当前我国STEM教育存在的问题探究
谢琪 邵佳靓 杭州师范大学信息科学与工程学院
摘要： STEM教育已成为各国的战略并受到普遍重视，作者结合STEM教育的特征以及国内外的实施情况，指出目前的STEM教育实践在课程的设计、课程的实施以及师资等方面存在的一系列问题，并建议从STEM教育的核心素养的建立、科学的课程体系的开发、评价体系的研发和教学方法的研究四个方面入手来加以解决。
关键词： STEM教育；问题；对策
● STEM教育的特征
STEM代表科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics），它是培养综合运用STEM知识解决现实问题的能力的教育。
美国学者Yakman增加了艺术（Arts）学科，提出了STEAM金字塔结构框架，并总结出跨学科、艺术性、情境性、设计性、团队协作性5个特点。[1]余胜泉和胡翔指出STEM教育中四门学科的教学必须紧密相连，以整合的教学方式培养学生掌握知识和技能，并能进行灵活迁移应用于解决真实世界的问题，提出跨学科、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9个特征。[2]
2017年2月，教育部颁布《义务教育小学科学课程标准》，首次以科学课为依托，提出STEM教育的标准。该标准强调STEM教育的核心是一种跨学科的学习方式。随后，2017年6月发布的《中国STEM教育白皮书》指出，应将STEM教育纳入国家创新型人才培养战略。
● STEM教育的实践情况
1.机器人学习
欧洲国家及美国采用机器人学习作为STEM学习的项目之一，主要是使用工具包建造和编程机器人[3]；美国麻省理工学院在1994年设立了“设计和制造LEGO机器人”课程，终身幼儿园（Lifelong Kindergarten）与乐高公司合作，设计了视觉化程序编辑工具——RCX Code，结合硬件组成了乐高机器人，到2007年又推出Scratch编程软件，学生能够使用积木式编程软件实现对机器人的设计、制作和控制。美国加州项目引路计划（PLTW）开发的STEM课程，要求学生能够设计、构建机器人。[4]Mataric和Koenig等人搭建了适合各个年龄段学生的机器人试验台和编程方法，详细介绍和描述了机器人项目工作簿和试验台，提供项目中机器人的软件、硬件以及材料，为机器人教育工作者提供了参考。[5]美国卡耐基梅隆大学发布了5门机器人课程，以锻炼学生的科学、技术素养。[6]
我国的机器人教学2000年在北京景山学校率先开展，主要是进行机器人竞赛培训，内容包括了解机器人概况、熟悉机器人硬件、掌握机器人编程、设计并开发机器人项目等。2018年11月，推出了小学到高中的首套人工智能教材，并于2019年在上海投入使用。
2.外展活动
一些学校采用了“外展（outreach）活动”开展STEM教育，活动由STEM公司执行，人员是K-12学生及其教师。开展形式有：研究机构（公立或私立）专家的客座课程；工业实验室邀请学生到其工作环境中，展示他们的工作方式，或由业内专家开发作业，由教师执行必须在公司内部解决的真正问题。在荷兰，已经启动了一个“青年和技术网络”（Jet-Net），以便STEM行业与高中合作创建活动，展示高中科学（STEM）如何适用于学生的世界观。2012年，Jet-Net模型也在丹麦推行。在美国，项目引路计划、New Tech高中和pTech项目是整合学校学科和现实世界学科的最大工业合作范例。
3.3D打印技术的学习
目前我国STEM教育没有形成完整的系统性方案，各学段内容和目标不衔接。在小学科学教育中有STEM的内容，但是到了中学就没有相应的延续课程，完全由学校自行开课。由于对STEM的理解不同，STEM教育的实施内容也是五花八门，不成系统。这种割裂的状态不利于人才的系统性培养和叠加效果的产生。
● 存在的不足
尽管国内外对STEM教育已经进行了比较多的探索，但目前国内的STEM教育还存在若干急需要解决的问题。
1.国内科学的STEM课程设置的欠缺
在我国，对于师资的培养有两种观点较为明显：一种认为目前我们国家的信息技术教师完全可以担任这个角色，对信息技术教师进行培训就可以将其作为STEM教育的师资资源，提高培养效率，节省培养成本；另一种认为需要培养专门的STEM人才，用以支持STEM教育。目前高校中还没有STEM课程，综合的STEM教师暂时无法在我们国家实现，由此，需要一线教师担当此任，此类教师不仅要有教育实践能力，还要有较为全面的学科知识，更重要的是要有足够的热情和创造力去深入理解STEM教育，适应新的教学形式。
2.国内STEM教学资源稀缺
听那名字，苏楠也能猜出个大概。她隐约感觉到自己的生活要有一个翻天覆地的变化了，这变化太大太快，她都有点晕眩了。苏楠闭上眼，无助地摇了摇头。真发微信的话，文字说明恐怕得改为“失散3 0多年的母女重逢”了。
3.无专门STEM师资的培养
STEM教育目前正处于初步发展阶段，教师只知道STEM的含义，却不知道如何整合课程。目前存在三种类型的“STEM课程”：第一种是从国外购买，照搬和翻译国外学校STEM教育的课程资源和设置体系；第二种是由本校的信息技术教师按照自己的经验直接开发，这种形式是国内较为常见的形式，绝大多数是依托Scratch创意编程、Arduino创意电子等进行开发；第三种是公司为了销售硬件的需要开设配套的STEM课程，或者公司委托高校来开发相关设备销售的配套教材，用于社会的培训。由此，课程标准便显得尤为重要，它作为教育者从事教育工作的“指挥棒”，是教师明确课程性质、课程目标及实施建议的参考性文本，是教师进行理念转变的指导性文件。若无课程标准的设定，教师无法真正理解STEM教育，则无法保证教学质量和水平，各学校冠以“STEM教育”的头衔就无法真正达到培养人的目标。
4.评价体系缺失
由于STEM教育与传统教学的教学模式、教学环境有一定的区别，所以在教学评价环节也不能采用固有的传统教学评价模式，需要有与其相契合的评价体系。但是目前的STEM评价大多针对独立的STEM课程与项目，或者通过特定的科学探究平台对学生进行评估，缺乏统一标准，而且多数学者以对教学效果的总结性评价作为STEM教育成果的评价，缺乏对科学探究过程的评价。
以美国为主的发达国家已进行了较长时间的STEM教学，并产生了较多实用的课堂案例，国内的教师目前大多处于模仿阶段，且迫于学校的课时安排，极少能够抽出超过两节课的时间完成一堂完整的STEM课。目前有陈如平、李佩宁编写的《美国STEM课例设计》一书，其中包含美国中小学课堂中的50个课例，可以供国内的教师学习研究。但仅有此类课例是不够的，真正适合我国的教学设计应该是符合我国学生发展核心素养的，做到立德树人，实践、探索真正符合我国发展的教学案例。
5.教材只重视操作步骤，缺乏系统的学科核心素养培养设计
STEM教育自产生之初就高度重视不同学科领域的内在联系，并提倡跨学科的交叉融合。其中，科学在于认识世界、解释自然界的客观规律；技术和工程旨在在尊重自然规律的基础上改造世界，实现对自然界的控制和利用，并解决社会发展过程中遇到的难题；数学则是技术与工程学科的基础工具。STEM教育的核心是要培养学生学科核心素养，而不仅仅是做出几个看似美观的作品。目前的教材设计基本上是操作步骤的组成，缺少最核心的系统性学科核心素养设计。把学科核心素养的培育渗透到学生作品的设计与制作过程中，形成潜移默化的效果，这才是STEM的精髓。然而，目前这一环节严重缺失。
6.只重视技能培养，轻视知识的学习[9]
STEM教育的本质是让学生通过亲自参与，获取对知识的深层次理解，不是弱化知识，而是用更生动、更深入、更灵活的方式强化对知识的学习、理解和应用，不是仅仅为了学会某项具体的技能而学习。但目前的STEM教育非常重视对操作技能的培养，对实践活动所涉及的各学科知识的概念和科学原理并没有进行深入的分析的探究。STEM教育培养的学生创新能力与扎实的学校课堂知识是相辅相成、互相促进的，不是一种对立关系。
当前，许多高校处于深化转型发展过程中，往往偏重“硬实力”提升，却忽视了“软实力”建设，不善于深入挖掘学校历史文化底蕴，没有充分认识校训精神在塑造大学生人格和德行方面的特殊作用，忽略了校训与社会主义核心价值观的内在契合性。不少学校没能很好地以优秀传统文化为切入点，通过发掘两者之间相同、相近的词语，探寻校训中包含的与核心价值观相关联的精神内涵，赋予传统校训以时代意义和现实价值，赋予社会主义核心价值观以传统文化底蕴，导致二者无法有效互通共融，发挥出思想政治教育的最大功效。
7.只重视实践的活动形式，轻视科学精神的培育[10]
STEM教育强调把真实世界与书本知识联系起来，通过项目式学习进行实践验证，培养学生的创新精神和实践能力，形成以主动、探索、体验、创作为特征的新型学习方式。但目前在开展STEM教育时，过于重视外在的活动形式，刻意营造活跃的课堂气氛，唯独忽视了探究活动的科学性与严谨性，导致学习活动华而不实、流于形式。
8.只重视学习结果，轻视学习过程[11]
本以为烫伤科的病房里人不多，没想到左右两边的病床上都睡着一个孩子——一个和小棉的年纪相仿，另一个只有七八个月大。
STEM教育对于实现我国建设创新型国家和推进制造业强国都具有非常重要的意义，不能仅仅把STEM教育作为教育内部的一种理念和方法，必须要站在为国家建设培养创新人才的高度来看问题，从产业发展、人才需求、人才培养的角度统筹考虑，才能整合全社会的资源推动STEM教育的发展。目前我国在推进STEM教育时基本是各自为战，尽管也形成了一些专业机构和学校联盟，但都是民间的松散机构，没有形成合力，导致力量分散，缺乏力度，质量也参差不齐。
9.缺少具有战略高度的顶层设计和社会联动机制
为验证所设计控制方案的有效性，首先在Matlab/Simulink平台上开发了MFAC模块，其内部设计如图2所示。图2中，控制律算法和伪偏导数估计算法是通过M文件编写S-Fuction来实现的，将其封装为带λ和ρ两个参数的MFAC模块，以便调用。MFAC-PID串级控制系统仿真如图3所示。
当前STEM教育中对作品制作成功的追求，使得教师倾向于直接教授解决问题的具体方法，而不是关注和支持学生的问题解决过程，使得学生熟练掌握了特定领域的技术操作，能够有效应对常规问题，却不知道为什么要这样操作，为什么用这种方法来解决问题，更不知道其背后的科学原理。“知其然不知其所以然”成为当前STEM教育中的不正常现象。
10.缺少打通各个学段的整体课程设计
许多国家和机构正积极探索3D打印技术和STEM教育的融合，以推动技术驱动教学创新。从资助类别来看分为两类：一类是由政府直接拨款主导而发展起来的教育项目，典型的有英国3D打印教育试点工程、澳大利亚3D打印教育推广项目；另一类是政府引导，社会机构、公司资助开发或自行开发的一系列活动或课程，如美国PLTW部分项目、日本DHM项目、Stratasys 3D打印课程等。[7]目前开展的3D打印使用情况分为六个类别：①学生的3D打印学习；②教育者的3D打印培训；③作为教学中的辅助技术；④以学习为目标的工艺成品；⑤创建辅助技术；⑥支持外展活动。[8]
花卉种类，明代苏州便是我国重要的花卉生产基地，发展过程中形成从春至冬的兰花、海棠、月季、牡丹、芍药、荷花、桂花、石榴、菊花、梅花、山茶、水仙等传统名花[1]。此外，《闲情偶寄》中记录花木68种，明确建议室内摆放的有含秋海棠、山茶、绣球、石榴、茉莉、兰、蕙、水仙、菊、虎刺等10种[3]。无独有偶，《长物志》花木卷47种植物中，明确建议了茉莉、素馨、夜合、杜鹃、菊、兰、水仙等7种花卉适于室内摆放[4]。
某铁路隧道长度约为9000m，最大埋深超过200m。隧道线路为直线，其内部主要采用“人”字坡的形式设置纵坡，具体分布为：隧道内约50m平坡，3500m上坡和5300m下坡。设计在隧道中部设置了一处斜井。截至调查开始，隧道已经累计开挖并支护了约1000m，同时仰拱施工以及二衬施工均紧随开挖支护进行。本文主要对进口和斜井两端并选择其中的一段衬砌进行监测分析。
● 解决的对策
对于STEM教育存在的上述问题，建议从STEM教育的核心素养的建立、科学的课程体系的开发、评价体系的研发和教学方法的研究四个方面入手来解决。
1.建立STEM教育的核心素养
STEM教育的目标是多学科融合知识的应用与创新，其核心应该是培养学生的STEM核心素养，因此探索并建立STEM教育的核心素养十分重要，它是STEM教育的目标，是科学的STEM教育课程体系开发的“指挥棒”，也是STEM教育评价的依据。因此，解决STEM教育目前存在的问题，首先要探索并建立STEM教育的核心素养。
2.开发科学的STEM教育课程体系
当前的STEM课程是零散的、无体系的，属于缺乏系统科学目标的；有些STEM教材只是公司推销硬件的附属品，不能真正提升学生的STEM核心素养。所以，需要依据STEM核心素养来设计规划系统的STEM教育的教材，它既是STEM专业教师培训的基础，也是培养学生STEM核心素养的承载物。
3.建立科学的STEM教育评价体系
评价体系可以检验学生学习STEM课程的效果，促进学生的发展，也可以改进教师的教学水平。没有科学合理的评价体系，STEM教育只能是一种“盲目的热”，无法从根本上提高学生的STEM核心素养。
4.需要研究STEM课程的教学方法
STEM课程的跨学科、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特征，决定了其教学方法必然与其他单课程的教学方法不同，如果按照某一单课程的方法进行教学，必然达不到应有的效果。因此，结合STEM课程的特征，以STEM核心素养为目标，以建构主义理论为指导，研究合适的STEM教育方法，已经十分必要。
参考文献：
[1]赵慧臣，陆晓婷.开展STEAM教育，提高学生创新能力——访美国STEAM教育知名学者格雷特·亚克门教授[J].开放教育研究，2016，22（05）：4-10.
[2]余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015（04）： 13-22.
[3]赵呈领，赵文君，蒋志辉.面向STEM教育的5E探究式教学模式设计[J].现代教育技术，2018（03）.
[4][8]Taconis，R.Perceptions of STEM-Based Outreach Learning Activities in Secondary Education[J].Learning Environments Research，2017（20）：1-26.
[5]Duodu E，Noble J，Yusuf Y，et al. Understanding the delivery of a Canadian-based after-school STEM program： a case study[J].International Journal of STEM Education，2017，4（01）：20.
[6]钟柏昌，张禄.项目引路（PLTW）机构的产生、发展及其对我国的启示[J].教育科学研究，2015（05）：63-69.
[7]张屹，李幸，黄静，等.基于设计的跨学科STEM教学对小学生跨学科学习态度的影响研究[J].中国电化教育，2018（07）.
[9][10][11]曹培杰.STEM教育的三个“坑”，一定要绕过去[J].中小学数字化学习，2018（07）.
中图分类号： G434
文献标识码： A
论文编号： 1674-2117（2019）21-0100-04
标签：stem教育论文; 问题论文; 对策论文; 杭州师范大学信息科学与工程学院论文;