STEAM在美國科學(xué)教育中的體現(xiàn)及其啟示

史柏良

STEAM是本世紀(jì)初首先興起于美國的旨在提高學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)、增強(qiáng)國家科技競爭力的綜合教育實(shí)踐活動(dòng)。起初以科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）等相關(guān)科目的英文首字拼寫命名為“STEM”，后來發(fā)展為加入藝術(shù)科（Arts）的“STEAM”。其中的“Arts”不僅指藝術(shù)，而且涵蓋范圍可以擴(kuò)大至包含人文教育在內(nèi)的更廣闊的領(lǐng)域。以科學(xué)和數(shù)學(xué)為中心，并將其與實(shí)用性技術(shù)工程相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)跨越學(xué)科的整合教育。呈現(xiàn)出三個(gè)基本特征：一是將科學(xué)與現(xiàn)實(shí)世界聯(lián)系起來；二是關(guān)聯(lián)學(xué)科的整合學(xué)習(xí)；三是突出科學(xué)與工程實(shí)踐，在《美國新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱《新標(biāo)準(zhǔn)》）中體現(xiàn)得尤為明顯?！缎聵?biāo)準(zhǔn)》于2013年4月9日正式頒布；到2013年底，美國有一半以上的州已在實(shí)施或承諾實(shí)施該課程標(biāo)準(zhǔn)。

一、《新標(biāo)準(zhǔn)》的制定背景

1.美國的戰(zhàn)略人才觀

在全球貿(mào)易自由化的背景下，美國對人才的培養(yǎng)提出了更高的要求，認(rèn)為學(xué)生應(yīng)具備豐富的知識，而不是某一項(xiàng)專業(yè)的學(xué)科知識和能力。例如，與人溝通、協(xié)商并達(dá)成建設(shè)性成果的能力；有效解決問題的能力；自我主動(dòng)管理及發(fā)展的能力；以科技為基礎(chǔ)的整合式思考分析和判斷的思維能力。這就意味著要開展跨學(xué)科的整合教育，培養(yǎng)其綜合實(shí)踐能力與創(chuàng)新應(yīng)用能力。

2.教學(xué)內(nèi)容與時(shí)間之間的矛盾

為解決這一矛盾，《新標(biāo)準(zhǔn)》提出的解決方案是：基礎(chǔ)教育階段科學(xué)教育課程的學(xué)習(xí)應(yīng)力求通過少數(shù)“大概念”整合各學(xué)科知識，促進(jìn)學(xué)生參與實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)對重要原理的深入探索及概念理解的逐級發(fā)展，也就是學(xué)生所學(xué)內(nèi)容是綜合了各科知識，并在其中滲透了科學(xué)本質(zhì)教育。STEAM教育解決了內(nèi)容和課時(shí)的矛盾。

二、《新標(biāo)準(zhǔn)》的框架體系

新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)首次提出了三維整合的框架體系，即科學(xué)與工程學(xué)實(shí)踐、科學(xué)核心概念和跨學(xué)科共同概念三者有效地整合，例如初中生物學(xué)相關(guān)內(nèi)容的框架體系。維度1科學(xué)與工程學(xué)實(shí)踐：（1）提出問題（科學(xué)）和界定問題（工程）；（2）開發(fā)和使用模型；（3）規(guī)劃和實(shí)施調(diào)查；（4）分析和解釋數(shù)據(jù)；（5）使用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維；（6）形成解釋（科學(xué)）和設(shè)計(jì)解決方案（工程）；（7）參與基于證據(jù)的討論；（8）獲取、評價(jià)和交流信息。維度2學(xué)科核心概念：（1）從分子到生命體：結(jié)構(gòu)和功能；（2）生態(tài)系統(tǒng)：相互作用、能量和動(dòng)力；（3）遺傳：性狀的傳遞和變異；（4）生物進(jìn)化：統(tǒng)一性和多樣性。維度3跨學(xué)科共同概念：（1）模式（規(guī)律）；（2）因果關(guān)系：機(jī)制與解釋；（3）系統(tǒng)與系統(tǒng)模型；（4）物質(zhì)與能量；（5）結(jié)構(gòu)與功能；（6）尺度、比率和數(shù)量；（7）穩(wěn)定與變化。

科學(xué)與工程學(xué)實(shí)踐和跨學(xué)科共同概念一方面強(qiáng)化了跨學(xué)科學(xué)習(xí)，增強(qiáng)了學(xué)生對實(shí)際復(fù)雜問題的解決，更重要的是增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐能力?？茖W(xué)核心概念始終統(tǒng)領(lǐng)這些學(xué)習(xí)活動(dòng)的開展。

三、《新標(biāo)準(zhǔn)》的關(guān)鍵內(nèi)容

1.科學(xué)核心概念

科學(xué)核心概念也稱大概念，是指本學(xué)科內(nèi)處于重要位置的概念，《新標(biāo)準(zhǔn)》篩選出12個(gè)核心概念，其中涉及生物學(xué)科的核心概念一共有四個(gè)（見維度2），可以看出每個(gè)核心概念都是需要關(guān)聯(lián)學(xué)科整合研究的。

2.跨學(xué)科共同概念

例如，“能量”這一重要概念在物理、化學(xué)和生物學(xué)科中各有不同的內(nèi)涵。如何全面系統(tǒng)地理解這些重要概念，需要各個(gè)學(xué)科之間的整合滲透，也需要各個(gè)學(xué)科反復(fù)強(qiáng)化并建立聯(lián)系。

3.科學(xué)與工程學(xué)實(shí)踐

用“科學(xué)實(shí)踐”替代“科學(xué)探究”。強(qiáng)調(diào)從實(shí)踐層面上理解科學(xué)的知識、方法和本質(zhì)，更重要的是強(qiáng)調(diào)動(dòng)手實(shí)踐的重要意義。工程學(xué)實(shí)踐是為解決具體的問題而進(jìn)行的科學(xué)活動(dòng)。

強(qiáng)調(diào)科學(xué)實(shí)踐和工程學(xué)實(shí)踐，可以把科學(xué)概念與科學(xué)探究和工程設(shè)計(jì)的實(shí)踐融合起來，從而通過多年的學(xué)校教育培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

四、對科學(xué)教育的啟示

美國作為世界上最發(fā)達(dá)的科技強(qiáng)國，他們科學(xué)教育中的steam教育趨勢勢必影響到世界各國的科學(xué)教育觀念，其中的一些核心理念值得我們認(rèn)真學(xué)習(xí)和借鑒。

1.凸顯科學(xué)核心概念

正如《科學(xué)教育的原則和大概念》序言所述：“科學(xué)教育不應(yīng)該傳授給孩子支離破碎、脫離生活的抽象理論和事實(shí)，而是應(yīng)當(dāng)慎重選擇一些重要的科學(xué)觀念，用恰當(dāng)、生動(dòng)的方法，幫助孩子們建立一個(gè)完整的對世界的理解?！币獙W(xué)習(xí)重要的主題，科學(xué)學(xué)習(xí)的每個(gè)階段都要指向這些主題。

2.強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科的學(xué)習(xí)

跨學(xué)科共同概念不僅可以提高學(xué)生的理解能力，更重要的是可以教會(huì)學(xué)生用多學(xué)科、多維度和系統(tǒng)性的觀點(diǎn)看待核心的學(xué)習(xí)內(nèi)容，從而更好地提高其科學(xué)素養(yǎng)。

3.強(qiáng)調(diào)實(shí)踐能力的培養(yǎng)

以“科學(xué)實(shí)踐”替代“科學(xué)探究”，目前可以起到糾偏的作用，尤其對于那些只講授科學(xué)知識，不重視科學(xué)實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的教師來說，則顯得更重要和迫切。

4.適當(dāng)引入工程學(xué)實(shí)踐

工程學(xué)實(shí)踐的學(xué)習(xí)要求比科學(xué)實(shí)踐要高，涉及更高層次的動(dòng)手操作及設(shè)計(jì)活動(dòng)，是培養(yǎng)學(xué)生解決現(xiàn)實(shí)問題能力的重要途徑，更是培養(yǎng)未來工程學(xué)專才的重要推手。在現(xiàn)有課程中引入工程學(xué)實(shí)踐對于我們來說是一件新鮮事物，可以嘗試在單元中少量引入工程學(xué)實(shí)踐，如對實(shí)驗(yàn)、制作等活動(dòng)進(jìn)行拓展和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在保證對重要概念理解的基礎(chǔ)上，增加一些設(shè)計(jì)和工程方面的內(nèi)容。

5.搭建學(xué)習(xí)技術(shù)的平臺(tái)

要解決重要的現(xiàn)實(shí)問題，需要關(guān)聯(lián)學(xué)科的整合學(xué)習(xí)，需要各學(xué)科的專業(yè)人員參與，如教師、學(xué)生、社區(qū)成員參加協(xié)作性的活動(dòng)，一同尋找問題解決的方法，與專家解決問題是所處的社會(huì)情形類似。學(xué)習(xí)技術(shù)給學(xué)生提供了腳手架，幫助學(xué)生在活動(dòng)的參與過程中提高興趣和能力。

以《設(shè)計(jì)橋梁》一課為例，我們已經(jīng)可以展開這樣的教學(xué)：在一個(gè)數(shù)字化教室內(nèi)，教師正帶著人手一機(jī)的孩子們進(jìn)行橋梁承重結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)。教師通過數(shù)字化觸控大屏介紹各類橋梁的結(jié)構(gòu)，并共同確定研究的結(jié)構(gòu)類型，并推送到學(xué)生機(jī)上。教師通過教學(xué)終端了解每個(gè)學(xué)生的研究進(jìn)度和研究狀況，課后學(xué)生還可以和家人一起打開上課時(shí)的作業(yè)，探討具體的研究內(nèi)容。翌日課上教師通過終端了解每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)困難，進(jìn)行個(gè)別指導(dǎo)。如果不能解決，就可以通過網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)在橋梁邊的工程人員或?qū)＜疫M(jìn)行實(shí)時(shí)溝通，掌握實(shí)時(shí)可靠信息。橋梁3D建模成功后，可以進(jìn)行承重的模擬實(shí)驗(yàn)，并請專家進(jìn)行實(shí)時(shí)指導(dǎo)，弄清哪一部分結(jié)構(gòu)有問題。如果確有問題，就可以在3D結(jié)構(gòu)圖中模擬拆除。哪一部分結(jié)構(gòu)需要改變和加強(qiáng)，也可以在3D結(jié)構(gòu)圖中完善。在保證橋梁結(jié)構(gòu)不受影響的情況下，進(jìn)行美化設(shè)計(jì)，并通過3D打印完成，各小組可以進(jìn)行真實(shí)的承重測試。需要加固時(shí)，可以即時(shí)在原來的3D圖中修改，并打印出來裝上去。如果其他班級學(xué)生有相同的學(xué)習(xí)內(nèi)容，甚至可以通過在線視屏看到彼此的比賽成績。

可以看出這一主題學(xué)習(xí)是典型的STEAM教育。通過科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)和美術(shù)等學(xué)科共同進(jìn)行的，各科從不同角度圍繞設(shè)計(jì)橋梁這一主題開展教學(xué)活動(dòng)，通過真實(shí)問題、創(chuàng)意設(shè)計(jì)、工程實(shí)踐等學(xué)習(xí)過程，讓學(xué)生了解橋梁設(shè)計(jì)的全過程，承重測試可以喚起學(xué)生探究的興趣和愿望，真正令人興奮的是隨著打印技術(shù)的發(fā)展，這些設(shè)計(jì)能夠變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)和改變現(xiàn)實(shí)。