推动STEM教育：人工智能时代下的幼儿园课程建设

杨伟鹏 张丹丹

【摘要】在已经到来的人工智能时代，社会必然与科技和工程进行更深度的融合，而这也要求学前教育要全面关注STEM教育，革新其原有的课程实践。在培养目标上，应系统关注幼儿STEM教育的知识、操作技能、思维技能、态度、复杂性操作等多维目标。在方法上，幼儿园应关注幼儿的个别差异，以探究性学习为主要策略开展STEM教育活动，凸显STEM学习的生活性探索性和操作性。在内容上，应涵盖生存系统、物质系统、地球与空间系统、技术与生活系统等范畴，梳理关键经验，开发体系化的活动材料和内容。同时，我们应保持对自身所处环境的自觉，建设适宜中国社会文化现实的学前教育STEM课程。

【关键词】STEM教育；幼儿园课程；社会文化适宜性

【中图分类号】G612 【文献标识码】A 【文章编号】1004-4604（2018）04-0031-05

STEM是英文表述——Science， Technology， Engineering and Mathematics——的缩略，“STEM教育”可以被简单定义为一套从四个专门的学科——即科学、技术、工程和数学——来培养学生的课程。STEM一词最初源自上世纪90年代美国国家科学基金会（US National Science Foundation，NSF），后來针对美国基础教育中理工学科学生学业表现较差的问题，在诸如全美科学教育标准（National Science Education Standards，NSES）委员会和全美数学教师委员会（National Council of Teachers of Mathematics，NCTM）等专业委员会的帮助下，许多美国学者和一线教师开始关注STEM教育，并为相关学科建立了适宜的标准及纲要。在全球化大潮中，美国对STEM教育的重视引起了全球教育界对STEM教育进行探索的热潮，我国教育界也对其产生了广泛的兴趣。

一、人工智能时代对STEM早期教育的呼唤

上世纪末以来，“计算机”（Computer）和“全球化”（Globalization）成为改变世界运作方式的两个关键词。如今，“人工智能”（Artificial Intelligence， AI）开始占据人们的视野，成为引领未来社会变革的动力源之一。对此，培养具有个性和创造力、能应对人工智能挑战（包括劳动力市场、生活方式等）的人，应成为当代教育者的追求。已有研究证实，童年时代是学习者形成自己的STEM认同和职业兴趣的时期。〔1〕STEM教育与学前教育有着诸多契合点，主要有：第一，都着眼于培养儿童良好的学习品质，学会学习，成为终身学习者。第二，都强调学习内容的整合，实现全人教育和迁移性学习。第三，都以儿童的兴趣为导向，鼓励儿童动手操作，在主动的活动参与中建构知识、养成技能、探究发现，获得直接经验，实现差异性学习。

蒙台梭利的“敏感期”概念也可以用来强调在幼儿园开展STEM教育的重要性——幼儿是最早的技术使用者，只要有机会，他们就会抓紧相机、智能手机和其他技术工具，学习使用。因此，学前教育工作者必须重视幼儿的STEM学习潜能，必须变革已有的幼儿园课程实践，以应对时代要求和未来挑战。

二、幼儿园STEM教育的课程目标

在幼儿园开展STEM教育应该达成什么样的目标呢？对此，美国著名幼儿教育家丽莲·凯茨（Lilian Katz）认为应该围绕四种基本的学习目标进行，包括知识理解、技能、学习品质以及感受。〔2〕STEM教育实际上是思考包括家长在内的幼儿教育者应该如何帮助幼儿进行跨学科知识整合，鼓励幼儿以更加连贯和整体的方式进行思考。有效的学习需要幼儿成为经验的中心，在跨学科和跨情境的背景中建立联系。幼儿需要有机会在不同的环境和视角下去学习相同的材料。因此，在STEM教育的培养目标上，应强调知识、操作技能、思维技能、态度、复杂性操作等多维目标：（1）在知识维度上，应该包括物理系统、化学系统、生物系统、数学系统、技术系统等知识的初步认知及学习；（2）在操作技能上，应该包括软件使用、工具使用、材料使用、观察和测量、建构与解释、图表等方面的初步接触；（3）在思维技能上，应该包括分类、归纳和排序、变量式思维、关系解释（原因和结果、功能和形式、过程和结果）、可视化、结构化等的初步感受；（4）在态度上，应该包括批判性思维、创造性思维、灵活及持续性学习、不确定性意识、伦理及道德意识、风险及条件意识等科学态度的萌发；（5）在复杂性操作上，包括问题解决、决策制定、实证研究设计、数据收集及论证等方法的初步使用。〔3〕

三、幼儿园STEM教育的课程方法

已有的STEM教育研究认为，要使STEM教育更有效、更有吸引力，其关键因素在于要让儿童运用已有的兴趣和经验，识别和建立自己的知识，并为其提供机会参与STEM学习的实践，以维持他们的兴趣。〔4〕换句话说，儿童应该像科学家和数学家一样，学习主动地去调查他们在日常生活中遇到的问题。也有学者认为，高质量的互动是保证STEM教育有效性的重要因素，并将STEM教育中有效互动的特点总结为三个方面，即手动（hands on）、脑动（minds on）和嘴动（talk it over）①。〔5〕

丽莲·凯茨（Lilian Katz）曾经论述过以方案教学法（即主动的项目探究）来开展STEM教育的可行性。〔6〕方案教学法是基于经典的科学程序，从一组感兴趣的现象或问题开始，继续对可能的答案进行预测，然后收集可以回答问题的数据。实际上，方案教学只是达成STEM教育的途径之一。但无论用什么方法，幼儿园开展STEM教育活动应以支持、引导并鼓励幼儿的个别化、探究性学习为主要的课程方法，凸显STEM学习的生活性、探索性和操作性。在课程组织形式上，区域活动和主题活动并举，既为幼儿提供丰富、多层次、有吸引力、有引导性的科技操作材料（全开放、半封闭、全封闭的“资源盒”），也为幼儿提供系统的主题活动，在预设与生成中让幼儿亲历科技探索，在经历经验中当一名“小小科学家”“小小发明家”，获得对科学——技术——社会（Science-Technology-Society， S-T-S）较为全面的初步认知和理解。幼儿操作过程中的记录与成果，应成为课程实施的评价依据。

STEM教育与儿童的个别化、探究性学习之间有着天然的紧密联系。我们旨在通过儿童的个别化、探究性学习，培养其复述、比较、分类、归纳、评估和实验等关键思维能力，以及创造性、问题解决、协同合作等学习品质。基于已有文献及长期的实践经验，我们认为，幼儿个别化、探究性学习应遵循以下五大原则。

（一）以问题为导向进行主动探究

幼儿的好奇心会引导其提出有关STEM的问题，比如“怎么才能让我搭的摩天大楼特别高又不会倒下？”“为什么水上的木头不会沉下去，它不是很重吗？”……问题导向的主题探究，能将幼儿已有的知识、技能和概念问题化，通过问题将课程目标融入幼儿所处的学习环境之中。与此同时，以问题为导向的学习方式也促进了教师对教学的理解，让其能在不同情境下对不同的学习过程给予引导和延伸。当然，有效的以问题为导向的学习方式，应基于幼儿预先存在的知识来保证内容适应幼儿的实际水平，并具有一定的挑战性，通过允许幼儿参与问题、实例和环境，将个人相关的新想法联系起来，从而支持幼儿的发展。

（二）开展平衡预设与生成的项目活动

探究性学习不等于放弃教学计划，预设与生成的平衡是幼儿探究性学习活动开展的关键性因素。在活动之前，教师需要对活动过程进行预设，根据“最近发展区”理论预设适宜幼儿的发展性目标，从而制订出相应的计划。〔7〕然而，如果教师只按照预设机械地开展学习活动，则难以实现幼儿学习的差异性和探究性。因此，教师要接纳幼儿在活动过程中生成的新内容，并引导幼儿进行探究。〔8〕在平衡预设与生成时，应遵循STEM教育探究性学习循环：提出问题——讨论——设计实验或制订计划——实施实验或提出目标得出结论或检验目标——展示分享——深化和延伸。〔9〕在实际教学中，这个过程可能因为问题的调整而需要反复进行，而且教师对于问题的提出、计划的制订、实验的设计等都需要提前进行准备和预设，并为幼儿提供适宜的引导、反馈、强化等，提升儿童个别化、探究性学习的成效。

（三）以个别、小组和集体的形式进行问题解决

个别化学习不等于独自完成学习或一对一进行教学。个别化学习强调的是课程及教学能够给予幼儿差异化的学习目标、学习内容、学习节奏，保证学习形式的灵活性和多元性，保证课程对幼儿多元智能的覆盖和发挥，从而培养独立自主、善于合作、主动创造的儿童。比如，在区域性的个别化学习中，要以具备丰富性、吸引性、引导性和层次性的学习材料来支持幼儿的操作和探究。〔10〕而在主题性的合作學习中，教师应该通过问题探究和解决，充分发展幼儿的创造性、合作性、问题解决能力、合理的冒险精神等，关注幼儿之间的互动，为幼儿提供分工合作、互相帮助、互相分享的机会。〔11〕

（四）习得认知性、操作性的有效经验及策略

在《3～6岁儿童学习与发展指南（试行）》的“说明”中，明确提出“幼儿的学习是以直接经验为基础……最大限度地支持和满足幼儿通过直接感知、实际操作和亲身体验获取经验的需要”，“重视幼儿的学习品质……要充分尊重和保护幼儿的好奇心和学习兴趣，帮助幼儿逐步养成积极主动、认真专注、不怕困难、敢于探究和尝试、乐于想象和创造等良好学习品质”。高质量的STEM探究活动，既激发幼儿思维参与，又鼓励他们表达与沟通。在幼儿的个别化、探究性学习中，提倡贴近幼儿生活经验的活动，在操作过程中，幼儿增长知识技能；在探究和问题解决中，幼儿学习合作、发展情感，养成良好的学习品质。

（五）基于可得的资源，尝试将经验应用到现实生活中

经验迁移是STEM教育的重要方面。在迁移性学习时，幼儿能在新的场景，经历新一轮的探究性学习，在先决条件类似的情况下，重复语言输入、积极参与、内容提供和反馈的过程，强化和提升已有经验。比如在“声音”的主题中，幼儿通过探索有关声音的问题，尝试制作电话，在做中学习科学制作，从中获取新知识。而这种新知识不仅仅是琐碎的事实，而且是蕴含其中的概念，包括“声音”“波浪”“空气”“振动”，等等。同时，幼儿在“声音”的学习中使用复杂的认知思维，如推理、因果和条件判断等，自主建立探究路线，并积极地、互相合作地参与调查、表达和分享。〔12〕因此，通过作品制作和展示、经验分享、技能迁移、社会交往等相关活动，幼儿在生活中运用已有STEM方面的经验和能力，从而迁移已有经验，获取新的经验，获得更好的发展。

四、幼儿园STEM教育的课程内容

对于STEM教育的学科划分，我们认为，科学、技术、工程和数学之间不是割裂的，而应该是互相联系的。正如数学所涉及到的几何、测量、统计、公式和图表，都在科学、技术和工程中被广泛使用；而科学知识常常被应用到技术实现和工程之中，技术与工程之间也具有水乳相融的紧密联系。更重要的是，考虑到幼儿学习的综合性和生活性，我们更倾向于将STEM看作一个整体，而非不同学科的统称。幼儿园STEM教育应针对幼儿的学习内容建立清晰的体系，进而对STEM教育的内容进行细化。

在实际教学中，我们可以将幼儿园STEM教育的课程内容大致划分为四大部分。一是“生存系统”，包含人体、动植物、生命成长、安全防护等主题；二是“物质系统”，包含物体、物体的运动、物体的应用、物体的制作等主题；三是“地球与空间系统”，包含地球、太空、保护地球、环保等主题；四是“技术与生活系统”，包含军事武器、信息传输、生活中的科技等主题。另外，美国国家科学基金会（NSF）为幼儿的学习提供了可供参考的STEM课程范例，这些课程都经过了实证论证，具有较为全面的内容体系，包括Building Blocks（数学学习方案）、〔13〕Peep and the Big Wide World（科学与数学学习方案）、〔14〕ScratchJr（科技/编程学习）等。〔15〕

五、发展适宜本土社会文化的幼儿STEM学习方案

幼儿园中的STEM课程不是单纯开展科学、数学领域的活动，而是以STEM为主，融合语言、健康、社会、艺术和科学等方面的学习目标及内容，全面支持儿童的主动学习。我们认为，幼儿学习活动的开展应该遵循以下原则：幼儿能积极参与其中；结合自主探究和有目标的教学；新活动应该建立在幼儿的前期学习和经验之上；着眼于幼儿的综合性学习；将活动建立在已有的专业标准或相关的有效学习的研究证据之上。

在倡导开展幼儿园STEM教育时，我们希望教师能有意识地安排STEM学习的关键经验和关键思维能力，提出重点概念和技巧，允许幼儿主动提出问题、引发探究；要善于抛出开放式的问题，引导幼儿思考，形成假设、收集数据、解决问题。与此同时，包含直接教学成分的幼儿园课程，也是建立幼儿STEM知识和技能的关键，这种教学方式能够保证STEM学习的系统性，为幼儿提供探索的经验和能力基础。当这两种教学方式得到整合时，我们将其视为基于研究的学习，将自主获取知识、他人传授知识两者结合起来，促进幼儿更为全面的发展。

参考文献：

〔1〕MCMURRER J.Instructional time in elementary schools：A closer look at changes for specific subjects〔M〕.Washington，DC：Center on Education Policy，2008：309.

〔2〕〔6〕KATZ L G.STEM in the early years〔EB/OL〕.〔2017-12-31〕.http：//ecrp.uiuc.edu.

〔3〕BAARTMAN L K， GRAVEMEIJER K.Science and technology education for the future〔M〕//M VRIES，H KEULEN，S PETERS，et al.Professional development for primary teachers in science and technology.Boston：Senes Publishers，2011：21-33.

〔4〕National Research Council.Successful K-12 STEM education：Identifying effective approaches in science，technology，engineering，and mathematics〔M〕.National Academies Press，2011.

〔5〕〔12〕DAMHUIS R，BLAUW A D.High quality interaction in science and technology education〔M〕//M VRIES，H KEULEN，S PETERS，et al.Professional Development for Primary Teachers in Science and Technology.Boston：Senes Publishers，2011：199-215.

〔7〕〔8〕〔11〕楊伟鹏，邓丽霞，等.幼儿园主题活动质量提升研究：以L园为例〔J〕.幼儿教育：教育科学，2015，633/664（7/8）：14-23.

〔9〕VAN UUM M S，VERHOEFF R P，PEETERS M.Inquiry-based science education： towards a pedagogical framework for primary school teachers〔J〕.International Journal of Science Education，2016，38（3）：450-469.

〔10〕王微丽.幼儿园区域活动：环境创设与活动设计方法〔M〕.北京：中国轻工业出版社，2014.

〔13〕CLEMENTS D H，SARAMA J.Bailding blocks，volumes 1 and 2〔M〕.Columbus，OH：McGraw-hill Education，2013.

〔14〕WGBH and 9 story Entertainnent in Association with TV Dntario.Peepand the big wide world〔EB/OL〕.〔2017-12-31〕.http：//www.peepand.thebigwide world.com.

〔15〕DevTech Research Group at Tufts University the Lifelong Kindergarten Group at the MIT Media Lab，and the Playful Invention Compary.ScratchJr〔EB/OL〕.〔2017-12-31〕.http：//ase.tufts.edu.