2.1.3　STEM教育的特点

2．1.2小节这个案例属于典型的STEM理念下的多学科整合的问题式教学。从这个案例我们尝试分析STEM教育的特点。(2)

1．跨学科

将知识按学科进行划分，对于科学研究、深入探究自然现象的奥秘和将知识划分为易于教授的模块有所助益，但并不反映我们生活世界的真实性和趣味性（Morrison，2009）。因此，分科教学在科学、技术和工程高度发达的今天已显出很大弊端。针对这一问题，STEM教育因此应运而生，跨学科性是它最重要的核心特征。美国学者艾布特斯（Abts）使用“元学科”（meta-discipline）描述STEM，即表示它是代表科学、技术、工程、艺术和数学等学科的统整的知识领域，它们存在于真实世界中，彼此不可或缺、互相联系（Morrison，2006）。跨学科意味着教育工作者在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。

在“重现富兰克林的风筝实验”案例中，通过基于工程的学习，运用数学、科学的知识科学探究，设计实验，通过技术达成目标。在科学知识层面上，主要以高中物理静电学的知识为依托，涉及电势差、电流产生条件、静电屏蔽等重要概念，而风筝的制作则需要力学的平衡原理；在技术层面上，主要是风筝的制作技术，且每个复原环节的攻克、科学实验的过程都是技术的体现；在工程层面上，在阐释富兰克林实验方案的基础上，让学生讨论、设计了3个工程问题，再要求学生通过设计实验逐一解决，以上工程问题及问题的解决都体现了问题驱动下的STEM理念；在数学层面上，主题课程将数学作为有效的测算工具，主要涉及风筝制作的尺寸、配重、形状等的计算，电表的读数、电阻的估算等。

2．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真实、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。情境是STEM教育重要而有意义的组成部分，学习受具体情境的影响，情境不同，学习也不同。只有当学习镶嵌在运用该知识的情境之中，有意义的学习才可能发生。

在“重现富兰克林的风筝实验”案例中，教师设置的真实情境即为复原富兰克林风筝实验，学生通过不断思考、尝试，反思失败原因，不断改进实验条件和实验装置，最终获得了成功。只有经历了真实情境，学生有意义的学习才会发生，学习的效果才会更加深刻。

教师在设计STEM教育项目时，项目的问题一方面要基于真实的生活情景，另一方面又要蕴含着所要教授的结构化知识。这样，学生在解决问题的过程中，不仅能获得知识，还能获得知识的社会性、情境性及迁移运用的能力。情境性问题的解决，可以让学生体验真实的生活，获得社会性成长。

3．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提供了学生动手操作的学习体验，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。这种在参与、体验中习得知识的方式对学生今后的工作和生活的长远发展会产生深刻影响。

在“重现富兰克林的风筝实验”案例中，学生体验实验特点非常明显，由学生设计实验方案，从最初手拿钥匙体会指尖是否有电流经过，到最终穿上厚厚的防护服，看到最美妙的雷电花火，这都是学生亲身经历，亲眼目睹的。学生在参与实验中体验学习的过程，享受体验过程的艰辛、苦闷和快乐，这些都是学习的不可或缺的一部分。

4．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。有的项目还把STEM教育内容游戏化（将游戏的元素、方法和框架融于教育场景），因为将基于探索和目标导向的学习嵌入游戏中，有利于发展学习者的团队技能、教授交叉课程概念和负责的科学内容主题，可以得到更多、更理想的教育产出。

在“重现富兰克林的风筝实验”案例中，教师在最初设计的实验主题就比较有趣味性和挑战性，学生由最初的有意思到质疑到折服，无时无刻不体验着物理实验带来的美妙和乐趣，这种经历科学探究的乐趣，带给学生的不仅仅是身心的愉悦还有深刻的反思和感悟。正如案例所指：学生深深地体会到探索的艰辛和科学的魅力。我们第一次如此深刻地理解了什么是科学、什么是真理。

5．实证性

实证性作为科学的本质（Nature of Science）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。总之，STEM教育不仅要注重科学的实证性，更强调跨学科情景中通过对问题或项目的探索，培养学生向真实生活迁移的科学精神和科学理性。

在“重现富兰克林的风筝实验”案例中，非常明显地体现出这一特点，富兰克林的风筝实验本身就是曾经的科学实验，这个项目是对科学结论的验证，同时也是经历了科学产生和发现的过程。教师在反思中说道：正如著名物理学家丁肇中教授所说：“所有的自然科学都是实验科学，实验可以推翻理论，而理论永远无法推翻实验，因此实验对于自然科学来讲非常重要。”对之前的猜想进行验证，正是基于一次次的科学探索，一次次的实验论证，在一轮又一轮的实验改进中，从而更真实地接近科学的真相。

6．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。建构主义指出，学习环境的四大要素包括“情境”“协作”“会话”和“意义建构”（何克抗，1997）。STEM教育的协作性就是要求学习环境的设计要包括“协作”和“会话”两个要素：让学生以小组为单位，共同搜集和分析学习资料、提出和验证假设、评价学习成果；同时，学习者通过会话商讨如何完成规定的学习任务。需要指出的是，小组学习最后的评价环节以小组成员的共同表现为参考，而不是根据个人的表现进行独立评价。

在“重现富兰克林的风筝实验”案例中，协作性体现得也非常明显，实验历时三周，需要查阅资料、分析整理、讨论问题、设计实验、准备装置、实施实验……这些都不是一人能力所为，必须多人协作才能完成任务。案例中学生以小组为单位进行不断的推论和对实验的改进，这正是探究的过程，也是团队进行知识意义建构的过程。

7．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。美国学者莫里森认为，设计是认知建构的过程，也是学习产生的条件（Morrison，2005）。学生通过设计可以更好地理解完成了的工作，从而解决开放性问题。在这个过程中，学生学习知识、锻炼能力、提高STEM素养，因此设计性是STEM教育的又一核心特征。

在“重现富兰克林的风筝实验”案例中，设计性体现得也比较明显，包括学生得知实验要求后对风筝的设计制作、对实验装置和流程进行的设计、对实验结论进行的整理，这些都是经过学习后的产出，这些产出都是学生经过知识加工、输出后的结果，也体现出STEM教育的设计特点。所以并不是STEM教育都是需要工艺品的设计加工，方案、结论的呈现这些都可以称为作品，这些都需要学生的加工和设计。

8．艺术性

当前的STEM更多被扩展为STEAM，强调在STEM中加入“Art”学科。这个“A”狭义上指美术、音乐等，广义上则包括美术、音乐、社会、语言等人文艺术，实际代表了STEM强调的艺术与人文属性。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。概括来说，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。

在“重现富兰克林的风筝实验”案例中，艺术性看似不太明显，但教师在安排最后实验为了获取与闪电最接近的真实效果，风筝实验移师到国家电网特高压实验基地重现这一部分，充分体现了教师在实施STEM教学中的社会性。与实验室的专业人士的沟通、对学生情感关怀以及对科学精神的无上崇敬，都是引导学生在自然科学探究的基础上重视人文积淀和人文关怀，同时向学生渗透社会责任和国际理解，这些都属于人文科学范畴的“艺术性”，也充分体现了对中国学生发展核心素养的渗透。

9．技术增强性

STEM教育强调学生要具备一定的技术素养，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。

在“重现富兰克林的风筝实验”案例中，虽没有提到信息技术、通信技术，但STEM教育中对技术的理解也并不局限于这样的概念，在科学重演的过程中也不断地渗透“技术发展带给科学实验的便利性”的技术特点。从最开始的原始重现到最终的国家实验室的高科技支持，也会让学生体会到技术手段的进步带来科学发展。