王平

多數(shù)媒體、網(wǎng)站和文獻將縮寫詞STEM歸功于2001—2004年間任職于美國國家科學基金會（NSF）的教育和人事主管Judith A.Ramaley，當時她和她的同事們開設了一系列培訓課程，其中包括科學、數(shù)學、工程和技術(shù)的課程，簡稱SMET，后改為STEM。理由是原來的縮寫SMET中的“SM”排在首位，看起來好像科學和數(shù)學是首要的，或者是重要的，而新的縮寫STEM則建議了一種新的聯(lián)系，首尾字母“SM”代表的科學和數(shù)學支撐了中間的技術(shù)和工程學科，而且STEM更好聽。

也有資料稱，STEM一詞來源于縮寫詞METS，代表了數(shù)學、工程、技術(shù)和科學。在1996—2004年間，時任美國國家科學基金會的主任Rita Colwell不喜歡METS這個縮寫詞，因此在她召集的一次跨政府部門的有關(guān)科學教育的會議上，她的同事Peter Faletra建議將METS改為STEM。即使現(xiàn)在，我們?nèi)匀豢梢钥吹矫绹行└咧蟹Q自己是METS學校，如：新澤西州的METS特許高中，但其學校簡介中卻使用了STEM縮寫。

到底是誰首先提出STEM一詞并不重要，可以肯定的是：當STEM被提出時，這個縮寫詞僅僅是指科學、技術(shù)、工程和數(shù)學四個不同的學科，別無他意。首次公開使用STEM一詞似乎是在2005年，當時美國國會兩位議員成立了一個科學、技術(shù)、工程和數(shù)學（STEM）委員會，2008年后成為一個教育術(shù)語，并迅速成為許多國家教育政策制定和研究的熱點。

盡管STEM一詞現(xiàn)在被廣泛使用在各種教材、教室、課程、資源、廣告、影視、會議、演講和報告中，然而究竟什么是STEM以及由此產(chǎn)生的一系列相關(guān)的問題，比如：教學內(nèi)容、教學途徑、教師培訓和教學評估等，仍然有諸多模糊不清之處。

STEM教育定義不清楚

1.在政府和政策層面上，STEM教育的定義和含義不清楚

美國國會下屬的國會研究處在2012年發(fā)布的一份標題為科學、技術(shù)、工程和數(shù)學（STEM）教育的報告中指出，美國國家科學基金會研究項目指南中STEM是指物理、化學、生物、數(shù)學等核心科學和工程學，以及心理學和社會科學。

美國國土安全部移民海關(guān)總署在人才引進項目中指出，STEM教育是指社會科學、數(shù)學、化學、物理、計算機和信息科學以及工程學。該報告明確定義：STEM是指在科學、技術(shù)、工程和數(shù)學領(lǐng)域的教和學，通常包括從幼兒園到博士后的各種正規(guī)（課堂教學）和非正規(guī)教育活動（課外活動）。報告中多處強調(diào)了美國在STEM教育上與其他國家相比表現(xiàn)不佳，然而所列舉的證據(jù)主要來自TIMSS和PISA兩項測試。TIMSS是由美國的國際教育成就評價協(xié)會實施的世界范圍內(nèi)的科學和數(shù)學測試，PISA是由位于法國的經(jīng)濟合作和發(fā)展組織實施的國際學生的閱讀、科學和數(shù)學測試。這份標題為《STEM教育》的報告指出，在1987—2009年的20多年間，有多達200份冠名“科學教育”的議案被提交給國會，可見該報告將“科學教育”也稱為STEM教育。

2012年美國聯(lián)邦政府資助的名為STEM教育的3個最大的項目是：健康和人力資源部2.74億美元的職業(yè)培訓、美國國家科學基金會1.98億美元的碩博研究生學習，以及教育部1.5億美元的科學和數(shù)學教師在學科知識和教學能力方面的培訓。這里的STEM教育實際上也主要是指科學教育或數(shù)學教育，而且是從基礎(chǔ)教育階段延伸到職業(yè)教育和高等教育。美國教育部網(wǎng)站列出的有關(guān)STEM的項目都是指科學、數(shù)學或技術(shù)教育，鮮有例外。Carmichael（2017）的博士論文進一步證實，美國各聯(lián)邦機構(gòu)使用不同的STEM定義。該研究還發(fā)現(xiàn)，在美國的50個州中，21個州定義STEM為整合，15個州為單一或整合，5個州為單一學科，9個州沒有定義。

可以看到在政府和政策層面上，美國的STEM教育主要是指單一學科的教育，特別是科學和數(shù)學教育，而STEM教育和科學教育、數(shù)學教育以及技術(shù)教育經(jīng)常混用。

2.在教育研究和教學層面上，STEM教育定義同樣不清楚

著名的科學教育學者，5E教學途徑的發(fā)明人Rodger W.Bybee（2013）指出，定義教育的術(shù)語始終是有爭議的，一個非常有趣的現(xiàn)象是：很多人想要一個定義，但是當一個定義出現(xiàn)時，很少有人同意，定義STEM也同樣。他進一步指出，STEM的含義和意義還不清楚明確，到底應該包含什么有極大爭議，有人指整合的四個學科，有人指獨立的四個學科。由于含義不清，意義不明，所以政治、政策的取向大于實際教學意義。

美國工程院資深項目官員Greg Pearson于2012—2014年主持了工程院和科學教育委員會有關(guān)整合STEM的研究，他們研究了500個聲稱是STEM的項目，其中70%是指單一學科，主要是科學和數(shù)學，而工程和技術(shù)很少被關(guān)注;30%是某種程度的整合。

美國密西根州立大學教育學院的小學教育和中學教育兩個專業(yè)，在美國新聞和世界報道的大學排行榜上連續(xù)25年排名第一，該學院的CREATE for STEM研究所是最早成立的以STEM冠名的研究機構(gòu)之一，每年都會召開一個小型研討會展示本年度的研究動態(tài)。在2018年度研討會上公布的文章，絕大多數(shù)都是指科學和數(shù)學等單一學科，只有個別大學層次的項目使用了STEM一詞。美國華盛頓大學科學和數(shù)學研究所在NSF資助下開發(fā)了一個稱為STEM教學工具的網(wǎng)站，列出了55個和教學相關(guān)的話題，其中只有5個在標題中出現(xiàn)了STEM，但其內(nèi)容仍然是科學教育的話題，其余都是涉及科學教育或者工程教育的。

著名的加州大學伯克利分校兒童早期教育中心前執(zhí)行主任Macdonald在一份有關(guān)幼兒園STEM教育的報告中則混用STEM和科學教育，采用的例子都來自科學教育。波士頓兒童博物館（2013）發(fā)布的幼兒園STEM指南，其中列舉的教學活動分別是科學、技術(shù)、工程、數(shù)學和五官（視、聽、觸、聞和嘗），都是指單一學科的教學。

因此，到底STEM教育是指什么，在政府政策制定和大學研究機構(gòu)層面，以及中小學和幼兒園教學實施上看都還有待澄清。

整合內(nèi)容及其教學途徑和效果不清楚

STEM教育中常見的說法是將科學、技術(shù)、工程和數(shù)學四個學科進行整合。然而，在教育文獻中整合一詞有著很多不同的解釋和術(shù)語，用于表示“整合”的詞多達18個，它們是integrated，interdisciplinary，intradisciplinary，multidisciplinary，connected，coordinated，immersed，blended，transdisciplinary，thematic，nested，sequenced，shared，webbed threaded，networked，unified，fused等。這些詞反映了整合什么教學內(nèi)容以及如何實施教學的途徑差異。比如：interdisciplinary是指學科間整合，而intradisciplinary是指學科內(nèi)整合。

Cohen（1990）認為整合既可以是學科內(nèi)的，也可以是學科間的。1996年頒布的美國國家科學教育標準提出，教學內(nèi)容經(jīng)常需要整合，包括科學學科內(nèi)不同內(nèi)容的整合（比如：生物和物理），以及科學和其他學科間的整合（比如：科學和數(shù)學）。美國下一代科學標準（NGSS）制定的指導性文件——美國K-12科學教育框架文件（2012）中提出的跨學科概念，實際上是科學學科內(nèi)的整合，比如：能量是生物、物理、化學和地球科學共同的概念，而NGSS更是直接將工程學科的標準整合進科學學科的標準中。Bryan等（2015）提出了三種整合方式：多個平行的、各個學科的學習目標，一個領(lǐng)域的學習支持另一個領(lǐng)域的學習，一個學科的情境服務于另一個學科。

雖然“整合”一詞到1936年才出現(xiàn)在教育領(lǐng)域，然而，整合的教學實踐卻可以追溯到100多年前。1900年，美國的學校科學和數(shù)學協(xié)會刊物就開始發(fā)表科學和數(shù)學的整合教學的文章。1992年，由NSF資助，60位科學家、數(shù)學家、科學老師、數(shù)學老師、大學科學教育和數(shù)學教育研究者、課程專家、教育技術(shù)專家以及心理學家經(jīng)過3天的討論，沒有能就什么是科學和數(shù)學的整合達成一致意見，只是給出了一個暫時性的定義：整合是融合數(shù)學方法到科學中，以及科學方法到數(shù)學中，以至于不能分清它是數(shù)學還是科學。

整合如何影響學生的學習，仍有待研究。數(shù)學和科學的整合似乎對科學的學習有積極的影響，但數(shù)學成績卻很難在STEM整合中獲得提高，F(xiàn)itzallen（2015）則認為，數(shù)學有助于其他學科的學習還缺少證據(jù)。

美國下一代科學標準（NGSS）致力于把工程教育提高到和科學教育同等重要的地位。盡管科學和工程的整合有助于某些科學概念的學習，但對工程學習的影響，研究結(jié)果相互矛盾。常用的整合途徑是通過工程設計，而科學和工程的整合又可以有兩種類型：科學內(nèi)容在前，然后學生學習和工程問題相關(guān)的工程設計;或者從工程問題開始，隨著學生設計的進展，再引出有關(guān)科學內(nèi)容。實際上，沒有證據(jù)證明哪個類型更有效。

實施STEM教學的途徑也多種多樣。有的STEM項目直接采用科學教學中常采用的5E學習途徑，即：激發(fā)、探索、解釋、拓展和評估，比如：Brown（2014）采用5E學習途徑，引導二年級學生通過設計凈水器來學習物體的特性。有的STEM教學采用工程設計途徑，即：問題、想象、計劃、制作和改進，比如：English（2016）的案例，學生設計并建造一座能抵御地震破壞的建筑物。

Barth（2017）和國際技術(shù)、工程教育者協(xié)會將工程設計的步驟插入5E途徑，但兩者采用了不同的方式。前者在五年級學生利用水循環(huán)的概念來處理污水的案例中，將工程設計的多個步驟作為5E途徑的激發(fā)步驟。后者則在5E途徑中插入一個工程設計，發(fā)展成6E模式。Lantz（2009）認為，探究式途徑、項目為導向或問題為導向的學習以及表現(xiàn)行為為基礎(chǔ)的教學途徑都可能有效。

科學和數(shù)學或工程的整合內(nèi)容、途徑和效果尚不確定，試圖將四個學科進行整合可能更加困難。English（2016）和Stohlmann（2012）強調(diào)，應該發(fā)展整合的教學，但不提倡全部四個學科的整合，因為還缺乏證據(jù)證明這種整合有助于學生的學習。English（2016）建議，整合途徑應該鞏固和延伸學科學習。而我國學者唐小為（2014）認為，從科學走向工程的應用延伸模式旨在檢驗知識應用和解決問題的能力，是一種整合程度較弱的單邊路徑。而工程框架型模式，即：由設計任務導向相關(guān)科學探究，再為改進設計提供依據(jù)則有更強的整合性。Bybee（2013）建議要先保持和改善傳統(tǒng)的四個學科的教學，然后使用各學科的核心概念進行整合，并提出了STEM教育的1.0、2.0、3.0和4.0的路徑，即：單科、兩科、三科和四科。

評估方式不清楚

評估傳遞了什么是值得學習和如何學習的信息，以及對學生的期待是什么。由于沒有廣泛接受的STEM整合定義，以及實施教學的途徑的多樣性，因而很難確定明確的教學目標和相應的評估工具。整合STEM教學的一個重要特點是學科間內(nèi)容的整合，因而需要合適的評估工具來評估學生對整合內(nèi)容的理解，比如：在科學和數(shù)學整合中，學生需要理解科學和數(shù)學是如何共同解決問題的。在科學和工程整合中，需要評估學生提出多種解決問題的方法并選擇最優(yōu)方法的能力，以及利用科學概念來解決工程問題的能力等。

English（2016）認為，整合STEM教學中對學生成績和表現(xiàn)的評估是有限的且不令人信服的?，F(xiàn)有的評估，在美國無論是州水平的，還是課堂層次的，都是關(guān)注單一學科，而沒有評估學生的跨學科整合的能力。而且，倡導整合STEM教學的一個主要期望是激勵學生的參與和培養(yǎng)堅強不屈和團結(jié)協(xié)作的精神，但是這些品質(zhì)在評估中卻很少涉及（Honey等，2014）。

Chalmers等人（2017）為整合STEM教學建議了四大類、近二十種評估工具，包括學生的作品、講演、報告、展示、視頻、概念圖、流程圖制作、計劃、觀察、訪談、檢測、文件夾、訪談、反思寫作等，但仍然是針對單一學科的。

此外，數(shù)學和科學課程長期以來一直是基礎(chǔ)教育的一部分，教學和評估相對比較成熟，而技術(shù)和工程教學歷史短，甚至在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域是長期缺失的，教學和評估方法還有待進一步發(fā)展和完善（NRC，2011），因此如何評估技術(shù)和工程作為單一學科的學習，以及作為整合STEM教學還不清楚。

教師培養(yǎng)、培訓途徑不清楚

傳統(tǒng)的教師培養(yǎng)和職后培訓都是單一專業(yè)，主要是科學和數(shù)學，而且是分科教學（Honey et al.， 2014;Shernoff，2017）。小學教師經(jīng)常缺乏或者只有有限的工程和技術(shù)的知識，能接觸的有關(guān)課程和教學材料也很有限，缺少能有效整合STEM學科的資源，在應對工程和技術(shù)教學時經(jīng)常感到壓力巨大（Brophy et al.，2008; Cunningham，2008; Diefes-Dux，2014; Lachapelle and Cunningham，2014; Moore et al.， 2014）。

David J.Shernoff（2017）等人指出，過去的師范生培養(yǎng)主要注重于學科教學法、學科內(nèi)容和課程標準。盡管這些對教學是有幫助的，但是不能完全應對整合STEM教學，因為整合STEM具有綜合性和跨學科性。因此，需要重新設計師范生培養(yǎng)項目，以幫助未來的教師理解多學科的知識內(nèi)容和學科間的聯(lián)系，以及學生如何理解學科之間的聯(lián)系。比如：在科學和工程學科整合中，使用探究形成科學解釋，然后以此指導工程設計和技術(shù)的使用來解決實際問題。

在美國，只有少數(shù)教師培養(yǎng)專業(yè)試圖增加不同的學科課程到培養(yǎng)新教師或培訓現(xiàn)有教師的計劃中。德克薩斯大學嘗試整合工程學院、自然科學學院、教育學院和基礎(chǔ)教育學區(qū)的資源，來培養(yǎng)整合STEM的教師。比如：來自工程專業(yè)的、試圖獲得教師資格證的學生必須學習更多的數(shù)學、物理和化學方面的課程，而來自物理或化學專業(yè)的學生，必須學習一些工程方面的課程。

此外，還有一系列的問題需要研究和解決，比如：來自不同學科的教師如何協(xié)調(diào)教學，師范學生是否需要在某種程度上熟知各個學科的課程標準以及所有學科的核心概念，是否有什么很重要的原則對于整合STEM教學是必需的。在已有的學科教學體系和課時內(nèi)，哪些學科課程需要增加或者減少都有待研究。

對現(xiàn)有在職教師的培訓，同樣需要應對STEM教育的挑戰(zhàn)。David J.Shernoff （2017）建議，教師的職后培訓需要更多地關(guān)注教師已有專業(yè)領(lǐng)域以外的學科內(nèi)容和如何整合不同學科的教學目標。工程設計的教學對教師的挑戰(zhàn)是復雜和巨大的，教師必須掌握至少兩門學科以上的概念、跨學科概念以及科學和工程實踐才能進行有效的交流（Moore等，2014）。

面對STEM教育的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的教師培養(yǎng)和職后培訓都很難應對，如何改革甚至重新設計教師職前和職后的培訓模式，是急需研究和解決的問題。因為教師是整合STEM教學的關(guān)鍵，無論有多好的標準、教學設備和教材，教學最終都要由教師來執(zhí)行。

（作者系北京桂馨慈善基金會科學課項目專家）