原创《STEM教育理念对科学教育实践的三大》
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李婧
【摘 要】伴随人工智能和大数据浪潮, 致力于培养学习者创新实践能力和分析决策能力的STEM教育已然成为当前科学教育的主流形式. 本文试图结合STEM教育的核心特征, 解读以能力为本位、 以实践为导向的跨学科综合教育形态的STEM教育理念对当前科学教育实践的三大启示, 以期对开展科学教育实践提供借鉴, 并为相关的科学教育实践者提供参考.
【关键词】STEM教育； 科学教育； 跨学科整合； 科学实践
【 中图分类号】G 42 【文献标识码】A
【 论文编号】 1671-7384（2018）010-045-03
STEM教育及核心特征
1986年, 美国国家科学基金会发布 《本科科学、数学和工程教育》报告（又称《尼尔》报告） , 首次明确提出 “科学、 数学、 工程和技术教育集成” 的纲领性建议, 被视为STEM集成的开端. STEM教育着眼于创新人才的培养, 不局限于某个特定学科或者过于关注学科界限, 而是将重心放在特定问题上, 让学习者在发现、 探索、 实践和分享中进行深度学习, 从而获得在真实世界中应用知识解决问题的综合能力. 相对传统教育而言, STEM教育具备以下特征：
一是能力本位. STEM教育发端于美国, 根植于美国的实用主义哲学. 著名教育家杜威将实用主义哲学与美国教育实际情况结合, 提出了 “教育即生活” “教育即生长” “做中学” 等教育理念, 认为教学要从儿童的现实生活出发, 强调儿童在自身活动中进行学习, 反对不顾儿童接受能力的直接灌输和生吞活剥获取间接经验的方式. STEM教育也与此理念一脉相承, 表现出 “能力为本” 的特征, 即在跨学科的基础上, 培养学习者的问题解决能力、 自主创新能力、 深度学习能力和适应未来能力. STEM教育不是教授学习者孤立、 抽象的学科知识, 而是强调让学习者获得将知识进行情境化应用和解决问题的能力； 注重过程的能力培养, 而非侧重结果的知识累积； 引导学习者积极地参与真实实践, 而非死记硬背学科知识.
二是跨学科整合. 认知科学的研究表明： 相互有联系的知识要比分离的知识碎片更容易用于新遇到的情况, 这支持了整合学科的做法. STEM教育应运而生, 跨学科性是它最重要的核心特征. STEM教育旨在加强科学、 技术、 工程、 数学等学科的整合, 加强知识概念与现实世界经验之间的联系, 强调问题导向, 进而引导学习者进行深度学习, 是一种跨学科综合教育的形态. 随着STEM教育理念的普及, 也逐渐扩展出STEAM（科学、 技术、 工程、 艺术和数学）教育、 STREAM（科学、 技术、 阅读、 工程、 艺术和数学） 教育, 但无论何种形式、 何种叫法, 它们的核心都是跨学科整合. 余胜泉教授称其为STEM+, 并认为我们不应该过度聚焦应该包含什么领域, 而是应该回归STEM教育跨学科整合的本质和核心, 需要使学习者学习零碎知识变成相互联系统一的整体, 进而培养学习者解决实际问题的综合能力.
三是实践体验. 优秀的STEM教育实践既要创设有利于学习者应用相关知识的问题情境让学习者进行探究、 实践, 又要鼓励引导学习者进行协作会话、反思. STEM教育强调学习者的参与和实践, 让学习者动脑、 动手、 动嘴, 自主参与学习过程, 体验创造、设计、 建构、 发现、 合作并解决问题的整个流程, 同时把知识还原于丰富的生活, 结合生活中有趣、 有挑战性的问题, 让学习者在问题解决过程中不仅获得既定的显性知识, 同时收获蕴含在问题解决过程中的隐性知识和过程性知识. 让学习者以一种类似科学家或者工程师工作的方式去体验、 去实践, 是STEM教育的另一大核心特征.
STEM教育理念对科学教育实践的三大启示
1.科学教育应是发挥学习者 “四动” 的有机整体STEM教育强调能力本位, 解决真实的问题, 而这里的能力强调的是全方位、 整合的能力. 当前的科学教育更多地注重教给学习者既定事实、 实验技能或者固化步骤的思维方式, 把科学教育简单地理解为步骤化的科学探究过程, 把整个科学教育的课程设计分解为固定的、 按部就班的、 可供学习者依葫芦画瓢的步骤, 至于为什么要这样画, 是否还有其他画法, 则不做过多深究. 换言之, 当前的科学教育更侧重学习者 “动手” 的实验模仿能力. 然而, 正如 《以大概念理念进行科学教育》一书中阐释： “科学教育的目的是培养知情的决策者, 使学习者具有进行正确决策的知识基础和能力” , 如果科学教育只是教给学习者一些零碎的、 不连贯的知识片段, 堆积在一起的科学定律或者固定化、 程序化的实验步骤, 学习者是很难培养自主决策判断能力和创新能力的.
笔者认为, 科学教育应该是发挥学习者“动脑” “动手” “动嘴” “动笔” 能力的有机整体. “动脑” 是核心, 是假说、 推测、 科学解释、 理论构建等理论性思考的体现, 帮助学习者对有关科学的大概念进行建构. “动手” 是由 “动脑” 驱动, 为 “动脑” 服务, 侧重实践操作, 让事实说话, 为学习者建构和不断修正自己的科学理论提供依据. “动嘴” 和 “动手”是科学共同体真实互动的体现, 进一步促进 “动脑”的发展. 真实的科学研究具有社会性, 科学家之间不仅分工协作, 而且相互交流借鉴. 科学教育的 “动嘴” 可以体现在师生之间、 生生之间开展的开放性讨论或者科学辩论中, 无关对错, 言之有理即可. “动笔” 则是用书面形式进行论证, 鼓励学习者将自己的推理过程、 科学解释、 建构的理论等用文字表达出来, 这是最高的思维形式, 也是学习者自己进行科学探究、 科学实践的记录.
总而言之, 科学教育不应该仅停留在学习者的动手能力上, 而忽视推理建模、 建构科学解释、 评价辩论、 分享交流等重要科学实践行为. STEM教育理念下的科学教育应该关注学习者动脑能力、 动手能力、动嘴能力和动笔能力的有机整合, 以动手服务动脑,以动嘴、 动笔促进动脑的教学实践模式.
2.科学教育应反映科学中各学科相互联系的本质
STEM教育的创新之处在于将四门学科有机整合起来, 打破学科间的界限, 实现跨学科整合的教学, 从而帮助学习者获得相互联系、 统一的而非割裂的、 离散的知识.2013年4月9日, 美国发布的《新一代科学教育标准》 （ Next Generation ScienceStandards , 以下简称 《新标准》 ） , 为了突出 “整合” 这一核心设计理念有七大概念转变, 排在第一位的就是“科学教育应该如在真实世界中的实践和实验那样反映科学中各学科相互联系的本质” . 《新标准》围绕12个学科核心概念组织内容, 共16个主题作为内容呈现的基本单元, 打破了分科教学模式.
笔者认为, 《新标准》 中提到的 “科学教育应该如在真实世界中的实践和实验那样反映科学中各学科相互联系的本质” 的设计理念, 也是建构主义学习理论的体现, 反映了对知识情境性的强调, 注重把学习置于真实的复杂情境中. 从周围世界或日常生活中选择非良构问题是开展科学教育的最佳出发点. 由于问题情境的复杂性, 解决非良构问题不仅需要完整的具体领域知识和结构性知识, 还需要元认知 （如一般策略、 监控、 评估和计划等）和非认知因素（价值观、 情感、 情绪） 的参与. 一个非良构问题可能存在多种可能有效的解决方案, 这与科学家的真实实践和实验场景是类似的, 为了在具有挑战的真实情境中做出明智的决策, 学习者需要像科学家一样思考, 运用认知观、 价值观、 态度、 信念、 动机和情感等分析问题, 并收集各种证据, 整合各种观点来证明自己的决策. 学习者在具体情境中形成与具体情境直接关联的、 不规范的、 非正式的非结构性知识和经验, 正是STEM教育强调的创新能力和分析决策能力最为有力的抓手.
3.科学教育应体现完整的科学探究、 实践过程
STEM教育注重实践, 不仅强调让学习者在真实情境中 “做中学” , 而且提倡学习者在教室里或者学习过程中所为和科学家在实验室里或工程师在实践项目中所为只有程度不同, 没有本质区别. 换而言之, 科学教育应该体现完整的科学探究、 实践过程, 给学习者提供像科学家和工程师般探究实践的机会.
笔者认为, 完整的科学探究或科学实践是一个不断假设、 不断验证、 不断犯错、 不断修正的过程.科学教育也应该让学习者反复经历这样的思考过程, 学习用证据和推理说话. 科学教育不应该是着眼在执行程序化的步骤和得出正确的结论, 而是应该关注学习者的想法是如何形成和发展的. 帮助学习者建构和不断改进自己的科学概念或科学理论, 进而形成科学思维, 是科学教育的核心目标. 美国《新标准》也提出基于 “进阶矩阵” （progression matrix） 设计科学教育内容, 从而促使学习者的科学素养从幼儿园到12年级连贯一致的发展. 这也说明了 , 无论何种年龄阶段、 何种认知水平的学习者, 都应该有体验完整的科学探究、 实践过程的机会, 进而建构自己的科学概念或者理论, 并不断修正完善, 只是各阶段的程度不同而已.
STEM教育如火如荼, 受到国内外广泛关注. 本文结合STEM教育的核心特征和当前科学教育的现状, 解读STEM教育理念对当前科学教育的三大启示, 以期为科学教育实践提供借鉴和参考. 优秀的科学教育应该聚焦反映科学中各学科相互联系本质的非良构问题, 为学习者提供反复经历不断假设、 验证、 犯错、 修正的完整科学探究或科学实践的机会,让学习者动脑、 动手、 动嘴和动笔, 以帮助学习者建构和不断修正自己的科学概念或科学理论, 进而形成科学思维, 培养创新实践能力和分析决策能力, 加强对未来的适应.
作者单位：中国科学院文献情报中心
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