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节前思考
1．STEM教育从何开始？产生和推广的背景和目的是什么？
2．STEM教育具有哪些特点？随着时代要求的变化又有哪些新的发展？
3．与STEM相关的概念和要求有哪些？
STEM教育起源于美国，在科技日益竞争的21世纪，美国意识到本国拥有的科技人力资源在全球份额的逐渐减少，培养学生成为未来的具有科技竞争的人才（例如科学家、工程师和技工等）成为国家教育的重点工作。但对比美国现有的教育，无法保证其学生能够掌握在经济竞争中所需的技能和知识。在这样的背景下，联邦政府高度重视，为了解决这种问题，由大学、企业、非盈利组织和咨询机构等多方参与，纷纷形成了一系列研究报告，政府也出台了一系列法案。
1986年，美国国家科学委员会（National Science Board，简称NSB）发表了报告：《本科的科学、数学和工程教育》（又称《尼尔报告》）。该报告中提出了“科学、数学、工程和技术集成”（SMET集成）的观点，作为纲领性建议载入了STEM教育发展的里程碑，也被称为STEM教育的开端。之后的若干年，政府投入了大量的人力和财力，同时也为国家科学基金会指导美国基础教育甚至高等教育的改革奠定基础。
1996年，美国国家科学基金会（National Science Foundation，简称NSF）发表了报告《塑造未来：透视科学、数学、工程和技术的本科教育》，结合美国大学生的需求，针对新的形势和问题，提出了“培养K-12阶段SMET教育系统中的教师”，以及“提高所有人的科学素养”等明确的政策建议。几年后，国家科学基金会将SMET这一缩写正式改为STEM。
2007年，美国州长协会（National Governors Association，NGA）拟定了一项题为“创新美国：拟定科学、技术、工程与数学议程（Innovation America: Building a Science, Technology, Engineering and Math Agenda）”共同纲领，其中就当前美国实施STEM教育战略的背景、现状、问题和相应的策略进行了详细阐述。NGA认为美国现行基础教育并没有为学生提供良好的STEM教育，从而没有为他们毕业后的工作与进一步的深造做好准备。现有K-12核心课程的概念有些过时，缺乏严格的课程标准，学校培养目标与高等学校、职业技术学院的要求以及工作岗位的实际需求相距甚远。最后，文件还指出在美国缺乏教授STEM课程的优秀师资队伍，从而难以保证相应的教学质量。同时，美国STEM教育还存在一些问题。所有这些问题都是目前美国STEM教育面临的重要现实问题。
2009年，奥巴马总统宣布了“教育创新（EDUCATION TO INNOVATE CAMPAIGN）”运动，这是一个全国范围的活动，旨在使美国STEM达到卓越的水平，凝聚所有的有代表性的工业、数学、基金会和非盈利组织，来一起推动美国学生在未来的十年中从以前在科学和数学教育中的中等地位进入到世界的前列。
2011年，美国颁布了《K-12科学教育的框架：实践，跨学科概念与核心概念》，明确指出：科学教育从传统传授零碎与分散的知识转向整合的知识，科学教育应包括实践、跨学科概念与核心概念3个维度，并且对3个维度提出了具体的学习标准与要求。同时针对此标准提出了6个跨学科概念，分别是模式、原因与结果、比例与数量、系统和系统模型、能量和物质、结构和功能。
2013年6月发布的美国《新一代科学教育标准》（NGSS）（第四代科学课程改革阶段）中，明确要求在美国的科学教育中要整合技术工程和数学教育。
从STEM的起源和形成可见，在过去的近半个世纪，美国持续关注着科学、技术、工程和数学结合的STEM教育，并推动STEM教育对美国在未来全球市场中竞争力的影响。STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的简称，但并非是简单的概念叠加，而是强调这四门学科的交叉融合形成有机整体，以更好地培养学生的创新精神与实践能力。
我们先来观摩一个优秀的STEM教育案例，通过分析案例来归纳出STEM教育的相关特点。
案例名称：
“重现富兰克林的风筝实验”项目式学习
执教者： 韩叙虹，北京市第八十中学，教育硕士，物理特级教师，北京市正高级教师，硕士生导师
基于物理核心素养的STEM主题课程的教学目标：
（1）能用共点力的平衡条件，分析风筝的平衡问题。
（2）了解静电现象，能用原子结构模型和电荷守恒的观念分析静电现象。
（3）了解生产生活中静电的利用与防护知识，培养学生的物质观念、运动与相互作用观念。
（4）观察并能识别常见的电路元器件，了解它们在电路中的作用；会使用多用电表。
（5）能分析和解决电路中的简单问题，能将安全用电的知识应用于日常生活实际。
（1）体会富兰克林风筝实验过程中的科学思想和方法，促进科学推理思维的发展。
（2）经历复原富兰克林风筝实验验证的论证过程，促进科学论证思维的发展。
（3）经历复原富兰克林风筝实验的设计过程，促进质疑创新思维的发展。
经历复原富兰克林风筝实验的设计、验证过程，能应用控制变量的方法制订科学探究方案，能合理地选择、使用实验器材进行实验，获取实验数据；会处理实验数据以获得结论；会判断实验数据的可靠性，能修改完善实验方案；提高科学探究能力。
（1）通过学习电学内容，培养解决实际问题的能力。
（2）了解科学研究方法在物理学中的应用，体会物理研究对简化的追求。
（3）经历复原富兰克林风筝实验的设计、验证过程，渗透实事求是，基于逻辑和证据，发表科学见解和评价别人的观点。
（4）学会与他人合作，合理分工、协作，共同完成学习任务。
主题课程的设计思路：
课程以复原富兰克林的风筝实验的项目式学习展开，以小组合作学习的方式，通过基于工程的学习，运用数学、科学的知识科学探究，设计解决方案，亲自动脑动手，通过技术达成目标。
主题课程的描述（见图2-1）：
图2-1 主题课程的流程图
主题课程的教学过程：
第一阶段：富兰克林风筝实验方案的解读和准备
（1）课题引入，播放动画短片：课本上富兰克林的故事。
（2）发放富兰克林风筝实验方案的资料，学生分组，任命小组长，采取小组合作学习的方式，要求学生阅读资料、翻译，依照富兰克林当年的设计方案，各小组讨论复原实验的关键点，设计复原风筝实验的关键问题。
（3）统一各小组意见，确定以下3个关键问题。
问题1：风筝能把天上的电导下来吗？
问题2：铜钥匙是否能产生电火花？
问题3：放风筝的人是否会发生触电事故？
（4）针对以上3个问题，各组设计实验方案。
设计意图 ：通过阅读、翻译实验方案，探讨复原实验的关键点，从而设计复原实验解决的3个关键性的工程问题，经历问题设计过程，让学生体会要解决一个项目需要经历的一般流程，特别是如何合理地分解项目，学会提出问题，搭好项目的“脚手架”是多么的重要。
第二阶段：风筝的制作与试飞
这个阶段历时2周，在查找文献等参考资料的基础上，学生讨论制作风筝所需的器材及材质，确定用防水布代替原方案中的绢丝作为风筝面，用麻绳做风筝线，风筝的形状为菱形。上网购买风筝配件，利用选修课的时间在实验室制作风筝，并在校园操场试飞。在开始的试飞中，学生自制的风筝均出现骨架断裂而落地，后经不断地改良和调整，两周后，学生终于能将绘着校徽图案的风筝放上天空。
设计意图： 让学生学习运用力学的平衡原理，借助数学的工具，研究风向和升力之间的关系，测算并确定风筝的材质和配件，以及风筝的大小和形状等；让学生亲自动脑动手制作风筝，既要遵从原实验方案的精神，又要有开拓创新精神，对风筝进行改良；另一方面，让学生自己制作风筝和放飞风筝本身就是技术上的一大考验，有助于培养学生实验操作的能力和分工合作的精神。
第三阶段：在校园里复原富兰克林风筝实验
探究实验1：多用电表置于200mA的电流档，将电表的一只表笔缠在干燥的风筝线上，另一只表笔握在同学手中，两位同学合作放飞风筝，测算当实验者跑动的过程中，电流表是否有读数，以判断风筝线中是否有电流经过。实验现象：有极其微弱的电流经过，约1mA。学生解释：风筝在晴朗的日子里，因为与周围空气摩擦而带上静电，但由于干燥的风筝线是绝缘体，故电流微弱到可以忽略不计
探究实验2：打湿风筝线，重复实验1。
实验现象：有微弱的电流经过，约2mA。
学生解释：由于风筝线有一定的导电性，故能测到电流，但由于摩擦生成的电荷量太少，放电较快，故电流仍微弱，需要增大风筝的带电量，但至少说明风筝的确能把天上的电导下来。
探究实验3：风筝尾端系着铜钥匙，让风筝放飞稳定后，观察铜钥匙是否发光出电火花。
实验现象：铜钥匙不发光，用手触摸也无触电感。
探究实验4：打湿风筝线，重做实验3。
实验现象：铜钥匙不发光，用手触摸，有微弱的触电感（有学生描述是如针尖拂过手背的感觉）。
学生解释：电流太小，不足以使铜钥匙产生电火花，打湿的风筝线有微弱电流通过，产生微弱的触电感。建议增大风筝的带电量，有可能使铜钥匙发出电火花。
探究实验5：实验室模拟风筝装置，用高压静电起电器起电，产生几万伏的高压，将风筝悬挂在高处，筝线尾端仍系着铜钥匙，起电器的一个电极与风筝顶的铁丝相连，高压起电击中风筝，观察铜钥匙是否发光。实验现象：铜钥匙不发光，学生触摸铜钥匙，没有触电感。
探究实验6：将风筝线打湿，且在铜钥匙的旁边系上丝线，重做实验5。
实验现象：铜钥匙不发光，但丝线张开，表明风筝线通过电流，但电流不足以使铜钥匙发光。
探究实验7：将风筝线换成铁丝与高压起电器直接相连，重做实验5。
实验现象：铜钥匙不发光。
探究实验8：将另一把铜钥匙与高压起电器的另一极相连，靠近铜钥匙，重做实验7。
实验现象：黑暗中，两把铜钥匙之间发出了蓝紫色的光。
学生解释：铜钥匙发出了光，但并不是严格意义上的铜钥匙发出电火花，而是尖端放电。理由：两把铜钥匙之间有很高的电压，彼此又靠得很近且形状很尖锐，使得铜钥匙积聚了足够多的电荷，促使它们之间的空气电离，从而产生尖端放电现象。学生探讨，对富兰克林的风筝实验的真实性产生质疑，形成两种意见。
观点1：富兰克林风筝实验是假的，如果铜钥匙能发出电火花，可见当时的闪电级别非常高，那么在把电流导下来之前，风筝面早已烧掉，风筝线也早已烧断，那么电又如何导得下来？
观点2：富兰克林风筝实验是真的，只要闪电的级别够高，电量够足，即使风筝面烧掉，但风筝线未必烧断，因为风筝线烧断是依赖电流的热效应，而闪电只是瞬间高压，是可以看到铜钥匙发出电火花的。
学生原文翻译富兰克林风筝实验，指出，富兰克林实验是在一个小木屋中进行：风雨交加的夜晚，电闪雷鸣间，而风筝早已被屋外的人高高地放在天上，而风筝线由屋外的人通过绝缘的小窗户递给屋内的人，因此屋内的人和风筝线的尾端都是干燥的，属绝缘体，当闪电击中风筝的时候，电流通过户外的风筝线，使铜钥匙发出电火花。
学生自制模拟小木屋，在木屋的地面上铺上厚厚的蜡块，解释做风筝实验时，人要站在蜡块上能起到安全保护的作用。
设计意图： 本阶段属于典型的基于问题解决模式的科学探究实验过程：实验，观察，质疑，解释；再实验，观察，解释……在一轮又一轮的实验改良探索中，学生的热情高涨，思想的火花不断被激发，不断激励着学生勇于探索、大胆尝试，探究过程充满了理性的力量和思辨的光芒，大大提升了科学思维的论证能力和质疑创新的精神。
第四阶段：国家电网特高压实验基地重现富兰克林风筝实验
为了获取与闪电最接近的真实效果，风筝实验移师到国家电网特高压实验基地重现。利用充满电荷的11只大电容串联，释放出高达2400千伏的瞬间高压，击中风筝，实验分三种情形进行：①用干燥的风筝线；②用打湿的风筝线；③用长铜线代替风筝线。前两种情形下，都未能观察到铜钥匙发光，闪电都选择就近的路线从地面导走。在第三种情形下，闪电过处，流经假人的瞬间电流高达200多安培，铜钥匙终于发出电火花，如图2-2所示（此刻，在场所有人的内心都被深深地震撼）。历经三周的实验探索，历经艰辛，终获圆满成功。
图2-2 实验室重现实验
设计意图： 用最接近真实的科学实验来探索未知，尊重事实，实事求是，追求真理，是每位从事科学教育工作者都应该有的职业操守。科学的艰辛和来之不易的成果，以及经过层层探索之后体验到的科学之美，深深地感染到每一个人，接受科学的“洗礼”，激发好奇心、想象力和创新思维，会使我们的学生感到科学原来有着如此美好的秉性，从而更加钟爱科学，更有激情地去学习科学。
教学反思：
经历过复原富兰克林风筝实验项目学习的师生们，深深地体会到探索的艰辛和科学的魅力。STEM教育是注重体验性的。我们第一次如此深刻地理解了什么是科学？什么是真理？正如著名物理学家丁肇中教授所说：“所有的自然科学都是实验科学。实验可以推翻理论，而理论永远无法推翻实验。因此实验对于自然科学来讲非常重要。”对之前的猜想进行验证，正是基于一次次的科学探索，一次次的实验论证，在一轮又一轮的实验改进中，从而更真实地接近科学的真相。直至最后一刻，看到铜钥匙发出金黄色的电火花的时候，我们为科学之美深深地折服。它之所以如此绚烂，还在于我们重走了科学家之路，经历了艰辛的探索过程：一次次的失败，再一次次的努力尝试，直至成功时的喜出望外。有人说，STEM教学强调的是培养学生“带走的能力”，而不是“背不动的书包”，这正是STEM教育的意义之所在。通过基于项目学习过程，基于问题的模式的运用，是提高学生创新能力的有效途径：一方面，使学生积极主动地参与到学科教学和社会实践中来，培养他们的主观能动性，使他们形成敏锐的观察力和较强的逻辑思维能力，学会独立思考，勇于探究；另一方面，培养学生运用工程的理念去分析、处理实际问题，训练和培养学生的创新思维能力和质疑精神；对于物理教师而言，应该积极鼓励学生发现问题，并结合物理知识，通过思考钻研，想出解决问题的方法。这样做不仅使学生对学科知识能有更进一步的了解和掌握，同时也使他们学会如何将所学的知识有效地应用到实践中，达到学习和实践结合的真正目的。
2．1.2小节这个案例属于典型的STEM理念下的多学科整合的问题式教学。从这个案例我们尝试分析STEM教育的特点。
将知识按学科进行划分，对于科学研究、深入探究自然现象的奥秘和将知识划分为易于教授的模块有所助益，但并不反映我们生活世界的真实性和趣味性（Morrison，2009）。因此，分科教学在科学、技术和工程高度发达的今天已显出很大弊端。针对这一问题，STEM教育因此应运而生，跨学科性是它最重要的核心特征。美国学者艾布特斯（Abts）使用“元学科”（meta-discipline）描述STEM，即表示它是代表科学、技术、工程、艺术和数学等学科的统整的知识领域，它们存在于真实世界中，彼此不可或缺、互相联系（Morrison，2006）。跨学科意味着教育工作者在STEM教育中，不再将重点放在某个特定学科或者过于关注学科界限，而是将重心放在特定问题上，强调利用科学、技术、工程或数学等学科相互关联的知识解决问题，实现跨越学科界限、从多学科知识综合应用的角度，提高学生解决实际问题的能力的教育目标。
在“重现富兰克林的风筝实验”案例中，通过基于工程的学习，运用数学、科学的知识科学探究，设计实验，通过技术达成目标。在科学知识层面上，主要以高中物理静电学的知识为依托，涉及电势差、电流产生条件、静电屏蔽等重要概念，而风筝的制作则需要力学的平衡原理；在技术层面上，主要是风筝的制作技术，且每个复原环节的攻克、科学实验的过程都是技术的体现；在工程层面上，在阐释富兰克林实验方案的基础上，让学生讨论、设计了3个工程问题，再要求学生通过设计实验逐一解决，以上工程问题及问题的解决都体现了问题驱动下的STEM理念；在数学层面上，主题课程将数学作为有效的测算工具，主要涉及风筝制作的尺寸、配重、形状等的计算，电表的读数、电阻的估算等。
STEM教育具有情境性特征，它不是教授学生孤立、抽象的学科知识，而强调把知识还原于真实、丰富的生活，结合生活中有趣、挑战的问题，通过学生的问题解决完成教学。STEM教育强调让学生获得将知识进行情境化应用的能力，同时能够理解和辨识不同情境的知识表现，即能够根据知识所处背景信息，联系上下文辨识问题本质并灵活解决问题。情境是STEM教育重要而有意义的组成部分，学习受具体情境的影响，情境不同，学习也不同。只有当学习镶嵌在运用该知识的情境之中，有意义的学习才可能发生。
在“重现富兰克林的风筝实验”案例中，教师设置的真实情境即为复原富兰克林风筝实验，学生通过不断思考、尝试，反思失败原因，不断改进实验条件和实验装置，最终获得了成功。只有经历了真实情境，学生有意义的学习才会发生，学习的效果才会更加深刻。
教师在设计STEM教育项目时，项目的问题一方面要基于真实的生活情景，另一方面又要蕴含着所要教授的结构化知识。这样，学生在解决问题的过程中，不仅能获得知识，还能获得知识的社会性、情境性及迁移运用的能力。情境性问题的解决，可以让学生体验真实的生活，获得社会性成长。
STEM教育不仅主张通过自学或教师讲授习得抽象知识，更强调学生动手、动脑，参与学习过程。STEM提供了学生动手操作的学习体验，学生应用所学的数学和科学知识应对现实世界问题，创造、设计、建构、发现、合作并解决问题。因此，STEM教育具有体验性特征，学生在参与、体验获得知识的过程中，不仅获得结果性知识，还习得蕴含在项目问题解决过程中的过程性知识。这种在参与、体验中习得知识的方式对学生今后的工作和生活的长远发展会产生深刻影响。
在“重现富兰克林的风筝实验”案例中，学生体验实验特点非常明显，由学生设计实验方案，从最初手拿钥匙体会指尖是否有电流经过，到最终穿上厚厚的防护服，看到最美妙的雷电花火，这都是学生亲身经历，亲眼目睹的。学生在参与实验中体验学习的过程，享受体验过程的艰辛、苦闷和快乐，这些都是学习的不可或缺的一部分。
STEM教育在实施过程中要把多学科知识融于有趣、具有挑战性、与学生生活相关的问题中，问题和活动的设计要能激发学习者内在的学习动机，问题的解决要能让学生有成就感，因此需有趣味性。STEM教育强调分享、创造，强调让学生体验和获得分享中的快乐感与创造中的成就感。有的项目还把STEM教育内容游戏化（将游戏的元素、方法和框架融于教育场景），因为将基于探索和目标导向的学习嵌入游戏中，有利于发展学习者的团队技能、教授交叉课程概念和负责的科学内容主题，可以得到更多、更理想的教育产出。
在“重现富兰克林的风筝实验”案例中，教师在最初设计的实验主题就比较有趣味性和挑战性，学生由最初的有意思到质疑到折服，无时无刻不体验着物理实验带来的美妙和乐趣，这种经历科学探究的乐趣，带给学生的不仅仅是身心的愉悦还有深刻的反思和感悟。正如案例所指：学生深深地体会到探索的艰辛和科学的魅力。我们第一次如此深刻地理解了什么是科学、什么是真理。
实证性作为科学的本质（Nature of Science）的基本内涵之一，是科学区别于其他学科的重要特征，也是科学教育中学习者需要理解、掌握的重要方面。STEM教育要促进学生按照科学的原则设计作品，基于证据验证假设、发现并得出解决问题的方案；要促进学生在设计作品时，遵循科学和数学的严谨规律，而非思辨或想象，让严谨的工程设计实践帮助他们认识和理解客观的科学规律。总之，STEM教育不仅要注重科学的实证性，更强调跨学科情景中通过对问题或项目的探索，培养学生向真实生活迁移的科学精神和科学理性。
在“重现富兰克林的风筝实验”案例中，非常明显地体现出这一特点，富兰克林的风筝实验本身就是曾经的科学实验，这个项目是对科学结论的验证，同时也是经历了科学产生和发现的过程。教师在反思中说道：正如著名物理学家丁肇中教授所说：“所有的自然科学都是实验科学，实验可以推翻理论，而理论永远无法推翻实验，因此实验对于自然科学来讲非常重要。”对之前的猜想进行验证，正是基于一次次的科学探索，一次次的实验论证，在一轮又一轮的实验改进中，从而更真实地接近科学的真相。
STEM教育具有协作性，强调在群体协同中相互帮助、相互启发，进行群体性知识建构。STEM教育中的问题往往是真实的，真实任务的解决离不开其他同学、教师或专家的合作。在完成任务的过程中，学生需要与他人交流和讨论。建构主义指出，学习环境的四大要素包括“情境”“协作”“会话”和“意义建构”（何克抗，1997）。STEM教育的协作性就是要求学习环境的设计要包括“协作”和“会话”两个要素：让学生以小组为单位，共同搜集和分析学习资料、提出和验证假设、评价学习成果；同时，学习者通过会话商讨如何完成规定的学习任务。需要指出的是，小组学习最后的评价环节以小组成员的共同表现为参考，而不是根据个人的表现进行独立评价。
在“重现富兰克林的风筝实验”案例中，协作性体现得也非常明显，实验历时三周，需要查阅资料、分析整理、讨论问题、设计实验、准备装置、实施实验……这些都不是一人能力所为，必须多人协作才能完成任务。案例中学生以小组为单位进行不断的推论和对实验的改进，这正是探究的过程，也是团队进行知识意义建构的过程。
STEM教育要求学习产出环节包含设计作品，通过设计促进知识的融合与迁移运用，通过作品外化学习的结果、外显习得的知识和能力。设计出创意作品是获得成就感的重要方式，也是维持和激发学习动机、保持学习好奇心的重要途径。因此，设计是STEM教育取得成功的关键因素。美国学者莫里森认为，设计是认知建构的过程，也是学习产生的条件（Morrison，2005）。学生通过设计可以更好地理解完成了的工作，从而解决开放性问题。在这个过程中，学生学习知识、锻炼能力、提高STEM素养，因此设计性是STEM教育的又一核心特征。
在“重现富兰克林的风筝实验”案例中，设计性体现得也比较明显，包括学生得知实验要求后对风筝的设计制作、对实验装置和流程进行的设计、对实验结论进行的整理，这些都是经过学习后的产出，这些产出都是学生经过知识加工、输出后的结果，也体现出STEM教育的设计特点。所以并不是STEM教育都是需要工艺品的设计加工，方案、结论的呈现这些都可以称为作品，这些都需要学生的加工和设计。
当前的STEM更多被扩展为STEAM，强调在STEM中加入“Art”学科。这个“A”狭义上指美术、音乐等，广义上则包括美术、音乐、社会、语言等人文艺术，实际代表了STEM强调的艺术与人文属性。STEM教育的艺术性强调在自然科学教学中增加学习者对人文科学和社会科学的关注与重视，例如在教学中增加科学、技术或工程等相关发展历史，从而激发学生兴趣、增加学习者对STEM与生活联系的理解，以及提高学生对STEM相关决策的判断力；再如，在对学生设计作品的评价中，加入审美维度的评价，提高学生作品的艺术性和美感。概括来说，STEM教育的艺术性是以数学元素为基础，从工程和艺术角度解释科学和技术。
在“重现富兰克林的风筝实验”案例中，艺术性看似不太明显，但教师在安排最后实验为了获取与闪电最接近的真实效果，风筝实验移师到国家电网特高压实验基地重现这一部分，充分体现了教师在实施STEM教学中的社会性。与实验室的专业人士的沟通、对学生情感关怀以及对科学精神的无上崇敬，都是引导学生在自然科学探究的基础上重视人文积淀和人文关怀，同时向学生渗透社会责任和国际理解，这些都属于人文科学范畴的“艺术性”，也充分体现了对中国学生发展核心素养的渗透。
STEM教育强调学生要具备一定的技术素养，强调学生要了解技术应用、技术发展过程，具备分析新技术如何影响自己乃至周边环境的能力。在教学中，它要求利用技术手段激发和简化学生的创新过程，并通过技术表现多样化成果，让创意得到分享和传播，从而激发学生的创新动力。STEM教育主张技术作为认知工具，无缝地融入到教学各个环节，培养学生善于运用技术解决问题的能力，增强个人驾驭复杂信息、进行复杂建模与计算的能力，从而支持深度学习的发生。
在“重现富兰克林的风筝实验”案例中，虽没有提到信息技术、通信技术，但STEM教育中对技术的理解也并不局限于这样的概念，在科学重演的过程中也不断地渗透“技术发展带给科学实验的便利性”的技术特点。从最开始的原始重现到最终的国家实验室的高科技支持，也会让学生体会到技术手段的进步带来科学发展。
STEM教育产生背景的复杂性，使得其含义无论在目标、领域、实践还是评价方面都非常广泛。迄今为止，人们并未对STEM素养的定义或内涵达成共识
。我们采用了STEM素养的定义即STEM素养是基于科学素养、技术素养、工程素养、数学素养整合之上的素养。
（Alan Zollman，2012）。显而易见，STEM素养包含了科学素养、技术素养、工程素养和数学素养，同时又不是四者的简单组合：它包含运用这四门学科的相关能力，把学习到的零碎知识与机械过程转变成探究真实世界相互联系的不同侧面的综合能力。STEM作为一个有机整体，有其独特的内涵与特征。对于STEM素养的内涵理解，主要从两种角度呈现：一种是基于还原论观点，将STEM素养分解为STEM各学科素养；另一种是从跨学科整合的视角来探析STEM素养的基本含义。
科学素养 ：2015年，在国际学生评估项目（PISA）科学素养测试的评价框架中，将具备科学素养的人定义为“有能力处理与科学相关的事务，并成为具有科学思想的反思性公民”。具体表现为能够较好地展现以下几个方面的科学能力：一是科学地解释现象，能够认识一系列自然现象和技术产品，提供评价和解释；二是评价和设计科学探究，能够科学地描述、评价科学研究，提供问题解决的方法；三是科学地解释数据和证据，即分析评价数据和各种不同方式表示的参数，并得出恰当的科学结论。
技术素养： 2007年，国际技术教育协会（ITEA）将技术素养定义为使用、管理和理解技术的能力。具体包括：学生应当发展对技术本质的理解、对技术与社会关系的理解、对设计的理解、对技术化世界的适应能力以及对人造世界的理解。
工程素养 ：2014年，美国国家教育进步评估（NEAP）提出的“技术和工程素养评价框架”，涵盖了技术和社会、设计和系统、信息和通信技术三个主要领域，其中“设计和系统”维度集中体现了工程素养要求。具体来讲，工程素养涉及工程知识、工程设计与技能、工程意识3个方面。
数学素养：
在PISA2021数学素养测评框架中定义的数学素养是个人在不同真实世界情境下进行数学推理并表示、使用和解释数学来解决问题的能力。它包括使用数学概念、过程、事实和工具来描述、解释和预测现象的能力。它有助于个体作为一个关心社会、善于思考的21世纪建设性公民，了解数学在世界中所起作用以及做出有根据的数学判断和决定。
我国《高中数学课程标准（2017版）》中提出数学素养核心素养包括数学抽象、逻辑推理、数学建模、直观想象、数学运算、数据分析。在能力方面体现在运算能力、推理能力、空间想象能力、数据分析能力和问题解决能力。
将STEM素养视为一个整体性概念，以整合的视角来分析STEM素养的内容构成，比较有代表性的是美国科学教育专家拜比（Rodger W. Bybee，2013）。他认为，STEM素养包括概念理解、过程性技能，以及解决与STEM相关的个人、社会乃至全球问题的能力。具体分为：一是分辨生活情境中的问题，解释自然和人造世界，对基于证据的STEM相关问题做出结论；二是从知识、探究和设计的角度理解STEM学科的特点；三是意识到STEM学科对物质、精神、文化环境的影响；四是愿意参加与STEM相关的事务，作为一个有建设性思维、关心社会、有反思性的公民，具备关于科学、技术、工程、数学的观念。
现有的研究虽然对STEM素养的内涵表述存在差异，总的来说，主要包括批判性思维、问题解决、创造性思维、团队合作、跨学科思维、数学素养、科学素养、工程素养、技术素养以及STEM相关学科或领域的基本知识、基本技能、基本方法等。从各要素的抽象程度和适用范围来看，STEM素养是有层次性的。美国乔吉特·亚克曼（Georgette Yakman）教授曾根据STEM学科间整合程度的差异提出STEM学科整合教育框架（STAM framework）。
该框架在纵向上由高到低分为五层：第一层是表明STEAM教育终身性和整体性的“终极目标层（Life-long Holistic）”；第二层是强调以跨学科方式解决问题为主的“综合层（Integrative）”；第三层是强调艺术对其他各个学科渗透的“多学科层（Multidisciplinary）”；第四层是以关联视角的分科教学为主的“特定学科层（Discipline Specific）”；第五层是与特定学科课程相关的“具体内容层（Content Specific）”。从横向上又将多学科层分为艺术等人文类学科和STEM课程体系，特定学科层分为科学、技术、工程和数学等学科，具体内容层则分为更具体的各基础课程或专业领域。此模型将学习者素养、能力的发展分为相互衔接渐进的多个水平、不同阶段，体现了STEM素养构成要素的层次性和STEM素养发展的阶段性特征，同时也反映了STEM教育途径的多样性，具有借鉴意义。杨彦军等构建了由知能、情意和价值三个维度融合，并和纵横双向结合形成STEM素养结构金字塔模型，如图2-3所示。
图2-3 STEM素养结构金字塔模型
为了重视艺术（Arts）在工程与技术设计中的重要性，美国学者提议将STEM教育发展为STEAM教育。STEAM教育的艺术性强调在自然科学教学中增加学习者对人文科学和社会科学的关注与重视，例如在教学中增加科学、技术或工程等相关发展历史，从而激发学生兴趣，增加学习者对STEM与生活联系的理解，以及提高学生对STEM相关决策的判断力；再如，在对学生设计作品的评价中，加入审美维度的评价，提高学生作品的艺术性和美感。概括来说，STEAM教育的艺术性是以数学元素为基础，从工程和艺术角度解释科学和技术。STEAM教育与STEM教育在理念与目标上并无本质差异，两者有时被等同使用。
STEM教育理念最早起源于美国，当初美国政府为了加强K-12创新性、复合型人才的培养而提出了STEM教育。显而易见，STEAM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Arts）、数学（Mathematics）五门学科的英文缩写，其注重跨学科学习，打破了常规学科界限，并在教育中体现出趣味性、体验性、情境性、协作性、艺术性、实证性、技术增强性的特点，迅速成为新兴的教育方式。通过STEM教育培养创新型复合人才，对于提升孩子的问题解决能力、创新思维、创造能力具有十分重要的意义。
请利用网络搜索引擎找到几个相关的STEM教育的案例，结合本节中提到的STEM教育的特点，仔细分析案例中是否体现了STEM教育的九个特点？你认为这九个特点中哪几个特点是最为核心的和普遍的特点？