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学习感悟：今天听了刘恩山教授的讲座—从课程标准修订看高中生物教学改革，其中讲到课程设计引领教学实践的改革，提到数学、技术和工程学（STEM）融入生物学课程，以前强调STS教学，现在在原有的基础上，工程学融入生物学，对于国家课程是很有意义的。觉得应该再好好学习总结体会。 一、什么是STEM STEM代表科学（Science），技术（Technology），工程（Engineering），数学（Mathematics）。STEM教育就是科学、技术、工程和数学的教育。STEM教育并不是科学、技术、工程和数学教育的简单叠加，而是要将四门学科内容组合形成有机整体，以更好地培养学生的创新精神与实践能力。 美国政府STEM计划是一项鼓励学生主修科学、技术、工程和数学（STEM）领域的计划，并不断加大科学、技术、工程和数学教育的投入，培养学生的科技理工素养。 美国政府STEM计划是为了吸引人才，鼓励学生主修科学、技术、工程和数学领域，并不断加大科学、技术、工程和数学教育的投入，培养学生的科技理工素养，从而提升其全球竞争力。 STEM教育是一种“后设学科”，即这一学科的建立是基于不同学科之间的融合然后形成一个新的整体，将原本分散的学科形成一个整体，由此形成当今日趋受到重视的、跨领域的STEM教育。美国高度重视STEM教育的根本原因，在于其深刻认识到美国科学技术的滑坡在于其人才的严重短缺，这在美国近10余年来的大量文献中屡屡被提及。 二、基本要素 STEM教育重在培养学生的四种素养： 第一、科学素养（Scientific literacy）。是一种运用科学知识和过程（如物理、化学、生物科学和地球空间科学）理解自然界并参与影响自然界的有关决策，主要包括三大领域：生命与卫生科学、地球与环境科学、技术科学。 第二、技术素养（Technological literacy）。是指使用、管理、理解与评价技术的能力。学生应当知道如何使用技术，了解技术的发展过程，具备分析新技术如何影响自己、国家乃至整个世界的能力。技术是对自然环境的革新与改造以满足人们的现实需要。 第三、工程素养（Engineering literacy）。是指对技术的工程设计与开发过程的理解。工程课程是基于项目，整合了多门学科的知识，使得难以理解的概念与学生生活密切相关，激发学生解决问题的兴趣。工程设计是把科学与数学原理系统地、创造性地用于实践的结果。 第四、数学素养（Mathematical literacy）。指学生在发现、表达、解释和解决多种情境下的数学问题时进行分析、推断和有效交流思想的能力。 三、STEM教育的核心特征 STEM教育中四门学科的教学必须紧密相连，以整合的教学方式培养学生掌握知识和技能，并能进行灵活迁移应用解决真实世界的问题。融合的STEM教育具备新的核心特征：跨学科、趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、实证性和技术增强性等。 1．跨学科 将知识按学科进行划分，对于科学研究、深入探究自然现象的奥秘和将知识划分为易于教授的模块有所助益，但并不反映我们生活世界的真实性和趣味性。因此，分科教学在科学、技术和工程高度发达的今天已显出很大弊端。针对这一问题，理工科教育出现了取消分科、进行整合教育的趋势。STEM教育因此应运而生，跨学科性是它最重要的核心特征。 跨学科意味着教育工作者在STEM教育中，不再将重点放在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，强调利用科学、技术、工程或数学等学科相互关联的知识解决问题，实现跨越学科界限、从多学科知识综合应用的角度提高学生解决实际问题的能力的教育目标。 2．趣味性 STEM教育在实施过程中要把多学科知识融于有趣、具有挑战性、与学生生活相关的问题中，问题和活动的设计要能激发学习者内在的学习动机，问题的解决要能让学生有成就感，因此需有趣味性。STEM教育强调分享、创造，强调让学生体验和获得分享中的快乐感与创造中的成就感。有的项目还把STEM教育内容游戏化，因为将基于探索和目标导向的学习嵌入游戏中，有利于发展学习者的团队技能、教授交叉课程概念和负责的科学内容主题，可以得到更多、更理想的教育产出。 3．体验性 STEM教育不仅主张通过自学或教师讲授习得抽象知识，更强调学生动手、动脑，参与学习过程。STEM提供了学生动手做的学习体验，学生应用所学的数学和科学知识应对现实世界问题，创造、设计、建构、发现、合作并解决问题。因此，STEM教育具有体验性特征，学生在参与、体验获得知识的过程中，不仅获得结果性知识，还习得蕴含在项目问题解决过程中的过程性知识。这种在参与、体验中习得知识的方式对学生今后的工作和生活的长远发展会产生深刻影响。 4．情境性 STEM教育具有情境性特征，它不是教授学生孤立、抽象的学科知识，而强调把知识还原于丰富的生活，结合生活中有趣、挑战的问题，通过学生的问题解决完成教学。STEM教育强调让学生获得将知识进行情境化应用的能力，同时能够理解和辨识不同情境的知识表现，即能够根据知识所处背景信息联系上下文辨识问题本质并灵活解决问题。STEM教育强调知识是学习者通过学习环境互动建构的产物，而非来自于外部的灌输。情境是STEM教育重要而有意义的组成部分，学习受具体情境的影响，情境不同，学习也不同。只有当学习镶嵌在运用该知识的情境之中，有意义的学习才可能发生。教师在设计STEM教育项目时，项目的问题一方面要基于真实的生活情景，另一方面又要蕴含着所要教的结构化知识。这样，学生在解决问题的过程中，不仅能获得知识，还能获得知识的社会性、情境性及迁移运用的能力。情境性问题的解决，可以让学生体验真实的生活，获得社会性成长。 5．协作性 STEM教育具有协作性，强调在群体协同中相互帮助、相互启发，进行群体性知识建构。STEM教育中的问题往往是真实的，真实任务的解决离不开其他同学、教师或专家的合作。在完成任务的过程中，学生需要与他人交流和讨论。建构主义指出，学习环境的四大要素包括“情境”“协作”“会话”和“意义建构”。STEM教育的协作性就是要求学习环境的设计要包括“协作”和“会话”两要素：让学生以小组为单位，共同搜集和分析学习资料、提出和验证假设、评价学习成果;同时，学习者通过会话商讨如何完成规定的学习任务。需指出的是，小组学习最后的评价环节以小组成员的共同表现为参考，而不是根据个人的表现进行独立评价。 6．设计性 STEM教育要求学习产出环节包含设计作品，通过设计促进知识的融合与迁移运用，通过作品外化学习的结果、外显习得的知识和能力。设计出创意作品是获得成就感的重要方式，也是维持和激发学习动机、保持学习好奇心的重要途径。因此，设计是STEM教育取得成功的关键因素。美国学者莫里森认为，设计是认知建构的过程，也是学习产生的条件。学生通过设计可以更好地理解完成了的工作，从而解决开放性问题。在这个过程中，学生学习知识、锻炼能力、提高STEM素养，因此设计性是STEM教育的又一核心特征。科学在于认识世界，解释自然界的客观规律，技术和工程则是在尊重自然规律的基础上改造世界，实现对自然界的控制和利用，解决社会发展过程中遇到的难题。按照科学和数学的规律开展设计实践是科学、数学、技术与工程整合的重要途径。 7．艺术性 也有人提出STEAM的概念，强调在STEM中加入“Art”学科。这个“A”狭义上指美术、音乐等，广义上则包括美术、音乐、社会、语言等人文艺术，实际代表了STEM强调的艺术与人文属性。STEM教育的艺术性强调在自然科学教学中增加学习者对人文科学和社会科学的关注与重视，例如在教学中增加科学、技术或工程等相关发展历史，从而激发学生兴趣、增加学习者对STEM与生活联系的理解以及提高学生对STEM相关决策的判断力;再如，在对学生设计作品的评价中，加入审美维度的评价，提高学生作品的艺术性和美感。概括来说，STEM教育的艺术性是以数学元素为基础，从工程和艺术角度解释科学和技术。 8．实证性 实证性作为科学的本质的基本内涵之一，是科学区别于其他学科的重要特征，也是科学教育中学习者需要理解、掌握的重要方面。STEM教育要促进学生按照科学的原则设计作品，基于证据验证假设、发现并得出解决问题的方案;要促进学生在设计作品时，遵循科学和数学的严谨规律，而非思辨或想象，让严谨的工程设计实践帮助他们认识和理解客观的科学规律。总之，STEM教育不仅要注重科学的实证性，更强调跨学科情景中通过对问题或项目的探索，培养学生向真实生活迁移的科学精神和科学理性。 9．技术增强性 STEM教育强调学生要具备一定技术素养，强调学生要了解技术应用、技术发展过程，具备分析新技术如何影响自己乃至周边环境的能力。在教学中，它要求利用技术手段激发和简化学生的创新过程，并通过技术表现多样化成果，让创意得到分享和传播，从而激发学生的创新动力。STEM教育主张技术作为认知工具，无缝地融入到教学各个环节，培养学生善于运用技术解决问题的能力，增强个人驾驭复杂信息、进行复杂建模与计算的能力，从而支持深度学习的发生。 四、STEM课程的跨学科整合模式 在课程方面，STEM教育代表了课程组织方式的重大变革。目前中小学最广泛应用的课程模式是分科教学模式，即数学、科学等学科教师负责教授各自科目，很少重视学科之间的联系。然而，要让学生为未来的职业发展做准备，他们必须超越学科的界限进行思考。有研究表明，学习者接受STEM教育有助于获得对数学和科学等内容更加深入的理解；同时也有助于培养他们获得在真实世界应用这些知识解决问题的能力，因为这些问题从本质上就是跨学科的。因此，STEM教育的课程设计应该使用“整合的课程设计模式”，即将科学、技术、工程和数学等整合在一起，强调对知识的应用和对学科之间关系的关注。 不管采用哪种取向的整合模式，将知识情境化与社会化都是其优势，但各学科原有知识体系结构的劣构化是它们面对的共性问题，容易造成学生学习知识结构的不均衡，可能某些知识掌握得较好，有些知识却没有触及。这种基础知识的结构性偏差对于中小学生是个很大的问题。创新精神与实践能力培养的可持续性，其根源还在于学习者有良好的知识结构，并能不断自我完善和发展。基础教育领域知识的结构性缺失，会给儿童一辈子的成长带来障碍。因此，STEM的跨学科整合，一方面要将分学科的知识按问题逻辑或项目逻辑进行跨学科重组，另一方面又要确保设计的问题和项目对所有学科基础性知识结构的全面、均衡的覆盖。设计和实施STEM跨学科整合的课程，要在学科知识的系统性与解决实际问题/项目中所获知识的随机性之间保持一定的张力和平衡，基于整体知识结构的系统性设计问题，使各问题之间包含的学习议题多次地相互邻接和交叉重叠。 例如，科学问题本就源于自然，源于某一现象的问题，如“为什么杯子里的热水会变凉？”工程学则源于需要解决的某个难题，例如“怎样让房子更保暖？”这两个貌似不相同的问题，其本质却都是热学中能量的传递问题。当教学围绕这个本质展开时，就有了一条隐形的线索，将科学和工程问题有效地结合在一起。可见，STEM的教学并不是简单地将科学与工程组合起来，而是要把学生学习到的零碎的知识与机械过程转变成一个探究世界相互联系的不同侧面的过程。 在科学、技术、工程、数学之间存在着一种相互支撑、相互补充、共同发展的关系。如果要了解它们，尤其是它们之间的关系，就不能独立其中任何一个部分，只有在交互中，在相互的碰撞中，才能实现深层次的学习、理解性学习，也才能真正培养儿童各个方面的技能和认识。 可见，当教师在考虑如何将STEM教育引入中小学科学课堂时，必须将它们看作4种彩线，交织在一起，融合在一起，才能织出绚丽的画卷。 五、美国的STEM教育，对我国教育的启示是多方面的 1．树立STEM教育理念助推教育兴国 教育是促进社会进步的重要力量。要实现中国梦，必须提升国家在国际舞台上的竞争实力，这需要文化、科技、产业多方面的力量，这些力量今后将取决于劳动者的素质和水平。STEM教育着眼于复合型创新性人才的培养和劳动力水平的提高，将成为教育兴国一个重要的落脚点。
2．STEM教育与教育体系的改革 STEM教育的推进，应该是一项国家行为，涉及到课程的改革，学科关系的重组，教育评价体制变化，学段衔接关系的设计，是一个庞大的系统工程，需要系统和扎实的研究。 首先，应该鼓励教育研究者深入到教学一线，以更大的胆识和魄力，淡化学科本位，对本学科中的STEM教育的素材进行梳理和重组，与企业和社会力量合作，与其他学科的教育专家合作，从课程、教法、教具、学生学习等多个角度开展深入而系统的研究，并能够在一线教师的课程中得以体现。 其次，需要一线教师相信自己可以改变教育的现状，可以改变自己的课堂。应该鼓励更多的一线教师从事教育研究，给一线教师更大的发挥空间和社会支撑。 再次，需要教育行政管理部门，小步谨慎，踏实认真地设计与STEM教育发展相关的教育政策，整体设计各个学段的相互关系，借鉴美国STEM教育的各种经验，有计划有步骤地稳步推进，不能冒进。 最后，需要学生和家长对STEM教育抱持开放的心态，对参与项目和教学改革的教师给予信任和理解。 3．关注技术教育与工程教育 世界范围内STEM教育的研究学者普遍意识到在实际的社会分工中从事技术和工程的人数要远远高于从事科学和数学的工作的人数，而在中学教育中，我们更加偏重科学和数学的教育。这是一种教育的反差现象，提醒我们在重视STEM教育的过程中，除了从劳动力培养的角度要重视整个STEM教育，在STEM的内部的各个领域中，也应该增强技术教育和工程教育比重。 技术教育和工程教育的在中学教育中主要是通过技术类课程来实现的，包括信息技术课和通用技术课程。技术教育和工程教育具有明显的应用特点，即学习技术和工程的知识和技能是为了在相关的领域进行应用。 我们国家的课程体系中，有关工程和技术的课程是不被人们看好的，这些课程本身受关注程度不高，在整个课程体系中所占的比重又很低。在不少学校，学军和学农倒是规定了一定的时间，把学生们统一组织起来通过课程的形式加以实施，学工往往流于形式，让学生自己利用节假日的时间去联系实践单位。
4． 科学教育是目前中学教育的重点，物理、化学、生物和地球科学所代表的分科的科学教育很大程度上影响着学生的科学素养，是学生获取科学知识的主要途径，也为今后进入大学从事进一步的科学研究打下基础。现代科学经过几百年的发展，其发展了一套完整的科学体系，环环相扣，这是一种自然的美感。但是体系愈加庞大，学生需要学习的知识越来越多，出于选拔和测试的目的，大量二次创作的结果是学生负担过重，懵懵懂懂学到了一个体系，却难以了解体系的内在结构和生成该体系的过程，而这些恰恰是学生面临科学知识的爆炸和未来学习的最重要的技能。因此有必要从科学素养和STEM教育的角度重视以下四种科学学习过程。 （1）科学阅读。目的是提高学生自学科学的能力，丰富学生的知识面，拓展视野。阅读应注意采百家之言，只有现在了解不同的体系，未来才会相信存在不同的体系，才能够突破现有体系的束缚，创立新的理论。 （2）科学推理。科学推理能力的缺失，使得学生不能做到“大胆假设”更难以做到“去伪存真”。在科学阅读资料中，除了百科全书式的“知其然”的内容，更应当增添福尔摩斯式的“知其所以然”的内容。 （3）科学建模。面向21世纪的复合型创新性人才要能够建一家之言，既需要科学推理带来的定性分析，更需要科学建模将数据用数学工具表达出来。科学建模的能力与学生数据素养水平密切相关。 （4）科学工程。从学生未来独立从事科学研究的角度出发，让学生从实验的目的出发，自主搭建甚至设计实验仪器将会大大锻炼学生的STEM能力。 数学教育是STEM教育的基础，技术深入，工程论证，科学建模，都需要数学作为基础。目前数学教育遇到的挑战很大程度上来自于计算机，数学教育与程序教育的融合，将是一个重要的STEM教育的发展方向。 |
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