2.2.3　STEM教育与核心素养对接的现实性

1．核心素养为STEM教育赋能

（1）核心素养的文化基础——STEM教育的内在动力

核心素养第一次把“人文底蕴”和“科学精神”放到同等重要的位置，一般来讲，科学代表着理性、艺术代表着感性。理性和感性是人心智组成的两大要点。STEM教育在发展的过程中，逐渐融合了A（艺术／人文）的特色，即STEAM，通常与STEM等同含义。

文化是教育的主要内容，无论何种形式的教育，都是以文化传播为主要载体的，STEM教育也是如此。传统教育对课程的科目分工比较细致，强调不同科目的区别。而STEM教育强调的是学科之间融合，在学科之间建立一座联系的桥梁，融合知识与技能，尤其在当今日益发展的互联网时代，学科融合能力和技能将为学生未来的生存发展提供必要的条件。而这些都是以文化基础的学习和积累为前提的。STEM教育一般以基于项目学习进行，在知识层面上要求更高，需要从不同的学科中提取关键信息，所以更促进了学生对知识的学习，由此可见，文化基础是STEM教育的内在动力。

（2）核心素养的自主发展——STEM教育的培养方向

自主性是人作为主体的根本属性。自主发展重在强调能有效管理自己的学习和生活，认识和发现自我价值，发掘自身潜力，有效应对复杂多变的环境，发展成为有明确人生方向、有生活品质的人。STEM教育是学生在自组织学习、情境认知学习和活动学习理论指导下，基于自身建构的统整学科的综合学习。其具有三大本质：真实性、综合性、发展性。即将学习融入自然、社会、生活领域，通过学生真实体验、调查、演讲、建构作品等，提高学习融会贯通的跨学科知识运用能力和创造力，以及在未来能够创造性解决问题的能力，可以说核心素养的自主发展就是STEM教育的培养方向之一。

（3）核心素养的社会参与——STEM教育的发展视野

社会参与，重在强调能处理好自我与社会的关系，养成现代公民所必须遵守和履行的道德准则和行为规范，增强社会责任感，提升创新精神和实践能力，促进个人价值实现，推动社会发展进步，发展成为有理想信念、敢于担当的人。

STEM教育强调团队协作开展学习，培养学习者乐于分享、交流的团队智慧，这对于学生处理自我与团队、自我与社会关系构建了天然的环境基础；道德准则和行为规范也成为学生全面发展和全面成长的一种准则标准，例如STEM教育中强调技术安全，如网络安全与技术应用道德观；STEM教育中也需要在工程实施中制定规划和行为准则，要求学生在遵守自己制定的准则的前提下按照规划不断推进；STEM教育也致力于培养学生在通过多学科知识解决问题的过程，提升自身的理性思维、创新意识、团队合作能力、科学探究和实践能力，进一步建立健全生命观念和社会责任感；STEM教育认为：学生学习中在具备国家认同的前提下，学生的探究才是具备正确的方向，创新才是具有正确价值观导向的创新。而国际理解要求具有全球意识和开放的心态，尊重世界多元文化的多样性和差异性，在这样的理念下，STEM教育这个“舶来品”才能够洋为中用，在与国内外先进理念和实践的对接、联通与融合过程中不断地得以发展。

2．STEM教育提供核心素养落地途径

（1）STEM跨学科的范式——促进核心素养要素内涵融合

STEM不是科学、技术、工程、艺术和数学知识的简单叠加，而是将学科整合到一种“教学范式”中（Judith A. Ramaley，2016）(11)。这种整合不仅是实践操作层面上的整合，更体现价值体系的整合，即自然科学和人文科学精神的融合，人文素养和科学素养相互渗透，是文化基础投射到现实世界中的具体体现；此外，STEM教育的起源背景也蕴含着“美国对自身国际竞争力下降的反思”，因此，STEM从内容组成、组织实施无不带有时代的鲜明色彩，也承载着社会本位的内涵。而教育本身育人的功能又从个体本位满足了学生主体的需求，可以说STEM教育兼具社会本位和个体本位的两种价值，对于核心素养中的三大方向六大维度的实现提供了一个自然的解决路径。STEM教育证明了理性思维和文化追求可以自然地融入问题解决的学习中，同时也彰显了一种学习文化，一种偏向工科思维的学习系统，一种趋于能力和智慧叠加的行动学习，并因此形成重要的能力和思维品格。

（2）STEM任务驱动方式——加深人文底蕴，培养科学精神

与传统课堂教学相比，STEM更注重学生在整合跨学科的知识应用中充分调动思维，以任务为驱动，主动地确认目标、寻找资源、建构路径、解决问题，将知识的获取、方法与工具的利用以及实践创新的过程进行了有机多元融合。STEM每一个学习环节都建立在学生对问题的观察、比较、分析、综合、抽象与概括的基础之上，这些思维方式是理性思维的具体体现，而且这个思维过程充分调动并锻炼了学生的科学探究能力和实践能力。学习过程中逐渐培养的精神也是科学崇尚的研究和实践精神。因此，融合人文艺术的STEAM教育，推动核心素养要求的文化底蕴和科学精神的形成，促进文化基础的发展。

（3）STEM项目实践属性——促进问题解决，培养乐学善学

STEM学习是学生在活动参与、项目设计、问题解决中进行的实践活动。这种问题解决并非浅显的问题，而是一种“不良结构”（ill-structured problem）的复杂问题，即没有明确的结构和解决路径，如初始状态不明确、目标状态不明确、解决方案不明确等。需要多学科“碎片化”知识的整合和应用，形成多样的、开放的解决问题的途径，形成多元的解决方案。这种项目学习恰恰能培养核心素养指向的问题解决能力。

STEM学习以实践为取向，项目的趣味性和真实性更能够激发学生学习的主体性，能够引导学生面对学习对象进行能动建构和主动加工。具体来说，学生学习的状态从被动地学习识记、理解知识转为主动实践，并获取能力思维成长，养成主动学习的意识。日积月累形成了乐学善学的良好习惯和风貌。

（4）STEM学习产品迭代——促进自我反思，形成健全人格

STEM学习本身兼具工程属性，即通过工程设计，完成复杂问题解决过程，培养学生的工程思维。工程是为了满足人类需求进行的创造性活动，它是运用技术进行设计、解决问题并制作产品的过程。工程是不断更新的，工程设计是一个迭代的过程。工程设计的过程一般包括：识别需求、定义问题、头脑风暴、进行调查、理解限制条件、提出多种解决方案、评估并选择最优方案、制作模型、交流想法、测试改进、制作成品（Aikaterini Bagiati，2011）。在产品迭代的过程中，学生不断地挑战自我，进行科学反思，分析存在的问题，寻找解决问题的方案，这种过程恰恰能够培养学生的自我反思，自我评价，在不断的挑战中培养具有积极的心理品质，坚韧抗挫能力，能调节自身，管理个人，形成良好的人格品质。

（5）STEM技术增强特点——提升信息素养，增强国际理解

目前，STEM教育越来越呈现技术增强型的趋势，政府各部门发布的一系列政策都体现了对将技术融入STEM教育以促进学生STEM学习的重视。2018年，美国公布STEM教育的“北极星计划”，尤其强调提高学生的数字素养和计算素养的教育发展路径，《用技术支持STEM学习的九个维度》这篇报告正是具体论述了如何转变现有STEM教育模式。可见，以网络技术、通信技术、人工智能技术等为代表的信息技术，在STEM教育中发挥着越来越大的作用。虽然说STEM中的技术不仅仅代表是工具属性的技术（还代表经验属性的技术），但不得不说，科学技术带给学习的便利和深刻也影响着教育的变革。因此，STEM教育中提倡的技术成为学习工具，利用技术支持深度学习的方式也不断影响着学生的信息素养，学生在STEM学习中不断辨别信息、分析和处理信息，其信息素养的培养得以实现。此外，学生在STEM学习中可以通过网络技术了解国内外发展动态，在跨文化交流中不断地认识世界、理解世界和改造世界，这对学生增强国际理解起到积极的正向作用。

（6）STEM合作实践形式——培养责任担当，形成劳动意识

学生发展核心素养包括个体形成正确的责任意识，同时具有团队意识和互助精神，能主动作为，履职尽责，对自我和他人负责等。STEM是一种在社会性互动中开展的、以学生为中心的跨学科合作学习。存在着学生与环境、学生与其他学生、学生与教师之间的社会性互动。在这种以学生为中心的学习中，学生个体的价值观能够被充分地引导和投射。一方面，学生可以在社会性互动过程中，意识到自己的分工和责任，以及自己在学习共同体中所分配的角色；另一方面，教师可以通过引导、展示和呈现，协助培养学生的自立性、自主性和自治性，激励学生更勇于承担责任，激发团队精神。此外，STEM学习中工程设计理念指导下需要不断地设计、修改、再设计、再修改，在修改的不断更新中，有助于学生形成良好的劳动意识，培养他们的动手操作能力，促进他们改进和创新劳动方式。

（7）STEM教育思维启发——唤醒创造潜能，提升创新素养

创新素养是学生应具备的、适应终身发展和社会发展需要的创新品格和创新能力，它是学生核心素养的“核心”成分之一。当前，知识创新和实践能力的塑造一起被视为是STEM教育人才培养的重要指向。虽然STEM教育中注重实践、注重动手、注重过程不等于提升创造力。但在教师思维启迪下，结合动手实践和探索能够唤醒学生与生俱来的创造力潜能。在STEM教育中常用的六种培养创新思维的模式，为提升学生的创新素养提供了重要而有效的途径。

• 发散性思维：从一个事物的特征、背景或相关的线索发散开来，可以丰富自己了解事物的内容，丰富视野。例如，在STEM授课过程中，教师可以通过一些发散思维训练来让学生充分地发挥想象力：说出铅笔（矿泉水瓶、可乐瓶、电池、T恤……）50种以上的用途，主体一般选择生活中常见的东西，它们已经具有基本固化的功能，让学生进行头脑风暴。当说完“铅笔的写字、画画”常见功能回答后，很多新的富有想象的功能就会被挖掘出来，比如“铅笔可以取火、木屑分解、润滑开锁”等。这种“一题多解”“一事多写”“一物多用”等方式，突破传统思维的限制，培养发散思维能力。在STEM教育中，以辐射思考的方式，可以发散地分析问题原因，找到解决问题的途径，帮助学生更接近事物的本质，解决问题也变得游刃有余。
• 多向思考：多向思考其实是从多方面思考问题，从而达到效果整体优化的方法，不局限于点、线、面的限制，立体化思考，既可以从单一思维模式出发，也可以从多个思维方式思考。与其说这是一种思维方式，不如说这是一种心态问题。例如：在“空间生存环境”课程活动中，学生按照任务卡中的地点要求，通过小组讨论、头脑风暴，从多个方面思考所需携带的旅行用品，如果哪个方面考虑得不周全，就会影响生存条件。写出需要携带的旅行用品，再从列表中圈出最重要的三件用品。通过对六种不同自然环境所需携带的旅行用品的讨论，学生其实是在考虑人类生存的必需品是什么。小组讨论的结果并非能够考虑充分，这样可以通过多组对比的方式，让学生发现自己决策出现的问题。通过多向思考可以帮助我们更全面地考虑问题，增加解决方案，从而更有效地解决问题。
• 换元思考：换元思维是根据事物的构成因素，进行拆分、变换元素，以打开新思路。换元思考其实就是推人及人、换位思考。将自己代入场景，代入其他人的立场看待问题，如果我是当事人，我会更希望接受什么样的方式方法，更愿意达到什么样的效果（目的）。自然，问题的根本目的和重要层次就更加清晰了。
• 转向思考：是当常用逻辑不起作用时，寻找不同的方向解决问题。我们常常说的逆向思维，就是脱离原有的逻辑，从相反的方向思考，是转向思维的一种方式。转向思维具有颠覆性，需要跨出原有的知识体系，跨学科、跨领域去解决问题。例如，在讨论“空气存在吗？”这样的问题时，学生首先会通过各种材料，自己想办法证明空气是否存在，包括用垫板扇风、吹气球、用塑料袋捕捉空气等，然后教师可以引导学生将思维方式转向为“如果空气不存在会怎么样？”，学生会尝试捂住口鼻，感受失去空气的感觉。更进一步地讨论“看得见的空气”，探究问题进一步加大难度——“空气有没有质量？”，学生一开始各执一词，而后教师提供给学生一个验证自己原有假设的实验，运用气球、木杆、橡皮泥等实验材料，利用杠杆原理证明空气的存在。这其中，学生需要通过调节支点和左右两边物体的质量保证木杆的平衡，而后放掉一边气球的气体后，观察木杆的变化，并解释产生变化的原因。学生在此STEM教学活动中，接触到了自然科学和物理学知识以及简单的工程操作方法，证实或推翻了自己的原有假设，通过转向思维在无法证明问题的时候尝试新的方法去解决问题。
• 原点思维：是指给人或事设定一个原点，时常回到原点进行思考、进行状态对照，纠正偏差，不断向目标前进。可以有两种理解：一是从事物的发展脉络和普遍逻辑寻找答案，二是为事物设立一个原点，在发展和建设中不断比对和思考，纠正偏差。例如，“水火无情”四个字，道出了人类对水与火的恐惧感，多少年来，尽管人们采取了各种各样的措施，但世界上每年仍会发生许多起持续时间长、又很难扑灭的重大的森林火灾，大火无情地吞噬了宝贵的森林资源，并破坏了生态平衡，人们非常痛心，但又苦无良策。森林专家想出了好办法：以火防火。原来，森林火灾的主要原因是由于林间的落叶、断枝、枯草长期积累而自然起火，以至造成难以扑灭的森林大火。按照防患于未然的原则，森林管理人员定期选择风速小、气温低、湿度大的天气，在森林中“放火”，人为烧去乔木下面的小树、灌木和乔木下端的干枝和枯叶，这样既节省了修剪树枝的繁重劳动，又消除了森林火灾的隐患，真是两全其美。
• 对立思考：从事物的反面设立可能性或提出疑惑，批判性地看待问题。一方面强调，对于他人的看法和理解不能全盘接收，需要自己独立理解和消化，提出自己合理的观点，并且说出自己的理由和见解。另一方面，对立思维的存在可以从更多的角度分析问题，一个团队中每个同学对于问题提出的观点不尽一致，而解决问题的办法一定是最客观地罗列出问题的所在，然后去找问题的解决办法，站在自我视角上的“我认为”“我觉得”等争议可以协调变成考虑因素。如果我们一开始就认同别人的理论，那可能引起的问题就是打破了自我平衡，也可能盲目顺从，无法产生创新的解决方案。

以上六种思考模式经常在STEM教育中发挥作用，创新思维促进学生的多方面能力发展，促使学生的想象力得到激发和保护，自主能动性得以发挥，思考和解决问题能力得以提高，而这种培养创新思维的方式正是核心素养培养中提升创新素养的需求。