从STEM到STEAM：脑科学基础及教育启示.pdf

第38 卷第9 期2023年9 月乐山师笔学院学报Journal of Leshan Normal UniversityNo.9,Vol.38Sep.,2023D01:10.16069/ki.51-1610/g4.2023.09.019从STEM到STEAM:脑科学基础及教育启示胡林成（泰州学院教育科学学院，江苏泰州2 2 530 0)摘要：在早期的STEM教育中融进艺术类学科就是在全球课程变革中被寄予厚望的STEAM教育。早期的STEM教育虽然符合巴甫洛夫高级神经类型学说，但是基于现代脑科学的分析发现，STEAM比STEM更有利于培养学生创新思维并促进学生全面和谐发展。“左右脑分工理论”认为，左脑是抽象脑和学术脑，右脑是艺术脑和创造脑，两半球在分工的基础上相互协作。增加艺术人文等学科可以有效开发学生右脑潜能并提升学生创造力。从重视左脑的STEM进化为注重全脑学习的STEAM是全球教育界的进步，这一转向提醒我们在教学中必须注重左右脑的共同开发，其教育启示体现在教育目标、教育结构、课程结构、教育方式以及教育评价观等环节。关键词：STEMSTEAM；脑科学基础；教育启示中图分类号：G424文献标识码：A文章编号：10 0 9-8 6 6 6（2 0 2 3)0 9-0 136-0 5教育教学规律源于心理的规律，而心理规律的底层逻辑则在于脑的发育发展规律，基于此，华东师范大学袁振国教授明确提出，“大脑的发育规律，就是教育的根本规律。”在中国乃至世界教育的漫长发展历程中，先人们没有脑科学的指导，仍然在教育实践中归纳总结出许多教育规律。随着脑科学在2 1世纪日新月异的发展，基于脑的学习（Brain-based learning）已经成为共识，在脑科学新发现的基础上重新审视经验性教育规律的合理性成为必要。2 2 0 0 6年，美国政府首次提出STEM教育，2 0 10 年又增加了涵盖美术、音乐、社会、语言等科目的人文艺术学科，这一变化不仅仅因为艺术学科的发散思维功能和粘合剂作用，它还有着对脑发育发展规律的深层次考量。当今教育界的各种教育教学模式层出不穷，令人眼花缭乱，从脑科学层面探索STEM到STEAM的转化动因可以帮助教师认识教育进步的底层逻辑。一、基于美国实用主义的传统STEM教育STEM(Science,Technology,Engineering,Math-ematics)是科学、技术、工程、数学四个学科首字母组成的一个新词,STEM既可以看作是一种课程，也可以看作是一种学习方式和教学策略，STEM的核心是在教学或者学习过程中对四个学科进行融合，使其成为有机的整体。3 STEM教育诞生于美国，早在19 8 6 年，美国国家科学委员会在本科的科学、数学与工程教育中就提出了整合科学、技术、工程、数学四个学科的建议，但是尚未明确提出STEM。4 直到2 0 0 6年，美国政府在美国竞争力计划中提出，为了挖掘学生学习潜力，保持美国在科学技术与创收稿日期：2 0 2 2-0 2-2 2基金项目：江苏省2 0 2 2 年自然科学基金面上项目“基于覆盖刻画和映射方法的知识空间理论研究”（BK20221299)；江苏省教育科学“十三五”规划2 0 18 年度课题“基于认知科学的数困儿童数学能力训练方法研究”（D/2018/01/54）作者简介：胡林成（19 6 7 一）,男，甘肃榆中人，泰州学院教育科学学院教授，博士，研究方向：认知心理学,发展与教育心理学。136新方面的优势，鼓励学校提供STEM教育，随后在2 0 0 7 年美国国会通过了第一部针对STEM教育的法案国家竞争力法（America Com-petes），为STEM教育的资金保障、专业设置、课程开发、教师培训等提供了法律保障。5 同年，美国国家科学委员会再次发布报告希望将STEM教育从本科延伸至中小学教育阶段。2 0 10 年，美国政府发布准备与激励：为了美国未来的K-12科学、技术、工程与数学教育,在幼儿园至高中毕业阶段（K-12:Kindergarten to high schooldiploma)推进 STEM教育。2 0 18 年,白宫科学与技术政策办公室发布报告，为K-20阶段(Kindergarten to graduate degree，幼儿园至博士学位)的学生提供基于未来工作的学习。同年12月，白宫发布美国STEM教育五年（2 0 19-2 0 2 3）战略一“北极星”计划,这一计划旨在使每个美国人都掌握基本的STEM概念，促进这一领域欠缺的学生对STEM的学习，并鼓励学生从事STEM职业。时至今日，STEM教育已经上升为美国的国家发展战略，成为提高国家核心竞争力，维护美国世界领导地位的人才基础。可以看出，STEM教育的产生带有浓重的美国实用主义倾向。二、STEAM向教育终极目标的回归STEM教育在美国推广的同时，英国、日本、韩国、中国等国家也积极引入STEM教育。但是，随着STEM教育的推广及各国研究的深入，人们发现STEM教育虽然可以满足政府对工程技术人才的需求，但是却很难达成培养学生创新思维和解决问题能力的目标，更湟论培养全面发展的、富有人文精神的合格公民这样的终极教育目标。人文艺术类课程不仅可以提高STEM教育的趣味性，而且是实现教育目标的重要途径。基于这样的认识，2 0 10 年美国维吉尼亚科技大学的格雷特亚克门（GeorgetteYakman）在STEM中加人了艺术（Arts),第一次提出了STEAM教育的概念，这里的艺术涵盖美术、音乐、社会、语言等人文艺术学科。6 可以用一个公式来说明亚克门教授的思想,STEAM=Science&Technolo-gy interpreted through Engineering&the Arts,allbased in Mathematical elements（ST E A M=通过工程和艺术解读的科学和技术，全部基于数学元素)。7 STEAM教育的目标侧重于培养学生的创新思维和问题解决能力，它以学生为中心，通过对科学、技术、工程、艺术和数学等学科的融合，以开放式的教学方式引导学生面向真实的问题，在科学探究和过程设计中达成做中学的目的。其主要的教学模式包括基于项目的学习(Project-based Learning,PBL)和基于设计的学习(Design-based Learning,DBL)。与 STEM教育培养学生理工科方面跨学科创新能力的目标不同,STEAM教育的培养目标扩展为培养学生的设计思维、创造性解决问题的能力和合作共情能力。8 显然，没有广义艺术学科的介人很难实现这样宏大的目标。鉴于STEM教育的缺陷，2 0 11年，英国科技与艺术基金会(NESTA)发布报告，建议在STEM中加人艺术类课程。同年，韩国教育部在ST E A M 教育方案中将人文艺术知识融人到STEM教育中，确保能够发展学生的综合创新能力。2 0 14年，美国艺术教育协会(NAEA）提出了STEAM教育的四项标准，将艺术与其他四门学科相提并论。2 0 17 年，中国教育部联合相关机构发布中国STEAM教育发展报告，明确提出了STEAM教育，认为STEAM教育能够有效培育学生的创造和参与的素养，科技与人文的贯通能够更有力地提升学生创新能力。9 2 0 18 年5月，中国教育科学研究院启动中国STEM教育2029创新行动计划,该计划强调参与机构的普及性，使STEM教育能够惠及全体学生,培养学生的创新思维和科学探究能力。10 三、STEAM教育的脑科学合理性分析显然，由于广义艺术学科的融人，使得STEAM教育在国内外教育界的地位更加凸显。为什么各国教育界如此重视艺术学科融人STEM教育？目前,研究者针对STEM中增加“艺术”学科的益处进行了不同视角的研究分析。譬如，艺术与科学技术融合，可以促进学生的学习I艺术的发散思维可以弥补STEM教育中求同思维过多的倾向；12】“艺术”可以发挥粘合剂的作用，将STEM的四学科神奇地结合起来，激发学生的学习兴趣和创造力，可以促进学生的认知和社会能力的发展，提升学习主动性，发137展学生的创造力，有助于学生更加全面的发展。13但是，目前教育界尚无对STEAM教育脑科学基础的系统研究，也缺乏对 STEAM教育认知神经科学合理性的有效论证。尽管“艺术”类学科与STEM相融合具有上述各种益处，而其最主要的优点则在于这样的做法符合脑科学规律，可以使各学科的学习相得益彰，彼此促进。（一）STEM教育对应高级神经活动类型理论20世纪初，心理学家基于巴甫洛夫的高级神经活动类型理论，提出人类思维的两种类型说。早期的STEM教育虽然符合思维两类型说，但是，脑科学研究的最新发展表明，早期STEM教育并不符合“基于脑的学习”的现代共识巴甫洛夫因其提出的条件反射理论于19 0 4年荣获诺贝尔生理学奖，他认为人类有两种高级神经的类型。第一种是以最接近第一信号系统活动的类型，这种人倾向于运用感官来获得对外界的整个印象，得到直观认识，属于艺术家类型。另一种类型与此相反，他们的心理活动基于第二信号系统，善于抽象思维，属于思想家类型。4 艺术家是“整个地、全面地、全部地掌握现实，掌握活生生的现实”，而思想家却“把现实加以细分，仿佛要把现实分割开，要在其中造出某种临时的骨干”。虽然巴甫洛夫根据两种信号系统的理论来说明人类思维的两种类型有其时代先进性，但是，脑科学的研究证明，巴甫洛夫的理论并未完全揭示出科学和艺术的本质以及二者之间的生理机制。STEM教育的思路基本与巴甫洛夫的科学家和艺术家的划分类型相对应。从STEM教育的缘起来看，上世纪八十年代的美国政府发现，在全球竞争日趋激烈的大背景下，美国的二十一世纪最需要、也最短缺的是科学技术和工程方面的人才,基于这样的需求而提出了STEM教育并投入重金在各级学校推广，专门培养具有科学家大脑的人才。显然，这种思路并不完全符合现代脑科学研究的发现。（二）STEAM教育理念契合左右脑分工理论1981年，美国神经生理学家罗杰斯佩里(RogerWolcott Sperry）也获得了诺贝尔生理学、138医学奖。斯佩里关于大脑两半球功能专门化的研究深刻揭示了科学创造和艺术创造的生理机制，超越了当时这方面所有的科学家，其中包括巴甫洛夫。15】他通过著名的“裂脑实验”揭示了大脑两半球的秘密，证实了大脑工作的不对称性，提出了“左右脑分工理论”，使我们认识到大脑两半球是高度专门化的。左脑的主要功能是语言、书写、分析、逻辑推理、数学运算、抽象思维等；右脑的主要功能是空间认知、形象思维、音乐、美术、舞蹈、情感、创造性及综合活动等。左脑以命题形式来分析事物的个别特性，并运用语言进行概括和抽象。右脑的信息加工方式是整体的、直观的、完形的，右半球长于形状知觉、空间知觉和处理音乐信息。总之，大脑两半球在功能上是专门化的，或者称之为一侧化或者单侧化。基于“左右脑分工理论”,有人将左脑称为科学脑,将右脑称为艺术脑。至此,我们似乎可以将左半球与科学家联系起来，而把右半球与艺术家联系起来，这似乎为巴甫洛夫的两种高级神经活动类型与科学家和艺术家之间的对应关系提供了新的脑科学证据。如果我们简单地认为STEM教育可以通过对学生的左脑进行专项强化训练就能够培养出富有创造力的科技工程人才，那仍然是对斯佩里大脑单侧化理论的误读。斯佩里的“左右脑分工理论”虽然强调大脑的左右分工，但是也特别强调正常大脑两半球的相互协调,因为两半球是由眠体(corpus cal-losum)连接起来的。肼眠体是连接大脑两半球的白质联合，由2 亿多条髓鞘化的轴突纤维组成，负责两侧脑半球之间的信息传递和功能整合。16 斯佩里(19 6 2)认为肼眠体能够激活未直接受到刺激的半球，进而促进两半球之间的信息共享，实现两侧的功能整合。Geschwind 和Galaburda(1985)发现,大脑单侧化程度与个体肼眠体大小呈负相关。17 这就意味着,大脑单侧化程度越低的个体拥有更发达的肼眠体。18 因此，发达的肼体可以降低两侧半球的不对称效应，进而使得两侧半球在不同任务中的差异减少。19 譬如，爱因斯坦的超级大脑最明显的特点之一就是其肥大的肼眠体。2 0 众所周知，脑是心理的器官，心理是脑的功能,所以，脑科学必然是心理规律和教育科学的生理基础。斯佩里的“左右脑分工理论”告诉我们，大脑两半球的分工与不同的智能有一定的对应关系，左脑与STEM教育的内容关系密切，右脑与艺术人文等学科关系紧密，肼眠体又将大脑两半球紧密联系了起来，STEM教育要培养学生的创造力离不开右脑的艺术，艺术人文的发展也离不开左脑的协助。这就是STEM教育进化为STEAM教育的脑科学生理基础。（三）STEAM教育催生科学教育的艺术化纵观人类灿烂的文明史，一直存在一种有趣的现象，那就是科学创造与艺术总是相互渗透,相互促进，相得益彰。在科学研究中许多重大的科学发现都有赖于科学家的美感、艺术直觉和想象力。例如，海森堡在发现量子力学时的惊慌、美妙与晕眩。韦尔因为凭直觉感受到自己提出的引力规范理论的美妙，最终证实自已的直觉完全正确。而法拉第“作为一个发明家，在很大程度上应归功于想象力给他的激励”。现在看来，之所以出现这种有趣现象是因为肼眠体发挥了沟通左右脑之间信息交流的无可替代的作用,尽管科学家主要使用的是左脑，而右脑的美感、艺术直觉和想象能力通过肼脏体影响了左脑,左右脑的功能相互配合和渗透，使人脑的思维立体化，不仅提高了人脑的创造力，同时也丰富了思维的艺术元素。脑科学的新发现和科学家的经验都表明，科学与美感和艺术能力是无法分离的，科学的发展也是艺术和美学的发展，科学教育艺术化是STEAM教育的核心，艺术是创造力发展的催化剂。STEAM教育就是要在学习科学技术和工程的过程中尽可能地接触艺术，使学生获得艺术的审美敏感性，最大限度地发挥右脑功能，最终实现学生的全面和谐发展。2 1四、STEAM教育的启示综上可见，从STEM到STEAM的进步彰显了教育者对脑科学规律从自发到自觉的认识升华。这一认识升华启示我们要在教育目标、教育结构、课程结构、教育方式以及教育评价观等教育环节中让基于脑的学习与教育落地生根。2 首先，就教育目标而言，STEAM教育有利于达成学生个性和谐发展的教育目标，并且这一目标取向有利于消解STEM教育“科学独尊”的倾向。艺术类综合学科的融合极大地消解了STEM教育的工具理性主义倾向，匡扶了失偏的教育目标。第二,就教育结构而言,STEM教育以课堂教学为主要的教育结构，忽略了课外实践活动与文化艺术对学生能力素养的养成功能。而基于左右脑协调发展的STEAM教育则将教育重新回归到课堂教学、实践活动与文化陶冶三位一体的和谐教育结构中，并根据时代发展的需要创新三种教育要素的组合方式。第三，STEAM教育主动追求课程结构的和谐，在传统的数理化、语言为主的左脑依赖型课程结构中融入艺术、操作、想象等右脑依赖型课程能够有效提升学习过程中左右脑的使用效率，这与合作教育学倡导者谢季宁提出的将形象性学科与言语性学科交叉排列的理念不谋而合。2 3 第四,STEAM教育运用言语和非言语两种方式进行教学，回归到和谐教育的教学方式。教师既用两种不同的方式教学，又鼓励学生运用言语和非言语两种方式学习，不仅可以促进学生直觉思维的发展，强化程序性知识的学习效果，同时优化内隐学习效果，而且可以促进学生数理逻辑思维的发展，有利于陈述性知识网络表征的建构。第五，从评价方式来看，STEM教育以传统的纸笔测试来测量学生的数理逻辑智能的发展，评价内容和目标失之偏颇，而STEAM教育则回归多元智能的教育评价观，从多元智能的视角对学生发展进行全方位评价，鼓励学生左右脑协调发展，促成全面和谐发展教育目标的落地生根。2 4 参考文献：1 袁振国.在脑科学中寻找教育智慧 J.同舟共进,2 0 2 0(1):18-2 1.2 詹森.基于脑的学习：教学与训练的新科学 M.梁平,译.上海：华东师范大学出版社，2 0 0 8.3 朱元华.STEAM理念下的小学数学拓展性课程实践研究 J.课程教学研究，2 0 17(10)8 8-9 4.4任秋燕基于STEAM理念的大班儿童工程教育研究 D.南京：南京师范大学,2 0 18.1395 魏晓东，于冰，于海波.美国STEAM教育的框架、特点及启示 J.华东师范大学学报（教育科学版),2 0 17,35(4):40-46+134-135.6任秋燕.基于STEAM理念的大班儿童工程教育研究 D.南京：南京师范大学，2 0 18.7赵慧臣，陆晓婷.开展STEAM教育，提高学生创新能力：访美国STEAM教育知名学者格雷特?亚克门教授 J.开放教育研究,2 0 16,2 2(5):4-10.8 白逸仙.斯坦福大学STEAM教育的方向及启示 J.中国高校科技,2 0 18(11):6 0-6 2.9李刚，吕立杰.从STEM教育走向STEAM教育：艺术(Arts)的角色分析 J.中国电化教育，2 0 18(9)：31-38.10 中国STEM教育2 0 2 9 行动计划在京启动 J.中小学信息技术教育，2 0 18(6)：5.11MICHAUD M R.STEAM:Adding art to STEM educationJ.District Administration,2014,50(1):6412 MICHELLE H.Land.Full STEAM Ahead:The benefits of Integrating the Arts Into STEM J.Procedia ComputerScience,2013,20:547-552.13胡卫平,首新,陈勇刚.中小学STEAM教育体系的建构与实践 J.华东师范大学学报(教育科学版),2 0 17,35(4):31-39+134.14 邵郊.巴甫洛夫的第二信号系统的概念和大脑两半球的功能专化问题 J.生物学通报，19 8 7(4):9-11.15 姚全兴.斯佩里对科学和艺术的启示 J.社会科学，19 8 5(2):51-53.16 LUDERS E,THOMPSON P M,TOGA A W.The development of the corpus callosum in the healthy human brainJ.Journal of Neuroscience,2010,30(33):10985-10990.17 GESCHWIND N,GALABRURDA A M.Cerebral lateralization:biological mechanisms,associations,and pathology:II.A hypothesis and a program for researchJ.Archives of 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and harmonious developmentaccording to modern brain science research.Sperrys Left and Right Brain Division Theory emphasizes not only the division oflabor of the two hemispheres of the brain,but also their coordination.STEM education mainly relies on the left brain,while artsand humanities education mainly relies on the right brain.Arts and humanities education is helpful to unleash the potential ofstudents right brain and can improve their creativity.The transformation from STEM with its priority over left brain to STEAMwith its priority over the two hemispheres means a progress in education globally,which enlightens us the coordination of left andright brains in teaching.Its educational implications are demonstrated in educational objectives,educational structure,curriculumstructure,educational approaches and educational evaluation.Key words:STEM,STEAM;Brain Science Foundation;Educational Implications【责任编辑：卿小莲】140