各有侧重“四模式”

STEM教育是一种教学策略，在实际应用过程中，它的目标是通过STEM知识的综合运用解决现实中存在的问题，对此，可将STEM教育分为四个不同的应用类型：验证型、探究型、制造型和创造型。验证型STEM教育应用的核心是学习者的验证过程和方法，目标是让学习者通过综合运用STEM知识验证一个学习者已经明确的结果；探究型STEM教育应用的目标是让学习者通过综合运用STEM知识去发现并解释某些学习者未知的现象，其核心是学习者的探究过程及结果；制造型STEM教育应用的目标是让学习者通过综合运用STEM知识去完成一个已有形态物品的生产和改良，其核心是学习者的工程实践能力的培养；创造型STEM教育应用的目标是让学习者通过STEM知识的综合运用去完成一个创新物品的设计和制造，其核心是创新的设计。

各模式由于教师给定的限定不同又可以分为支架式和开放式。支架式是由教师给定目标和实现方式等的框架，学习者在此基础上实施。开放式是以学习者为主导，学习者自行提出目標并自行完成任务。这对学习者主观能动性的要求较高。需要指出的是，支架式和开放式二者之间并没有十分明确的界限，在应用过程中，教师可以根据学习者和目标的不同灵活把握。具体来看四种应用模式及其具体案例：

（一）验证型

验证型STEM教育应用是学习者完成对已知结果的验证过程，主要是验证某些定律或者现象，探索如何通过验证型STEM知识的综合运用来验证这些定律的真实性，并使学习者对这些定律或现象形成更深入的理解、更科学的领悟。具体分为明确问题、设计方案、评估方案、实施方案、分析数据和分享反思六个步骤。

案例：

验证《牛顿第二定律——力使物体获得加速度》的课程设计如下：（1）明确问题：物体运动状态的改变是因受到外力作用。通过实验验证牛顿第二定律——力使物体获得加速度；（2）设计方案：根据已经学习的运用打点计时器、砝码、小车等工具进行验证牛顿第二定律的实验，通过分组讨论，使用智能设备与身边容易获得的材料设计出一个可行的实验方案；（3）评估方案：小组通过反复推敲实验方案涉及到的一些现象后，与教师交流。教师针对不完善的地方提出改进建议，并对实验设计进行优化，使新的实验方案可行性得到确定；（4）实施方案：方案评估通过后，小组按方案分配好组员的分工情况并开展验证；（5）分析数据：结合实验中使用的智能设备对实验获得的数据进行处理分析，合理剔除无效数据，并细致分析其他数据，最终得到科学的实验数据分析结果；（6）分享反思：实验小组制作海报，海报需要呈现研究问题、研究过程、测量数据和最终结论，与同学分享交流整个研究活动，互相评价并讨论如何进一步优化实验。教师做好指导和相应的点评及对活动的总结。

（二）探究型

探究型STEM教育应用是为了发现并解释学习者未知的现象，探究过程和解释现象都会综合运用STEM知识，在这一过程中，逐渐培养学习者的科学探究精神和能力，其本质是探究型学习在STEM教育中的特定应用。具体分为发现问题、收集证据、分析数据、解释结论和分享反思等步骤。

案例：

美国科罗拉多大学博尔德分校工程学院设计了一个关于空气污染的STEM课程，涉及的学科是物理科学、地球与空间、工程技术，面向的是小学高年级学生。课程实施的过程如下：（1）学生通过调查空气的组成、性质、大气层和空气在日常生活中的重要性来学习空气质量的概念，并用糖果拼图和饼状图的方式将空气成分展示出来；（2）探究有形的或无形的空气污染的来源和影响，通过阅读报纸上天气预报的版面内容、学习空气质量指数（AQI）的概念，创建AQI信息的图表，并且解释气象工程师是如何使用这些AQI数据的；（3）通过学习天气和水循环的过程来学习污染物扩散的严重后果，学习诸如气压、湿度、饱和度、对流等气象的基本概念，让学生探究相对湿度对天气的影响，了解大气运动是如何影响污染物的移动的；（4）使用简单模型研究温室效应；（5）通过讨论和交互式模拟探究地球臭氧空洞的成因及影响，能够解释工程师是如何致力于研究减少臭氧消耗的；（6）识别造成学校和家庭室内空气污染的来源物，探索可以减少和放置空气污染的措施，比如应用各类除尘器清理空气污染；（7）通过建立和观察可以治理空气污染的简单模型，使学生体验工程师所设计的治理和防止空气污染的现代工业技术。每节课最后都有评价环节，允许学生头脑风暴，提出自己的想法和建议，课后将在课程中学到的知识用在生活中，比如去调查自己的社区是否存在污染物传输的现象，并将自己的观察和想法记录下来与师生分享。

通过该单元课程，学生掌握了关于空气的科学概念，理解了水循环的模型，能解释气候和水循环与空气污染的关系，而且加深了对用工程学来解决与实际生活息息相关的空气污染问题的认识。

（三）制造型

制造型STEM教育应用是为了让学习者通过STEM知识的综合运用去完成一个已有形态物品的生产和改良，其核心是学习者的工程实践能力的培养。具体分为情境引入、设备培训、模仿制造、知识讲解、协同改进和分享反思六个步骤。

案例：

美国科罗拉多大学波德分校工程学院整合教学项目中设计的STEM课程——声音，为了让三至五年级的学生掌握声音的物理学知识，并能应用工程设计理念和所学知识完成一系列制作活动，培养学生“学以致用”的能力。它涉及了物理科学、科学与技术等学科领域。课程设计如下：

（1）向学生展示声波装置，以直观式教学，让学生认识声波，了解音频工作者的工作及其工作环境，通过学习能够将音频师的工作同电影和音乐联系起来，能够解释音频工程师是如何使用声音的科学知识操纵声音的；理解声波是如何传播和变化的，特别是当声音穿过不同介质时会发生哪些现象，以及如何根据环境控制声音的增强和减弱，然后通过问题讨论评价是否掌握了这些知识；（2）在第一个实践活动中学生们需要分析声音特性的材料，建模麦克风的位置使其产生一个特定的音乐形象；（3）将学生带入一个声音传播的演示情境中，利用一个由金属瓶身和PVC杆构成的简易传声装置认识声波，观察声音在紧绷的杆上产生波动，理解声波是能量的脉冲，可以在空气、固体、液体等介质中传播，声波具有能量，通过贝尔发明电话的故事强化学生探索声音科学世界的热情；（4）在第二个实践活动中建模和分析一个简易电话，所需材料是纸杯、图钉、尼龙绳等，首先学生需要分析声音是如何通过连接绳子的纸杯进行传播的，然后他们讲纸杯和尼龙绳连起来制成一个简易电话，最后，他们改变绳子的距离，重新设计简易电话。通过制作简易电话，使学生认识远程通讯使世界联系更紧密的重要性；（5）向学生介绍声音环境是如何影响房屋建筑的设计的，通过几个实例让学生学习声学工程的设计，并让学生使用不同的材料、厚厚的窗帘、吸音板等，来制造一个声音环境良好的房屋。

把声音与学生不太了解的音频师的工作联系起来，会引起学生的兴趣。通过制作简易电话和具有良好声音效果的房屋了解声音工程对人类生活的重要性，让学生体验小中见大的科学乐趣。

（四）创造型

创造型STEM教育应用是为了让学习者通过STEM知识的综合运用去完成一个创新物品的设计和制造，其核心是创新性的实现，是基于设计的学习在STEM教育中的特定应用。当然，在实际的应用中，创新物品的方向是有指向性的，否则，学习者会出现因选择太多，无从入手的情况。具体分为情境引入、创新引导、协同设计、制造验证、应用改进和分享反思等步骤。

案例：

波士顿科学博物馆创办EiE（Eng-

ineering is Elementary）项目，是为了培养孩子们的工程和技术素养。该项目实现了工程、技术和科学的充分融合，是典型的STEM教育。现以《一个惊人的想法：报警电路的设计》的EiE单元课程为例进行分析。该课程单元涉及的学科领域包括物理学和工程学，面向的是3-5年级的学生，课程设计如下：该单元共有5节课，在准备课中认识什么是技术和工程师（不算在正式课程中）。第一节课，情境导入，让学生阅读关于Emily报警器的故事，引起学生的好奇心和进一步探索的兴趣，使学生初步了解工程设计的内容；第二节课，学习电的基本知识，主要是理解和掌握导体、绝缘体、电压、电流等科学概念，认识常见的电力技术，认识电能作为一种人类生活广泛使用的能源对人类社会的重要应用；第三节课，结合前面学的基本电学知识，进一步学习电路，先是认识电路的构成，其次学习画简单的电路图，然后学习不同结构的电路图的工作原理，最后构建一个电路原理图；第四节课，设计一个报警电路系统，运用工程设计过程设计报警系统，画出满足要求的电路图，并阐明该电路的工作原理，然后在初步设计的基础上与教师和同学讨论和提问，设想不同的解决方案，进而完善第一阶段的报警电路系统设计；第五节课是能力提升课，利用“设计报警系统”这一主题将前四节课所学的内容贯穿起来，综合之前所学的物理学知识和工程设计理念，进行报警系统的工程设计，全方位检验了学生的学习效果。纵观这一课程单元，前四节课属于基础课，逐步向学生传递知识信息和训练基本技能。

持续时间比较短是EiE课程的特点，因此它更适合低龄学生学习。每个单元由多节课组成，每节课之间彼此相连，课堂上提供学生头脑风暴的机会，训练学生的思维能力，而且重视课堂管理和教学策略，帮助学生掌握优化变量、解释数据等技能。

这四种分类只是考虑学习者的最终学习成果，因此，它们并不是绝对的分类。这四种模式之间可能会出现交叉，此时就需要教师依据学习者的身心特点、学习环境等因素适当选择应用，使STEM教育的效果达到最好。

课程实施的“拦路虎”

在国家大力鼓励创新创业的大时代背景下，科学技术教育显得尤为重要。在STEM教育日益普及的同时，我国基础教育在内容上长期缺乏工程与技术训练，形式上一直被“应试”所统治，传统教学围绕考试而进行。于是，STEM 课程似乎就带有了一些理想色彩，国内实施过程中它没有成为学校的主流课程。究竟在实施过程中有哪些问题困扰着它在学校的有效落实呢？

（一）优秀教师缺乏和专业发展的空白

落实STEM课程，首先要有专业的STEM课程教师，当前中国，普通教师数量尚且无法满足实际教学需要，更别说专业的STEM教师了。虽然语文、数学、英语等学科已经设立了专门的教师资格考试标准，但STEM学科的教师资格标准似乎并未收到相关部门的重视。这就导致STEM教师身份尴尬和形象模糊的情况出现了。另外，师范院校的课程仍以分学科为主，但是缺少工程、技术等与STEM密切相关的课程，这势必会影响师范生日后的STEM课程教学水平，培养优秀的STEM课程教师更是可望不可即的了。

至于专业发展，目前，国内少有STEM教师培训项目，没有相关师资培训单位承担STEM 教师发展任务。如果仅仅依靠几个不成系统的机构来举办培训活动，那么，STEM教师专业发展势必会收到限制。STEM 作为一门综合理科课程，要求教师不断进行专业学习，具备深厚的跨学科知识和丰富的教学技能。但在缺乏STEM 专业发展项目的系统培训下，让单一学科背景的教师按以往教学经验来兼职STEM 教学在未来是难以维持的。

（二）课程标准和课程目标的缺失与异位

我国目前还没有退出关于技术和工程的STEM课程标准，很多学校会直接借鉴或翻译国外的STEM课程标准，以此为准，用来指导教学，这显然不是长久之计。在没有课程标准的参照下，STEM课程的“教什么”“如何教”“教到什么程度”等关键问题的答案是模糊和不确定的，STEM 课堂也就无法到达所设定的理想课程效果。

关于课程目标问题，目前，各地的学校在实施STEM课程时目标都如出一辙，没有结合学生的具体情况和学校的独有特色，导致STEM课程的开展缺乏针对性。同时，在实施过程中，课程目标院理想课程目标相去甚远。国内中小学科技竞赛作为研究性课题原本是最吻合STEM 课程范畴，但名义上以提升科技素养为目标，却在功利导向下被用來争取额外的升学加分。STEM 课程成了升学加分项，这完全异化了其发展学生核心素养的目标定位。

（三）课程资源的匮乏

有了丰富的课程资源，老师才能得心应手地教，学生才能身心愉悦地学，而我国STEM课程资源的捉襟见肘成为了实施STEM课程的瓶颈。一方面是教材的缺乏。很多老师因在授课时找不到符合学生身心特点的教学内容，经常盲目翻译国外教材，直接拿来使用，导致STEM教学的不专业性增加。另一方面是信息技术的应用不够。目前国内的信息化教学仍停留在“白板”“投影仪”等多媒体设备阶段，与STEM配套的专业技术设备缺乏。

（四）教学模式单一

目前国内的STEM课堂教学都是以一位教师教学，这对教师的专业素养和教学能力要求极高。然而，现实情况是我们很少有“多专”的教师存在。因此，当遇到STEM多学科复杂性问题时，教师的知识就有点不够用了。进而，STEM课程教学效果也会大打折扣。

虽然我国的STEM课程实施存在一定的困境，但这并不意味着我国的STEM教育前景黯淡。面对困境，很多部门都已开始探索相应的对策。加之我国政府十分重视STEAM教育，明确STEM教育是未来教育的重要发展方向。相信在不久的将来，我国的STEM教育一定会走出困境，拥有一个绚烂的明天。