在全球科技競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的背景下，教育、科技與人才的深度融合正成為支撐國(guó)家高質(zhì)量發(fā)展的重要基石。STEM教育作為一種跨學(xué)科融合的創(chuàng)新形態(tài)，以其融合性、實(shí)踐性與情境化的課程模式，為學(xué)生搭建解決真實(shí)問題的平臺(tái)，有效培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用能力、創(chuàng)新思維和協(xié)作精神，造就適應(yīng)未來社會(huì)發(fā)展的復(fù)合型創(chuàng)新人才。

北京市十一學(xué)校在近十年的課程改革過程中，深刻認(rèn)識(shí)到STEM教育在跨學(xué)科融合方面的獨(dú)特價(jià)值，圍繞課程資源開發(fā)、時(shí)空環(huán)境創(chuàng)設(shè)、校企社協(xié)同、教師能力提升及人工智能賦能五個(gè)維度系統(tǒng)推進(jìn)STEM教育，逐步形成以學(xué)生為中心、跨學(xué)科整合、社會(huì)多方參與的STEM教育新樣態(tài)。

三層架構(gòu)STEM跨學(xué)科課程

課程是育人的核心載體，STEM教育的難點(diǎn)之一在于跨學(xué)科課程的開發(fā)。北京市十一學(xué)校STEM課程開發(fā)秉持“源于真實(shí)、跨學(xué)科融合、項(xiàng)目式推進(jìn)”的理念，構(gòu)建多途徑、多層次的課程資源體系，著力實(shí)現(xiàn)學(xué)科知識(shí)、核心素養(yǎng)與實(shí)踐能力的深度融合。

學(xué)校STEM課程體系采用“學(xué)科基礎(chǔ)——外延拓展——融合實(shí)踐”三層架構(gòu)：學(xué)科基礎(chǔ)層聚焦相關(guān)學(xué)科課程，以提升知識(shí)應(yīng)用能力為目標(biāo)，開發(fā)一系列高知識(shí)承載力、以單學(xué)科知識(shí)為主的學(xué)習(xí)任務(wù)，強(qiáng)調(diào)真實(shí)學(xué)習(xí)體驗(yàn)和學(xué)科素養(yǎng)沉淀，多以問題式學(xué)習(xí)、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)等形式開展；外延拓展層注重學(xué)科應(yīng)用型課程研發(fā)，結(jié)合學(xué)校特色開發(fā)具有實(shí)踐性和開放性的STEM課程，提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)和解決真實(shí)問題的能力；融合實(shí)踐層關(guān)注真實(shí)情境下的綜合問題研究，通常由學(xué)生或團(tuán)隊(duì)自主提出，重在綜合應(yīng)用多學(xué)科知識(shí)和方法設(shè)計(jì)研究方案并開展實(shí)踐，教師提供個(gè)性化支持。

（一）以學(xué)科基礎(chǔ)為起點(diǎn)，鏈接社會(huì)生活和真實(shí)情境

學(xué)科課程里有不少內(nèi)容源于生活、身邊的自然現(xiàn)象或社會(huì)問題，基于真實(shí)情境設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)任務(wù)，易于激發(fā)學(xué)生探究興趣。例如，為落實(shí)地理學(xué)科“綜合思維”“地理實(shí)踐力”等核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)，學(xué)校初中地理教師結(jié)合2023年北京門頭溝區(qū)特大暴雨災(zāi)害后的重建議題，引導(dǎo)學(xué)生開展以“災(zāi)后重建的科學(xué)決策”為核心的STEM項(xiàng)目。教師設(shè)計(jì)“洪澇災(zāi)害成因分析”“聚落選址合理性評(píng)估”“災(zāi)后重建建議”三項(xiàng)任務(wù)，學(xué)生通過實(shí)地測(cè)量永定河水位與流速，觀察山體巖石巖性與地形坡度，記錄房屋損毀及耕地破壞情況，并與村民訪談了解受災(zāi)經(jīng)歷、收集經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，最終形成包含“避災(zāi)安置點(diǎn)選址”“生態(tài)護(hù)坡設(shè)計(jì)”的可視化考察報(bào)告。該項(xiàng)目既深化了學(xué)生對(duì)課本知識(shí)的理解，更培養(yǎng)了學(xué)生數(shù)據(jù)分析與問題解決能力。學(xué)生在解決真實(shí)問題的過程中，興趣得以激發(fā)，能力得到鍛煉，素養(yǎng)逐步沉淀，為其持續(xù)探索和改造世界筑牢基礎(chǔ)。

（二）開發(fā)應(yīng)用拓展型課程，注重工程思維培養(yǎng)

STEM教育不是簡(jiǎn)單的學(xué)科拼盤，而是各個(gè)學(xué)科的深度融合。當(dāng)前中學(xué)課程相對(duì)獨(dú)立，多聚焦單學(xué)科知識(shí)，學(xué)生在真實(shí)情境下解決不良結(jié)構(gòu)問題的能力仍有欠缺。學(xué)校在單學(xué)科課程基礎(chǔ)上拓展開設(shè)22門科學(xué)與工程領(lǐng)域的應(yīng)用型課程。如《數(shù)學(xué)建模與實(shí)踐》課程從數(shù)學(xué)學(xué)科出發(fā)，結(jié)合真實(shí)情境講授建模方法與問題解決思路，助力學(xué)生實(shí)現(xiàn)從理論知識(shí)“學(xué)以致用”到科學(xué)思維的升華。該課程已積累百余項(xiàng)真實(shí)問題解決案例，學(xué)生通過數(shù)學(xué)建模設(shè)計(jì)出中醫(yī)領(lǐng)域的AI解決方案等成果。

工程是STEM教育的“催化劑”，能將科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際問題解決中。學(xué)校注重在課程實(shí)施中培養(yǎng)學(xué)生工程思維，通過項(xiàng)目案例讓學(xué)生體驗(yàn)“定義問題——調(diào)查研究——方案設(shè)計(jì)——原型制作——測(cè)試優(yōu)化”的工程設(shè)計(jì)流程，提升學(xué)生系統(tǒng)思維與問題解決能力。高二學(xué)生基于校園真實(shí)需求，以典型工程思維方式完成棍網(wǎng)球發(fā)球機(jī)研發(fā)。通過拍攝多組球員發(fā)球慢動(dòng)作視頻獲取數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)學(xué)課所學(xué)的曲線擬合知識(shí)將拋球軌跡轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，形成初步方案，在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)發(fā)球機(jī)射速不足后，又結(jié)合物理課學(xué)習(xí)的功率計(jì)算方法確定所需電機(jī)功率，完成發(fā)球機(jī)的設(shè)計(jì)與交付。

（三）捕捉學(xué)生好奇點(diǎn)興趣點(diǎn)，形成生成性STEM綜合課程

學(xué)生在日常學(xué)習(xí)和生活中的觀察、思考、好奇是寶貴的課程資源。學(xué)校鼓勵(lì)教師敏銳捕捉學(xué)生的興趣點(diǎn)和問題發(fā)現(xiàn)，助力學(xué)生孵化有價(jià)值的探索項(xiàng)目。這些由學(xué)生發(fā)起并主導(dǎo)完成的創(chuàng)新項(xiàng)目涵蓋環(huán)保技術(shù)、生物檢測(cè)、具身智能等領(lǐng)域，體現(xiàn)了學(xué)生在真實(shí)問題解決中的主體性和創(chuàng)造性。

創(chuàng)設(shè)支持性STEM教育時(shí)空環(huán)境

STEM學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)動(dòng)手實(shí)踐與協(xié)作探究，對(duì)學(xué)習(xí)環(huán)境提出更高要求。學(xué)校致力于為學(xué)生提供打破時(shí)空限制、資源觸手可及、支持多樣態(tài)學(xué)習(xí)的研究環(huán)境。

（一）給予學(xué)生更多自主時(shí)間

STEM項(xiàng)目實(shí)施需要學(xué)生擁有充足的自主時(shí)間。學(xué)?？刂迫粘＜凹倨谧鳂I(yè)量，為學(xué)生提供基于興趣開展探索的土壤。白天除1—2節(jié)自習(xí)課外，每天下午4∶15后均為學(xué)生自主安排時(shí)間。學(xué)校在學(xué)期中設(shè)置1—2周“小學(xué)段”，其間不安排常規(guī)課程，鼓勵(lì)學(xué)生自主選題或從課題庫(kù)中選擇方向開展研究性學(xué)習(xí)，集中時(shí)間投入綜合性項(xiàng)目研究。

（二）提供豐富的空間資源支持

開展STEM項(xiàng)目研究常常需要進(jìn)行小組研討、實(shí)驗(yàn)、制作和數(shù)據(jù)處理，為此必須提供相應(yīng)的空間和資源支持。學(xué)校重構(gòu)科創(chuàng)中心與理化生高端實(shí)驗(yàn)室，建設(shè)創(chuàng)意萬物造FABLAB工坊，配備3D打印機(jī)、激光切割機(jī)、精密儀器、開源硬件等各類設(shè)施設(shè)備。這些學(xué)習(xí)空間不僅用于課內(nèi)教學(xué)，也在課后向?qū)W生開放，每間實(shí)驗(yàn)室配備1—2名專業(yè)教師提供指導(dǎo)，成為學(xué)生創(chuàng)意孵化和項(xiàng)目實(shí)踐的夢(mèng)工廠。學(xué)校網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)長(zhǎng)期開放“學(xué)生學(xué)術(shù)研究項(xiàng)目”申請(qǐng)，學(xué)生提出想法和需求后，學(xué)校對(duì)接需求和資源，投入經(jīng)費(fèi)為學(xué)生的研究提供支持。

（三）建立激勵(lì)機(jī)制與展示平臺(tái)

學(xué)校對(duì)參與STEM課程研發(fā)的教師和有突出學(xué)習(xí)成果的學(xué)生給予認(rèn)可和獎(jiǎng)勵(lì)。鼓勵(lì)不同學(xué)科教師打破專業(yè)壁壘進(jìn)行跨學(xué)科教研，并通過案例征集獎(jiǎng)勵(lì)優(yōu)秀STEM課程案例，及時(shí)沉淀與分享經(jīng)驗(yàn)。在校內(nèi)搭建研學(xué)挑戰(zhàn)賽等平臺(tái)，鼓勵(lì)學(xué)生深度探索自己的興趣點(diǎn)，并通過STEM研究性學(xué)習(xí)形成論文或項(xiàng)目成果，在項(xiàng)目實(shí)施過程中提升創(chuàng)新思維、科研能力、學(xué)術(shù)毅力、時(shí)間管理能力等。優(yōu)秀項(xiàng)目還會(huì)被推薦參加“丘成桐中學(xué)科學(xué)獎(jiǎng)”“全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽”等高水平競(jìng)賽活動(dòng)，持續(xù)激發(fā)學(xué)生的研究熱情。

打造協(xié)同化校企社共研共育機(jī)制

借助社會(huì)資源豐富課程內(nèi)容和場(chǎng)景是STEM教育的重要路徑。學(xué)校所處的海淀區(qū)高校科研機(jī)構(gòu)林立、高科技企業(yè)云集，而且自然與歷史資源豐富，是合作開展STEM教育的寶貴資源。

（一）聯(lián)合校外資源研發(fā)項(xiàng)目課程

學(xué)校在課程研究院設(shè)置資源協(xié)調(diào)中心，聯(lián)合校外各類資源豐富課程供給，與高校、高新技術(shù)企業(yè)、博物館、科技館、動(dòng)植物園等單位合作開發(fā)基于真實(shí)情境的STEM課程，與中國(guó)科學(xué)院多個(gè)院所合作開發(fā)考察和研究項(xiàng)目，通過互動(dòng)展覽、工作坊等形式，為學(xué)生提供豐富的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。為響應(yīng)國(guó)家在關(guān)鍵領(lǐng)域的人才需求，學(xué)校主動(dòng)對(duì)接北京航空航天大學(xué)集成電路科學(xué)與工程學(xué)院，推動(dòng)高校專家與學(xué)校教師共同主導(dǎo)“芯片技術(shù)”STEM主題課程開發(fā)。依據(jù)中學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，雙方聯(lián)合開設(shè)“芯片加工技術(shù)入門”“芯片制造基本工藝實(shí)踐”“人工智能芯片設(shè)計(jì)與應(yīng)用驗(yàn)證”三門進(jìn)階課程，將“大學(xué)實(shí)驗(yàn)室級(jí)”芯片設(shè)計(jì)課題轉(zhuǎn)化為中學(xué)生可實(shí)踐的項(xiàng)目，為學(xué)生搭建接觸前沿科技的橋梁，促使學(xué)生樹立投身關(guān)鍵領(lǐng)域的發(fā)展志向。

（二）依托“國(guó)優(yōu)計(jì)劃”實(shí)現(xiàn)共贏共創(chuàng)

教育部“國(guó)優(yōu)計(jì)劃”旨在重點(diǎn)為中小學(xué)培養(yǎng)一批研究生層次高素質(zhì)科學(xué)類課程教師，加強(qiáng)基礎(chǔ)教育階段創(chuàng)新型學(xué)生培養(yǎng)。學(xué)校為“國(guó)優(yōu)計(jì)劃”優(yōu)秀學(xué)生提供實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)，這些學(xué)生具有理工科學(xué)科背景，廣泛接觸科技前沿，具備研究和工程實(shí)踐基礎(chǔ)，通過發(fā)揮他們視野新、束縛少、積極性高、能鏈接高校資源的優(yōu)勢(shì)，在校內(nèi)教師指導(dǎo)和共同參與下，開發(fā)適合中學(xué)生的跨學(xué)科綜合課程。

提升教師跨學(xué)科研發(fā)意識(shí)和能力

教師是課程研發(fā)的關(guān)鍵力量。實(shí)施STEM教育的教師應(yīng)具備跨學(xué)科意識(shí)，能夠從本學(xué)科出發(fā)，主動(dòng)對(duì)接國(guó)內(nèi)國(guó)際優(yōu)秀STEM項(xiàng)目，延伸出融合性的項(xiàng)目主題。

學(xué)校成立跨學(xué)科項(xiàng)目組，系統(tǒng)梳理全球優(yōu)質(zhì)STEM資源，借鑒芬蘭“現(xiàn)象教學(xué)”任務(wù)設(shè)計(jì)策略與美國(guó)“項(xiàng)目引路”（PLTW）等工程類項(xiàng)目的實(shí)施邏輯，為項(xiàng)目組教師提供方法論支持。教師在此基礎(chǔ)上不斷尋找學(xué)科融合的制高點(diǎn)，開發(fā)一系列典型課例。如化學(xué)與物理教師以“碳中和”為背景，引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用化學(xué)知識(shí)（二氧化碳捕集與轉(zhuǎn)化）、物理原理（氣體流速與壓力控制）及工程思維（設(shè)備設(shè)計(jì)與優(yōu)化），設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)易制氧機(jī)并提出碳減排方案。生物與技術(shù)教師聯(lián)合打造“血氧儀開發(fā)與應(yīng)用”項(xiàng)目，構(gòu)建“知識(shí)學(xué)習(xí)—需求調(diào)研—產(chǎn)品制作—真實(shí)推廣”的完整鏈條，學(xué)生不僅需要探究人體血液循環(huán)與氧氣運(yùn)輸機(jī)制，還要運(yùn)用物理光學(xué)知識(shí)動(dòng)手焊接電路、編寫程序，完成血氧儀的設(shè)計(jì)與調(diào)試，并面向真實(shí)用戶進(jìn)行推廣和提供健康建議。

在項(xiàng)目組基礎(chǔ)上，學(xué)校組建了由數(shù)學(xué)、物理、生物、化學(xué)、技術(shù)等學(xué)科教師共同參與的STEM教研組。教研組在課程模式建立、項(xiàng)目主題選擇、課例內(nèi)容開發(fā)等環(huán)節(jié)開展跨學(xué)科集體教研，探索形成“主題驅(qū)動(dòng)—尋找整合點(diǎn)—協(xié)作備課”的跨學(xué)科教研方式，持續(xù)推動(dòng)跨學(xué)科課程研發(fā)與實(shí)施。

為支持教師成長(zhǎng)，學(xué)校依托每月一場(chǎng)的“學(xué)術(shù)之夜”等平臺(tái)定期開展跨學(xué)科案例和研究成果分享，邀請(qǐng)專家進(jìn)校指導(dǎo)，并鼓勵(lì)教師參與國(guó)內(nèi)外的STEM會(huì)議及線上研修拓展視野，提升將真實(shí)問題轉(zhuǎn)化為課程項(xiàng)目的能力，形成“實(shí)踐—反思—分享—再實(shí)踐”的教師成長(zhǎng)良性循環(huán)。

以人工智能賦能STEM教育新可能

人工智能，特別是“AI for Science”（AI4S），正在改變科學(xué)研究的范式。學(xué)校積極探索以真實(shí)問題為起點(diǎn)、以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為核心、以跨學(xué)科融合為路徑的STEM項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)施，用人工智能為STEM教育注入新的發(fā)展動(dòng)力。

在推進(jìn)機(jī)制上，學(xué)校遴選數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科的15名青年教師成立AI4S項(xiàng)目組，開展Python編程、機(jī)器學(xué)習(xí)算法與人工智能原理培訓(xùn)，提升教師在AI4S背景下跨學(xué)科課程設(shè)計(jì)與實(shí)施能力。目前，項(xiàng)目組教師已開發(fā)多個(gè)融合學(xué)科內(nèi)容與AI方法的STEM課程案例。例如鳥類鳴聲識(shí)別，結(jié)合校園鳥類觀測(cè)，采集烏鵲、畫眉等鳴聲數(shù)據(jù)，訓(xùn)練音頻分類模型，體驗(yàn)從信號(hào)處理、特征提取到模型優(yōu)化的AI應(yīng)用流程；化學(xué)動(dòng)力學(xué)模擬，基于實(shí)際科研數(shù)據(jù)構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)模型，預(yù)測(cè)不同初始條件下的反應(yīng)路徑與產(chǎn)物分布，幫助學(xué)生理解復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的可預(yù)測(cè)性。這些實(shí)踐將AI技術(shù)融入科學(xué)探究過程，推動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)方式從傳統(tǒng)的“機(jī)理驅(qū)動(dòng)”向“數(shù)據(jù)與機(jī)理融合”轉(zhuǎn)變，從被動(dòng)解題走向主動(dòng)建構(gòu)，初步實(shí)現(xiàn)AI4S的進(jìn)階探索。

在數(shù)智時(shí)代背景下，STEM教育不僅是課程形態(tài)的創(chuàng)新，更是育人方式的重構(gòu)。未來，學(xué)校將繼續(xù)推動(dòng)STEM教育從“項(xiàng)目化”走向“生態(tài)化”，進(jìn)一步強(qiáng)化資源整合與機(jī)制創(chuàng)新，深化人工智能與STEM課程的融合，構(gòu)建更加適應(yīng)未來人才成長(zhǎng)需求的教育樣態(tài)，助力新時(shí)代創(chuàng)新人才的培育與國(guó)家戰(zhàn)略科技力量的根基建設(shè)。

本文系中國(guó)教育學(xué)會(huì)2024年度教育科研一般規(guī)劃課題“核心素養(yǎng)導(dǎo)向的中學(xué)跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)與實(shí)施研究”（202416294031B）的研究成果

（田俊 作者系北京市十一學(xué)校校長(zhǎng)）

《人民教育》2025年第19期

作者：田俊