中、小学STEM教育的价值定位、实践路径和误区*

张春雷 邓燕平

（华东师范大学教师教育学院 上海 200062）

1 STEM 教育的起源和发展

STEM 是科学（science）、技术（technology）、工程（engineering）和数学（mathematics）4 个单词的首字母缩写。在美国，STEM 的提出经历了从SME 到SME&T，然后才改为STEM 的变化过程，后又有学者加入了艺术（arts）进而变为STEAM，但是目前主流学者和相关国际教育杂志更多使用的还是STEM，因此本文仍然沿用STEM 这一缩写。

STEM 教育兴起背后的逻辑是提高国家竞争力。20 世纪80年代，在经济全球化的背景下，美国意识到要想持续保持国际领先的地位，唯一途径就是拥有创新的研究思想、最好的技术、最具创造力和适应力的劳动力，以及能对科技议题作出明智判断的公民，因此大学的科学、数学和工程教育至关重要，它关系到一个国家的科学与技术能力，进而影响国家的工业、经济竞争力及国防力量。 与此同时，美国高等教育研究会的一项研究却发现，选择数学和科学相关专业的大学生正在减少，这可能会直接导致美国科学家、 数学家及工程师数量减少和水平降低［1］。正是在这一背景下，1986年，美国国家科学委员会（National Science Board，NSB）在“Undergraduate Science, Mathematics and Engineering Education”报告中，指出美国需要高度重视高等教育阶段的科学、数学和工程教育［2］。这就是最早的SME 教育，后来技术也被加入其中，SME 变为SME&T，关注的范围也从大学扩展到K-12 教育阶段。 美国国家研究委员会认为，所有学生都应有机会获得与科学、数学、工程和技术相关的课程学习，并能通过科学探究的直接体验获得这些学科素养［3］。 起初，NSF、NRC 等机构使用SMET 代表4 门学科的总称，2001年美国国家科学基金会教育与人力资源部前主任Judith A.Ramaley，首次将科学、技术、工程和数学课程缩写改为STEM［4］，之后迅速被许多高等教育机构和学界采纳。

虽然不同研究者对STEM 教育的内涵还有不同的理解，但整合性STEM 教育已成为大势所趋。美国国家工程院（National Academy of Engineering，NAE）和美国国家研究委员会（National Research Council，NRC），在2014年联合发表的研究报告“STEM Integration in K-12 Education: Status，Prospects，and an Agenda for Research”中，突出强调了整合性STEM 教育（integrated STEM education）这一概念，将整合性的STEM 教育作为最有潜力的发展方向，并认为这种整合需要同时体现在2 个方面，一是体现在学生学习经验设计上，二是体现在预期的学习成果评价上［5］。 即STEM 教育活动一方面要让学生在学习过程中体验到不同学科的学习，同时在评价上也要兼顾不同学科学习成果的评价。从以上观点分析，美国STEM 教育运动标志着美国对科学、技术、工程和数学等领域关注的提升，也逐渐形成了STEM 教育发展的重要方向——整合性STEM 教育。

2 STEM 教育的价值定位

21 世纪以来，以美国、英国、德国为代表的主要发达国家，都从国家战略高度制定了STEM 教育的政策与措施。 我国经济正处在转型的关键时期，对科技创新人才数量和质量有了更高的要求，社会各界也开始重视和开展STEM 教育，进而促进公民科学素质提升和STEM 领域创新人才的培养。

为了更好地践行STEM 教育，首先要明确STEM 教育的中国定位，即回答“STEM 教育独特的价值究竟是什么”这一关键问题。只有清晰定位STEM 教育的价值，才能更好地使其为我所用。STEM 教育具有哪些价值？ STEM 教育的价值主要表现在以下方面：①提高学生学习兴趣；②发展学生的学科素养；③提高学生对工程技术的理解和实践能力；④加深学生对学科之间，以及科学、技术、社会之间联系的理解。 例如Monterastelli 等人的研究表明，在医疗健康情境中将工程学与生物学概念相整合，通过讲授与动手活动的方式开展整合性STEM 教育，能增强学生的学习兴趣，提高学生从事科技行业的倾向［6］。

在学生认知发展方面，STEM 教育也具独特的优势。首先，不同学科的恰当整合可实现相互促进的目的，例如将数学和科学进行整合教育，有助于提高学生对数学和科学的学习。 Hurley（2001）对有关整合数学和科学的教学与没有整合的控制组的31 个研究进行了元分析，结果发现整合对于学生数学和科学的成绩均有积极的影响。

其次，关注工程和技术有助于学生对科学和技术的学习和理解。 美国新泽西州关于工程和技术的课程干预大规模试点研究显示了一些可喜的成果。 Engineering Our Future New Jersey（EOFNJ）是史蒂文斯理工学院、新泽西州教育部、美国国家科学教育中心等机构，共同努力将示范性工程技术课程变成新泽西州K-12 教育主流的项目。EOFNJ 的目标是保证新泽西州未来5年的所有K-12 学生都能体验注重创新的工程学课程，并将其作为小学、 初中和高中教育的必要组成部分。EOFNJ 在多个学校的不同年级进行了试点研究。研究结果显示，不论小学、初中还是高中，前、后测结果都表明学生对工程和科学技术的理解均有显著改善［7］。

STEM 教育不仅可以发展学生的科学、 工程、技术素养，围绕科学探究和工程设计展开的STEM 教育，还有助于学生更深入地了解科学过程、 科学本质，以及科学、 技术与社会之间的联系。在这些目标中，工程学素养及与工程学相关的整合教育是目前我国学校教育的薄弱环节，特别是义务教育阶段的工程学教育非常薄弱。 学生在大学入学前，几乎没有进行过系统的工程设计和实践，虽然学校会开设手工、劳技、通用技术等课程，但缺乏系统的课程体系和工程学素养标准，以至于学生毕业进入社会后，缺乏基本的工程设计素养和工程问题解决能力，这不仅影响个人生活质量，还会影响公民参与工程学相关的社会决策，对于我国从“中国制造”向“中国创造”的经济转型是非常不利的。 因此就我国现阶段的教育情况而言，STEM 教育的独特价值在于发展学生的工程技术素养和学科交叉素养，提高学生利用多学科知识创造性解决现实问题的能力。

随着人工智能的飞速发展，未来很多从事简单机械工作的所谓专业人才将会被取代，未来社会需要更多的能应用多学科知识和能力创造性解决真实问题的创新人才。 而现行的分科课程展现给学生是相对割裂的世界图景，人类对世界的认知被硬性地分割到不同的学科，学生所看到的更多是不同学科视角下的世界，而不是世界原有的完整图景和真实面貌，这就需要跨学科的整合性STEM 教育加以补充。

3 STEM 教育的实践路径

如何在现有的学校教育中，有效开展STEM 教育？ STEM 教育有2 种典型的可行路径，一是研究科学问题，发现未知规律，即科学探究的路径，它是科学家认识世界的基本方式；二是应用科学原理和工程技术解决现实生活中的难题，设计方案，发明产品，这是工程设计的路径，它是工程师改造世界的基本方式。 2 种路径的目标、过程、产出和评估方式都有显著不同。 科学探究遵循科学研究的范式，讲究证据、逻辑和推理，其产出是新发现或新理论。工程设计遵循工程学实践的范式，讲究设计、检验和优化，其产出是新产品或新发明。

在中、小学阶段纳入工程学教育对于学生发展具有重要价值。NAE 和NRC 在“Engineering in K-1 2 Education:Understanding the Status and Improving the Prospects”报告中指出，在K-12 阶段加入工程学教育对学生可能有5 个方面的作用：①促进科学和数学的学习和成就；②提高对工程和工程师的工作的认识；③理解并具备从事工程设计的能力；④培养以工程作为职业的兴趣；⑤提高技术素养［8］。

过去中、小学开展的研究性学习更偏向科学问题研究，例如中学开展的研究性学习、探究性学习等。 因此，当下STEM 教育可以更偏向工程学实践，以及与工程技术相联系的多学科整合性学习。本文着重介绍围绕工程设计开展STEM 教育的路径和方法。

工程设计是一种工程师运用数学和科学知识解决技术挑战和问题的方法。 基于工程设计开展学习是工程学教育的重要标志。 依据美国技术素养标准“Standards for Technological Literacy: Content for the Study of Technology”（ITEEA，2000），工程设计具有多个属性：①目的性。 设计师需要有明确和清楚的目标，因此设计可被描绘成一个有特定目的地的旅游而不是一次观光旅行；②需要依据一定的规范和约束进行设计，其中规范说明了设计的意图，约束是指设计者所必须应对的限制，例如成本、尺寸要求，或是所用材料的物理限制等；③设计的过程是系统的、迭代的，需经过不断测试和评估，最终形成一个趋近完善的设计或产品。Sadler 等人发现多次反复迭代的设计活动，能让学生不断地改善他们对知识的理解［9］。

围绕工程设计开展整合性STEM 教育应该注意以下4 个要点：①从真实的生活问题入手；②反复优化设计方案；③应用多个学科的知识和方法；④创造协作、交流、表达的机会。 围绕工程设计开展STEM 教育，学生需要从现实生活遇到的真实难题入手，然后有明确的定义需求和目标，确定存在的约束条件，利用相关科学、技术和工程设计的知识设计解决难题的方案，运用多学科的知识和研究方法分析、检测方案的可行性，选择最合适的解决方案，构建和实施设计，测试和评估设计，在必要时重复步骤反复优化设计，形成最终的设计或产品。师生最后需要展示自己的设计或产品，并进行表达、交流和反思。

4 STEM 教育的实践误区

早期，国内只有一些零散的课外培训机构推动STEM 教育，但是伴随着社会对公民科学素养要求的提升，尤其在我国正式发布了相关政策支持STEM 教育发展之后，STEM 教育逐渐引起社会各界的广泛关注。 2016年国务院发布的《全民科学素质行动计划纲要实施方案（2016—2020年）》强调指出，高中阶段要鼓励探索开展科学创新与技术实践的跨学科探究活动［10］。 同年6 月，在《教育信息化“十三五”规划》中明确提出，“有条件的地区要积极探索信息在‘众创空间’、跨学科学习（STEAM 教育）、创客教育等新的教育模式中的应用，着力提升学生的信息素养、创新意识和创新能力”［11］。

虽然STEM 教育已引起广泛的关注，但在实践层面仍存在许多问题和认识误区。 许多学校都在开展STEM 教育，但对于什么是STEM 教育，如何开展和评价STEM 教育仍存在理解偏差甚至认识误区。 例如将STEM 教育简单地看作拔高教育、精英教育，只筛选尖子生参与STEM 学习；或将STEM教育看作拼盘教育，简单地将不同专业的几个大学讲座拼在一起；或将STEM 教育等同于昂贵的机器人课程或乐高课程，这些都是对STEM 教育的误解。 有些学校还让学生学习3D 打印、机器人或搞小发明小创造，过分关注技术的酷炫，而没有将基础性学科知识融进技术之中［12］。 一些培训机构将STEM 教育看作一种商业模式，只关注利用提高动手能力、 创新、 创造等标语吸引家长眼球从而盈利，偏离了STEM 教育的真正价值内涵和要求。

首先，STEM 教育不是拔高教育，它适合不同层次的所有学生。STEM 教育的本意绝不是选拔科学或工程学的精英，而是面向所有学生、提高学生综合素养的整合性教育。 其次，STEM 教育不是拼盘教育，它不是简单地将各个学科教师的某些精彩讲座拼凑在一起，或是将高校的专家讲座拼凑在一起，而是真正地基于真实问题或项目的整合性学习。 学生是基于问题解决或项目需求而进行学习，具有自主性、学习内容和顺序具有个性化、多样性的特点。 最后，STEM 教育不是贵族教育，它不是只有物质条件好的学校才能进行的教育，并不等同于乐高或机器人课程。 虽然乐高、机器人等载体确实可开展一些STEM 教育活动，但很多STEM 教育是可以借助非常廉价的教学资源就能开展的，例如为南非贫困地区设计一款环保的、高效率的太阳能灶，在这样的活动中昂贵的设备并不是STEM 教育的必需品。 此外，为了给不同学习条件下的STEM 学习者提供更多的帮助和支持，对于昂贵的教学设备和资源，学校和相关企业可借助互联网平台、通过交换共享的思路进行解决。

综上所述，STEM 教育对于现在的中、 小学教育体系具有独特的价值，其价值在于发展学生的工程学素养，以及学科交叉、综合素养，其实践的基本路径包括科学探究和工程设计。 必须认清和合理定位STEM 教育在中国的独特价值，选择可行的实践路径，走出认识误区，才能使STEM 教育真正在中国开花结果。