3.1.1 STEM教育的学科要素
人类文明的进程决定了STEM教育中科学、技术、工程和数学自然的结合。从科学（Science）规律的探索，到技术（Technology）的应用，到工程（Engineering）的实践，整个过程以数学（Mathematics）为基础，后来增加了艺术人文（Art），呈现螺旋式上升。人类社会已经从工业革命阶段过渡到信息革命阶段，在这个新的发展阶段，科学、技术、工程、数学、艺术这几门学科更是呈现融合之势。而STEM教育并不是这四门学科的简单相加，而是强调多学科的交叉融合，综合运用多学科知识和思维解决实际问题。
1．S：科学
科学（Science）是一个建立在可检验的解释和对客观事物的形式、组织等进行预测的有序知识系统，是已系统化和公式化了的知识。根据科学反映对象的领域，主要分为自然科学、社会科学、思维科学、形式科学和交叉学科。科学改变了世界，科学知识也总能在人类发展进程中的变革中起到关键作用。从顶层来说，科学的使命在于解释世界中的各种现象，创造性地解决人类社会的重大问题。从生活实践讲，科学使命还在于为我们的日常决策提供信息，使我们的决策更加科学明智。比如说，了解物理知识可以解释生活中的某些现象；了解化学知识可以帮助我们鉴别物品；了解数学知识可以对生活中统计有很大帮助，例如理财、装修等。STEM教育就是以“在教育中培养学生的科学素养，形成正确的思维方式，为将来科学、高效地解决生活和社会问题打下坚实的基础”为重要目的而开展的。
在STEM教育中也体现出不断提升学生的科学素养。国际经济合作组织（OECD）认为，科学素养是运用科学知识，确定问题和作出具有证据的结论，以便对自然世界和通过人类活动对自然世界的改变进行理解和做出决定的能力。主要包括四大要素：科学兴趣、科学方法、科学知识、科学精神。STEM里的“S”独特之处恰恰在于为学生创造模拟科学探究和认知的过程，培养一种科学的思维方法和科学探究方式。
科学的发展离不开技术的支持、工程的应用以及数学作为基础，只有当这四门学科有机组合，并在人类认知世界过程中承担相应的要素时，人类的探索世界的过程才算完整。我们对知识的建构也恰好符合这个过程，而这也是我们为什么强调学习STEM，强调培养拥有综合素养的人。
2．T：技术
技术是解决问题的原理及方法，是指人们利用现有事物形成新事物，或是改变现有事物功能、性能的方法。世界知识产权组织在1977年版的《供发展中国家使用的许可证贸易手册》中，给技术下了定义：“技术是制造一种产品的系统知识，所采用的一种工艺或提供的一项服务，不论这种知识是否反映在一项发明、一项外形设计、一项实用新型或者一种植物新品种，或者反映在技术情报或技能中，或者反映在专家为设计、安装、开办或维修一个工厂或为管理一个工商业企业或其活动而提供的服务或协助等方面。”这是至今为止国际上给技术所下的最为全面和完整的定义。知识产权组织把世界上所有能带来经济效益的科学知识都定义为技术。
技术应具备明确的使用范围和被其他人认知的形式和载体，如原材料（输入）、生产成品（输出）、工艺、工具、设备、设施、标准、规范、指标、计量方法等。技术与科学相比，技术更强调实用，而科学更强调研究；技术与艺术相比，技术更强调功能，艺术更强调表达。
技术伴随着人类出现而产生，随着社会的不断发展、技术的不断革新，导致了生产力的不断提高。同时，人们运用科学知识获取的世界规律中也产生了创新工具以及新技术。因此，这里的技术不仅仅指现代以计算机为代表的信息技术，也包含工业时代的工业技术、农耕时代的手工技术等。此外，技术不能狭隘地理解为就是工具，而是包含了在利用工具操作方面的技巧，它的产生更多来源于生活的偶然经验，形成于多次不断的反复劳作中。关于STEM教育中有关技术的论述详见第6章。
在STEM教育中，技术是知识的载体，是想法实现的手段。技术不能脱离人文环境，它一定与人类文明的发展紧密相关。而且好的技术一定是技术与工艺相结合，在生活中得到实践与检验的。同时，技术属于经验积累的范畴，它不能举一反三，不能通过某一规律来推导。因此，学生在学习的过程中运用规律得来一系列的技术，需要再在工程化的过程中实现。
3．E：工程
工程是通过一系列的实施流程和环节，集成各项技术将人类的想法实现为工业产品并最终为人类服务的过程。工程可以大到一座大桥、一栋楼、航天飞机等有形的产品，甚至小到制作桌子、椅子、杯子等。工程也可以是无形的，例如开发无形的软件产品，这些也属于工程实现的结果。
工程是科学和数学的某种应用，在达到目的、实现产品的过程中，一定需要大量的技术作为支撑。比如建造一个房屋，需要打地基的技术、砌墙的技术、盖楼板的技术、上梁的技术等等，这背后有大量的技术作为支撑。很多的工人、工匠掌握着这些不同的技术，他们处在工程实施中的某个环节。而工程师设计工程的结构，关注着工程整个实施环节，他是工程的实践者。所以说，工程、技术存在着天然的联接。
工程是在一定的物质条件约束下实现的。一个工程的实现，受制于多个约束条件。比如要造一座大桥，这座大桥需要一定的经费、需要载重一百吨、工期三个月等。工程师则在这些条件下满足需求，他总是寻找合适的技术来满足这些条件，在没有超预算的情况下，制定合适的方案，造出合格的产品。工程师总是被要求“又要马儿跑得快，又要马儿不吃草”，实现对各项约束条件的最大优化，寻找匹配各项技术指标的最优解。
每一个工程的关注点都是不一样的。工程师一定会关注一些领域或者集中关注一些功能。比如苹果手机就比较关注艺术与科技的结合，它让手机进入“大屏时代”，同时非常注重用户的个性化体验。比如“OPPO”手机注重电池的带电量，他们提出“充电两分钟，通话两小时”，工程师则按照这个要求找到合适的电池，掌握相关的技术，实现这个要求。
STEM教育中的工程指的是学习解决工程问题所需的思路、方法，而非单纯动手做出一样东西。理解工程的思路与方法是人类面对未知世界、未知领域的重要支撑，使我们敢于迎接未来的挑战。工程为人类创造全新的价值，是人类文明的结晶。
4．M：数学
数学对于大家来说都不陌生，小学所学的加、减、乘、除计算的数学技术，以及背后的数学方法和数学原理，都是数学领域研究的范畴。数学是描述自然世界的精确语言，我们依靠数学中一系列的逻辑和推理系统，来解释世界或者解决生活中的实际问题。STEM中的数学更多是指应用数学，利用建模、推理来解决生活中比较抽象、复杂的实际问题。
数学被应用在很多不同的领域上，包括科学、工程、医学和经济学等。数学在这些领域的应用一般被称为应用数学。STEM中的数学更多指的是应用数学，特别是数学建模（描述问题）和数学推理。例如，要测试炸弹爆炸时的破坏力，我们就需要通过数学参数构建模型、预估炸弹的威力。比赛中划艇运动员的体力分配，滑板滑雪赛道的设计等都涉及数学建模和推理。STEM教育中数学与其他各学科的关联如图3-1所示。
图3-1 STEM教育中数学与其他学科的关联
可以看出，数学是其他三门学科的重要基础。科学不断地发现那些隐藏在世界中的规律，运用数学去精准描述所发现的科学规律；在技术层面上，数学更关注的是校准，运用数学使得技术更加精确和完善；对工程项目中，数学其实更多的是提出一种指引目标，是一种准绳。所以，数学的可行性是基于科学理论，技术的可靠性是基于数学计算。在实现工程的过程中，会运用到隐含在科学、技术中的数学，从而实现为工程产品。
5．E、S、T、M之间的关系
STEM中工程、科学、技术和数学学科存在着密切联系。工程设计创设真实的问题情境和学习环境；科学提供解释和认识世界的概念、原理知识和探究方法，有助于工程问题的确定和做出工程设计决策；数学为工程学习提供工具基础，如数据收集方法、数据分析和处理工具、问题解决模型等；技术与工程的关系更加紧密，呈现半分离的状态，工程是技术的选择和集成，技术不仅串起了工程内容的“珠子”，为工程设计提供实现手段，也可以是工程内容本身。同时，在工程学习环境中，科学、数学、技术的学习有了更丰富的意义和价值。STEM教育是四门学科有机的组合，量变的积累、量变达到质变的飞跃，科学革命由此诞生，从而激发新一轮的科学探索，这一螺旋式上升的推进过程同时也推进着人类文明的进程。
STEM中的四个学科范畴究竟是怎样的一个交融呢？站在自然辩证法和历史唯物观角度，基于知识的关联逻辑和互动关系的历史性演变规律，中国科学院上海光学精密机械研究所研究员向世清博士对STEM各范畴概念的自然关系梳理为框架图，如图3-2所示。
图3-2 STEM背后所隐含的人类世界科学技术体系的自然关系框架(1)
向世清教授根据图示解读具体四个范畴之间的关系为：各范畴间采用箭头相互关联，箭头的方向指明了从科学到技术再到工程的渐次递进关系，这是人类认知世界、解释世界，然后反作用于世界的真实过程的写照。其具体过程和先后顺序是，人类首先认知世界某些未知奥秘（研究和发现了科学），然后在科学的基础上形成解决问题的手段和方法（发明和创造了技术），最后在各种技术的基础上综合解决世界上的问题（设计和实现了工程），作用于自然世界的万事万物。总体上，依照渐次的箭头连接，形成了一个顺序递进的正方向，构成了一个不断的正向循环（当然，递进过程中肯定也存在着一定的反向互动的成分）。它反映了它们耦合在一起时作为不可分割的整体是如何面向人作用于大自然的目标，也反映了从根本上不断推动人类科技创新、知识积累、社会进步的不断前行的完整内在图景和外部表现。
在这个过程中，科学——技术——工程形成了一个关于自然世界规律的内生耦合关联，技术是科学的具体实化，工程是技术的协调综合，从而将解决事物问题的多面属性要求自然地契合在一起，彼此无法分开。而数学在其中各处相机穿插，以其定量化形成了各关系和整体系统的表达、规范、约束和制衡，层次得以更高。可以说，没有数学，科学、技术与工程的关系是不易描述、不够准确、不能确定的。
这张自然关系框架图，反映了STEM各个独立范畴间如何生成、如何递进、如何互动、如何交融的内在耦合机制，表述了人类已经形成的知识的内在逻辑关系，构成了人类解决现实世界问题的整体方法论，展现了有效解决人类发展问题的功能和作用的全貌。
STEM教育在发展的过程中，逐渐融合了A（艺术／人文）的特色，即STEAM。STEAM教育实现了艺术与科学的深度融合，实现了理性与感性的对话。使人们在无限追求物质世界真理的同时，也在追求对于精神世界的塑造。STEAM在我国的具体实践中也衍生出A-STEM概念，其本意都是凸显其中的艺术和人文属性。再后来，美国国家科学委员会认为，还需要添加阅读（Reading）和写作（Writing）中的思维技巧，STEAM又演变成了STREAM。因为，阅读是知识的输入形式，而写作是知识经过思维逻辑的整合、分析和处理之后的输出形式。它本身反映的是一种高水平的学习与创新能力，也是衡量学生学业能力水平和思维发展水平最重要的判断依据和标准之一。可以说，STEM是一种基础，STEM＋成为其衍生。本书以STEM为蓝本，其内涵包含STEM＋等理念和观点。