學(xué)教育的目的并不是一定將其培養(yǎng)成為一個(gè)科學(xué)家，而是讓學(xué)生具備最基本的科學(xué)素養(yǎng)。什么是科學(xué)素養(yǎng)，如何培養(yǎng)這些科學(xué)素養(yǎng)，從事科學(xué)教育的教師應(yīng)該具備什么樣的能力？這些問(wèn)題對(duì)于描繪科學(xué)教育的目標(biāo)至關(guān)重要，而STEM教育具有重要的啟示意義。

一、STEM對(duì)于培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)的作用

傳播科學(xué)知識(shí)與培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)是科學(xué)教育的基本目標(biāo)。作為一個(gè)含混的概念，科學(xué)素養(yǎng)被廣泛認(rèn)為是科學(xué)教育的理想結(jié)果。一方面，決策者和教育工作者經(jīng)常混淆科學(xué)素養(yǎng)和知識(shí)素養(yǎng)。盡管二者含義不同，但在一般意義上，它們通常被認(rèn)為是同義的，知識(shí)被等同于科學(xué)知識(shí)。科學(xué)素養(yǎng)重在一個(gè)人掌握了多少科學(xué)知識(shí)。另一方面，科學(xué)素養(yǎng)還在于一個(gè)人能夠利用科學(xué)知識(shí)做出明智的判斷。這是科學(xué)教育工作者一直在努力實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，但不幸的是大多數(shù)人并沒(méi)有真正認(rèn)識(shí)到科學(xué)素養(yǎng)的重要性，或者在某些場(chǎng)合中歪曲了它，僅僅將其作為一種靜態(tài)的知識(shí)內(nèi)容，其結(jié)果是受教育者成為一個(gè)信息的儲(chǔ)存庫(kù)，而不是能動(dòng)的創(chuàng)造者。總之，盡管有許多爭(zhēng)議，但從科學(xué)素養(yǎng)的角度來(lái)說(shuō)，科學(xué)教育不只是一種知識(shí)教育，同時(shí)更是一種創(chuàng)造力教育。前者關(guān)乎1到100，而后者則關(guān)乎0到1。我們?yōu)槭裁丛诳茖W(xué)研究的尖端和前沿領(lǐng)域仍然相對(duì)落后，我們的基礎(chǔ)性科學(xué)教育到底欠缺什么，從事科學(xué)教育的教師需要有什么樣的素養(yǎng)？對(duì)此，STEM教育能夠提供一定的借鑒。

STEM中，S指科學(xué)（Science），T指技術(shù)（Technology），E 指工程（Engineering），M 指數(shù)學(xué)（Mathematics），STEM的提出強(qiáng)調(diào)了這四個(gè)學(xué)科在當(dāng)代社會(huì)中的重要地位。在當(dāng)前，世界各地對(duì)STEM教育的解釋各不相同，根據(jù)對(duì)中國(guó)教育科學(xué)研究院STEM教育研究中心發(fā)布的《中國(guó)STEM教育白皮書》（以下簡(jiǎn)稱《白皮書》）的分析，大致可以總結(jié)出兩個(gè)理解共識(shí)［1］。一方面，在某些情況下，STEM教育被用作一個(gè)總括術(shù)語(yǔ)，指的是一個(gè)或多個(gè)組成學(xué)科的科學(xué)教學(xué)，因此，有時(shí)STEM教育被用作科學(xué)教育的同義詞。另一方面，STEM教育是一種跨學(xué)科、多學(xué)科的綜合方法，因此，它也可以理解為強(qiáng)調(diào)用綜合思維解決問(wèn)題或批判性思維的培養(yǎng)。對(duì)于STEM教育目的的標(biāo)志性總結(jié)，則來(lái)自Rodger W.Bybee，他將STEM教育的目的總結(jié)為四點(diǎn)：一是個(gè)體的知識(shí)、態(tài)度和技能，以識(shí)別生活中的問(wèn)題和難題，解釋自然和社會(huì)；二是理解STEM作為人類知識(shí)、探究和設(shè)計(jì)形式的特征；三是了解STEM學(xué)科如何塑造我們的物質(zhì)、智力和文化環(huán)境；四是作為一個(gè)建設(shè)性的、關(guān)心的和反思的公民，愿意參與STEM相關(guān)的問(wèn)題［2］（P70）。從Rodger W.Bybee的這一總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)STEM教育與傳統(tǒng)科學(xué)教育的不同之處，STEM教育對(duì)科學(xué)教育的啟示不在于增長(zhǎng)學(xué)生的知識(shí)體量，而是在于如何培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科的、綜合的、開放的思維能力。跨學(xué)科整合始于一個(gè)現(xiàn)實(shí)世界的問(wèn)題，為了得出結(jié)論，它將跨課程內(nèi)容與批判性思維、解決問(wèn)題的技能和知識(shí)結(jié)合在一起。更具體地說(shuō)，課堂中的STEM課程在設(shè)計(jì)之初，就設(shè)計(jì)了要確保五種技能，包括適應(yīng)性、復(fù)雜溝通、非常規(guī)問(wèn)題解決、自我管理和系統(tǒng)思維。如果學(xué)生要解決個(gè)人和社會(huì)問(wèn)題，這些技能是必要的。可以說(shuō)，STEM教育因此獲得了公民教育的意義。如果我們把科學(xué)素養(yǎng)視為知識(shí)與實(shí)踐的綜合，那么可以說(shuō)二者都關(guān)注我們生活的世界背景和在日常生活中做出的決定。這些決定不僅僅是基于科學(xué)，不同的社會(huì)、政治、文化觀點(diǎn)都是這些決定的一部分。在做出這些決定時(shí)，人們應(yīng)該應(yīng)用一些其他的知識(shí)基礎(chǔ)，如數(shù)學(xué)推理及技術(shù)和工程過(guò)程。

所以，STEM教育并不是要替代傳統(tǒng)的科學(xué)教育，尤其是物理、生物、化學(xué)等具體學(xué)科的教育。這些傳統(tǒng)學(xué)科的完整性仍然需要得到尊重，只是STEM教育提示我們要比以前更加注重它們之間的重要關(guān)聯(lián)，這種重要關(guān)聯(lián)要求教師在課程和課堂中更加明確地表達(dá)一種綜合的跨學(xué)科教學(xué)理念。從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)作為一種教學(xué)和課程方法，符合科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)理念，STEM教育毫無(wú)疑問(wèn)可以促進(jìn)科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，它可以讓傳統(tǒng)的科學(xué)教育擺脫純粹知識(shí)教育的窠臼，更好地提升學(xué)生的社會(huì)適應(yīng)力、生存力和解決實(shí)踐問(wèn)題的能力。

二、STEM教育存在的問(wèn)題

STEM教育作為一種強(qiáng)調(diào)集成科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的課程教學(xué)方法，雖然因?yàn)閷?duì)STEM的含義缺乏共識(shí)而導(dǎo)致對(duì)其形成了許多模糊的使用，STEM教育仍越來(lái)越受到各國(guó)政府和教育界尤其是科學(xué)教育界的重視［1］。我國(guó)和世界各國(guó)一樣，近年來(lái)也越來(lái)越重視STEM教育，并制定了一系列相關(guān)政策［3］，在教育領(lǐng)域?qū)TEM教育的開發(fā)和實(shí)施也處于熱點(diǎn)。

根據(jù)《中國(guó)STEM教育白皮書》的總結(jié)分析，我國(guó)STEM教育對(duì)于科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)存在六個(gè)阻礙［1］，其中從教育層面來(lái)說(shuō)有三個(gè)主要問(wèn)題：不同學(xué)段整體設(shè)計(jì)不足、STEM教育的標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)估機(jī)制缺失、缺乏專業(yè)的STEM師資隊(duì)伍。前兩個(gè)問(wèn)題涉及教育設(shè)計(jì)，后一個(gè)則是人力問(wèn)題。因此，除了關(guān)于STEM教育是什么的問(wèn)題之外，STEM教育還有一些其他實(shí)踐問(wèn)題需要解決。

（一）STEM缺乏一種不同學(xué)段、不同課程的整體設(shè)計(jì)

STEM是一個(gè)單獨(dú)的學(xué)科，還是一個(gè)綜合的課程方法。對(duì)于前者來(lái)說(shuō)，將STEM視為一門獨(dú)立學(xué)科的想法一直是許多科學(xué)教育者的困惑，STEM的四個(gè)學(xué)科具有不同的認(rèn)識(shí)方式，對(duì)于數(shù)據(jù)和證據(jù)的構(gòu)成有不同的約定。對(duì)于后者來(lái)說(shuō)，如果STEM是一種綜合的課程教學(xué)方法，但處理的是不同的認(rèn)識(shí)方式，所以永遠(yuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正的綜合，而只是跨學(xué)科的聯(lián)系。這實(shí)質(zhì)上又會(huì)回到關(guān)于專才教育和通才教育的爭(zhēng)執(zhí)之中，而后者顯然是不可取的。單個(gè)STEM的學(xué)科基于不同的認(rèn)識(shí)論假設(shè)，STEM學(xué)科的整合可能會(huì)損害任何單個(gè)STEM學(xué)科的完整性。如果科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)被概念化為一種課程教學(xué)方法，它的跨學(xué)科性質(zhì)不僅包括科學(xué)知識(shí)的獲取和應(yīng)用，還包括其他知識(shí)基礎(chǔ)。

（二）尚未形成一套關(guān)于STEM教育的評(píng)估機(jī)制

教育評(píng)估機(jī)制的落后，并不單純是教育管理者的無(wú)能，如《白皮書》指出，因?yàn)槲覈?guó)STEM教育還處于發(fā)展初期，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)還處于空白狀態(tài)［1］。STEM的課程組織、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)效果等教育環(huán)節(jié)如何設(shè)置考核標(biāo)準(zhǔn)，目前仍缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的合理設(shè)計(jì)。STEM教育需要高質(zhì)量、目的明確的短期、中期和長(zhǎng)期評(píng)估。評(píng)估是雙刃劍，既可以促進(jìn)也可能阻礙教師教學(xué)和學(xué)生培養(yǎng)。這一任務(wù)顯然處于中觀層面，既不能依賴于宏觀教育管理部門，也無(wú)法依賴于微觀的教育者。如何制定合理的教師貢獻(xiàn)考核及學(xué)生學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)，是一場(chǎng)對(duì)以學(xué)校為主的教育機(jī)構(gòu)的考驗(yàn)。

（三）我國(guó)缺乏專業(yè)的STEM師資隊(duì)伍

STEM教育的綜合性質(zhì)要求科學(xué)教育的教師了解STEM學(xué)科的核心概念和原則，并開發(fā)出跨學(xué)科和學(xué)年的、連貫一致的教學(xué)方案和教學(xué)組織形式。如《白皮書》所說(shuō)，中國(guó)STEM教育最缺少的是技術(shù)與工程教育，而原有的師范院校中沒(méi)有相應(yīng)專業(yè)，所以技術(shù)工程類教師非常緊缺，即使有些學(xué)校已經(jīng)開設(shè)了STEM方面的選修課或必修課，但都面臨著合格教師短缺的問(wèn)題［1］。STEM教育的設(shè)計(jì)原則要求通過(guò)融合科學(xué)探究、技術(shù)和工程設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)分析，研究和設(shè)計(jì)使學(xué)生參與解決現(xiàn)實(shí)世界問(wèn)題的實(shí)踐，從而掌握跨學(xué)科的知識(shí)和技能。但是，單一的培養(yǎng)主體及單一的培養(yǎng)模式無(wú)法滿足STEM教師培養(yǎng)的所有需求，需要政府、學(xué)校及社會(huì)組織的多方參與［4］。從目前的情況來(lái)說(shuō)，對(duì)STEM教師的要求不可謂不高，這一問(wèn)題也給關(guān)于知識(shí)教育和素質(zhì)教育這一老話題再次帶來(lái)新挑戰(zhàn)。

三、STEM視野下的科學(xué)教育師資培養(yǎng)

STEM教育的實(shí)現(xiàn)要有多方面的障礙，有些是普遍性的設(shè)計(jì)因素，有些是特殊化的人力因素，因此，促進(jìn)師資培養(yǎng)是發(fā)展STEM教育的基本途徑。

（一）從教師綜合能力來(lái)說(shuō)，要培養(yǎng)從小學(xué)到大學(xué)的各級(jí)從事科學(xué)教育的教師講授STEM課程內(nèi)容的能力

教師需要深刻而持久地理解構(gòu)成科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的各個(gè)學(xué)科的內(nèi)容和性質(zhì)，以及在解決現(xiàn)實(shí)世界問(wèn)題中有意義的聯(lián)系方式。必須在四個(gè)學(xué)科之間建立明確而重要的聯(lián)系，同時(shí)平衡整合背景、吸引和激勵(lì)學(xué)生的方案。一方面可以通過(guò)個(gè)別教師的活動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如合作教學(xué)和團(tuán)隊(duì)教學(xué)；另一方面，為了實(shí)現(xiàn)這種多學(xué)科的融合，教師需要得到更有針對(duì)性的專業(yè)學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。

（二）從教學(xué)方式來(lái)說(shuō)，需要改變傳統(tǒng)理論授課的方式

教師在STEM某個(gè)學(xué)科的教育能力，需要一種明確針對(duì)創(chuàng)新、跨學(xué)科教學(xué)的方法，教師教育計(jì)劃和在職教師的專業(yè)學(xué)習(xí)需要包含這些跨學(xué)科的教學(xué)法。STEM教育既涉及知識(shí)問(wèn)題，也涉及現(xiàn)實(shí)生活問(wèn)題，因此，STEM需要改變以往理論傳授的模式，采取模擬解決真實(shí)問(wèn)題的方式展開。這包括組織學(xué)生采取探究的方法，如小組合作等方式來(lái)對(duì)問(wèn)題和潛在的解決方案進(jìn)行討論，從而在具體教學(xué)中形成一種整合方法來(lái)挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)潛力。教師通過(guò)讓學(xué)生進(jìn)行提問(wèn)、收集數(shù)據(jù)和得出結(jié)論的開放式情境，使學(xué)生能夠以類似于科學(xué)家工作的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)。雖然科學(xué)探究與知識(shí)問(wèn)題密切相關(guān)，但不僅僅是發(fā)展知識(shí)，還包括觀察、推斷、分類、預(yù)測(cè)、測(cè)量、提問(wèn)、解釋和分析數(shù)據(jù)等，科學(xué)探究是將這些環(huán)節(jié)與科學(xué)知識(shí)、科學(xué)推理和批判性思維相結(jié)合的過(guò)程。因此，教師的專業(yè)素養(yǎng)既需要學(xué)科素養(yǎng)，也需要設(shè)計(jì)素養(yǎng)［5］。

（三）從專業(yè)學(xué)習(xí)來(lái)說(shuō)，需要提升技術(shù)與工程學(xué)科的專業(yè)能力

在當(dāng)前的概念中，STEM被描述為一種綜合的課程方法，能夠解決科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)之間的相互作用，以比當(dāng)前的課程方法更真實(shí)的方式解決問(wèn)題。科學(xué)教育一直在當(dāng)前的教學(xué)中將各種學(xué)科和課程分開，更不用說(shuō)排除了對(duì)技術(shù)或工程的任何正式關(guān)注。當(dāng)前關(guān)于自然世界、社會(huì)、個(gè)人的問(wèn)題通常不屬于任何單一學(xué)科的范圍，而是需要不同背景和專業(yè)知識(shí)的團(tuán)隊(duì)及個(gè)人的合作，這就是STEM的本質(zhì)。STEM不是一門學(xué)科，它沒(méi)有自己的性質(zhì)，我們只是將STEM描述為一種課程方法。科學(xué)和數(shù)學(xué)在STEM教育中具有基礎(chǔ)性的知識(shí)地位，因此是STEM課程的明確重點(diǎn)，也是目前科學(xué)教育教師所擅長(zhǎng)之處。但是，從STEM教育的綜合特點(diǎn)和師資現(xiàn)狀來(lái)說(shuō)，提升科學(xué)教育教師STEM教育能力的重點(diǎn)在于提升技術(shù)和工程的專業(yè)能力。因此，加強(qiáng)STEM教育中對(duì)技術(shù)和工程的整合，是促進(jìn)當(dāng)前跨學(xué)科聯(lián)系和關(guān)系的發(fā)展方向。總的來(lái)說(shuō)，真正的STEM教學(xué)需要采用和適應(yīng)新的教學(xué)方法，這需要大量的教師教育課程及教師再培訓(xùn)或STEM尤其是技術(shù)和工程的培訓(xùn)計(jì)劃。

結(jié)語(yǔ)

STEM教育當(dāng)然不是目前解決科學(xué)教育問(wèn)題的唯一方法，但從現(xiàn)有的各種理念來(lái)說(shuō)，它看起來(lái)似乎更可行，因?yàn)樗兄Z不會(huì)將面臨的問(wèn)題置身于各個(gè)學(xué)科的孤島中。事實(shí)上，影響我們的包括重大科學(xué)問(wèn)題、社會(huì)問(wèn)題和個(gè)體發(fā)展問(wèn)題在內(nèi)的真正問(wèn)題，從來(lái)都不在任何單一學(xué)科的范圍內(nèi)。理論上，STEM基本原理是使學(xué)生能夠更真實(shí)地參與現(xiàn)實(shí)世界中感興趣的問(wèn)題，使他們能夠?qū)W習(xí)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)學(xué)科的知識(shí)，并展示具有科學(xué)素養(yǎng)的判斷能力。STEM的課程或教學(xué)方法最明顯地體現(xiàn)在解決問(wèn)題和批判性思維上。STEM所設(shè)想提供的知識(shí)，為我們提供了關(guān)于如何發(fā)展知識(shí)及知識(shí)如何應(yīng)用的可能答案。當(dāng)然，邏輯是一回事，實(shí)踐是另一回事。目前并沒(méi)有有力的實(shí)踐結(jié)果證明接受STEM教育的學(xué)生就能夠表現(xiàn)出更高的成就、批判性思維和解決問(wèn)題的能力，這種實(shí)踐結(jié)果的缺失不僅由于STEM處于初步階段，還在于綜合教育的效果本身就是難以短期證明的。在這個(gè)意義上，STEM教育本身也是一種教育實(shí)驗(yàn)。