对美国K—12学段“STEM”教育的观察与思考

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摘要 对美国“STEM”教育进行了追本溯源，以一名赴美教育考察物理教师的视角，从“S、T、E、M”四个方面阐述了目前美国K-12学段“stem”教育宏观集成、微观分科的实施状况与突出优势，通过与我国中小学科学教育现状的对比，提出了我国中小学科学教育应加大对科学本质教学的关注，加大对工程、技术教育关注的观点与思考。

关键词 “STEM”教育 科学教育 物理教学

“STEM”是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）英文首字母的缩写，“STEM”教育是美国的一种教育集成战略，把原本分散的科学、工程、技术和数学四门学科融合起来形成一个新的整体，旨在促使学生运用学到的各学科知识，探究相互联系的真实世界。美国K-12学段，相当于我国的小学到高中，美国K-12学段的科学课程包含生命科学、地球和空间科学、物质科学的内容，相当于我国中小学物理、化学、生物三门学科的内容。由于工作的原因，笔者曾赴美教育考察，从物理教学的角度，对美国K-12学段“STEM”教育的实施状况有一些切实的感受、理解与思考，现成此文与读者交流、共享。本文从美国“STEM”教育溯源、美国K-12学段“STEM”教育实施特点以及对我国中小学科学教育的启示三方面加以阐释。

美国“STEM”教育溯源

“STEM”是一个相对比较新的缩写方式，2007年之前，常用的缩写还是“SMET”。早在1986年，美国国家科学委员会（NSB）发表报告：《本科的科学-数学和工程教育》，首次明确提出“科学-数学-工程和技术教育集成”的纲领性建议，“SMET”集成被视为“STEM”教育集成的开端。1996年，美国国家科学基金会（NSF）对美国大学科学、数学、工程和技术教育的十年进展进行回顾和总结，发表了报告《塑造未来：透视科学、数学、工程和技术的本科教育》，报告中提出了大力培养K-12教育系统中“SMET”的师资问题，并提出了学校、地方政府、工商业界和基金会的合作建议。2007年，国家科学基金会（NSF）报告《国家行动计划：应对美国科学、技术、工程和数学教育系统的紧急需要》，开始将四门学科统称为“STEM”，四门学科顺序的调整反映了一种“倾向于应用”的教育哲学变化。报告中指出：加强国家层面对K-12阶段和本科阶段“STEM”教育的主导作用，提高“STEM”教师的水平和相应的研究投入。自此，“STEM”教育从本科阶段延伸到中小学教育阶段。

自2007年至今，美国政府不断加大对“STEM”教育的关注与投入。对“STEM”教育的政策和资金支持被美国参众两院写入《美国创造机会以有意义地促进技术、教育和科学之卓越法》，后被称作是《美国竞争法》，美国国家科学院研究委员会和美国州长协会不断出台具体的行动策略指导文件，“STEM”教育成为当前美国基础教育改革的重点。

那么，“STEM”教育在美国K-12学段的实际教学中实施状况如何呢？

“宏观集成、微观分科”的美国k-12学段“STEM”教育——“S、T、E、M” 实施面面观

美国“STEM”教育是一种宏观上的教育集成战略，具体到每一节课，其实并不是四个方面永远都面面俱到。从科学本身的内在逻辑和人本身的客观认知规律来说，在每一节课里求集成是不现实的，也是不可能的。所以美国绝大多数学校K-12学段的科学课大多是比较单纯的“物理、化学、生物”课，数学课也是独立上课，也有少数“STEM”高中开设特定的“STEM”课程。但无论哪一节貌似分科的课程，都强烈反映出“STEM”教育集成思想的强势渗透。作为一名中学物理教师，下面更多借助物理教学的实例，从物理教学这一窗口透视美国“STEM”教育的“S、T、E、M”四个方面。

1.美国的科学教学（“S”教育）非常保护科学知识的“存在生态”

美国的科学教育更想揭示出科学原理在生活中的存在，在科技中的存在，更想引导学生认识到科学存在于真实的现象之中，而不是课本中、习题中。美国的科学课程教师非常注重实验，科学课上科学教师会设计丰富的实验，带领学生到生活与科技中找科学、学科学、用科学。

美国科学教学中实验意识很强，以至于到了“自觉”使用、习以为常的程度，而且实验贴近生活，贴近技术和工程。比如讲流体动力的成因，教师把弯折成“m”形状的饮料吸管插入到大水杯中，只吸一下，水就从大水杯源源不断地到流到下面盘子中。看到水能沿着管子自动地、持续地先流向高处，再流向低处，学生感到非常好奇；之后，教师让学生自己亲自体验虹吸现象，用胶皮管把一个水箱中的水取出来；进而分析飞机飞行过程中托举力的原因，物理知识深度触及到气压与空气流速的关系；然后与学生合作进行龙卷风的实验模拟，最后引导学生总结出这些现象所共同的动力来源类型——大气压力差。飞机在美国的交通中起着非常大的作用，连俄勒冈州尤金市这样的小城市都有机场，笔者的美国朋友把坐飞机往返于美国各城市之间戏称“打空‘的’”。美国也是一个海岸线比较长的国家，海啸、龙卷风时有发生，所以美国的物理课堂从不回避这些离技术、生活很近的内容。对比而言，这些内容在我国高中物理教学中都是常识性介绍，甚至连介绍都可以不做，因为考试不会考到。

美国科学课堂对实验的探究都给与充分的时间保证，舍得给学生充分的时间做实验，指导学生处理数据。在美国的科学课堂上很少看到做习题，更多的是真实的实验、测量、研究测出数据之间的关系。笔者参观的一节物理课，是让学生探究一下合力与分力的关系，一整节课学生都在全神贯注、有条不紊地用不同的实验装置做实验，测量、画图、找规律，时而操作，时而托腮思考，时而看看其他小组同学的实验，交换着动手做一做。除非学生邀请，教师一般不干扰学生的活动。经过一整节课对不同实验器材支持下的力的合成规律的观察与实验，学生更多思考的是现实生活中哪里有力的合成，力的合成规律是否一样。

美国的实验教学静静阐释了科学的存在、科学的本质和科学与科技、工程的表里相依，相应的也静静提升了学生的科学素养和工程、技术素养。

对比而言，我国目前中学阶段的理化生学科教学，仍存在着所谓“高效课堂”的误区，大容量、快节奏仍很受教师的追捧，学科教学沦落为习题教学的现象还相当普遍，上述现象则导致所传授的理化生科学知识很大程度上是靠强化训练支撑的“信息”类型的知识，而非根植于丰富表象、鲜活具体的科学现象和神奇的自然规律，造成虚假的“高效”。

2.美国工程技术教育在“STEM”教育集成中凸显优势

美国的中学都有专门的工程技术课，设备种类非常丰富，进了美国的工程技术教室，笔者和国内考察的同行，都误认为参观的是职业高中，直到在每所高中都看到工程技术教室，才感受到美国对工程技术教育的重视，感受到美国对培养学生工程技术素养的关注。

在美国的工程技术教室，可以看到废旧的汽车从大到小的零部件，可以看到很多叫不上名字的各种机床，可以看到一些机电一体化的小型流水线和各种技术工具，如技术用卡尺等。高中工程教室中设备的丰富程度甚至超过我国工科大学的实验室和实习车间。笔者还注意到，工程教室里呈现的机械带有本土化的地域特征。比如，美国俄勒冈州在太平洋的西海岸，气候温暖潮湿，森林资源比较丰富，那里的工程教室里木工机械就更多一些，木工技术的教学也更普及，学生使用的滑板车有很多都是学生自己动手制作的；而在密歇根州，冬季气候寒冷，工程教室就会出现废旧的雪地摩托的结构部件。

美国从学校的工程教室到校外的博物馆，所有观赏类机械的零部件都去掉外壳，尽量内芯，便于学生观察研究。在密歇根州凯特琳大学（Kettering University）走廊里的一个小小的休息厅中，茶桌旁边都摆放着一个机械，供学生茶余休息时赏研。

这所大学的学生四年中有一半的时间都在工厂带薪实习，有上百家企业和这所大学合作教学，它的工业工程专业全美排名第一，机械工程专业全美排名第二。

带着对美国工程教育的钦佩和好奇，笔者曾采访美国牛津高中（Oxford High School）的工程老师，他是底特律大学工程学硕士，笔者问他K-12学段的工程教育给学生带来的改变是什么？他回答说：工程教育为将来向工程方向发展的学生作更多的知识储备、必要的能力准备，也给学生带来了思维方式的改变——从注重结果到注重实现的过程。是啊，理论计算可以实现的过程，在现实中究竟怎样做才能实现呢？他的这一番话颇耐人寻味。

比较而言，在我国的教育体制下，即使是大学理工科学生，大学期间理论课的学习都会大大强于实验与实习，见到的实际机械较少，更不要说方便地进行研究了。至于中学阶段的工程教育，恐怕更难摆脱应试教育的困扰，甚至只能在习题中做“纸上工程”了。

3.美国科学教育中的数学教育明显薄弱，而在数学教育中融入科学非常突出

笔者在美国考察期间，感受到了各个学校展示“STEM”教育集成的想法，发现展示的重点都是科学教育中工程、技术教育的特色，科学教育中的数学教育明显不足。

以物理教学为例。在美国的物理课堂，数学逻辑推演大大少于我国，对数学思想的点拨与明示也很少见，在物理课堂中感受不到数学是展现物理学理论最重要的语言，感受不到数学与物理学相互依存的关系。由所参观的学校联想到，全美k-12学段“STEM”教育中数学是怎样集成进来的？集成的状况又怎样呢？带着这个好奇，在中密歇根大学（Central Michigan University），笔者曾现场提问刚刚做完“STEM”教育讲座的教授：在美国的STEM教育中，是如何体现数学融入的？教授回答：比如用公式、图像表征物理规律，没有说出更多。把数学仅仅作为物理概念规律表征的工具和计算的工具，那远远不是数学于物理学的意义所在，随着对物理学的深入学习，数学的发展将与物理学的发展越来越紧密地联系在一起。总的来看，美国科学教育中的数学教育明显薄弱。

美国科学教育中数学教育的薄弱，与我国科学教育中工程、技术教育的薄弱相似，有着历史的原因，都不是国家一提倡就立竿见影的，恐怕也要经历一个转变的过程。

但是，美国数学课上的科学教育却做得“润物无声”，物理学给数学提供了大量的科学素材。笔者曾听了一节指数函数的课，那位数学老师先从参观团请出一位志愿者，用温度传感器测他的体温，然后取出，电脑实时记录温度的变化，然后拟合成曲线，呈现出指数函数的规律。之后再对指数函数展开讲解和练习，最后让学生分组用教室中的微波炉加热咖啡，取出后用温度计定时测量并记录咖啡温度的变化，列表，绘制图像，体会指数函数在生活中的存在。

笔者认为，不论是科学课中融入数学，还是在数学课中融入科学，都从不同的侧面同样体现数学与科学教育的集成思想。

在我国，考试文化仍然深刻影响着教育文化，习题教学替代科学教学的问题依然不同程度地存在，而物理习题中的数学推演、数学知识与方法的应用相当普遍，甚至会出现一道物理习题没有重在体现物理，反倒更加依赖数学能力的现象。因为纸笔考试对逻辑推理能力的要求较高，必然导致物理教学中对数学的关注也相对较高。总体而言，我国科学教育中对数学的关注程度强于美国。

4.社区和自然界都是美国科学教育的教科书

在美国，博物馆有效发挥着课外教育资源的作用。在俄勒冈州立大学的海洋研究中心，有很多的科学教育体验设施，如模拟海啸实验设备、龙卷风的参与性互动实验等。在底特律的汽车和工业博物馆里，同样有大型的机械设备和科学体验设备，供学生观察和实验。这些博物馆每周有两天对学生免费开放，参观博物馆是K-12学段科学课的一种常见的上法。每个州还有全州共享的实验室资源中心，这个州的所有中小学都可以免费借用这些实验资源，享受实验资源中心的教学指导服务，在那里学生可以亲自体验传感器等技术在现代生活和技术上的前沿性应用。

此外美国“项目引路”机构（PLTW）推出的“STEM”课程，使学生以活动为基础，以项目为目标，基于问题解决的学习，获得实践性的课堂体验，被美国教育部部长邓肯称赞为“STEM”教育的卓越模式。这一课程学习的空间不仅仅局限在学校，根据项目的需要可以在动物园，可以在大学的研究中心，可以在学校附近的池塘。

而在我国，学生更多是在教科书里认识社区和自然界。可能出于安全等诸多顾虑，学生走出校门学科学的活动是非常少的，体验科学在现代生活和前沿科技上的应用更少之又少。即使走出校门开展一些社会实践活动，活动的目标模糊，对科学的学习和研究要求甚至可有可无，只要安全即可，科学教育的主阵地基本还局限在课堂，局限于习题分析。有研究表明，现在的高中生甚至看教科书的时间都越来越少了，取而代之的是看教辅书籍，是做习题集。

美国“STEM”教育对我国中小学科学教育的启示

相对于美国“STEM”教育所表现出的优势，显然，我国的科学教育应该加大对科学本质教学的关注，加强科学与工程、技术综合教学的有效、长效的实践探索。

科学教育加大对科学本质的关注，需要完成几个转变：从为知识而教转向为理解而教，从关注学生解题能力转向关注学生对科学概念本质的理解，从关心学生考试分数转向关心学生科学素养，从短期“高效”的教学模式转向扎根的、长久的提高科学素养的教学模式。在这个问题上科学教师缺少的可能不是理念，而是面对短期外在评价的困扰静静坚守的教育信仰和探索的实践行动。

就我国中小学科学教育的实施现状而言，加强科学教育与工程、技术的综合，应该是一个更为沉重的话题。需要唤起公众的工程与科技意识，就像唤醒公众的健康意识一样，需要有明确的教育目标和评估机制，需要相应素质的教师，需要更多的政策和资金支持。但是，随着社会对劳动力技能需求的提高，随着国家科技强国、创新人才战略的日渐深入民心，相信我国基础教育的改革，必将应着21世纪全球科技竞争力的需要而推进，我国科学教育中的工程与技术教育也一定会扎实有效的开展起来。

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