全面實施STEM教育

Carolyn+Hayes

非常高興參加此次論壇，與中國的教育者一起討論STEM教學(xué)，討論如何提升學(xué)生們的收獲。我是美國科學(xué)教師協(xié)會前主席，今天我想談?wù)摰脑掝}對于協(xié)會而言是非常重要的，對于美國教師也是非常重要的。

可以說STEM課程是我們協(xié)會的一個工作核心，協(xié)會和全美教師及國際上的教師共同合作推動STEM課程。我們希望推動創(chuàng)新，確保所有學(xué)生都能夠獲得足夠的理工知識。美國是一個多元國家，我們了解到很多兒童生活在貧困當中，英語不是他們的第一語言，我們教授他們科學(xué)和工程方面的知識，他們會獲得更多的知識，取得更好的成就。

美國國家科學(xué)基金會和美國科學(xué)教師協(xié)會最早在全美國推出了STEM課程。2011年，這個項目當中工作的全部人員聚在一起，思考如何推廣STEM課程，以及目標是什么。關(guān)于STEM有3個重要的目標，我相信中國的教師也有類似的目標。

第一，擴大追求STEM領(lǐng)域高等教育和職業(yè)發(fā)展的學(xué)生數(shù)量，同時擴大婦女和少數(shù)民族在這個領(lǐng)域的參與。這是我們協(xié)會的追求，也是很多企業(yè)的需求，我們需要有更多能夠創(chuàng)新的科學(xué)家和工程師。我們尤其注重女性、女童，我們不希望她們從小學(xué)或者是中學(xué)畢業(yè)后就不再學(xué)習(xí)科學(xué)，我們希望她們能夠追求這方面的高等教育和職業(yè)發(fā)展。

第二，我們希望能夠打造和擴大一個具備非常豐富理工知識的工作群體，擴大女性和少數(shù)民族的參與。我們不僅僅是需要這樣的科學(xué)家，也需要那些能夠培養(yǎng)這些理念的人，所以我們需要一個這樣的工作群體。

第三，讓所有學(xué)生提升他們的STEM素養(yǎng)。即使他們以后做的工作跟STEM不相關(guān)，我們希望他們成為有STEM素養(yǎng)的全球公民。我們希望他們可以理解全世界到底有哪些問題，并且最后能夠為他們的未來作出正確的決定。

現(xiàn)在的問題就是怎樣實現(xiàn)剛才的目標，我會提出兩點，這是美國的經(jīng)驗，可能跟中國比較相似。

有一套連貫的標準和課程

首先看連貫的標準，從圖1大家可以看到美國這些年是如何推廣STEM教育的。最下面2013年《新一代科學(xué)教育標準》是最重要的一點。必須看一下技術(shù)，還有工程，看他們是怎樣推動我們學(xué)習(xí)科學(xué)的。同時我們希望學(xué)生也可以意識到科學(xué)的性質(zhì)：科學(xué)一直都在變化。為什么會變化？因為技術(shù)在變化。這么多技術(shù)上的進步，使我們對科學(xué)有了更加深刻的理解。1996年有了《國家科學(xué)教育標準》，講到學(xué)生在生命科學(xué)、物理、生命地球、工程，以及太空科學(xué)當中需要掌握什么知識。

2012年，美國國家科學(xué)促進會的《K-12科學(xué)教育框架》，在《新一代科學(xué)教育標準》出臺的前1年講到了3個維度的學(xué)習(xí)，2013年有了正式的《新一代科學(xué)教育標準》。現(xiàn)在美國已經(jīng)有20個州正式通過了《新一代科學(xué)教育標準》，有的州還在經(jīng)歷審核的過程。連貫的標準

發(fā)展過程

全體美國人的科學(xué)（1989）

國家科學(xué)教育標準（1996）

K-12年級科學(xué)教育框架（2012）

3個維度的學(xué)習(xí)

新一代科學(xué)教育標準（2013）

圖1連貫的標準

《新一代科學(xué)教育標準》到底是什么？就是希望可以讓教師重新審視科學(xué)教育怎么進行。我們說到科學(xué)的時候，其實講的是STEM，不僅僅是科學(xué)，而且是STEM教學(xué)。這一標準有4個重點。

第一，少死記硬背多理解。有很多時候?qū)W生問我為什么要學(xué)習(xí)這個，這個問題很重要。因為他們不理解為什么要在課堂上學(xué)習(xí)，不理解就不會認真聽。他們需要理解周圍的世界，理解世界上各種各樣的現(xiàn)象，所以說《新一代科學(xué)教育標準》要求少死記硬背多理解。

第二，跟《州共同核心標準》有更多聯(lián)系?！缎乱淮茖W(xué)教育標準》希望可以在語言藝術(shù)與數(shù)學(xué)方面跟《州共同核心標準》有更多連接。我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)英語是為了學(xué)習(xí)語言所代表的概念意義，如果他們可以理解，就會學(xué)得更好。

第三，必須基于研究實踐，特別是神經(jīng)科學(xué)。我記得有一本書的作者是一位神經(jīng)科學(xué)家，書中介紹人們怎么學(xué)習(xí)，大腦怎樣運作，在學(xué)習(xí)的過程中怎樣記憶。研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生必須理解并且把各種知識點連接起來，才能夠真正掌握知識點。所以《新一代科學(xué)教育標準》不是以教學(xué)為主，而是以學(xué)生為主，讓他們理解自己到底學(xué)習(xí)些什么。

第四，要能夠?qū)W以致用。死記硬背僅僅是掌握了知識點，但是如果學(xué)生能夠把他們在課堂上學(xué)習(xí)的知識在社區(qū)或其他地方應(yīng)用，他們才能夠記憶并掌握這些知識，而且可以用來做一些其他事情。

接下來我們看看“3個維度的學(xué)習(xí)”，我覺得這才是科學(xué)教育、STEM教育的未來。這3個維度是：①跨學(xué)科概念。所有的科學(xué)學(xué)科概念，不管是地球還是工程、科學(xué)、數(shù)學(xué)，都有跨領(lǐng)域的概念。②學(xué)科核心概念。學(xué)生學(xué)習(xí)完以后要掌握的并不是細枝末節(jié)的知識點，而是知識的核心概念起到的作用。知識會隨著科學(xué)的進步而改變，但是核心知識點是肯定不變的，所以我們希望學(xué)生掌握有明顯重要性的概念。③實踐。學(xué)習(xí)不應(yīng)該是線性的，而應(yīng)該是循環(huán)的?？梢詮目吹揭唤M數(shù)據(jù)，想知道數(shù)據(jù)代表什么開始，這種實踐可以讓你去到其他的一些領(lǐng)域。這3股繩擰在一起，學(xué)生就更有能動性，學(xué)習(xí)更帶勁兒。他們會提問、探討、解釋，不僅僅限于課堂上的書本知識，而是整個世界的現(xiàn)象，這也是教育的目的。

大家可以去NSTA的網(wǎng)站看一看更多信息。關(guān)于3個維度學(xué)習(xí)和跨學(xué)科概念，我們希望學(xué)生可以找到規(guī)律，可以知道因果關(guān)系，這樣如果課堂上學(xué)習(xí)遇到新情況，他們就可以應(yīng)用規(guī)律、結(jié)構(gòu)、框架、功能等方法去理解。我們不僅僅是為初中生設(shè)計課程，還有一些適合學(xué)前兒童的項目，有能夠適合他們的科學(xué)學(xué)習(xí)內(nèi)容。

所謂實踐，首先是問問題，然后找到問題，制訂并且使用模型分析、解釋數(shù)據(jù)，使用數(shù)字和計算思維，找到解釋的方法，設(shè)計解決方案，根據(jù)證據(jù)進行辯論，把手中的信息進行有效評估，最終找到能夠解決問題的方案，并且整個過程當中能夠?qū)崿F(xiàn)信息的分享。學(xué)生必須要自己理解，而不是只聽教師講解。endprint

下面我介紹一下課程怎么設(shè)計。

首先要對學(xué)生的表現(xiàn)有個預(yù)期。比如當我講完課程時，學(xué)生需要用一個模型展示植物物理結(jié)構(gòu)如何支持它的生長和繁衍。這里包含一些交叉學(xué)科和新概念，有些來自于生物，比如說從分子層面到有機層面，從結(jié)構(gòu)層面到過程層面；會有一些跨學(xué)科概念，包括物理結(jié)構(gòu)、功能。在我生活的州有一種楓樹，春天的時候這種樹的種子像羽毛和翅膀一樣，這種樹是翅果樹。我們討論它們是如何播種的，它們在空中怎樣飛行。我會讓學(xué)生觀察這些現(xiàn)象，有時候會帶學(xué)生到野外去。

第二是學(xué)生想知道的東西。

第三是希望學(xué)生學(xué)習(xí)的東西。學(xué)生觀察之后，我會向他們提問：你看到了什么？觀察到了什么？根據(jù)你觀察的東西你想知道什么？你的問題是什么？可以說這是《新一代科學(xué)教育標準》當中的核心。我會問學(xué)生：你能夠解釋一下你為什么這樣分析嗎？原因是什么？用紙片和回形針，你如何使用這些材料模仿出翅果的飛行過程？

第四，對這個模型的運作方式如何解釋。我讓學(xué)生建立一個種子模型，但是很多學(xué)生不能夠解釋這個種子模型到底如何運作。在這種情況下，我們可以用紙片和回形針模仿出楓樹種子飛行的過程。我給小學(xué)生做了這個實驗，很多人特別喜歡。學(xué)生會觀察，他們也許會扔四五次，有一些人的紙模型飛行路徑和方法有一些不同，學(xué)生之間會相互問，他們會建立模型，收集數(shù)據(jù)，進行分析。他們建立模型，對飛行過程進行相應(yīng)的解釋，這是非常直觀的一個課程設(shè)計過程。

我建議大家可以到NSTA官網(wǎng)，那里有專門對《新一代科學(xué)教育標準》課程的指導(dǎo)，你們可以了解更多詳細信息。

確保有高質(zhì)量的教師，能夠教授自己擅長的課程

并不是所有美國小學(xué)教師都有很好的專業(yè)技能和知識儲備，所以在這方面還要努力。我們認為有幾個重要的點是STEM教師必須具備的：教授知識；了解如何學(xué)習(xí)；教學(xué)法方面的內(nèi)容知識；合作。

教授知識。無需贅言。

學(xué)生是如何學(xué)習(xí)的，過程如何。首先，很多時候教師過分注重教學(xué)內(nèi)容，而不注重學(xué)生學(xué)習(xí)的過程。學(xué)生的背景很多元，學(xué)習(xí)過程當中他們會代入自己的知識，要解決學(xué)生先入為主的觀點，否則就無法教授正確的學(xué)習(xí)方法。第二，動手學(xué)習(xí)科學(xué)。要了解到這不僅僅是課本上的理論、公式，同時教育學(xué)生要有創(chuàng)造性，實現(xiàn)成果并不是只有一種方法。第三，認知。如何教授學(xué)生了解他們已經(jīng)了解的知識是什么，如何在教室之外評價他們的技能，他們?nèi)绻呀?jīng)有初步知識和技能可以利用起來進一步幫助他們學(xué)習(xí)。

教學(xué)法內(nèi)容知識。如果有教師是上世紀90年代畢業(yè)的，可能對于3個維度的學(xué)習(xí)這些理論一無所知，我們就需要教授這些教師3個維度的教學(xué)方法。其中一種幫助他們的方法，就是讓他們了解一些教學(xué)策略，包括1990年誕生的學(xué)習(xí)周期方法，這其中包括引入、探究、解釋、拓展、評價。我讓學(xué)生參與進來，通過向?qū)W生展示視頻和將他們帶到野外探索，他們就會產(chǎn)生問題?；趩栴}讓學(xué)生進行下一步探究，學(xué)生收集數(shù)據(jù)以后向我解釋他們收集的數(shù)據(jù)意味著什么。然后進行拓展，進行展示。拓展需要進一步學(xué)習(xí)、研究、觀察，最后作出對于學(xué)生研究和學(xué)習(xí)的反饋，給他們指出方向。可以讓學(xué)生觀察學(xué)區(qū)和校園當中有什么現(xiàn)象，讓他們觀察并參與問題的解決。

合作。一個真正的好教師，不應(yīng)該僅僅只聚焦自己教授的科目，而是要和其他學(xué)科教師，以及社區(qū)的領(lǐng)袖和家長進行合作溝通。

最后，我希望有3點能幫助大家有所收獲。第一，執(zhí)行3個維度的學(xué)習(xí)。第二，設(shè)計教師的職業(yè)發(fā)展，滿足科學(xué)教師的需求。第三，尋找合作伙伴，找到校園之內(nèi)和社區(qū)當中的伙伴，比如父母或者企業(yè)。

根據(jù)大家所了解到的東西，我相信大家也學(xué)習(xí)到了一些東西，我們需要思考幾個問題：

你將會停止做什么事情？

你將會繼續(xù)做什么事情？

你將會開始做什么事情？

聽過這個演講后，相信大家會有所想法，知道開始做什么事情，要讓學(xué)生盡量參與，盡量對科學(xué)感興趣，讓他們成為未來的科學(xué)家、工程師，讓他們在工作人群當中有較高的理工科素養(yǎng)。endprint