STEM教育是一种将学术性的学科知识转化为可解决实际问题的生活性知识，是基于真实问题情景的探究式学习方式。它的理论依据来源于建构主义、认知科学和实用主义教育学。学生先前储存的知识影响其对周围事物的看法，使之建立思维模式。与学生个人相关的真实问题有很高的动机价值——有了问题、情境、知识，学生能够更深入地参与探究活动，在分析多个事实性知识之间的联系后建构出概念性知识，并将理解的概念性知识迁移到新的情景，建构新的概念框架。
STEM教育的主要特征之一是跨学科的整合性——将科学、技术、工程、数学知识有机整合在一起，用科学的方法解决问题。余胜泉教授等学者根据课程的知识属性、社会属性和人本属性，将跨学科整合分为三种取向：学科知识整合、生活经验整合和学习者中心整合。Herschbach认为STEM课程应该使用“整合的课程设计模式”，强调教师应关注知识应用和学科知识之间的关系。本项目组认为“基于STEM理念培养高中生科技创新能力的实践活动”应该重点关注知识应用，并按照综合程度的不同将课程分为学科拓展性课程、通用技能课程和综合实践活动课程。对于学科拓展性课程，教师在教学中将问题置入不同学科模块（如物理、地理、化学等）让学生探讨，以学科模块知识为主，辅以其他关联学科知识（如工程、技术、数学等）解决问题。STEM的通用技能课程中的“技能”指STEM科学探究活动中解决问题所需要的技能，包括实验技能、研究技能和解决技术问题的技能。对于综合实践活动课程的教学，教师将问题或项目看作一个整体，将多学科的知识整合成一个以问题为中心的课程，设计一个与社会或学生生活相关的大主题并纳入相关内容。
北京师范大学的傅骞等学者根据创新的层次不同，将STEM教育的应用模式分为验证型、探究型、制造型和创造型四类。其中，“验证”“探究”“制造”三种模式其结果或模型已知，学生模仿科学家或工程师的思维，亲历探索过程，理解并建构知识，掌握实验的技能，积累科研的经验。创造型模式教学注重创新设计，旨在培养学生的学术创新能力，需要学术领域的技能、有关创造的技能和积极的动机（强大的内驱力），创造的过程也比较复杂。因此，笔者所在的项目组将“基于STEM理念培养高中生科技创新能力的实践活动”分为普适性探究活动和个性化学术研究活动。普适性探究活动包括验证、探究、制造等，目的在于帮助学生深度理解学科知识以及学科知识之间的联系，普遍培养其STEM素养、积累科研经验，选拔学科特长和创新潜质生；个性化学术研究包括专业领域技能的培训、创新研究、生涯规划等，旨在重点培养学生学术创新能力，提升其专业兴趣（职业期望）。
STEM教育将学生学习的分学科、零碎的知识串联起来解决实际问题，强调问题的真实性、多学科交叉融合、交流合作，重视体验过程和创新动力的激发，其核心是创新思维的培养。创造型人才具有发现问题并创造性解决问题的创新能力。教学培养学生创新思维，最重要的工作是问题设计，因为情境化、生活化的真实问题能激发学生自主思考、主动建构知识、设计解决方案并积极实践。本项目组认为在“基于STEM理念培养高中生科技创新能力的实践活动”中教师应该重点关注问题设计，遵循创新思维发展的规律，按照问题解决的逻辑，让学生在不断提出问题、解决问题的过程中，强化对知识的记忆和迁移，体验意念具体化和方案物化过程的复杂性和创造性，从而培养学生解决问题的技能、自我批判性思维和创造性思维的能力。