STEM教育理念与跨学科整合模式
STEM教育理念与跨学科整合模式
STEM教育作为一种跨学科的教育理念，近年来在全球范围内受到广泛关注。它不仅强调科学、技术、工程和数学知识的融合，更注重培养学生的创新能力和解决实际问题的能力。本文将从STEM教育的起源与发展、核心特征、课程整合模式、跨学科整合的基本取向以及项目设计等多个维度，全面解析这一教育理念的内涵与实践路径。
STEM教育的起源与发展
20世纪50年代，美国提出科学素养概念，认为提升国民科学素养是增强国家综合实力的关键。随着科学知识体系稳定和技术工程发展，技术素养进入公众视野，STEM教育逐渐形成。
从科学素养到STEM素养
20世纪90年代，美国国家科学基金会首次使用STEM描述相关事件、政策和项目。2001年后，STEM逐渐取代SMET，成为科学、技术、工程和数学教育的统称。奥巴马总统执政后，STEM教育被提升到新的层次，政府和企业界共同推动其发展。
STEM教育的发展历程
社会参与：盖茨基金会和纽约卡内基公司支持企业CEO创建“变革方程”公益机构，推动STEM教育改革。英国政府投入专项经费，促进企业职工参与学校STEM教育。
政府推动：美国政府通过立法和政策支持STEM教育，如《国家竞争力法》和《美国振兴及投资法案》。白宫和教育部提出STEM国家人才培育策略，推动各州STEM创新网络合作和教师培训。
STEM教育的核心特征
STEM教育强调打破学科界限，将科学、技术、工程和数学知识整合为一个有机整体。通过跨学科教学，培养学生综合运用多学科知识解决实际问题的能力。
知识融合
STEM教育关注真实世界中的问题，让学生在解决实际问题的过程中学习知识。例如，通过设计太阳能小车项目，将科学、技术和工程知识融合在一起。
真实世界应用
STEM教育通过设计有趣、具有挑战性的问题和活动，激发学生内在的学习动机。例如，将STEM教育内容游戏化，让学生在探索和目标导向的学习中获得成就感。
激发学习动机
游戏化学习可以发展学生的团队技能，教授交叉课程概念，提高教育产出。芬兰大学和美国北伊利诺伊大学合作开展基于游戏的STEM教育，取得了良好的效果。
游戏化学习趣味性
STEM教育强调学生通过动手操作和实践来学习知识，而不仅仅是通过理论学习。例如，学生通过搭建乐高组件测试相关原理，将抽象的物理知识与实际生活连接起来。
动手实践
学生在参与和体验知识获取的过程中，不仅获得结果性知识，还习得过程性知识。这种体验性学习方式对学生未来的工作和生活产生深远影响。
过程性知识体验性
STEM教育强调将知识还原于丰富的生活情境中，让学生在真实情境中应用知识。例如，教师设计基于真实生活情景的项目，让学生在解决问题的过程中获得知识。
知识情境化应用情境性
STEM教育强调在群体协同中进行知识建构，学生需要与他人交流和讨论来完成任务。例如，学生以小组为单位共同搜集和分析学习资料，提出和验证假设。
小组合作
小组学习的评价以小组成员的共同表现为参考，而不是根据个人表现进行独立评价。
评价方式协作性
设计是认知建构的过程，学生通过设计可以更好地理解完成的工作，解决开放性问题。
认知建构
STEM教育要求学生通过设计作品来促进知识的融合与迁移运用。设计作品是获得成就感的重要方式，也是激发学习动机和保持学习好奇心的重要途径。
设计作品设计性
在STEM教育中加入“Art”学科，强调艺术与人文属性。例如，在教学中增加科学、技术或工程的发展历史，提高学生对STEM与生活联系的理解。
STEAM教育
在对学生设计作品的评价中加入审美维度，提高学生作品的艺术性和美感。
审美评价艺术性
STEM教育促进学生按照科学的原则设计作品，基于证据验证假设。例如，学生在设计作品时需要遵循科学和数学的严谨规律。
科学原则
STEM教育强调培养学生的科学精神和科学理性，促进知识向真实生活的迁移。
科学精神实证性
技术作为认知工具无缝融入教学环节，培养学生运用技术解决问题的能力。
技术素养
技术作为认知工具技术增强性
STEM课程的跨学科整合模式
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。例如，物理课需要学生预先掌握数学概念，数学和物理教师通过沟通协调课程安排。
课程安排协调相关课程模式
对教师来说比较熟悉，但需要各学科教师之间密切协商与交流。
优势与挑战相关课程模式
广域课程模式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。例如，通过设计太阳能小车项目，将科学、技术和工程等STEM学科知识整合在一起。
广域课程模式
打破了学科间的界限，通过活动促使学生在真实情景中学习各学科的知识。但如何在打破的学科之间取得平衡、建立新的课程结构对一线教师和政策制定者提出了新的挑战。
优势与挑战广域课程模式
跨学科整合的基本取向
问题逻辑结构化基于问题的学习分析各学科知识结构，找到连接点与整合点，将分散的课程知识按跨学科的问题逻辑结构化。例如，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。
学科知识整合取向
采用基于问题的学习模式，强调把学习设计在复杂、有意义的问题情境中。通过学生合作解决嵌入于真实情境中的问题，促进学生对所学知识的理解与建构。
知识的社会功能注重知识的社会功能，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。例如，从儿童适应社会的角度选择典型项目进行结构化设计，让学生在体验和完成项目的过程中习得多学科知识。
基于项目的学习
采用基于项目的学习模式，以实践性的项目完成为核心，将跨学科的内容与真实生活环境联系起来。项目学习一般以开发最终作品或“人工制品”为出发点，学生在完成作品的过程中获得知识和技能。
生活经验整合取向
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。强调学习者成就感与自我效能感，维护学生好奇心与兴趣。
学习者主导
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。教师在项目问题解决过程中发挥协调、指导、检查、监督、计时和评价作用。
学生主导项目
学习者中心整合取向
跨学科整合的项目设计
教学目标是为了确定学习主题，对课程的三维目标做具体描述。例如，明确学生需要掌握的科学、技术和工程知识，以及培养的创新能力和实践能力。
教学目标分析
分析学习者特征是为了确保项目设计适合学生的能力与知识水平。例如，了解学生的智力因素和非智力因素，包括学习兴趣、学习风格和学习能力。
学习者特征分析
教学分析学习任务一定要放在特定情境中呈现，需要将设计的问题在特定情境中具体化。例如，设计一个关于环境保护的项目，让学生在真实情境中解决实际问题。
真实情境任务
学习任务是整个STEM教学设计模式的核心，学生学习的过程就是解决实际问题和完成实际项目的过程。任务驱动学习学习任务设计
学习环境设计学习资源支持设计适宜的学习环境和丰富的学习资源与工具是STEM教学设计必不可少的环节。例如，提供3D打印机、开源电路板等设备，以及Scratch可视化程序设计工具、概念图工具等认知工具。
工具与资源设计
教师需要设计了解有关学习问题的详细信息和必要的预备知识，以及学生在解决学习问题过程中可能需要查阅的信息。
STEM教育重视学习者学习主体地位的同时，也不忽视教师的指导作用。教师需要在问题解决过程中设置关键的控制点，规范学生学习，同时也有利于学生反思、深化所学知识。
教师指导作用
支架类型典型的支架包括情境型支架、问题型支架、实验型支架、信息型支架、知识型支架、程序型支架、策略型支架、范例型支架和训练性支架。
学习支架设计
不同教学模式往往从不同教学环节和程序安排上显示其特征，每种教学模式都有其自身相对固定的活动逻辑步骤。
活动序列组合
活动中介作用学生是在完成STEM教育项目过程中获取知识、认识客观世界的，学习活动是知识内化的中介体。例如，设计小组合作活动，让学生在互动中学习知识。
学习活动设计
教学评价包括形成性评价和总结性评价，两者均起着举足轻重的作用。例如，通过量表、行为观察和知识测验等形式进行形成性评价，通过小组合作完成的作品进行总结性评价。
多元评价主体
评价过程要改变以往单一的评价方式，强调多元评价主体、形成性评价、面向学习过程的评价。由学生本人、同伴、教师对学生学习过程的态度、兴趣、参与程度、任务完成情况以及学习过程中形成的作品等进行评估。
学习评价设计
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。例如，通过教师独立进行或学生小组合作汇报的形式进行教学总结。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。通过强化练习纠正原有的错误理解或片面认识。