美国STEM教育和中国的“不同”之处

美国的STEM课程怎么上？

1986年，美国国家科学委员会首次提出STEM概念。2006年，弗吉尼亚理工大学的专家将“Art”加入其中，便有了STEAM教育。无论是STEM还是STEAM，最终都是在培养学生从更多的视角认识不同学科间的联系，提高其综合运用知识解决实际问题的能力。STEM课程的培养目标包含科学素养、技术素养、工程素养和数学素养等。2018年8月初，笔者与同事一行飞越太平洋来到美国东部的新泽西州，考察当地STEM教育开展情况，并与当地几所学校的STEM教师进行交流，先后参观了普林斯顿大学、兰尼学校和罗格斯学校。

美国STEM名校经验启示

1STEM课程而非STEM课

兰尼学校的校长以“学校花园”项目为例说明了他们是如何落实学生能力培养的。

科学课上，学生可以学习到植物的生长，了解植物的生长过程比较复杂，涉及光照、水分、土壤、植物本身习性等多个因素。小组学生要想解决这个复杂问题就需要“抽丝剥茧”，通过互联网或者学校图书馆了解植物的习性，并以收集到的资料为基础制订种植计划，控制光照时长，计算土壤养分和水分，形成一份种植记录。整个项目需要进行合理的人员分工，发挥组内成员的力量。

摄影课上，教师会讲授照片拍摄技巧，科学课上种植的这些植物便成为“天然模特儿”，学生拍摄了植物的照片之后还会进行小型展览，互相点评，并大胆给出自己的意见。

艺术课上，学生种植的植物花朵和叶片又会变成大家艺术创作的材料，有的学生设计了叶片时钟，有的学生利用花朵进行拓印，有的则利用不同的叶片、颜色进行拼贴……

纵观“学校花园”项目，科学教师通过真实地让学生动手种植植物，学生不仅掌握了植物生长知识，还通过真实情境下的问题锻炼了计算能力；摄影教师则将批判性思维建立在艺术作品欣赏上，寓教于无声；艺术课上，学生将植物的各个部分作为创作材料，大胆发挥自己的创造力创作作品。

我们发现，以科学课为中心的STEM课程并没有为师生增加任何学科负担，学生是将学习的知识技能应用到真实的情境中。这种方式也许可以有效解决我国学生往往做题比较拿手，但一遇到真实问题就犯难的问题。

STEM是一个广泛的概念，它绝不只是课表上的两节课而已，而是包含了两方面的内容：首先，STEM的内容是综合的，包括科学、数学、工程学和技术学；其次，它并非一门课，而是一个经过系统设计的教学体系，并且根据不同学校的特点进行相应调整。

《未来职业报告》和《世界经济论坛》两份报告每过五年就会调整未来人才需要具备的能力。通过比较2015年和2020年未来人才需要具备的十大能力，我们会发现复杂问题的解决、与他人合作、人员管理、批判性思维、谈判、服务意识、决策与判断和创造力均被提及，可见这些能力都是未来社会人才所需具备的。如果我们需要培养人，那就不能简单地依靠某一门课来实现，这正是STEM为何是一门课程而非一门课的原因所在。

每每讨论STEM课程的时候，许多中国教师总会觉得既熟悉又陌生，熟悉在于STEM所涉及的学科似乎我们的课表里都有，数学更是强大，STEM中的课堂小组讨论、动手实验、各种活动等场景经常出现在课堂上；陌生在于我们并没有寻找到这些课程设置之间的联系和脉络，总是纠结于如何评价学生的学习成果，学习过程没有办法用分数来量化，使得教师一时不知该从何下手。然而，STEM课程注重的是培养学生的能力。既为能力，则无优劣之分，自然也不能用分数来衡量，因此，“因材施教”便要从一个个STEM项目开始。

2“设计思维”

兰尼学校是一所K1—K12的学校，在机器人教育方面非常卓越，曾多次问鼎全美机器人学术活动的冠军。该校的机器人课程采取项目式学习的方式开展，校长介绍了设计思维如何与学校机器人教学结合的过程。

例如，学生要想设计一个模拟高楼逃生的机器，首先要确定这个逃生机器使用的环境，因为不同的使用环境，用户的需求是不同的；紧接着，根据研究主题讨论确定基本解决思路，尤其是整个项目中的几个核心问题，并且通过讨论优化自己的设计。除了组内讨论外，还需要在班级和学校范围内收集反馈意见，这类似于设计中的收集用户反馈。然后，进行建模设计制作，最终呈现自己的机器人。

逃生机器的整个设计过程听起来并不复杂，但其中涉及许多来自真实情境的问题。例如，设计火灾逃生机器时，学生需要权衡下降速度和安全性、绳索的防火性和材料价格、不同使用者的体型差异等。这些问题会随着学生在这个项目上的深入研究慢慢浮现出来，它并非全都来自教师，而是存在于真实情境的复杂问题。设计是一种典型的多因一果的活动，选择不同的路径与方式，会导致最终呈现的结果也不相同。兰尼学校正是通过一个个项目，让学生逐渐培养出设计思维解决复杂问题，从而在面对生活中的问题时，能够抽丝剥茧，逐步解决。

“设计思维”发源于设计界，后来被各行各业引用，经斯坦福大学设计学院将其归纳成一套科学方法论后，迅速风靡全球高校和中小学。它一共分为五个步骤：

（1）同理心（收集对象的真实需求）；

（2）定义（分析收集到的各种需求，提炼要解决的问题）；

（3）头脑风暴（打开脑洞，创意点子越多越好）；

（4）原型制作（把脑子中的想法动手制作出来）；

（5）测试（优化解决方案，引导学生以“人的需求”为中心，通过团队合作解决问题，获得创新）。设计思维是一种以人为本的创新思维，所谓以人为本，其实是透过同理心获得用户深层次的需要。

有人说设计是为了解决问题，这话没错但不全面。设计其实是为了达成某种目的，它永远在满足人类对于美好的追求，无处不在。那何时学生才开始系统性地学习设计呢？这一切应在更早的时候出现在学生的教育中。目前，人们对STEM教育存在一个认识误区，就是把STEM教育等同于机器人编程或者机器人制作。其实，机器人只是STEM教育的一部分，但是由于机器人的制作过程很好地诠释了“设计思维”的应用，因此才变得异常火爆。

3以需为基构建STEM空间

美国的STEM教育体系是为大学培养合适的理工科人才而建立的，核心目标是通过一定时间的学习，能够掌握理工科学习的技能。其教育目的包括以下几个方面：培养学习及探索的兴趣、思考及解决问题的方法、获得相关知识、培养团队合作及项目管理。这四个教育目的没有先后之分，从幼儿园到高中的整个学习过程中，它们处于一种动态平衡状态，根据学生学情，不同教育目的所占的比例会有高低之分。

此行参观的几所学校都是K—12学校，从幼儿园到高中，越是低龄儿童越能提出许多问题。美国很多学校设计的STEM项目，其问题大多来源于学生：小学毕业生即将升入初中，家长购买了手机，究竟选择哪种运营商的套餐比较划算？STEM教学中，需要学生提出哪些问题并且能够始终保持学生的提问能力？教育中比较可悲的结局，莫过于学生最终被教得“没问题”了。

无论在哪所学校，他们的STEM教学空间一定会有一大面墙，让学生用头脑风暴整理讨论每个小组的思维导图。当开始准备研究项目时，每个小组的学生会聚在一起，首先将自己想到的问题写在便利贴上，贴在墙上，当这个小组中出现重复的问题时，两张或者更多的便利贴便叠在一起，这些重叠的问题将会成为整个项目研究的核心问题。通过这一方法，学生能够慢慢掌握解决问题的技巧，为自己今后进一步研究科学问题提供基础。

也许有人会问，此时此刻教师在哪里？STEM的课堂绝对不是教师的“一言堂”，我们绝对看不到教师口吐白沫滔滔不绝、学生昏昏欲睡东倒西歪的场面，教师已经将自己从教育者转变成了教练。而且，STEM课堂一定充满着讨论、争议和思考，新泽西St.Stan School学校的副校长谈到，要想让学生能够成功地在一个STEM项目中掌握“软技能”，你就必须放开让他们充分自由交流。在学校的STEM教室中有一个演讲台，教师会要求学生站在演讲台上“发布”自己的研究成果，让原本的作业分享变得有仪式感，让学生像科学家一样介绍自己的研究成果。

混合利用的空间也让STEM教室变得丰富多元。美国几所学校中的STEM教室有一个共同点，那就是空间混合利用。机器人、3D打印、VR虚拟现实系统甚至是厨房设备，都共存于一个空间。这既能提高教室的利用率，又可以让学生在设计的过程中方便地运用技术。除了空间构建有特点外，其制作材料的准备活动也有特色。STEM教师会在教学时尽量鼓励学生充分发挥想象，思考其完成项目作品所需用到的制作材料。并且，尽可能地帮助学生一起搜寻到所需材料，这就意味着教师在STEM的教学空间中要准备大量材料，以备学生取用。

我国STEM课程的未来之路

2016年，我国颁布了《教育信息化“十三五”规划》，指出“在有条件的地区要积极探索信息技术在‘众创空间’、跨学科学习（STEAM 教育）、创客教育等新的教育模式中的应用，着力提升学生的信息素养、创新意识和创新能力”。我国STEM 教育在政策层面得到重视，一些地区也正在积极开展STEM教育的实践工作。

STEM的精髓是将其作为自然科学的一个整体，强调学生在学习和实践过程中要像科学家一样进行研究。但要把科学、技术、工程和数学纳入一个体系，解决实际生活中的问题，这不是简单的一门课就能够解决的。学校要构建STEM课程体系，不仅要关注硬件建设，更要在内容建设方面下大力气，将科学、信息技术、劳动技术等学科内容以项目化的方式进行整合，最终构建适应地方、学校的STEM教育资源。

美国教育注重思维培养，这种体系下培养的学生很快就能辨析一个问题，容易找到解决问题的途径，这是对我国教育的一个启示。STEM教育若要在中国兴起，一是注重对教师的培养，二是加强内容体系的建设。STEM教育对教师的综合素质要求比较高，教师不仅要具备科学素养，还要有一定的理论支撑。教师若具备很强的好奇心和探索精神，则更容易成为优秀的STEM教师。而且，内容体系需要系统性的框架，正如美国的STEM教育是自上而下的，需要什么样的人才，则教育全过程的目标就是培养这样的人才，我们可以结合中国特点、地区特色和学生年龄特点构建中国的STEM教育体系。

教育有“高与低”两个结构，高结构化的教育以结果为导向，把知识灌输给下一代；低结构化的教育以过程为导向，培养学生解决问题的能力，得到的结果是多元的，没有特定答案，这就是STEM教育。

此外，教师在设计STEM教育项目时，要先思考以下几个问题：在这个项目中，希望培养学生的哪些能力？如何有序地贯穿知识点，并且符合学生的理解能力？STEM项目要充分体现玩中学、学中玩，让学生不知不觉地掌握交叉学科知识，培养严谨求知的态度，保持他们的好奇心并发挥学生的5C能力，即沟通能力、合作能力、复杂问题解决能力、批判性思维和创造能力。

如今，我国的教育正处在从高结构向低结构的转型过程中，教师在教学中要注重学生的能力培养、过程性评价和真实问题的解决。只有形成自上而下的人才评估体系，我国的STEM教育才能够更好地生根发芽。

（作者系上海福山正达外国语小学IT主管、信息技术教师）

文章来源：《中小学数字化教学》2018年第8期，原标题为《美国STEM名校经验借鉴与启示》

责任编辑：孙建辉

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