北京市十一學(xué)校：從項目到生態(tài)，以STEM教育構(gòu)建學(xué)校新樣態(tài)

在全球科技競爭日益激烈的背景下，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、實踐性與情境化的課程模式，為學(xué)生搭建解決真實問題的平臺，有效培養(yǎng)學(xué)生的知識應(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，深刻認識到STEM教育在跨學(xué)科融合方面的獨特價值，圍繞課程資源開發(fā)、時空環(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維度系統(tǒng)推進STEM教育，逐步形成以學(xué)生為中心、跨學(xué)科整合、社會多方參與的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、跨學(xué)科融合、項目式推進”的理念，構(gòu)建多途徑、多層次的課程資源體系，著力實現(xiàn)學(xué)科知識、核心素養(yǎng)與實踐能力的深度融合。

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，以提升知識應(yīng)用能力為目標(biāo)，開發(fā)一系列高知識承載力、以單學(xué)科知識為主的學(xué)習(xí)任務(wù)，強調(diào)真實學(xué)習(xí)體驗和學(xué)科素養(yǎng)沉淀，多以問題式學(xué)習(xí)、項目式學(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)具有實踐性和開放性的STEM課程，提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)和解決真實問題的能力；融合實踐層關(guān)注真實情境下的綜合問題研究，通常由學(xué)生或團隊自主提出，重在綜合應(yīng)用多學(xué)科知識和方法設(shè)計研究方案并開展實踐，教師提供個性化支持。

（一）以學(xué)科基礎(chǔ)為起點，鏈接社會生活和真實情境

學(xué)科課程里有不少內(nèi)容源于生活、身邊的自然現(xiàn)象或社會問題，基于真實情境設(shè)計學(xué)習(xí)任務(wù)，易于激發(fā)學(xué)生探究興趣。例如，為落實地理學(xué)科“綜合思維”“地理實踐力”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項目。教師設(shè)計“洪澇災(zāi)害成因分析”“聚落選址合理性評估”“災(zāi)后重建建議”三項任務(wù)，學(xué)生通過實地測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)濟數(shù)據(jù)，最終形成包含“避災(zāi)安置點選址”“生態(tài)護坡設(shè)計”的可視化考察報告。該項目既深化了學(xué)生對課本知識的理解，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教育不是簡單的學(xué)科拼盤，而是各個學(xué)科的深度融合。當(dāng)前中學(xué)課程相對獨立，多聚焦單學(xué)科知識，學(xué)生在真實情境下解決不良結(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)建模與實踐》課程從數(shù)學(xué)學(xué)科出發(fā)，結(jié)合真實情境講授建模方法與問題解決思路，助力學(xué)生實現(xiàn)從理論知識“學(xué)以致用”到科學(xué)思維的升華。該課程已積累百余項真實問題解決案例，學(xué)生通過數(shù)學(xué)建模設(shè)計出中醫(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)知識應(yīng)用于實際問題解決中。學(xué)校注重在課程實施中培養(yǎng)學(xué)生工程思維，通過項目案例讓學(xué)生體驗“定義問題——調(diào)查研究——方案設(shè)計——原型制作——測試優(yōu)化”的工程設(shè)計流程，提升學(xué)生系統(tǒng)思維與問題解決能力。高二學(xué)生基于校園真實需求，以典型工程思維方式完成棍網(wǎng)球發(fā)球機研發(fā)。通過拍攝多組球員發(fā)球慢動作視頻獲取數(shù)據(jù)，運用數(shù)學(xué)課所學(xué)的曲線擬合知識將拋球軌跡轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，形成初步方案，在測試中發(fā)現(xiàn)發(fā)球機射速不足后，又結(jié)合物理課學(xué)習(xí)的功率計算方法確定所需電機功率，完成發(fā)球機的設(shè)計與交付。

（三）捕捉學(xué)生好奇點興趣點，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)校鼓勵教師敏銳捕捉學(xué)生的興趣點和問題發(fā)現(xiàn)，助力學(xué)生孵化有價值的探索項目。這些由學(xué)生發(fā)起并主導(dǎo)完成的創(chuàng)新項目涵蓋環(huán)保技術(shù)、生物檢測、具身智能等領(lǐng)域，體現(xiàn)了學(xué)生在真實問題解決中的主體性和創(chuàng)造性。

創(chuàng)設(shè)支持性STEM教育時空環(huán)境

STEM學(xué)習(xí)強調(diào)動手實踐與協(xié)作探究，對學(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)生更多自主時間

STEM項目實施需要學(xué)生擁有充足的自主時間。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，鼓勵學(xué)生自主選題或從課題庫中選擇方向開展研究性學(xué)習(xí)，集中時間投入綜合性項目研究。

（二）提供豐富的空間資源支持

開展STEM項目研究常常需要進行小組研討、實驗、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驗室，建設(shè)創(chuàng)意萬物造FABLAB工坊，配備3D打印機、激光切割機、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，每間實驗室配備1—2名專業(yè)教師提供指導(dǎo)，成為學(xué)生創(chuàng)意孵化和項目實踐的夢工廠。學(xué)校網(wǎng)絡(luò)平臺長期開放“學(xué)生學(xué)術(shù)研究項目”申請，學(xué)生提出想法和需求后，學(xué)校對接需求和資源，投入經(jīng)費為學(xué)生的研究提供支持。

（三）建立激勵機制與展示平臺

學(xué)校對參與STEM課程研發(fā)的教師和有突出學(xué)習(xí)成果的學(xué)生給予認可和獎勵。鼓勵不同學(xué)科教師打破專業(yè)壁壘進行跨學(xué)科教研，并通過案例征集獎勵優(yōu)秀STEM課程案例，及時沉淀與分享經(jīng)驗。在校內(nèi)搭建研學(xué)挑戰(zhàn)賽等平臺，鼓勵學(xué)生深度探索自己的興趣點，并通過STEM研究性學(xué)習(xí)形成論文或項目成果，在項目實施過程中提升創(chuàng)新思維、科研能力、學(xué)術(shù)毅力、時間管理能力等。優(yōu)秀項目還會被推薦參加“丘成桐中學(xué)科學(xué)獎”“全國青少年科技創(chuàng)新大賽”等高水平競賽活動，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制

借助社會資源豐富課程內(nèi)容和場景是STEM教育的重要路徑。學(xué)校所處的海淀區(qū)高?？蒲袡C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、動植物園等單位合作開發(fā)基于真實情境的STEM課程，與中國科學(xué)院多個院所合作開發(fā)考察和研究項目，通過互動展覽、工作坊等形式，為學(xué)生提供豐富的學(xué)習(xí)體驗。為響應(yīng)國家在關(guān)鍵領(lǐng)域的人才需求，學(xué)校主動對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踐”“人工智能芯片設(shè)計與應(yīng)用驗證”三門進階課程，將“大學(xué)實驗室級”芯片設(shè)計課題轉(zhuǎn)化為中學(xué)生可實踐的項目，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“國優(yōu)計劃”實現(xiàn)共贏共創(chuàng)

教育部“國優(yōu)計劃”旨在重點為中小學(xué)培養(yǎng)一批研究生層次高素質(zhì)科學(xué)類課程教師，加強基礎(chǔ)教育階段創(chuàng)新型學(xué)生培養(yǎng)。學(xué)校為“國優(yōu)計劃”優(yōu)秀學(xué)生提供實習(xí)機會，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，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)意識和能力

教師是課程研發(fā)的關(guān)鍵力量。實施STEM教育的教師應(yīng)具備跨學(xué)科意識，能夠從本學(xué)科出發(fā)，主動對接國內(nèi)國際優(yōu)秀STEM項目，延伸出融合性的項目主題。

學(xué)校成立跨學(xué)科項目組，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)計策略與美國“項目引路”（PLTW）等工程類項目的實施邏輯，為項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，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)生綜合運用化學(xué)知識（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)計與優(yōu)化），設(shè)計制作簡易制氧機并提出碳減排方案。生物與技術(shù)教師聯(lián)合打造“血氧儀開發(fā)與應(yīng)用”項目，構(gòu)建“知識學(xué)習(xí)—需求調(diào)研—產(chǎn)品制作—真實推廣”的完整鏈條，學(xué)生不僅需要探究人體血液循環(huán)與氧氣運輸機制，還要運用物理光學(xué)知識動手焊接電路、編寫程序，完成血氧儀的設(shè)計與調(diào)試，并面向真實用戶進行推廣和提供健康建議。

在項目組基礎(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—尋找整合點—協(xié)作備課”的跨學(xué)科教研方式，持續(xù)推動跨學(xué)科課程研發(fā)與實施。

為支持教師成長，學(xué)校依托每月一場的“學(xué)術(shù)之夜”等平臺定期開展跨學(xué)科案例和研究成果分享，邀請專家進校指導(dǎo)，并鼓勵教師參與國內(nèi)外的STEM會議及線上研修拓展視野，提升將真實問題轉(zhuǎn)化為課程項目的能力，形成“實踐—反思—分享—再實踐”的教師成長良性循環(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)校積極探索以真實問題為起點、以數(shù)據(jù)驅(qū)動為核心、以跨學(xué)科融合為路徑的STEM項目設(shè)計與實施，用人工智能為STEM教育注入新的發(fā)展動力。

在推進機制上，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項目組，開展Python編程、機器學(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)計與實施能力。目前，項目組教師已開發(fā)多個融合學(xué)科內(nèi)容與AI方法的STEM課程案例。例如鳥類鳴聲識別，結(jié)合校園鳥類觀測，采集烏鵲、畫眉等鳴聲數(shù)據(jù)，訓(xùn)練音頻分類模型，體驗從信號處理、特征提取到模型優(yōu)化的AI應(yīng)用流程；化學(xué)動力學(xué)模擬，基于實際科研數(shù)據(jù)構(gòu)建機器學(xué)習(xí)模型，預(yù)測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)測性。這些實踐將AI技術(shù)融入科學(xué)探究過程，推動學(xué)生學(xué)習(xí)方式從傳統(tǒng)的“機理驅(qū)動”向“數(shù)據(jù)與機理融合”轉(zhuǎn)變，從被動解題走向主動建構(gòu)，初步實現(xiàn)AI4S的進階探索。

在數(shù)智時代背景下，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STEM教育從“項目化”走向“生態(tài)化”，進一步強化資源整合與機制創(chuàng)新，深化人工智能與STEM課程的融合，構(gòu)建更加適應(yīng)未來人才成長需求的教育樣態(tài)，助力新時代創(chuàng)新人才的培育與國家戰(zhàn)略科技力量的根基建設(shè)。

本文系中國教育學(xué)會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)計與實施研究”（202416294031B）的研究成果

（田俊 作者系北京市十一學(xué)校校長）

《人民教育》2025年第19期