STEM教育在创造发明活动中的实践与思考

钱利群

STEM代表科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics），STEM教育就是科学、技术、工程、数学的教育。

STEM教育作为美国政府提升国家核心竞争力的重要途径，同样受到了中国教育界的瞩目，近年来在引入STEM教育理念的同时，也进行了部分STEM课程的推广，如小学阶段的船模探索、鸟笼制作等活动。中国福利会少年宫在青少年创造发明暨青少年工程创新活动中尝试融入STEM教育，在经过一年多的深入实践与思考后，总结了四点经验。

经验一：营造良好的环境是青少年创新发明活动融入STEM教育的基础

目前中国青少年创造发明活动比较注重最后的成果，以此出发，绝大部分创造发明活动的环境布置更像一个小型车间。从STEM视角来看，如此单一的环境难以满足青少年在基于项目的跨学科学习中的需求。

实践证明，符合STEM教育理念的青少年创造发明活动场所应该是一个能够放松探讨的空间，是一个印证团队设想的实验室，是一个小小设计师的乐园。其中至少需要有三大空间：讨论区、加工区、测试区。讨论区是一个进行讨论、交流学习的区域，在该区域内要有网络查询、信息公示栏等功能，学生可以根据各自项目需求进行在线学习，或者将自己研究的项目公示出来供大家探讨，更可以此来组建自己的研究团队；加工区配备一些常用工具，如台钻、小型综合机床等。另外3D打印机、各式传感器套件、物联网套件也应当成为标准配备，独特的零件能够立即建模并3D打印，一个电机的触发控制可以是光控传感器、气体传感器、声音传感器，各个设备之间能够通过蓝牙或者WiFi即时通信，这些都能够给予青少年创造发明更广阔的空间；测试区是配备标准的测量仪器、设备的空间，学生们的作品在这里经过科学的试验、测量，给进一步修改提供数据。在这样的环境配置下，能够给一个基于项目研究的团队提供自主学习、设计、制作、试验、交流、改进、运行的条件。

经验二：优良的师资是STEM教育在青少年创造发明活动中实施的有力保障

目前，国内辅导青少年创造发明活动的师资有以下几种来源，校内一般由科学、物理、劳技老师兼任，校外一般是有物理、工程、计算机等专业背景的专职老师，还有一些高校工程专业的教授作为特聘辅导教师，这些来源的指导教师都具有同一特点：专业背景单一，要适应STEM教育的跨学科教育方式都面临着巨大挑战。

将STEM教育融入创造发明活动后，基于项目的跨学科学习形式成为常态，经常会出现如下场景，在学生团队A研究“定时录音牙刷”时，有学生提出“什么是有效刷牙方法？”“录音模块如何进行编程烧录？”学生团队B研究“自发电GPS定位自行车”时，提出“GPS定位精度与模块选择的关系？”“自行车不同骑行速度与轮毂发电电流稳定的关系？”学生团队C研究“上阶梯星棘轮的研制与实验”时，3D建模软件，星棘轮支撑角度调整与节省力的测量与计算等诸如此类问题层出不穷。面对这种情况，一位教师能够精通那么多专业是不现实的，学高为师将成为过去式，教师与学生的界限需要模糊，一位优秀的STEM教师不仅能够按项目指引学生团队，而且能够与学生团队一起学习，成为团队一员，是否肯学、好学是评判STEM教师的重要标准。

经验三：着眼于实际问题的STEM教育给予青少年参与创造发明活动更强大的动力

在现有的创造发明活动中，普遍现象是学生注重知识技能的积累，在提出创新发明创意时也往往停留在书面阶段，只将创意写出来、画出来，或者只是制作了演示模型。这些问题引入STEM教育后，都是完全能够克服的。

STEM教育理念中科技理工的核心素养为“解决问题、逻辑思考、批判性思考和创造力”，这也是青少年跟上时代发展脚步的核心竞争力。真正能够走向运用阶段的发明，将极大地激励孩子投入项目研究的热情，成为他们参与活动的强大动力。如“定时录音牙刷”项目中，孩子们观察发现中学生们的牙齿普遍不白，通过调查发现是因为自小没有养成良好刷牙习惯造成的，继而开始了项目研究。他们不知道有效刷牙方法，就去请教牙科医生，不会烧录录音模块就现学现用，动手能力不够就一次次地尝试，在活动课程中时间不够就利用大量课余时间……孩子们从不知正确的刷牙方法到成为牙科小专家，从录制几个简单测试音到制成3分钟的刷牙操，从粗糙的简单组合模型到精细加工的牙刷杯组，在这样解决一个个来源于实际问题的过程中进行着跨学科的学习，提升工程技术的基本素养的目标便水到渠成。

经验四：团队合作研究是基于STEM教育的创造发明活动的重要育人手段

因此目前的青少年发明创造项目一般都是由1至3名学生组成，这让指导教师进行活动设计时，没有特别关注团队合作研究的内容。

引入STEM教育后，团队合作研究成为了硬性要求，每个项目必须要有3名以上学生参与，任何一名学生都可以利用自己的创新发明创意在公示栏中招募合作对象，团队组建后，制订研究计划时必须进行任务分工，分清每个成员的任务，共同来推进项目。看似简单的合作人数改变，培育效果十分明显，学生在团队合作的真实环境中学会与人相处，学会与人沟通，学会互相配合，明确自己在团队中的分工定位，能够在整个团队中寻找机会表现自己，这将有效地提升青少年将来的整体竞争力。

综上所述，一个典型融入STEM教育的青少年创造发明活动现场就是在一个表面上看来杂乱无章实际分工合作有条不紊的学习情境中，辅导者通过项目引领的方式，吸引学生团队聚焦在解决实际问题的项目里，通过对项目的实际解决，按项目需求学习各科知识，整体提升学生的工程技术素养。