秦建軍

本文試圖從整體教學觀的角度分析和回答如下幾個問題：一是針對中小學技術教育所面臨的問題，提出STEM教育模式作為一種整體的教學觀，可以更加全面地培養(yǎng)學生的能力；二是STEM教育強調整體的、多學科交叉的系統(tǒng)教學觀，而不是四個方面的簡單相加；三是指出為什么要實施STEM教育，從《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》、產業(yè)界對人才的需求以及人才培養(yǎng)的規(guī)律等角度闡述實施STEM教育的理由；四是如何實施STEM教育，提出了國家引導、大學支持和行業(yè)協(xié)作三種基本模式，并且結合學生科技競賽和工作營等提出了若干可以輔助STEM教育的活動模式，最后給出了實施STEM教育的若干建議。

中小學技術教育所面臨問題

我國的基礎教育體系中，基本科學素養(yǎng)在中小學中得到一定的普及，而技術和工程并沒有得到足夠的重視，信息技術和通用技術教育進入中小學課堂只是近十年的事情，且愿意投入這項事業(yè)的教師非常少，工程教育的開展更是少之又少。根據(jù)2001年度的國際權威數(shù)據(jù)統(tǒng)計，54%的國際航空航天科技從業(yè)人員年齡在45歲以上，33%的人員已經達到退休年齡。因此，在中小學階段開展相關技術和工程教育的啟蒙已迫在眉睫，但中小學實際的技術教學面臨著如下問題。

1.教學時間和教學內容的矛盾

技術教育內容涉及的廣度大，如果講授內容過少，僅僅讓學生了解基本知識，則會最終流于形式而效果不佳；如果講授內容過多，教學時間不允許，無法達到教育的效果。

2.對任課教師的要求更高

技術是不斷發(fā)展的，盡管各學校按照課程開設要求引進了非師范院校的理工科專業(yè)的研究生或本科生并將其充實到教師隊伍中，但由于技術設計具有通用性強、適用面廣、可遷移性大、實施條件靈活等特點，其對技術教師的能力要求遠超過其他學科，原因包括：一是課程、教材體系尚處于試用和探索期，遠沒有其他學科的內容成熟，加上學生的基礎差別很大，需要教師根據(jù)學生情況靈活調整；二是技術課程是面向應用類的，因此需要經常充實新的內容，而大部分內容需要技術課程的教師通過自學或者繼續(xù)教育完成。

3.對打破學科界限和內容限制的要求已十分迫切

長期以來，每個教師僅局限于自己所任教的課程，不注重與其他教師在教學內容上的合作。這種教學方式對于技術教育是非常不利的，但是改變的條件又不具備。

正是由于以上原因，必須從整體教學觀的角度來重新審視我國的技術和工程教育模式，而不是僅僅在內容和模塊方面做局部調整。近年來，STEM教育模式在美國的基礎教育中被廣為接受，同樣它為我國實施中小學技術和工程教育提供了很好的示范。

什么是STEM教育

STEM教育源于美國，是科學、技術、工程與數(shù)學英文首字母的組合，但并不是四個方面內容的簡單相加。在美國，STEM教育通常被看成是一個多學科教育的新范式，和以往分學科教學不同的是，它更強調交叉與融合，學科體系建立在集成其他學科知識并成為一個新的整體知識的基礎上。它提供給學生的是接觸整體世界的最佳結合點，而不同于以往的零碎片段式的教育方式。因此，從這個角度來看，它們分別代表了四類不同的學科，如數(shù)學代表的是有確定性結果而方法不同的學科群（如物理、化學等）。

中小學生的基本能力包括科學思維、獲取知識、創(chuàng)新意識、邏輯推理、動手實踐等，要理解STEM教育，首先需要了解各個學科教育在學生能力的培養(yǎng)過程中所起到的作用。各個學科教育按照過程和結果的可知程度可用圖1所示的坐標軸來表示。STEM分別代表了四個不同的象限，如大家所熟知的數(shù)學是有效訓練學生思考能力的學科，因為不同的學生可以靈活應用自己所掌握的方法去得到確定的結果?？茖W與數(shù)學相比則增加了不確定性，目的是激發(fā)學生對某一未知領域的興趣以及科學探索的過程，而結果則可能會因為方法的不同或者條件的不同而出現(xiàn)差異。但是科學和數(shù)學的共同點都是其過程是未知的，對學生的要求較高，即學生之間會出現(xiàn)較大的差異。因此，在對中西方基礎教育進行比較時可以發(fā)現(xiàn)，同等學生層次中，西方的基礎教育對數(shù)學、物理等學習能力的要求低于我國，而他們更加強調的是科學推理能力的培養(yǎng) 。

圖1還可以做如下區(qū)分，左半部分的科學和數(shù)學代表了學生學習和獲取知識的能力，而右半部分的工程和技術則代表了應用知識的能力。從教育改革的進程來看，現(xiàn)階段我國教育的主要目的是取得“減輕學生負擔”和“促進學生全面發(fā)展”之間的平衡，因此提高學生的創(chuàng)新思維和動手實踐能力就被提上了日程。近些年，信息技術和通用技術能力的培養(yǎng)得到了高度重視，教育部在《中小學信息技術課程指導綱要（試行）》中提出了以應用技能為主的教育形式，并在《普通高中技術課程標準（實驗）》（以下簡稱“標準”）中明確指出，高中的技術課程是高度綜合、立足實踐、注重創(chuàng)造且科學和人文融合的課程。從圖1中可以看到，與數(shù)學、物理學科相比，技術有更加固定和成熟的方法，且它是面向實際的應用類學科，因此不同的學生只要通過適當?shù)挠柧毤纯蛇_到一定的能力要求。從標準的要求也可以清楚地看到這一點，如兩個必修模塊都是和過程相關的，“技術與設計1”是為了讓學生了解體現(xiàn)當代技術思想和方法的科技成果和先進文化，“技術與設計2”則是讓學生理解技術實現(xiàn)所經歷的一般技術設計過程，而選修模塊則從結果導向的角度讓學生通過成熟的方法得到可預期的結果。

從STEM系統(tǒng)培養(yǎng)學生能力的角度來看，工程方面的內容在基礎教育中并未得到足夠重視，甚至有時會將它和技術相混淆。工程強調的是利用已知的過程和知識解決未知的問題，但是結果則可能是不確定的。美國正式使用的第二架航天飛機——“挑戰(zhàn)者”號在1986年1月28日執(zhí)行第10次太空任務時，因為右側固態(tài)火箭推進器上面的一個O型環(huán)失效，導致一連串的連鎖反應，并且在升空73秒后，爆炸解體墜毀。當時機上的7名航天員全部在此次意外中喪生。這是工程的一個很典型的例子。工程可以簡單定義為在特定的約束條件下，尋求滿足客戶需求的設計方案，而這些約束條件是自然定律，因此，工程設計要解決三個方面的問題：一是符合人的需求或者愿望；二是能夠解決特定的問題；三是在恰當?shù)募s束條件下滿足前兩項要求，如成本、時間、技術的可實現(xiàn)性、環(huán)境保護和政策等。

為什么要推行STEM教育模式

1.是國家教育改革和教育發(fā)展的需要

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》在戰(zhàn)略主題中明確指出：“堅持能力為重。優(yōu)化知識結構，豐富社會實踐，強化能力培養(yǎng)。著力提高學生的學習能力、實踐能力、創(chuàng)新能力?！睂W生的培養(yǎng)已經從應試能力向立足于學生全面發(fā)展的綜合素質培養(yǎng)轉變，這就要求教育培養(yǎng)方案必須能夠與學生的綜合能力和素質提升相匹配，STEM教育無疑是好的實現(xiàn)形式之一。

盡管世界普遍公認日本的教育系統(tǒng)是一個典范，但他們還是在20世紀80年代和90年代對教育進行了若干改革，并實施了《21世紀教育新生計劃》，簡稱“彩虹計劃”。該計劃中一個重要的內容是推行了類似STEM的做法，打破各教師和各學科之間的界限，強制讓教師之間合作并推行整體的教學觀。雖然其中的一些做法在當時遭到了很多教師反對，但正是得益于其前瞻性，現(xiàn)在其教育成效開始顯現(xiàn)，并使得日本的教育系統(tǒng)始終保持領先的地位。

2.是培養(yǎng)未來工程領軍人才的迫切需要

中國工程院2010年發(fā)布的《人才創(chuàng)造未來 創(chuàng)新引領世界——關于工程科技人才的調查報告》指出：2007-2008年度《全球競爭力報告》（世界經濟論壇）在“科學家和工程師的可獲得性”排名中，中國位于125個國家的第77位。工程性與創(chuàng)新性的缺位，使得我國的高等工程教育難以滿足國家發(fā)展對創(chuàng)新型工程科技人才的迫切需要。工程科技領域的領軍人物以及具有創(chuàng)造力的工程師的稀缺，是制約我國實現(xiàn)工程科技創(chuàng)新以及今后全面領先于世界工程科技的最關鍵因素。

我國學生工程教育啟蒙少且晚是難以培養(yǎng)領軍人才的重要因素。一些人認為，工程和技術教育的開展可以從大學或者高職教育開始，而不是中小學教育應該做的。在我國中小學中普遍開展的課程，按照學科分大約有十多門，而教育部頒布的《普通高等學校本科專業(yè)目錄（2012年）》中，共有92個專業(yè)類、506個專業(yè)。大部分學生在填報高考志愿時，對所填報的專業(yè)缺乏基本的了解，為數(shù)不少的學生剛上大學即對專業(yè)失去興趣。而史蒂夫·喬布斯和比爾·蓋茨在小學階段就已經受到行業(yè)頂級工程師的熏陶，完成了成為工程師的基礎啟蒙，中學階段則已經有商業(yè)化的產品推出。

STEM教育開展形式的若干建議

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，STEM代表的是學生綜合能力發(fā)展的四個方面，它們是相互補充的關系，因此STEM教育的開展形式不應該孤立為各個不同的模塊，而應設計一種整體的教學情境，讓這四個方面的能力在教學和學習實踐中得到綜合提高。下面，結合國內外的一些教學或實踐活動，介紹若干新的STEM教育形式。

1.風靡全球的FIRST機器人競賽

FIRST全名為For Inspiration and Recognition of Science and Technology（崇尚發(fā)揚科學技術）。FIRST認為，要在現(xiàn)實世界中取得成功，學生們不應只坐在教室里回答問題。在當今全球競爭的環(huán)境下，學生們必須能將學術概念應用到現(xiàn)實世界中，學會戰(zhàn)略性思考，為開放性問題設計解決方案，具有團隊精神，能夠與不同文化背景的人溝通互動及表達自己的想法。FIRST為不同年齡段的學生設計了FLL、FTC、FRC等四種比賽項目，成功地將這些內容結合到類似體育競賽的挑戰(zhàn)中，使學生在學習課堂知識與科學項目之余，能夠鍛煉在21世紀的人際交往、技術、商業(yè)和創(chuàng)作能力。

以FTC比賽為例，每年吸引了全球近30萬學生、10萬名志愿者及超過3500家企業(yè)參與。與大多數(shù)的競賽一對一對抗競技不同的是，該比賽采用的是兩兩配合對賽的形式，即不同的隊伍之間既是競爭對手，又是合作伙伴。隊伍之間的合作也是影響小組得分的重要因素，每場比賽之前，同盟隊伍的主要隊員都需要緊張協(xié)商比賽策略。2011年，該項賽事由美國PTC公司引入中國并在上海舉辦試點賽，2012年正式在中國舉辦該項賽事，并在北京建筑工程學院和上海同濟大學分別舉行。北京賽區(qū)共有10支隊伍參賽（如圖2），100多所國際著名大學為參賽學生提供了獎學金申請機會。從2013年開始，該項賽事被北京市教育委員會列為北京市大學生機器人智能大賽的正式比賽項目，北京地區(qū)參賽隊伍達到了50支。

2.開放問題的真實世界設計挑戰(zhàn)賽（RWDC）

真實世界設計挑戰(zhàn)賽（RWDC）是一項全美設計賽事，得到了超過70家著名國際企業(yè)的支持，涉及參賽高中生逾7800名。該競賽由公私機構共同合作支持，旨在激發(fā)學生對科學、技術、工程和數(shù)學（STEM）等領域及職業(yè)的興趣。和一般的課程競賽不同的是，真實世界挑戰(zhàn)賽采取的方法是真題假做，問題都來自于行業(yè)或者企業(yè)，要求學生所應用的知識不是某一門或者固定幾個所學學科的，而是多學科、多跨度的不同知識的綜合應用。如參加2012-2013年真實世界設計航空挑戰(zhàn)賽的學生需要設計無人駕駛飛機系統(tǒng)，以定位走失兒童。再如，要求參賽學生提交一份商業(yè)計劃書，以滿足50個營救行動的財務支出；參加地上運輸挑戰(zhàn)賽的學生需要設計顯著提升燃料功率的下一代卡車，以保護國家燃料和能源存儲。

之所以有很多國際著名企業(yè)對該項賽事感興趣，是因為它們想通過這種挑戰(zhàn)賽激發(fā)學生對工程的興趣，并為即將退休的優(yōu)秀工程師物色潛在的“接班人”。真實世界設計挑戰(zhàn)賽中提到了五個真實。

真實的問題：以學習課程為基礎提出一套實際的應用方案。

真實的工具：激勵學生通過隨手可得的工具展示他們的方案。

真實的角色：需要學生具有小組合作、領導力以及解決問題的技能。

真實的設計：培養(yǎng)學生的創(chuàng)造力、批判思維和創(chuàng)新能力。

真實的貢獻：鼓勵學生提出不同的方案。

3.跨學科工作營模式

跨學科工作營是針對某一真實問題，由若干學生組成跨學科小組，在限定的時間內完成相應的任務，且沒有固定的答案。2011年7月12日～18日，北京建筑工程學院聯(lián)合美國AECOM、美國PTC、丹麥威盧克斯等著名企業(yè)舉辦了2011年可持續(xù)城市論壇暨北京建筑工程學院可持續(xù)性設計工作營活動。在為期一周的時間內每組十多名學生要通過合作的方式完成北京市豐臺區(qū)西鐵營村的城市規(guī)劃設計、綠色建筑設計、產業(yè)規(guī)劃等任務。這是一個真實的問題，需要學生綜合運用經濟、歷史、文化、交通、給排水、建筑、設計等多領域和多學科的知識來解決當?shù)氐陌l(fā)展問題。北京景山學校的十多名學生組成了一個特別小組參賽，盡管這些學生此前從未接觸過相關知識，但是在指導教師的簡單輔導下，還是提出了他們的規(guī)劃設計方案和單體建筑的設計方案（如圖3），并且體現(xiàn)出若干新的解決思路，如岳文碩同學針對當?shù)氐貏莸屯萑菀追e水的問題提出了新的蓄水系統(tǒng)方案。

圖3 北京景山學校的學生做方案展示

值得關注的是，一些國際高校已經將跨學科工作營模式作為選拔人才的一種新模式。富蘭克林歐林學院以其年輕、小規(guī)模、基于項目合作的課程，以及由F.W. Olin基金會資助的大額捐贈而著稱。該學校僅有學生三百余人，每年授予入學新生相當于學費免半的歐林獎學金，2007年被美國《新聞周刊》評為美國25所新常春藤學校之一。該校選拔學生的模式就是采取了十多人組成的跨學科小組的方式。

實施STEM教育的若干建議

1.教育部門聯(lián)合相關研究機構引導的重要性

開展STEM教育并不是某一所或者幾所中小學所能完成的，首先需要教育管理部門制定相應的實施細則，引導更多的政府研究機構加入進來，推動STEM教育的開展。在美國，K-12階段開展STEM教育得到了極大的支持。美國政府投入了超過43億美元用于支持該項目，包括提高STEM教學和學習的積極性等。美國工程院K-12工程教育標準化委員會2010年發(fā)布了K-12的工程教育標準。美國工程院在推動美國STEM教育的過程中也發(fā)揮了重要的角色和作用，如它通過兩個網站搭建了中小學與高校以及企業(yè)之間的橋梁。一是工程之路（Engineering Pathway）網站，網站上包括各個工程專業(yè)的普及介紹，各種工程常識以及經驗等（如圖4），所有的資源都是開放的。二是創(chuàng)建了專門針對女性工程師的網站——Engineering Girl（如圖5），其中不但有專門為女性準備的關于各個工程領域的科普性介紹，更有各大公司和行業(yè)的優(yōu)秀女性工程師代表等。

2.需要社會企業(yè)的大力支持

美國的STEM教育還得到了社會力量的全力支持，如前面提到的幾個競賽都得到了著名公司和基金會的贊助。PTC公司是世界著名的工程設計和計算軟件提供商，該公司支持和贊助了包括FIRST機器人和RWDC真實世界設計挑戰(zhàn)賽在內的諸多面向中小學生STEM教育的賽事。著名的飛機制造企業(yè)波音公司支持的競賽包括FIRST機器人競賽、Space Camp太空訓練營、Great Minds in STEM創(chuàng)意競賽等六個賽事。在波音公司的支持下，2012年參加北京地區(qū)FTC賽事的學校均得以免費參賽，2013年，北京地區(qū)的FTC科技挑戰(zhàn)賽更是得到了波音公司15萬美金的支持。

國際著名公司均有面向中小學STEM教育的專門網站，并編制了相關教程，供師生免費下載。圖6是NASA（美國國家航空航天局）編制的部分面向STEM教育的教程。微軟、波音等著名公司還聯(lián)合成立了STEM教育聯(lián)盟（如圖7）。

另外，中小學還可以聘請經驗豐富的工程師擔任技術和工程課程的兼職教師，《北京市教育委員會關于普通高中通用技術課程的實施意見》中也明確提出，希望通用技術課程的教師采用專兼職相結合的形式。

3.發(fā)揮高校的主體和推動作用

高校在技術和工程教育的推動上具有得天獨厚的優(yōu)勢，一方面高校為培養(yǎng)行業(yè)人才服務，另一方面高校更擅長教育，許多著名大學都在推動STEM教育中發(fā)揮了重要作用。圖8、圖9分別為明尼蘇達大學和MIT（麻省理工學院）的STEM中心網站。由于棒球在美國是一項熱門體育運動，MIT更是面向熱愛棒球運動的學生開展了棒球STEM夏令營。

在波士頓市長Thomas M. Menino的推動下，由波士頓學院、波士頓大學、哈佛大學、美國東北大學四所著名大學于2006年春季聯(lián)合成立了波士頓公共學校（BPS），啟動了“Step UP”計劃，向該市10所學校提供專家和智力資源支撐等。另外，哈佛大學還專門設立K-12和社區(qū)計劃（Engaging all ages in science and engineering）部門，主要任務是面向教師開設6～8周的教師研究經歷計劃（RET program）和倡導學生參與哈佛大學科學和工程事務中的計劃。

（作者單位：北京建筑工程學院）