融合性STEM 教育的涵义、特征及概念框架*

冯翠典，倪以琳

（台州学院 教师教育学院，浙江 临海 317000）

近年来，国际范围内的基础教育领域对推进STEM教育的议题非常关切，而且鲜有反对意见［1］。但如何有效地实施STEM教育，依然有很多困惑［2］；该领域中，越来越多的研究关注融合性STEM教育（Integrated STEM Education）［3］，该话题值得更多的讨论。

一、融合性STEM教育的涵义和特征

（一）融合性STEM教育的涵义。对于研究者和课程开发者来说，关于STEM教育的观点并不统一。有人认为STEM教育是一种单一的学科，有人认为STEM是一种超学科的途径。也有研究者指出：“STEM教育已演化成一种元学科的层面，是一种通过融合性的方式去除传统学科间的障碍，从而更加关注创新以及使用工具和技术来设计方案，从而解决复杂性情境性问题的应用性过程。”［4］相较而言，融合性STEM教育的观念更为深入人心。

关于什么是“融合”，一个典型定义是：在复杂性的现象或情境中专注于任务，这些任务需要学生运用来自多种学科的知识和技能［5］。桑德斯（Sanders,M.）把融合性STEM教育描述为：一种探究两种或两种以上STEM学科领域之间如何融合，或者任何一种STEM学科领域与其他STEM领域之外的一种或多种学科之间如何融合的教与学的方式［6］。他提出：一种STEM学科领域的学习成果应该有目的地设计（Purposely designed）到另一种课程中。摩尔（Moore,T.）提出：融合性STEM教育是“一种致力于把科学、技术、工程和数学四个学科中的两个或多个学科结合进一个课程、一个单元和一节课中的努力，这种努力是基于学科间内在的关联和真实世界的问题”［7］。

概言之，融合性STEM教育是从两个或多个STEM领域汲取内容，在真实的STEM情境中使用STEM实践来有目的地联结不同的学科，从而提高学生的问题解决能力。

（二）融合性STEM教育的特征。跨越边界（Boundary Crossing），即边界模糊性，被认为是融合性STEM教育的关键特征，一个更为综合的关于融合性STEM教育的观点［8］，见表1。表1中，不同形式的边界跨越展现在一个连续体上，这个连续体的融合性水平越来越高，不同学科间的相互关联和依赖程度也越来越高。对于如何进行融合，美国加州STEM工作组提出：融合性STEM教育不是四个学科的简单结合，而必须包括“真实世界的，基于问题的学习”［9］。美国下一代科学标准（NGSS）提倡通过提供STEM领域“跨学科的联结”（Crosscutting Connections）来推进“有目的”的融合［10］。

表1 融合性STEM教育的不同融合水平

二、如何开展融合性的STEM教育：一个概念框架

如何创造或找到STEM领域的跨学科的联结点是复杂的，需要教师深入思考如何能让学生不仅理解STEM知识，还能有机会理解STEM知识是如何应用到真实世界的问题的。

2016年，美国普度大学的两位学者托德和杰夫（Todd,R.&Geoff,J.）提出了一个关于如何进行融合性教育的概念框架［11］。他们指出，虽然国际范围都在开展深入的STEM教育改革，但实践中，教育者缺乏对STEM教育的本质性理解。从而有必要提出融合性STEM教育的操作性概念框架。本部分致在把该框架的主要内容呈现出来，期望对相关研究者提供启发。图1是该框架的图示。

这个图显示了四个滑轮组成的滑轮组去托起一个重物，即“情境性STEM学习”。众所周知，滑轮组能产生一定的机械性优势来有助于更容易地提升重物。这表明了把情境性学习、工程设计、科学探究、技术性素养和数学思维联结成了有机的功能性系统。这个系统中的滑轮是通过四个STEM学科中的共同实践联结的，滑轮组中的绳索是实践共同体。这个复杂的滑轮系统必须要和谐工作才能确保整个系统的融合性。

图1 融合性STEM教育的概念框架

（一）重物：情境性STEM学习。融合性STEM教育的学习应采用情境性认知理论（Situated Cognition Theory）的取向，该理论的核心是认为理解知识和技能的运用是和学习这些知识和技能本身一样重要；而且，该理论认识到情境本身，即学习活动的物理性和社会性要素，对学习过程非常重要。

（二）滑轮1：工程设计。工程设计可以提供理想的STEM教育的内容融合器。另外，使用工程设计的途径来实施STEM教育创造了一个理想的起点来融合工程实践。而且，使用工程设计作为触媒来进行STEM学习有助于把四个STEM学科放在同等位置。因为工程设计的本质是为学生提供系统性的途径来解决问题，这种系统性的途径在所有STEM领域都是内在需要的。即工程设计可以提供机会来放置STEM学科间的联结点，而这些联结点被认为是学科融合的关键。

工程设计的途径允许学生基于自身经验开展学习，并提供机会通过设计分析和科学调查建构新的知识。即工程设计提供了一种情境，在其中学生可以检验他们已有的科学知识，并把这些知识应用到实际问题中。而且，他们能认识到科学、工程、技术和数学的相互作用。

在工程实践中，工程设计和科学探究是通过设计行为和科学推理的内在过程而自然揉和在一起；虽然工程设计和科学探究有显著区别，但核心过程是共通的：其一，都要涉及推理过程；其二，不确定性作为起始条件，从而需要花费更多的认知资源。

（三）滑轮2：科学探究。科学探究可以让学生像真正的科学家一样思考和行为，并使用标准化的科学实践提出问题、做出假设、实施调查；也能够让学生在一个相关性的情境中学习科学，这对真正的理解至关重要。但是，教师对“动手经验”（Hands-on experience）有误解，教师认为一系列的任务或者实验室活动和科学探究是等同的。其实，程序性的动手操作活动并不是真正的科学探究，真正的科学探究一定要在建构性科学学习中有“动脑经验”（Minds-on experience）。

（四）滑轮3：技术性素养。很多人都把教育技术仅作为一种促进STEM学习的手段，而没有意识到技术本身包括一系列的知识、技能和实践。托德和杰夫分享了两位研究者的观点。第一，赫斯巴赫（Herschbach,D.）提出关于技术的两种视角：一种是工程视角，一种是人本视角，见表2。工程视角，也被称为工具视角，即“技术等于制造和使用实体性物体；而人本视角的技术关注技术作为满足人类具体需要的手段。

表2 两种对于技术的观点

第二，在赫斯巴赫的基础上，米彻姆（Mitcham,C.）提出有四种不同的方式看待技术：技术作为物体；技术作为知识；技术作为活动；技术作为意愿。他提出，很多人仅仅把技术认为是人造品和物体，从而忽视了技术融合进STEM教育发挥更大作用的可能。技术也包含具体的独特的知识，也是一个学科。另外，他特别把技术看作一个活动过程，这个过程包含设计、制作和对技术的使用。最后，技术作为一种意愿强调的是技术是受人类意愿驱动并融合进文化系统，也是受价值观的驱动的。

（五）滑轮4：数学思维。托德和杰夫强调：当教师使用融合性STEM教育方式时，学生更喜欢学数学，数学成绩也会更好。当然学生参与到涉及工程设计和问题解决的学习活动中，学生的数学成绩和对STEM的积极态度会提升。并分享了威廉姆斯（Williams,D.）的研究观点：情境性的教学可以赋予数学以意义，因为“学生不仅想要知道如何完成一个数学任务，还需要理解为什么他们需要学习数学。他们知道数学和他们的生活是息息相关的。”［12］而融合性的STEM教育实践恰恰能提供机会让学生感受评价设计方案好坏所必须的数学分析。

（六）绳子：实践共同体。另外，“学习作为一种活动”［13］的概念不仅提升了学习情境的地位，也提升了学习的社会性方面的地位。托德和杰夫认为，融合性STEM教育可以帮助学生进行“合法性的边缘参与（Legitimate peripheral participation）”［14］。立维和威戈（Lave,J.,&Wenger,E.）把“合法性的边缘参与”描述为这样一个过程：学习发生在实践共同体之中，在这个过程中学生参与到共同体的社会性实践中，从而能够有机会从知识、技能、实践的新手阶段发展到熟练阶段。在一个实践共同体中，新手和熟练的实践者都可以通过和他人一起观察、提问和真正的参与中学习。

融合性STEM教育可以创造一种理想的平台来提供一种社会性对话的共同体实践。当教育领导者开始研究融合性STEM教育的理念时，情境性学习和实践共同体的核心要素就自然呈现了，因为融合性STEM教育应该是围绕大观念或主题组织的情境性学习，而这种学习过程最好是通过实践共同体的社会性互动推进。

美国下一代科学标准（Next Generation Science Standards,NGSS）中描述了科学家和工程师的共同实践。除了学习科学概念，科学实践和科学技能也被强调为核心的成果。在科学框架中提出工程实践，是因为科学家和工程师的一些实践是共同的。而融合性STEM教育可以通过实践共同体来提供平台让学生学习工程和技术的相似和区别。表3提供了NGSS提出的科学实践和工程实践的比较，可以看出，两种实践有共通之处。

在真实的STEM领域的问题解决过程和情境性学习过程中，科学、工程、技术和数学的内在关联和共同实践有助于体现STEM学科间的联结和关系，并将提升这种观点：STEM内容应该和STEM实践一起来教，内容和实践同等重要。

三、讨 论

第一，充分理解本概念框架的根本宗旨。托德和杰夫提供的这个概念框架对在理论上理解融合性STEM教育的本质，以及在实践中开展融合性STEM教育的活动有操作性意义的指导作用，但这并不是说融合性的STEM教育必须在每个学习经验中都要包括科学、技术、数学和工程四个学科的内容，本概念框架更重要的是引导教育理论者和实践者对这些学科间的内在关系有深入的理解，并对如何体现这种内在关系，及基于这种内在关系开展融合性STEM教育，才是关键。

第二，提倡在实践中应用并检验该框架。研究者提供的这个概念框架应该通过真正的教育研究进行检验，从而确定这些概念是否真正能够改进STEM领域的教与学。研究者必须记录他们实施的干预、课程和项目，特别是不同学科是如何进行融合的。需要收集更多的证据来说明融合的本质和使用的脚手架，也需要更多的证据来说明融合性STEM教育是如何促进学习的。

第三，关注融合性STEM教育的质量标准。

应进一步促进关于融合性STEM教育质量标准的思考。2014年，肯尼迪和奥德尔（Kennedy,T.&Odell,M.）提出高质量的STEM教育应该做到：至少要把技术和工程融合进科学和数学课程；进行科学探究和工程设计；通过合作性的途径来学习；提供全球性和多重性的视角；使用基于项目的学习等整合性的途径，并提供正式的和非正式的学习经验；为促进学习而整合技术［4］251-253。在本文介绍的概念框架下，研究者可以思考如何确证或批判这些质量标准，以此来关照融合性STEM教育的质量。