面向未來的STEAM教育:錨定世界前沿真實問題的課程內容選擇

彭杜宏

(蘇州科技大學 教育學院,江蘇蘇州 215009)

一、引言

從STEM教育到STEAM教育,跨學科課程越來越受到關注。STEAM教學的有效性問題是決定STEAM教育能否長遠發展與深入應用的根本性問題〔1〕。在STEM跨學科課程或主題活動的教學設計中,難點在于如何選擇活動內容、如何將所有活動有機整合在一起〔2〕。如何設計好STEAM教育的課程內容也成為當今全世界所關注的熱點〔3〕。我國《科學課程標準》強調,精選對學生終身發展有價值的課程內容并規劃適合不同學段螺旋上升、有序遞進的課程結構〔4〕。2022年聯合國在“教育變革峰會”上強調,提供更加優質的教學內容和創新的教學方式。教學內容選擇直接關系兒童的學習質量〔5〕,好的內容原料是STEAM教育優質有效的必要基礎。

當前中國STEM教育展示出了蓬勃發展的勢頭,但必須承認的是,我國STEM教育仍處在探索階段,呈現出混雜無序的現實狀態〔6〕。如實踐中各學段STEAM教育普遍內容不成體系、課程多以碎片化形式出現、鮮有優秀課例〔7-9〕。依托原有科學課程進行的STEAM教育,學科融合性較差、課程內容單一或過分注重機器人、3D打印、編程技能〔10〕。即使某些獲得發表或推廣學習的STEAM活動案例(如水果保鮮、防雨鞋、紙橋承重等),其內容難以實現不同學段間的整體關聯與縱深推進;或與當前人類社會共同面臨的某些艱巨挑戰相脫節——缺乏面向世界、面向未來的關切與幫助孩子們參與到當前世界的前瞻理念。尋找與開發優質STEAM教育內容資源成為亟待解決的重要問題〔11〕〔12〕。

教育是面向未來的事業,它需要預見性和前瞻性〔13〕。2021年加拿大英屬哥倫比亞大學線上舉辦的第六屆國際STEM教育大會指出,面對新冠疫情、氣候變化、就業轉型等諸多現實挑戰,STEM教育工作者比以往任何時候都需要為世界復雜問題提供解決方案〔14〕。面對信息技術、人工智能、云計算、大數據帶來的科技巨變,科學教育改革應該著眼于學生未來生活,盡早讓學生們了解不同問題解決的新思路和新方式,讓他們更好地為未來做準備〔15〕。正如荷蘭教育哲學家比斯塔指出,教育不僅是對我們已經知道的或已經存在的事物的復制,也是對新的開始和新人進入這個世界的方式有真正的關注〔16〕。因此,探索具有中國特色的STEAM課程改革需建立融時代要求與現實情境的STEAM課程內容體系〔17〕。以真實問題解決為本質特征的STEAM教育需要面向世界、面向未來、面向前沿、面向人類社會真實的艱巨挑戰;需要打開學生認知的視野,呈現給孩子們開放的世界與未來。由此本研究提出錨定世界前沿(未決)真實問題的STEAM教育取向,作為中小幼STEAM教育課程內容優化升級的一種補充,為找到中小幼STEAM教育優質內容的活水源頭并精選貫穿中小幼STEAM教育的內容一體化提供思路,為實踐高質量的STEAM教育與目標有效達成提供保障。

二、錨定世界前沿真實問題的多維教育價值

世界前沿問題是在當前和未來對人類有挑戰的復雜問題,它們反映的是國際科技前沿、全球共同需求或國家重大需求、人類面臨的瓶頸或工程技術難題等。如2005年《Science》雜志發表了125個最重要的前沿科學問題;2021年上海交通大學攜手《Science》共同發布了新版125個前沿科學問題〔18〕;2022年中國科協發布了2022年度重大科學問題、工程技術難題〔19〕;2023年中國光學工程學會最新發布了15個前沿真實問題〔20〕。錨定世界前沿真實問題的STEAM教育具有多維而深遠的教育價值。

(一)促進中小幼STEAM教育內容一體化的建構

加強大中小幼教育的一體化建設是我國教育改革與發展的重要趨勢。目前大中小幼德育、心理健康教育、體育、勞動教育等一體化問題受到學界不同程度的關注。STEM人才建設可持續發展的關鍵是要有打通各學段的整體設計,而這正是我國STEM教育當前面臨的困境之一〔21〕。因而,推進基礎教育階段STEM課程一體化建設是STEM教育研究領域的未來發展方向〔22〕。那么如何有效實現中小幼STEAM教育的縱向一體化?按瑞吉歐課程經驗的總結,對教師而言,一項艱巨的任務便是協助孩子找到一個夠大、夠難的問題,可以讓兒童投注最多的精力并長時間思考〔23〕。好的驅動性問題既能展開一系列探究活動,又能增強學生學習的一致性與連貫性。從學生學習的角度看,問題對教學過程具有動力注入、方向指引、階段形塑等導引作用〔24〕。因此,中小幼STEAM教育要實現螺旋式上升的連續性、遞進性、系統性等一體化探索,關鍵是找到適合于聯結中小幼學生STEAM學習的、有足夠探究價值的高質量真實問題。有挑戰的、好的內容資源是有效實現中小幼STEAM教育一體化的必然選擇。以上海交通大學攜手《Science》共同發布的世界前沿問題“我們可以阻止全球氣候變化嗎?”為例,2022年歐盟理事會就提出采取行動應對氣候危機,建議通過教育使所有學習者了解氣候危機與可持續性,為可持續發展創造支持環境,以積極參與、動手行動、跨學科探索等促進可持續發展。它也被國際上一些學者呼吁納入大中小科學教育體系〔25〕〔26〕。通過分析該世界前沿真實問題背后蘊含的核心科技工程問題,如“何謂全球氣候變化?(全球氣候變化的具體表現有哪些?全球氣候變化的當前危機與潛在危害有哪些?)”“為什么會發生全球氣候變化?”“我們可以采取哪些具體措施來阻止或減緩全球氣候變化?”等,繼而進一步剖析每個核心問題背后的遞進性問題鏈,便可發現這樣的世界前沿真實問題具有巨大的問題探索空間。從核心問題到遞進性問題,從發現問題、界定問題到分析問題、解決問題,展開聚焦核心問題與問題引領的動手動腦的深入探究。中小幼不同學段聚焦真實問題背后的核心問題及其遞進性問題鏈,在不同維度、不同層面、不同廣度上展開一以貫之的深入探索。由此,世界前沿真實問題轉化為驅動性問題,借助它們能實現中小幼STEAM教育一體化的內容建設,促使中小幼STEAM學習更加真實有效、深度貫通和發揮長遠價值。

(二)突破唯標準答案、唯結果與功利取向的痼疾

世界前沿真實問題包括人類至今尚未解決或一段時間內有挑戰的重大科學、工程與技術難題。它們對當前科學家、工程師、技術人員等有巨大挑戰,對學校園所機構的教師而言更是無已知答案或無法查到標準答案的開放性、挑戰性問題。由此,教師難以用標準答案來評判學生的探究結果,也難以用心中早已熟知的標準答案來束縛學生的思考與探索過程。教師可以懸置結果、持更開放的態度對待問題的探索過程,可以以更大的容錯心態來指導學生,可以歡迎天馬行空的涌現與多樣化的思路和方案,從而使學生的主體表達得到最大可能的尊重,使個體的思維活動獲得無限可能性。同時它們促使教師把注意力放在探索過程上而非最終結果上,放在啟發學生發現問題、提出問題、分析問題、解決問題的思維能力上而非內容知識的傳授與標準答案的識記上。由此,各層級教育走出長期以來的固守標準答案、結果取向與功利評價,青少年兒童得以自由思考和發現,展開想象的翅膀,提出自己的猜想與假設。

(三)播下對特定問題持續探究與STEAM領域興趣的種子

對STEM領域產生興趣和身份意識的最好時期是在幼兒園和小學〔27〕。同時,好奇心是學習的根基和關鍵的內驅力〔28〕。從小給兒童展現未來世界的某些景象、讓他們感知世界前沿的真實問題——從小感知一些世界前沿有挑戰的、人類共同面臨的難題,感知這些問題在身邊的具體現象、典型現象表現,有助于引起兒童對身邊前沿真實問題的關注,激發兒童的好奇心,播下鉆研探究前沿真實問題的興趣種子,為兒童日后發展出對該問題的持續探究以及主動投入STEAM職業領域提供必要的鋪墊。研究發現,參與STEM教育活動能提升學生的科學探究過程技能、STEM職業興趣以及STEM領域學習動機以及他們的跨學科觀念〔29〕。以有挑戰的真實問題來展開STEAM探究也有利于發現早慧或有天賦的兒童,滿足他們探究問題、挑戰問題的需求與興趣,為他們將來涉足STEAM領域創新創造提供有力支持。

(四)引發深度學習與創新思維發生發展

世界前沿真實問題是兼具驅動性、挑戰性和綜合性的復雜未知問題。它們往往具有足夠的挑戰性、巨大的探究空間、深層的生成性、無標準答案的未知性與開放性等特點。它們需要融合多學科知識、需要撬動高階思維、需要跨學科融合貫通,并持續嘗試和探索。復雜的真實問題背后蘊含著若干核心科學和工程技術問題,每一個核心問題背后又可以分解出若干密切相關的遞進性分問題。由此,任何一個問題的探索都有其上下相連與延伸的若干重要問題,從而為深度探究、深度學習提供足夠的機會。深度學習強調運用知識解決問題,表現為真實問題驅動、學習者全身心參與下開展的協作探究〔30〕。面向世界前沿真實問題的STEAM探究正好提供了運用知識解決真實問題的探究機會,學習不再是寬泛淺薄的或對知識的被動接受,而是在真實情境中圍繞問題解決的知識整合、遷移、反思、應用,在世界前沿真實問題親歷探究實踐中逐步發展科學、工程與設計思維、創新創造能力。開放性的問題尤其利于發展兒童的原創性水平,主要是他們的發散性思維和原創性〔31〕。另有研究表明,基于未來問題解決的教育項目有效提高了大學生的未來問題意識、進行創造的自我效能感、感知到的創新行為〔32〕。

(五)真正促進教師與學生共同成為研究者

面對未知的世界前沿真實問題,教師需要和學生一起去學習、去研究、去探索。未知消減了教師的權威和控制,教師不再是知識的擁有者、傳遞者、灌輸者、控制者,不再是二十年如一日地教授同一靜止與固化的知識;他們需要與學生一起搜索信息、明確方向、設計方案、嘗試改善、持續探究,其好奇心與積極性也被調動起來。同時,教師與青少年兒童一起投入鉆研探索,才能真正走出成人的話語體系和成人構建出來的兒童視角,實現兒童立場的真實落地。青少年兒童獲得了與教師平等的主體身份與話語權,其探索的熱情與天性能得以釋放。由此既給予了教師學習的主體性,也還學生學習的主體性。教師與學生共同成為研究者,成為合作研究的共同體。

此外,探究世界前沿真實問題也將有助于發展青少年兒童的公民意識、提升其社會責任感,形成參與改變世界的共同愿景等。因此,瞄向世界前沿(未決)真實問題的STEAM教育內容選擇具有多維度、多層面的深遠教育意義和社會意義。

三、世界前沿真實問題的精選策略

盡管世界前沿真實問題是有待人類共同努力的艱巨挑戰,也是具有多維教育價值的STEAM教育的內容源泉,但不是所有的前沿真實問題都適合直接納入中小幼STEAM教育內容資源庫,不是都有助于促進特定學段教育目標的有效達成。教師敏銳關注搜集世界前沿真實問題后還須對其進行精心遴選,從中選出適宜的代表性問題。精選過程中以下策略可供借鑒。

其一,選擇與青少年兒童生活關聯度高的前沿真實問題。生活關聯度即與青少年兒童生活的相關性,如在青少年兒童生活周圍有體現、有反映、有映射,或青少年兒童自己在生活中有見聞、有接觸、有興趣。生活關聯度強調所選前沿真實問題完全源自青少年兒童的生活、扎根在他們的日常生活中,不脫離或遠離青少年兒童自身的生活。無論是他們親身經歷、遭遇的前沿真實問題,或他們有見聞、有感知、有體會的前沿真實問題,都沒超出他們經歷體會、所見所聞、感知感受、好奇疑惑的范圍。生活關聯度越高,青少年兒童的感知經驗越豐富,越適合挑選。例如,中國科協2022年發布的世界前沿科學問題“如何利用遙感科技對地球健康開展有效診斷、識別與評估?”與中國光學工程學會2023年發布的工程技術難題“如何構建超大型空間光學裝置?”相比,前者相對于青少年兒童的生活關聯度可能更高,因為環境污染、極端天氣、氣候危機、生態失衡等是每一個青少年兒童都有或多或少或深或淺的切膚體驗、遠近見聞,他們也有接受身體健康檢查、操控遙控小汽車或飛機的直接感知親身經歷。

其二,選擇現象凸顯、現象典型的前沿真實問題。近代教育學之父夸美紐斯在《大教學論》中指出:“可以為教師找出一條金科玉律。一切事物都應該放在感官跟前。”〔33〕教育現象學理論先驅范梅南認為,區分鮮活的此刻(直接此刻)和間接的此刻(間接此刻)極為關鍵……當我們試圖通過口頭或書面文字描述來捕捉鮮活存在的“此刻”時,總是已經太遲了〔34〕?？梢?直接呈現觸動感官的鮮活現象本身是有效教學的重要法則。近年興起的直觀性教學〔35〕、現象教學〔36〕均強調生活現象的重要教育價值?，F實世界中待解決的前沿真實問題通常會有直觀性、整體性的外部現象表現,對其進行精選時要盡可能選擇外部現象表現凸顯、典型的真實問題,越凸顯越典型越好,或鮮活生動、非同尋常、對比鮮明,或奇妙有趣、充滿懸念、觸目驚心、令人震撼。由此,能充分調動起青少年兒童的視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等感覺系統——觸動感官、直擊人心,讓其充分感知體驗真實問題,繼而順利啟動基于主體體驗的高階思維、主動探究與深度學習。

其三,選擇跨學科指數高的前沿真實問題。即選擇需要多學科綜合、跨學科融合探究的真實問題。盡管現實的問題不會以單一學科的面貌出現〔37〕,但有的世界前沿真實問題傾向于純科學問題。如“為什么生命需要手性?”“人類為何會對狗貓如此著迷?”〔38〕這樣的問題,“跨學科性指數”相對偏低。而“我們可以創造一種環保的塑料替代品嗎?”“幾乎所有材料都可以回收再利用是否可以實現?”〔39〕等問題,“跨學科性指數”相對更高?？鐚W科性指數高的真實問題往往是現實世界中待解決的復雜難題,它們關乎了是什么、為什么、怎么辦、怎么做等多個層面,是跨領域、跨學科、交叉融合的難題,同時背后蘊含了核心科學工程技術問題,既需要深入探索自然世界的事實規律,又需要人類進行動手改進、制作、創造才可能有效解決。在前沿真實問題的牽引下,核心科學工程技術問題驅動、串聯、貫穿整個前沿真實問題解決過程,進而自然地引發跨學科的融入。

其四,選擇能實現學生親自動手操作探究的前沿真實問題。操作學習是與符號學習、交往學習等相并列的一種學習類型〔40〕,同時具身認知理論認為學習與認知是身、心、腦的整體性投入。學習是一種具身的行動〔41〕,認知是通過身體活動“生成的”〔42〕。因此,無論兒童還是青少年,其深入有效的STEAM學習都離不開親自動手操作的探究體驗。即使面向高中階段的學生,能實現親自動手操作活動的STEM教育也更有助于他們對復雜問題的理解和解決〔43〕。因此,在選擇世界前沿真實問題時要考慮能否實現青少年兒童的親自動手操作探究,在哪里或哪些地方能實現,無論是基于假設—檢驗的科學實驗或調查過程時,還是在運用技術、進行工程設計或創造(如選用材料工具進行模仿加工、想象設計、改善創造或以藝術的方式呈現產品等)時,要在整個問題解決過程中有能實現青少年兒童親自動手操作解決的環節或部分,如果難以實現青少年兒童親自動手操作探究則不適合挑選。

最后,選擇青少年兒童感興趣和問題本身趣味性高的前沿真實問題。要從主體與客體兩方面同時考量所選前沿真實問題的趣味性,不僅需要跟隨青少年兒童的興趣與關注點,同時要讓問題本身成為一個令人興奮的學習機會與探索過程。盡管前述提及的生活關聯性、現象典型性等都為趣味性提供了不可或缺的鋪墊,但趣味性本身依然需要作為獨立指標著重考量。大量研究表明“興趣”是使學習發生的內在復雜心理過程〔44〕,面對有挑戰的真實問題,若缺乏趣味性或學習者不感興趣,難以激發內驅力和主動投入。

綜上,在世界眾多前沿(未決)真實問題中,教師需要綜合考量,精選出生活關聯度指數、現象典型指數、跨學科性指數、可動手操作性指數以及趣味性指數等方面均高的真實問題,而不僅僅是其中某個或某兩個指標指數很高的問題。

四、結語

新一輪的前沿科技迭代與人工智能迅猛發展,世界百年未有之大變局加速演進。面對時代的劇變與未來世界的不確定性,青少年兒童需要發展廣泛的適應力、整體的認知力、綜合的判斷力和融合的想象創造力。然而,當代教育學忽視對當下課程與教學未來適應性的研究,難以使學生獲得未來生活真正需要的知識和能力……幾百年過去了,課程內容選擇方面的問題仍然很嚴重〔45〕。倪閩景曾指出,我們中學的物理、化學、生物等科學課程始終重解答題目卻輕解決問題;我們的理科課程落后世界70年,大量內容是200年以前的知識〔46〕。教育要真正面向未來,就必須認真檢視當下的課程內容:究竟哪些內容是兒童未來生活真正需要的? 教育者應該精心選擇,將那些對兒童未來發展最有價值和意義的部分在課程中呈現給他們〔47〕。這對我國當下的STEAM教育是一種啟示與警醒——我國STEAM教育的高質量發展需要面向未來的高質量供給。面向未來的STEAM教育需要超越已知與慣常,關注前沿與未知。即在零散瑣碎或紛繁復雜的眾多真實問題中,錨定在青少年兒童生活中有映射、有體現的世界前沿未決真實問題或我國前沿科技工程難題,將其作為STEAM教育內容獲取的一種新思路與新源泉,從中進行分析考究、精心挑選。世界前沿真實問題如同驅動性問題,能給不同學段青少年兒童螺旋上升的探索空間和機會,能開發不同學段學生的動手操作探究活動,能形成有序遞進的課程內容體系。使用驅動性問題也能展開一系列探究活動、能增強學生學習的一致性和連貫性,提高學生建立與生活的聯系和整合學科知識的能力等〔48〕。

不同學段教師的工作重點就是關注與尋找在青少年兒童生活中有體現、有映射、有見聞的世界前沿真實問題,繼而精選與捕捉其中最具代表性、最典型、最適宜的部分。教師需要有保持對世界前沿未決或人類共同面臨的科技工程難題的關注意識,需要有建立STEAM教育高質量內容資源庫的意識;緊隨所在班級學生的關注點與興趣點,保持STEAM教育內容的靈活性、主體性與個性化,滿足學生的探究興趣、認知需求與鉆研熱情。由此助力青少年兒童敏感于身邊看似平常的前沿真實問題,在青少年兒童心中播下興趣的種子,引領他們學會洞察問題、跨學科融合地分析問題與解決問題,從而在未來人生道路上也不畏挑戰,努力地創造性地解決現實復雜問題。為此,教師無需對自己不知道標準答案或不能解答而感到恐慌或有壓力。每一項科學突破都始于一個問題。雖然可能無法立即獲得所有答案,但虛心傾聽青少年兒童對世界前沿未決真實問題的多樣性感受與天馬行空的思考,也有可能啟發我們對這些前沿問題解決的新思路、新視角、新途徑,為科技界和人類社會提供靈感與智慧,或有可能更好地整合人文藝術的視角,發揮STEAM跨學科探究優勢,繼而真正通向問題解決之正道。正如土耳其詩人?？嗣诽厮?“把地球交給孩子吧,哪怕僅只一天,讓世界學會有愛,孩子們將從我們手中接過地球,從此種上永生的樹。”〔49〕