在经济全球化的大背景下，STEM教育由于其发挥着增强国家竞争力、培养学生的学习能力和未来就业竞争能力等方面的重要作用，而日益受到各国的重视。美国是这方面的先驱，但其STEM教育本身仍存在各科目的相互独立与脱离等局限，导致学生学习STEM兴趣下降。因此，美国众多教育研究者与实践者尝试对STEM各科目进行综合教学，但因在理念指导上存在不足而使得成效不佳。基于此，教育研究者对STEM综合教育进行定义并提出相关概念框架，强调科目间知识的联系以及生活实际与书本知识的联系，并建议从实践活动中帮助学生对STEM知识进行理解与建构，而根据该概念框架而开展的TRAILS项目也检验了其有效性。现就美国STEM综合教育的相关概念框架与实践进行简单介绍，并浅议其对我国STEM教育教学的一些启示。

一STEM综合教育的提出背景

时至当今，科学技术无可争议地成为推动生产力发展的重要因素。因此，基于培养科学技术人才层面的目标，由科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Math）四门学科交叉融合而成的STEM教育，其重要性越发受到重视。然而，尽管STEM教育的概念在美国早已被提出，但数十年来，似乎很少有教师知道如何去实践STEM教育。STEM教育四门学科内部的简单割裂对STEM教学产生了不小的困扰。在过去的几十年中，STEM教学实践关注于发展科学和数学两个相互独立的科目教学，彼此间很少有联系和综合，同时对于技术和工程极少关注。另外，STEM科目在教学的时候，经常与艺术素养、创造性和设计思维等相互脱离。当学生们被迫孤立地、缺少参与地学习科学和数学等科目，失去对于跨学科概念的理解和科目的实际应用的时候，他们经常会丧失对于上述科目的兴趣。

此外，当许多西方国家的学生在STEM相关专业的注册率（入学率）和学习动力都下降的同时，发展中国家（如印度和马来西亚等）的许多学生对STEM表现出越来越浓厚的兴趣，这进一步引发了美国教育改革者的反思。现在，发展STEM综合教育，建立科学、技术、工程和数学各科目间的联系，以此激发学生学习STEM课程和选择STEM职业的兴趣，成为美国教育界的共识。

在反思的基础上，美国许多教育学研究者和实践者也进行了诸多综合STEM各科目教学的实践。STEM综合教育委员会对以往的综合经验进行了总结，并归纳出以下四种典型综合类型：1.将数学和科学教学综合起来，即在教学实践中，将数学计算、逻辑思维运用到科学探究中；2.在工程设计过程中融合数学和科学的教学，即在组织学生亲手设计某种方案的时候，有意识地引导学生运用运算能力、逻辑思维、科学知识等所学内容进行更科学严谨的设计；3.综合技术和数学的教学，即运用信息化手段进行场景模拟和人机交互，促进学生对数学知识的理解与掌握；4.综合技术和工程设计的教学，即指导学生通过信息化手段模拟工程设计的效果，并以此为依据改进设计，增强自身工程设计能力。

但以上综合实践多少存在一些不足。单纯通过技术手段学习某一科目，不足以实现真正的STEM综合教育。再者，就算通过技术手段将工程设计、数学和科学联系起来教学，也会出现一定的问题。

二STEM综合教育的定义与内涵

从官方的改革文件中，比如“下一代科学标准”（NGSS Lead States 2013）和“数学通用国家核心标准”（National Governors Association Center for Best Practices & Council of Chief State School Officers 2010）都提倡在STEM领域内部建立更深联系，以自觉地综合STEM教育。但是，该怎样建立STEM领域内部更深的联系呢？至少，在大规模实行STEM综合教育改革之前，对STEM综合教育的概念进行严谨界定，才能对STEM综合教育发挥方向性的指导作用。

因此，美国学界对STEM综合教育概念的界定进行了不懈的尝试。其中比较具有代表性的观点如下。

Sanders是定义STEM综合教育的先驱，他将STEM综合教育描述为：“在任意两个或两个以上的STEM科目领域之间，或者在一个STEM科目与一个或一个以上的学校其他科目之间探索教与学的途径。”为了建立STEM各科目在知识方面更紧密的联系，他提倡在学习一门以上其他STEM科目时，原来的STEM科目的学习成果应该专门设计在这一课堂中，如将数学和科学的学习成果运用于技术和工程的课堂中。

此外，Moore et al.（2014）将STEM综合教育定义为“根据科目与实际生活问题的联系，将部分或所有的科学、技术、工程和数学四门科目结合在同一种类、同一单元、同一课堂的一种尝试”。STEM综合课程可以包括STEM的内容学习目标，关注某一个科目，但教学内容可以来自其他STEM科目。Moore等人还强调了STEM各科目的相关知识与实际生活的联系。

Kelley&Geoff（2016）在综合前人研究的基础上，将STEM综合教育定义为：教授两个或两个STEM领域以上的内容，将STEM的实践操作与权威内容（书本知识）结合起来，以期在不同的STEM科目间建立联系，促进学生的学习。相比于前人的定义，他们更加注重让学生在实践中建构和比较知识。

STEM综合教育定义的内涵经历了从知识性的联系到知识融合，再到重视知识与实际生活的联系，提倡在实践活动中理解和掌握STEM综合教育的知识这一变迁过程。但同时，Kelley等人也坦承，并非所有的STEM科目知识都可以通过实践与理论综合的这种方式来教授，这也限制了STEM综合教育的教学内容。

三STEM综合教育的概念框架

为了更好地将此定义运用于教学实践，Kelley等人立足于情境化学习理论，以中等教育阶段（尤其是高中教育阶段的学习者）为考虑对象构建了STEM综合教育的概念框架，详见图1。该示意图表现为一个基座和带有四个滑轮的滑车，两者共同构成了一个滑轮系统，以建立起更容易托起重物的机械优势，联合成一个综合的系统。系统中的四个滑轮——工程设计（Engineering Design）、数学思维（Mathematical Thinking）、技术素养（Technological Thinking）以及科学探究（Science Inquiry）和一个基座——基于情境的STEM教学（Situated STEM Learning）都与日常实践相联系，STEM的四个科目通过社区实践这一条绳索相互联系。滑轮系统的各个部分必须和谐地一起发挥作用，以保证整个系统的完整性。

图1

根据情境认知理论的观点，通常当学习发生在一个特定的情境时，学习就是可靠的、相关的，即学生对具体情境中学到的知识在理解上会更深刻、更长久。在Kelley看来，社区实践可以为学习者提供多种具体而真实的情境，还可以依靠社区内专业人士的力量指导教师的STEM教学。因此，正如图1中轮滑系统的绳索那般，社区实践将STEM四个学科有效连接起来，起到了导向和牵引的作用。

在基于具体情境的探究活动中，学生需要在教师指导下先自行设计行动步骤，而这个工程设计的过程就是将技术素养、数理思维等加以实际应用的过程，因此工程设计可称为理想的STEM科目综合载体。

在相关内容中学习科学，能够将科学知识转移到真实情境中，这也是促进学生理解的关键。科学探究是学生像科学家那样去思考和行动，体验提出问题、作假设和用标准的科学实践去开展科学调查等科学研究过程。事实上，当学生有机会解释、探究与他们正在调查的科学知识的相关问题时，他们就会成为自己学习的推动者。

那么，怎样才能更清晰地理解上述STEM综合教育定义的框架呢？我们可用一句话进行概括，在社区实践活动的具体情境中，像科学家一样去提出问题、作假设，在此基础上运用工程设计的方式，综合运用技术素养去设计可行的探究计划，并加以实施。在这一过程中，学生可以有效运用这四个科目的知识，加强自身知识与生活实践的联系，以此让学习发生在真实情境中，使学习变得真正有意义。

四基于STEM综合教育理念的实践案例

理论的可行性需要实践的检验。美国全国科学基金会最近开展了一项名为TRAILS的教学实践项目，就是基于上述概念框架的实践。该项目意图将高中生物或物理知识与技术教育课堂进行融合，但实际上综合运用了STEM四个科目的内容。如图2所示，该项目包括了以下步骤。

图2

在项目设计中，该项目力图打造一个可持续的教学实践社区，将STEM教师、教育研究者、企业与在校学生四者纳入其中，以期为师生营造一个具体而真实的情境，成为其学习的助手。在此基础上，该项目使用上述教学实践社区的力量，利用暑期对参与项目的科学教师和技术教师进行了STEM综合教育的专门培训，加深其对STEM综合教育理念的理解。

而在具体的教学中，此综合课程致力于让学生运用技术素养、数学和科学标准。学生首先学习关于生物和3D打印技术的基础知识。然后，教师运用科学知识、数理思维和技术素养进行模仿生物措施的工程设计。在设计过程中，学生运用数学模型去预测和评价设计的预期成效，并被允许使用3D打印机将设计的方案和模型可视化，形成最后的课程成果。

而在评价环节中，该项目的研究者从STEM教师的自我效能感、职业满意度和学生对STEM科目、STEM职业的兴趣为测量维度，评估了项目的成效。评估发现，该项目中教学实践社区的协助与指导提高了STEM教师的自我效能感和职业满意度，此种形式的综合教学也对学生学习STEM科目的兴趣和未来从事STEM相关职业的意愿产生正面影响。

五启示

限于我国的基本国情和教育理念差异，盲目借鉴美国STEM综合教育的发展经验似乎并不可取。但是，作为时下的教育热点议题，STEM综合教育理念对于我国基础教育仍然具有一定借鉴价值。综合国外对于STEM综合教育理念的界定与国内学界的代表性观点，我认为，可从加强科目间联系以及加强书本知识与实践活动的联系两方面来促进我国基础教育阶段学生知识的理解与吸收。

1.加强基础教育各学科间的内容综合

在我国的基础教育中，我们可以借鉴Sanders对STEM综合教育的看法，在课程设置中强化学科间的联系。而在具体的课程实践中，以某一具体问题为核心的专题教学则能够发挥独特优势。

比如，以垃圾污染为专题，教师可以向学生提出如下问题：“如果本市必须建立一座垃圾焚烧炉来处理过剩的垃圾，请问具体建在本市什么地方比较好？”当教师在组织学生讨论这一问题的时候，可以有意识地引导学生用化学知识分析垃圾焚烧产生有害气体的原理，用生物知识分析有害气体危害动物健康的生理过程，用地理知识分析地形、风向对垃圾焚烧炉设置位置的影响，并从人文关怀和环境保护等角度帮助学生形成正确的道德观念。

2.加强书本知识与实践活动的联系

以广域课程模式为指导理论，实践活动需要被看做是重要的知识获取途径，这也是Kelley&Geoff对STEM综合教育的定义与概念框架的积极回应。诚然，实践活动之于学生的知识建构具有重要的作用。可是，某些学校的“应试教育”现实和学校的集权管理体制，极大地限制了教师教学的自主性。同时，出于对学生的安全考虑，一些户外的教学实践活动受到限制，这在一定程度上使得加强书本知识与生活实践联系成为了一句空谈。

而现代信息技术和“创客教育”的兴起为我们提供了一种新的思路。根据情境化学习理论的观点，学生的知识学习必须在一定的情境中进行。利用现代信息技术，我们可以对具体生活情境进行模拟，以帮助学生完成在具体情境下知识的理解与生成。此外，“创客教育”本身拥有的利用自身知识进行创新创造（造中学）的特点，也可以作为书本知识与实践活动的媒介，鼓励学生在创客课堂中的实践活动应用已有知识与建构新知识。

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