伴隨我國近年來的教育改革中跨學科整合課程的巨大需求，美國的STEM教育理念迅速進入公眾視野，並引起了國內教育界的巨大關注。當前，STEM教育的研究者眾多，但談理論的人多，做實踐的人少；理念宣傳很多，拿得出手的案例課程卻很少；高價教具掛帥的機構多，體現系統科學教育的少。那麼到底如何實踐真正的STEM教育？在最新出版的《美國STEM課例設計》中，我們有了全新的發現。
一、你一直了解的或許是假的 STEM 教育
我國《基礎教育課程改革綱要（試行）》明確指出，“改變課程結構過於強調學科本位、科目過多和缺乏整合的現狀”，“設置綜合課程，以適應不同地區和學生髮展的需求，體現課程結構的均衡性、綜合性和選擇性”，“加強課程內容與學生生活以及現代社會和科技發展的聯繫，關注學生的學習興趣和經驗”。
伴隨跨學科整合課程的巨大需求，美國的 STEM 教育理念進入公眾視野，但是，廣泛關注的背後也存在一些問題，例如：
1. 很多學校知道 STEM 教育理念，也知道 S、T、E、M 的含義和學科特點，但是整合課程無處獲取。
2. 很多教師只是根據自己對 STEM 的片面理解來改造現有的科學課、勞技課，結果成了“四不像”。
3. 很多學校認為 STEM 課程必須要有物態的學生成果產出，並且將結果作為唯一的評價標準。
4. 一些學校從社會機構購買了 STEM 課程，但是實施後發現課程及教學質量水平無法保障，並且本校教師的理念和教學水平均沒有改觀。
5. 不少人片面地以為機器人、編程、機械加工就是 STEM 課程的全部，很多做這方面課程的培訓機構搖身一變，用 STEM 教育為自己打廣告。
顯然，目前國內的 STEM 教育沒有形成合力，沒有適合本國的標準，沒有成體系的STEM 課程。
2015 年，美國教育聯合會（American Education Federation） 常務副主席麥克·喬治先生訪問中國教育科學研究院，雙方共同探討了 STEM 教育的未來和目前的這些亂象。最後大家共同決定將美國的 STEM 課程與教學實例編撰成這本《美國STEM課例設計》，幫助教育工作者深入理解 STEM 教育，併為願意嘗試 STEM 教育的教師提供用於教學的課程。而本書中所列的課程主題均來源於美國中小學，書中所呈現的教學流程或是作者在美國跟班聽課後對課堂的再現，或是對美國教師的教學計劃的翻譯，或是與美國教師共同備課後的成果產出。
二、深入認識STEM的5塊“敲門磚”
許多瞭解 STEM 的教育工作者都能說出 STEM 的基本含義，即 STEM 是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四門學科的英文首字母縮寫。它是一個偏重於理工科的領域，強調多學科的交叉融合。但是人們對四門學科以哪個為主以及整合的方式方法等問題很少能說清楚。為了便於讀者對 STEM 有更深入的認識，書中首先探討了以下五個方面的問題：
1. 四門學科以哪個為主？
美國 2013 年頒佈的《下一代科學課程標準》從三個維度對各年級的科學教育進行了界定，即學科核心概念、科學與工程實踐和跨學科思維。其中，學科核心概念相當於我們教材中的各個知識點；科學與工程實踐是關於如何將所學的知識應用於現實生活、研究現象或解決問題；跨學科思維則是讓學生體會學科之上的思維方式，如因果思維、結構性思考、系統化思維、模式化解決、規模比例與數量思維等。
顯然，《下一代科學課程標準》期望教師將學科核心理念與科學研究的內容或工程相結合，進而轉化為學生的能力與素養。綜上所述，問題的答案呼之欲出，四門學科要以科學或工程作為整合的核心。
2. 科學如何整合其他學科？
這個問題的答案我們可以從科學家的故事中尋找。每一個人也許不止一次觀察到高處墜物這一現象，卻只有牛頓這位偉大的科學家深入研究了這一現象，並發現了萬有引力。高處的物體墜落是一種自然現象，因此，科學家就是以研究現象為主要工作的人。他們研究現象，提出問題和假設，尋找變量，控制變量，進行實驗，得出規律並驗證，這就是科學家的工作思路。科學就是靠這樣的研究流程來整合其他學科內容的。
3. 工程如何整合其他學科？
同樣，這個問題我們可以從工程師的工作中找到答案。工程師是一個很廣泛的職業類型，有 IT（互聯網技術）工程師、石油工程師、航天工程師等。到底是什麼要素使得這些來自不同行業的人都被稱為工程師呢？答案顯而易見，這些人都是解決問題的人，他們解決問題的思路是基本相同的，即提出問題、界定問題、制定解決方案、落實方案、落實過程中發現的新問題、再次界定問題、制定新的解決方案……直到問題徹底解決。這是一個多次循環的過程，叫作工程設計循環。工程就是靠工程設計循環來整合其他學科內容的。
4. 技術是什麼？
技術在當今社會中廣泛存在，我們並不陌生。在課堂上，我們可以將技術狹義地理解為通用技術和信息技術，廣義地理解為幫助教師和學生達成 STEM 課程學習任務所使用的各種實體或非實體工具，它是教師提升學生信息素養的重要實現方式。
5. 美國教師是如何理解 STEM 的？
課程的主題並不是判斷的標準，教師對 STEM 課程的理解也有狹義與廣義之分。對 STEM 課程的狹義理解就是指那些體現科學研究流程或工程設計循環的整合課程，還包括由科學現象和工程問題衍生出的培養學生想象力和創造力的課程。對 STEM 課程的廣義理解就是那些在 STEM 相關學科中設計了動手環節（動嘴、動耳都不一定動腦，但動手一定動腦），並設計了足夠的或想象，或挑戰，或創新，或創造的學習環節的課程（目的是讓學生將所學快速轉化，學以致用）都可以視為STEM 課程。
STEM 教育的目的是讓更多學生對科學和工程產生濃厚興趣，以便將來攻讀 STEM 相關專業，畢業後成為相關行業的從業者。因此，從動機角度出發，讓學生有充分的興趣是在設計 STEM 課程時必須要考慮的。
三、在STEM教學中，教師怎麼教？
STEM 課程的效果取決於 STEM 教師的知識儲備和跨學科整合、設計能力，同時還需要不斷啟發學生，使之具備開放的思路、溝通合作能力以及較強的動手能力。STEM 教育知易行難，需要我們在實踐中解決問題。
在本書中，每個 STEM 主題都以教案的形式呈現，STEM 新手教師可以直接參考教學過程完成備課和講授。在這個過程中，教師要關注以下問題：
1.STEM 課程主題跨越多個學科，一名教師不可能做到樣樣精通，因此優秀的 STEM 教師首先是一個學習者，能夠快速學習，熟悉該主題領域儘可能多的知識，同時藉助互聯網的資源進行資料整理和備課。所以，快速地檢索、收集、整理、學習未知領域的信息，是一名優秀 STEM 教師的必備素養。
2. 每個主題的導入是學生構建知識的基礎，教師需要重視。導入內容越寬廣，學生的知識構建就越有效，而這些都能夠很好地反映在學生的最後產出。
3.每份教案中教師的提問都是經過深思熟慮的，教師要結合認知的深度等級工具來看待每一個問題，深入體會問題屬於哪一個等級，然後逐步學習自己設計高階問題，促進學生思維發展。
4.每個主題至少有一個任務。對於這些任務，有的教師憑想象認為難度很大，學生不容易完成，因此在教學實踐中降低難度。我們通過實際的課程實施發現，難度下降與否與學生的產出並無太大關聯，因此不應隨意降低任務難度。
5.每一個任務都會有一句簡潔的語言來描述任務內容，教師要帶領學生逐字逐句地審讀。這和平時學科教學中的審題不同，不但要思考任務條件的限定要素，還要得出任務條件的不限定要素，如此才能更好地完成任務。
6.學生對實驗材料的好奇心往往是巨大的，在傳統實驗課上，教師不發話，學生不能動實驗器材。我們認為，堵不如疏，STEM 教師不但要尊重學生這種好奇心，而且要利用學生的好奇心帶領學生仔細分析每一個任務所提供的材料的可能用途與用法。
7.為便於 STEM 教師對課程進行評價，本書每個主題都預製了評價量規。這種形成性的評價方式能夠幫助教師對 STEM 課程實施效果進行評價，教師不能忽略評價量規。在熟悉評價量規的內容後，教師可以對其進行適當的調整，甚至可以和學生一起制定評價細節和要求。
8.在 STEM 課程中，反思的環節至關重要。反思時不能泛泛地談情感上的體會，而要具體地說成功的原因與需要改進之處。允許失敗、允許犯錯是 STEM 課程的特色，學生需要從失敗中總結經驗來獲得未來的成功。
9.許多主題可以重複講授，學生再次挑戰會有更多的收穫。
10.基於東西方文化的差異與本土化的考量，一些主題內容在編輯的時候做了少許本土化的改良，教師在實際授課時可以做更多的思考與調整。
11. 為了面向更廣泛的學校群體，《美國STEM課例設計》(小學卷) 這本書在課程選擇上有所取捨，課程所使用的材料都是身邊容易獲得且較為廉價的，甚至是校園中、生活中的回收品，這也符合環保的理念。
12.本書中給出的建議年級是參考年級，學校可以根據本校教師水平、學生情況酌情調整。
《美國STEM課例設計》（小學卷）這本書中列舉了一至六年級的 50 個課例，平均每個年級有8個或10個課例。每個課例都從課程背景與目標、課程領域、建議年級、建議時間、課程任務、教學過程等維度進行介紹。教學過程充分體現設計思維和科學研究過程，鼓勵學生通過小組合作完成任務。此外，本書每個課例都配備了評價量規，用於指導教師和學生明確高質量學習要求。同時，教師和學生也可以結合自身實際，一起討論制定評價量規。
儘管本書案例頗豐，但作者仍然強調：各位教師對書中 STEM 課例的學習和課堂的復現並不是最終目的，我們希望這些課例能夠讓教師對 STEM 教育有更深刻的理解，轉變教育教學方式，促進學生的創造性學習和自身的專業發展。
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