STEM教育在高校研究生学习力培养中的实施策略

胡燕红

摘    要：作为培养研究生学习力重要路径的STEM教育成为学界关注的焦点。STEM教育在重视每门学科的价值的同时，关注不同学科知识间的相互影响，设计适合学生的项目。文章通过在真实情境下的参与式深度学习、跨学科整合和跨学科教师合作等形式提升研究生学习力。

关键词：STEM教育；研究生学习力；特征；策略

中图分类号：G643          文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2023）05-0070-03

“STEM”是科学、技术、工程和数学首字母的缩略词[1]，进入21世纪以来，英国、美国和日本等国家都把培养STEM人才作为在全球经济竞争中取胜的关键。近年来，STEM教育被引入我国，从基础教育到研究生教育都给与了高度重视，尤其是涉及到研究生学习力的培养，但在实践中也有诸多困惑，为STEM教育的实施设置了很多障碍，因此，需要深思STEM教育的内涵、特征和教学策略，只有厘清这些问题后，才能让STEM教育在研究生学习力培养中发挥作用。

一、STEM教育的内涵

STEM 教育（STEM Education）起源于美国。2005年，弗里德曼指出美国学生在全球竞争中落后于其他国家[2]，原因是其他国家的STEM学科比较优秀，由此，出台了一系列政策来推动STEM教育的发展，作为培养高端人才的研究生教育当然也不例外，《21世纪研究生STEM教育》报告就是其中一例[3]，这些政策使其在理论探究和实践应用上都取得了突破性的成果。

拜比（Bybee）指出，定义教育术语时，总是存在争议：在定义教育学中的概念时存在一个有趣的现象，即当一个人提出一个概念时，总是存在争议，几乎很少人赞成，STEM教育也不例外。STEM教育的意义是不清晰的，有时指四个独立且平等的学科，有时指一个整体，故，对其概念进行探讨意义重大，因为它牵涉到STEM教育的理论建构和实践应用。学界对“STEM教育”的概念并未达成共识，从不同的视角分析，主要有以下几种典型定义。从学习的角度，瓦兹奎兹，斯内德和科纳（Vasquez，Sneider，&Corner）以学习方法定义STEM教育[4]。从教学的角度，拜比（Bybee）认为STEM教育可以采取各种不同的教学形式。它不一定每次都要整合四個学科，也并不总是以问题或项目为基础的，但所有的STEM 教学都有一个共性：给学生运用自己所学的知识和技能的机会。应用是STEM教育的核心[2]。从课程的角度，STEM教育通过课程整合程度的高低而展开教育，从传统的STEM教育所涉及的单科课程到有机整合STEM知识的跨学科课程[2]。从政策层面，美国加州教育部给出了一个宽泛的定义，即“STEM被用来定义单个学科，独立课程，一系列课程，涉及四领域任何活动，STEM相关课程，或相互关联或综合的学习课程[5]。从四门学科相互关系的层面，肖内西（Shaughnessy）[6]认为STEM教育指利用数学和科学的概念与程序，同时包含工程学的团队合作和设计方法论以及适当的技术。从教育功能论的角度，认为STEM教育对人创新素养的培养和社会的竞争具有重大的作用。当然，不同角度的定义都拓宽了我们对STEM教育的认识。但研究者也似乎同样发现，这些定义存在歪解现象[7]。在此基础上，本文将STEM教育定义为是在重视STEM 中每一门学科的独立价值，同时关注不同学科知识间的相互影响的基础上，设计适合研究生的主题或项目，让研究生基于具体的问题或项目，从理论和实践两方面入手，创造性完成项目，形成具体的结论或产品。

二、STEM教育的特征

传统上，最常用的是单科课程模式，每门学科都单独讲授，很少注意科目之间的相互关系。例如，研究生学习单独的科目（专业课，英语或思政课）。单独科目倾向于使用目的——手段的课程组织形式，从预先指定的目标或标准开始，最后以测试结果为单科课程评估要素。教学的目的是有效地传输预先设定的被认为是研究生必须学习的正式学科内容。教学的“成功”与否通过测试进行评估。教学主要被认为是知识的传输过程。相比之下，科学、技术、工程和数学都是按照每门学科之间的功能关系融合在一起的，支持研究生以学科整合的方式认识世界，以综合创新的形式改造世界，培养他们解决问题的创新能力[8]。因为在现实生活中，知识都是被跨学科使用的。该整合课程设计试图抓住学科之间的相互关系使学生以知识的实际运用方式进行学习。

STEM教育之所以能够在社会发展中发挥其培养创新人才的重要作用，是与其本身所具有的特征分不开的。概括起来，指向研究生学习力的STEM教育的主要有以下几方面特征。

（一）深度学习

STEM教育遵循以终为始的原则，沉浸于情境中，聚集问题解决。从学生角度，问题解决需要处在一种正念的状态，要抵达思维的最深处，遵循知识层级理论，研究生运用所学知识，对问题全方位分析、综合、评价和创造，最后使问题得以解决，使创新能力和学习能力得到提高，这就是深度学习的过程，在此过程中，研究生融入了自己的身体、智力、情感，这也是STEM教育的题中应有之义。同时，基于教师角度，为了使研究生达到深度学习，教师必须围绕关键概念和基本原理组织课程，为研究生创造一个参与的环境，然后强调把基本的概念和原理应用于实际的重要性，有五种方法可以使学生参与其中，第一，建立新旧知识之间的联系；第二，建立抽象和具体之间的联系；第三，知识的理解与应用；第四，寻找本质的关联；第五，榜样示范。在这样的环境里，研究生与他们的同辈一起讨论，跟教师相互交流，以积极态度对待学科学习，并且鼓励学生进行反馈。

（二）跨学科整合

STEM 教育通过加强科学、技术、工程和数学等学科之间的联系，打通学科壁垒，置学生于真实复杂问题解决的情境中，以沉浸式的培养提高学生跨学科解决问题的能力，不断提高综合竞争力，同时也为人类命运共同体的健康发展作出贡献。而审思STEM教育，长期以来，部分高校一直以学科教学为主，并且重点在数学、物理、化学、生物等学科上，而工程和技术较少受到关注，所以，在充分认识STEM教育作为一种理念、一种方法论的基础上，教师要潜心挖掘不同学科的本质，并廓清其在STEM教育中的价值、地位、作用和相互关系，探索学科整合的方法和路径，实现跨学科的内容整合和有效教与学。须注意的是，课程整合是分不同程度的，教师需要根据不同学科的特点，不同内容的性质，选择合适的切入点进行整合，而不是生搬硬套，为了整合而整合。美国的STEM教育实践中有很多案例可以为我们提供范例和借鉴，比如Arts & Bots项目[9]。当然，教师也应结合本国国情，构建出本土化的STEM教育体系，否则，只能有事倍功半的效果，徒然增加学校和社会的负担。

（三）跨学科合作

STEM教育的目的是利用跨学科知识顺利解决生活中复杂的问题[10]，按照传统的授课形式，教师从知识体系上来说是很难完成这一复杂任务的。因此，STEM教育追求STEM教师课程设计和课堂指导的合作化。近来，STEM教育在要求不同学科教师进行合作的趋势越来越明显。不同学科教师通过合作开展课程设计和建设，以团队形式进行课前项目设计、学习任务设计、支架的设计以及个性化学习策略设计。STEM教育的形式是多样的，时间可长可短，长的可以持续一个月以上时间（如设计一个保温箱或者进行一次实地考察），短的可以在一节课中完成（如基于STEM理念的科学课）。参与合作的教师可以采用以下方式设计STEM项目，首先，参与合作的学科教师根据课程标准、教学内容及学情，提出可供研究的一定数量的问题或任务。其次，由学生在这些问题中选择自己最感兴趣的问题，与有共同兴趣的学生组成4～6人的研究小组。再次，在规定时间和规范内，学生通过定位问题，查阅资料，调查研究，头脑风暴，合作论证，动手设计来完成产品。最后，在一个公开的场合进行展示汇报，不同小组之间可以相互切磋，扬长补短，以利于下次问题的顺利解决。

跨学科合作必然会存在诸多障碍，比如，教师所教的学科和所在的系部对其专业身份的巨大影响，不同学科教师面临的专业发展问题，不同学科在哲学和文化上的差异等。因此，首先，跨学科合作应注意，树立教师一切为了学生发展服务的信念。其次，让不同学科的教师相互沟通、合作。最后，定期邀请课程领域的专家进行指导，让教师明白课程整合的意义，也使整合后的课程符合教育规律。

三、促进研究生学习力提升的STEM教育的实施策略

STEM教育的实施策略是多样的，其中特别契合的策略之一是STEM项目学习，在学习中，研究生可以创造性地运用所学解决真实的问题，从而提高自己的学习能力。换言之，STEM教育的特征与项目学习是一致的[11]。本文从项目、教师、项目学习的支架、项目学习的评价以及项目学习的环境等方面，探讨了STEM教育促进研究生学习力提升的实施策略。

（一）设计合适项目

设计合适的项目是研究生有效学习的关键环节，因为影响项目设计的因素有很多，主要包括：第一，每个省或直辖市所处的情境是有差异的，如政策、资源、人口等，这些也应该在考虑范围之内，否则就可能在实施过程中出现难以弥补的问题。第二，项目设计一定要建立在学校的文化基础上，否则就会在学校内部出现水土不服的现象，不利于学校的特色发展。当然，除了以上的要素需要整体把握外，具体到课堂上，合适的项目还是有一些规律可循的，多项研究表明，对于研究生来说，合适的项目包括以下基本要素：明确的项目指导方针；与话题类似的高质量项目样本；明确的支持系统，通常是教师；定期监测学生进度[12]。这些项目是真实的，同时是课程的核心，关注的问题会使学生在调查中应用学科的核心概念和原理，达到高阶思维水平。

（二）提升教师素养

在项目学习中，教师是基本要素之一，是作为研究生学习的促进者，在适当的环节，给学生提供支架[13]。在STEM项目学习中，教师需要具备的素养有很多，如对项目学习理念的认同、项目设计和观察能力等，但最主要的是教师的评价素养，教师需要理解高质量的项目学习评价是怎样的，其关键要素是什么？因为项目学习的评价与传统的纸笔测验有很大的不同，如果教师不具备评价素养，项目学习基本上是无法进行的。

一般说来，教师对评价的开发最有发言权，也能够提出建设性意见，因为在项目完成的过程中，他们每天都跟学生一起，这对于促使学生能够进行深度学习，提高他们的评价素养至关重要。

（三）提供支架教學

西蒙和克莱因（Simons and Klein）的研究发现学生在有可选择的、必要的框架时比没有框架时表现得好，支架可以由教师、同伴和计算机工具提供[14]。赛伊和布什（Saye and Bush）[15] 提供了软和硬两种支架。软支架是动态的，这是一种当诊断学生的理解力时，由教师提供的一种快速指导形式。硬支架指动态支持，根据学生在工作中会遇到的苦难是可以提前预见和计划的。支架促使学生在发展高阶思维的时候，成为独立的学习者，这可以帮助他们独自面对和处理挑战。

（四）转变评价方式

评价方式决定着研究生如何完成自己的学习项目。STEM教育所采用的项目就是为了让研究生能够直面实际问题，在解决实际问题的过程中，不断通过元认知检测自己的认知过程，因此，项目学习需要由原来的基于纸笔考试的终结性评价方式转向新的评价范式——形成性评价，真实性评估作为形成性评价的一种，是可以使用的。研究生是真实性评估的主体，评估的内容是项目进行的整个过程以及最后的产品或结果，在这个过程中，研究生的感知能力、联想能力、决策能力、反应能力和执行能力都会得到提高，进而他们的学习力也会得到提高。

（五）创设学习环境

所谓“学习环境”无非就是“学习者的周遭外界”[16]。基于项目的学习要求教师和学生共同控制学习环境。成功的项目学习特别需要一定的环境设计。第一，让学生在一定情境中与先前所学知识产生链接。第二，为学生搭建脚手架让他们清楚观点之间是如何联系的。第三，在约定的文化规范的基础上，引导学生进行讨论，彼此倾听，并从榜样身上学习。首先，由教师设计情境，带出问题，研究生对所学理论会产生想尝试解决问题的冲动。其次，布置作业，让研究生不断反思自己的所思所行，也观察别人的所行，不断深入理解自己的思维。最后，借助元认知来对自己的认知进行监控，从而提高自己的学习力。

参考文献：

[1]秦瑾若，傅钢善.STEM教育：基于真实问题情景的跨学科式教育[J].中国电化教育，2017（4）.

[2]Jo Anne Vasquez.STEM：Beyond the acronym[J].Eductionleadership，2015（4）.

[3]薛栋，武加霞.美国研究生STEM教育最新核心能力——政策脉络、标准框架及培养路径[J].研究生教育究，2021（2）.

[4]Vasquez，J.，Sneider，C.， & Comer，M.STEM lesson essentials，grades 3-8：integrating science，technology，engineering，andmathematics.2013（1）.

[5]Lyn D..English.STEM education K-12：perspectivesonintegration[J].International Journal of STEM Education，2016（3）.

[6]J.Michael Shaughnessy.Mathematics in a STEM Context[J].Mathematics Teaching in the Middle School，2013（6）.

[7]陈仁，杨兆山.教育何以是一项现代化事业——基于启蒙现代性视角的阐释[J].山东师范大学学报，2017（2）.

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[9]魏晓东，于冰，于海波.美国STEAM教育的框架、特点及启示[J].华东师范大学学报，2017（4）.

[10]李雁冰.“科学、技术、工程与数学”教育运动的本质反思  与实践问题——对话加拿大英属哥伦比亚大学Nashon  教授[J].全球教育展望，2014（11）.

[11]Kevin carr.Literacy-Rich STEM Project-Based Learning  Preparing STEM Teaching Candidates for High-Needs  Schools[J].Teacher Education and Practice，2015（2）.

[12]Reynolds，Yazdani，Manzur.STEM High School Teaching  Enhancement Through Collaborative Engineering Research  on Extreme Winds[J].Journal of  STEM Education，2013（1）.

[13]Muthu Kumar，Galyna Kogut.Students'perceptions of  pro-  blem-based learning[J].Teacher Development，2006（1）.

[14]Simons，K.D.，Ertmer，P.A..Scaffolding disciplined inquiry in  problem-based learningenvironments[J].International Jou-  rnal of Learning，2006（6）.

[15]Saye J.W.，Brush T..Scaffolding critical reasoning about  history and social issues in multimedia-supported learning  environments[J].Educational Technology Research and  Development，2002（3）.

[16]鐘启泉.学习环境设计：框架与课题[J].教育研究，2015（1）.