美國STEM教育戰(zhàn)略規(guī)劃決策支持模型及其啟示

紀洪波

（北京大學(xué)，北京 100871）

美國STEM教育戰(zhàn)略規(guī)劃決策支持模型及其啟示

紀洪波

（北京大學(xué)，北京 100871）

2009年以前，美國Boeing、MIT、Raytheon、Sandia、SimBlox/NIH等機構(gòu)研制了與美國STEM（Science，Technology，Engineering，Mathematics）教育戰(zhàn)略規(guī)劃決策支持有關(guān)的基于系統(tǒng)動力學(xué)的五個早期模型；隨后BHEF（Business Higher Education Forum）研制了美國STEM教育模型、美國STEM本科生模型和在職教育模型等三個模型。這些模型具有適切性和規(guī)范性、系統(tǒng)性和動態(tài)性、預(yù)測性和實驗性、可視性和交互性的特征。當前，我國的教育規(guī)劃缺乏決策支持模型與數(shù)據(jù)的積累和挖掘，迫切需要學(xué)習(xí)借鑒美國STEM教育戰(zhàn)略規(guī)劃系統(tǒng)動力學(xué)決策支持模型的經(jīng)驗，改進教育規(guī)劃。

美國STEM教育；戰(zhàn)略規(guī)劃；系統(tǒng)動力學(xué)；決策支持；模型

美國為了確保國家的競爭力和在科學(xué)、技術(shù)、工程 與 數(shù) 學(xué)（Science，Technology，Enginecning，Mathematics，簡稱STEM）領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，美國連續(xù)出臺了《美國競爭力計劃》《聯(lián)邦STEM教育五年戰(zhàn)略規(guī)劃》《迎擊風(fēng)暴》《參與執(zhí)行：在科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域增加培養(yǎng)一百萬大學(xué)畢業(yè)生》等相關(guān)的報告、政策和具有法律效力的文件［1］。其中，《聯(lián)邦STEM教育五年戰(zhàn)略規(guī)劃》對提高國家STEM教育質(zhì)量、保證和增加青少年及公眾對STEM教育的參與、加強在校大學(xué)生的STEM學(xué)習(xí)、更好地服務(wù)于在STEM教育方面以往未受重視的群體、為未來STEM勞動力提供所需的研究生教育、建立一個高效的跨部門合作的新模式等進行了詳盡的部署。［2］。圍繞《迎擊風(fēng)暴》和《參與執(zhí)行:在科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域增加培養(yǎng)一百萬大學(xué)畢業(yè)生》報告提出的目標，Boeing、MIT、Raytheon、Sandia、SimBlox/NIH和 BHEF（Business Higher Education Forum）等機構(gòu)研制了基于系統(tǒng)動力學(xué)的模型以支持相關(guān)決策。［3］［4］

一、早期的五個STEM模型

隨著與其他國家競爭越來越激烈，美國的企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)人擔(dān)心美國沒能產(chǎn)出足夠數(shù)量的訓(xùn)練有素的工程師和科學(xué)家，他們越來越關(guān)注STEM對美國未來繁榮的影響。2009年之前已經(jīng)開發(fā)出五個獨立的系統(tǒng)動力學(xué)模型以測試與此相關(guān)的政策建議。這五個模型都以開發(fā)者所在的組織命名，分別為Boeing，MIT，Raytheon，Sandia and SimBlox/NIH。

（一）Boeing模型［5］

Boeing模型的重點是分析美國海外投資、教育、移民、研發(fā)投入政策以及其他國家的決策對美國未來繁榮影響。該模型基于一些動態(tài)假設(shè)，這些動態(tài)假設(shè)與《迎擊風(fēng)暴：增強活力使美國走向更美好的經(jīng)濟未來》的國家科學(xué)院的報告（2007年）所涉內(nèi)容緊密相關(guān)。

（二）MIT模型［6］

MIT模型探索近25年的美國出生的大學(xué)生獲得工程學(xué)位的比例下降的原因。另外，注重研究

“度”，當STEM老師加薪與工人加薪相對值達到一定“度”時可以扭轉(zhuǎn)下降趨勢，說明了可能存在一個“拐點”，在這個點將引起勞動力供需比例發(fā)生變化，導(dǎo)致美國本科生獲得工程學(xué)位的比例增加。

（三）Raytheon模型［7］

Raytheon模型最初關(guān)注的是測試所提出的與2015年目標相近應(yīng)的師資力量改進政策。除了把其?！鹘Y(jié)構(gòu)分解得更細以外，Raytheon公司模型類似于麻省理工學(xué)院的模型。MIT模型更多的是開發(fā)一個基于過去的行為的更合理的動態(tài)假說的研究模型，而Raytheon模型的產(chǎn)生源自找到和測試實現(xiàn)未來特定行為目標——到2015年大學(xué)畢業(yè)生翻一番的政策。

（四）Sandia模型［8］

Sandia模型著重于STEM的職業(yè)吸引力，除在MIT模型中唯一影響STEM職業(yè)吸引力工資外，還包括可用的STEM工作、外包的STEM工作、晉升的可能性、工作期限。為了探索產(chǎn)業(yè)和政府的政策從內(nèi)部影響STEM勞動力的可用性，Sandia模型對STEM勞動力內(nèi)部的影響因素進行了明確區(qū)分：入門和更高水平的工作；入門水平和更高水平的繼續(xù)教育；入門和更高水平的工人和需求；本科生和研究生學(xué)院與STEM入門和更高級別工作的關(guān)系。

（五）SimBlox/NIH模型［9］

SimBlox/NIH模型主要是人口特征的仿真模型，關(guān)注的焦點是研究人員的老化特征，測試并分析政策對研究人員老化特征的影響。對照Boeing模型可以發(fā)現(xiàn)，這項工作開始把Boeing公司研發(fā)投資政策模型內(nèi)生化。表1對上述五個模型進行了對比。

表1：基于系統(tǒng)動力學(xué)的STEM模型比較［10］

二、BHEF的三個STEM教育開源模型

（一）BHEF美國STEM教育模型［11］

BHEF是美國最古老的以財富500強的CEO和研究型大學(xué)校長為成員的組織，致力于推進創(chuàng)新教育與勞動力解決方案和改善美國的競爭力。BHEF美國STEM教育模型是Raytheon公司歷時三年開發(fā)的，于2009年將其正式贈送給BHEF。隨后，BHEF將模型以開源方式向有興趣的伙伴開放。

1.問題與模型結(jié)構(gòu)

美國STEM畢業(yè)生的相對短缺導(dǎo)致BHEF于2005年啟動了確保美國在STEM領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)地位行動方案，提出到2015年美國STEM領(lǐng)域畢業(yè)生數(shù)量翻一番的目標。針對這一雄心勃勃的目標，身為Raytheon公司主席兼CEO與BHEF主席的William H.Swanson提出了“如何確定哪種想法對增加STEM畢業(yè)生數(shù)量最有效？”的問題。

基于這一問題，BHEF設(shè)計了美國STEM教育簡化模型，如圖1所示。

圖1 美國STEM教育簡化模型［12］

2.干預(yù)措施及其影響

一是聚焦本科教育產(chǎn)生的投入回報。群分項目通過課程接續(xù)、宿舍接近和其他活動對學(xué)生進行編組來建立學(xué)生間牢固的社會網(wǎng)絡(luò)。研究表明50%的院校實施群分項目能在六年內(nèi)引起STEM畢業(yè)生數(shù)的明顯增加。

二是勝任STEM教育的師資對增加STEM興趣和數(shù)學(xué)熟練度至關(guān)重要。模型假設(shè)建立在Hanushek（2002）兩個與教師有關(guān)的關(guān)鍵研究結(jié)果上：（1）師資對初級和高中教育階段學(xué)生績效變化的影響約占8.5%；（2）把學(xué)生從第50百分位數(shù)的教師處送至第85百分位數(shù)的教師處，在給定年限內(nèi)提高學(xué)生標準化數(shù)學(xué)測試成績7%。研究表明，勝任STEM高中教育的師資流失率從13%減少到7%會引起高中熟練掌握數(shù)學(xué)的學(xué)生數(shù)增加。

三是單獨使用基礎(chǔ)教育階段戰(zhàn)略和高中后戰(zhàn)略都不能在近期達到翻一番的目標。只有同時實施群分項目和提高STEM師資勝任比例，STEM大學(xué)畢業(yè)生數(shù)才能確實接近翻一番的目標，然而，達到這一結(jié)果會花費20年的時間。

（二）美國STEM本科生模型［13］

像許多其他政府機構(gòu)和私營部門的組織一樣，海軍也面臨著找到在STEM學(xué)科有充足技能的員工的挑戰(zhàn)。2012年，美國海軍為BHEF提供了STEM本科生模型的研發(fā)資金，重點研究人才供給的本科部分，并且把與海軍研究辦公室的STEM2Stern計劃

提出的重點任務(wù)和總統(tǒng)科技咨詢委員會提出的增加一百萬STEM本科生畢業(yè)率和保留率等內(nèi)容直接納入模型。

1.問題與模型結(jié)構(gòu)

STEM領(lǐng)域的學(xué)生尤其是在大學(xué)的大一、大二學(xué)年學(xué)生的高流失率大大減少了獲得STEM學(xué)位的畢業(yè)生數(shù)量。要實現(xiàn)總統(tǒng)科技咨詢委員會（President’s Council of Advisors on Science and Technology，PCAST）提出的在未來10年每年增加10萬個STEM畢業(yè)生的目標需要采取強有力的干預(yù)措施。STEM本科生模型用于提高STEM學(xué)生保留率的干預(yù)效果，如圖2所示。

圖2 美國STEM本科生模型

2.輸出

BHEF的美國STEM模型表明，提高STEM學(xué)生畢業(yè)人數(shù)有效的干預(yù)措施為：本科生橋梁項目、課程再設(shè)計、校內(nèi)科研、認知輔導(dǎo)、學(xué)習(xí)共同體、服務(wù)獎學(xué)金。

（三）在職教育模型（Learn and Earn）［14］

對美國競爭力和創(chuàng)新能力的擔(dān)心已經(jīng)導(dǎo)致美國更嚴格地審視教育體系。高等教育、工商業(yè)和政府的領(lǐng)導(dǎo)人越來越頻繁地呼吁擴大教育機會來改善美國勞動力的技能。在職教育項目為改善勞動力供給提供了一個通道。在職教育項目需要高校和雇主之間合作為成年人在參加工作的同時接受高等教育提供機會。城市學(xué)院（Metropolitan College）就是這樣一個例子。

1.問題

在20世紀90年代，UPS（United Parcel Service Inc.）認為員工的生產(chǎn)率低、培訓(xùn)少和招聘成本高阻礙了路易斯維爾隔夜航運業(yè)務(wù)的發(fā)展。UPS希望送達路易斯維爾的包裹的數(shù)量至少翻一番，但勞動力儲量不足以滿足這種日益增長的需求。

2.政策選項及其影響

這種結(jié)構(gòu)能使用戶在不同的情景下測試政策選項的影響。按照UPS基線、無城市學(xué)院的擴張、有城市學(xué)院的擴張三種情景，對新員工、熟練員工、在城市學(xué)院的新員工、在城市學(xué)院的熟練員工、城市學(xué)院教育出的熟練員工五種員工成分在員工生產(chǎn)率、員工士氣、潛在的勞動力存量、所需的勞動力、每個崗位的招聘數(shù)五個方面隨時間的變化情況進

行了測試。

研究結(jié)果表明，引入城市學(xué)院后，UPS員工結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，從中反映出員工受到了更好的教育和更加熟練。從效果看，城市學(xué)院似乎成為吸引和留住UPS員工的工具。

BHEF在所承擔(dān)的一個項目中使用系統(tǒng)動力學(xué)建模方法來理解導(dǎo)致城市大學(xué)成功的影響因素并描述其成功的結(jié)果。模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 美國在職教育模型

三、STEM教育戰(zhàn)略規(guī)劃系統(tǒng)動力學(xué)決策支持模型的特征

STEM人才影響美國的競爭力這一問題涉及復(fù)雜非線性動態(tài)系統(tǒng)。系統(tǒng)動力學(xué)提供了一種綜合而有條理的方法以幫助理解復(fù)雜非線性動態(tài)系統(tǒng)的歷時行為。該方法也可用于測試所提方案的有效性，進而幫助決策者設(shè)定重點措施和指導(dǎo)政策落實。

STEM教育戰(zhàn)略規(guī)劃系統(tǒng)動力學(xué)決策支持模型的特征主要體現(xiàn)在以下四個方面。

（一）適切性和規(guī)范性

針對組織存在的問題，借助系統(tǒng)動力學(xué)的定性定量結(jié)合、人機交互和滾動迭代的建模方法和成熟的建模步驟，為教育戰(zhàn)略規(guī)劃及其相關(guān)政策研究提供較為嚴謹?shù)姆椒ā?/p>

（二）系統(tǒng)性和動態(tài)性

系統(tǒng)動力學(xué)方法能用由流速—流位—信息的基本反饋回路及其耦合關(guān)系構(gòu)成的模型表達復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)，并通過對模型整體的歷時行為表現(xiàn)和實際系統(tǒng)的歷時行為表現(xiàn)進行對比對模型進行檢驗，從

而了解行為背后的深層次結(jié)構(gòu)，加深系統(tǒng)與周圍環(huán)境之間的相互聯(lián)系、作用和控制機理的認識。

（三）預(yù)測性和實驗性

通過設(shè)定不同的政策情景，顯示項目和政策實施與期望輸出之間的時間延遲，預(yù)測系統(tǒng)行為的發(fā)展趨勢，驗證系統(tǒng)對期望輸出的承載能力，測試不同政策實施的相對成本，揭示過程中意想不到的影響，尋求滿意的政策，為決策提供支持。

（四）可視性和交互性

系統(tǒng)動力學(xué)是一種圖示化方法，可為決策者和利益相關(guān)者提供一種有效的可視化的交流平臺來討論不同的政策方案，以系統(tǒng)的產(chǎn)出而不是特定的項目或政策為出發(fā)點，從非政治化的角度討論教育改進，為適切環(huán)境、凝聚共識和付諸實施奠定基礎(chǔ)。

四、STEM教育戰(zhàn)略規(guī)劃系統(tǒng)動力學(xué)決策支持模型的啟示

當前，我國的教育規(guī)劃主要是描述理想目標，不注重目標的形成過程和實施目標的過程，缺乏教育數(shù)據(jù)的積累和挖掘難以為決策提供系統(tǒng)、有效支持。因此，迫切需要學(xué)習(xí)借鑒美國STEM教育戰(zhàn)略規(guī)劃系統(tǒng)動力學(xué)決策支持模型的經(jīng)驗，改進教育規(guī)劃。

（一）整合力量，關(guān)注重大戰(zhàn)略問題

根據(jù)確保STEM領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位和提高國家競爭力的現(xiàn)實需求制定。STEM教育戰(zhàn)略規(guī)劃系統(tǒng)動力學(xué)決策支持模型是針對提高STEM人才競爭力、增加STEM領(lǐng)域畢業(yè)生數(shù)量、滿足某些領(lǐng)域?qū)TEM人才的需求、優(yōu)化勞動力構(gòu)成等戰(zhàn)略問題而研發(fā)的。STEM教育帶有較為明顯的“國家意志”色彩，以聯(lián)邦政府作為教育行動的主體，是美國教育界一場持續(xù)時間較長的全國性戰(zhàn)略規(guī)劃。STEM教育戰(zhàn)略規(guī)劃系統(tǒng)動力學(xué)決策支持模型的研制和應(yīng)用體現(xiàn)了集思廣益和協(xié)同行動，以確保整個教育投資組合的效果最大化。我國應(yīng)學(xué)習(xí)借鑒美國強烈的危機意識，推進重大戰(zhàn)略問題治理體系的完善，運用系統(tǒng)動力學(xué)等方法系統(tǒng)思考事關(guān)國家安全和競爭力的關(guān)鍵領(lǐng)域的教育戰(zhàn)略規(guī)劃，建立協(xié)同聯(lián)動的謀劃、實施機制。

（二）運用實證方法，開展STEM教育相關(guān)評估和預(yù)測

STEM教育戰(zhàn)略規(guī)劃鼓勵開展基于實證的研究，并充分利用調(diào)查、評估和預(yù)測研究的成果，戰(zhàn)略性地塑造聯(lián)邦投資方向。我國應(yīng)學(xué)習(xí)借鑒美國STEM教育實證研究的理論和方法，明確決策支持導(dǎo)向，設(shè)計數(shù)據(jù)庫框架、進行數(shù)據(jù)積累，開展評估和預(yù)測，發(fā)布和維護相關(guān)問題域的系統(tǒng)動力學(xué)等開源模型，建立有前景的實踐和項目有效性的實證案例，應(yīng)用于跨部門合作中，并與社會公眾分享，提高教育投入的社會效果。

（三）加強協(xié)作，開發(fā)適用于決策者及其當事員工的模型和界面

一般來說系統(tǒng)動力學(xué)是用一組微分方程來反映系統(tǒng)運動的，通常需要采用相關(guān)專業(yè)軟件處理。由于系統(tǒng)動力學(xué)實際模型的復(fù)雜性，界面可能不適合大多數(shù)決策者。應(yīng)在開源模型版本的開發(fā)中開展決策者、建模者、模型界面與溝通專家、研究共同體之間的協(xié)作，開發(fā)出適用于決策者及其當事員工使用的模型和界面。可用Vensim PLE Plus軟件創(chuàng)建模型，然后插入“滑塊”作為輸入控制器控制常數(shù)的初始值或游戲中的變量值，并通過分析面板或自定義的圖表和報告顯示輸出信息，進而創(chuàng)建“飛行模擬器”或?qū)W習(xí)環(huán)境?？梢詫xcel的數(shù)據(jù)聯(lián)動功能與用VBA編寫人機界面功能結(jié)合起來開發(fā)系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型、用專業(yè)軟件畫出因果關(guān)系圖和流速和流位圖再用Excel詳細推演計算過程、從已有Excel數(shù)據(jù)聯(lián)動模型中追蹤找出因果關(guān)系，進一步區(qū)分流速和流位變量，識別出構(gòu)成的回路，畫出因果關(guān)系圖和流速——流位圖，用系統(tǒng)動力學(xué)模型加深對Excel表格模型的理解。

［1］上官劍，李天露.美國STEM教育政策文本述評［J］.高等教育研究學(xué)報，2015，（6）：64-71.

［2］羅暉，李朝暉.美國實施科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育戰(zhàn)略提升國家競爭力［J］.科普研究，2014，（10）：32-40.

［3］［10］Newton Paul C.，Richey Michael C.，Mohammad Mojtahedzadeh1.STEM Pressures from Birth to Globalization：Five Related Models.［EB/OL］. http：//www.systemdynamics.org/conferences/2009/proceed/papers/P1406.pdf.

［4］BHEF.friro simulate.［EB/OL］.http：//forio. com/simulate/bhef/.［2015-08-22］.

［5］National Academy ofSciences，National Academy of Engineering,Institute of Medicine.Rising Above the Gathering Storm：Energizing and Employing America for a Brighter Economic Future［EB/OL］. http：//www.nap.edu/openbook.php?record_id=11463.

［6］Daniel Joseph Sturtevant.America Disrupted：Dynamics of the Technical Capability Crisis.Thesis for Master of Science in Engineering and Management，Systems Design and Management Program，Massachusetts Institute of Technology.September.［EB/OL］. http：//static.clexchange.org/ftp/documents/Research/RS 2008-09AmericaDisrupted.pdf.

［7］Brian H.Wells，H.Alex Sanchez and Dr. Joanne M.Attridge.Systems Engineering the U.S.Education System.Raytheon Company［EB/OL］.http：//halexsanchez.com/downloads/us_education.pdf.

［8］Andjelka Kelic and Aldo Zagonel.Science，Technology，Engineering，and Mathematics（STEM）CareerAttractivenessSystem DynamicsModeling. Sandia Report SAND2008-8049 dated December［EB/ OL］.http：//prod.sandia.gov/techlib/access-control.cgi/2 008/088049.pdf.

［9］J.Chris White，Walter T.Schaffer.PI Aging Simulation Model.June4［EB/OL］.http：//grants.nih. gov/grants/new_investigators/NIH_Aging_Model_Validation_4_June_08.ppt.

［11］BHEF.IncreasingtheNumberofSTEM Graduates：Insights from the U.S.STEM Education& Modeling Project.［EB/OL］.http：//www.ncci-cu.org/ downloads/BHEF_STEM.pdf.

［12］BHEF.U.S.STEM Education Model-simplified Representation View.［EB/OL］.http：//forio.com/ simulate/bhef/u-s-stem-education-model/model/download/?hard=true.

［13］BHEF.The U.S.STEM Undergraduate Model-Applying System Dynamics to Help Meet President Obama’s Goals for One Million STEM Graduates and the U.S.Navy’s CivilianSTEM Workforce Needs［EB/ OL］.http：//www.bhef.com/sites/g/files/g829556/f/20130 6/report_2013_stem_undergrad_model.pdf.

［14］BHEF.Learn and Earn-Modeling the Success of Metropolitan College［EB/OL］.http：//www.bhef.com/ sites/g/files/g829556/f/report_2011_learn_earn.pdf.

（責(zé)任編輯：李作章；責(zé)任校對：楊 玉）

Review and Its Revelation on the U.S.STEM Education Strategy Planning Decision Support Model

JI Hongbo
（Peking University，Beijing 100871）

Boeing，MIT，Raytheon，Sandia，SimBlox/NIH institutions developed the early five STEM system dynamics models related to decision making support for STEM education strategic planning before 2009，and BHEF（Business-Higher Education Forum）developed the three open source models（the U.S.STEM education model，STEM undergraduate model，Learn and Earn model）.These models are useful tool for policy experimentand communication with characteristics of relevance and rigor for studying complex dynamic system.Now，China’s education strategic planning lack of decision making support model and data accumulation and mining.It is urgent to learn from American experience for improving the China’s education strategic planning decision making.

the U.S.STEM education；strategic planning；system dynamics；decision making support；model

G649.21

A

1674-5485（2016）11-0116-07

紀洪波（1963-），男，山東蓬萊人，北京大學(xué)教育學(xué)院博士生，主要從事教育經(jīng)濟與管理研究。