STEM教育内涵及学校STEM课程的构建

江丰光陈磊

陈磊：我们知道STEM教育是由美国发起并在全世界流行的教育改革行动，江教授曾在日本东京工业大学、德国伊斯梅瑙科技大学及美国麻省理工学院进行学习与研究，具有丰富的国外研究经历，您可以给我们分享几个国外优秀的STEM案例吗？

江丰光：国外STEM教育非常重视真实问题的解决，并且往往是学校、机构等多方参与，构建了STEM的教育生态系统。我在过去发表的论文中也指出大致有三大类STEM教育类型，下面我针对这三大STEM类型分享国外的三个优秀案例。

第一个案例是基于教室开展的STEM课堂活动——为视障儿童设计手表的项目。该项目的背景是根据一项数据调查研究发现（当然这个数据是以前的），美国有近1400万视力障碍的人，其中有300万人的视力障碍是不能用眼镜或隐形眼镜矫正的。为此，项目希望学生可以为11至19岁的视力障碍儿童设计一款手表，以便为他们的生活提供一些便捷，且方便穿戴，能准确报时。

科学知识层面学生需要学习生物医学工程中人体辅助设施、器械的原理以及简单机械原理。工程知识层面学生需掌握工程设计步骤，也就是确定问题→查阅资料→设计方案→选择方案→建造原型→测试评价，同时考虑工程设计符合实际需求。技术知识层面学生需要利用建模、测试、评价、修改的方法解决实际问题，熟悉为人类生活带来更多舒适度的技术。数学知识层面学生需用到测量与计算、方程与模型等。

项目为期7天，在校内开展教学活动，内容包括介绍项目背景、讨论概念定义，通过海伦·凯勒的视频，让学生了解视障者需要在生活中面对的挑战;按照工程设计指导，组织学生进行头脑风暴，讨论设计方案。小组讨论，确定和选择一个最优的设计方案。学生设计图纸、建造原型、测试和评价等。

第二个案例是正式与非正式学习结合的STEM教育——SOS（Science Of Sustainability）项目。SOS项目是由美国国家科学基金会创建，主要领导机构包括帕卢斯发现科学中心、华盛顿州立大学和爱达荷大学，参与者包括社区、家庭、青少年以及场馆或非正式学习领域的专家。这个项目聚集华盛顿东部和爱达荷州北部的农村青少年和家庭，来探讨STEM概念在可持续建筑设计中的重要性。项目学习内容涵盖生态学、林业、农业、工程学、物理学和技术，为非正式环境下的科学教育提供了范例。项目开展的目的是希望学生对学科之间的交叉融合有基本的理解，帮助学生学会合作学习，提高对STEM的理解力和兴趣，也希望人们建立环保意识，保护环境。项目的受众是11至15岁的青少年以及他们的监护人。

项目分为两天，第一天学习科学知识，第二天参观帕卢斯发现科学中心。第一天，项目工作人员以演示、动画、动手实践、团队活动等形式介绍三种热传递方式（热传导、热对流和热辐射）在日常生活中是如何工作的。之后，学生围绕热传导、热对流和热辐射相关问题进行小组讨论，如“在你的家里，哪种材料是导体，哪种是绝缘体呢”等。然后，学生通过触摸砖头、金属、木头等实物进行实践活动，通过触摸了解和识别不同材料的导热性。最后，以小组形式参与房屋模型改进的活动，每个小组六个人使用不同的材料和工具来改造他们的样板房，并通过展示和测试，看改进后的房屋模型能否更有效地保持热量。第二天，学生和家长在参观科学中心的时候进行一场团体讨论，集中讨论两个问题：他们在自己家中发现的房屋材料有哪些？如何利用当地的电力公司免费提供的防寒保暖材料来改进房屋，以便提高能源的利用效率？这个项目是一种真实情境下的学习活动，学生通过这个活动了解热传递背后的科学知识，并在控制建筑的热量损失方面做出明智的决定。

第三个案例是学习共同体的STEM教育——由亚利桑那州政府发起的水资源项目。受地理位置和气候等因素影响，亚利桑那州常年干燥缺水，为此亚利桑那州立大学启动了水资源项目。该项目以环境与水为主题鼓励学生社区参与，聚焦学生21世纪技能培养，得到高校与中小学、企业、政府机构以及家庭、社区的支持和参与。学生进行学校社区水资源检查，应用科学、数学等学科知识每日检查并分析学校社区水的使用情况，采取技术措施和方法节约用水量。教师带领学生体验亚利桑那水节，深化对水相关知识的理解。学生进行水资源的校内外调查研究，调查内容分为水资源、人类使用水、环境中的水三大主题，每个主题各使用三个月时间调查，学生最终形成报告并展示研究成果。从2011年起，超过4000所初中和高中參加了水资源调查。该项目重点是培养终身学习者与学习共同体的产官学研连动机制，带动全民共同解决家乡水资源问题，唤起全民节水意识。教师在该项目中的角色既是学习者也是教学者。

陈磊：您刚才举的三个案例真让我大开眼界。我们都知道STEM教育不是将科学、技术、工程和数学知识进行简单叠加，而是强调将四门学科内容通过项目或者问题自然组合形成整体，让学生综合运用各学科知识解决问题。刚才举的三个案例我觉得首先体现了真实情境下的学习与真实问题的解决，其次是教与学方式的改革，探究、调查、设计、讨论等活动充分激发学生的积极主动性，最后是小组的密切合作，或者是学生组成学习共同体，学校、社区、高校、机构等组成研究共同体。

江丰光：其实陈老师您刚才说的几个点也是STEM教育的核心特征。当前全球STEM教育的研究正如火如荼地进行，我们在分析大量的STEM案例后，提炼出STEM教育的八大要素，包括做中学、基于问题的学习、基于项目的学习、合作学习解决问题、科学探究与工具使用、跨学科整合、真实情境下的学习和学习者自主探究建构知识。做中学即“从经验中学”“从生活中学”，基于问题的学习和基于项目的学习是STEM教育中两种常用的学习方式，合作学习要求学生以小组为单位组成学习共同体开展研究，科学研究是学习重要的形式，工具的使用为学习提供支持和帮助，跨学科整合是STEM的本质特征，真实情境为学生学习提供了环境和动机。学习者自主学习和探究，是STEM教育里的一个深刻内涵，早期教师将知识传输给学生，学生是被动接受知识，但到STEM教育里面，通过STEM训练之后，学生能够自主建构出自己的本体知识，这个知识才会停留在自己的大脑里面，学生学习的自律性和自主性也逐渐培养起来。这也就是教育学生成才的一个过程。

陈磊：在一线研究和实践中，我们也总结出了一些STEM教育的本质特征，总结起来有六点——STEM教育的本质是跨学科整合的意识和思维方式培养;核心是学生问题解决能力培养;目标是个性化教育，表达自己的想法;研究原点是观察生活，善于发现生活中的问题;实现形式和追求是动手实践与创新能力培养;社会价值是团结协作能力培养。这个跟您总结的八大要素有许多共同之处。刚才三个案例里提到非正式教育，也有高校、機构等参与的大型项目，在一线实践中更多的是教室里开展的STEM项目，这几个有什么区别吗？

江丰光：我将目前存在的STEM教育活动归纳为“基于教室开展的STEM课程”“正式与非正式场馆结合的STEM活动”和“基于终身学习概念所设计的学习共同体STEM项目”三大类型。

基于教室开展的STEM课程是最为常见的STEM教育类型。教师通常使用基于项目的学习进行教学，注重“跨学科”融合的理念，一般针对某个特定主题以工程为主线，综合数学、科学和技术的学科知识来完成最终的学习成果。在此类STEM课程当中，教师通常以一个主题贯穿整个教学过程，课堂设计跨学科整合的学习活动，强调课堂内学生可动手动脑动心完成的任务与作品。相比于传统的分科教学，STEM教育背后的跨学科融合理念更注重培养学生知识运用与可迁移能力，如批判性思考、合作、沟通、创造力和信息检索、收集、处理等能力的培养，而这些能力是传统的分科教学难以教给学生的，但又是21世纪所重视的技能。

非正式学习是在不直接依赖教师或课程的前提下，学习者在情境中发生的有意或内隐的学习。非正式学习无处不在，随时随地发生，既可以有明确目的也可以是偶然性的。非正式学习通过非正规教学性质的社会交往来传递和渗透知识，最常见的形式包括公众教育、社区教育、展览教育、博物馆及科学中心教育。在基于正式与非正式活动结合的STEM教学活动中，参观访问是最为常见的博物馆和学校的合作形式，一般是在教师的组织下参访博物馆、科技馆等。这种方式可以最大程度地利用场馆的软硬件资源，学生能够更加直观地感受、操作、探索，但需要双方做好前期计划与教学活动的设计等引导工作。

学习共同体体现了人们对超越学校班级教学情境的社会化学习形态的重视，反映出了对知识社会性建构的价值追求。美国国家研究理事会提出了STEM学习生态系统观，以学习者为中心，将与学习相关的各种要素视为一个系统，强调学习者、多样场景、学习共同体及文化要素之间的动态互动关系。从某种意义上来说，学习共同体也可以看作区域和国家层面的馆校合作。传统的馆校合作大多是学校和博物馆直接联系，而区域内部合作大大发挥了学区的教育职能，联合多个博物馆、植物园等教育性场馆，将资源开放并普及整个学区的公立教育系统，帮助学生更好地完成科学探究。

陈磊：在一线教学中，基于教室开展的STEM课程是实施STEM教育的主要形式。对于正式与非正式场馆结合的学习活动，北京市朝阳区有一些学校进行了探索，如研学旅行、社会大课堂、馆校结合、综合社会实践活动等都体现了这个方面。朝阳区也初步尝试推动学习共同体STEM项目，构建了区域STEM推进的五大系统，包括课程系统、实施系统、资源系统、管理系统、评价系统。在整个系统中，朝阳区教委牵头，区域内近40所学校参与，教科院等参与指导培训，企业参与课程设计。课程系统包括设计教师研修课程，开发课堂中学生使用的STEM课程等。实施系统为教师课程、学生课程的具体实施方式、策略、模式等。课程系统与实施系统相互影响，共同完善。资源系统包括教师的研修课程、学生的STEM课程所需要的硬件、软件等资源，以及专家资源。管理系统形成了以教育行政部门为领导、朝阳区教科院等为具体职能和执行部门、学校具体参与的三级管理系统。学校层面也形成了学校负责教师为引领、学校具体学科教师参与的二级管理系统。评价系统则针对课程系统、实施系统、资源系统、管理系统进行综合评价，督促各系统不断完善，提高STEM本土化的成效。

学校教师在进行STEM课程设计时会出现很多问题，如局限在自己学科里难以跳出，STEM的主题、目标与学生的学情、本学期的相关学科内容联系不密切，多个课时之间衔接不紧密等等，您对一线教师开发STEM课程有什么建议？

江丰光：一些STEM课程是由研究者开发出来的一个个案例组成，缺乏体系化的课程设计，不像传统学科中有明确的衔接国家课程标准。许多中小学使用的STEM教材是直接从国外翻译来的，会出现与我国基础教育具体情况不符的情况。有一些学校通过购买服务的形式购买企业开发的课程，也会出现课程与学生学情不符的情况。一线教师是单一学科出身，在进行跨学科设计时出现问题在所难免，这就需要教师首先加强学习，通过案例观摩了解优秀的STEM案例，其次加强与其他教师的合作，通过合作共同完成STEM课程的设计、开发与实施。

在进行STEM课程设计时，学校不要一味跟风，企业有什么新产品出来就去做什么，学校应该有自己的主张，要强调学校的特色。教师需要站在课程的视角审视问题，通过系统分析学生的学情以及学生本学期要学习的内容，制订课程的目标和内容，由浅入深，逐层深入。围绕学科的大概念、教材的大单元进行设计是一个视角，教师在进行课程设计时一定要考虑整体性，提前对各个课时进行规划，多个课时之间要通过教学目标、教学内容等进行衔接。STEM中的情境创设是非常重要的，一个好的情境可以激发学生的参与热情，保证整个项目实施的效果。

陈磊：在学校的整体课程体系中，STEM课程应该有自己的位置，也就是说STEM课程应该无缝融入学校的课程体系中，并助力学校育人目标的实现。STEM教育理念可以在国家课程中渗透，如在小学科学、数学、信息技术、综合实践等学科的实践活动中渗透，也可以在学校特色的拓展课程、社团课程或者跨学科活动中体现，如3D设计、创意编程、人工智能、虚拟现实等课程。学校或者教师在考虑STEM课程的开设时，首先要考虑当前课程改革的背景，其次考虑开设的课程与学校的育人目标、课程目标、课程结构甚至学科课程群建设情况是否一致，最后要考虑学生的实际需求及教师兴趣爱好、需求等。在进行课程设计时，可以按照ADDIE设计模型进行设计，也就是分析→设计→开发→实施→评价五个步骤，在分析学情的基础上先设计和开发课程体系，再实施，实施后通过评价和反思完善课程体系并重新实施。课程案例的选题可以考虑各学科内容的整合点，也可以考虑学生的生活实际，尤其是当前的一些热点话题更容易激发学生的学习热情。在教学时可以采用STEM教育常用的教学模式进行授课，关于STEM教育常用的教学模式您有什么建议？

江丰光：STEM课程一般以工程设计为核心，有意地整合科学、技术、数学等学科的知识，进行有效的跨学科教学。目前，STEM教育一般以基于项目的学习、基于问题的学习、基于设计的学习、5E教学模式、6E教学模式等为主要学习方式。在国外，基于项目的学习是一种非常重要的学习方式，非常重视学生真实情境下的学习，重视真实问题的解决，重视工程与产品设计，强调社会效益。

陈磊：您刚才提到的這些教学模式我们在课程设计时用得比较多的是6E教学模式、5E教学模式、基于项目的学习、基于问题的学习四种。在一个大的STEM主题课程中，一般采用基于项目的学习形式，课程内容较多时，可以细分为几个小主题课程，每个主题可以采用5E教学模式、6E教学模式、基于问题的学习等模式。其中，5E教学模式适用于偏科学探究类的课程，6E教学模式适用于偏工程领域的课程，基于问题的学习适用于学科学习或者真实问题解决的课程。在指导学校实施STEM课程时，我们针对6E教学模式的各个环节设计了具体的实施要点。以6E中的第一个环节“引入”为例，“引入”的目的是激发学生兴趣，从而参与到课程中，明确本课程的任务。“引入”的学习方式包括创设问题情境、设计探究活动、回顾已有知识等。“引入”部分能够创设与现实生活联系紧密的情境会更好，或者创设的情境能联系学生已有经验产生认知冲突会更好。除了教学模式，STEM的脚手架设计也是非常重要的。

江丰光：是的。教师要在STEM活动中适当地为学生提供学习支架，为学生的学习提供适当的线索或提示，使学生能够更加顺利地完成STEM课程。支架又被称为“脚手架”，包括一对一脚手架、同伴脚手架、基于计算机的脚手架等。一对一的脚手架是指教师可以在适当的时间为学生提供STEM支架，如学习单、记录单等。同伴脚手架是指在进行STEM项目的过程中，学生通过合作来共同解决问题，在队友或同学需要帮助时给予支持，促进学生进行知识交流和共享的协作学习。基于计算机的脚手架，是指教育者们可以通过计算机的辅助，更好地为学生提供互联网资源支持。国内也将学习支架分为很多种类，最常用的是活动进程型学习支架，支架提供不同学习环节的进程顺序。除此之外，资源建设也是非常重要的，美国有国家资助的平台，里面有大量的资源、课件、教案。其实我觉得这也是我们国内应该做的，即建立一个开放的STEM教育平台，存放每年评选的国家级优秀本土案例，共享资源并进行推广。

陈磊：目前STEM教育的资源比较零散，没有一个统一的开放的平台。在STEM课程设计和实施时，STEM课程的评价是一个难题，一线教师对课程评价的认识普遍缺乏。

江丰光：STEM教育往往在设计上具有跨学科和整合式的特点，在教学上会提供真实的学习环境，呈现出以问题或项目为中心导向的特征，常用到项目式学习，聚焦于培养学生真实世界问题解决的能力。STEM的评价也必须和这样的教学方式相符合。综合的评价体系包括诊断性评价、形成性评价和总结性评价三大评价类别，对于全面整合、开放的STEM教学而言，其评价方式也应是创新多元的，在传统关注学科知识评价的同时，更关注怎么评价学生在真实情境下项目式学习的表现和绩效。

我们曾做过国内外STEM教育评价设计的内容分析，总结了当前11种STEM的评价方式，包括纸笔测验封闭式题型、纸笔测验建构式题型、学生手稿笔记、图示呈现、课堂观察、作品集、访谈面试、任务成果展示、学生自我报告、组内互评、反思日志，并总结了各评价方式的优势、限制及适用范围，这个可以为教师提供参考。同时，我也根据评价方式的特点提出五个建议。

第一，操作化定义学习目标。要想真正测量评价学生在STEM这样跨学科整合式学习中的学习效果，教师和指导者需要制订一个完备详实的评价标准。那么这就需要将学生抽象的学习表现进行操作化定义，便于定量分析。在一个量表中，首要的是要将学习目标，或者说对学生的行为期望分解具体化。

第二，明确要考查学生什么能力以及能力水平等级的划分。在期望学生展示出来的表现行为被操作化定义后，学生真实的学习行为表现也需要有明确的水平等级划分。这样，在学习过程中教师可以了解学生所处的水平，在总结阶段教师可以了解学生学习的效果。

第三，不同方式结合应用。每种评价方式都有优缺点，STEM教育是综合的，其对应的评价也是系统的整合的。在实际教学中，学生的表现不能单独用哪一种方式判断好与坏，需要形成性评价和总结性评价相结合。

第四，评价主体要多元化，评价方式要多样化，评价应当成体系。学生作为学习主体，也可以参与到评价体系的建构中。

第五，给学生自我评价和调整的机会。在STEM教育的任务式学习中，应当给学生自我反思和重新设计的机会。如同真实的工程设计过程，学习总是在不断进步，作品总是在不断完善。

陈磊：正如江教授所说的，在进行STEM课程评价时，评价主体要多元化，既有学生的自我评价、学生的互评，也有教师对学生的评价，甚至可以有家庭、社区、高校专家等的加入。评价方式要多样化，既有过程性评价，也有总结性评价。STEM课程设计是一个复杂的系统性工程，需要经过多轮的设计和打磨，在这个过程中也会遇到各种问题，我相信通过加强沟通与合作，肯定可以圆满解决。朝阳区有非常多的学校开展了STEM教育的探索，有些学校也获得了很多荣誉，成为STEM教育的特色学校。我听说国外有很多STEM学校，他们是什么样子的呢？

江丰光：在美国前总统奥巴马的第一个任期内，美国总统科技顾问委员会建议在未来10年内创建1000所新的STEM学校。从国外成熟的STEM学校中可以看到，STEM学校非常注重跨学科学习，重视学生21世纪技能的发展，并支持学生对STEM的实际应用。STEM学校关注不同学科教师的合作，支持教师在STEM课程实施前的计划制订、资源的支持等。

我们通过对欧美STEM学校资料的分析，将STEM学校应具备的要素提炼出来，其中包括学校人员、学校STEM教学、学校文化、学校社会关系等四个关键要素。学校人员主要划分为教学人员和非教学人员，教学人员包括STEM专业教师，非教学人员又分为教学支持人员和学校的领导团队。STEM学校一般具有独立开发STEM主题和课程的能力，STEM教师注重使用个性化教学、基于问题的教学、探究式教学、情境化教学等教学方式，教师常用的评价方式主要是个性化评价、持续化评价、基于项目的评价和学生的自我评价，教学设施包括校外合作的设施和技术以及学校内部设施和技术。STEM学校拥有包容性的文化教学气氛，包括尊重、开放共享、合作、公平、信任、学习文化。STEM学校可以通过社会关系将现实世界的问题与课堂教学连接起来，并让所有学生都更加深刻地了解职业发展。STEM学校的社会关系包括与企业的联系，与父母、监护人之间的联系，与其他学校、教育平台、研究中心之间的联系，与大学合作，与当地社区合作。

陈磊：STEM学校的内涵和标准给国内学校提供了参考和依据。江教授作为国际STEM期刊的编辑委员，对国外STEM教育的研究热点比较熟悉，可否给我们分享一下？另外您对未来我国STEM教育的探索与实践有什么建议？

江丰光：International Journal of STEM Education是关于STEM教育研究的STEM专业期刊，这本期刊分析了STEM教育研究的热点话题。主要有以下四个：①包容性的STEM学校;②如何让学生参与科学学习并保持STEM兴趣;③关注STEM教育的性别研究，特别是女性在STEM教育的研究与促进;④整合性的STEM教育。这些研究都是热点议题。

教育部《教育信息化“十三五”规划》提出要积极探索信息技术在跨学科学习（STEAM）、创客教育等新的教育模式中的应用。2017版小学科学课程标准提出倡导跨学科学习方式，首次明确指出鼓励科学教师尝试运用STEM教育理念将科学、技术、工程、数学有机地融为一体。2017年教育部印发了《中小学综合实践活动课程指导纲要》，对综合实践活动的课程形式、理念、目标、内容、活动方式等进行了界定。2020年教育部公布了25个教育部基礎教育教学指导专业委员会，其中就包括了跨学科教学指导专委会。这一系列文件的出台，标志着国家对STEM和跨学科研究的重视。未来，相信我国针对跨学科整合研究的理论与实践体系会更加丰富和健全。未来也需要推动教师专业发展的培训，教师都需要在自己的专业知识上从理念到课程设计、实施、线下培训等进行一些更新。但是我们也需要认识到，教育需要时间耕耘和长时间的规划，也就是说，短时间内要从STEM教育或者跨学科这里得到可视化、量化效果是不切实际的。

陈磊：现在国家对跨学科教学非常重视，就北京市来说，要求中小学校各学科平均应有不低于10%的课时用于开展校内外综合实践活动课程，鼓励开展跨学科综合实践活动。同时，学校也积极开展开放性科学实践活动、综合社会实践活动，组织研学旅行，鼓励教师进行跨学科整合的研究与实践。相信跨学科整合的研究将会成为今后一段时间的研究热点。

非常感谢江丰光讲授从国外STEM的优秀案例、STEM的要素、STEM的类型、STEM的课程设计、STEM的教学模式、STEM的脚手架设计、STEM的课程评价、STEM学校、STEM的热点话题及未来展望10个角度跟我们分享“STEM教育内涵及学校STEM课程的构建”这个主题，为从事STEM教学的一线教师和研究者提供诸多参考和依据。

江丰光：也谢谢杂志提供这样的一个交流的机会，希望在教师们共同的研究和努力下，STEM教育和跨学科整合相关的研究能够更加繁荣，实践效果更加凸显，学生的综合素质不断提高，这样也更有利于学生核心素养的培育。让我们一起为培养创造性人才尽一份力量。