美国优秀STEM课例评析及其本土化
点击上方“科技学堂”订阅最新科技教育信息
叶兆宁，中国科协“做中学”科学教育改革实验项目教学中心(东南大学)副主任，东南大学学习科学研究中心、儿童发展与学习科学教育部重点实验室副教授，江苏汉博教育培训中心主任。从事“做中学”科学教育改革实验项目的研究与推广，以及科学教育师资培训、课程资源开发等工作。
我今天要跟大家分享的内容是我们在开展UTC的STEM案例本土化过程中的思考和关于课程建设、教学方面的经验。
什么是STEM
STEM教育是科学、技术、工程和数学教育的统称，它本身绝对不是分立学科的统称，而是具有集成性的。也就是说它应该是一个能够为学生提供整体认识世界机会的桥梁，让学生能够把他们学习到的零散知识，变成一个互相联系的统一的整体，以消除传统教学中各学科知识割裂、不利于学生综合解决实际问题的障碍，是一种跨学科的学习方法。
在教育项目中更多地整合STEM，有利于教学更好地符合工作岗位和研究机构中的实际情况，更能吸引学生的兴趣和参与。同时也指出认知科学的研究也支持了综合课程的做法。通过跨学科综合课程培养学生的综合素养，让他们成为知情的决策者，这体现了STEM教育重要的社会价值与教育价值。
什么是集成式STEM
集成式STEM的观点阐述了STEM教育核心的教育思想与理念——集成与融合。集成与融合的方式并不是把各个领域的内容简单地拼凑在一起，而是要进行有目的、有方法、有系统的组合。科学与工程问题往往是课程的主要线索，通过其创造出一个多维的空间，从而为学生提供一系列具有一定程度关联性的学习经历。
集成式STEM的框架显示出它的目标、成果、集成的本质与范围，以及实施的具体内容。其中的目标包括为了学生的目标和为了教育者的目标。集成式STEM要能培养学生的STEM素养、21世纪技能、STEM工作愿景、兴趣与参与性，以及链接STEM学科的能力；同时也要能提升教师对STEM内容知识的理解，以及对STEM教育教学知识的理解。对具体目标内容的深入分析（如图1），让我们发现STEM教育有着比单一学科更深入的教育目标。它能够促进学生与教师的共同发展，能够真正促进学生跨学科综合素养的培养和提升。
图1 集成式STEM具体目标内容的深入分析
美国优秀STEM课例评析
2015年，在中国友好和平发展基金会和美国联合技术公司UTC的支持下，美国康涅狄格科学中心向中国青少年科技辅导员协会提供了其开发和编写的3本STEM案例集——《航空器》、《升降机》和《桥世界》，这是3个系列的STEM教育活动课程，注重科学、技术、工程和数学的集成，并面向中小学及校外科学教育机构和科技场馆。该系列案例在康涅狄格州得到广泛运用并获得好评。
下面，我们以《升降机》的框架为例，分析该课例如何达成STEM的4个领域的融合与集成。该框架分为以下5个部分。
标准：课程中给出教学内容与现行美国《新一代科学教育标准》、《州共同核心标准》的关联。从标准的角度分析课程中各个学科的内容、对实践的要求与跨领域的要求。由此体现出课程如何集成相关科学、技术、数学和工程之间的具体内容。
单元评价：课程中给出了详细的评价，尤其是包括工程过程的量规表，帮助教师评价在工程设计过程中学生的发展与进步。
工程过程：其中的工程过程流程图帮助教师和学生理解工程的基本过程和主要环节，通过预备活动，让学生发现工程过程，为他们后面解决实际问题打下基础。
工程问题：这是课程的主体。首先通过情景创设给出问题简介，即任务或项目的简介，同时提出相关的探索问题。在分析问题的基础上，为学生提供更多的背景经验活动，以支撑他学习相关知识、积累必备的实践经验。这些知识和经验会帮助他在后续的活动中有能力解决工程问题。当然，背景经验活动的选择是有策略的，这些活动不是拼凑而是有目的、有系统地结合。
运用工程过程解决问题：当学生有了一定的经验、具备一定的能力之后，课程将进入工程过程解决问题的环节。这个问题并不是一个新的问题，而是在课程开始就提出来的问题，比如教师和学生一起重申“制作升降机”的问题和任务、重新定义问题，然后再进入工程设计的具体环节中，开展设计、制作、测试、改进、交流等各个环节。
这便是UTC的STEM课程的整体思路。它形成了独特的、以工程问题为主线的STEM教学模式（图2），从问题的引入，到背景经验的学习，再到解决工程问题，在解决问题的过程中，学生将不断在背景经验学习和解决工程问题中循环，最终找到可行的解决方案。
图2 STEM教学模式
在《升降机》课例中，首先以实际问题为引入，结合学校的需求展开，即要求学生帮助学校设计一个能提升到3层楼高度的能搬运科学实验仪器的升降机。这是在课程一开始引入的真实问题，它把学生带入帮助学校解决实际问题的场景中。同时《升降机》课例以工程设计为主线，结合了与之相结合的物理与工程的基本原理，如力、运动、能量、机械等。
对于这一点，与初中物理教师的讨论使我们发现：《升降机》中所结合的学习内容，正是学生在初中物理中需要学习的科学知识和原理。也就是说实际上通过这个课程我们完全可以打通STEM教育和初中物理教育的关联。
同时，在《升降机》中学生参与了设计、搭建、测试、改进的工程过程，通过这些过程，学生真切地感受到物理知识是如何被应用到解决实际问题中的，这一过程同时促进了学生体验发现问题、解决问题的环节。已达成真正提高学生解决工程问题的各项综合能力和素质，体现了集成式STEM的跨学科集成与融合。
探究STEM教学实践中的关键问题
在开展UTC的STEM课例本土化的过程中，我们探索了关于STEM教学实践中的关键问题，这里与大家分享其中的4个问题。
如何达成4个领域的集成
如何达成4个领域的有机融合，是课程开发时会遇到的首要问题。UTC案例是怎么做的呢？答案是采用了以工程问题为主线、基于项目的学习方式。正如在上述教学模式中，通过背景经验活动把工程问题与相关联的科学原理、科学探究、工程实践结合起来，例如在解决制作升降机的问题中，需要用到哪些原理或知识，课程内容就结合进哪些原理或知识，这样就形成了一个有机整体。学生在开展探究与实践的过程中，他们就能意识到，学习知识与技能最终目标是为了用于解决制作升降机的工程问题，即达成4个领域的集成与融合。
如何将知识的学习和实践相联系
美国《新一代科学教育标准》提出了8个科学与工程的实践。不管是在科学探究中，还是在工程设计中，实际上我们都需要学生围绕问题、围绕模型、围绕方案、围绕实证，并且通过证据的运用形成一定的思维能力，形成一定的概念系统。所以我们在进行课程实践的时候，发现有很多的教学策略、很多的方法是围绕着这样一个实践过程展开的。这是把知识学习和实践融合在一起的有效策略。
如何提高学生的问题解决能力
为了回答这个问题，我们同样需要回到图2所示的教学模式当中。我们发现其中问题解决能力的培养最终落脚在解决工程问题的层面上。问题的重申、任务的重新定义、测试与改进的过程中，都给学生提供了相当多的发现问题的机会，通过课程和教师都将促进学生系统地分析和理解问题，作出推理和决策，排除疑难或困难，找到解决问题的方法。这个过程是真正提高学生问题解决能力的有效途径。
如何开展STEM教学中的评价
UTC的STEM案例很好地把我们从总结性评价拉回到形成性评价中。例如课程中给出了2个具体的评价工具，一个是工程过程评价的量规表；另一个是工程建议书项目清单。工程过程评价的量规表把学生分成不同层次，教师根据学生的表现进行评价；工程建议书的项目清单中给出了评价学生学习成果的各项指标和要求，使课程的形成性评价有了切实的抓手。
UTC STEM课例的本土化实践
近一年来，我们以开放、合作、融合的思想开展STEM课例的本土化。教学实践的过程给我们带来了很多惊喜，学生们积极地参与讨论与辩论，能按照设计完成一项作品，能通过测试发现问题并不断尝试解决问题，这些点点滴滴的变化告诉我们STEM教育是如何有效培养学生的综合素养的。
如今，我们已经完成了《桥世界》课例的本土化，后期我们将陆续完成其余2个案例的本土化工作，同时全国范围内的教师培训也在顺利开展，希望通过教师培训有更多的教师可以真正地把这些资源运用下去。
最后我们还希望在学习UTC案例的基础上，能够自主地研发更多的适用于我国中小学的STEM教育资源，也希望有更多的教师能够参与我们的工作。
本文原载于《中国科技教育》2016年第11期“专题”栏目，演讲人叶兆宁，有删减。