圖片來源：圖蟲創(chuàng)意

時至今日，STEM教育已從最初關注或集中于高等教育，逐步延伸至中小學乃至幼兒園，從面向提升國家競爭力的人才培養(yǎng)演變?yōu)閷W習方式的變革。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教育有清醒的認識。為此，本文從STEM教育的目標定位和實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)學生在STEM教育中的學習結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）和科學探究取向的STEM教育（以獲得多元知識為目標）。

• 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，學生可以在STEM教育中設計和開發(fā)出能夠解決實際問題的智能人造物。這一設計和開發(fā)過程與我們所熟悉的程序設計不同，它常常需要涉及科學、技術、工程和數(shù)學等多學科知識的綜合應用。這一分類下的STEM教育強調作品開發(fā)取向，以形成物化成果（如3D打印作品、搭建的機器人等）為目標，以項目式學習（PBL）為主要學習方式，并在造物的過程中深化學習。

作品開發(fā)取向的STEM教育通常以一個項目為依托，重視學生利用計算機等相關設備、程序以及其他技術性資源（如開源軟硬件）生成物化學習成果。這一取向的STEM教育在本質上等同于創(chuàng)客教育，二者都以培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力為目標，以項目教學法為主要教學方法，強調可視化成果的生成?？梢哉f，作為一種基于真實情境的、以技術性資源（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，將學生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)定位在微創(chuàng)新更具現(xiàn)實意義，即學生在了解原有產(chǎn)品、規(guī)則或服務的基礎上，對原有產(chǎn)品做一些有意義的改變或調整，但并沒有從根本上改變原有的設計。在STEM教育的實踐當中，微創(chuàng)新可以表現(xiàn)出不同的水平層級。

首先，微創(chuàng)新的起點應當從學會“復制”開始，即學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，學生能夠對已有產(chǎn)品進行要素或參數(shù)上的微調，開始創(chuàng)新思維的引領和新創(chuàng)意的萌芽；在微創(chuàng)新的最后一個階段，學生需要具備一定的跨學科整合能力，能夠對原有產(chǎn)品、規(guī)則或服務做一些結構上的再設計。

然而，當前的STEM教育大多側重模擬或模仿，導致學生作品雷同、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，教師需要準確評估學生作品的微創(chuàng)新水平；另一方面，教師需要根據(jù)微創(chuàng)新的不同水平對學生進行有針對性的引導。

• no.2科學探究取向的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科綜合交叉的產(chǎn)物，學生在接受教育的過程中自然可以獲得多個門類的科學知識，促進其科學探究能力的提升。由此可見，這一分類下的STEM教育相當于一種科學探究的載體或平臺，強調科學探究取向，以獲得多元知識（如調查報告、解決方案等）為目標，以探究式學習為主要學習方式，并在科學探究的過程中深化學習。

科學探究取向的STEM教育最重要的活動在于建構科學模型，以解釋和預測自然現(xiàn)象?？茖W建模是指針對自然現(xiàn)象抽象出其主要特征，依據(jù)科學直覺建構其關系、結構等概念模型，并用科學語言進行表征。以STEM教育的理念指導科學探究活動的設計和實施不僅適切，且極有必要，這是因為：從教育內(nèi)容的角度看，STEM教育關注對科學知識的解釋、科學探究的實踐及與工程設計的結合，其目標是整合各領域知識解決真實世界中的實際問題；從教育方式的角度看，STEM教育強調工程與技術素養(yǎng)需通過“做中學”來實現(xiàn)。因此，將STEM教育作為科學探究的平臺，開展科學探究活動，將成為STEM教育的一個重要發(fā)展方向。

同時，科學探究取向的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、團隊合作能力和自信心，而這些能力是進行科學探究活動的重要組成部分。科學探究取向的STEM教育具有培養(yǎng)學生掌握跨學科知識和科學探究能力的雙重功能，對豐富和擴展STEM教育的價值以及進一步推動STEM教育的發(fā)展均有重要意義。

當前，科學探究取向的STEM教育在國內(nèi)的實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

從實踐層面看，由于兩種不同取向的STEM教育在目標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教育的不同取向設計具有針對性的實施方法就顯得尤為必要。為此，本文首先將STEM教育的實施方法按照正向教學模式與逆向教學模式這一維度進行分類。

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

除此之外，我們還可以根據(jù)作品開發(fā)取向與科學探究取向這一維度對STEM教育的實施方法做進一步劃分。例如，正向項目教學和逆向工程教學都屬于典型的作品開發(fā)取向，側重物化成果的產(chǎn)生，引導學生在開發(fā)物化成果的過程中深化學習；在與作品開發(fā)取向相對的科學探究取向中，典型的實施方法有科學探究和糾錯教學，這類方法側重知識性成果的生成，強調學生在真實問題情境中開展動手做、做中學的探究式學習。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、逆向工程教學、糾錯教學以及科學探究。

• no.1基于正向項目教學的STEM教育

目前，在STEM教育中廣泛采用的項目教學本質上是一種正向項目教學，強調以項目活動為依托組織教學內(nèi)容，以學生為主體開展教學活動，以可視化和多樣化的學習成果評價學生的學習效果。其實施過程一般可劃分為五個階段：需求分析、可選方案分析、詳細方案分析、系統(tǒng)實現(xiàn)與測試、作品包裝與分享，基本體現(xiàn)了“產(chǎn)品設計—產(chǎn)品生產(chǎn)—消費使用”的一般過程。

正向項目教學之所以在STEM教育中如此盛行，其中一個重要原因就在于，正向項目教學能夠將生活中的實際問題或需求整合成一個跨學科的項目，以學生為中心，讓學生通過逐步的設計、制作、評價等工作，從零開始完成一件項目作品的開發(fā)。正向項目教學的一個最大的問題是，它需要學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，以先進產(chǎn)品的實物、樣件、軟件等作為研究對象，運用現(xiàn)代設計理論、方法、測量技術，對已有產(chǎn)品進行建模、仿真，最終實現(xiàn)優(yōu)化既有產(chǎn)品和再創(chuàng)造的過程。它的實施過程一般分五個階段：作品使用與工程分析、作品分解與復原、再設計與微創(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，作品分解與復原是關鍵的步驟，需要引導學生學會觀察、測量和記錄。只有這樣才能有效復原作品，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，導致玩具無法復原而被丟棄。遺憾的是，兒童的這種與生俱來的愛好又被排除在常規(guī)教學之外。

此外，逆向工程不只是單純的仿制，再設計與微創(chuàng)新也是重要一環(huán)，以便讓學生在“認識原型→再現(xiàn)原型→超越原型”的過程中深化學習。逆向工程教學在現(xiàn)階段大學機械工程類課程中有著廣泛的應用，并取得了相對顯著的教學效果，但就中小學STEM教育而言，逆向工程教學尚未獲得重視和廣泛實踐。

• no.3基于糾錯教學的STEM教育

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

作為一種教學方法，糾錯教學一般指的是第二個層面的應用，其實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、糾錯與測試。與逆向工程教學方法相比，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，糾錯教學并不需要設計制作一件新的作品，而是聚焦于已有作品中科學問題的發(fā)現(xiàn)與解決，其關鍵環(huán)節(jié)在于“假設—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，糾錯教學本質上與科學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，對學生糾錯能力的培養(yǎng)不容忽視，可以說，糾錯是工程設計中必不可少的一個重要環(huán)節(jié)，是自然發(fā)生的。然而，同逆向工程教學類似，糾錯教學在當前中小學STEM教育中的應用仍處于起步階段，迫切需要嚴謹?shù)膶嵶C研究，以探討如何在STEM教育中開展糾錯教學。

• no.4基于科學探究的STEM教育

科學探究強調以科學問題為導向，以STEM教育理論指導科學探究活動的設計與實施，以培養(yǎng)學生掌握跨學科知識和科學探究能力為目標。其教學過程一般為，從生活中的科學問題出發(fā)，制訂科學探究方案，開展科學探究實踐并收集數(shù)據(jù)，利用程序設計或其他數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件分析數(shù)據(jù)，使學生在習得跨學科知識、科學的思維過程與方法的同時，提高學生的科學探究能力。

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

另外，在設計科學探究主題時，必須考慮所涉及的科學知識與相關學科教學進度的呼應，不宜超前探究，且最好能在既有學科知識的基礎上通過探究活動拓展其認識，或生發(fā)出新的探究問題。

圖3 STEM教育的四種方法

結合上述分析，本文進一步用圖3呈現(xiàn)了STEM教育四種方法的實施過程和適用取向?？偟膩碚f，就STEM教育的發(fā)展而言，這四種方法在實踐中均有重要的應用價值。不過，逆向工程教學和糾錯教學在當前中小學STEM教育中的應用少之又少，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而言，強調從既有產(chǎn)品入手進行再設計的逆向工程教學和強調在糾錯中訓練問題解決能力的糾錯教學更適合培養(yǎng)中小學生的微創(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，但就當前STEM教育的現(xiàn)狀而言，目標定位模糊、實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一步的探索。（夏莉穎系南京師范大學教育科學學院碩士研究生；鐘柏昌系南京師范大學教育科學學院教授、博士生導師）

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