STEAM教育，是以塑造21世纪核心素养为目标的教育革新运动，是为未来而生。因此，准确掌控未来发展趋势是其成功的关键以及价值所在。时值年终岁末，让我们也来展望一下STEAM的未来趋势。ISTE年度论坛和博览会（ISTE Conference & Expo）是全球规模最大、历史最为悠久的K12教育科技盛会。该大会一直是以学习为目的的思想交流和教育技术领域探索的最主要论坛。每年大会都汇集世界一流的主题演讲、数百场讨论会以及宏大的国际电教装备展览。ISTE：美国国际教育技术协会（International Society for Technology in Education，简称ISTE），是一个在教育科技领域拥有遍及全球的会员，并占有主导地位的非盈利专业组织。致力于合理运用信息技术支持和提高K12教育的教学、技术运用和管理的水平。
2019年6月，该大会在美国宾夕法尼亚州的费城如期举行。大会上有一个颇具启发性的主题演讲——《面向未来的STEAM》（STEAM to the Future: What’s Next in STEAM, Design, and Making）。演讲嘉宾是《通过发明来学习》（Invent to Learn：Making, Tinkering, and Engineering in the Classroom）一书的作者西尔维亚·马丁内斯（Sylvia Martinez）女士。马丁内斯以2019年为原点，回溯和展望了前后50年：从1969年到2019年，再到2069年，这一百年中世界科技的发展历程。并针对正在迎来的第四次工业革命，指出影响STEAM教育未来方向的10大因素： 2. The End of Moore’s Law 4. Augmented and Virtual Reality 6. AI and Machine Learning 7. Small Solutions for Big Problems 8. Algorithms Bias & Ethics通过深入研究这些因素，STEAM未来趋势可以被归纳为以下的3-2-1：✽✽✽
摩尔定律（Moore’s Law）失效，是由于其所描述的硅基计算机性能的提升已接近上限。近年来，知名图形处理器制造商英伟达（NVIDIA） CEO 黄仁勋在多个场合表示摩尔定律已经结束。并且有数据表明，半导体技术的增长从2013年年底已经开始放缓。摩尔定律，是由英特尔（lntel）联合创始人戈登·摩尔( Gordon Moore)经过长期观察，在1965年发现并提出：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月至24个月就会增加一倍，性能也将提升一倍。取而代之的是卡尔森曲线（Carlson Curve），其描述的是DNA测序的速率或每个测序碱基的成本与时间的关系，被称为生物技术领域的摩尔定律。2003年时卡尔森预测：包含DNA测序、DNA合成、以及用于蛋白质生产和结构测定等一系列技术或工具成本下降与性能提升的速度至少与摩尔定律一样快，在某些情况下甚至更快。卡尔森曲线，2006年英国《经济学人》（The Economist）杂志以罗伯特·卡尔森（Robert Carlson）的名字正式命名了这一术语。摩尔定律的失效和卡尔森曲线的出现，说明生物技术将逐步替代信息技术，成为世界发展的第一引擎。未来发明与创造将更多来源于对生物科技的运用。例如，生物制造（Biomaking）技术可以利用有机材料制造出各类物品，来替代传统的石油化工产品。从而有效地降低污染，并进一步减少地球资源浪费和环境破坏。合成生物学（Synthetic Biology）将工程原理应用到生物学中，来设计和构造生物组件和系统。可以应用在生物医学，生物疗法，生物材料，生物传感器和生物燃料等诸多领域。例如：人工设计构造的微生物或细菌，可以用来生产廉价的可替代能源、消灭肿瘤、传送药物、检测饮用水中肥料扩散程度、探测地雷的位置分布等。下图中可以监测糖尿病患者血糖水平的生物传感器纹身，就是一个非常有趣且有用的实例：生物计算机（Biocomputers）则是通过使用经历十亿年进化而来的细胞分子或生物衍生分子（例如DNA和蛋白质）的系统，构造出可以执行存储、检索和数据处理等任务的、极其节能的纳米机器或纳米级计算机。2017年，麻省理工学院媒体实验室（MIT Media Lab）创始人尼古拉斯·尼葛洛庞帝（Nicholas Negroponte）教授曾指出：生物技术将成为像MIT媒体实验室这样的科研机构下一个10年的主导思想；生物技术将像数字技术一样给人类带来深刻变革。他相信未来自然的世界与人工的世界将混合在一起；人类可以对生物的行为进行编程，创造更美好的自然世界。“ Biotech is the new digital ”
麻省理工学院总是走在科技的最前沿。早在2004年，就曾创办iGEM国际遗传工程机器（International Genetically Engineered Machine）设计竞赛。这是一个世界级的一年一度合成生物学竞赛，旨在培养合成生物学人才，促进各国大学本科生在该领域的学习、交流与合作。每年大赛主办方提供给各参赛队伍一份DNA标准样本库，各队自行选题并通过设计和模型分析，将所需样本导入现有的生物体系，合成新的生物工程系统。
信息技术经过几十年的高速发展趋于成熟。在未来相当长时间里，必将会给人类社会带来更多深刻的变革。尤其是人工智能、机器学习、机器人、以及增强现实和虚拟现实等领域的发展，及其与生物技术的紧密结合，会产生多种形态的“人机融合”，将大大增强人类适应或改造自然的能力。狭义的人机融合，是指人类将自己的神经系统与计算机处理器、传感器以及机械装置等相连接，甚至可以将人类意识与机器智能相连通，以达到弥补或增强人类某种特定能力的效果。广义的人机融合，还包含各种形式的人机协作。人与机器之间不再是人与工具的关系，也不是替代关系，而是共生关系。
正如世界经济论坛创始人兼执行主席克劳斯.施瓦布（Klaus Schwab）在《第四次工业革命》一书中描述的：我们将迎来一场前所未有的科技革命，进入一个模糊了实体、数字、生物之间界线的时代。是由人工智能、生命科学、物联网、机器人、新能源、智能制造等一系列创新所带来的物理世界、数字世界和生物世界三者的融合。在这个模糊了人机之间界限的混合经济里，在沉浸式技术工具的帮忙下，人与人之间的协作方式和方法将会有更大的想象空间。这些也会重塑教育、工作以及娱乐等人类生活和生存的方式。微观装配（Fabrication）概念来源于微观装配实验室（Fabrication Laboratory，or Fab Lab），其是一个几乎可以制造任何产品或工具的小型工厂。Fab Lab最初的灵感来源于麻省理工学院（MIT）比特与原子研究中心（Center for Bits and Atoms，CBA）尼尔·格申斐尔德（Neil Gershenfeld）教授于1998年在MIT开设的一门课程，叫做“如何制造万物”（How to Make Almost Anything）。这门课很快成为他最受欢迎的一门课，因为即使那些没有任何技术经验的学生在课堂上也能创造出很多令人印象深刻的产品。
格申斐尔德教授认为与其让人们被动接受科学知识，不如提供相关知识、装备及工具，让他们自己来发现科学。于是第一个Fab Lab于2001年在美国波士整理创办，旨在提供低成本的、支持个人面向应用的、融合从设计、制造，到调试、分析及文档管理各个环节的创新制造环境，帮忙创客将创意快速现实和验证。此外，其提供的创客服务、培训、交流平台在国际创客圈中也广受欢迎。到目前为止，遵循这样理念和原则的认证机构在全球已超过2500家，分布在100多个国家。中国从2013年上海开办第一家Fab Lab以来，全国已有40多家认证机构。格申斐尔德教授将我们正在经历的数字革命，称为第三次数字革命，是以生产可编程的材料（即数字材料）为标志。相对而言，第一次数字革命是产生可编程的比特（即软件）；第二次是产生可编程的制造（即数字制造）。通过数字编程与微观装配，不仅可以生产出用比特编排的软件或物件，还可以生产出将原子重新组装的新型材料。微观装配将会成为生物技术与信息技术相融合的一种实践方式。各项科学技术的发展为创造发明提供了低成本的便利条件。使得发明创造将不仅发生在拥有昂贵实验设备的大学或研究机构，也不仅局限于少数专业科研人员，而是有机会在任何地方由任何人完成。近些年来，创客运动的兴起正是发明创造民主化（Democratize Invention）的体现，并有效促进了群集学习与实践的发展。进而为群集智慧的产生创造群众基础和便利条件。正如前麻省理工媒体实验室主任伊藤穰一在《爆裂》一书中提到的“涌现优于权威”。涌现是指简单个体通过某种自组织的方式构成一个全新的系统，这个新系统拥有远远大于个体能力之和的超能力。在面对那些世界级的高难度问题时，这种自下而上的涌现往往比自上而下权威主导的方式产出更好的成果。Fab City网络则是将社区型Fab Lab提升到城市级别发挥群集智慧的一种实践。2011年在秘鲁首都利马举办的FAB7国际会议上提出，并于2014年西班牙巴塞罗那的Fab10会议上正式启动的Fab City计划，致力于打造一个全球性的城市网络。通过知识和解决方案的共享，促进发展自给自足的城市，建设更加人性化的居住环境。为了达到Fab City的预期目标，必须全面了解城市内部的运作方式，需要更多不同领域的成员一同参与，包含公民领袖（地方领导者或决策者）、自造者、城市主义者等。通过把当地的Fab Lab和生产网络连接到全球的供应链网络，并在全球网络中共享各地的解决方案，包含数字制造、能源再生、智能能源网络、电力出行、城市永续耕种、智能基础设施、和相关的政策法规等，共同探索城市建设的最佳实践。进入21世纪，全球的可持续发展面临愈加严峻的挑战，包含：人口增长带来地球资源消耗持续上升，以及科技发展带来环境的破环和伦理道德等问题。2015年，联合国可持续发展峰会正式通过了《2030年可持续发展议程》。提出从2015年到2030年间以综合方式彻底解决社会、经济和环境三个维度的发展问题，从而为全球的可持续发展开辟道路。该议程制定了17个可持续发展目标：消除贫困；消除饥饿；良好健康与福祉；优质教育；性别平等；清洁饮水与卫生设施；廉价和清洁能源；体面工作和经济增长；工业、创新和基础设施；缩小差距；可持续城市和社区；负责任的消费和生产；气候行动；水下生物；陆地生物；和平、正义与强大机构；促进目标实现的伙伴关系。数据显示：2015年时，世界人口有将近40亿人生活在城市，占总人口的54%；预计到2030年，世界城市人口将上升至约50亿；到2054年时，城市人口将达到70%。如此快速的城市化进程将给世界的可持续发展带来巨大的挑战，亟待城市建造和管理方式的重大转变。于是，2054 Fab City全球倡议（2054 Fab City Global Initiative）应运而生。该行动计划呼吁：在2054年之前，每座城市都能够生产其所消耗的所有资源，成为自给自足的城市。目前有包含中国深圳在内的全球34个城市参与到行动中，并且这个数字还在逐年增加。BIEA国际青少年科创大赛（International STEM Youth Innovation Competition）是英国国际教育协会（BIEA，British International Education Association）主办的，针对9-21岁青少年的STEM国际赛事。每届都会选择一个世界性的环境或是社会问题，让青少年用STEM方式去寻找解决方案。2019年大赛的主题为：无人机大战物种灭绝（Fighting Extinction）。而2020年大赛的主题则锁定在塑料污染这一最严峻的世界性环境问题上：STEM“塑”战“塑”决——捍卫海岸线（SOS，STEM (Stop) the Tide of Plastic Pollution）。由于大赛主题与联合国可持续发展目标高度契合，该赛事还将纳入中国宋庆龄青少年科技文化中心“构建人类命运共同体，促进青少年可持续发展创新示范项目”2020年度计划。数学，被广泛应用在各种学科中，尤其是理工学科；在STEM/STEAM中也都占有非常重要的位置。然而，恰恰因为数学是一门非常基础而传统的学科，又往往容易被大家所忽视。近一百年来，数学教学是所有学科中变化最小的。学校里教的数学，除了基本概念之外，更多侧重在计算能力的训练上。然而，数学不等于计算，计算只是数学中的一部分。俗话说，数学是大脑思维的体操。体操能使身体健康、动作协调。数学能使思维敏捷、有逻辑。有了良好的数学思维训练，才能在其他学科中有效运用数学知识解决问题。所以，数学思维是数学学习的关键。在“人机融合”的21世纪，我们每个人都有两个“脑”：人脑+电脑（计算机的中文名称用在这里再合适不过）。当面对一个数学问题，或任何实际问题时，可以同时动用两个脑。对这两个脑的使用越熟练、这两个脑之间的配合越灵活，解决问题的方法就越多、效率就越高。因此，我们还要掌握使用电脑的思维方式，即计算思维。计算思维是运用计算机科学的理论和概念进行问题求解的方法论，是依据电脑体系结构特点建立起来的思维模式。当计算机体系结构发生变化，计算思维也会有相应的发展变化。计算思维与数学思维都是以数学抽象为基础的，既有素质区别，又有相通之处。因此，两者之间有很强的关联性和互补性。人脑擅长逻辑推理和演绎，电脑擅长计算、归纳和迭代。于是，数学学习就变成同时训练两个脑的过程。不仅要分别掌握数学思维和计算思维，而且还要将两者进行关联和对比，寻找两个“脑”之间最佳的配合方式，才是这个时代学习数学的正确姿势。数学思维的培养、计算思维的引入、将数学与工程和实际问题相结合，将非常有助于数学与其他学科的融合，以及解决实际问题的精度与效率。以上3-2-1未来趋势的展望，给STEAM教育的探索与实践带来以下几点启示：第一，STEAM课程研发，应该加大生物技术、信息技术和微观装配这三大主题内容的占比；第二，STEAM教学过程，应该加强群集学习与创造的训练，以及与世界可持续发展的重大问题的关联；第三，STEAM教育革新，应该提高对数学学习创新的重视程度。此外，STEAM教育还要与时俱进，不断推陈出新。应该以“年”为单位迭代更新课程的主题和内容。由于所面临的挑战之大、所涵盖的范围之广，STEAM教育自身也同样需要通过群集智慧的方式加速发展。迫切需要各大高校、科研机构，以及工程技术、艺术、设计、社会科学等各领域专家学者的积极参与，共同为21世纪的教育革新运动贡献力量。
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