美國(guó)K-12階段STEM整合教育的觀察與思考

朱寰

STEM即科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的英文首字母組合的簡(jiǎn)稱，于20世紀(jì)80年代興起于美國(guó)，是美國(guó)為了應(yīng)對(duì)未來(lái)挑戰(zhàn)而提出的國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略。對(duì)于STEM教育的內(nèi)涵，有人認(rèn)為STEM教育是課程，有人認(rèn)為STEM教育是一種理念，盡管人們至今尚未達(dá)成共識(shí)，但STEM教育倡導(dǎo)問題解決驅(qū)動(dòng)的跨學(xué)科整合學(xué)習(xí)已經(jīng)成為共識(shí)，也逐漸成為研究熱點(diǎn)，而如何實(shí)現(xiàn)STEM教育的跨學(xué)科整合也成為當(dāng)前一個(gè)普遍難點(diǎn)。21世紀(jì)以來(lái)，隨著藝術(shù)（Art）在發(fā)展學(xué)生創(chuàng)造性和批判性思維等方面的作用日益顯現(xiàn)，逐步出現(xiàn)了STEM+Art理念，初步形成了“以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，通過工程和藝術(shù)理解科學(xué)和技術(shù)”的STEAM教育，STEM教育的內(nèi)涵不斷發(fā)展完善。2015年的《STEM教育法（2015）》，將計(jì)算機(jī)科學(xué)也納入STEM教育，從STEM教育到STEAM教育再到STREAM教育，STEAM教育的內(nèi)涵不斷豐富，“STEM+”的觀念逐步形成。

2018年11月，我們參加了廣東省教育廳主辦的“高中課程改革與課堂教學(xué)創(chuàng)新——廣東省中小學(xué)新一輪‘百千萬(wàn)人才培養(yǎng)工程高中名教師培養(yǎng)對(duì)象赴美研修”活動(dòng)。21天研修中，我們參訪了14所中小學(xué)（2個(gè)學(xué)區(qū)），聆聽了來(lái)自明尼蘇達(dá)等大學(xué)專家教授的8場(chǎng)講座，對(duì)美國(guó)中小學(xué)的STEM教育有了較深入的了解。

一、美國(guó)K-12階段STEM整合教育的模式

通過少數(shù)跨學(xué)科大概念整合學(xué)科知識(shí)，促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)對(duì)重要原理的深入探索及概念理解的逐級(jí)發(fā)展，這是美國(guó)STEM整合的一大特色。

1. 橫向整合模式

所謂橫向整合模式是指跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的課程整合模式。在美國(guó)政府頒發(fā)的《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（NGSS）中，以表現(xiàn)期望為核心，使用“表現(xiàn)期望+基礎(chǔ)盒子+連接盒子”的呈現(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)整合。NGSS的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)各條目以表格的形式呈現(xiàn)?；A(chǔ)盒子展現(xiàn)了不同年級(jí)（或年級(jí)段）的學(xué)生在相應(yīng)的“學(xué)科核心理念”和“主題”模式下要達(dá)到的預(yù)期效果（即“表現(xiàn)期望”），具體體現(xiàn)了“表現(xiàn)期望”要求的科學(xué)與工程學(xué)實(shí)踐、學(xué)科核心概念及跨學(xué)科概念這三個(gè)維度的整合（即“基礎(chǔ)盒子”），并提示與同年級(jí)、跨年級(jí)學(xué)科核心概念及與其他學(xué)科教育標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系（即“連接盒子”）。

2. 縱向整合模式

所謂縱向整合模式是指適合各階段學(xué)生認(rèn)知水平，促使學(xué)生核心素養(yǎng)隨著學(xué)習(xí)階段的延伸實(shí)現(xiàn)連貫一致發(fā)展的模式。在K-12年級(jí)的學(xué)習(xí)進(jìn)程中，學(xué)生不斷拓展和深入對(duì)學(xué)科核心概念的理解，課標(biāo)含有各學(xué)段對(duì)同一核心概念的表現(xiàn)期望?？梢苑譃閮煞N類型：一種是通過核心概念和表現(xiàn)期望進(jìn)行縱向整合的形式;另一種是通過學(xué)科核心概念和內(nèi)容要求的形式進(jìn)行縱向整合的形式。縱向整合實(shí)質(zhì)上是對(duì)核心概念理解的逐級(jí)深入和持續(xù)發(fā)展，可以系統(tǒng)地幫助學(xué)生學(xué)習(xí)核心概念的內(nèi)涵，最終為學(xué)生比較全面、系統(tǒng)而深入地理解核心概念打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。當(dāng)然，橫向整合模式和縱向整合模式之間也是相互作用的，共同促進(jìn)課程實(shí)施效果。

二、美國(guó)STEM整合教育的教學(xué)方式

根據(jù)深入了解，美國(guó)的STEM整合教育比較成熟的教學(xué)方式可以歸納為以下三種類型。

1. 基于問題——學(xué)科知識(shí)整合取向

基于問題的教學(xué)方式即通過學(xué)生合作，解決融入真實(shí)情境中的問題或與客觀世界相關(guān)的問題，促進(jìn)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解與建構(gòu)，從而習(xí)得隱含于問題背后的學(xué)科知識(shí)，形成STEM相關(guān)技能。

例如，我在明尼蘇達(dá)杰明學(xué)校聽了一節(jié)二年級(jí)跨學(xué)科綜合課《關(guān)于蝴蝶的研究》。為了幫助學(xué)生提出問題，在連續(xù)幾周的教學(xué)過程中（每周大概一節(jié)課）教師設(shè)計(jì)這樣一些指引：

關(guān)于蝴蝶的研究（關(guān)于蝴蝶，你有哪些問題？）（學(xué)生反饋略）

教師引導(dǎo)：

我已經(jīng)知道……我已經(jīng)學(xué)過……

我觀察到/我注意到/我發(fā)現(xiàn)……我想知道……

我很好奇，如果……會(huì)怎么樣？

我怎么……

在這樣一個(gè)項(xiàng)目中，教師采用了適合小學(xué)生心理特點(diǎn)和知識(shí)水平的教學(xué)方式，基本沒有機(jī)械的知識(shí)講解環(huán)節(jié)，而是以探究活動(dòng)代替：從問題出發(fā)，把學(xué)生帶入學(xué)習(xí)場(chǎng)景，然后做相關(guān)探索，觀察現(xiàn)象、學(xué)習(xí)概念、動(dòng)手操作。聽課當(dāng)天是學(xué)生觀察毛毛蟲的第七天，毛毛蟲的大小已經(jīng)有明顯的變化。通過觀察比較大小變化引申出“標(biāo)準(zhǔn)”的概念，提出測(cè)量的方法，進(jìn)而學(xué)習(xí)刻度尺的使用和讀數(shù)。在這些活動(dòng)中，學(xué)生始終處于沉浸的興奮狀態(tài)，既學(xué)到了科學(xué)思維又掌握了科學(xué)、數(shù)學(xué)的相關(guān)知識(shí)。

2. 基于項(xiàng)目——生活經(jīng)驗(yàn)整合取向

基于項(xiàng)目的教學(xué)方式是以來(lái)自生活經(jīng)驗(yàn)與社會(huì)中實(shí)踐性的項(xiàng)目完成為核心，將跨學(xué)科的內(nèi)容、高級(jí)思維能力發(fā)展與真實(shí)社會(huì)生活聯(lián)系起來(lái)。項(xiàng)目學(xué)習(xí)一般以開發(fā)最終作品為出發(fā)點(diǎn)，作品設(shè)計(jì)是項(xiàng)目學(xué)習(xí)貫穿的主線和驅(qū)動(dòng)力，學(xué)生在完成作品的過程中進(jìn)行檢索、討論、演算、設(shè)計(jì)、觀察等學(xué)習(xí)活動(dòng)，并解決一個(gè)或多個(gè)問題，從而獲得知識(shí)和技能。

在參訪布雷克（Brek）高中時(shí)，校方給我們提供了一份“2017-2018 Advanced Science Research Project Highlights”材料介紹。其中列出了該校一些優(yōu)秀的夏季學(xué)期高級(jí)科學(xué)研究項(xiàng)目，內(nèi)容廣泛、深入、均衡。通過這些優(yōu)秀科學(xué)項(xiàng)目研究吸引有興趣和動(dòng)力的高年級(jí)學(xué)生參加，與導(dǎo)師合作，鼓勵(lì)有才華的學(xué)生嘗試從事工程、技術(shù)或者數(shù)學(xué)方面的職業(yè)，同時(shí)也有助于加強(qiáng)職業(yè)之間的聯(lián)系。

例如該校Louise Kim（19歲）和Spencer Yueh（18歲）在康拉德·伊伯（Conrad Iber）博士的指導(dǎo)下，在明尼蘇達(dá)大學(xué)美景睡眠中心（University of Minnesota Fairview Sleep Center）工作。他們調(diào)查了睡眠、情緒和電子設(shè)備之間的聯(lián)系。72名Breck高中的學(xué)生自愿佩戴一種名為Actigraph的睡眠追蹤設(shè)備，為期兩周。其中一個(gè)星期，受試者不能在睡前兩小時(shí)使用電子設(shè)備。受試者還填寫了關(guān)于情緒和睡眠質(zhì)量的日常睡眠日志。研究數(shù)據(jù)顯示，睡前兩小時(shí)不使用電子設(shè)備的青少年睡眠時(shí)間更長(zhǎng)，睡眠質(zhì)量更高，情緒也受到積極影響。

還有一個(gè)有意思的項(xiàng)目“與長(zhǎng)者共舞：探索運(yùn)動(dòng)、情緒和記憶之間的聯(lián)系”。

項(xiàng)目概述：“與長(zhǎng)者共舞”量化了舞蹈對(duì)老年人情緒健康、身體康復(fù)和記憶的影響。瓊斯-哈里森的居民每周都要參加凱洛斯·阿利維爾（Kairos Alivel）組織的舞廳活動(dòng)，這個(gè)組織將舞蹈帶給不同年齡、能力和文化背景的人。高年級(jí)學(xué)生在參加適應(yīng)性代際舞蹈節(jié)目前接受Breck學(xué)生的采訪，參與者進(jìn)行非正式的交談，正式的學(xué)生觀察員則全程追蹤參與者的微笑、大笑等行為。隨后進(jìn)行隨訪。對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以確定舞蹈對(duì)居民生活的影響，并著眼于創(chuàng)建支持整體健康的程序。

研究問題：舞蹈如何影響老年人的健康？跳舞能改善心情和增加快樂嗎？跳舞能減少老年人的痛苦嗎？提高記憶力和跳舞有聯(lián)系嗎？一起跳舞能培養(yǎng)一種強(qiáng)烈的團(tuán)體意識(shí)嗎？

每節(jié)課開始前和結(jié)束前，學(xué)生們要進(jìn)行一項(xiàng)關(guān)于身心健康和社會(huì)福利的調(diào)查。在這段時(shí)間里，他們和參與者一起跳舞，共75分鐘，有各種音樂類型，每隔10～15分鐘就有一次談話的間歇。這些舞蹈課程的參與者是退伍軍人事務(wù)部的居民，他們?cè)诰窕蛏眢w上有不同的能力。舞蹈動(dòng)作是站著或坐著表演的。包括敲擊，鼓掌，并且左右搖擺——大多數(shù)都是在牽手時(shí)完成的。要求第一組學(xué)生談?wù)撘魳?、舞蹈觸發(fā)的記憶及參與者感興趣的其他話題，與參與者進(jìn)行心理和身體上的交流。第二組由3～4名學(xué)生組成，跟蹤每個(gè)居民微笑或大笑的次數(shù)、發(fā)言、居民參與的時(shí)長(zhǎng)，以及其他觀察。

3. 基于工程設(shè)計(jì)——學(xué)習(xí)者中心整合取向

這種教學(xué)方式不強(qiáng)調(diào)由教師預(yù)設(shè)問題或項(xiàng)目，而是由學(xué)生主導(dǎo)項(xiàng)目，以個(gè)人或小組為單位提出任務(wù)，任務(wù)內(nèi)容需要學(xué)習(xí)并運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)。學(xué)生在項(xiàng)目問題解決過程中，教師發(fā)揮協(xié)調(diào)、指導(dǎo)、檢查、監(jiān)督、計(jì)時(shí)和評(píng)價(jià)作用。學(xué)習(xí)者中心取向整合模式強(qiáng)調(diào)創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)者可以主動(dòng)介入、研究與發(fā)現(xiàn)的豐富教育環(huán)境，讓學(xué)生在蘊(yùn)含豐富 STEM 知識(shí)的環(huán)境中進(jìn)行交互、探究與發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)造意義、學(xué)習(xí)知識(shí)，在建構(gòu)性的環(huán)境設(shè)計(jì)中尋找蘊(yùn)含 STEM 知識(shí)的整合點(diǎn)。

例如，科學(xué)教材“Science Dimensions”（《科學(xué)的維度》），其中一個(gè)課例是讓三年級(jí)的學(xué)生解決一個(gè)工程設(shè)計(jì)問題：很多幼兒園或小學(xué)教室里，都有一個(gè)植物角，為期兩周的假期就要來(lái)了，學(xué)校要關(guān)門，沒有人來(lái)澆水，植物會(huì)干死，怎么辦？

學(xué)生需要設(shè)計(jì)一個(gè)方案，做一個(gè)灌溉裝置，解決這個(gè)問題。準(zhǔn)確地說(shuō)，就是：我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)灌溉裝置，能在未來(lái)兩周內(nèi)以安全可靠的方式給植物輸送適量的水，讓植物不干死，也不溺死。

怎么解決這個(gè)問題？這就要做調(diào)查研究了?，F(xiàn)實(shí)生活中常用的灌溉方式有哪些？衡量每種方式的利弊，用圖表進(jìn)行整理歸納。植物角里的每種植物，在未來(lái)兩周內(nèi)，要澆幾次水？用表格列出來(lái)。接下來(lái)構(gòu)建灌溉模型。這是一個(gè)化繁為簡(jiǎn)，從簡(jiǎn)單情況入手，找出基本解決方案，然后攻克復(fù)雜問題的有效方式。接著進(jìn)行實(shí)際測(cè)試：再次審視，這個(gè)裝置是否達(dá)到了性能要求，而且能滿足各種約束條件;能用文字清楚描述自己的思路和步驟，別人能按照這個(gè)步驟復(fù)制和測(cè)試你的作品;做詳細(xì)測(cè)試，每次記錄結(jié)果并分析;得出結(jié)論，告訴大家你的設(shè)計(jì)思路、產(chǎn)品結(jié)果，用實(shí)證數(shù)據(jù)去證明你的作品是可行的。

這種從需求出發(fā)提問題、做原型、再完成整體設(shè)計(jì)的思路，在現(xiàn)代的工業(yè)設(shè)計(jì)里比比皆是。從這個(gè)案例來(lái)看，比起具體的知識(shí)，它包含的這些探索未知、解決問題的科學(xué)思維方法，才是STEM課程的精華所在。

三、啟示

2016年9月，美國(guó)研究所與美國(guó)教育部聯(lián)合發(fā)布了《STEM 2026：STEM教育創(chuàng)新愿景》。該報(bào)告旨在促進(jìn)STEM教育公平，及讓所有學(xué)生都得到優(yōu)質(zhì)STEM教育的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，對(duì)實(shí)踐社區(qū)、活動(dòng)設(shè)計(jì)、教育經(jīng)驗(yàn)、學(xué)習(xí)空間、學(xué)習(xí)測(cè)量、社會(huì)文化環(huán)境等六大方面提出了愿景規(guī)劃，指出了STEM教育未來(lái)十年的發(fā)展方向以及存在的挑戰(zhàn)。不但制定了全面的STEM教育政策，還建設(shè)了相關(guān)學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)?；跇?biāo)準(zhǔn)的STEM教育規(guī)范了課程的目標(biāo)、內(nèi)容，使得課程或項(xiàng)目的開發(fā)避免隨意性和流于形式。同時(shí)，注重STEM課程、教學(xué)、評(píng)價(jià)的整體設(shè)計(jì)。美國(guó)國(guó)際技術(shù)與工程教育協(xié)會(huì)（簡(jiǎn)稱ITEEA）近來(lái)開發(fā)了“I-STEM 模式”，覆蓋K-12年級(jí)，提供了課程設(shè)計(jì)（領(lǐng)域、組織主題、主題）、課程實(shí)踐（教學(xué)場(chǎng)景、6E）、課程評(píng)價(jià)（持久理解、基本問題、表現(xiàn)期望和指標(biāo)）三個(gè)層面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了STEM跨學(xué)科之間課程、教學(xué)、評(píng)價(jià)的整合，也實(shí)現(xiàn)了整合后內(nèi)容、教學(xué)、評(píng)價(jià)的統(tǒng)一。《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（NGSS）提出了“科學(xué)實(shí)踐”“學(xué)科核心概念”“跨學(xué)科共通概念”的三維整合，給我們的啟示是，應(yīng)當(dāng)圍繞核心概念尤其是跨學(xué)科核心概念整合STEM教育。