陸庭鑾

摘要：從素養(yǎng)引入，重點(diǎn)闡述與理解素養(yǎng)、科學(xué)素養(yǎng)、學(xué)科核心素養(yǎng)、STEM素養(yǎng)由來與內(nèi)涵，并就如何培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)提出一些建設(shè)性的意見。

關(guān)鍵詞：素養(yǎng);科學(xué)素養(yǎng);學(xué)科核心素養(yǎng);STEM素養(yǎng)

文章編號：1008-0546（2019）04-0022-03

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.04.007

我們在教學(xué)過程中經(jīng)常會遇到一個(gè)熱詞：素養(yǎng)，素養(yǎng)是什么？科學(xué)素養(yǎng)又指什么？STEM素養(yǎng)指什么？它們之間有什么關(guān)聯(lián)？如何準(zhǔn)確地把握其內(nèi)涵？特別是現(xiàn)代教育中如何采取有效措施培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)。

一、素養(yǎng)

對于素養(yǎng)的基本理解，有3個(gè)典型的解釋。解釋1：由訓(xùn)練和實(shí)踐而獲得的技能。解釋2：在特定的復(fù)雜真實(shí)情境下，個(gè)體完成某項(xiàng)任務(wù)所具有的先決條件，是可學(xué)、可教、可測的。解釋3：素養(yǎng)是決定一個(gè)人的行為習(xí)慣和思維方式的內(nèi)在特質(zhì)。

從廣義上素養(yǎng)可以理解為“三個(gè)做”即“能做什么、想做什么、會怎么做”。“能做什么”即要求學(xué)習(xí)者具備一定的基礎(chǔ)知識與基本技能;“想做什么”取決于學(xué)習(xí)者對自我的角色定位與認(rèn)知;“會怎么做”取決于學(xué)習(xí)者的個(gè)人品質(zhì)和學(xué)習(xí)動機(jī)及價(jià)值觀。有專家指出，素養(yǎng)是一個(gè)人的“精神長相”、是一個(gè)人的“人格”（品格）、是一個(gè)人的“行為習(xí)慣”、是一個(gè)人的“思維方式”，[1]。

當(dāng)然素養(yǎng)可分為顯性素養(yǎng)與隱性素養(yǎng)，冰山理論認(rèn)為，海面之上的顯性的知識與技能易獲得，而海面以下的隱性素養(yǎng)，如學(xué)習(xí)動機(jī)、個(gè)人品質(zhì)及價(jià)值觀常隱于海平面以下的需要在長期實(shí)踐活動中獲得。

二、科學(xué)素養(yǎng)

科學(xué)素養(yǎng)的概念最早是在上世紀(jì)提出的，到了上世紀(jì)五、六十年代開始被不斷地報(bào)道。國際經(jīng)濟(jì)合作組織（OECD）、國際學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)測試大綱（PISA）及，美國學(xué)者米勒分別從評價(jià)角度、學(xué)習(xí)的視角及公眾的視角加以觀察和研究。一般認(rèn)為，科學(xué)素養(yǎng)由3個(gè)部分所構(gòu)成：科學(xué)知識研究過程及科學(xué)方法、個(gè)體的決策能力。它是在美國最早提出的，要認(rèn)識科學(xué)素養(yǎng)，首先從東西方的科學(xué)科技發(fā)展過程理解，歐州從文藝復(fù)興運(yùn)動開始，科學(xué)技術(shù)得出了迅猛的發(fā)展。可以說，“今日科學(xué)的出現(xiàn)，不是利益于《圣經(jīng)》，而是利益于文藝復(fù)興。文藝復(fù)興并非一個(gè)政治運(yùn)動或宗教運(yùn)動，它是一種新的心態(tài)”[2]。

那么，科學(xué)素養(yǎng)提出的背景是什么呢？在20世紀(jì)中葉，前蘇聯(lián)的科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，促使美國人對曾經(jīng)走過的科技道路進(jìn)行了反思，重新思考科學(xué)教育改革的方向;歐州發(fā)達(dá)資本主義國家的工業(yè)革命的發(fā)展，促進(jìn)了其科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也帶來了一些不利的負(fù)面的影響，正確處理好科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與社會自然和諧發(fā)展已顯得非常重要了;由于科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，在能源、環(huán)境及隨之產(chǎn)生一系列問題，在公民素養(yǎng)的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)很多的公民缺少認(rèn)識或不認(rèn)識，社會的變革與發(fā)展需要大量有科學(xué)素養(yǎng)的公民。

結(jié)合以上背景，科學(xué)素養(yǎng)（Scientific Literacy）被提出，1989年，美國國家促進(jìn)會（AAAS）針對此提出“2061計(jì)劃”或《面向全體美國人的科學(xué)》（Science for all Americans），科學(xué)素養(yǎng)第一次被提出，同時(shí)對科學(xué)素養(yǎng)進(jìn)行了界定，“具備并使用科學(xué)數(shù)學(xué)和技術(shù)學(xué)的知識做出有關(guān)個(gè)人和社會的重要決策”。在這個(gè)概念中，特別提及素養(yǎng)所涉及的知識與決策能力。

隨之，制定了相配套的課標(biāo)，美國在提出“2061計(jì)劃”之后不久出版了《科學(xué)素養(yǎng)的基準(zhǔn)》，主要論述科學(xué)素養(yǎng)的確定及教學(xué)設(shè)計(jì)的確定。1996版美國國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)（NSES），明確提出科學(xué)素養(yǎng)是“一個(gè)人能識別國家和地區(qū)決定所賴以為基礎(chǔ)的科學(xué)問題，并能提出有科學(xué)技術(shù)根據(jù)的見解”。NGSS2013提出了新的科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)，指出“跨科概念與核心概念、科學(xué)與探究共同構(gòu)成了自然科學(xué)領(lǐng)域有效科學(xué)學(xué)習(xí)的3個(gè)維度，其中每個(gè)維度都有不同的行為目標(biāo)?！?/p>

我國在2001年頒布的國家義務(wù)教育化學(xué)、物理與生物和科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)中，科學(xué)素養(yǎng)被提出，公之于眾，2011版《化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》在《前言》部分提出了培養(yǎng)與提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)[3]，科學(xué)素養(yǎng)統(tǒng)領(lǐng)課程目標(biāo)，具體表現(xiàn)為知識與技能、過程與方法、情感、態(tài)度與價(jià)值觀，科學(xué)素養(yǎng)從提出到今天已近17年。可以說科學(xué)素養(yǎng)是新課程改革的主旋律與主旨，一直在實(shí)施與強(qiáng)調(diào)。

三、學(xué)科核心素養(yǎng)

科學(xué)素養(yǎng)的落實(shí)終究要具體到學(xué)科，通過學(xué)科的教育教學(xué)實(shí)現(xiàn)學(xué)生素養(yǎng)的提升?？梢岳斫鉃閷W(xué)科核心素養(yǎng)是在科學(xué)素養(yǎng)基礎(chǔ)之上基于學(xué)科的特點(diǎn)而提出的，是學(xué)科素養(yǎng)的具體落實(shí)與深化。每一個(gè)學(xué)科有它與其他學(xué)科共性的東西，但更多地，每一門學(xué)科也有獨(dú)特的自身的一些功能，有它獨(dú)特的思想與方法。就好像是“理發(fā)”與“美發(fā)”關(guān)系，后者要求更加的具體與精美[4]。

我國的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的制定又是在學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)基礎(chǔ)之上提出的，是為了實(shí)現(xiàn)立德樹人的目標(biāo)的。它們之間的關(guān)系是具體與抽象、部分與整體的關(guān)系。針對化學(xué)學(xué)科的具體特點(diǎn)，《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》提出學(xué)科核心素養(yǎng)的具體5項(xiàng)指標(biāo)。這些學(xué)科素養(yǎng)是在三維目標(biāo)基礎(chǔ)之上的繼承與創(chuàng)新、發(fā)展與超越，更加具體與水平化[5]。

四、STEM素養(yǎng)

1.STEM的提出與確立

近幾年，美國學(xué)者在不斷思考與探討新一代的國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)（NGSS），培養(yǎng)學(xué)生哪些科學(xué)素養(yǎng)？是傳統(tǒng)的知識？還是能力與方法？還是指向具體實(shí)踐的跨學(xué)科的、技術(shù)設(shè)計(jì)的新思想與新方法？可以認(rèn)為，STEM的提出是教育理念的不斷轉(zhuǎn)變與深化，20世紀(jì)50年代以來，美國共經(jīng)歷了4次科學(xué)課程改革，前2次的課程改革過分關(guān)注學(xué)科與社會、技術(shù)及環(huán)境的關(guān)系，卻忽略了學(xué)科本身的學(xué)科本質(zhì)及學(xué)科整合教學(xué)。人類在關(guān)注本體知識的同時(shí)，更應(yīng)關(guān)注知識的統(tǒng)整，具體到如何確立一個(gè)真實(shí)情境下某個(gè)工程的問題，怎樣做一個(gè)計(jì)劃，怎樣解決工程問題所需要的技術(shù)與相關(guān)的證據(jù)[6]。與此相適應(yīng)的，強(qiáng)化課程整合（Currieulum Integration）是20世紀(jì)80年代以來課程設(shè)計(jì)領(lǐng)域出現(xiàn)的新趨勢。有學(xué)者預(yù)言，課程整合將是未來21世紀(jì)課程設(shè)計(jì)的主流。

2011年美國頒布了《K-12科學(xué)教育的框架：實(shí)踐，跨學(xué)科概念與核心概念》，明確指出：科學(xué)教育從傳統(tǒng)傳授零碎與分散的知識轉(zhuǎn)向整合的知識，科學(xué)教育應(yīng)包括實(shí)踐、跨學(xué)科概念與核心概念3個(gè)維度，并且對3個(gè)維度提出了具體的學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)與要求。并且針對此標(biāo)準(zhǔn)提出了6個(gè)跨學(xué)科概念，分別是模式、原因與結(jié)果、比例與數(shù)量、系統(tǒng)和系統(tǒng)模型、能量和物質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能[7]。

2013年6月發(fā)布的美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（NGSS）（第四代科學(xué)課程改革階段）中明確要求在美國的科學(xué)教育中要整合技術(shù)工程和數(shù)學(xué)教育。

2015年美國正式頒布了STEM教育法案。

我國研究起步較晚些，在我國基礎(chǔ)教育階段還沒有建立起較為完善的STEM教育體系，還處于探索階段，對于STEM教育的理念還沒有普及，相關(guān)教育的政府文件相對較少。還需要學(xué)習(xí)與借鑒美國先進(jìn)的教育經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國實(shí)際教育現(xiàn)狀，探索有效的教改措施。

2.STEM教育內(nèi)涵的基本理解

STEM教育是一種基于整合的教育，它是在真實(shí)情境之下，面對真實(shí)的問題或任務(wù)，通過有效設(shè)置問題、角色扮演、合作學(xué)習(xí)達(dá)到解決實(shí)際問題的目的。它的特點(diǎn)是：情境與合作、跨學(xué)科整合、問題驅(qū)動[8]。其中各字母代表的涵義分別為：

S-科學(xué)（Science），了解新知識、探究新知識的科學(xué)方法，往往涉及提出問題、做出假設(shè)、制定計(jì)劃、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、得出結(jié)論、反思與評價(jià)等。

T-技術(shù)（Technology），它是在科學(xué)探究的過程中為了解決實(shí)際問題做出某些改進(jìn)或創(chuàng)造的手段，包括選擇材料、選擇工具、技巧與方法等。

E-工程（Engineering），以工程師身份，對某一個(gè)項(xiàng)目學(xué)習(xí)制定出一整套科學(xué)的程序，包括明確任務(wù)、制定計(jì)劃、實(shí)施步驟、初步試驗(yàn)、修改原型、迭代優(yōu)化與產(chǎn)品定型等。

M-數(shù)學(xué)（Mathematics），它是人類解決問題或進(jìn)行每項(xiàng)科學(xué)研究時(shí)所涉及到的對客觀世界的描述或運(yùn)算過程，包括測量數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)列表、曲線描述與數(shù)學(xué)關(guān)系描述等。

3.STEM素養(yǎng)的基本理解

在我國，對于STEM素養(yǎng)的正式文件見于教育部2016年6月頒布的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》，在這份文件中明確指出“積極探索信息技術(shù)在眾創(chuàng)空間、跨學(xué)科學(xué)習(xí)（STEAM教育）、創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應(yīng)用，著力提升學(xué)生的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。”這標(biāo)志著STEM教育改革在中國走上了正規(guī)化快速道路，切實(shí)采取有效措施培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)顯得十分的必要與重要。STEM素養(yǎng)分別體現(xiàn)四類不同的素養(yǎng)，分別為：科學(xué)素養(yǎng)技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)與數(shù)學(xué)素養(yǎng)等。

科學(xué)素養(yǎng)是運(yùn)用科學(xué)知識理解自然界并參與影響自然界的有關(guān)決策的能力?？茖W(xué)素養(yǎng)的形成必須具備一定的科學(xué)知識.科學(xué)能力與科學(xué)的態(tài)度。

技術(shù)素養(yǎng)即使用、管理、理解與評價(jià)技術(shù)的能力。其基本內(nèi)涵是技術(shù)知識與工具、技術(shù)能力與方法、技術(shù)意識與態(tài)度。

工程素養(yǎng)是對技術(shù)的工程設(shè)計(jì)與開發(fā)過程的理解能力。涉及工程知識、工程設(shè)計(jì)與技能、工程意識等3個(gè)具體內(nèi)涵。

數(shù)學(xué)素養(yǎng)是學(xué)生在解決實(shí)際數(shù)學(xué)問題時(shí)分析、判斷、遷移及推理等能力。涉及數(shù)學(xué)知識、數(shù)學(xué)能力、數(shù)學(xué)意識與態(tài)度等[9]。

4.化學(xué)教學(xué)與STEM素養(yǎng)的培養(yǎng)

（1）案例

教學(xué)中有關(guān)水的性質(zhì)的教學(xué)。

提出問題：能源問題涉及到國家的振興與發(fā)展，涉及到千家萬戶，利用好水資源解決能源危機(jī)，實(shí)際解決問題的過程中需要綜合考慮哪些因素？請你以工程設(shè)計(jì)的視角，需要進(jìn)行哪些步驟和技術(shù)的改進(jìn)？小組進(jìn)行討論，形成一系列問題，如科學(xué)問題技術(shù)問題、工程問題及數(shù)學(xué)問題，現(xiàn)列舉如下。

需要解決的科學(xué)問題有：了解其中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化及能量轉(zhuǎn)化情況，采用何種形式的能量的轉(zhuǎn)化，能否采用合適的催化劑，從定性和定量角度分析水轉(zhuǎn)化為氫氣的宏觀與微觀特征。

需要解決的技術(shù)問題有：主要涉及在水分解過程中，采用的裝置分析，電極的選取、氫氣產(chǎn)生的速率的影響因素、電壓的大小及氫氣的收集等問題。

需要解決的工程問題有：從整體上統(tǒng)籌考慮，主要考慮在電解過程中團(tuán)隊(duì)合作意識、安全意識、制取氫氣的成本等，如何優(yōu)化方案使方案更具有實(shí)用價(jià)值與社會推廣價(jià)值。

需要解決的數(shù)學(xué)問題有：從定量角度進(jìn)行分析，消耗的能源與產(chǎn)生的能量的比較分析，理論產(chǎn)生的氫氣量與實(shí)際產(chǎn)生的氫氣質(zhì)量分析，容器的體積與承受的壓強(qiáng)的數(shù)據(jù)分析等。

（2）培養(yǎng)途徑

在實(shí)際教學(xué)中實(shí)施項(xiàng)目化學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生STEM素養(yǎng)的有效途徑，根據(jù)深度學(xué)習(xí)的相關(guān)特征，形成項(xiàng)目化學(xué)習(xí)整體設(shè)計(jì)的一般程序與模式，提出4個(gè)方面的總體設(shè)計(jì)，即4個(gè)實(shí)施階段，一是以項(xiàng)目為根，注重真實(shí)問題情境的創(chuàng)設(shè);二是以體驗(yàn)為主，注重主體獲取新知;三是以交流為介，注重主體的實(shí)踐;四是以整合為標(biāo)，注重工程價(jià)值設(shè)計(jì)。在具體實(shí)施時(shí)，第1階段重點(diǎn)是挖掘有價(jià)值的工程問題，確定具體的學(xué)習(xí)項(xiàng)目，體現(xiàn)生活化與社會化的特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng);第2階段重點(diǎn)是通過主體參與與體驗(yàn)獲取新知，在此過程中培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力與科學(xué)精神;第3階段是強(qiáng)化學(xué)生角色培養(yǎng)，進(jìn)行科學(xué)問題的探討及技術(shù)的改進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)等;第4階段重點(diǎn)是整合有關(guān)知識，整體進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，綜合考慮一些因素，進(jìn)行角度體驗(yàn)，設(shè)計(jì)出合理的方案，培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)、科學(xué)素養(yǎng)及數(shù)學(xué)素養(yǎng)等。

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