OECD“催化剂项目”中的STEM教学模式及其启示

郑浩　王者鹤等

摘要：随着科技创新能力日益成为国际竞争的核心要素，以培养创新人才为主要目标的STEM教育正逐渐被世界各国视为一种国家发展战略。该文首先描述了OECD“催化剂项目”的基本情况，然后分析了该项目中STEM教学模式所依据的主要理论——“做中学”“情境学习理论”与形成性评价，并进一步归纳了“催化剂项目”所倡导的教育游戏、线上实验室、通过技术的合作、实时形成性评价和基于技能的课程模块等五种STEM教学模式的基本形式和经典案例。基于此，提出我国在STEM教育教学模式上应加大资金投入，完善STEM教育的技术支持和设施建设；整合教育课程，构建以技能为导向的STEM课程体系；加快STEM师资培养，提高STEM教师的教学能力；构建实时的、多元化的形成性教育评价体系，提升STEM教学效果；强化顶层设计，合作开发与共享STEM教育资源。

关键词：STEM教育；教学模式；教学启示

中图分类号：G434 文献标识码：A

知识经济时代，科技创新能力日益成为国际竞争的核心要素。美国前总统奥巴马认为，美国之所能够获得今天的国际领导地位，在很大程度上得益于STEM教育所培养的科技创新人才。2017年2月28日，美国总统特朗普签署了“激励下一代女性太空先锋者、创新者、研究者和探索者法案”，鼓励更多的女性和K-12的女孩学习并进入STEM领域，以继续增强美国在STEM领域中的全球领导力。STEM教育在国际竞争和国家安全中的战略地位早已不言而喻。我国在《关于“十三五”期间全面推进教育信息化的指导意见》中要求各级各类学校加快探索STEAM教育的新模式。但总体看来，目前我国的sTEM教育尚处于起步阶段，在教育理念、课程标准、教学模式等方面都存在诸多问题，特别是在已有不少学校先行试点STEM教育的背景下，分析经济合作与发展组织（Organization for Eeonomic Co-operation and Development，简称OECD）“催化剂项目”（Catalyst Initiative Program，简称CIP）中成熟有效的STEM教育理念与教学模式，可以为我国STEM教育提供一定的借鉴。

一、OECD“催化剂项目”的概况

“催化剂项目”是2010年由经济合作组织教育研究和创新中心（OECD Center for Educational Researeh and Innovation，简称CERI）与美国惠普公司可持续和社会创新中心（Hewlett Packards Sustainability and Social Innovation Center，简称SSIC）共同发起的一项关于STEM教育改革与创新的研究项目。该项目为期3年（2010年初-2012年底），主要目的是借助信息化教学技术来探索新的STEM教育教学模式，通过STEM教育、创客教育与信息技术的有机结合，最终提高学生的合作与创新能力。具体分为以下三个方面：（1）创新以技术为支撑的（Technology-Enable）STEM教学模式；（2）借助STEM培养学生的合作与创新能力；（3）实现STEM教育终身化和学生创新能力的可持续发展。

2010-2011年，CIP从申请合作机构中筛选出来自全球15个国家和地区的50所机构（包括大学、高中、企业和非政府组织）进行资助。按照研究目的，CIP提出了6大研究主题（如下页表1所示），并在自愿组合、适度竞争的原则下，依据研究主题将50个合作单位划分为6个规模均衡的研究联盟（Reach Consortia）。虽然各联盟主要是围绕各自的研究主题开展研究工作，但是各联盟间也要确保信息互通，资源共享，以保障项目整体的连贯性与系统性。2013年项目完成后，CERI与SSIC将研究项目的教学资源、官方网站和合作伙伴关系等逐渐委托并转交给美国新媒体联盟（NEW Media Consortium）进行CIP的成果推广和后续开发工作。

二、“催化剂项目”中STEM教学模式的设计理念

（一）以“做中学”理论作为教学活动开展的主要基础

STEM教育重视的是学生跨学科综合能力的培养，锻炼的是学生灵活运用知识解决实际问题的能力，强调借助项目和技能学习来培养适应社会发展的复合型人才。这和美国教育学家杜威的“做中学”理论有密切的关系，有学者甚至认为，“做中学”是STEM教育的理论基石，没有“‘做中学就没有STEM教育的成功实践”。概言之，“做中学”理论的核心思想是在传统知识教学的基础上，更加重视学生的直接经验和实践活动，强调在“活动中”学习，借助经验学习。其本质是以“新三中心”代替传统教学所推崇的“老三中心”，从而彻底改变了传统课程过度重视学生记忆能力的知识学习模式，转而强调学生的批判性思维和解决实际问题的能力。STEM中的工程活动与科学研究活动蕴含了大量难以用语言加以描述和传授的“主观知识”与“实践情境知识”，这些知识不是教师强制灌输的，而是学生通过自身积极主动的建构而获得的。这意味着STEM教学的必要条件是教师与学生的知识互动，教师的教学过程要为学生提供独立探索和动手的机会，激励学生“在做中学”，因此，學生成为了教学活动的中心，教师则转为“助学者”的角色。

（二）以“情境学习理论”作为教学环境设计的主要依据

STEM教学的另一个理论基础是情境教学理论。情境学习理论发源于哲学家哈贝马斯倡导的“情境理性”（Situated Rationality）知识观。哈氏认为，人们对知识的学习取决于其所处的周围情境，情境的变化也必然会导致所学知识的不同，先验的、抽象的、普适的理性是不存在的。情境学习理论重新定义了知识学习：（1）“知识具有情境性”。人类的知识只能从情境中获取；（2）“合法的边缘参与”。情境学习强调学生一定要成为这个学习共同体的“合法”参与者，但由于学生不可能参与学习共同体的所有活动，所以需要通过讨论，观察等方式进行“边缘参与”。（3）实践共同体的建构。强调学习共同体与实践共同体的建设，以学习共同体为单位进行“做中学”。STEM教育主要依托科学实验、工程和技术项目来形成学生的STEM素养，使学生“能够像科学家一样思考问题”。特别是在大科学和大工程时代，依托大型科研团队合作来完成系统性的科学研究已成常态，合作创新已成为一种最基本的工作要求和思维模式。因此，情境教育理论框架下的STEM教育提倡学习成果能与真实的工作环境相结合，使学生能灵活应用所学得的知识与技能。

（三）以形成性评价作为保障教学效果的重要抓手

与传统评价只重视学生的笔试结果不同，形成性评价的目标和内容更加广泛，涉及学生知识、技能及态度的发展与获得。这种评价方式将教学活动与评价活动有机的结合在了一起，允许教师在动态、开放的教学环境或任务（等试）中对学生知识与技能的形成、发展进行实时的、全过程的评价。所以，从本质上讲，形成性评价与“做中学”“情境学习理论”在学生观和知识观上是相互一致的，三者都强调学生在课堂教学中的中心地位以及在真实情境中建陶知识，甚至可以说，形成性评价就是针对“做中学”“情境学习理论”为基础的教学模式而开发的一种教学评价方式。形成性评价对教师的教学和学生的学习都具有很好的促进作用：一方面，形成f生评价可以让教师更加全面地了解学生对知识、技能的掌握情况，从而更好地进行师生活动；另一方面，形成性评价可以营造一种积极向上的“成功文化”，进而增强学生的自信心，帮助学生了解自己的学习进展，提高学生的总体学习能力。因此，无论是一般意义上的STEM教学，还是CIP基于“做中学”和“情境学习理论”建构的STEM教学模式，都强调在真实的问题情境中来培养学生的知识和解决问题的能力与技能。这种多样化、开放性和多变性的教学模式必然要求教师以形成性评价作为保障教与学效果的重要抓手，掌握每个学生的学习状态和收获，并且要针对每个学生遇到的不同问题和掌握的不同情况，因材施教，适时指导。

三、“催化剂项目”中STEM教学模式的内容与案例

CIP的STEM教学模式以培养学生的STEM素养为目标，着重培养学生的创新能力、合作能力和实践能力，基于“做中学”和“情境学习理论”，依靠现代信息网络技术，开发了五种教学模式（如图1所示）。

（一）教育游戏（Edueational Gaming）模式：在真实环境中进行“做中学”

教育游戏的关键是给学习者提供一个虚拟的“问题情境”，让学生在其中去综合运用STEM知识和技能，激发学习动机，以更好地培养创造能力和创新思维。STEM教育游戏一般所采用“基于项目”（Program-Based Learning）的教学方式，通过虚拟的电子游戏、视频录像等高度互动的虚拟环境为学生提供在真实环境中进行“做中学”的机会。在STEM教育游戏中，学生们通常是被分成学习小组来进行集体学习，每一个学习小组的都是相同的学习项目来分析问题、组织材料、交流沟通、最终动手解决问题。教育游戏作为一种开放式的教学模式，其学习目标、学习材料由学生自行设计，因此，对学生的自主性、参与性和师生互动的要求较高。本文结合CIP推广的“生态虚拟环境”教育游戏加以分析。

“生态虚拟环境”（Eco-Vintual Environment，简称EVE）是英国诺维奇城市学院（City Academy Norwich）开发的一项教育游戏。EVE的教育游戏多具有代人感和挑战l生，可以很好地激发学生的学习兴趣。EVE有一个关于“环境与能源挑战”的小游戏颇具特色。该游戏假定学生在“一个能源需求日益增长的岛屿”上工作，地方政府聘请他们“根据自己所学的STEM知识，合作设计一个能源网络”来确保岛屿能源和环境的可持续发展。他们所作出“任何决策将得到来自能源、金融和环境方面提供的实时反馈（由游戏系统自动提供）”，这些反馈又影响学生的下一步决策。在EVE游戏中，学生既是学习材料的主导者与创造者，又是学习团队的一部分，而教师在游戏中则处于指导的角色。EVE巧妙地利用现代教育技术为学生营造了一个较为真实的问题情境，并且以“做中学”的方式让学生合作解决一个复杂的STEM项目问题，这就增强了STEM教学的多样性与趣味性，锻炼了学生的团队合作能力与动手解决问题的能力。

（二）线上实验室（Online Laboratories）模式：远程技术营造STEM教学“真实情景”

线上实验室是为满足STEM教学对实验设备的需求而开发一种远程的教学资源平台。由于线上实验室成本低、资源可共享、使用便捷，因此它可以很好地解决普通院校，特别是偏远地区中小学高科技教学实验设备不足的问题。CIP的线上实验室主要有两种形式：一是虚拟仿真实验室，这是一种通过电脑合成技术搭建的数字化实验室，将STEM教育所需要的实验仪器按照教学要求进行3D数字化仿真，师生可以利用电脑来操作仿真实验仪器进行实验和数据分析；另一种，是远程实验室，这是通过CIP的网络平台与项目合作大学、研究所共同搭建的远程演示实验室，该实验室可以在满足STEM实验教学要求的同时，最大限度地避免实验可能对学生身心健康造成的危害，比如，物理辐射实验、环境污染调查、危险化学品实验等。

例如，美国西北大学（Northwestern University）主导建设的@线上实验室——“放射性iLab实验室”就很好地满足了该校STEM教学需要。在放射性iLab实验室中，学生可以“远程控制盖革计数器（Geiger Counter）来测量放射性锶-90样品的辐射”快际的实验室设备位于澳大利亚昆士兰大学）。此外，学生在实验操作、数据分析等方面的技能也可以通过在线实验室的“在线期刊”功能進行训练，学生的实验结果或作业都能妥善保存，随即发送给代课教师。

总之，线上实验室的初衷是给学生提供在“真实的STEM学习情境”进行“做中学”的机会，并通过互联网延展了STEM学习的时间和空间。学生随时都可以上网，通过STEM实验设备网络平台来远程操控部分实验设备，完成指定的STEM教育任务。需要指出的是，由于网上实验室也具有实时评价和师生互动交流的功能，这就在很大程度上使网上实验室具备了“开放教育的理念”。

（三）通过技术合作（Collaboration through Technology）模式：科技搭建STEM合作平台

无论是从教学内容的角度看，还是从教学形式与手段视角去分析，合作（Collaboration）始终在STEM教育中扮演者重要的角色。STEM教育很重视技术与课堂教学的交融，利用先进的教育技术来提升课题教学的合作程度，扩展学生的视野，为学生提供进行国际合作学习的机会与平台。信息化和全球化时代的STEM教育已经超越了20世纪工业时代的局限，STEM教育不仅要培养能够解决STEM问题的科学家和工程师，更重要的是要培养学生在文化多样性的背景下进行跨文化合作与交流的能力，为学生在多元文化维度下转换和创新思维方式提供了可能。

英国考文垂大学（Coventry University）已经为该校建筑环境专业的学生开发了服务于多学科交叉的技术交流平台——“考文垂国际合作交流系统”，该平台偏重“处于开发初期的建筑施工项目”和不同机构学生的远程合作。例如，在“居民环境改善项目”中，考文垂大学的本科生担任民用房屋结构工程师，而加拿大瑞尔森大学的学生则担任建筑师职务。在团队组建初期，双方成员都要通过海报展示自己的特长，而各方团队都可以通过海报展示机会争取“对方队伍中最好的团队来补充他们的技能”。为鼓励学生合作，项目最终的评估采用“团体成绩和个人表现相结合的原则”，在具体评价方式上则采取小组自评、同行评价和专家验收等多种方式。通过实时视频联系、网络直播平台等远程教育手段，“考文垂国际合作交流系统”实现了学生跨区域、跨文化的STEM互动学习和项目的国际合作。总之，新教育技术更好地实现了教师与学生之间的教学互动，师生可以就某些STEM问题进行在线的互动交流，提高了教学的参与度和学生合作解决具体问题的能力。

（四）实时形成性评价（Real-time Formative Assessment）：师生互动中的形成性评价

如前所述，以在“真实情境”中“做中学”为特点的STEM教学很强调形成性评价。现代技术的进步对进行形成性评价最大的帮助就是允许教师对学生的STEM学习过程和学科知识的理解程度进行交互式的实时评价。CIP项目主要是通过开发免费的手机APP和电脑软件来实现教师对学生STEM学习情况的实时评价和反馈的。其中，美国科罗拉多矿业大学开发的STEM教学实时形成性评价的网络系统——InkSurvey就很好地诠释了CIP的实时形成性评价模式。

InkSurvey平台允许学生通过电脑、智能手机或其他移动终端来回答教师设定的开放性和探索性的STEM问题（不采用多项选择题的形式）；同时，学生可以利用InkSurvey系统中的“互动问答”栏目向STEM教师提出自己学习中遇到的问题并尝试给出自己认为的正确答案。教师可以立即查看学生的回答和提问，快速了解学生的学习情况，及时对学生的问题和状态给出回应和评价。科罗拉多矿业大学还专门成立了专门的InkSurvey系统维护小组，不断进行系统升级。此外，科罗拉多矿业大学还将InkSurvey系统与其他教学方法进行结合，以强化学生STEM学习成果。特别是在学生主导的项目学习中，教师先和学生在课堂上进行STEM学习项目的电脑仿真互动，课后教师则借助InkSurvey系统，给学生安排类似的模拟仿真练习，并及时对学生的课后练习给出指导和评价，效果良好。

STEM教学中的实时形成性评价，通过采取视频、语音、图片等多种形式让师生互动已经跳出了以前的纸笔形式，从而很好地鼓励了学生对STEM教育的参与，也很大程度上延伸扩展了STEM学习的时间和空间。

（五）基于技能的课程模块（Skills-Based Curriculum Alignment）：系统构建STEM课程

STEM教育提倡跨学科知识整合，通过实践活动培养学生的STEM素养，因此，需要对STEM课程进行基于技能的模块化整合设计。基于技能的STEM课程模块是将原本分散的STEM课程围绕若干主题或者项目进行重组，针对具体的STEM问题进行情境教学和实践教学，利用项目学习提升学生的知识与技能。因此，一个优秀的STEM课程模块不是知识与技能的简单叠加，而是一个包含教学目标、教材、教学和评价等要素的系统工程。例如，法国里昂中央理工大学（Ecole Centrale de Lyon）设计的“基于技能学习的STEM课程框架”，就是一个优秀的STEM校本课程模块。该框架将以前注重理论知识的教学方式转变为知识、技能与合作“三位一体”的技能型教学体系。课程框架由目标技能标准、教学实施指南、技能评价三部分组成。其中，教学实施指南又包括：（1）各项能力的含义；（2）各项能力培养与评价所要使用的实验设计、课程网址、文件等教学资源列表。由于STEM课程强调基于问题、基于项目来培养学生技能，所以该框架就要求教师要增加学生个人或团体课外实习的时间，例如，法国里昂中央理工大学要求学生每年必须参与一个团队合作的实习项目，并且每周进行该项目实践的时间不低于4小时。

面对新课程模块，法国里昂中央理工大学的教师结合知识管理理论自发组织开发了针对STEM教育的共享网络平台。借助该平台，教师们相互讨论、分享自己的教育心得体会，对学生需要培养的STEM技能发表意见，并将这些观点汇总成学校正式的教育课程模块。在里昂中央理工大学的以技能为基础的课程模块中，知识被重新定义为“满足技能需求的理论”“知识必须是因为技能的需要而教授的”“学生的知识库是技能发展中的一种产物”。例如，最成熟的一個课程模块——“设计生态跑车”的团队学习项目，该课程模块详细罗列了需要培养的19种基本技能，以及与特定技能相关的238个知识点；同时，还要求教师使用多种不同的评价和测量方式来确定学生是否真的形成了某种技能，并且详细规定了每种评价方法中涉及的基本要素。可见，基于技能的课程模块要围绕具体的STEM技能来重新组合STEM知识与技能，大胆地进行跨学科学习与实验，从教学理念、教学内容、教学方法到教学环境、教学评价等维度对整个课程进行系统变革。

四、“催化剂项目”中STEM教学模式的启示

“催化剂项目”开发的五种STEM教学方式成熟有效，CERI将其作为STEM教育的成功案例在成员国家中加以推广。然而，CIP的STEM教学模式也有很大的弊端，比如，CIP模式对教学设施、课程设置、特别是教师的水平等提出了很高的要求，在我国现阶段不具备大面积推广的条件。但是，CPI教学模式所体现出的“真实性、参与性、应用性与指导性”的STEM教育特点，以及“系统化、信息化、开放化”的STEM教育设计理念却预示着未来STEM教育发展的一种必然趋势，对我国STEM教育教学实践具有启示和借鉴意义。

（一）加大资金投入，完善STEM教育的技术支持和设施建设

STEM的教学中的科学研究、技术实践和工程项目等知识的学习都需要一定实验设备和技术装备作为支撑。STEM教学要求提供必要的技术服务和信息资源维护与更新，并且要为教师和学生使用新技术创新教学过程、开展共同学习、团队合作、学习交流互动等提供技术支持、服务和培训。主要包括：（1）改造现有教室环境设计，为学生STEM学习提供更加自由和真实的学习情境；（2）完善配套的STEM多媒体教学和实验设备，利于进行实验操作和培训；（3）加大校园信息网络建设，提高生均电脑比例，方便学生进行STEM远程和网络的自主学习，提供与国际合作学习的平台，同时也为教师对学生进行实时的形成性评价提供技术支持。从这个角度来讲，开展优质的STEM教育需要大量的资金投入。

出于办学水平和地区经济发展水平的限制，我国很多学校的STEM教学活动缺乏先进的实验设备和必要的活动场所，这是一时难以改变的客观事实，但是为STEM教学提供专门的教室或项目活动基地则是STEM教育的基本条件。尤其是在信息网络技术发达的今天，学校可以通过网络实验室、远程技术合作等手段，很大程度上克服实验设备短缺的问题。此外，STEM学校要重视利用社会组织（科技馆、博物馆等）的STEM设备。

（二）整合教育课程，构建以技能为导向的STEM课程体系

STEM课程重点在于突出知识的应用性和技能的迁移性，其中的工程和技术更是关注学生主体对技能应用的学科，但是当前我国的科学和数学课程标准缺少对技术和工程内容的关注，因此构建一种以学生为中心，以技能为导向，以跨学科融合为框架，以项目为依托的STEM课程体系，以此来打通STEM知识与社会生活之间的边界，实现“社会资源STEM课程化，STEM课程资源社会化”的良好互动，加强STEM教育教学内容与社会的联系和应用。

构建以技能为导向的STEM课程体系，关键在于能够借助课程模块的方式实现“课程—生活—社会需求”三者之间汇通：（1）STEM课程资源的建设要强调“问题情境”，重视情境的真实性。情境和问题是跨学科知识得以整合联系的桥梁，学生只有借助真实的情境问题才便于能力与知识的迁移；（2）STEM课程资源的开发不能“闭门造车”，而是要汇集具有实践经验的科学家、工程师、技术人员和一线教师的智慧，调动社会的力量合作开发。如，美国现行STEM课程和教材就有很多NASA和NSF牵头，协同VEX机器人公司、微软、谷歌等科技企业一起开发的；（3）STEM课程要考量学校的实际情况，立足当地经济和文化特点，开发具有可行性的“校本教材”，这样的STEM课程才会能让学生有成就感，意识到STEM教育与生活的密切联系，增强学习动力。

（三）加快STEM师资培养，提高STEM教师的教学能力

STEM的师资队伍建设对于STEM教育教學的开展和进步有着最直接的影响。就我国目前情况而言，一方面，由于分科教学教育模式的普遍流行，造成STEM四门课程之间的相互联系和整体的跨学科教育十分薄弱，导致我国STEM教学存在师资不足的问题；另一方面，由于STEM教学十分重视在“做中学”和“情境学习”，使得STEM的课堂教学具有了灵活性、多样化的特点，所以这就对STEM教学对教师的知识储备和教学能力提出了极高的要求。教师不仅能够教授教学计划中的内容，同时还要有能力处理“生成性知识”和突发情况，真正做到“因时施教”和“因材施教”。

具体可以从以下方面人手：（1）对STEM教师的实验和动手操作能力进行针对性的培训，强化教师对电脑、远程教育设备和网络虚拟实验室等教学设施使用的技术水平；（2）教师需要更新教育观念，系统学习情境教学、网络教学和基于项目教学等STEM专业的教学模式，提高教学能力；（3）建立健全STEM教师的职前、职中和职后的培训体系，让STEM教师在专业知识、教学技能上能够保证持续发展，适应知识更新和教育技术升级的教育“新常态”；（4）搭建STEM教师协会和经验交流平台，方便教师进行教学案例、经验和心得体会的分析与讨论。

（四）构建实时的、多元化的形成性教育评价体系，提升STEM教学效果

STEM教学是综合多学科、参与性和技能导向为一体的综合教育活动，十分重视利用以STEM学习活动模型、项目为依托的教学实践对STEM技能的培养进作用。这就使STEM教育的教学评价有了更多的实时性、多元化和形成性的特征与要求。由于以项目活动为主的STEM的教学和学习评价已经超出了传统教学中的纸笔评价，所以这就要求STEM的专业教师必须要能够借助先进的技术手段与学生进行良好互动，捕捉到学生在瞬间产生的STEM实践活动和学习行为，并对之作出及时的评价和反馈。因为STEM教育具有很强的逻辑延续性，所以一旦错过教育时机，没有及时更正学生的错误的学习方式，就极有可能导致学生难以形成正确的STEM学习基础，养成正确的STEM学习习惯。

另外，由于STEM教育十分重视和强调学习的情境真实性，这又进一步要求STEM的评价方式也必须是真实性评价，不仅注重学生学到了哪些知识，更要评价学生在解决项目问题时所表现出的协作、沟通以及创新思维的能力。上述的诸多情况都要求我们尽快构建出针对STEM教学特点的，实时的、多元化的形成性教育评价体系，以有效提升STEM的教学效果。

（五）强化顶层设计，合作开发与共享STEM教育资源

不管是从学生素养的形成还是STEM教育体系的自身来讲，STEM教育都是一个系统的教育实践活动。学生STEM素养的形成具有阶段性和连续性，高级的STEM素养和技能建立在早期STEM教育的基础之上，不能绝对割裂早期幼儿教育、基础教育、高等教育在STEM教育上的一致性和递进性。因此，要以系统思维为指导，以顶层设计为导向，做好中小学STEM教育与大学STEM教育的联系，特别强调大学、研究院等科研机构的STEM教育资源对中小STEM教育的支持与共享。一方面，打破中小学与大学之间相互孤立的教学状态，鼓励大学主动对基础教育开放实验室、共享教育资源、与中小学联合培养STEM教师，积极参与到中小学和早期教育的STEM反馈和普及教育活动中来；另一方面，吸引科研院所、高科技企业、科技馆等社会力量参加到国家STEM教育战略规划和STEM教育资源的建设与共享活动中，借鉴远程教育、网络实验室等教学形式尽可能的向学校开放实验室和学习资源。有条件的学校还可以尝试与国外机构进行STEM教育合作，共享国际先进的STEM教育资源、经验与成果，优化和完善我国的STEM教育的实施效果。