美國STEM教育和中國的“不同”之處

美國的STEM課程怎么上？

1986年，美國國家科學委員會首次提出STEM概念。2006年，弗吉尼亞理工大學的專家將“Art”加入其中，便有了STEAM教育。無論是STEM還是STEAM，最終都是在培養學生從更多的視角認識不同學科間的聯系，提高其綜合運用知識解決實際問題的能力。STEM課程的培養目標包含科學素養、技術素養、工程素養和數學素養等。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，考察當地STEM教育開展情況，并與當地幾所學校的STEM教師進行交流，先后參觀了普林斯頓大學、蘭尼學校和羅格斯學校。

美國STEM名校經驗啟示

1STEM課程而非STEM課

蘭尼學校的校長以“學?；▓@”項目為例說明了他們是如何落實學生能力培養的。

科學課上，學生可以學習到植物的生長，了解植物的生長過程比較復雜，涉及光照、水分、土壤、植物本身習性等多個因素。小組學生要想解決這個復雜問題就需要“抽絲剝繭”，通過互聯網或者學校圖書館了解植物的習性，并以收集到的資料為基礎制訂種植計劃，控制光照時長，計算土壤養分和水分，形成一份種植記錄。整個項目需要進行合理的人員分工，發揮組內成員的力量。

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

藝術課上，學生種植的植物花朵和葉片又會變成大家藝術創作的材料，有的學生設計了葉片時鐘，有的學生利用花朵進行拓印，有的則利用不同的葉片、顏色進行拼貼……

縱觀“學校花園”項目，科學教師通過真實地讓學生動手種植植物，學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作品欣賞上，寓教于無聲；藝術課上，學生將植物的各個部分作為創作材料，大膽發揮自己的創造力創作作品。

我們發現，以科學課為中心的STEM課程并沒有為師生增加任何學科負擔，學生是將學習的知識技能應用到真實的情境中。這種方式也許可以有效解決我國學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課而已，而是包含了兩方面的內容：首先，STEM的內容是綜合的，包括科學、數學、工程學和技術學；其次，它并非一門課，而是一個經過系統設計的教學體系，并且根據不同學校的特點進行相應調整。

《未來職業報告》和《世界經濟論壇》兩份報告每過五年就會調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，我們會發現復雜問題的解決、與他人合作、人員管理、批判性思維、談判、服務意識、決策與判斷和創造力均被提及，可見這些能力都是未來社會人才所需具備的。如果我們需要培養人，那就不能簡單地依靠某一門課來實現，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所涉及的學科似乎我們的課表里都有，數學更是強大，STEM中的課堂小組討論、動手實驗、各種活動等場景經常出現在課堂上；陌生在于我們并沒有尋找到這些課程設置之間的聯系和脈絡，總是糾結于如何評價學生的學習成果，學習過程沒有辦法用分數來量化，使得教師一時不知該從何下手。然而，STEM課程注重的是培養學生的能力。既為能力，則無優劣之分，自然也不能用分數來衡量，因此，“因材施教”便要從一個個STEM項目開始。

2“設計思維”

蘭尼學校是一所K1—K12的學校，在機器人教育方面非常卓越，曾多次問鼎全美機器人學術活動的冠軍。該校的機器人課程采取項目式學習的方式開展，校長介紹了設計思維如何與學校機器人教學結合的過程。

例如，學生要想設計一個模擬高樓逃生的機器，首先要確定這個逃生機器使用的環境，因為不同的使用環境，用戶的需求是不同的；緊接著，根據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，并且通過討論優化自己的設計。除了組內討論外，還需要在班級和學校范圍內收集反饋意見，這類似于設計中的收集用戶反饋。然后，進行建模設計制作，最終呈現自己的機器人。

逃生機器的整個設計過程聽起來并不復雜，但其中涉及許多來自真實情境的問題。例如，設計火災逃生機器時，學生需要權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。這些問題會隨著學生在這個項目上的深入研究慢慢浮現出來，它并非全都來自教師，而是存在于真實情境的復雜問題。設計是一種典型的多因一果的活動，選擇不同的路徑與方式，會導致最終呈現的結果也不相同。蘭尼學校正是通過一個個項目，讓學生逐漸培養出設計思維解決復雜問題，從而在面對生活中的問題時，能夠抽絲剝繭，逐步解決。

“設計思維”發源于設計界，后來被各行各業引用，經斯坦福大學設計學院將其歸納成一套科學方法論后，迅速風靡全球高校和中小學。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）頭腦風暴（打開腦洞，創意點子越多越好）；

（4）原型制作（把腦子中的想法動手制作出來）；

（5）測試（優化解決方案，引導學生以“人的需求”為中心，通過團隊合作解決問題，獲得創新）。設計思維是一種以人為本的創新思維，所謂以人為本，其實是透過同理心獲得用戶深層次的需要。

有人說設計是為了解決問題，這話沒錯但不全面。設計其實是為了達成某種目的，它永遠在滿足人類對于美好的追求，無處不在。那何時學生才開始系統性地學習設計呢？這一切應在更早的時候出現在學生的教育中。目前，人們對STEM教育存在一個認識誤區，就是把STEM教育等同于機器人編程或者機器人制作。其實，機器人只是STEM教育的一部分，但是由于機器人的制作過程很好地詮釋了“設計思維”的應用，因此才變得異?；鸨?。

3以需為基構建STEM空間

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

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

無論在哪所學校，他們的STEM教學空間一定會有一大面墻，讓學生用頭腦風暴整理討論每個小組的思維導圖。當開始準備研究項目時，每個小組的學生會聚在一起，首先將自己想到的問題寫在便利貼上，貼在墻上，當這個小組中出現重復的問題時，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，學生能夠慢慢掌握解決問題的技巧，為自己今后進一步研究科學問題提供基礎。

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、學生昏昏欲睡東倒西歪的場面，教師已經將自己從教育者轉變成了教練。而且，STEM課堂一定充滿著討論、爭議和思考，新澤西St.Stan School學校的副校長談到，要想讓學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。在學校的STEM教室中有一個演講臺，教師會要求學生站在演講臺上“發布”自己的研究成果，讓原本的作業分享變得有儀式感，讓學生像科學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。美國幾所學校中的STEM教室有一個共同點，那就是空間混合利用。機器人、3D打印、VR虛擬現實系統甚至是廚房設備，都共存于一個空間。這既能提高教室的利用率，又可以讓學生在設計的過程中方便地運用技術。除了空間構建有特點外，其制作材料的準備活動也有特色。STEM教師會在教學時盡量鼓勵學生充分發揮想象，思考其完成項目作品所需用到的制作材料。并且，盡可能地幫助學生一起搜尋到所需材料，這就意味著教師在STEM的教學空間中要準備大量材料，以備學生取用。

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”規劃》，指出“在有條件的地區要積極探索信息技術在‘眾創空間’、跨學科學習（STEAM 教育）、創客教育等新的教育模式中的應用，著力提升學生的信息素養、創新意識和創新能力”。我國STEM 教育在政策層面得到重視，一些地區也正在積極開展STEM教育的實踐工作。

STEM的精髓是將其作為自然科學的一個整體，強調學生在學習和實踐過程中要像科學家一樣進行研究。但要把科學、技術、工程和數學納入一個體系，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。學校要構建STEM課程體系，不僅要關注硬件建設，更要在內容建設方面下大力氣，將科學、信息技術、勞動技術等學科內容以項目化的方式進行整合，最終構建適應地方、學校的STEM教育資源。

美國教育注重思維培養，這種體系下培養的學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，二是加強內容體系的建設。STEM教育對教師的綜合素質要求比較高，教師不僅要具備科學素養，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，則更容易成為優秀的STEM教師。而且，內容體系需要系統性的框架，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就是培養這樣的人才，我們可以結合中國特點、地區特色和學生年齡特點構建中國的STEM教育體系。

教育有“高與低”兩個結構，高結構化的教育以結果為導向，把知識灌輸給下一代；低結構化的教育以過程為導向，培養學生解決問題的能力，得到的結果是多元的，沒有特定答案，這就是STEM教育。

此外，教師在設計STEM教育項目時，要先思考以下幾個問題：在這個項目中，希望培養學生的哪些能力？如何有序地貫穿知識點，并且符合學生的理解能力？STEM項目要充分體現玩中學、學中玩，讓學生不知不覺地掌握交叉學科知識，培養嚴謹求知的態度，保持他們的好奇心并發揮學生的5C能力，即溝通能力、合作能力、復雜問題解決能力、批判性思維和創造能力。

如今，我國的教育正處在從高結構向低結構的轉型過程中，教師在教學中要注重學生的能力培養、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芽。

（作者系上海福山正達外國語小學IT主管、信息技術教師）

文章來源：《中小學數字化教學》2018年第8期，原標題為《美國STEM名校經驗借鑒與啟示》

責任編輯：孫建輝

微信編輯：李中華

監? ? ? ?制：朱哲