圖片來源：圖蟲創(chuàng)意

時至今日，STEM教育已從最初關(guān)注或集中于高等教育，逐步延伸至中小學(xué)乃至幼兒園，從面向提升國家競爭力的人才培養(yǎng)演變?yōu)閷W(xué)習(xí)方式的變革。從表面上看，人人都在談STEM教育，像是找到了一把打開教育改革之門的金鑰匙。作為STEM教育的推動者和實(shí)踐者，我們需要在“STEM教育熱”中保持冷思考，對STEM教育有清醒的認(rèn)識。為此，本文從STEM教育的目標(biāo)定位和實(shí)施方法兩個維度出發(fā)，探討STEM教育的可持續(xù)發(fā)展之道。

STEM教育的兩種取向

根據(jù)學(xué)生在STEM教育中的學(xué)習(xí)結(jié)果可以得到兩個分類維度，分別是外顯的物化成果和內(nèi)化的知識內(nèi)容。從這兩個分類維度出發(fā)，我們可以區(qū)分出兩種不同取向的STEM教育（如圖1），即作品開發(fā)取向的STEM教育（以形成物化成果為目標(biāo)）和科學(xué)探究取向的STEM教育（以獲得多元知識為目標(biāo)）。

• no.1作品開發(fā)取向的STEM教育

從物化成果的分類看，作為一種創(chuàng)新教育平臺，學(xué)生可以在STEM教育中設(shè)計和開發(fā)出能夠解決實(shí)際問題的智能人造物。這一設(shè)計和開發(fā)過程與我們所熟悉的程序設(shè)計不同，它常常需要涉及科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識的綜合應(yīng)用。這一分類下的STEM教育強(qiáng)調(diào)作品開發(fā)取向，以形成物化成果（如3D打印作品、搭建的機(jī)器人等）為目標(biāo)，以項目式學(xué)習(xí)（PBL）為主要學(xué)習(xí)方式，并在造物的過程中深化學(xué)習(xí)。

作品開發(fā)取向的STEM教育通常以一個項目為依托，重視學(xué)生利用計算機(jī)等相關(guān)設(shè)備、程序以及其他技術(shù)性資源（如開源軟硬件）生成物化學(xué)習(xí)成果。這一取向的STEM教育在本質(zhì)上等同于創(chuàng)客教育，二者都以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力為目標(biāo)，以項目教學(xué)法為主要教學(xué)方法，強(qiáng)調(diào)可視化成果的生成。可以說，作為一種基于真實(shí)情境的、以技術(shù)性資源（如開源軟硬件）為平臺的造物活動，創(chuàng)客教育具有先天的學(xué)科整合優(yōu)勢，是開展STEM教育的重要途徑。

值得注意的是，囿于不成熟、不完善的專業(yè)知識，中小學(xué)生很難形成顛覆性或原發(fā)性的物化成果。因此，對于作品開發(fā)取向的STEM教育而言，將學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)定位在微創(chuàng)新更具現(xiàn)實(shí)意義，即學(xué)生在了解原有產(chǎn)品、規(guī)則或服務(wù)的基礎(chǔ)上，對原有產(chǎn)品做一些有意義的改變或調(diào)整，但并沒有從根本上改變原有的設(shè)計。在STEM教育的實(shí)踐當(dāng)中，微創(chuàng)新可以表現(xiàn)出不同的水平層級。

首先，微創(chuàng)新的起點(diǎn)應(yīng)當(dāng)從學(xué)會“復(fù)制”開始，即學(xué)生能夠使用新的工具、方法、材料模擬或再現(xiàn)生產(chǎn)生活中既有科技產(chǎn)品的功能或工作過程；到了微創(chuàng)新的下一個階段，學(xué)生能夠?qū)σ延挟a(chǎn)品進(jìn)行要素或參數(shù)上的微調(diào)，開始創(chuàng)新思維的引領(lǐng)和新創(chuàng)意的萌芽；在微創(chuàng)新的最后一個階段，學(xué)生需要具備一定的跨學(xué)科整合能力，能夠?qū)υ挟a(chǎn)品、規(guī)則或服務(wù)做一些結(jié)構(gòu)上的再設(shè)計。

然而，當(dāng)前的STEM教育大多側(cè)重模擬或模仿，導(dǎo)致學(xué)生作品雷同、缺乏個性和創(chuàng)造性。STEM教育要走向更高水平的微創(chuàng)新，一方面，教師需要準(zhǔn)確評估學(xué)生作品的微創(chuàng)新水平；另一方面，教師需要根據(jù)微創(chuàng)新的不同水平對學(xué)生進(jìn)行有針對性的引導(dǎo)。

• no.2科學(xué)探究取向的STEM教育

從知識內(nèi)容的分類看，STEM教育作為一種工程教育本身就是多學(xué)科綜合交叉的產(chǎn)物，學(xué)生在接受教育的過程中自然可以獲得多個門類的科學(xué)知識，促進(jìn)其科學(xué)探究能力的提升。由此可見，這一分類下的STEM教育相當(dāng)于一種科學(xué)探究的載體或平臺，強(qiáng)調(diào)科學(xué)探究取向，以獲得多元知識（如調(diào)查報告、解決方案等）為目標(biāo)，以探究式學(xué)習(xí)為主要學(xué)習(xí)方式，并在科學(xué)探究的過程中深化學(xué)習(xí)。

科學(xué)探究取向的STEM教育最重要的活動在于建構(gòu)科學(xué)模型，以解釋和預(yù)測自然現(xiàn)象。科學(xué)建模是指針對自然現(xiàn)象抽象出其主要特征，依據(jù)科學(xué)直覺建構(gòu)其關(guān)系、結(jié)構(gòu)等概念模型，并用科學(xué)語言進(jìn)行表征。以STEM教育的理念指導(dǎo)科學(xué)探究活動的設(shè)計和實(shí)施不僅適切，且極有必要，這是因為：從教育內(nèi)容的角度看，STEM教育關(guān)注對科學(xué)知識的解釋、科學(xué)探究的實(shí)踐及與工程設(shè)計的結(jié)合，其目標(biāo)是整合各領(lǐng)域知識解決真實(shí)世界中的實(shí)際問題；從教育方式的角度看，STEM教育強(qiáng)調(diào)工程與技術(shù)素養(yǎng)需通過“做中學(xué)”來實(shí)現(xiàn)。因此，將STEM教育作為科學(xué)探究的平臺，開展科學(xué)探究活動，將成為STEM教育的一個重要發(fā)展方向。

同時，科學(xué)探究取向的STEM教育具有更為重要的教育價值。研究表明，STEM教育能夠提高學(xué)生的創(chuàng)造力、批判性思維能力、問題解決能力、做出決策的能力、溝通交流能力、團(tuán)隊合作能力和自信心，而這些能力是進(jìn)行科學(xué)探究活動的重要組成部分。科學(xué)探究取向的STEM教育具有培養(yǎng)學(xué)生掌握跨學(xué)科知識和科學(xué)探究能力的雙重功能，對豐富和擴(kuò)展STEM教育的價值以及進(jìn)一步推動STEM教育的發(fā)展均有重要意義。

當(dāng)前，科學(xué)探究取向的STEM教育在國內(nèi)的實(shí)踐中尚處于起步階段，屬于STEM教育的前沿發(fā)展方向之一，積極嘗試科學(xué)探究取向的STEM教育，將成為STEM教師專業(yè)發(fā)展的一個重要方面。

STEM教育的四種方法

從實(shí)踐層面看，由于兩種不同取向的STEM教育在目標(biāo)定位上存在較大差異，采用“一刀切”的方式開展STEM教育很難取得理想的效果。鑒于此，根據(jù)STEM教育的不同取向設(shè)計具有針對性的實(shí)施方法就顯得尤為必要。為此，本文首先將STEM教育的實(shí)施方法按照正向教學(xué)模式與逆向教學(xué)模式這一維度進(jìn)行分類。

對于正向教學(xué)模式而言，兩種最具代表性的方法是正向項目教學(xué)和科學(xué)探究，這兩種方法強(qiáng)調(diào)學(xué)生從零（問題或需求）出發(fā)，在解決跨學(xué)科問題的過程中體驗STEM教育。在逆向教學(xué)模式中，兩種最典型的方法是逆向工程（reverse engineering）教學(xué)和糾錯（troubleshooting）教學(xué)。逆向教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)學(xué)生從使用或測試（已有作品或半成品）開始，倒推產(chǎn)品的設(shè)計方法，然后重新設(shè)計或復(fù)原一件作品。

除此之外，我們還可以根據(jù)作品開發(fā)取向與科學(xué)探究取向這一維度對STEM教育的實(shí)施方法做進(jìn)一步劃分。例如，正向項目教學(xué)和逆向工程教學(xué)都屬于典型的作品開發(fā)取向，側(cè)重物化成果的產(chǎn)生，引導(dǎo)學(xué)生在開發(fā)物化成果的過程中深化學(xué)習(xí)；在與作品開發(fā)取向相對的科學(xué)探究取向中，典型的實(shí)施方法有科學(xué)探究和糾錯教學(xué)，這類方法側(cè)重知識性成果的生成，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在真實(shí)問題情境中開展動手做、做中學(xué)的探究式學(xué)習(xí)。最后，對上述兩個維度交叉整合后，可以形成STEM教育的四種方法（如圖2），即正向項目教學(xué)、逆向工程教學(xué)、糾錯教學(xué)以及科學(xué)探究。

• no.1基于正向項目教學(xué)的STEM教育

目前，在STEM教育中廣泛采用的項目教學(xué)本質(zhì)上是一種正向項目教學(xué)，強(qiáng)調(diào)以項目活動為依托組織教學(xué)內(nèi)容，以學(xué)生為主體開展教學(xué)活動，以可視化和多樣化的學(xué)習(xí)成果評價學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。其實(shí)施過程一般可劃分為五個階段：需求分析、可選方案分析、詳細(xì)方案分析、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測試、作品包裝與分享，基本體現(xiàn)了“產(chǎn)品設(shè)計—產(chǎn)品生產(chǎn)—消費(fèi)使用”的一般過程。

正向項目教學(xué)之所以在STEM教育中如此盛行，其中一個重要原因就在于，正向項目教學(xué)能夠?qū)⑸钪械膶?shí)際問題或需求整合成一個跨學(xué)科的項目，以學(xué)生為中心，讓學(xué)生通過逐步的設(shè)計、制作、評價等工作，從零開始完成一件項目作品的開發(fā)。正向項目教學(xué)的一個最大的問題是，它需要學(xué)生從零開始完成一個完整的項目，在時間消耗和能力要求上均有較高要求。

• no.2基于逆向工程教學(xué)的STEM教育

逆向工程，又稱反求工程或反向工程，是以造物為目的，以先進(jìn)產(chǎn)品的實(shí)物、樣件、軟件等作為研究對象，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計理論、方法、測量技術(shù)，對已有產(chǎn)品進(jìn)行建模、仿真，最終實(shí)現(xiàn)優(yōu)化既有產(chǎn)品和再創(chuàng)造的過程。它的實(shí)施過程一般分五個階段：作品使用與工程分析、作品分解與復(fù)原、再設(shè)計與微創(chuàng)新、原型制作或產(chǎn)品再造、比較評估與反思。

在這個過程中，作品分解與復(fù)原是關(guān)鍵的步驟，需要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會觀察、測量和記錄。只有這樣才能有效復(fù)原作品，并深入理解作品的制作過程和內(nèi)在原理。拆解和拆分是兒童的天性，尤其表現(xiàn)在其對家庭玩具的“破壞性”拆解上，很多兒童因未得到正確的方法指導(dǎo)，導(dǎo)致玩具無法復(fù)原而被丟棄。遺憾的是，兒童的這種與生俱來的愛好又被排除在常規(guī)教學(xué)之外。

此外，逆向工程不只是單純的仿制，再設(shè)計與微創(chuàng)新也是重要一環(huán)，以便讓學(xué)生在“認(rèn)識原型→再現(xiàn)原型→超越原型”的過程中深化學(xué)習(xí)。逆向工程教學(xué)在現(xiàn)階段大學(xué)機(jī)械工程類課程中有著廣泛的應(yīng)用，并取得了相對顯著的教學(xué)效果，但就中小學(xué)STEM教育而言，逆向工程教學(xué)尚未獲得重視和廣泛實(shí)踐。

• no.3基于糾錯教學(xué)的STEM教育

糾錯在教學(xué)中涉及兩個不同層面的應(yīng)用：一是指在工程教育中，學(xué)生從工程設(shè)計師的角度不斷修正和調(diào)整自己設(shè)計的作品，以符合預(yù)期的目標(biāo)；二是指教師人為地設(shè)計糾錯任務(wù)，或是提供業(yè)已用壞或損壞的殘缺作品，讓學(xué)生接受系統(tǒng)的糾錯任務(wù)訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)故障產(chǎn)生的根源，復(fù)原作品的功能。

作為一種教學(xué)方法，糾錯教學(xué)一般指的是第二個層面的應(yīng)用，其實(shí)施過程大體可以分為四個階段：玩與觀察、分析可能的原因、確定糾錯的起點(diǎn)、糾錯與測試。與逆向工程教學(xué)方法相比，兩者都是從現(xiàn)成作品或產(chǎn)品的使用、觀察入手，不同的是，糾錯教學(xué)并不需要設(shè)計制作一件新的作品，而是聚焦于已有作品中科學(xué)問題的發(fā)現(xiàn)與解決，其關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于“假設(shè)—嘗試”的“試誤”過程，有時甚至需要經(jīng)歷多次的迭代。

從這個意義上說，糾錯教學(xué)本質(zhì)上與科學(xué)探究的過程有高度一致性。STEM教育作為一種手腦并用的工程教育，對學(xué)生糾錯能力的培養(yǎng)不容忽視，可以說，糾錯是工程設(shè)計中必不可少的一個重要環(huán)節(jié)，是自然發(fā)生的。然而，同逆向工程教學(xué)類似，糾錯教學(xué)在當(dāng)前中小學(xué)STEM教育中的應(yīng)用仍處于起步階段，迫切需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)證研究，以探討如何在STEM教育中開展糾錯教學(xué)。

• no.4基于科學(xué)探究的STEM教育

科學(xué)探究強(qiáng)調(diào)以科學(xué)問題為導(dǎo)向，以STEM教育理論指導(dǎo)科學(xué)探究活動的設(shè)計與實(shí)施，以培養(yǎng)學(xué)生掌握跨學(xué)科知識和科學(xué)探究能力為目標(biāo)。其教學(xué)過程一般為，從生活中的科學(xué)問題出發(fā)，制訂科學(xué)探究方案，開展科學(xué)探究實(shí)踐并收集數(shù)據(jù)，利用程序設(shè)計或其他數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件分析數(shù)據(jù)，使學(xué)生在習(xí)得跨學(xué)科知識、科學(xué)的思維過程與方法的同時，提高學(xué)生的科學(xué)探究能力。

開展基于科學(xué)探究的STEM教育對教師而言無疑是一項艱巨的任務(wù)，教師不僅需要具備STEM教育理念和扎實(shí)的科學(xué)素養(yǎng)，還需在必要時尋求其他學(xué)科教師的支持和配合。

另外，在設(shè)計科學(xué)探究主題時，必須考慮所涉及的科學(xué)知識與相關(guān)學(xué)科教學(xué)進(jìn)度的呼應(yīng)，不宜超前探究，且最好能在既有學(xué)科知識的基礎(chǔ)上通過探究活動拓展其認(rèn)識，或生發(fā)出新的探究問題。

圖3 STEM教育的四種方法

結(jié)合上述分析，本文進(jìn)一步用圖3呈現(xiàn)了STEM教育四種方法的實(shí)施過程和適用取向?？偟膩碚f，就STEM教育的發(fā)展而言，這四種方法在實(shí)踐中均有重要的應(yīng)用價值。不過，逆向工程教學(xué)和糾錯教學(xué)在當(dāng)前中小學(xué)STEM教育中的應(yīng)用少之又少，屬于STEM教育發(fā)展的前沿方向之一。

更為重要的是，就STEM教育的工程教育本質(zhì)而言，強(qiáng)調(diào)從既有產(chǎn)品入手進(jìn)行再設(shè)計的逆向工程教學(xué)和強(qiáng)調(diào)在糾錯中訓(xùn)練問題解決能力的糾錯教學(xué)更適合培養(yǎng)中小學(xué)生的微創(chuàng)新能力，積極嘗試這兩種方法將成為提升教師STEM教育能力的一個重要方面。

本文從STEM教育的目標(biāo)定位出發(fā)，探討了STEM教育的兩種取向，并從正向與逆向、作品開發(fā)取向與科學(xué)探究取向兩個維度交叉整合形成了STEM教育的四種方法。盡管STEM教育的每一種取向和方法均有其存在價值和適用范圍，但就當(dāng)前STEM教育的現(xiàn)狀而言，目標(biāo)定位模糊、實(shí)施方法單一等問題依舊突出。我們希望本研究能夠為豐富STEM教育的價值和推動STEM教育的健康發(fā)展提供新的指引，歡迎一線教師和研究者就STEM教育的兩種取向和四種方法開展積極的嘗試和進(jìn)一步的探索。（夏莉穎系南京師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院碩士研究生；鐘柏昌系南京師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師）

本文轉(zhuǎn)自微信公眾號“中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)“，作者夏莉穎、鐘柏昌。文章為作者獨(dú)立觀點(diǎn)，不代表芥末堆立場。