STEM教育與研究

作者：柳秀峰1　翟彥芳2

（1. 美國(guó)紐約州立大學(xué)布法羅分校教育學(xué)院；2. 首都師范大學(xué)教育學(xué)院）

柳秀峰，美國(guó)紐約州立大學(xué)布法羅分校科學(xué)教育杰出教授，美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）會(huì)員。在STEM教育的測(cè)量和評(píng)估、Rasch測(cè)量的應(yīng)用，以及學(xué)生對(duì)物質(zhì)和能量的長(zhǎng)期概念發(fā)展等密切相關(guān)的領(lǐng)域進(jìn)行研究。目前擔(dān)任《科學(xué)教學(xué)研究》雜志副主編、《學(xué)科與跨學(xué)科科學(xué)教育研究》雜志聯(lián)合主編。

STEM，即科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）的縮寫(xiě)，最早由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）提出并應(yīng)用，并將這一術(shù)語(yǔ)用于對(duì)教育和勞動(dòng)力發(fā)展項(xiàng)目進(jìn)行分類[1]。自21世紀(jì)初以來(lái)，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)一直在其發(fā)布的出版物和提交給國(guó)會(huì)的預(yù)算申請(qǐng)中使用這一術(shù)語(yǔ)，用以指一系列相關(guān)項(xiàng)目。盡管STEM教育深受歡迎，但目前還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義或廣泛接受的概念[2]。

盡管對(duì)STEM教育有各種不同的理解，但一個(gè)普遍認(rèn)同的關(guān)鍵方面是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的跨學(xué)科學(xué)習(xí)，即綜合STEM教育[3]。這是因?yàn)榭茖W(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)雖然是既定的學(xué)校科目，但跨學(xué)科學(xué)習(xí)方面存在不足或需要加強(qiáng)。跨學(xué)科STEM教育與科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的學(xué)科教育在概念理念和實(shí)踐上有著明顯的重疊[4]。雖然STEM教育強(qiáng)調(diào)整合，但它并非K—12教育的單一學(xué)科；它并不取代學(xué)校中的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等單獨(dú)學(xué)科。

一、STEM教育方法

STEM教育有很多方法。在這里，我們介紹3種常見(jiàn)的方法：工程設(shè)計(jì)、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，以及創(chuàng)客空間。

工程設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)是工程的核心要素[5]，可以用于STEM教育的課程設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施。Roehrig等人基于對(duì)有效綜合STEM教育課程和教學(xué)的全面文獻(xiàn)回顧[6]，確定了高質(zhì)量綜合STEM課程和教學(xué)的7個(gè)基本特征。這7個(gè)特征在綜合STEM課程與教學(xué)的設(shè)計(jì)和實(shí)施中是有機(jī)聯(lián)系并系統(tǒng)執(zhí)行的（如圖1）。

關(guān)注現(xiàn)實(shí)世界問(wèn)題　綜合STEM學(xué)習(xí)應(yīng)該圍繞解決現(xiàn)實(shí)世界的問(wèn)題進(jìn)行設(shè)計(jì)，問(wèn)題應(yīng)具有情境化特征，且有多種解決方案；同時(shí)應(yīng)能激發(fā)學(xué)生的興趣并與學(xué)生日常生活息息相關(guān)。現(xiàn)實(shí)世界的問(wèn)題應(yīng)要求學(xué)生通過(guò)解決問(wèn)題表現(xiàn)出個(gè)體促成變化的能動(dòng)性。

參與工程設(shè)計(jì)　工程設(shè)計(jì)是一個(gè)動(dòng)態(tài)迭代的過(guò)程，它可以被概念化為幾個(gè)不同且相互關(guān)聯(lián)的步驟。例如，由波士頓科學(xué)博物館設(shè)計(jì)的“工程是基礎(chǔ)”課程是基于以下步驟的設(shè)計(jì)過(guò)程：識(shí)別—頭腦風(fēng)暴—構(gòu)建和測(cè)試—完善和溝通（https://www.eie.org/）。美國(guó)航空航天局（NASA）的設(shè)計(jì)包括8個(gè)步驟：識(shí)別問(wèn)題—確定標(biāo)準(zhǔn)和約束—頭腦風(fēng)暴可能的解決方案—選擇設(shè)計(jì)—建立模型或原型—測(cè)試模型并評(píng)估—改進(jìn)設(shè)計(jì)—向他人展示模型（https://nasaeclips.arc.nasa.gov/teachertoolbox/download/45）。English則提出了工程設(shè)計(jì)的以下階段：?jiǎn)栴}范圍的界定（理解問(wèn)題的邊界）—思路的產(chǎn)生（頭腦風(fēng)暴和規(guī)劃）—設(shè)計(jì)和構(gòu)建（模型開(kāi)發(fā)）—設(shè)計(jì)評(píng)估（滿足約束）—重新設(shè)計(jì)（模型開(kāi)發(fā)）[5]。

情境整合　綜合STEM學(xué)習(xí)應(yīng)以科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)和／或工程的具體內(nèi)容知識(shí)為基礎(chǔ)。換而言之，STEM學(xué)科內(nèi)容為綜合STEM學(xué)習(xí)提供情境。

內(nèi)容整合　除了特定內(nèi)容外，綜合STEM學(xué)習(xí)還應(yīng)促進(jìn)STEM學(xué)科內(nèi)容的整合與銜接。這種銜接可以通過(guò)多學(xué)科和跨學(xué)科的方法實(shí)現(xiàn)。

參與真實(shí)的STEM實(shí)踐　在綜合STEM學(xué)習(xí)中，學(xué)生應(yīng)該有機(jī)會(huì)參與STEM實(shí)踐。STEM實(shí)踐的核心是基于證據(jù)的推理，如論證和數(shù)據(jù)科學(xué)。學(xué)生應(yīng)利用自己的文化和個(gè)體知識(shí)，在應(yīng)用STEM實(shí)踐方面表現(xiàn)出能動(dòng)性。

21世紀(jì)技能　綜合STEM學(xué)習(xí)應(yīng)支持21世紀(jì)勞動(dòng)力技能的發(fā)展。21世紀(jì)技能包括協(xié)作、溝通、批判性和創(chuàng)造性思維，以及解決問(wèn)題的能力。

STEM職業(yè)　綜合STEM學(xué)習(xí)應(yīng)該讓學(xué)生接觸到各種STEM職業(yè)，并促進(jìn)學(xué)生對(duì)STEM職業(yè)的興趣。

基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)

基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)（Project-based learning，PBL）這一概念源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，可追溯至100多年前約翰·杜威關(guān)于“將學(xué)習(xí)視為日常問(wèn)題的探究”的初始思想。然而，當(dāng)今的基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)理念是基于對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的深入研究而形成的，特別是融合了建構(gòu)主義、情境學(xué)習(xí)、社會(huì)文化學(xué)習(xí)和認(rèn)知工具理論[7]。在K—12課堂中實(shí)施基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)的方法有很多[8]。在STEM教育中，Krajcik和Blumenfield提出了基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)的幾個(gè)關(guān)鍵特征[7]。

驅(qū)動(dòng)問(wèn)題　基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)的核心在于解答一個(gè)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。驅(qū)動(dòng)問(wèn)題包含了具有價(jià)值且意義深遠(yuǎn)的內(nèi)容，并緊密聯(lián)系著現(xiàn)實(shí)世界的具體情境[9]。這些驅(qū)動(dòng)問(wèn)題應(yīng)以學(xué)生的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，并與所期望的學(xué)習(xí)成果（例如學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)）相關(guān)聯(lián)。驅(qū)動(dòng)問(wèn)題之所以有意義且值得回答，在于它們與學(xué)生日常生活緊密相關(guān)，并且能夠滿足社會(huì)需求。鑒于學(xué)生在構(gòu)建有效的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題方面缺乏經(jīng)驗(yàn)，教師需要提供適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)和支持，幫助學(xué)生發(fā)展出合適的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。良好的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題應(yīng)該是可行的、有價(jià)值的、情境化的、意義深遠(yuǎn)且符合倫理標(biāo)準(zhǔn)的。

真實(shí)探究　為了解答驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，學(xué)生必須參與到探究過(guò)程中，收集和分析數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)進(jìn)行推理以得出結(jié)論。這樣的探究過(guò)程并不是有固定步驟的線性過(guò)程，而是根據(jù)具體問(wèn)題和情境靈活變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程。有效的探究不僅需要具備特定的技能（例如使用特定的測(cè)量工具進(jìn)行測(cè)量），還包括相關(guān)知識(shí)和態(tài)度（例如尊重證據(jù)、保持開(kāi)放思維）。美國(guó)《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（NGSS）概括了8種科學(xué)與工程實(shí)踐：提出并界定問(wèn)題；開(kāi)發(fā)和使用模型；計(jì)劃和開(kāi)展研究；分析和解釋數(shù)據(jù)；運(yùn)用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維；構(gòu)建解釋和設(shè)計(jì)解決方案；基于證據(jù)進(jìn)行論證；獲取、評(píng)估和交流信息[10]。

協(xié)作　基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)是一種涉及包括教師、學(xué)生及其同伴在內(nèi)的協(xié)作過(guò)程，他們共同構(gòu)成了一個(gè)學(xué)習(xí)社團(tuán)。協(xié)作并非學(xué)生天生就具備的能力，而是一種需要在學(xué)生身上培養(yǎng)的特殊技能和態(tài)度，比如言語(yǔ)交流（包括講話和手勢(shì)）就在協(xié)作中必不可少。教師需要向?qū)W生展示高效的協(xié)作模式，而學(xué)生則應(yīng)當(dāng)學(xué)會(huì)重視并參與高效協(xié)作，以便共同解答驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。

技術(shù)工具　基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)有效地利用學(xué)習(xí)技術(shù)解答驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。這些學(xué)習(xí)技術(shù)作為一種思維擴(kuò)展工具，增強(qiáng)了學(xué)生在收集數(shù)據(jù)、分析和解釋數(shù)據(jù)，以及呈現(xiàn)和交流探究成果方面的智力和操作能力。例如數(shù)字探針在戶外數(shù)據(jù)采集中表現(xiàn)出色，而計(jì)算機(jī)模擬則在對(duì)于特定現(xiàn)象（如地震）的探索方面非常有效。在基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)實(shí)踐中，這些技術(shù)工具被無(wú)縫整合到探究過(guò)程之中，成為基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)環(huán)境中不可或缺的基本要素。鑒于技術(shù)工具可能帶來(lái)較高的成本，因此在基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)實(shí)施中需要特別關(guān)注公平性和包容性問(wèn)題。

創(chuàng)造工件　工件是對(duì)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題的答案或知識(shí)的外在展現(xiàn)，它們可以是物理模型、計(jì)算機(jī)模型、報(bào)告、數(shù)字媒體（例如PPT、網(wǎng)頁(yè)）、海報(bào)、游戲、劇本等形式。工件通過(guò)展示真實(shí)探究的過(guò)程、結(jié)果、新知識(shí)和理解，以及探究過(guò)程中提出的各種問(wèn)題，有效回應(yīng)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。在構(gòu)建工件的過(guò)程中，學(xué)生不僅構(gòu)建并重塑了他們的理解，而且還積極參與對(duì)自身學(xué)習(xí)的反思，并與他人分享和交流自己的理解。通過(guò)展示工件，學(xué)生能夠從教師和同伴那里獲得建設(shè)性的反饋。同時(shí)，工件也是用于評(píng)估學(xué)生學(xué)習(xí)的記錄。

創(chuàng)客空間

創(chuàng)客空間是一個(gè)允許參與者共同合作，創(chuàng)造知識(shí)、物理或數(shù)字產(chǎn)品的場(chǎng)所[11]。所謂的“制作”（Making）是指“在藝術(shù)、科學(xué)和工程領(lǐng)域中，各個(gè)年齡段的人們?nèi)诤蠑?shù)字和物理技術(shù)探索創(chuàng)意，學(xué)習(xí)技術(shù)技能，并創(chuàng)造新產(chǎn)品的一個(gè)創(chuàng)造性生產(chǎn)過(guò)程”[12]。如今由創(chuàng)客空間所推動(dòng)的創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)可以被看作是木工、手工藝和電子等傳統(tǒng)愛(ài)好的現(xiàn)代延伸。創(chuàng)客空間不一定涉及復(fù)雜的技術(shù)，雖然現(xiàn)今大多數(shù)創(chuàng)客空間都采用了數(shù)字工具。最初的創(chuàng)客空間多設(shè)在校外場(chǎng)所，如博物館、社區(qū)中心和公共圖書(shū)館等。隨著廉價(jià)硬件的普及，數(shù)字制造技術(shù)的易于獲取，以及軟件和設(shè)計(jì)的共享，人們對(duì)于將創(chuàng)客空間引入K—12學(xué)校并將其完整地融合到學(xué)校課程中表現(xiàn)出了越來(lái)越濃厚的興趣。

將創(chuàng)客空間引入K—12學(xué)校教育是以Papert的建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為前提的：當(dāng)學(xué)生利用特定工具（如Logo編程）參與制作可共享的作品時(shí)，學(xué)習(xí)便得以發(fā)生[13]。具體來(lái)說(shuō)，創(chuàng)客空間為科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)等多個(gè)學(xué)科提供了一個(gè)融合點(diǎn)，從而為綜合STEM學(xué)習(xí)提供了機(jī)會(huì)。創(chuàng)客空間的共同特點(diǎn)是創(chuàng)造實(shí)物，但由于其目標(biāo)和用途的差異，其設(shè)計(jì)和實(shí)施在本質(zhì)上也各不相同。

使用創(chuàng)客空間進(jìn)行綜合STEM學(xué)習(xí)關(guān)鍵在于將創(chuàng)客空間視為一個(gè)“為特定群體使用而專門(mén)設(shè)置的空間，這個(gè)空間構(gòu)建了一個(gè)圍繞實(shí)踐操作的實(shí)踐社區(qū)”[13]。學(xué)習(xí)便是通過(guò)在創(chuàng)客空間內(nèi)開(kāi)展的活動(dòng)而發(fā)生的[11]。Mersand在2021年的一項(xiàng)研究中，通過(guò)將活動(dòng)理論應(yīng)用于創(chuàng)客空間，展示了這些活動(dòng)的不同組成部分[11]，圖2中詳細(xì)展示了這一點(diǎn)。

Mersand對(duì)創(chuàng)客空間的研究進(jìn)行了全面的文獻(xiàn)回顧[11]，指出不同的創(chuàng)客空間在活動(dòng)組件的概念化和實(shí)際操作上各有側(cè)重，創(chuàng)客空間已經(jīng)發(fā)展成為一種國(guó)際性的運(yùn)動(dòng)。

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