關(guān)于STEM教育實(shí)踐與發(fā)展的思考

(英屬哥倫比亞大學(xué),加拿大 溫哥華)

在20世紀(jì)60年代美國(guó)興起STS教育，到20世紀(jì)80年代發(fā)展為STEM教育。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著人們對(duì)科學(xué)和工程技術(shù)教育的重要性認(rèn)識(shí)日益增強(qiáng)，逐步認(rèn)識(shí)到科學(xué)必須與人文融合，融入“ARTS”的STEM進(jìn)而發(fā)展為STEAM教育。國(guó)內(nèi)STEM教育的研究方興未艾，筆者對(duì)國(guó)內(nèi)STEM教育的實(shí)踐發(fā)展中存在的問題、應(yīng)避免的錯(cuò)誤以及發(fā)展方向進(jìn)行了思考。

1 國(guó)內(nèi)STEM教育現(xiàn)狀簡(jiǎn)介

當(dāng)前，我國(guó)STEM教育在頂層設(shè)計(jì)方面的探索主要體現(xiàn)在“指導(dǎo)意見”“教育信息化規(guī)劃”等方面，具體措施如下：(1) 教育部于2015年9月發(fā)布的《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進(jìn)教育信息化工作的指導(dǎo)意見(征求意見稿)》，鼓勵(lì)探索STEAM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式。(2) 2016年教育部印發(fā)《教育信息化“十三五”規(guī)劃》，提出“要積極探索信息技術(shù)在‘眾創(chuàng)空間’、跨學(xué)科學(xué)習(xí)(STEAM教育)、創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應(yīng)用”。(3) 《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》也提出“STEM是一種課程組織方式”。

學(xué)術(shù)團(tuán)體的STEM教育研究和實(shí)踐較為活躍，主要表現(xiàn)為：(1) 2017年3月北京師范大學(xué)智慧學(xué)習(xí)研究院發(fā)布《2017新媒體聯(lián)盟中國(guó)高等教育技術(shù)展望：地平線項(xiàng)目區(qū)域報(bào)告》，其中指出：STEAM學(xué)習(xí)的興起將是短期內(nèi)我國(guó)教育技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)之一。(2) 2017年6月中央教科院STEM教育研究中心發(fā)布《中國(guó)STEM教育白皮書》，其中明確提出：應(yīng)將跨學(xué)科STEM(科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)與數(shù)學(xué))教育納入國(guó)家創(chuàng)新型人才培養(yǎng)戰(zhàn)略，是全社會(huì)共同參與的教育創(chuàng)新實(shí)踐。(3) 中央教科院STEM研究中心與地方進(jìn)行深度合作，省級(jí)層面主要有浙江省和江蘇省，最近北京市海淀區(qū)也參與了系統(tǒng)創(chuàng)新中心的建設(shè)。

迄今為止，國(guó)家層面成立了“國(guó)家隊(duì)”級(jí)別的研究機(jī)構(gòu)——中央教科院STEM教育研究中心。該研究中心公布了《中國(guó)STEM教育白皮書》與《STEM教師能力等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》兩項(xiàng)科研成果，并舉辦了兩屆“STEM教育發(fā)展大會(huì)”。除此之外，對(duì)STEM教育推進(jìn)的整體策略、框架設(shè)計(jì)、課程方案和師資建設(shè)等尚沒有官方表述。

相對(duì)而言，省級(jí)、市級(jí)和學(xué)校層面的表現(xiàn)較為搶眼，各省成立了相應(yīng)的研究機(jī)構(gòu)，很多市級(jí)研究機(jī)構(gòu)與高校聯(lián)手成立聯(lián)盟，學(xué)校層面與企業(yè)、國(guó)外高校的合作也非常多。以研究機(jī)構(gòu)的成立為例，主要有三種方式：一是以省教研室或教科院牽頭成立研究中心，如江蘇省STEM教育協(xié)同創(chuàng)新研究中心；二是以科技教育中心牽頭成立研究聯(lián)盟，如廣州市青少年科技教育協(xié)會(huì)、香港特別行政區(qū)行政長(zhǎng)官卓越教學(xué)獎(jiǎng)教師協(xié)會(huì)、香港科技教育學(xué)會(huì)、澳門科技教育協(xié)會(huì)等成立的“穗港澳STEM教育聯(lián)盟”；三是高校、企業(yè)和行業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合成立互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中心，如上海STEM云中心。

2 STEM教育存在的典型問題

先引用一組來(lái)自美國(guó)華盛頓特區(qū)科技政策研究所、美國(guó)加州大學(xué)圣芭芭拉分校納米技術(shù)應(yīng)用研究中心研究員Xueying Han等發(fā)表在2018年4月《PLOS ONE》上的一篇論文的調(diào)研數(shù)據(jù)，這對(duì)國(guó)內(nèi)開展STEM教育有一定的啟示。該文對(duì)中國(guó)25所頂尖大學(xué)的STEM教師(即從事科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)專業(yè)的高校教師和研究人員)進(jìn)行了調(diào)研，分析了國(guó)內(nèi)的STEM的研究環(huán)境，得出以下結(jié)論：(1) 37%的受訪者認(rèn)為需要促進(jìn)“短期思考力的發(fā)展和獲得即時(shí)成功感”；(2) 33%的受訪者認(rèn)為要給予足夠的研究經(jīng)費(fèi)；(3) 31%的受訪者認(rèn)為要減少管理阻滯，激活個(gè)體創(chuàng)造力；(4) 27%的受訪者認(rèn)為要建立合理的STEM評(píng)估體系。

由此看來(lái)，國(guó)內(nèi)高校STEM教師的專業(yè)研究領(lǐng)域的典型問題可概括為兩類：一是思維方式問題，主要是指?jìng)€(gè)體創(chuàng)造力需要發(fā)展；二是管理方面問題，主要指向經(jīng)費(fèi)和管理、評(píng)價(jià)方式，期待更加靈活、開放和多元，減少人為干擾因素。

國(guó)內(nèi)中小學(xué)及學(xué)前教育中STEM教育也表現(xiàn)出以下問題：(1) 低學(xué)段活躍，高學(xué)段趨冷。幼兒園比小學(xué)活躍，小學(xué)比中學(xué)活躍。(2) 科研人員熱心，行政管理人員或冷或熱。從文獻(xiàn)研究來(lái)看，STEM教育的研究主陣營(yíng)是科研部門，學(xué)校層面高質(zhì)量論文較少，僅有少量活動(dòng)報(bào)道。(3) 學(xué)生喜歡，教師無(wú)能為力。學(xué)校開設(shè)相關(guān)的課程，學(xué)生特別喜歡，但是很多教師受限于自身學(xué)科背景，導(dǎo)致指導(dǎo)無(wú)力，教師幾乎沒有受到系統(tǒng)的培訓(xùn)和指導(dǎo)。

3 STEM教育實(shí)踐中應(yīng)避免的問題

3.1 STEM教育過(guò)程中應(yīng)防止行政強(qiáng)推模式

在STEM教育實(shí)踐中，我們通常受到來(lái)自某些方面的干擾，常常采用“模式化”“運(yùn)動(dòng)化”“樣板化”等方式，希望通過(guò)整體推動(dòng)、典型輻射、績(jī)效評(píng)估、頒證發(fā)獎(jiǎng)等方式進(jìn)行高效率的實(shí)施，而基層學(xué)校往往由于師資、課程開發(fā)能力、家長(zhǎng)與社會(huì)認(rèn)同等問題，可能只在表面上進(jìn)行應(yīng)付，實(shí)質(zhì)上并沒有任何進(jìn)展。進(jìn)而導(dǎo)致開場(chǎng)“轟轟烈烈”，過(guò)程“蜻蜓點(diǎn)水”，最終“怨聲載道”。

3.2 STEM教育應(yīng)防止“學(xué)科化”思維

有研究表明，STEM教育的核心是“問題化”“項(xiàng)目化”“學(xué)習(xí)化”“產(chǎn)品化”，也就是說(shuō)，要有真實(shí)問題，要以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)，要以產(chǎn)品進(jìn)行表達(dá)。如果在STEM教育實(shí)踐中，以某一單科進(jìn)行植入，顯然就異化了STEM學(xué)習(xí)的本質(zhì)，比如：某學(xué)校是物理學(xué)科見長(zhǎng)，就僅在物理學(xué)科中進(jìn)行STEM的實(shí)踐，這顯然是將STEM教育進(jìn)行“單科化”改造。

3.3 STEM教育的師資與課程設(shè)計(jì)應(yīng)防止“兩張皮”

實(shí)踐表明，師資和課程需要統(tǒng)整設(shè)計(jì)，既不是先有課程，再有師資；更不是先有師資，再設(shè)計(jì)課程。實(shí)踐證明，只有將師資與課程進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，師資的“迭代升級(jí)”與“課程迭代升級(jí)”同步進(jìn)行，這樣的STEM教育才有生命力。如錫山高級(jí)中學(xué)依托江南大學(xué)的設(shè)計(jì)專業(yè)和澳大利亞新南威爾士州的“設(shè)計(jì)課程”，進(jìn)行STEM教育實(shí)踐，就是很好的范例。

3.4 STEM教育實(shí)踐場(chǎng)域要防止“實(shí)驗(yàn)室換裝化”

在STEM教育實(shí)踐初期，很多學(xué)校都采用將物理、化學(xué)等自然學(xué)科實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行換裝，增加一些3D打印、體感技術(shù)、VR或AR等設(shè)備，這在初期開設(shè)一些課程有一定價(jià)值和意義。但是，當(dāng)STEM教育實(shí)踐向縱深發(fā)展時(shí)，專業(yè)的“校內(nèi)STEM創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”“校外STEM實(shí)驗(yàn)室”“學(xué)院與公司合作STEM實(shí)驗(yàn)室”必須有序和錯(cuò)位發(fā)展。

4 應(yīng)重視STEM創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)

借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為國(guó)內(nèi)STEM教育的發(fā)展，應(yīng)重視STEM創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，發(fā)展思路為：整合型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室、RAL(遠(yuǎn)程訪問)型實(shí)驗(yàn)室和公益開放型實(shí)驗(yàn)室。

4.1 整合型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室

圖1 Nspire圖形計(jì)算器

這類實(shí)驗(yàn)室建設(shè)大多基于“實(shí)驗(yàn)儀器—傳感器—圖形計(jì)算器”的發(fā)展模式，為學(xué)生搭建有效實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。這種線上交互的多媒體平臺(tái)使得學(xué)生能夠即時(shí)有效地模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，通過(guò)傳感器(pH、溫度、壓力……)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)反饋，傳感器的數(shù)據(jù)輸出端口連接圖形計(jì)算器(如圖1)，計(jì)算器通過(guò)線性回歸等統(tǒng)計(jì)方法分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論。最后，科學(xué)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)論，通過(guò)圖形計(jì)算器，模擬真實(shí)環(huán)境下的情況。

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室相比，省去了學(xué)生手工填寫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、繪制圖像等過(guò)程，以圖形計(jì)算器代替人工處理樣本數(shù)據(jù)，可促進(jìn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸出與分析的效率，提高學(xué)生的理論知識(shí)與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理工具相結(jié)合的應(yīng)用能力，有效融合并提高數(shù)學(xué)、科學(xué)和工程的學(xué)科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際生活問題的能力。

如學(xué)生在探究“滑輪半徑和所吊物品移動(dòng)速度”關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用小車、電動(dòng)機(jī)、滑輪、繩子和刻度尺來(lái)構(gòu)建基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)裝置，速度傳感器和Nspire圖形計(jì)算器相連，構(gòu)建數(shù)據(jù)輸出和分析平臺(tái)，學(xué)生探究不同滑輪半徑下小車的速度，得出相應(yīng)的線性關(guān)系圖像，通過(guò)該圖像分析滑輪半徑與小車速度的實(shí)際關(guān)系。借助這一關(guān)系，學(xué)生能夠解決在實(shí)際生活中運(yùn)用吊車運(yùn)送物品的速度，并可以嘗試構(gòu)建實(shí)現(xiàn)機(jī)械效率最大化的相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

4.2 遠(yuǎn)程訪問(RAL)型實(shí)驗(yàn)室

如圖2所示，遠(yuǎn)程訪問型實(shí)驗(yàn)室(RAL)允許對(duì)先進(jìn)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行異地控制，這種學(xué)習(xí)活動(dòng)雖然多數(shù)在大學(xué)中使用，也可以給中小學(xué)生提供額外的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。

圖2 遠(yuǎn)程訪問(RAL)型實(shí)驗(yàn)室工作架構(gòu)

目前的RAL技術(shù)僅向本科工程教育和企業(yè)經(jīng)營(yíng)單位提供服務(wù)，合作的機(jī)會(huì)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得不到很好的支持。未來(lái)，RAL技術(shù)如果能激活高校和企業(yè)的興趣，并允許其獲得合理的商業(yè)回報(bào)，可開發(fā)出適合中小學(xué)的產(chǎn)品，為中小學(xué)開展STEM教育提供有力支撐。

4.3 公益開放型實(shí)驗(yàn)室

美國(guó)具有代表性的公益開放型實(shí)驗(yàn)室有波士頓藝術(shù)學(xué)院STEAM實(shí)驗(yàn)室、曼哈頓兒童博物館STEAM實(shí)驗(yàn)室等，研究發(fā)現(xiàn)：美國(guó)STEAM實(shí)驗(yàn)室已成為學(xué)生創(chuàng)新學(xué)習(xí)的實(shí)踐空間、教師提升教學(xué)技能的工作站、家庭融入學(xué)生學(xué)習(xí)的互動(dòng)場(chǎng)所，成為社會(huì)公眾提升鑒賞能力的助推器。

由此看來(lái)，國(guó)內(nèi)建立公益型開放實(shí)驗(yàn)室，可以關(guān)注以下幾個(gè)方面：(1) 面向現(xiàn)實(shí)需求尋求社會(huì)支持；(2) 加大資源設(shè)備的建設(shè)，完善人員配置，培養(yǎng)具備綜合素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)室志愿者服務(wù)團(tuán)隊(duì)；(3) 依據(jù)學(xué)生年級(jí)和年齡層次，設(shè)計(jì)并不斷更新場(chǎng)館內(nèi)的STEM項(xiàng)目；(4) 發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室作用，構(gòu)建學(xué)習(xí)共同體，實(shí)驗(yàn)室教師不只局限于學(xué)校教師，還可聘請(qǐng)科學(xué)家、工程師或藝術(shù)家，通過(guò)夏令營(yíng)、選修課、博物館體驗(yàn)等活動(dòng)形式，為學(xué)生演示真實(shí)產(chǎn)品創(chuàng)作和工程創(chuàng)造的過(guò)程。