科學素養
科學是技術的基礎，為技術發明和運用提供依據。因此，科學素養是旨在使學生掌握科學知識、科學規律，形成科學精神。技術素養
技術是科學的運用，是科學的具體化。技術素養指向學生掌握、運用、評價和發明技術的能力。工程素養
工程是技術的實際運用。技術素養指對技術的工程設計與開發過程的理解、技術的評價與反思。數學素養
無論是科學、技術和工程都離不開數學，數學是掌握科學、技術和工程設計的工具。在這個意義上，數學素養是根基。它要求學生掌握數學知識、數學定理，能夠進行數學運算，具有數學推算的能力。STEM素養包含科學、技術、工程和數學四個方面的素養，這四個方面是環環相扣的，科學是根基，技術和工程分別是科學和技術的運用，數學作為工具運用在科學、技術和工程之中。STEM素養是綜合運用科學、技術、工程和數學領域的知識解決實際問題的能力。
在形式上，STEM是知識、方法、技能、能力、態度等多元素的綜合。沒有科學知識為基礎就不會有技術的創新。技術的創新沒有態度和情感的引導，缺少創新的動力和創新的價值。所以，STEM素養既不單指知識，也不單指創新能力，而是知識、技能、能力、情感等因素的綜合。當然，每個因素又是多種因素的綜合，如科學技術知識涉及數學、物理、化學、生物、地球、信息等，技能包括學習與創新技能、媒介數字素養技能、職業和生活技能。能力包括思考與問題解決能力、探索學習能力、科技實踐能力、創意革新能力。STEM因培養科技人才，應對國際科技競爭而興起，因此，最初STEM指向科學技術教育和創造、運用。但鑒于科技的兩面性，科技需要人文加以引導，因此，STEM就增加了Art，變為STEAM。這里的A，最早是韓國提出的，指的是藝術。后來美國把'A'也吸納進去，賦予了它更廣泛的含義，不僅僅指藝術，還包括人文、語言、文化、社會學等十多門學科。A的加入，不僅培養學生對科技的向往和熱愛的情感，對STEM領域的態度和興趣，而且引導學生形成正確的科技觀、科技運用觀，防止人在創造技術之時，又被技術所異化，成為只有技術而無人性的單面人。與分科課程相對，STEM是一種綜合性課程，這是毫無疑問的。它與分科課程的關系有兩種認識，一種是以STEM課程取代傳統的數學、物理、化學、生物等分科課程，對其內容進行充分整合，組成一門新的STEM課程。另一種是把STEM課程作為一種后設課程，即在分科課程之后設置的課程，指學習者在學習分科課程之后再學習STEM課程。前者以STEM課程取代與科學、技術相關的分科課程；后者則是在分科課程的基礎上，綜合運用STEM的知識，研究和解決工程問題。筆者更傾向于把STEM作為分科課程之后的后設課程，是對分科課程知識的綜合運用，進行科技創新，解決實踐中的問題。筆者不主張用STEM課程取代分科課程，因為分科課程以學科知識本身的邏輯來組織，它使學生能夠集中、快速有效地獲取系統的基礎知識，其劣勢就在于沒有任何一個現實問題是能夠運用一門學科的知識解決的。STEM課程在于綜合運用各門學科的知識解決現實問題，這是它的優勢，但劣勢在于各門學科都用到，但卻無法獲得系統的學科知識。如果沒有分科課程保證學生獲得系統的知識，僅靠STEM課程不可能有效地掌握系統的知識。如果沒有系統學科知識，也談不上綜合運用知識進行科技創新和解決實踐問題。所以，筆者主張STEM課程成為分科課程的后設綜合課程，分科課程是學習STEM的基礎，STEM是對分科課程知識的綜合運用和深化發展。學生對分科知識掌握得越系統，解決實踐問題時綜合運用知識的能力就越強。所以，STEM的綜合是建立在學科基礎上以及學科與社會、學科與個人之間的聯系上。STEM是科學、技術、工程和數學的綜合，之所以綜合它們，不僅是因為它們是解決科技問題的需要，而且因為這四門學科具有相通性和滲透性，它們本身在解決現實科技問題時是一個整體。整合是STEM的最突出特征和要求。整合不是四門學科的匯集，它強調對知識的綜合應用和對學科之間關系的關注。“將重心放在特定問題上，強調利用科學、技術、工程和數學等學科相互關聯的知識解決問題，試圖從多學科知識綜合應用的角度提高學生解決實際問題的能力”。STEM課程是通過對科學、技術、工程和數學四個領域的整合而形成的綜合課程。其綜合的程度不同，形成相關課程、融合課程和核心課程。STEM相關課程
相關課程是在保留原先分科課程的基礎上，尋求四個學科之間的共同點和交叉點，使這些學科能夠按照互相照應的順序進行。這樣的課程不改變原先的課程，需要四個學科的老師一起備課，看看哪些主題具有相關性，按照相關的主題進行教學。在教學中，以其中的一門課程為主，其他課程是輔助式的。比如學習物理學，需要相應的數學為基礎，同時，把物理的結論應用于工程技術實踐之中。這樣的課程只需要四個學科的老師協調，不改變課程本身。融合課程要消除分科的界限，將四門學科的知識整合為一個新的領域。這樣的課程依托于科學、技術、工程與數學，內容具有高度的整合性。融合課程涉及到多個學科，它需要一個大的主題單元才能把相關的內容納入其中。因此，也稱為廣域課程。融合課程、廣域課程更多地是強調在一個相對廣闊的主題下融合各個學科，如同前面分析的，僅靠STEM融合課程難以保證學生獲得相應學科的基礎知識。智能教育評價
人工智能技術不僅僅會在試題生成、自動批閱、學習問題診斷等方面發揮重要的評價作用，更重要的是可以對學習者學習過程中知識、身體、心理狀態的診斷和反饋，在學生綜合素質評價中發揮不可替代的作用，包括學生問題解決能力的智能評價、心理健康檢測與預警、體質健康檢測與發展性評估，學生成長與發展規劃等。智能教師助理
人工智能將替代教師日常工作中重復的、單調的、規則的工作，緩解教師各項工作的壓力，成為教師的貼心助理。人工智能技術還可以增強教師的能力，使得教師能夠處理以前無法處理的復雜事項，對學生提供以前無法提供的個性化、精準的支持，傳授知識效率大幅度提升，有更多的時間與精力來關注每個學生的身心全面發展。STEM核心課程
融合課程更多地是整合科學、技術、工程與數學的知識，核心課程則是以科技或工程問題為核心，根據解決問題的需要，讓學生通過活動，組織所需要的科學、技術、工程與數學的知識，形成連貫、有組織的課程結構。STEM核心課程偏重于知識的綜合運用，適宜于在學習分科課程之后進行，它主要是檢驗知識的運用，培養學生綜合運用知識解決問題的能力。相關課程、融合課程是基于學科知識不同程度的綜合，相關課程通過尋找分科課程中知識之間的交叉點和共同點，對原有的學科課程知識進行重組，通過序列化串起這些學科的知識。相關課程依托分科課程，它不主張取消分科課程。而融合課程則主張打破原有的分科課程的界限，按照跨學科的邏輯，將各學科的內容改造為以問題為中心組織課程。雖然相關課程與融合課程都以知識為取向，但相關課程更偏于獲得系統的基礎知識，融合課程更強調通過學生探究，自主解決問題，促進學生對知識的理解和建構，培養學生的科學探究精神、掌握科學探究的方法，形成解決問題的技能和自主創新的能力。
核心課程不是知識取向，它圍繞著重大社會問題而組織。如何選取核心課程的問題，也有社會本位和兒童本位兩種不同認識。社會本位的核心課程以當前社會值得關注的、重要的社會問題，諸如環境污染、生態危機、人口增長、可持續發展等，來組織和編排不同學科的知識內容，使學生通過這些問題的探索不僅學得相應的知識，而且增強社會責任感。學習者(兒童)本位的核心課程，是充分考慮到學習者(兒童)的需要，以學習者(兒童)當下的生活與經驗為核心，通過相應的活動，在經驗中尋找各學科整合的模式。核心課程“一般采用基于項目的學習模式(project-based learning)，以實踐性的項目完成為核心，將跨學科的內容、高級思維能力發展與真實生活環境聯系起來”。
就STEM而言，相關課程、融合課程的知識整合取向和核心課程的社會本位、兒童本位取向側重點不同。但就設計STEM課程的初衷而言，主要是強化學習者創新實踐能力，所以，筆者認為社會取向的核心課程更為適合STEM課程。
社會取向的核心課程，第一，必須包含數學和科學。數學和科學是STEM的基礎學科。沒有數學和科學的基礎，STEM就可能成為創造發明課，甚至是低級的項目設計活動。因為離開了系統的科學知識，創造發明就成為無源之水、無本之木。雖然STEM不能局限于知識學習，但必須基于知識學習，而且是知識的綜合學習。其知識學習以科學和數學為基礎，且強調學科間的聯系。第二，以工程設計作為STEM課程的架構。數學和科學是STEM的暗線，工程是STEM的明線。STEM就是要利用工程設計的整合作用，“所謂'工程設計’是工程師用于解決工程問題的方法，通常是指為了讓某種設備或過程服務于某種特定目的的最佳方案。”基于工程設計的項目可以有多種選擇：任務項目、學科項目、問題項目。通過項目學習，激發學生對科學和技術的興趣，發展綜合運用知識和整合知識的能力。第三，STEM的課程要基于真實的情景。STEM工程設計面向生活，尤其是學生能夠接觸到的日常生活、社會生活，所要解決的問題必須是真實問題，做到真問題、真探究。STEM固然是一種融科學、技術、工程與數學為一體的課程，但如果這個課程不能夠運用恰當的方法進行教學，也構不成一個STEM課程。STEM課程其實施策略也有特定的要求。如同前面所述，STEM暗線是科學和數學，明線是技術和工程。科學和數學是技術和工程的原理和基礎，技術體現在工程之中。STEM課程基于工程設計的項目為架構，利用工程設計整合課程內容，產生具體項目，把科學、數學的基礎知識和技術能力融合在工程項目之中。所以，STEM課程的學習要求一種基于問題的探究性學習，強調實踐探究與工程設計。這也是STEM中E(工程)的含義與要求。根據綜合運用科學、數學和技術的知識解決工程中問題的要求，STEM的教學主要步驟有：發現問題
STEM學習是探究性學習，探究必須從問題開始。STEM的問題是基于生活情景的真實問題，這個問題可以由教師給定，也可以學習者自己發現。教師給定的，屬于驗證某個結論的，這樣的探究具有模擬性。學習者發現的問題，如果沒有一定的限定條件，與科學家發現問題完全一樣，本身不是學生的學習。因此，STEM的問題既需要開放和創造，也需要一定的限定。教師要在一定的條件下引導學生發現問題，發現問題是STEM的開端。提出假設或設計方案
科學假設是科學理論的一種可能表達。科學研究之所以不是盲目的嘗試，就在于它是有根據的，是一個提出假設、求證假設的過程。科學假設是根據已有的科學知識和觀察到的事實，對所研究的問題提出的一種猜測性陳述、一種可能性的解答。假說是一種猜想，但不同于無端的猜想，它是基于已有的科學知識和新的科學事實作出的一種科學假定，因此，假說是科學性和假定性的統一。提出假設固然要基于科學原理和事實，但假說的提出更需要思維的提煉。對于工程問題而言，提出假設的過程也是制定方案的過程。科學求證或實施方案
假說是否是真理，需要科學驗證。這種驗證需要收集證據，需要對證據進行分析和驗證，需要科學實驗，也需要邏輯思維。證據收集是科學求證的第一步。證據可以來自于觀察，也可以來自于實驗，還可以基于科學原理的邏輯推理。求證過程中，需要對證據進行驗證，顯示其科學性。對于工程問題而言，就是要把設計的方案付諸實施，從而驗證方案。如果無法驗證或者驗證不成功，就需要返回到步驟2，重新提出假說。因此，STEM是一種基于證據的學習。
得出結論或評估方案
科學假設通過科學求證和數據分析，對假設進行驗證：假設是否成立，是否需要修正，等等，都需要通過科學驗證后得出定論。由于科學研究的復雜性，一次實驗求證不一定都能得出確定的結論。因此，它需要不斷修正方案，不斷進行驗證，進而不斷地修正結論。對于科學研究來說，這個過程看中的是結果，但對于STEM的學習而言，過程比結果重要，因為在過程中培養了學生的探索精神和解決問題的能力。對于工程問題而言，就是要根據方案的實施情況對方案進行評估，驗證其效果，進而進行修正和完善。反思分享
從提出問題到得出結論，是科學研究的完整過程。但作為一個教學策略，STEM還應該有一個反思分享環節，通過這一環節，學習者對自己發現問題、驗證問題和得出結論中的經驗和錯誤做出分析，提煉成功經驗，促進解決方法的可遷移性，提升學習遷移能力。同時，與學習者共同的分享交流有助于產生新的觀點，發現新的問題。當然，STEM教育有多種類型，有學者列舉了驗證型STEM、探究型STEM、制造型STEM、創造型STEM，不同類型的STEM，其教育策略有所不同。不管哪種策略，都要使學習者經歷完整的科學研究過程。但STEM作為學生的一種學習方式還不可能完全像科學家那樣創新，它需要教師的指導和提供一定的典型材料，設計一定的結構化程序。從驗證型STEM到創造型STEM，研究的成分越來越強，因此就是要不斷減少教師的指導，增強學習者的自主性和創造性。STEM的學習就是要培養學生的創新能力，實現從驗證到創新的突破。創新型STEM教育就是要綜合運用知識，完成一個創新物品的設計，其進一步的發展就是創客教育。在對STEM知識的綜合運用和創新能力的培養上，創客教育和STEM是相同的，只不過STEM教育面向中小學生，更強調STEM素養的養成，為成為創客奠定基礎。創客教育強調創造新的產品。與創客教育相比，STEM還需要教師對學生的指導，尤其是驗證型STEM，教師的指導應該更多一些。
