stem(科学、技术、工程和数学教育)

STEM是科学(Science),技术(Technology),工程(Engineering),数学(Mathematics)四门学科英文首字母的缩写,其中科学在于认识世界、解释自然界的客观规律;技术和工程则是在尊重自然规律的基础上改造世界、实现与自然界的和谐共处、解决社会发展过程中遇到的难题;数学则作为技术与工程学科的基础工具。

STEM课程重点是加强对学生四个方面的教育:一是科学素养,即运用科学知识(如物理、化学、生物科学和地球空间科学)理解自然界并参与影响自然界的过程;二是技术素养,也就是使用、管理、理解和评价技术的能力;三是工程素养,即对技术工程设计与开发过程的理解;四是数学素养,也就是学生发现、表达、解释和解决多种情境下的数学问题的能力。

1986年美国国家科学委员会发表《本科的科学、数学和工程教育》报告。

2006年1月31日,美国总统布什在其国情咨文中公布一项重要计划——《美国竞争力计划》(American Competitiveness Initiative,ACI),提出知识经济时代教育目标之一是培养具有STEM素养的人才,并称其为全球竞争力的关键。由此,美国在STEM教育方面不断加大投入,鼓励学生主修科学、技术、工程和数学,培养其科技理工素养。

2009年1月11日,美国国家科学委员会(National Science Board,以下简称委员会)代表NSF发布致美国当选总统奥巴马的一封公开信,其主题是《改善所有美国学生的科学、技术、工程和数学(以下简称STEM教育)》。 明确指出:国家的经济繁荣和安全要求美国保持科学和技术的世界领先和指导地位。大学前的STEM教育是建立领导地位的基础,而且应当是国家最重要的任务之一。委员会督促新政府抓住这个特殊的历史时刻,并动员全国力量支持所有的美国学生发展高水平的STEM知识和技能。

2011年,奥巴马总统推出了旨在确保经济增长与繁荣的新版的《美国创新战略》。新版的《美国创新战略》指出,美国未来的经济增长和国际竞争力取决于其创新能力。“创新教育运动”指引着公共和私营部门联合,以加强科学、技术、工程和数学(STEM)教育。

由美国技术教育协会主办的73届国际技术教育大会于2011年3月24日-26日在美国明尼苏达州明尼阿波利斯市举行。会议主题为“准备STEM劳动力:为了下一代”。

2016年9月14日,美国研究所与美国教育部综合了研讨会与会学者对 STEM 未来十年的发展愿景与建议,联合发布:《 教育中的创新愿景》(STEM 2026:A Vi­sion for Innovation in STEM Education) 。旨在推进STEM教育创新方面的研究和发展,并为之提供坚实依据。该报告提出了六个愿景,力求在实践社区、活动设计、教育经验、学习空间、学习测量、社会文化环境等方面促进 STEM 教育的发展,以确保各年龄阶段以及各类型的学习者都能享有优质的 STEM 学习体验,解决 STEM 教育公平问题,进而保持美国的竞争力。

美国政府近年来加大了对从小学到大学各个层次的STEM教育的支持力度,推出教育基金,鼓励各州改善STEM教育,加大对基础教育阶段理工科教师的培养和培训。政府还要求科学家多去学校演讲和参与课外活动,以激发年轻人对科学知识的兴趣。 

汤莫斯·弗瑞德曼在《世界是平的》中写到,2003年世界上共授予二百八十万个科学和工程的学士学位。其中一百二十万个学位被授予在亚洲大学里的亚洲学生。八十三万个学位授予给欧洲的学生。 四十万个学位授予美国的学生。在中国百分之六十的学士学位是授予科学和工程专业的学生,而美国只有百分之三十一。这一支训练有素的科学与工程队伍正在加强一个国家的竞争力。在一个科学和技术占主导地位的世界里,这是一个国家竞争力的重要因素。

美国教育部密切注意到在中国有多于50%的学士学位是授予科学,技术,工程和数学的学生,而在美国只有17%的学士学位是授予这些领域的学生。统计数据显示,美国生产的科学与工程方面的博士数量的全球份额正从二十世纪七十年代高于50%的水平下降到2010年的15%。正是中国,印度,韩国等国家加大在教育,技术和研发方面的投资,使得美国感到自己已经不再是世界创新的产权绝对拥有者,从而美国经济的领袖地位受到挑战。

2016年教育部出台的《教育信息化“十三五”规划”》中明确指出有效利用信息技术推进“众创空间”建设,探索STEM教育、创客教育等新教育模式,使学生具有较强的信息意识与创新意识,养成数字化学习习惯,具备重视信息安全、遵守信息社会伦理道德与法律法规的素养。

小学

科学问题本就源于自然,源于某一现象的问题,如“为什么杯子里的热水会变凉?”工程学则源于需要解决的某个难题,例如“怎样让房子更保暖?”这两个貌似不相同的问题,其本质却都是热学中能量的传递问题。当教学围绕这个本质展开时,就有了一条隐形的线索,将科学和工程问题有效地结合在一起。可见,STEM的教学并不是简单地将科学与工程组合起来,而是要把学生学习到的零碎的知识与机械过程转变成一个探究世界相互联系的不同侧面的过程。

在科学、技术、工程、数学之间存在着一种相互支撑、相互补充、共同发展的关系。如果要了解它们,尤其是它们之间的关系,就不能独立其中任何一个部分,只有在交互中,在相互的碰撞中,才能实现深层次的学习、理解性学习,也才能真正培养儿童各个方面的技能和认识。

可见,当教师在考虑如何将STEM教育引入中小学科学课堂时,必须将它们看作4种彩线,交织在一起,融合在一起,才能织出绚丽的画卷。

2016年10月20日上午,来自印第安娜州的美国老师September在杭州时代小学小礼堂,用英文指导孩子做电路实验;同一时间,美国老师Brent在保俶塔实验学校为学生解读建筑设计,美国高中生物老师Joye在杭州十四中授课。前一天,杭州这三所学校的科学、数学老师,也给美国老师们还原了他们的stem课程。省教育厅教研室副主任张丰指出,今后将推进中小学stem教育纳入“十三五”工作重点,加大财政支持。

中学

2015年9月,江苏省青少年科技中心、江苏省科技教育协会和教育部基础教育实验室建设与实验教学研究中心(南京市教育局)签订合作框架协议,正式实施STEM课程,推进中小学教育创新。

2015年11月16日,教育部基础教育实验室建设与实验教学研究中心建设工作推进会在南京举行,金陵中学、中华中学上新河初中、小营小学等30所学校正式授牌教育部基础教育实验室建设与实验教学研究中心第一批基地学校,96位研究人员正式受聘。

2016年联合国教科文组织亚太国际教育与价值教育联合会、国际教育荣誉学会、中美国际教育协会定于今年10月在北京、浙江等地举办STEM+创新教育论坛活动,特邀30位美国STEM+创新教育领域的专家,与我国研究者深入交流。

新加坡科学馆馆长Lim Tit Meng副教授表示:让新加坡人从幼年起就接触到3D打印和增材制造对于新加坡在研发和产品创新领域的未来至关重要。

2016年7月21日由西交利物浦大学、江苏省青少年科技中心、江苏省教育厅基础教育处主办的“2016国际STEM科学节”在西交利物浦大学中心楼成功落下帷幕。江苏省教育厅基教处处长马斌表示,举办科学节,就是要培养一种科学思维、理性思维,而且思考如何把科学和理性融于生活。科学节是基于对生活本身的理解,基于对学习的深化。通过动脑、动手,促进学生健康、快乐地成长,培养学生的创新思维、实践能力和知识的积累。对于STEM来说,它是一种新的教育理念,它最主要是一种基于PBL,项目引领的方式,学生通过一个项目如何综合运用科学技术、工程、数学四方面知识,解决真实世界中的问题是它主要的特点。

香港前教育统筹委员会委员戴希立表示“STEM来自美国,除了科普教育,更重视学生解决问题和动手的能力,香港却在书面上的能力强,但动手设计、实际解决问题相关技能较弱。在课程内,综合科学和小学常识科内容是否可与时俱进?到科学科上的实验设计如何引起学生好奇心?套用到香港教育时需要作出调节。

在matlab中,stem函数用于绘制火柴梗图。stem英文有“(工具的)柄,把,杆,茎,(树)干,(叶)柄的意思。

在matlab的命令窗口中输入doc stem或者help stem就可以获得该函数的帮助信息。

调用格式

stem(Y)

stem(X,Y)

stem(...,'fill')

stem(...,LineSpec)

stem(axes_handle,...)

h = stem(...)

各种格式详细说明请参阅matlab帮助文档。

相关函数

plot、ezplot、line、figure、set、bar、stairs

程序示例

% stem exampleclc

x=0:0.2:2*pi;

y=sin(x);

subplot(221);

stem(y);

subplot(222);

stem(x,y,'fill','--');

subplot(223);

h=stem(x,y);

set(h(1),'MarkerFaceColor','green')

m=0:0.3:2*pi;

n=[cos(m);0.5*m]';

subplot(224);

h2=stem(m,n);

set(h2(1),'MarkerFaceColor','blue')

set(h2(2),'MarkerFaceColor','red','Marker','square')

扫描透射电子显微镜(scanning transmission electron microscopy,STEM)既有透射电子显微镜又有扫描电子显微镜的显微镜。像SEM一样,STEM用电子束在样品的表面扫描,但又象TEM,通过电子穿透样品成像。STEM能够获得TEM所不能获得的一些关于样品的特殊信息。STEM技术要求较高,要非常高的真空度,并且电子学系统比TEM和SEM都要复杂 。

工作原理

STEM成像不同于一般的平行电子束TEM, EDS 成像,它是利用会聚的电子束在样品上扫描来完成的。在扫描模式下,场发射电子源发射出电子,通过在样品前磁透镜以及光阑把电子束会聚成原子尺度的束斑。电子束斑聚焦在试样表面后,通过线圈控制逐点扫描样品的一个区域。在每扫描一点的同时,样品下面的探测器同步接收被散射的电子。对应于每个扫描位置的探测器接收到的信号转换成电流强度显示在荧光屏或计算机显示器上。样品上的每一点与所产生的像点一一对应。从探测器中间孔洞通过的电子可以利用明场探测器形成一般高分辨的 明场像。环形探测器接受的电子形成暗场像。

相关词汇