从STEM整体教学观的角度谈中小学技术教育

秦建军

本文试图从整体教学观的角度分析和回答如下几个问题：一是针对中小学技术教育所面临的问题，提出STEM教育模式作为一种整体的教学观，可以更加全面地培养学生的能力；二是STEM教育强调整体的、多学科交叉的系统教学观，而不是四个方面的简单相加；三是指出为什么要实施STEM教育，从《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》、产业界对人才的需求以及人才培养的规律等角度阐述实施STEM教育的理由；四是如何实施STEM教育，提出了国家引导、大学支持和行业协作三种基本模式，并且结合学生科技竞赛和工作营等提出了若干可以辅助STEM教育的活动模式，最后给出了实施STEM教育的若干建议。

中小学技术教育所面临问题

我国的基础教育体系中，基本科学素养在中小学中得到一定的普及，而技术和工程并没有得到足够的重视，信息技术和通用技术教育进入中小学课堂只是近十年的事情，且愿意投入这项事业的教师非常少，工程教育的开展更是少之又少。根据2001年度的国际权威数据统计，54%的国际航空航天科技从业人员年龄在45岁以上，33%的人员已经达到退休年龄。因此，在中小学阶段开展相关技术和工程教育的启蒙已迫在眉睫，但中小学实际的技术教学面临着如下问题。

1.教学时间和教学内容的矛盾

技术教育内容涉及的广度大，如果讲授内容过少，仅仅让学生了解基本知识，则会最终流于形式而效果不佳；如果讲授内容过多，教学时间不允许，无法达到教育的效果。

2.对任课教师的要求更高

技术是不断发展的，尽管各学校按照课程开设要求引进了非师范院校的理工科专业的研究生或本科生并将其充实到教师队伍中，但由于技术设计具有通用性强、适用面广、可迁移性大、实施条件灵活等特点，其对技术教师的能力要求远超过其他学科，原因包括：一是课程、教材体系尚处于试用和探索期，远没有其他学科的内容成熟，加上学生的基础差别很大，需要教师根据学生情况灵活调整；二是技术课程是面向应用类的，因此需要经常充实新的内容，而大部分内容需要技术课程的教师通过自学或者继续教育完成。

3.对打破学科界限和内容限制的要求已十分迫切

长期以来，每个教师仅局限于自己所任教的课程，不注重与其他教师在教学内容上的合作。这种教学方式对于技术教育是非常不利的，但是改变的条件又不具备。

正是由于以上原因，必须从整体教学观的角度来重新审视我国的技术和工程教育模式，而不是仅仅在内容和模块方面做局部调整。近年来，STEM教育模式在美国的基础教育中被广为接受，同样它为我国实施中小学技术和工程教育提供了很好的示范。

什么是STEM教育

STEM教育源于美国，是科学、技术、工程与数学英文首字母的组合，但并不是四个方面内容的简单相加。在美国，STEM教育通常被看成是一个多学科教育的新范式，和以往分学科教学不同的是，它更强调交叉与融合，学科体系建立在集成其他学科知识并成为一个新的整体知识的基础上。它提供给学生的是接触整体世界的最佳结合点，而不同于以往的零碎片段式的教育方式。因此，从这个角度来看，它们分别代表了四类不同的学科，如数学代表的是有确定性结果而方法不同的学科群（如物理、化学等）。

中小学生的基本能力包括科学思维、获取知识、创新意识、逻辑推理、动手实践等，要理解STEM教育，首先需要了解各个学科教育在学生能力的培养过程中所起到的作用。各个学科教育按照过程和结果的可知程度可用图1所示的坐标轴来表示。STEM分别代表了四个不同的象限，如大家所熟知的数学是有效训练学生思考能力的学科，因为不同的学生可以灵活应用自己所掌握的方法去得到确定的结果。科学与数学相比则增加了不确定性，目的是激发学生对某一未知领域的兴趣以及科学探索的过程，而结果则可能会因为方法的不同或者条件的不同而出现差异。但是科学和数学的共同点都是其过程是未知的，对学生的要求较高，即学生之间会出现较大的差异。因此，在对中西方基础教育进行比较时可以发现，同等学生层次中，西方的基础教育对数学、物理等学习能力的要求低于我国，而他们更加强调的是科学推理能力的培养 。

图1还可以做如下区分，左半部分的科学和数学代表了学生学习和获取知识的能力，而右半部分的工程和技术则代表了应用知识的能力。从教育改革的进程来看，现阶段我国教育的主要目的是取得“减轻学生负担”和“促进学生全面发展”之间的平衡，因此提高学生的创新思维和动手实践能力就被提上了日程。近些年，信息技术和通用技术能力的培养得到了高度重视，教育部在《中小学信息技术课程指导纲要（试行）》中提出了以应用技能为主的教育形式，并在《普通高中技术课程标准（实验）》（以下简称“标准”）中明确指出，高中的技术课程是高度综合、立足实践、注重创造且科学和人文融合的课程。从图1中可以看到，与数学、物理学科相比，技术有更加固定和成熟的方法，且它是面向实际的应用类学科，因此不同的学生只要通过适当的训练即可达到一定的能力要求。从标准的要求也可以清楚地看到这一点，如两个必修模块都是和过程相关的，“技术与设计1”是为了让学生了解体现当代技术思想和方法的科技成果和先进文化，“技术与设计2”则是让学生理解技术实现所经历的一般技术设计过程，而选修模块则从结果导向的角度让学生通过成熟的方法得到可预期的结果。

从STEM系统培养学生能力的角度来看，工程方面的内容在基础教育中并未得到足够重视，甚至有时会将它和技术相混淆。工程强调的是利用已知的过程和知识解决未知的问题，但是结果则可能是不确定的。美国正式使用的第二架航天飞机——“挑战者”号在1986年1月28日执行第10次太空任务时，因为右侧固态火箭推进器上面的一个O型环失效，导致一连串的连锁反应，并且在升空73秒后，爆炸解体坠毁。当时机上的7名航天员全部在此次意外中丧生。这是工程的一个很典型的例子。工程可以简单定义为在特定的约束条件下，寻求满足客户需求的设计方案，而这些约束条件是自然定律，因此，工程设计要解决三个方面的问题：一是符合人的需求或者愿望；二是能够解决特定的问题；三是在恰当的约束条件下满足前两项要求，如成本、时间、技术的可实现性、环境保护和政策等。

为什么要推行STEM教育模式

1.是国家教育改革和教育发展的需要

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》在战略主题中明确指出：“坚持能力为重。优化知识结构，丰富社会实践，强化能力培养。着力提高学生的学习能力、实践能力、创新能力。”对学生的培养已经从应试能力向立足于学生全面发展的综合素质培养转变，这就要求教育培养方案必须能够与学生的综合能力和素质提升相匹配，STEM教育无疑是好的实现形式之一。

尽管世界普遍公认日本的教育系统是一个典范，但他们还是在20世纪80年代和90年代对教育进行了若干改革，并实施了《21世纪教育新生计划》，简称“彩虹计划”。该计划中一个重要的内容是推行了类似STEM的做法，打破各教师和各学科之间的界限，强制让教师之间合作并推行整体的教学观。虽然其中的一些做法在当时遭到了很多教师反对，但正是得益于其前瞻性，现在其教育成效开始显现，并使得日本的教育系统始终保持领先的地位。

2.是培养未来工程领军人才的迫切需要

中国工程院2010年发布的《人才创造未来 创新引领世界——关于工程科技人才的调查报告》指出：2007-2008年度《全球竞争力报告》（世界经济论坛）在“科学家和工程师的可获得性”排名中，中国位于125个国家的第77位。工程性与创新性的缺位，使得我国的高等工程教育难以满足国家发展对创新型工程科技人才的迫切需要。工程科技领域的领军人物以及具有创造力的工程师的稀缺，是制约我国实现工程科技创新以及今后全面领先于世界工程科技的最关键因素。

我国学生工程教育启蒙少且晚是难以培养领军人才的重要因素。一些人认为，工程和技术教育的开展可以从大学或者高职教育开始，而不是中小学教育应该做的。在我国中小学中普遍开展的课程，按照学科分大约有十多门，而教育部颁布的《普通高等学校本科专业目录（2012年）》中，共有92个专业类、506个专业。大部分学生在填报高考志愿时，对所填报的专业缺乏基本的了解，为数不少的学生刚上大学即对专业失去兴趣。而史蒂夫·乔布斯和比尔·盖茨在小学阶段就已经受到行业顶级工程师的熏陶，完成了成为工程师的基础启蒙，中学阶段则已经有商业化的产品推出。

STEM教育开展形式的若干建议

通过以上分析可以发现，STEM代表的是学生综合能力发展的四个方面，它们是相互补充的关系，因此STEM教育的开展形式不应该孤立为各个不同的模块，而应设计一种整体的教学情境，让这四个方面的能力在教学和学习实践中得到综合提高。下面，结合国内外的一些教学或实践活动，介绍若干新的STEM教育形式。

1.风靡全球的FIRST机器人竞赛

FIRST全名为For Inspiration and Recognition of Science and Technology（崇尚发扬科学技术）。FIRST认为，要在现实世界中取得成功，学生们不应只坐在教室里回答问题。在当今全球竞争的环境下，学生们必须能将学术概念应用到现实世界中，学会战略性思考，为开放性问题设计解决方案，具有团队精神，能够与不同文化背景的人沟通互动及表达自己的想法。FIRST为不同年龄段的学生设计了FLL、FTC、FRC等四种比赛项目，成功地将这些内容结合到类似体育竞赛的挑战中，使学生在学习课堂知识与科学项目之余，能够锻炼在21世纪的人际交往、技术、商业和创作能力。

以FTC比赛为例，每年吸引了全球近30万学生、10万名志愿者及超过3500家企业参与。与大多数的竞赛一对一对抗竞技不同的是，该比赛采用的是两两配合对赛的形式，即不同的队伍之间既是竞争对手，又是合作伙伴。队伍之间的合作也是影响小组得分的重要因素，每场比赛之前，同盟队伍的主要队员都需要紧张协商比赛策略。2011年，该项赛事由美国PTC公司引入中国并在上海举办试点赛，2012年正式在中国举办该项赛事，并在北京建筑工程学院和上海同济大学分别举行。北京赛区共有10支队伍参赛（如图2），100多所国际著名大学为参赛学生提供了奖学金申请机会。从2013年开始，该项赛事被北京市教育委员会列为北京市大学生机器人智能大赛的正式比赛项目，北京地区参赛队伍达到了50支。

2.开放问题的真实世界设计挑战赛（RWDC）

真实世界设计挑战赛（RWDC）是一项全美设计赛事，得到了超过70家著名国际企业的支持，涉及参赛高中生逾7800名。该竞赛由公私机构共同合作支持，旨在激发学生对科学、技术、工程和数学（STEM）等领域及职业的兴趣。和一般的课程竞赛不同的是，真实世界挑战赛采取的方法是真题假做，问题都来自于行业或者企业，要求学生所应用的知识不是某一门或者固定几个所学学科的，而是多学科、多跨度的不同知识的综合应用。如参加2012-2013年真实世界设计航空挑战赛的学生需要设计无人驾驶飞机系统，以定位走失儿童。再如，要求参赛学生提交一份商业计划书，以满足50个营救行动的财务支出；参加地上运输挑战赛的学生需要设计显著提升燃料功率的下一代卡车，以保护国家燃料和能源存储。

之所以有很多国际著名企业对该项赛事感兴趣，是因为它们想通过这种挑战赛激发学生对工程的兴趣，并为即将退休的优秀工程师物色潜在的“接班人”。真实世界设计挑战赛中提到了五个真实。

真实的问题：以学习课程为基础提出一套实际的应用方案。

真实的工具：激励学生通过随手可得的工具展示他们的方案。

真实的角色：需要学生具有小组合作、领导力以及解决问题的技能。

真实的设计：培养学生的创造力、批判思维和创新能力。

真实的贡献：鼓励学生提出不同的方案。

3.跨学科工作营模式

跨学科工作营是针对某一真实问题，由若干学生组成跨学科小组，在限定的时间内完成相应的任务，且没有固定的答案。2011年7月12日～18日，北京建筑工程学院联合美国AECOM、美国PTC、丹麦威卢克斯等著名企业举办了2011年可持续城市论坛暨北京建筑工程学院可持续性设计工作营活动。在为期一周的时间内每组十多名学生要通过合作的方式完成北京市丰台区西铁营村的城市规划设计、绿色建筑设计、产业规划等任务。这是一个真实的问题，需要学生综合运用经济、历史、文化、交通、给排水、建筑、设计等多领域和多学科的知识来解决当地的发展问题。北京景山学校的十多名学生组成了一个特别小组参赛，尽管这些学生此前从未接触过相关知识，但是在指导教师的简单辅导下，还是提出了他们的规划设计方案和单体建筑的设计方案（如图3），并且体现出若干新的解决思路，如岳文硕同学针对当地地势低洼容易积水的问题提出了新的蓄水系统方案。

图3 北京景山学校的学生做方案展示

值得关注的是，一些国际高校已经将跨学科工作营模式作为选拔人才的一种新模式。富兰克林欧林学院以其年轻、小规模、基于项目合作的课程，以及由F.W. Olin基金会资助的大额捐赠而著称。该学校仅有学生三百余人，每年授予入学新生相当于学费免半的欧林奖学金，2007年被美国《新闻周刊》评为美国25所新常春藤学校之一。该校选拔学生的模式就是采取了十多人组成的跨学科小组的方式。

实施STEM教育的若干建议

1.教育部门联合相关研究机构引导的重要性

开展STEM教育并不是某一所或者几所中小学所能完成的，首先需要教育管理部门制定相应的实施细则，引导更多的政府研究机构加入进来，推动STEM教育的开展。在美国，K-12阶段开展STEM教育得到了极大的支持。美国政府投入了超过43亿美元用于支持该项目，包括提高STEM教学和学习的积极性等。美国工程院K-12工程教育标准化委员会2010年发布了K-12的工程教育标准。美国工程院在推动美国STEM教育的过程中也发挥了重要的角色和作用，如它通过两个网站搭建了中小学与高校以及企业之间的桥梁。一是工程之路（Engineering Pathway）网站，网站上包括各个工程专业的普及介绍，各种工程常识以及经验等（如图4），所有的资源都是开放的。二是创建了专门针对女性工程师的网站——Engineering Girl（如图5），其中不但有专门为女性准备的关于各个工程领域的科普性介绍，更有各大公司和行业的优秀女性工程师代表等。

2.需要社会企业的大力支持

美国的STEM教育还得到了社会力量的全力支持，如前面提到的几个竞赛都得到了著名公司和基金会的赞助。PTC公司是世界著名的工程设计和计算软件提供商，该公司支持和赞助了包括FIRST机器人和RWDC真实世界设计挑战赛在内的诸多面向中小学生STEM教育的赛事。著名的飞机制造企业波音公司支持的竞赛包括FIRST机器人竞赛、Space Camp太空训练营、Great Minds in STEM创意竞赛等六个赛事。在波音公司的支持下，2012年参加北京地区FTC赛事的学校均得以免费参赛，2013年，北京地区的FTC科技挑战赛更是得到了波音公司15万美金的支持。

国际著名公司均有面向中小学STEM教育的专门网站，并编制了相关教程，供师生免费下载。图6是NASA（美国国家航空航天局）编制的部分面向STEM教育的教程。微软、波音等著名公司还联合成立了STEM教育联盟（如图7）。

另外，中小学还可以聘请经验丰富的工程师担任技术和工程课程的兼职教师，《北京市教育委员会关于普通高中通用技术课程的实施意见》中也明确提出，希望通用技术课程的教师采用专兼职相结合的形式。

3.发挥高校的主体和推动作用

高校在技术和工程教育的推动上具有得天独厚的优势，一方面高校为培养行业人才服务，另一方面高校更擅长教育，许多著名大学都在推动STEM教育中发挥了重要作用。图8、图9分别为明尼苏达大学和MIT（麻省理工学院）的STEM中心网站。由于棒球在美国是一项热门体育运动，MIT更是面向热爱棒球运动的学生开展了棒球STEM夏令营。

在波士顿市长Thomas M. Menino的推动下，由波士顿学院、波士顿大学、哈佛大学、美国东北大学四所著名大学于2006年春季联合成立了波士顿公共学校（BPS），启动了“Step UP”计划，向该市10所学校提供专家和智力资源支撑等。另外，哈佛大学还专门设立K-12和社区计划（Engaging all ages in science and engineering）部门，主要任务是面向教师开设6～8周的教师研究经历计划（RET program）和倡导学生参与哈佛大学科学和工程事务中的计划。

（作者单位：北京建筑工程学院）