中小学STEM教育的发展现状及启示

刘 阳 王志博 王会丽

（东北师范大学 信息科学与技术学院，吉林 长春130117）

引言

随着社会对人才需求的不断提高，培养创新型复合人才的STEM 教育受到各个国家的广泛关注，多个国家都发布了本国的STEM 教育发展规划，力求在知识经济时代取得主导权。如美国早在20 世纪90年代将科学、数学、工程和技术融合称为SMET。近年来，美国政府更是加大财政支持，发展STEM 教育，并于2015年颁布了STEM 教育法案。此外，德国、日本、韩国、澳大利亚纷纷出台系列政策。我国近年来也颁布一系列相关政策，如《教育信息化“十三五”规划》强调STEM 教育对中小学教育发展以及高素质人才培养的支撑作用[1]。由此可见，STEM 教育，尤其STEM 基础教育广受国内外关注。近年来，STEM 教育理念引入中小学，成为许多国家基础教育改革政策的主导方向，许多国家的中小学开展了机器人、3D 打印、创客等一系列的STEM 项目活动，取得了一定的成果。

一、STEM教育的源起

STEM 教育的起源可以追溯到20 世纪50年代美国教育学者提出的科学素养概念。国家综合实力的增强关键要依靠国民科学素养的全面提升，这一观点受到了众多教育者的认同。随着科学和工程的进步，人们的生活发生了巨大的变化，技术素养开始受到教育者的关注，该时期可认为是STEM 教育的萌芽阶段。1983年美国高质量教育委员会发布《国家处在危机中：教育改革势在必行》的报告，指出美国学校的教育质量正在持续下降，相关数据也显示，美国中小学的数学和技术等素养与其世界地位不符，这让美国政府对未来发展产生了忧虑，出于国家的自我保护和迎接未来的挑战，80年代，美国发起了教育改革，此次改革，主要关注综合化核心课程，重视基础教育。1986年，美国国家科学委员会发表了《本科的科学、数学和工程教育》的报告，首次明确提出“科学、数学、工程、技术教育的集成”的纲领性建议，被视为美国STEM 教育的里程碑[2]。2001年，美国国家科学基金会将科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineer）和数学（Mathematics)命名为STEM，其描述涉及一至多门STEM 学科的事件、政策、项目或实践。自美国实施STEM 教育以来，在国民素质、国家竞争力、创新等方面有显著提升，与此同时，其他国家也认识到了STEM 教育的重要性，德国、澳大利亚、日本、泰国等纷纷开展了STEM 教育的探索，加大STEM 教育的投入，特别是中小学STEM 教育的实施。STEM 教育是未来教育的发展方向，是创新型复合人才的重要培养方式，对我国传统教育的创新有着重要意义。

二、STEM教育的内涵

STEM 是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四个英文首字母的缩写，是一种将科学、技术、工程和数学等学科深度融合的教育。其中，科学指代科学素养，注重知识的运用，及物理、化学、生物等知识的认识和掌握并能对世界规律预测；技术指代技术素养，注重改造创新，要求学生能够懂得技术、操作技术、运用技术、理解技术，并能够给予一定的评价；工程指代工程素养，注重项目的设计与开发，要求学生具有工程技术的设计、开发和运用的能力，培养工程学习兴趣；数学指代数学素养，注重分析推理，学生能在学习、发现和解决数学问题时培养数学思维能力，这四种素养综合在一起，便构成了STEM 素养，即STEM 教育的目标。STEM 教育注重学科之间的关联性，学生依靠多学科协同合作解决现实生活中的问题，旨在培养学生的团结协作、问题解决和创新思维等能力。

教育者对STEM 教育的理解各有不同，主要集中在以下三种：第一种认为STEM 教育是一门后设课程，也就是说学生在学习STEM 教育的相关独立学科之外，再学习一门如何综合运用这些科目的STEM 课程；第二种认为STEM 教育是一门整合型的独立课程，由它代替STEM 教育涉及的课程，培养学生综合运用专业知识的能力[3]，布赖纳（Breiner）等的调查显示，美国科学基金（National Science Foundation）、高校研究团体、绝大部分中小学阶段的教育机构和学校等都赞同STEM 教育中最重要的理念是整合[4]；第三种认为STEM 教育是一种教学策略，通过项目学习、探究式学习等教学方式培养学生综合运用多门学科知识解决现实问题的有效手段。目前，中小学STEM 教育的课堂实施上，主要集中在第三种观点，推翻“满堂灌”的教学模式，强调以学生为主体，教师利用探究式的教学方法自上而下地传授知识，使学生自己建构知识。

三、中小学STEM教育的发展现状

（一）中小学STEM课堂与项目

1.中小学STEM课堂

中小学的STEM 教育强调课程融合，其课堂需要教师提出实际问题，学生组成协作小组进行探究学习，在探究的过程中，学生要善于技术搜集与数据分析，并能设计、测试和改进一个解决方案，最终与同伴分享交流成果[5]。中小学STEM 课程标准倾向于学科之间的融合，根据课程标准，中小学STEM 课程重视学科知识之间的内在联系，强调整合性学习，一些教育者提出打破学科之间的界限重新设计课程，取消分科教学，设计STEM 项目将相关学科的知识融入进去，就是我们上述所提到的将STEM 教育作为一个整合的独立课程。然而真正落实到学校的课堂时发现，由于人类认知的局限性，取消分科教学还是很难实现。目前，美国、澳大利亚等国家在STEM 的课程设置上仍然施行分学科教学。

美国的STEM 课程设置强调整合化，其课程体系将数学、科学和信息技术等课程设置为核心课程，并设置多种多样的选修课对核心课程进行辅助，另外，美国在K-12 阶段还广泛实施一些STEM 整合的课程[6]，例如：美国的NCSSM 学校为了培养学生的创新能力从而开发出了一系列具有挑战性的STEM 整合课程，其课程满足了学校和学生的双重需要。而我国中小学STEM 课程的实施主要由校外培训和校内课程两种形式组成，其中，校内课程采用两种教学方式，一种是一门学科穿插其他学科知识进行教学，另一种是单独开设自主编写教材的STEM 课程，例如：人大附中等学校就开发了相应的STEM 课程。

2.中小学STEM项目

项目是STEM 教育中实现课程融合的又一重要方式。中小学STEM 项目鼓励学生自己提出研究方向，自主开展项目研究，在发现问题、提出问题、讨论问题、验证问题等一系列基于项目的学习中，培养学生的STEM素养，因此，中小学STEM 项目也是各国研究的热点。例如：美国的PLTW（Project Lead The Way）与学校进行合作，为中小学提供成熟的STEM 课程，以及STEM 课程资源和STEM 实验工具等。除了在校内实施STEM 项目外，国外很多国家也实施以STEM 活动学习为主题的校外中小学STEM 项目，其类型包含夏令营项目、周末项目和放学后项目等，并成立校外STEM 中心进行支持和管理[7]。

（二）中小学STEM教育教学模式

1.STEM+创客教育的教学模式

在“互联网+”时代，STEM 教育和创客教育作为培养创新人才的有效路径，常常被结合在一起进行研究。STEM 教育和创客教育存在很多的共性，因此，许多学者都基于建构主义与创新理论将二者融合，构建教学模式。杨维从教学活动、教学资源、教学架构和教学评价等方面进行思考，构建了基于中小学课程整合的创客教育一般模式框架[8]。赵呈领结合项目式学习和体验式学习策略，通过基础知识学习、确定评价标准、项目创作、展示与评价等教学环节构建了创客—STEM 教学模式[9]。

2.STEM教育与新元素相结合的教学模式

STEM 教育作为一种全新的教育范式，受到众多研究者的关注，他们将STEM 教育与新的元素相结合，创建出了更加新颖而有效的教学模式，近几年研究者将一些教学理论融入到STEM 教育中去，在具体的学科上进行应用，取得了良好的效果。胡喜霞将活动理论融入到STEM 教育中，构建出了基于问题的STEM 教学模式，并在机器人教学活动中进行应用。赵呈领将5E 的教学流程融入到STEM 教学中，构建出了5E 探究式教学模式，其包含参与（Engage）、探究（Explore）、解释（Explain）、精致（Elaborate）和评价（Evaluate）五个环节[10]。

（三）中小学STEM教育对教师的要求

中小学STEM 教育的发展对教师提出了新的要求。虽然STEM 教育强调以学生为主体，但教师的作用也不容忽视，STEM 教师不仅要掌握STEM 相关学科的知识，还要具备学科整合的能力，在教学过程中引导学生进行跨学科学习、重置知识，并能及时发现学生的错误并作出应对。在具体的中小学STEM 活动中，首先要求教师对所包含的学科具有良好的整合能力，包括对学科内容的整合、学习方法的整合等等。其次教师在带领学生进行基于工程技术的实践的同时，本身也要具有一定的实践能力；为了培养学生的批判性思维、问题解决能力、创造性思维，教师应该合理引导学生进行相应能力的培养。最后，教师要熟练运用项目式和问题解决式教学方法进行教学。教师在中小学STEM 教学中发挥着巨大作用，因此，各国纷纷展开了STEM 教师的培养计划，力求STEM 教师的专业化。例如：美国对于STEM 教育教师的培养主要指复合型教师的培养，包括科学技术工程复合型教师（STE）、科学工程技术复合型教师（SET）和科学技术数学复合型教师（STM）等[11]。

（四）中小学STEM教育的测量与评价

由于STEM 教育不同于传统的教育，其评价和测量的形式也具有多样性，传统的考试已经不能满足其评价需求，对于STEM 教育的起源国家——美国目前也没有一个系统完善的STEM 教育评价体系。STEM 教育目前实施综合测评，即教师在STEM 教学过程中观察并记录学生的表现。除了教师评价外，美国中小学还使用全国教育进步评价（National Assessment of Educational Progress）和国际学生评估项目（Program for International Student Assessment，PISA）等来对学生的相关能力进行综合测评。其中，全国教育进步评价是一个面对全国中小学数学和相关科目的评估平台；PISA 项目主要集中在中小学生的数学和科学等综合素养的评测。

四、对我国STEM教育发展的启示

（一）建全STEM教育相关政策

对比美国历届政府都重视STEM 教育的投入，从布什总统开始，每届总统都颁布了相应的政策对STEM 教育进行支持。然而我国的STEM 教育基本处于起步阶段，政府的重视程度还不够，因此，想在未来大力发展STEM 教育，必须积极建立全国性的STEM 教育相关机构或中心，发布全国性支持政策，提升国民对STEM 教育的重视，促进其更好的发展。

（二）加大STEM教育经费投入

STEM 教育需要经费的支持，STEM 相应设备价格的昂贵，设备的维护和修理等成为很大一笔开销，一定程度上也限制了STEM 教育的发展。

建议政府加大对STEM 教育的财政投入，出台更多的相关保护和支持STEM 教育的政策，为中小学STEM教育的开展提供足够的设备资源。同时学校可与STEM相关企业进行合作，企业不仅为学校提供成熟的STEM课程，还可提供完整的STEM 资源和工具，能使学校有效地进行STEM 教育。

（三）重视STEM教育的师资建设

STEM 教育作为一种新型的教学理念，对中小学实施STEM 教育的教师提出了一些相应的专业要求，但是目前从事STEM 教育的高质量教师的缺乏，也使推行STEM 教育存在一些局限，授课教师学科背景单一，难以承担重任。由于STEM 教育对教师专业性的严格要求，所以对STEM 教师的专业化培训有待提升。未来必须加强专业化STEM 教师的培训，重视STEM 教师的个性化发展，提升其地位和工资待遇，并出台绩效鼓励政策，促进学科教师的终身学习和发展[10]。

建议加强校内、校际以及社会的合作，共同培养STEM 教育师资，促进STEM 教育的发展。同时，学校可根据自身财政情况、可用资源来设计STEM 教育师资培养方案，并寻求社会力量的帮助，促进STEM 教育师资的培养。

（四）理论研究与实践相统一

由于STEM 教育是一个比较新鲜的领域，理论研究已经较为丰富，诸多学者提出基于K-12 的STEM 教育教学模式，如“STEM+创客教育”教学模式、基于问题的STEM 教育模式等。然而，在一线教学的开展过程中，理论研究与实践却存在较大差距。首先，在学校方面，我国“应试教育”体制使得STEM 教育课程受重视程度不够，教师难以开展STEM 课程。其次，大多数实践研究仅停留在将各学科的简单叠加，而忽视将学科知识、内容、教学方法等深度整合。

建议中小学开展“双师”模式，即开展STEM 教育的同时，聘请STEM 课程方面的专家实施课程或指导项目的开展，由于专家的流动性和课程与项目的实施过程存在不确定事件的发生，中小学应配一位专业对口的教师全程跟进课程[13]，保证STEM 教育的顺利进行。

五、结语

国内外对中小学STEM 教育的发展都充满了热情，纷纷制定相应的政策支持中小学STEM 教育的发展，美国的中小学STEM 教育发展相对成熟，相较于其他国家处于领先地位，而我国STEM 教育起步较晚，存在研究不全、认识不够深刻等诸多问题。本文通过文献梳理，将STEM 教育的源起、内涵和发展现状进行总结，发现了其对我国STEM 教育未来发展的启示，以期对未来的STEM 教育的研究提供参考。