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三、STEM 教育的六大特征 1.应包含“ S、T、E、M”几大要素 STEM中的“ S”，是指科学的概念，而这种科学概念是开展STEM课程的基础， 因为无论课程主题是什么，都要围绕一个科学概念来展开。“T”所代表的技术是学生在课程中操作工具、运用材料等动手能力。“ E”即工程，是进行问题分析、设计方案、建模、测试等解决问题的过程，这也通常是课程设计的主线。“ M”是数学和计算思维，是指学生和教师进行数据解读与分析的能力。 这就意味着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。同时也意味着STEM并不是科学、技术、工程和数学的简单组合，而是把学生学习到的零碎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。  2.以工程设计过程为主导 STEM教育的关键是科学、技术、工程、数学课程的整合。这种课程整合(curriculum integration)的思想越来越受到重视，因为教育者越来越发现真实世界中的问题往往并不能被划分成学校中的单一学科，而是需要多学科知识( 数学、物理、化学、生物等) 的整合，单一学科知识或能力无法完成复杂情境下的工程设计任务。此时就需要工程设计思维来解决问题。 工程设计难有固定的程式，但工程思维通常包括以下一些固定的步骤:一是确定需要解决的问题和需要达成的目标;二是研究和产生解决问题的方案;三是根据已有知识与目标制作模型;四是对模型进行评估，选择最优方案;五是如果没有达到预期目标，则重新定义问题，设计步骤[4]。 目前能够接触到的STEM课程， 大多是以工程为主线、科学为基础、技术和数学为应用的课程。STEM 课程中的工程思维则具有目标性、社会性、合作性的特点。 因此，工程设计能够有效地整合STEM课程的4个要素，在有意义的情境中强化科学、技术、工程和数学各学科概念的学习和应用。 3.关心现实问题，注重在真实情境中学习 情境学习理论强调知识与情境之间动态的相互作用的过程，布朗( Brown) 等人认为:知识与活动是不可分离的，活动不是学习与认知的辅助手段，它是学习整体中的一个有机组成部分。 可以说是学习者在情境中通过活动获得了知识，学习与认知本质上是情境性的[5]。 而在STEM课堂中，情境的意义在于:提出需要解决的问题、指出任务要求、反映出科学家与工程师工作的意义和方式。 “ 流动的液体”( Runny Liquids) 是英国约克大学 CIEC科学促进项目( CIEC Promoting Science) 开发的教学资源之一，适用于8～10岁的儿童。 这是一套典型的工业情境中的课程。 这一任务是由一封来自粘合剂制造商的求助信开始的。 尊敬的研究组: 我们为巧克力制造商生产了一种特殊的粘合剂，他们使用这种合剂将包装纸粘到一起。 我们已经发现了粘合剂最好的原料是树体内的一种液体。 遗憾的是，我们的新配方存在一个问题:这种液体非常粘稠，不能顺畅地通过我们的管道，同时它也非常难以搅拌，导致我们需要大量的电力来运转搅拌机，造成巨大的成本。 我们知道你们研究组正在研究液体。 如果能得到你们关于怎样解决这个问题的建议，我们将感到非常荣幸。 希望你们能提供尽量多的数据，包括测量不同种类液体流动性的数据。 任何有助于让我们的液体流得更顺畅的建议都将给我们很大帮助。 期待能尽快得到你们的回复。 （简·惠灵顿工业聚合树脂有限公司总经理） 这种情境设计可以提高课程相关性，帮助学生建立课程和现实世界的联系，让学习更有目的。 4.以学生为中心，主动实践 STEM的课堂中学生才是主体， 强调教师的引导者作用，通过问题的提出及由浅入深的环节设置逐步引导学生独立解决问题。 教师应当承担的任务可以是: 为学生提供理论及活动支持、在课堂活动中兼顾所有学生、科学概念与科学原理的引入、牵引整合相关概念( 学科知识、学生观念、学生总结);教师还要基于学生已有知识，合理设置活动难度， 引导学生发挥主观能动性，激发学生对课题的兴趣，使他们能够进行主动探索，尝试解决问题和建模，并对自己所收集的数据进行分析和总结。 5.学生进行合作学习，参与整个 STEM 过程 合作学习是STEM课程的重要内容。 通过让学生以小组为单位完成任务来鼓励学生合作，引导学生公开地参与交流、互相支持，并尊重其他同学所做出的贡献。 在达成团队目标的过程中，由不同水平的学生组成合作小组将有助于展示不同的观点和经验，有利于全体学生的发展。 可以给组内学生指定正式角色， 这将有助于简化合作任务，使整个项目顺利开展。 小组成员的角色可以包括以下四种: (1)组长:领导其他学生担任好各自的角色。 (2)指导员:指导团队的每一步工作，关注任务完成的进度，鼓励队员重新尝试。 (3)材料主管:收集、组织并指导材料的使用。 ( 4)记录员:记录队员想法，并展示项目报告。这种与他人合作分享观点、计划和结论的课堂组织形式，可以让学生在与他人的对话中提升见解，也有利于全体师生参与课堂活动。 6.结果开放，允许多个正确答案 在进行工程设计时，学生们常会提出一些出乎教师意料的设计思路，结果可能成功，可能失败，也有可能虽然成功但是与教师预期结论并不相同。 STEM课程作为一种融合了多种概念的“ 后设课程”，在探究活动中出现不同结果是十分正常的。这就要求教师认真对待学生的设计思路，允许学生失败， 因为基于失败作品的重新研制也是正常且必要的，对失败的反思、重新设计与制作的过程，可以更好地帮助学生学习。 四、STEM 教育中 对学生与教师的评价 完整的课堂不仅要给学生提供学习内容，还要有完整的评价标准，不仅针对学生，还要针对教师。 2017年9月18日， 中国教育科学研究院STEM教育研究中心组织召开了《 STEM教师能力等级标准( 征求意见稿)》( 以下统称《 标准》)专家论证会。 《 标准》 对STEM教师需要掌握的专业知识和专业技能及实践操作等方面提出了具体而实用的指导意见，作为STEM从业教师实施教育教学行为的指导大纲， 能有效促进 STEM 教师队伍的专业化发展， 同时解决了STEM师资培训缺少框架和依据的问题， 推进了STEM教育培训工作的专业化和标准化。具体标准见表 1。  表1 STEM教师能力等级的七个一级指标 对学生的评测通常包括形成性评测和总结性评测两个部分。 形成性评测的应用是一个连续的反复进行的过程。 评测中所获得的有关学生概念和能力的信息， 要同时告知教学的各个方面，并能促进学生主动参与学习。形成性评测整合于教学之中，并且对所有领域科目都有效。在形成性评测中，教师和学生一起收集和使用实证，以决定下一步的学习，使学生进一步趋近特定的课程目标。对教师来说，形成性评测的要点是要和学生分享目标，让学生认识到学习活动的目的与收获;将判断学习活动预期质量的标准，明晰地告诉学生，以便学生有效管理自己的时间和精力。总结性评测结果除了会告知学生自己，还会告知家长和其他教师， 使他们能够了解学生相对于目标和标准而言所取得的成绩。 以美国康涅狄格科学中心开发的 STEM 案例为例，其形成性评测量表依照工程过程( engineer-ingprocess)识别问题、创建设计( 蓝图)、建立模型、检验和收集数据、分析数据和再设计、交流结果( 汇报)、交流结果( 建议书)的七个步骤，将学生在每一步骤中所达到的水平分为 5 级，对应分值为0至4分( 见表2)。 教师在实施形成性评测过程中，对照量表中的能力要求为学生各个步骤的表现评分。 随后的总结性评测将在形成性评测的基础上运用评级单来进行( 见表 3)。  表2 工程过程的形成性评测量表  表3 工程过程评级单 康涅狄格科学中心的 STEM 开发团队强调，工程过程的形成性评测量表是在单元教学时评测学生的一种方法，当然，也可以在整个单元的各个时期，或者特定的某些调整中选择使用其他策略。 对于课程中涉及的小组活动，可以收集学生的工程笔记本来更好地了解他们对科学内容及工程过程的理解。 总结性评测可以在单元结束时来评测学生对工程过程的理解，其中的建议书要求学生将小组在整个过程中所做的工作汇总，使用检验和再设计中的证据撰写一段文字来论证本组的设计是解决既定问题的最好方案。 建议书可以通过在单元结束时检查其完整性和使用过程量表来评价。 由于交流结果建议书和汇报都应涵盖过程的所有步骤，所以可用相同的量表进行评价。 五、STEM 课程实施建议 针对目前我国 STEM 教育中存在的诸多问题，面对当前STEM教育的热潮，科学教育工作者当然要借鉴国外STEM教育案例， 但不可照搬照抄或简单地用科技活动充当STEM课程，而是要在深入理解 STEM 教育精髓的基础上，通过不断学习和实践发展出属于中国的本土化STEM课程体系，这将是一个任重而道远的过程。在此提出实施 STEM 课程的如下建议。
1.以技术和工程为问题情境进行本土化STEM课程的设计 在STEM教育中，学生的兴趣是根本。以技术和工程设计为问题情境，更易激发学生兴趣，同时便于结合与之相关联的物理与工程的基本原理，如力、运动、能量、电、磁等。 通过与科学教师的讨论发现，STEM 课程中所结合的学习内容，往往是学生在其他学科课程( 包括数学) 中需要学习的知识和原理， 融合的 STEM 课程设计有利于打通各学科之间的关联。 在STEM课程中学生参与设计、搭建、测试、改进的过程，从中可以真切地感受到科学知识如何被应用于解决实际问题，同时丰富发现问题、解决问题的经验。STEM 课程要能够提高学生解决工程问题的各项综合能力和素质，体现出跨学科的集成与融合。 2.以大概念的理念为指导，开展基于探究式 的科学教学 STEM课程实施过程充分体现了探究式科学教育的重要性。“ 探究学习”一词是由美国芝加哥大学教授施瓦布(J.J.Schwab)于1961年在《作为探究的科学教学》( Teaching of Science as Enquiry)报告中首次提出的。 他指出“: 如果要学生学习科学的方法， 那么有什么学习比通过积极地投入到探究的过程中去更好呢? ”[6]从那时以来，探究学习不仅成为科学教学的主流方式，而且成为科学教育的一个重要目标。 自我国在 21 世纪初启动新一轮课程改革以来，探究学习便成为最热门的关键词之一。 韦钰院士领衔的“ 做中学”科学教育实践项目开启了中国的探究式科学教育。2017年1月新颁布的《 义务教育小学科学课程标准》 在描述科学课的基本理念时强调: 小学科学课程以探究式学习为主要的学习方式。 探究式的学习和科学课程有着天然的联系， 因为探究是科学家探索和了解自然、获得科学知识的主要方法[7]。 以实证为基础、运用数量分析和逻辑推理，公开研究结果，接受质疑，不断更新和深入，正是 STEM 教育的特点。 3.以提高学生科学素养为目标，关注对学生 学习效果的评测 STEM教育的根本目标在于培养和提高学生的科学素养。因此，认为STEM的评测应以产品为依据的说法是不正确的。 评测在 STEM 教育中发挥着关键的作用。 在任何情况下，评测的最终目的都应该是改进学习。 对学生学习过程的形成性评测和对学生学习进度的总结性评测，都应服务于STEM教育的整体目标。 |
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