STEM教育即科学(Science)、技术(Technology) ,工程(Engineering)和数学(Mathematics)教育的简写，提倡跨学科教育，使用多学科的思维和知识解决实际问题。STEM教育并不是将科学、技术、工程和数学四类学科简单的叠加，而是使它们彼此之间进行有效融合，组成为一个有机的整体，并以真实问题解决为任务驱动，在实践中应用知识、获得知识，培养学生的问题解决能力、复合思维和创新思维。美国学者Georgette Yakman在此基础上又提出了STEAM教育的概念，即向STEM中加人了“A(Art)”元素，这里的A不单指的是艺术，还包括美术、人文、历史、哲学、宗教等学科。总之，不论是STEM教育还是STEAM教育，它们在本质上都属于跨学科教育的典型形式，鼓励学生用多学科的知识和视角解决真实问题，提升跨学科思维能力和创造性思维能力。为了更深刻地理解跨学科式教育的思想，这里借鉴由Georgette Yakman提出的STEAM教育模型，如图1所示，总共分为五层，最底层是具体课程层，是整个跨学科教育开展的基础，主要是科学、技术、工程、数学等学科所包括的具体课程；第二层是学科层，强调科学、技术、工程等学科之间的联系；第三层是学科融合层，在把科学、技术、工程和数学四门学科互相融合的基础上，渗透艺术类学科；第四层是STEAM层，开展STEAM教育，解决实际问题，培养跨学科思维和创新能力；最顶层是终身融合层，培养跨学科素养，融合各类跨学科知识，灵活应用，成为终身的技能和素养。这五层相互递进，彼此间互相影响，下层的融合是上层开展的基础，上层的开展又会影响下层融合的方式。该模型清晰地说明了跨学科教育的实质，有助于跨学科教育的开展。作为典型的跨学科式教育形式，STEM教育的核心价值在于既保留了每一门学科的特点，又可以使这些学科进行灵活地交叉融合，促进各个学科的发展。从教学目标上看，STEM教育的目标是培养学生的STEM素养，即学生通过在真实项目中的实践，从多个方面对一个科学现象进行探索与思考，提升科学素养、技术素养、工程素养和数学素养，以达到培养学生跨学科多元思维的目标。简言之，STEM教育实质是以培养STEM素养为目标，进行基于真实问题情景下的跨学科式教育。从学习阶段来看，STEM教育涵盖了从K-12、大学本科到研究阶生阶段的教育范围，代表了一种偏工科思维的文化素养，促进学生进行深度学习、探究学习和意义学习。

(二)STEM教育的起源与发展

从历史发展上看，STEM教育起源于美国。1975年，美国学者Hurd率先指出学科之间的融合贯通使得传统学科的概念除了作为学校划分具体课程的依据之外，已经没有实质的意义。1986年，美国国家科学委员会发布报告《本科的科学、数学和工程教育》，提出了“科学、数学、工程和技术教育集成”的纲领性理念，旨在打破学科之间的界限，培养学生的理工素养，被视为STEM教育的里程碑。之后美国国家基金会将这四门学科简称为SMET教育。到了2001年，正式更名为STEM，成为四门学科的统称，并将其称为教育的一次全新尝试，目的是提倡问题解决驱动的跨学科式理工科教育。这标志着科学教育进人了新纪元。随后，美国学者Georgette Yakman在此基础上提出了STEAM教育的概念，拓宽学科范围。2006年到2007年间，美国总统布什分别颁布了《美国竞争计划》和《给未来技术、教育和科学领域杰出成就创造机会》两项重要文件，大力投人资金，发展美国的STEM教育。随后，美国的“21世纪技能合作组织”在2007年制定了《21世纪技能框架》，提出了以核心学科为基础的教学四大原则:参与学习过程、加强学习深度、知识实践应用、跨学科学习。到了2014年，美国新任总统奥巴马上任后，以创新发展为理念，继续推进STEM教育，签署了《2015年STEM教育预算》，投人更多的人力、物力和财力。2015年美国正式颁布了STEM教育法案，主要从老师培训、教学制度、社会与学校结合等方面规划了STEM教育的新方向。除此，进人21世纪后，全球多个国家也加人到STEM教育改革的队伍中，积极推进本国STEM教育的发展。2001年，我国教育部和科技协会启动了“做中学”的改革项目，旨在提高全民的创新思维和科学素养。 2015年，李克强总理在政府工作报告中提出“大众创业，万众创新”的全新理念，大力发展创新产业链。2016年6月7日，我国教育部颁布了《教育信息化“十三五”规划》文件，明确指出“积极探索信息技术在众创空间、跨学科学习(STEAM教育)、创客教育等新的教育模式中的应用，着力提升学生的信息素养、创新意识和创新能力”。这作为纲领性的文件，标志着我国正式踏人STEM教育改革的队伍中。STEM教育作为今后发展的大趋势，对于我国教育教学方式的革新有着更加重要的价值和意义。

(三)STEM教育的价值取向

1.多学科交叉融合，实现跨学科式教育

传统教育将知识按具体学科划分，割裂了学科与学科之间、学科与真实世界之间的联系，不能有效培养学生解决现实问题的能力，使学生的学习缺乏真实性和创造性。STEM教育从真实问题出发，以多学科交叉融合的理念为指导，在解决问题的过程中灵活运用科学、技术、工程和数学等学科知识。这种把多学科相融合的教育方式使学习与实际生活密切相关，满足了学生的认知需要，而且通过提供多门学科的方法和视角，提高了学生运用多门学科知识解决真实问题的能力，有利于解决学校课程滞后与学科发展之间的矛盾，增加学生对社会和未来的适应性。在此过程中，一方面，学生根据具体问题灵活选择相应的学科知识；另一方面，学生在解决问题的过程中，进一步加深了对学科知识的理解。STEM教育从多学科的视角来培养学生解决实际问题的能力，提高STEM素养，实现跨学科教育。可以说，跨学科式教学是STEM教育的核心价值取向。

2.基于真实问题情景，回归现实生活

STEM教育注重学生学习与实际生活之间的联系，教育要立足于生活，从真实生活中的问题出发。强调“做中学”“学中做”的教学理念，开展基于真实问题情景下的探索式学习。STEM教育认为知识蕴含在真实的问题情境中，教师为学生创设情景，学生利用多门学科知识积极探索，培养发现、分析和解决问题的能力。真实问题成为贯穿整个学习过程的主线，把核心问题转化为一系列的学习任务，学生通过高投人的实践探索，达到对知识的意义建构和深层次理解。在STEM教育中，上课地点不再是黑板加粉笔、课桌椅子整齐摆放的教室，而是在配有平板电脑、传感器、电路板、单片机、模板、画刷、3D打印机、电线、体感设备等先进科技工具的工作坊中。学生使用先进的学习工具，通过自主、协作和创造性地应用多门学科知识，解决实际问题，提高能力。此外，在学习过程中，教师还要为学生创设不同的问题情境，通过在多种情景下的迁移运用，培养了学生发散思维和创新思维，进一步巩固和深化所学知识，达到深度学习的层次。

3.重视学习过程，加强学习体验

学习的实质在于对过程的体验、思考和感悟，而非体现在试卷上的学习结果。STEM教育重视学习过程，强调学生主动、积极参与到学习过程中，使学生通过观察与实际操作来获得真实的学习体验，在学习体验中探究、反思与提高，实现理论知识与实践技能的有效衔接，促进知识的深层次建构。STEM教育通过为学生提供多种真实情景和先进工具，加强学生的学习体验。学生应用科学、技术、工程和数学等多门学科知识，协作和探究式地解决现实问题。在参与和体验学习的过程中，学生不仅获得了结果性知识，更重要的是，提高了他们的学习能力，学会从多学科、多视角、多维度来分析和解决问题，收获了蕴含在真实问题情境中的过程性知识，实现了从“学会”到“会学”的质的突破。例如，美国科罗拉多大学的博尔德分校在  “整合学与教”的项目中开设了一个有关空气污染的STEM课程，通过学习，学生不仅掌握了气象的概念，以及空气污染的来源、途径和预防方面的知识，更重要的是，在探索发现的过程中，提高了他们应用工程、技术等学科知识发现和解决真实生活中关于空气污染问题的能力。

4.技术作为支持工具，有效开展学习活动

技术不仅是STEM教育的重要组成要素，也是整个教学得以开展的核心支持工具，无缝融合于学习活动的各个环节中。这里的技术工具不单是指前面提到的3D打印机、电路板、传感器等硬件设备，还包括Scratch可视化编程软件、思维导图等认知工具。认知工具是指帮助学生进行认知处理的计算机技术，即用来发展学生批判性思维和创造性思维的各种软件系统。现对Scratch可视化编程工具做一简单介绍，该工具由麻省理工学院(MIT)开发，旨在提高青少年的编程能力，是目前风靡全球的可视化编程软件。Scratch不仅操作简便，界面大方，学生可以在游戏、活动和创造中提高能力，而且该工具可以连接多种硬件系统，实现“软硬互通”，比如Picoboard传感器、Arduino单片机等硬件平台，把虚拟世界和真实世界联系起来。美国学者Yakman于2011年6月在MIT网站上开设Scratch课程，一经上线就受到学生们的喜爱，据统计，目前该网站上已经有17204968个项目被分享。在STEM教育中，学生在教师的引导下使用技术工具来分析与解决问题，在这个过程中，锻炼了学生的动手实践和探索发现能力，提高技术素养。

总之，STEM教育是一种以真实问题解决为任务驱动、立足学习过程、多技术交叉融合的跨学科式教育，以培养具有全面科学素养和创新实践能力的人才为根本目标。学生在获取知识、探索意识、学科融合、技能培养和问题解决等方面的能力都发生了质的飞跃，这是达到STEM教育目标的具体体现。