STEAM在美国科学教育中的体现及其启示

史柏良

STEAM是本世纪初首先兴起于美国的旨在提高学生技术素养、增强国家科技竞争力的综合教育实践活动。起初以科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）等相关科目的英文首字拼写命名为“STEM”，后来发展为加入艺术科（Arts）的“STEAM”。其中的“Arts”不仅指艺术，而且涵盖范围可以扩大至包含人文教育在内的更广阔的领域。以科学和数学为中心，并将其与实用性技术工程相结合，实现跨越学科的整合教育。呈现出三个基本特征：一是将科学与现实世界联系起来；二是关联学科的整合学习；三是突出科学与工程实践，在《美国新一代科学教育标准》（以下简称《新标准》）中体现得尤为明显。《新标准》于2013年4月9日正式颁布；到2013年底，美国有一半以上的州已在实施或承诺实施该课程标准。

一、《新标准》的制定背景

1.美国的战略人才观

在全球贸易自由化的背景下，美国对人才的培养提出了更高的要求，认为学生应具备丰富的知识，而不是某一项专业的学科知识和能力。例如，与人沟通、协商并达成建设性成果的能力；有效解决问题的能力；自我主动管理及发展的能力；以科技为基础的整合式思考分析和判断的思维能力。这就意味着要开展跨学科的整合教育，培养其综合实践能力与创新应用能力。

2.教学内容与时间之间的矛盾

为解决这一矛盾，《新标准》提出的解决方案是：基础教育阶段科学教育课程的学习应力求通过少数“大概念”整合各学科知识，促进学生参与实践，实现对重要原理的深入探索及概念理解的逐级发展，也就是学生所学内容是综合了各科知识，并在其中渗透了科学本质教育。STEAM教育解决了内容和课时的矛盾。

二、《新标准》的框架体系

新一代科学教育标准首次提出了三维整合的框架体系，即科学与工程学实践、科学核心概念和跨学科共同概念三者有效地整合，例如初中生物学相关内容的框架体系。维度1科学与工程学实践：（1）提出问题（科学）和界定问题（工程）；（2）开发和使用模型；（3）规划和实施调查；（4）分析和解释数据；（5）使用数学和计算思维；（6）形成解释（科学）和设计解决方案（工程）；（7）参与基于证据的讨论；（8）获取、评价和交流信息。维度2学科核心概念：（1）从分子到生命体：结构和功能；（2）生态系统：相互作用、能量和动力；（3）遗传：性状的传递和变异；（4）生物进化：统一性和多样性。维度3跨学科共同概念：（1）模式（规律）；（2）因果关系：机制与解释；（3）系统与系统模型；（4）物质与能量；（5）结构与功能；（6）尺度、比率和数量；（7）稳定与变化。

科学与工程学实践和跨学科共同概念一方面强化了跨学科学习，增强了学生对实际复杂问题的解决，更重要的是增强了学生的实践能力。科学核心概念始终统领这些学习活动的开展。

三、《新标准》的关键内容

1.科学核心概念

科学核心概念也称大概念，是指本学科内处于重要位置的概念，《新标准》筛选出12个核心概念，其中涉及生物学科的核心概念一共有四个（见维度2），可以看出每个核心概念都是需要关联学科整合研究的。

2.跨学科共同概念

例如，“能量”这一重要概念在物理、化学和生物学科中各有不同的内涵。如何全面系统地理解这些重要概念，需要各个学科之间的整合渗透，也需要各个学科反复强化并建立联系。

3.科学与工程学实践

用“科学实践”替代“科学探究”。强调从实践层面上理解科学的知识、方法和本质，更重要的是强调动手实践的重要意义。工程学实践是为解决具体的问题而进行的科学活动。

强调科学实践和工程学实践，可以把科学概念与科学探究和工程设计的实践融合起来，从而通过多年的学校教育培养学生的动手实践和创新能力。

四、对科学教育的启示

美国作为世界上最发达的科技强国，他们科学教育中的steam教育趋势势必影响到世界各国的科学教育观念，其中的一些核心理念值得我们认真学习和借鉴。

1.凸显科学核心概念

正如《科学教育的原则和大概念》序言所述：“科学教育不应该传授给孩子支离破碎、脱离生活的抽象理论和事实，而是应当慎重选择一些重要的科学观念，用恰当、生动的方法，帮助孩子们建立一个完整的对世界的理解。”要学习重要的主题，科学学习的每个阶段都要指向这些主题。

2.强调跨学科的学习

跨学科共同概念不仅可以提高学生的理解能力，更重要的是可以教会学生用多学科、多维度和系统性的观点看待核心的学习内容，从而更好地提高其科学素养。

3.强调实践能力的培养

以“科学实践”替代“科学探究”，目前可以起到纠偏的作用，尤其对于那些只讲授科学知识，不重视科学实践和实验活动的教师来说，则显得更重要和迫切。

4.适当引入工程学实践

工程学实践的学习要求比科学实践要高，涉及更高层次的动手操作及设计活动，是培养学生解决现实问题能力的重要途径，更是培养未来工程学专才的重要推手。在现有课程中引入工程学实践对于我们来说是一件新鲜事物，可以尝试在单元中少量引入工程学实践，如对实验、制作等活动进行拓展和创新设计，在保证对重要概念理解的基础上，增加一些设计和工程方面的内容。

5.搭建学习技术的平台

要解决重要的现实问题，需要关联学科的整合学习，需要各学科的专业人员参与，如教师、学生、社区成员参加协作性的活动，一同寻找问题解决的方法，与专家解决问题是所处的社会情形类似。学习技术给学生提供了脚手架，帮助学生在活动的参与过程中提高兴趣和能力。

以《设计桥梁》一课为例，我们已经可以展开这样的教学：在一个数字化教室内，教师正带着人手一机的孩子们进行桥梁承重结构的学习。教师通过数字化触控大屏介绍各类桥梁的结构，并共同确定研究的结构类型，并推送到学生机上。教师通过教学终端了解每个学生的研究进度和研究状况，课后学生还可以和家人一起打开上课时的作业，探讨具体的研究内容。翌日课上教师通过终端了解每个学生的学习困难，进行个别指导。如果不能解决，就可以通过网络和远在桥梁边的工程人员或专家进行实时沟通，掌握实时可靠信息。桥梁3D建模成功后，可以进行承重的模拟实验，并请专家进行实时指导，弄清哪一部分结构有问题。如果确有问题，就可以在3D结构图中模拟拆除。哪一部分结构需要改变和加强，也可以在3D结构图中完善。在保证桥梁结构不受影响的情况下，进行美化设计，并通过3D打印完成，各小组可以进行真实的承重测试。需要加固时，可以即时在原来的3D图中修改，并打印出来装上去。如果其他班级学生有相同的学习内容，甚至可以通过在线视屏看到彼此的比赛成绩。

可以看出这一主题学习是典型的STEAM教育。通过科学、技术、工程、数学和美术等学科共同进行的，各科从不同角度围绕设计桥梁这一主题开展教学活动，通过真实问题、创意设计、工程实践等学习过程，让学生了解桥梁设计的全过程，承重测试可以唤起学生探究的兴趣和愿望，真正令人兴奋的是随着打印技术的发展，这些设计能够变为现实和改变现实。