面向新时代的科学教育：STEM教育与研究（上）|教学|数学|科学教育|立德树人根本任务

STEM教育与研究

作者：柳秀峰1　翟彦芳2

（1. 美国纽约州立大学布法罗分校教育学院；2. 首都师范大学教育学院）

柳秀峰，美国纽约州立大学布法罗分校科学教育杰出教授，美国科学促进会（AAAS）会员。在STEM教育的测量和评估、Rasch测量的应用，以及学生对物质和能量的长期概念发展等密切相关的领域进行研究。目前担任《科学教学研究》杂志副主编、《学科与跨学科科学教育研究》杂志联合主编。

STEM，即科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）的缩写，最早由美国国家科学基金会（NSF）提出并应用，并将这一术语用于对教育和劳动力发展项目进行分类[1]。自21世纪初以来，美国国家科学基金会一直在其发布的出版物和提交给国会的预算申请中使用这一术语，用以指一系列相关项目。尽管STEM教育深受欢迎，但目前还没有一个统一的定义或广泛接受的概念[2]。

尽管对STEM教育有各种不同的理解，但一个普遍认同的关键方面是科学、技术、工程和数学的跨学科学习，即综合STEM教育[3]。这是因为科学、技术、工程和数学虽然是既定的学校科目，但跨学科学习方面存在不足或需要加强。跨学科STEM教育与科学、技术、工程和数学的学科教育在概念理念和实践上有着明显的重叠[4]。虽然STEM教育强调整合，但它并非K—12教育的单一学科；它并不取代学校中的科学、技术、工程和数学等单独学科。

一、STEM教育方法

STEM教育有很多方法。在这里，我们介绍3种常见的方法：工程设计、基于项目的学习，以及创客空间。

工程设计

设计是工程的核心要素[5]，可以用于STEM教育的课程设计和教学实施。Roehrig等人基于对有效综合STEM教育课程和教学的全面文献回顾[6]，确定了高质量综合STEM课程和教学的7个基本特征。这7个特征在综合STEM课程与教学的设计和实施中是有机联系并系统执行的（如图1）。

关注现实世界问题　综合STEM学习应该围绕解决现实世界的问题进行设计，问题应具有情境化特征，且有多种解决方案；同时应能激发学生的兴趣并与学生日常生活息息相关。现实世界的问题应要求学生通过解决问题表现出个体促成变化的能动性。

参与工程设计　工程设计是一个动态迭代的过程，它可以被概念化为几个不同且相互关联的步骤。例如，由波士顿科学博物馆设计的“工程是基础”课程是基于以下步骤的设计过程：识别—头脑风暴—构建和测试—完善和沟通（https://www.eie.org/）。美国航空航天局（NASA）的设计包括8个步骤：识别问题—确定标准和约束—头脑风暴可能的解决方案—选择设计—建立模型或原型—测试模型并评估—改进设计—向他人展示模型（https://nasaeclips.arc.nasa.gov/teachertoolbox/download/45）。English则提出了工程设计的以下阶段：问题范围的界定（理解问题的边界）—思路的产生（头脑风暴和规划）—设计和构建（模型开发）—设计评估（满足约束）—重新设计（模型开发）[5]。

情境整合　综合STEM学习应以科学、数学、技术和／或工程的具体内容知识为基础。换而言之，STEM学科内容为综合STEM学习提供情境。

内容整合　除了特定内容外，综合STEM学习还应促进STEM学科内容的整合与衔接。这种衔接可以通过多学科和跨学科的方法实现。

参与真实的STEM实践　在综合STEM学习中，学生应该有机会参与STEM实践。STEM实践的核心是基于证据的推理，如论证和数据科学。学生应利用自己的文化和个体知识，在应用STEM实践方面表现出能动性。

21世纪技能　综合STEM学习应支持21世纪劳动力技能的发展。21世纪技能包括协作、沟通、批判性和创造性思维，以及解决问题的能力。

STEM职业　综合STEM学习应该让学生接触到各种STEM职业，并促进学生对STEM职业的兴趣。

基于项目的学习

基于项目的学习（Project-based learning，PBL）这一概念源远流长，可追溯至100多年前约翰·杜威关于“将学习视为日常问题的探究”的初始思想。然而，当今的基于项目的学习理念是基于对学生学习方式的深入研究而形成的，特别是融合了建构主义、情境学习、社会文化学习和认知工具理论[7]。在K—12课堂中实施基于项目的学习的方法有很多[8]。在STEM教育中，Krajcik和Blumenfield提出了基于项目的学习的几个关键特征[7]。

驱动问题　基于项目的学习的核心在于解答一个驱动问题。驱动问题包含了具有价值且意义深远的内容，并紧密联系着现实世界的具体情境[9]。这些驱动问题应以学生的个人经验为基础，并与所期望的学习成果（例如学习标准）相关联。驱动问题之所以有意义且值得回答，在于它们与学生日常生活紧密相关，并且能够满足社会需求。鉴于学生在构建有效的驱动问题方面缺乏经验，教师需要提供适当的指导和支持，帮助学生发展出合适的驱动问题。良好的驱动问题应该是可行的、有价值的、情境化的、意义深远且符合伦理标准的。

真实探究　为了解答驱动问题，学生必须参与到探究过程中，收集和分析数据，并通过数据进行推理以得出结论。这样的探究过程并不是有固定步骤的线性过程，而是根据具体问题和情境灵活变化的动态过程。有效的探究不仅需要具备特定的技能（例如使用特定的测量工具进行测量），还包括相关知识和态度（例如尊重证据、保持开放思维）。美国《新一代科学教育标准》（NGSS）概括了8种科学与工程实践：提出并界定问题；开发和使用模型；计划和开展研究；分析和解释数据；运用数学和计算思维；构建解释和设计解决方案；基于证据进行论证；获取、评估和交流信息[10]。

协作　基于项目的学习是一种涉及包括教师、学生及其同伴在内的协作过程，他们共同构成了一个学习社团。协作并非学生天生就具备的能力，而是一种需要在学生身上培养的特殊技能和态度，比如言语交流（包括讲话和手势）就在协作中必不可少。教师需要向学生展示高效的协作模式，而学生则应当学会重视并参与高效协作，以便共同解答驱动问题。

技术工具　基于项目的学习有效地利用学习技术解答驱动问题。这些学习技术作为一种思维扩展工具，增强了学生在收集数据、分析和解释数据，以及呈现和交流探究成果方面的智力和操作能力。例如数字探针在户外数据采集中表现出色，而计算机模拟则在对于特定现象（如地震）的探索方面非常有效。在基于项目的学习实践中，这些技术工具被无缝整合到探究过程之中，成为基于项目的学习环境中不可或缺的基本要素。鉴于技术工具可能带来较高的成本，因此在基于项目的学习实施中需要特别关注公平性和包容性问题。

创造工件　工件是对驱动问题的答案或知识的外在展现，它们可以是物理模型、计算机模型、报告、数字媒体（例如PPT、网页）、海报、游戏、剧本等形式。工件通过展示真实探究的过程、结果、新知识和理解，以及探究过程中提出的各种问题，有效回应驱动问题。在构建工件的过程中，学生不仅构建并重塑了他们的理解，而且还积极参与对自身学习的反思，并与他人分享和交流自己的理解。通过展示工件，学生能够从教师和同伴那里获得建设性的反馈。同时，工件也是用于评估学生学习的记录。

创客空间

创客空间是一个允许参与者共同合作，创造知识、物理或数字产品的场所[11]。所谓的“制作”（Making）是指“在艺术、科学和工程领域中，各个年龄段的人们融合数字和物理技术探索创意，学习技术技能，并创造新产品的一个创造性生产过程”[12]。如今由创客空间所推动的创客运动可以被看作是木工、手工艺和电子等传统爱好的现代延伸。创客空间不一定涉及复杂的技术，虽然现今大多数创客空间都采用了数字工具。最初的创客空间多设在校外场所，如博物馆、社区中心和公共图书馆等。随着廉价硬件的普及，数字制造技术的易于获取，以及软件和设计的共享，人们对于将创客空间引入K—12学校并将其完整地融合到学校课程中表现出了越来越浓厚的兴趣。

将创客空间引入K—12学校教育是以Papert的建构主义学习理论为前提的：当学生利用特定工具（如Logo编程）参与制作可共享的作品时，学习便得以发生[13]。具体来说，创客空间为科学、数学、工程和技术等多个学科提供了一个融合点，从而为综合STEM学习提供了机会。创客空间的共同特点是创造实物，但由于其目标和用途的差异，其设计和实施在本质上也各不相同。

使用创客空间进行综合STEM学习关键在于将创客空间视为一个“为特定群体使用而专门设置的空间，这个空间构建了一个围绕实践操作的实践社区”[13]。学习便是通过在创客空间内开展的活动而发生的[11]。Mersand在2021年的一项研究中，通过将活动理论应用于创客空间，展示了这些活动的不同组成部分[11]，图2中详细展示了这一点。

Mersand对创客空间的研究进行了全面的文献回顾[11]，指出不同的创客空间在活动组件的概念化和实际操作上各有侧重，创客空间已经发展成为一种国际性的运动。

参考文献

[1] Hallinen J. STEM[EB/OL]. (2024). https://www.britannica.com/topic/STEM-education. [2024-01-06].

[2] Holmlund T, Lesseig K, Slavit D. Making sense of “STEM education” in K-12 contexts[J]. International Journal of STEM Education, 2018, 5:32.

[3] National Research Council [NRC]. STEM Integration in K-12 Education: Status, Prospects, and an Agenda for Research[M]. Washington, DC: The National Academies Press, 2014.

[4] Moore T J, Johnston A C, Glancy A W. STEM integration: A synthesis of conceptual frameworks and definitions[A]. In: Johnson C, Mohr-Schroeder M J, Moore T, English L. Handbook of research on STEM education[C]. Routledge, 2020: 3-16.

[5] English L. Facilitating STEM integration through design[A]. In: Andersioin J, Li Y. Integrated approaches to STEM education[C]. Springer Nature Switzerland AG, 2020: Chapter 20, 45-66. https://doi.org/10.1007/978-3-030-52229-2_4.

[6] Roehrig G H, Dare E A, Ellis J A, Ring-Whalen E. Beyond the basics: A detailed conceptual framework of integrated STEM[J]. Disciplinary and Interdisciplinary Science Education Research, 2021, 3:11. https://doi.org/10.1186/s43031-021-00041-y.

[7] Krajcik J S, Blumenfeld P C. Project-based learning[A]. In: Sawyer R K. The Cambridge handbook of the learning sciences[C]. New York: Cambridge University Press, 2005: Chapter 19, 317-333.

[8] Condliffe B, Quint J, Visher M, Bangser M R, Drohojowska S, Saco L, Nelson E. Project-based learning: A literature review[R]. MDRC working paper, 2017.

[9] Petrie H G. Interdisciplinary Education: are we faced with insurmountable opportunities? [J]. Review of Research in Education, 1992, 18: 299-333.

[10] NGSS Lead States. Next Generation Science Standards: For States, By States[M]. Washington, DC: The National Academies Press, 2013.

[11] Mersand S. The state of makerspace research: a review of the literature[J]. TechTrends, 2021, 65: 174-186.

[12] Sheridan K M, Halverson E R, Litts B K, Brahms L, Jacobs-Priebe L, Owens T. Learning in the making: A comparative case study of three makerspaces[J]. Harvard Educational Review, 2014, 84(4): 505–531.

[13] Halverson E R, Sheridan K. The maker movement in education[J]. Harvard Education Review, December 2014: 495-504.

未完，“STEM教育研究”请见下篇