独家 | 北京教育学院副教授于晓雅——如何让stem教育真正融入到科学课堂中

精彩导读

今天的孩子有没有创新思维和高阶思维，有没有解决复杂问题的能力，直接关系到我们国家到2050年的时候能不能成为世界强国和科技大国，所以我们不能只教孩子知识，更是要教他学会思维，学会学习，学会解决未知问题的能力。

为什么我们需要STEM

2017年，中国工程院院士，原教育部副部长韦钰教授和世界各国的专家共同研究制定了一个新时代科学教育的目标：首先最底层是科学知识的理解，紧接着是理解科学的本质，参与科学探究的能力，科学和科学探究所持的观点，最顶层的是STEM。

那么，为什么要把跨学科的STEM加入科学教育的目标里呢？

在这个快速发展的时代，我们知道每一年都有一个划时代的技术，人工智能等等。现在是人工智能发展的第三个浪潮，在这个浪潮中，与以往相比有几点不同。

首先，比以往最大的不同就是技术性的应用。在应用的环节里面，因为技术的发展使得某些类型的工作不再需要，这对教育产生了极其重要的影响，那些能创造新产品，解决问题和从事复杂任务的人，才有可能避免失业和遭受由此带来的社会后果。

第二是脑科学。认知科学的研究表明，相互联系的知识要比分离的知识碎片更容易用于新遇到的问题，这支持了整合科目的做法。当然，也有整合研究效果指出：在学校阶段，如果对每个领域的知识并没有形成牢固的学习基础，强行去试图整合，结果只会适得其反。

第三个就是软件和智能课程。比如我们国家已经开始使用人工智能技术进行测评，它倒逼着我们在课堂上除了进行一些记忆和理解概念之外，还需要加入一些与跨学科和科学技术数据的结合。

最后，在科学技术迅猛的发展的背景下，各国政府关注点在于要处理好科学技术的应用和社会发展的关系，这是科学教育中一个很大的问题。比如说，物理学的核能和战争，化学农药和污染的关系，还有人工智能时代到来时人类和人工智能和谐相处的问题。这都是教育领域的新问题，一个新问题的出现你不可能在一个单一的领域去解决。它要求你必须与社会实际问题结合。学生在科学教育中也要学会科学技术的应用和社会发展的关系，

以上所有这些都表明了STEM进入科学教育的过程是一种必然要求。

STEM的学习方式有何不同？

STEM的学习方式作为我们学习课程目标的时候，与以往我们撰写的目标的最大的不同有三点：其一，将STEM与社会、环境进行充分联系，突出学习在生活、社区中的重要性；其二，通过大量的实验与实践，培养科学探究和解决真实问题所必备的技能、策略和思维方式；其三，在实践学习中，逐步理解基本概念。

以前我们先是在体验和探究中掌握基本概念，最后才是应用于实际生活，在情感态度价值观中把自己学习的知识，概念应用于解决生活实际问题。

而现在，STEM的学习方式是先把科学概念和知识和社会环境充分的联系，突出学习在生活社区中的重要性，然后通过大量的实验和实践培养科学探究和解决真实问题所必备的技能，策略和思维方式。最后在实践的学习中逐步地理解基本的概念。

举一个化学课上介绍二氧化硫的例子：

传统的科学课上，我们可能是先说二氧化硫的概念，然后在实验室里做一个实验，最后告诉学生二氧化硫的种种属性。但若要基于STEM的学习方式，我们在教学过程中可能先抛出一个真实的问题，以二氧化硫为例，科学知识永远是我们搞所有活动的基础，是必须要有的。

但科学知识之后我们要讲什么呢，只要把二氧化硫的性质，分子式讲清楚就行了吗？当然不是，我们要讲二氧化硫会引起什么样的危害，对于这个我们可能会做一些科学的探究，比如说酸雨等等。

在这之后，我们需要想出工程实践解决的策略，在应用中深刻地理解它的概念。针对二氧化硫所引发的酸雨我们就会想出很多解决办法，比如说用海水冲刷的方法，因为海水是盐，而且很多国家也在用这个方法。另外还有电池，最早的电池应该就是和二氧化硫相关的。

总之，这堂课上针对这一问题会有很多解决问题的思路和方法。在这个过程中，学生反过来来理解并掌握二氧化硫的科学概念，他们在应用解决实际问题的过程中来进行科学知识的学习。

“低地板，高天花板，宽墙壁”

关于STEM,我要分享一个“低地板，高天花板，宽墙壁”的项目设计理念。我看过很多课堂，在这个过程中我有一个最痛心的感受，就是我们老师在设计课程的时候特别喜欢完备课程。而实际上我们的课程尤其是科学课程在上课的时候永远不会有完备的时候。人类对于如何解释世界一直都在发展中，随着时间的推移，人类的认知能力在不断地深入，广度和深度都在增加，永远没到完美的那一天。

“低地板”是指技术手段能给刚接触的孩子提供简单易上手的起点，就是基础最薄弱的孩子都能参与。“高天花板”就是你不能设有上限，你设计的这个项目学生可以无限制的去钻研、遐想。

我看过一节科学课是关于物质的构成。在这节课上，我们老师在课堂上的整个探究过程是把一块方糖敲碎，把它从大颗粒变成小颗粒，再变成微颗粒然后溶解到水中成为蔗糖分子，通过这节课所做的实验，学生认识到分子就结束了，当然，这节课的目标确实已经达到了。

但是作为一个科学探究所设置的项目，这样的结果就是把学生禁锢住了，在探究到分子之后，这个老师紧接着说分子的大小怎么测，最后学生只能围绕着分子地去扩散，发散问题。其实作为老师，如果你不把比分子更小的原子、质子、夸克等这些单位告诉孩子，你至少应该说一句话：实验室的探究到此结束了，但是科学的探究还没有停止。因为我们肉眼看不见了，所以我们需要用仪器，用显微镜去不断地放大观察。

这样一来，我们就把孩子的思维展开到更广阔的地步。这是作为一个科学探究或工程实践必须达到的高天花板。

“宽墙壁”指的是STEM中所说的明确的目标、多样的过程。每个孩子的兴趣不同，探究的路径和探究的物质不同。在一节课上，老师通过提问等来不断地促进学生的层层递进，探究的层层深入。这都是非常好的，但是学生的探究不能只限定在一个？万一学生对这个不感兴趣呢？所以探究的任务要有多种途径。

在STEM课堂上，最理想的状态是像超市一样，在教室里放着材料，学生自己来选择，进行探究，最后进行生生交流及师生的评价。我们在设计项目的时候可以分为三类，一类是老师自己制定的项目，第二类是和学生在探讨过程中确定的项目，第三类难度比较大，就是学生自己的探究，在我们的科学探究课堂中，什么样的项目都可以，这就是我们所倡导的明确的目标、多样的过程。

STEM学习是思维深度参与的创造

在我看来，STEM学习是思维深度参与的创造，而不仅仅是动手制作。它是通过学习内容的更新进行认知，对学习过程进行重构，最后达到创造，它是高阶思维的介入。最终产品不一定就是大家想象的是手工制作的一个东西，它有可能是个实物，也可能是一套解决方案。

从上图中，我们可以看到，受过STEM高阶思维的训练和没有受过STEM思维训练的孩子的表现是不同的。

我们的目标是“画一个可以飞的东西”。在没有受过STEM高阶思维训练之前，他画的是一个长着翅膀的猫，是天马行空的发散思维，但经过STEM的培训之后，他再画的时候它是有严谨的科学和工程实践的，他让这个方案落地并能够解决实际问题。

现代教学技术教育部重点实验室主任胡卫平教授认为基于思维的教学是要动手做，做中学，学中思。如果说思维教学是到学中思，那么我们STEM教育还要进行思中创。学生要从知识的消费者变成知识的创造者。学生学习的过程是解决了一个实际问题，解决的过程中可能产生了一个器具，也可能给出了一套解决方案，有了这些东西你才能够进行真正的学习。

我们都知道，国家所提倡的核心素养实际上是为了回答教育是要培养什么样的人，科学的课程就是必备几个关键能力，以及复杂情况下解决问题的能力。这是未来社会对人才的需求也是我们教育要往哪里走的问题，无论是公民的核心素养等的都是我们STEM和科学教育所必须要经历的。

到了2050年，也就是我们国家要实现100年中华民族的复兴梦的时候，我们现在所教的孩子正好在30~50岁之间，正是社会的中坚力量。也就是说，今天的孩子有没有创新思维和高阶思维，有没有解决复杂问题的能力，直接关系着到我们国家到2050年的时候能不能成为世界强国和科技大国，所以我们不能只教孩子知识，更是要教他学会思维，学会学习，学会解决未知问题的能力。

总而言之，真正的STEM教育就是要为未知而学，为未来而教。

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