STEM教育与科技创新人才培养

加强国家创新体系建设，培养大批科技创新人才，得到党和国家的高度重视。十八届三中全会提出，要把创新摆在国家发展全局的核心位置。十八届五中全会进一步提出“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念，把创新放在首位，用创新统领各项工作。习近平总书记在十九大报告中指出，创新是引领发展的第一动力，是建设现代化经济体系的战略支撑，反复强调创新对经济、科技等社会发展各个方面的重要意义。创新素质是创新人才所具有的素质，主要包括学习素质（内在的学习动机和学习能力等）、知识的深度理解、批判性思维、创造性思维和创造性人格等。近20年来，我们做了一系列的研究，发现与发达国家相比，我国青少年的创新素质现状不容乐观。如2000年的研究数据表明，在科学创造力的7个方面中，中国青少年有6个方面低于英国青少年。2007年的数据表明，中国青少年创造性技术产品设计能力持续下降。2009年对11所省级示范高中的1000多名学生的调查表明，高中学生普遍存在自信性缺乏、坚持性不够、怀疑性欠缺、独创性和灵活性较差等问题。2010年对3000多名一至八年级学生的调查结果表明，学生的创造性人格持续下降。2017年对四年级和八年级的核心素养测评结果发现，八年级学生创新素质的大部分方面都不如四年级学生。内在动机是创新的前提，但大量测评结果也表明，学生的动机特别是内在动机持续下降。经济合作与发展组织（OECD）公布的2015年国际学生能力测试（PISA）结果显示，美国“将来期望进入科学相关行业从业的学生比例”为38%，中国只有16.8%，还不及OECD国家24.5%的均值。2017年中国科协对全国23个省、区、市中小学生调查结果也表明，仅有7.3%的学生表示将来愿意当科学家，并且比例随年龄增长而不断降低。

培养科技创新人才，是各个国家提高国家核心竞争力的着力点，受到世界各国和学术界的高度重视。近20年以来，我们一直在探索科技创新素质培养的途径，从系统培养创新素质的高度，提出了营造创造性环境、实施创造性教育（包括开发创造性课程、开展创造性活动和实施创造性教学）、培养创造性能力、塑造创造性人格的培养思路，并探索了四种青少年科技创新素质培养的模式，即课堂教学创新模式、活动课程模式、大学与中学联合培养模式和教师专业发展模式。从目标、课程、教学等方面分析，STEM教育对发展学生科技创新素质具有重要的价值。

科技创新素质的培养是STEM教育的核心目标

STEM（科学、技术、工程和数学）教育理念的提出已有30余年时间，其最初的目的是提升大学本科生的STEM整合性能力，为科技行业输送综合性创新人才。20世纪末，STEM教育将关注重点转移至中小学。由于STEM教育倡导问题解决驱动的跨学科整合学习，从而很快被中小学接纳，成为许多国家基础教育改革政策的主导，同时也逐渐成为研究热点。21世纪初，艺术（Art）在发展学生创造性和批判性思维、21世纪技能方面的作用也受到重视，STEM + Art发展了STEM教育理念，形成了“以数学为基础，通过工程和艺术理解科学和技术”的跨学科的、整合的STEAM教育。STEM教育的内涵还在不断发展完善，具有创新素质的STEAM人才还应该学会如何与人交流、沟通和合作，能够清晰地表达自己的观点，撰写规范的行业报告等，这就是21世纪的读写能力。融合读写能力的STEAM教育形成了STREAM教育，本質上是对STEAM教育活动中合作问题解决的重视。2015年，时任美国总统奥马巴签署《STEM教育法（2015）》，将计算机科学也纳入STEM教育，进一步拓展了STEM教育的内涵，这也标志着STEM教育在美国的全面发展。由此可见，STEM教育从提出到现在，关注的核心目标一直是儿童青少年科技创新素质的培养。

STEM课程内容为科技创新人才奠定坚实的知识基础

我们的研究表明，科技知识的深度理解和灵活应用是青少年科技创新素质发展的一个必要条件，但它们之间并不成线性关系。随着科技知识量的增加，其对科技创新素质的影响逐渐减小。与科技知识的量相比，对科技知识的深度理解和在真实情境中的灵活应用对科技创新更为重要；跨学科概念图创作能力与科学创造力显著正相关，跨学科概念图创作训练可以有效提高学生的科学创造力。STEM课程内容既要求对学科核心概念的深度理解，又要求理解跨学科的核心概念，并强调工程与实践，这种基于核心概念，整合学科知识，实现对重要原理的深入探索，发展学生对知识的深度理解，促进学生参与工程实践，并提升学生的STEM素养，已经成为国际STEM教育研究者的共识，这也是STEM教育研究和课程整合的发展方向。围绕核心概念特别是跨学科核心概念、工程与实践以及学习进阶设计STEM课程内容，使学生循序渐进地掌握知识之间的联系，在大脑中形成“富有弹性”的知识网络，建构合理的知识结构，为科技创新人才奠定了坚实的知识基础。

STEM课程体系体现学习进阶的基本思想

STEM课程内容的年级分布需要考虑学习进阶的思想。学习进阶是对学生连贯且逐渐深入的思维方式的描述，就STEM而言，学习进阶实质上是对核心概念理解的逐级深入和持续发展，通过整合某一主题的概念体系，可以围绕少数概念进行深入的进阶学习，发展学生对核心概念、内容结构、知识演变路径的理解。21世纪以来，学习进阶成为研究热点，一些国家的STEM课程标准已体现了学习进阶的思想。美国《下一代科学教育标准（2013）》吸收了学习进阶的研究成果，为学科核心概念、跨学科概念、科学实践、STSE（科学、技术、社会、环境）和科学本质构建了各自的进阶矩阵，为工程设计构建了进阶关系图。近年来，国内STEM活动课程的开发与实施也成为热点，尤其是借助创客教育，STEM活动与新技术（如3D打印、智能机器人、开源硬件）融合在一起，成为培养学生创新能力的新途径。学生STEM整合能力和创新能力的发展是循序渐进的，一方面要经历从“单一知识的学习到综合性知识的学习，再到跨学科知识的学习”等阶段；另一方面，要经历“从方法训练到科学探究，再到科学创造”等过程，没有学科知识和思维方法的支撑，仅仅通过STEM综合活动，不可能有很好的培养效果。在20多年的研究和实践中，我们不仅重视学科课程的渗透和学科教学的创新，而且构建了SETM与创客融合的“学思维——学探究——学创新”三层级活动课程体系，跟踪研究的大量数据证明，这一课程体系可以有效提升学生的科技创新素质。

STEM有效教学符合创造性教学的基本要求

创造性教学是创新人才培养的主渠道。分析国内外有关STEM教学过程和模式的论述，概括起来主要有三种教学观点：第一，基于项目的STEM教学过程。STEM项目是围绕一个具体问题而计划、设计、改进、解决问题的过程，要求学生有批判性思维并且要善于分析，强化高阶思维能力。第二，基于证据的STEM教学过程。STEM教学过程要求向学生展示项目活动要素，引导学生选择需要的材料与工具，组织与实施活动程序，强调证据的收集和基于证据的解释。第三，CDIO理念下的STEM教学过程。CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和操作（Operate），是最新的工程教育理念。CDIO理念下的STEM教学强调工程设计，一般包括识别问题和制约因素、调查研究、形成概念、分析观点、建立模型、测试和优化、沟通和反思等过程。三种STEM教学观点有一个共同的特征，其过程和目标都离不开思维的参与，反映了创造性教学所必备的特点：一是营造良好环境。环境也是影响创造力的一个重要因素，具有自由、鼓励、认同、时间充裕、资源充足、压力适当、具有挑战性、人际关系良好等特征的环境能够促进人的创造力发展。STEM教育重视营造民主、自由、和谐的学习氛围，注重开放性，包括空间上的灵活性、学生对活动的选择性、学习材料的丰富性、课堂内容的综合性、有助于促进学生进行批判性的探究，培养学生的好奇心和冒险精神，学生在这种自由轻松的环境下参与活动。二是激发内在动机。内在动机是推动人进行活动的动力，对学生创造力的发展具有促进作用， STEM活动本身为学生创设了良好的学习环境，能够激发学生的好奇心，调动学生学习的积极性，使其产生强烈的求知欲。三是产生认知冲突。当学生有了强烈的求知欲后，激发学生产生认知冲突，能够帮助调动学生对问题积极主动的思考。STEM教学一般从问题开始，学生基于问题进行计划、设计、改进、解决问题等，使学生产生认知冲突，从而在“做中学”和“学中思”。四是促进自主建构。学生积极主动的自主建构对创新素质的形成和发展尤为重要。自主建构包括认知建构和社会建构。认知建构需要学生将已有知识经验和当前问题主动联系起来，以寻找创造性的解决方案，社会建构主要指互动和合作。STEM教育重视自主探究和合作交流，体现了自主建构的思想。五是重视反思评价。反思评价本质上是思维的自我监控，是学生对合作探究学习过程和结果的自我意识表达。STEM活动在得到一个初步的创造性问题解决方案之后，通过积极的反思评价能够帮助学生对所提出的创造性方案进行验证和优化，从而提升学生的创新素质。六是注重应用迁移。迁移就是非常有效的一种创造性思维的方法，STEM教育强调在真实情境中的问题解决，以及知识与方法的应用迁移，对提高学生的创新素质起到重要的作用。

最后需要指出，STEM教育为科技创新人才的培养提供了一种思路和方法，但只有符合学习规律和创新人才成长规律的STEM教育才能真正提升学生的科技创新素质，违背规律的STEM教育会对学生科技创新素质的发展产生负面影响。在此还要强调几点：STEM教育的目标一定不是产品导向，应该是以人的发展为导向，特别要将科技创新素质的培养作为核心目标。近年来，随着制造技术、信息技术、计算机技术等现代技术在教育中的创新性运用，我国很多中小学也开展了机器人、3D打印等一系列STEM活动，但由于很多活动是产品导向的，并不能真正促进学生科技创新素质；STEM教师是STEM教育的保障，特别是小学阶段，在具有理工科背景的专任科学教师都严重短缺的学校，是不可能真正实施对学生科技创新素质有积极影响的STEM教育的；STEM学科课程、活动课程及其有效教学是STEM教育的关键。要真实实现STEM教育的目标，首先要重视科学、技术、工程、数学等相关学科的教学，在此基础上，围绕跨学科核心概念、技术、工程等，基于学习进阶开发STEM综合活動。STEM活动课程强调“做中学”和“学中思”，以思维和实践贯穿活动课程体系；STEM有效教学强调学生积极的思维活动，实现高阶思维能力发展；STEM教育评价引领STEM教育的发展，评价方案一方面要监测学生的STEM学习过程，另一方面还要监测学生的STEM素养特别是科技创新素质的发展。

（作者单位：陕西师范大学现代教学技术教育部重点实验室、中国基础教育质量监测协同创新中心）