STEM教育的发展、特点和科学教育的改革

STEM教育的发展、特点和科学教育改革一、美国STEM教育的兴起与发展二、理解STEM教育三、STEM课程与中小学科学课程创新四、从STEM教育到STEAM教育五、中国STEM教育白皮书（2029创新行动计划）一、美国STEM教育的兴起与发展美国实施STEM教育战略,其最为关键的原因是,经济全球化背景下美国竞争力的相对下降。自20世纪90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。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NAEP报告显示：大约40%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“熟练”的程度和比例分别只有36%和30%；约20%的四年级学生和超过30%的八年级学生的成绩低于“基础”水平。在科学水平上，也只有低于1/3的四年级学生和八年级学生，以及低于1/5的十二年级学生“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（TIMSS）以及国际学生评估项目（PISA）。在TIMSS中，美国学生的平均成绩位于所有参与国的中间位置；在PISA中，美国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都指向两个方面：一是要吸引更多的学生到TIMSS领域学习;二是要吸引更多学生从事STEM领域的职业。早在1986年,在美国国家科学委员会发表的《本科的科学、数学和工程教育》报告中就提出“科学、数学、工程和技术教育集成”的纲领性建议,被视作是提倡教育的开端。1996年,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,并提出今后的“行动指南”,发表了报告《塑造未来透视科学、数学、工程和技术的本科教育》。2005年1月至2007年的1月，美国第109届国会通过的法案中，有3个法案与STEM教育相关。一是美国航空和航天局2005年的授权法案；二是国防部2006年的授权法案；三是2005年《赤字削减法案》。2007年,美国上到国会,下到教师教育大学协会,纷纷提出了与STEM教育相关的法案、报告、行动纲领,将STEM教育提到了前所未有的重要高度。第一,美国国会一致通过了《国家竞争力法》。该法案强调,创新需要雄厚的研发投入和对STEM教育计划的切实执行。第二,美国州长协会拟定了一项题为“创新美国制定一个科学、技术、工程和数学的议程”共同纲领,其中就当前美国实施STEM教育战略的背景、现状、问题和相应的策略进行了详细阐述。第三,美国国家科学委员会发布报告—《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》。第四,全美教师教育大学协会也提出了一份报告—《准备STEM教师全球竞争力的关键》,对全美范围内各所大学中有关STEM教师培养的课程计划作了全面的梳理。2009年1月20日，奥巴马入驻白宫,正式当选为美国总统，同年7月,美国教育部制定了“迈向巅峰计划”。该计划推出项重点项目,其中之一是重视教育,并希望各州竞报这一联邦资助项目。2010年3月,美国教育部发表了《改革蓝图—初等和中等教育法再授权》,将STEM教育作为“完整教育”的最为重要的组成部分,以较大篇幅讨论了STEM教育的重要意义及如何加强这一教育。2011年2月,奥巴马在其《总统2012预算要求和中小学教育改革蓝图法案》中进一步明确,将通过增加STEM教育的投入,加强美国在21世纪的领导力。总统2012预算对STEM的投入,主要分为两个方面:一方面是寻求更加有效的STEM教学模式,投入高达2亿600万美元,同时对目前已有的数学和科学合作项目在2011年的基础上增加了2600万美元拨款;另一方面是培养高质量的STEM教师,预算投入8千万美元用于培养STEM教师和提高现有STEM教师的水平。在美国,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STEM教育。STEM教育己经并不仅仅是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种教育发展战略,甚至可以说是一种国家战略。2013年，颁布了《联邦STEM教育8年战略规划（2013）》，将STEM置于政府教育工作的有限地位。颁布《下一代科学标准》。2014年，《K-12年级STEM整合教育：现状、前景和研究议程（2014）》。美国国家工程院和国家研究委员会联合成立STEM整合教育委员会，对K-12年级STEM整合教育产生积极成果的方法和情况开发研究议程。2014年，公布《用21世纪技能培养美国人：2015年STEM教育预算（2014）》。把3.2亿美元用于STEM教育的自发性创新。2015年，颁布《2015年STEM教育法（2015）》。这是一部界定STEM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STEM教育计划的法律。《K-12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。二、理解STEM教育STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathmatics）英语首字母的缩写。STEM教育被称为是“后设学科”(Matadiscipline)。STEM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——四个学科素养分别是：科学素养技术素养工程素养数学素养科学素养,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关决策的能力,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。技术素养,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,了解技术的发展过程,具备分析新技术如何影响自己、国家乃至整个世界的能力。工程素养,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,整合了多门学科的知识,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。数学素养,即学生在发现、表达、解释和解决多种情境下的数学问题时,进行分析、推断和有效交流思想的能力。与四个素养所对应的学科是：科学技术工程数学科学,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，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，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，除非基本假设被改变。K-12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、工程、技术领域。融合的STEM教育具备新的核心特征:跨学科、趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、实证性和技术增强性等。(一)跨学科教育工作者在STEM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决实际问题的能力的教育目标。(二)趣味性STEM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。STEM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。(三)体验性STEM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。STEM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题，创造、设计、建构、发现、合作并解决问题。因此，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，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。(四)情境性STEM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、挑战的问题，通过学生的问题解决完成教学。STEM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。STEM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。(五)协作性STEM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。STEM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。在完成任务的过程中，学生需要与他人交流和讨论。(六)设计性STEM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，设计是STEM教育取得成功的关键因素。(七)艺术性STEM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与生活联系的理解以及提高学生对STEM相关决策的判断力;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。STEM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。(八)实证性实证性作为科学的本质(NatureofScience)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需要理解、掌握的重要方面。STEM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;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。(九)技术增强性STEM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，让创意得到分享和传播，从而激发学生的创新动力。STEM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。三、STEM课程与中小学科学课程创新STEM课程的跨学科整合模式STEM教育的课程设计应该使用“整合的(integrated)课程设计模式”，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)跨学科整合的模式针对STEM教育整合的课程设计，美国马里兰大学赫希巴奇(Herschbach，2011)提出两种最基本的课程模式:相关课程(thecorrelatedcurricu