STEM教育：基于真实问题情景的跨学科式教育

摘要：STEM教育是当今知识经济时代下全新的教育范式，以培养具有善于质疑、勇于实践和敢于创新的学习品质，以及具有跨学科知识素养和解决真实问题能力的人才为根本目标，已经成为了各国教育领域的重要发展战略。该文首先从传统分科式教学的弊端、知识经济时代对创新性人才的需求和第四次工业革命带来的发展机遇三个方面理清了提倡STEM教育的理据，之后对STEM教育的基本内涵、起源发展和价值取向进行了详细的阐述，最后根据STEM教育的内涵、价值取向和教学理念，探讨了STEM教育在实际教学当中的应用模式。

关键词：STEM教育；学习品质；跨学科知识；真实问题

施跨学科融合式教育，重在培养创新型和复合型人才。随着社会各行各业对人才整体质量要求的不断提高，STEM教育已经成为了全球各地教育专家和学者们关注的热点话题，《2015年地平线报告》(基础教育版)[1]指出，未来的1-2年内STEAM教育将会成为驱动学校教育技术应用的关键因素，并在全球范围兴起与推广，其中的STEAM教育即是在STEM教育中加入“A(Art)(中文名：艺术)”元素，本质与STEM教育相同。作为培养具有全面科学素养和创新探究能力人才的教育新形态，STEM教育将会是21世纪中教育事业成功的关键[2]，已经成为各国教育领域的重要发展战略。

1、提倡STEM教育的理据

(一)传统分科式教学的弊端传统教育把课程按具体学科划分，不可否认，这种分科式的教学方式有利于知识组织的条理化、逻辑化和系统化，便于学生吸收掌握。然而，高度分化的课程体系导致了学科之间的彼此孤立，相互分离，缺乏相互协调与横向联系，不仅不利于对知识体系从部分到整体的理解和把握，更是割裂了教育和真实世界的有机联系。因为知识源于生活，学生的实际生活是一个完整的体验，不是划分为多个学科的，其认知方式具有整体性的特点。而且，真实生活中的问题具有复杂性和多样性的特点，蕴含多种类型的信息，往往不能通过一门学科知识解决。所以，这种分科式教学一方面会导致学生所学知识不能应用于实际问题当中，造成“知识无用论”的现象；另一方面，整体教学还是停留在学生被动接受学习的层次上，侧重知识的复制和积累，不能培养学生的探究能力和创新意识，体验不到学习的真正乐趣。

(二)知识经济时代对创新性人才的需求

人类已经踏入知识经济时代，这是一个以知识创造为核心特征的高度信息化时代。在新时代背景下，知识和信息化静为动，分布式地蕴含于动态的社会情境中，其表现形式不断变化，内涵不断丰富，获取与传递方式越来越广泛，总体呈现出动态性、复杂性、多样性和共享性的特点。这种转型与变革趋势一方面促进了对知识与技能的深层次理解和掌握，另一方面也加快了知识更新和淘汰的进程。知识不再只是对客观世界简单静态的表征，而是主体与客体之间互相动态作用与影响的结果。在知识经济时代下，创新性人才的培养成为核心目标和最终归宿。学习不再是教师灌输、学生被动接受的过程，而是学生主动建构和实践探索的有意义活动。传统的接受性学习已经不能满足当今时代的要求，学生要有热爱探究、敢于探究的意识和精神，能够运用所学知识解决真实生活中的复杂问题。

(三)第四次工业革命带来的发展机遇

在经历了分别以水蒸气、电气和电子信息为标志的前三次工业革命后，人类社会已经迎来了第四次工业革命。这是一个以信息物理融合系统(GPS)为基础，以智能制造为主导，以实现生产方式信息化和智能化为目标的重大革命[3]。2016年1月，在瑞士召开的世界经济论坛把主题定为了“掌握第四次工业革命”，探讨了第四次工业革命的趋势与实现路径。与之前的工业革命相比，第四次工业革命的发展突破了线性的递增模式，实现了呈指数级的飞速增长。随着这次工业革命的到来，催生出了以人工智能、云计算、物联网、移动互联网、机器人、3D打印、5G通信、纳米技术、无人驾驶汽车等先进的科技，并通过将各个技术有效融合，逐渐消除虚拟世界和现实世界的屏障。第四次工业革命改变了社会结构以及人类的生产生活方式，给社会各行各业带来了空前的发展机遇，整体的信息化和智能化水平不断提高，教育行业作为其中的重要一员，应该抓住时机，利用先进科技，使教学方式、学习方式和教学理念朝着个性化、生成化、智能化和融合化的方向发展，促进信息技术与教育的深度融合。

2.多维性理念

STEM教育基于真实问题情境，融合多种学科知识和多种科学技术，以培养学生的STEM素养为目标。STEM教育在实际应用中要遵循多维性的理念，这主要体现在以下几方面：

(1)教学目标的多维性

STEM教育首先要制定总体目标，之后从新课改三维目标(知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观)再进行详细阐述，最后在每个目标下再根据实际划分为更多培养学生创造思维与复合思维的子目标，形成STEM教育的多层次目标体系。

(2)教学内容的多维性

STEM教育强调教学内容要和学生的真实生活紧密结合，从实际问题出发，进行探索式的学习。通过信息技术的使用，教学内容超越了单一的纸质课本范畴，在线平台、虚拟社区、真实场景等都可以提供丰富多彩的教学内容。具体可采用以真实场景为主，其他方式为辅的教学手段。

(3)教学资源的多维性

要开展STEM教育，除了教材之外，更要为学生提供丰富多样的学习资源，除了前面提到的电路板、3D打印机、Scratch编程工具等，还可以提供微视频、导学案、优秀作品等资源。另外，要根据具体不同的问题内容额外增添工具，比如某一个问题包含生物和数学方面的知识，还需要有温度计、显微镜、气压计、计算器等工具。而且有能力的学校可以联合校内教师和校外专家资源，给学生提供更加全面和专业的指导。

(4)教学评价的多维性

不同于传统教学只重视结果单一化的评价方式，STEM教育要进行多维性的评价方式。立足于过程性评价，强调评价主体的多元化、评价对象的个性化和评价结果的全面化。可以为每位学生建立电子档案袋，详细记录有关他们学习过程和学习结果的数据，以便开展基于大数据分析的综合评价和个性化评价。

3.协作性理念

STEM教育的本质是要解决真实问题，这些问题往往瞬息万变、复杂多样，难度较大，所以只有通过学生与教师以及其他同学的交流讨论、协同探索，才能顺利解决，有效完成对知识的意义建构。通过归纳，STEM教育中的协作性主要体现在以下几方面：

(1)学生和教师的协作

这里主要指的是教师作为学习活动的组织者、学习过程的引导者和学习疑问的解答者。学生在教师的帮助下，积极参与实践活动，循序渐进地完成学习任务，提高能力。

(2)学生和学生的协作

学生之间组成小组，根据问题，以小组为单位进行资料的搜集、分析和处理，提出假设并进行验证，彼此之间分工合作，互相之间进行思维上的碰撞，共同商讨，解决问题。

(3)教师和教师的协作

STEM教育面对的是一个个真实的问题，而这些问题在本质上是跨学科的，往往不能通过一门学科的知识解决，所以就需要不同学科教师之间的互助协作，彼此分工，共同指导学生完成项目。

4.项目性理念

STEM教育是真实问题情景下的教育，学生面临的是一个个劣构、复杂的学习问题，为了方便学生理解和掌握，需要把问题转化为可操作的项目，学习的实质就是解决问题和完成项目的过程。所以，项目的设计是STEM教育的核心工作和着力点。教师要组织学生开展基于项目的学习(ProjectBasedLearning)，这本质上是一种基于建构主义的情景化学习模式，强调知识蕴含在真实项目和问题当中，让学生参与到实际操作当中，通过完成一个个项目达到对知识的理解和掌握[18]。这些项目成为联系各个学科的纽带，学生在教师的引导下进行基于真实项目的探索式学习，在完成项目的过程中进行知识的建构和深化。目前美国在这方面开展的比较成熟，设立了“项目引路”(PLTW)机构，核心理念是让学生参与到项目中，分析与解决问题，最终完成学习任务。目前，PLTW已经与多所高校以及其他教育机构一起开展STEM教育，效果显著。在参与项目的过程中，学生从被动的接受者转变为主动的探究者，教师从灌输者转变为学生学习的引导者和帮助者。

2、结束语

STEM教育作为一种全新的教育范式，颠覆了传统的教与学方式，将会推动整个教育体系的发展与变革，具有广阔的应用前景，应该作为政府、社会和学校重点关注的对象。目前，相比于MOOCs、微课、翻转课堂等，STEM教育在我国的起步较晚，属于新事物，还存在很多挑战：一是如何具体设计STEM课程、STEM教学大纲以及STEM教材；二是如何把STEM教育与信息技术深度融合；三是如何设计有效的评价体系，进行科学而全面的评估；四是如何促进不同学科教师之间进行跨学科式的协作教学；五是如何把STEM教育与学校、地方和国家的课程体系有机融合，真正落到课程教学当中；六是如何进一步激活学生的创造意识和深入探索的能力。这些问题都需要学者们进行更深入的研究、实践与探索，做好充足准备，积极迎接崭新教育时代的到来。

参考文献：

[1]Johnson,L.,AdamsBecker,S.,Estrada,V.,Freeman,A..NMCHorizonReport:2015K-12Edition[R].Austin,Texas:TheNewMediaConsortium,2015.

[2]Bybee,R.W.WhatisSTEMeducation?[J].Science,2010,(329):995-996.

[3]安宏宇.第四次工业革命[J].宏观经济管理,2016,(7):83-84.

[4]蔡慧英,顾小清.设计学习技术支持STEM课堂教学的案例分析研究[J].电化教育研究,2016,(3):93-99.

[5]Yakman,G.STEAMGraphics[DB/OL].http://www.steamedu.com/wp-content/uploads/2014/12/STEAMpyramid.pdf,2016-10-19.

[6]李雁冰.“睡眠监测仪科学、技术、工程与数学”教育运动的本质反思与实践问题——对话加拿大英属哥伦比亚大学Nashon教授[J].全球教育展望,2014,(43):3-8.

[7]傅骞,刘鹏飞.从验证到创造——中小学STEM教育应用模式研究[J].中国电化教育,2016,(4):71-78.

[8]Hurd,P.D.Science,TechnologyandSociety:NewGoalsforInterdisciplinaryScienceTeaching[J].TheScienceTeacher,1975,(42):27-30