2.1.4　STEM的相关概念

1．STEM素养

STEM教育产生背景的复杂性，使得其含义无论在目标、领域、实践还是评价方面都非常广泛。迄今为止，人们并未对STEM素养的定义或内涵达成共识(3)。我们采用了STEM素养的定义即STEM素养是基于科学素养、技术素养、工程素养、数学素养整合之上的素养。(4)（Alan Zollman，2012）。显而易见，STEM素养包含了科学素养、技术素养、工程素养和数学素养，同时又不是四者的简单组合：它包含运用这四门学科的相关能力，把学习到的零碎知识与机械过程转变成探究真实世界相互联系的不同侧面的综合能力。STEM作为一个有机整体，有其独特的内涵与特征。对于STEM素养的内涵理解，主要从两种角度呈现：一种是基于还原论观点，将STEM素养分解为STEM各学科素养；另一种是从跨学科整合的视角来探析STEM素养的基本含义。(5)

（1）STEM素养之分解

科学素养：2015年，在国际学生评估项目（PISA）科学素养测试的评价框架中，将具备科学素养的人定义为“有能力处理与科学相关的事务，并成为具有科学思想的反思性公民”。具体表现为能够较好地展现以下几个方面的科学能力：一是科学地解释现象，能够认识一系列自然现象和技术产品，提供评价和解释；二是评价和设计科学探究，能够科学地描述、评价科学研究，提供问题解决的方法；三是科学地解释数据和证据，即分析评价数据和各种不同方式表示的参数，并得出恰当的科学结论。

技术素养：2007年，国际技术教育协会（ITEA）将技术素养定义为使用、管理和理解技术的能力。具体包括：学生应当发展对技术本质的理解、对技术与社会关系的理解、对设计的理解、对技术化世界的适应能力以及对人造世界的理解。

工程素养：2014年，美国国家教育进步评估（NEAP）提出的“技术和工程素养评价框架”，涵盖了技术和社会、设计和系统、信息和通信技术三个主要领域，其中“设计和系统”维度集中体现了工程素养要求。具体来讲，工程素养涉及工程知识、工程设计与技能、工程意识3个方面。

数学素养：在PISA2021数学素养测评框架中定义的数学素养是个人在不同真实世界情境下进行数学推理并表示、使用和解释数学来解决问题的能力。它包括使用数学概念、过程、事实和工具来描述、解释和预测现象的能力。它有助于个体作为一个关心社会、善于思考的21世纪建设性公民，了解数学在世界中所起作用以及做出有根据的数学判断和决定。(6)我国《高中数学课程标准（2017版）》中提出数学素养核心素养包括数学抽象、逻辑推理、数学建模、直观想象、数学运算、数据分析。在能力方面体现在运算能力、推理能力、空间想象能力、数据分析能力和问题解决能力。

（2）STEM素养之整合

将STEM素养视为一个整体性概念，以整合的视角来分析STEM素养的内容构成，比较有代表性的是美国科学教育专家拜比（Rodger W. Bybee，2013）。他认为，STEM素养包括概念理解、过程性技能，以及解决与STEM相关的个人、社会乃至全球问题的能力。具体分为：一是分辨生活情境中的问题，解释自然和人造世界，对基于证据的STEM相关问题做出结论；二是从知识、探究和设计的角度理解STEM学科的特点；三是意识到STEM学科对物质、精神、文化环境的影响；四是愿意参加与STEM相关的事务，作为一个有建设性思维、关心社会、有反思性的公民，具备关于科学、技术、工程、数学的观念。

（3）STEM素养结构模型

现有的研究虽然对STEM素养的内涵表述存在差异，总的来说，主要包括批判性思维、问题解决、创造性思维、团队合作、跨学科思维、数学素养、科学素养、工程素养、技术素养以及STEM相关学科或领域的基本知识、基本技能、基本方法等。从各要素的抽象程度和适用范围来看，STEM素养是有层次性的。美国乔吉特·亚克曼（Georgette Yakman）教授曾根据STEM学科间整合程度的差异提出STEM学科整合教育框架（STAM framework）。(7)该框架在纵向上由高到低分为五层：第一层是表明STEAM教育终身性和整体性的“终极目标层（Life-long Holistic）”；第二层是强调以跨学科方式解决问题为主的“综合层（Integrative）”；第三层是强调艺术对其他各个学科渗透的“多学科层（Multidisciplinary）”；第四层是以关联视角的分科教学为主的“特定学科层（Discipline Specific）”；第五层是与特定学科课程相关的“具体内容层（Content Specific）”。从横向上又将多学科层分为艺术等人文类学科和STEM课程体系，特定学科层分为科学、技术、工程和数学等学科，具体内容层则分为更具体的各基础课程或专业领域。此模型将学习者素养、能力的发展分为相互衔接渐进的多个水平、不同阶段，体现了STEM素养构成要素的层次性和STEM素养发展的阶段性特征，同时也反映了STEM教育途径的多样性，具有借鉴意义。杨彦军等构建了由知能、情意和价值三个维度融合，并和纵横双向结合形成STEM素养结构金字塔模型，如图2-3所示。

图2-3　STEM素养结构金字塔模型(8)

2．STEAM教育

为了重视艺术（Arts）在工程与技术设计中的重要性，美国学者提议将STEM教育发展为STEAM教育。STEAM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，STEAM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。STEAM教育与STEM教育在理念与目标上并无本质差异，两者有时被等同使用。(9)