透视科学中的探究及工程与技术中的问题解决
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引言
正如上面这句引文所述，青少年要想成为当今世界的参与者，应当尽早了解包含科学、工程、技术和数学的STEM学科。因此小学教育中这些学科的高质量将会极为重要，应该逐渐培养起5～11岁青少年对这些学科的兴趣，对其基础知识和实践过程的理解，以及认识到它们与生活实践的联系。这些STEM的学习经历将给予他们在找寻机会及面对挑战时一个条理分明的智力与实践的框架。同时，该经历使得青少年们能够提升并很好地使用从那些学科中得到的经验与观点。
在这篇文章中，我们希望：
・阐明STEM教育的主要目的
・通过3个维度（实践、跨学科概念、学科核心概念）讨论这些学科的本质。
本文将聚焦在STEM中的科学（S）、技术（T）及工程（E）。当然，数学（M）的重要性不言而喻，无论将它作为单一学科还是STEM的组成部分，我们并不会刻意地去贬低数学的重要性。相反。我们坚信数学是青少年高质量教育的基础。数学在科学、技术及工程中的应用使得它们能够更好地结合在一起。数学知识与应用数学的能力更是在我们探究，以及解决关于科学、技术、工程问题的过程中起到了关键作用。
科学从本质上说是探究。科学探究是科学所有分支学科的核心特征，因为这是科学知识产生和被证实的途径。对于科学家们来说它是黄金标准，使得科学家们明白了他们是如何掌握科学知识的，以及可以证明科学家们所掌握知识的证据。因此，科学探究是为了建立知识和理论而产生的一种科学的策略。用《美国国家科学教育标准》（National ScienceEducation Standards，USA，1996）的话说，科学探究是“科学家学习自然世界、基于工作得到证据，提出解释及理论的众多途径”。
工程和技术聚焦在改变自然和人造世界，旨在解决问题或满足人类的需求。通过工程和技术设计创造解决问题的方案。科学探究是科学的基础，设计过程是工程和技术的基础。正如科学探究使科学领域蒸蒸日上，工程及技术中解决问题的方案也通过设计过程得以延伸和发展。
但是，在现实世界中，科学、工程、技术的主要方面并没有相互脱离。科学知识的产生表明了问题或许可以通过工程和技术得到解答。相似的是，工程和技术解决问题的过程同样影响着科学知识的发展，甚至有时产生了新的科学知识。就青少年而言，我们需要让他们理解这些学科之间的基本差异。同样重要的是还要帮助他们认知这些学科之间的紧密关系。
STEM学科的维度
我们使用美国《K-12科学教育框架》（AFramework for K-12 Science Education；Practices，Crosscutting Concepts，and CoreIdeas，2012）中所述的实践（Practices）、跨学科概念（Crosscutting Concepts）及学科核心概念（Core Ideas）比较这3个学科的内容。在每一个学科中，这些维度都紧密联系在一起，每一个维度的缺失都将影响整个学科。也就是说，为了让学习活动能够真实，3个维度的内容都必须清楚明白地体现在活动设计中。
实践――与成功的科学、工程，技术相关联的实践或能力
用“实践”一词代替“探究能力”，是因为在科学探究和解决问题中会同时用到知识和技能。而用“探究能力”一词会让人感觉这排除了解决问题。其实“实践”超越了“能力”，它包含着讨论、争论、评论和科学模型的建造等，它将有关专业人士是如何将实践应用到工作中的综合观点呈现在了眼前。
几十年来，科学教学经历了强调科学探究能力与学习科学事实之间的紧张期。过于强调对事实的认知会使得学生们认为科学与其他学科只不过是一些孤立的信息、做实验或解决问题的简单步骤而已。这将是对任何学科的极大误解。因此，关键是要让学生们实践那些专业人士在这些学科中所应用的，这样做是为了让他们能够明白学科核心概念和跨学科概念。
表1列举了STEM中的实践。需要强调的是在现实生活中这些实践不会呈现线性规律。例如，尽管基于证据的论证被单独列出，实际上论证却渗透在每一个实践中。在实际的科学问题上或是在一个能导致深入理解的现象中都会有论证的出现；在工程和技术中，对于要解决的问题需要论证，在解释、设计过程或得出解决方案时也会有论证的出现；在标准与限制下，讨论哪种解释最符合证据，或者哪种设计能得到最好的解决方案也是论证。总的来说，实践应聚焦于它所用的不同情境。
事实上，这张表中最突出的是科学、工程和技术的实践非常相似。我们都知道科学家们使用这些实践的目的与工程师、技术专家并不相同。但是，在科学、工程和技术中，在实践层面高度的共通性不仅有用，且说明了这些学科交叉的可能性。其实，在科学、工程、技术中差异还是存在的，如科学上的“提出问题”在工程和技术中被“定义问题”所代替；同样，科学中的“构建解释”在工程和技术中变成了“设计解决方法”。
・提出问题vs.定义问题
如果我们认为根据现象提出问题是一个科学活动的“发动机”，那么定义和澄清问题便是工程、技术和一些数学实例中很重要的因素。
好奇心，或者认识、理解，并用科学问题解释现象的欲望常常可以激发科学。对于科学的好奇心显示了科学问题的架构。比如说，学生会想知道“月亮离地球多远”或者“车从一个地方到另一个地方需要多久”，“什么导致了月食”，“如果每天都用浓盐水浇灌植物，它们会怎样”……所有这些都是科学问题并且都可以用科学的方法回答。
工程则集中在问题的阐明与定义上。通过对产品和过程的工程设计解决问题并满足社会的需求。工程师通过定义问题，得到在一定条件限制之内成功地解决方法的标准。同样地，技术最初的焦点也是在识别和定义问题，以此符合人们的需求和技术的专业性。
当然，上述讨论不应该与表中其他实践所产生的问题所混淆。比如在分析和解释数据的实践中会产生诸如“是否科学探究活动会回答最初的问题”，“是否是基于证据提出的解释”，当然也可能是由工程和技术设计的解决方案中不同方法的可行性问题。因此，对于所有的STEM学科，都会遇到与数据收集、解释数据相关的问题。还有些问题是关于信息的交流是否可以达到预期的精准和标准。其中有一些问题可以导致回答一个科学问题的多种方式，或是不同等级的问题解决方案。有时，这种问题会导致那些产生原始设计和科学问题的模型发生改变。根据这些问题的答案，有可能做出放弃之前提出的实验或设计方案的决定。
・建立解释vs.设计解决方法
对于科学，一个很重要的目的是在测试和证据支持下建立科学的解释，以帮助我们理解周围的世界。这样做，科学家们发展出建立在大量重要的知识、测试和数据之上的科学理论。他们用理论或是模型解释现象，预测现象，提升并修改他们之前的知识和对这些现象的理解。科学的解释在观察、数据和科学理论间建立有逻辑的连接。例如：一个有名的科学理论是“微生物理论”。在这个学说中，传染性疾病是由病人身上叫做细菌的微小生物导致的，不同的细菌会产生不同的疾病。如果细菌从一个生病的人传播到一个健康的人身上，它们就可以在这个健康的人的体内传播。人们可以通过消灭这些细菌或者减少它们导致疾病的活动得以康复。很多支持这一理论的证据从成千上万个病例中累积起来。因此某一个人的病症可以被判断为有传染性或是没有，并能被判断为是由某一种特定的细菌导致的，从而可以依据理论和数据的基础确定治疗方法。通过在证据基础上建立理论或者理论模型的过程，科学家们增长了对现象的认识和理解。
但是工程和技术的目的是为了创造一种设计并解决问题，从而满足人类的需求。就像科学中理论的建立一样，工程设计是一个具有系统性和生命力的思考过程。具体的活动包括在工程设计之中，然而即便工程师应用了科学知识，工程设计的过程却与科学探究完全不一样。在定义问题后，他们不得不去考虑必须达到的标准或设计的特点。例如在建桥过程中.他们需要考虑桥的组成部分、控制装置、预期的长度与高度、最大的承载量等。除此之外，他们必须考虑限制条件，如可获得的资源、完成的时间和环境条件。不论是“好”，或仅仅是“还可以”，他们需要在限制条件和解决方案的质量间作出基于权衡的重要决策。在所有的决策中，工程师们需要应用科学、技术和数学的知识。对于所有的目的而言，技术设计和工程设计是一样的。但是，我们意识到技术是由经验、磨炼与学习所导致的，而并非科学。在这些情况下，它比设计更强调工艺。
跨学科概念
有一些概念在所有的STEM学科中都会出现，甚至出现在其他的学科中，这就是跨学科概念。它们产生干阐明各学科核心概念的现象或者问题的过程中。它们有助于理解观察和在数学思维、问题解决方案中建立理论。跨学科概念不是存在于真空中，因此，这些跨学科概念不应该在孤立的调查或问题解决情境中学习，尤其是它们与学科核心概念的发展密切相关。
不论是科学家、工程师、技术专家，还是数学家，这些跨学科概念在看待世界上各种现象时可作为有力且全面的框架。因为它们超越了不同STEM学科之间的边际，它们也被称为统一的概念。我们将它们列在表2中，并提供简洁的说明。
学科核心概念
学科核心概念即是几个学科的核心主题。如物质科学中，有很多概念与物质特征、力、运动有关；在生命科学中有关的则有生物体的生长与发展、与环境的相互依存和适应等。与其相似的是，在地球与空间科学中，有一些概念例如地球、太阳系、天气和气候。工程与技术中的核心概念涉及定义问题并设定问题的边界、提出问题的解决方案，以及了解科学、工程、技术三者之间相互依靠的关系。
当然，与其在基础的科学、工程、技术中讨论学科核心概念，倒不如用4个标准说明什么是学科核心概念。这个思想来自于《K-12科学教育框架》，它告诉我们学科核心概念应该是：
・在横跨科学、工程、技术等多学科时具有广泛的重要性，或者是在单一学科中扮演重要的组织作用
通过这些核心概念，学生们学习了科学知识和对自然事件的解释，例如空气、水、矿物、生物、煤燃料、油燃料等，学习了关于可再生资源和不可再生资源的消耗。在工程设计中，明白了他们所用的自然和人造事物的性质，以及如何去使用它们。他们考虑了产品和生产产品过程中的环境影响。例如，建造桥和生产食物产品的方式对于资源的分配和获取的影响。
・提供理解或调研复杂观点和解决问题的核心工具
对例如材料、能量、燃料的自然资源的学习是学习更复杂知识的基础，如对于物质本质的理解（原子的运动与排列解释了不同材料的性质）；能量可以以电、化学、磁及力等形式存在；自然资源的获取影响着工程和技术的产品，人类住处与自然资源的分配和适宜的天气条件密切相关等。
・与学生们的兴趣和生活经验息息相关，或者是可以联系到需要用科学技术认知思考的社会和个人的观点
这是选择学科核心概念的重要一条，因为这些将与学生的生活息息相关。如学生学习生活中可接触到的事物的性质，以及可以改变事物性质的情况，学习能量的类型和能量的影响，并联系他们的人生经历；学习有生命的事物是靠什么生存并生长的；学习人类是怎么利用原材料制造产品和设施的，例如食物、玩具、桥、楼房、自行车。以及各种工程和技术的其他产品；他们还会学习自然资源的短缺是如何影响他们生活的，比如没有规律的雨水、矿物和粮食作物。
・在逐步提升知识深度和复杂度的多种等级中，要做到可教且可学
当孩子们进入小学时，他们了解不同的材料和它们各自的价值。而在小学的前期，他们的学习包括对事物和状态（固体、液体、气体）、天气和一些自然和人造事物的科学认识。在小学的后期，他们会学习由看不见的颗粒组成的物质（空气有重量但是看不见）。在更后期，他们会学习化学，如金属和塑料在不同情况下的用途，他还会根据测量性质识别不同的材料；在生命科学中，他们学习关于人类活动对于地球和生态系统，例如土地、空气、水质和生物多样性的影响。在教育的所有等级中，他们会学习开发自然资源是有益处的，但是这种做法会导致资源的短缺，这归根于不可再生资源的耗尽。
STEM在小学的实施
近期，小学的课表中将数学单独列出，再从基础学科（生物、化学、地球空间、物理）中提炼出综合主题，以及一些属于工程和技术的主题。但是在“科学”的标注下，在没有向他们展现如何将一类主题知识与其他STEM主题知识串联在一起的情况下。孩子们学习了每个主题下的事实。除此之外，也很少尝试将孩子们每天的经历当作是一种学习科学的途径。这些情况或多或少偏离了本文上述的观点与期许，我们要尝试改变这样的情况，希望本文的讨论能让我们从实践、跨学科概念、核心概念的视角思考科学、技术、工程和数学的整合。