從美國STEM教育的發(fā)展看中國STEM教育

對話嘉賓：

丁林：博士，美國俄亥俄州立大學（Ohio State University）教育和人類生態(tài)學院教與學系終身教授，博士生導師。長期致力于學科科學教育研究（Discipline-based Science Education Research），主要研究領域包括概念學習、問題解決、科學推理和認識論發(fā)展的理論和實證研究，特別關注教育研究的測量理論和定量研究范式。他發(fā)表了大量極具影響力的文章、會議論文，其中很多都發(fā)表在國際頂級科學教育學術期刊上，如Physical Review： Physics Education Research、Research in Science Education、International Journal of Science and Mathematics Education、Journal of Research in Science Teaching等。此外，他還主持了多項美國聯(lián)邦政府或州政府資助的科研項目，包括美國國家基金會（National Science Foundation--NSF）資助的項目“類比推理在大學物理導入課程中提高學生綜合問題解決能力的調(diào)查與研究”“工程教育中產(chǎn)業(yè)價值職業(yè)和技術學習成果測量的發(fā)展和檢驗”“21世紀課堂：俄亥俄州STEM教師培訓”及俄亥俄教育部資助的項目“生物教學建模：成為科學和工程學中的領袖”。任物理教育研究會議論文集（Physics Education Research Conference Proceedings）的主編，物理教育研究（PER-Central）資源中心的副主編，并且經(jīng)常受到國際期刊、基金資助機構(gòu)、專業(yè)協(xié)會的邀請作為評審專家。

對話嘉賓：

杜玉霞：教育技術學博士，廣州大學教育信息技術系副教授，系副主任，美國俄亥俄州立大學訪問學者。兼任廣州市中小學教師信息技術應用能力提升工程專家，廣東省綜合評標專家，廣州市海珠區(qū)教育信息化應用指導專家，Universal Journal of Educational Research雜志、《開放教育研究》雜志審稿專家等職。目前主要從事教師教育信息化、信息化教學資源開發(fā)與應用、STEM教育等領域的研究。

當前負責主持教育部人文社科課題“信息化教學資源的老化機理與生命周期模型研究”、廣東省特色創(chuàng)新項目“大數(shù)據(jù)時代基于視頻資源的中小學教師專業(yè)發(fā)展模式研究”等省部級課題五項，所著《中小學信息化教學資源的優(yōu)化與應用策略》等著作由中國社會科學等出版社出版，近年在《電化教育研究》《中國電化教育》等學術期刊發(fā)表論文20余篇。

● STEM教育如何開展

杜玉霞：STEM教育旨在打破學科領域邊界，促使學生能夠綜合運用多種學科知識，提高探究能力和解決實際問題的能力，它是美國為提升國家競爭力和勞動力創(chuàng)新能力而提出的一項國家教育戰(zhàn)略。自從STEM教育理念被提出以來，越來越多的學者和相關人員開始了STEM教育的理論研究與實踐探索，現(xiàn)在，STEM教育的重要意義不僅在美國社會各領域已經(jīng)被廣泛認同，許多國家也日益關注和重視STEM教育對培養(yǎng)復合型創(chuàng)新人才的重要性，將其看作提升國家科技競爭力和創(chuàng)新人才培養(yǎng)的著力點。前不久，澳大利亞政府提出了讓所有年輕人具備必要的STEM技能和知識的《STEM學校教育國家戰(zhàn)略2016—2026》，顯示了澳大利亞從國家層面開展STEM教育的決心和舉措。

近年來，中國的STEM教育也在蓬勃發(fā)展。但是，如何使STEM教育從理念和思想層面，轉(zhuǎn)化為卓有成效的行動實踐，是當前STEM教育發(fā)展中面臨的難題。今年4月初，在出席廣州市某區(qū)關于教育創(chuàng)新的中小學校長論壇時，許多中小學領導和教師提出了疑問：STEM作為新生課程，不像其他課程有統(tǒng)一的課程大綱和明確的教學目標，STEM究竟應如何設計和實施，我們不知從何著手，希望教育部門和相關研究部門能夠為我們開發(fā)和提供這樣的課程或者給予相關指導。這令我想起了去年在美國俄亥俄州立大學參加“為成功而互聯(lián)”的全國性教育大會的情景，當時，三千多名來自高校、中小學、政府部門、教育公司及相關企業(yè)的各界人士濟濟一堂討論新技術環(huán)境下的教育改革，其中許多主題也是圍繞如何有效開展STEM教育展開的。

可見，怎么開展STEM教育是中國和美國實踐者共同關注的主題，但由于兩國開展STEM教育的背景和發(fā)展階段不同，所遇到的問題也不同，美國STEM教育已經(jīng)形成了不少經(jīng)驗和成果。而中國開展STEM教育的時間短，與美國的發(fā)展差距較大，一方面包括教育界人士在內(nèi)的社會各界對STEM教育重要性的認識還不夠充分，另一方面，STEM教育理論與實踐研究的成果還非常少，尚未形成系統(tǒng)的理論可以指導實踐，也缺少可以廣泛推廣的實踐成果。因此，我們很想具體了解一下作為STEM教育的發(fā)起方，美國的STEM教育是如何逐步發(fā)展起來并取得諸多成果的。

丁林：探討美國STEM教育發(fā)展的成果與經(jīng)驗，我們首先要回顧一下美國STEM教育發(fā)展的歷程。美國早在19世紀就開始了STEM教育的嘗試，1862年的Morrill法案首先在大學建立并支持了科學與工程的教育項目。1986年，美國國家科學委員會發(fā)表了《本科的科學、數(shù)學和工程教育》報告，這被認為是美國STEM教育集成戰(zhàn)略的里程碑，指導了國家科學基金會此后數(shù)十年對美國高等教育改革在政策和財力上的支持。該報告首次明確提出“科學、數(shù)學、工程和技術”教育的綱領性建議，從而被視為STEM教育的開端。

STEM教育為科學、技術、工程、數(shù)學四個領域教與學的理論與實踐科目。它的適用層次包含全部學段，從學前到成人教育。20世紀90年代，國家科學委員會（NSF）將這四類科目統(tǒng)稱為SMET，但是由于其發(fā)音的問題故更名為STEM。1996年，美國國家科學基金會發(fā)表了題為《塑造未來：透視科學、數(shù)學、工程和技術的本科教育》報告，并提出今后的“行動指南”。報告針對新的形勢和問題，對學校、地方政府、工商業(yè)界和基金會提出了明確的政策建議，包括大力“培養(yǎng)K-12教育系統(tǒng)中STEM教育的師資”的問題。

新世紀以來美國政府意識到國家的科學技術發(fā)展出現(xiàn)了瓶頸，科技人才嚴重缺失和不足，當時美國政府特別是美國教育部對科技人才培養(yǎng)模式和制度進行了反思，所以才形成了如今受到重視和追捧的跨學科、跨領域的STEM教育。美國STEM教育是由美國聯(lián)邦政府自上而下推動的一項國家長期教育戰(zhàn)略規(guī)劃，通過出臺各項政策，其中包括STEM教育目標與評估政策、師資培養(yǎng)政策、經(jīng)費政策以及教育公平政策等，來推進STEM教育的發(fā)展。STEM教育彰顯了美國教育的實用主義理念，并且?guī)в休^為明顯的“國家意志”色彩。

2003年，美國高等教育開始出現(xiàn)科學類授予學位相比其他學位數(shù)量減少的趨勢，社會開始出現(xiàn)增加科技素養(yǎng)職業(yè)者的呼聲，為STEM教育理念及實踐在美國社會的廣泛傳播提供了契機（Pema，2009）。2004年至2006年，大量的研究報告指出美國如果要在全球市場提高競爭力，必須加強STEM方面的教育投入。2006年發(fā)布的《美國競爭力計劃》（American Competitiveness Initiative，ACI），提出知識經(jīng)濟時代的教育目標之一是培養(yǎng)具有STEM素養(yǎng)的人才，并稱其為全球競爭力的關鍵。由此，美國在STEM教育方面不斷加大投入，鼓勵學生主修科學、技術、工程和數(shù)學，培養(yǎng)其科技理工素養(yǎng)。

2007年10月，美國國家科學委員會發(fā)表《國家行動計劃：應對美國科學、技術、工程和數(shù)學教育系統(tǒng)的緊急需要》報告，提出的行動計劃主要包括兩個方面的措施：一是要求增強國家層面對K-12階段和本科階段的STEM教育的主導作用，在橫向和縱向上進行協(xié)調(diào)；二是要提高教師的水平和增加相應的研究投入。該報告顯示了STEM教育從本科階段延伸到中小學階段，希望從中小學就開始實施STEM教育。

也正是在2007年，美國參眾兩院在8月通過了《美國創(chuàng)造機會以有意義地促進技術、教育和科學之卓越法》（又稱作《美國競爭法》）。《美國競爭法》一共包括8個部分，其中許多部分有多項條款與教育有關，教育條款主要涉及教師教育、STEM教育等方面。

《美國競爭法》對STEM教育的重視，極大程度上反映了美國社會的一種共同關注趨勢。例如，2007年美國州長協(xié)會冬季會議就高度強調(diào)STEM教育在各州乃至全美國創(chuàng)建“創(chuàng)新環(huán)境”中的重要意義。美國學術競爭力委員會在2007年5月公布的委員會報告中，分析研究了2006年度總額達31億美元的105項聯(lián)邦STEM教育項目。

杜玉霞：看來，與中國主要在中小學開展STEM教育不同，美國的STEM教育開端于高等教育，逐步延伸到中小學教育，從這個角度看，2007年可稱為美國STEM教育發(fā)展的一個轉(zhuǎn)折點：從關注高等教育階段開始向基礎教育階段延伸，美國STEM教育開始向全學段開展。另外，STEM教育不僅繼續(xù)強調(diào)政府的政策推動與資金投入，而且在當年10月美國國家科學委員會發(fā)表的報告和8月美國參眾兩院通過《美國競爭法》里，都強調(diào)了STEM教育師資培養(yǎng)的重要性并提出了一些具體舉措。美國相關部門已經(jīng)認識到，提升師資水平是有效開展STEM教育的重要基礎和保障。

丁林：是的，美國日益重視大學教育前的STEM教育。2009年1月，美國國家科學委員會（National Science Board）代表NSF發(fā)布了致總統(tǒng)奧巴馬的公開信，明確指出：國家的經(jīng)濟繁榮和安全要求美國保持科學和技術的世界領先和指導地位，大學前的STEM教育是建立領導地位的基礎，而且應當是國家最重要的任務之一。委員會敦促新政府抓住這個特殊的歷史時刻，并動員全國力量支持所有的美國學生發(fā)展高水平的STEM知識和技能。

近年來，STEM教育在美國得到快速發(fā)展，2010年，美國出臺了《培養(yǎng)與激勵：為美國的未來實施K-12年級STEM教育》，指出要改進STEM教育，必須重視培養(yǎng)與激勵，要在未來10年招收和培養(yǎng)10萬名優(yōu)秀的STEM教師，創(chuàng)建1000所專注于STEM的新學校。

2011年，奧巴馬總統(tǒng)推出了旨在確保經(jīng)濟增長與繁榮的新版的《美國創(chuàng)新戰(zhàn)略》。新版的《美國創(chuàng)新戰(zhàn)略》指出，美國未來的經(jīng)濟增長和國際競爭力取決于其創(chuàng)新能力?！皠?chuàng)新教育運動”指引著公共和私營部門聯(lián)合，以加強科學、技術、工程和數(shù)學（STEM）教育。同年，美國國家科學院研究委員會發(fā)布了《成功的K-12階段STEM教育：確認科學、技術、工程和數(shù)學的有效途徑》的報告，提出了在中小學實施STEM教育的主要目標。

美國州長協(xié)會在2011年12月又針對STEM教育行動發(fā)布了《制定科學、技術、工程和數(shù)學教育議程：州級行動之更新》報告，分析了該協(xié)會2007年提出的行動議程中的薄弱之處，重新提出“實施州級STEM議程”的各項具體措施。2014年STEM整合教育委員會發(fā)布了《K-12年級STEM整合教育：現(xiàn)狀、前景和研究議程》，提出了10項建議，其中2項針對K-12年級STEM整合教育的多個利益相關者，4項針對參與設計STEM整合教育方案的人員，1項針對負責開發(fā)測試評估的人員，3項針對研究者。2015年STEM教育法頒布，將計算機科學納入STEM教育。

杜玉霞：美國對K-12階段的STEM教育的重視不僅體現(xiàn)在宣傳引導上，更是落實到了具體的政策和舉措上，《成功的K-12階段STEM教育：確認科學、技術、工程和數(shù)學的有效途徑》報告對中小學實施STEM教育的主要目標的確定，為中小學教師如何開展STEM教育提供了明確目標和具體指導。STEM整合教育委員會發(fā)布的K-12年級STEM教育的10項建議，對于STEM教育的研究與實踐，都給予了很有前瞻性的具體指導，它強調(diào)STEM是整合教育，重視通過對整合教育方案的有效設計，來保障STEM教育的效果。美國在STEM教育發(fā)展中既重視宏觀戰(zhàn)略的制定，又重視對具體發(fā)展過程的指導和建議，認為要提出對實踐發(fā)展的具體指導，必須有扎實的研究作為基礎和依據(jù)，需要一定期限的研究投入和積累來支撐。

丁林：縱觀美國STEM教育幾十年的發(fā)展，一個鮮明的特點是，政府各部門都參與進來，共同推進著STEM教育的探索和實踐。發(fā)展初期各機構(gòu)都將關注點集中在本科階段的STEM教育，關注本科層次STEM教師的培養(yǎng)，緊隨其后的報告體現(xiàn)了美國逐漸加大了對STEM教育的研究力度，開始針對STEM教育中的學生因素進行研究，并逐漸集中到K-12階段的STEM教育上。參與和支持STEM教育的機構(gòu)涉及國會、聯(lián)邦政府（內(nèi)設總統(tǒng)科技顧問委員會向總統(tǒng)提出科技發(fā)展建議）、國家科學基金會（NSF）（不僅扶持研發(fā)項目，更著重培養(yǎng)創(chuàng)新人力資源和提高國民科技素質(zhì)），這樣就逐漸形成了集中的指導思想和具體的改革方向，積極有效地推進了STEM教育的發(fā)展，STEM教育正在美國不同學段的學校以不同的課程或活動展開。總之，美國STEM教育是一項由政府、國會、社會團體、公眾共同參與和共同努力的系統(tǒng)工程。如今，美國需要與全球競爭，因此對STEM教育的需求更加迫切。

● STEM教育與創(chuàng)客教育的關系

杜玉霞：美國的STEM教育經(jīng)歷了一個較長的發(fā)展過程，中國是近幾年才開展STEM研究與實踐活動的，自2012年11月以“STEM教育中的教學創(chuàng)新與跨學科研究”為主題的第二屆科學、技術、工程和數(shù)學國際教育大會（簡稱STEM 2012）在北京召開以來，以及在中國政府提出培養(yǎng)創(chuàng)新人才號召的背景下，STEM開始成為學界和社會相關人士日益關注的熱點話題。

無論STEM教育發(fā)展的歷程有多長，中美兩國開展STEM教育的目的是相同的，都是培養(yǎng)具備良好的多學科知識綜合應用能力的創(chuàng)新人才。中國的STEM教育雖然起步晚，但發(fā)展速度比較快，在STEM教育實踐中，人們往往將STEM/STEAM教育與創(chuàng)客教育聯(lián)系在一起，如廣州南武實驗中學投資六十多萬元建設了“學創(chuàng)空間”，作為開展STEM教育與創(chuàng)客教育的基地。此外，北京、溫州等地的一些中小學也建立了支持STEM教育與創(chuàng)客教育的實驗室。可見，在中國開始探索STEM教育的許多中小學，他們將STEM教育與創(chuàng)客教育融為一體，難以區(qū)分到底哪些屬于STEM教育，哪些是創(chuàng)客教育。不知在美國STEM教育與創(chuàng)客教育是怎樣的關系？

丁林：創(chuàng)客通過提供活動和資源，使其活動在任何人們能夠想象到的項目中提供學習的機會，同時，創(chuàng)客也通過學習社群，跨越了人際與網(wǎng)絡，吸引著全年齡段和各種知識層面的人參與進來。因此，越來越多的研究者開始關注如何將STEM教育與創(chuàng)客活動聯(lián)系起來，以及用創(chuàng)客活動來推動基于STEM的非正式學習。創(chuàng)客嘉年華的廣泛傳播，使研究者關注創(chuàng)客運動的發(fā)展?jié)摿TEM教學方法與內(nèi)容的豐富。當然，將創(chuàng)客與K-12教育相聯(lián)系是一個非常好的切入點。

創(chuàng)客的概念來源于由Dale Dougherty、Sherry Huss和Dan Woods三人于2005年創(chuàng)辦的《創(chuàng)客》雜志中的創(chuàng)客二字（Frauenfelder，2011），繼而在2006年，由《創(chuàng)客》雜志舉辦的創(chuàng)客嘉年華廣泛傳播，使得創(chuàng)客的概念風靡全球。正如Lindtner（2015）所言，創(chuàng)客嘉年華通過為個人和企業(yè)提供項目展示的機會，不斷擴大著它的規(guī)模，從舊金山到亞洲、歐洲和南美。如今，創(chuàng)客不再是一本雜志或一個事件，而是一個為各類創(chuàng)意人群實施創(chuàng)客項目的社群。在創(chuàng)造的過程中，創(chuàng)客也可以為參與者提供分享概念、設計、項目的機會。

創(chuàng)客課程為STEM教育提供了組織教學活動的框架。STEM教育往往要通過整合多種科目內(nèi)容開展教與學活動，而創(chuàng)客由于其自由的組織原則，使得它能夠為參與者提供多種類型的課程，包括烹飪、縫紉、編制、木工、機器人、焊接、印刷、繪畫、建筑等，這些活動能夠為STEM教育提供具體活動的指引。

創(chuàng)客空間為STEM教育提供了組織學習活動的框架。在當前的研究中，很難找到設計和安排STEM學習活動的有效方法，如果能為教學提供更為先進的場地和設備，那么STEM的學習過程將更加有效。創(chuàng)客空間為組織課后學習活動，提供了良好的解決方案，創(chuàng)客空間的非正式學習環(huán)境使得參與者能夠在沒有任何壓力的情況下充分發(fā)揮才智。這種社群不僅提供了分享樂趣的機會，并且通過各種設施支持學習活動。

所以，創(chuàng)客空間的最大好處是對工具的使用，它們能夠提供價值十萬美元的設備來滿足個人和群體的基本創(chuàng)作需求，同時創(chuàng)客空間實施對公眾開放的會員制模式，每月50～100美元的會員費，使得學生可以以低廉的成本參與到創(chuàng)客項目中去，這些要素都為STEM學習活動的組織提供了解決的方法。

杜玉霞：看來，美國的STEM教育與創(chuàng)客教育的關系也非常密切，創(chuàng)客教育為STEM教育提供了實施的框架，提供了組織學習活動的方法和手段。成功的實踐案例對新型教育活動的開展具有重要的借鑒意義，了解美國這些年來在STEM教育和創(chuàng)客教育實踐中的一些成功做法和案例，可以幫助我們少走彎路。

丁林：是的，創(chuàng)客的浪潮將極大地推動STEM教育的發(fā)展。一大批美國高等學府組成了高等教育創(chuàng)客聯(lián)盟，提供立足于大學校園的創(chuàng)客活動，創(chuàng)客運動正成為一股浪潮，改變著美國的公司、學術界、高等教育界、美國政府甚至世界，而這股浪潮也推動著STEM教育，與之共同發(fā)展。

實踐方面，基于創(chuàng)客的項目為學生提供了一種STEM學習的機會。例如，C2Learn（2013—2015）就是一個旨在培養(yǎng)學生協(xié)作創(chuàng)造力的歐洲研究項目（Koulouris， 2015），該項目利用數(shù)字游戲活動為學生提供基于理論基礎的學習過程，學生在數(shù)字游戲活動中可以掌握創(chuàng)客學習的方法，顯然，這種活動包含了很多技術、工程和數(shù)學方面的知識。

在現(xiàn)實社群的創(chuàng)客教育方面，Columbus Idea Foundry就是一個很好的例子，他們?yōu)閻酆谜咛峁┝酥T多創(chuàng)客課程，而這些課程直接為參與者提供了非正式學習的機會（Jay，2014）。在虛擬空間的創(chuàng)客教育方面，Niemeyer（2015）基于創(chuàng)客文化設計了一個基于沙箱游戲Minecraft的教學項目，Minecraft中文譯名“我的世界”，是基于沙箱理念的一種創(chuàng)造性游戲，該游戲允許學習者在三維虛擬世界中建造任何可以想象到的東西，而該教學項目基于創(chuàng)客文化的理念，讓學生在創(chuàng)客空間中進行協(xié)作創(chuàng)造，以提高其協(xié)作能力和問題解決能力，在教學過程中教師為學生設置了網(wǎng)絡直播的功能，把學生創(chuàng)造的過程通過Youtube平臺直播出去，以促進課內(nèi)學生和課外觀眾的集體討論，從而對評論進行質(zhì)性材料的分析、發(fā)現(xiàn)。在創(chuàng)客文化的影響下，利用學習游戲進行網(wǎng)絡視頻互動，能夠為學生創(chuàng)造一種基于新技術的虛擬混合式學習體驗，學生在協(xié)作中充分發(fā)揮了創(chuàng)造力和協(xié)作能力，“創(chuàng)造”的過程促進了學生的協(xié)作學習。其研究設計的思路同樣能夠為STEM教學實踐提供助力（如圖1）。

杜玉霞：國內(nèi)目前對于創(chuàng)客教育與STEM教育的研究主要集中于如何將兩者有效結(jié)合，服務于培養(yǎng)具有多學科綜合能力的創(chuàng)新人才，但這些研究才開始不久，還需要大量的實證研究來驗證和支持一些理論研究觀點。

丁林：其實很難通過研究驗證具體的環(huán)境、技術、應用、設備或?qū)嵺`活動對學生STEM學習過程中的具體作用。Giannakos（2015）指出創(chuàng)客活動可以提高參與者的研究意識、知識儲備、協(xié)作能力，他的結(jié)論恰恰為STEM教育和創(chuàng)客活動建立了聯(lián)系。

具體來說，創(chuàng)客空間提供了3D打印機、車床、電腦等工具，參與者可以利用工具協(xié)同工作，在他們的設計項目中學習。這解決了教師在STEM教育過程中僅關注內(nèi)容的問題，如果教師能夠基于創(chuàng)客空間工具進行STEM教學活動，那么教師的教學過程將對學生的動手能力產(chǎn)生極大影響。已有研究結(jié)果認為，創(chuàng)客教育是一個通過混合項目、網(wǎng)絡、實操技能提高高階思維能力的良好的解決方案。

● STEM教育的評價

杜玉霞：設計與實施STEM教育的形式無論是課程還是項目，我們都希望能夠?qū)@些活動的效果進行評估和衡量，國內(nèi)目前關注的重點是如何開展STEM教育，對于如何通過評價引導STEM教育的順利發(fā)展關注得還很不夠，但這對于保障STEM教育的質(zhì)量卻具有重要意義和價值。

丁林：實質(zhì)上，目前并沒有對STEM整體學業(yè)結(jié)果的測試評價，在眾多討論美國STEM教育學業(yè)結(jié)果的報告中，數(shù)據(jù)都是采用對科學和數(shù)學成績的評價，如PISA、TIMSS、NEAP等。

美國國家教育進展評估委員會（The National Assessment of Educational Progress，NAEP）是美國唯一一個在國家層面上進行STEM教育結(jié)果評估的對中小學學生數(shù)學、科學能力水平進行持續(xù)測量的機構(gòu)。NAEP在2005年的一項調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，美國學生數(shù)學、科學能力水平有所增強，但是普遍未達到基本要求，僅三分之一的4～8年級學生在數(shù)學水平上達到基準，有20%的4年級生和30%的8年級生的得分低于基本水平。TIMSS在2011年測試了4年級學生的數(shù)學表現(xiàn)，美國學生平均成績?yōu)?41分，高于TIMSS設置的量化分數(shù)，躋身于15名，低于8個國家和地區(qū)，與6個國家（地區(qū)）相差無幾。很明顯，目前還難以對STEM教育的結(jié)果開展全面有效的測評。

杜玉霞：STEM教育不僅要關注新技術和各學科知識的高度整合和創(chuàng)新應用，更要關注通過這些教育活動，是否能夠培養(yǎng)學生綜合應用多個學科的知識在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的實際能力。當面向結(jié)果的評價難以開展時，就需要借助于面向過程的測評來保障和衡量STEM教育的質(zhì)量。

丁林：正是由于實施面向結(jié)果的測評難度較大，人們開始將目光投向了數(shù)字化工具，以期能利用這些工具，對STEM教學過程的有效性進行測量，這是STEM教育評價發(fā)展的一個重要趨勢，但目前還缺乏具有推廣價值的典型成果。

● STEM教育面臨的挑戰(zhàn)

杜玉霞：STEM教育的內(nèi)容與科學、技術、工程、藝術等眾多學科的新發(fā)展和新研究密切相關，STEM教育的實踐受到各種新媒體、新技術的影響，也與創(chuàng)客教育等新型教育形式或項目互相作用，未來的STEM教育將會有更好的發(fā)展前景，也必將面臨更多的挑戰(zhàn)。我們可以看到，這兩年有人提出STEM+，有人提出STEAM教育，這表明STEM教育的名稱和內(nèi)涵都在不斷演變和發(fā)展，越來越多的學科正在融入STEM教育，這使STEM教育受到更多人士的關注和參與，但在實踐中卻也面臨更多的現(xiàn)實問題和發(fā)展挑戰(zhàn)。

丁林：美國《面向一下代的科學標準》（2015）提出：K-12科學教育將在內(nèi)容和實踐兩方面得到豐富，并且跨越學科和學段為所有學生提供達到國際基準的科學教育。因此，提高對與學生科目成績密切相關的科目的學習興趣，對STEM教育至關重要。Hogan（2016）提出了被稱為BPE的STEM學習過程，在BPE學習中，學生的學習興趣成為STEM教育的關鍵因素。Welch（2015）通過研究發(fā)現(xiàn)，大部分學生對STEM具有濃厚興趣，并且興趣表現(xiàn)為與學業(yè)成就高度相關。

由Tony Wager提出的21世紀技能已嵌入到學生STEM教育的目標中。由于21世紀技能不僅對個人至關重要，更是一種融入不同文化的能力。不管學生選擇的職業(yè)如何，在STEM教育中應讓其認識到生活所需要的技能。在科學、技術、工程、數(shù)學的學科教學中能夠教導學生如何批判性地思考、如何解決問題，在生活中如何使用技能，并且如何把握機會。因此，STEM教育正成為培養(yǎng)21世紀技能的關鍵。

綜觀美國STEM教育，當前發(fā)展面臨四方面的挑戰(zhàn)：

第一，學生和教師在STEM教育方面的表現(xiàn)令人擔憂。這具體體現(xiàn)為，一方面學習STEM相關科目的學生人數(shù)不夠多，另一方面教師缺乏STEM教育的相關培訓。Welch（2015）對愛荷華州學生態(tài)度的調(diào)查顯示，雖然學生依然能夠保持對STEM的興趣，但是其興趣水平已有所下降。

第二，STEM實踐缺乏專業(yè)化指導。在STEM教育中，學生雖然學到了解決問題的方法，但是他們沒有學會如何去發(fā)現(xiàn)問題，并且學生對真正關心的一些問題缺乏足夠深入的探索。正如Capraro（2016）所指出的，教師還沒有讓學生發(fā)現(xiàn)問題，就已經(jīng)開始教答案了，這讓學生感到莫名其妙?，F(xiàn)存的STEM教育在具體實施中缺乏教學法和實踐方法。所有這些問題都導致了STEM教育在開展中缺乏實踐方面的指導和專業(yè)性指導。

第三，學生發(fā)展差異較大。在學業(yè)成就的評價方面，雖然美國學生在數(shù)學和科學方面有所提高，但是普遍未能達到基本水平。不同類型的學生在學業(yè)成就上也存在差異，學校在對學生的分類上，更傾向?qū)W生分為學術型和非學術型，這影響了一部分學生學習的積極性，進而導致差異更加明顯。Welch（2015）在STEM教育現(xiàn)狀的報告中也指出，雖然女生對STEM感興趣，但是其成績依然落后于男生，并且在初中、高中階段有所下降。對以上存在的差異，必須尋求解決這些問題的方法才能促進STEM教育的發(fā)展。

第四，對“技術”與“工程”的忽視。美國總統(tǒng)奧巴馬指出：“發(fā)展STEM教育對學生在21世紀的經(jīng)濟競爭過程非常重要，我們需要培養(yǎng)具有數(shù)學和科技素養(yǎng)的老師為學生提供教育?！比欢虒W實踐中，STEM似乎僅僅是關于數(shù)學和科學的，即使技術、工程在現(xiàn)代生活中發(fā)揮著如此大的作用，教師對技術與工程的教學也顯得關心不足。

● STEM教育的發(fā)展趨勢

杜玉霞：STEM教育是一個培養(yǎng)具有跨學科思維能力和創(chuàng)新能力人才的綜合性教育活動，不僅需要相關人員和部門的積極參與和支持，也需要包括政府等不同領域的相關部門、人員、物力和財力的密切協(xié)作、投入和配合才能為STEM教育的發(fā)展提供一個良好的基礎和環(huán)境。同時，由于STEM教育既需要關注前沿動態(tài)，也要腳踏實地，從實際出發(fā)，因此，把握STEM教育發(fā)展的未來趨勢對科學制訂STEM教育政策，合理規(guī)劃STEM教育課程和項目等具有重要的指導意義。

丁林：在現(xiàn)代社會對從業(yè)者的高壓力下，學生不僅要掌握知識，更應該懂得如何運用知識。在STEM教育中，這種應用能力要求學生對STEM各個學科都有足夠的認識，即將STEM進行整合的學習，因此將技術、工程與科學、數(shù)學進行整合必將成為STEM教育的主要趨勢，這個過程不僅能夠提高學生的應用能力，還可以提高學生的創(chuàng)新性思維能力和高階思維能力。具體來說，教學實踐中要把握好以下兩種趨勢：

第一，是將STEM與教學理論相整合?；陧椖康膶W習（Project-based Learning， PBL）在STEM實踐中發(fā)揮著重要作用。PBL通過為學生提供特定結(jié)構(gòu)整合學術、技術等技能的學習過程，保持著學生的學習興趣，Hogan（2016）的Big Picture Education（BPE）教育項目就是PBL的主要代表，該項目首先在美國實施，進而推廣到新西蘭、加拿大、印度、新加坡、韓國等國家和地區(qū)。BPE項目通過BPE STEAM學校進行教學，該學校是一種課后非正式學習組織，針對學生的興趣和需要，可以有針對性地為每一位學生設置STEM課程，并且進行一對一教學，學生在學習過程中必須參與到實踐中，才能應用學到的知識，學生發(fā)展與能力的評價則是基于學生的實踐成果質(zhì)量以及實踐過程對其自身的影響。基于PBL的STEM學習特別適用于以提高學生個人能力為目標的教育過程，個人學習理論與STEM實踐的整合，將有利于學生個人能力的提高。

另一類PBL，即基于問題的學習（Problem-based Learning， PBL），也在STEM教育中得到廣泛應用。NE STEM 4U（The Nebraska Science、Technology、Engineering and Mathematics 4U）是一個以學生為主體、教師主導的基于問題學習過程的STEM實踐（Cutucache， 2016），該STEM教育過程主要發(fā)生于K-8學段的學生在課后的非正式學習，教師是由大學生志愿者組成的，他們首先要報名、面試和考核，通過后則會承擔教學工作，學生在名為Beyond School Bells的社區(qū)中進行與STEM科目相關的基于問題的學習，學習時長為6周，NE STEM 4U的教員會參與到學生與志愿者教師的互動當中，教員、志愿者教師和學生共同擔當著教學者、觀察者和評價者的角色，志愿者教師和學生在實施教學、問題解決和思辨過程中分別豐富了各自的實踐經(jīng)驗（如圖2）。

協(xié)作學習也是一種促進學生在組織中與同伴協(xié)作學習的有效方法。PLTL（Peer-Led Team Learning）就是以STEM學科為基礎的旨在提高學生學業(yè)成就的項目，該項目通過混合式的研究方法驗證了STEM教學對學生的影響，測試學生在知識獲得、技能習得方面的水平，通過6～8人一組的協(xié)作學習過程，學生能夠協(xié)作討論、解決問題，這個過程對STEM教育中的學習、協(xié)作和興趣培養(yǎng)是十分重要的。

第二，是通過STEM實踐整合基礎教育和高等教育。未來必須解決STEM教學實踐中中小學與高等學府缺乏合作的問題，促進中小學校與高等教育機構(gòu)的廣泛合作，這將成為豐富STEM教育理論和實踐的有效途徑。Hodges（2016）及其團隊開展的iSTEM（integrated STEM education）項目，成功地為STEM相關企業(yè)、高校和中小學相互溝通搭建了橋梁；中小學開設的iSTEM教育日，可以通過實驗活動、課堂教學和互動交流來開展，Hodges在研究中指出了Elodea-A 5E Lab on Osmosis、Clark the Calf Case Study和Meet the Scientists三個教學案例涵蓋了以上三種教學活動。iSTEM教育日對各參與方都具有重要意義，學生可以借助STEM企業(yè)提供的學習設備、器材和軟件進行學習，同時能夠得到高校教師、學生的指導，該項目旨在滿足各方要求：學生方面旨在提高其對STEM學科的認識、理解；教師方面旨在優(yōu)化其教學策略與內(nèi)容設計；企業(yè)方面旨在提高產(chǎn)品質(zhì)量并促進教學整合；高校方面旨在增進與基礎教育的聯(lián)系，并為教師、學生提供教學機會。