本书是一本针对从事STEM教育教学工作者的全面而详实的学习资料。它以STEM理论为指导，以实践为基础，从教育本书系统地介绍了STEM教育的有关内容，主要包括STEM教育的产生及发展历史、STEM教育在世界各国中的具体实施、典型STEM教学模式及其应用、教学活动设计流程和教学研究案例等。 本书采用的各章节内容是基于团队多年从事STEM教育教学实践研究总结的成果，并呈现了丰富的典型案例。在本书每节末尾，我们都设置了“动动脑筋思考”环节，在帮助读者回顾所阅内容的同时激发读者探究更多关于STEM教育的内容。 本书在内容的组织上突破传统的做法，强调阅读的策略性和及时性，使读者在实践操作之前不必通读全书就可以获取所需信息。本书在前言中介绍了全书概貌，整体呈现本书各章节之间的逻辑结构和内容要点，方便读者根据自身需求进行策略性阅读（如老师可以重点选读第1章、第4章和第5章）或即时性阅读（如想了解科技馆STEM科普活动的设计，可以快速定位第4章来参考活动设计详例），以达到个性化、高效率阅读的目的。书中还提供了诸多评价量规的样本、表格、指南、范例和准备性文件，帮助读者实施基于STEM的教育教学及研究。 本书可作为中小学老师、高校老师进行STEM教育教学实践研究的参考书，还可作为教育管理部门相关人士、科研院所及科技馆等STEM教育从业人员的自学用书。

前 言＜br/＞近年来，STEM教育开展得如火如荼，大力推行跨学科综合教育的思想如和煦的春风吹遍了祖国大地，成为教育界乃至全社会关注的热门话题。＜br/＞撰写一本真正的STEM教材是我们这几年一直努力的方向之一。翻看5年来出版过的种种关于STEM教育的书籍，发现大多是关于如何引导学生学习，而对老师如何教的内容涉及甚少，且内容太过粗疏，言不尽意之处甚多。于是我们研究团队扎根一线，围绕老师如何设计STEM活动，如何开展STEM教学，如何进行STEM教育研究做了很多的实践和研究，几乎所有的读书和写作都是围绕着完成一本较为理想的STEM老师指导用书进行的。＜br/＞STEM是一种教育理念，有别于传统的单学科、重书本知识的教育方式，它是一种重实践的超学科教育概念。如今各地都在争相开设STEM课程，是不是每个学校都适合、都有能力开展STEM教育？这是个值得我们深思的问题。“教育力量，师资先行”，要发展STEM教育，最大的制约因素是没有足够的优秀老师。长期以来，分科教育越分越细，老师的专业越来越窄，而“综合”是STEM教育的根本特性。对于广大教育工作者来说，STEM教育是机遇，更是全新的挑战。＜br/＞本书是试图在总结国内外丰富的STEM教育教学实践经验基础上，进行符合中国本土STEM教学的一种尝试和探索。全书内容共分为6章。＜br/＞第1章：什么是STEM教育＜br/＞在我国中小学积极推进STEM教育的过程中，我们有必要先从概念上了解“STEM教育”究竟是什么，理清STEM教育的产生、发展及兴起的历史脉络，分析STEM教育与传统教育的关系，以及STEM教育在我国落地和发展的基础，等等。只有明白了这些问题，我们才能更好地把握STEM课程设计与开发的精髓。在本章最后，我们甄选了一个基于STEM的教学案例，提前帮助读者整体感受STEM教育的核心思想。＜br/＞第2章：STEM教育的发展＜br/＞本章首先将全面呈现STEM教育在以美国为首的世界多国中的政策引导和实施形式，详细介绍美国、芬兰、德国和日本4个国家的STEM教育典范项目。然后以国内STEM教育为研究对象，采用科学计量、聚类分析等一系列科学量化的方法对国内STEM教育的发展历程、研究热点进行分析。最后重点将研究对象聚焦在国内工程教育上，对其发展历程、研究热点的迁移与变化等进行数据统计及可视化分析。在此基础上，深入反思我国STEM教育实践的薄弱环节，以及进行STEM教育实践之前我国学校教育具体存在的问题和障碍，进而能够准确回答STEM教育帮助我们解决或者缓解了哪些教育问题。在本章最后，我们呈现了一个玩具行业在STEM教育中的实践研究，帮助读者了解STEM教育具体的应用领域。＜br/＞第3章：STEM创新教学模式＜br/＞STEM教育与传统的知识点驱动的教学不同，它是真实情境下的学习、跨学科的综合性学习、面向高阶思维和高级技能的学习。它可以基于问题、项目，也可以基于设计，还可以基于团队合作。我们要清楚认识到，学习STEM教育不是“仿其形”，而是“学其神”，如何转变老师的定式教学思维，在STEM课堂中引导学生进行科学实践或科学探究，这无疑对我国传统课堂模式提出了极大的挑战。本章将根据STEM教育的内涵及核心素养，分析和论述适用于STEM教学的两种成熟并应用广泛的教学模式—PBL教学模式和工程设计教学模式。在此基础之上，我们将协作学习和探究学习二者的优势融为一体，形成了“协作—探究”教学模式（CIL），进一步优化了STEM教学模式。＜br/＞第4章：STEM创新活动设计＜br/＞STEM课程的设计与开发要紧紧围绕学校的育人目标。从我国中小学校在STEM教育方面开展的实践来看，主要呈现出两个显著的特征：第一，重视学科融合，尝试课程重构；第二，大量地引入、依托教育信息技术产品。如何在实现学校育人目标的大前提下，结合适用于STEM的教学模式进行案例的开发，将是本章重点讨论的内容。我们将延续第3章的思路，从PBL教学模式、工程设计教学模式及CIL教学模式提出STEM活动设计的操作程序，并在各类活动设计后附上甄选出的1～2个代表案例，如“净水大作战”“Building towards the Future”等。每个案例都附有详细的设计分析、操作流程及学习任务单，全方位地带领读者体验STEM教育在中小学课堂、大学课堂及科技馆教育活动中的实现方式，相信会给读者带来一次难忘的STEM之旅。＜br/＞第5章：STEM教学研究实践＜br/＞对于STEM教育而言，教学模式的探究也好，课程活动的开发也好，最终都要落地于课堂教学，从实践中去验证和更新旧理论，并从课堂信息和数据中归纳发展新学说。本章我们通过追溯教学研究的发展时期，论述适用于STEM教学研究的方法并提出科学的教学研究范式。然后回答如何科学、量化地检验教学效果的优劣，有哪些适用于STEM教学的评价手段，并分别呈现了两个STEM教学研究代表案例，即在小学开展的基于工程设计的创新教学研究与在大学开展的基于“协作—探究”的创新教学研究。本章将带领读者通过感受教学研究的实践过程来获得启发，从而自发地去探索融合学科的STEM教学研究实践新模式，这将对中小学和高等院校开展STEM教育研究实践具有建设性的帮助。＜br/＞第6章：STEM教育的未来与展望＜br/＞从传统教学到STEM教学的转变所带来的将不仅是学校具体教学科目的变动，而且将是学校教育的教学模式、学校的育人理念的一次深刻变革。最后一章分为STEM教育 前行之难、探索之路、理想之光三部分来论述，重点回答了未来STEM教育在整个学校教育体系中广泛开展所面临的阻碍，STEM教育在VR、AR、大数据等当下社会和科技方面的融合和应用，以及社会各界对于推动和践行STEM教育需要做的准备。＜br/＞STEM教育是一门艺术，是一项智者的工作。本书的出版是想通过介绍我们开展的基于STEM的创新教学实践，把这些教育实践作为经过测试的典型案例推荐给读者，帮助从事STEM教育实践的一线老师学习怎样设计并实施基于STEM的教学，引导更多老师积极深入地开展STEM教育教学实践，养成总结与反思的习惯，促进老师专业水平的提升。另一方面，通过优秀STEM教育成果的交流与推广，对各学校探索基于STEM的“教与学”的变革发挥促进作用，真正推动学校“内涵”发展。同时引领广大老师走上研究之路，营造更加浓厚的教研氛围，也为研究STEM教育的专家学者提供参考，把实践问题提炼成科学研究问题进而转化为理论课题。＜br/＞本书的完成要特别感谢整个研究团队成员的积极贡献，感谢包昊罡、董丽娜、蒋梦璐、韩雪、郑婧等为本书提供了丰富的实证材料，感谢李小杉、董笑男、欧阳稷等为编辑本书所有内容所付出的辛劳，感谢电子工业出版社在短时间内高效地完成了出版工作。＜br/＞本书受到北京市教育科学“十三五”规划2016年度教育教学实践研究重点课题“STEM教育视角下中小学科学教学模式创新实践研究”（课题批准号：CADA16038）的支持和资助。愿本书能成为STEM教育实践研究园地的一朵鲜花，我们期望“一花引来百花开”，迎来STEM教育课程改革、迎来我国教育生态更新、迎来社会各界共同关注的万紫千红的春天！＜br/＞＜br/＞编 者 ＜br/＞2019年元旦 ＜br/＞＜br/＞

目 录＜br/＞第1章 什么是STEM教育 1＜br/＞1.1 STEM教育的前世今生 1＜br/＞STEM教育产生的背景 1＜br/＞1.2 揭开STEM教育的面纱 2＜br/＞STEM教育素养 2＜br/＞STEM教育的核心特征 4＜br/＞1.3 为什么要发展STEM教育 6＜br/＞社会转型的现实需要 6＜br/＞未来教育发展新方向 7＜br/＞1.4 从STEM到STEAM 8＜br/＞STEAM产生背景 8＜br/＞STEAM教育理念 8＜br/＞1.5 奥利奥饼干的STEM化身 9＜br/＞奥利奥饼干的科学献身 9＜br/＞奥利奥饼干的工程实践 11＜br/＞奥利奥饼干的数学融合 12＜br/＞参考文献 14＜br/＞第2章 STEM教育的发展 15＜br/＞2.1 国际STEM教育的发展 15＜br/＞美国STEM教育 15＜br/＞芬兰STEM教育 17＜br/＞德国STEM教育 18＜br/＞英国、法国STEM教育 19＜br/＞日本、韩国STEM教育 20＜br/＞2.2 国际STEM教育典范案例 20＜br/＞美国PLTW项目 20＜br/＞芬兰LUMA项目 21＜br/＞德国MINT项目 21＜br/＞日本STEM项目 22＜br/＞2.3 国内STEM教育的发展 23＜br/＞国内STEM教育发展历程 23＜br/＞国内STEM教育研究热点 24＜br/＞2.4 STEM教育聚焦工程教育 28＜br/＞国内工程教育一瞥 29＜br/＞国内工程教育的发展特点 35＜br/＞2.5 STEM教育实践初探 37＜br/＞参考文献 39＜br/＞第3章 STEM创新教学模式 41＜br/＞3.1 STEM创新教学模式——PBL教学模式 42＜br/＞PBL的教学流程 44＜br/＞3.2 STEM创新教学模式——工程设计教学模式 45＜br/＞常见的工程设计教学模式 46＜br/＞典型的工程设计过程 47＜br/＞3.3 STEM创新教学模式——CIL教学模式 49＜br/＞CIL教学模式与STEM教学模式 50＜br/＞参考文献 55＜br/＞第4章 STEM创新教学活动设计 57＜br/＞4.1 PBL教学活动设计 58＜br/＞PBL教学活动设计流程 58＜br/＞PBL教学活动设计案例 61＜br/＞【案例一：净水大作战——设计一个污水处理装置】 61＜br/＞【案例二：“星空的召唤——PBL的望远镜主题教育活动”】 66＜br/＞活动展示：探秘伽利略望远镜 72＜br/＞活动展示：揭秘开普勒式望远镜 75＜br/＞4.2 工程设计教学活动设计 79＜br/＞工程设计教学活动设计流程 79＜br/＞工程设计教学活动设计案例 81＜br/＞【案例一：基于Arduino的智能社区】 81＜br/＞活动展示：马达的转动 86＜br/＞活动展示：我的Arduino智能小车 89＜br/＞【案例二：Building towards the Future】 92＜br/＞活动展示：学习三维坐标系 95＜br/＞活动展示：学生操作真实的三维坐标系 97＜br/＞活动展示：摩天大楼的结构及其设计原理 98＜br/＞活动展示：设计报纸塔——怎样抵御强风 99＜br/＞活动展示：从设计图纸到验证——设计巴尔萨塔 100＜br/＞4.3 CIL教学活动设计 102＜br/＞CIL教学活动设计流程 102＜br/＞CIL教学活动设计案例 104＜br/＞【案例：人工智能教育应用】 105＜br/＞活动展示：小车主题活动——出租车计价器 107＜br/＞活动展示：竞速赛车 109＜br/＞参考文献 112＜br/＞第5章 STEM教学研究实践 114＜br/＞5.1 如何开展STEM教学研究 114＜br/＞基于设计的研究 114＜br/＞5.2 面向STEM的教学评价 117＜br/＞国外STEM教学评价 117＜br/＞国内STEM教学评价 119＜br/＞关于构建STEM评价体系的一些思考 120＜br/＞5.3 工程设计教学研究案例 121＜br/＞工程设计的小学科学STEM教育活动研究 123＜br/＞【活动设计阶段】 123＜br/＞【活动实施阶段】 130＜br/＞【研究结果分析与评价】 134＜br/＞5.4 CIL教学研究案例 141＜br/＞第一轮迭代研究 142＜br/＞第二轮迭代研究 143＜br/＞第三轮迭代研究 145＜br/＞CIL中教学环节设置的变化 148＜br/＞CIL教学模式的效果分析 149＜br/＞参考文献 151＜br/＞第6章 STEM教育的未来与展望 153＜br/＞6.1 STEM教育前行之难 153＜br/＞关于STEM课程 154＜br/＞关于STEM教师的发展 158＜br/＞6.2 STEM教育探索之路 160＜br/＞STEM与VR/AR 160＜br/＞STEM与大数据 161＜br/＞STEM与人工智能 161＜br/＞6.3 STEM教育理想之光 162＜br/＞参考文献 164＜br/＞附录A 166＜br/＞附录B 179＜br/＞＜br/＞