学前儿童STEM素养的内涵、结构与发展路径

［摘要］

学前儿童STEM（Science，Technology，EngineeringandMathematics）素养是支持幼儿运用STEM学科相关知识、情感、态度和价值观以解决真实世界复杂性问题的综合能力，具有基础性、启蒙性、全面性和生活化等特点。基于对美国、德国等五个国家课程文本的分析，学前儿童STEM素养包含经验层面的知识整合与应用、工具层面的技术设计与创新、行为层面的科学思维与表达以及态度层面的主动学习与探究四个维度，它们共同构成支撑幼儿开展跨学科探究活动的核心素养。为更好地发展学前儿童的STEM素养，幼儿园教师应明确学前儿童STEM素养结构，合理设置STEM活动目标；厘清STEM活动的特性，合理选择STEM活动的类型；结合幼儿的学习特点，合理选择学前儿童STEM活动内容；开展过程性、持续性评价，强化教师支持的适宜性。［关键词］学前STEM教育；STEM素养；跨学科学习一、学前儿童STEM核心素养的内涵STEM教育始于20世纪80年代的美国。随着时间的推移，美国各届政府已经就STEM教育颁布了20多个政策文件，对STEM教育给予了极大的支持。美国STEM教育的快速发展让更多的国家认识到STEM教育对提高国家竞争力的重要作用，[1]尤其是进入21世纪后，世界各国都已意识到STEM教育对于培养未来拔尖创新人才的重要性。STEM教育能够促进学生科学知识与能力发展，提升学生的跨学科思维能力，发展学生的创新精神和实践能力。从小培养学生的科学探究精神、跨学科思维能力对于个体未来的发展有着重要意义。STEM教育的目标就是要培养学生的STEM素养。学前儿童STEM教育以真实的生活世界为情境，以幼儿所处环境中的真实问题为驱动，强调幼儿在真实的任务情境和动手操作中学习，以使他们在团队合作、解决问题、持续思考、创新性思维、批判质疑、技术运用等方面获得充分的发展。因为具备跨学科的综合性、实践性、创新性等价值属性，学前STEM教育可以成为学前教育高质量发展的重要载体。尽管越来越多的学前教育工作者认识到了学前STEM教育对学前教育质量和儿童综合素质提升的重要意义，但对于STEM教育究竟要培养幼儿的什么能力仍存在认识上的困惑，这导致实践中学前STEM教育的目标不明、内容不清。因此，从源头上厘清学前儿童STEM核心素养的内涵与结构就十分重要。素养是知识、技能和态度的超越和统整，是一整套可以被观察、教授、习得和测量的行为，是完成某一情境工作任务所必需的一系列行为模式。至于何为STEM素养，目前学界尚没有公认的定义，主要存在“能力说”和“方式说”两种切入视角。“能力说”将STEM素养视为一种能够识别、整合和应用科学、技术、工程及数学领域的概念与原理，以理解复杂性问题并创造性地解决它们的能力。“方式说”则认为STEM素养不应该被视为内容领域，而是应当将其作为一种获得更深层次学习的方式，它包含技能、能力、事实性知识、程序、概念和元认知能力。[2]而对于STEM素养的构成则又有学科分解、学科整合以及理念整合三个视角。学科分解视野下的STEM素养分为科学素养、技术素养、工程素养和数学素养四个独立的组成部分，这一视角是早期研究的主要视角。[3]学科整合视角则将STEM素养理解为基于科学素养、技术素养、工程素养、数学素养整合之上的素养，[4]如莱昂·莱德曼（Leon·Lederman）就认为STEM素养涵盖个人在知识经济中适应并接受新技术带来的变化的能力、与他人跨界合作的能力、与不同层次的人进行有效沟通与交流的能力、为解决今天无法想象的问题而发现创造性的解决问题的能力。[5]科学教育专家拜比也认为STEM素养包括概念理解、过程性技能及解决STEM相关的个人、社会乃至全球问题的能力。[6]在我国，杨彦军等人将STEM素养定义为个人综合运用STEM学科的相关知识、技能、方法、情感、态度和价值观，在STEM相关领域中创造性地解决复杂问题的综合能力，并从知能、情意、价值三个维度系统分析STEM素养的结构。[7]此外，我国学者现在普遍把STEM教育看作是一种指导理念，它不强调STEM学科是否整合，而是将STEM项目视为一种主题式、探究式、体验式、问题式的学习方法，试图在各种项目学习中发展学生的STEM素养。[8]学前儿童是以直接感知、实际操作和亲身体验为学习凭借的，他们的思维处于前运算发展阶段，主要通过感知觉来认识周围的世界，对事物的认识以获得丰富的感性经验为基础。只有基于直接经验的学习才是理解性的学习，这决定了学前儿童STEM素养具有基础性、启蒙性、全面性和生活化等特点。结合国内外关于STEM素养的界定以及幼儿的学习特点，学前儿童STEM素养可以被界定为支持幼儿运用STEM学科相关知识、情感、态度和价值观以解决真实世界复杂性问题的综合能力。学前教育重在对幼儿的启蒙，对学前儿童STEM素养的培育应该强调他们良好科学思维和探究能力的养成，注重其良好学习品质的发展。二、学前儿童STEM素养指标体系的结构与内容既有研究对STEM素养的内涵和结构进行了一定的探讨，但还没有形成共识，这一实践样态同样体现在对学前儿童的STEM素养的研究上。但这并没有妨碍世界各国对学前儿童STEM素养的实践探索，美国、德国等有关国家在出台的课程文件中从不同维度对学前儿童STEM素养的结构进行了探讨，指出了部分学前儿童STEM素养的内容。本研究以美国、德国、芬兰、澳大利亚以及中国五个国家有代表性的课程标准为研究对象，试图厘清学前儿童STEM素养的结构及其具体内容。（一）学前儿童STEM素养结构的建构依据在国际上，美国、德国、芬兰等国立足国家战略相继开展了STEM教育改革，且PISA測试显示其在科学、数学方面有着较好的表现。[9]在国内，我国也于2017年发布了《中国STEM教育白皮书》，江苏省则于2018年出台了《基础教育STEM课程指导纲要（试行）》。为更好地探索学前儿童STEM素养结构的全面性，本研究选取了美国马萨诸塞州的《科学和技术/工程课程标准》（2016）和《学前阶段幼儿数学标准》（2017），德国的MINT课程（2011）、芬兰的《学前教育国家核心课程》（2014）、澳大利亚的《国家利益层面上的科学、技术、工程和数学：战略取向》（2013）以及中国江苏省的《基础教育STEM课程指导纲要（试行）》（2018）为文本分析对象。在美国，马萨诸塞州形成了独特的STEM课程体系，针对学前儿童也颁布了相关课程标准。2016年颁布的《科学和技术/工程课程标准》包含了在地球与空间、生物、物理等方面要求掌握的知识，以及力与力的相互作用、信息技术中的波长及其应用、能量等知识。2017年推出的幼儿数学标准要求幼儿掌握计算与计数、运算与代数思维、数与十以内运算、量测与资料、几何等方面的相关知识。德国的MINT课程支持幼儿园阶段的跨学科教育，它以“小科学家之家”项目为实施方式，在自然科学模块中设置有机自然和无机自然两大主题。[10]芬兰的《学前教育国家核心课程》指出了学前儿童重要的六大跨学科素养，[11]分别包括思维与学习、文化素养、互动与自我表达、多模态识读素养、信息与通信技术素养、参与和投入素养。[12]澳大利亚的《国家利益层面上的科学、技术、工程和数学：战略取向》，指出了幼儿阶段应培养幼儿的STEM科学素养，开发数学思维。[13]其中数学主要包括数和代数、测量和几何、统计和概率；科学包括自然科学、物理科学、人类科学和设计科学；技术包括使用技术时的伦理道德标准，用技术来探究调查、创造、沟通交流，管理应用技术；工程包括解决眼前问题。我国江苏省颁布的《基础教育STEM课程指导纲要（试行）》则提出了STEM素养的具体内容，包括知识融通与应用、系统设计与创新、物化实践与表达、文化体验与认同、科学态度与责任担当等方面。上述课程文件为提炼学前儿童STEM素养的具体指标提供了分析素材。通过对以上五个国家有代表性的课程文本进行分析可以发现，学前儿童STEM素养主要集中在科学、技术和数学三个方面，关于工程方面的素养着墨不多，这可能是由于学前儿童在工程方面的能力更多地受到了年龄的限制。此外，除了科学、技术和数学三个方面的素养之外，我国江苏省的课程标准还提出了文化、表达和科学态度等方面的要求。这表明不同文化背景下的国家对学前儿童STEM素养的认识和要求会有所不同。进一步对学前儿童STEM素养的具体内容比较分析可以发现，科学这一指标下主要涵盖物质科学、生命科学、地球与空间科学方面的相关知识与能力，数学这一指标下主要包含数学能力和数学思维等子素养，尤其是我国特别重视数学思维能力的发展。此外，我国对学前儿童STEM素养的界定还重视技术和工程方面的内容，并在文化和态度层面提出了相关要求。（二）学前儿童STEM素养的组成及其内涵学前儿童STEM素养应该是一个整合不同学科并且涵盖知识、技能和态度等不同维度的体系，它不应该因为学科的边界而被割裂开来。因此，关于科学、技术、工程和数学等方面的素养应该重新被组织。具体来说，学前儿童的STEM素养应该包含经验层面的知识整合与应用、工具层面的技术设计与创新、行为层面的科学思维与表达以及态度层面的主动学习与探究四个维度，它们共同构成支撑幼儿开展跨学科探究活动的核心素养。1.学前儿童STEM素养的经验层：以科学知识为基本素养的知识整合与应用。在被选取为研究对象的课程政策文本中，掌握相应的科学知识均是各国学前儿童STEM素养的核心组成部分。科学知识构成了学前儿童理解客观世界的前提和基本凭借，但科学知识要发生作用，就必须与其他几个领域的知識发生关联并转化成幼儿能够接受和理解的经验。因此，学前儿童STEM素养在经验层主要表现为以科学知识为基础的不同学科知识的整合与应用，且这些知识需以经验的方式呈现给幼儿。学前儿童STEM教育中以科学知识为基本素养的知识整合与应用主要包括地球与空间科学、物质科学和生命科学三个方面，具体表现为幼儿能够掌握关于上述科学对象的一般知识和普遍经验。例如，在关于地球与空间科学的知识与经验中，幼儿要能够了解岩石、沙、土壤、水分、空气等物质的特性及与人类生存的关系；在物质科学的知识与经验中，幼儿要能观察和描述物质的属性，并用语言描述物体与材料在形状、大小、颜色、轻重等方面的特性；在生命科学的知识与经验中，幼儿要能够观察和识别生物的特征，了解生物的多样性，等等。2.学前儿童STEM素养的工具层：以技术工具为支撑的技术设计与创新。技术与工具是开展各项STEM活动的基本条件支撑。学前儿童STEM素养必须将工具和技术的应用视为重要的组成部分，并在基础应用中引导幼儿创造性地开展活动，使他们能够应用各种工具和技术解决现实生活中遇到的各种问题。学前儿童STEM教育中以技术工具为支撑的技术设计与创新主要包括技术选择与操作、工程设计与实施和数学认知与应用三个方面，具体表现为幼儿运用工具和技术解决问题的一般能力。上述三方面的能力包含着一个从具体到抽象的递进关系，即幼儿首先依托具体的工具和有限的技术去应对需解决的问题，而随着探究的深入和经验的积累，幼儿对问题的认识逐渐从具体走向抽象，最后从整体上实现对探究对象的把握。例如，在关于技术选择与操作的经验与能力中，幼儿要能够运用感官去探索各种材料，并在探究中认识和运用材料；在关于工程设计与实施的经验与能力中，幼儿要能够在成人的协助下，针对研究问题进行简单的流程和操作设计；在关于数学认知与应用的经验与能力中，幼儿要能够根据物体的属性或特征进行分类比较，如以对应或数数的方式比较物体的多少，等等。3.学前儿童STEM素养的行为层：以思考和交流为核心的科学思维与表达。科学思维以及表达能力的培养是学前儿童STEM素养的重要组成部分，STEM活动必须指向幼儿思维和表达的发展。[14]学前儿童STEM素养中的科学思维包含跨学科思维、批判性思维和创造性思维等，它是幼儿进行科学探究的思想工具，决定着幼儿解决问题的创造性水平。此外，幼儿的科学思维与其语言表达是密切相关的，幼儿需要借助充分的语言表达才能形成完整且清晰的科学思维。因此，学前儿童STEM素养应将幼儿的独立思考和自我表达能力考虑进去。例如，在关于科学思维的能力与经验中，幼儿要能够多角度进行批判性思考，逐步发展出逻辑思维能力；在关于科学表达的能力与经验中，幼儿要能够表达清楚自己的问题与发现，善于与同伴交流，等等。4.学前儿童STEM素养的态度层：以情感体验为基础的主动学习与探究。良好的学习品质和积极的学习态度是学前儿童STEM素养必不可缺的组成部分，没有积极情感体验和良好学习品质的支撑，学前儿童其他方面的STEM素养的发展就失去了内在长久的动力支持。学前儿童STEM素养中的主动学习与探究包含探究兴趣、探究能力和探究精神与责任三个方面，兴趣、能力与精神三者构成了幼儿主动学习与探究品质的基座，它包含幼儿在STEM活动中对物的操作和与人交往两个层次。[15]例如，在探究兴趣方面，幼儿要喜欢探究，有较强的探究意识，愿意积极参与自己感兴趣的STEM活动；在探究能力方面，幼儿要能够根据已有经验主动对现象进行解释和预测，并用一定的方法验证自己的猜测；在探究精神与责任方面，幼儿要能够初步形成尊重事实、尊重证据、严谨务实的科学态度，逐步形成敢于质疑、勇于创新的科学精神，等等。三、学前儿童STEM素养的培育学前儿童STEM素养培育的关键在于教师是否能够为这一群体建立集教、学、评于一体的活动体系。在整个活动过程中，学前儿童STEM核心素养既是教师的教学目标，又是教师评价幼儿发展状况的依据和工具。因此，幼儿园教师一方面要厘清学前儿童STEM素养的结构，把握学前儿童STEM素养的培育目标；另一方面要依据学前儿童STEM素养的结构，设置合适的STEM活动类型，选择适宜的STEM活动内容，并根据过程性评价结果不断改进STEM活动过程。（一）明确学前儿童STEM素养结构，合理设置STEM活动目标由于STEM教育的跨学科性，在设计学前儿童STEM活动目标时，教师不能机械地按照知识、技能和情感的三维目标来进行设计。学前儿童STEM活动目标的设置应该基于STEM教育的属性特征，根据学前儿童STEM素养的层级结构设置更为细化的活动目标。在预设了STEM活动目标之后，教师可以进一步根据学前儿童STEM素养体系进行靶向反思，思考自身所设置的活动目标是否涵括在四个维度之下，是否在某个维度上有缺失，或者在哪个维度上表述不清晰。靶向反思可以促使教师发现STEM活动设计中存在的问题与不足。例如，在“自制钓鱼竿”的STEM活动中，教师预设了STEM活动目标后，发现在知识整合与运用部分仅涵盖了物质特性这一要素，目标设计的科学性不足，这就可以促使教师进一步对STEM活动目标进行调整。通过细化目标和靶向反思两个环节来设置STEM活动目标，可以使教师的活动设计避免走入随意化和模糊化的误区。（二）厘清STEM活动的特性，合理选择STEM活动的类型教师在设计STEM活动之前，需要考虑STEM活动的三个特性。一是整体性，即要以学前儿童STEM核心素养的维度框架进行整体规划与统筹，对目标及有价值的探究点进行整体设计，明确整体STEM活动、主要活动之间的关联，基于幼儿的最近发展区进行目标设计。二是实践性，即要注重STEM活动过程中幼儿的直接感知、实际操作和亲身体验，要减少教师的“教”，突出幼儿的“究”，要围绕幼儿的“为什么”“怎么办”去支持他们的思考、分析、实验和表达。三是开放性，即STEM活动不是具有唯一结果的教学过程，而是幼儿综合调动多元知识、多种技术、多重设计去解决问题的过程，它的内容、方法和结果都不是唯一的，教师应给予幼儿充分的思考和探索空间。在厘清STEM活动特性的基礎上，教师需要根据活动目标选择合适的活动类型。STEM活动通常包括制作型、探究型、验证型和创造型四种，这四种类型的STEM活动均表现出了跨学科特征以及幼儿的主动学习与探究过程，但它们的探索过程又不尽相同，各自侧重的STEM素养也有所差异。其中，制作型的STEM活动重技术与工程，其活动重点主要是如何围绕制作开展探究；验证型STEM活动重科学知识，重点围绕科学现象进行探究验证；探究型STEM活动需要有探究的重点，并持续围绕探究点拓展探究；创造型STEM活动则更加开放、多元，支持幼儿的多样化操作。明确活动类型对于活动的设计能起到事半功倍的作用。例如，在STEM活动“赛龙舟”当中，围绕“龙舟怎样游起来”“龙舟怎样游更远”等问题，教师就可将这一活动设计为验证型的STEM活动。在激发幼儿的活动兴趣后，教师应支持幼儿对感兴趣的问题进行验证，如龙舟是如何浮在水面上的、哪种桨更合适划龙舟，等等。（三）结合幼儿的学习特点，合理选择学前儿童STEM活动内容学前儿童STEM教育既强调整合性和跨学科性，也强调