STEM教育是融合了科学、技术、工程和数学的跨学科综合教育，被公认是培养发现和创新意识的重要途径，越来越受到世界各国的重视，目前在我国学前教育中还处于起步阶段。许多幼儿教师在实践时难免遇到各种各样的挑战和问题。 本书是一本关于幼儿园STEM教育的教学指导书。全书共分为两个部分：第1部分为早期STEM教育框架，清晰而具体地介绍了STEM教育的核心含义、科学与工程实践、跨学科概念的标准以及STEM教师的素养，指出了幼儿园开展STEM教育活动的要领；第二部分则通过具体且典型的活动案例来分别展示教师在实践中如何引导幼儿探究科学问题、工程问题和生活问题，为一线幼儿园STEM教育实践者提供了较为详细的设计与实施方案和本土化的实践经验。 该书既有理论方法的指导，又有实践案例的示范，既有详细的文字描述，又有相应的视频资源，对于开展STEM教育的教师具有较高的借鉴价值。

第1节 幼儿如何探究STEM 探索是儿童的天性和本能，是儿童在这个世界生存和发展的bi备技能。刚出生的小婴儿好奇地转动眼珠打量四周，他们会不知疲倦地盯着没有见过的事物，努力挪动着肢体四处碰触��他们经常不厌其烦地做实验，不停地摔打东西，搅拌泥和水，把乱七八糟的颜色混在一起到处涂抹，做出种种让大人惊慌的动作来。尽管许多孩子因此屡遭批评和阻止，但似乎只要有机会，他们就会“卷土重来”。等他们具备了提问的能力，他们每天会提出许多可能难倒成人的问题，这些问题有的微不足道，有的却跨越宇宙时空。 今天的教育者和养育者已经了解到这些让成人头疼的言行反映的是儿童可贵的品质——“所有的儿童都是天生的科学家、哲学家”。但另一方面，人们仍然对幼儿是否能够学习STEM存在普遍的误解。 有一种观点认为，只有某种类型的儿童适合学习科学、数学这些内容，而其他儿童并不擅长，甚至不感兴趣。他们把科学视为非常高深的东西，认为儿童需要很高的天赋才能投入其中并有所收获。这是对科学、技术、工程、数学这些所谓“理工科”的刻板印象。美国**物理学家理查德·菲利普斯·费曼（Richard Phillips Feynman）认为，自己的科学之路起步于幼儿时期父亲的家庭教育，这让他一生对所有的科学领域都非常着迷。在他的自传《你为什么在乎别人怎么想》（What do you care what other people think?）中，他讲述了自婴儿时期开始，父亲怎样在搭积木、理解恐龙的大小、观察玩具的活动中教给他科学的观察和思考方法。STEM相关的知识存在于日常生活的各种细节之中，孩子们天然地会去探索世界运作的各种奥秘。儿童并非必须依赖令人生畏的实验室和一堆复杂的科学器材才能学习STEM，相反，在日常生活、游戏和玩耍的过程中处处可以遇到学习的机会。对儿童来说，对科学与工程的兴趣是天生的，而能力与爱好是后天培养的。所以如果有一些儿童表现得对STEM“不感兴趣”，那可能是环境的因素削弱了他的内在动机。 也有一种观点认为，儿童需要首先学习“基础知识”，然后才能学习更复杂的STEM学科。也就是说，儿童首先要学习阅读、写作和算术，为STEM学习做好准备。但是研究表明，儿童并不需要掌握所谓的基础知识才能理解复杂的科学概念。相反，如果儿童拥有很多与STEM相关的经验，就可以更好地支持儿童学习阅读、写作和算术，因为STEM经验为基础知识的学习提供了有意义的背景。 对STEM所包含的四门学科教育的研究表明，儿童在基础教育之前的早期阶段接触这些学习领域对他们未来的发展具有重要的意义。 早期科学领域和早期数学领域的研究发现：如果儿童在早期阶段获得科学活动的经验，就能更好地保持对科学学习的积极态度（Eshach & Fried，2005）；而早期的数学能力比早期阅读能力和注意力能更好地预测未来的学业成绩（Duncan，2008）。工程和技术，这两个长期在基础教育阶段中被忽略的领域，在近年来也受到更多的关注和呼吁，因为幼儿是天生的工程师，他们想要建造东西和设计解决方案，而工程类型的游戏可以对其产生长远有益的影响。例如，可以根据学龄前儿童的构建能力预测其高中数学成绩（Wolfgang，Stannard， & Jones，2001）。 科学家的研究表明，幼儿的科学与工程实践也许不会产生对成人世界来说“实用”的成果，但他们所用到的探究方式和思维与科学家、工程师高度相近。 美国认知心理学家艾莉森·高普尼克（Alison Gopnik）研究了婴儿和幼儿如何使用类似于科学家的方法进行认知，并通过实验来证明幼儿具备抽象思维、推理以及构建概念性认知等一系列**思维能力。高普尼克在她的演讲“宝宝是怎么思考的？”（What do babies think? 2011年TED演讲）中曾经通过一个实验来说明幼儿的思维过程。在这个实验中，一名4岁的男孩需要解决一个难题，这个难题是研究者设计的一个简单机器，当男孩在一台机器上放了两块积木后，这台机器就亮灯了；男孩据此希望用同样的方法来点亮另一台机器上的灯（见图2-1）。但是因为实验者的设置，两台机器的机制是不一样的，男孩需要想出新的解决办法。研究者通过这个实验来观察男孩如何解决问题。在这个过程中，男孩坚持不懈地尝试了多种方法.*后终于把灯点亮了。高普尼克指出，男孩在此过程中使用的观察、分析、提出假设、实验验证、从错误中获取信息等多种方法，恰恰跟科学家或工程师解决问题时的方法高度一致。 以高普尼克为代表的研究者揭示了幼儿从事科学与工程实践的潜力。综合各方面的研究来看，幼儿的早期STEM学习具有以下特点。 幼儿在生活中有丰富的非正式STEM学习经验。比如：在自然环境中，幼儿有机会观察动物和植物，探索动物的栖息地，感受事物的物理特性和运动方式，研究风、水、日月星球等自然现象。同样，在家庭和游乐场中，在与朋友玩耍的过程中，他们也有丰富的机会探索和参与科学与工程实践，他们经常做出预测，检验自己的知识和经验。 幼儿通过体验式学习和动手操作来发展STEM技能。当成人提供合适的环境和充分的材料时，幼儿就会进行科学与工程活动。在这些活动中，幼儿通过操作材料来提问、探索、调查，解释现象并增长知识。 幼儿随着时间的推移逐渐积累STEM技能和知识。为了有效地建立对科学的理解，幼儿需要在数周、数月、数年的时间内持续关注和概念相关的材料与活动。例如，持续数月使用各种材料探索坡道，探究力和运动的概念。长时间的沉浸式活动使幼儿能够重复观察和思考某一概念，并对概念形成具体的经验。 幼儿的STEM学习需要成人的支持。幼儿在日常生活中可以获得丰富的科学经验，但是当成人为幼儿的探索准备环境、关注幼儿的观察行为并与幼儿谈论他们所做的事情时，这些经验将更好地提升幼儿的学习水平。特别是当非正式经验中涉及超过幼儿水平的复杂信息和艰难任务时，成人适当的支持与调整将有利于幼儿发展自信心，提**习和理解水平。 《框架》详细地阐述了STEM活动所包含的具体实践行为、跨学科概念和学科知识。由于《框架》是针对5—18岁学生的学习标准，所以，它是否适用于更低年龄段的幼儿呢？为此，美国**科学教师协会（National Science Teachers Association，简称NSTA）特地发布了一份立场声明，认为许多成人（包括教育工作者）低估了儿童在早期学习科学核心概念和实践的能力，没有为他们提供促进科学技能和理解概念的机会与经验。声明特别指出，“要强调幼儿对科学与工程实践的学习，包括：提出问题和界定问题；建立和使用模型；设计和实施调查研究；分析和解释数据；利用数学和计算思维；建构解释和设计解决方案；基于论据的论证；获取、评估和交流信息。”① 这份声明说明，学龄前幼儿的STEM学习同样适用于《框架》中所涉及的三维标准，尤其是科学与工程实践这个维度。只要是科学与工程项目，无论哪个年龄段的人参与项目，他们都必然会涉及这些实践行为，区别在于能力的精熟度，以及经验多寡所造成的水平差异。 如果从学习者的角度来思考三维标准（见图2-2），我们可以发现，科学与工程实践、跨学科概念和学科知识也都来自人的行为与想法。 学科知识，回答的是学习者的疑问，如“这是什么？”“为什么会这样？”等，这些疑问代表了幼儿的兴趣和好奇心。当幼儿提出问题“天为什么会下雨？”时，答案就是关于雨水形成的机制与原理。科学研究告诉我们，当地球上的水蒸发为水蒸气时，这些气体上升到大气层高处，因为温度降低，凝结在空气中的尘埃中形成云，当凝结的水汽越来越多，就重新变为液态降落到地面，这就是雨的由来。如果我们将这个机制进一步细化解释，就需要用到物质的形态（水具有液态、固态和气态三种形态）、温度对物质形态的影响、地球和大气层的构成，甚至地球引力等一系列学科知识。所谓学科知识，就是人类为了满足自己对世界的好奇心而进行研究获得的答案。学科知识看起来枯燥高深，其出发点却是我们与生俱来的求知本能。 科学与工程实践，告诉我们：为了解答自己对世界的疑问，我们会做什么来寻找答案？当“天为什么会下雨？”这个问题被抛出来以后，我们如果要回答这个问题，首先就要弄清楚：到底什么是雨？在确定天上掉下来的雨跟地球上的水就是同一种物质后，我们就能意识到，“天为什么会下雨?”这个问题与“为什么地上和天上都会有水?”“水为什么会到天上?”这两个问题密切相关。诸如此类，问题就会变得越来越具体，越来越贴近提问者的现有经验，由此慢慢逼近答案。这个过程，就是《框架》中科学与工程实践的第1条“提出问题和界定问题”。如果我们对雨的形成建立了一个假设，这个假设包含了雨水形成的系统和模型，接下来要做的就是设计一个实验来证明这个假设是否成立。这一系列操作，就是科学与工程实践中的8个实践行为。这8项实践，是人们在解决科学与工程问题的过程中，通过长期实践总结出来的有效方法，是寻找答案的钥匙。 跨学科概念，简单地说，指的是学习者在科学与工程实践中到底学习和理解了什么。在从事科学与工程实践的过程中，有许多深层的概念可以帮助学习者建立起认识世界的基本框架和思维工具，这些概念超越具体的学科知识，把不同的学科、不同的问题联系起来。我们在基础教育阶段习得的大部分数学、物理、化学、生物、地理等各种学科知识在将来有可能逐渐被我们遗忘，但是，对跨学科概念的理解却会深入我们的思维深处，影响着我们未来的学习能力。 根据上述声明、幼儿学习的发展水平以及三维标准，我们建议将《框架》中所概括的8项科学与工程实践和7组跨学科概念作为早期STEM学习的标准，确定早期STEM学习的目标，并用来设计和评估STEM教学活动。而学科知识应该作为早期STEM学习中教学活动发起的起点，它可以帮助我们思考如下问题。 幼儿对什么感兴趣？ 幼儿会提出什么疑问？ 幼儿会遇到哪些问题？ 我们从上面的问题中可以获得STEM教学活动的内容与方向。比如：幼儿对“毛毛虫怎么变成蝴蝶”感兴趣，这其中涉及的学科知识是“完全变态昆虫的生命形态和生命周期”；幼儿提出疑问——“为什么西瓜那么大却不会沉在水底？”，这涉及物质密度和浮力的学科知识；幼儿在玩坡道游戏时遇到了小车无法顺利拐弯的问题，而这个问题涉及角度、惯性、物体运动方面的学科知识。在传统的科学教育中，教师会直接传授学科知识，有条件时会用一些实验来解释学科知识，帮助学生理解和记忆。而在STEM学习中，我们希望幼儿从自己的好奇心和问题出发，通过一系列的实践操作，*终找到作为答案的学科知识。学科知识是STEM学习的一个结果，但更重要的是，在这个学习过程中，幼儿学会了解决问题、寻找答案。在早期STEM学习阶段，我们不把学科知识作为评估幼儿的标准，一方面是因为STEM学习主要是为了发展幼儿的STEM素养，另一方面是因为幼儿兴趣广泛，这些兴趣中包含了非常复杂的学科知识，他们需要到更高的学习阶段才能真正理解这些学科知识。所以，在早期STEM学习中，我们把学科知识作为教师用来发起和组织教学活动的线索，而不是学习目标。 将科学与工程实践、跨学科概念确立为早期STEM学习活动的标准，可以帮助教师解决目前STEM教学活动中存在的问题。 问题一：STEM教学和传统的科学领域的教学有什么区别？两者在教学内容和教学方法上有较明显的差异。总体来说，STEM教学和科学领域的教学在总目标上是一致的，《3—6岁儿童学习与发展指南》指出：“幼儿科学学习的核心是激发探究兴趣，体验探究过程，发展初步的探究能力。成人要善于发现和保护幼儿的好奇心，充分利用自然和实际生活机会，引导幼儿通过观察、比较、操作、实验等方法，学习发现问题、分析问题和解决问题；帮助幼儿不断积累经验，并运用于新的学习活动，形成受益终身的学习态度和能力。”但有了科学与工程实践、跨学科概念，教师就可以具体地评估“初步的探究能力”——幼儿要学习哪些具体的方法，以及如何解决问题。这样幼儿的STEM素养才能被观察和评估。 问题二：STEM活动涉及广泛的科学与工程内容，这些活动内容有什么内在的联系？教师用什么线索来理解五花八门的STEM活动的教育意义？如果能够用科学与工程实践、跨学科概念来透过每个活动的表象看到幼儿学习行为的本质，那么STEM对教师来说，就成为一个独立的、具有学科性质的教育领域。 因此，做好早期STEM教育的前提就是有必要厘清几个问题：在早期教育阶段，幼儿能开展哪些科学与工程实践？幼儿对跨学科概念的理解发展到了什么水平？教师应该如何理解适宜3—6岁儿童发展水平的科学与工程实践和跨学科概念？这是我们在下一节要探究的内容。

上编 为未来而教：早期STEM教育框架 第1章 面向未来和真实世界：STEM教育的背景和现状 第1节 STEM的提出 第二节 STEM的内涵和发展 第三节 STEM教育的目标 第二章 儿童是人类的研究和开发部门：早期STEM教育标准 第1节 幼儿如何探究STEM 第二节 早期STEM教育标准：科学与工程实践 第三节 早期STEM教育标准：跨学科概念 第三章 教中学，学中教：STEM教师素养 第1节 影响早期STEM教育的教学和评估方法 第二节 创建适宜发展STEM素养的环境 第三节 平行学习：STEM教师的学科知识积累 下编 学会解决问题：早期STEM教学法 第四章 在解决问题的过程中学会解决问题：STEM教学活动组织 第1节 学会解决问题 第二节 科学思维 第三节 工程思维 第四节 幼儿STEM活动的组织 STEM活动：摇摇铃（3—5岁） 第五章 好奇心**儿童：科学问题探究 STEM活动：鸡蛋星球（5—6岁） STEM活动：蚕宝宝的一生（4—6岁） STEM活动：水果沉浮实验（3—5岁） STEM活动：会变化的月亮（4—6岁） STEM活动：我们的树朋友（5—6岁） 第六章 梦想和游戏大师：工程问题探究 STEM活动：听诊器（4—6岁） STEM活动：看得见的时间——沙漏（5—6岁） STEM活动：泡泡水（4—5岁） STEM活动：未来的房子（5—6岁） STEM活动：纸杯机器人（5—6岁） 第七章 在生活中成长：真实生活问题探究 STEM活动：消灭泡泡大行动（5—6岁） STEM活动：种植红薯（3—4岁） STEM活动：搭建国际���棋桌（5—6岁） STEM活动：嘎吱嘎吱的木桥（5—6岁） 附录1 3—6岁儿童STEM学习标准（测试版） 附录2 科学思维流程 附录3 工程思维流程 参考文献