集成式STEM教育:破解综合能力培养难题

上世纪末，以美国为首的西方国家在高校发起了一场重点围绕STEM（即Science，Technology，Engineering，M&them&tics）的教育改革，后来逐渐拓展到K-12阶段，旨在通过加强科学、工程、技术和数学教育中创新人才培养的力度，提升国家的综合国力。

STEM教育综合了科学、技术、工程与数学等学科，具有跨学科、跨领域的特点。科学研究在于认识世界、解释自然界的客观规律，主要解决自然现象“是什么”“为什么”的问题；工程与技术则是在尊重自然规律的基础上，改造世界，满足人类社会发展需求，回答社会实践中“做什么”“怎么做”的问题；数学则是科学、工程和技术发展必不可少的工具。

随着STEM教育的发展，“集成式STEM”（Integrated STEM）的概念逐渐明晰。“集成”强调四个领域之间的关联及有目的、有方法、有系统的融合。科学与工程问题是课程的主线，通过其创造出一个多维的空间，从而为学生提供一系列具有一定程度关联性的学习经历。学习的目的在于通过探究科学现象和解决实际问题达成认识和技能的发展。数学和技术既是研究中必不可少的工具，也是重要的学习内容，恰当的教学设计可以使四个领域的学习相互促进、协调发展。在K-12阶段，由于工程教育并不完全独立，科学教育就成为实践STEM的重要阵地。

“集成”，强调知识和技能的融会贯通

“集成式STEM”课程目标强调五个方面，包括STEM素养、21世纪技能、STEM的工作愿景、兴趣和参与性以及连接STEM学科的能力。

其中，STEM素养和2l世纪技能是两个高层次的目标。人们大多将STEM素养看成是科学素养、技术素养、工程素养和数学素养的统称，这四方面素养是密切联系的，通过STEM素养和2l世纪技能两项目标的达成，学生应该做到：①理解科学、技术、工程和数学对当代社会的重要意义；②至少熟悉每个领域涉及的基本概念，并能较为熟练地运用这些概念与原理；③发展学生在认知（批判思维、创造性）、人际交往（沟通、合作）和个性特征（灵活性、主动性、元认知）等三个方面的基本素养。

“连接STEM学科的能力”，是学生跨学科的基本能力，具体包括：①识别和运用一些在不同学科领域中具有不同含义和用处的概念；②在STEM实践中使用不同学科的知识；③通过在两个或更多学科间实践的连接来解决一个问题或完成一个项目；④当一个概念或实践以综合的方式展现时，能够识别各个领域的内容；⑤利用学科知识来支持关联的学习经验，并知道在何时使用。这一目标尤其突出“集成”的特点，不仅要求学生学习每个领域的知识和技能，也学习如何将这些知识和技能融会贯通到其他领域中，或将一个领域的方法和技能用于解决另一个领域的问题，从而实现跨学科、跨领域人才的培养。

基于问题、基于设计和基于项目的学习

在STEM教育的课堂上，教师可能提出一个问题，¢然后要求学生组成探究小组开展原创性研究。在研究过程中，学生要使用各种技术和方法搜集信息、证据和数据，分析数据，设计、测试和改进一个问题的解决方案，然后与其他同伴交流研究成果、分享信息。这样的教学情境，强调对学生的设计能力与问题解决能力的培养。

STEM教育的本质是在众多孤立的学科中建立一个新的桥梁，从而为学生提供整体认识世界的机会，通过把这四个领域学科知识和技能的教学整合到一种教学范例中，使学生学习的零碎知识变成一个相互联系、相互统一的整体，这样就消除了传统教学中各学科知识割裂、不利于学生综合解决实际问题的障碍，形成一种跨学科的学习方法。

因此，与传统教学不同，“集成式STEM”的教学方式更强调以学生为中心、强调学习经历和结果的开放性，经常使用多种方式的基于问题、基于设计和基于项目的学习。

基于问题研究的教学

将实际生活中的实例引入课堂，在科学探究的过程中通过问题引发科学、工程和技术的实践是值得借鉴的一种教学方式。“基于太阳能电池的探究性活动”的教学案例，将工程引入常规的科学课，进行为期一周的用于支持数学、科学和工程课程学习的太阳能主题活动。

活动准备

教师通过访谈了解学生对太阳能电池的理解情况，如询问学生“太阳能电池产生的电量是否依赖太阳光的照射量？”“如果你要使用太阳能电池作为电源，你要做些什么才能使太阳能电池产生尽可能多的电量？”“气温的不同是否会影响产生的电量？”……通过访谈，教师了解到学生对太阳能电池并不陌生，他们能观察到周围有很多地方安装了太阳能电池，很多学生知道太阳能电池是依靠光线产生能量，但大多数学生将太阳光照射产生的热量作为太阳能电池产生电能的条件，而且错误地认为在炎热的天气中太阳能电池能产生更多的电能。

太阳能小车装配

在正式的探究活动开始前，教师对学生以小组为单位装配太阳能小车的活动进行了观察，发现学生在运行和使用小车时暴露出不少问题：他们会拿着小车站在背光的地方，或是围着小车研究为什么马达不转而不知道这样做其实挡住了光；웃他们会把小车拿到有坡度或不平整的地方，然后解决不了小车突然停下来的问题。在遇到这些问题时，教师并不急于指导，因为基于问题的STEM教育的优势就在于让学生自己想办法、寻找帮助、最终解决遇到的实际问题。

太阳能电池的活动

接下来，教师设计了两个基于问题的活动来帮助学生。一是使学生形成对阳光入射角与太阳能电池关系的概念，“当你减小光线入射角度时，电流如何变化？”“哪个角度产生的电流最大？”“电流与太阳能电池上光线入射角的关系如何？”学生思考这些问题，再通过实验测量不同光源照射角度时太阳能电池产生的电流值来了解阳光入射角与电池电量的关系。第二个活动是帮助学生建立不同温度下太阳能电池电量产生情况的概念，通过使用电吹风、冰袋、暖手宝等材料、在保持光源垂直照射太阳能电池的条件下测量产生的电流大小。这个活动中，学生经历了对比实验设计、实验操作、数据收集与记录、讨论等探究过程，教师促使学生思考“在哪种条件下产生电流最大？”“加热或降温状态下，电流如何变化？”“太阳能电池产生电能依赖于温度吗？”“支持你的回答的证据是什么？”等。 太阳能小车的改进与比赛

对太阳能电池的探究活动支持着学生对实际问题的思考，他们很快将实验探究的结果运用于实际，包括对太阳能小车外形的改进和对测试场地的研究。在课程的最后，教师带领学生进行了一场赛车活动来展示学生的研究成果，并通过交流活动来了解彼此的经验和想法。

基于设计的教学

工程设计是工程师解决问题的基本方法，涉及许多不同的实践过程，如问题界定，模型开发和使用，数据的研究、分析和解释，数学和计算思维运用，确定解决方案等。这些都与解决实际工程技术问题密切相关。

基于设计的课堂活动可以综合科学、技术、工程和数学四个领域，在学生学习科学与数学内容和实践的同时开展技术和工程的学习。通过计划、创造、检测、分享等环节，帮助中小学生理解工程设计的基本步骤和要点。这里介绍一个面向3年级学生，将关于灾害天气和科学内容与工程设计流程相结合的教学内容。在学生已经学习了有关天气基本知识的前提下，教师利用当地正在遭遇的一次强暴雨天气，结合对灾害天气的了解和预防设计了为期一周的STEM活动。

计划

这一环节是让学生获得完成设计任务所必需的背景知识。因此，学生在笔记本上写出他们曾经经历过的灾害天气，相互交流自己的感受，再通过观看有关视频资料，总结包括龙卷风、暴雨、飓风等天气的特点，了解测量天气的工具以及不同的数据图表。接着，教师给出一个设计挑战：设计和创造一个建筑物，让它承受一种给定形式的灾害天气（雷暴、飓风或龙卷风），要求利用能循环使用的材料，建筑物宽度小于40cm，高度小于50cm，有底座、侧面和顶。

学生以小组为单位讨论：选用哪种材料、做成什么形状等，教师要求学生把小组设计的建筑物画出来，并在图上标注出计划使用的材料和工具。

创造

通过两天的设计和讨论，第三天学生开始搜集材料，并着手搭建他们的建筑物。教师通过天气警报的方式将有关信息发给每个小组，学生据此判断他们的建筑物可能遭遇哪种灾害天气，并搜集更多的材料改进他们的建筑物。教师要求学生回顾设计的要求和标准以及灾害天气的类型和特征，让学生思考建筑物可能遇到的危险，在学生操作时教师给予恰当的帮助。

测试

在这一环节，各种各样的工具被用于测试建筑物的稳定性。吹叶机被用于模✎拟飓风和龙卷风，冰用于模拟冰雹，水龙带用于模拟暴雨。在测试过程中，教师继续询问学生他们预计会发生什么、能观察到什么，教师鼓励学生记录他们的建筑物出现的问题，并将这些问题和灾害天气的强度联系起来。

分享

在这个环节，小组讨论他们的结果以及他们还可以进行哪些改进来保护他们的建筑物。教师帮助学生在交流时组织自己的思维，并为其他小组提出积极的建议。

可见，基于问题的学习主要呈现科学探究的环节与特点，以问题为导向；基于设计的学习则着重以工程设计环节为线索，以设计为导向。两者都围绕一个具体的科学概念的建构和运用来展开，以其为主线，将与之关联的科学、技术、工程和数学部分联系到一起。基于项目的学习则是前两者的综合，以项目研究为切入点，根据研究的需求选择科学探究或工程设计的学习方式，也可二者兼有。

如何在“集成式STEM”教育中实现创新人才培养

以上两个案例是在K-12阶段将STEM教育与科学教育融合的典型实例，也充分证明，要实现“集成式STEM教育”关于解决问题和创新技能培养的目标，融合的教学方法有着一定的优势，这也是创新人才培养落实在K-12阶段的有效途径。

建构跨领域概念和技能之间的连接，让学生持续地学习

认知神经科学对人类学习过程的研究发现，儿童具有强大的学习能力，儿童的科学、技术、工程和数学素养的基本认知和技能发展可从小开始培养。然而，要对关于世界的科学解释形成透彻的理解，学生需要有数年而不是几个星期或几个月的时间，来持续地接触和发展基本概念以及体会那些概念的相互联系。这就需要我们在激发学生的学习兴趣和动机的基础上，让学生持续地学习。

而且，学习是建立在学生已有经验的基础上的，“集成式STEM”课程与教学的重要任务即帮助学生进行跨领域概念和技能关联的建构，实现知识与方法在不同领域情境间的运用。如在太阳能电池的案例中，只有学生将光线入射角度的科学概念与工程中电池板安装角度的设计建立起关联，才能解决如何让小车获得最佳电能的实际问题，加深学生对光能和热能转化条件的理解。

同时，不同领域间概念的关联也激发了学生进一步学习的动机。在学生的知识水平或技能不足时促使形成下一步学习的目标，将以往书本上或教师给定的学习任务转化成为解决某个问题而必须完成的任务，可以有效提升学生学习的兴趣和主动性。

有效实现知识间的迁移

学生的迁移能力是学习的一个重要标志。从一个情境到另一个情境、从一组概念到另一组概念、从一个主题到另一个主题、从一个学年到下一个学年、从学校课程到日常生活，初始学习的质量、情境、问题的表征、元认知等都是影响迁移的因素。

“集成式STEM”对学生知识迁移能力的培养是显而易见的，跨领域的实践为其提供了良好的契机。学生要想解决工程实践中遇到的实际问题或任务，需要用到科学原理、数学和一定的技术。在这样的情境下，在问题或任务的驱动下，原理、工具、技术的使用变得有目的、有需求，学生也能将具体学科的情境与工程实践情境相联系，实现跨领域间知识的迁移。同时，学生对各个领域过程与方法的理解在“集成式STEM”的活动过程中得到统一，诸如模型的使用、数据的收集与分析、图表的选择与绘制、总结交流与时论等。

在真实和开放的情境中学习，促进学生创造能力的提升

关注现实问题是工程与技术教育的特征，也是“集成式STEM”的必然特征。从真实情境中学习，来自实际生产生活的问题使得学生的学习路径是开放的，其探索结果也是开放的，不存在唯一正确的答案。评判结果的标准来源于实践，来源于问题解决的程度，如所设计的建筑物是否能通过检测、太阳能小车是否能达到规定的运动距离等。因此，教师的关注点从学生回答问题的正确性转移到解决学生遇到的困难上，而学生学习的关注点也从是否能给老师一个满意的回答转移到实际任务的完成上。此外，解决问题方法的多样性促进学生批判性思维和创造性思维的发展，促进了学生对所学知识与生活实践关联的理解，这也是工程技术素养的重要指标。

实践是主要的学习途径

培养学生综合พ解决问题能力是STEM教育的最重要的目标，无论是科学问题，还是工程与技术问题，还是如何运用数学的问题。在STEM教育的课程中这些问题都被一个或一组具体的、与学生日常生活相关的情境或问题连贯起来呈现在学生面前，再通过学生的科学和工 ☺程实践发现解决问题的方法、实践解决问题的途径、分析解决问题的结果、评价解决问题的方案；因此，在“动手做”和“动脑思考”中才能实现STEM素养的培养，实践是其主要的学习途径。

本文由教育部人文社会科学研究专项任务项目――“基础教育阶段加强工程技术教育的国际科学教育比较研究与实践”资助，项目号：14JDGC021。