美國STEM教育和中國的“不同”之處

美國的STEM課程怎么上？

1986年，美國國家科學(xué)委員會首次提出STEM概念。2006年，弗吉尼亞理工大學(xué)的專家將“Art”加入其中，便有了STEAM教育。無論是STEM還是STEAM，最終都是在培養(yǎng)學(xué)生從更多的視角認(rèn)識不同學(xué)科間的聯(lián)系，提高其綜合運用知識解決實際問題的能力。STEM課程的培養(yǎng)目標(biāo)包含科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)等。2018年8月初，筆者與同事一行飛越太平洋來到美國東部的新澤西州，考察當(dāng)?shù)豐TEM教育開展情況，并與當(dāng)?shù)貛姿鶎W(xué)校的STEM教師進(jìn)行交流，先后參觀了普林斯頓大學(xué)、蘭尼學(xué)校和羅格斯學(xué)校。

美國STEM名校經(jīng)驗啟示

1STEM課程而非STEM課

蘭尼學(xué)校的校長以“學(xué)校花園”項目為例說明了他們是如何落實學(xué)生能力培養(yǎng)的。

科學(xué)課上，學(xué)生可以學(xué)習(xí)到植物的生長，了解植物的生長過程比較復(fù)雜，涉及光照、水分、土壤、植物本身習(xí)性等多個因素。小組學(xué)生要想解決這個復(fù)雜問題就需要“抽絲剝繭”，通過互聯(lián)網(wǎng)或者學(xué)校圖書館了解植物的習(xí)性，并以收集到的資料為基礎(chǔ)制訂種植計劃，控制光照時長，計算土壤養(yǎng)分和水分，形成一份種植記錄。整個項目需要進(jìn)行合理的人員分工，發(fā)揮組內(nèi)成員的力量。

攝影課上，教師會講授照片拍攝技巧，科學(xué)課上種植的這些植物便成為“天然模特兒”，學(xué)生拍攝了植物的照片之后還會進(jìn)行小型展覽，互相點評，并大膽給出自己的意見。

藝術(shù)課上，學(xué)生種植的植物花朵和葉片又會變成大家藝術(shù)創(chuàng)作的材料，有的學(xué)生設(shè)計了葉片時鐘，有的學(xué)生利用花朵進(jìn)行拓印，有的則利用不同的葉片、顏色進(jìn)行拼貼……

縱觀“學(xué)校花園”項目，科學(xué)教師通過真實地讓學(xué)生動手種植植物，學(xué)生不僅掌握了植物生長知識，還通過真實情境下的問題鍛煉了計算能力；攝影教師則將批判性思維建立在藝術(shù)作品欣賞上，寓教于無聲；藝術(shù)課上，學(xué)生將植物的各個部分作為創(chuàng)作材料，大膽發(fā)揮自己的創(chuàng)造力創(chuàng)作作品。

我們發(fā)現(xiàn)，以科學(xué)課為中心的STEM課程并沒有為師生增加任何學(xué)科負(fù)擔(dān)，學(xué)生是將學(xué)習(xí)的知識技能應(yīng)用到真實的情境中。這種方式也許可以有效解決我國學(xué)生往往做題比較拿手，但一遇到真實問題就犯難的問題。

STEM是一個廣泛的概念，它絕不只是課表上的兩節(jié)課而已，而是包含了兩方面的內(nèi)容：首先，STEM的內(nèi)容是綜合的，包括科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程學(xué)和技術(shù)學(xué)；其次，它并非一門課，而是一個經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計的教學(xué)體系，并且根據(jù)不同學(xué)校的特點進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

《未來職業(yè)報告》和《世界經(jīng)濟(jì)論壇》兩份報告每過五年就會調(diào)整未來人才需要具備的能力。通過比較2015年和2020年未來人才需要具備的十大能力，我們會發(fā)現(xiàn)復(fù)雜問題的解決、與他人合作、人員管理、批判性思維、談判、服務(wù)意識、決策與判斷和創(chuàng)造力均被提及，可見這些能力都是未來社會人才所需具備的。如果我們需要培養(yǎng)人，那就不能簡單地依靠某一門課來實現(xiàn)，這正是STEM為何是一門課程而非一門課的原因所在。

每每討論STEM課程的時候，許多中國教師總會覺得既熟悉又陌生，熟悉在于STEM所涉及的學(xué)科似乎我們的課表里都有，數(shù)學(xué)更是強大，STEM中的課堂小組討論、動手實驗、各種活動等場景經(jīng)常出現(xiàn)在課堂上；陌生在于我們并沒有尋找到這些課程設(shè)置之間的聯(lián)系和脈絡(luò)，總是糾結(jié)于如何評價學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，學(xué)習(xí)過程沒有辦法用分?jǐn)?shù)來量化，使得教師一時不知該從何下手。然而，STEM課程注重的是培養(yǎng)學(xué)生的能力。既為能力，則無優(yōu)劣之分，自然也不能用分?jǐn)?shù)來衡量，因此，“因材施教”便要從一個個STEM項目開始。

2“設(shè)計思維”

蘭尼學(xué)校是一所K1—K12的學(xué)校，在機(jī)器人教育方面非常卓越，曾多次問鼎全美機(jī)器人學(xué)術(shù)活動的冠軍。該校的機(jī)器人課程采取項目式學(xué)習(xí)的方式開展，校長介紹了設(shè)計思維如何與學(xué)校機(jī)器人教學(xué)結(jié)合的過程。

例如，學(xué)生要想設(shè)計一個模擬高樓逃生的機(jī)器，首先要確定這個逃生機(jī)器使用的環(huán)境，因為不同的使用環(huán)境，用戶的需求是不同的；緊接著，根據(jù)研究主題討論確定基本解決思路，尤其是整個項目中的幾個核心問題，并且通過討論優(yōu)化自己的設(shè)計。除了組內(nèi)討論外，還需要在班級和學(xué)校范圍內(nèi)收集反饋意見，這類似于設(shè)計中的收集用戶反饋。然后，進(jìn)行建模設(shè)計制作，最終呈現(xiàn)自己的機(jī)器人。

逃生機(jī)器的整個設(shè)計過程聽起來并不復(fù)雜，但其中涉及許多來自真實情境的問題。例如，設(shè)計火災(zāi)逃生機(jī)器時，學(xué)生需要權(quán)衡下降速度和安全性、繩索的防火性和材料價格、不同使用者的體型差異等。這些問題會隨著學(xué)生在這個項目上的深入研究慢慢浮現(xiàn)出來，它并非全都來自教師，而是存在于真實情境的復(fù)雜問題。設(shè)計是一種典型的多因一果的活動，選擇不同的路徑與方式，會導(dǎo)致最終呈現(xiàn)的結(jié)果也不相同。蘭尼學(xué)校正是通過一個個項目，讓學(xué)生逐漸培養(yǎng)出設(shè)計思維解決復(fù)雜問題，從而在面對生活中的問題時，能夠抽絲剝繭，逐步解決。

“設(shè)計思維”發(fā)源于設(shè)計界，后來被各行各業(yè)引用，經(jīng)斯坦福大學(xué)設(shè)計學(xué)院將其歸納成一套科學(xué)方法論后，迅速風(fēng)靡全球高校和中小學(xué)。它一共分為五個步驟：

（1）同理心（收集對象的真實需求）；

（2）定義（分析收集到的各種需求，提煉要解決的問題）；

（3）頭腦風(fēng)暴（打開腦洞，創(chuàng)意點子越多越好）；

（4）原型制作（把腦子中的想法動手制作出來）；

（5）測試（優(yōu)化解決方案，引導(dǎo)學(xué)生以“人的需求”為中心，通過團(tuán)隊合作解決問題，獲得創(chuàng)新）。設(shè)計思維是一種以人為本的創(chuàng)新思維，所謂以人為本，其實是透過同理心獲得用戶深層次的需要。

有人說設(shè)計是為了解決問題，這話沒錯但不全面。設(shè)計其實是為了達(dá)成某種目的，它永遠(yuǎn)在滿足人類對于美好的追求，無處不在。那何時學(xué)生才開始系統(tǒng)性地學(xué)習(xí)設(shè)計呢？這一切應(yīng)在更早的時候出現(xiàn)在學(xué)生的教育中。目前，人們對STEM教育存在一個認(rèn)識誤區(qū)，就是把STEM教育等同于機(jī)器人編程或者機(jī)器人制作。其實，機(jī)器人只是STEM教育的一部分，但是由于機(jī)器人的制作過程很好地詮釋了“設(shè)計思維”的應(yīng)用，因此才變得異常火爆。

3以需為基構(gòu)建STEM空間

美國的STEM教育體系是為大學(xué)培養(yǎng)合適的理工科人才而建立的，核心目標(biāo)是通過一定時間的學(xué)習(xí)，能夠掌握理工科學(xué)習(xí)的技能。其教育目的包括以下幾個方面：培養(yǎng)學(xué)習(xí)及探索的興趣、思考及解決問題的方法、獲得相關(guān)知識、培養(yǎng)團(tuán)隊合作及項目管理。這四個教育目的沒有先后之分，從幼兒園到高中的整個學(xué)習(xí)過程中，它們處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)，根據(jù)學(xué)生學(xué)情，不同教育目的所占的比例會有高低之分。

此行參觀的幾所學(xué)校都是K—12學(xué)校，從幼兒園到高中，越是低齡兒童越能提出許多問題。美國很多學(xué)校設(shè)計的STEM項目，其問題大多來源于學(xué)生：小學(xué)畢業(yè)生即將升入初中，家長購買了手機(jī)，究竟選擇哪種運營商的套餐比較劃算？STEM教學(xué)中，需要學(xué)生提出哪些問題并且能夠始終保持學(xué)生的提問能力？教育中比較可悲的結(jié)局，莫過于學(xué)生最終被教得“沒問題”了。

無論在哪所學(xué)校，他們的STEM教學(xué)空間一定會有一大面墻，讓學(xué)生用頭腦風(fēng)暴整理討論每個小組的思維導(dǎo)圖。當(dāng)開始準(zhǔn)備研究項目時，每個小組的學(xué)生會聚在一起，首先將自己想到的問題寫在便利貼上，貼在墻上，當(dāng)這個小組中出現(xiàn)重復(fù)的問題時，兩張或者更多的便利貼便疊在一起，這些重疊的問題將會成為整個項目研究的核心問題。通過這一方法，學(xué)生能夠慢慢掌握解決問題的技巧，為自己今后進(jìn)一步研究科學(xué)問題提供基礎(chǔ)。

也許有人會問，此時此刻教師在哪里？STEM的課堂絕對不是教師的“一言堂”，我們絕對看不到教師口吐白沫滔滔不絕、學(xué)生昏昏欲睡東倒西歪的場面，教師已經(jīng)將自己從教育者轉(zhuǎn)變成了教練。而且，STEM課堂一定充滿著討論、爭議和思考，新澤西St.Stan School學(xué)校的副校長談到，要想讓學(xué)生能夠成功地在一個STEM項目中掌握“軟技能”，你就必須放開讓他們充分自由交流。在學(xué)校的STEM教室中有一個演講臺，教師會要求學(xué)生站在演講臺上“發(fā)布”自己的研究成果，讓原本的作業(yè)分享變得有儀式感，讓學(xué)生像科學(xué)家一樣介紹自己的研究成果。

混合利用的空間也讓STEM教室變得豐富多元。美國幾所學(xué)校中的STEM教室有一個共同點，那就是空間混合利用。機(jī)器人、3D打印、VR虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)甚至是廚房設(shè)備，都共存于一個空間。這既能提高教室的利用率，又可以讓學(xué)生在設(shè)計的過程中方便地運用技術(shù)。除了空間構(gòu)建有特點外，其制作材料的準(zhǔn)備活動也有特色。STEM教師會在教學(xué)時盡量鼓勵學(xué)生充分發(fā)揮想象，思考其完成項目作品所需用到的制作材料。并且，盡可能地幫助學(xué)生一起搜尋到所需材料，這就意味著教師在STEM的教學(xué)空間中要準(zhǔn)備大量材料，以備學(xué)生取用。

我國STEM課程的未來之路

2016年，我國頒布了《教育信息化“十三五”規(guī)劃》，指出“在有條件的地區(qū)要積極探索信息技術(shù)在‘眾創(chuàng)空間’、跨學(xué)科學(xué)習(xí)（STEAM 教育）、創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應(yīng)用，著力提升學(xué)生的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力”。我國STEM 教育在政策層面得到重視，一些地區(qū)也正在積極開展STEM教育的實踐工作。

STEM的精髓是將其作為自然科學(xué)的一個整體，強調(diào)學(xué)生在學(xué)習(xí)和實踐過程中要像科學(xué)家一樣進(jìn)行研究。但要把科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)納入一個體系，解決實際生活中的問題，這不是簡單的一門課就能夠解決的。學(xué)校要構(gòu)建STEM課程體系，不僅要關(guān)注硬件建設(shè)，更要在內(nèi)容建設(shè)方面下大力氣，將科學(xué)、信息技術(shù)、勞動技術(shù)等學(xué)科內(nèi)容以項目化的方式進(jìn)行整合，最終構(gòu)建適應(yīng)地方、學(xué)校的STEM教育資源。

美國教育注重思維培養(yǎng)，這種體系下培養(yǎng)的學(xué)生很快就能辨析一個問題，容易找到解決問題的途徑，這是對我國教育的一個啟示。STEM教育若要在中國興起，一是注重對教師的培養(yǎng)，二是加強內(nèi)容體系的建設(shè)。STEM教育對教師的綜合素質(zhì)要求比較高，教師不僅要具備科學(xué)素養(yǎng)，還要有一定的理論支撐。教師若具備很強的好奇心和探索精神，則更容易成為優(yōu)秀的STEM教師。而且，內(nèi)容體系需要系統(tǒng)性的框架，正如美國的STEM教育是自上而下的，需要什么樣的人才，則教育全過程的目標(biāo)就是培養(yǎng)這樣的人才，我們可以結(jié)合中國特點、地區(qū)特色和學(xué)生年齡特點構(gòu)建中國的STEM教育體系。

教育有“高與低”兩個結(jié)構(gòu)，高結(jié)構(gòu)化的教育以結(jié)果為導(dǎo)向，把知識灌輸給下一代；低結(jié)構(gòu)化的教育以過程為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，得到的結(jié)果是多元的，沒有特定答案，這就是STEM教育。

此外，教師在設(shè)計STEM教育項目時，要先思考以下幾個問題：在這個項目中，希望培養(yǎng)學(xué)生的哪些能力？如何有序地貫穿知識點，并且符合學(xué)生的理解能力？STEM項目要充分體現(xiàn)玩中學(xué)、學(xué)中玩，讓學(xué)生不知不覺地掌握交叉學(xué)科知識，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求知的態(tài)度，保持他們的好奇心并發(fā)揮學(xué)生的5C能力，即溝通能力、合作能力、復(fù)雜問題解決能力、批判性思維和創(chuàng)造能力。

如今，我國的教育正處在從高結(jié)構(gòu)向低結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型過程中，教師在教學(xué)中要注重學(xué)生的能力培養(yǎng)、過程性評價和真實問題的解決。只有形成自上而下的人才評估體系，我國的STEM教育才能夠更好地生根發(fā)芽。

（作者系上海福山正達(dá)外國語小學(xué)IT主管、信息技術(shù)教師）

文章來源：《中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)》2018年第8期，原標(biāo)題為《美國STEM名校經(jīng)驗借鑒與啟示》

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