科學(xué)素養(yǎng)
科學(xué)是技術(shù)的基礎(chǔ)，為技術(shù)發(fā)明和運用提供依據(jù)。因此，科學(xué)素養(yǎng)是旨在使學(xué)生掌握科學(xué)知識、科學(xué)規(guī)律，形成科學(xué)精神。技術(shù)素養(yǎng)
技術(shù)是科學(xué)的運用，是科學(xué)的具體化。技術(shù)素養(yǎng)指向?qū)W生掌握、運用、評價和發(fā)明技術(shù)的能力。工程素養(yǎng)
工程是技術(shù)的實際運用。技術(shù)素養(yǎng)指對技術(shù)的工程設(shè)計與開發(fā)過程的理解、技術(shù)的評價與反思。數(shù)學(xué)素養(yǎng)
無論是科學(xué)、技術(shù)和工程都離不開數(shù)學(xué)，數(shù)學(xué)是掌握科學(xué)、技術(shù)和工程設(shè)計的工具。在這個意義上，數(shù)學(xué)素養(yǎng)是根基。它要求學(xué)生掌握數(shù)學(xué)知識、數(shù)學(xué)定理，能夠進行數(shù)學(xué)運算，具有數(shù)學(xué)推算的能力。STEM素養(yǎng)包含科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四個方面的素養(yǎng)，這四個方面是環(huán)環(huán)相扣的，科學(xué)是根基，技術(shù)和工程分別是科學(xué)和技術(shù)的運用，數(shù)學(xué)作為工具運用在科學(xué)、技術(shù)和工程之中。STEM素養(yǎng)是綜合運用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的知識解決實際問題的能力。
在形式上，STEM是知識、方法、技能、能力、態(tài)度等多元素的綜合。沒有科學(xué)知識為基礎(chǔ)就不會有技術(shù)的創(chuàng)新。技術(shù)的創(chuàng)新沒有態(tài)度和情感的引導(dǎo)，缺少創(chuàng)新的動力和創(chuàng)新的價值。所以，STEM素養(yǎng)既不單指知識，也不單指創(chuàng)新能力，而是知識、技能、能力、情感等因素的綜合。當然，每個因素又是多種因素的綜合，如科學(xué)技術(shù)知識涉及數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、地球、信息等，技能包括學(xué)習(xí)與創(chuàng)新技能、媒介數(shù)字素養(yǎng)技能、職業(yè)和生活技能。能力包括思考與問題解決能力、探索學(xué)習(xí)能力、科技實踐能力、創(chuàng)意革新能力。STEM因培養(yǎng)科技人才，應(yīng)對國際科技競爭而興起，因此，最初STEM指向科學(xué)技術(shù)教育和創(chuàng)造、運用。但鑒于科技的兩面性，科技需要人文加以引導(dǎo)，因此，STEM就增加了Art，變?yōu)镾TEAM。這里的A，最早是韓國提出的，指的是藝術(shù)。后來美國把'A'也吸納進去，賦予了它更廣泛的含義，不僅僅指藝術(shù)，還包括人文、語言、文化、社會學(xué)等十多門學(xué)科。A的加入，不僅培養(yǎng)學(xué)生對科技的向往和熱愛的情感，對STEM領(lǐng)域的態(tài)度和興趣，而且引導(dǎo)學(xué)生形成正確的科技觀、科技運用觀，防止人在創(chuàng)造技術(shù)之時，又被技術(shù)所異化，成為只有技術(shù)而無人性的單面人。與分科課程相對，STEM是一種綜合性課程，這是毫無疑問的。它與分科課程的關(guān)系有兩種認識，一種是以STEM課程取代傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物等分科課程，對其內(nèi)容進行充分整合，組成一門新的STEM課程。另一種是把STEM課程作為一種后設(shè)課程，即在分科課程之后設(shè)置的課程，指學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)分科課程之后再學(xué)習(xí)STEM課程。前者以STEM課程取代與科學(xué)、技術(shù)相關(guān)的分科課程；后者則是在分科課程的基礎(chǔ)上，綜合運用STEM的知識，研究和解決工程問題。筆者更傾向于把STEM作為分科課程之后的后設(shè)課程，是對分科課程知識的綜合運用，進行科技創(chuàng)新，解決實踐中的問題。筆者不主張用STEM課程取代分科課程，因為分科課程以學(xué)科知識本身的邏輯來組織，它使學(xué)生能夠集中、快速有效地獲取系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識，其劣勢就在于沒有任何一個現(xiàn)實問題是能夠運用一門學(xué)科的知識解決的。STEM課程在于綜合運用各門學(xué)科的知識解決現(xiàn)實問題，這是它的優(yōu)勢，但劣勢在于各門學(xué)科都用到，但卻無法獲得系統(tǒng)的學(xué)科知識。如果沒有分科課程保證學(xué)生獲得系統(tǒng)的知識，僅靠STEM課程不可能有效地掌握系統(tǒng)的知識。如果沒有系統(tǒng)學(xué)科知識，也談不上綜合運用知識進行科技創(chuàng)新和解決實踐問題。所以，筆者主張STEM課程成為分科課程的后設(shè)綜合課程，分科課程是學(xué)習(xí)STEM的基礎(chǔ)，STEM是對分科課程知識的綜合運用和深化發(fā)展。學(xué)生對分科知識掌握得越系統(tǒng)，解決實踐問題時綜合運用知識的能力就越強。所以，STEM的綜合是建立在學(xué)科基礎(chǔ)上以及學(xué)科與社會、學(xué)科與個人之間的聯(lián)系上。STEM是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的綜合，之所以綜合它們，不僅是因為它們是解決科技問題的需要，而且因為這四門學(xué)科具有相通性和滲透性，它們本身在解決現(xiàn)實科技問題時是一個整體。整合是STEM的最突出特征和要求。整合不是四門學(xué)科的匯集，它強調(diào)對知識的綜合應(yīng)用和對學(xué)科之間關(guān)系的關(guān)注?！皩⒅匦姆旁谔囟▎栴}上，強調(diào)利用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科相互關(guān)聯(lián)的知識解決問題，試圖從多學(xué)科知識綜合應(yīng)用的角度提高學(xué)生解決實際問題的能力”。STEM課程是通過對科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四個領(lǐng)域的整合而形成的綜合課程。其綜合的程度不同，形成相關(guān)課程、融合課程和核心課程。STEM相關(guān)課程
相關(guān)課程是在保留原先分科課程的基礎(chǔ)上，尋求四個學(xué)科之間的共同點和交叉點，使這些學(xué)科能夠按照互相照應(yīng)的順序進行。這樣的課程不改變原先的課程，需要四個學(xué)科的老師一起備課，看看哪些主題具有相關(guān)性，按照相關(guān)的主題進行教學(xué)。在教學(xué)中，以其中的一門課程為主，其他課程是輔助式的。比如學(xué)習(xí)物理學(xué)，需要相應(yīng)的數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，同時，把物理的結(jié)論應(yīng)用于工程技術(shù)實踐之中。這樣的課程只需要四個學(xué)科的老師協(xié)調(diào)，不改變課程本身。融合課程要消除分科的界限，將四門學(xué)科的知識整合為一個新的領(lǐng)域。這樣的課程依托于科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)，內(nèi)容具有高度的整合性。融合課程涉及到多個學(xué)科，它需要一個大的主題單元才能把相關(guān)的內(nèi)容納入其中。因此，也稱為廣域課程。融合課程、廣域課程更多地是強調(diào)在一個相對廣闊的主題下融合各個學(xué)科，如同前面分析的，僅靠STEM融合課程難以保證學(xué)生獲得相應(yīng)學(xué)科的基礎(chǔ)知識。智能教育評價
人工智能技術(shù)不僅僅會在試題生成、自動批閱、學(xué)習(xí)問題診斷等方面發(fā)揮重要的評價作用，更重要的是可以對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程中知識、身體、心理狀態(tài)的診斷和反饋，在學(xué)生綜合素質(zhì)評價中發(fā)揮不可替代的作用，包括學(xué)生問題解決能力的智能評價、心理健康檢測與預(yù)警、體質(zhì)健康檢測與發(fā)展性評估，學(xué)生成長與發(fā)展規(guī)劃等。智能教師助理
人工智能將替代教師日常工作中重復(fù)的、單調(diào)的、規(guī)則的工作，緩解教師各項工作的壓力，成為教師的貼心助理。人工智能技術(shù)還可以增強教師的能力，使得教師能夠處理以前無法處理的復(fù)雜事項，對學(xué)生提供以前無法提供的個性化、精準的支持，傳授知識效率大幅度提升，有更多的時間與精力來關(guān)注每個學(xué)生的身心全面發(fā)展。STEM核心課程
融合課程更多地是整合科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)的知識，核心課程則是以科技或工程問題為核心，根據(jù)解決問題的需要，讓學(xué)生通過活動，組織所需要的科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)的知識，形成連貫、有組織的課程結(jié)構(gòu)。STEM核心課程偏重于知識的綜合運用，適宜于在學(xué)習(xí)分科課程之后進行，它主要是檢驗知識的運用，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用知識解決問題的能力。相關(guān)課程、融合課程是基于學(xué)科知識不同程度的綜合，相關(guān)課程通過尋找分科課程中知識之間的交叉點和共同點，對原有的學(xué)科課程知識進行重組，通過序列化串起這些學(xué)科的知識。相關(guān)課程依托分科課程，它不主張取消分科課程。而融合課程則主張打破原有的分科課程的界限，按照跨學(xué)科的邏輯，將各學(xué)科的內(nèi)容改造為以問題為中心組織課程。雖然相關(guān)課程與融合課程都以知識為取向，但相關(guān)課程更偏于獲得系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識，融合課程更強調(diào)通過學(xué)生探究，自主解決問題，促進學(xué)生對知識的理解和建構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神、掌握科學(xué)探究的方法，形成解決問題的技能和自主創(chuàng)新的能力。
核心課程不是知識取向，它圍繞著重大社會問題而組織。如何選取核心課程的問題，也有社會本位和兒童本位兩種不同認識。社會本位的核心課程以當前社會值得關(guān)注的、重要的社會問題，諸如環(huán)境污染、生態(tài)危機、人口增長、可持續(xù)發(fā)展等，來組織和編排不同學(xué)科的知識內(nèi)容，使學(xué)生通過這些問題的探索不僅學(xué)得相應(yīng)的知識，而且增強社會責任感。學(xué)習(xí)者(兒童)本位的核心課程，是充分考慮到學(xué)習(xí)者(兒童)的需要，以學(xué)習(xí)者(兒童)當下的生活與經(jīng)驗為核心，通過相應(yīng)的活動，在經(jīng)驗中尋找各學(xué)科整合的模式。核心課程“一般采用基于項目的學(xué)習(xí)模式(project-based learning)，以實踐性的項目完成為核心，將跨學(xué)科的內(nèi)容、高級思維能力發(fā)展與真實生活環(huán)境聯(lián)系起來”。
就STEM而言，相關(guān)課程、融合課程的知識整合取向和核心課程的社會本位、兒童本位取向側(cè)重點不同。但就設(shè)計STEM課程的初衷而言，主要是強化學(xué)習(xí)者創(chuàng)新實踐能力，所以，筆者認為社會取向的核心課程更為適合STEM課程。
社會取向的核心課程，第一，必須包含數(shù)學(xué)和科學(xué)。數(shù)學(xué)和科學(xué)是STEM的基礎(chǔ)學(xué)科。沒有數(shù)學(xué)和科學(xué)的基礎(chǔ)，STEM就可能成為創(chuàng)造發(fā)明課，甚至是低級的項目設(shè)計活動。因為離開了系統(tǒng)的科學(xué)知識，創(chuàng)造發(fā)明就成為無源之水、無本之木。雖然STEM不能局限于知識學(xué)習(xí)，但必須基于知識學(xué)習(xí)，而且是知識的綜合學(xué)習(xí)。其知識學(xué)習(xí)以科學(xué)和數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，且強調(diào)學(xué)科間的聯(lián)系。第二，以工程設(shè)計作為STEM課程的架構(gòu)。數(shù)學(xué)和科學(xué)是STEM的暗線，工程是STEM的明線。STEM就是要利用工程設(shè)計的整合作用，“所謂'工程設(shè)計’是工程師用于解決工程問題的方法，通常是指為了讓某種設(shè)備或過程服務(wù)于某種特定目的的最佳方案?！被诠こ淘O(shè)計的項目可以有多種選擇：任務(wù)項目、學(xué)科項目、問題項目。通過項目學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生對科學(xué)和技術(shù)的興趣，發(fā)展綜合運用知識和整合知識的能力。第三，STEM的課程要基于真實的情景。STEM工程設(shè)計面向生活，尤其是學(xué)生能夠接觸到的日常生活、社會生活，所要解決的問題必須是真實問題，做到真問題、真探究。STEM固然是一種融科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)為一體的課程，但如果這個課程不能夠運用恰當?shù)姆椒ㄟM行教學(xué)，也構(gòu)不成一個STEM課程。STEM課程其實施策略也有特定的要求。如同前面所述，STEM暗線是科學(xué)和數(shù)學(xué)，明線是技術(shù)和工程。科學(xué)和數(shù)學(xué)是技術(shù)和工程的原理和基礎(chǔ)，技術(shù)體現(xiàn)在工程之中。STEM課程基于工程設(shè)計的項目為架構(gòu)，利用工程設(shè)計整合課程內(nèi)容，產(chǎn)生具體項目，把科學(xué)、數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)知識和技術(shù)能力融合在工程項目之中。所以，STEM課程的學(xué)習(xí)要求一種基于問題的探究性學(xué)習(xí)，強調(diào)實踐探究與工程設(shè)計。這也是STEM中E(工程)的含義與要求。根據(jù)綜合運用科學(xué)、數(shù)學(xué)和技術(shù)的知識解決工程中問題的要求，STEM的教學(xué)主要步驟有：發(fā)現(xiàn)問題
STEM學(xué)習(xí)是探究性學(xué)習(xí)，探究必須從問題開始。STEM的問題是基于生活情景的真實問題，這個問題可以由教師給定，也可以學(xué)習(xí)者自己發(fā)現(xiàn)。教師給定的，屬于驗證某個結(jié)論的，這樣的探究具有模擬性。學(xué)習(xí)者發(fā)現(xiàn)的問題，如果沒有一定的限定條件，與科學(xué)家發(fā)現(xiàn)問題完全一樣，本身不是學(xué)生的學(xué)習(xí)。因此，STEM的問題既需要開放和創(chuàng)造，也需要一定的限定。教師要在一定的條件下引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，發(fā)現(xiàn)問題是STEM的開端。提出假設(shè)或設(shè)計方案
科學(xué)假設(shè)是科學(xué)理論的一種可能表達。科學(xué)研究之所以不是盲目的嘗試，就在于它是有根據(jù)的，是一個提出假設(shè)、求證假設(shè)的過程?？茖W(xué)假設(shè)是根據(jù)已有的科學(xué)知識和觀察到的事實，對所研究的問題提出的一種猜測性陳述、一種可能性的解答。假說是一種猜想，但不同于無端的猜想，它是基于已有的科學(xué)知識和新的科學(xué)事實作出的一種科學(xué)假定，因此，假說是科學(xué)性和假定性的統(tǒng)一。提出假設(shè)固然要基于科學(xué)原理和事實，但假說的提出更需要思維的提煉。對于工程問題而言，提出假設(shè)的過程也是制定方案的過程。科學(xué)求證或?qū)嵤┓桨?/strong>
假說是否是真理，需要科學(xué)驗證。這種驗證需要收集證據(jù)，需要對證據(jù)進行分析和驗證，需要科學(xué)實驗，也需要邏輯思維。證據(jù)收集是科學(xué)求證的第一步。證據(jù)可以來自于觀察，也可以來自于實驗，還可以基于科學(xué)原理的邏輯推理。求證過程中，需要對證據(jù)進行驗證，顯示其科學(xué)性。對于工程問題而言，就是要把設(shè)計的方案付諸實施，從而驗證方案。如果無法驗證或者驗證不成功，就需要返回到步驟2，重新提出假說。因此，STEM是一種基于證據(jù)的學(xué)習(xí)。
得出結(jié)論或評估方案
科學(xué)假設(shè)通過科學(xué)求證和數(shù)據(jù)分析，對假設(shè)進行驗證：假設(shè)是否成立，是否需要修正，等等，都需要通過科學(xué)驗證后得出定論。由于科學(xué)研究的復(fù)雜性，一次實驗求證不一定都能得出確定的結(jié)論。因此，它需要不斷修正方案，不斷進行驗證，進而不斷地修正結(jié)論。對于科學(xué)研究來說，這個過程看中的是結(jié)果，但對于STEM的學(xué)習(xí)而言，過程比結(jié)果重要，因為在過程中培養(yǎng)了學(xué)生的探索精神和解決問題的能力。對于工程問題而言，就是要根據(jù)方案的實施情況對方案進行評估，驗證其效果，進而進行修正和完善。反思分享
從提出問題到得出結(jié)論，是科學(xué)研究的完整過程。但作為一個教學(xué)策略，STEM還應(yīng)該有一個反思分享環(huán)節(jié)，通過這一環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)者對自己發(fā)現(xiàn)問題、驗證問題和得出結(jié)論中的經(jīng)驗和錯誤做出分析，提煉成功經(jīng)驗，促進解決方法的可遷移性，提升學(xué)習(xí)遷移能力。同時，與學(xué)習(xí)者共同的分享交流有助于產(chǎn)生新的觀點，發(fā)現(xiàn)新的問題。當然，STEM教育有多種類型，有學(xué)者列舉了驗證型STEM、探究型STEM、制造型STEM、創(chuàng)造型STEM，不同類型的STEM，其教育策略有所不同。不管哪種策略，都要使學(xué)習(xí)者經(jīng)歷完整的科學(xué)研究過程。但STEM作為學(xué)生的一種學(xué)習(xí)方式還不可能完全像科學(xué)家那樣創(chuàng)新，它需要教師的指導(dǎo)和提供一定的典型材料，設(shè)計一定的結(jié)構(gòu)化程序。從驗證型STEM到創(chuàng)造型STEM，研究的成分越來越強，因此就是要不斷減少教師的指導(dǎo)，增強學(xué)習(xí)者的自主性和創(chuàng)造性。STEM的學(xué)習(xí)就是要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，實現(xiàn)從驗證到創(chuàng)新的突破。創(chuàng)新型STEM教育就是要綜合運用知識，完成一個創(chuàng)新物品的設(shè)計，其進一步的發(fā)展就是創(chuàng)客教育。在對STEM知識的綜合運用和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)上，創(chuàng)客教育和STEM是相同的，只不過STEM教育面向中小學(xué)生，更強調(diào)STEM素養(yǎng)的養(yǎng)成，為成為創(chuàng)客奠定基礎(chǔ)。創(chuàng)客教育強調(diào)創(chuàng)造新的產(chǎn)品。與創(chuàng)客教育相比，STEM還需要教師對學(xué)生的指導(dǎo)，尤其是驗證型STEM，教師的指導(dǎo)應(yīng)該更多一些。
