面向未来：STEM教育如何培养高精尖人才

栏目：远程教育时间：2022-12-01

　　我们生活的世界瞬息万变，为了可以与时俱进，STEM教育为学习者提供新的思维方式和个人技能以应对各种可能发生的改变，而这种思维方式和技能在任何场景都会被重视。

　　近几年，中国经济与社会不断发展进步，对教育领域的改革提出了新的要求。STEM教育模式的蓬勃发展将成为大势所趋。STEM教育强调的是通过项目探究和动手实践，以解决实际问题的方式将多种课程融会贯通。由此可见，这种教育的核心诉求就是希望学生拥有未来社会的竞争优势。[1]

　　STEM是什么？

　　STEM究竟指的是什么？

　　STEM教育一词是由20世纪90年代美国国家科学基金会(National Science Foundation)提出的科学素养概念,在全世界范围内得到了普遍认同,因为国民的科学素养是提升国家综合实力的先行发展必要条件。STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）四门学科英文首字母的缩写。这四门学科具有相通性和渗透性，它们本身在解决现实科技问题时是一个整体，所以STEM是一种结合了四个方面的跨学科综合教育。

　　STEM课程重点强调对学生四个方面的教育：

　　——科学素养，即掌握科学知识（如物理、化学、生物等)、运用科学知识、形成独立思考的科学精神。

　　——技术素养，即了解、掌握、理解和评价技术的能力。

　　——工程素养，即对技术工程设计与开发过程的掌握和反思技能。

　　——数学素养，数学是科学、技术和工程设计的必备基础技能，即学生运算、运用、表达和解释数学问题的能力。

　　图源：Getting Smart

　　STEM的衍生形式（STEAM）

　　科技和艺术正如一枚硬币的正反面，互相辅佐才能组成一个完整的个体，所以科技需要人文加以引导。正如钱学森先生说过的：“我认为人不但要有科学技术，而且还要文化、艺术跟音乐”。因此，STEM就增加了人文艺术（Art）为第五个分类，变成了STEAM。随着艺术的加入，在已有的STEM基础上更能充分调动学生的感知力、想象力、发散性思维等艺术思维方式，并且帮助他们在潜意识里运用艺术美感、节奏感以及和谐感，从而实现更多的科研成果与科学产出。

　　从核心精神角度看STEM教育

　　STEM的核心精神体现在以下三个方面：教育目标的核心素养、课程设置的核心精神和教学策略的核心实施策略。

　　——教育目标的核心素养

　　STEM素养是一种综合性素养，体现在内容上的综合和形式上的综合。

　　在内容上，STEM是科学、技术、工程和数学四个领域融合的综合性教育模式，是运用科学、技术、工程和数学的知识在生活中解决实际问题的能力。在形式上，STEM是知识、方法、技能、能力、态度等很多元素夹杂的综合体。因为没有科学理论知识为根基就不会有技术上的创新与突破，而技术上的创新没有态度和情感价值的引导，就会缺少创新的根本动力和价值。[2]

　　——课程设置的核心精神

　　与分科课程相对，STEM是一种综合性课程。此处分科课程是指从不同门类的学科中选取知识,按照知识的逻辑体系,以分科教学的形式向学生传授知识的课程。分科课程与学科课程基本上是一致的,分科课程强调的是课程内容的组织形式,而学科课程强调的是课程内容固有的属性。[3]

　　图源：Education.Alot

　　相比于分科课程里学生能够集中、快速有效地获取系统的基础知识，STEM教育体系给了学生综合运用各门学科知识以解决现实问题的技能。简单来说，分科课程必定是学习STEM的根基，而STEM是对分科课程知识的综合运用和实践。所以，STEM的综合性和整合性是建立在学科基础上的。

　　——教学策略的核心实施策略

　　STEM课程的实施策略可大致分为五个方面：发现问题、提出假设或设计方案、科学求证或实施方案、得出结论或评估方案和反思分享。

　　1. 发现问题

　　STEM注重探究性学习，而探究的课题要源于日常发现的问题。STEM的问题是基于现实生活的真实问题，需要具备开放性和创造性。所以，发现问题是STEM教学策略的开端。

　　2. 提出假设

　　科学假设是科学理论的一种大胆猜测的表达方式。虽然提出假设需要基于科学理论和证据，但是假设的大胆猜测也是一种思维的提炼。

　　3. 科学求证

　　提出假设后，需要科学验证假设是否成立。这种验证的过程需要收集证据，对证据进行分析和批判性辨识，进行科学实验，使用逻辑思维。因此，STEM是一种基于证据的学习。

　　图源：Education Week

　　4. 得出结论或评估方案

　　科学假设通过科学求证对假设进行验证和评估。对于STEM的学习而言，探究、应用和求证的过程比结果重要，因为学生可以在过程中培养探索精神和解决问题的能力。

　　5. 反思分享

　　从提出问题到得出结论，这是科学研究的完整过程。但STEM的学习最后一个环节需要反思分享。通过这一环节，学习者可以从失败和经历中获取经验，并以此产生新的观点。

　　“创意灯”STEM 课程

　　设计“创意灯”STEM 课程是以苏教版小学科学五年级《电与磁》单元为基础和参照点，以电学知识为基本内容的 STEM 课程。该课程以“灯”为载体，通过灯的欣赏、资料收集、实地测量考察等活动，使学生了解电学的基本知识，激发兴趣。

　　图源:m.paper

　　通过带领学生到科普基地进行现场参观，引导学生提出并思考: 灯是如何被点亮的? 学生根据草图，选用STEM创意电学工具箱内的相关模块化组件进行设计，将感兴趣的物品结合电路创造出来。这一过程激发了学生的想象力，扩展了电学探究空间，让探究更深入，更具有灵活性、开放性。同时让学生知道制作一款可以出售的灯需要综合多个方面因素，实现跨学科教学，也能让学生通过学习过程意识到小组合作的重要性。最后，学生会在表格中填写自己的经历，这是一个反思的过程。这个简单的STEM课程的教学策略遵守着发现问题、提出假设或设计方案、科学求证或实施方案、得出结论或评估方案和反思分享这五个大方向。[4]

　　实施STEM教育有哪些好处？

　　STEM教育被全球认可不仅是因为它对学生个人发展有很大帮助，还因为它在时代背景下对个人素养进行充分培养，如引导学生进行跨学科知识应用、探索式学习团队协作等。

　　——跨学科融会贯通，培养学生全面综合发展

　　在STEM教育理念之下，学生可以实现多学科的融合学习。STEM教育不仅可以让学生从中学习科学文化基础知识，丰富人文领域知识储备，更可以提高审美，激发潜在创造力与逻辑思维能力，是打造未来的全方位的复合型人才的基础。

　　——强调探索式的学习方式：保有好奇心、深挖问题答案

　　美国前总统巴拉克·奥巴马曾说过:“我们之所以爱科学,是因为它不仅是一门学校的课程,它是一种探索世界的方式,通过一种批判性的方式来理解和探索世界、参与到世界的运转中,然后我们才有能力来改变世界,分享自己积累的知识。”STEM教育秉持并贯彻了这种理念，强调让学生抱有好奇心、勤于发问、自主探索、发现问题和自主创新，从而提升学生的学习能力与解决问题的能力。

　　——培养团队协作、高效沟通的技能

　　在STEM教育理念之下，学生互相交流沟通，保持良好的团队协作关系是完成更大目标的基础。在团队中取长补短，运用集体的力量争取团队的更优发展也是STEM教育一直以来的教育理念。

　　优秀国际学校STEM案例

　　——北京市私立汇佳学校“机器人们的诞生地”

　　图源：北京私立汇佳学校

　　北京市私立汇佳学校注重对于低年级学生的STEM精神的培养，激发学生的思考能力，培育创新和跨学科研究的能力。“编程机器人”作为STEM教育的集大成者，融合了科学、技术、工程、数学四门学科，与此同时，还能带给孩子们更多意想不到的软性技能。汇佳实施机器人教育最大的目的，是在IB教育的基础上，通过机器人教育激发孩子的思考能力，创新、创造能力，敢于承担风险的精神，以及跨学科研究的能力。

　　现在，汇佳已经搭建起了完整的、纵贯中小学的机器人教育体系。在不同的年龄层，汇佳都做到了贯彻STEM课程精神。比如在小学阶段，孩子们主要学习乐高机器人，了解机器人的基本概念和培养对机器人的兴趣。到了七年级，孩子们会学习一些简单的编程，并完成乐高机器人的创意搭建；八年级时，学生们则可以在机器人搭建过程中运用到物理学中的齿轮传动、皮带传动等简单机械的相关知识，以及更进一步的编程技能；九年级，学生们则开始学习编写基于C++语言的代码程序，并学习搭建结构更复杂的机器人。九年级以上的孩子们则有机会加入校队FRC HiMach,团队共同完成能够执行复杂任务的工业级机器人，征战国际赛场。[5]

　　——北京鼎石学校“STEM教育的上升趋势”

　　来自鼎石学校2021届的毕业生莫嘉筠在2017年到2019年的暑假里参加了美国大学开设的密码学课程，也学习了计算机编程。在这些编程经历中获得的乐趣带领她加入了FRC（First Robotic Challenge）——全世界最受瞩目、最刺激的高中生机器人比赛。FRC将她的各种兴趣完美地编织在了一起：工程、编程、摄影、创意写作和设计。FRC跨学科的挑战带来的兴奋，与偶像队伍见面带来的灵感和鼓励，以及与他人合作时收获让她无比享受FRC的旅程。

　　图源：北京鼎石学校公众号

　　回到学校后，她和同伴成立了鼎石自己的FRC队伍，期望把她享受到的这份快乐带给更多鼎石的伙伴。在接触机器人、学习密码学和编程的这些经历中，莫嘉筠也注意到她身边只有极少数的女孩。她认为历史遗留的刻板印象阻碍了女孩们走上科学、技术、工程和数学（STEM）的道路：“我希望这个循环能尽快被打破，每个人都能在勇敢地追求自己的热情的过程中尽情享受，而无需带着顾虑。”同时运用数学、科学以及理工科的知识，充分交融并且灵活运用到现实生活中，这很好的诠释了跨学科知识运用在STEM教育体系中的重要性。[6]

　　——深圳云顶学校“STEM国际教育培养模式的发展趋势”

　　在深圳云顶学校，通过STEM课程的设置培养学生在遇到问题时所需要具备的探究性能力、创新型思维以及动手实践能力，从而应证了STEM课程素养的核心。陈大维博士，深圳云顶学校国际实验课程创办人、美国咨询学硕士和教育学博士提到：“科技强国关键是人才培养，学生必须具备比较坚强的毅力，用一种热情和坚持去追求自己的人生目标，这才是培养科技人才的一个核心价值。首先，我们学校引进先进的STEM国际课程，力促学生主动培养自己的动手能力，培养学生的兴趣，从而为以后掌握现代的一技之长打下好的基础。学校必须培养学生的动手能力，必须提供一定的空间和实验室给学生“。

　　图源：云顶大维国际高中实验课程

　　“举个例子，我们让学生做机械或者电力等工作，这会涉及到安全问题。所以，我们在做所有的实践过程里面，材料都用得是木头，并且电压不能太高，一有障碍就会自动停下来，不会影响孩子的安全。广东大湾区的建设和规划已经如火如荼地展开工作了。国内的经济建设给国际教育带来了非常好的发展契机，主要就是对科技研发人才的需求，还有对制造业工程技术人员的需求，对各行业工程师的需求，以及对基础科学人才的需求。这样几个需求构成了国际教育的建设模式，也就是为什么现在要拿出STEM国际教育培养模式，希望能满足社会对人才的需求，给学生提供一个广阔的天地。所以我认为，沿着STEM方向发展，就是国际教育的发展趋势。”[7]

　　结语

　　在这个瞬息万变的时代，没有人可以预判未来的发展，但获取和运用理论知识、高效与人沟通协作以及创新突破的精神，始终都是复合型人才需要具备的核心能力。而培养STEM人才，符合人才自身发展的内在要求。其教育理念秉持着：人才要熟练运用所学知识，具备创造性解决问题的能力，从而造就拥有科学素养和批判性思维的STEM人才，使人才全面发展。重中之重，STEM教育使人才能够养成终身学习的习惯和技能，以此应对剧变的社会大环境和科技与社会带来的变化。

　　References:

　　[1] http://www.cedumedia.com/i/17892.html

　　[2] https://www.sohu.com/a/495441155_121093375

　　[3]https://zhidao.baidu.com/question/1902949006078106140.html

　　[4]https://m.thepaper.cn/baijiahao_19523254

　　[5]https://mp.weixin.qq.com/s/zuCWDdP31O8XmqlIKffvDQ

　　[6]https://mp.weixin.qq.com/s/VdGqhLRr0rBDg8yAZJCMgg

　　[7]https://mp.weixin.qq.com/s/-5phretpdH64kyTUF0JDXw

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