stem课程介绍（通用7篇）
2016年教育部出台的《教育信息化“十三五”规划”》中明确指出有效利用信息技术推进“众创空间”建设，探索STEM教育、创客教育等新教育模式，使学生具有较强的信息意识与创新意识，养成数字化学习习惯，具备重视信息安全、遵守信息社会伦理道德与法律法规的素养。小学
科学问题本就源于自然，源于某一现象的问题，如“为什么杯子里的热水会变凉？”工程学则源于需要解决的某个难题，例如“怎样让房子更保暖？”这两个貌似不相同的问题，其本质却都是热学中能量的传递问题。当教学围绕这个本质展开时，就有了一条隐形的线索，将科学和工程问题有效地结合在一起。可见，STEM的教学并不是简单地将科学与工程组合起来，而是要把学生学习到的零碎的知识与机械过程转变成一个探究世界相互联系的不同侧面的过程。
stem
在科学、技术、工程、数学之间存在着一种相互支撑、相互补充、共同发展的关系。如果要了解它们，尤其是它们之间的关系，就不能独立其中任何一个部分，只有在交互中，在相互的碰撞中，才能实现深层次的学习、理解性学习，也才能真正培养儿童各个方面的技能和认识。
可见，当教师在考虑如何将STEM教育引入中小学科学课堂时，必须将它们看作4种彩线，交织在一起，融合在一起，才能织出绚丽的画卷。
美国一项最新研究表明，如果父母经常和孩子沟通数学和科技的相关信息，会在潜移默化中帮助孩子提高学习竞争力和对此类职业的兴趣。
这个研究于2017年1月17日发表在《美国国家科学学术发展》。
其研究显示，提供给父母“如何有效传达STEM重要性”的方法后，他们孩子在数学和科学ACT的成绩上升了12%，而且孩子会对STEM职业产生兴趣，同时会大学里选修STEM课程。
建立一个强大的STEM人才输送系统，是美国经济增长和全球竞争力的关键。而如何鼓励更多的学生投入STEM领域的学习呢？美国芝加哥大学博士后Christopher Rozek，以及西北大学、威斯康星-麦迪逊大学、佛吉尼亚大学的同仁们共同为国家政策决定者提出了新见解。
“父母是潜在的一个尚未开发的资源，他们能够很大程度提高孩子们对STEM的认识和兴趣。” 我们可以通过鼓励父母和孩子们多进行关于数学和科学类话题的谈话”。该研究的主要作者Rozek说道。
此外，Rozek和他的同事们正在广泛的研究“期望价值理论”，更详细点来说，就是在做眼前或者未来的目标时，人们会潜意识的根据相关性和或有用性来做决定。而父母在孩子成长中形成的潜意识里有着巨大影响。
美国威斯康星大学有一个开展超过10年的父母参与的研究项目，父母被分成两组，其中一组为研究组（父母拿到了材料），另外一组是对照组。研究者们多年来持续跟踪并取得了数据结果。在2012年首次发布的研究报告显示，研究组比对照组的学生多选读了近一学期的STEM课时；而最新的研究中，研究员们还发现研究组不仅数学和科学ACT考试成绩提高了，而且大学选读STEM课程、从事STEM职业生涯以及全面认识STEM领域的价值的学生数都有所提升。
在此项研究中，研究人员设计并提供给了家长“如何在日常生活中与孩子讨论STEM领域的应用”等相关材料，我们从中选出几个案例如下：
1.讨论数学、物理与日常生活的联系
父母亲子休闲运动能力时，就可以和孩子就数学的实际运用理论建立话题。比如，如果我们懂得几何和三角学原则（角度、形状、切线）的话，可以帮助孩子提升在挥杆高尔夫球、沉击台球、传反弹球，或快速短跑上的能力。
或者，当我们与孩子一起观看赛事时，也可以灌输物理知识，因为不管是旋转中的足球、被棒子击后棒球、挑高干被撑起的弯曲、或举重时的肌肉收紧，都无不在反映物理的基本定律。如，动量、平衡、速度、动能、重心、抛射运动、摩擦等。
2.生物、化学与日常生活的联系
在生物领域，我们都知道可以利用细菌和真菌来制作抗生素。对于微生物学家来说，他们还可以对植物进行基因移植，改变其植株形态和果实形态。基因的微小变化，也可以产生巨变。
比如，大多数我们日常生活中所吃的食物，都是经过很长时间的选育，以至于看起来和它们最早的原身相去甚远。其中，最戏剧的是曾经的南美野生蜀黍在经过栽培驯化后，变成了我们现在所食用的玉米。这就是一个很好的话题切入点和引导方向，来激发孩子的学习兴趣。
除此研究发现外，该研究还在很大程度上挑战了一些普遍公认的假设。如“父母与孩子谈论数学和科学重要性”的无用论，以及“高中生的思想已经固化”等假设论调。
Rozek说：“许多青少年的家长不认为他们还可以改变孩子们的想法和动机，但这项研究表明，父母仍然可以有实质性的影响。”
这项研究结果为联邦政府政策决定者们提供了新的视角。即，通过父母来培养学生对STEM信念的重要性，以及它还是一个非常具有成本效益（低成本高效益的实用主义）的方法。不经意地将STEM融合到日常生活的情境中
研究表明：
无论孩子天赋如何，STEM对所有的孩子非常有利，也对所有学科领域都很重要。让我们尝试以这样的方式来认识这一点：当我们学习新技能时，大脑将整合之前已有的技能与经验，用来解决问题，应对挑战，然后在过程中反过来获得新的技能。STEM技能对发展其他多元技能至关重要：当孩子们有机会收集证据并解决科学问题时，他们也在建立着更强大的技能，而这些技能可以以多种方式运用到现在及未来的生活中。
你可以做些什么？
您可以思考如何不经意地将STEM融合到日常生活的情境中。比如，当孩子正在尝试拿一个她无法够到的东西，此时家长与其把东西直接拿下来给她，不如通过解决问题的方式来和她沟通，如“为什么你够不到那个东西呢？是因为你不够高？你可以借助什么东西让自己变的更高呢？”通过这种方式鼓励孩子尝试一些不同的思路和解决方案，如果她因此变的不知所措或者沮丧，家长还可以及时地给出一些建议来引导她。这都是一些简单的方式，但可以助你培养孩子们的独立性、批判性思维能力、STEM和语言发展等等。
家长的任务是建立简单的学习支架，鼓励孩子发挥
研究表明：
孩子是天生的科学家，但他们需要大人们的支持才能发展和扩大STEM能力和素养。就像我们之前采访过一位研究人员所说：“幼儿天生有能力做好高中生能做的科学探索和实践：他们会观察和预测，进行简单的实验、调查、收集数据，理解他们所发现的内容。”例如，对于刚出生几个小时的婴儿，实验观察发现，婴儿认识到如果把自己的拇指放在嘴里，会给自己带来更舒服的感觉；幼儿还会反复把吸盘从高脚椅的边缘上来回推挤，来测试重力的极限。学前儿童们也会渴望去了解为什么他们的衣服大小不再合适了（生命科学领域），并且痴迷于公共零食的公平分配（数学），这些看似自主的行为其实也是在暗示他们潜藏的能力。
你可以做些什么？
孩子们的STEM能力发展和大人的介入密切相关。继续使用上面的例子，当孩子因为身高不够拿到某样东西时，我们就可以在这个时刻简单地建立学习支架帮助发展孩子的批判性思维，你可以通过比较高度来带入数学，鼓励尝试不同的实验来体会科学，帮助它思考选择和使用工具来带入技术，提出一个解决方案来培养创造力，以及通过把她的解决方案实现到现实生活中而带入工程。除了所有的这些之外，你还可以在自我控制和持续关注的执行功能方面给予了她很好的支持。这就是STEM的基本理念运用。
成年人可以通过观察孩子对STEM的参与，注意到孩子不仅能够实现目标（获得对象）而且能够在你的支持下迎接挑战（解决问题），然后你就可以利用这些挑战的机会，让孩子们参与并鼓励他们进行科学调查的互动。STEM学习无时无刻不在发生着，家长的任务是为他们提供所需的工具，让他们进行发挥，鼓励他们继续努力，不要放弃，从而培养出被隐藏的潜在科学家。
在日常生活中，多向孩子问“6W”方面的问题
研究表明：
在多种不同的环境和给予孩子更多学习STEM的机会，才能更熟练STEM。正如语言环境会让语言学习变得流利，同理孩子们也需要在许多不同的环境中和被给予更多的机会，才能让他们的STEM学科变得精通。如果我们在儿童成长环境让STEM的学习可以变得随时随地，那我们就能看到孩子对STEM的兴趣和流利度都会提升，遗憾的是我们目前的整个社会支持系统是零碎的。
你可以做些什么？
父母对孩子们生活的长期影响，可以帮助在学校内外建立起STEM学习和应用的联系。如父母可以通过家庭内外的相关活动来激活孩子在校学习的成果，比如前往博物馆、科技馆、阅读STEM资源图书或者鼓励孩子参加STEM相关的课外活动（例如编程、科学秀、新技术体验等），父母支持对儿童参与数学和科学活动产生了积极的影响。
父母真正支持孩子STEM学习应该是这样的：不是整晚都在家中做大量的科学、数学作业，也不需要做大规模的科技项目，或把父母练成STEM专家。相反，父母应该从根本上支持孩子们的STEM学习，将STEM与他们的日常生活捆绑，在日常情况下引导孩子的好奇心，多向孩子问“wh”（why、who、what、when、where）方面的问题。
成人最重要的事情之一就是模仿参与和对周围世界的好奇心
研究表明：
很多人对支持孩子STEM学习感到焦虑，几乎三分之二的家长对自己的科学知识不够自信，或者误认为STEM是非常高深的科技，自己没有能力支持孩子们在家实践。但是父母和老师对STEM的看法对孩子有着深远的影响，如果他们认为科学、技术太难了，或者不像其他科目那么重要时，孩子们就会跟着也这么认为。
支持孩子在STEM上的学习和发展并不意味着你必须成为一名专家。事实上，成人最重要的事情之一就是模仿参与和对周围世界的好奇心。通过提出问题和求证，把自己当成一个共同的学习者和引导人的角色，鼓动起孩子们的好奇心，以及渴望探索和实验的动力。我们应该多提出问题，而非问题的解答者，只要我们愿意和孩子们一起学习，一起试图找出答案，这才是培养孩子正确学习的基石。
你可以做些什么？
●STEM视野下信息技术课程变革的趋势
1. 信息技术课程的难度会加大
信息技术学科的合理性成立的一个指标是在学校教育中学生需要学习的内容相对于其心理发展水平和知识水平有合理的距离，处于学生学习的最近发展区，学生在学习过程中有一定的难度。这种难度既是学生获取自我成就感的需求，又是一个学科发展的需求。在STEM视野下信息技术学科的教学内容不仅仅局限于创作一个作品过程中的各种操作，将会把科学探究中的工具设计、各种软件环境的比较分析，编写程序研究科学和数学问题这类问题有机地融合到信息技术的课程体系中，其课程的难度会比现在大。但是难度增大的同时，对学生的综合能力的要求可能会更具体，相比于现在的评价手段，可能会更具操作性。
2.信息技术课程的教学有效性会增强
教学的有效性决定难度提高的信息技术课程能否落实，如在最早的程序设计教学中，许多教师发现，程序语言的学习对于学生而言难度很大，而程序教学又缺乏足够的指导资料，使得教师不能够有效地指导学习能力稍弱的学生达到平均水平，教学的有效性不足导致了早期的程序设计课程普及度不高。为了提高教学的有效性，在内容设计上要有明确的有一定难度的知识或任务，在课程评价上要有很明确的可操作的量规，对于学习能力较弱和很强的学生都要有详细的支持手段，只有这样才能够提高教学的有效性。只有教学的有效性提升了，技术学科的学科地位才能够得到提升，学生在不断的头脑激励中体会成功的快乐，而教师能够有效地组织教学，设计教学环境。教学的有效性很大程度上受到教师能力的影响，因此课程支持材料的一个重要作用就是提高教学能力一般的教师的课堂教学有效性，因为他们决定着整个学科的教学有效性。
3.信息技术课程的课程结构的稳定性会增强
作为一门迫切需要成熟需求的学科，许多专家学者试图探索信息技术课程结构的稳定性，最近，南京师范大学李艺教授指出，有必要研究信息技术学科特有的科学思想方法。但信息技术又是一个不断求变、不断求新的领域，似乎存在着某种矛盾，因此这里有必要对社会和教育视野中的信息技术做一个区分，在社会视野中的信息技术更多的是一种工程化的思维方式：信息技术如何高效地解决问题。因此，当Windows XP出现之后，自然很少有人会继续选择Windows 98，但是在教育领域特别是基础教育领域当中，我们更多的是要教授学生一种科学化的思维方式：不同的信息技术手段在解决问题的过程中的区别和联系是怎样的。因此，有必要让学生比较Windows平台和Linux平台下同样的Office软件，区分其相同点和不同点，并从成本和产出的角度做出选择，就有了教学的必要。因此，对于不断变化发展的信息技术前沿技术而言，中小学信息技术教育存在着两条比较稳定的课程主线：一是同一款软件或者系统不同版本的比较抑或满足同一功能的不同软件的比较，二是在信息技术领域中偏向科学领域的知识，如编码、通讯技术和感测与控制技术。这些比较稳定的课程主线的背后，是更为稳定的学科思想方法，即人类用计算机增强其智能的共性规律。
4.信息技术课程必修和选修的功能区分会更加明确
信息技术领域可以讲授的内容，比任何一个传统学科都要更多一些，其原因在于计算机已经深入到社会的各个领域。单就选修课的开设角度就可以有：新软件的应用、信息技术手段和其他学科整合、运用信息技术进行艺术创作、机器人与感测控制技术、从某项职业的工作需求出发介绍其常用软件等。正是这种角度的差异，使得信息技术选修课的内容可以非常丰富，信息技术教师的业余爱好也可以在选修课当中得到最大限度的体现。其实这些选修课代表着信息技术课程的各个可能的维度，每个维度都希望自己能够成为必修内容。但是，必修内容应该是相对稳定的教学内容，而且课程容量有限，因此，应该将比较反映信息技术核心思想方法的相对稳定的内容，以一种高效的有一定难度的方式呈现给学生，与此同时，又不能够让必修内容变成没有难度的基础内容，还不能够让必修内容变成僵化的八股内容，恐怕这是最难处理的问题。因此，有必要对必修的内容和教师开设的校本选修内容做功能上更加明确的区分，并且建立一个合理的选修─必修的通道，使得必修内容在结构相对稳定的同时保持活力。
●信息技术课程各个学段学习过程的变化设想
在这里使用学习过程的概念，是期望规避目前信息技术学科常常被误解的问题：为什么小学、初中和高中都在讲Word？下面的设想，是期望学生在不同学段的信息技术学习过程中，有一个适应其心理发展特点的并且有一定梯度和不同侧重点的学习过程，目的是提升学生的学习能力。当然，这些过程只是笔者从STEM视野下信息技术课程变革的需求出发的一些不成熟的推论，而这些设想也受到我国区域间教育发展不均衡的制约，权作抛砖引玉。
1.小学：可以尝试在综合应用环境之下的创意表达
随着发达地区学生家庭电脑的普及，学生在家庭中完成信息技术作业已经有了基本的硬件保障。在小学阶段，很多内容是综合讲授的，如科学和社会学科。信息技术的教学也可能是综合的，如一个综合的活动中可能围绕着一个智能风扇的建议项目，要涉及装置的制作、程序的编写、图片的拍摄和处理、宣传影片的制作、说明文档的写作等一系列的综合任务，以表达一个创意为主线，串联起技术的珠链，让学生在综合应用的环境中学习技术，可能是小学高年级的一种重要的学习方式。有必要将颠倒课堂的模式引入小学的信息技术教学中，让学生在遇到一个软件的使用细节时，能够通过资源包来自学，以创意表达为核心而非以技术细节为核心的教学，可以在最大程度上符合小学综合实践活动课程的设计初衷。但是，这样做需要增加信息技术课的课时，目前在小学，信息技术课被压缩、占用的现象很严重，因此有必要对课程的内容做重新的整理，让教学效果和学生综合能力的提升作为小学阶段课程合理性的支撑。值得注意的是，创意类的课程，需要的案例往往不是一本教材就可以解决的，它需要的是综合情境下的解决方案的库。因此，应该组织教学解决方案的分享平台，让更多的老师有更多的教学选择。
2. 初中：可以尝试规范而言之有据地对各种信息技术工具和平台进行比较
有一个事实往往被忽视：我们生活在一个软件的地球上，而其中被大部分人熟知的软件的比例比我们地球上陆地面积的比例还要小得多，绝大部分的应用软件都失败了，他们被埋葬在软件行业竞争的深海当中，失去了社会价值，但是这些软件是有教学价值的，最大的价值是比较的价值。例如，通过对因为被收购而势微的Fireworks和Photoshop之间的比较，就可以体会到两种不同的图片信息处理方式，如果再把Photoshop跟Windows画图板进行比较，就可以发现这些图片处理工具的共性内容，并且思考一个信息技术工具设计是如何体现以人为本的。其实不单单是一些小公司的软件，就连微软自己的写字板软件相对于其记事本和Word而言都很少被人使用，那么从记事本到写字板再到Word，这些文字信息处理工具都做了哪些功能上的改进，它们有哪些相同的功能，经过这个分析，学生就能体会到什么是一个信息处理工具最基础的功能。又如，从ACDSee3.0～6.0之间哪些功能发生了变化，界面做了哪些调整，功能有了哪些变化，都可以写一个详细的分析报告。这种比较，可以选取一个比较小的应用软件来对学生进行测试，如比较三款截图软件的功能，并且根据一个需求情境对软件的选用作出判断。这种教育领域的软件比较适合教学的需求，使得一些已经沉没的软件重新找到用户，更重要的是让学生从软件的使用者转变为软件的选用者，而且分析测试报告的写作，也是一个综合能力的锻炼过程。此外，程序语言的学习也不是对一种语言的简单理解，而是对于完成同一个任务，各种语言的语法规则和执行效率的比较，相比于小学，又上了一个台阶。
3. 高中：可以尝试在学理上对信息感测、编码、通讯与控制进行实验研究并加以综合应用
在高中阶段，基础教育中的信息技术课程，由于在小学阶段已经有了比较好的基础，有了一定的图形化编程的认识，并且在初中阶段学生自学软件的能力得到了比较好的锻炼，接触到了一些代码语言，因此在高中阶段，做比较深入的涉及从模拟量到数字量的感测、编码、通讯和控制的学习就有了可能。通过程序设计语言编写实验工具，通过具体的信息技术实验，来研究上述过程中稳定的现象、效率的比较，在这个过程中分析、建模和设计这些面向21世纪的高阶思维能力以及问题澄清假设检验这些科学探究的过程，都可以通过信息技术实验教学的过程得以体现，之后从不同的角度如新软件的应用、信息技术手段和其他学科整合、运用信息技术进行艺术创作、机器人与感测控制技术、从某项职业的工作情境出发介绍其常用软件等角度开展某些深入细致的综合应用。这样，学生能够在学理上对信息技术中比较原理性的概念有一个较为深入的理解的基础上，对信息技术的相关的科学、工程、数学和艺术领域做一个初步的了解，为大学之后对于某一领域的专业学习奠定学习基础，而这是基础教育中其他学科所难以涉及的。
●信息技术课程变革的环境保障
如果上面的课程结构是一个比较理想化的课程畅想，那么这种畅想还是需要有效的教学环境作为保障，这种保障包括课程自身价值的明确，课程实施过程中实验仪器的配备，当然，最重要的是教师围绕着课程的支撑条件、评价体制和圈子文化的建设，通过这种建设，在使信息技术教师的整体水平得到提高之余，整个团队也呈现出一种和而不同的面貌，从而促进信息技术课程的变革。
1.明确信息技术课程对学习能力的促进作用
东北师范大学董玉琦教授指出，信息技术对学生学习能力的促进作用是制定高中信息技术课程标准时体现信息技术合法性的一个重要论据，而对于学习能力的促进作用则需要通过具体的教学内容来实现。正如前文所设想的那样，在小学阶段学生通过综合项目学习，体会各种教学软件和硬件在一个综合任务下的使用过程，提升自身的学习能力。在初中阶段学生通过各种软件环境的比较，从一个应用软件和硬件的使用者转变成为依据数据和具体的指标做出选择和分析的选用者，全面提高自身适应新信息技术环境的学习能力。在高中阶段对信息技术学理性知识进行深入研究，其准确的实验素质的培养，是区别于科学领域的实验教学的一类新的更具有广泛性和普适性的学习过程，其后的对信息技术相关领域的深入学习的过程，有助于明确自己的特长和兴趣，为今后大学的学习打一个良好的基础。因此，在上述的各个学段的学习过程中，教师始终都要把信息技术课程对学生的学习能力的促进作用作为一个明确的要实现的目标。
2.明确信息技术实验的仪器设备的合法性
信息技术教学过程中的硬件不仅仅有机房的计算机，随着课程的深入，需要更多的硬件作为教学仪器进入中小学信息技术教师的配备标准中。在这一过程中，需要课程标准的制定者、教材的编写者和教学仪器标准的制定者的合作和配合，使得信息技术课程更加符合社会发展的要求，课程的内容也更为稳定，教学更为有效。这一过程中，作为教学仪器出现的硬件平台，应该是针对教学需要专门设计的、成本比较低、稳定性比较好的教学仪器，并且在小学、初中和高中都应有适合该学段特色的相应设备。
3. 课程体系对教学处于弱势的教师应该提供有效的支撑
决定教师整体水平的永远不是最优秀的特级教师的教学水平，而一定是刚入职的教师或者教学中处于弱势的教师的教学水平。以数学教学为例，一个刚刚入职的教师可能在教学方法上还不熟练、在教学技巧上还欠些火候，但是数学学科长期以来积累下的习题体系会给他以支撑，意思是说，他可以把重点放在对习题的掌握上，这种对数学习题的深入理解会给他带来最初的教学自信。而信息技术课程则缺乏对教学能力稍微欠缺的教师的有效支撑，教学内容上应该有一定难度，应该有一定的体系和比较容易定量操作的指标来对学生的学习结果作出评价，而作为初中阶段的软件分析报告和高中阶段的信息技术实验论文在这方面就更容易操作一些，此外还需要丰富的课程解决方案，这样才能够整体地提升教师的教学有效性。
4. 教师评价体系应鼓励优秀教师对选修课程的贡献
在信息技术学科的课程中，选修课程的建设非常重要，其重要性远远超过传统学科，应在教师的评价体系中有所倾斜。特别是从高级教师到特级教师的阶段，能够开发并研制几门可在小范围内推广的选修课程，应该成为评选特级教师的一个重要指标，因为作为特级教师，其教学风格和教学特色受天资的影响很大，其他人很难学习和继承，而在课程领域则不同，积累下的教材、教案、学案、有声读物和微视频组成的课程资源支持包，能够帮助感兴趣的教师开展该选修课程的教学。此外，以课程为导向的教师评价机制还有利于让那些公开课不那么突出的教师脱颖而出。
5. 促进信息技术教师差异化课程小圈子的组织和文化建设
围绕着特色选修课程的建设，通过网络平台形成信息技术教师的差异化的课程小圈子，跨地域完成讨论和课程研讨，将感兴趣的人聚集起来，让信息技术教师在选修课程的建设过程中收获个人兴趣与职业成长的双丰收。以Scratch语言教学为例，其典型的几种教学流派和自己的小圈子在QQ群的组织下形成了自己的课程圈子和尊重、分享的课程文化，这种圈子和文化极大程度上促进了Scratch在中国的推广，也促进了圈子中刚刚进入到Scratch教学的教师的水平的提高，以2013年Scratch教学研讨会为例，来自全国各地的教师以民间自发的形式来参加教学研讨会，大部分教师自费参加教研的情况在全国是很少见的，这正是围绕着课程的教师圈子力量的体现。今年，创客教育（www.edumaker.org）网站将致力于建设以明星教师课程为核心的教师圈子，并形成有效的造血机制。
●从STEM到STEAM：将艺术融入到STEM视野下信息技术课程实施的全过程
从STEM教育视野下看信息技术课程的变革绝对不是要将信息技术课程变成一门干巴巴的理科课程，其中艺术和设计的元素在信息技术课程的教学设计中是一条贯穿始终的线索，因此有学者指出有必要从STEM到STEAM，将艺术（A）和设计的元素融入到信息技术教学中，艺术给了STEM领域的作品丰富的表现力，而设计则连通了从STEM领域到产品原型之间的桥梁。我们之前常用的以学生作品的形式评价学生的做法，好的作品和差的作品之间的差异，往往是其艺术表现力和设计创意之间的差距，在评价方面，如前文所述，在信息技术课程中引入软件比较报告和实验报告这两种评价方式，在这些评价方式中，同样还要将作品的质量和艺术表现力作为一个评价的指标。
●缓进而慢行：以丰富的选修课程逐步促进必修课程的变革
摘 要：文章在探讨STEM整合教育的可借鉴性基础上，探究在现有条件下开展STEM优化科学探究教学的有效模式，以重庆一中初中科技课作为实践平台，对“伪全息3D投影制作”个案进行分析。为有效融合STEM课程理念，该案例尝试以5-E教学模式，即参与、探究、解释、详细说明、评价5个阶段开展教学，希望能获得更多同行的建议指导。
关键词：STEM；5-E教学模式；伪全息3D投影；科技课
中图分类号：G434 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2016）24-0035-05
一、STEM教育的产生与发展
STEM源于美国，是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）的缩写，是以基于问题学习、基于项目学习、基于工程设计等方式将科学、技术、工程和数学四门学科融合的教育。
其本质是在多个独立的学科中建立一个桥梁，为学生提供整体认识世界的机会，引导学生重新思考科学、技术、工程和数学的内涵及他们之间存在的关系，把学习的零碎知识变成相互联系、完整统一的系统。毕竟，学生最终面对的是一个完整的世界。
1986年美国国家科学委员会发布《本科的科学、数学和工程教育》报告首次明确提出“科学、数学、工程和技术”教育的纲领性建议，被视为STEM教育的开端。2015年12月奧巴马政府正式颁布了STEM教育法案，从教师培训、社会协助、校内外相结合等角度详细规划了STEM教育的新动向。[1]
STEM教育在美国的蓬勃发展，究其原因，美国实用主义哲学的思想基础起到了重要作用，杜威的做中学思想影响深远，实用主义哲学重视知识的学以致用，更重视学习者的实际经验，这些都是STEM教育的重点。
那么，STEM教育引入我国能否成功呢？有学者认为，科学、工程、技术的结合能够让学生体验运用科学解决实际问题的乐趣，加深对理论知识的理解，应尽快借鉴。[2]也有学者仍坚持我国应注重学科分科，含蓄表达了对“整合”的异。[3]有学者更直接地表示我国特别是一些相对落后的地区远没达到1996 年《美国国家科学教育标准》的水平，现在大规模引入将欲速则不达。[4]
单凭几家争论决定我国基础科学教育的发展走势未免失之粗疏。适用与否以及如何应用还须用事实说话。
2001年，教育部正式启动新一轮基础教育课程改革，六项改革目标备受瞩目，其中目标二：改变课程结构过于强调学科本位、科目过多和缺乏整合的现状；目标四：改变课程实施过于强调接受学习、机械训练的现状，倡导学生主动参与、乐于探究、勤于动手，培养学生分析和解决问题的能力。这两项目标与STEM 课程强调要将过程和方法置于复合的真实问题情境中，应用多学科知识解决实际问题的表述有异曲同工之处。
由于STEM教育在国外仍处于发展阶段，照搬经验或全盘引进我国易引起“水土不服”，也有貌似结合我国实际的创新应用。如有的学校以单独的学科形式呈现的STEM教育，将每一个学科作为独立的课程教授，学科之间只有一点或没有融合，这显然违背了STEM教育的初衷。
以STEM学科结合类型和重点学科为分类维度，Margaret Honey等人的研究团队将STEM整合项目分为以下几类：（1）教授STEM学科中的每一门，同时更强调四门中的一门或两门学科，如SteM、sTEm；（2）将一门学科融入另外三门学科展开教学，例如工程学科能融入科学、技术和数学学科。就像是E-S、E-T、E-M；（3）四门学科相互融合。[5]
探讨 STEM 整合教育的可借鉴性，本文认为结合类别——《工程教育：理解地位并改进前景》中所提出的“珠—线”（beads-and-threads）模型更符合我国实际国情，以项目为珠，线绳代表课程中的核心概念和基本技能。数学、科学、技术三条线代表在工程设计中使用的学科领域。[6]
二、STEM与科技课程的结合
之所以选择科技课率先作为STEM理念的实践平台原因有三：首先，科技教育在重庆一中开始于20世纪50年代，是具有悠久历史的传统教育活动，也是重庆市第一所开展科技教学的中学。课程内容包括三模一电、科技四小活动、机器人和计算机信息技术等活动，其中科技四小活动作为联合国教科文组织研究项目“创新学习研究与实践”的一级子课题，在科技教育方面积累了较为成熟的经验，科学探究氛围浓厚，学生基础较好，便于开展实践研究。
其次，STEM课程强调真实情境、亲自动手、做中学、合作分享等理念，这与重庆一中科技教育的培养模式类似。在长期的教学实践中，为最大程度地挖掘学生的创作潜能，激发对科技活动的兴趣，重庆一中技术教研组的教师们在《课外科技活动策略》一书中提出了三段式教学策略：创设情境，激发求知欲是培养学习兴趣的前提；创造宽松的思考空间，让学生在“做中学”是引发学生学习兴趣的重要环节；科学评价，增加激励措施，是激发学生学习兴趣的催化剂。
最后，STEM教育形成发展于科学教育，STEM教育是科学教育改革的新思路。STEM名称缩写也是以科学开头，这一缩写暗示了STEM教育中科学教育是最为重要和核心的部分。[7]回看STEM教育的发展历程，有关STEM教育的研究项目和报告大多由科学机构赞助，如NASA（美国国家航天宇航局）、NSF（美国国家科学基金）、NSB（美国国家科学委员会）等。STEM教育的发展立足于科技教育，同时又在探索科技教学的改革路径，借助哲学上系统、联系的思维解析理工科，甚至文艺课教育之间的普遍联系。
在国外，STEM教育已经过了原始积累阶段，正逐步从本科教育向中小学教育推进，而在我国却是从中小学开始，最有代表性的就是现在很多中小学如雨后春笋般创客空间的建立。初中作为K-12阶段中承上启下的关键，结合我校科技课的浓厚氛围，本研究将以初中科技课作为实践STEM教育理念的主要场地。
三、STEM教育视野下科学课程的设计
1.明确初中科技培养目标
在STEM教育实践中常见的教学手段有基于工程设计、基于问题解决、基于项目探究等，在我们的科技课上，经常选用的是基于工程设计的方式。在我校初中的信息技术、科技，高中的信息技术、通用技术统称技术课程，考虑到技术课程设置的连贯性与流畅性等问题，我们将初高中的培养目标进行了区分。
2.操作方式
初中科技课以模仿实例作品、验证科学原理为主，而基于工程设计正是一条有效的途径。具体如何操作呢？我们参考了贝比（Bybee，R）的5-E教学模式。[8]5-E教学模式将学习分为5个阶段：参与（engagement）、探究（exploration）、解释（explanation）、详细说明（elaboration）、评价（evaluation），强调以学生为中心，通过实验的方式解决问题，以小组合作学习促进学生对科学概念的理解和知识的建构。
3.5-E教学模式
参与（ENGAGEMENT）阶段：该阶段的活动目的在于吸引学生的注意力，激发思考的火花，使他们能够亲身参与到课堂中，帮助学生获取记忆中的已有知识，将现有知识和已有知识发生联系。常见方式有教师提问、学生头脑风暴等。
探究（EXPLORATION）阶段：该阶段给学生留有足够的思考、设計、调查的时间，教师提供材料并进行引导。学生可团队协作进行实验，通过探索建立起科学、技术、工程、数学及其他学科之间的联系，即STEM所提倡的做中学的过程。
解释（EXPLANATION）阶段：该阶段学生将对他们的探索和探究进行分析和解释，沟通理解，分析可能性方案。他们澄清自己的理解发现，以多种方式进行交流。
详细说明（ELABORATION）阶段：该阶段学生将巩固并扩展刚刚获取的科学概念，通过修改方案或实验进行进一步的探究。
评价（EVALUATION）阶段：评价是学习环中的重要环节，但不是一个特定的阶段，它贯穿整个教学过程。在“5-E”模式中，评价是由教师、学生共同完成。它不但要求对学习结果进行评价，而且要求对学习过程进行评价。
在这五个阶段中，学生和教师都有明确的分工，教师作为引导者，指引学生针对具体内容提出有待探索的问题，进而开展研究，学生通过研究经验和总结对问题做出拓展性的理解。由于篇幅所限，这里不再做一一列举，将下面结合具体课例进行说明。
四、“伪全息3D投影的制作”教学案例
基于工程设计的STEM课程教学具体如何整合呢？本文以“伪全息3D投影的制作”为例，该课是一节基于STEM教育理念下的初中科技课例，立足于我校初中科技课的培养目标——模仿实例、验证科学原理。教师引导学生对3D、全息等高热概念展开讨论，结合具体实例，带领学生一起探索利用生活中的简单材料制作伪全息3D投影。本课以模仿探究为主，故使用了基于工程设计的教学手段，以参与、探究、解释、详细说明和评价（5-E）的教学模式展开教学。
1.参与阶段（ENGAGEMENT）
活动重点：教师引导学生回顾生活中见过的3D全息投影案例。
主要教学活动：教师问同学们生活中见过哪些3D投影的例子？学生回答：3D电影、3D喷泉、3D电视等。教师进一步举例，如《钢铁侠》电影中贾维斯模拟出的各种场景，2015年春晚李宇春表演的《蜀绣》等。随后引导学生分析这些3D投影技术有何区别，是否佩戴设备（如3D眼镜），是否有色像差等。
这里设置了如下活动：
活动1：左右眼，大不同。分析人眼看立体造型的原理——当单独用左眼或右眼看同一个物体时，得到的影像是有差别的，经大脑合成后形成立体感。
活动2：解析3D电影成像之谜。即利用偏振光等原理，通过3D眼镜的过滤将不同的影像，分别送进人的左眼和右眼，这样就有了立体感。在学生已经对3D投影技术有粗略了解的基础之上，引导学生制作今天的主题伪全息3D投影装置。
2.探究阶段（EXPLORATION）
活动重点：教师展示伪全息3D投影装置，并提示制作要点，学生小组协作制作装置，展示作品。
主要教学活动：教师展示伪全息3D投影装置，提示制作正四棱锥的要点：以播放设备的宽度作为棱锥底边长度，利用公式：棱长≈0.866×底长，计算得出棱锥的棱长。以这两个参数为基准在纸上绘制图形，剪下后以此为模板在透明塑料卡上剪下同样的图形。
随后，将以此作为模板剪下来的透明塑料卡用透明胶带粘贴在黑色的纸板上，做上简易的支架。学生在教师的指导下，以小组为单位完成制作，学生也可另选底长和棱长进行制作，播放视频检验作品能否达到3D效果，最后学生展示自己的作品。
3.解释阶段（EXPLANATION）
活动重点：通过演示作品是否达到3D效果，引导学生讨论、探索棱长和底长的关系。
主要教学活动：以小组为单位，演示自己的装置，有的作品能够看到明显的3D效果，有的却不能。教师询问并引导学生观察各个装置的不同之处，从选材的透明度、四棱锥结构及观看者的角度等进行分析，特别针对那些不成功的装置，寻找原因。学生通过讨论交流发现当四棱锥棱长≈0.866×底长，且塑料板的透明度高时效果最好，当然也要配合适当的观看角度。为什么呢？
教师解释伪全息3D投影的原理：a.观察播放的视频是特制的视频，一个人物运动的前后左右四个面，光线分别投向了四棱锥的四个侧面（视频技术）。b.四个面的光线被棱锥的四个侧面同时反射，像潜望镜一样，光线被反射到水平方向进入人眼（反射原理）。c.由于反射光线的棱锥侧面是透明的，所以能同时看到后面的东西，于是就有了立体投影的效果（成像原理）。
那为什么棱长和底长的比例不同会效果不一呢？
教师解释：d.由于视频光线是从上垂直射向棱锥的侧面，而我们的习惯是平视观看效果，根据反射原理可得棱锥侧面与底面的夹角应为45度，此时反射光线会水平射入正面的人眼中，从而看到一个方向上的影像。如四棱锥侧面与底面夹角不是45度时，反射光线就不会平行射入人眼。当四个面的反射光线汇聚后，就形成了3D效果，但因为这个是由反射原理形成的影像，而非真正的全息3D投影技术，所以叫做伪全息3D投影。
4.详细說明阶段（ELABORATION）
活动重点：学生小组讨论，独立计算已知当四棱锥斜面与底面夹角为45度时效果最好，那以此为条件，如何确定底边与棱长的关系呢？
主要教学活动：由于本课对象为初一年级学生，在数学中已学过勾股定理，但从未接触过立体几何，可通过将立体问题平面化的方式完成计算，考虑到难度问题，本任务作为拓展内容。教师在学生讨论、计算一段时间后进行解释说明。
教师解释：e.线po为四棱锥的高，oa⊥ab，由于底面是正方形，得出a为底边中点，三角形oab为等腰直角三角形，所以oa=ab。由于该棱锥侧面与底面夹角为45度（即∠1=450），op=oa=ab，所以pa=ab（勾股定理），而pa⊥ab，利用勾股定理可求出棱长pb=ab，底边为2ab，所以得出之前的公式：棱长≈0.866×底长。
随后，教师进一步提问，引导学生思考：1.如何提高投影效果的清晰程度呢？2.用平面镜代替透明塑料卡可以吗？亚克力板、相片过塑板哪些材质会更好？（技术—材质选择）3.播放的视频如何获取？从网络下载或使用摄像设备拍摄并制作。分别使用摄像机从动态物体4个面拍摄4段视频、导入电脑，使用相关视频编辑软件，如电影模仿、绘声绘影等，将4段视频合成加工为一段具有4个面的特殊视频（信息技术—视频制作）。4.如何让播放设备更稳定地放在四棱锥顶端？可在四棱锥四周设计四个支架（工程—结构搭建）。
总结本项目所用的知识，包括S科学：3D投影技术、反射折射、成像原理、偏振光原理、视频处理技术；T技术：材料与制作、构件加工；E工程：设计、结构与稳定；M数学：勾股定理、立体几何—正四棱锥。
5.评价阶段（EVALUATION）
在本案例中的评价方式多样且贯穿于整个学习过程，不仅关注学生作品效果，也注重在学习过程中的各项表现。为此，我们设计了详尽的评价标准，在课前就让学生熟悉并明确，也起到了在活动中不断引导学生完成任务的目标，教师可参照表1-3进行评价，学生也可进行自评。
五、总结
本课例中以伪全息3D投影的制作为载体，以STEM课程理念为指引，应用5-E教学模式（参与、探究、解释、详细说明和评价）展开教学。参与阶段：学生被吸引到一个有趣的挑战中，参与活动亲身感受3D成像之谜。探究阶段：学生开始根据教师的提示模仿完成作品，在制作过程中他们遇到问题、解决问题的过程都是探索科学和工程学原理的过程。解释阶段：学生展示作品，从光线反射、四棱锥公式计算等方面解释成像原因，从选材、结构等方面描述他们认为可能形成影像效果的原因，随后教师补充释疑，这也是学生向同学和老师学习的过程。详细说明阶段：学生在老师给定先决条件下，演算出该装置的一个重要关系：棱长≈0.866×底长，并思考、讨论可从哪些方面进一步改进。评价活动贯穿在整个探究活动中，有利于学生随时调整自己解决问题的方法及对知识的解释，教师和学生共同开发评估标准，可以增强学生的参与意识并促进学生积极进行自我评价，形成良好的自我效能感。
整个案例融合了物理、数学、工程、技术、信息等多学科知识，使学生了解了科学乃至工程、技术和数学领域的知识概念，增进了学生对科学探究与工程设计的参与度，形成基本的科学探究和设计的意识以及主动性，同时也发展了其解决问题进行科学探究的技能，提高了对涉及领域内容的兴趣点和关注度。
我国基础教育正经历着从分科到综合的改革阶段，培养学生对事物的整体认知能力越来越受到社会的关注，而改革最重要的莫过于如何进行课程的有效整合。STEM教育是一种新兴的跨学科整合教育，通过整合各学科内容来培养学生的综合素养和能力。本文基于对STEM教育基本问题的研究，展开了STEM教育视野下科学课程的建构构想。在平时的教学过程中，其实很多老师已经开始尝试将STEM教育理念渗透在自己的教育教学过程中，本文以本校教学实践为基础，向大家展示了我们在科技教育方面的探索，希望以此为契机，与更多同行进行更为有效的沟通交流。
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摘要：在美国，没有太多中小学生对STEM感兴趣，而在高中生中，追求高质量的课程，为将来成为科学家、工程师、数学家做准备的，也只有相当小的比例。
问题：公众的态度
美国社会似乎可以接受STEM学科的欠佳表现。在我们的文化里，数学和科学不好没什么大不了的。一个人可以在演说中对公众宣称：“我的数学不好”，而不会有说“我阅读不好”时的羞耻感。
在美国，没有太多中小学生对STEM感兴趣，而在高中生中，追求高质量的课程，为将来成为科学家、工程师、数学家做准备的，也只有相当小的比例。
——在美国，只有15%的本科生选择自然科学或工程学位，在中国，数字是50%。
——在美国，大约有34%的自然科学博士学位和56%在工程博士学位被授予外籍学生。
此外，大部分家长相信，美国目前的数学和科学教育很好。他们并不期盼教育改革。这些漠不关心为教育体系改革增添了阻碍。“人们必须明白，数学可以变得非常强大，是可以令人兴奋的”，数学教育特聘教授M.凯思琳.海德说，“如今，数学教育关系到教学思想和理念，这些为规则的建立和问题的解决打下了基础”。
宾州州立大学的应对措施：培养年轻的一代
为了改变这些公众的态度，教育学院的教师将工作延伸到了学生的家长和教师，通过他们在大学里接受的数学和科学教育来开展工作。教学研究整合中心(The Center for the Integration of Research, Teaching and Learning)是一家帮助STEM领域的研究生和全体教师提高他们的授课技能的机构，并促进他们相互学习。带来的结果将是，全国所有的科学、工程、数学教师能够让所有的大学生成为有科学素养的人。
“我们想研究所有的学生”，卡罗.科尔贝克，教学研究整合中心(CIRTL)研究员、宾州州立大学副教授、高等教育研究中心主管说，“我们的目标是提高授课水平，保证STEM学科知识充分地传授，不只是为了少数优秀的考取学位的学生，更多的，是为了那些需要提高STEM学科成绩的学生”。
科尔贝克与STEM学科核心教师团队一起工作，这些承诺与本科生一起学习的教师是公认的优秀学科教研员。他们一起改善教学方法，把博士生教育成未来的优秀教师和研究者。
科尔贝克将CIRTL的工作集中于培养博士生的研究技能，这些技能可以应用于4-H项目的教学。
100多年前，农村青年计划帮助大学获得了政府拨地，让那些抵抗政府干预的农民的孩子能够接受教育。多亏4-h对青少年的积极影响，让机构可以接触这些农民，并赢得他们的支持。
科尔贝克说，“当现在的教师们看到他们的博士生成功的将研究方法应用到了教学实践，提高了本科生的学习经验和成绩时，他们便更会愿意去尝试新的方法。用‘教’与‘研’相结合来提高学习成绩，这种兴趣是可以传播的”。
(4-H：即 head,heart,hand,health，美国一项青少年发展项目，是美国俄勒冈州立大学“4-H学校增益计划”的一个组成部分，该项目可以帮助学生及教师走出书本，走向以学习者为中心的体验程序。目前该计划已经在美国多个州展开实验，并取得了较好的实验效果。)
CIRTL是一个由五所大学合办的机构，他们是宾夕法尼亚州立大学，威斯康星大学麦迪逊分校，密歇根州立大学，霍华德大学，科罗拉多大学，也是美国国家科学基金会(National Science Foundation)一个为期5年，包含1000万经费的项目的一部分。CIRTL的根基由三根支柱组合而成——教学研究，学习社区，学习的多样化，即机构的博士生可以参与大学的课程，项目和非正式活动。
问题：资深教育者的短缺
美国教育体系存在着一个基础建设型问题，就是在中学和大学都有资深教师的极度短缺。
在全国的高中数学老师和科学老师中，有很大一部分人没有为自己在该领域的教学做好充分的准备。大约30%的美国公立高中数学老师没有主修或辅修过数学;大约45%的生物教师教的是他们所学领域之外的学科。
美国大学里，持有博士学位的教师也存在短缺。因此，成千上万主修数学教育和科学教育的学生，在大学里无法学到足够的、先进的教学方法。“如果我们的研究生院校能够提供足够的博士学位，那么我们的大学就能更好的诠释数学和科学的教学方法，而不是整天钻研那些相似的、无用的资料”，海德说。
能够填补大学教师职位空白的，拥有数学和科学教育博士学位的人远远不够。学校里每年约有300个数学教育职位，却只有70到100名博士生供职。
如今约有80%的数学教师将在10年内退休，所以，这种短缺会变得更加严重，更加糟糕。
这个问题是多方面的。因为许多明智的教师安逸于他们收入稳定的职业，对考取博士学位有着迟疑的态度。对于大多数教师和一些需要经济奖励才能完成博士学位的学生来说，返回学校学习是不划算的。
宾州州立大学的应对措施：授予更多的博士学位
教育学院正努力增加自身博士项目的广度和深度，以及研究项目的数量，以此来适应更多的研究生。这些新增的博士学位候选人将继续开展一些研究，来帮助我们学习更多的STEM学科的‘教’和‘学’的技能。他们也会成为下一代教师培训者，这些教师将成为未来基础教育领域的教师。
担当杂志编辑是学院研究能力增强的一个例子。科学教育教授格里高利.凯利，于2006年5月担任了《科学教育》(Science Education)的编辑，如今在它的第90个年头里，已经成为了一本权威杂志。
教育学特聘教授M.凯瑟利恩.海德，将于2007年初成为《数学教育研究》(Journal for Research in Mathematics Education)的特邀编辑，另外两名大学的高级教员，教育学教授格伦.布鲁姆和教育学助理教授罗斯.比克将成为助理编辑。
除了扩大研究项目外，学院还获得了额外的奖学金，来定向支援渴望从事数学和科学教育的新博士生。
中大西洋数学教学中心(Mid-Atlantic Center for Mathematics Teaching and Learning)吸引了许多无法做到全日制学习的优异学生，由国家科学基金会资助，目前处于第2个五年资助周期。中心已经在更多教授的培养和先进研究的开展上，取得了双重收益。
“我们拥有一个优秀的博士生团队”，中大西洋数学教学中心(MAC-MTL)联合首席研究员海德说，“因为接受来自国家科学基金会的资助，我们已经吸引了一些最优秀的教育工作者”。MAC-MTL希望这些博士学位申请者在成为大学教员时，将他们对学科的熟练掌握传递给学生-未来的教育工作者。
黛比.麦卡洛最近通过了她为中心提交的课程论文，她说，“我非常渴望找到一个能让我做一些专业发展和研究的职位”，能够成为中心的一员让她感到很幸运，“拥有和数学教育研究者一起工作的机会想都不敢想，它为我的研究开启了一个从未有过的崭新世界”。
学院将继续增加学生考取科学教育研究生的机会。比如，杰拉尔丁.布拉什研究生教育助教奖学金，每年支持两个全日制科学教育学研究生的研究和教育。
边栏：中大西洋数学教学中心(Mid-Atlantic Center for Mathematics Teaching and Learning)
在美国大学数学教育领域，每三个空缺职位的候选人中，只有一位持有博士学位，“大学里没有足够的拥有博士学位的人来教数学教育”，数学教育特聘教授M.凯瑟琳.海德说。
海德是MAC-MTL的联合首席研究员，MAC-MTL由宾州州立大学，马里兰大学，特拉华大学和三个学区联合创办，也是国家科学基金会(NSF)几项资助项目中的一个，二者刚刚签署了第二个五年计划，NSF将为MAC-MTL提供325万美元，用来继续数学教育的研究。这是NSF唯一一个同意第二次签署的合约。
中心的初级目标是开展如何让数学教师学习数学，和如何将他们的知识应用到教学中的研究，海德说，“我们的工作重点是教师数学知识的发展，和这些知识在课堂教学的应用与学生成绩的关系。我们期望我们的研究结果能够让未来的数学教师做好充分的准备”。
MAC-MTL还致力于提高数学课的教学水平。这种提高可以产生倍数效应，将会增强全国高中的教育水准。“中心的一个主要行动是找到方法来巩固教师在数学方面的理解力”，海德说，“教师可以用他们在大学里所学的知识来加深他们对数学教学的理解，这样就会促使更多的学生去追求需要数学的职业”。
海德相信，教师的知识水平对学生成绩的提高起着一定的作用。她说，“我们希望高中教师数学知识的掌握足够扎实，以此来把控他们的学生对这个学科各种各样的看法。如果一个老师的理解仅仅依靠于记忆，那么他/她就不会拥有能够帮助学生真正理解数学的，灵活的教学风格，并且，教学的结果也几乎是青少年既不懂数学，也不愿意接触数学”。
问题：职场需求日益提高
随着技术的发展，职场的面貌发生着巨大的改变。未来，制造业将不再雇佣数以百万的低级技术工人。个人将需要一个强大的STEM背景知识来面对高科技职业。
“科学技术的更新步伐是难以置信的”，科尔贝克说，“我们需要这些领域的专家，把我们的科学和数学带向未来”。
对员工拥有最一流的数学和科学技能的需求将会是全球性的。如今，一些最好的工作机会已经伸向了海外——不单单是因为廉价的劳动力。事实上，像中国，印度，新加坡这样的国家的员工，有着更好的数学和科学教育。“我们在印度就有外包工作”，科尔贝克说，“与此同时，来到美国的本科生和研究生的数量相比过去的几十年有所减少了”。
宾州州立大学的应对措施：完善认证标准
关于当前的STEM教育有一些好消息：更高、更有效的教育认证标准或许能让学生从事工业有更充分的准备。最近，教育学院高等教育研究中心(Center for the Study of Higher Education)透露，2004年获得工程本科学位的学生在职业准备上，要比二十年前的工程系学生做的好。
研究工作将检测新认证标准对工程专业的影响。工程与科技认证委员会(Accreditation Board for Engineering and Technology)是大学课程在应用科学、计算机、工程学、科技方面的评审机构，委员会认为应该对其自身的标准进行评估，来确定目标是否能够实现。所检测的技能包括基础数学和科学，设计和问题解决，实验技能，工程科学实用软件，技术和人际交往。
据悉，2004届学生毕业成绩在基础数学和科学上表现突出，这对美国工程类大学尤其是个好消息。CSHE助理研究员，副教授丽萨.R.拉图卡说，“一些大学教员曾担心课程和教学的改革必须要以认证指南为标准，那样的话，就会以注重学生在基础科学和数学技能的表现为代价，但事实证明这些并没有发生”。
拉图卡正着手于一个相关的研究。她和特聘教授，CSHE高级科学家帕特里克.T.特伦兹尼一起，在2006夏天开始了一个为期三年的研究，来评估当前的工程系本科生的能力，为他们成为未来的工程师做好充分的准备，随时满足全球职场不断变化的要求。一项国家调查将展现工程教育本科生的前景，展现哪些教学项目在培养工程师具有强有力的分析技能、专业技能、实践智慧、创造力、领导力、道德标准和职业标准方面达到了何种程度。
研究还会扫描整个流水线的候补区域，勘测在2年制专科院校中，为向本科学位转换的学生准备的课程。这些专科学院招收了许多低收入，非传统和少数民族学生，这些群体近来被工程专业所忽视。同时研究2年制和4年制学生，将会保证研究者注重不同层面的学生，并探索出工程教育基于他们不同的性别、种族、年龄、社会经济地位，会产生哪些影响。
小小圆盒里，一张试纸、两根电极、三滴盐液，就能在很短时间内把多个精彩的化学变化过程呈现在我们每个人面前，性价比高。普通铁架台、木夹、叠板纸再加上用ev3软件编制20多行程序，就能把钢球下落25cm的时间精确到毫秒级，叹为观止。牙签高塔的比赛，让培训室里既有紧张的思考和操作，也充满了欢声笑语。风趣、淳朴的英文原味讲授和专业同声传译传递给我们的.是两位外国专家独具匠心的设计、生动有趣的课堂、利用有效的情景、收放有度的策略。课上，学员们认真聆听，亲自实验观察。课余，师生间热忱交流，商榷操作细节。怎样创新探究设问，怎样确保实验安全，怎样提高观测精度……理化生教学之美呵，我们该怎样做才能也这样带领我们的学生领略到她的曼妙？
培训的几天，两位国外专家每天都忙碌于实验器材的置备，在意于实验教学的优化，感受着实验成功的喜悦。冒着酷暑为我们讲学、讲解，是那么专业、敬业。从他们身上我们学到了一种作为科学老师应该具有的优秀品质，这种责任和敬业、细致和创新的人格魅力，感染了每一位参训教师。
感谢组织方为我们创造了这个良好平台，为我们的发展引入了新的领域。在代表市教师发展中心的美女班主任吴老师的精心组织下，我们收获多多，相信这几天的学习，我们一定会带到工作中，在全市科学实验老师中括起一阵“STEM风、创新风”。
五天的培训，让我对STEM有了更深入的理解：
（1）是一种理念、一种学习、一种协作、一种体验、一种提升。
（2）我们设计的教学或相关活动，应以学生为主体，基于学生兴趣和发展，培养学生良好的科学探究习惯，形成学为所用，学无止境的学习观。
（3）STEM活动，它是一种平台，是学科与学科、学科与技术的深度融合，是学科与生活的高度结合，是学习个体与个体之间高度协作的过程，是学习中发现新知、学用互检、学用互补的过程，它更是一种学中做、做中学，快乐与学习并进的过程，真正意义上培养了学生的核心素养。
【摘 要】本文通过对未来教室和STEM教育的国内外研究现状以及未来技术发展趋势的分析，展望如何构建基于STEM教育的中小学未来教室，以提升中小学生的综合素养。
【关键词】未来教室；STEM教育；中小学生；综合素养
【中图分类号】G434 【文献标识码】A 【论文编号】1671-7384（2014）10-0080-03 现在，各项前沿技术迅速进入教学领域，无线网络、平板电脑、传感器、3D打印技术蓄势待发，数字教室、互动教室、虚拟教室、智慧教室等概念弥漫于教育领域，为教育变革提供了各种可能。未来科技会如何促进教育值得大家期待，前沿产品将如何改变教室激发人们畅想。本文以STEM教育为背景，展望了如何构建中小学未来教室，以提升中小学生的综合素养。
未来教室及其国内外建设现状
（一）未来教室是什么
教室的形态、结构以及室内设备的陈设，都极大地受到教育理念、教学方式和教学内容的影响，这也使得人们对未来的教室产生过很多思考和遐想。例如，在1899年的巴黎世博会上，就出现了在当时人们想象中2000年法国的教室的样子，如下图所示。
当然我们知道，图中的愿望到现在也没有实现，但这无疑都是人们对教室未来发展的积极创意和向往。
随着科学技术的不断发展，人们心中未来的教室也在不断演变。现阶段的未来教室应该在先进的教学理念指导下，顺应科技发展趋势，将适合的科技新成果作为教具、学具，合理地应用在教室环境中，帮助师生更有效地开展教学活动，最大程度地培养学生的创新思维和实践能力，提升学生的综合素养。
（二）国内外建设现状
出现在20世纪80年代的“苹果明日教室”是较早期的未来教室，教师和学生可以使用大量的新技术和设备，例如计算机、摄像机、照相机、扫描仪以及DVD刻录、无线网络等，这些都配备在教室环境中，就像使用书和纸一样方便。
21世纪以来，各国政府、学校、科研院所和公司都在未来教室领域开展了积极的探索，很多高科技产品，如交互式电子白板、触摸屏、传感器、平板电脑等，被逐渐应用到教室环境中，供教师进行探索性教学实践。下表是近年来一些国家和地区创建的未来教室实例。
通过对以上的未来教室项目的分析，我们不难发现，未来教室的发展和各国提出的先进教育理念息息相关，而技术应用则需要考虑学生如何有效开展学习活动，教师如何对学习过程进行有效引导和评价，学校、教师及家长如何对学生的学习情况进行无缝对接。STEM教育背景与国内研究现状
（一）STEM教育的由来 20世纪80年代，美国政府为解决其科技人才短缺的问题，在教育领域提出了STEM计划，鼓励学生主修科学、技术、工程和数学(STEM)领域，并不断加大科学、技术、工程和数学教育的投入，培养学生的科技理工素养。近30年来，美国政府和众多科研机构、高校、基金会，通过立法、拨款、专项等方式推动着STEM教育不断深化。STEM教育建立在学科融合的基础上，以设计和探索为目的，对技术问题解决进行科学的探索，其课程目标是提升学生科学、技术、工程、数学素养。
（二）STEM教育在国内的研究现状
通过检索中国知网，我们发现2002年9月在《中国高教研究》上发表了标题为《赴美参加PKAL2002年夏季研讨会纪实》的一篇文章，这是国内较早提及STEM教育的文章，介绍了教育部赴美参加“万花筒项目”活动的代表团成员和美国大学教师共同探讨和交流如何加强本科生在STEM领域的教育等相关问题。
其后几年，在国内高等教育领域中掀起了创新教育的思考热潮。2005年，我国物理学家钱学森院士向温家宝总理提出了著名的“钱学森之问”：为什么我们的学校总是培养不出杰出的人才？这也促使我国政府和很多专家更加积极地思考属于中国的“创新教育方向”。2009年教育部联合中组部、财政部启动了“基础学科拔尖学生培养试验计划”，这一项目主要聚焦于数学、物理、化学、生物、计算机等学科的创新教育。
对创新人才的培养需要从青少年抓起。建国以来，我国在中小学中非常重视数学、物理、化学和生物等学科的教育，2001年高考开始全面实施“3+X”方案，除数学单独考试外，理科将物理、化学、生物三科合为综合科目考试。新课程改革以来，我国在教育领域做了很多尝试，例如在初高中开设社会实践、研究性学习等课程，在全国各地开展了很多青少年创新人才培养项目，例如雏鹰计划、翱翔计划、后备人才培养计划等，探索将科技理工等学科有效地联系起来，从而提升青少年的综合素养。在我国，这些研究和探索目前还是限于少数学生的精英教育。虽然近年来在一些课外辅导项目中有了这一思路的渗透，一些学校也开设了相关课程，但像美国一样以国家行为来培养数量庞大的STEM项目教师，全面推行STEM教育，我国短期之内可能还无法实现。2008年11月，《中国电化教育》上刊登了《课程视角下的机器人竞赛辅导研究》一文，介绍了美国TSA协会基于STEM领域的核心标准推出的适于高中生学习的“机器人竞赛课程开发框架”，并提出对国内中小学机器人竞赛辅导课程的思考，这是国内较早将STEM教育引入到中小学教育中的研究成果。国内基于STEM教育的研究在2008年以后开始丰富起来，主要集中在国外经验介绍、教师培养方法、国内应用思考，以及技术对这一教育计划的影响等，主要是理念与策略研究，对于如何通过综合环境的改进，更好地提升教学效率、提高教学效果等方面还较少涉及。
基于STEM教育的中小学未来教室模型构想在基于STEM教育的中小学未来教室中，学生可以在教师的引导下，围绕一个真实问题，组建小组，利用各种前沿技术开展学习和研究。在学习研究的过程中，小组成员可以面对面或通过网络方式与学习伙伴进行交流，利用技术搜集、分析数据，设计、测试和改进问题解决方案，并在一定范围内交流研究成果。笔者根据多年在一线开展科技教育和信息技术教学的经验，结合信息技术的发展趋势，尝试设计了遵循STEM教育理念的未来教室模型。
（一）未来教室中的构成要素
虚拟现实技术、嵌入式技术、云计算技术、物联网等的出现与应用正在逐步将我们生活的地球变成数字地球、智慧地球。基于STEM教育的中小学未来教室则正是构建在这样一个数字地球、智慧地球的基础上，主要采用的技术和设备包括体感技术、机器人技术、智能眼镜、3D打印机等。1.体感技术
利用体感技术，师生可以通过肢体与教室中的数字设备和环境互动，教师能够利用其虚拟出学生喜欢的学习环境，以帮助学生进行技能学习，如引导并纠正学生的实验步骤、动作等。利用强大的数据监测和分析功能，教师可以采集学生的学习数据，进行评价、诊断、反馈。以微软Kinect平台为例，可以通过Kinect摄像头采集镜头前主要人物的肢体动作，通过传感器等技术和设备采集到系统中，进行对比分析或控制输出人物的动作。这些都非常符合STEM教育的需求，能够极大提升教学效果以及学生的学习兴趣。2.机器人技术
机器人技术涉及数学、电学、力学、仿生学、计算机技术、控制论、人工智能、机械工程设计等诸多领域，它可以更好地将科学、技术、工程与数学联系起来，提升学生的科技素养。近年来，机器人技术是教育界研究的热门话题，机器人这一高科技产品正逐渐走下神坛，走入校门，许多教育型的机器人平台也如雨后春笋般产生。以某品牌EV3教育型机器人为例，它不仅可以作为信息技术或通用技术课程学习的内容，还能够借助强大的传感器等功能开展与数学、物理、生物等学科有效融合的学习，实现如模型搭建、工程设计、实验数据采集、实验分析等功能，完成智能门、智能清洁等任务，使普通教室成为一个充满创意的智能教室。3.智能眼镜
可穿戴计算机是人们近年来致力研究的一项技术，而智能眼镜则是其中的突出代表。在Wi-Fi等无线技术的支持下，它能够帮助学生以最快的速度搜索到所需的网络资料，实现数据云端存储，能够随时实现分享或录制课堂信息，且不会影响学生参与课堂学习。4.3D打印技术
3D打印技术能够较真实地呈现设计物品，令学生获得直观、深刻的体验。通过设计、虚拟实验、零件打印、作品整体成型等体验过程，学生能够学习科学分析、数学计算、工程设计及制作等内容，提升工程思维能力。
（二）未来教室中的环境构建
基于STEM教育的未来教室更像一个在教师指导下开展科学研究的实验室。教师作为引导者，提出研究任务，并适时为学生提供必要的帮助。教室的主人是以组为单位的学生团队，他们可以进行学习、思考、讨论、设计、制作、总结及展示，各司其职，各展其才。教室可以分为多个区域，如体感教学区、操作区、讨论学习区、展示区等，目的就是更好地实现教育功能。如下图所示。
下面是STEM教育的一个案例:淋漓湖游船。
STEM教育整合了多学科知识, 对于中小学信息技术教学而言, 需要把握各方面知识点的整合交叉, 需要分析学科的整合对于我们实践教学带来的挑战和压力。淋漓湖游船的案例中对于科学、技术、工程和数学的相关知识点脉络明确清晰, 从中我们可以感受到各学科知识在信息技术教学中的整合之美。我们结合学校所在地淄博博山的特点, 基于Scratch语言的另外一个版本BYOB, 开设了一组体系完整的校本课程, 并给BYOB起了一个有博山特色的名字“博贝”。
1. 教学设计
本节课选用旅游区“淋漓湖”作为故事讲述的背景, 不同地区的教师可以选择不同背景, 不同的教师可以根据自己的爱好和特长, 发掘不同的STEM知识, 知识的融合程度要根据学习者的具体情况而定, 总之这里强调的是知识, 不仅仅是简单的相加。
2. STEM的契合点
3. 具体知识点
教学中使用一款名为BYOB的软件, 它能够实现简单的动画创作、角色和背景图片的处理, 很方便学生利用其来模拟现实生活中的情景, 在计算机程序学习中, 也能从STEM的整合学习中对于科学技术工程和数序素养进行提升。
我们通过模拟小船在湖面上的移动和漂浮是对于科学知识的掌握, 而小船是软件中的一个角色 (在案例中称为“演员1”) , 小船的方向和坐标值是对应于数学知识的坐标系, 同时角色和背景图片对于学生来说可能需要通过网络来查找, 并能够进行简单的图片处理, 这也体现了技术层面的知识点。最终通过编写程序体现一些动态性, 提高学生对程序设计知识的掌握程度。在整个设计过程中, 我们的学生其实是在做一个“导演”的工作, 负责整个项目的流程控制、步骤要求、评价和反思, 这就仿佛是学生在和同伴合作完成一个工程, 于是工程的概念在学生的脑海中也就自然呈现出来。在经过教师讲解演示、学生自主创建程序后, 学生们大多都能编写出程序代码, 同时运行程序并控制小船的移动, 舞台上会显示出动态的效果。学生们不仅仅学习了STEM各方面的知识, 也创作出了自己的小项目, 内心的成就感油然而生。
