STEM教育应用模式分析

周晨露，王海燕

（宁波大学 教师教育学院，浙江 宁波 315000）

一、STEM教育研究现状

在当前我国从制造大国向智造强国转型升级、国家大力鼓励创新创业的时代背景下，培养创新复合型人才显得尤为重要。因此，STEM教育对我国的基础教育改革有着重要意义。[1]

STEM教育要在学校落地生根，不但需要广大教师能够深入理解STEM教育的理念与本质，更需要教师掌握其教育模式。通过学习、借鉴成功的STEM教育模式和案例，在实践中逐步探索适合我国国情的STEM教育模式，从而为创新复合型人才的培养提供选择路径。2017年出台的《中国STEM教育白皮书》也明确强调了推广STEM教育成功模式的意义。[2]

我国对STEM教育的研究主要围绕课程整合方面，根据跨学科整合课程的取向可分为“STEM+”与“STEM-”。“STEM+”取向有随着创客教育的兴起而出现的“STEM＋创客教育”模式[3]；“STEM-”取向有根据我国基础科学教育发展的实际需要，提出的“科-工整合”模式[4]。根据跨学科整合的方式进行划分,有 “以建构大概念为核心的跨学科概念体系模式”“以主题或课题形式来实现跨学科实践的模式”“通过表现期望的形式来实现横向整合的模式”“通过核心概念和表现期望相结合的模式”和“通过学科核心概念和内容要求相结合的模式”五种模式。[5]对STEM教育模式微观层面大体可分为STEM教学设计和STEM教学模式两个方面，其中以STEM教学设计的研究为主，对于一线教师而言，其操作性不够强，不易上手；对STEM教学模式的探究不多，亟待进一步丰富对STEM教学模式的研究。

STEM教育自1986年在美国诞生至今，经30多年的发展历程逐渐完善，对推动国家创新作出了重要贡献。[6][7]按教学对象划分，最初STEM教育是针对K-12学生的，如Marle等人为提高普通学生对STEM的兴趣，设计了为期4天的基于情景的科学调查STEM夏令营，使学生对STEM产生浓厚兴趣。[8]但随着研究的深入，研究者关注到了以女性、少数民族、低收入人群等为主的STEM代表性不足学生，他们对STEM兴趣弱、在STEM领域比例低。为促进性别、种族的平等，美国学者探索了多种针对STEM代表性不足学生的教学模式。如Gomoll等人为提高女孩对STEM的兴趣，使用基于问题的教学模式为4名女孩提供了课后机器人俱乐部活动。研究结果表明，女孩们对STEM产生兴趣并最终选择STEM相关专业[9]；Bass等为培养低收入家庭青少年的STEM职业理想，采用基于项目的教学模式，通过游戏设计活动，有效促进STEM代表性不足的青少年从STEM使用者转换为STEM生产者。[10]

STEM教学模式按教学目标可划分为兴趣提高型、考试提分型、技能培养型、职业体验型等，如Eichler等人为提高学生的STEM成绩与学习积极性，采用STEM翻转课堂教学模式进行研究，结果表明这一模式能提高学习主动性，显著提高课程平均分；[11]Bairaktarova等人模拟了现实工程应用项目，通过基于项目的教学模式提高了学生的专业技能。[12]

教学模式按照教学方式可分为个性化教学模式、游戏化教学模式等，如Burgin等人在高中STEM教学中，采用了STEM学徒制模式进行教学，结果表明学生在STEM领域的自我认同感得到提升，对实验室产生归属感，促使他们选择STEM相关职业；[13]Miller等人为增强学生STEM职业体验，设计了基于网络的法医科学游戏，这一游戏化教学模式对学生选择STEM相关职业产生积极影响；[14]Juskeviciene等为STEM学生提供个性化教学，使用了一对一的移动学习模式，结果显示这一模式有效提高了学生的学习成果。[15]

二、STEM教育应用模式及案例

通过对国内外STEM教育模式研究的梳理，我们发现在STEM教学模式层面，针对不同对象、不同目标、不同方式的STEM教学，都是基于问题解决展开的。因此，本文根据STEM问题的难易程度以及解决的路径不同，总结归纳出美国STEM教育应用的两类教学模式，即问题解决框架提供模式和问题解决框架自主生成模式。

1.问题解决框架提供模式及案例

（1）问题解决框架提供模式

解决STEM复杂问题要求学习者将复杂问题分解成小问题再加以解决，有研究证明解决小问题更有利于学习者知识与技能的迁移。[16]但这种能力是要逐步培养的，当学习者解决复杂问题有困难时，由教师提供一个解决问题的框架。学习者在理解框架的基础上，将复杂问题分解成若干小问题尝试解决。最后验证复杂问题是否解决，如果问题没有解决，学习者需要思考和判断原因，然后针对不同的原因返回相应模块，重复前面的过程，直至问题解决。这个过程伴随着学习者对STEM学科知识与技能的学习，为问题的解决提供了基础保证（见图1）。

图1 问题解决框架提供模式

（2）问题解决框架提供式应用案例——巧克力工厂

美国科罗拉多大学与企业合作，以巧克力工厂案件为主题，为初二到高三的学生提供了为期4天的STEM夏令营。通过综合运用跨学科知识解决实际问题，培养学生的创新力、思维逻辑等能力。[10]该案例具体教学过程如下：

①问题提出：围绕两家巧克力工厂间的商业纠纷（相互指控对方盗窃巧克力配方、伪造包装和入侵网站，从而损害竞争对手声誉），将学习者分成原告雇佣的调查小组（控方）、被告雇佣的调查小组（辩方）和公正的调查小组 （任务是确认其他团队收集的证据是可信的）对巧克力工厂案件进行调查，要解决的问题是：如何收集科学可信的证据并形成调查报告，为当事人进行辩护？

②提供问题解决框架：为便于学生更好地解决这一复杂问题，组织方将问题分解，为学生提供了相关问题解决框架：围绕本案件，可以从犯罪现场和嫌疑人、巧克力样本及包装纸、网络黑客三个方面入手，为当事人辩护寻找有利证据。

③学生理解问题解决框架：学生通过组织方提供的资料学习证据种类、收集方法与分析原理等，深入理解教师提供的问题解决框架。

④按框架尝试解决问题：第一天，学生学习罗卡定律并参观巧克力工厂，仔细观察案发现场，查看账本记录，收集指纹、脚印等现场可能遗留的线索。在现有的线索基础上进行合理分析和推理，通过审问6名犯罪嫌疑人，发现破绽。第二天，学生从巧克力样品中提取出可可碱和香草醛，与正品巧克力比对分析（组织方提供包括分析设备和试剂等的支持）。同时，学生在了解包装纸的产品代码和编码策略后，设计能扫描和识别不同条形码的乐高机器人，来判断哪家工厂的包装纸是假冒的。第三天，学习相关的信息安全技术，根据现有的入侵网站的痕迹，查出网络黑客的ID。最后根据三天搜集的信息，形成调查报告。

⑤评价问题解决与成果展示：第四天，3组学生在模拟法庭上提交调查报告，进行法庭辩护，通过法官最终的判决评价各组的调查结果。

案例中的STEM问题来源于生活，情境性极强，能有效调动学习者的积极性，使学习者将所学所知尽可能地运用起来，体现出STEM的实用性。其中，教师像是幕后的引导者，为学习者提供问题解决框架、设计支架。

2.问题解决框架自主生成模式及案例

（1）问题解决框架自主生成模式

当问题解决框架是由学习共同体自主生成时，就产生了问题解决框架自主生成模式（见图2）。STEM学习共同体可以由学生、教师或社会力量（企业、组织）等共同组成。在该模式中，问题解决框架是由学习共同体共同协商、自主生成的，教师在必要时提供引导，利用社会力量创设情景、提供支持。学习者按照生成的框架尝试解决问题，在不断试错中学习、完善，甚至调整解决框架，直至探索出最佳的解决方案。该模式能培养学生自主学习和创造性地解决复杂问题的能力。它与另一种模式最显著的区别在于——它发生在解决复杂问题所遇到的小问题没有被充分解释的情况下。STEM学科知识与技能灵活运用是解决问题的关键。

图2 问题解决框架自主生成模式

（2）问题解决框架自主生成式应用案例——科学奥林匹克竞赛

Sahin等组织25名学生参加为期一学期的科学奥林匹克竞赛，竞赛过程的记录和竞赛结果表明，科学奥林匹克竞赛能促进学生自主开展协作学习和探究学习。[17]该案例的教学过程如下：

①问题提出：科学奥林匹克竞赛组织方发布竞赛通知，要求学生自主组队，合作完成一款重量轻、射程远的水火箭。

②学习共同体：参与学生自由组队，确定队长并制定团队规则，过程中可寻求社会帮助。教师和外部人员（如研究生）担任指导。

③自主生成问题解决框架：团队成员各自收集相关材料，然后进行内部讨论交流。在不断的肯定-否定-肯定的论证后，最后敲定问题解决框架：从模型设计、材料选取以及发射方法三方面考虑水火箭模型的制作。

④按框架尝试解决问题：比如在模型设计上，起初选择普通水瓶作为机身，但在发射时发现普通水瓶体积大，直筒外型的瓶身不便于气流的通过。团队对机身进行重新设计，制作外观接近流线型，效果改善很多。在设计过程中，学习者不断调试、完善模型，直至制作出团队都相对满意的水火箭模型。

⑤评价问题解决：因为是参赛性质，所以各团队会在参赛规定日期内上交最终的火箭模型。由科学奥林匹克竞赛组织方根据模型的外观、性能与射程等方面综合评价各参赛小组的作品，评选奖项。

⑥成果展示：由科学奥林匹克竞赛组织方组织各团队（参赛小组）进行成果展示，方便各小组分享与交流。

该案例中的问题属于复杂的开放性问题，给了学生很多自由发挥创新的机会，引导他们将创意与跨学科知识结合运用到实践中。在学习共同体解决问题的过程中，教师也参与其中与学习者共同探究，营造一种开放的学习环境。

三、STEM教育应用模式的核心经验

1.STEM教育中学科知识的掌握与整合

STEM教育被视作提升创造力的教育，[18]其目标是学生能综合运用跨学科知识创新性地解决问题，以培养学生创新意识、高阶思维、解决问题能力等，具有极强的实用性。一线教师往往由此走入误区，要么过于关注学生创新能力、解决问题能力等的发展，忽略了STEM学科知识对达成教学目标的重要性，认为在STEM问题解决的过程中不需要“传授”知识；要么特别强调某一门学科的作用，例如过分强调STEM学科中数学的重要性，认为数学是整合STEM学科的关键，这些都会间接导致学生无法对STEM学科进行有机整合。如果学生没有底层STEM学科知识作为基础，就难以发现学科之间的内在联系，更没有可能综合运用跨学科知识创新性地解决问题。因此，STEM教师要重视每一门STEM学科的独立价值，关注STEM学科知识之间的关联，将STEM学科知识结构化地设计成问题，帮助学生系统地掌握STEM知识，建立起学科之间的桥梁，进行有机整合。[19]

2.STEM教育中教师角色的定位与转换

教师是STEM教育工作者中的核心人员，[18]对学生创新力的培养起到直接作用。为适应STEM教学的需求，STEM教师的角色定位具有多样性。在课外，STEM教师作为教学设计者，要根据学习者特征，通过问题设计有机整合不同学科，培养学生创新力、问题解决能力等；同时还作为学习者，不断学习新知识，积累STEM教学经验，提高STEM教学设计能力。在课上，STEM教师的角色更多样，并且还需要根据教学情况进行角色转换。如在问题解决框架提供式案例中，教师主要担任顾问、引导者的角色，提供的支架相较于传统教学方式有所减少，在学生遇到困难时提供一定帮助，学生的主导权增强。在问题解决框架自主生成式案例中，教师更多担任搭档和资源对接者的角色。在解决问题过程中，教师可能会以搭档的身份发表自己的想法，和学生一起学习、探究，也可能以指导教师的身份管理团队，为学生指引方向，也可能作为引荐人帮助团队寻找社会帮助，帮助学生对接资源。

3.STEM教育中信息技术的价值与定位

随着教育信息化的发展，信息技术在STEM教学过程中的情境创设、合作探究、形成性评价等方面都发挥了重要价值，而如何利用技术进行STEM教育成为众多学者关注的焦点。[20]这也导致部分教师产生STEM教育就是机器人、3D打印的错误认知，将STEM教育和新兴信息技术划上等号，认为没有信息技术参与的STEM教育就不是STEM教育。当然信息技术在STEM教育中发挥的价值不容置疑，但不是用了信息技术的就是STEM教育，没有用信息技术的就不是STEM教育。STEM教育最核心的特征是跨学科性[21]，也可以作为判断是否是STEM教育的依据之一。STEM教育中信息技术有两种定位，一是信息技术作为技术学科中的一部分，与其余几门STEM学科有机整合开展教学，是学习者要学习的、运用以解决问题的；二是信息技术还可以作为STEM教育的外部支持，是辅助STEM教学的，是学习者可以借助的力量，以更好地学习和解决问题。教师在教学过程中要客观地看待信息技术的价值与定位，对STEM教育理念与本质有更深刻的把握。