综合 STEM 教育的概念框架

关键词：综合 STEM，框架，STEM 教学法，科学探究，工程设计

摘要：

改善 STEM 教育的全球紧迫性可能是由 21 世纪的环境和社会影响驱动的，这反过来又危及全球安全和经济稳定。 这些全球因素的复杂性不仅仅是帮助学生在数学和科学评估中取得高分。 弗里德曼（世界是平的：二十一世纪简史，2005）帮助说明了全球社会的复杂性，教育工作者必须帮助学生为这一全球转变做好准备。 为应对这些挑战，美国在过去二十年经历了大规模的 STEM 教育改革。 在实践中，STEM 教育工作者对 STEM 教育缺乏凝聚力的理解。 因此，他们可以从 STEM 教育概念框架中受益。 在真实环境中整合科学、技术、工程和数学的过程可能与需要新一代 STEM 专家的全球挑战一样复杂。 教育研究人员表示，教师很难在 STEM 学科之间建立联系。 因此，当学生以孤立和脱节的方式学习时，他们往往对科学和数学不感兴趣，缺少与横切概念和现实世界应用的联系。 下文将运用STEM教育关键概念和融合学习理论，构建一体化STEM教育框架，以协助进一步研究一体化STEM教育。

1. 背景

许多全球化问题，包括“气候变化，人口过剩，资源管理，农业生产，健康，生物多样性，不断消耗的能源和水资源”等，都需要一种国际通用的方式来解决，而这种方式有赖于科学和技术的进一步发展。然而，大量的教育研究指出，学生对 STEM 的学习兴趣和动机都在下降，特别是在一些西方国家以及亚洲的富裕国家。许多国家对 STEM 教育的关注持续增长，因为应对经济挑战使他们对 STEM 技能的需求日益增强。由于真实的或可预见的当前和未来的 STEM 人才短缺，世界各地的许多教育系统和政策制定者，都急切地期望提高本国在 STEM 领域的教学水平。但是，关于 STEM 教育的本质和发展程度的观点是多元的，而大家越来越关注的整合问题，更是为 STEM 研究带来了新的话题和需要。

在美国，尽管 STEM 在 20 世纪 90 年代就得到了关注，然而几十年后，依然鲜有教师知道如何实施 STEM 教育。美国人意识到本国的经济发展可能会逐渐落后于全球，于是开始将教育的重点放在 STEM 和职业生涯教育上。随后，美国投入 STEM 领域研究和教育的资金得到显著增加。过去 20 年美国在 STEM 领域推行的大量改革，充分证明了美国提高科学、技术、工程和数学方面教育成就的急迫性。尽管这些不同的文件都是基于对人是如何学习的研究，并提出了最佳的实践方式，但是相互竞争的不同理论和意见使得复杂的 STEM 整合课程更具迷惑性。最近的改革，例如美国下一代科学标准 ( NGSS) ，以及州共同核心数学标准 ( CCSSM) ，都提倡通过 STEM 各学科领域间的深层次联系，来开展 STEM 整合。最近的一份 NAE 和 NＲC 发布的题为“K － 12 阶段 STEM 整合: 现状、前景以及研究议程”的报告，提出了当前 STEM 整合的一系列问题，如研究议程设计得不够严谨，缺乏持续的努力，以及对 STEM 整合教育的定位和教学研究的界限不清。报告指出，STEM 整合教育委员会有责任为 STEM 教育利益相关者提供协助，包括: ①仔细地鉴别并描述现有的 STEM 整合教育方法; ②评估其对学生学习的影响; ③帮助决定 STEM 整合教育研究的优先等级。这份报告的目的是使 STEM 教育工作者有更多的共同语言，以推进 STEM 整合教育的研究和实践。这表明，下一步的工作仍然是在实践中改进 STEM 整合教育，并且有必要组织更多关于 STEM 整合教育的研究。

在许多国家，提高 STEM 教育的成果之一，就是加强了人才储备，以确保国民经济的提高，以及本国在不断转型和爆发式增长的全球经济中保持领先地位。黄等人指出:

“对美国未来的科学家、技术专家、工程师和数学家能否继续在全球经济中保持活力和竞争力的担忧，再次引发了人们对 STEM 教育的关注。为了在日益发展的全球经济中保持竞争力，我们必须提高学生在 STEM 学科上的能力。”

欧洲 STEM 教育工作者和实业家们已经发现，就业人员的 STEM 技能差距正日益扩大。同样的，在发展中国家和新兴国家，提高 STEM 教育水平也越来越受到经济利益的驱动。虽然在许多西方国家，STEM 学生的入学率和学习的积极性都有所下降，但各种研究表明，在发展中国家，如印度和马来西亚，年轻人对 STEM 越来越感兴趣。

1. 寻求STEM教育的一致性

STEM 教育依旧存在很多模糊性，人们仍在不停争论该如何有效地实施它。人们经常会将 STEM 教育与创新和令人兴奋画上等号，但事实上，它可能依然是几个没有关联的学科。然而，你可以利用整合的课程方法，将 STEM 的各个学科联系起

来，用以解决现今面对的一系列全球性挑战，如能源、健康和环境等。肯尼迪和奥德尔指出了目前 STEM 教育的现状:

“STEM 已经发展成为一门基础学科。它通过整合的方式，尽力消除了相关科目之间的传统障碍，并利用现有的工具和技术，设计创新的且具有实践价值的解决复杂问题的方案。要让学生获得高质量的 STEM 教育，就必须设计一系列项目，这些项目需要有严格的课程、指导和评估，将技术和工程融入科学和数学，并促进科学探究和工程设计过程。”

STEM 教育可以与科学探究联系起来，学生在参与有关工程设计的项目之前，需要先通过调查研究，提出解决问题的方法。优质的 STEM 教育，可以维持或拓宽准备从事 STEM 领域相关工作的人的就业渠道。STEM 教育水平的提升还有助于提高全民在技术和科学领域的素养。

美国和其他国家都在努力提升本国的 STEM 教育水平，他们彼此之间也需要密切合作，以提高他们参与国际性科学事务的能力以及为他们所有的学生提供高质量教育的能力。

1. 定义STEM整合教育

在过去的几十年里，STEM 教育的重点是提高作为独立学科的数学和科学的水平，却很少想到整合和关注技术和工程。而且 STEM 课程的教学往往与艺术、创造力以及设计割裂开来。桑德斯将 STEM 整合教育描述为“在任意两个或多个 STEM 学科领域之间，以及 ( 或者) STEM 学科与一个或多个其他学科之间的教育和学习的方法”。桑德斯建议，一门 STEM 课程的学习结果应该在其他至少一门的 STEM 课程设计中有意识地体现出来，例如数学和科学的学习结果应在技术或者工程课中有所表现。默里则将 STEM 课程定义为“力图将科学、技术、工程和数学四门学科中的一些或全部整合到一个班级，一个单元，或者一堂课中，而这种整合是基于学科之间的关联以及现实世界的问题”。STEM 整合课程模型的内容学习目标一般集中于一门课程，但是学习背景可以来自其他 STEM 课程。综上所述，我们将 STEM 整合教育定义为，这是一种教授两门及以上 STEM 学科内容的教学方法，需要在真实情境中进行实践，目的是加强学科间的联系，同时提高学生的学习能力。

笔者承认，这种方法在 STEM 整合教育中是有局限性的。一些人可能认为它过度专注于就业实际，强调 STEM 实践和 STEM 知识在真实情境中的应用。笔者认为，本文提出的 STEM 课程的教学方法，并不适用于所有场合，并且可能会限制某些内容的教学。数学和科学方面的一些重要知识更偏重于理论，可能无法提供真实的工程设计的应用场景，同时一般的 STEM 实践也会受制于现有的技术水平。

四、现有整合实践的局限性

STEM 各课程之间的横向连通是极为复杂的，教师要以非常巧妙的方式进行教学，才能使学生明白 STEM 知识是如何应用于现实世界的问题。目前为止，学科间的横向联系依旧不明确，或者可以说完全缺失。STEM 整合教育委员会指出:

“当学生对个别学科中的相关知识都知之甚少或全然不知时，将跨学科的概念联系起来就显得更具挑战性。此外，在遇到复杂情境时，学生并不总能够想到或者自然运用学科知识。因此，他们需要一些支持，以便能在某个工程和技术设计情境中引出相关的科学或数学观念，将这些观念有效联系起来，并通过规范的、科学的思维和实践来重新组织自己的观点。”

如果没有一个战略性的实施方法，加强 STEM 学科整合的工作可能并不怎么有效。但是，良好的整合教学，可为学生提供更具关联性和激励性的学习体验，鼓励其使用更高水平的批判性思维技能，提高其问题解决能力，并增强其记忆力。建立一个 STEM 整合教育的战略性的方法，需要对学生如何学习和应用 STEM 内容有很强的概念性和基础性的理解。下述 STEM 整合教育的概念框架旨在提出这样的方法。

五、STEM整合教育的概念框架

STEM 整合教育方面的研究，可以让 STEM 教育的利益相关者了解 STEM 的实施障碍，并找到最佳的实践路径。概念框架有助于搭建研究议程，这将反过来使 STEM 教育利益相关者认识到 STEM 整合教育的全部潜力。我们围绕学习理论和教育学提出了一个概念框架，这一框架将引导实现关键的学习成果。为 STEM 教育开发一个概念框架，需要深入理解学习的复杂性，特别是 STEM 课程内容的教授和学习。研究表明，当教师兼备充分的学科内容知识和教育学方面知识时，其 STEM 教学水平会得到显著提高。STEM 教育不是通过教授 STEM 内容和技巧，使学生看到这些知识与真实应用之间的联系，而是要通过整合的方式，寻找 STEM 学科之间的联系，并为学习内容提供相关的场景。教育工作者坚守这一本质，即科学、技术、工程和数学都是为真实的生活场景服务的。美国下一代科学标准指出，对实践的深入研究可能有助于 STEM 整合课程框架的构建。

这里所提出的框架，主要是为中学教育，特别是高中教育工作者和学习者制定的。图 1 有助于厘清 STEM 整合教育的概念框架，这也是本论文核心概念的框架。整篇论文都将围绕这张图，深入解释关键概念，并与 STEM 实践建立联系。本论文的目的是提出一个概念框架，引导 STEM 教育工作者的工作方向，以及帮助建立关于 STEM 整合教育的研究议程。

图1 STEM 学习的概念框架

图 1 显示了本文提出的 STEM 整合教育的概念框架。这幅图片展示了由四个滑轮组成的滑轮组，它被用于提起“STEM 情境学习”这一负载。滑轮组是一个由定滑轮和动滑轮组装而成的简单机械，它能提升机械效率，帮你更容易地提起负载。图 1 将情境学习、工程设计、科学探究、技术素养和数学思维联系起来，组成了一个整合系统。这个系统中的每一个滑轮都与四个 STEM 学科实践紧密相连，并且被实践共同体这条绳子捆绑。滑轮系统中的各个复杂关系必须协调工作，才能保证系统的完整性。笔者并不是说所有四个领域的 STEM 整合必须发生在每一次 STEM 学习中，但是 STEM 教育工作者应该对如何通过实践共同体在跨学科领域间建立联系有深入理解。就跟任何心理模型一样，用这种方法看待 STEM 整合教育是有局限性的，我们既要努力为这一模型提供支持，同时也应意识到它的局限。后面我们将详细描述这一概念框架的每个部分，希望读者能认真参考图1，以便更好地理解这一建议框架的各个方面。

六、STEM情境学习

笔者认同 STEM 情境中的大部分内容都能从情境认知理论中找到依据。这一理论的基础是这样一种理念，即理解知识和技能是如何应用的，与学习这些知识和技能一样重要。情境认知理论认为，情境———包括学习活动中的物理和社会要素

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