張春雷 鄧燕平

（華東師范大學教師教育學院 上海 200062）

1 STEM 教育的起源和發(fā)展

STEM 是科學（science）、技術（technology）、工程（engineering）和數(shù)學（mathematics）4 個單詞的首字母縮寫。在美國，STEM 的提出經歷了從SME 到SME&T，然后才改為STEM 的變化過程，后又有學者加入了藝術（arts）進而變?yōu)镾TEAM，但是目前主流學者和相關國際教育雜志更多使用的還是STEM，因此本文仍然沿用STEM 這一縮寫。

STEM 教育興起背后的邏輯是提高國家競爭力。20 世紀80年代，在經濟全球化的背景下，美國意識到要想持續(xù)保持國際領先的地位，唯一途徑就是擁有創(chuàng)新的研究思想、最好的技術、最具創(chuàng)造力和適應力的勞動力，以及能對科技議題作出明智判斷的公民，因此大學的科學、數(shù)學和工程教育至關重要，它關系到一個國家的科學與技術能力，進而影響國家的工業(yè)、經濟競爭力及國防力量。 與此同時，美國高等教育研究會的一項研究卻發(fā)現(xiàn)，選擇數(shù)學和科學相關專業(yè)的大學生正在減少，這可能會直接導致美國科學家、 數(shù)學家及工程師數(shù)量減少和水平降低［1］。正是在這一背景下，1986年，美國國家科學委員會（National Science Board，NSB）在“Undergraduate Science, Mathematics and Engineering Education”報告中，指出美國需要高度重視高等教育階段的科學、數(shù)學和工程教育［2］。這就是最早的SME 教育，后來技術也被加入其中，SME 變?yōu)镾ME&T，關注的范圍也從大學擴展到K-12 教育階段。 美國國家研究委員會認為，所有學生都應有機會獲得與科學、數(shù)學、工程和技術相關的課程學習，并能通過科學探究的直接體驗獲得這些學科素養(yǎng)［3］。 起初，NSF、NRC 等機構使用SMET 代表4 門學科的總稱，2001年美國國家科學基金會教育與人力資源部前主任Judith A.Ramaley，首次將科學、技術、工程和數(shù)學課程縮寫改為STEM［4］，之后迅速被許多高等教育機構和學界采納。

雖然不同研究者對STEM 教育的內涵還有不同的理解，但整合性STEM 教育已成為大勢所趨。美國國家工程院（National Academy of Engineering，NAE）和美國國家研究委員會（National Research Council，NRC），在2014年聯(lián)合發(fā)表的研究報告“STEM Integration in K-12 Education: Status，Prospects，and an Agenda for Research”中，突出強調了整合性STEM 教育（integrated STEM education）這一概念，將整合性的STEM 教育作為最有潛力的發(fā)展方向，并認為這種整合需要同時體現(xiàn)在2 個方面，一是體現(xiàn)在學生學習經驗設計上，二是體現(xiàn)在預期的學習成果評價上［5］。 即STEM 教育活動一方面要讓學生在學習過程中體驗到不同學科的學習，同時在評價上也要兼顧不同學科學習成果的評價。從以上觀點分析，美國STEM 教育運動標志著美國對科學、技術、工程和數(shù)學等領域關注的提升，也逐漸形成了STEM 教育發(fā)展的重要方向——整合性STEM 教育。

2 STEM 教育的價值定位

21 世紀以來，以美國、英國、德國為代表的主要發(fā)達國家，都從國家戰(zhàn)略高度制定了STEM 教育的政策與措施。 我國經濟正處在轉型的關鍵時期，對科技創(chuàng)新人才數(shù)量和質量有了更高的要求，社會各界也開始重視和開展STEM 教育，進而促進公民科學素質提升和STEM 領域創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

為了更好地踐行STEM 教育，首先要明確STEM 教育的中國定位，即回答“STEM 教育獨特的價值究竟是什么”這一關鍵問題。只有清晰定位STEM 教育的價值，才能更好地使其為我所用。STEM 教育具有哪些價值？ STEM 教育的價值主要表現(xiàn)在以下方面：①提高學生學習興趣；②發(fā)展學生的學科素養(yǎng)；③提高學生對工程技術的理解和實踐能力；④加深學生對學科之間，以及科學、技術、社會之間聯(lián)系的理解。 例如Monterastelli 等人的研究表明，在醫(yī)療健康情境中將工程學與生物學概念相整合，通過講授與動手活動的方式開展整合性STEM 教育，能增強學生的學習興趣，提高學生從事科技行業(yè)的傾向［6］。

在學生認知發(fā)展方面，STEM 教育也具獨特的優(yōu)勢。首先，不同學科的恰當整合可實現(xiàn)相互促進的目的，例如將數(shù)學和科學進行整合教育，有助于提高學生對數(shù)學和科學的學習。 Hurley（2001）對有關整合數(shù)學和科學的教學與沒有整合的控制組的31 個研究進行了元分析，結果發(fā)現(xiàn)整合對于學生數(shù)學和科學的成績均有積極的影響。

其次，關注工程和技術有助于學生對科學和技術的學習和理解。 美國新澤西州關于工程和技術的課程干預大規(guī)模試點研究顯示了一些可喜的成果。 Engineering Our Future New Jersey（EOFNJ）是史蒂文斯理工學院、新澤西州教育部、美國國家科學教育中心等機構，共同努力將示范性工程技術課程變成新澤西州K-12 教育主流的項目。EOFNJ 的目標是保證新澤西州未來5年的所有K-12 學生都能體驗注重創(chuàng)新的工程學課程，并將其作為小學、 初中和高中教育的必要組成部分。EOFNJ 在多個學校的不同年級進行了試點研究。研究結果顯示，不論小學、初中還是高中，前、后測結果都表明學生對工程和科學技術的理解均有顯著改善［7］。

STEM 教育不僅可以發(fā)展學生的科學、 工程、技術素養(yǎng)，圍繞科學探究和工程設計展開的STEM 教育，還有助于學生更深入地了解科學過程、 科學本質，以及科學、 技術與社會之間的聯(lián)系。在這些目標中，工程學素養(yǎng)及與工程學相關的整合教育是目前我國學校教育的薄弱環(huán)節(jié)，特別是義務教育階段的工程學教育非常薄弱。 學生在大學入學前，幾乎沒有進行過系統(tǒng)的工程設計和實踐，雖然學校會開設手工、勞技、通用技術等課程，但缺乏系統(tǒng)的課程體系和工程學素養(yǎng)標準，以至于學生畢業(yè)進入社會后，缺乏基本的工程設計素養(yǎng)和工程問題解決能力，這不僅影響個人生活質量，還會影響公民參與工程學相關的社會決策，對于我國從“中國制造”向“中國創(chuàng)造”的經濟轉型是非常不利的。 因此就我國現(xiàn)階段的教育情況而言，STEM 教育的獨特價值在于發(fā)展學生的工程技術素養(yǎng)和學科交叉素養(yǎng)，提高學生利用多學科知識創(chuàng)造性解決現(xiàn)實問題的能力。

隨著人工智能的飛速發(fā)展，未來很多從事簡單機械工作的所謂專業(yè)人才將會被取代，未來社會需要更多的能應用多學科知識和能力創(chuàng)造性解決真實問題的創(chuàng)新人才。 而現(xiàn)行的分科課程展現(xiàn)給學生是相對割裂的世界圖景，人類對世界的認知被硬性地分割到不同的學科，學生所看到的更多是不同學科視角下的世界，而不是世界原有的完整圖景和真實面貌，這就需要跨學科的整合性STEM 教育加以補充。

3 STEM 教育的實踐路徑

如何在現(xiàn)有的學校教育中，有效開展STEM 教育？ STEM 教育有2 種典型的可行路徑，一是研究科學問題，發(fā)現(xiàn)未知規(guī)律，即科學探究的路徑，它是科學家認識世界的基本方式；二是應用科學原理和工程技術解決現(xiàn)實生活中的難題，設計方案，發(fā)明產品，這是工程設計的路徑，它是工程師改造世界的基本方式。 2 種路徑的目標、過程、產出和評估方式都有顯著不同。 科學探究遵循科學研究的范式，講究證據、邏輯和推理，其產出是新發(fā)現(xiàn)或新理論。工程設計遵循工程學實踐的范式，講究設計、檢驗和優(yōu)化，其產出是新產品或新發(fā)明。

在中、小學階段納入工程學教育對于學生發(fā)展具有重要價值。NAE 和NRC 在“Engineering in K-1 2 Education:Understanding the Status and Improving the Prospects”報告中指出，在K-12 階段加入工程學教育對學生可能有5 個方面的作用：①促進科學和數(shù)學的學習和成就；②提高對工程和工程師的工作的認識；③理解并具備從事工程設計的能力；④培養(yǎng)以工程作為職業(yè)的興趣；⑤提高技術素養(yǎng)［8］。

過去中、小學開展的研究性學習更偏向科學問題研究，例如中學開展的研究性學習、探究性學習等。 因此，當下STEM 教育可以更偏向工程學實踐，以及與工程技術相聯(lián)系的多學科整合性學習。本文著重介紹圍繞工程設計開展STEM 教育的路徑和方法。

工程設計是一種工程師運用數(shù)學和科學知識解決技術挑戰(zhàn)和問題的方法。 基于工程設計開展學習是工程學教育的重要標志。 依據美國技術素養(yǎng)標準“Standards for Technological Literacy: Content for the Study of Technology”（ITEEA，2000），工程設計具有多個屬性：①目的性。 設計師需要有明確和清楚的目標，因此設計可被描繪成一個有特定目的地的旅游而不是一次觀光旅行；②需要依據一定的規(guī)范和約束進行設計，其中規(guī)范說明了設計的意圖，約束是指設計者所必須應對的限制，例如成本、尺寸要求，或是所用材料的物理限制等；③設計的過程是系統(tǒng)的、迭代的，需經過不斷測試和評估，最終形成一個趨近完善的設計或產品。Sadler 等人發(fā)現(xiàn)多次反復迭代的設計活動，能讓學生不斷地改善他們對知識的理解［9］。

圍繞工程設計開展整合性STEM 教育應該注意以下4 個要點：①從真實的生活問題入手；②反復優(yōu)化設計方案；③應用多個學科的知識和方法；④創(chuàng)造協(xié)作、交流、表達的機會。 圍繞工程設計開展STEM 教育，學生需要從現(xiàn)實生活遇到的真實難題入手，然后有明確的定義需求和目標，確定存在的約束條件，利用相關科學、技術和工程設計的知識設計解決難題的方案，運用多學科的知識和研究方法分析、檢測方案的可行性，選擇最合適的解決方案，構建和實施設計，測試和評估設計，在必要時重復步驟反復優(yōu)化設計，形成最終的設計或產品。師生最后需要展示自己的設計或產品，并進行表達、交流和反思。

4 STEM 教育的實踐誤區(qū)

早期，國內只有一些零散的課外培訓機構推動STEM 教育，但是伴隨著社會對公民科學素養(yǎng)要求的提升，尤其在我國正式發(fā)布了相關政策支持STEM 教育發(fā)展之后，STEM 教育逐漸引起社會各界的廣泛關注。 2016年國務院發(fā)布的《全民科學素質行動計劃綱要實施方案（2016—2020年）》強調指出，高中階段要鼓勵探索開展科學創(chuàng)新與技術實踐的跨學科探究活動［10］。 同年6 月，在《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中明確提出，“有條件的地區(qū)要積極探索信息在‘眾創(chuàng)空間’、跨學科學習（STEAM 教育）、創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應用，著力提升學生的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力”［11］。

雖然STEM 教育已引起廣泛的關注，但在實踐層面仍存在許多問題和認識誤區(qū)。 許多學校都在開展STEM 教育，但對于什么是STEM 教育，如何開展和評價STEM 教育仍存在理解偏差甚至認識誤區(qū)。 例如將STEM 教育簡單地看作拔高教育、精英教育，只篩選尖子生參與STEM 學習；或將STEM教育看作拼盤教育，簡單地將不同專業(yè)的幾個大學講座拼在一起；或將STEM 教育等同于昂貴的機器人課程或樂高課程，這些都是對STEM 教育的誤解。 有些學校還讓學生學習3D 打印、機器人或搞小發(fā)明小創(chuàng)造，過分關注技術的酷炫，而沒有將基礎性學科知識融進技術之中［12］。 一些培訓機構將STEM 教育看作一種商業(yè)模式，只關注利用提高動手能力、 創(chuàng)新、 創(chuàng)造等標語吸引家長眼球從而盈利，偏離了STEM 教育的真正價值內涵和要求。

首先，STEM 教育不是拔高教育，它適合不同層次的所有學生。STEM 教育的本意絕不是選拔科學或工程學的精英，而是面向所有學生、提高學生綜合素養(yǎng)的整合性教育。 其次，STEM 教育不是拼盤教育，它不是簡單地將各個學科教師的某些精彩講座拼湊在一起，或是將高校的專家講座拼湊在一起，而是真正地基于真實問題或項目的整合性學習。 學生是基于問題解決或項目需求而進行學習，具有自主性、學習內容和順序具有個性化、多樣性的特點。 最后，STEM 教育不是貴族教育，它不是只有物質條件好的學校才能進行的教育，并不等同于樂高或機器人課程。 雖然樂高、機器人等載體確實可開展一些STEM 教育活動，但很多STEM 教育是可以借助非常廉價的教學資源就能開展的，例如為南非貧困地區(qū)設計一款環(huán)保的、高效率的太陽能灶，在這樣的活動中昂貴的設備并不是STEM 教育的必需品。 此外，為了給不同學習條件下的STEM 學習者提供更多的幫助和支持，對于昂貴的教學設備和資源，學校和相關企業(yè)可借助互聯(lián)網平臺、通過交換共享的思路進行解決。

綜上所述，STEM 教育對于現(xiàn)在的中、 小學教育體系具有獨特的價值，其價值在于發(fā)展學生的工程學素養(yǎng)，以及學科交叉、綜合素養(yǎng)，其實踐的基本路徑包括科學探究和工程設計。 必須認清和合理定位STEM 教育在中國的獨特價值，選擇可行的實踐路徑，走出認識誤區(qū)，才能使STEM 教育真正在中國開花結果。