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中国STEM教育的研究与实践取得了长足的进展

2021-08-31 335 上传者：管理员

摘要：近两年来,中国STEM教育的研究与实践取得了长足的进展,但还缺乏跨学段的连贯课程群。研究以一般科学方法为核心,开发八个基础模块,构建年段项目资源包结构。该资源包增补了一般科学方法的教学内容,弥补了基础教育体系内科学方法教育的断层,具有长期价值和可持续发展特征,能在中小学校重复使用、低成本实施。

关键词：
STEM
发展特征
科学探究方法
项目资源包
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2017年以来，STEM教育在中国大地掀起研究热潮。经过审慎思考，项目组决定以科学探究方法为核心，以课题研究方式，在成都市开展中小学STEM教育项目开发研究。

一、聚焦科学探究方法

（一）弥补科学教育的不足

公民科学素质水平是决定国家整体素质的重要指标，2018年，第十次中国公民科学素质抽样调查结果显示我国公民具备科学素质的比例为8.47%，低于创新型国家的基本要求。

教育是影响我国公民科学素养的主要因素。国际上普遍将科学素养概括为三个组成部分，即了解科学知识、了解科学的研究过程和方法、了解科学技术对社会和个人所产生的影响。在我国基础教育体系内，科学研究过程和方法教育相对薄弱。在基础教育阶段，科学方法教育内容只有哲学方法和具体学科方法，缺乏一般科学方法。中小学生科学方法体系出现断层，难以跨学科解决问题

为了培育实践创新素养，在基础教育课程体系内，有必要引入关于一般科学方法的内容，捋顺科学方法教育体系，开发聚焦科学探究方法的项目资源包。

（二）构建系统的STEM教育内容

目前，在中国STEM教育研究与实践中，STEM教育项目内容零散，缺乏跨学段的连贯STEM教育体系。一般科学方法恰好是适用于各学科的普遍方法，天然具有跨学科的特性。聚焦一般科学方法的STEM项目资源包不仅项目内容跨越学科界限，在科学探究方法上同样跨越学科界限。这让不同项目在科学探究方法层面建立了关联，破解了STEM项目教育内容零散的弊端。

聚焦一般科学方法的STEM项目资源包在小学、初中、高中三个学段均可持续开展，项目主题可根据实际调整，但是项目核心概念与基础模块基本不变，学生对一般科学方法的认识螺旋上升、逐步深化。随着学生年龄增长，实践经验更加丰富，对方法运用愈加成熟，有趋向于创造性改进科学探究方法的趋势。聚焦一般科学方法的STEM项目资源包是螺旋上升的跨学段STEM教育内容，具有可持续发展特征。

（三）建设低成本STEM项目资源包

现在的STEM教育项目还存在成本高昂、高度依赖教师个人、难以复制的问题，但是聚焦科学探究方法的STEM项目资源包具有成本低廉、易于复制、可重复使用的特征。

从现行中小学教育体系来看，中小学各学科均包含学科具体方法，这是一般科学方法扎根的土壤。聚焦科学探究方法的STEM项目资源包的项目主题可从学科研究内容延展而来，对学科内容改进处理，从了解原理发展为设计解决方案，从教师设计统一方案转变为学生设计个性化方案，从教师给定方案要素转变为师生探讨方案要素，从学生填写实验报告转变为学生撰写科技论文。普通学科教师经过培训，就可以胜任这种STEM项目的指导工作。聚焦科学探究方法的STEM项目资源包具有在不同发展水平学校复制的特征。

聚焦科学探究方法的STEM项目资源包所用到的工具和材料与中小学阶段科学教育实验室的配备基本一致，偶有需要增补的材料，也是常见易得、价格低廉，在学校与家庭可承受范围内。因此，聚焦科学探究方法的STEM项目资源包还具有低成本的特征。

总之，聚焦科学探究方法的STEM项目资源包将跨越学科界限，活化学科知识，统整学科具体方法，升级中小学生对科学探究方法的认识。在中小学持续开展聚焦科学探究方法的STEM项目活动，将持续提升中小学生在方法论层面的认识与能力，对于提升中小学生的科学探究能力有明显的作用。因此我们认为，以一般科学方法为主线的STEM项目资源包在中小学阶段具有持续开设、广泛开展的价值，应该成为基础教育阶段中小学STEM教育的基础性课程。

二、STEM项目资源包的总体设计

（一）一个核心概念

一般认为，科学探究方法是从科学认识过程中总结出的规律。按照适用范围的大小，科学探究方法分为三个层次。适用范围最小的层次是各科学领域或学科特有的具体方法，被称为特殊科学方法、单学科方法，如化学中的电解法；适用范围居中的层次是各科学领域或学科均适用的普遍性方法，是科学方法论层面的方法，被称为一般科学方法、多学科方法，如观察法、实验法、调查法等；适用范围最大的层次是哲学方法，广泛适用于自然科学、社会科学和思维科学，被称为全学科方法。在这三个层次中，哲学方法提供最基础的思维方法，一般科学方法是各学科具体方法的一般指导，特殊科学方法提供解决具体问题的具体技术。

综合考虑三个层面，对中小学生而言，哲学方法过于抽象并不适用，特殊科学方法在学科教学均有讲授，唯有一般科学方法适合中小学STEM项目。因此，我们选定一般科学方法为STEM项目资源包的核心概念。

（二）八个基础模块

一般科学方法通常分为经验性科学方法、理论性科学方法和横向学科方法三类。经验性科学方法是获取经验材料或科学事实的一般方法，如观察法、实验法、调查法、测量法等。理论性科学方法是对经验事实进行思维加工，建立理论的一般方法，包括分析、综合、归纳、演绎、类比等逻辑方法，以及假设方法、思想实验、理想化方法等。横向学科方法是由数学方法、系统科学方法等横向学科抽取出来的一般方法，如各种数学方法和系统方法。

综合分析以上三类方法可以发现，经验性科学方法是三类方法中的基础性方法，具有过程清晰、易于实践的特点。理论性科学方法是思维方法，在运用经验性科学方法的探究过程中展现。横向学科方法在运用经验性科学方法的探究过程中得到广泛运用。因此，资源包的主线包括了经验性科学方法中的观察法、实验法、访谈法、问卷调查法；也包括了横向学科方法的系统科学方法、数学方法。理论性科学方法是思维方法，在探究过程的文献综述、制定方案、撰写论文等过程中呈现，我们将其归总为文献综述法和科技写作两类。

综上所述，聚焦科学探究方法的STEM项目资源包的基础模块包括八个一般科学方法模块：观察法、访谈法、问卷调查法、文献综述法、实验法、系统科学方法、数学方法、科技写作

（三）六类项目资源包

聚焦科学探究方法的STEM项目资源包适用于小学段、初中段和高中段。每个年段的资源包都有六大类项目，涵盖上述八种探究方法。六大类项目包括观察类、访谈类、问卷调查类、设计类、实验类、综合类。每类项目涵盖两种以上科学探究方法。观察类项目主要包括观察法、文献综述法、科技写作；访谈类项目包括访谈法、文献综述法、科技写作；问卷调查类项目主要包括问卷调查法、文献综述法、科技写作；设计类项目主要包括系统科学法、科技写作；实验类项目主要包括实验法、数学法、科技写作；综合类项目综合应用多种科学探究方法。

六大类项目的难易有别，年段STEM项目资源包应按照由易到难、螺旋上升的规律构建。观察类和访谈类难度最低，适合作为各年段的起始项目；实验类、设计类、问卷类项目常常融合观察法和访谈法，难度居中，适合作为提高项目；综合类项目综合性最强、难度最大，适合作为终极项目（每个年段STEM项目资源包结构如图3所示）。

三、项目开发的基础文档

在项目开发环节，课题组选择了群体研发的模式。群体研发模式有利于STEM教育基层人才培养，有利于聚焦科学探究方法的STEM项目资源包落地实践，有利于构建STEM教育研究活动的整体氛围，提升区域内STEM研究人才群体认知。因此课题组在成都市内吸纳了58个子课题学校，定期学习、抱团研发，从而凝聚成都市STEM教育学校的力量，实现区域内研究主体的联合，促进STEM教育参与各方的共同发展。

在群体研发过程中，课题组确立了既坚持以科学探究方法为总方向，又尊重子课题学校研究特色的原则。在研究过程中，坚持课题组方向引领与学校自主研发双线并进，改造旧项目、开发新项目，提升子课题学校的STEM项目的品质。课题组开发了支持群体开发的基础文档，提供给子课题学校学习运用。项目开发的基础文档包括《科学探究方法资料汇编》、五类项目模板。

（一）《科学探究方法资料汇编》

《科学探究方法资料汇编》（以下简称《汇编》）由课题组主研人员集体攻关，参考几十本中外科学探究方法著作，历时一年编撰而成。《汇编》共九个章节，十万多字，包括科学方法概述和八类科学探究方法。《汇编》从科学探究方法的分类和发展历程开始，详细讲述了八种一般科学方法的定义、分类、实施过程、优缺点，提供了丰富的研究案例。各章内容简介如下：

第1章科学方法概述。简述科学方法的界定、分类、发展历程、特性。

第2章观察法。包括观察法的含义、分类、观察类项目的实施过程、优缺点。

第3章访谈法。包括访谈法的含义、原则、适用范围、分类、访谈类项目的实施过程、案例、优缺点。

第4章问卷调查法。包括问卷调查法的含义、特点、分类、问卷类项目的实施过程、优缺点。重点讲述了如何设计问卷、如何选择调查对象、如何分析问卷数据。

第5章文献综述法。包括文献综述法的含义、分类、作用、实施过程、优缺点。重点讲述了问题如何聚焦、文献搜索与选择、文献阅读与整理、文献分析与写作。

第6章实验法。包括实验法的含义、类型、实验类项目的实施过程、优缺点。重点讲述了从研究方向到研究问题，从研究主题表到研究方案的过程，如何提出假设，如何记录实验数据，如何写论文与交流等。

第7章系统科学方法。包括系统与系统分类、系统科学与系统科学方法、系统科学方法的原则、常用的系统分析方法、设计类项目的实施过程。

第8章数学方法。包括数学方法与数学方法应用的三个层次，数学方法的优缺点。重点讲述了用统计学方法分析数据。

第9章科技写作。包括科技论文的分类、特点、写作过程、格式标准、发表。

（二）五类项目模板

五类项目模板，包括观察类模板、访谈类模板、设计类模板、问卷调查类模板、实验类模板。五类模板的基本结构总体相似，差异在方法实施过程。

模板特点有四：第一，项目目标凸显科学探究方法目标；第二，以项目知识地图体现跨学科知识融通；第三，学生学业评价标准前置，评价活动贯穿项目学习过程；第四，项目学习过程注重时间管理和质量控制。项目过程中，设置项目进度表。在两个关键节点（选题关键节点和方案设计关键节点），教师应审定全部项目的阶段成果，把控全部项目的研究质量，促使全体学生项目保质保量地推进。

以下为模板的基本结构说明：

以科学探究方法为主线的STEM项目资源包的基本模板

【项目概述】包括项目名称、项目类别、适用年级、参考课时、基础条件、项目简介。

【项目目标】项目总目标包括三个方面，即知识性目标、过程性目标、科学探究方法目标。

【项目知识地图】以项目为核心，分科学、技术、工程、数学领域绘制知识地图。知识地图的作用是呈现知识体系，为项目内的跨学科知识建立可见的连接，并提供具体知识的获取途径。

【项目内容与课时安排】包括三项，即课时、阶段、主要内容。

【学生学业评价】可分为过程评价和作品评价两部分，两种评价均应有评价标准，评价活动贯穿学习过程。

【项目学习过程与建议】包括五个阶段，即问题与聚焦，设计方案与论证方案，制作测试与优化，展示与评价，拓展与应用。由于项目实施过程中变数很大，为了督促尽可能多的学生完成项目，教师要特别关注五个阶段中的两个项目控制关键节点。第1个关键节点在问题与聚焦中的项目目标设计。第2个关键节点在设计方案与论证方案。

【项目评价】包括学生对项目的评价，教师对项目的评价。

【参考文献】项目开发中借鉴使用的文献资料，按现行的信息与文献参考文献著录规则(GB/T7714-2015)编写。

参考文献:

[1]梁英豪.科学素养初探[J].课程.教材.教法,2001,(012):61-65.