STEM教育中的跨学科教学何以可能-基于知识理论与历史向度的审视

/STEM教育中的跨学科教学何以可能——基于知识理论与历史向度的审视【摘要】跨学科教学何以可能，是STEM教育能不能做好的一个深层次基本理论问题。文章基于知识理论和历史向度，对这一问题尝试进行了回答。知识的统一性源于自然的统一性。自然演化的逻辑决定了学科在分化过程中的联系。这种联系表现为学科鄙视链和学科依存链正反两种基本形式。基于知识的进化论与学科的生态学，作者以课程设置的连续统诠释了基础教育学段课程设置的基本结构，并以数学、科学、技术与工程连续统揭示了STEM教育在层次上的丰富性。在对历史的回溯中，为STEM教育倡导的跨学科教学理念找到了进步教育综合课程这一思想源头，并面向现实与未来阐述了STEAM给STEM带来的三重新意涵，即想象力与创造力的彰显、科学与人文两种文化的融合，以及美学意蕴的释放，最终推动教育走向真善美统一的新境界。【关键词】STEM教育；跨学科教学；学科依存链；课程连续统 一、知识的进化论与学科的生态学 1.自然的演化与学科的分化 对于什么是学科，恩格斯在《自然辩证法》里曾有过非常经典的论述。他指出：“每一门科学都是分析某一个别的运动形式或一系列相互关联和相互转化的运动形式的，因此，科学分类就是这些运动形式本身依其内在序列所进行的分类、排序，科学分类的重要性也正在于此”[1]。这一马克思主义科学哲学的基本观点为科学的分类设定了最根本、最科学的标准，即根据物质运动的形式来对科学进行分类，分类的结果即是各种不同的学科。循着这一思想不断发展的历史轨迹，渐次形成了学科划分的基本框架，即从研究对象和研究方法两个维度出发，构成一个二维矩阵式的学科分类学[2]。也就是说，一门学科要想成立，要么有独特的研究对象，要么有独特的研究方法，或二者同时具备。以独特的方法来研究独特的对象便产出了独特的知识，由此一个学科便获得了立身之本。瞿葆奎和唐莹在“教育分支科学丛书”的长篇序言中在对教育科学体系进行审视时对此曾有过非常详尽而精辟的讨论[3]。 恩格斯在《自然辩证法》里进一步指出：“当我先把物理学叫做分子的力学、把化学叫做原子的物理学，再进一步把生物学叫做蛋白质的化学的时候，我是想借此表示这些科学中的一门向另一门的过渡，从而既表示出两者的联系、连续性，又表示出它们的差异、非连续性。”[4]这句话非常深刻和明确地揭示了当时仅有的三门科学——物理学、化学、生物学——之间的关系。这种关系蕴含着知识的统一性。自科学革命以来，知识之树蓬勃生长，分又越来越多，反映的是人类在追求知识统一之路上面临的学科高度分化这一现实。这在教育实践中的反映，主要表现为分科教学这一制度安排。分科教学让学校为学生人为构造了一个纯粹学科的世界——数学的世界、科学的世界、文学的世界，如此等等。但现实中并不存在这样一个纯粹的数学的世界或科学的世界，而只有一个现实生活的经验世界。就像莫里斯(JanMorrison)等人指出的那样，“将知识组织成学科可能有助于研究，有助于深入探究任何自然现象的秘密或将知识划分为可教授的部分。但它并不能反映现实，也不能传达我们所生活的世界的精彩。它更无助于引导学生走向探究的对立面：通过应用知识设计方案来解决问题”[5]。所谓的“高分低能”，盖源于此! 面对这一南辕北辙的景象，更加有必要厘清学科之间的关系，并以此来认识和推进知识的统一这一宏大工程。“知识树”因此成为一个非常有效的隐喻和概念工具。心理学家亨瑞其斯(GreggHenriques)曾开发过一个“知识树”(TreeofKnowledge，简称ToK)。他认为，自大爆炸以来，宇宙的演化在时间的长河中先后跨越了四个层级，分别是物质、生命、心智和文化，由此渐次形成了四个不同的知识分支，即物理学、生物学(包括化学，因为生物过程都是化学过程)、心理学和社会学(二者无疑都是广义的)[6]。作为一个更大的知识统一理论的一部分，这棵知识树和传统意义上的知识树不同的地方在于：它由自然和知识两条线索构成，并形象展现了自然演化和学科分化在逻辑上的一致性。我们可以把知识树视为知识进化的一种概念模型。这一概念模型不仅展现了学科之间的关系，而且还揭示了这样一个事实，即学科之间的联系是错综复杂的，不仅存在横向联系，还存在纵向联系。 2.学科鄙视链与学科依存链 如果说横向联系提供的是学科交叉的机会，那么纵向联系导致的历史和现实后果就不那么美妙了。长期以来，不仅存在着斯诺(C.P.Snow)在《两种文化》中揭示的文理之争所展现的科学与人文两种文化的对立，即使在自然科学内部各学科之间也是龃龉不断，一定要争一个高低贵贱出来。坊间流传的“学科鄙视链”就是这样出现的。互联网上有一幅漫画，生动展现了这种学科之间的鄙视关系。一般的鄙视链条是：心理学家看不上社会学家，生物学家看不上心理学家，化学家看不上生物学家，物理学家看不上化学家，数学家看不上物理学家，逻辑学家看不上数学家，飘在天上的哲学家一方面看不上所有呆在地上的这些人，另一方面相互之间也看不上。这虽然是一种戏谑，但也在某种程度上是对学科之间在纵向上存在层级关系的一种幽默反映。对教育而言，其价值在于提示基础教育的基础性究竟在哪里。按照一般的经验来说，学数学的很容易转学物理，学物理的很容易转学化学，学化学的很容易转学生物，学生物的很容易转学医学，学医学的很容易转学心理，学心理的很容易转学教育，但反过来就几乎不可能了。基础教育的基础性主要是由基础学科的教学来体现和保证的。这也是为什么基础教育阶段学科设置不能像高等教育那样的原因。这提醒我们，在中小学推行STEM教育更加需要慎重，始终不能忘记基础教育的基础性。 如果从相反的方向来审视学科鄙视链，就可以展现出不同学科之间存在的另外一种关系，即依存关系。如果说社会学只是心理学的应用，心理学只是生物学的应用，生物学只是化学的应用，化学只是物理学的应用，物理学只是数学的应用，数学只是逻辑学的应用。那么反过来看，社会学也是心理学发展的温床和土壤，心理学也是生物学发展的温床和土壤，生物学也是化学发展的温床和土壤，化学也是物理学发展的温床和土壤，物理学也是数学发展的温床和土壤，数学也是逻辑学发展的温床和土壤。后者事实上也一直在从前者中汲取智慧与力量。没有前者后者也就失去了用武之地。后者的力量正是通过前者才得以展现出来。托尼·比彻(TonyBecher)等人曾经使用“部落”的概念来隐喻不同学科之间的生态关系。尽管不同的学术部落都有自己的领地而且以筑起高高的学科壁垒来禁止他人踏足，但正是各种不同学术部落的存在，共同维系着人类知识这一生物种群的多样性，并使其生生不息[7]。正如生物多样性是生物种群可持续发展的生命线一样，学科多样性也是学科种群可持续发展的生命线。学科依存链和学科鄙视链结合在一起，才构成了一幅完整的图景，其中蕴涵着科学把握学科之间关系的辩证法。 二、课程设置连续统与跨学科教学 1.课程设置的连续统与跨学科教学的逻辑链 所有学科都是对现实生活之经验世界的描述。只有一个现实生活的经验世界，因此它必定是统一的。这一统一的世界决定了所有学科之间必然存在联系，进而预示着知识统一的前景。这是知识统一理论的基本假设。从这一假设出发，可以看到：所有学科课程蕴含的知识都是对现实生活之经验世界的描述，在基础教育学段，这些课程构成了一个从现实生活的经验世界出发，最终又回到现实生活之经验世界的连续统，如下页图1所示。 在这一连续统中，离现实生活之经验世界最近的是体育。这是因为，人类最早和这个世界的交互主要是通过肢体进行的。正是这种以自身肢体为工具中介展开的交互，构成了人类心理发生与发展的起点。皮亚杰的发生认识论早已对这一点进行了非常深入而详尽的阐释。排在体育之后的是包括音乐和美术的艺术。音乐和美术反映的是在人类早期以自身肢体与这个世界展开交互之后以及语言诞生之前，以音调和线条对这个世界的表达。排在艺术之后的是语言，包括母语和外语。它反映的是人类发展进程中言语符号的出现。这些言语符号不但是对现实生活之经验世界的描述，更重要的是人际之间沟通与交流的更有效工具。在语言之后的是数学。数学是使用比自然语言更加抽象的符号对这个世界的描述。数学语言不仅更抽象，也更精确。到这里可以看到，这些课程以及这些课程背后映射的学科是从现实生活的经验世界出发，但离现实生活之经验世界渐行渐远的。 随着人类以受控实验对自然更有力的叩问，当数学语言被用于描述自然时，科学就诞生了。这就是李约瑟(JosephNeedham)所谓西方近代自然科学的基本结构，即把数学假说应用于自然，充分认识和运用实验方法，区分第一性质和第二性质，空间的几何化，接受实在的机械论模型[8]。科学是使用远比艺术和自然语言精确的数学语言对这个世界的描述。这种描述蕴涵着改造自然的绝大力量。因此在科学课程之后是技术课程，包括信息科技和通用技术。近代以来，技术创新都是科学革命结出的硕果，并成为工业革命的主要动力。通用技术课程展现的是第一次工业革命以来传统科技创新及其在社会生产与生活中的应用。信息科技课程反映的则是第三次和现在刚刚兴起的第四次工业革命以来以信息通讯技术(ICT)为代表的新兴科技创新及其在社会生产与生活中的应用。在技术课程之后是综合实践课程，综合实践课程的目的是实现之前分科教学习得之知识的跨学科融合应用。这种跨学科融合应用的逻辑延伸很自然地就构成了劳动教育，即对现实生活之经验世界的改造。最后，道德与法制所蕴含的德育功能贯穿渗透于所有学科与跨学科教学过程之中。 由此，我们从现实生活的经验世界出发，最终又回到了现实生活的经验世界。这是一个持续展开的螺旋式上升的过程。澄清了义务教育阶段设置课程之间的基本关系，才能真正理解“五育并举”促进学生德智体美劳全面发展背后的逻辑，进而在教育实践中推进跨学科教学，特别是STEM教育。 图1基础教育学段课程设置的连续统 2.STEM教育中的数学、科学、技术、工程连续统 首先，来看科学、技术、工程和数学四大学科之间的关系。科学、技术、工程和数学之间不但和科学内部不同学科之间一样存在着层次性，而且还存在着错综复杂的交互关系。如果说数学和科学在思维方式上是分析的，那么技术和工程在思维方式上则是综合的。工程面向现实世界，立足真实场景，解决实践问题，它包括两个核心步骤：设计和造物。设计不可避免地要利用多学科知识，其中主要的是科学。造物则是使用工具装备把存在于头脑中的设计蓝图即认知的人造物转化为现实的人造物。而这些工具装备正是技术创新的结晶。由此决定了技术和工程之间密不可分的亲缘关系。尽管人们对工程究竟是什么存在着各种不同的理解与认知，但一般都把其视为借助于工具装备对自然的改造。这也是工程不同于手工的地方。 这一点对于STEM教育具有非常重要的意义。实践中，往往在“做中学”的名义下把手工等同为工程，进而认为做手工就是STEM教育。其实大谬不然。手工基于个体经验和隐性知识，主要靠人力劳动。工程则基于普遍原理与显性知识，主要靠工具装备。手工和工程的区别，可以用一个简单的例子来说明。比如，在农村院子边上搭一个茅房属于手工，而在城里盖一栋楼房则属于工程。搭一个茅房，基本上不用画图纸，因此谈不上什么设计，也不用使用什么太高级的诸如挖掘机之类的工具装备，一般用铁锹挖一个坑，四周用秸秆做一个围挡就可以了。盖一栋楼房则不然，不仅要有非常完备的设计图纸，而且还需要使用诸如吊塔之类的各种工程机械装备。二者需要用到的科学知识和蕴含的技术含量有天壤之别、云泥之分。 工程实践使用的那些工具装备无疑是技术创新的结晶。这些装备之所以能被制造出来且发挥相应的功能，显然是由科学原理来保证的。也正是在这一意义上，现代技术才被视为基于科学的技术。关键技术创新必然以基础科学的突破为前提。如果说这展现了科学、技术与工程之间的线性相关，那么反过来看，工程实践并不仅仅只是技术装备的简单应用，同时也是技术创新重要的策源地，技术创新也并不仅仅只是科学研究在应用上的逻辑延展，同时也持续为科学研究提供强有力的工具手段，并反向推动基础科学不断取得新突破。推而广之，这也是当代科学、技术与工程在实践中展现出来的三位一体、耦合发展的基本趋势。 数学与科学的关系就更明确了。诚如李约瑟所言，科学源于把数学假说应用于自然，充分认识和运用实验方法，持续推动空间几何化的历史努力[9]。伽利略曾说：“哲学被写在这本永远敞开于我们眼前的巨大的书里——我的意思是宇宙，然而，如果我们不首先努力弄懂它的语言，认识书写它的文字，就理解不了它。它是用数学语言写成的。”[10]这也是牛顿在《自然哲学的数学原理》这一科学革命的里程碑式作品中展现的图景。数学的穿透力之强，可能还不止于科学这一层，甚至还一直延伸到了技术和工程的层面。数学这一学科的基础性由此可见一斑! 数学、科学、技术、工程之间错综复杂的交互关系决定了STEM教育蕴涵着丰富的层次性。它远不止让学生在活动课中做个东西出来那么简单，也不仅仅只是在工程实践的过程中掌握各种技术装备的使用，而是以借助技术装备的工程实践来触发和驱动科学探究不断走向深入，并在技术应用和科学探究的过程中持续深化对数学运算和逻辑运演的理解与认知。从这一意义上来讲，STEM教育就是一个剥洋葱的过程。最外面的一层是工程，里面的一层是技术，再里面的一层是科学，最里面的那层则是数学。工程面向的是现实生活的经验世界，数学面向的则是抽象思维的逻辑世界。这是两个不同的世界。教育的使命就是打通这两个世界，并推动学生在这两个世界的来回穿梭中实现发展。从工程这一层出发，一直剥到数学这个洋葱芯，这是一个从具体到抽象不断螺旋式上升的过程。这就是杜威(JohnDewey)所谓“教育即经验”“教育即经验的持续不断的改组与改造”一语的真谛。 反观现在很多STEM教育，层次的丰富性很弱，有时甚至只有一层。这在实践中表现为，很多STEM课程口口声声自诩“做中学”，但往往变成了“有做而没有学”。学生忙活半天，往往变成了学手艺，甚至出现照着说明书不动脑子机械拼装最后虽然做出了个东西但却对其背后的原理一无所知最终在学习上一无所获的荒诞情形。基础教育面临着因蓝翔技校化而丧失基础性的风险!教育要从经验出发，但并不能止于经验。杜威曾指出：“相信所有真正的教育都是透过经验而来，这并不意味着所有的经验都是适当的和等同于教育的。经验和教育彼此之间并不直接是可以画上等号。有些经验甚至是错误的教育。”[11]当年的警告言犹在耳，今日的STEM教育当引以为戒。 三、STEM教育的历史回溯与内涵阐释 1.STEM教育的跨学科教学理念究竟从哪里来 如果做一个历史的考察，就会发现，与今日不同，STEM这个词最早是作为一个高等教育领域内的概念出现的[12]。在美苏冷战最激烈的年代，前苏联于1957年底把人类历史上第一颗人造地球卫星送上了太空，震惊了美国朝野。在谋一隅也谋全局、谋一时也谋万世的战略思想指引下，美国迅速通过了两个重量级的教育改革法案，一个是《国防教育法案》，另一个是《高等教育法案》，全面改革教育体系，以应对苏联在国防尖端科技方面的竞争。在高等教育领域，对数学、科学与工程教育给予了前所未有的高度重视，投入了大量资源，推动了以斯坦福大学为代表的一批“冷战大学”快速崛起。STEM的前身SME应运而生。作为高等教育领域内的一个概念，SME这个词作为科学、数学和工程的简写，用来指称的是科学、数学与工程教育，其中并无跨学科教学的含义。因为在当时的高等教育领域，数学、科学与工程分属不同学科门类，有各自的院系和建制，虽然有对学科协同与交叉的关注，但主要是在研究而不是在教学的意义上。进入20世纪70年代后，伴随着硅谷崛起，信息科技革命终修成正果，高等教育机构普遍开设了信息科技类学科专业，信息科技的话语权和影响力不断增大，技术教育引起了越来越多重视，终于得以与科学、数学和工程并列，SME也进化为STEM。但此时，还是作为一个高等教育领域的概念，仅仅只是作为科学、技术、工程与数学教育的简称和统称，尽管也有研究层面上对学科交叉的强调，但仍无教育层面上跨学科教学的含义。其背后深层的原因可能在于，和基础教育的基础性相比，高等教育更多强调的是专业教育。 与高等教育同步，20世纪60年代，在基础教育领域，认知心理学家布鲁纳(JeromeBruner)领导启动了一场为期十年的基础教育课程与教学改革运动。这场改革的主战场和主阵地就是数学与科学教育。其最为鲜明的特色是大批科学家和数学家引领并亲身投入数学与科学教育改革的第一线，编写科学与数学教科书，开发科学与数学教学资源，探索科学与数学教学新模式和新方法。这是一场数学与科学成色十足的教育改革实践探索，给后来者留下了丰富而珍贵的思想财富。特别是布鲁纳倡导的发现学习成为其后驱动STEM教育的重要动力[13]。但STEM这个词正式进入基础教育，要到20世纪80年代。其中标志性的事件是1983年《国家处于危机之中》报告的出版、1989年美国科学促进会启动的2061计划。至20世纪90年代初，STEM基本上完成了向基础教育领域概念的转变。当时美国国家科学基金会在SME的基础上先是使用了SMET这个词，其后因发音容易引起歧义，才改为STEM[14]。此时它被赋予了更加丰富的内涵，已经不仅仅是作为科学、技术、工程和数学教育的简称和统称了，而是具有跨学科教学的新指向[15]。 这种变化究竟是如何发生的呢?这可能和美国基础教育领域内长期以来存在着的杜威的综合课程传统密切相关。众所周知，作为进步教育的领军人物，杜威经验自然主义的教育思想在教育史上具有非常重要的地位，也为美国教育的实践打上了深刻烙印。杜威经验自然主义的教育思想以实用主义的哲学为引领，以机能主义的心理学为基石，系统回答了什么是教育、什么是学校、教材如何组织、教学如何开展以及学校何以促进社会进步等问题。其中最核心的是课程与教学问题。杜威在课程构建上提出了综合课程的观点，在教学实施上提出了与综合课程相应的“做中学”的教学法，产生了深远而广泛的影响。因此有理由认为，正是由于杜威综合课程的理念和对“做中学”教学法的倡导，才使STEM在进入基础教育领域后获得了跨学科教学的新内涵。如果说在概念层面上，“我们必须首先认识到STEM是一个统一的概念，而不仅仅是四个学科以方便发音的缩写词构成的组合”[16]，那么在课程和教学层面上，这一跨学科的理念也很自然地包含了两个方面的内容，即在课程构建上强调基于学科知识整合的综合课程，在教学实施上强调以活动为中心的“做中学”[17]。思想的力量就是如此隐秘而强大! 2.STEAM究竟给STEM教育带来了什么 当然，正如从SME到STEM一样，STEM的概念也在不断进化。其最近一步的发展便是STEAM，艺术加入了进来。很多人认为，艺术加进来就是通过艺术设计让STE教育中工程实践的造物环节产出的人工制品更好看[18]。固然不错，但显然远不止于此。艺术加进来，不仅使跨学科教学的幅度更广阔，更重要的是赋予了STEM教育这一面向理工领域的跨学科教学更加丰富的内涵和更加崇高的使命。 首先，STEAM以艺术为STEM教育插上了想象力和创造性的翅膀，使学生能在数学、科学、技术和工程的天空中自由翱翔。艺术教育是启发式的[19]，其最重要的价值在于培养人的想象力，而想象力是创造力最核心的成分。STEM教育中无论是数学还是科学，抑或技术与工程，都是逻辑主导的。虽然不管是数学、科学、技术与工程的研究还是学习都需要想象力的参与，但数学、科学、技术与工程的课堂本身却并不能培养这种想象力。斯托克斯迪克(MartinStorksdieck)指出，STEM教育应该从人文领域那里得到启发，至少拥有一种能够激发学生创造力和想象力的东西[20]。这一重任显然落在了艺术的肩上。很多教育工作者认为，STEM缺少与创造力相关的成分，而培养创造力最好的途径则是艺术[21]。艺术提供了一种不同于科学、技术、工程与数学的看世界的方式，这是一种可以导致对世界有不同理解的启发式方法，是解放数学家、科学家和工程师的思想并为其注入一定程度的创造力和创新性的有效手段。 其次，