(英屬哥倫比亞大學,加拿大 溫哥華)

在20世紀60年代美國興起STS教育，到20世紀80年代發(fā)展為STEM教育。進入21世紀后，隨著人們對科學和工程技術(shù)教育的重要性認識日益增強，逐步認識到科學必須與人文融合，融入“ARTS”的STEM進而發(fā)展為STEAM教育。國內(nèi)STEM教育的研究方興未艾，筆者對國內(nèi)STEM教育的實踐發(fā)展中存在的問題、應避免的錯誤以及發(fā)展方向進行了思考。

1 國內(nèi)STEM教育現(xiàn)狀簡介

當前，我國STEM教育在頂層設(shè)計方面的探索主要體現(xiàn)在“指導意見”“教育信息化規(guī)劃”等方面，具體措施如下：(1) 教育部于2015年9月發(fā)布的《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見(征求意見稿)》，鼓勵探索STEAM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式。(2) 2016年教育部印發(fā)《教育信息化“十三五”規(guī)劃》，提出“要積極探索信息技術(shù)在‘眾創(chuàng)空間’、跨學科學習(STEAM教育)、創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應用”。(3) 《義務(wù)教育小學科學課程標準(2017年版)》也提出“STEM是一種課程組織方式”。

學術(shù)團體的STEM教育研究和實踐較為活躍，主要表現(xiàn)為：(1) 2017年3月北京師范大學智慧學習研究院發(fā)布《2017新媒體聯(lián)盟中國高等教育技術(shù)展望：地平線項目區(qū)域報告》，其中指出：STEAM學習的興起將是短期內(nèi)我國教育技術(shù)的重要發(fā)展趨勢之一。(2) 2017年6月中央教科院STEM教育研究中心發(fā)布《中國STEM教育白皮書》，其中明確提出：應將跨學科STEM(科學、技術(shù)、工程、藝術(shù)與數(shù)學)教育納入國家創(chuàng)新型人才培養(yǎng)戰(zhàn)略，是全社會共同參與的教育創(chuàng)新實踐。(3) 中央教科院STEM研究中心與地方進行深度合作，省級層面主要有浙江省和江蘇省，最近北京市海淀區(qū)也參與了系統(tǒng)創(chuàng)新中心的建設(shè)。

迄今為止，國家層面成立了“國家隊”級別的研究機構(gòu)——中央教科院STEM教育研究中心。該研究中心公布了《中國STEM教育白皮書》與《STEM教師能力等級標準》兩項科研成果，并舉辦了兩屆“STEM教育發(fā)展大會”。除此之外，對STEM教育推進的整體策略、框架設(shè)計、課程方案和師資建設(shè)等尚沒有官方表述。

相對而言，省級、市級和學校層面的表現(xiàn)較為搶眼，各省成立了相應的研究機構(gòu)，很多市級研究機構(gòu)與高校聯(lián)手成立聯(lián)盟，學校層面與企業(yè)、國外高校的合作也非常多。以研究機構(gòu)的成立為例，主要有三種方式：一是以省教研室或教科院牽頭成立研究中心，如江蘇省STEM教育協(xié)同創(chuàng)新研究中心；二是以科技教育中心牽頭成立研究聯(lián)盟，如廣州市青少年科技教育協(xié)會、香港特別行政區(qū)行政長官卓越教學獎教師協(xié)會、香港科技教育學會、澳門科技教育協(xié)會等成立的“穗港澳STEM教育聯(lián)盟”；三是高校、企業(yè)和行業(yè)協(xié)會聯(lián)合成立互聯(lián)網(wǎng)平臺中心，如上海STEM云中心。

2 STEM教育存在的典型問題

先引用一組來自美國華盛頓特區(qū)科技政策研究所、美國加州大學圣芭芭拉分校納米技術(shù)應用研究中心研究員Xueying Han等發(fā)表在2018年4月《PLOS ONE》上的一篇論文的調(diào)研數(shù)據(jù)，這對國內(nèi)開展STEM教育有一定的啟示。該文對中國25所頂尖大學的STEM教師(即從事科學、技術(shù)、工程和數(shù)學專業(yè)的高校教師和研究人員)進行了調(diào)研，分析了國內(nèi)的STEM的研究環(huán)境，得出以下結(jié)論：(1) 37%的受訪者認為需要促進“短期思考力的發(fā)展和獲得即時成功感”；(2) 33%的受訪者認為要給予足夠的研究經(jīng)費；(3) 31%的受訪者認為要減少管理阻滯，激活個體創(chuàng)造力；(4) 27%的受訪者認為要建立合理的STEM評估體系。

由此看來，國內(nèi)高校STEM教師的專業(yè)研究領(lǐng)域的典型問題可概括為兩類：一是思維方式問題，主要是指個體創(chuàng)造力需要發(fā)展；二是管理方面問題，主要指向經(jīng)費和管理、評價方式，期待更加靈活、開放和多元，減少人為干擾因素。

國內(nèi)中小學及學前教育中STEM教育也表現(xiàn)出以下問題：(1) 低學段活躍，高學段趨冷。幼兒園比小學活躍，小學比中學活躍。(2) 科研人員熱心，行政管理人員或冷或熱。從文獻研究來看，STEM教育的研究主陣營是科研部門，學校層面高質(zhì)量論文較少，僅有少量活動報道。(3) 學生喜歡，教師無能為力。學校開設(shè)相關(guān)的課程，學生特別喜歡，但是很多教師受限于自身學科背景，導致指導無力，教師幾乎沒有受到系統(tǒng)的培訓和指導。

3 STEM教育實踐中應避免的問題

3.1 STEM教育過程中應防止行政強推模式

在STEM教育實踐中，我們通常受到來自某些方面的干擾，常常采用“模式化”“運動化”“樣板化”等方式，希望通過整體推動、典型輻射、績效評估、頒證發(fā)獎等方式進行高效率的實施，而基層學校往往由于師資、課程開發(fā)能力、家長與社會認同等問題，可能只在表面上進行應付，實質(zhì)上并沒有任何進展。進而導致開場“轟轟烈烈”，過程“蜻蜓點水”，最終“怨聲載道”。

3.2 STEM教育應防止“學科化”思維

有研究表明，STEM教育的核心是“問題化”“項目化”“學習化”“產(chǎn)品化”，也就是說，要有真實問題，要以項目驅(qū)動學習，要以產(chǎn)品進行表達。如果在STEM教育實踐中，以某一單科進行植入，顯然就異化了STEM學習的本質(zhì)，比如：某學校是物理學科見長，就僅在物理學科中進行STEM的實踐，這顯然是將STEM教育進行“單科化”改造。

3.3 STEM教育的師資與課程設(shè)計應防止“兩張皮”

實踐表明，師資和課程需要統(tǒng)整設(shè)計，既不是先有課程，再有師資；更不是先有師資，再設(shè)計課程。實踐證明，只有將師資與課程進行整體設(shè)計，師資的“迭代升級”與“課程迭代升級”同步進行，這樣的STEM教育才有生命力。如錫山高級中學依托江南大學的設(shè)計專業(yè)和澳大利亞新南威爾士州的“設(shè)計課程”，進行STEM教育實踐，就是很好的范例。

3.4 STEM教育實踐場域要防止“實驗室換裝化”

在STEM教育實踐初期，很多學校都采用將物理、化學等自然學科實驗室進行換裝，增加一些3D打印、體感技術(shù)、VR或AR等設(shè)備，這在初期開設(shè)一些課程有一定價值和意義。但是，當STEM教育實踐向縱深發(fā)展時，專業(yè)的“校內(nèi)STEM創(chuàng)新實驗室”“校外STEM實驗室”“學院與公司合作STEM實驗室”必須有序和錯位發(fā)展。

4 應重視STEM創(chuàng)新實驗室的建設(shè)

借鑒國外經(jīng)驗，筆者認為國內(nèi)STEM教育的發(fā)展，應重視STEM創(chuàng)新實驗室的建設(shè)，發(fā)展思路為：整合型創(chuàng)新實驗室、RAL(遠程訪問)型實驗室和公益開放型實驗室。

4.1 整合型創(chuàng)新實驗室

圖1 Nspire圖形計算器

這類實驗室建設(shè)大多基于“實驗儀器—傳感器—圖形計算器”的發(fā)展模式，為學生搭建有效實驗平臺。這種線上交互的多媒體平臺使得學生能夠即時有效地模擬實驗過程，通過傳感器(pH、溫度、壓力……)，實現(xiàn)實時查看數(shù)據(jù)結(jié)果和實驗反饋，傳感器的數(shù)據(jù)輸出端口連接圖形計算器(如圖1)，計算器通過線性回歸等統(tǒng)計方法分析實驗結(jié)果，得出結(jié)論。最后，科學應用實驗結(jié)論，通過圖形計算器，模擬真實環(huán)境下的情況。

與傳統(tǒng)實驗室相比，省去了學生手工填寫實驗數(shù)據(jù)、繪制圖像等過程，以圖形計算器代替人工處理樣本數(shù)據(jù)，可促進實驗數(shù)據(jù)輸出與分析的效率，提高學生的理論知識與遠程數(shù)據(jù)處理工具相結(jié)合的應用能力，有效融合并提高數(shù)學、科學和工程的學科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學生應用理論知識解決實際生活問題的能力。

如學生在探究“滑輪半徑和所吊物品移動速度”關(guān)系的實驗中，運用小車、電動機、滑輪、繩子和刻度尺來構(gòu)建基礎(chǔ)實驗裝置，速度傳感器和Nspire圖形計算器相連，構(gòu)建數(shù)據(jù)輸出和分析平臺，學生探究不同滑輪半徑下小車的速度，得出相應的線性關(guān)系圖像，通過該圖像分析滑輪半徑與小車速度的實際關(guān)系。借助這一關(guān)系，學生能夠解決在實際生活中運用吊車運送物品的速度，并可以嘗試構(gòu)建實現(xiàn)機械效率最大化的相關(guān)實驗模型。

4.2 遠程訪問(RAL)型實驗室

如圖2所示，遠程訪問型實驗室(RAL)允許對先進的科學實驗裝置進行異地控制，這種學習活動雖然多數(shù)在大學中使用，也可以給中小學生提供額外的學習機會。

圖2 遠程訪問(RAL)型實驗室工作架構(gòu)

目前的RAL技術(shù)僅向本科工程教育和企業(yè)經(jīng)營單位提供服務(wù)，合作的機會和實驗設(shè)計得不到很好的支持。未來，RAL技術(shù)如果能激活高校和企業(yè)的興趣，并允許其獲得合理的商業(yè)回報，可開發(fā)出適合中小學的產(chǎn)品，為中小學開展STEM教育提供有力支撐。

4.3 公益開放型實驗室

美國具有代表性的公益開放型實驗室有波士頓藝術(shù)學院STEAM實驗室、曼哈頓兒童博物館STEAM實驗室等，研究發(fā)現(xiàn)：美國STEAM實驗室已成為學生創(chuàng)新學習的實踐空間、教師提升教學技能的工作站、家庭融入學生學習的互動場所，成為社會公眾提升鑒賞能力的助推器。

由此看來，國內(nèi)建立公益型開放實驗室，可以關(guān)注以下幾個方面：(1) 面向現(xiàn)實需求尋求社會支持；(2) 加大資源設(shè)備的建設(shè)，完善人員配置，培養(yǎng)具備綜合素養(yǎng)的實驗室志愿者服務(wù)團隊；(3) 依據(jù)學生年級和年齡層次，設(shè)計并不斷更新場館內(nèi)的STEM項目；(4) 發(fā)揮實驗室作用，構(gòu)建學習共同體，實驗室教師不只局限于學校教師，還可聘請科學家、工程師或藝術(shù)家，通過夏令營、選修課、博物館體驗等活動形式，為學生演示真實產(chǎn)品創(chuàng)作和工程創(chuàng)造的過程。