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摘要：随着社会对人才需求的不断提高，以培养创新型复合人才的STEM教育正逐步在全球普及推广。该文首先描述了STEM教育的概念及发展历史，然后根据STEM教育应用成果的不同，把STEM教育应用模式分成了验证、探究、制造和创造四大类，每一类又可以根据应用成果达成方式的不同可以细分为支架类和开放类，并重点描述了各个模式的应用步骤及典型案例。该文进一步指出各个模式之间并非泾渭分明，教师需要围绕目标，从学习者特点、学习环境等因素出发进行灵活选择和综合应用。
关键词：STEM教育；应用模式；创客教育
中图分类号：G434 文献标识码：A
随着社会对人才需求的不断提高，以培养创新型复合人才的STEM教育正逐步在全球普及推广，多个国家都发布了本国的STEM教育发展规划，中国的教育部也在其发布的《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见（征求意见稿）》中明确提到“有效利用信息技术推进‘众创空间’建设，探索STEAM教育、创客教育等新教育模式，使学习者具有较强的信息意识与创新意识”，其中的“STEAM教育”就是STEM教育扩展版——将STEM加入A（Art艺术）。而创客教育和STEM教育有着紧密联系，STEM教育是未来教育的重要发展方向，对于中国的传统教育模式更有着重要的意义。
一、STEM教育的概念
STEM是科学（Sciellee）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四个英文首字母的缩写，简言之STEM教育就是科学、技术、工程、数学的教育，但现实问题往往无法单凭STEM中的某一门学科知识来解决，必须依靠多学科的协同，因此STEM教育关于如何综合运用STEM知识解决现实问题的能力的教育，也就是STEM素养教育。
STEM教育的目标就是提升学习者的STEM素养，但对于STEM教育的定义，学术界存在着三种理解：第一种认为STEM教育是一门后设课程，即在学习者学习STEM相关的独立课程之外再学习一门如何综合运用STEM知识的独立课程；第二种认为STEM教育是一门有机整合STEM知识的独立课程，由它代替传统的STEM所涉及的课程，培养学习者的综合运用各专业知识的能力；第三种则将STEM教育视为一种教学策略，其核心目标是通过灵活应用探究性学习、基于项目的学习和基于设计的学习等学习方式，来培养学习者综合利用STEM知识解决现实问题的能力。
本文的STEM教育将采用第三种观点，从学习方式和学习目标出发来界定STEM教育可以更好地为课程教师指明STEM教育的方向。基于此定义，本文认为STEM独立学科的学习也可以是STEM教育，其关键在于学习者是如何学习知识和运用知识的，如通过学习者自主的实验设计来验证牛顿三大定律便属于STEM教育；利用数学知识来合理安排职工工资和社保也属于STEM教育。STEM教育对于中国来说具有更重要的意义，中国从来不缺乏STEM所包含的各独立学科知识的学习，但由于不注重知识的理解和应用，学习者的STEM素养并不高，这一点必须通过加强STEM教育来提升。
二、各国STEM教育的发展战略
STEM教育理念的提出最先来源于美国，1986年美国国家科学委员会发表了《本科的科学、数学和工程教育》的报告，首次明确提出“科学、数学、工程、技术教育的集成”的纲领性建议，被视为美国STEM教育的里程碑。从国家的国际竞争力和国家安全角度出发，美国历届政府都注重STEM教育的投入。20世纪90年代美国国家科学基金会将科学、数学、工程和技术简称为SMET，2001年正式更名为STEM；2006年布什总统公布《美国竞争力计划》，并为该计划投资1360亿美元，支持美国科技与教育的发展；2007年布什总统签署了《给未来技术、教育和科学领域杰出成就创造机会》法案，将“加强从小学到研究生的科学、技术、工程和数学综合教育”视为21世纪教育改革的目标；2009年奥巴马颁布一项“竞争卓越”的全国性教育计划，由政府拨款资助STEM教育；奥巴马在2010年的一次演讲中强调STEM教育在保持美国国家领导力与同经济快速增长的亚洲国家成功竞争方面的重要作用。亚洲一些国家诸如中日韩等，已经在环保科技方面投入了大量的政府投资，让这一领域在接下来几个十年里致力于成为新的经济增长点。奥巴马表示，美国的国际领导力将依赖于国家如何教育我们的孩子，特别是在STEM方面。2014年奥巴马政府签署《2015年STEM教育预算》，继续加大财政支持，发展美国的STEM教育，2015年12月正式颁布了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。
在德国，由于语言的关系，STEM教育通常被缩写为MINT（Mathematik，Informatik，Naturwissenschaft und Technik）教育。而德国政府之所以引进美国STEM教育理念，是因为在作为欧洲主要经济体的德国出现了高质量的综合性劳动力匮乏的现象，这是极不利于工业科技持续发展的。因此，在德国的政府报告中多次提到“需要用MINT教育来弥补该缺陷”的观点。德国联邦教育与研究部在其调查报告《MINT展望——MINT事业与推广指南》中甚至指出“保证劳动力的数量和质量是联邦政府活动的重心”。德国将专业技术人才的创造力视为解决当前科技发展中遇到的问题、迎接未来挑战的核心，因此中小学阶段的MINT教育更关注学生在MINT职业上的兴趣和发展。德国希望将MINT教育与终身教育结合起来，创造一种可持续发展的MINT教育，因此促进MINT教育链的发展成为其教育目标之一。德国教育通过对儿童和青少年进行MINT的兴趣吸引和机制激励，让他们不断沿着MINT教育链获得发展。德国在多个政府报告中提及MINT教育及相关领域，意图借助政府的支持推动MINT的实施。 日本在二十世纪六七十年代实行的教育以书本知识和应试为主，后来随着社会发展的需要，教育的重心发生变化，以促进学生的全面发展和提高学习能力为目标，在中小学推行“宽裕教育”（Yutori Education）政策，通过缩减课时、精简知识和减少学分等措施，力图创造宽松的学习环境来培养学生的“生存能力”，然而宽裕教育并没有提高学生的生存能力，反而导致了学生学业的下滑，具体表现为日本学生在PISA测试中的表现不佳和TIMSS推理能力的不足。日本政府将这种后果归结为基础教育的薄弱，并开始关注美国的STEM教育，以寻求解决途径。日本小学阶段的STEM教育相对侧重STEM研究型人才的培养，增加学生对STEM相关学科的兴趣和热情，高中阶段实施STEM精英教育。不过日本至今未曾在正式的政府文件中提出STEM教育一词，而是以一种局部的、潜在的方式实施该教育。
韩国为增强国家科技竞争力而引入了整合型人才教育的概念，从中小学时期就对学生进行STEAM素养的教育，培养中小学生的知识整合应用能力与科技创新能力，进而为提升国家竞争力奠定青少年人才基础。2011年韩国教育部颁布《搞活整合型人才教育（STEAM）方案》，提出实施要以数学和科学为中心，实现与工程技术相结合的STEAM课程，培养适应社会的具有STEAM素养的综合型人才，方案同时归纳了四类STEAM课程实施方案，为各中小学实施STEAM课程提供指导。韩国政府指定和扶持整合型人才教育示范学校，也是推动开展整合型人才教育的重要手段。
澳大利亚从2013年起开始提高对STEM教育的重视，经历了从某些州（如昆士兰州）致力于实施STEM教育到在国家层面制定发展STEM教育战略的过程。2013年澳大利亚首席科学家办公室发布了《国家利益中的STEM战略》，设定了2013-2025年的战略发展目标；其中《澳大利亚提升战略》对教育层次制定了以下具体政策：培养STEM专业教师、提高学生STEM素养、提高课程设计的科学性和合理性、加强与国家课程标准的联系、保证人才培养模式与市场需求相适应。2014年澳大利亚首席科学家办公室颁布了题为《STEM：澳大利亚的未来》的文件，对STEM教育和培训做了详细的规划。2015年12月澳大利亚联邦及各州和地区教育部长在“教育委员会”会议上签署《STEM学校国家战略2016-2026》，通过采取国家行动，改进澳大利亚学校的科学、数学和信息技术教学与学习。
三、STEM教育的应用模式
STEM教育作为一种教学策略，在实际应用时，必须以解决现实中的实际问题为目标，以STEM知识的综合运用为手段。根据具体目标的不同，本文把STEM教育分成验证型、探究型、制造型和创造型四种不同的应用模式。验证型STEM教育应用的目标是让学习者通过综合运用STEM知识验证一个学习者已经明确的结果，其核心是学习者的验证过程和方法而非结果；探究型STEM教育应用的目标是让学习者通过综合运用STEM知识去发现并解释某些学习者未知的现象，其核心是学习者的探究过程及结果；制造型STEM教育应用的目标是让学习者通过综合运用STEM知识去完成一个已有形态物品的生产和改良，其核心是学习者的工程实践能力的培养；创造型STEM教育应用的目标是让学习者通过STEM知识的综合运用去完成一个创新物品的设计和制造，其核心是创新的设计。
根据教师在STEM教育应用中给定的限定不同，各个模式又可以分为支架式和开放式，所谓的支架式就是由教师给定框架，包括目标和实现方式，然后由学习者在此基础上实施，而开放式则更多地由学习者自行提出目标并自行完成任务，需要学习者更多的主观能动性，当然，支架式和开放式之间并无明确的界限，教师在应用过程中可以根据学习者的不同、目标的不同灵活把握。另外，考虑到STEM教育应用的项目学习属性，下面的各类应用都以小组协作的方式展开。
（一）验证型STEM教育应用
验证型STEM教育应用的目标是学习者完成对已知结果的验证，例如定律或现象，但这些定律或现象并不是此类应用的重点，怎样通过STEM知识的综合运用来验证这些结果并达到加深理解、领悟科学才是其关键，本研究总结的验证型STEM教育应用基本步骤如下：
（1）明确问题。验证型STEM教育应用的目标是完成对已知结果的验证，该结果既可以由老师给定，也可以由学习者提出，同时该结果既可以是某种现象，也可以是某条定律。
（2）设计方案。设计方案的第一步是必须确定要验证的现象，因为定律也必须通过现象来验证，然后再根据现象设计合适的验证方案，其核心是实现现象的可观察或可记录性。
（3）评估方案。考虑到方案实施的代价，实施方案必须经过师生协同评估，评估的重点包括现象和定律之间的充分性（验证定律）和方案的可行性（包括安全、成本、作用等内容）。
（4）实施方案。在完成方案的可行性评估之后，学习者可以开始验证计划，本步骤的重点是现象的观察和记录，如果遇到无法解决的状况一定要重新回到步骤2进行新的设计。
（5）分析数据。通过对观察得到的数据和现象进行分析，并结合必要的现象和定律之间的充分性得出本次验证的结果，如果无法验证，分析可能存在的原因，并回到步骤2进行新的设计和实施。
（6）分享反思。反思本验证方案的有效性和可改进性，并分享自己的验证过程，总结本次验证掌握的技能。
1.案例一
科学课探究的问题：验证水中溶氧量会受不同因素影响而发生变化。课程设计过程如下：
（1）明确问题：学生针对自己做出的对水中溶氧量影响因素的猜想设计验证实验，通过控制变量的方法验证猜想——水中溶氧量会受不同因素影响而改变；（2）设计方案：使用控制变量的实验方法，对不同的实验条件进行控制，配合使用测量水中溶氧量的仪器，通过小组讨论，确定实验需要开展的具体步骤及展开过程中需要注意的重要事项，另外确定个体分工，分别确定掌控实验进度、负责操作仪器与记录数据及实验过程的人；（3）评估方案：小组内讨论确定好实验方案后，与教师沟通，共同评估实验的可行性与严密性，教师适当进行指导与鼓励；（4）实施方案：小组按照评估后的方案，循序开展验证计划；（5）分析数据：针对学生得到的一系列数据，教师引导学生结合自己的观察记录和测得数据进行数据分析，解答学生在实验中的问题。有的学生可能得到与他们在学校学习课程中所学（其他条件不变，水氧含量和水温呈反比）一致的数据，有些可能没有。教师需要解释“这种与我们学到的不一致情况在实验中很常见”，鼓励学生猜想还有哪些因素影响水氧含量（如气压、水压、水深、水生植物的光合作用、水生动物的呼吸活动、水域的面积等等）；（6）分享反思：实验小组制作海报，要求呈现研究问题、研究过程、测量数据及结论，与同学们交流分享整个研究活动并互相评价。教师做好指导和相应的点评及对活动的总结。 将学生常见的生活现象——声音，与学生不甚了解的音频师的工作联系起来，会充分吸引学生的兴趣，通过制作简易电话和具有良好声音效果的房屋了解声音工程对人类生活的重要性，让学生体验小中见大的科学乐趣。将物理学科与工程学科相结合，让学生们成为小小工程的制作者。
（四）创造型STEM教育应用
创造型STEM教育应用的目标是让学习者通过STEM知识的综合运用去完成一个创新物品的设计和制造，其核心是创新性的实现，是基于设计的学习在STEM教育中的特定应用。当然，在实际的应用中，创新物品的方向是有指向性的，否则，学习者会出现因选择太多，无从入手的情况。从基于设计的学习模式出发，创造型STEM教育应用基本步骤如下：
（1）情境引入。创造型STEM教育应用的目标是完成一个创新物品的设计和制造，虽然非物化作品的设计也在创新这列，但考虑到成果验证的方便性，STEM教育中的创新以物化成果为主。创新来自于生活中的问题，所以教师需要引入极具吸引力的情境激发学习者从中寻找需求并明确创造方向。
（2）创新引导。当学习者有了明确的目标以后，教师需要从两方面对学习者的创新进行引导，一方面是创新的方向，教师需要根据学习者确定的创新物化目标提供可行的创新方向和思路的指导，具体的创造行为由学习者完成；另一方面则是创新的可行性，教师需要对学习者的创新目标进行可行性分析，防止学习者设定一个在当前条件下无法实现的创新目标。
（3）协同设计。当学习者有了切实可行的创造目标以后，就可以采用小组协作的方式，让每个成员从自己的专业背景出发，完成作品的结构、机械、电子、传动、外观、动力、人机交互等方面的设计，并进行必要的评估，设计-评估-再设计是一个迭代过程，直到得到一个大家都认可的设计方案为止。
（4）制造验证。有了详细的设计方案以后，学习者就可以开始进行作品的实际制造过程，考虑到设计和制造之间的差异性，一旦在制造过程中出现无法解决的问题，学习者必须回到步骤3进行设计的修改。
（5）应用改进。当完成了创新作品的制造以后，学生就可以把它放到现实的环境中进行有效性的验证，包括自身功能和用户体验两方面，并形成改进意见，必要时重新回到步骤3开始新一轮的设计过程。
（6）分享反思。当学习者完成了自己认可的创新作品以后，教师需要鼓励学习者进行必要的产品文稿设计和展示包装，并进行充分地作品分享，通过分享让学习者喜欢上创新，同时通过分享中的观众交互，反思作品的进一步改进。
1.案例一
澳大利亚昆士兰科技大学教育学院Lyn D English和Donna T King对工程设计中的STEM学习做了一个纵向研究，选取昆士兰2所私立小学和3所州立小学，对四年级的学生实施培养学生航空航天领域问题解决能力的STEM课程，为老师提供详细的课程手册，包括额外的网络资源，为学生提供工作手册，让学生独立完成任务。课程是从三个水平进行的：第一个阶段是学习航空航天工程和航空动力学的知识，包括认识飞机的结构、学习流体力学原理、探究影响飞机飞行的影响因素；第二个阶段是选择合适的制作材料，使用恰当的测量方法和材料折叠的方法，使用工程设计软件，绘制2D飞机图纸或者设计一个3D飞机模型（注：根据学生个人能力和学习水平，可以设计不同复杂程度的作品），该阶段遇到的问题比较多样，包括飞机材料、形状、尺寸的确定，飞行性能的好坏等，需要学生综合运用数学、物理和工程的知识和技能解决问题，然后对初步设计的飞机进行测试，与教师、同学交流想法和改进意见，从而改进设计；第三个阶段是对初步设计进行优化，再测试，直到产出满意的作品，最后给出飞机的设计过程的书面说明和详细的计算过程。
研究结果显示，通过一系列STEM课程的学习，学生可以完成初步的设计，并进行较为复杂的再设计飞机模型，而且学生在第二阶段和第三阶段频繁地使用了数学思维和工程思维，能够将相关的数学知识和科学知识应用到航空工程设计中来，为飞机的飞行提出可行性的建议。
2.案例二
EiE9Engineering is Elementary）项目是波士顿科学博物馆创办的项目，其目的是培养孩子们的工程和技术素养，EiE课程实现了工程、技术和科学的充分融合，是典型的STEM教育。现以《一个惊人的想法：报警电路的设计》的EiE单元课程为例进行分析。
该课程单元涉及的学科领域包括物理学和工程学，面向的是3-5年级的学生，课程设计如下：该单元共有5节课，在准备课中认识什么是技术和工程师（不算在正式课程中）。第一节课，情境导人，让学生阅读关于Emily报警器的故事，引起学生的好奇心和进一步探索的兴趣，使学生初步了解工程设计的内容；第二节课，学习电的基本知识，主要是理解和掌握导体、绝缘体、电压、电流等科学概念，认识常见的电力技术，认识电能作为一种人类生活广泛使用的能源对人类社会的重要应用；第三节课，结合前面学的基本电学知识，进一步学习电路，先是认识电路的构成，其次学习画简单的电路图，然后学习不同结构的电路图的工作原理，最后构建一个电路原理图；第四节课，设计一个报警电路系统，运用工程设计过程设计报警系统，画出满足要求的电路图，并阐明该电路的工作原理，然后在初步设计的基础上与教师和同学讨论和提问，设想不同的解决方案，进而完善第一阶段的报警电路系统设计；第五节课是能力提升课，利用“设计报警系统”这一主题将前四节课所学的内容贯穿起来，综合之前所学的物理学知识和工程设计理念，进行报警系统的工程设计，全方位检验了学生的学习效果。纵观这一课程单元，前四节课属于基础课，逐步向学生传递知识信息和训练基本技能。
EiE课程的特点是持续时间比较短，适合低龄的学生学习，通过提供教学支架或加入较短的活动来充实课程内容。每个单元由多节课组成，每节课之间彼此相连，课堂上提供学生头脑风暴的机会，训练学生的思维能力，而且重视课堂管理和使用教学策略，帮助学生掌握优化变量、解释数据等技能。 3.案例三
世界在运动项目课程依托美国国家标准，通过设计与学龄学生相适应的教学活动，将科学、技术、工程和数学带人生活。该项目面向的是K-8阶段的学生。AWIM项目挑战赛，由几个不同的活动组成，项目提供课程主题、简单的课程计划、教师手册、故事书和配套工具。AWIM项目的设计主要包括以下几个阶段：确定挑战目标、建构知识、设计任务、建造和测试、再设计、呈现作品。具体而言，确定挑战目标是在给定的虚拟情境中确定待解决的问题或任务；建构知识是学生建构解决问题所需要的知识和技能；设计是学生通过小组合作设计他们自己的玩具以满足情境提出的要求；建造和测试是学生团队建造作品，并测试他们的设计是否符合要求；再设计是根据测试结果和师生交流的意见对初期设计的作品进行修改完善，呈现是将最终设计的成果展示给大家。
下面以《油回收船的设计》为例进行分析。油回收船挑战将教师、学生及行业志愿者聚集起来共同在物理科学中探索，挑战过程还将应用到数学和科学的概念和技能。第一课，学生被引入一个挑战的情境，收到一个虚构的玩具公司向他们发出的挑战——设计油回收船，然后他们将看到一个分离器原型；第二课学生加入设计团队，通过三步打造一个分离器。首先，他们使用分离器赫尔模型和指令建造船体，然后使用回形针支撑船体起航，最后在分离器上安装桅杆；第三节课设计油回收船的外观，需要确定形状和面积；第四节课分享初步设计成果；第五节课对设计好的分离器进行测试；第六节课测试油回收船；第七节课学生就测试的结果分析讨论，制作反映结果的图表；第八节课重新设计油回收船，满足分离器和帆的性能要求。学生在完成任务挑战的过程中，就不断强化了运用工程的方法解决实际问题的能力。
四、结束语
STEM素养对于一个国家的国际竞争力、经济发展水平以及国民素质都有着重要的意义，这一切都需要靠STEM教育的正确开展来完成，所以说STEM教育具有及其广泛的应用前景。本文从不同STEM教育应用学习成果把STEM教育应用分成了验证型、探索型、制造型和创造型，但这样的分类并不是绝对的，它只考虑了学习者的最终成果。若从中间过程考虑，验证、探究、制造和创造是有可能交替出现的，所以教师在使用时需要教师需要围绕目标，从学习者特点、学习环境等因素出发进行灵活选择和综合应用，使STEM教育的效果达到最好。
关键词：STEM教育；应用模式；创客教育
中图分类号：G434 文献标识码：A
随着社会对人才需求的不断提高，以培养创新型复合人才的STEM教育正逐步在全球普及推广，多个国家都发布了本国的STEM教育发展规划，中国的教育部也在其发布的《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见（征求意见稿）》中明确提到“有效利用信息技术推进‘众创空间’建设，探索STEAM教育、创客教育等新教育模式，使学习者具有较强的信息意识与创新意识”，其中的“STEAM教育”就是STEM教育扩展版——将STEM加入A（Art艺术）。而创客教育和STEM教育有着紧密联系，STEM教育是未来教育的重要发展方向，对于中国的传统教育模式更有着重要的意义。
一、STEM教育的概念
STEM是科学（Sciellee）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四个英文首字母的缩写，简言之STEM教育就是科学、技术、工程、数学的教育，但现实问题往往无法单凭STEM中的某一门学科知识来解决，必须依靠多学科的协同，因此STEM教育关于如何综合运用STEM知识解决现实问题的能力的教育，也就是STEM素养教育。
STEM教育的目标就是提升学习者的STEM素养，但对于STEM教育的定义，学术界存在着三种理解：第一种认为STEM教育是一门后设课程，即在学习者学习STEM相关的独立课程之外再学习一门如何综合运用STEM知识的独立课程；第二种认为STEM教育是一门有机整合STEM知识的独立课程，由它代替传统的STEM所涉及的课程，培养学习者的综合运用各专业知识的能力；第三种则将STEM教育视为一种教学策略，其核心目标是通过灵活应用探究性学习、基于项目的学习和基于设计的学习等学习方式，来培养学习者综合利用STEM知识解决现实问题的能力。
本文的STEM教育将采用第三种观点，从学习方式和学习目标出发来界定STEM教育可以更好地为课程教师指明STEM教育的方向。基于此定义，本文认为STEM独立学科的学习也可以是STEM教育，其关键在于学习者是如何学习知识和运用知识的，如通过学习者自主的实验设计来验证牛顿三大定律便属于STEM教育；利用数学知识来合理安排职工工资和社保也属于STEM教育。STEM教育对于中国来说具有更重要的意义，中国从来不缺乏STEM所包含的各独立学科知识的学习，但由于不注重知识的理解和应用，学习者的STEM素养并不高，这一点必须通过加强STEM教育来提升。
二、各国STEM教育的发展战略
STEM教育理念的提出最先来源于美国，1986年美国国家科学委员会发表了《本科的科学、数学和工程教育》的报告，首次明确提出“科学、数学、工程、技术教育的集成”的纲领性建议，被视为美国STEM教育的里程碑。从国家的国际竞争力和国家安全角度出发，美国历届政府都注重STEM教育的投入。20世纪90年代美国国家科学基金会将科学、数学、工程和技术简称为SMET，2001年正式更名为STEM；2006年布什总统公布《美国竞争力计划》，并为该计划投资1360亿美元，支持美国科技与教育的发展；2007年布什总统签署了《给未来技术、教育和科学领域杰出成就创造机会》法案，将“加强从小学到研究生的科学、技术、工程和数学综合教育”视为21世纪教育改革的目标；2009年奥巴马颁布一项“竞争卓越”的全国性教育计划，由政府拨款资助STEM教育；奥巴马在2010年的一次演讲中强调STEM教育在保持美国国家领导力与同经济快速增长的亚洲国家成功竞争方面的重要作用。亚洲一些国家诸如中日韩等，已经在环保科技方面投入了大量的政府投资，让这一领域在接下来几个十年里致力于成为新的经济增长点。奥巴马表示，美国的国际领导力将依赖于国家如何教育我们的孩子，特别是在STEM方面。2014年奥巴马政府签署《2015年STEM教育预算》，继续加大财政支持，发展美国的STEM教育，2015年12月正式颁布了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。
在德国，由于语言的关系，STEM教育通常被缩写为MINT（Mathematik，Informatik，Naturwissenschaft und Technik）教育。而德国政府之所以引进美国STEM教育理念，是因为在作为欧洲主要经济体的德国出现了高质量的综合性劳动力匮乏的现象，这是极不利于工业科技持续发展的。因此，在德国的政府报告中多次提到“需要用MINT教育来弥补该缺陷”的观点。德国联邦教育与研究部在其调查报告《MINT展望——MINT事业与推广指南》中甚至指出“保证劳动力的数量和质量是联邦政府活动的重心”。德国将专业技术人才的创造力视为解决当前科技发展中遇到的问题、迎接未来挑战的核心，因此中小学阶段的MINT教育更关注学生在MINT职业上的兴趣和发展。德国希望将MINT教育与终身教育结合起来，创造一种可持续发展的MINT教育，因此促进MINT教育链的发展成为其教育目标之一。德国教育通过对儿童和青少年进行MINT的兴趣吸引和机制激励，让他们不断沿着MINT教育链获得发展。德国在多个政府报告中提及MINT教育及相关领域，意图借助政府的支持推动MINT的实施。 日本在二十世纪六七十年代实行的教育以书本知识和应试为主，后来随着社会发展的需要，教育的重心发生变化，以促进学生的全面发展和提高学习能力为目标，在中小学推行“宽裕教育”（Yutori Education）政策，通过缩减课时、精简知识和减少学分等措施，力图创造宽松的学习环境来培养学生的“生存能力”，然而宽裕教育并没有提高学生的生存能力，反而导致了学生学业的下滑，具体表现为日本学生在PISA测试中的表现不佳和TIMSS推理能力的不足。日本政府将这种后果归结为基础教育的薄弱，并开始关注美国的STEM教育，以寻求解决途径。日本小学阶段的STEM教育相对侧重STEM研究型人才的培养，增加学生对STEM相关学科的兴趣和热情，高中阶段实施STEM精英教育。不过日本至今未曾在正式的政府文件中提出STEM教育一词，而是以一种局部的、潜在的方式实施该教育。
韩国为增强国家科技竞争力而引入了整合型人才教育的概念，从中小学时期就对学生进行STEAM素养的教育，培养中小学生的知识整合应用能力与科技创新能力，进而为提升国家竞争力奠定青少年人才基础。2011年韩国教育部颁布《搞活整合型人才教育（STEAM）方案》，提出实施要以数学和科学为中心，实现与工程技术相结合的STEAM课程，培养适应社会的具有STEAM素养的综合型人才，方案同时归纳了四类STEAM课程实施方案，为各中小学实施STEAM课程提供指导。韩国政府指定和扶持整合型人才教育示范学校，也是推动开展整合型人才教育的重要手段。
澳大利亚从2013年起开始提高对STEM教育的重视，经历了从某些州（如昆士兰州）致力于实施STEM教育到在国家层面制定发展STEM教育战略的过程。2013年澳大利亚首席科学家办公室发布了《国家利益中的STEM战略》，设定了2013-2025年的战略发展目标；其中《澳大利亚提升战略》对教育层次制定了以下具体政策：培养STEM专业教师、提高学生STEM素养、提高课程设计的科学性和合理性、加强与国家课程标准的联系、保证人才培养模式与市场需求相适应。2014年澳大利亚首席科学家办公室颁布了题为《STEM：澳大利亚的未来》的文件，对STEM教育和培训做了详细的规划。2015年12月澳大利亚联邦及各州和地区教育部长在“教育委员会”会议上签署《STEM学校国家战略2016-2026》，通过采取国家行动，改进澳大利亚学校的科学、数学和信息技术教学与学习。
三、STEM教育的应用模式
STEM教育作为一种教学策略，在实际应用时，必须以解决现实中的实际问题为目标，以STEM知识的综合运用为手段。根据具体目标的不同，本文把STEM教育分成验证型、探究型、制造型和创造型四种不同的应用模式。验证型STEM教育应用的目标是让学习者通过综合运用STEM知识验证一个学习者已经明确的结果，其核心是学习者的验证过程和方法而非结果；探究型STEM教育应用的目标是让学习者通过综合运用STEM知识去发现并解释某些学习者未知的现象，其核心是学习者的探究过程及结果；制造型STEM教育应用的目标是让学习者通过综合运用STEM知识去完成一个已有形态物品的生产和改良，其核心是学习者的工程实践能力的培养；创造型STEM教育应用的目标是让学习者通过STEM知识的综合运用去完成一个创新物品的设计和制造，其核心是创新的设计。
根据教师在STEM教育应用中给定的限定不同，各个模式又可以分为支架式和开放式，所谓的支架式就是由教师给定框架，包括目标和实现方式，然后由学习者在此基础上实施，而开放式则更多地由学习者自行提出目标并自行完成任务，需要学习者更多的主观能动性，当然，支架式和开放式之间并无明确的界限，教师在应用过程中可以根据学习者的不同、目标的不同灵活把握。另外，考虑到STEM教育应用的项目学习属性，下面的各类应用都以小组协作的方式展开。
（一）验证型STEM教育应用
验证型STEM教育应用的目标是学习者完成对已知结果的验证，例如定律或现象，但这些定律或现象并不是此类应用的重点，怎样通过STEM知识的综合运用来验证这些结果并达到加深理解、领悟科学才是其关键，本研究总结的验证型STEM教育应用基本步骤如下：
（1）明确问题。验证型STEM教育应用的目标是完成对已知结果的验证，该结果既可以由老师给定，也可以由学习者提出，同时该结果既可以是某种现象，也可以是某条定律。
（2）设计方案。设计方案的第一步是必须确定要验证的现象，因为定律也必须通过现象来验证，然后再根据现象设计合适的验证方案，其核心是实现现象的可观察或可记录性。
（3）评估方案。考虑到方案实施的代价，实施方案必须经过师生协同评估，评估的重点包括现象和定律之间的充分性（验证定律）和方案的可行性（包括安全、成本、作用等内容）。
（4）实施方案。在完成方案的可行性评估之后，学习者可以开始验证计划，本步骤的重点是现象的观察和记录，如果遇到无法解决的状况一定要重新回到步骤2进行新的设计。
（5）分析数据。通过对观察得到的数据和现象进行分析，并结合必要的现象和定律之间的充分性得出本次验证的结果，如果无法验证，分析可能存在的原因，并回到步骤2进行新的设计和实施。
（6）分享反思。反思本验证方案的有效性和可改进性，并分享自己的验证过程，总结本次验证掌握的技能。
1.案例一
科学课探究的问题：验证水中溶氧量会受不同因素影响而发生变化。课程设计过程如下：
（1）明确问题：学生针对自己做出的对水中溶氧量影响因素的猜想设计验证实验，通过控制变量的方法验证猜想——水中溶氧量会受不同因素影响而改变；（2）设计方案：使用控制变量的实验方法，对不同的实验条件进行控制，配合使用测量水中溶氧量的仪器，通过小组讨论，确定实验需要开展的具体步骤及展开过程中需要注意的重要事项，另外确定个体分工，分别确定掌控实验进度、负责操作仪器与记录数据及实验过程的人；（3）评估方案：小组内讨论确定好实验方案后，与教师沟通，共同评估实验的可行性与严密性，教师适当进行指导与鼓励；（4）实施方案：小组按照评估后的方案，循序开展验证计划；（5）分析数据：针对学生得到的一系列数据，教师引导学生结合自己的观察记录和测得数据进行数据分析，解答学生在实验中的问题。有的学生可能得到与他们在学校学习课程中所学（其他条件不变，水氧含量和水温呈反比）一致的数据，有些可能没有。教师需要解释“这种与我们学到的不一致情况在实验中很常见”，鼓励学生猜想还有哪些因素影响水氧含量（如气压、水压、水深、水生植物的光合作用、水生动物的呼吸活动、水域的面积等等）；（6）分享反思：实验小组制作海报，要求呈现研究问题、研究过程、测量数据及结论，与同学们交流分享整个研究活动并互相评价。教师做好指导和相应的点评及对活动的总结。 将学生常见的生活现象——声音，与学生不甚了解的音频师的工作联系起来，会充分吸引学生的兴趣，通过制作简易电话和具有良好声音效果的房屋了解声音工程对人类生活的重要性，让学生体验小中见大的科学乐趣。将物理学科与工程学科相结合，让学生们成为小小工程的制作者。
（四）创造型STEM教育应用
创造型STEM教育应用的目标是让学习者通过STEM知识的综合运用去完成一个创新物品的设计和制造，其核心是创新性的实现，是基于设计的学习在STEM教育中的特定应用。当然，在实际的应用中，创新物品的方向是有指向性的，否则，学习者会出现因选择太多，无从入手的情况。从基于设计的学习模式出发，创造型STEM教育应用基本步骤如下：
（1）情境引入。创造型STEM教育应用的目标是完成一个创新物品的设计和制造，虽然非物化作品的设计也在创新这列，但考虑到成果验证的方便性，STEM教育中的创新以物化成果为主。创新来自于生活中的问题，所以教师需要引入极具吸引力的情境激发学习者从中寻找需求并明确创造方向。
（2）创新引导。当学习者有了明确的目标以后，教师需要从两方面对学习者的创新进行引导，一方面是创新的方向，教师需要根据学习者确定的创新物化目标提供可行的创新方向和思路的指导，具体的创造行为由学习者完成；另一方面则是创新的可行性，教师需要对学习者的创新目标进行可行性分析，防止学习者设定一个在当前条件下无法实现的创新目标。
（3）协同设计。当学习者有了切实可行的创造目标以后，就可以采用小组协作的方式，让每个成员从自己的专业背景出发，完成作品的结构、机械、电子、传动、外观、动力、人机交互等方面的设计，并进行必要的评估，设计-评估-再设计是一个迭代过程，直到得到一个大家都认可的设计方案为止。
（4）制造验证。有了详细的设计方案以后，学习者就可以开始进行作品的实际制造过程，考虑到设计和制造之间的差异性，一旦在制造过程中出现无法解决的问题，学习者必须回到步骤3进行设计的修改。
（5）应用改进。当完成了创新作品的制造以后，学生就可以把它放到现实的环境中进行有效性的验证，包括自身功能和用户体验两方面，并形成改进意见，必要时重新回到步骤3开始新一轮的设计过程。
（6）分享反思。当学习者完成了自己认可的创新作品以后，教师需要鼓励学习者进行必要的产品文稿设计和展示包装，并进行充分地作品分享，通过分享让学习者喜欢上创新，同时通过分享中的观众交互，反思作品的进一步改进。
1.案例一
澳大利亚昆士兰科技大学教育学院Lyn D English和Donna T King对工程设计中的STEM学习做了一个纵向研究，选取昆士兰2所私立小学和3所州立小学，对四年级的学生实施培养学生航空航天领域问题解决能力的STEM课程，为老师提供详细的课程手册，包括额外的网络资源，为学生提供工作手册，让学生独立完成任务。课程是从三个水平进行的：第一个阶段是学习航空航天工程和航空动力学的知识，包括认识飞机的结构、学习流体力学原理、探究影响飞机飞行的影响因素；第二个阶段是选择合适的制作材料，使用恰当的测量方法和材料折叠的方法，使用工程设计软件，绘制2D飞机图纸或者设计一个3D飞机模型（注：根据学生个人能力和学习水平，可以设计不同复杂程度的作品），该阶段遇到的问题比较多样，包括飞机材料、形状、尺寸的确定，飞行性能的好坏等，需要学生综合运用数学、物理和工程的知识和技能解决问题，然后对初步设计的飞机进行测试，与教师、同学交流想法和改进意见，从而改进设计；第三个阶段是对初步设计进行优化，再测试，直到产出满意的作品，最后给出飞机的设计过程的书面说明和详细的计算过程。
研究结果显示，通过一系列STEM课程的学习，学生可以完成初步的设计，并进行较为复杂的再设计飞机模型，而且学生在第二阶段和第三阶段频繁地使用了数学思维和工程思维，能够将相关的数学知识和科学知识应用到航空工程设计中来，为飞机的飞行提出可行性的建议。
2.案例二
EiE9Engineering is Elementary）项目是波士顿科学博物馆创办的项目，其目的是培养孩子们的工程和技术素养，EiE课程实现了工程、技术和科学的充分融合，是典型的STEM教育。现以《一个惊人的想法：报警电路的设计》的EiE单元课程为例进行分析。
该课程单元涉及的学科领域包括物理学和工程学，面向的是3-5年级的学生，课程设计如下：该单元共有5节课，在准备课中认识什么是技术和工程师（不算在正式课程中）。第一节课，情境导人，让学生阅读关于Emily报警器的故事，引起学生的好奇心和进一步探索的兴趣，使学生初步了解工程设计的内容；第二节课，学习电的基本知识，主要是理解和掌握导体、绝缘体、电压、电流等科学概念，认识常见的电力技术，认识电能作为一种人类生活广泛使用的能源对人类社会的重要应用；第三节课，结合前面学的基本电学知识，进一步学习电路，先是认识电路的构成，其次学习画简单的电路图，然后学习不同结构的电路图的工作原理，最后构建一个电路原理图；第四节课，设计一个报警电路系统，运用工程设计过程设计报警系统，画出满足要求的电路图，并阐明该电路的工作原理，然后在初步设计的基础上与教师和同学讨论和提问，设想不同的解决方案，进而完善第一阶段的报警电路系统设计；第五节课是能力提升课，利用“设计报警系统”这一主题将前四节课所学的内容贯穿起来，综合之前所学的物理学知识和工程设计理念，进行报警系统的工程设计，全方位检验了学生的学习效果。纵观这一课程单元，前四节课属于基础课，逐步向学生传递知识信息和训练基本技能。
EiE课程的特点是持续时间比较短，适合低龄的学生学习，通过提供教学支架或加入较短的活动来充实课程内容。每个单元由多节课组成，每节课之间彼此相连，课堂上提供学生头脑风暴的机会，训练学生的思维能力，而且重视课堂管理和使用教学策略，帮助学生掌握优化变量、解释数据等技能。 3.案例三
世界在运动项目课程依托美国国家标准，通过设计与学龄学生相适应的教学活动，将科学、技术、工程和数学带人生活。该项目面向的是K-8阶段的学生。AWIM项目挑战赛，由几个不同的活动组成，项目提供课程主题、简单的课程计划、教师手册、故事书和配套工具。AWIM项目的设计主要包括以下几个阶段：确定挑战目标、建构知识、设计任务、建造和测试、再设计、呈现作品。具体而言，确定挑战目标是在给定的虚拟情境中确定待解决的问题或任务；建构知识是学生建构解决问题所需要的知识和技能；设计是学生通过小组合作设计他们自己的玩具以满足情境提出的要求；建造和测试是学生团队建造作品，并测试他们的设计是否符合要求；再设计是根据测试结果和师生交流的意见对初期设计的作品进行修改完善，呈现是将最终设计的成果展示给大家。
下面以《油回收船的设计》为例进行分析。油回收船挑战将教师、学生及行业志愿者聚集起来共同在物理科学中探索，挑战过程还将应用到数学和科学的概念和技能。第一课，学生被引入一个挑战的情境，收到一个虚构的玩具公司向他们发出的挑战——设计油回收船，然后他们将看到一个分离器原型；第二课学生加入设计团队，通过三步打造一个分离器。首先，他们使用分离器赫尔模型和指令建造船体，然后使用回形针支撑船体起航，最后在分离器上安装桅杆；第三节课设计油回收船的外观，需要确定形状和面积；第四节课分享初步设计成果；第五节课对设计好的分离器进行测试；第六节课测试油回收船；第七节课学生就测试的结果分析讨论，制作反映结果的图表；第八节课重新设计油回收船，满足分离器和帆的性能要求。学生在完成任务挑战的过程中，就不断强化了运用工程的方法解决实际问题的能力。
四、结束语
STEM素养对于一个国家的国际竞争力、经济发展水平以及国民素质都有着重要的意义，这一切都需要靠STEM教育的正确开展来完成，所以说STEM教育具有及其广泛的应用前景。本文从不同STEM教育应用学习成果把STEM教育应用分成了验证型、探索型、制造型和创造型，但这样的分类并不是绝对的，它只考虑了学习者的最终成果。若从中间过程考虑，验证、探究、制造和创造是有可能交替出现的，所以教师在使用时需要教师需要围绕目标，从学习者特点、学习环境等因素出发进行灵活选择和综合应用，使STEM教育的效果达到最好。