本文节选自2017年3月刊、第40期《奕阳幼教评论·STEM教育专刊》
奕阳教育研究院 敖晓会
2012年，《上海教育》开辟STEM教育专栏，刊登“STEM教育：美国教育战略中的重中之重”系列文章，这是我国教育杂志第一次较为集中地介绍STEM教育。至今5年间，从最初研究学者的关注，到部分国际教育机构、创客公司等的不断推动，再到教育部、教委从政策上的倡导，STEM教育由一个从民间自下而上发展、到从教育部自上而下推广，两股力量正慢慢合流。那么，究竟STEM教育有什么特点？在实践中如何实施STEM教育呢？本文将在呈现两个典型STEM案例的基础上，尝试去探析STEM的核心特征。
一
两个案例——《飞机场》和《制作微型雪橇》
由于国内关于STEM的案例较少或不成熟，本文翻译了2个国外STEM案例的部分片段，以帮助读者从中管中窥豹。
案例1 飞机场
目 标 |
科学 |
物理——探索飞机如何在空中飞行、安检仪器如何能“看到”行李？X射线是什么？ 天气——了解天气条件的变化如何影响飞机飞行。 安全——发现飞机场及航班上安全的重要性。 |
技术 |
互联网研究——查找关于飞机场和飞机的信息，了解飞机场相关设备（如安检仪、行李传送带等）的知识，探究飞机相关的构成部分（如驾驶舱、座椅、行李储存箱、饮料推车、安全带、行李以及其他道具）的知识。 桌面出版——制作登机牌、标识、护照、身份证、行李标签、机场工作人员的姓名牌等。 |
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工程 |
绘画——计划并画出教室中飞机场的布局，包括进站口、安检区、行李领取处。计划并画出驾驶舱、空乘人员服务区、座椅区。 创设空间——利用教室里的家具或其他手中的材料对飞机场和飞机进行布局。 设计——利用不同的人造材料制作驾驶舱控制板、进站检票的电脑、安检通道、飞机票、登机牌、护照等。 合作与解决问题——讨论飞机场、飞机以及乘客的角色及相应的角色要求。为什么安全事宜如此重要？ |
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数学 |
数量——点数所需工作人员的数量、旅客数、行李的件数。制作坐位号牌，按顺序叫号练习登机。 排序——确定飞机旅行的过程，从买机票到抵达。 大小与测量——比较行李的大小——更大或更小；小号、中号、大号、超大号；轻、重。 时间——决定航班的出发到达时间和持续时长。 加减法——计算旅客和行李的数量。 钱——确定航班、额外行李等的价格。 市场研究——用图表统计每周不同目的地旅客的数量，确定在班级飞机场最受欢迎的旅行目的地。 |
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实 施 阶 段 |
第一阶段 建立飞机场 |
l 用图表画出自己关于飞机场和飞机的经验。 l 研究、并设计教室飞机场。 l 收集、利用盒子及其他材料创设一个安检区、进站检票区、行李提取区。 l 给飞机场命名、设计飞机场标识。 |
第二阶段 制作驾驶舱、空乘服务区、座位区 |
l 创设飞机的制作驾驶舱、空乘服务区、座位区。 l 用瓶盖、积木、磁铁、旧的电子元件等材料建造驾驶舱控制板。 l 建立一个声讯系统以便飞行员能与控制塔和乘务组对话、乘务组能与乘客对话。 l 创设航班乘务组工作区域以及售卖零食的系统。 |
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第三阶段 分配角色 |
l 探究机场运行所需的工作人员类型。 l 形成对工作的具体描述；尝试不同的角色。 l 收集或制作更衣室、道具材料。 l 确定工作人员和旅客的数量；签订协议。 l 制作身份证、登机牌、机票、行李贴、招牌。 |
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第四阶段 开放机场 |
l 投票确定5个最喜欢的目的地，确定每天的航班目的地以及出发到达时间。 l 练习到达检票口、检查行李、安全检查、登机。练习登机、驾驶飞机、服务乘客。 l 查看天气预报，确定是否开放机场航班服务。 |
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第五阶段 改进机场 |
l 评估哪些工作要改进，哪些需求要调整。 根据讨论和研究的想法，改善机场。 |
案例2 制作微型雪橇
任务 |
制作微型雪橇，要求：能从斜坡上负重滑下来的。 |
目 标 |
1.探索雪橇制作材料及其性能之间的关系。 2.探索工程设计的基本流程。 3.体验合作型学习，锻炼解决问题、与同伴沟通等思维能力。 |
实 施 过 程 |
参与 （Engagement） 1.和幼儿一起读《14只老鼠的冬季雪橇日》，主要内容：一只老鼠爸爸带着小老鼠们计划、设计并建造雪橇，让小老鼠们忙忙碌碌地度过了漫长的雪季。 2.请家长带家里各种雪橇来园。 |
探索（Exploration） 1.让幼儿一起滑雪橇。滑完雪橇，让幼儿一起讨论：哪些材料制成的雪橇滑得最好，并找到可能的原因。幼儿们认为最好的雪橇是滑得快的雪橇，大多数幼儿认为金属材料的雪橇滑得最快。 2.在建造中心搜寻可以利用的材料，设计制作雪橇的蓝图。 3.幼儿2人一组制作雪橇，教师观察，进行必要的指导。 |
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解释（Explanation） 幼儿在同伴面前分享、解释自己的雪橇是如何设计和建造的，并介绍雪橇的滑雪性质。 |
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评估（Evaluation） 在雪地上测试各自制作雪橇的性能。测试完，幼儿一起讨论哪些雪橇做得好，好在哪儿，存在哪些问题，如何改善等，为进一步改善雪橇做准备。 |
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延伸（EXtension） 根据测试情况进一步改善雪橇。 |
二
STEM教育的核心特征探析
从以上的2个案例中，我们对STEM教育有初步的感知。以下，本文将结合以上2个STEM案例，尝试探析STEM教育的核心特征，以帮助大家对STEM教育有更深层次的认识。
1.从学科属性上来看，STEM教育是理科综合教育，以科学教育为核心，是科学教育、技术教育、工程教育、数学教育等多学科交融的研究实践领域。
科学、数学在于认识世界，解释自然界的客观规律。技术和工程则是在认识世界自然规律的基础上改造世界，实现对自然界的控制和利用，满足人们需求和愿望，解决社会发展遇到的难题。尽管人们习惯把科学、工程技术和数学当作独立的学科，实质上它们是紧密相连的。
科学、技术、工程和数学之间实质上有着天然的共通性和互补关系。正是由于四者本身天然的联系，以及当今社会更加复杂且具不确定性，STEM教育强调学习者要结合真实问题情境进行整合学习，消除学科之间的壁垒，促进相关学科领域之间的融合，发展学习者解决问题的能力和创新思维能力，以应对将要面临的更加复杂多变的问题情境。这是STEM教育提出的初衷。
随着STEM教育的传播和发展，由STEM衍生出了一些相关的概念术语，如STEAM（Science，Technology，Engineering，Arts，Math）、STREAM（Science，Technology，Reading，Engineering，Arts，Math）、STEAM GLASS（Science，Technology，Engineering，Arts，Math，Geography，Language Arts，Social Studies）、STEM+等。这些术语在形式上不同，但在本质上是相同的，都同STEM一样强调跨学科整合的学习方式。
STEM概念在不断“泛化”运用中，也使部分初次接触者变得迷糊，不知所以。实际上，这些“泛化”的运用实际是抓住了STEM教育的一个核心特征“跨学科”的学习方式，或者是运用了STEM教育强调的项目式学习法，但是在某种程度上忽视了STEM教育的原初宗旨——STEM教育，从学科属性上来看，它是以科学教育为核心，为更好地学习科学教育、技术教育、工程教育、数学教育等学科，而提出的跨学科、项目式的整合教育形式。
案例1《飞机场》中，乍一看，和幼儿园之间的瑞吉欧项目教学很相似，但实质上这个案例呈现了STEM教育的典型特征。首先，从目标的设定来看，它是围绕科学、技术、工程、数学来制定预设目标，整个项目的推进都旨在实现这些目标。其次，从实施流程上，它围绕建造机场的任务，开展项目式学习。它并不像幼儿园常实施的项目教学，它关注的5大领域的全面渗透发展，而并不重点关注STEM科学教育领域，这是二者的根本不同。
案例2《制作微型雪橇》中，也是围绕制作雪橇的任务，旨在探索纸板、木板等不同材料对雪橇性能的影响，它也是从科学教育目标的角度出发的。因而，在科学教育的学习中，推动STEM教育方式，这是STEM原初宗旨、首要特征，也是实施STEM教育首先要重视的基础问题。
2.跨学科的学习方式是STEM教育的核心特征
美国学者艾布特斯（Abts）使用“元学科”（meta-discipline）描述STEM，他认为STEM是代表科学、技术、工程和数学等学科的统整的知识领域，它们存在于真实世界中，彼此不可或缺、互相联系（Morrison，2006）。
传统的分科教学，将知识按学科进行划分，对于科学研究、深入探究自然现象的奥秘和将知识划分为易于学习教授的模块是大有裨益的，但并不反映我们生活世界的真实性和趣味性（Morrison，2009）。因此，分科教学（如物理、化学）在科学、技术和工程高度发达的今天已显出很大弊端。
针对这一问题，不同于传统的分科教学模式，STEM教育强调的是跨学科的学习方式。跨学科意味着教育工作者在STEM教育中，不再将重点放在某个特定学科或者过于关注学科界限，而是将重心放在特定问题上，强调利用科学、技术、工程或数学等学科相互关联的知识解决问题，实现跨越学科界限、从多学科知识综合应用的角度提高学生解决实际问题能力的教育目标。
在案例1《飞机场》中，在建造机场的任务中，自然融合了科学、技术、工程、数学等方面的学科知识，这种跨学科的学习方式，将有助于学习者获取跨学科的知识，在真实问题情境中去发展思维能力、解决问题的能力。
案例2《制作微型雪橇》中，不仅自然融合了物理科学（探索不同材料和雪橇性能的关系）和数学科学（根据不同形状的特征，确定雪橇的合理外形），还利用阅读相关图书卷入语言学科，既是学科的进一步融合，也为学习者后期制作雪橇激发了兴趣、丰富了必要的经验。因而，实施STEM教育，必然强调跨学科的学习方式，这是STEM教育的核心特征。
3.工程教育在STEM整合教育中有独特的整合作用
STEM教育强调跨学科的整合教育，那么，如何整合?以什么为整合的抓手呢？
相比于STEM教育中其他3个学科，工程教育有其独特性。工程教育是为了解决某一社会问题、满足人类的需求和欲望，运用工程设计过程，在已有的资源和限制条件下设计出最佳的解决方案的过程。通俗地说，工程设计就是建造的过程，在这一过程中，需要运用技术工具，也需要了解工程、科学、数学等学科概念等，通过工程设计将科学、技术、数学教育有机融合。
案例1《飞机场》中，以建造飞机场这个项目任务为起点，引导幼儿自然利用互联网等去探索飞机场、飞机的结构组成、飞机场各种设备的工作原理、飞机安全运行的条件等（科学），在规划建造机场的过程中初步体验设计蓝图，并根据实践反馈进行完善（工程），制作各种登机牌、护照、机票等（技术），在飞机场的运行过程中探索机场工作人员的类型和数量安排（数学）等，就是以工程项目任务自然卷入了其他科学、技术和数学学科的学习。
在案例2《制作微型雪橇》中，则是以制作雪橇的项目，将相关的科学（不同材料及其性能、雪橇的结构）、数学（雪橇的外形）等自然融合了。
可见，在STEM教育的实施中，常以工程设计项目或问题作为探究的起点，在面向实际的工程问题的解决过程中，自然卷入科学、技术、数学等相关学科知识，工程教育就成为联系各学科知识、建立整体认知的独特整合抓手，发挥其在STEM整合教育中的独特整合作用。
4.APPB法、5E教学法是STEM教育的主要实施范式
APPB 教学法是基于活动的学习（ABL，Activity-based Learning）、基于问题的学习（PBL，Problem-based Learning）、基于项目的学习（PBL，Project-based Learning）3个相似学习方法的总称，它是STEM教育的主要实施范式，其中尤以PBL法（Project-based Learning）为最常见。
PBL法把学习者置于某一项目任务情境中，让学习者自己去分析问题，在解决问题中建构对多学科知识的深度理解。在解决问题的过程中，学习者要利用相关的学科知识，与同伴合作、沟通，提出测试解决方案，在这一过程中，将促进学习者创造性解决问题能力的发展，使之成为适应性的问题解决者。
在案例1《飞机场》中，在建造飞机场这一项目任务中，学习者要解决各方面面临的实际问题，在这一过程中实现整合学习。5E教学法则是在项目学习的具体实施过程中，更加微观的STEM实施范式。它呈现了如何使学习者卷入参与项目、探索完成任务、分享解释自己的解决方案、评估并进一步完善解决方案的微观过程。
在案例2《制作微型雪橇》中有具体运用了5E教学法，通过相关主题的故事分享丰富学习者相关经验（参与 Engagement），在体验真实雪橇后讨论雪橇的材料和性能的关系，设计雪橇蓝图，制作雪橇（探索Exploration），在此基础上展示解释自己的雪橇（解释Explanation），并在真实环境中进行测试（评估Evaluation），最终根据测试结果改善雪橇（延伸 EXtension）。
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