STEM 整合教育的有效途徑及障礙分析

深圳市優(yōu)必選科技股份有限公司 吳成琳

我們在不斷變化、日益全球化的社會中面臨的問題往往是融合了多學(xué)科的，所以這些問題大多數(shù)需要整合多個跨學(xué)科概念來解決。近些年，STEM 教育的火熱也從現(xiàn)象上解釋了這類教育的強(qiáng)大驅(qū)動力。STEM 是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科英文首字母的縮寫，其字面上并沒有整合的意思。直到美國國家研究委員會2009年的報(bào)告《K-12教育中的工程》認(rèn)為，“在現(xiàn)實(shí)世界中，工程不是孤立的，它不可避免地涉及科學(xué)、技術(shù)和數(shù)學(xué)”，STEM 整合的理念才逐漸被重視起來。

一、STEM 整合教育

人們通常很容易把科學(xué)、技術(shù)和工程看作是三個非常獨(dú)立的學(xué)科，但它們往往是緊密相連的。科學(xué)家使用工程師創(chuàng)造的技術(shù)來進(jìn)行研究，當(dāng)工程師開始設(shè)計(jì)一項(xiàng)新技術(shù)時，他們會利用科學(xué)家得出的科學(xué)知識。科學(xué)、技術(shù)和工程受到社會的影響且影響著社會。人類的價(jià)值、需求或問題往往決定了科學(xué)家研究什么問題、工程師解決什么問題。同時，作為科學(xué)和工程產(chǎn)品的技術(shù)影響著社會，改變著人類文化價(jià)值觀，比如人工智能應(yīng)用中的倫理問題等。

由于越來越多的國家意識到在課程整合中加入工程的必要性，美國于2013 年春季發(fā)布的《下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》也包括了工程和工程設(shè)計(jì)。我國也在2017 年頒布的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中提倡跨學(xué)科學(xué)習(xí)方式，建議采用以項(xiàng)目、問題解決為導(dǎo)向的課程組織方式，并將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)有機(jī)融合，引導(dǎo)學(xué)生高效高質(zhì)完成學(xué)習(xí)任務(wù)從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。因此，學(xué)校采用分科式STEM 教學(xué)并不能很好地幫助學(xué)生發(fā)展更符合新類型的數(shù)學(xué)、科學(xué)、工程思維的理解和能力，而這些思維對于以技術(shù)為基礎(chǔ)的信息時代卻是最重要的。

STEM 整合教育（Integrated STEM Education）中的整合也常被譯為融合、綜合等，其理論基礎(chǔ)與美國教育學(xué)家約翰·杜威的工作和建構(gòu)主義理論相關(guān)?？偟膩碚f，STEM 整合教育是將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)這四個學(xué)科結(jié)合成一個基于學(xué)科和現(xiàn)實(shí)問題之間的聯(lián)系的課程、單元或課節(jié)。其目的是提供一種將學(xué)科聯(lián)系起來的方法，使學(xué)習(xí)變得有聯(lián)系、有重點(diǎn)、有意義，并以學(xué)生為中心。

多學(xué)科融合的教學(xué)方法并不新鮮。工程在學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)和數(shù)學(xué)內(nèi)容時可以作為一個連接的橋梁。研究表明，教室中的工程設(shè)計(jì)支持了融合科學(xué)、數(shù)學(xué)和技術(shù)的跨學(xué)科方法，以及與問題解決、創(chuàng)造性思維和溝通相關(guān)的技能。研究提供的證據(jù)表明，將工程融入K-12 科學(xué)和數(shù)學(xué)課程有利于學(xué)生學(xué)習(xí)相應(yīng)的內(nèi)容。工程本質(zhì)上就是應(yīng)用數(shù)學(xué)、科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的概念來系統(tǒng)地解決復(fù)雜問題。這些問題基本上都是現(xiàn)實(shí)世界中的問題，需要學(xué)生對問題的背景情境有一定的熟悉和理解，否則容易造成學(xué)生難以理解問題本身及問題涉及的相關(guān)概念。通常，一個熟悉的情境可以讓學(xué)生更容易摒除干擾因素，從而自然根據(jù)先前的經(jīng)驗(yàn)來構(gòu)建新的知識。還有，因?yàn)楣こ膛c學(xué)生的日常生活以及所處的社會環(huán)境具有相關(guān)性，涉及的內(nèi)容和待解決的問題往往都鼓勵學(xué)生從不同的角度思考及解決問題，所以學(xué)生很可能會更有動力去深入探索課程內(nèi)容的相關(guān)知識。

二、STEM 整合教育的有效途徑

在STEM 整合課程的設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中大致存在兩種不同的課程模型：內(nèi)容整合和情境整合。兩者在課程設(shè)計(jì)形式以及教學(xué)目標(biāo)上有區(qū)分，但無論是哪種方法，均能使教師在選擇如何將STEM 整合到課堂上時具有靈活性。

（一）內(nèi)容整合

內(nèi)容整合的單元或課節(jié)有多個STEM 學(xué)科學(xué)習(xí)目標(biāo)。這些單元側(cè)重于將STEM 的多個內(nèi)容領(lǐng)域合并到一個單一的課程活動中，以便從多個內(nèi)容領(lǐng)域中思考一些大的想法。例如，通過創(chuàng)造新的、低摩擦涂層來增加髖關(guān)節(jié)置換的壽命的課程單元情境，可能會帶來材料科學(xué)、化學(xué)工程、物理、生物醫(yī)學(xué)工程和數(shù)學(xué)等領(lǐng)域的內(nèi)容。這種與社會相關(guān)的背景是STEM學(xué)科如何幫助提高生活質(zhì)量的一個實(shí)例。由于目前的髖關(guān)節(jié)置換術(shù)可以持續(xù)10 年左右，更強(qiáng)的涂層可能意味著接受髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的人在他們的一生中可能不需要第二次置換術(shù)，這也賦予這個教學(xué)實(shí)例豐富的社會價(jià)值。教師在這種背景的單元中教授每個學(xué)科的內(nèi)容，并強(qiáng)調(diào)這些學(xué)科是如何在一起解決這個問題的。學(xué)生則是利用一切可利用的學(xué)科資源，從問題解決出發(fā)，以結(jié)果為導(dǎo)向，將資源整合，從而給出理想的解決方案。

（二）情境整合

情境整合主要關(guān)注單一學(xué)科的內(nèi)容，并使用來自其他學(xué)科的情境使內(nèi)容更加相關(guān)。例如，數(shù)學(xué)教師可能會在某個教學(xué)單元介紹巧克力餅干的制作問題，并提出成本控制及客戶體驗(yàn)的需求，例如，餅干上的巧克力塊不能太多也不能太少，那么至少需要多少巧克力才能讓巧克力餅干既好吃又節(jié)約成本？這個問題建立在一個整合的情境下，比如，加工生產(chǎn)、物料配比等，而課程的內(nèi)容卻是集中在數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)上，特別是對正態(tài)分布和集中趨勢的了解。在這種情況下，數(shù)學(xué)內(nèi)容是主要目標(biāo)，但整合的情境幫助教師激勵學(xué)生學(xué)習(xí)并使學(xué)習(xí)內(nèi)容沉浸在真實(shí)的情境中。這種整合途徑帶給學(xué)生極大的學(xué)習(xí)興趣，將枯燥且抽象的數(shù)學(xué)建模過程融入日常生活場景，有利于學(xué)生進(jìn)行具象的類比，促進(jìn)知識遷移并建構(gòu)新的知識。

三、STEM 整合教育的障礙

STEM 整合教育在實(shí)施過程中也面臨種種障礙。綜合來看，內(nèi)容知識的不足、缺乏高質(zhì)量的課程模型以及需要大量的課程材料和資源是目前主要的三個障礙，對STEM 整合教育的落地有著巨大的挑戰(zhàn)。

（一）教師內(nèi)容知識不足

教學(xué)科目的內(nèi)容知識對教師教學(xué)的有效性有著很大的影響。教師對于科學(xué)和數(shù)學(xué)整合的內(nèi)容知識本身的理解是有難度的，這便導(dǎo)致整合過程愈加復(fù)雜。因?yàn)樵S多教師在學(xué)科內(nèi)容知識方面存在差距，很難促進(jìn)對整合的深刻理解。這樣的情況并不少見。通常我們要求科學(xué)和數(shù)學(xué)教師教授另一門學(xué)科，可能會造成新的知識差距和跨專業(yè)的困難。很少有小學(xué)教師能輕松地教授科學(xué)和數(shù)學(xué)，更不用說技術(shù)和工程了。針對課程整合的教師培訓(xùn)也并非常態(tài)，教師基本只能靠不定期的講座和論壇來補(bǔ)充相應(yīng)知識。在各個年級，教師必須得到應(yīng)有的支持，完善相應(yīng)的教師專業(yè)發(fā)展路徑等，才能有效地教授STEM 整合課程。

（二）缺乏高質(zhì)量的課程模型

由于缺乏高質(zhì)量的課程模型，許多學(xué)校很難將STEM 整合教育貫徹下去。目前，市面上很難找到一個適用性強(qiáng)的課程模型來指導(dǎo)教師或?qū)W校開發(fā)STEM 整合課程。出現(xiàn)這個現(xiàn)象的深層原因也在于STEM 的整合不是強(qiáng)制的，課程使用的是學(xué)科之間的自然聯(lián)系。作為小學(xué)科學(xué)和數(shù)學(xué)課程的一部分，現(xiàn)實(shí)世界的主題包括行人過馬路、午餐排隊(duì)、減少浪費(fèi)、飲料設(shè)計(jì)等，解決的問題往往都鏈接了真實(shí)生活。傳統(tǒng)的科學(xué)或數(shù)學(xué)課程模型都難以滿足解決現(xiàn)實(shí)世界問題所需的綜合性。另一方面，即便是將整合好的課程模型給到教師，教師也很難在缺乏相應(yīng)培訓(xùn)的情況下，對模型進(jìn)行熟練應(yīng)用。

（三）需要大量的課程材料和資源

STEM 整合教育的另一個障礙是需要大量的課程材料和資源，讓學(xué)生通過設(shè)計(jì)、表達(dá)、測試和修改他們的想法來研究關(guān)于現(xiàn)實(shí)問題的可能解決方案。其中，電子資料是教師教學(xué)效能達(dá)到最大的必要條件?；ヂ?lián)網(wǎng)、小程序、設(shè)計(jì)類程序、動態(tài)模擬軟件、機(jī)器人軟件和大型計(jì)算軟件都可以集成到課程中，以幫助解決問題。但是，并非所有學(xué)校都有相應(yīng)的技術(shù)或材料資源。在我國現(xiàn)實(shí)課堂中，互聯(lián)網(wǎng)往往因?yàn)榘踩蛩囟鵁o法普及；平板及電腦也因各種原因，如傷害學(xué)生眼睛和使學(xué)生分心，被拒之門外。大部分情況下，學(xué)生在課堂上所能利用到的資源僅僅是教師提供的一些簡易的閱讀材料和操作單。

總而言之，基于STEM 整合的教學(xué)方式聚焦于學(xué)生的全面發(fā)展和主觀能動性的發(fā)揮，為學(xué)生提供了自主發(fā)展的平臺，有利于學(xué)生綜合素質(zhì)的發(fā)展。在課堂上使用STEM 整合的好處是可以讓學(xué)生綜合思考，并嘗試解決來自多個學(xué)科的最真實(shí)和自然的問題。然而，設(shè)計(jì)和實(shí)施高質(zhì)量的STEM 整合課程對一線教師來說并不容易。就像工程設(shè)計(jì)一樣，好的課程設(shè)計(jì)應(yīng)該是迭代的，需要多個周期的創(chuàng)建、測試和修改。因此，教師應(yīng)該基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，為學(xué)生提供使用其先驗(yàn)知識學(xué)習(xí)和思考的機(jī)會，并從多個學(xué)科的整合中發(fā)展新的知識。雖然很多障礙確實(shí)存在，但如果教師從自身內(nèi)在出發(fā)，且希望做出必要的改變，進(jìn)行有意義的STEM 整合，這些障礙便是可以克服的。當(dāng)然，這也需要外在的學(xué)校管理人員及教育管理部門的決心和大力支持。