3.1.2　STEM教育的内涵解读

可以看到，STEM四个范畴（乃至STEM+中的多个范畴）中，各个范畴都是客观存在的、已有同类型知识的集合，它们之间是相互依存和递进的关系，共同构成了一个整体系统。但各个范畴又代表系统的不同侧面和不同层次，从方法论的角度总体上彰显了各自十分不同的方法性特征。它们构成一个以“科学为基、技术为用、工程为径”，以客观世界新客体为果的大概念系统。

STEM理念应用于教育而形成的STEM教育，其有着浓厚的教育属性，即“培养什么样的人”的问题。我们认为STEM教育的本质是培养学生认识世界、改造世界的方法论，即人在思考问题的时候是有流程和层次的。我们就拿解决“餐桌的改造”为例来说明如何利用STEM思维培养人：

家里的餐桌旧了，妈妈准备扔掉，孩子突发奇想，想把餐桌改造成弟弟的游戏桌，于是开始了一系列计划。首先，要进行改造项目大方向的思考，将餐桌改造游戏桌的大方向是否可行，对比餐桌和游戏桌实际上是减低高度和减小面积，维持桌子的稳定。这些都是科学范畴，是最基础的，也是最先需要思考的。其次，就是思考如何做的问题，也就是说在科学性的基础上实用化，所以我们要思考利用什么工具、手段、技法和载体，这就是技术范畴。例如，可以进行“准备尺子、锯子”等工具，其方法就是将四条桌腿都缩短到适合弟弟游戏的高度，将桌面锯掉一部分，形成游戏桌大小；接下来，就要考虑是先将桌腿卸掉再缩短长度，还是直接在连接状态下缩短指定长度等等这些具体配置各元素的问题，建立在科学和技术的基础上，通过整体协调多因素、多元素而实现“物化”成果，在应用时一定考虑了如何配置各元素和使用哪些技术，以及如何使用的具体问题；在这一系列过程中，可能涉及测量、计算等数学范畴，也就是说数学在其中恰好提供了对各个范畴的基本规范和配置关系。

那么，当餐桌改造成游戏桌的一系列思考、操作和活动的总和，如果上升到基本原则和方法论高度，就构成了人们解释和解决问题的总体方法论。这种方法论既超越了学科知识的简单相加，又抽象出了更具普适性的思维方法。而STEM教育就是让学生经历解决问题的活动，不断地形成认识论和方法论，最后形成潜移默化、能够影响自身发展的素养。

1．STEM教育的目标——培养学生素养

基础教育阶段培养中小学生的STEM素养。STEM素养是一种综合性素养。其素养的综合性体现在两个方面：一是内容上的综合，二是形式上的综合。

在内容上，STEM是科学、技术、工程和数学四个领域的综合。STEM不是四个领域简单的集合和拼凑，而是围绕一个问题或项目，运用多学科知识解决问题的过程，因此是一种基于综合性的项目的学习。在基于综合性项目的学习中，通过运用科学、技术、工程和数学四个学科的知识，综合形成学生的STEM素养。第一，科学素养。科学是技术的基础，为技术发明和运用提供依据。因此，科学素养是旨在使学生掌握科学知识、科学规律，形成科学精神。第二，技术素养。技术是科学的运用，是科学的具体化。技术素养指向学生掌握、运用、评价和发明技术的能力。第三，工程素养。工程是技术的实际运用。工程素养指对技术的工程设计与开发过程的理解、评价与反思。第四，数学素养。无论是科学、技术和工程都离不开数学，数学是掌握科学、技术和工程设计的工具。在这个意义上，数学素养是根基。它要求学生掌握数学知识、数学定理，能够进行数学运算，具有数学推算的能力。STEM素养包含科学、技术、工程和数学四个方面的素养，这四个方面是环环相扣的，就是综合运用科学、技术、工程和数学领域的知识解决实际问题的能力。

在形式上，STEM是知识、方法、技能、能力、态度等多元素的综合。没有科学知识为基础，就不会有技术的创新。技术的创新没有态度和情感的引导，缺少创新的动力和创新的价值。所以，STEM素养既不单指知识，也不单指创新能力，而是知识、技能、能力、情感等因素的综合。当然，每个因素又是多种因素的综合，如图3-3所示，科学知识涉及自然历史、物理、生物、化学、空间地球科学等，工程知识涉及计算机、航天、流体、建筑、农业建设、电力材料和海洋等领域，数学包括代数、几何、测量、数据分析等。也是应用这些知识解决问题技能的集合，包括学习与创新技能、媒介数字素养技能、职业和生活技能。在解决问题中，各种能力也不断得到提升，这些能力包括思考与问题解决能力、探索学习能力、科技实践能力、创意革新能力。特别是STEM扩展到STEAM，A的加入，不仅代表Art（艺术），也代表人文、社会等一类学科，更是培养学生对科技的向往和热爱的情感，对STEM领域的态度和兴趣，并能引导学生形成正确的科技观、科技运用观，防止人在创造技术之时，又被技术所异化，成为只有技术而无人性的单面人。

2．STEM教育的形式——跨学科课程融合

关于学科融合，有两种理解和操作方式：第一种是一个主题的多学科延伸，即通过多个学科一起来研究核心主题。例如研究桥梁，可以通过桥梁的起源和发展（历史）、桥梁的种类和功能（科学）、桥梁的承重原理（物理）、桥梁的测量（数学）、桥梁的设计与绘制（美术）、赞美桥梁精神（文学）、现代桥梁在中国发展中的作用（社会）等。通过这些学科知识的学习，全方位地认识有关桥梁的人文历史，并从中挖掘有趣的数学、科学知识等。这种融合可以称为“多学科模式”，但学科之间没有交叉，每个学科的地位和作用基本相同，都是为全面掌握“桥梁”这一主题而服务的，如图3-4所示。

另一种融合称之为“跨学科模式”，是在学科的基础上融合。例如同样的“桥梁”的话题，以“构建承重桥梁”为主题，建立工程项目的概念，从项目的缘由到工程的规划，从团队分工到测量建模，从熟悉原理到自主设计，从草图设计到实践搭建，从不断测试到反思修改，从主题实施到拓展延伸都采用项目管理的方式，不断地反思和跟踪进程。其中涉及熟悉桥梁构造和承重原理的物理学知识，了解历史名桥的构建原理等文化背景，还涉及比例、测量、图形建模及造价比等数学内容，熟悉用何种工具何种办法实现设想的技术问题，此外可能还涉及桥梁的美观性和实用性的美学知识……如图3-5所示。

总之，在完成这一项目时，学生不仅运用到学科知识，还运用到思维能力、研究能力、团队协作能力和社会交往能力等。这种对于知识和能力的深度融合就是STEM教育的精髓。

3．STEM学习的主线——基于真实问题情境

STEM教育认为知识蕴含在真实的问题情境中。因此，STEM教育注重学生学习与实际生活之间的联系，教育要立足于生活，从真实生活中的问题出发。强调“做中学”“学中做”的教学理念，开展基于真实问题情景下的探索式学习。(2)

在STEM教学中，教师要善于在生活中发现问题，或者引导学生提出生活中难以解决的问题。在进行教学设计时，要将问题中的核心抽离出来，转化成一系列的学习任务，并提供完成任务的辅助资源和支架。在实践教学中，教师更要指导学生利用所学的综合知识积极探索、分析问题、形成解决问题方案、尝试解决、修改方案，最终完成学习任务，解决问题。

例如，STEM学习项目《救生圈的奥秘》是一项灵感来自上海科教版《自然》二年级第三单元《物体的沉与浮》一课的项目化探究活动。一到暑假，总会从新闻中看到某地方某幼儿溺亡的消息，缺乏安全意识最终导致了悲剧的产生。通过学生探究，可以让孩子们知道游泳圈的作用，提高学生的安全意识。

再如，STEM学习项目《未来之车》中，是以燃油耗能为背景下对汽车的改造项目。当下生活中，汽车需求量越来越大，但是大部分汽车是烧石油的，我们都知道石油是不可再生资源，并且燃烧石油会伴随着大量的碳排放以及含硫物质等有害物质，请你们以小组合作的形式，以设计师的身份，结合教师提供的脚手架以及你们搜集到的资料和知识，在两个月的时间内，设计并制造一辆“未来之车”。

以上两个项目中，教师为学生创设情景，以真实问题作为学习过程的主线，学生利用多门学科知识积极探索，培养发现问题、分析问题和解决问题的能力，通过精神高投入的实践探索，达成对知识的意义建构和深层次理解，达到深度学习的目的。

4．STEM学习方式——基于项目（问题）的学习

在STEM教育中有很多实施范式，但基于项目（问题）的学习居多。什么是项目？可以是真实物品也可以是解决方案。基于项目学习的定义至今没有定论，学者们分别从教育学视角、管理学视角和实践的视角表述基于项目学习的概念，但他们都强调基于项目学习的共性是“一种以学习者为中心，以解决问题为核心”。基于项目学习一般是以学科的概念和原理为中心，在真实世界中借助多种资源开展科学探究、解决问题、制作物品等活动，一般包括驱动问题、核心内容、展示反思等。

教师可以根据学生的兴趣、课程标准和当地资源选择研究主题作为项目。特别注意的是：基于项目学习中的驱动问题（driving question）是解决某一个真实情境下的有一定挑战性的问题，其核心问题往往集中在创设解决问题的模式（缓解“疫情”停课不停学期间学生用眼过度的解决方案）、解释现象的因果关系（加酶洗衣粉的洗涤效果）、能源和物质的流动、循环和存储（创意风力帆车）、某种物品的结构和功能（红蓝3D眼镜）、物品的设计与制作（光控灯的设计）、物质的稳定和变化（野外求生的制取净水）等中。在项目成果的公开展示和反思中，一般会面向驱动问题相关的群体，很大程度上考验学生的经验抽象与积累，促进积极性，保证高质量产出。

基于项目学习对核心素养培养方面，很多学者都有一致认同。“开展基于项目学习的价值在于围绕挑战性的学习主题，提出问题，深度参与探究，从而获得发展，提升核心素养和能力”，可以说，基于项目学习是一种教与学方式的创新。

5．STEM教育的特色——工程设计和思维

（1）工程设计

工程是在特殊的情境中达成特定的目标或解决特殊的问题。工程师通过使用数学、科学、技术等专业知识，进行反复的设计、决策、建模、分析并进行最优化动态调整。STEM学习中，学生经历如下过程：“确定问题或对象——界定目标和限制条件——研究及收集信息——提出可能的解决方案——分析解决方案的可行性——选择最合理的解决方案——实施或执行设计——测试和评价设计——必要时重复各步骤”。这种过程正是工程设计的流程。何为工程设计？美国国家工程院和国家研究委员会将工程设计定义为“工程师赖以解决问题的方式——通常是为达到某一特定目的寻找制造设备或工艺的最佳方式”。纽约州在其STEM教育标准中提出：“工程设计是一个反复的建模和最优化的过程，在既定条件下发现最优的解决方案。”(3)在STEM学习中，学生经历工程设计可以解决生活问题，不断思考材料、环境、经济等限制因素，使设计不断聚焦，方案不断优化。此外，工程设计提供了系统的思维方式。面对复杂的具体情境时，受大量外部因素和人为因素的影响，学生需要经历反复地设计和测试，体验失败，并不断调整和完善自己的解决方案，这样的过程有助于帮助他们形成系统的思维方式。

可以说，工程设计是STEM教育中的特色和难点，但也是最吸引人的地方。正因为有了工程设计过程，整个过程跟做研究的过程几乎完全一致，并且追求的是最短的时间、最少的人力物力以及产品的高效可靠。在中小学阶段引入工程教育，能给学生提供一种新的视角，尝试用批判性的思维看待自然世界和设计世界的不同。

（2）工程思维

STEM教育中很重要的一点是培养学生的工程思维。通俗来说，就是培养学生“像工程师一样思考”的思维。《K-12教育中的工程：理解现状和提升未来》指出，K-12工程教育应促进培养学生的工程思维习惯，“工程思维习惯是21世纪公民必备的技能之一”。

《K-12教育中的工程》报告将工程中的思维习惯表述为以下5个方面(4)：

系统思考习惯：现实世界很多事情都有着盘根错节的关系，系统思考的习惯就是以系统的角度而不是孤立的个体角度思考，不是片面地分析现象，不从简单的线性因果关系分析问题。

技术的理解和批判的思维：基于具体任务情境来考量技术的优劣评判。认为世界可以被改造，每种技术都有可能被在不断迭代中改善。

积极解决问题并关注伦理问题的思维习惯：积极应对挑战，掌握思考问题的方式、解决问题的程序，懂得问题可以被解决。在工程的决策和价值判断中，除了考虑经济因素、实用因素、参与者的人为因素外，还应考虑伦理问题。

合作与交流的思维习惯：复杂情境中的任务不应由个人来完成，而应寻求不同领域专家的帮助，通过合作来解决复杂问题。要善于合作，能综合不同视角、知识和能力的成员的贡献，达到共赢。

创造的思维习惯：充分考虑限制因素和具体要求，在反复的设计优化中创造新事物。

从上述要求可以看出，STEM教育中工程学科融合培养的并不是简单地让学生学会动手制作一个模型、会做出一个物品，而是将培养的着眼点放在学生思维层面，培养的是学生的高阶认知能力和思维方式。