幼儿园科学教育融入STEM教育的核心价值与实施路径

杨晓萍，杨柳玉，杨 雄

在世界多极化和经济全球化背景下，科技创新成为驱动经济发展的重要动力。STEM诞生于20世纪80年代的美国，《本科的科学、数学和工程教育》报告被认为是STEM学科集成战略的里程碑，它首次明确提出了“科学、数学、工程和技术教育集成”的纲领性建议。美国自实施STEM教育以来，已在国民素质、就业、国家经济实力、创新等方面有显著提升，STEM教育可谓是美国国家竞争力的助推者。［1］发展STEM教育成为世界发达国家培养科技创新人才的重大战略和未来愿景。2016年中国教育部在《教育信息化“十三五”规划》中要求：“有条件的地区要积极探索信息技术在‘众创空间’、跨学科学习（STEAM教育）、创客教育等新的教育模式中的应用。”［2］2017年6月，中国教育科学研究院正式成立STEM教育研究中心并连续发布《中国STEM教育白皮书》和《STEM教师能力等级标准（试行）》，白皮书中明确提出“STEM教育应该纳入国家创新型人才培养战略，是跨学科跨学段的连贯课程群”。作为STEM教育的起始阶段，幼儿园科学教育如何开展和融入STEM教育成为亟待解决的问题。

一、STEM教育的内涵和特征

STEM教育顾名思义就是科学（Science）、技术(Technology)、工程（Engineering）和数学（Mathematics）的跨学科整合，但其内涵并非各学科知识的简单叠加，而是学科素养彼此之间进行有效融合，组成为一个有机的整体，并以真实问题解决为任务驱动，在实践中应用知识、获得知识，培养学生的问题解决能力、复合思维和创新思维。［3］其特征主要体现在以下方面：

第一，整合是STEM教育最突出的特征。在讨论STEM教育整合特征时，其实有许多关联的术语，如“联系”，“统一”，“跨学科”等。巴斯克斯等人（Vasquez et al,2013）依据学科间关联度的增加，将整合的水平划分为四个层次、学科的（Disciplinary）、多学科的（Multidisciplinary）、交叉学科的（Interdisciplinary）、跨学科的（Transdisciplinary）。［4］伴随着整合的深入，超越原有的学科知识的简单拼接，形成持续的动态的基于学习者中心的内在联结。学生需要将跨学科的知识运用到真实的情境中，并从多样的，甚至是矛盾的观点考虑问题。［5］STEM教育将学生置于科学工程问题情境之下，在解决问题的过程中建立起科学、技术、工程和数学的内在联系，是超越学科知识的思维和理念的结合，属于深入的跨学科整合。

第二，以培养21世纪核心素养为目标。［6］（P26）与传统的幼儿园科学教育的三维目标相比，核心素养具有时代性和前瞻性，目的是培养个体具有在真实世界解决问题的知识、技能、态度和能力，其本质上是在一个不确定的复杂情境中解决复杂问题的能力，涉及逻辑思维、分析、综合、推理、演绎、归纳和假设等高阶素养（higher-order skills）。［7］(P41)核心素养是关键素养，不是全面素养。［8］幼儿园科学教育的核心素养应该是基于知识经验和技能之上的聚焦强化和升级转型。

第三，以真实问题情境和项目学习形式为课程设计的主轴。STEM教育面向生活，尤其是幼儿能够接触到的日常生活和社会生活，以真实生活情境中的问题激发兴趣，根据恰当的课程标准和能力指标，以探究式、问题式和专题式等项目形式设计课程，“使学生脱离了以教师为中心的短暂课堂教学，取而代之地强调以学生为中心的跨学科长期学习活动，融合了现实世界的问题与实践。”［9］(P77)整个过程是围绕真实问题的“真”情境和“真”探究。

第四，重视逻辑思考和创新能力等思维的培育。美国国家科学院发布的研究报告《K-12教育中的工程：理解现状和改进未来》［10］（P8）提出了工程教育的 3项原则：第一强调工程设计；第二强调整合；第三强调思维习惯，特别在美国不断提到一个“高阶思维”。如果将STEM教育的四个字母分开你会发现，幼儿在园每天或多或少都涉及科学、技术、工程和数学学习，如探索和比较水和沙子、岩石和泥土等自然材料，认识简单的器械，如齿轮和滑轮等，但都是对某一领域知识的单维度的认知学习，建构的科学定理和概念是单一的，而STEM教育呈现的真实情境是复杂的，多维度的，当把不同领域的知识应用于多维度的情境中，幼儿的思维路径就变得多元，归纳、演绎、推断、假设等思维习惯伴随问题解决的实践而建构。

二、STEM教育的核心价值

（一）共通：跨学科知识和跨学段教育

STEM教育在横向上实现学科素养的综合，四个学科领域具有天然的内在联系，工程素养解决的是基于生活实际情境的工具发明和制造，是STEM教育的主线，科学提供有关自然界的规律和原理，解决的是“是什么”和“为什么”的问题，数学提供的是科学统计知识和逻辑思维，技术提供的是方法和手段，解决的是“如何做”的问题，从分科课程到综合课程，再到跨学科整合，STEM教育把学生学习到的各学科经验与工程设计转变为一个从不同侧面探究世界间相互联系的过程，形成四个学科领域间共通的大概念（big ideas），［10］(P10)是全方位、立体化的整合（如图1）。

图1 STEM教育的跨学科整合模型

在纵向上，幼儿园阶段的STEM教育是课程统整深度和广度的初始阶段。美国发布的一系列STEM教育政策报告都是围绕K-12进行，如《K-12科学教育框架》、《K-12教育中的工程：理解现状和提升未来》、《K-12工程教育标准》等，“为了确保美国不致落后，州长、教育领导者和各级政策制定者都在呼吁全国的学校——下自幼儿园上至大学，均以STEM教育为新的重心”。［11］(P80)

（二）统一：社会需求和个性发展

STEM教育是从实用主义价值取向高度发达的工业社会背景中演变而来，其直接原因是为了应对第四次工业革命和创新型人才的紧缺，自诞生起就成为世界各国借以提高核心竞争力的国家战略，体现的是国家意志和社会发展的需求。但与以往社会发展或个人发展两级偏向的价值取向不同，STEM教育体现社会发展与幼儿个性发展的统一。

STEM教育以建造主义（Constructionism）为指导思想，力求达到实践学习（hands-on learning）和心智学习（minds-on learning）的协同发展。所谓建造主义是指在建构主义的基础上，强调学习者外在作品的制作和经验的交流分享。［12］教师一方面为幼儿个性化发展释放空间，让幼儿在有趣的真实问题情境中，探寻不同视角和思路，型塑自我的认知风格和社会交往，获得个性化的发展和自我实现的能力；另一方面，STEM教育中幼儿所获得的创新能力、合作能力、实践能力，批判性思维和交流能力都是指向未来现代化人才所要具备的核心能力，是国家科技创新人才的储备力量。STEM教育通过发展幼儿的本质力量来提升自我乃至改良社会。

（三）共生：科学世界和生活世界

德国杰出的思想家胡塞尔认为，“生活世界”是直观的、具体的、现实的和历史的，因而也是丰富的，它给人以感性的生存基础。生活世界为人成为‘人’提供了全部共同的、基本的要素。”［13］而科学世界是生活世界的理性沉淀物，是生活世界的抽象图景，带给我们智识和理性。科学是统一于生活之中的。［14］人从科学世界中获得的理性只有回溯到生活世界中才能被赋予理性的价值和意义。纯粹的科学世界无法带给幼儿生命的成长体验和动力。只有嵌入在生动、丰满和感性的生活世界中的科学世界才具备科学的魅力，才能满足幼儿理智、情感、意志等方面的需要。

传统的幼儿园科学教育虽也取材于生活世界，但在实施过程中或是因为缺乏实践或是因为知识单一而陷入偏离生活世界或科学世界的痼疾。STEM教育却将两者有效地融合，课程设计关注STEM科学素养与幼儿生活的联系，以幼儿生活世界中的问题为起点，以解决生活世界的问题为目标，以生活世界的材料为操作对象；以科学思维来看待问题，以科学知识来解决问题，以科学素养为发展目标。生活世界为科学世界提供事实基础，科学世界为生活世界赋予更深的意义，二者在幼儿的实践合作中交织共生。幼儿在STEM教育中汲取科学素养又建构自我的生活世界。

（四）相遇：幼儿内源性发展与STEM核心素养

许多人认为“真正的”科学、技术、工程和数学(STEM)学习直到孩子长大后才会出现，而在儿童早期(出生到8岁)接触STEM概念，仅仅是为以后的STEM学习打下基础。然而，有研究表明即使在生命的第一年，当婴儿看到一些不符合他们期望的东西时，他们会系统地测试物理假设。［15］著名心理学家卡米洛夫·史密斯在《超越模块性》中认为儿童的发展不仅仅停留在行为掌握，人类要超越行为的掌握，发展出不同外显水平的表征，最终达到元认知、元语言的反思，在此基础上建立理论。这是人类认知的特点，人类认知的创造性和灵活性由此而来。［16］(P8)正是在这个意义上，卡米洛夫把儿童看作小小的物理学家、小小的数学家，儿童的发展具有模块倾向性和内源驱动力。

STEM教育为幼儿的认知发展和科学素养创设条件。尽管STEM在形式上是问题导向，但贯穿于教学实施过程中的并非某一问题或模式，教师在没有预设教学路径的前提下让幼儿“遭遇”STEM课程，不是让幼儿为“做”而“做”，是在“做”的过程中，让幼儿与STEM课程偶然“相遇”，使幼儿持续探究的内驱力和学习力在实践中转化为创造力和灵活性。幼儿既是问题的解决者更是问题的发现者［16］(P89)，既是在“做中学”，更是超越“做中学”，成为真正意义上的学习者。

（五）回归：真实情境和现实问题

传统的幼儿园科学教育活动中的情境创设只是作为活动的辅助环节，面对的问题也是抽离现实生活的“假”问题。而STEM教育中，真实情景的学习是统整课程的核心概念，也是跨学科课程能引发学生参与动机的关键。［17］情境的真实性和趣味性是驱动整个项目活动的源点。现实问题被转化为一系列的学习任务，贯穿于整个活动本身，既是活动本身的线索又是幼儿直面的“真”问题，知识和经验就蕴含于问题解决的过程之中。因此，STEM教育面向现实生活可以囊括诸多问题，例如生态平衡、环境污染、宇宙探索等都可以成为教育内容，平板电脑、模板、画刷、3D打印机、AR体感设备等先进科技工具都可以成为教育素材。在真实情境中幼儿开启自己的深度学习。

三、幼儿园科学领域融入STEM教育的实施路径

以培养科学经验和探究能力为目标的幼儿园科学教育与STEM教育具有天然的相似性和紧密的联系性。幼儿园科学教育融入STEM教育将带来教育目标，学习方式，教学设计和评价模式的变革。

（一）以核心素养与真实境遇的相互交织为幼儿园科学教育生成的根本路径

历史上，我国的幼儿园科学教育曾一度被认为是与幼儿生活有关的常识教育。2012年教育部颁布的《3-6岁儿童学习与发展指南》中将科学领域划分为科学探究和数学认知，并阐明包括情感态度、科学思维、知识经验的科学领域一般性的目标，但具体要求不够明确，对探究的意义和本质把握未做严格的界定，缺少较高层次的科学概念、原理、态度、价值观等核心要素的目标。

幼儿园科学领域的目标应突出整合的核心素养，指向21世纪幼儿发展所需的能力。一方面应注重整合科学领域相关的学科素养，如美国马萨诸塞州颁布的《学前儿童学习经验指南》（Guidelines for Preschool Learning Exprinces），将儿童的STEM素养划分成六个领域，分别是探究能力、地球和空间科学、生命科学、自然科学、技术和工程、数学，每个领域都列出了儿童应该能够达成的发展指标。［18］另一方面，应通过真实问题境遇提高幼儿在复杂情境中解决问题和满足自身需求的能力。单一的、静止的、远离幼儿生活的教育活动方式难以培养有核心素养的幼儿。［19］动态的真实情境为幼儿科学核心素养的培育注入活力，“当我们学习新的技能时，我们的大脑将技能编织成绳索，用来解决问题，迎接挑战，进而获得新的技能。当孩子们有机会练习框架式提问、收集数据、解决科学问题时，他们就会建立起强大的绳索，可以在很多方面使用。”［15］因此，幼儿园科学教育在与真实情境的依赖关系中凸显幼儿的自主性，不同问题解决的时空境遇让幼儿产生自我维持和自我发展的能力，幼儿在与真实世界交互的过程中既获得陈述性知识和程序性知识，又提升社会交往和合作能力。

（二）以幼儿“我者”和教师“他者”的互助共同体为科学教育的动力

传统的幼儿园科学教育中教师扮演着设计者的角色，各环节幼儿的探究和操作都是在教师的引导下完成，幼儿作为学习者的自主性只是局部性和片段化的发挥。教师在实践操作中会无意识地遮蔽自己的儿童视角，把自己视作“知识的传递者”与“是非的裁定者”，形成“我”“你”不对等关系或是教学时空的不一致性。

在STEM教育理念下，幼儿园科学教育中教师与幼儿形成基于问题解决的合作者，通过互助合作、分享建构和对话交流促使幼儿在真实情境中获取科学认知、科学经验和科学思维。幼儿与教师是“我者”与“他者”的关系，“他者”不同于“它”，“它”是客体，“他者”是主体，但“他者”又不是与“我”同一的主体，而是与“我”有异的主体。［20］“他者的全部存在都是由其外在性（Exteriority），或者不如说，由其他异性（Alterity）所构成。”［21］(P75-76)相对于幼儿的教师“他者”首先应该建立基于儿童认知科学发展的儿童观和学习观，教师们必须克服古老的神话，即科学和数学是聪明的或疯狂的科学家穿着白色的实验外套［22］，应“赋权”给幼儿，给予幼儿真正的尊重与权利，让他们成为自己活动项目的主人［23］；其次，教师应给予幼儿更大的操作空间和自由，营造较为宽松有趣的问题解决氛围，为学习者提供一种“可信的”背景［24］，信任幼儿“我者”的问题解决能力。最后，在教师“他者”的反思性中激发幼儿“我者”的生成。让幼儿在科学教育中成为真正意义上的学习建构者，积极主动地参与科学教育的过程，并不断对自己所面临的问题和经验进行反思和探究。在幼儿“我者”生成的过程中，教师进一步实现作为教师角色的“他者”意义。

（三）以问题探究与逆向归纳的双向教学设计为教学过程的载体

传统的幼儿园科学教育的活动设计也强调探究的连续性，常采用提出假设、动手操作、记录信息、得出结论、表达与交流等［25］教学设计模式，属于论证演绎的教学思维。STEM教育通常采用逆向设计（backward design model），先设定最终所欲达成的学习表现，再依据学习表现规划评量工具，最后才进行课程教学内容的设计［26］，属于逆向归纳的教学思维，具体教学中常采用5E教学模式。该模式由美国的生物学课程研究会（Biological Sciences Curriculum Study，BSCS）在Atkin-Karlus学习环的基础上提出，包含参与（Engage）、探究（Explore）、解释（Explain）、精致（Elaborate）和评价（Evaluate）五个环节。［27］“探究”既是5E模式的中心环节，也是贯穿于整个STEM教学过程的核心思想。［28］

幼儿园科学教育活动以问题探究为正向设计，以5E模式为逆向设计可以形成以探究为核心的幼儿园科学领域5E教学模式（如图2）。该设计以科学问题情境为主轴和探究起点，进而带动科学、数学和技术形成内循环，是幼儿园科学教育的内在驱动力；其次，该模式的“科学”是基于知识共通的大概念，凸显科学核心素养之间的联结，科学探究提供思维方式，帮助幼儿在活动中观察和实验、提问、预测、探索和发现等；技术涉及识别问题、使用工具、进行创造等；问题情境在引发问题的同时贯穿课程本身，提供问题解决、使用各种材料、设计和创造的策略；数学是润滑剂，帮助幼儿计数、排序、探索形状、体积、以及尺寸等，各素养内部形成微循环。最后，内循环和微循环整合于5E模式中，形成参与——探究——解释——精致——评价的外循环，参与环节激发幼儿的兴趣和参与度；探究环节为幼儿提供机会，以建构他们自己对项目的理解，是核心环节；解释环节给予幼儿反思、解释、修改和精细化的机会；精致环节尝试解决新问题或新现象；评价环节让幼儿和教师评估学习及理解的程度。传统的幼儿园科学教育将“探究”等同于动手的学习活动［25］,而5E模式中的探究却源于问题驱动并贯穿于幼儿园科学活动的始终，不同的环节开启不同的探究节点。

图2 基于5E模式的幼儿园科学活动设计

（四）以交往合作和开放性评价的动态建构为科学教育的理想情境

教学活动是师生进行的一种生命与生命的交往、沟通活动，是一种动态发展着的教与学相统一的交互影响和交互活动的过程。［29］幼儿园科学教育离不开师幼和幼儿之间的沟通合作和语言交流。在哈贝马斯看来，“达至了解”是潜藏在人类语言里的一个“目的”（telos），而这个目的是进一步蕴涵着一个没有任何制约的“理想沟通情境”（ideal speech situation）。［30］（P59）而STEM教育所强调的开放与合作正好赋予科学教育达至“理想沟通情境”的途径。

幼儿园科学教育应强调幼儿与幼儿，幼儿与教师之间的沟通交往合作。这种交往合作超越传统科学教育中形式化和不对等的合作关系，是尊重幼儿自主性前提下面对复杂现实问题的真实交往；另一方面，为确保达到没有制约的沟通交往，幼儿园科学教育应关注结果的开放性和创新性。幼儿探索的问题往往没有现成的解决方案，亦没有唯一正确的解决方案，科学探究是幼儿与幼儿，幼儿与教师在不断试误、改进与创新中找到更好地解决问题的方法的过程。因此，开放性和创新性的评价导向能进一步促进教学过程中幼儿自主的交往合作，而“达至理解”的沟通交往理性能促进幼儿更有效地解决问题从而获得面向未来所需的核心素养，两者在动态建构的过程中创生科学教育的“理想沟通情境”。

总之，STEM教育以另一种形式回归了幼儿园科学教育的本质——探索和发现世界。当我们说孩子是“天生的科学家”时，不仅仅意味着可爱,他们真的是活跃的科学家，当下，应系统地、有意识地探索、创设适合他们发展的环境，甚至从他们出生的那天起。STEM为幼儿园科学教育提供的是一种课程设计的途径，是一种学习方法的革新，更是一种教育的理念。