关于STEM教育实践与发展的思考

(英属哥伦比亚大学,加拿大 温哥华)

在20世纪60年代美国兴起STS教育，到20世纪80年代发展为STEM教育。进入21世纪后，随着人们对科学和工程技术教育的重要性认识日益增强，逐步认识到科学必须与人文融合，融入“ARTS”的STEM进而发展为STEAM教育。国内STEM教育的研究方兴未艾，笔者对国内STEM教育的实践发展中存在的问题、应避免的错误以及发展方向进行了思考。

1 国内STEM教育现状简介

当前，我国STEM教育在顶层设计方面的探索主要体现在“指导意见”“教育信息化规划”等方面，具体措施如下：(1) 教育部于2015年9月发布的《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见(征求意见稿)》，鼓励探索STEAM教育、创客教育等新教育模式。(2) 2016年教育部印发《教育信息化“十三五”规划》，提出“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”。(3) 《义务教育小学科学课程标准(2017年版)》也提出“STEM是一种课程组织方式”。

学术团体的STEM教育研究和实践较为活跃，主要表现为：(1) 2017年3月北京师范大学智慧学习研究院发布《2017新媒体联盟中国高等教育技术展望：地平线项目区域报告》，其中指出：STEAM学习的兴起将是短期内我国教育技术的重要发展趋势之一。(2) 2017年6月中央教科院STEM教育研究中心发布《中国STEM教育白皮书》，其中明确提出：应将跨学科STEM(科学、技术、工程、艺术与数学)教育纳入国家创新型人才培养战略，是全社会共同参与的教育创新实践。(3) 中央教科院STEM研究中心与地方进行深度合作，省级层面主要有浙江省和江苏省，最近北京市海淀区也参与了系统创新中心的建设。

迄今为止，国家层面成立了“国家队”级别的研究机构——中央教科院STEM教育研究中心。该研究中心公布了《中国STEM教育白皮书》与《STEM教师能力等级标准》两项科研成果，并举办了两届“STEM教育发展大会”。除此之外，对STEM教育推进的整体策略、框架设计、课程方案和师资建设等尚没有官方表述。

相对而言，省级、市级和学校层面的表现较为抢眼，各省成立了相应的研究机构，很多市级研究机构与高校联手成立联盟，学校层面与企业、国外高校的合作也非常多。以研究机构的成立为例，主要有三种方式：一是以省教研室或教科院牵头成立研究中心，如江苏省STEM教育协同创新研究中心；二是以科技教育中心牵头成立研究联盟，如广州市青少年科技教育协会、香港特别行政区行政长官卓越教学奖教师协会、香港科技教育学会、澳门科技教育协会等成立的“穗港澳STEM教育联盟”；三是高校、企业和行业协会联合成立互联网平台中心，如上海STEM云中心。

2 STEM教育存在的典型问题

先引用一组来自美国华盛顿特区科技政策研究所、美国加州大学圣芭芭拉分校纳米技术应用研究中心研究员Xueying Han等发表在2018年4月《PLOS ONE》上的一篇论文的调研数据，这对国内开展STEM教育有一定的启示。该文对中国25所顶尖大学的STEM教师(即从事科学、技术、工程和数学专业的高校教师和研究人员)进行了调研，分析了国内的STEM的研究环境，得出以下结论：(1) 37%的受访者认为需要促进“短期思考力的发展和获得即时成功感”；(2) 33%的受访者认为要给予足够的研究经费；(3) 31%的受访者认为要减少管理阻滞，激活个体创造力；(4) 27%的受访者认为要建立合理的STEM评估体系。

由此看来，国内高校STEM教师的专业研究领域的典型问题可概括为两类：一是思维方式问题，主要是指个体创造力需要发展；二是管理方面问题，主要指向经费和管理、评价方式，期待更加灵活、开放和多元，减少人为干扰因素。

国内中小学及学前教育中STEM教育也表现出以下问题：(1) 低学段活跃，高学段趋冷。幼儿园比小学活跃，小学比中学活跃。(2) 科研人员热心，行政管理人员或冷或热。从文献研究来看，STEM教育的研究主阵营是科研部门，学校层面高质量论文较少，仅有少量活动报道。(3) 学生喜欢，教师无能为力。学校开设相关的课程，学生特别喜欢，但是很多教师受限于自身学科背景，导致指导无力，教师几乎没有受到系统的培训和指导。

3 STEM教育实践中应避免的问题

3.1 STEM教育过程中应防止行政强推模式

在STEM教育实践中，我们通常受到来自某些方面的干扰，常常采用“模式化”“运动化”“样板化”等方式，希望通过整体推动、典型辐射、绩效评估、颁证发奖等方式进行高效率的实施，而基层学校往往由于师资、课程开发能力、家长与社会认同等问题，可能只在表面上进行应付，实质上并没有任何进展。进而导致开场“轰轰烈烈”，过程“蜻蜓点水”，最终“怨声载道”。

3.2 STEM教育应防止“学科化”思维

有研究表明，STEM教育的核心是“问题化”“项目化”“学习化”“产品化”，也就是说，要有真实问题，要以项目驱动学习，要以产品进行表达。如果在STEM教育实践中，以某一单科进行植入，显然就异化了STEM学习的本质，比如：某学校是物理学科见长，就仅在物理学科中进行STEM的实践，这显然是将STEM教育进行“单科化”改造。

3.3 STEM教育的师资与课程设计应防止“两张皮”

实践表明，师资和课程需要统整设计，既不是先有课程，再有师资；更不是先有师资，再设计课程。实践证明，只有将师资与课程进行整体设计，师资的“迭代升级”与“课程迭代升级”同步进行，这样的STEM教育才有生命力。如锡山高级中学依托江南大学的设计专业和澳大利亚新南威尔士州的“设计课程”，进行STEM教育实践，就是很好的范例。

3.4 STEM教育实践场域要防止“实验室换装化”

在STEM教育实践初期，很多学校都采用将物理、化学等自然学科实验室进行换装，增加一些3D打印、体感技术、VR或AR等设备，这在初期开设一些课程有一定价值和意义。但是，当STEM教育实践向纵深发展时，专业的“校内STEM创新实验室”“校外STEM实验室”“学院与公司合作STEM实验室”必须有序和错位发展。

4 应重视STEM创新实验室的建设

借鉴国外经验，笔者认为国内STEM教育的发展，应重视STEM创新实验室的建设，发展思路为：整合型创新实验室、RAL(远程访问)型实验室和公益开放型实验室。

4.1 整合型创新实验室

图1 Nspire图形计算器

这类实验室建设大多基于“实验仪器—传感器—图形计算器”的发展模式，为学生搭建有效实验平台。这种线上交互的多媒体平台使得学生能够即时有效地模拟实验过程，通过传感器(pH、温度、压力……)，实现实时查看数据结果和实验反馈，传感器的数据输出端口连接图形计算器(如图1)，计算器通过线性回归等统计方法分析实验结果，得出结论。最后，科学应用实验结论，通过图形计算器，模拟真实环境下的情况。

与传统实验室相比，省去了学生手工填写实验数据、绘制图像等过程，以图形计算器代替人工处理样本数据，可促进实验数据输出与分析的效率，提高学生的理论知识与远程数据处理工具相结合的应用能力，有效融合并提高数学、科学和工程的学科核心素养，培养学生应用理论知识解决实际生活问题的能力。

如学生在探究“滑轮半径和所吊物品移动速度”关系的实验中，运用小车、电动机、滑轮、绳子和刻度尺来构建基础实验装置，速度传感器和Nspire图形计算器相连，构建数据输出和分析平台，学生探究不同滑轮半径下小车的速度，得出相应的线性关系图像，通过该图像分析滑轮半径与小车速度的实际关系。借助这一关系，学生能够解决在实际生活中运用吊车运送物品的速度，并可以尝试构建实现机械效率最大化的相关实验模型。

4.2 远程访问(RAL)型实验室

如图2所示，远程访问型实验室(RAL)允许对先进的科学实验装置进行异地控制，这种学习活动虽然多数在大学中使用，也可以给中小学生提供额外的学习机会。

图2 远程访问(RAL)型实验室工作架构

目前的RAL技术仅向本科工程教育和企业经营单位提供服务，合作的机会和实验设计得不到很好的支持。未来，RAL技术如果能激活高校和企业的兴趣，并允许其获得合理的商业回报，可开发出适合中小学的产品，为中小学开展STEM教育提供有力支撑。

4.3 公益开放型实验室

美国具有代表性的公益开放型实验室有波士顿艺术学院STEAM实验室、曼哈顿儿童博物馆STEAM实验室等，研究发现：美国STEAM实验室已成为学生创新学习的实践空间、教师提升教学技能的工作站、家庭融入学生学习的互动场所，成为社会公众提升鉴赏能力的助推器。

由此看来，国内建立公益型开放实验室，可以关注以下几个方面：(1) 面向现实需求寻求社会支持；(2) 加大资源设备的建设，完善人员配置，培养具备综合素养的实验室志愿者服务团队；(3) 依据学生年级和年龄层次，设计并不断更新场馆内的STEM项目；(4) 发挥实验室作用，构建学习共同体，实验室教师不只局限于学校教师，还可聘请科学家、工程师或艺术家，通过夏令营、选修课、博物馆体验等活动形式，为学生演示真实产品创作和工程创造的过程。