融合性STEM 教育的涵義、特征及概念框架*

馮翠典，倪以琳

（臺州學院 教師教育學院，浙江 臨海 317000）

近年來，國際范圍內的基礎教育領域對推進STEM教育的議題非常關切，而且鮮有反對意見［1］。但如何有效地實施STEM教育，依然有很多困惑［2］；該領域中，越來越多的研究關注融合性STEM教育（Integrated STEM Education）［3］，該話題值得更多的討論。

一、融合性STEM教育的涵義和特征

（一）融合性STEM教育的涵義。對于研究者和課程開發(fā)者來說，關于STEM教育的觀點并不統(tǒng)一。有人認為STEM教育是一種單一的學科，有人認為STEM是一種超學科的途徑。也有研究者指出：“STEM教育已演化成一種元學科的層面，是一種通過融合性的方式去除傳統(tǒng)學科間的障礙，從而更加關注創(chuàng)新以及使用工具和技術來設計方案，從而解決復雜性情境性問題的應用性過程?！保?］相較而言，融合性STEM教育的觀念更為深入人心。

關于什么是“融合”，一個典型定義是：在復雜性的現(xiàn)象或情境中專注于任務，這些任務需要學生運用來自多種學科的知識和技能［5］。桑德斯（Sanders,M.）把融合性STEM教育描述為：一種探究兩種或兩種以上STEM學科領域之間如何融合，或者任何一種STEM學科領域與其他STEM領域之外的一種或多種學科之間如何融合的教與學的方式［6］。他提出：一種STEM學科領域的學習成果應該有目的地設計（Purposely designed）到另一種課程中。摩爾（Moore,T.）提出：融合性STEM教育是“一種致力于把科學、技術、工程和數(shù)學四個學科中的兩個或多個學科結合進一個課程、一個單元和一節(jié)課中的努力，這種努力是基于學科間內在的關聯(lián)和真實世界的問題”［7］。

概言之，融合性STEM教育是從兩個或多個STEM領域汲取內容，在真實的STEM情境中使用STEM實踐來有目的地聯(lián)結不同的學科，從而提高學生的問題解決能力。

（二）融合性STEM教育的特征?？缭竭吔纾˙oundary Crossing），即邊界模糊性，被認為是融合性STEM教育的關鍵特征，一個更為綜合的關于融合性STEM教育的觀點［8］，見表1。表1中，不同形式的邊界跨越展現(xiàn)在一個連續(xù)體上，這個連續(xù)體的融合性水平越來越高，不同學科間的相互關聯(lián)和依賴程度也越來越高。對于如何進行融合，美國加州STEM工作組提出：融合性STEM教育不是四個學科的簡單結合，而必須包括“真實世界的，基于問題的學習”［9］。美國下一代科學標準（NGSS）提倡通過提供STEM領域“跨學科的聯(lián)結”（Crosscutting Connections）來推進“有目的”的融合［10］。

表1 融合性STEM教育的不同融合水平

二、如何開展融合性的STEM教育：一個概念框架

如何創(chuàng)造或找到STEM領域的跨學科的聯(lián)結點是復雜的，需要教師深入思考如何能讓學生不僅理解STEM知識，還能有機會理解STEM知識是如何應用到真實世界的問題的。

2016年，美國普度大學的兩位學者托德和杰夫（Todd,R.&Geoff,J.）提出了一個關于如何進行融合性教育的概念框架［11］。他們指出，雖然國際范圍都在開展深入的STEM教育改革，但實踐中，教育者缺乏對STEM教育的本質性理解。從而有必要提出融合性STEM教育的操作性概念框架。本部分致在把該框架的主要內容呈現(xiàn)出來，期望對相關研究者提供啟發(fā)。圖1是該框架的圖示。

這個圖顯示了四個滑輪組成的滑輪組去托起一個重物，即“情境性STEM學習”。眾所周知，滑輪組能產生一定的機械性優(yōu)勢來有助于更容易地提升重物。這表明了把情境性學習、工程設計、科學探究、技術性素養(yǎng)和數(shù)學思維聯(lián)結成了有機的功能性系統(tǒng)。這個系統(tǒng)中的滑輪是通過四個STEM學科中的共同實踐聯(lián)結的，滑輪組中的繩索是實踐共同體。這個復雜的滑輪系統(tǒng)必須要和諧工作才能確保整個系統(tǒng)的融合性。

圖1 融合性STEM教育的概念框架

（一）重物：情境性STEM學習。融合性STEM教育的學習應采用情境性認知理論（Situated Cognition Theory）的取向，該理論的核心是認為理解知識和技能的運用是和學習這些知識和技能本身一樣重要；而且，該理論認識到情境本身，即學習活動的物理性和社會性要素，對學習過程非常重要。

（二）滑輪1：工程設計。工程設計可以提供理想的STEM教育的內容融合器。另外，使用工程設計的途徑來實施STEM教育創(chuàng)造了一個理想的起點來融合工程實踐。而且，使用工程設計作為觸媒來進行STEM學習有助于把四個STEM學科放在同等位置。因為工程設計的本質是為學生提供系統(tǒng)性的途徑來解決問題，這種系統(tǒng)性的途徑在所有STEM領域都是內在需要的。即工程設計可以提供機會來放置STEM學科間的聯(lián)結點，而這些聯(lián)結點被認為是學科融合的關鍵。

工程設計的途徑允許學生基于自身經驗開展學習，并提供機會通過設計分析和科學調查建構新的知識。即工程設計提供了一種情境，在其中學生可以檢驗他們已有的科學知識，并把這些知識應用到實際問題中。而且，他們能認識到科學、工程、技術和數(shù)學的相互作用。

在工程實踐中，工程設計和科學探究是通過設計行為和科學推理的內在過程而自然揉和在一起；雖然工程設計和科學探究有顯著區(qū)別，但核心過程是共通的：其一，都要涉及推理過程；其二，不確定性作為起始條件，從而需要花費更多的認知資源。

（三）滑輪2：科學探究?？茖W探究可以讓學生像真正的科學家一樣思考和行為，并使用標準化的科學實踐提出問題、做出假設、實施調查；也能夠讓學生在一個相關性的情境中學習科學，這對真正的理解至關重要。但是，教師對“動手經驗”（Hands-on experience）有誤解，教師認為一系列的任務或者實驗室活動和科學探究是等同的。其實，程序性的動手操作活動并不是真正的科學探究，真正的科學探究一定要在建構性科學學習中有“動腦經驗”（Minds-on experience）。

（四）滑輪3：技術性素養(yǎng)。很多人都把教育技術僅作為一種促進STEM學習的手段，而沒有意識到技術本身包括一系列的知識、技能和實踐。托德和杰夫分享了兩位研究者的觀點。第一，赫斯巴赫（Herschbach,D.）提出關于技術的兩種視角：一種是工程視角，一種是人本視角，見表2。工程視角，也被稱為工具視角，即“技術等于制造和使用實體性物體；而人本視角的技術關注技術作為滿足人類具體需要的手段。

表2 兩種對于技術的觀點

第二，在赫斯巴赫的基礎上，米徹姆（Mitcham,C.）提出有四種不同的方式看待技術：技術作為物體；技術作為知識；技術作為活動；技術作為意愿。他提出，很多人僅僅把技術認為是人造品和物體，從而忽視了技術融合進STEM教育發(fā)揮更大作用的可能。技術也包含具體的獨特的知識，也是一個學科。另外，他特別把技術看作一個活動過程，這個過程包含設計、制作和對技術的使用。最后，技術作為一種意愿強調的是技術是受人類意愿驅動并融合進文化系統(tǒng)，也是受價值觀的驅動的。

（五）滑輪4：數(shù)學思維。托德和杰夫強調：當教師使用融合性STEM教育方式時，學生更喜歡學數(shù)學，數(shù)學成績也會更好。當然學生參與到涉及工程設計和問題解決的學習活動中，學生的數(shù)學成績和對STEM的積極態(tài)度會提升。并分享了威廉姆斯（Williams,D.）的研究觀點：情境性的教學可以賦予數(shù)學以意義，因為“學生不僅想要知道如何完成一個數(shù)學任務，還需要理解為什么他們需要學習數(shù)學。他們知道數(shù)學和他們的生活是息息相關的?！保?2］而融合性的STEM教育實踐恰恰能提供機會讓學生感受評價設計方案好壞所必須的數(shù)學分析。

（六）繩子：實踐共同體。另外，“學習作為一種活動”［13］的概念不僅提升了學習情境的地位，也提升了學習的社會性方面的地位。托德和杰夫認為，融合性STEM教育可以幫助學生進行“合法性的邊緣參與（Legitimate peripheral participation）”［14］。立維和威戈（Lave,J.,&Wenger,E.）把“合法性的邊緣參與”描述為這樣一個過程：學習發(fā)生在實踐共同體之中，在這個過程中學生參與到共同體的社會性實踐中，從而能夠有機會從知識、技能、實踐的新手階段發(fā)展到熟練階段。在一個實踐共同體中，新手和熟練的實踐者都可以通過和他人一起觀察、提問和真正的參與中學習。

融合性STEM教育可以創(chuàng)造一種理想的平臺來提供一種社會性對話的共同體實踐。當教育領導者開始研究融合性STEM教育的理念時，情境性學習和實踐共同體的核心要素就自然呈現(xiàn)了，因為融合性STEM教育應該是圍繞大觀念或主題組織的情境性學習，而這種學習過程最好是通過實踐共同體的社會性互動推進。

美國下一代科學標準（Next Generation Science Standards,NGSS）中描述了科學家和工程師的共同實踐。除了學習科學概念，科學實踐和科學技能也被強調為核心的成果。在科學框架中提出工程實踐，是因為科學家和工程師的一些實踐是共同的。而融合性STEM教育可以通過實踐共同體來提供平臺讓學生學習工程和技術的相似和區(qū)別。表3提供了NGSS提出的科學實踐和工程實踐的比較，可以看出，兩種實踐有共通之處。

在真實的STEM領域的問題解決過程和情境性學習過程中，科學、工程、技術和數(shù)學的內在關聯(lián)和共同實踐有助于體現(xiàn)STEM學科間的聯(lián)結和關系，并將提升這種觀點：STEM內容應該和STEM實踐一起來教，內容和實踐同等重要。

三、討 論

第一，充分理解本概念框架的根本宗旨。托德和杰夫提供的這個概念框架對在理論上理解融合性STEM教育的本質，以及在實踐中開展融合性STEM教育的活動有操作性意義的指導作用，但這并不是說融合性的STEM教育必須在每個學習經驗中都要包括科學、技術、數(shù)學和工程四個學科的內容，本概念框架更重要的是引導教育理論者和實踐者對這些學科間的內在關系有深入的理解，并對如何體現(xiàn)這種內在關系，及基于這種內在關系開展融合性STEM教育，才是關鍵。

第二，提倡在實踐中應用并檢驗該框架。研究者提供的這個概念框架應該通過真正的教育研究進行檢驗，從而確定這些概念是否真正能夠改進STEM領域的教與學。研究者必須記錄他們實施的干預、課程和項目，特別是不同學科是如何進行融合的。需要收集更多的證據來說明融合的本質和使用的腳手架，也需要更多的證據來說明融合性STEM教育是如何促進學習的。

第三，關注融合性STEM教育的質量標準。

應進一步促進關于融合性STEM教育質量標準的思考。2014年，肯尼迪和奧德爾（Kennedy,T.&Odell,M.）提出高質量的STEM教育應該做到：至少要把技術和工程融合進科學和數(shù)學課程；進行科學探究和工程設計；通過合作性的途徑來學習；提供全球性和多重性的視角；使用基于項目的學習等整合性的途徑，并提供正式的和非正式的學習經驗；為促進學習而整合技術［4］251-253。在本文介紹的概念框架下，研究者可以思考如何確證或批判這些質量標準，以此來關照融合性STEM教育的質量。