STEAM专题┃整合STEM发展我国基础科学教育的有效路径分析

摘    要：STEM整合这一教育改革思路被介绍到我国后引发了争论。研究表明, 科—数整合教育无需“引进”, 科—技整合教育有将科学教育带上培养“能工巧匠”歧途的风险, 科—工整合才是最符合我国基础科学教育发展需要的STEM整合类型。对1993年以来国外文献中30个科—工整合教育案例所做编码分析显示, 其整合思路可归为应用延伸、工程框架、设计即探究三种。我国已有科—工整合尝试多借鉴工程框架思路, 与国外同类案例相比, 能达成“熟悉工程设计思路”的目标, 但冷落了建构解释的探究目标。因此, 我国基础科学教育借鉴科—工整合的重点应放在如下工作上:以已有科学课程为载体, 开发整合与不同学科内容相关的工程设计任务;帮助教师把握整合教育目的, 注重教学实施中科学探究与工程设计的有机结合;组成研究团队, 针对特定科学内容开发设计即探究型整合课程。

关键词：基础科学教育; STEM整合; 科—工整合

2001年, 美国国家自然科学基金会教育与人类资源理事会副理事长朱迪丝·拉玛雷在课程开发中首次使用了STEM (科学、技术、工程、数学的英文首字母缩写) 一词, 将其定义为一种新的教育尝试, 其目的是倡导由问题解决驱动的跨学科理科教育, 促使未来人才适应当今知识经济全球化水平、复杂性和合作性不断增强的大趋势。[1]

理科教育的跨学科整合并非新事物。早在1975年, 美国学者赫德就指出, 学科间的交叉渗透及融合使得传统学科概念除作为学校课程分类依据外已不再有意义。[2]我国学者也指出, 在后现代科学时代, “纯”科学教育必然要让位于科学与技术相整合的科技教育。[3]STEM将整合对象扩大到数学与工程, 后来又有了将STEM教育与艺术教育整合的STEAM教育。这些改变皆缘于实际问题越来越复杂, 解决它们必须依靠多学科团队合作与知识综合运用。

STEM整合教育已成为很多国家的科学教育政策主导和研究热点。[4]美国《K-12科学教育新框架》 (以下简称《框架》) 和以此为基础发展出的《新一代科学教育标准》 (以下简称NGSS) 尤为突出, 不仅将工程实践与科学实践并提, 强调“使用数学和计算机思维”, 还将工程设计与工程、科学、技术和社会的交互关系列入课程核心概念, 足见科技第一强国整合STEM学科发展科学教育的宏愿。[5]

这一教育改革思路被介绍到我国后引发了争论。有学者认为, 科学与工程技术的结合可让学生体验运用科学解决实际问题的乐趣, 加深对科学理论的理解, 应尽快借鉴。[6]有学者以我国应注重利用科学学科分科的优势为由, 含蓄表达了对“整合”的异议。[7]也有学者认为, 我国科学教育者的实践与认识“还没有达到《标准》 (1996年《美国国家科学教育标准》) 的水平, 一些落后地区可能还没有达到‘科学作为过程的阶段’, 这时如果简单地、跨越式地引进《框架》精神, 势必欲速则不达”。[8]

仅凭宏观的战略解读决定应否整合STEM发展我国基础科学教育, 未免失之粗疏。下此判断, 还须深入腹地, 察看已有整合类型是否契合我国实际需求, 辨析、揣摩整合的具体“战术”能否使我国学生受益, 并将我国现有整合尝试与国外案例相比较, 探究其可取与不足之处。本研究拟在梳理分析国内外相关文献和本土教育案例的基础上, 探索STEM整合教育对我国基础科学教育的借鉴价值, 发掘其有效借鉴路径。

新一轮基础教育课程改革以来, 我国科学教育大力提倡探究, 强调对科学过程和方法的掌握;STEM整合则强调要将过程和方法置于复合的真实问题情境中。二者视角不同, 因而并不存在“先探究, 再整合”的线性关系。探讨STEM整合教育的可借鉴性, 首先要考察整合提供的问题情境能否促进和优化现有科学探究教学。

STEM整合类型众多, 可指向同时包含两个或两个以上STEM学科内容的教学活动, 较为常见的有科—数整合、科—技整合、科—工整合, 以及以项目为“珠”串起数学、技术、科学与工程设计理念的珠—线整合模式[9]。作为课程改革尝试, STEM整合教育至少在启动阶段会加重教师工作负担, 如无明确需求和期望, 难获积极响应。因此, 全盘跟进STEM整合不必要, 也无可能, 必须将各类整合教育代入我国基础科学教育现状, 找出最能满足其发展需求的类型。

(一) 科—数整合教育无需“引进”

数学是我国传统优势学科。中国数学教师比美国同行更好地把握了深层学科结构;中国的语言系统、社会期望、价值观和课程设置都有利于推进数学学习。[10]对数学思维水平的评价或存争议, 但中国学生的数学知识与技能应用领先于世界是不争的事实。

正因如此, 科—数整合已是我国理科教学常态。教科版四年级《科学》即要求学生会用柱状图表示气温和降水量的变化、描点作图探索尺子伸出桌面长度与振动时音高变化的关系;在引导学生探究运动和力的关系、遗传规律等问题时, 教师多会集合全班测量数据找规律、建构初级模型;初高中的理化课程更是从例题到课后作业都离不开数学分析、公式应用与计算。

整体而言, 我国基础教育中科学与数学的整合程度优于美国, 量化思维和数学工具介入早, 使用普遍。美国《框架》为12年级学生设定的数学应用目标——如“能识别不同维度的量, 在应用数学公式和图表时选取合适的单位”、“在科学建模与调查研究中用合适的数学或算术形式表达关系与量”、“能通过比较数学表达式的演算结果和真实世界观测结果检验数学表达式是否合理”、“能运用与所学相称的数学和统计知识进行数据分析”等[11]——对我国学生来说并不困难。相反, 在科学教学中过快进入定量分析而忽视定性理解的建立才是我们需要担心的。

(二) 科—技整合教育有将科学教育带上培养“能工巧匠”歧途的风险

技术一词可指代一切为满足人们需求而发明的事物。国外学界对科技整合教育的目的也有多种认识:一是培养应用科学知识进行技术设计能力——这部分内容在《框架》中被归入工程实践, 技术则被视为设计产物;二是培养应用技术辅助科学与工程实践的能力, 包括实验技能、通用技术、信息技术与计算机工具的使用等;三是建立对工程、技术、科学与社会间相互关系与交互作用的理解, 这一目的往往通过分析和反思科技史、科技热门话题和实践体验达成。

国内学者笔下的中小学科技教育概念则宽泛得多, 可指代“依托科学、通用技术、劳动技能、综合实践活动等课程, 以培养青少年科学态度与素养、科学知识和方法、科技实践能力为目的的各种教学活动”。[12]一线教师理解的“科技教育”又往往较偏窄, 通常指以制作为标志的课内或课外活动, 如学做风车、装配收音机、在教师辅导下制作机器人和航模参加科技比赛等。

这种聚焦于“做”的科技教育与我们的民族性格有潜在联系。郑也夫说:“比较其他民族, 我们的性格中有最为深厚的唯物主义、功利主义、实用主义, 少形而上的关照, 少不切实际的幻想”, 这种民族性格导致我们乐于通过发明和使用技术去获取最直接的帮助, 而不善于进行“超越现实、远离实用功能的科学思考”。[13]正因为这样, 在科技史上, 我们虽有骄人的四大发明, 却未对磁石指南或火药爆炸原理做进一步探索;在当今科技人才培养上, 我们不像美国那样紧缺选择科技类职业的普通劳动力1, 却少有科学界领军人物和工业上自主创新的明星产品。

国民性和科技教育现状都表明, 单纯整合科学与技术应用的教育形式也难以为我国“拿来”。正如有研究者指出的, 我国本有“轻实验思想、重实用技术”的传统, 如继续强调对工具性技术的整合, 有把培养科技人才降格为培养“能工巧匠”的误导风险。[14]

(三) 科—工整合教育有“拿来”的潜在价值

要消除国人不善于进行“超越现实、远离实用功能的科学思考”这一弱点, 我国基础科学教育必须由“做”或“用”向“思”扩展转移。在科学领域, “思”指向以解释自然现象为目标的科学探究;在工程技术领域, “思”则指向服务于实际问题的工程设计。这两类“思”相似点颇多——都需要结合前认知与合理想象进行建构, 反复实证检验, 根据检验结果修正和调整理论或问题解决方案;它们又各有特色——科学强调证据一致性和理论解释力, 必须着力筛选最合理的解释和理论;而工程设计关注问题解决方案的开发与优化, 对同一限定问题可同时有多种可行设计。在基础科学教育里整合理论性探究和工程设计, 能让学生从小有机会尝试打通这两类“思”, 帮他们把眼光放长远, 不单关注作为产物的科学知识或技术, 更看重人类基于理性认识和改造世界的过程与方法。

这种结合还有另一层深意。纳入与“实用”密切相关的设计之“思”, 能改变一味看重实用的学生对科学的理解:对科学原理不求甚解的技术无法持续发展;想成就“实用”的技术和工程, 恰要先开展“不太实用”的科学探究。如运用得当, 这完全可成为中小学生科学学习兴趣的另一个生长点。Becker和Park对28项整合STEM教育项目所做荟萃分析显示, 工程设计与科学的整合对各年龄段学生——特别是小学生——的科学学习成就和兴趣有显著提升作用。[15]

当前我国对工程类人才的巨大需求也折射出科—工整合教育的潜在价值。统计显示, 2010年本科阶段招生人数较1998年增加近6倍, 工学门类本科招生人数同比增长却仅为4.4倍, 工程类人才占比正在下降;与此同时, 根据2013年麦肯锡测算, 我国市场对工程师的需求迅猛增长, 2020年工程技术人才缺口将达2 200万, 其中大部分为高端人才。[16]造成这种供不应求局面的一个重要因素是, 我国基础工程教育的长期缺失, 学生在上大学前少有接触工程学科的机会。北京交通大学教授查建中因此疾呼“工程教育要从小抓起”。[17]然而在减负呼声甚高的大环境下, 中小学单独开设工程类课程谈何容易, 亦无配套的师资来源;将工程设计的核心思想整合到现有科学课程中, 作“一箭双雕”的筹划, 还是相对现实合理的选择。

综上所述, 科学探究与工程设计的整合于我国基础科学教育发展最相宜, 有必要进一步分析这一类STEM整合的具体思路, 对比现有的本土整合案例, 探讨具体的借鉴策略。

在科学教育中整合科学探究与工程设计, 还需进一步考量具体整合目的, 确定科学与工程内容比重, 明确两种“思”应如何交融才能确保其功效的发挥。从整合目的、内容占比和组织交联方式三个维度出发, 对1993年以来国外文献中30个此类整合教育案例1所做编码分析显示, 已有整合思路可归为三种。 (见表1)

表1 科—工整合的具体思路

(一) 应用延伸型整合思路

应用延伸型整合强调在设计任务情境中运用已学知识, 通过开发解决方案、检验设计合理性、权衡方案、讨论修正等过程发展工程设计能力。如芬兰赫尔辛基大学开发的一个项目, 在小学生学过光、电、金属特性等内容后, 邀请室内设计师带领学生进行“灯的设计”。[18]设计师引导学生思考生活中与灯相关的特定需求, 限定设计任务。学生组成设计共同体, 以小组为单位进行设计, 定期汇报进展以听取评价、不断改进。他们还从设计师处获取了专业设计语言、绘图及模型/原型建构等设计常用方法, 并立即应用于自主设计过程。这样的学习体验显然重在引领学生进入传统科学教育较少涉足的“设计世界”, 理解设计理性和方法。

循应用延伸型整合思路, 也可达到深化已知的目的。如学者Sneider的设计, 在学生初步理解牛顿第三定律后, 加载一工程设计任务, 让他们设法使气球像火箭一样, 尽可能快和远地沿预定直线轨迹飞行。[19]这一拓展能引导学生关注多种因素与力和运动的关系, 一方面根据已有经验, 学生不难想到选用材质较厚的气球增加内压、附绳子引导飞行等方法;另一方面, 通过对设计进行测试, 学生可联系新知旧知, 进一步理解真实世界中表面积、质量、气压、气流方向等因素是如何决定力与反作用力, 继而影响飞行轨迹的。

此外, 学习简单机械原理后设计“乐高登山者”[20]、学习吸热放热反应机理后设计加热/冷却系统[21]等多个应用延伸案例都为学生提供了在已有科学知识基础上进行工程设计的体验。这一模式强调从科学走向工程的单边路径, 在检验知识应用能力的同时着力提升实际问题解决能力;其整合程度弱, 设计过程基本独立于原理探究过程, 联系仅在于探究成果可为设计这一“实战演习”所用。

(二) 工程框架型整合思路

工程框架型整合以工程设计任务为框架搭建学习情境, 由设计需求走向相关的科学探究, 再通过假设检验和解释建构为设计改进提供依据。这类整合将科学探究作为工程设计过程的有机组成部分, 有较强的整体性。

Lachapelle等人描述的“降落伞设计”案例是这一思路的典型代表。[22]作为框架的设计任务是“一个飞行器将在大气比地球稀薄的行星上降落, 请为它设计降落伞”。三年级小学生先就设计需要哪些信息做讨论, 发现有必要限定材料、飞行器大小和行星环境等基本条件, 还需要理解降落伞使物体下降变缓的根本机制。之后在教师引导下, 学生利用模拟实验和初步设计探究了大气密度、降落伞材料、伞盖大小和伞绳长短等因素对降落伞下降速度的影响, 并对观察到的现象建构合理解释——如大气密度大则降落伞下落慢, 是“因为下降的时候有更多的东西冲撞它, 它需要排开更多的空气”。探究成果很快被应用到对设计的改进中, 学生们有的加大伞盖以增加排开空气体积;有的加长伞绳以使伞盖充分张开;他们还为选取塑料袋而不是布做伞盖找到了依据——空气会从布料上的孔里漏出。这个案例里, 学生真实体验到对空气阻力的探究如何转化为降落伞设计的具体技术。

工程框架型的整合设计也可同时指向多个探究主题, 并兼顾探究方法上的训练。如Wendell和Lee开发的一个科学单元, 让三年级学生选择材料造一座坚固、保温、隔音的模型小屋。[23]在这一具体设计任务的引导下, 学生们分别探究了材料对热传导、声音传播和受力形变程度的影响, 探究结果为优化材料选择提供了依据;同时, 他们选择材料的手段也从“找摸上去较暖和的材料”、“制作模型从楼上丢下去看会不会摔坏”等无测量、凭感觉的摸索, 走向了利用传感器测量且有意识控制变量的实验检验。

早在科学探究兴起的20世纪90年代就有研究指出, 以工程为框架可赋科学探究以意义, 且越低龄的学习者越能从这样的整合中受益。[24]这一科—工整合思路的优势在于, 它提纲挈领地统一了多种教学目标, 开放式、应用性的工程任务不仅能拉动探究跳出模式化、步骤化的窠臼, 还能拓展创造力发挥的空间;同时, 在限定条件下从初始尝试, 到通过探究建立科学理解, 到优化设计, 再到进一步检验, 都充分渗透了工程设计的“迭代”过程, 体现了科学与工程的双向联系。

(三) 设计即探究型整合思路

设计即探究型整合思路较为少见, 但“整合”的意味更浓。上述工程框架型整合, 具体到学习活动中, 探究行为和设计行为间还是有界限。设计即探究型整合则力求合二为一:根据科学机制建立计算机模拟环境, 让学生通过完成模拟工程设计任务探究科学原理, 在引发兴趣、锻炼工程设计思维的同时, 还可利用模拟技术展现难以感知的理想或微观世界, 降低科学学习难度。

一个著名案例是利用Netlogo平台, 创建符合牛顿 力学理想 状态的模 拟微环境“Dynaturtle”。[25]该微环境主角是一只在初始力作用后作匀速直线运动并能根据瞬时外力大小和方向改变运动状态的乌龟;作为挑战的设计任务是通过编程外力“踢”乌龟, 助它吃到屏幕某处的虫。开始时学生普遍会做符合“亚里士多德猜想”的尝试, 即认定乌龟会朝踢的方向走, 如虫在乌龟运动轨迹右上方, 则在乌龟爬到与虫等高时向正右方“踢一脚”。学生尝试后会发现, 不管用多大力, 乌龟的新运动轨迹总会和所需方向存在一个夹角。通过不断试误可得出有效策略。如在乌龟到达虫所在高度时, 以与初始力大小相等、方向相反的力踢它一脚, 让乌龟停下;再踢一下, 施加一个指向小虫的力, 就能到达小虫处。假如这两脚几乎同时踢出, 学生会很容易发现其功效等价于朝右下方踢一脚, 并可试出这个力要多大才能准确改变乌龟的运动轨迹。在这个案例里, 设法完成由易到难的“乌龟吃虫”设计任务并寻找规律, 本身即是一种探究;以理想状态微环境为杠杆, 游戏性设计任务为载体, 六年级学生也能有兴趣探索并理解力与运动的关系、合力甚至匀速圆周运动的力学原理。

与此相类似的“连接化学” (connectedchemistry) 创设了让分子运动与反应可视化的微观模拟环境, 通过在这个环境里操控各种变量, 设计能达成特定反应结果的反应条件, 学生即可自主探究化学反应机理, 理解影响化学反应速率和产物的各种因素。[26]

在这类整合思路中, 设计主要是作为探究手段存在, 其目的不是解决真实世界的问题, 而是完成以特定科学原理为内核的类游戏任务, 并从有效设计中直接“悟”出科学规律。开发这种整合教育项目, 需要兼具科学专业素养和技术素养的强大团队。

科—工整合尝试在我国基础科学教育中尚不多见。课程体系里不设工程类课程;综合实践活动和研究性学习也很少涉及这类整合;机器人大赛等科技竞赛虽含工程设计元素, 但往往被锦标主义和功利主义异化为少数学生的游戏。

一些地区, 如重庆, 尝试将小学科学课改为一周两学时, 增加一周一学时的科技课。因目标要求不明确, 不少学校把科技课等同于与科学相关或无关的劳技制作, 或干脆把课时转给语文和数学学科, 但也有部分学校和教师, 藉此展开了科—工整合的教学尝试。

现有科学课程, 尤其是与物理相关的部分, 本就含有一些与工程有潜在联系的内容, 如学习“运动和力”后设计制造小赛车, 学习“形状和结构”后用纸造桥等。按照教材顺序, 这类课一般多置于单元末尾或相关概念学习完成后, 偏重应用;且教学重点多放在制作上, 学生少有机会体验限定条件下的迭代设计过程。

为了创造这种体验, 有教师借鉴工程框架思路改编课程, 设计了单课时或多课时的整合教学。如“做框架”一课中, 一教师先给出设计挑战任务:利用不同长度的吸管和曲别针设计一个尽可能稳固的正方体框架, 稳固程度用能承受课本数测试。第一次设计后, 最牢固的设计能承受19本课本, 而最脆弱的仅一本课本就压垮了。观察比较两个设计, 学生很快注意到, 牢固的秘诀在于“在正方体的若干面的对角线上添加了吸管”, 并在教师引导下回忆起“三角形比较稳定”这一数学常识。教师讲解原理后, 学生的框架设计得到很大改进。

另一位教师用“造纸桥”的工程设计任务整合了对各类形状结构如何影响承载力的科学探究。任务设定为设计“可跨越35cm宽的‘长江’、能承受至少200g重的‘汽车’”的纸桥。学生小组初步设计后, 教师引导学生聚焦承重力, 逐一探究框架、拉索、拱形、圆筒等结构对承重的影响。探究方式主要是假设检验, 如通过测试不同拱度纸拱的承重能力检验“拱度越大, 承重越大”的假设。根据探究结果改进后的设计作品广泛应用了各类结构对桥梁模型进行加固。此外, 教师还带领学生确定了承重、材料、外观、创意等桥梁评价指标和相关评价标准, 并应用此标准评价了各小组设计的模型。

以上两案例都把重点放在基于测试结果优化设计的迭代过程上, 后一案例还关注到了评价标准的设置和使用, 能够达成“熟悉工程设计思路”的目标。但与“降落伞设计”等国外工程框架类案例相比, 两案例都缺少深入机制的科学探究。案例一中三角形稳定性的力学原理由教师直接揭示;案例二中对设计背后“科学”的理解停留在“X结构承重力强”的表层规律上, 未触及各类结构为何承重不同、力在桥梁结构中是如何传递的等机制性问题。随着项目进行, 教学目标逐渐向打造成功制品这个兼顾“设计”和“制作”的目标倾斜, 建构解释的探究目标被冷落, “整合”走偏了、瘸腿了。

我国基础科学教育借鉴科—工整合的重点应放在如下工作上。

第一, 以已有科学课程为载体, 开发整合与不同学科内容相关的工程设计任务。应注重发掘与非物理科学, 如生物、化学、地理相关的工程设计元素, 并根据任务特性选择整合途径。当设计对该年龄段学生可操作性较强, 且其原理与所学概念相关性较强时, 采用工程框架型整合思路;当设计易操作, 但其原理与所学概念相关性较弱时, 采用应用延伸型整合思路。至于概念指向多元或操作较复杂的设计任务, 如果学生兴趣浓厚, 可放到课外兴趣小组来实现。

第二, 帮助教师把握整合教育目的, 注重教学实施中科学探究与工程设计的有机结合。现有尝试中, 偏向“制作”和“设计”、忽略探究是常见问题。教师往往只关注以设计任务吸引学生, 却未顾及探究和设计应如何穿插转换, 才能发挥整合效用。故需以实例分析帮助他们建立整合目标意识, 并通过各级各类教研活动具体指导整合课程的设计和教学实践。

第三, 组成研究团队, 针对特定科学内容开发设计即探究型整合课程。开发这种整合课程, 需要科学课程专家和信息技术专家共同探讨:如何利用计算机模拟环境将某些抽象科学概念直观化, 特定模拟环境里设置什么样的任务才便于学生通过设计尝试抓住科学原理。这些工作尽管耗时耗力, 但具有别的整合思路不具备的优点:能为力与场、微观反应机制和宇宙科学等教学难度大的内容提供支持, 降低科学探究难度, 值得一试。

参考文献略。

本文来源：教育研究 2014,35(09),61-68