STEM素养视域下的科学教学：审思与重构
宋怡
[摘 要]STEM素养作为一个新的研究视角，为科学教育提供了新的范式，开辟了更广阔、更融合的视野。本文针对目前科学教学实践与研究中存在的问题，提出以STEM素养为基准，从跨学科整合的机制出发，对科学教学进行教学理念、教学目标、教学内容、教学策略、教学空间和教学评价的重构，以改善当下的科学教学。在基于STEM素养的科学教学中，要正确认识STEM素养与学科核心素养的关系，在科学教学中引入科学本质观教育，认识到STEM教育的功利主义动因，同时提供指向STEM素养培养要求的教师专业发展支持。
[關键词]STEM素养；科学教学；审思；重构
[中图分类号] G40-03 [文献标识码] A [文章编号]1005-5843（2018）06-096-05
[DOI]10.13980/j.cnki.xdjykx.2018.08.019
STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）4门学科的缩写。自1986年在美国发端以来，STEM教育旨在打破学科领域的边界，促进多学科知识的综合运用，提高学生的探究能力和解决实际问题的能力，确保他们能够应对社会及全球因经济、科学及科技飞速发展所带来的转变和挑战。STEM教育作为提升国家科技竞争力和创新人才培养的着力点，在全球范围内受到广泛认同，并将其重要性和优先级提至国家战略的高度，诸多学者开始了对STEM教育的理论研究与实践探索。
基于STEM教育理念，如何丰富科学教学目标、整合科学教学内容、开展有效的科学教学实践、改善学生的科学学习，是当前科学教学挑战与机遇并存的现实处境。
一、STEM素养描绘未来科学教育的新图景
科学教育作为STEM教育中的核心内容之一，借助系统的、联系的哲学思维来洞察科学与技术、工程、数学学科之间的普遍联系，以综合化、集成化的视野来探寻科学教育的完善之路。
（一）从“科学探究”到“科学与工程实践”
10多年来，科学教育界普遍认识到科学不只是一系列事实。1996年， 《美国国家科学教育标准（NSES）》中倡导科学探究过程；2012年， 《K-12科学教育框架：实践，跨学科概念与核心概念》中强调学生需要了解如何在现实环境中运用所学知识和技能，并用“科学与工程实践”取代了“科学探究过程”；2013年， 《下一代科学教育标准（NGSS）》 中将“科学与工程实践（Science and Engineering Practice）”作为3大目标维度之一，反映了科学教育范式的1次重大转变。即从强调“科学探究”到强调“科学与工程实践”，从科学探究的知识追求旨趣转为强调在现实科学、技术与工程环境和条件下的实践，是对科学教学和学习的一种扩展与丰富[1]。这一转变成为STEM教育在科学教育中颇具潜力的生长点。
（二）从“Science for all”到“STEM for all”
2016年，在美国国家科学教师协会（National Science Teachers Association）的年会上，STEM教育成为热点议题，在一定程度上反映了美国乃至全球科学教育发展的趋势。STEM教育的旨趣是整合的，它追求的是科学、技术、工程和数学4个学科之间的深度融合。STEM教育的课程与教学都是基于学生如何“做科学”，而不是仅仅“记忆科学事实”，旨在通过项目式学习和问题解决式学习，提供科学、技术、工程和数学相融合的学习体验。学生应用所学到的数学和科学知识来应对世界的重大挑战时，他们创造、设计、建构、发现、合作并解决问题。从“Science for all”到“STEM for all”是科学教育重要的范式转变。
二、STEM素养的内涵辨析
STEM教育产生背景的复杂性致使其含义无论在目标、领域、实践还是评价方面，都非常广泛。迄今为止，人们并未对STEM教育的定义或内涵达成共识，研究机构、政府组织以及与STEM相关的不同群体都基于自己的认识来定义STEM。对于STEM素养的内涵理解，主要从两种角度呈现：一种是基于还原论观点，将STEM素养分解为STEM各学科素养；另一种是从跨学科整合的视角来探析STEM素养的基本涵义。
（一）STEM学科素养：还原
1.科学素养。2015年，在国际学生评估项目（PISA）科学素养测试的评价框架中，将科学素养定义为“有能力处理与科学相关的事务，并成为具有科学思想的反思性公民”。具体表现为能够较好地展现以下几个方面的科学能力：一是科学地解释现象，能够认识一系列自然现象和技术产品，提供评价和解释；二是评价和设计科学探究，能够科学地描述、评价科学研究，提供问题解决的方法；三是科学地解释数据和证据，即分析评价数据和各种不同方式表示的参数，并得出恰当的科学结论[2]。
2.技术素养。2007年，国际技术教育协会（ITEA）将技术素养定义为使用、管理和理解技术的能力[3]。具体包括：学生应当发展对技术本质的理解、对技术与社会关系的理解、对设计的理解、对技术化世界的适应能力以及对人造世界的理解。
3.工程素养。2014年，美国国家教育进步评估（NEAP）提出的“技术和工程素养评价框架”涵盖了3个主要领域：一是技术和社会，包括对技术与人类相互作用的认识，技术应用对自然世界和社会影响的认识，以及对技术使用的伦理、公平与责任的认识；二是设计和系统，包括对技术本质的理解、工程设计、系统思维，以及维护和故障排除；三是信息和通信技术，包括构建并交流观点与解决方案、信息研究与问题调查、对观点和信息的认识，以及数字化工具的选择和使用[4]。
4.数学素养。2012年，在国际学生评估项目（PISA）数学素养测试的评价框架中，将具备数学素养描述为个人在各种情境中运用、表达和解释数学的能力。具体包括：数学推理，运用数学概念、过程、事实和工具来描述、解释和预测现象；认识数学在世界中的作用，并作为一个具有建设性的、关心社会和反思性的公民，做出有关数学的判断与决策。其中，核心素养包括逻辑推理与论证、问题解决、数学建模、数学表达、运用符号和工具、交流[5]。
（二）STEM素养：整合
STEM素养作为STEM教育的基本目标， 国内外学者一直以来都在积极地探索其内容构成。
将STEM素养视为一个整体性概念，以整合的视角来分析STEM素养的内容构成，比较有代表性的是美国科学教育专家拜比（Rodger W. Bybee，2013）
[6]。他认为，STEM素养包括概念理解、过程性技能，以及解决与STEM相关的个人、社会乃至全球问题的能力。具体分为：一是分辨生活情境中的问题，解释自然和人造世界，对基于证据的STEM相关问题的结论；二是從知识、探究和设计的角度理解STEM学科的特点；三是意识到STEM学科对物质、精神、文化环境的影响；四是愿意参加与STEM相关的事务，作为一个有建设性思维、关心社会的、有反思性的公民，具备关于科学、技术、工程、数学的观念。
2012年，美国学者佐罗门（Zollman）
[7]在布鲁姆教育目标分类理论的基础上，将STEM素养的构成分为3个层次：第一层次是科学、技术、工程、数学以及其他相关领域的素养；第二层次是认知、情感和动作、技能等学习领域；第三层次是个人、社会和经济需求。他认为，STEM素养不应该被视为内容领域，而应当将其作为一种获得更深层次学习的方式（包含技能、能力、事实性知识、程序、概念和元认知能力），由“learning for STEM literacy”向“using STEM literacy for learning”转变。
整合性STEM教育关注科学、技术、工程和数学各门学科内容的整合，重视让学生能够融合STEM学科知识与技能，并用其解决实际问题、探究真实世界。以培养学生的STEM素养作为STEM教育的首要目标，基于跨学科的、整合性的STEM素养的理念来发展STEM教育。
三、科学教学现状与问题
（一）科学教学研究
目前，科学教育领域对STEM教育的解读和应用分化在宏观的教育愿景与微观的零散化教学实践的两极，缺乏对科学课程与教学基于STEM素养的研究与关照。
基于STEM理念的个别化科学教学设计研究，涉及信息技术教育、科学、化学、生物、物理、数学等学科领域。分析其内容发现，研究主要停留在经验式的摸索与总结上，缺乏对科学课程与教学进行的基于STEM素养的深入的价值追诉和探寻，缺乏来自学生的基于实证的STEM教学效果评价。目前，针对STEM教学研究，不论是策略、方法还是模式，都缺乏基于证据的STEM学习效果评价，多是教师经验性的教学感受。
（二）科学教学实践
科学教学实践的误区主要存在于：一是不将学科知识作为教学目标，将STEM的实践取向与知识学习对立起来；过分强调经验，而忽视深度体验，使得科学学习流于浅表学习。二是肢解的教学设计、教学评价与整合的STEM教育观不相匹配。目前，除了参照PISA和TIMSS测试结果来评价学生的数学、科学表现作为STEM学业结果外，大多都是从孤立学科的角度来评价学习过程与结果。
按照古德莱德的课程层次理论，目前STEM课程所处的层次主要是“运作”的课程和“经验”的课程，在教师理解和实践的层次、在学生经验的层次上可以有所作为。基于STEM素养的科学教学不是科学、技术、工程、数学的拼凑堆砌及对STEM教育观混淆和模糊的使用，而是一种跨学科整合的教学方法，同时并不妨碍将自身的学科定位作为基点。科学、技术、工程和数学4门学科之间应该像齿轮拟合模型一样相互咬合，以达到整个系统的顺利运转，共同完成任务[8]。
四、基于STEM素养的科学教学重构
基于STEM素养的科学教育需要最终落实到具体的教学实践层面，展开科学教学的重构。重构并不是颠覆，而是以STEM素养为基准，在科学教育新的范式中，从跨学科整合的机制出发，改善当下的科学教学。
（一）科学教学理念的重构
科学教育的价值观有两大主流：一是源于古希腊的人文主义科学教育价值观；二是源于现代科学的实用主义、功利主义科学教育价值观。STEM素养超越传统学科的界限，成为面向全体学生的古希腊派代亚（paideia）式的教育理想。
基于STEM素养的科学教学试图实现跨学科的整合，打破原来各个学科分科教学的边界，运用探究式、跨学科的话题来促进科学课程教学的进展。同时，强调学生的生活世界和学科世界融合，把他们学到的学科思维、概念和认识世界的方式方法与生活实践相结合，为其提供严密的、相关联的学习经验。而实现这个目标的途径就是教与学方式的变革。所有知识都是在学生积极主动、探究式地解决问题的过程中构建起来的，而这样一种学习方式本身就是社会性的，是在互动过程中趋于完整的。
（二）科学教学目标的重构
培养学生的STEM素养需要发展一系列知识态度和技能，而对于这些知识态度和技能的具体界定和阐释都是科学教学的一项挑战。基于STEM素养的科学教学目标追求在于：
1.关注融合。结合各门STEM学科让学生发现概念间的联系，通过提供适当的学习经验来培养他们科学探究和工程设计等认知过程的能力。
2.建立联结。帮助学生在STEM知识应用中寻找到多样化的问题解决方式，提升他们解决非常规问题的能力。
3.应对复杂性。科学教育不仅要为学生的职业能力做好准备，更重要的是使他们成为全球化社会中的合格公民，使他们能够分析情境，辩证性地思考和解决问题，从而应对全球化和复杂性。
4.提供挑战。科学学习的项目、任务和活动能保持学生的兴趣，并对他们的理解能力提出挑战，帮助其发展适应性能力。
（三）科学教学内容的重构
统整生活世界与科学世界，基于学科核心观念、跨学科的大概念选择教学内容是科学教学内容重构的方向。在STEM素养视域中，科学教学内容的选择呈现出以下特点：一是综合性。系统地融合科学、技术、工程和数学领域的知识和技能，使学生在STEM整体中获得对科学个体的深入理解，而后延伸至对STEM学科的理解。二是实践性。在综合性的基础上，要具有一定的实践性，更多地涉及体现科学本质结合工程概念的探究性、设计性实践问题。三是趣味性。回归学生为主体的生活世界，将科学知识中贴近生活实际的趣味性问题设计为教学中的实例内容。四是动态性。关注STEM领域的新发展，不断更迭的动态性内容可以为学生提供理解科学的综合性背景。
（四）科学教学设计的重构
基于STEM素养的科学教学以整合为其根本特征。整合体现在3个层面：一是多学科整合（multidisciplinary），指多门STEM学科的教学相协调，以强调相互间的联系；二是学科间整合（interdisciplinary），指两门以上的学科间相互支持；三是跨学科整合（transdisciplinary），指基于综合情境开展的项目（或问题）学习。整合也体现在维度上，主要分为：一是内容整合，指在一个学习内容中关注不同STEM学科间的整合；二是情境整合，指在几门STEM学科的综合情境中，关注某一门STEM学科的知识与能力[9]。
基于项目的学习（project-based learning）和6E设计型学习模式（Learning by DeSIGNTM Model）是整合性STEM中适用的教学模式，为基于STEM素养的科学教学新模式提供了启发。
基于项目的学习运用真实情境的建构主义学习方法，旨在带领学生进入真实环境，为他们提供开放性的问题或项目，从一个清楚的、特定的问题或许多问题开始，要求学生通过问题解决并完成项目，进而开发出最终产品（或作品）。
6E设计型学习模式是以工程设计为主轴的STEM学习模式[10]，包括参与（Engage）、探索（explore）、解释（explain）、工程（engineer）、深化（Enrich）和评价（Evaluate）6个阶段，旨在激发学生的兴趣和动机，开展基于项目的学习，建立学科之间的联系，给学生提供反思和精细化所学知识、将所学知识应用到实践中的机会，促进知识和技能的迁移，并及时地对学习效果进行评价。
（五）科学教学空间的重构
STEM教育所涵盖的情境绝非仅限于课堂，非正式教育中的STEM教育越来越受到关注。STEM教育突破了正式教育在时间和空间上的局限，更多社会资源的加入让它的形式更具多样化。
非正式学习作为科学教学的重要途径，有利于引发认识冲突，促进认知结构的建构，并提供社会互动机会，为发展学生的科学应用能力提供平台。教学空间上的拓展与互动带来的是科学教学场所、形式、结构、参与主体和评价的重构，以活动和体验为载体来教授和培养学生的科学实践知识与技能，让他们在其中拥有犯错和从错误中学习的自由，构建更为开放、包容和强参与度的科学学习生态体系。
（六）科学教学评价的重构
基于STEM素养的科学教学评价要以改进科学教学、促进学生STEM素养发展为根本目的。
1.重视对科学探究和工程设计过程的评价。在整合性的科学课程中，科学探究、工程設计是学生获得创新和实践能力的重要过程，因此要重视对这部分内容的评价。如，对数据的分析处理、评估设计的优劣、对设计进行优化等，并关注学生团队合作的过程，关注他们在过程中的努力。
2.注重评价的激励和教育功能。在STEM素养视域下，科学课程的教学评价应该关注学生的科学情感体验， 以核心素养发展为导向，运用整合共生的评价方式，保护、宽容、激励学生的创新意识；发挥评价的激励功能，引导和鼓励学生积极地参与科学学习乃至STEM学习，为他们未来走进STEM领域工作和生活打下良好的基础。
学生是学习活动的主体，在评价环节中也应该体现其主体性。科学课堂中，可以将教师评价、同伴互评和学生自评有机融合，发挥评价的教育功能。学生在对自己参与的科学学习和实践活动进行客观评价的过程中，能够及时发现自身的学习需求并调整学习策略。同时，这也是一种有益的学习机会，通过评价体验能够使学生形成积极的自我效能感和客观地评判事物的能力。
五、思考
（一）STEM素养与学科核心素养的关系
科学、技术、工程、数学有各自的学科核心素养，但在作为STEM素养表现时，却是相互交织、整合、重叠的，就像相互咬合的齿轮共同推动系统运转，相互联系、相互促进。学科核心素养立足于学科，但整合于学生的STEM素养发展，不能割裂、肢解。因此也要在教和学评价中整合起来，实现整合性STEM教育观。
（二）科学教育中引入科学本质观教育
学科学、做科学、理解科学，是科学教学范式“科学探究→科学实践→理解科学本质观”的价值追求的发展。在科学教学中凸显科学本质，可以防止科学教学对人的异化，阐释和守护科学的应有之义。
（三）认识STEM教育的功利主义动因
STEM 最初是作为一种以制造产品为特征的教育愿景（vision）提出的，意味着可以把这种“制造产品”的实用策略推广于一切学科之中[11]。STEM 的功利主义教育哲学观是值得深入反思的，要警惕其对整个教育体系的影响，将功利主义框架转化为知识创造框架，追寻 STEM 的知识价值和教育内在价值。
（四）指向STEM素养培养要求的教师专业发展支持
在教师专业发展培训项目中，为教师提供STEM教学策略的帮助与支持，建立STEM教师实践共同体，让他们理解STEM素养的意义、对教与学的影响及对学生发展的影响，自觉地改变科学教学的现状，思考、研究与实践如何打破科学、技术、工程、数学之间的壁垒，做到融会贯通，引导学生用STEM的方法来解决问题[12]。
参考文献：
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[11]李雁冰.“科學、技术、工程与数学”教育运动的本质反思与实践问题——对话加拿大英属哥伦比亚大学 Nashon 教授全球教育展望[J].2014（11）：3-8.
[12]Hunkoog Jho，Oksu Hong，Jinwoong Song. An analysis of STEM/steam teacher education in Korea with a case study of two schools from a community of practice perspective[J].Eurasia Journal of Mathematics， Science & Technology Education.2016（7）：1843-1862.
（责任编辑：申寅子）
