推动大众创业、万众创新, 增强经济发展新动力, 其关键是高水平的创新教育与培养一大批“工匠型”创新人才。STEAM教育融合了Science (科学) 、Technology (技术) 、Engineering (工程) 、Arts (艺术) 与Maths (数学) 五门学科, 将独立、分散的学科通过项目或主题活动等形式结合起来, 促进学生培养从应试能力转向全面发展的综合素质提升, 引导学生适应不断发展的全球化社会。例如, 为提升国际竞争力, 美国建立了STEAM教育中学, 重点培养未来在科学、技术、工程领域发展的学生[1]。STEAM教育的应用已经从P (Preschool) K (Kindergarten) -12、大学拓展到博物馆、课外项目和痴呆病人的康复等领域中。

自2012年以来, 国内相关研究主要集中在STEAM教育的概念辨析、课程研究、教学模式及实施案例等方面。其中, 杨晓哲等将STEAM教育与创客教育在概念起源、教育目标、教育内容、教育过程和师生关系的异同等方面进行了对比, 揭示了两者在课程设置、评价体系、资源整合和师生能力等方面面临的问题与挑战[2]。李小涛等探究了STEAM教育的来源、目的、课程及特点等, 揭示了从STEAM教育到创客教育的转变过程[3]。王娟等从搭建平台、开展项目、拓展领域、研发产品四个方面研究STEAM教育应用现状, 提出了“一个中心”、“两种机制”、“三种资源库”、“四种技术和用户”的STEAM教育应用创新路径[4]。傅骞等在比较STEAM教育和创客教育起源和发展的基础上, 发现创客教育对STEAM教育具有优化作用[5]。

整体而言, 国内研究已经借鉴发达国家STEAM教育的经验, 分析了STEAM教育的背景特点、目标取向以及实施现状, 但对其教育活动设计的研究相对薄弱。因此, 本文特分析以美国为代表的STEAM教育活动设计的特点, 从而为我国STEAM教育活动设计提供理论参考和实践借鉴。

STEAM教育基于数学元素, 通过工程与艺术来解释科学与技术 (STEAM=Science&Technology interpreted through Engineering&Arts, all based in Mathematics elements) [6], 它充分体现了主要学科领域与现实世界的联系。STEAM教育注重让学生通过实践完成感兴趣的、与现实生活相关的实践项目, 在把握运用知识的时机和方法的基础上, 以创新产品与方案的形式服务社会。

STEAM教育采用跨学科的方法融会贯通科学、技术、工程、艺术和数学五大领域, 注重学习内容与现实世界的联系, 引导学生通过协作和实践的学习方式形成终身学习的能力和意识, 以适应快速发展的社会生活和专业领域。

在STEAM教育中, 科学是认识世界、解释自然界的客观规律, 主要解决自然现象“是什么”、“为什么”的问题;工程与技术则是被人们用来改造世界, 满足社会需求, 回答在社会实践中“做什么”、“怎么做”的问题;艺术则被人们以美好的形式丰富世界, 更好满足审美的需求, 回答社会实践中“如何做得更好”的问题;数学则是科学、工程、艺术和技术发展的基石[7]。

STEAM教育以培养具有跨学科思维能力的创新型人才为目标, 融合了“做中学”、建构主义、体验式教学等教学模式, 具有现实问题导向、跨学科学习、团体协作实施和社会服务支持等特点。STEAM教育以课程整合的理念设计教育活动, 支持学生以跨学科的方式认识世界, 以综合创新的形式改造世界, 从而培养学生解决问题的创新能力[8]。STEAM教育主要采用基于项目的学习、基于问题的学习为主要教学方式, 让学生通过团队合作来完成项目实践或者解决生活中所遇到的问题。

为了整合STEAM研究的成果, 美国STEAM教育学者Georgette Yakman及其团队建立STEAM教育框架, 以便研究成果的推广。从结构上来看, STEAM教育为五层的“金字塔”状, 形成了从具体到抽象的框架, 如图1所示[9]。

其一, 金字塔最顶层主要表明, STEAM教育是一项终身性、整体性 (Life-long Holistic) 的教育系统, 而不是阶段性的、分散式的学习活动。日新月异的信息技术将教育与生活、社会紧密的连接起来, 终身教育理念已经深入大众。STEAM教育的最终目标为培养学生终身学习的能力和意识, 使其适应不断发展的社会需求。

其二, 金字塔第二层STE@M, 可以作为综合层级 (Multidisciplinary Level) 。该层级强调STEAM教育在科学、技术、工程、艺术与数学等跨学科视角下, 以协作与实践方式发现问题和解决问题。STEAM教育引导学生以数学知识与逻辑知识和思维方法为基础, 通过工程与艺术来促进科学和技术的应用。例如, 对于基础教育阶段的学生来说, 科学知识比较抽象难懂。教师通过艺术方式将抽象知识形象化, 这有助于提升学生的学习兴趣和创新能力。

其三, 金字塔第三层是“STEM+A”, 主要强调艺术的渗透。对于STEAM教育来讲, 艺术 (Arts) A代表超越美学的一系列广泛的艺术, 不仅仅指狭义层面的艺术, 还涵盖美 (Fine) 、语言 (Language) 、人文 (Liberal) 、形体 (Physical) 等内容[10]。

视觉艺术、音乐、美学等课程能够培养学生的创造力, 可以帮助他们在科学、技术、工程和数学等领域做得更好。具体包括: (1) 通过沟通交流、语言艺术来分享知识; (2) 如何应用手工艺术和形体艺术知识; (3) 通过美学艺术 (Fine Arts) 更好了解过去与现在的文化和审美观; (4) 将音乐艺术 (Musical Arts) 有情感和韵律地运用于数学、物理学、生物学以及通俗语言中; (5) 运用人文艺术了解社会学的发展、人性和道德。

由艺术家和教育家转变为STEAM爱好者的Ruth认为, 艺术活动可以发展学生的长处, 增强学生的学习动机, 为不同类型的学生提供更多样化的学习机会[11]。例如, 软件设计师需要知道什么样的界面设计会吸引客户, 以便更好满足时常需要和社会需求。

其四, 金字塔的第四层为特定学科层级 (Discipline Specific Level) , 主要针对科学、技术、工程、艺术和数学等基本的课程设置, 更深入探讨不同领域内容的学科。在改层级上, 学生可以获得职业和兴趣的相关专业知识, 培养一种“工匠型”的专注精神。

其五, 金字塔的具体内容层级 (Content Specific Level) 体现了具有科学、技术、工程、艺术和数学等学科特点的课程内容。这些学科内容能够详细地体现各学科之间的差异, 学生可以借此发现不同学科知识之间的区别与联系, 增强自身的跨学科思维能力和综合应用多学科知识解决问题的能力。

以STEAM视角去理解教育活动, 教师不能仅仅关注能阐明不同学科之间的知识关联, 还要通过跨学科的方式提供灵活的、具有针对性的教育活动。STEAM教育框架为语言艺术、社会科学以及教育部门提供了规范的教学参考, 为STEAM教育活动提供了重要依据。

为更好引导学生开展创造性的学习活动, STEAM教育活动要素比较丰富, 主要包括作为学习场所的教室和社区、提供服务支持的教育者、发挥创造性的学生、不断优化的课程设置、面向生活世界的主题、支持实践活动的环境。

为了支持学生做有创造性的活动, 合作被人们视为在STEAM教育中教师和学生的基本技能。为锻炼合作能力, STEAM教育提供了多种方式。其中, 学习场所可以帮助学生在提升技能的同时, 更深刻理解团队合作的重要性。教室里的STEAM教育项目可大可小, 可以连接其他项目或独立存在。在理想情况下, 它们应该具有共同的主题, 有利于学生将所学知识和相关项目 (主题) 联系起来。

STEAM教育提倡学校和社区之间需要建立合作关系。在那些由社区提供支持的STEAM项目中, 教育工作者、各级各类的学生和家长具有较高的参与记录, 这有助于提高项目可持续性。社区可以增加STEAM教育中社会文化的融入渗透。此时, 家长参与STEAM教育的积极性和贡献不断增长。

STEAM教育需要不同教师相互配合, 共同引导学生完成学习主题。在STEAM教育中, 教育者提供多元化的支持服务, 更多是教学设计者、活动组织者和学习引导者。

教育者以引人入胜的方法引导学生通过协作的方式交流思想。STEAM教育者使各地的不同学生了解自己以及在团队中如何工作, 引导他们学习地理和体育、音乐和艺术等作品, 从而超越在本地社区的经验, 获得对现实世界的新看法。在大多数情况下, 教育工作者独立安排自己的工作时间和主题, 也存在不同学科专业的教育者共同教授交叉的学科内容的情况。

教育者根据学生所需的基本概念和技能, 设计符合学生需要主题, 以满足不同类型学生的学习需求。个别教育工作者转变课程结构, 并与共同的主题联系在一起, 使其成为STEAM教育的组成部分。教育者通过协作的方式交流思想, 对于突发情况有相应的准备, 并且作了富有成效的时间规划。

在STEAM教育中, 学生需要不断地评估自身的兴趣点、经验和才能, 通过基于现实的项目, 在深度和广度上应用跨学科的知识和技能。当向学生展示如何创建合作团队以及在开展基于现实的学习时, 以下五个方面值得注意[12]: (1) 学生可以运用跨学科的知识和技术来支持他们的工作, 当涉及相关活动时, 能够回顾所学概念并作更深入的理解。 (2) 学生识别和尊重自己和他人的不同技能, 在融入团队的过程中学会怎样做好自身角色, 并不断帮助成员学习如何完成项目、服务社会。 (3) 学生能够更自然地通过团队合作来解决那些被当作主体报道的冲突和话题。 (4) 学生期待STEAM教育活动, 并且采取更多措施和努力做准备。 (5) 参与者和同伴能够感觉到更多的团队认同和自豪感, 实现从ME (个体的学生) 到WE (社会的参与者) 的转变。

STEAM课程通常需要及时根据生活中的发现与发明更新内容, 为学生提供多样化的技能和职业选择机会。STEAM课程应该适合于不同年级、不同学习风格的学生, 以满足他们的个别化学习需要。

STEAM教育通过网络虚拟社区为成员提供了优质的课程方案, 具体包括STEAM教育理论、STEAM教育项目创建、STEAM虚拟训练以及STEAM虚拟认证等多个逐渐丰富的层次[13]。相对于传统课程, STEAM教育在线课程可以根据社会的不断发展进行实时更新。不断增加的STEAM教育在线课程, 需要相关领域专家的审查。

在网络环境中, 教育工作者不断更新课程计划模板。课程计划模板对教育者以跨学科的方式来开展教学具有很大帮助。教育工作者可以借此理解如何构建STEAM课程计划, 并帮助相关的教育专家和学科教师创造更标准化的、生活化的STEAM课程。丰富的、多样化的课程计划被发送至网络中供师生挑选, 从而构建面向学生个性化学习的STEAM课程体系成为可能。不断优化的STEAM课程, 使不同类型的学生从本地和全球的团队互动中获得支持, 以便实现更加针对现实问题的发现和创新。

为了培养创新型与“工匠型”人才, STEAM教育强调紧密联系现实生活, 以相关主题活动为主要教学方式, 支持学生通过综合跨学科的知识来形成解决问题的方案 (产品) , 同时培养了他们的合作能力、协作能力、沟通交流能力以及专注精神。

在不断变化的现实世界中, 丰富的实践经历对于STEAM学生的成功非常必要。STEAM教育形成丰富的面向生活世界的主题, 如, 力量与能力、要素与过程、生命与运动、传输、交流、音乐和发明等。通过学习以及完成主题活动的过程, 学生既可以将主题与个人行为、个人能力、个人信念联系起来, 又能够将活动主题与社会生活联系起来。

作为实践平台与开放空间, STEAM实验室非常重要。STEAM实验室可以支持学生基于现实生活进行创作, 帮助学生创造符合社会需求的作品。学校应该具备用来创建作品的STEAM房间、具有相应的教育技术实验室和存储机器人等技术设备的干净房间以及3D打印机等。学生可以在支持实践活动环境中通过相关工具专心致志地进行创作。

相对于传统的教育活动, STEAM教学以学生为中心。教师不仅告诉学生怎么做, 而且引导学生在体验实践中解决实际问题的过程, 在不断探索的过程中提升创新能力。STEAM教师需要科学安排教育活动过程, 即要做什么?用什么?做以及达到怎样的效果等。根据图2的教学过程卡片[14], STEAM教育活动设计主要分为四个部分 (按照顺时针展开) , 具体包括准备阶段 (学生选择所需工具与资源) 、实施阶段 (学生自主完成活动任务) 、改进阶段 (学生在探索中培养创新能力) 、反思阶段 (巩固和完善学生的认知结构) 。