基于中美STEM教育比较的创新人才培养模式新探索

冯碧薇

关键词：创新人才培养STEM教育中美比较基于项目的学习PBL

创新人才培养一直是国内外基础教育和高等教育阶段工作的重心和面临的难题。我国教育部原副部长杜玉波曾表示，提高教育质量，应当首先提高人才培养质量。为了培养创新人才，提高国际竞争力，同时解决人才就业不足、人才缺口增大等各项问题，美国高度重视STEM教育。STEM教育理念是美国教育领域的前沿战略，通过多项政府文件自上而下地开展和普及。

STEM是科学（science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）的缩写词，由美国国家科学基金会（NSF）提出，涉及化学、计算机、工程学、地球科学、生命科学、数理科学、物理、天文学和社会科学。STEM教育是将各门学科的内容融合为有机体，以更好地培养学生的创新精神和实践能力。STEM教育往往具有基于项目的学习（PBL）、实践性、综合性、跨学科和真实情境融合等特征。与传统教学相比，STEM教育在教学目标、教学方式、评价等方面都具有明显的差异。

美国STEM教育开展最早，机制相对成熟，具有重要的参考意义。中国借鉴STEM教育理念进行本土化尝试的目标是希望凸显育人价值，既面向全体学生，也旨在全面提升人才的创新素质。笔者通过赴美研修，实地了解了美国加州地区STEM教育开展的方方面面，包括：创新实验室的建设和利用，课程内容及开发方式，基于项目的STEM研究开展案例，教师专业化培训模式及跨学科合作现状等。下文通过比较中美STEM教育开展情况，对创新人才培养模式提出了思考和建议。

一、美国STEM教育开展方式及相关案例

在美国，主要通过以下几种方式开展STEM教育培养创新人才：①常规课融入STEM理念，通过基于项目的学习提高问题解决能力;②开展STEM选修课;③成立STEM或STEAM（在STEM基础上结合了艺术元素Art）学校，开展创新教育，培养创新人才;④专业机构组织培训STEM教师，提高9币资水平。

1.基于项目的学习案例

在Arcadia高中工程技术选修课上，配有1个创新实验室。实验室负责人是位有着数学、编程、工程背景的高中教师。他的实验室主要分为两部分，其中一个教室是编程专用，里面的学生人手1台电脑，学习的程序主要以Java和C++为主，授课方式与传统计算机课堂相似，以教师课堂讲解、学生课后练习为主。在课上，教师会让学生做多个与STEM相关的项目。例如让学生设计并制作一個机械装置，目的是在双手不触碰到类似网球大小的空心球的情况下，把小球弹射到2米远、2米高的1个桶里，并需要在一定时间内持续完成多个小球的投射。学生可以利用吹风机给小球提供动力，也可以利用大气压力原理达到目的，装置完全由学生自行设计完成。

在美国，一些高中学校开设生涯与技术教育课程，有许多与工程相关，学生在课程中需要完成许多项目，类似于我们熟知的STEM课程。在PalmDesert高中有工程衔接课程，学生学习使用3D打印软件等，并需要在12年级选择自己感兴趣的项目完成1个课题。Shadow Hill高中开设有景观学课程，学生在课上学习生物、环境科学、工程学等学科知识，并完成一些项目。比如学生会利用4周时间在课上使用木头搭建植物种植架子，同时设计自动灌溉时间，在当地沙漠地区种植植物。

2.STEM学校案例

美国加州La Quinta初中约有560名学生，规模较小，但学校是STEM特长校，开设STEM必修课和STEM选修课，除此之外还有普通选修课。学校许多文科教师（比如历史教师）同样可以开设STEM写作、资料查询类的选修课，指导学生如何进行文献综述的写作和网络资料查新，这样的技能对于学生未来发展也是非常重要的。

学校STEM课程开设情况基本是每天1个课时，每个课时约50分钟，1周4～5课时。所有教师都开设STEM选修课程，其中一些选修课属于PLTW课程（Project Lead The Way，“项目引路”项目是美国规模较大的技术教育项目之一）。还有一些教师则是自己开设STEM选修课程，比如数学教师开设数学与艺术融合的跨学科STEM选修课程“舞蹈中的数学”等。每年，教师还会参与州内举办的STEM相关会议，提高自身对STEM教育的理解和相关技能。

二、国内STEM教育开展现状

目前，国内STEM教育在北京、上海等地开展较多。根据上海市教委教研室2017年6月的一项调查指出：“通过1131份学生网上问卷调查及62份教师网上问卷调查，得到以下基本信息：学校校长及教师99%认为STEM教育很重要，说明STEM教育被广泛认可。在相对重视的前提下，学校对开设这类课程所用的教室也有特别的考量，超过60%的学校建有创新实验室。”

“在课时安排上，STEM教育的开展大多集中在拓展课课时，部分集中在研究型课程课时，平均每周课时在2课时左右。许多学校选择每周拓展课时中拿出2课时，也有些学校采用1+1模式，即每周1节拓展课与1节自然（科学、劳技）课，整合出2课时，满足课时需要。另外有一些学校将已有的选修课划分到STEM的各个领域，供学生选修。学校开展STEM教育大多采用基于项目的学习方式，学生或教师根据现象提出研究主题，围绕研究主题，通过一系列课时完成教学。”

三、基于中美对比的创新人才培养新探索

立足于创新人才培养，美国采用更为多元的教学方式，比如基于项目的学习、STEM学校、志愿者活动和职业体验课程等;而国内则更多地以拓展课和选修课开展STEM课程，以及STEM体验活动为主。虽然目前国内开展STEM教育已有诸多成功案例，学生创新素养正在逐步提高。然而STEM教育本土化实施时，在课程开发、课堂教学方式和教师培训方面依然有所不足。以下结合美国之行获得的案例、已有的STEM教学经验和国外创新教育案例，提出了创新人才培养的新模式，以供教育研究者参考。

1.鼓励基于项目的学习，推动教学转型

PBL是一套设计学习情境的完整方法。通过真实的、有意义的、连贯的项目经验，促成学生对知识内容深入而全面的理解。不仅让学生觉得有趣、着迷，更是“学习的核心”。就像在公司或组织的项目中工作一样，我们模拟学生在团队中的学习，让他们探究、研究、合作和创造持久的解决方案，解决现实世界中的复杂问题，这就是PBL的要点。

在美国，基于项目的学习手段非常常见，尤其是在常规课堂上也普遍应用，比如在音乐课上，教师会发放不同年代的CD，让学生完成一个称为“Decades”的项目。学生通过欣赏音乐和查阅资料，了解不同年代乐曲的特征，最后选择某个特殊年代的乐曲以小组为单位进行编舞和展示。在自然科学和工程学的课上，这样的案例更多。

同样，国内目前也越来越多应用基于项目的学习手段，特别在开展STEM教育时常以项目为基础。然而，在常规课程中很少使用基于项目的学习方法。一些常见的做法是先让学生学习相关知识点，然后在单元教学中穿插探究活动，这个过程并没有引导学生围绕一个核心问题或挑战寻找解决方案，因此和PBL有较大差别。PBL是通过设立一个真实有意义的问题，学生通过解决问题获得书本中教师需要传授的知识点。比如借鉴国外自然科学课例，教师可以提出“如何在当地种植可食用的植物”的问题，学生可以通过观察植物形态、测量植物生长情况、识别并描述植物生命周期的不同阶段，解释和推断环境因素是如何影响植物的生长地点和生长时间的。相关分析记录可以利用数学统计方法呈现，学生学习统计学知识和作图，相关结论可以通过论文或答辩形式展示，学生学习写作完成口头和书面形式的表述。

这些常规课上完成的项目，有利于学生进一步设计和完成高水准的STEM项目，教师需要学会创设适宜学生成长的空间，帮助每一位学生成长为积极的、有创新能力的、能够相互合作的创新人才。

2.建设STEM理念学校，颠覆传统课程体系

以美国圣地亚哥高科技高中为例，学校打破传统的按学科分类的教学模式，完全采用PBL学习方法，贯穿STEM理念，让学生通过完成一个个项目获得应学并且实用的知识和技能。学生的课堂都被改装为一个个现实生活化的操作场所机械车间、摄影棚、商店等，置身其中就如同处于一个个鲜活的社会场景中。学习内容都在现实性意义的项目任务驱动下，由学生动手实践操作完成。比如，11年级学生的一个课例名为“Ebola Going Viral”，学生需要完成如下几个任务：①小组团队合作了解埃博拉病毒如何传播、如何引起死亡，以及公众对疾病的态度;②制作一套问卷调查医护人员（调查传染病与社区人员之间的联系）和社区公众（调查公众如何识别传染病及看法）;③收集数据并与全国统计数据（如CDC）进行比较，找出误解;④开发一项产品，通过可访问的形式呈现科学数据解决公众理解上存在的问题，基于调查提出一种控制埃博拉疫情蔓延的解决方法（须采用多媒体技术）。在完成任务的过程中，学生能够掌握生物学知识、社会科学调查方法、医学常识、信息技术和写作技能。

在国内，目前类似的学校也已经有一些雏形，并且取得了不错的成绩。比如山东潍坊高新区钢城现代学校，学校的课堂没有上下课铃，教师根据学习内容和学生状态自由调整课时。小学阶段课程设计了“我与自然”“我与社会”“我与自己”3个宏观的单元主题，每个主题用5～7周时间进行教学。各个学科的知识点则被整合融入主题活动中，让知识和学生的生活对按。这样的主题活动可以整合和覆盖各学科课標要求70%的知识点，其余知识点教师则按照正常的课时安排授课。

目前，STEM教育很多都是以基于项目的学习方式完成的，结合国内外已有案例，通过建设STEM理念学校，重组跨学科知识点为真实项目，学生在完成任务过程中掌握学科知识，能够更好地培养学生的创新思维、创新能力和创新人格。

四、结语

创新人才培养一直是高等教育面临的重点和难题。其实，创新能力的培养并不是一个孤立的阶段，也不是单纯通过高等教育培养可以一蹴而就形成的，这是一个连续渐进的过程，因此小学、中学阶段的创新教育则显得尤为重要。中小学阶段，借鉴STEM教育理念，开展基于项目的选修课程，一定程度上已经提高了学生对自我、对社会和对科研的认识。在此基础上，将基于项目的学习理念推广、应用于常规学科课程，增加户外项目实践体验课程，或者在学校层面鼓励跨学科知识融合与颠覆传统课堂的尝试，或能为创新人才培养提供新的方向。