基础教育阶段STEM教育的性质和路径

摘   要 基础教育阶段STEM教育是培养面向21世纪人才战略不可缺少的组成部分，是面向全体学生的基础教育。基础教育阶段STEM课程要基于国家课程标准，整体规划STEM素养的发展目标和学习进阶，在此基础上从分科和整合两个层面整体而有序地开展STEM教育。

关键词 STEM教育  基础教育 跨学科   STEM课程

STEM教育是目前我国教育界的一个热词，这股热度可以从几方面感受到，一是近年来STEM教育研究论文的数量快速增长，二是全国成立了很多STEM教育研究机构，三是一些中小学开发和实践了很多STEM课程。然而有研究指出，由于对STEM教育理解的不同，STEM教育的实施内容五花八门，不成系统[1]。如对美国案例的简单复制，把一些简单的科技活动直接改头换面称为STEM课程[2]。

对北京市200名中学教师所做的调查显示：87%教师表示仅听说过STEM教育，但对此没有深入了解;一些教师认为STEM教育就是跨学科教育，与学校的综合实践课程或科技兴趣课程有关，而与各学科教师关系不大。正如有文献指出，目前在一些学校所进行的STEM教育探索具有边缘性的特征[3-4]。这不由得让我们思考，STEM教育在基础教育中到底应该具有什么性质？应该处于什么地位？

一、基础教育阶段STEM教育的性质

1.STEM教育是培养21世纪人才的教育战略

众所周知，“STEM”一词来自英文Science、Technology、Engineering和Mathematics四个英语单词的首字母。STEM教育缘于美国，是美国政府推动的旨在提高国民科技素养、保持其科技领先优势、增加具有STEM胜任力的劳动力数量的教育战略。

尽管美国政府文件中指出术语“STEM教育”是科学、技术、工程和数学的教育[5]，但人们对什么是STEM教育的理解有很大不同。有学者把STEM教育看作是一种跨学科教育方法，要通过工程设计方法，整合科学与数学知识以提升处理真实世界问题的技术和能力[6];有学者将STEM教育理念概括为以数学为基础，通过工程解读科学和技术[7]。

跨学科的确是STEM教育的重要特征，但如果我们仅把基础教育阶段STEM教育视为一种整合的教育方法以弥补分科教育的缺陷则比较难以改变其“边缘化”地位。笔者认为，STEM教育是系统地培养人的科学素养、技术素养、工程素养和数学素养的教育，目的是帮助学生理解科学、技术、工程和数学学科的价值，掌握相关的学科知识与方法，培养在相关领域进行深入学习的兴趣和动力，发展系统思维、批判思维和创新思维，塑造面向未来的问题解决能力、创新能力和合作能力。

基础教育承担着为学生继续学习和发展奠定必要的知识基础、能力基础和素养基础的责任，在基础教育阶段开展STEM教育具有以下作用：

（1）培养高阶思维

通过STEM课程，学生要学习科学探究和工程设计的方法，在这个过程中学习基于证据的推理、批判性思考以及考虑各种条件的系统设计，能够提高学生面对复杂问题的分析与解决能力。这些能力是学生未来不论从事任何职业都需要的。

（2）增强社会责任感

通过STEM课程，学生会了解真实社会中的健康、环境、经济等方面的问题，他们会认识到科学、技术、数学和工程对这些问题解决的贡献，他们有责任运用自己的所学去解决更多的问题，从而增强社会责任感。

（3）激发学习兴趣

STEM课程会为学生提供更多动手实践的机会，有利于改变目前缺乏动手实践、死记硬背和“刷題”应试的学习现状，能够让学生在真实的问题解决中深入理解重要的概念和原理，认识到学习这些知识的意义与价值，从而激发学习兴趣，奠定扎实的知识基础、能力基础和素养基础。

（4）增进对社会职业的了解

很多高中生对社会上的真实职业和专业缺乏了解，导致高考时不知道自己要选择什么专业。基础教育阶段的STEM教育给学生提供了了解不同行业的机会，增进了学生对社会职业的了解。

（5）发展团队合作与交流表达能力

STEM课程中很多的项目需要学生小组共同完成，这会让他们学会如何分工与协作。STEM课程还会为学生提供展示其成果的机会，提高学生的表达与交流能力。

2.基础教育阶段STEM教育面向全体学生

目前在我国一些中学开展的STEM课程多以校本选修、课外科技兴趣课程或作为综合实践活动课程的一部分来开展。由于课时、师资和硬件条件限制，这些STEM课程不是所有学生都能参与的。例如，北京某中学开展的一门具有STEM教育性质的选修课程，一学期只能收20名学生参加学习，其他学生即使想报名也因名额限制无法参加。还有学校把STEM教育与科技特长和科技比赛相关联，成为科技特长生的专属课程[8]。

作为培养21世纪人才的STEM教育，其在基础教育阶段的实施要坚持基础性和面向所有学生的原则。基础教育阶段的STEM教育的目的不是要培养未来的科技精英，而是培养面向未来的具有决策力和适应力的未来社会的建设者，所以基础教育阶段的STEM教育是面向全体学生的基础教育。

二、基础教育阶段STEM教育的实施路径

1.分科课程中融入STEM教育

要落实面向全体学生的STEM教育，需要在国家课程层面制定相应的课程标准以及进行整体的课程规划。那么，STEM是作为一门新的国家课程还是在现有的分科国家课程中融入STEM教育？笔者倾向于后者。

首先，用数学、科学、技术和工程于一体的综合化课程来完全取代分科的数学和科学教学尚不现实，因为这样高度集成的课程对教师的要求极高，现有教师多难以胜任这样的教学。如果不考虑目前教师学科知识的现状而全面实施跨学科教学的话，反而不利于STEM教育。

第二，不同学科有不同的学科知识结构、学科实践和学科思维，分科与整合相结合的课程体系既能避免学生学到的是零散的知识碎片，也有利于帮助学生把握学科学习的意义与价值，促进知识的理解和迁移应用。

2.将工程与技术教育融入科学和数学教育之中

针对当前基础教育的现状，在明晰数学、科学、技术和工程的教育目标基础上，将技术、工程和数学教育融入科学教育以及将技术、工程和科学教育融入数学教育是实施STEM教育的一种比较可行的策略。这是因为在基础教育中已有数学课程和科学课程，缺乏的是工程和技术教育以及它们与科学和数学教育的融合。因此，在现有课程体系融入工程与技术教育相当于在原有课程基础上的调整和丰富，比较容易落实。

可能有人会担心这样实施有可能导致基础教育阶段的STEM教育演变为“SteM”教育，即科学和数学的教育比重高于工程和技术的教育比重。笔者认为这恰是基础教育阶段STEM教育应具有的特点，即在基础教育阶段的科学和数学的基础性地位更加突出，所占的教育比重更大，而到了高等教育阶段，则会在理工科专业教育中更加强化工程（E）和技术（T）的教育，这是工程和技术的应用性、综合性和实践性所决定的。

3.整体设计学科中和学科外的STEM教育

为了促进学生STEM素养的发展，不仅要在学科教学中融入STEM教育，还要通过更加综合的基于真实问题解决的跨学科教学，为学生提供更充分、更深入地发展其STEM素养的机会。学科中STEM教育（STEM in disciplines）和学科外整合STEM教育（integrated STEM  besides disciplines）构成了促进学生STEM素养发展的递进关系（如图1所示）。

图1  学科中的STEM教育和学科外的STEM教育

无论是学科中的STEM教育还是学科外的STEM教育，都要以国家课程标准为依据，针对学生的经验基础与认知特点，按照素养发展规律整体规划STEM素养的学习进阶，循序渐进地促进学生STEM素养发展。

对于学科中的STEM教育，要以学科核心概念为教学内容的内在主线，融入科学以及工程的实践，同时联系技术和其他学科，帮助学生理解和掌握学科知识和学科思想方法，掌握科学实践和工程实践方法，发展学科素养和STEM素养。例如，在物理的“摩擦力”教学中，学生通过系列探究活动认识“改变接触面粗糙程度或正向压力可以改变摩擦力的大小”的学科核心概念，并联系背包带上的“日字扣”、罐头开瓶器、登高脚蹬等产品的设计，理解知识的应用，增强学习的使命感和社会责任感。

学科外整合化的STEM教育则要给学生创设基于真实以及更加综合的学习机会。例如，设计风力发电机的项目，学生首先绘制风能转化为电能的流程图，讨论风能是如何在不燃烧化石能源的情况下转化为电能的;接下来动手画出风力涡轮的设计图，讨论为什么风力涡轮机的叶片是细长的、叶片是用什么材料制成的等问题;学生用材料模拟制作风力涡轮装置，并进行测试和分析;基于风能的研究，学生还要拓展讨论风能、太阳能、水力发电、核能发电以及燃煤发电的利与弊，在地图上标出我国最适合发展风能、太阳能和水力发电的地方。通过以上这些学习活动，学生综合运用物理、数学、工程、技术、化学和地理等学科知识分析和解决问题，提高面对真实、复杂问题的分析和解决能力。

三、结语

基础教育阶段STEM教育是国家培养面向21世纪人才战略的不可缺少的组成部分，是面向全体学生的基础教育。数学、物理、化学、生物、地理、信息技术等学科教师都要思考如何优化课程和教学方法，以更好地培养学生的STEM素养。

笔者先后与北京市近百名中学教师一起进行了STEM教育理念下的教学案例开发和教学实践工作。实践表明，STEM课程在促进学科教学的同时，能够培养学生的问题解决能力和创新意识。

下面是一位学生学习了STEM课程“洗涤的学问”后的评语：

一瓶在市面上常见的洗涤产品，里面竟然有那么多的奥秘。加入了表面活性剂，能让物品上的油污更便捷地被洗去。为了让人们在使用洗涤产品时能够更加舒适，还加入了色素使颜色更鲜艳，加入香精使闻者舒心。现在很多产品都有着人性化设计，将来我们在设计产品时也要考虑到这些问题。

通过评语可以看到学生不仅认识了洗涤剂去污原理，还具有了学以致用的思考。

图2是经过一年的教学实践后实验班和对比班学生对教学方式和教学效果的评价对比。

图2实验班与对比班调查数据对比

由图2可以看到，实验班学生在是否增加了对科学探究及科学研究的兴趣、是否开拓了视野、是否对学习更有信心等项均高于对比班。

参考文献

[1] 田慧生，王素，曹培杰，等.中国STEM教育白皮书发布：提高学科的本质认知和科学素养[N].中国教育报，2017-08-26.

[2] 柏毅，叶耀，信疏桐，等.对STEM教育热潮的冷静分析与课程实施建议[J].基础教育参考，2018（05）.

[3] 吳俊杰.边缘革命：STEM教育的破局之路[J].中小学信息技术教育，2014（03）.

[4] 曾宁，张宝辉，王群利.近十年国内外STEM教育研究的对比分析[J].现代远距离教育，2018（05）.

[5] 赵建中选编.美国STEM教育政策进展[M].上海：上海科技教育出版社，2015.

[6] Anne Jolly.STEM by design： strategies and activities for grades 4-8[M].New York： Routledge，2016.

[7] 赵慧臣，陆晓婷.开展STEAM教育提高学生创新能力——访美国STEAM教育知名学者格雷特·亚克门教授[J].开放教育研究，2016，22（05）.

[8] 李晗.风口至，STEM教育能走多远？[J].经济，2017（22）.

[作者：周玉芝（1968-），女，黑龙江绥棱人，北京教育学院化学系，副教授，博士。]

【责任编辑  孙晓雯】