趙文靜，張雨強

（曲阜師范大學教育科學學院,山東 曲阜 273165）

一、STEM教育的內(nèi)涵

STEM（Science，Technology，Engineering，Mathe?matics）幾乎囊括與科學、技術、工程及數(shù)學相關的所有領域，甚至與心理學、社會學和政治學有關，[1]是一個偏理工科的多學科交融課程。STEM教育起源于發(fā)達國家面對國際人才競爭和經(jīng)濟發(fā)展壓力下對本國人才培養(yǎng)的反思。[2]早在1986年，美國國家科學基金會發(fā)表的《大學的科學、數(shù)學和工程教育報告》，首次提出了將科學、技術、工程和數(shù)學教育整合起來，這份報告的提出被認為是STEM教育的開端。[3]2009年11月奧巴馬在白宮發(fā)表“教育促進創(chuàng)新”的演說，在演說中他這樣說道，“美國之所以取得今天的成就，完全是依賴其在全球創(chuàng)新科技領域發(fā)揮的重大作用，我們?nèi)绾谓逃孟乱淮?，尤其是如何提高科學、技術、工程和數(shù)學的教育水平，直接關系未來企業(yè)的領導者、科學家和教師的人才造就問題”[4]，從中可以看出美國對STEM教育的重視。2015年10月8日，美國國會頒布了STEM Edu?cation Act of 2015（簡稱《2015年STEM教育法》），該法案的提出從立法的角度保障了對STEM教育的實施，該方案正式將計算機科學納入STEM教育，規(guī)定非正式STEM教育由國家科學基金會管理等。此法案報告的發(fā)布足以說明美國政府對加強K-12 STEM教育的決心。其實，加拿大、澳大利亞等發(fā)達國家近些年來也非常重視經(jīng)濟全球化背景下的創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，我國也逐步提高對STEM教育的關注和重視。

STEM教育不僅能夠推動學生投身科學、技術、工程和數(shù)學領域，而且能培養(yǎng)學生“21世紀技能”以及對個人健康、環(huán)境質(zhì)量和能源耗費進行理智決策的能力。[5]STEM教育多是基于項目的學習，是一種整合科學、技術、工程和數(shù)學的學習方式，每個項目大致包括五個階段：（1）建立項目合作關系；（2）組織項目團隊；（3）開發(fā)項目方案；（4）系統(tǒng)設計和開發(fā)；（5）調(diào)整系統(tǒng)和支持。[6]基于項目的學習為學生提供了融入真實情景的體驗，這些體驗輔助學生學習，幫助學生對科學、技術、工程和數(shù)學各領域的概念形成有力的理解，這種學習方式要求學生有批判性的思維并且要善于分析，強化高階的思維技能，還要求學生團隊合作、自主學習、與同伴溝通，同時對所有學生都嚴格要求。[7]

科學（science）是關于自然世界的研究，包括與物理、化學、生物相聯(lián)系的自然規(guī)則，以及對事實、準則等的應用，是一切知識的基礎?？茖W教育一般涉及生物、物理、化學和自然等學科，在基礎教育階段占有相當?shù)姆至?，教師在科學學科的教學過程中需要數(shù)學探究及邏輯思維能力。技術（technology）涵蓋整個人類、一切組織和知識的進程，具有創(chuàng)造性、技術性的成果。在20世紀80年代中期，技術教育的主題是手工藝術，現(xiàn)代的技術教育多傳授互聯(lián)網(wǎng)技術，包括在線資源和教育軟件，無線互聯(lián)網(wǎng)與云計算相結合的電腦（筆記本電腦、平板電腦和智能手機）等工具出現(xiàn)在教室里[8]，教師在授課時更加靈活高效。技術教育在解決問題過程中，常涉及數(shù)學中的進制法及分類轉化等思想。而工程（engi?neering）則是為達到人類對物質(zhì)世界的需要而創(chuàng)造人工物的活動，在STEM教育中最新發(fā)展的是工程教育，在中小學以工程為核心的課程被設計和實施，教師掌握著提供給學生工程活動的主動權，幫助學生設計基于項目的學習方案，在工程學習中需要采用數(shù)學方法、結合數(shù)學思維來解決問題。[9]數(shù)學（mathematics）是一門關于圖像和數(shù)量、數(shù)字、空間位置關系的學問?？茖W是用經(jīng)驗性的證據(jù)去證明或推翻論斷，而數(shù)學的推論是基于基本的猜想并通過合理的論據(jù)來證明的。數(shù)學教育作為國家教育的一個重要部分，在中小學階段教師將數(shù)學作為所有課程的中心。數(shù)學教育貫穿于大部分課程中，在課程中具有優(yōu)先作用。現(xiàn)以人教版初中數(shù)學為例，解讀數(shù)學課程中的STEM教育。

二、數(shù)學課程中的STEM教育

數(shù)學教育一直是我國基礎教育的重中之重，初中階段的數(shù)學教育應融合科學、技術、工程教育，發(fā)展STEM教育素養(yǎng)，培養(yǎng)學生解決實際問題的能力。

（一）掌握數(shù)學方法，領會數(shù)學思想

《義務教育數(shù)學課程標準（2011年版）》指出：課程內(nèi)容不僅要包括數(shù)學的結果，也包括數(shù)學結果的形成過程及蘊含的數(shù)學思想方法，課程內(nèi)容要重視直觀、重視直接經(jīng)驗、重視過程。

數(shù)學的學習，不僅要讓學生學會知識、掌握科學方法，更重要的是領會數(shù)學思想與奧秘。例如，在人教版九年級下冊《圓》的教學中，要充分利用圓的對稱性，垂徑定理的結論及推導辦法、輔助線的添加等都是圓的對稱性的反映；解決問題要領會數(shù)學思想，如轉化的思想（求部分圓的面積問題時，把“不規(guī)則圖形”的面積轉化為“規(guī)則圖形”面積的和或者差來求解）、數(shù)形結合的思想（利用垂徑定理解決車、船能否通過的問題）、方程思想（判定平面直角坐標系中的三點能否確定一個圓）；正多邊形的畫圖是通過等分圓來完成的等等。[10]通過這些知識的學習，使學生學會化未知為已知、化復雜為簡單、化一般為特殊或化特殊為一般的轉化思想，提高學生分析問題和解決問題的能力。

（二）科學與數(shù)學融合，培養(yǎng)求實精神

在數(shù)學知識的傳授中，可以整合科學課程中的科學知識，在解決數(shù)學難題的同時又增加了科學素養(yǎng)。例如，人教社課程教材研究所的張勁松老師在人教版九年級下冊《反比例函數(shù)》的教學設計中，舉例了許多來源于物理學科的問題，運用反比例函數(shù)知識加以解決，了解這些問題的物理背景是解決它們的前提。從物理學科引入數(shù)學問題，然后運用數(shù)學方法加以解決始終是數(shù)學學習的重要方面。在反比例的教學中用到的物理背景包括路程、速度與時間，電流、電阻與電壓，電功率、電流和電阻，壓力、面積與壓強等之間的關系，這些具有反比例關系的物理問題是反比例函數(shù)研究的重要內(nèi)容。實際上，凡是能夠抽象為a=bc型數(shù)量關系的物理問題，我們都可以從正比例函數(shù)和反比例函數(shù)的角度去認識它們。

在探究數(shù)學問題的過程中，需要科學嚴謹?shù)木?，學生可通過觀察度量、實驗操作、圖形變換、邏輯推理、交流合作等多種手段來探索圖形的性質(zhì)。例如在人教版九年級上冊《圓心角與圓周角的關系》教學中，設計這樣的一個環(huán)節(jié)，讓學生動手“畫出⊙O中弧AB所對的圓周角和圓心角，各小組總結出一共畫了幾種不同的情況？”通過直觀操作，同一個弧對應著一個圓心角、無數(shù)個圓周角，小組合作對比分析，發(fā)現(xiàn)“同弧所對的圓周角是它所對的圓心角的一半”這樣一個規(guī)律。在學生通過觀察、操作、交流探究出規(guī)律后，還需要學生嚴謹?shù)尿炞C，將直觀操作和邏輯推理結合起來，使推理論證成為學生實驗、探究得出結論的自然延續(xù)，堅決杜絕學科迷信，培養(yǎng)了求實精神。

（三）技術與數(shù)學整合，培養(yǎng)信息素養(yǎng)

《義務教育數(shù)學課程標準（2011年版）》指出：數(shù)學課程的設計與實施應根據(jù)實際情況合理地運用現(xiàn)代信息技術，注意課程內(nèi)容與信息技術的整合，注重實效。要充分考慮信息技術對數(shù)學學習內(nèi)容和方式的影響，開發(fā)并向學生提供豐富的學習資源，使學生樂意投入到探索性的數(shù)學活動中。

因此，在教學中學校要重視使用信息技術工具。例如，在學習人教版九年級下冊直線與圓的位置關系中《直線到圓心的距離與圓的半徑的關系》時，利用計算機技術設置一些探究活動，讓直線動起來，在這種運動變化中發(fā)現(xiàn)直線到圓心的距離與圓的半徑的關系，再通過計算機的測量功能，經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)這種位置關系所對應的數(shù)量關系。將信息技術融入數(shù)學課堂中，使學生更真切地感知知識的形成過程，掌握知識間的聯(lián)系；同時加強云平臺的構建，使教學和反饋更加一體化，可通過信息技術布置作業(yè)，教師在網(wǎng)上批改作業(yè)，及時通過視頻為學生解惑，這樣極大地減輕了學生學業(yè)負擔；教師通過視頻與家長交流，讓家長了解學生的在校情況，增加了“家訪”的次數(shù)，教師適當調(diào)整教學措施。

（四）工程與數(shù)學整合，體現(xiàn)生活化

《義務教育數(shù)學課程標準（2011年版）》指出，數(shù)學知識的掌握要以探索為主線，適當安排一些綜合實踐活動，以提高學生的綜合運用知識、解決實際問題的能力；設置一些綜合性的題目讓小組學生共同解決，讓學生積極展開思維活動。

其實，數(shù)學學習與日常生活中的工程問題聯(lián)系比較緊密。例如，人教版七年級上冊的教學活動《制作火車模型》，教師分小組合作，并制訂了五大步驟：問題背景、提出問題、解決問題、反思評價、拓展運用。在問題解決項目中，教師通過多媒體出示火車第五次提速的相關新聞，引起學生對新型列車的興趣。在提出問題階段:火車提速還要采用更先進的車廂，你能提出好的建議嗎？如何制作一個火車車廂的模型——長方體、四棱臺型的車廂模型。在解決問題中，分為四個步驟：第一，教師以動畫展示由立體圖形得到展開圖的過程和由展開圖得到立體圖形的過程，讓學生進一步感受到要想制作立體模型，首先要了解它的展開圖；第二，讓學生小組討論了解展開圖的特點；第三，讓學生動手畫出相應的展開圖；第四，讓學生動手操作，折疊展開圖，得到立體模型，并用透明膠固定好。[11]在反思評價中，讓學生組內(nèi)和組間評價，進一步完善制作，最后再經(jīng)過全班評價、教師評價，讓學生充分經(jīng)歷評價過程。在拓展運用環(huán)節(jié)，讓學生自主制作圓柱形車廂，并總結出遇到哪些困難，是怎樣解決問題的，有什么心得體會。制作火車車廂是從生活中提取出來的，通過數(shù)學知識的學習解決簡單的工程問題，幫助學生從實際生活中發(fā)現(xiàn)數(shù)學問題、運用科學的知識解決實際問題。

三、我國STEM教育的實施建議

STEM教育提出了一種跨學科整合的教學思路，數(shù)學結合科學、技術和工程的教育不僅能夠彌補我國中小學工程教育、技術教育的短板，而且有利于學科走向綜合化?；谖覈慕逃F(xiàn)狀，提出以下建議：

（一）出臺國家教育政策，整體設計STEM教育框架

國家教育部門應該重視發(fā)展STEM教育，了解STEM教育在國際上的影響，以及STEM教育在經(jīng)濟全球化時代對人才培養(yǎng)的重要作用。數(shù)學教育在我國的發(fā)展較為成熟，以數(shù)學教育為基礎發(fā)展STEM教育，加強與科學、技術和工程學科的融合，培養(yǎng)復合型創(chuàng)新性人才。

我國中小學教育對工程和科學方面的教育缺少重視，應加強工程教育的建制；STEM涉及的數(shù)學、科學等相關科目均有終結性考試，但是缺乏STEM綜合素養(yǎng)的評估體系與評價標準，應開展STEM教育素養(yǎng)評估工作。因此，教育部門應該出臺相關教育政策，組織教師進行STEM教育職前培訓，加強教師的教育理念，促進學科的整合，培養(yǎng)教師的STEM教育能力，提高教育質(zhì)量；組織有關專家、學者、企業(yè)人員編制國家STEM課程教材，使STEM課程更加體系化；適時開展全國性的STEM教育評估工作，充分發(fā)揮“以評促改”的教育功能；國家教育部門應調(diào)整教育政策，大力增加計算機、實驗室設備的投入，尤其是農(nóng)村中小學，為我國的STEM教育提供資源。

（二）融入地方課程、校本課程，體現(xiàn)生活化

在地方課程和校本課程中開展STEM教育，STEM教育強調(diào)“從做中學”，利用本地或本校的數(shù)學教學資源，有效地結合科學、技術、工程等課程，讓學生在數(shù)學實踐中提高STEM教學素養(yǎng)。利用學校的環(huán)境（如花壇）引導學生繪制圖紙，并利用圖紙解決長與寬的關系問題，再結合課本教材整體把握知識，形成具有學校特色的校本課程。地方課程、校本課程與現(xiàn)有國家課程進行整合，結合本地的教育資源，開發(fā)新的課程模塊或課程單元，突出學校特點的“特色課程”和地方性的專題課程。要達到這一目標，離不開國家部門和社會的支持，國家層面的教育改革應凸顯STEM教育理念，鼓勵開發(fā)STEM地方課程或校本課程，開展STEM相關的校本教學研究，并發(fā)展STEM教育實踐。

（三）拓展STEM教育機會，培育綜合素養(yǎng)

提高學生的STEM教育素養(yǎng)，關鍵是提高其教育意識，應充分利用校外科研教育基地，如博物館、科技展覽館、科研實驗室和實踐基地等，通過多種途徑讓學生接觸STEM教育。

首先，可以聯(lián)系家長增加STEM教育機會，在校外家長可以為學生提供多種資源。比如，引導孩子去閱讀有關數(shù)學、科技方面的圖書；欣賞科學方面的電影；同孩子做有關工程方面的工藝品；帶領孩子去參觀時尚的建筑等。其次，在課下學生同伴間也組成興趣俱樂部，討論有趣的數(shù)學、科學方面的問題；一起參加體育鍛煉，在活動中發(fā)現(xiàn)生活中的數(shù)學、工程問題，比如，在足球場發(fā)現(xiàn)圓的奧秘等。同伴影響對STEM教育素養(yǎng)的形成具有重要作用。再次，在學校課堂上還可做到虛實結合，由于開展STEM教育需要購買一些必要的科學器材，對于一些經(jīng)費不充分的學?？梢岳靡恍┟赓M的虛擬科技創(chuàng)新平臺，如基于3D機器人仿真平臺開展STEM教育項目設計[12]，來增加STEM教育機會。最后，教育部門應與企業(yè)、社會相聯(lián)系，企業(yè)為學生提供實踐的條件，利用社會的力量推廣STEM教育，培養(yǎng)學生的STEM教育素養(yǎng)和激發(fā)學生的創(chuàng)新精神。

（四）實施基于項目的研究性學習，預留學生自主探究、自由發(fā)展的空間

學生是學習的主體，他們的興趣直接影響著自身潛能的開發(fā)。在數(shù)學課堂上，學校應努力為學生提供豐富多彩的實踐探究活動，為學生留下自主探究、自由發(fā)揮的空間，使學生有機會對感興趣的領域進行深入探索。[13]在這一過程中，教師也發(fā)揮著重要的作用，教師引導學生進行實踐研究，同時也應真正參與進去，在研究中師生針對研究問題進行共同探討，教師給學生提出建議，同時也在教學過程中發(fā)現(xiàn)自己忽略的問題進行自我提高。支持有天賦和能力的學生發(fā)揮潛能、追求卓越是STEM的教育理念[14]，教師為有才能的學生給予特殊的教育，充分挖掘學生在某一學科的潛能，促進學生的專業(yè)性發(fā)展。

（五）增強女生學習STEM的信心，促進教育均衡化

貝爾（M.E.Beirer）和黑特麥爾（A.D.Rittmayer）在2012年的報告顯示：女生在數(shù)學方面信心不足，同時對于STEM領域的學習也缺乏自信，她們的數(shù)學焦慮明顯高于男生。許多中學女生在STEM領域的科目學習中，較低的考試成績嚴重挫傷了她們的學習積極性，增加了學習負擔，進入了學習的惡性循環(huán)。對數(shù)學及科學相關專業(yè)學習的信心和教師的期望直接影響著她們的學習效果。教師應該明確女生的學習能力是可塑的，對她們抱有希望，根據(jù)皮格馬利翁效應，促進學生在STEM領域的發(fā)展。因此，建議教師可采用以下的方法促進女生的STEM學習：為女生的學習提供即時反饋；展示女性榜樣；設計活動消除她們在數(shù)學和科學相關學科的職業(yè)刻板印象。[15]

我國的課程正經(jīng)歷著由分科到綜合的改革階段，改革中最引人關注的問題就是如何有效地進行課程的整合。以數(shù)學課程為基礎，實現(xiàn)科學、技術和工程課程的整合是STEM教育工作者不斷努力的目標，STEM教育是一種新興的跨學科教育，通過STEM來培養(yǎng)學生的綜合素養(yǎng)，這種方式的運用逐漸被人們所接受，現(xiàn)已成為國際科學教育改革的新趨勢。▲

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