柳秀峰，美国纽约州立大学布法罗分校科学教育杰出教授，美国科学促进会（AAAS）会员。在STEM教育的测量和评估、Rasch测量的应用，以及学生对物质和能量的长期概念发展等密切相关的领域进行研究。目前担任《科学教学研究》杂志副主编、《学科与跨学科科学教育研究》杂志联合主编。

STEM，即科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）的缩写，最早由美国国家科学基金会（NSF）提出并应用，并将这一术语用于对教育和劳动力发展项目进行分类^[1]。自21世纪初以来，美国国家科学基金会一直在其发布的出版物和提交给国会的预算申请中使用这一术语，用以指一系列相关项目。尽管STEM教育深受欢迎，但目前还没有一个统一的定义或广泛接受的概念^[2]。

尽管对STEM教育有各种不同的理解，但一个普遍认同的关键方面是科学、技术、工程和数学的跨学科学习，即综合STEM教育^[3]。这是因为科学、技术、工程和数学虽然是既定的学校科目，但跨学科学习方面存在不足或需要加强。跨学科STEM教育与科学、技术、工程和数学的学科教育在概念理念和实践上有着明显的重叠^[4]。虽然STEM教育强调整合，但它并非K—12教育的单一学科；它并不取代学校中的科学、技术、工程和数学等单独学科。

STEM教育方法

STEM教育有很多方法。在这里，我们介绍3种常见的方法：工程设计、基于项目的学习，以及创客空间。

工程设计

设计是工程的核心要素^[5]，可以用于STEM教育的课程设计和教学实施。Roehrig等人基于对有效综合STEM教育课程和教学的全面文献回顾^[6]，确定了高质量综合STEM课程和教学的7个基本特征。这7个特征在综合STEM课程与教学的设计和实施中是有机联系并系统执行的（如图1）。

图1　用于综合STEM教育的以工程设计中心的概念框架^[6]

关注现实世界问题　综合STEM学习应该围绕解决现实世界的问题进行设计，问题应具有情境化特征，且有多种解决方案；同时应能激发学生的兴趣并与学生日常生活息息相关。现实世界的问题应要求学生通过解决问题表现出个体促成变化的能动性。

参与工程设计　工程设计是一个动态迭代的过程，它可以被概念化为几个不同且相互关联的步骤。例如，由波士顿科学博物馆设计的“工程是基础”课程是基于以下步骤的设计过程：识别—头脑风暴—构建和测试—完善和沟通（https://www.eie.org/）。美国航空航天局（NASA）的设计包括8个步骤：识别问题—确定标准和约束—头脑风暴可能的解决方案—选择设计—建立模型或原型—测试模型并评估—改进设计—向他人展示模型（https://nasaeclips.arc.nasa.gov/teachertoolbox/download/45）。English则提出了工程设计的以下阶段：问题范围的界定（理解问题的边界）—思路的产生（头脑风暴和规划）—设计和构建（模型开发）—设计评估（满足约束）—重新设计（模型开发）^[5]。

情境整合　综合STEM学习应以科学、数学、技术和／或工程的具体内容知识为基础。换而言之，STEM学科内容为综合STEM学习提供情境。

内容整合　除了特定内容外，综合STEM学习还应促进STEM学科内容的整合与衔接。这种衔接可以通过多学科和跨学科的方法实现。

参与真实的STEM实践　在综合STEM学习中，学生应该有机会参与STEM实践。STEM实践的核心是基于证据的推理，如论证和数据科学。学生应利用自己的文化和个体知识，在应用STEM实践方面表现出能动性。

21世纪技能　综合STEM学习应支持21世纪劳动力技能的发展。21世纪技能包括协作、沟通、批判性和创造性思维，以及解决问题的能力。

STEM职业　综合STEM学习应该让学生接触到各种STEM职业，并促进学生对STEM职业的兴趣。

基于项目的学习

基于项目的学习（Project-based learning，PBL）这一概念源远流长，可追溯至100多年前约翰·杜威关于“将学习视为日常问题的探究”的初始思想。然而，当今的基于项目的学习理念是基于对学生学习方式的深入研究而形成的，特别是融合了建构主义、情境学习、社会文化学习和认知工具理论^[7]。在K—12课堂中实施基于项目的学习的方法有很多^[8]。在STEM教育中，Krajcik和Blumenfield提出了基于项目的学习的几个关键特征^[7]。

驱动问题　基于项目的学习的核心在于解答一个驱动问题。驱动问题包含了具有价值且意义深远的内容，并紧密联系着现实世界的具体情境[9]。这些驱动问题应以学生的个人经验为基础，并与所期望的学习成果（例如学习标准）相关联。驱动问题之所以有意义且值得回答，在于它们与学生日常生活紧密相关，并且能够满足社会需求。鉴于学生在构建有效的驱动问题方面缺乏经验，教师需要提供适当的指导和支持，帮助学生发展出合适的驱动问题。良好的驱动问题应该是可行的、有价值的、情境化的、意义深远且符合伦理标准的。

真实探究　为了解答驱动问题，学生必须参与到探究过程中，收集和分析数据，并通过数据进行推理以得出结论。这样的探究过程并不是有固定步骤的线性过程，而是根据具体问题和情境灵活变化的动态过程。有效的探究不仅需要具备特定的技能（例如使用特定的测量工具进行测量），还包括相关知识和态度（例如尊重证据、保持开放思维）。美国《新一代科学教育标准》（NGSS）概括了8种科学与工程实践：提出并界定问题；开发和使用模型；计划和开展研究；分析和解释数据；运用数学和计算思维；构建解释和设计解决方案；基于证据进行论证；获取、评估和交流信息^[10]。