STEM教育的发展、特点和科学教育改革(PPT101页)

蔡铁权蔡铁权 浙江师范大学课程与教学研究所浙江师范大学课程与教学研究所 一、美国一、美国STEMSTEM教育的兴起与发展教育的兴起与发展 二、理解二、理解STEMSTEM教育教育 三、三、STEMSTEM课程与中小学科学课程创新课程与中小学科学课程创新 四、从四、从STEMSTEM教育到教育到STEAMSTEAM教育教育 五、中国五、中国STEMSTEM教育白皮书（教育白皮书（20292029创新行动计划）创新行动计划）一、美国一、美国STEMSTEM教育的兴起与发展教育的兴起与发展 美国实施美国实施STEMSTEM教育战略教育战略,其最为关键的原因是其最为关键的原因是,经济全球经济全球化背景下美国竞争力的相对下降。化背景下美国竞争力的相对下降。自自2020世纪世纪9090年代起，许多发展中国家开始将科学和技术年代起，许多发展中国家开始将科学和技术作为经济增长和发展的推动力，并且开始着手建设更多的知作为经济增长和发展的推动力，并且开始着手建设更多的知识密集型经济。在这种经济结构中，研发、商业开发和知识识密集型经济。在这种经济结构中，研发、商业开发和知识产品发挥更重要的作用，而科学、技术、工程、数学是知识产品发挥更重要的作用，而科学、技术、工程、数学是知识密集型经济所需的基本技能。密集型经济所需的基本技能。在广泛的科技活动方面，美国继续保持领导者的地位，但在广泛的科技活动方面，美国继续保持领导者的地位，但在一些具体的科技发展上，其地位正在慢慢下降。从研发对经在一些具体的科技发展上，其地位正在慢慢下降。从研发对经济增长的贡献率来说，日本、韩国已经高于美国，中国虽然低济增长的贡献率来说，日本、韩国已经高于美国，中国虽然低于美国，但趋势是在不断增加。而在当前的美国高等教育院校，于美国，但趋势是在不断增加。而在当前的美国高等教育院校，许多科学、技术、工程、数学领域的人才都是外国学生。许多科学、技术、工程、数学领域的人才都是外国学生。有几项数据更是加剧了美国的担忧：有几项数据更是加剧了美国的担忧：一是美国教育进步评价测试最近一次的一是美国教育进步评价测试最近一次的NAEPNAEP报告显示：报告显示：大约大约40%40%的学生只达到了对数学部分掌握的程度，四年级和的学生只达到了对数学部分掌握的程度，四年级和八年级学生在数学方面达到八年级学生在数学方面达到“熟练熟练”的程度和比例分别只的程度和比例分别只有有36%36%和和30%30%；约；约20%20%的四年级学生和超过的四年级学生和超过30%30%的八年级学生的八年级学生的成绩低于的成绩低于“基础基础”水平。在科学水平上，也只有低于水平。在科学水平上，也只有低于1/31/3的四年级学生和八年级学生，以及低于的四年级学生和八年级学生，以及低于1/51/5的十二年级学生的十二年级学生“熟练或以上熟练或以上”。二是在国际范围内，美国参加了国际数学和科学趋势研究二是在国际范围内，美国参加了国际数学和科学趋势研究（TIMSSTIMSS）以及国际学生评估项目（）以及国际学生评估项目（PISAPISA）。在）。在TIMSSTIMSS中，美国中，美国学生的平均成绩位于所有参与国的中间位置；在学生的平均成绩位于所有参与国的中间位置；在PISAPISA中，美国中，美国的成绩是较为落后的。目前来看的成绩是较为落后的。目前来看,美国所制定的各项政策和措施美国所制定的各项政策和措施都指向两个方面：一是要吸引更多的学生到都指向两个方面：一是要吸引更多的学生到TIMSSTIMSS领域学习领域学习;二二是要吸引更多学生从事是要吸引更多学生从事STEMSTEM领域的职业。领域的职业。早在早在19861986年年,在美国国家科学委员会发表的在美国国家科学委员会发表的本科的本科的科学、数学和工程教育科学、数学和工程教育报告中就提出报告中就提出“科学、数学、工科学、数学、工程和技术教育集成程和技术教育集成”的纲领性建议的纲领性建议,被视作是提倡教育的被视作是提倡教育的开端。开端。1996 1996年年,美国国家科学基金会对美国大学科学、数学、美国国家科学基金会对美国大学科学、数学、工程和技术教育的十年进展进行回顾和总结工程和技术教育的十年进展进行回顾和总结,并提出今后并提出今后的的“行动指南行动指南”,发表了报告发表了报告塑造未来透视科学、数学、塑造未来透视科学、数学、工程和技术的本科教育工程和技术的本科教育。2005 2005年年1 1月至月至20072007年的年的1 1月，美国第月，美国第109109届国会通过的届国会通过的法案中，有法案中，有3 3个法案与个法案与STEMSTEM教育相关。一是美国航空和航教育相关。一是美国航空和航天局天局20052005年的授权法案；二是国防部年的授权法案；二是国防部20062006年的授权法案；年的授权法案；三是三是20052005年年赤字削减法案赤字削减法案。2007 2007年年,美国上到国会美国上到国会,下到教师教育大学协会下到教师教育大学协会,纷纷提出了与纷纷提出了与STEMSTEM教育相关的法案、报告、行动纲领教育相关的法案、报告、行动纲领,将将STEMSTEM教育提到了前所未教育提到了前所未有的重要高度。有的重要高度。第一第一,美国国会一致通过了美国国会一致通过了国家竞争力法国家竞争力法。该法案强调。该法案强调,创新需要雄厚的研发投入和对创新需要雄厚的研发投入和对STEMSTEM教育计划的切实执行。教育计划的切实执行。第二第二,美国州长协会拟定了一项题为美国州长协会拟定了一项题为“创新美国制定一个科学、创新美国制定一个科学、技术、工程和数学的议程技术、工程和数学的议程”共同纲领共同纲领,其中就当前美国实施其中就当前美国实施STEMSTEM教教育战略的背景、现状、问题和相应的策略进行了详细阐述。育战略的背景、现状、问题和相应的策略进行了详细阐述。第三第三,美国国家科学委员会发布报告美国国家科学委员会发布报告国家行动计划应国家行动计划应对美国科学、技术、工程和数学教育系统的紧急需要对美国科学、技术、工程和数学教育系统的紧急需要。第四第四,全美教师教育大学协会也提出了一份报告全美教师教育大学协会也提出了一份报告准备准备STEMSTEM教师全球竞争力的关键教师全球竞争力的关键,对全美范围内各所大学中有关对全美范围内各所大学中有关STEMSTEM教师培养的课程计划作了全面的梳理。教师培养的课程计划作了全面的梳理。2009 2009年年1 1月月2020日，奥巴马入驻白宫日，奥巴马入驻白宫,正式当选为美国总正式当选为美国总统，同年统，同年7 7月月,美国教育部制定了美国教育部制定了“迈向巅峰计划迈向巅峰计划”。该计。该计划推出项重点项目划推出项重点项目,其中之一是重视教育其中之一是重视教育,并希望各州竞报并希望各州竞报这一联邦资助项目。这一联邦资助项目。2010 2010年年3 3月月,美国教育部发表了美国教育部发表了改革蓝图改革蓝图初等和中初等和中等教育法再授权等教育法再授权,将将STEMSTEM教育作为教育作为“完整教育完整教育”的最为的最为重要的组成部分重要的组成部分,以较大篇幅讨论了以较大篇幅讨论了STEMSTEM教育的重要意义教育的重要意义及如何加强这一教育。及如何加强这一教育。2011 2011年年2 2月月,奥巴马在其奥巴马在其总统总统20122012预算要求和中小学预算要求和中小学教育改革蓝图法案教育改革蓝图法案中进一步明确中进一步明确,将通过增加将通过增加STEMSTEM教育教育的投入的投入,加强美国在加强美国在2121世纪的领导力。世纪的领导力。总统总统20122012预算对预算对STEMSTEM的投入的投入,主要分为两个方面主要分为两个方面:一方一方面是寻求更加有效的面是寻求更加有效的STEMSTEM教学模式教学模式,投入高达投入高达2 2亿亿600600万美万美元元,同时对目前已有的数学和科学合作项目在同时对目前已有的数学和科学合作项目在20112011年的基年的基础上增加了础上增加了26002600万美元拨款万美元拨款;另一方面是培养高质量的另一方面是培养高质量的STEMSTEM教师教师,预算投入预算投入8 8千万美元用于培养千万美元用于培养STEMSTEM教师和提高现教师和提高现有有STEMSTEM教师的水平。教师的水平。在美国在美国,国家科学委员会国会、能源部、教育部国家科学国家科学委员会国会、能源部、教育部国家科学基金会等各部门联手推动基金会等各部门联手推动STEMSTEM教育。教育。STEMSTEM教育己经并不仅仅是教育己经并不仅仅是一个单纯的学科或课程层面的事情一个单纯的学科或课程层面的事情,它更多地代表了美国的一它更多地代表了美国的一种教育发展战略种教育发展战略,甚至可以说是一种国家战略。甚至可以说是一种国家战略。2013 2013年，颁布了年，颁布了联邦联邦STEMSTEM教育教育8 8年战略规划（年战略规划（20132013），将将STEMSTEM置于政府教育工作的有限地位。颁布置于政府教育工作的有限地位。颁布下一代科学标下一代科学标准准。2014 2014年，年，K-12K-12年级年级STEMSTEM整合教育：现状、前景和研整合教育：现状、前景和研究议程（究议程（20142014）。美国国家工程院和国家研究委员会联。美国国家工程院和国家研究委员会联合成立合成立STEMSTEM整合教育委员会，对整合教育委员会，对K-12K-12年级年级STEMSTEM整合教育产整合教育产生积极成果的方法和情况开发研究议程。生积极成果的方法和情况开发研究议程。2014 2014年，公布年，公布用用2121世纪技能培养美国人：世纪技能培养美国人：20152015年年STEMSTEM教育预算（教育预算（20142014）。把。把3.23.2亿美元用于亿美元用于STEMSTEM教育的教育的自发性创新。自发性创新。2015 2015年，颁布年，颁布20152015年年STEMSTEM教育法（教育法（20152015）。这是。这是一部界定一部界定STEMSTEM教育以将计算机科学包括在内并支持国家科教育以将计算机科学包括在内并支持国家科学基金会现有各项学基金会现有各项STEMSTEM教育计划的法律。教育计划的法律。K-12K-12科学教育框架：实践、跨领域概念和核心概念科学教育框架：实践、跨领域概念和核心概念重点讲述其中的科学和工程实践。重点讲述其中的科学和工程实践。二、理解二、理解STEMSTEM教育教育 STEM STEM是科学（是科学（ScienceScience）、技术（）、技术（TechnologyTechnology）、工程）、工程（EngineeringEngineering）和数学（）和数学（MathmaticsMathmatics）英语首字母的缩写。）英语首字母的缩写。STEMSTEM教育被称为是教育被称为是“后设学科后设学科”(Matadiscipline)(Matadiscipline)。STEM STEM这门跨领域的学科将原本分散的四门学科集合成一个这门跨领域的学科将原本分散的四门学科集合成一个整体。这四门学科分别代表着四类素养整体。这四门学科分别代表着四类素养四个学科素养分别是：科学素养科学素养 技术素养技术素养 工程素养工程素养 数学素养数学素养 科学素养科学素养,即运用科学知识如物理、化学、生物科即运用科学知识如物理、化学、生物科学和地球空间科学理解自然界并参与影响自然界的有学和地球空间科学理解自然界并参与影响自然界的有关决策的能力关决策的能力,主要包括三大领域生命与卫生科学、地主要包括三大领域生命与卫生科学、地球与环境科学、技术科学。球与环境科学、技术科学。技术素养技术素养,即使用、管理、理解与评价技术的能力。即使用、管理、理解与评价技术的能力。学生应当知道如何使用技术学生应当知道如何使用技术,了解技术的发展过程了解技术的发展过程,具具备分析新技术如何影响自己、国家乃至整个世界的能备分析新技术如何影响自己、国家乃至整个世界的能力。力。工程素养工程素养,即对技术的工程设计与开发过程的理解即对技术的工程设计与开发过程的理解能力。工程课程往往基于一个个项目能力。工程课程往往基于一个个项目,整合了多门学科整合了多门学科的知识的知识,使得难以理解的概念与学生的生活密切相关使得难以理解的概念与学生的生活密切相关,激发学生解决问题的兴趣。激发学生解决问题的兴趣。数学素养数学素养,即学生在发现、表达、解释和解决多种即学生在发现、表达、解释和解决多种情境下的数学问题时情境下的数学问题时,进行分析、推断和有效交流思想进行分析、推断和有效交流思想的能力。的能力。与四个素养所对应的学科是：科学 技术 工程 数学 科学科学,是对自然界的研究，包括与物理、化学、生是对自然界的研究，包括与物理、化学、生物有关的自然法则，以及与这些学科相关的事实、原物有关的自然法则，以及与这些学科相关的事实、原则、概念或习俗的处理与利用。科学是伴随时间而积则、概念或习俗的处理与利用。科学是伴随时间而积累起来的知识，以及通过科学探索过程而产生的新知累起来的知识，以及通过科学探索过程而产生的新知识。科学知识可为工程设计过程提供信息。识。科学知识可为工程设计过程提供信息。技术，从严格意义上来讲，并不是一门学科，它技术，从严格意义上来讲，并不是一门学科，它由创造和运行技术产品的人力、组织、知识、程序、由创造和运行技术产品的人力、组织、知识、程序、设备等整个系统组成，包括技术产品本身。在历史上，设备等整个系统组成，包括技术产品本身。在历史上，人们创造技术以满足其欲望和需要，大多数现代技术人们创造技术以满足其欲望和需要，大多数现代技术是科学和工程的产物，技术工具在科学和工程这两个是科学和工程的产物，技术工具在科学和工程这两个领域被应用。领域被应用。工程，既是大量关于设计和创造人工产品的知识，工程，既是大量关于设计和创造人工产品的知识，也是解决问题的程序。这个程序在约束条件下被设计。也是解决问题的程序。这个程序在约束条件下被设计。工程设计的制约条件之一是自然法则，或者科学。其工程设计的制约条件之一是自然法则，或者科学。其他制约条件包括时间、财力、可用的材料、工效、环他制约条件包括时间、财力、可用的材料、工效、环境法则、可制造性、可修复性等。工程学利用科学和境法则、可制造性、可修复性等。工程学利用科学和数学概念以及技术工具。数学概念以及技术工具。数学，研究量、数和空间的模式以及相互关系。它不像数学，研究量、数和空间的模式以及相互关系。它不像科学那样需要寻找实证性数据去证明或推翻论点，数学中的科学那样需要寻找实证性数据去证明或推翻论点，数学中的论点通过基于基本假设的逻辑论证予以证明。逻辑论证本身论点通过基于基本假设的逻辑论证予以证明。逻辑论证本身和论点是数学的一部分。与科学一样，数学中的知识也会增和论点是数学的一部分。与科学一样，数学中的知识也会增长，但不同于科学的是，数学中的知识不会被推翻，除非基长，但不同于科学的是，数学中的知识不会被推翻，除非基本假设被改变。本假设被改变。K-12K-12年级数学的具体概念范畴包括算术、代年级数学的具体概念范畴包括算术、代数、函数、几何、统计和概率。数学被广泛运用于科学、工数、函数、几何、统计和概率。数学被广泛运用于科学、工程、技术领域。程、技术领域。融合的融合的STEM STEM 教育具备新的核心特征教育具备新的核心特征:跨学科、趣味性、体跨学科、趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、实证性和技术增强验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、实证性和技术增强性等。性等。(一一)跨学科跨学科 教育工作者在教育工作者在 STEM STEM 教育中，不再将重点放在某个特定学教育中，不再将重点放在某个特定学科或者过于关注学科界限，而是将重心放在特定问题上，强调科或者过于关注学科界限，而是将重心放在特定问题上，强调利用科学、技术、工程或数学等学科相互关联的知识解决问题，利用科学、技术、工程或数学等学科相互关联的知识解决问题，实现跨越学科界限、从多学科知识综合应用的角度提高学生解实现跨越学科界限、从多学科知识综合应用的角度提高学生解决实际问题的能力的教育目标。决实际问题的能力的教育目标。(二二)趣味性趣味性 STEM STEM 教育在实施过程中要把多学科知识融于有趣、具有教育在实施过程中要把多学科知识融于有趣、具有挑战性、与学生生活相关的问题中，问题和活动的设计要能挑战性、与学生生活相关的问题中，问题和活动的设计要能激发学习者内在的学习动机，问题的解决要能让学生有成就激发学习者内在的学习动机，问题的解决要能让学生有成就感，因此需有趣味性。感，因此需有趣味性。STEM STEM 教育强调分享、创造，强调让学教育强调分享、创造，强调让学生体验和获得分享中的快乐感与创造中的成就感。生体验和获得分享中的快乐感与创造中的成就感。(三三)体验性体验性 STEM STEM 教育不仅主张通过自学或教师讲授习得抽象知识，更教育不仅主张通过自学或教师讲授习得抽象知识，更强调学生动手、动脑，参与学习过程。强调学生动手、动脑，参与学习过程。STEM STEM 提供了学生动手做提供了学生动手做的学习体验，学生应用所学的数学和科学知识应对现实世界问的学习体验，学生应用所学的数学和科学知识应对现实世界问题，创造、设计、建构、发现、合作并解决问题。因此，题，创造、设计、建构、发现、合作并解决问题。因此，STEM STEM 教育具有体验性特征，学生在参与、体验获得知识的过程中，教育具有体验性特征，学生在参与、体验获得知识的过程中，不仅获得结果性知识，还习得蕴含在项目问题解决过程中的过不仅获得结果性知识，还习得蕴含在项目问题解决过程中的过程性知识。程性知识。(四四)情境性情境性 STEM STEM 教育具有情境性特征，它不是教授学生孤立、抽象的教育具有情境性特征，它不是教授学生孤立、抽象的学科知识，而强调把知识还原于丰富的生活，结合生活中有趣、学科知识，而强调把知识还原于丰富的生活，结合生活中有趣、挑战的问题，通过学生的问题解决完成教学。挑战的问题，通过学生的问题解决完成教学。STEM STEM 教育强调让教育强调让学生获得将知识进行情境化应用的能力，同时能够理解和辨识学生获得将知识进行情境化应用的能力，同时能够理解和辨识不同情境的知识表现，即能够根据知识所处背景信息联系上下不同情境的知识表现，即能够根据知识所处背景信息联系上下文辨识问题本质并灵活解决问题。文辨识问题本质并灵活解决问题。STEMSTEM教育强调知识是学习者教育强调知识是学习者通过学习环境互动建构的产物，而非来自于外部的灌输。通过学习环境互动建构的产物，而非来自于外部的灌输。(五五)协作性协作性 STEM STEM 教育具有协作性，强调在群体协同中相互帮助、相互教育具有协作性，强调在群体协同中相互帮助、相互启发，进行群体性知识建构。启发，进行群体性知识建构。STEM STEM 教育中的问题往往是真实的，教育中的问题往往是真实的，真实任务的解决离不开其他同学、教师或专家的合作。在完成真实任务的解决离不开其他同学、教师或专家的合作。在完成任务的过程中，学生需要与他人交流和讨论。任务的过程中，学生需要与他人交流和讨论。(六六)设计性设计性 STEM STEM 教育要求学习产出环节包含设计作品，通过设计促进教育要求学习产出环节包含设计作品，通过设计促进知识的融合与迁移运用，通过作品外化学习的结果、外显习得知识的融合与迁移运用，通过作品外化学习的结果、外显习得的知识和能力。设计出创意作品是获得成就感的重要方式，也的知识和能力。设计出创意作品是获得成就感的重要方式，也是维持和激发学习动机、保持学习好奇心的重要途径。因此，是维持和激发学习动机、保持学习好奇心的重要途径。因此，设计是设计是STEMSTEM教育取得成功的关键因素。教育取得成功的关键因素。(七七)艺术性艺术性 STEM STEM 教育的艺术性强调在自然科学教学中增加学习者对人教育的艺术性强调在自然科学教学中增加学习者对人文科学和社会科学的关注与重视，例如在教学中增加科学、技文科学和社会科学的关注与重视，例如在教学中增加科学、技术或工程等相关发展历史，从而激发学生兴趣、增加学习者对术或工程等相关发展历史，从而激发学生兴趣、增加学习者对STEM STEM 与生活联系的理解以及提高学生对与生活联系的理解以及提高学生对 STEM STEM 相关决策的判断相关决策的判断力力;再如，在对学生设计作品的评价中，加入审美维度的评价，再如，在对学生设计作品的评价中，加入审美维度的评价，提高学生作品的艺术性和美感。提高学生作品的艺术性和美感。STEM STEM 教育的艺术性是以数学元教育的艺术性是以数学元素为基础，从工程和艺术角度解释科学和技术。素为基础，从工程和艺术角度解释科学和技术。(八八)实证性实证性 实证性作为科学的本质实证性作为科学的本质(Nature of Science)(Nature of Science)的基本内涵之的基本内涵之一，是科学区别于其他学科的重要特征，也是科学教育中学习者一，是科学区别于其他学科的重要特征，也是科学教育中学习者需要理解、掌握的重要方面。需要理解、掌握的重要方面。STEMSTEM教育要促进学生按照科学的原教育要促进学生按照科学的原则设计作品，基于证据验证假设、发现并得出解决问题的方案则设计作品，基于证据验证假设、发现并得出解决问题的方案;要要促进学生在设计作品时，遵循科学和数学的严谨规律，而非思辨促进学生在设计作品时，遵循科学和数学的严谨规律，而非思辨或想象，让严谨的工程设计实践帮助他们认识和理解客观的科学或想象，让严谨的工程设计实践帮助他们认识和理解客观的科学规律。规律。(九九)技术增强性技术增强性 STEM STEM 教育强调学生要具备一定技术素养，强调学生要了解教育强调学生要具备一定技术素养，强调学生要了解技术应用、技术发展过程，具备分析新技术如何影响自己乃至技术应用、技术发展过程，具备分析新技术如何影响自己乃至周边环境的能力。在教学中，它要求利用技术手段激发和简化周边环境的能力。在教学中，它要求利用技术手段激发和简化学生的创新过程，并通过技术表现多样化成果，让创意得到分学生的创新过程，并通过技术表现多样化成果，让创意得到分享和传播，从而激发学生的创新动力。享和传播，从而激发学生的创新动力。STEM STEM 教育主张技术作为教育主张技术作为认知工具，无缝地融入到教学各个环节，培养学生善于运用技认知工具，无缝地融入到教学各个环节，培养学生善于运用技术解决问题的能力，增强个人驾驭复杂信息、进行复杂建模与术解决问题的能力，增强个人驾驭复杂信息、进行复杂建模与计算的能力，从而支持深度学习的发生。计算的能力，从而支持深度学习的发生。三、三、STEMSTEM课程与中小学科学课程创新课程与中小学科学课程创新STEMSTEM课程的跨学科整合模式课程的跨学科整合模式 STEM STEM 教育的课程设计应该使用教育的课程设计应该使用“整合的整合的(integrated)(integrated)课程设计模式课程设计模式”，即将科学、技术、工程和数学等整合在，即将科学、技术、工程和数学等整合在一起，强调对知识的应用和对学科之间关系的关注。一起，强调对知识的应用和对学科之间关系的关注。(一一)跨学科整合的模式跨学科整合的模式 针对针对 STEM STEM 教育整合的课程设计，美国马里兰大学赫希巴奇教育整合的课程设计，美国马里兰大学赫希巴奇(Herschbach(Herschbach，2011)2011)提出两种最基本的课程模式提出两种最基本的课程模式:相关课程相关课程(the(the correlated curriculum)correlated curriculum)模式和广域课程模式和广域课程(the broad fields(the broad fields urriculum)urriculum)模式。相关课程模式将各科目仍保留为独立学科，但模式。相关课程模式将各科目仍保留为独立学科，但各科目教学内容的安排注重彼此间的联系。各科目教学内容的安排注重彼此间的联系。广域课程模式则取消了学科间的界限，将所有学科内容整合广域课程模式则取消了学科间的界限，将所有学科内容整合到新的学习领域。到新的学习领域。STEM STEM 教育的广域课程模式不再强调物理、化教育的广域课程模式不再强调物理、化学甚至科学作为独立的学科存在，而是将科学、技术、工程和数学甚至科学作为独立的学科存在，而是将科学、技术、工程和数学等内容整合起来，形成结构化的课程结构。赫希巴奇指出，最学等内容整合起来，形成结构化的课程结构。赫希巴奇指出，最常用的整合方式是通过活动常用的整合方式是通过活动(activities)(activities)形成连贯、有组织的形成连贯、有组织的课程结构课程结构(见图见图1)1)。(二二)跨学科整合的基本取向跨学科整合的基本取向如何将四门独立学科知识紧密关联实现整合，有三种取向如何将四门独立学科知识紧密关联实现整合，有三种取向:1 1 学科知识整合取向学科知识整合取向 分析各学科最基本的学科知识结构，找到不同学科知识点之间分析各学科最基本的学科知识结构，找到不同学科知识点之间的连接点与整合点，将分散的课程知识按跨学科的问题逻辑结构化。的连接点与整合点，将分散的课程知识按跨学科的问题逻辑结构化。将各学科内容改造成以问题为核心的课程组织，通过序列化的问题将各学科内容改造成以问题为核心的课程组织，通过序列化的问题有机串接起各学科知识，使课程要素形成有机联系和有机结构。有机串接起各学科知识，使课程要素形成有机联系和有机结构。知识整合取向模式一般采用基于问题的学习模式。知识整合取向模式一般采用基于问题的学习模式。2 2 生活经验整合取向生活经验整合取向 注重知识的社会功能，也就是基于学习者的需求，以第三次注重知识的社会功能，也就是基于学习者的需求，以第三次工业革命为代表的知识经济社会所必须的知识与技能为核心整合工业革命为代表的知识经济社会所必须的知识与技能为核心整合多学科知识，然后以项目设计与实施为载体，将学术性的学科知多学科知识，然后以项目设计与实施为载体，将学术性的学科知识转化为可解决实际问题的生活性知识。识转化为可解决实际问题的生活性知识。生活经验与社会取向课程整合模式一般采用基于项目的学习生活经验与社会取向课程整合模式一般采用基于项目的学习模式模式(project-based learning)(project-based learning)3 3 学习者中心整合取向学习者中心整合取向 这种模式不强调由教师预设问题或项目，而由学习者个体或小这种模式不强调由教师预设问题或项目，而由学习者个体或小组调查、发现问题。它不仅强调解决问题能力的培养，还强调发现组调查、发现问题。它不仅强调解决问题能力的培养，还强调发现问题的创新能力，是一种依据学习者需求，以学习者生活经验为基问题的创新能力，是一种依据学习者需求，以学习者生活经验为基础寻找各学科整合点的模式。础寻找各学科整合点的模式。学习者中心取向整合模式采用学生主导项目的方式，学生以个学习者中心取向整合模式采用学生主导项目的方式，学生以个人或小组为单位提出任务，任务内容需要学习并运用跨学科知识。人或小组为单位提出任务，任务内容需要学习并运用跨学科知识。1.1.教学分析教学分析1)1)教学目标教学目标;2);2)学习者特征学习者特征;3);3)跨学科知识地图跨学科知识地图(学习内容学习内容)。STEM STEM 教育强调学习要完成真实情境中的任务，而要确保任教育强调学习要完成真实情境中的任务，而要确保任务中包含教学目标，就需要对学习内容进行深入分析，明确所需务中包含教学目标，就需要对学习内容进行深入分析，明确所需学习的知识内容、知识内容间的结构关系和知识内容的类型。这学习的知识内容、知识内容间的结构关系和知识内容的类型。这可以通过绘制学习内容的知识地图，展示跨学科知识之间的关联，可以通过绘制学习内容的知识地图，展示跨学科知识之间的关联，为整个课程知识均衡覆盖提供基础。为整个课程知识均衡覆盖提供基础。2 2 学习任务设计学习任务设计 学习任务是整个学习任务是整个STEMSTEM教学设计模式的核心和立足点。教学设计模式的核心和立足点。STEMSTEM教教学是基于现实情境的，需要学习者置身于真实、非良构的学习任学是基于现实情境的，需要学习者置身于真实、非良构的学习任务。学习任务可以是问题或项目务。学习任务可以是问题或项目:它们均代表连续性的复杂问题，它们均代表连续性的复杂问题，并要求学习者采取主动、建构、真实情境下的学习方式。并要求学习者采取主动、建构、真实情境下的学习方式。STEM STEM 教学要基于前面的教学分析结果，对学习情境进行设教学要基于前面的教学分析结果，对学习情境进行设计，使得学习问题能够与真实学习情境相融合，不处于分离或勉计，使得学习问题能够与真实学习情境相融合，不处于分离或勉强合成的状态。强合成的状态。3 3 工具与资源设计工具与资源设计 设计适宜的学习环境和丰富的学习资源与工具是设计适宜的学习环境和丰富的学习资源与工具是STEMSTEM教学设教学设计必不可少的环节。学习环境设计主要包括教学中需要用到的设计必不可少的环节。学习环境设计主要包括教学中需要用到的设备、器材和各种信息化工具。备、器材和各种信息化工具。学习资源方面教师需要设计学习资源方面教师需要设计:1):1)了解有关学习问题的详细信了解有关学习问题的详细信息和必要的预备知识息和必要的预备知识;2);2)学生在解决学习问题过程中可能需要查学生在解决学习问题过程中可能需要查阅的信息阅的信息;3);3)强化练习材料。强化练习材料。4 4 学习支架设计学习支架设计 STEM STEM 教师既需要保持对各个教学环节的控制、管理、帮助教师既需要保持对各个教学环节的控制、管理、帮助和指导，又需要从课堂主角变为幕后导演，成为学生意义建构和指导，又需要从课堂主角变为幕后导演，成为学生意义建构的帮助者、促进者。的帮助者、促进者。针对学生问题解决过程中可能遇到的困难，教师提供起支针对学生问题解决过程中可能遇到的困难，教师提供起支撑、承载、联结等作用的支架，是确保学生在最临近发展区内撑、承载、联结等作用的支架，是确保学生在最临近发展区内进行学习并解决问题的关键。进行学习并解决问题的关键。典型的支架包括典型的支架包括:情境型支架，设置情境帮助进入学习情境型支架，设置情境帮助进入学习;问题问题型支架，创设问题情境，引发思维型支架，创设问题情境，引发思维;实验型支架，演示实验、学实验型支架，演示实验、学生实验、家庭实验等生实验、家庭实验等;信息型支架，包括教师已有知识、网络知信息型支架，包括教师已有知识、网络知识识、材料等、材料等;知识型支架，主要是提供评价和产生新的经验和信息知识型支架，主要是提供评价和产生新的经验和信息的框架的框架;程序型支架，是指做事的顺序程序型支架，是指做事的顺序;策略型支架，指在不同教策略型支架，指在不同教学条件下，为达到不同教学效果所采用的手段和谋略学条件下，为达到不同教学效果所采用的手段和谋略;范例型支范例型支架指典型事例和范例架指典型事例和范例;训练性支架指通过指导和练习强化学生认训练性支架指通过指导和练习强化学生认知理解，提升学生学习能力。知理解，提升学生学习能力。5 5 学习活动设计学习活动设计 学生是在完成学生是在完成STEMSTEM教育项目过程中获取知识、认识客观世界教育项目过程中获取知识、认识客观世界的，认知与学习发生在完成任务和解决问题的过程中，是通过学的，认知与学习发生在完成任务和解决问题的过程中，是通过学习活动这一中介体完成的。习活动这一中介体完成的。STEM STEM 学习活动设计，就是教师根据教学目标、教学内容、学习活动设计，就是教师根据教学目标、教学内容、教学情境灵活选择和设计学习活动，让学生通过参与活动进行学教学情境灵活选择和设计学习活动，让学生通过参与活动进行学习。习。6 6 学习评价设计学习评价设计 教学评价包括形成性评价和总结性评价。教学评价包括形成性评价和总结性评价。形成性评价偏向于使用量表、行为观察和知识测验等形式了形成性评价偏向于使用量表、行为观察和知识测验等形式了解阶段性的教学成果和存在问题，及时对教学实施方案进行修改、解阶段性的教学成果和存在问题，及时对教学实施方案进行修改、完善。完善。总结性评价一般安排在教学活动告一段落后，为检验学习效总结性评价一般安排在教学活动告一段落后，为检验学习效果是否达到预期的教学目标而进行的评价。果是否达到预期的教学目标而进行的评价。7 7 总结与强化练习总结与强化练习 项目结束后需要适时进行教学总结，促进学习者将零散的知项目结束后需要适时进行教学总结，促进学习者将零散的知识系统化。教学总结可以由教师独立进行，也可以采取教师指导识系统化。教学总结可以由教师独立进行，也可以采取教师指导下学生小组合作汇报等形式进行。下学生小组合作汇报等形式进行。完成教学总结后，教师应根据小组评价和自我评价结果，为完成教学总结后，教师应根据小组评价和自我评价结果，为学生设计一套可供选择并有针对性的补充学习材料和强化练习。学生设计一套可供选择并有针对性的补充学习材料和强化练习。8 8 项目方案试用与改进项目方案试用与改进 项目实施过程中，一方面要严格按照设计的方案进行实施，项目实施过程中，一方面要严格按照设计的方案进行实施，确保教学方案的执行确保教学方案的执行;另一方面，要根据现实教学条件和形成性另一方面，要根据现实教学条件和形成性评价的结果不断修订设计方案，保证灵活性。评价的结果不断修订设计方案，保证灵活性。四、从四、从STEMSTEM教育到教育到STEAMSTEAM教育教育 STEAM STEAM 教育用跨学科的方法教授科学、技术、工程、艺术和教育用跨学科的方法教授科学、技术、工程、艺术和数学方面的知识，引导学生适应不断更新的专业知识和快速数学方面的知识，引导学生适应不断更新的专业知识和快速变化的社会生活。变化的社会生活。STEAM STEAM 教育的理念可以概括为教育的理念可以概括为:以数学为以数学为基础，通过工程和艺术解读科学和技术。基础，通过工程和艺术解读科学和技术。STEAM STEAM 教育支持学教育支持学生以学科整合的方式认识世界，以综合创新的形式改造世界生以学科整合的方式认识世界，以综合创新的形式改造世界，培养他们解决问题的创新能力。，培养他们解决问题的创新能力。STEAM STEAM 教育主要以基于项目的学习、问题的学习为主要教学教育主要以基于项目的学习、问题的学习为主要教学(学习学习)整合的方式认识世界，以综合创新的形式改造世界，培整合的方式认识世界，以综合创新的形式改造世界，培养他们解决问题的创新能力。养他们解决问题的创新能力。STEAMSTEAM教育主要以基教育主要以基于于项目的学项目的学习、问题的学习为主要教学习、问题的学习为主要教学(学习学习)方式，引导学生通过合作方式，引导学生通过合作与实践，完成主题项目和解决生活中遇到的难题。作为一种与实践，完成主题项目和解决生活中遇到的难题。作为一种超越传统的教育模式，超越传统的教育模式，STEAMSTEAM教育可以缩小学生现有知识技能教育可以缩小学生现有知识技能与职业所需知识技能间的差距，提升学生的就业竟争力。与职业所需知识技能间的差距，提升学生的就业竟争力。STEAM STEAM教育在原有教育在原有STEMSTEM教育基础上加入了艺术，有助教育基础上加入了艺术，有助于于学学生从更多视角认识不同学科间的联系，提高自身综合运用知生从更多视角认识不同学科间的联系，提高自身综合运用知识解决现实问题的能力。识解决现实问题的能力。艺术艺术AA”包含较少包含较少一泛的人文一泛的人文艺术科目，涵盖社会研究艺术科目，涵盖社会研究(social studies)(social studies)、语言、语言(language)(language)、形体、形体(physical)(physical)、音乐、音乐(musical)(musical)、美学、美学(fine)(fine)和表演和表演(performing)(performing)等。等。从从STEMSTEM教育到教育到STEAMSTEAM教育再到教育再到STREAMSTREAM教育教育(添加了读添加了读/写能写能力力Reading/Writing)STEAMReading/Writing)STEAM教育的内涵不断丰富，成教育的内涵不断丰富，成为教育界的热点。在为教育界的热点。在STEMSTEM和和STEAMSTEAM教育的热潮下，教育的热潮下，STREAM(STREAM(科科学、技术、读学、技术、读/写、写、工工程、艺术和数学程、艺术和数学)教育应运而生。事实教育应运而生。事实上，强调读写能力是科学、上，强调读写能力是科学、工工程和技术教育的重要组成部分程和技术教育的重要组成部分，目的是使高素质令业人士能够胜任撰写报告、实验材料以，目的是使高素质令业人士能够胜任撰写报告、实验材料以及与人交流的需要。及与人交流的需要。STEAM STEAM教育已得到公众的认可，逐步成为更加完善的人力教育已得到公众的认可，逐步成为更加完善的人力资源教育模式。我们可以把基资源教育模式。我们可以把基于于现实需要、具有终身学习效现实需要、具有终身学习效能的能的STEAMSTEAM教育称为教育称为“全民有效性学习全民有效性学习”。随着国际上不断将随着国际上不断将STEAMSTEAM教育运用于实践教学，教育运用于实践教学，STEAMSTEAM教育理念也被引入中国。教育理念也被引入中国。STEAM STEAM教育认为科学、技术、教育认为科学、技术、工工程、数学、艺术之间存在程、数学、艺术之间存在结构上的顺序关系，在人们分析和改造世界中发挥着各自作结构上的顺序关系，在人们分析和改造世界中发挥着各自作用。在用。在STEAMSTEAM教育中，科学支持人们认识世界的规律教育中，科学支持人们认识世界的规律;工工程与程与技术支持人们根据社会需求改造世界技术支持人们根据社会需求改造世界;艺术帮助人们以美好的艺术帮助人们以美好的形式丰富世界形式丰富世界;数学则为人们发展与应用科学、数学则为人们发展与应用科学、工工程、艺术和程、艺术和技术提供思维方法和分析技术提供思维方法和分析工工具。具。人们只有在拥有了技术的前提下才可以理解科学，只有理人们只有在拥有了技术的前提下才可以理解科学，只有理解了艺术和数学后才能从事解了艺术和数学后才能从事工工程的研究与开发。我们聚焦在程的研究与开发。我们聚焦在如何分析不同学科间知识的联系，探讨它们在现实世界中的如何分析不同学科间知识的联系，探讨它们在现实世界中的应用，而不是关注某些知识是否属应用，而不是关注某些知识是否属于于哪个研究领域。哪个研究领域。STEAMSTEAM教教育不是将重点放在某个学科上，而是放在引导学生采用学科育不是将重点放在某个学科上，而是放在引导学生采用学科融合的学习方式，运用跨学科思维解决现实问题。融合的学习方式，运用跨学科思维解决现实问题。艺术加入科学、技术、艺术加入科学、技术、工工程、数学教育中，是对这四类课程、数学教育中，是对这四类课程的良好补充，能帮助学生优化不同学科知识的理解与应用程的良好补充，能帮助学生优化不同学科知识的理解与应用。例如，。例如，“声音声音”具有影响和传授知识的效能，学生运用沟具有影响和传授知识的效能，学生运用沟通和语言的艺术能更好地实现知识共享通和语言的艺术能更好地实现知识共享;通过美术，学生能更通过美术，学生能更好地了解过去和现在的文化和美学好地了解过去和现在的文化和美学;学生了解人性、道德、自学生了解人性、道德、自由和艺术等知识，有助由和艺术等知识，有助于于理解社会发展。理解社会发展。STEAM STEAM教育将人文艺术中的教育将人文艺术中的“谁来做谁来做”和和“为什么这样做为什么这样做”(Who and Why)(Who and Why)加入到加入到STEMSTEM教育领域的教育领域的“做什么做什么”和和“怎怎么做么做”(What and How)(What and How)中，让人和伦理道德在创新过程中扮中，让人和伦理道德在创新过程中扮演重要的角色。因此，演重要的角色。因此，STEAMSTEAM教育不仅可以提升学生的演绎与教育不仅可以提升学生的演绎与归纳等逻辑思维能力，还能培养学生养成解决现实问题所需归纳等逻辑思维能力，还能培养学生养成解决现实问题所需的灵活性和适应性，使他们具备跨文化交流能力。的灵活性和适应性，使他们具备跨文化交流能力。STEAM STEAM教育让学生远离碎片化的知识和死记硬背的过程，教育让学生远离碎片化的知识和死记硬背的过程，引导学生联系不同学科之间的知识，不断提升学生的逻辑思引导学生联系不同学科之间的知识，不断提升学生的逻辑思维能力、问题解决的创新能力、同伴之间的合作能力，以及维能力、问题解决的创新能力、同伴之间的合作能力，以及自我实现的激励能力。因此，自我实现的激励能力。因此，STEAMSTEAM教育有利于培养具有创造教育有利于培养具有创造和革新精神的全面发展的人，支持他们成为未来发明家和创和革新精神的全面发展的人，支持他们成为未来发明家和创造者。造者。STEAM STEAM教育框架教育框架(见图见图1)1)中，最顶层的是最终目标中，最顶层的是最终目标(Lifelong Holistic)(Lifelong Holistic)，表明，表明STEAMSTEAM教育的终身性、整体性教育的终身性、整体性;第第二层是二层是STEAMSTEAM，可以作为综合层级，可以作为综合层级(Multidisciplinary(Multidisciplinary Level)Level)，强调，强调STEAMSTEAM教育支持学生以跨学科的方式发现和解决教育支持学生以跨学科的方式发现和解决问题问题;第三层是第三层是STEMSTEM加艺术加艺术(STEM+A)(STEM+A)，强调艺术对各个学科，强调艺术对各个学科的渗透的渗透;第四层是学科层，主要探讨科学、技术、工程、艺术第四层是学科层，主要探讨科学、技术、工程、艺术和数学等学科间的联系和数学等学科间的联系;最底层是具体内容层最底层是具体内容层(Content(Content Specific Level)Specific Level)，主要是科学、技术、工程，主要是科学、技术、工程艺术和数学等艺术和数学等学科的相关课程。例如，科学学科包括物理、生物、化学、学科的相关课程。例如，科学学科包括物理、生物、化学、空间和地理科学等。空间和地理科学等。STEAMSTEAM教育针对学生目前的学习需要和未来的工作需要，教育针对学生目前的学习需要和未来的工作需要，通过问题导向的项目实践，实现多个学科之间的整合，为学通过问题导向的项目实践，实现多个学科之间的整合，为学生提供体验创新、独立思考和团队协作的机会。尽管生提供体验创新、独立思考和团队协作的机会。尽管STEAMSTEAM教教育提供多种方式支持学习，但学生仍需要对个人学习负责，育提供多种方式支持学习，但学生仍需要对个人学习负责，需要不断发挥自身的能动性和创造性。需要不断发挥自身的能动性和创造性。STEAMSTEAM教育的教学不以教育的教学不以传授知识为主要任务，而以培养学生的问题解决能力和创新传授知识为主要任务，而以培养学生的问题解决能力和创新能力为目标。相对于传统的教学活动设计，能力为目标。相对于传统的教学活动设计，STEAMSTEAM教学坚持以教学坚持以学生为中心。教师不仅告诉学生怎么做，而且引导学生体验学生为中心。教师不仅告诉学生怎么做，而且引导学生体验解决实际问题的过程，在探索中开启学生的创造力。解决实际问题的过程，在探索中开启学生的创造力。为了培养创新型人才，教师应该鼓励学生去质疑和反思，为了培养创新型人才，教师应该鼓励学生去质疑和反思，而不是依赖死记硬背而不是依赖死记硬背;引导学生面向问题去创新，而不是强调引导学生面向问题去创新，而不是强调简单应用。为此，简单应用。为此，STEAMSTEAM教育的教师需要科学安排教学过程，教育的教师需要科学安排教学过程，即要做什么即要做什么(活动的目的活动的目的)、用什么做、用什么做(设备、要素和材料等设备、要素和材料等)以及达到什么效果以及达到什么效果(学生发现了什么、收获了什么学生发现了什么、收获了什么)等。为了等。为了提高提高STEAMSTEAM教学的有效性，我们根据教学的有效性，我们根据STEAMSTEAM教学流程，设计了教学流程，设计了STEAMSTEAM教育教学过程卡。教育教学过程卡。STEAM STEAM教育的教师应根据学生特征，开展不同学科、不同教育的教师应根据学生特征，开展不同学科、不同课程之间的融合，并注重通过项目活动带动课程的整合，培课程之间的融合，并注重通过项目活动带动课程的整合，培养学生的养学生的STEAMSTEAM素养素养(科学、技术、工程、艺术、数学等素养科学、技术、工程、艺术、数学等素养)和解决问题的创新能力。和解决问题的创新能力。STEAMSTEAM教育要获得成功，离不开多部门的合作，也需要学校与教育要获得成功，离不开多部门的合作，也需要学校与学校间的协同交流。不同的学校间的协同交流。不同的STEAMSTEAM教育学校之间应加强合作交教育学校之间应加强合作交流，共享教学资源、教育模式和方法等。流，共享教学资源、教育模式和方法等。STEAMSTEAM教育中，教育工作者需要学习新的知识，获得所需教育中，教育工作者需要学习新的知识，获得所需的教学经验，不断提高教学设计能力。教育工作者应该在引的教学经验，不断提高教学设计能力。教育工作者应该在引导学生导学生“了解自己了解自己”和和“如何进行团队协作如何进行团队协作”等基础上，帮等基础上，帮助学生掌握如何进行互动、成为小组成员、如何开展团队合助学生掌握如何进行互动、成为小组成员、如何开展团队合作等知识。这些活动涉及基本的写作、科学运用词汇和行为作等知识。这些活动涉及基本的写作、科学运用词汇和行为调查等，需要教育工作者有效地组织与实施。调查等，需要教育工作者有效地组织与实施。作为教育工作者的核心人员，教师应根据学生兴趣和不同作为教育工作者的核心人员，教师应根据学生兴趣和不同学科知识的特点，面向现实问题设计跨学科项目活动，采用学科知识的特点，面向现实问题设计跨学科项目活动，采用不同的教学方式和个别化教学，并不断增强现实问题、课程不同的教学方式和个别化教学，并不断增强现实问题、课程内容、活动设计、能力培养以及未来工作之间的联系，引导内容、活动设计、能力培养以及未来工作之间的联系，引导学生在问题解决过程中提高创新能力。学生在问题解决过程中提高创新能力。STEAM STEAM教育立足于实际问题，鼓励学生通过协作和实践完教育立足于实际问题，鼓励学生通过协作和实践完成项目、解决问题，有助于培养学生的综合素养和问题解决成项目、解决问题，有助于培养学生的综合素养和问题解决能力，形成具有创新能力的优秀人力资源，而人力资源的培能力，形成具有创新能力的优秀人力资源，而人力资源的培养为科学伎术水平的提升起到了推动作用，因此养为科学伎术水平的提升起到了推动作用，因此STEAMSTEAM教育正教育正在成为技术创新的重要驱动力。尽管不是所有学生都能进入在成为技术创新的重要驱动力。尽管不是所有学生都能进入STEAMSTEAM行业，但其他行业正变得越来越依赖行业，但其他行业正变得越来越依赖STEAMSTEAM技能。几乎技能。几乎所有职业要求学生精履所有职业要求学生精履STEAMSTEAM教育所培养的能力。教育所培养的能力。中国要开展中国要开展STEAMSTEAM教育，建议在教授课程时应将教育，建议在教授课程时应将STEAMSTEAM看作是看作是提升创造力的方法。例如，对于其中的艺术教育而言，提升创造力的方法。例如，对于其中的艺术教育而言，STEAMSTEAM教教育的目的不是教艺术，而是让学生懂得如何在现实生活