STEM教育的发展及在博物馆中的应用

刘瑶

摘  要： STEM是一种综合性的跨学科学习手段，它注重对科学思维和理性思维的培养。随着科技信息时代的到来，STEM得到了广泛的重视。美国等一些发达国家颁布政策法令大力支持STEM教育，使得STEM教育在正规的学校教育和非正规的教育机构中得以很好地发展。中国对STEM教育的认识较晚，但是也在探索尝试中逐渐发展起来，如今STEM教育已在学校以及科技馆中得到广泛应用。而博物馆在促进STEM教育发展中的重要性却往往被忽视。博物馆应正确认识自身在STEM教育中的价值，并逐步发挥自身在STEM教育领域的作用，以期更好地服务于儿童。

关键词：STEM;博物馆;儿童

引 言

STEM教育是一种新兴的教育理念和模式。简单来说，STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科英文首字母的缩写，但其含义不止于此，其根本核心是将这四门学科整合成一个有机整体，旨在培养学生的实践能力和创新精神[1]。STEM教育与人们的生活是息息相关的。从宏观方面来看，STEM教育有助于我们了解自然、认识世界，以及提高人们利用自然资源、改造生存环境的能力。从微观方面来看，灯会发光发热、车轮是圆的、热水吹一吹会变凉等日常生活现象中都蕴含着STEM原理。STEM教育启发我们把科学知识运用于生活中，重视培养科学思维和理性思维。同时，STEM教学更注重教育的实践性，鼓励儿童动脑、动手，培养儿童的综合技能，在帮助儿童学习方面发挥着重要作用。

一、STEM教育的发展概述

STEM教育起源于美国。一直以来，美国都十分重视培养具有STEM教育背景的人才。随着科技时代的到来，科学技术成为促进各国发展，并在国际竞争中保持优势的重要因素，而培养能够综合运用STEM知识解决实际问题的创新人才成为一项势在必行的举措。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》报告[2]，标志着美国开始关注学生理科能力的培养。此后，美国开始全面推进实施STEM教育。1999年，美国国家科学基金会（National Science Foundation）发表了题为《塑造未来：透视科学、数学、工程和技术的本科教育》的报告，提出了关于促进STEM教育的政策建议。2000年以后，美国公布了一系列文件和法案，如《美国竞争力计划》《美国创新战略》《教育中的创新愿景》《美国创造机会以有意义地促进技术、教育和科学之卓越法》等。这些文件和法案均强调了STEM教育在人才培养中的重要地位。正是由于国家为STEM教育提供了有力的组织保障及资金支持，使得美国的STEM教育战略得以有效实施，并对美国整个国家的发展起到了至关重要的作用。

中国的STEM教育起步较晚，从文献来看，2014年以后，有关STEM教育的文章在数量上才开始稳步增加，尤其在2016年有了明显的增长。由于中国对STEM的认识刚刚起步，这一阶段该主题的文章多集中在介绍STEM的定义、特征，以及国外STEM教育的发展经验等方面，未形成完整的体系，也缺乏实践经验。2016年以后，STEM、STEAM 等词语才开始频繁出现在与教育相关的文件里。2016年6月，教育部印发的《教育信息化“十三五”规划》通知明确指出，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，为教育信息化提供了更为广阔的发展空间[3]。这一政策表明了国家对培养具有STEM教育背景的人才的重视。2017年和2018年两年，中国陆续发布了《中国STEM教育白皮书》《中国STEAM教育发展报告（起点篇）》《中国STEM教育2029行动计划》《STEM教师能力等级标准（试行）》。2019年11月，教育部发布了《2019年教育信息化和网络安全工作要点》，规定从跨学科学习（STEAM教育）等四个方面探索推进信息化教学应用的长效机制。2019年3月，教育部发布了《关于加强和改进中小学实验教学的意见》，规定把学生实验操作情况和能力表现纳入综合素质评价。这些举措表明，中国政府和社会力量也都在支持STEM教育的发展，同时国内学者对STEM教育也逐渐有了更清晰的认识。

二、国外的STEM教育实践

美国十分重视对具有STEM教育背景的人才的培养：在学校正规教育方面，美国政府加大从小学到大学STEM教育的支持力度;在非正规教育方面，政府鼓励教师把学生带到科技馆、博物馆等校外场所进行科学启蒙教育，鼓励学校和科技馆、博物馆等建立长期有效的合作关系，以加强学生STEM综合素养的培养。美国最著名的儿童博物馆之一波士顿儿童博物馆，是孩子们的天堂，博物馆像儿童乐园一样色彩丰富，设置了儿童喜欢的各种动手参与项目。儿童可以观察小球或小船在流动的水中的漂流方向和速度，观看小球在不同的轨道中的运动轨迹，还可以亲自动手做木工活等。同时，波士顿儿童博物馆还专门为教师和家长撰写了幼儿STEM教育的活动指南《STEM萌芽》（STEM Sprouts）。美国芝加哥儿童博物馆是一个将学习和游戏相结合的地方，博物馆中有恐龙远征、水稻探险等展览，可以让儿童在驾驶模型汽车时了解汽车的构造，在航天飞机模型里了解航天飞机的知识。这种鼓励儿童探索，并让其自己发现、建构知识体系的游戲过程就是STEM教育的重要体现。美国匹兹堡儿童博物馆和西雅图儿童博物馆都以启发儿童的想象力和创造力为宗旨，为他们提供教育项目。

除美国外，很多其他国家也非常重视STEM教育。英国重视低幼阶段的科学教育，鼓励科技馆等机构对学校教师进行培训，旨在帮助教师了解科学学习的方式，使教师能够潜移默化地在教学中体现这一学习方式，同时鼓励教师把学生带到科技馆进行科学启蒙[4]。韩国国立果川科学馆分设了不同的展馆，其中儿童馆专门为年龄较小的婴幼儿而设计，通过游戏发展儿童的好奇心，鼓励他们探索，启发他们的思维。而在其基础科学馆中，儿童可以调动各种感官来感受自然科学的魅力。馆内还专门设计了“地震体验” “台风体验” “流浪血管探索”“滴水之旅”等深受儿童和家长喜爱的STEM相关活动，儿童在游戏中获得科学探索的经验，并发现隐藏在我们日常生活中的科学原理[4]。日本为了实现中小学阶段的STEM教育目标，对传统教育进行了改革：从整体上修改教学大纲，增加STEM教育的课时和内容，激发学生探索STEM的兴趣，尽可能保证学生接受STEM教育机会的增加，从而提高全民STEM相关素养;重点选拔、培养具有STEM天赋的学生;鼓励女性从事STEM相关职业;加大STEM教师培训[5]。德国政府认为STEM教育应贯穿整个教育过程，尤其关注在教育初始阶段对STEM教育的应用传播。德国的STEM教育重视幼儿阶段的启蒙，到了中学教育阶段，一部分中学专门培养学生的STEM技能，还有一部分中学开设了STEM教育项目，供学生们选择。

三、中国的STEM教育实践

中国的STEM教育实践分为正规教育中进行的STEM实践和非正规教育中进行的STEM实践两种。目前，许多幼儿园和小学都开展了STEM理念下的课程改革。以某幼儿园为例，园内专门开辟出“木工坊”教室，作为开展儿童STEM教育活动的场所。教师担任着启发者和引导者的角色，锻炼儿童使用工具的能力，同时注重培养儿童的沟通协调能力、动手动脑能力、处理问题能力、想象力等综合能力[6]。国内还有许多幼儿园已经开始把STEM教育融入日常的教学中，用积木搭建房屋、轨道，以锻炼儿童的技术思维能力和工程思维能力;一些精心设计的科学小游戏，如“破译磁铁的秘密”“追寻调皮的光”等，激发了幼儿科学探究的兴趣。中国教育科学研究院STEM研究中心组织实施了“中国STEM教育2029行动计划”，于2018年开展遴选领航学校及种子学校等相关工作。北京大学附属小学、中国人民大学附属中学实验小学等79所学校被列为领航学校;北京市海淀区中关村第二小学、北京市海淀区中关村第一小学被列为种子学校。2017年到2019年，江苏省已连续召开了三届全省STEM教育大会，并在第二届STEM教育大会上发布了《江苏省基础教育STEM课程指导纲要（试行）》。在两年多的时间里，STEM教育在江苏省的幼儿园和小学、初中学校中广泛开展[7]。

如今，学校之外的非正式教育机构也为儿童提供了开展STEM教育的场所，科技馆、博物馆、校外兴趣班、儿童娱乐场所等都在积极开发STEM教育项目，其中科技馆以其自身优势成为最重要的机构之一。科技馆不仅在场馆布置上注重科学知识的传播，而且鼓励儿童动手参与其中。为了配合STEM素养的人才培养目标，科技馆开发了聚焦儿童参与的课程活动，让儿童在玩的过程中培养逻辑思维能力和推理判断能力，启发他们对数学问题的敏感性以及人与人之间的互动交流能力，这些能力的培养都为儿童的多元化发展提供了可能。重庆科技馆的STEM教育引导儿童在实验中自己认识并领悟常见的晶体，不仅能让他们学到自然科学知识，而且对他们建立科学的思维逻辑有较大帮助[8]。上海科技馆不仅设有科学类展览、电影等类型的展览活动，还设有“STEM科技馆奇妙日”教育活动。例如，“迷你污水处理系统”课程让儿童了解污水对环境造成的破坏，“混色电路”课程让儿童了解电路的结构。这些身边的科学引导儿童关注生活中的科学原理，引发他们对生活环境的思考。与科技馆角色一样，作为社会教育机构的博物馆也具有启迪儿童科学素养、发展综合能力的职责。博物馆应借鉴科技馆的经验，启发儿童动手、动脑，在“玩中学”“学中做”。同时，博物馆更应该关注儿童在参观过程中自然而然产生的STEM探索契机，并抓住这些契机与博物馆自身的优势结合起来，开展儿童的STEM学习活动。

四、博物馆中的STEM教育

博物馆一直被看作民族文化基因的宝库，肩负着传承与弘扬中华优秀传统文化的重任，以至于忽视了博物馆本身蕴含的科技力量和对科学思维能力的培养。其实，从博物馆的文物本身到与观众互动的设施都包含着STEM元素。

（一）通过文物进行STEM教育

文物是历史的标本，记录着人类发展的历程。同时，文物本身也代表着当时社会的科技发展水平。比如，素有“入窑一色，出窑万彩”美誉的钧窑瓷器，之所以能呈现出色彩丰富的变化，这是因为瓷器烧制的过程中金属着色剂产生了氧化还原反应;瓷器上独具魅力的开片纹饰是烧制过程中热胀冷缩原理的体现;铜镜的广泛应用是因为铜具有较好的光泽度和延展性。这些科学知识为博物馆开展STEM教育提供了丰富的素材。

为了充分发挥博物馆的社会教育功能，助力儿童成长，2013年，吉林省博物院创办了品牌教育活动——“奇趣博览大讲堂”;随后该博物馆又开设了一系列研学实践教育课程，如“瓷苑掇英，大美青花”“泥条盘筑话陶艺”“百花图卷绘春色”等。在研发实践教育活动的过程中，博物馆融入了对儿童STEM能力的培养。博物馆不仅向儿童传播中国优秀的历史文化，还挖掘文物中的科学知识，注重多学科知识的交叉，而且十分重视儿童动手能力的培养。课程通过知识小课堂、头脑风暴、趣味游戏、巧手制作等多个环节，让儿童手脑齐动，加深儿童对文物的了解。

“瓷苑掇英，大美青花”是吉林省博物院社会教育的品牌课程之一。课程介绍了瓷器的产生过程、发展历史和制作步骤，让儿童了解我国在世界享有盛誉的青花瓷器的奥秘。在课堂授课环节，教师首先会向儿童展示陶质、瓷质两种材质的杯子，通过让儿童用手触摸、用耳朵听敲击声、用眼睛观察杯子装满水后是否有渗出现象等引导儿童描述它们材质的不同，启发儿童自己总结出瓷器光滑、坚硬、耐臟耐腐蚀等特点。然后教师提出问题，例如“在生活中见到过哪些瓷器”“古代瓷器是什么样的”“瓷器有什么作用”“瓷器是如何制作的”，通过这些问题，教师带领儿童进入课程主题。提问的方式就轻松地融入了STEM的学习体验。在这一过程中，儿童培养的好奇心、沟通能力、自信、主动思考等都属于STEM思维方式。在介绍不同时期的瓷器时，授课教师会展示某一时期瓷器的照片，引导儿童交流并讨论出瓷器的特点，并用以点概面的方式梳理出瓷器的发展就是从“百家争鸣”到“一家独大”的过程。最后授课老师会通过快问快答、连连看等小游戏帮助儿童回顾从课程中学到的知识，让儿童自己在头脑中建立古代瓷器与现代瓷器的联系。在巧手制作环节，儿童可以自己动手设计并绘制瓷盘，通过回顾古代瓷器的图案纹饰与装饰手法，结合自己的想象力与创造力，创作出独一无二的瓷盘。这个过程提升了儿童的审美情趣，同时也是STEM教育中工程思维能力的体现。

（二）通过展项互动进行STEM教育

不仅文物本身蕴含着STEM知识，而且博物馆展项的互动性和创新性皆符合STEM教育的本质。互动展项是博物馆展示的一种新模式，为博物馆展示提供了一种新思路。目前，越来越多的博物馆在各个方面的发展抓住了STEM的探索契机，增设了数字化、现代化的互动展项，有意识、有目的地把STEM元素融入其中。

博物馆发展初期，常给人以庄重、严肃的印象，导致博物馆观众少、在参观过程中容易产生疲劳等现象，要改变这些现象，博物馆需要通过科技手段帮助观众调动多感官来体验和了解事物，从而构建出新的知识体系。因此，几乎所有的博物馆都设有互动展项，努力为观众提供良好的参观体验。博物馆不仅能让观众领略文化的魅力，还能感受科技的力量。

在互动展项的设计方面，博物馆要具有明确的目的性，以目的为基础，减少操作方面的学习成本，使观众快速了解操作方法，短时间内激发参与者的兴趣。吉林省博物院为满足观众的好奇心，设置了数字化互动展项——“琳琅满目、触手可及”的电子魔墙、2017年全国十大考古新发现——宝马城遗址3D复原场景、二维码语音讲解导览系统等多种多样的互动形式，這些互动形式都展现了STEM教育的重要价值，满足了观众对文物的多种想象。

“琳琅满目、触手可及”电子魔墙约20平方米，内容融汇了吉林省博物院600余件（套）文物信息、图片资料，魔墙技术利用复杂的算法处理，让本来静止的文物图片“动”了起来。儿童可以根据自己的喜好选择文物进行观看。通过点击、平移和旋转等不同手势触摸屏幕，能更好地更全面地了解文物信息。STEM教育并不需要实施者具有高深的知识背景，也不一定要在工程师的指导下才能完成，STEM教育的重点在于让儿童了解STEM教育并能主动探索，简单的操作手势就是儿童探索STEM的过程。由于文物的特殊性，有些文物不适合长时间展出，无法让儿童一饱眼福，这一展示方式可以让珍藏在库房中的文物以一种数字化的展示方式被儿童了解。“宝马城遗址3D复原场景”采用了3D技术，把宝马城的复原场景活灵活现地展现给儿童，使儿童有了更直接的感官体验。3D技术的最大优势在于可以使画面变得立体逼真，打破文物与观众的时空阻隔，以高科技手段呈现细节，让儿童有身临其境般的感觉。这种3D技术就是STEM中的工程与技术的体现。如今，二维码语音讲解导览系统是应用十分广泛的导览系统。相较于人工讲解，使用手机扫描二维码听取讲解词既简单又方便。二维码语音讲解导览系统通过科技手段丰富了文物信息的传播展示方式，既满足了儿童对文物背后故事的好奇心，同时又体现了STEM的理念，即把科技带到人们身边，帮助人们了解和感受科技的力量。科技的发展让博物馆变得有了温度，让沉睡千百年的文物活了起来。

五、反思与展望

博物馆在开展STEM教育中具有巨大的潜力，其价值不容被忽视。作为一种儿童的校外教育场所，博物馆蕴含着丰富的科学知识，在培养儿童的STEM思维方面也具有得天独厚的优势，有助于培养儿童的创造力和想象力，也能促进儿童以后的学习。

为了更好地发掘、提升博物馆在STEM教育中的作用，全社会需要共同努力，让博物馆成为培养STEM人才的重要场所。

首先，政府应该重视儿童参与STEM教育的重要性，在政策上给予支持。政府应出台相关的政策，引导社会力量大力支持博物馆发展STEM教育，全面提升博物馆STEM教育的专业化、高效化和可操作化。另外，政府需划拨固定经费用于博物馆STEM教育活动的研发以及开展活动过程中所产生的花销。

其次，支持学校和博物馆的长期合作，发挥博物馆在儿童科学启蒙中的作用，更有效地培养儿童的STEM素养。馆校合作是将博物馆教育资源与学校教育有效衔接的途径，国内绝大多数博物馆都举办过儿童STEM教育活动，在这类活动如火如荼进行的过程中也存在着一些问题，例如儿童群体相对固定，难以吸引新的小观众等。这些问题的出现，一方面是因为博物馆自身存在宣传不足、交通不便利、教育活动名额少等情况;另一方面是因为学生的课业负担重，闲暇时间少，博物馆教育没有纳入应试教育考核体系等。在这种情况下，博物馆走进校园，是一条让学生接受博物馆教育的有效途径，能最大限度地做好在校学生的科学启蒙工作。

最后，为博物馆的工作人员提供培训的机会。可以采用引进来、走出去相结合的方式培训博物馆的工作人员。例如，请一些STEM教育活动开展较好的博物馆专家前来授课，传授教学经验并介绍实际案例;或者组织馆内从事STEM教育的教育者到其他博物馆实地参观学习。只有从事STEM教育的教育者具有良好的教育功底，才能设计开发出更好的STEM教育活动。这样才能充分利用博物馆内的教育资源，更好地培养儿童的STEM素养，吸引更多的儿童参与到博物馆的STEM教育中来。

【参考文献】

[1] 徐瀚云，陈沛.普通高中实施跨学科STEM教育探索[J].学周刊，2019（32）：42.

[2] 刘党生.国际视域下的STEM众筹式学习行动初探（四）[J].中国信息技术教育，2014（23）：60-63.

[3] 中华人民共和国教育部.教育部关于印发《教育信息化“十三五”规划》的通知[EB/OL]. （2016-06-07）. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201606/t20160622_269367.html.

[4] 李娟，陈玲. 科技场馆内进行STEM教育的研究现状与对策[C]// 中国科普研究所，湖南省科学技术协会.全球科学教育改革背景下的馆校结合——第七届馆校结合科学教育研讨会论文集.2015：7.

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[7] 张禄，任健.高中STEM教育的现状与对策——基于江苏省高中STEM课程开设情况的调查[J].中国信息技术教育，2020（01）：65-68.

[8] 郑诗雨.刍议建构主义教育理念的科技馆STEM课程[J].科学大众（科学教育），2019（5）：18.