037【爱弥儿微课堂】幼儿园STEM教育：是什么？怎么做？

原文刊于《科学大众·STEM》2016年12月刊，题为《幼儿园STEM综合教育——概念、理念及实践构想》，作者：张俊、臧蓓蕾。

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近年来，国际对STEM教育的关注越来越多，其兴起有多方面的背景。第一，从宏观的社会发展趋势看，科学、技术与社会的相互影响越来越深，需要了解它们之间的联系。20世纪60年代，随着新技术革命的开始，人们越来越深刻地感受到技术对生活方式的改变。教育者对这样的社会发展趋势应该如何应对，怎样让下一代对科学技术的关系有更好的理解是需要思考的重要问题。

第二，从国家发展战略看，制造业是实体经济的坚实基础，振兴制造业、建设制造强国已经成为国家发展战略。制造业是经济发展的基础，只有具有“工匠精神”的强大制造业才是国家经济实力的保证。事实上，一个国家并不需要很多科学家，而是需要很多的工程师，因为工程师能够创造更多实实在在的财富。因而我们需要培养“工匠精神”。

第三，从未来公民素养看，未来世界不仅需要具有科学素养的公民，更需要具有设计能力和工程思维的创造者。我们正生活在一个充满工程、技术的时代，正确看待工程、技术并理解其重要地位，是现代和未来公民所必须具备的基本素养。我们过去提出的是具有科学素养的公民，现在看来，这远远不够，未来世界还需要培养具有技术素养和工程素养的创造者。

　　最后，从儿童学习规律看，学习科学的理论研究已经达成共识，在真实情境中有意义的问题解决学习是有效学习的基本特征，这是真正促进理解、便于运用和可以迁移的学习。STEM教育所提倡的动手操作、解决问题等方法与我们所提倡的儿童有效学习的方式是一致的。

了解STEM教育需要全面理解科学、技术、工程和数学的概念。现实中，许多教师将科学、技术混为一谈，对工程活动感到陌生。下文将从科学、技术、工程、数学四者内涵的比较入手，便于教师理解其区别与联系。

科学是关于自然界客观规律的认识，是发现客观存在事实和规律的过程，是关于“是什么”和“为什么”的知识；技术是发明的过程，技术是关于“做什么”，“怎样做”的知识，这种知识既可以是一种方法、技巧、程序，同时也离不开相应的工具和产品；工程是一个活动，它是运用技术进行设计，解决问题并制作产品的过程，工程是不断迭代、更新的；数学是对数量形关系的研究，在科学探究中会运用数学，在技术和工程活动中也需要数学，数学是解决以上问题的工具。

科学、技术、工程和数学是相互联系的。科学是工程设计的基础，技术一方面是科学或工程的产物，另一方面技术又可以应用于科学。例如，显微镜的发明建立在光学原理（即科学）基础上，由于发明了这样的工具，反过来可以应用到科学探究中，帮助人们看到原来看不到的微观生物世界，有效促进了生物科学研究的快速发展，所以技术可为科学研究所用。工程是实际运用科学、数学的实践活动，它用于解决实际的问题，或者制作实际的产品。数学是解决问题的工具，可以运用到科学、技术和工程中。由此可见，这四者确实是紧密联系的，这也是要将其整合的原因。四个学科的区别与联系促成了当代对工程与技术教育的关注，以及从纯科学教育到整合教育的转变，其中的巨大转变就是从过去的科学探究范畴中跳出，看到了一个更广阔的空间，也就是技术和科学的领域。

科学与工程都是一种活动，但二者强调的方面不同。科学探究需要证据，需要逻辑推理，需要对事实进行解释与对未知进行预测，科学要反对权威，努力识别并避免偏见。工程则是一种基于某种需求并具有目的性的活动，它要考虑各方面系统的联系，不断地重复、创造与迭代，并允许多种解决方案。今天的科学教育已经从过去纯粹的科学教育转向对工程的关注、对科学与工程之间联系的重视。美国于2013年颁布的下一代科学标准（Next Generation Science Standards, NGSS）提出“科学与工程实践”的概念，将科学与工程这两种活动并列，其提出的科学与工程实践能力有以下八项（NGSS Lead States， 2013）：

1. 提出/界定（科学/工程）问题

2. 开发和使用模型

3. 计划和执行调查

4. 分析和解读数据

5. 使用数学和计算思维

6. 形成科学解释/设计工程解决方案

7. 投入有论据的论证

8. 获取、评价和交流信息

NGSS提出的八项能力中也渗透了科学探究能力，例如提出问题，计划和执行调查，分析和解读数据等。这些都是过去提出的科学探究能力，但也有与科学探究相异之处。例如科学教育中强调的是形成科学解释，工程中则强调设计解决方案。由此可见，科学、工程都是解决问题的过程，但是解决的问题不同，解决问题的手段、方式也不同。科学教育中不仅要科学探究，更需要工程实践能力。

让孩子开展工程活动，最重要的是让孩子在工程活动中发展工程思维。工程活动的核心概念集中于以下几个方面：系统、分析、模型、限制、优化、权衡。通过设计和制造的过程解决问题，在设计和解决的过程中系统思考，分析各种因素，借助模型，看到各种限制条件，权衡优化设计，这就是工程思维。

而以上工程设计活动对于幼儿园的孩子来说，显然难以全部达到，因此，不同年龄段的孩子，其工程设计可达到的标准各有不同。以下是美国提出的各个年龄段工程设计可以达到的标准：

k-2（年级）：工程设计过程包括明确问题、寻找想法、形成解决方案、交流方案

3-5（年级）：运用模型交流和检验设计的想法及过程

6-8（年级）：设计包括一系列步骤，并且需要重复迭代

9-12（年级）：工程设计受到个人因素的影响：如创造性，资源，形象和抽象思维的能力等

我国经过修订的小学科学课程标准将从2017年正式实施。新课程标准与美国下一代科学教育标准一致，包括物质科学、生命科学、地球和空间科学、技术与工程四个内容领域。我国的小学生工程实践能力的结构理论模型，包括以下六个方面：

1. 明确问题（提出问题、界定问题）

2. 前期探索（查阅资料，同行交流，相关试验）

3. 确定方案（提出方案，评估方案，完善方案）

4. 制作模型

5. 评估改进

6. 展示分享

　　这几个方面是工程活动的六步法，对小学低年级和学前儿童来说，能够做到明确问题，寻找想法，确定方案和展示分享即可。

STEM不仅仅是四个字母，其背后蕴含的教育理念主要有以下三个方面。第一，问题意识，指的是能够关注真情境中的真问题，即面对真情境、真问题时能够找到一个解决方向；第二，工程意识，指的是面对一个需求，能够想到如何通过设计一个产品来解决问题；第三，融通意识，指的是能够运用科学知识、数学概念等多学科知识来解决真实问题。STEM综合教育能够让孩子关注真实情境中的真问题，引导孩子逐步具有工程意识和设计思维，引发孩子主动运用多学科知识解决问题，这就是STEM要体现的教育理念。

STEM综合教育一般以项目活动的方式开展。在项目活动中，孩子从身边感兴趣的问题入手，在教师的引导下开展深入的探究，最后展示分享成果。这种活动开展方式最适合落实STEM综合教育理念，因为STEM教育强调从孩子身边最真实的问题出发，思考如何解决问题，孩子要运用多方面的知识经验，并且不断深入探究和交流改进，最后形成产品。

很多教师认为STEM与幼儿园教育之间存在难以跨越的距离，如何在幼儿园中实行STEM综合教育是广大幼儿教师较为关注的问题。借助SWOT分析框架，可以分析幼儿园开展STEM教育的优势、不足、机会和挑战。

1. 优势

幼儿园的STEM综合教育并不是从零开始，一方面，幼儿园的科学教育内容已涉及科学、技术和社会的广泛联系，被称为STS教育，STS教育的重要观点是让孩子关注生活中的科技，认识科技对生活的影响。另一方面，幼儿园的教育活动长期以来都是以综合的方式来组织，没有学科的划分，具有丰富的综合教育、项目活动的开展经验。

2. 不足

许多幼儿教师对STEM教育较不熟悉，对STEM及其相关概念认识较为模糊，有的甚至存在一些偏差。

3. 机会

STEM综合教育在幼儿园有着重要的发展机会。这种机会一方面体现在丰富与拓展STEM教育理念在幼儿教育阶段的独特意涵。通过实践探索究竟什么是属于“儿童的技术”，什么是属于“儿童的工程”。另一方面体现在从优师教研来看待和理解STEM教育的本质。正如儿童有自己的科学，儿童的科学在本质意义上反映了科学探究的特征，因此我们可以同样在实践中探索儿童的技术及儿童的工程如何在本质上体现其意涵。

4. 挑战

幼儿园STEM综合教育的最大挑战是如何开展具有年龄适宜性的STEM教育。技术、工程对幼儿来说是一个非常大的挑战，幼儿能够做到哪一步，能在怎样的意义上体现工程、技术的特征与工程思维，这些都是在实践中需要探索的问题。因此，开展年龄适宜性的STEM教育是未来研究的重大挑战。

我国的幼儿园从上个世纪90年代就开始思考技术教育问题。上个世纪末开始的STS教育研究内容集中于：认识技术产品，认识和使用工具，科技小制作以及了解科学技术的发展。在早期探索中，大家认识到技术不是外在于孩子生活经验的，而是存在于每个人的生活，是人的实践能力的具体体现；技术不仅表现为具体的产品，更是一种过程，是过程和结果的统一；儿童不仅是技术产品的受用者，更是技术活动的主体。在STEM教育的背景下，我们有必要有反思和总结早期探索存在的问题。

首先，教师在进行技术教育时忽视了让孩子经历设计、制作的过程。教师引导孩子进行科技小制作时，并没有想到设计制作是一个工程活动，也没有思考如何引导儿童从实际需求出发，如何寻找解决方案，如何按照想法实施，如何改进优化等等。因为教师的头脑中没有工程的概念，所以制作活动只是孩子们简单地做。

其次，技术教育在很多时候变成一种价值观的灌输，而忽视了孩子实际生活的体验与经验。例如教师想让孩子知道科技方便我们的生活，事实上生活在数码时代的孩子很难体会技术如何方便我们的生活。当教师想让孩子获得这种认识时，不免落入灌输的套路。技术教育要避免成为价值观的灌输，而应切实关注孩子对技术发展真实的兴趣与探索需要。

回顾与反思以往的科学教育，可以发现：我们一方面认识到科学与技术是两种既不同而又有着密切联系的知识，但是未能在科学教育中体现科学与技术的联系；另一方面，我们认识到儿童是技术活动的主体，但对技术活动（实为工程活动）的本质缺乏认识。而今天看来，技术活动就是一个工程活动，儿童在工程活动中是一个实践的主体，他能够运用工程实践能力设计并制作产品。

第一，以小组化的项目活动形式为依托。STEM教育活动应该是一个项目活动，因为项目活动可以延续较长的时间而不受一节课时间的限制，可以更加完整地让孩子经历明确问题、寻找方案、确定方案、最后解决问题的历程。

第二，以幼儿园现有的设计、制作、建构活动为载体。首先，在以往的科学教育活动中，传统的科技小制作活动并没有充分展开。在科技小制作过程中，儿童既有科学学习，又有设计制作的体验，所以，科技制作是一个能够结合科学、技术（下转第26页）（上接第5页）和工程的活动。如果能够充分展开的话，将是一个很好的出发点。其次，在幼儿阶段，STEM最主要反映在建构活动中。目前，教师更多地将建构活动看作是一种结构游戏，对孩子的指导重点是发展孩子的想象与建构能力，没能体现工程思维。因此，在建构活动中，教师要从明确的问题出发，引导孩子进行设计，达成目标，并引导孩子不断反思和改进，从而使得建构活动具有工程活动的特征。

第三，以学科为支持。尽管幼儿园STEM教育是综合性活动，但是如何在综合活动中巧妙地引入学科的学习，尤其是科学和数学的学习，仍然是需要关注的问题。国外研究表明，活动中仅仅蕴藏多学科的学习是不够的，让孩子主动进行学科的渗透非常难。因而教师的显性化的指导是非常重要的，教师应该将其学科知识显性化，让孩子认识到怎样用科学、数学的方法解决问题。