STEM，你慢些走

王平

多數(shù)媒體、網(wǎng)站和文獻(xiàn)將縮寫詞STEM歸功于2001—2004年間任職于美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）的教育和人事主管Judith A.Ramaley，當(dāng)時(shí)她和她的同事們開設(shè)了一系列培訓(xùn)課程，其中包括科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)的課程，簡稱SMET，后改為STEM。理由是原來的縮寫SMET中的“SM”排在首位，看起來好像科學(xué)和數(shù)學(xué)是首要的，或者是重要的，而新的縮寫STEM則建議了一種新的聯(lián)系，首尾字母“SM”代表的科學(xué)和數(shù)學(xué)支撐了中間的技術(shù)和工程學(xué)科，而且STEM更好聽。

也有資料稱，STEM一詞來源于縮寫詞METS，代表了數(shù)學(xué)、工程、技術(shù)和科學(xué)。在1996—2004年間，時(shí)任美國國家科學(xué)基金會(huì)的主任Rita Colwell不喜歡METS這個(gè)縮寫詞，因此在她召集的一次跨政府部門的有關(guān)科學(xué)教育的會(huì)議上，她的同事Peter Faletra建議將METS改為STEM。即使現(xiàn)在，我們?nèi)匀豢梢钥吹矫绹行└咧蟹Q自己是METS學(xué)校，如：新澤西州的METS特許高中，但其學(xué)校簡介中卻使用了STEM縮寫。

到底是誰首先提出STEM一詞并不重要，可以肯定的是：當(dāng)STEM被提出時(shí)，這個(gè)縮寫詞僅僅是指科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四個(gè)不同的學(xué)科，別無他意。首次公開使用STEM一詞似乎是在2005年，當(dāng)時(shí)美國國會(huì)兩位議員成立了一個(gè)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)（STEM）委員會(huì)，2008年后成為一個(gè)教育術(shù)語，并迅速成為許多國家教育政策制定和研究的熱點(diǎn)。

盡管STEM一詞現(xiàn)在被廣泛使用在各種教材、教室、課程、資源、廣告、影視、會(huì)議、演講和報(bào)告中，然而究竟什么是STEM以及由此產(chǎn)生的一系列相關(guān)的問題，比如：教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)途徑、教師培訓(xùn)和教學(xué)評估等，仍然有諸多模糊不清之處。

STEM教育定義不清楚

1.在政府和政策層面上，STEM教育的定義和含義不清楚

美國國會(huì)下屬的國會(huì)研究處在2012年發(fā)布的一份標(biāo)題為科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)（STEM）教育的報(bào)告中指出，美國國家科學(xué)基金會(huì)研究項(xiàng)目指南中STEM是指物理、化學(xué)、生物、數(shù)學(xué)等核心科學(xué)和工程學(xué)，以及心理學(xué)和社會(huì)科學(xué)。

美國國土安全部移民海關(guān)總署在人才引進(jìn)項(xiàng)目中指出，STEM教育是指社會(huì)科學(xué)、數(shù)學(xué)、化學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)和信息科學(xué)以及工程學(xué)。該報(bào)告明確定義：STEM是指在科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的教和學(xué)，通常包括從幼兒園到博士后的各種正規(guī)（課堂教學(xué)）和非正規(guī)教育活動(dòng)（課外活動(dòng)）。報(bào)告中多處強(qiáng)調(diào)了美國在STEM教育上與其他國家相比表現(xiàn)不佳，然而所列舉的證據(jù)主要來自TIMSS和PISA兩項(xiàng)測試。TIMSS是由美國的國際教育成就評價(jià)協(xié)會(huì)實(shí)施的世界范圍內(nèi)的科學(xué)和數(shù)學(xué)測試，PISA是由位于法國的經(jīng)濟(jì)合作和發(fā)展組織實(shí)施的國際學(xué)生的閱讀、科學(xué)和數(shù)學(xué)測試。這份標(biāo)題為《STEM教育》的報(bào)告指出，在1987—2009年的20多年間，有多達(dá)200份冠名“科學(xué)教育”的議案被提交給國會(huì)，可見該報(bào)告將“科學(xué)教育”也稱為STEM教育。

2012年美國聯(lián)邦政府資助的名為STEM教育的3個(gè)最大的項(xiàng)目是：健康和人力資源部2.74億美元的職業(yè)培訓(xùn)、美國國家科學(xué)基金會(huì)1.98億美元的碩博研究生學(xué)習(xí)，以及教育部1.5億美元的科學(xué)和數(shù)學(xué)教師在學(xué)科知識和教學(xué)能力方面的培訓(xùn)。這里的STEM教育實(shí)際上也主要是指科學(xué)教育或數(shù)學(xué)教育，而且是從基礎(chǔ)教育階段延伸到職業(yè)教育和高等教育。美國教育部網(wǎng)站列出的有關(guān)STEM的項(xiàng)目都是指科學(xué)、數(shù)學(xué)或技術(shù)教育，鮮有例外。Carmichael（2017）的博士論文進(jìn)一步證實(shí)，美國各聯(lián)邦機(jī)構(gòu)使用不同的STEM定義。該研究還發(fā)現(xiàn)，在美國的50個(gè)州中，21個(gè)州定義STEM為整合，15個(gè)州為單一或整合，5個(gè)州為單一學(xué)科，9個(gè)州沒有定義。

可以看到在政府和政策層面上，美國的STEM教育主要是指單一學(xué)科的教育，特別是科學(xué)和數(shù)學(xué)教育，而STEM教育和科學(xué)教育、數(shù)學(xué)教育以及技術(shù)教育經(jīng)?；煊谩?/p>

2.在教育研究和教學(xué)層面上，STEM教育定義同樣不清楚

著名的科學(xué)教育學(xué)者，5E教學(xué)途徑的發(fā)明人Rodger W.Bybee（2013）指出，定義教育的術(shù)語始終是有爭議的，一個(gè)非常有趣的現(xiàn)象是：很多人想要一個(gè)定義，但是當(dāng)一個(gè)定義出現(xiàn)時(shí)，很少有人同意，定義STEM也同樣。他進(jìn)一步指出，STEM的含義和意義還不清楚明確，到底應(yīng)該包含什么有極大爭議，有人指整合的四個(gè)學(xué)科，有人指獨(dú)立的四個(gè)學(xué)科。由于含義不清，意義不明，所以政治、政策的取向大于實(shí)際教學(xué)意義。

美國工程院資深項(xiàng)目官員Greg Pearson于2012—2014年主持了工程院和科學(xué)教育委員會(huì)有關(guān)整合STEM的研究，他們研究了500個(gè)聲稱是STEM的項(xiàng)目，其中70%是指單一學(xué)科，主要是科學(xué)和數(shù)學(xué)，而工程和技術(shù)很少被關(guān)注;30%是某種程度的整合。

美國密西根州立大學(xué)教育學(xué)院的小學(xué)教育和中學(xué)教育兩個(gè)專業(yè)，在美國新聞和世界報(bào)道的大學(xué)排行榜上連續(xù)25年排名第一，該學(xué)院的CREATE for STEM研究所是最早成立的以STEM冠名的研究機(jī)構(gòu)之一，每年都會(huì)召開一個(gè)小型研討會(huì)展示本年度的研究動(dòng)態(tài)。在2018年度研討會(huì)上公布的文章，絕大多數(shù)都是指科學(xué)和數(shù)學(xué)等單一學(xué)科，只有個(gè)別大學(xué)層次的項(xiàng)目使用了STEM一詞。美國華盛頓大學(xué)科學(xué)和數(shù)學(xué)研究所在NSF資助下開發(fā)了一個(gè)稱為STEM教學(xué)工具的網(wǎng)站，列出了55個(gè)和教學(xué)相關(guān)的話題，其中只有5個(gè)在標(biāo)題中出現(xiàn)了STEM，但其內(nèi)容仍然是科學(xué)教育的話題，其余都是涉及科學(xué)教育或者工程教育的。

著名的加州大學(xué)伯克利分校兒童早期教育中心前執(zhí)行主任Macdonald在一份有關(guān)幼兒園STEM教育的報(bào)告中則混用STEM和科學(xué)教育，采用的例子都來自科學(xué)教育。波士頓兒童博物館（2013）發(fā)布的幼兒園STEM指南，其中列舉的教學(xué)活動(dòng)分別是科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)和五官（視、聽、觸、聞和嘗），都是指單一學(xué)科的教學(xué)。

因此，到底STEM教育是指什么，在政府政策制定和大學(xué)研究機(jī)構(gòu)層面，以及中小學(xué)和幼兒園教學(xué)實(shí)施上看都還有待澄清。

整合內(nèi)容及其教學(xué)途徑和效果不清楚

STEM教育中常見的說法是將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四個(gè)學(xué)科進(jìn)行整合。然而，在教育文獻(xiàn)中整合一詞有著很多不同的解釋和術(shù)語，用于表示“整合”的詞多達(dá)18個(gè)，它們是integrated，interdisciplinary，intradisciplinary，multidisciplinary，connected，coordinated，immersed，blended，transdisciplinary，thematic，nested，sequenced，shared，webbed threaded，networked，unified，fused等。這些詞反映了整合什么教學(xué)內(nèi)容以及如何實(shí)施教學(xué)的途徑差異。比如：interdisciplinary是指學(xué)科間整合，而intradisciplinary是指學(xué)科內(nèi)整合。

Cohen（1990）認(rèn)為整合既可以是學(xué)科內(nèi)的，也可以是學(xué)科間的。1996年頒布的美國國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)提出，教學(xué)內(nèi)容經(jīng)常需要整合，包括科學(xué)學(xué)科內(nèi)不同內(nèi)容的整合（比如：生物和物理），以及科學(xué)和其他學(xué)科間的整合（比如：科學(xué)和數(shù)學(xué)）。美國下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)（NGSS）制定的指導(dǎo)性文件——美國K-12科學(xué)教育框架文件（2012）中提出的跨學(xué)科概念，實(shí)際上是科學(xué)學(xué)科內(nèi)的整合，比如：能量是生物、物理、化學(xué)和地球科學(xué)共同的概念，而NGSS更是直接將工程學(xué)科的標(biāo)準(zhǔn)整合進(jìn)科學(xué)學(xué)科的標(biāo)準(zhǔn)中。Bryan等（2015）提出了三種整合方式：多個(gè)平行的、各個(gè)學(xué)科的學(xué)習(xí)目標(biāo)，一個(gè)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)支持另一個(gè)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)，一個(gè)學(xué)科的情境服務(wù)于另一個(gè)學(xué)科。

雖然“整合”一詞到1936年才出現(xiàn)在教育領(lǐng)域，然而，整合的教學(xué)實(shí)踐卻可以追溯到100多年前。1900年，美國的學(xué)校科學(xué)和數(shù)學(xué)協(xié)會(huì)刊物就開始發(fā)表科學(xué)和數(shù)學(xué)的整合教學(xué)的文章。1992年，由NSF資助，60位科學(xué)家、數(shù)學(xué)家、科學(xué)老師、數(shù)學(xué)老師、大學(xué)科學(xué)教育和數(shù)學(xué)教育研究者、課程專家、教育技術(shù)專家以及心理學(xué)家經(jīng)過3天的討論，沒有能就什么是科學(xué)和數(shù)學(xué)的整合達(dá)成一致意見，只是給出了一個(gè)暫時(shí)性的定義：整合是融合數(shù)學(xué)方法到科學(xué)中，以及科學(xué)方法到數(shù)學(xué)中，以至于不能分清它是數(shù)學(xué)還是科學(xué)。

整合如何影響學(xué)生的學(xué)習(xí)，仍有待研究。數(shù)學(xué)和科學(xué)的整合似乎對科學(xué)的學(xué)習(xí)有積極的影響，但數(shù)學(xué)成績卻很難在STEM整合中獲得提高，F(xiàn)itzallen（2015）則認(rèn)為，數(shù)學(xué)有助于其他學(xué)科的學(xué)習(xí)還缺少證據(jù)。

美國下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)（NGSS）致力于把工程教育提高到和科學(xué)教育同等重要的地位。盡管科學(xué)和工程的整合有助于某些科學(xué)概念的學(xué)習(xí)，但對工程學(xué)習(xí)的影響，研究結(jié)果相互矛盾。常用的整合途徑是通過工程設(shè)計(jì)，而科學(xué)和工程的整合又可以有兩種類型：科學(xué)內(nèi)容在前，然后學(xué)生學(xué)習(xí)和工程問題相關(guān)的工程設(shè)計(jì);或者從工程問題開始，隨著學(xué)生設(shè)計(jì)的進(jìn)展，再引出有關(guān)科學(xué)內(nèi)容。實(shí)際上，沒有證據(jù)證明哪個(gè)類型更有效。

實(shí)施STEM教學(xué)的途徑也多種多樣。有的STEM項(xiàng)目直接采用科學(xué)教學(xué)中常采用的5E學(xué)習(xí)途徑，即：激發(fā)、探索、解釋、拓展和評估，比如：Brown（2014）采用5E學(xué)習(xí)途徑，引導(dǎo)二年級學(xué)生通過設(shè)計(jì)凈水器來學(xué)習(xí)物體的特性。有的STEM教學(xué)采用工程設(shè)計(jì)途徑，即：問題、想象、計(jì)劃、制作和改進(jìn)，比如：English（2016）的案例，學(xué)生設(shè)計(jì)并建造一座能抵御地震破壞的建筑物。

Barth（2017）和國際技術(shù)、工程教育者協(xié)會(huì)將工程設(shè)計(jì)的步驟插入5E途徑，但兩者采用了不同的方式。前者在五年級學(xué)生利用水循環(huán)的概念來處理污水的案例中，將工程設(shè)計(jì)的多個(gè)步驟作為5E途徑的激發(fā)步驟。后者則在5E途徑中插入一個(gè)工程設(shè)計(jì)，發(fā)展成6E模式。Lantz（2009）認(rèn)為，探究式途徑、項(xiàng)目為導(dǎo)向或問題為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)以及表現(xiàn)行為為基礎(chǔ)的教學(xué)途徑都可能有效。

科學(xué)和數(shù)學(xué)或工程的整合內(nèi)容、途徑和效果尚不確定，試圖將四個(gè)學(xué)科進(jìn)行整合可能更加困難。English（2016）和Stohlmann（2012）強(qiáng)調(diào)，應(yīng)該發(fā)展整合的教學(xué)，但不提倡全部四個(gè)學(xué)科的整合，因?yàn)檫€缺乏證據(jù)證明這種整合有助于學(xué)生的學(xué)習(xí)。English（2016）建議，整合途徑應(yīng)該鞏固和延伸學(xué)科學(xué)習(xí)。而我國學(xué)者唐小為（2014）認(rèn)為，從科學(xué)走向工程的應(yīng)用延伸模式旨在檢驗(yàn)知識應(yīng)用和解決問題的能力，是一種整合程度較弱的單邊路徑。而工程框架型模式，即：由設(shè)計(jì)任務(wù)導(dǎo)向相關(guān)科學(xué)探究，再為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)則有更強(qiáng)的整合性。Bybee（2013）建議要先保持和改善傳統(tǒng)的四個(gè)學(xué)科的教學(xué)，然后使用各學(xué)科的核心概念進(jìn)行整合，并提出了STEM教育的1.0、2.0、3.0和4.0的路徑，即：單科、兩科、三科和四科。

評估方式不清楚

評估傳遞了什么是值得學(xué)習(xí)和如何學(xué)習(xí)的信息，以及對學(xué)生的期待是什么。由于沒有廣泛接受的STEM整合定義，以及實(shí)施教學(xué)的途徑的多樣性，因而很難確定明確的教學(xué)目標(biāo)和相應(yīng)的評估工具。整合STEM教學(xué)的一個(gè)重要特點(diǎn)是學(xué)科間內(nèi)容的整合，因而需要合適的評估工具來評估學(xué)生對整合內(nèi)容的理解，比如：在科學(xué)和數(shù)學(xué)整合中，學(xué)生需要理解科學(xué)和數(shù)學(xué)是如何共同解決問題的。在科學(xué)和工程整合中，需要評估學(xué)生提出多種解決問題的方法并選擇最優(yōu)方法的能力，以及利用科學(xué)概念來解決工程問題的能力等。

English（2016）認(rèn)為，整合STEM教學(xué)中對學(xué)生成績和表現(xiàn)的評估是有限的且不令人信服的。現(xiàn)有的評估，在美國無論是州水平的，還是課堂層次的，都是關(guān)注單一學(xué)科，而沒有評估學(xué)生的跨學(xué)科整合的能力。而且，倡導(dǎo)整合STEM教學(xué)的一個(gè)主要期望是激勵(lì)學(xué)生的參與和培養(yǎng)堅(jiān)強(qiáng)不屈和團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神，但是這些品質(zhì)在評估中卻很少涉及（Honey等，2014）。

Chalmers等人（2017）為整合STEM教學(xué)建議了四大類、近二十種評估工具，包括學(xué)生的作品、講演、報(bào)告、展示、視頻、概念圖、流程圖制作、計(jì)劃、觀察、訪談、檢測、文件夾、訪談、反思寫作等，但仍然是針對單一學(xué)科的。

此外，數(shù)學(xué)和科學(xué)課程長期以來一直是基礎(chǔ)教育的一部分，教學(xué)和評估相對比較成熟，而技術(shù)和工程教學(xué)歷史短，甚至在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域是長期缺失的，教學(xué)和評估方法還有待進(jìn)一步發(fā)展和完善（NRC，2011），因此如何評估技術(shù)和工程作為單一學(xué)科的學(xué)習(xí)，以及作為整合STEM教學(xué)還不清楚。

教師培養(yǎng)、培訓(xùn)途徑不清楚

傳統(tǒng)的教師培養(yǎng)和職后培訓(xùn)都是單一專業(yè)，主要是科學(xué)和數(shù)學(xué)，而且是分科教學(xué)（Honey et al.， 2014;Shernoff，2017）。小學(xué)教師經(jīng)常缺乏或者只有有限的工程和技術(shù)的知識，能接觸的有關(guān)課程和教學(xué)材料也很有限，缺少能有效整合STEM學(xué)科的資源，在應(yīng)對工程和技術(shù)教學(xué)時(shí)經(jīng)常感到壓力巨大（Brophy et al.，2008; Cunningham，2008; Diefes-Dux，2014; Lachapelle and Cunningham，2014; Moore et al.， 2014）。

David J.Shernoff（2017）等人指出，過去的師范生培養(yǎng)主要注重于學(xué)科教學(xué)法、學(xué)科內(nèi)容和課程標(biāo)準(zhǔn)。盡管這些對教學(xué)是有幫助的，但是不能完全應(yīng)對整合STEM教學(xué)，因?yàn)檎蟂TEM具有綜合性和跨學(xué)科性。因此，需要重新設(shè)計(jì)師范生培養(yǎng)項(xiàng)目，以幫助未來的教師理解多學(xué)科的知識內(nèi)容和學(xué)科間的聯(lián)系，以及學(xué)生如何理解學(xué)科之間的聯(lián)系。比如：在科學(xué)和工程學(xué)科整合中，使用探究形成科學(xué)解釋，然后以此指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和技術(shù)的使用來解決實(shí)際問題。

在美國，只有少數(shù)教師培養(yǎng)專業(yè)試圖增加不同的學(xué)科課程到培養(yǎng)新教師或培訓(xùn)現(xiàn)有教師的計(jì)劃中。德克薩斯大學(xué)嘗試整合工程學(xué)院、自然科學(xué)學(xué)院、教育學(xué)院和基礎(chǔ)教育學(xué)區(qū)的資源，來培養(yǎng)整合STEM的教師。比如：來自工程專業(yè)的、試圖獲得教師資格證的學(xué)生必須學(xué)習(xí)更多的數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)方面的課程，而來自物理或化學(xué)專業(yè)的學(xué)生，必須學(xué)習(xí)一些工程方面的課程。

此外，還有一系列的問題需要研究和解決，比如：來自不同學(xué)科的教師如何協(xié)調(diào)教學(xué)，師范學(xué)生是否需要在某種程度上熟知各個(gè)學(xué)科的課程標(biāo)準(zhǔn)以及所有學(xué)科的核心概念，是否有什么很重要的原則對于整合STEM教學(xué)是必需的。在已有的學(xué)科教學(xué)體系和課時(shí)內(nèi)，哪些學(xué)科課程需要增加或者減少都有待研究。

對現(xiàn)有在職教師的培訓(xùn)，同樣需要應(yīng)對STEM教育的挑戰(zhàn)。David J.Shernoff （2017）建議，教師的職后培訓(xùn)需要更多地關(guān)注教師已有專業(yè)領(lǐng)域以外的學(xué)科內(nèi)容和如何整合不同學(xué)科的教學(xué)目標(biāo)。工程設(shè)計(jì)的教學(xué)對教師的挑戰(zhàn)是復(fù)雜和巨大的，教師必須掌握至少兩門學(xué)科以上的概念、跨學(xué)科概念以及科學(xué)和工程實(shí)踐才能進(jìn)行有效的交流（Moore等，2014）。

面對STEM教育的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的教師培養(yǎng)和職后培訓(xùn)都很難應(yīng)對，如何改革甚至重新設(shè)計(jì)教師職前和職后的培訓(xùn)模式，是急需研究和解決的問題。因?yàn)榻處熓钦蟂TEM教學(xué)的關(guān)鍵，無論有多好的標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)設(shè)備和教材，教學(xué)最終都要由教師來執(zhí)行。

（作者系北京桂馨慈善基金會(huì)科學(xué)課項(xiàng)目專家）