STEM教育对中国培养适应21世纪的复合型创新型人才的启示
北 京 景山学 校 吴俊杰
教育部教学仪器研究所 梁森山
美国弗吉尼亚理工大学 李松泽
奥巴马政府目前正在教育领域中着力推动着一场可能影响美国未来教育走向的行动计划——STEM教育，在Google搜索引擎中搜索“STEM education”可以搜索到多达91，600，000个搜索结果。STEM教育中的STEM是四个英文单词的缩写“science，technology，engineering，mathematics”即“科学，技术，工程学和数学”，这是四个彼此独立更彼此关联的领域，在现代科技竞争中具有主导和引领作用1。
与STEM教育相关的概念是“STEM field”即STEM领域，这一概念由美国国家自然基金提出，这是一种新的对科学分类的认识，即不仅仅关心条块清晰的传统学科，更加重视学科之间的交叉，例如生物学可以和数学结合，地质学可以和工程学结合2。在STEM领域的专业人才应该是一种复合型人才，应该可以融会贯通多个学科3。STEM领域这一概念的提出反映了美国对21世纪世界科学技术发展的敏锐洞察力。
美国政府将培养STEM领域的专门人才的浩大工程，作为一项重要的国家战略来实施，在各种STEM教育的网站和论文中，看到的最多的就是“推进”一词，那么美国政府为什么要大力推进STEM教育，STEM教育会对美国教育界产生怎样的影响，以及对中国教育的启示将是本文着力试图阐释的问题。
一、STEM教育产生的背景
1.国际背景
教育是社会需求的产物，任何一种教育运动或思潮的产生，都必有其社会背景。进入21世纪以来国际社会局势正朝向多极化、全球化的趋势发展，美国正面临着来自全球的竞争。作为一个具有反思精神和危机感的民族，树立其在国际竞争中的核心竞争力，成为其重要的国家战略。
反观历史，上一次美国大幅度地重视科学教育，发生在美苏争霸时期，1957年苏联率先发射了人造卫星以及将宇航员送上太空，使得美国上下极为震惊，美国政府和民众开始反思其科技领域的政策，在教育界掀起了课程改革运动，大幅度增加了理科教材的难度，虽然这一教育运动后来在操作上存在很大的难度，没能持续下去，但是客观上提高了参与教学改革计划学生的科学和数学水平，为美国打赢美苏争霸这场世纪冷战，进行了人才储备。
在人类进入新的千年前后，美国意识到自己的国际地位将会受到新型经济体的挑战，为了应对这一可能出现的威胁，出现了许多旨在“面向二十一世纪”的人才培养战略，发展STEM教育就是其中之一。如果说在2000年之前，美国提出STEM教育的思想，还是出于一种“危机感”，对可能出现的国际竞争作出预设。从2000年到2008年美国经济仍然是世界经济的发动机，但是现在，经历了阿富汗战争、伊拉克战争和金融海啸之后的美国，面临的却是实实在在的挑战——来自新兴经济体的全面挑战，STEM教育的紧迫性大大增强。
2007年美国公布了“美国竞争力行动”America COMPETES Act of 2007，该计划认为，美国如果在今后的经济领域竞争不过其他对手应该归咎于今天对科学、技术、工程学和的忽视和这一领域的劳动力发展的投入不足。
2.科技背景
自文艺复兴以来，科学的各个领域开始出现分科的趋势，物理学和化学等自然科学逐步形成其具体的体系，分科使得研究更为深入和也更加专业，极大地促进社会的进步和学科的发展。但是，目前在传统学科中，交叉融合的趋势愈发明显，近些年来，诺贝尔化学奖和生理学奖的交叉体现了这一趋势，新兴学科如，量子信息学、量子化学的出现，是的这一趋势愈发地明显。
三次工业技术革命，极大地发展了生产力，特别是伴随着以信息技术为代表的第三次科学技术革命的到来，信息技术渗透到原有的科学技术领域，极大的改变了自文艺复兴以来科学技术的格局。目前几乎所有的科学技术研究都需要依赖计算机和现代信息技术的帮助。可以说信息技术成了打通科学技术各个领域的通行证，计算机语言成为人类表达、拓展、传承自身智慧的重要方式。信息技术成为一种交流的语言，一种创新的原动力，成为社会发展的重要力量。美国国家自然科学基金对信息技术领域定义为“Computer & Information Science & Engineering”即“电脑、信息科学及其工程”可以看出信息技术在STEM教育中对科学、技术和数学的辐射和联结作用。
3.教育背景
第二次世界大战以来，特别是苏联解体之后的美国，经历了20年的“无忧无虑”的生活，美国民众养尊处优的意识渐浓，娱乐至上的流行文化，侵蚀着美国青少年的学习热情和进取心。一个优秀的高中生很有可能会选择成为一个律师甚至体育经纪人，而不愿意选择更需要耗费脑力，学起来更辛苦的理工科专业。用脚投票的结果导致了科技领域人才的匮乏。
具体的数据是，美国学生的科学技术和数学水平在全球竞争中并不占优势，在国际学生评价项目（PISA：Programme for International Student Assessment）中，美国学生在科学、数学和阅读方面均没有进入前十。许多机构都期望通过课程设计，将各种社会资源用于教育中，其中最突出的是美国国家航空航天管理局（NASA），它专门建设了STEM课程。像PTC和乐高这样的国际公司和FIRST这样的工程教育组织，也在从他们的专业领域出发，提供STEM教育资源。
教育主管部门也认识到，STEM教育的落实最终要落实在学生的能力上，使得课堂的教学内容和教师的教学行为发生变化，因此很多机构着力于STEM教材的开发和教师培训上。由美国教育部和自然科学基金联合发起的美国STEM教育联盟，着力于统合各种STEM教育资源。美国各州，都开始了STEM教育的教师培训计划。但是STEM教育的落实还包含着诸多难点，将会在后文中得以阐述。
4.劳动力需求的变化
科学家、工程师和技术工人是21世纪在科技领域处于主导地位的人力资源。国家的核心竞争力究其根本是人才的竞争。美国意识到在中学和大学的STEM教育的不足，会导致这一领域的劳动力数量和水平的下降，导致科技竞争力的下降。举例来说，在美国销售人员的工资收入很高，因此很多人选择度商学院，但是“人人都去卖产品，谁来开发产品呢？”“STEM”领域人力资源的不足，在国际竞争日趋激烈的今天，显得如此地明显。因此。STEM教育在美国是一场影响中学和大学教育的一体化运动。一个受教育者如果能够在STEM的各个领域都有所了解，然后结合自身的兴趣，在其中一个领域做到最好，他就一定是21世纪决定国家竞争力的复合型创新型人才。
二、STEM教育对中国培养适应21世纪的复合型创新型人才的启示
1.STEM教育作为教育兴国的新突破方向
历史上，在科学研究的推动下，三次科学技术革命，使得人类的生活产生了巨大的变化，封建社会的中国，没能够参与前两次科学技术革命，在技术上没能赶上从冷兵器时代向热兵器时代的进步，是导致清政府在近代的系列战争中屡屡失败的重要原因。
科学技术的发展离不开教育，但是教育本身并不直接改变社会。生产力发展的需要引起社会需求的变化，导致政府对教育要求的变化，加之教育者自身的努力，进而使教育成为促进社会进步的力量。
目前和平崛起是中华民族目前的第一要务，而教育兴国是一种手段。提升国家在国际舞台上的竞争实力，需要文化、科技、产业多方面的力量，这些力量今后将取决于劳动者的素质和水平。STEM教育着眼于复合型创新性人才的培养和劳动力水平的提高，将成为一个重要的教育兴国的落脚点。
STEM领域的提出，使得在理工科教育者，不再停留在本学科内部，从更为宽广的视野，审视学科之间的关系。STEM教育将会对中小学教育、职业技术教育、高等教育、继续教育等多个领域，产生系统性的影响，对于我国产业的转型，劳动力水平提高将会产生积极的促进作用，帮助国家经济从劳动密集型向技术密集型的转变。
2.STEM教育推进的复杂性
STEM教育的推进，应该是一项国家行为，但是国家行为未见得会在教育领域产生真正的变革。经过的教育改革的一线教师、学生，教育行政管理人员，都会有这种感受：教育具有很强的惯性，很难在一朝一夕之内有巨大的变化，不能通过几本书，几个文件就产生质的变化。举个不恰当的例子，在东北某地，农业科技人员为了推广深耕，要求挖地30厘米，但是农民已经习惯了用拖拉机翻地10厘米，就算翻好地了，为了推广新技术，农业技术推广站的工作人员必须要在农民的旁边种一块试验田，农民天天看着旁边的技术人员和他用同样的种子化肥农药，付出同样的时间，仅仅由于农业技术人员的地深耕了地，前期“种”得好，地理的庄稼就比自己的收获好得多。只有这样，看到实实在在效果的农户，才会主动放弃原来的小型拖拉机，上重型农业机械，新的科技成果因此得以推广下去。
STEM教育涉及到课程的改革，学科关系的重组，教育评价体制变化，学段衔接关系的设计，是一个庞大的系统工程，需要系统和扎实的研究。
首先，应该鼓励高校的教育研究者深入到教学一线，以更大的胆识和魄力，淡化学科本位，对本学科中的STEM教育的素材进行梳理和重组，与企业和社会力量合作，与其他学科的教育专家合作，从课程、教法、教具、学生学习等多个角度开展深入而系统的研究，并能够在一线教师的课程中得以体现。
其次，需要一线教师相信自己可以改变教育的现状，可以改变自己的课堂。历史证明，主导社会变革的不是某个人振臂一呼的口号，而是千百万劳动者的思想，应该鼓励更多的一线教师从事教育研究，给一线教师更大的发挥空间和社会支撑。
再次，需要教育行政管理部门，小步谨慎，踏实认真地设计与STEM教育发展相关的教育政策，整体设计各个学段的相互关系，踏实推广STEM教育的各种经验，特别要注意不要冒进，因为不具备复制性的典型和浮夸的案例，是对STEM教育最大的伤害，矫枉过正的教训不应该重演。
作为一项可能影响国家教育战略的研究，我国STEM教育的研究与实践应本着“大胆假设，小心求证”的态度来切实推进。
3.STEM教育对我国技术教育与工程教育的影响
在世界范围内STEM教育的研究学者普遍意识到在实际的社会分工中从事技术和工程的人数要远远高于从事科学和数学的工作的人数，而在中学教育中，我们更加偏重科学和数学的教育。这是一种教育的反差现象，使得在重视STEM教育领域的过程中，除了从劳动力培养的角度要重视整个STEM教育，在STEM的内部的各个领域中，应该增强技术教育和工程教育比重。
技术教育和工程教育在中学教育中主要是通过技术类课程来实现的，包括信息技术课和通用技术课程。信息技术和通用技术课程目前的教材的课程目标是培养学生的信息素养和技术素养，在一线教师的落实上，主要教学内容多是教技术本身，如教一些必备的信息技术的基础，或是教技术的各种注意事项和细节，再或者是展示最新的技术如智能机器人，等等。在评价方面，目前技术类课程的一个共同的特点是，用“作品”来评价学生，也就是说技术类课程中，教师要求学生完成特定的工程目标，展示作品。
技术教育和工程教育具有明显的应用特点，即学习技术和工程知识和技能是为了在相关的领域进行应用。为了将技术教育和工程教育在应用的层面上整合起来，我们提出了T-bear理论，即基于工程、艺术和研究的技术学习理论（Technology Learning based on Engineering Art and Research）。信息技术和通用技术两门学科，其应用领域包括工程、艺术和研究三个方面，这三个方面是彼此连接和递进的关系。
技术在艺术（音乐、美术、舞蹈等）领域的应用，是出于技术使用者主观表达需要而生成一种独特的、多义的交互体验。技术在其中的应用方式具有面向受众性、多媒体性、符号化的特点。目前，电脑美术、互动多媒体、装置艺术等方向体现了技术在艺术领域的应用特点，代表了技术在艺术领域应用的最新成果。从教学效果来看，艺术类的案例往往学生最感兴趣，因此在技术类课程设计中，这类案例可以放在稍前的位置。
技术在研究领域的应用，是技术既可能作为研究工具或研究过程中的技术难点出现，又可能作为研究本身。区别在于，前两种注重应用的价值取向。研究是出于研究者本身非功利的好奇心，对自然科学和社会科学中的新间题，按照科学的研究方法，定量或定性地发现其中可重复的规律的过程。技术在研究中的应用特点是工具性、数学依赖性和系统性。目前，“信息技术实验”这一概念的提出，用自然科学和社会科学的案例培养学生运用技术进行研究的能力。在数据的获取、存储、分析和表达过程中，提高学生的数据素养，代表了技术在研究领域的创新应用。从教学效果来看，研究类的案例研究目标明确，学生任务清晰，便于师生操作，让学生掌握各种技术细节，适合放在中间的位置，让学生打下扎实的基础。
技术在工程领域的应用，是在已经确定或者逐步明确的工程目标的实现过程中选用合适的技术手段来完成工作目标。技术在其中的应用方式具有面向问题性、路径的多重选择性、目标分层性三个特点。目前，智能机器人的教学部分体现了技术在工程领域的应用，代表着未来的方向。从教学效果来看，工程类的案例综合性强，耗时较多，因此适合放在最后，让学生获得 “我能做到”的自信。
此外技术应用的一般的特点，如对先进技术的不断追求，技术应用受到社会的影响等在这三个领域中都有体现。这三个领域经常是彼此交叉的，一个工程的项目中可能包含关键技术的研究也可能包含产品设计的艺术表达。
T-bear理论强调将在技术的通识教育阶段，在讲授一个中性的技术的时候，倾向于从工程、艺术和研究这三个领域分别选取案例，这样即给学生呈现了丰富全面的技术应用环境，让学生面临问题时能够想到用怎样的技术路径帮助解决问题。当技术教育进入提高教育阶段（类似于现在课程中存在的“选修模块”）时，从学生不同的天性和需求出发，学生可以从技术与工程、技术与艺术、技术与研究三个模块中选择一个模块，通过案例教学和项目教学，达到在一个领域中融会贯通各种技术的水平。这种分类模式区别于现行的按照技术的内在结构划分提高课程的做法，从学生的兴趣爱好和未来的应用领域做了大的划分，有利于提高学生的技术水平和技术素养。T-bear理论将技术教育作为STEM教育中起到串联其他领域的核心领域，其地位将会大大提升，最终与其在社会生活中的地位相符合。
4.STEM教育对科学和数学教育的可能影响
物理、化学、生物和地理所代表的分科的科学教育很大程度上影响着学生的科学素养，是学生获取科学知识的主要途径。现代科学经过几百年的发展，已经形成了一套完整的科学体系，环环相扣，这是一种自然的美感。但是体系愈加庞大，学生需要学习的知识就越来越多，出于选拔和测试的目的，大量二次创作的结果是学生负担过重，惜借懂懂学到了一个体系，却难以了解体系的内在结构和生成该体系的过程，而这些恰恰是学生面对科学知识的爆炸和未来学习重要的技能。因此，有必要从科学素养和STEM教育的角度重视以下四种科学学习过程。
（1）科学阅读
提倡科学阅读的目的是提高学生自学科学的能力，丰富学生的知识面，拓展视野。在科学教育中往往注重深度忽视了广度，目前学生很少阅读科普书籍，没有时间收看科技节目，科学知识面狭窄已经成为制约学生创新能力的重要因素。阅读应注意才百家之言，科学存在不同的体系，如物理学除了普通中学课本上以牛顿力学为基础建构的体系之外还存在着类似“德国卡尔斯鲁厄物理课程”这样的以动量、流、和能量为基础的物理学体系。现在了解不同的体系，未来就会相信存在不同的体系，才能够突破现有体系的束缚，创立新的理论。
（2）科学推理
科学推理能力的缺失，使得学生不能做到“大胆假设”更难以做到“去伪存真”。在中美两国的一项科学推理能力比较研究中，发现中美两国学生科学成绩差异显著，但是科学推理能力差异不大。这说明，在科学教育中应注重科学推理能力的培养，在科学阅读资料中，除了百科全书式的“知其然”的内容，更应当增添福尔摩斯式的“知其所以然”的内容。
（3）科学建模
科学推理能力和科学建模能力是科学家构建理论体系的最重要的能力。面向21世纪的复合型创新性人才要能够建一家之言，既需要科学推理带来的定性分析，更需要科学建模将数据用数学工具表达出来。科学建模的能力与学生数据素养水平密切相关。
（4）科学工程
科学是建立在实验的基础上的，以往的科学实验大多是为了获取定性或定量的数据验证或探究科学结论作为其主要目的。科学实验离不开科学仪器，过去出于快速得到科学结论的目的出发，总是希望仪器是现成的，越快得到数据越好。但是如果从学生未来独立从事科学研究的角度出发，让学生从实验的目的出发，自主搭建甚至设计实验仪器将会大大锻炼学生的STEM能力。随着信息技术的普及，计算机采集数据的实验越来越多，通过Ledong Scratch互动教学平台等工具，让学生自主搭建数字化实验系统，将实验探究工具的开发作为探究实验的重要组成部分，是科学教育中体现工程思维和技术应用的一种新的方式。在我国基础教育界，有长期的自制教具和仪器的传统，每年都有一大批优秀的教师制作教具和教学仪器，教师不妨将这些教具和仪器的制作课程设计成探究实验的主题之一，让教师设计仪器的思维和技巧，能够传承给学生，并最终内化为创新能力和实践能力。
数学教育是STEM教育的基础，技术深入，工程论证，科学建模，都需要数学作为基础。目前数学教育遇到的挑战很大程度上来自于计算机，美国顶尖的大学的数学系和计算机的算法方向的交叉愈来愈密切。数学教育与程序教育的融合，将是一个重要的STEM教育的发展方向。
三、STEM教育的展望
1989年，钱学森先生着眼于21世纪的科技发展的需要，提出了“大成教育”的设想，认为我们国家的初等教育和高等教育还不能够给国家的强大提供足够的人力资源。18岁的大成硕士的设想，让一个理工科人才在他/她最富创造力的年龄，达到硕士的实践能力，同时对文学、艺术也有相当的体悟，他会满怀理想不怕失败，他相信创造的力量，也相信自己可以改变一切……，这个梦想至今仍让人倍感鼓舞，分外憧憬。20余年过去了，STEM教育的发展和认真细致的研究，将有希望融合重整、提取精炼科学、技术、工程和数学这四大领域的教学内容，提高STEM学习的效率和效果，甚至缩短学制，改革考评手段，等等。总之，一切皆有可能，吾辈仍需努力。21世纪的竞争，归根到底还是人才的竞争，如何实现民族复兴，给世界一个更美好的未来，是许多STEM领域的从业人员、教育者应该思考的问题。
（原文载2013年第03期《中小学信息技术教育》）