基于管道理論的美國(guó)中小學(xué)STEM課程開(kāi)發(fā)探析

呂偉妮 王晶瑩 田雪葳 王忠厚

摘 要：STEM管道理論是用越來(lái)越狹窄的“管道”形容學(xué)生從最初進(jìn)行STEM學(xué)習(xí)，到最終取得STEM學(xué)位并從事STEM相關(guān)職業(yè)的過(guò)程。美國(guó)“國(guó)家縱向教育研究”的數(shù)據(jù)表明，在管道的每一個(gè)連接點(diǎn)幾乎都會(huì)出現(xiàn)人才流失問(wèn)題，只有極少數(shù)學(xué)生最終選擇STEM專業(yè)，許多學(xué)生對(duì)STEM專業(yè)失去興趣而中途退學(xué)或換專業(yè)。同時(shí)，也有相當(dāng)一部分從事STEM職業(yè)的人并非是由管道輸出的。文章基于管道理論以及當(dāng)前美國(guó)STEM學(xué)校的人才培養(yǎng)策略，通過(guò)分析美國(guó)的STEM課程與教學(xué)改進(jìn)方案，探索未來(lái)STEM學(xué)校的人才培養(yǎng)模式，探討中小學(xué)如何激發(fā)并維持學(xué)生對(duì)STEM的學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：美國(guó)；管道理論；STEM學(xué)校；STEM課程；STEM學(xué)習(xí)興趣

一、研究背景

作為基于美國(guó)“國(guó)家縱向教育研究”數(shù)據(jù)得出的關(guān)于STEM人才培養(yǎng)過(guò)程的重要理論，管道理論揭示了K-6培養(yǎng)過(guò)程中STEM人才流失的路徑。根據(jù)該理論，數(shù)年來(lái)美國(guó)在政策和法律上出臺(tái)了多項(xiàng)措施以維持和提高STEM人才產(chǎn)出，相繼發(fā)布的《美國(guó)創(chuàng)新戰(zhàn)略》《教育中的創(chuàng)新愿景》等報(bào)告指出，必須加強(qiáng)STEM教育，推進(jìn)STEM教育研究、發(fā)展與創(chuàng)新，力求在社區(qū)實(shí)踐、教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)空間、社會(huì)文化環(huán)境等方面促進(jìn)STEM教育發(fā)展，以確保各年齡階段以及各類型的學(xué)習(xí)者都能享有優(yōu)質(zhì)的STEM學(xué)習(xí)體驗(yàn)，保證STEM人才數(shù)量，進(jìn)而保持美國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)力。

美國(guó)在知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的教育目標(biāo)之一是培養(yǎng)具有STEM素養(yǎng)的人才，以提高全球競(jìng)爭(zhēng)力。要想保持科技在世界上的領(lǐng)先地位，STEM教育是關(guān)鍵，也是美國(guó)的重要任務(wù)之一。早在2011年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院研究委員會(huì)就發(fā)布了《成功的K-12階段STEM教育：確認(rèn)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的有效途徑》的報(bào)告，強(qiáng)調(diào)STEM教育是一個(gè)從幼兒園到高中階段的連貫性的過(guò)程。美國(guó)幼兒教育協(xié)會(huì)研究顯示，為幼兒提供接觸STEM知識(shí)與技能的機(jī)會(huì)越早，其未來(lái)在STEM行業(yè)獲得成功的幾率就越大，越有利于其參與未來(lái)世界的競(jìng)爭(zhēng)。因此，美國(guó)在STEM教育方面不斷加大投入，美國(guó)政府動(dòng)員全國(guó)力量支持所有學(xué)生發(fā)展高水平的STEM知識(shí)和技能，鼓勵(lì)學(xué)生主修科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)，激發(fā)學(xué)生的STEM學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其科技和理工素養(yǎng)。

二、STEM管道理論

管道理論描述的是用一個(gè)越來(lái)越狹窄的“管道”形容學(xué)生獲取STEM學(xué)位并從事相關(guān)行業(yè)的過(guò)程。管道中的節(jié)點(diǎn)比作通向STEM職業(yè)生涯所要經(jīng)歷的重要事件，例如各種考試、主修STEM專業(yè)、獲取學(xué)位等，在管道末端，水流入一個(gè)“杯子”，即表示最終進(jìn)入STEM行業(yè)的一小部分人群，與最初進(jìn)入STEM管道的大量人群形成了鮮明的對(duì)比。換言之，最終進(jìn)入STEM行業(yè)的人數(shù)比獲取學(xué)位的人數(shù)少，獲取學(xué)位的人數(shù)比主修STEM專業(yè)的人數(shù)少。同時(shí)，研究者對(duì)美國(guó)“國(guó)家縱向教育研究”數(shù)據(jù)以及相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行考證分析，發(fā)現(xiàn)很多最初進(jìn)入管道的學(xué)生最后沒(méi)有從事STEM相關(guān)職業(yè)，即管道理論所揭示出的軌跡并不能代表管道內(nèi)全部學(xué)生的職業(yè)生涯[1]。事實(shí)也表明，從基礎(chǔ)教育到高等教育的整個(gè)過(guò)程中，未來(lái)有可能從事STEM行業(yè)的人才因各種因素而不斷流失。[2]

關(guān)于學(xué)生脫離STEM管道的原因，美國(guó)學(xué)者漢克·科波拉塞克選取了477名荷蘭學(xué)生（多數(shù)是大學(xué)二、三年級(jí)學(xué)生，這些學(xué)生在高中都選修了高數(shù)、化學(xué)和物理課程并完成結(jié)業(yè)考試，而在大學(xué)時(shí)沒(méi)有選擇與這些學(xué)科相關(guān)的專業(yè)）作為樣本進(jìn)行研究，研究采用不同的問(wèn)卷，分別獲取學(xué)生對(duì)STEM專業(yè)和當(dāng)前專業(yè)的態(tài)度，以及學(xué)生身邊重要人物（如家長(zhǎng)、老師和同學(xué)）對(duì)其專業(yè)選擇的影響，對(duì)比分析數(shù)據(jù)，最終找出學(xué)生脫離STEM管道的原因。漢克認(rèn)為，那些進(jìn)入STEM管道且有潛力從事此行業(yè)的學(xué)生之所以離開(kāi)，主要原因是學(xué)生自身對(duì)STEM專業(yè)的態(tài)度，但是對(duì)于其他重要人物對(duì)學(xué)生專業(yè)選擇的影響這一原因還需進(jìn)一步加以證實(shí)[3]。學(xué)生對(duì)STEM失去學(xué)習(xí)興趣而造成的人才流失，引發(fā)了研究者對(duì)美國(guó)STEM學(xué)校人才培養(yǎng)模式的思考，研究者希望通過(guò)改進(jìn)課程提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

三、管道儲(chǔ)水的現(xiàn)代化教育技術(shù)嘗試：美國(guó)STEM學(xué)校的視頻游戲

許多STEM教育者認(rèn)為，當(dāng)代學(xué)生對(duì)技術(shù)和媒體更感興趣，為培養(yǎng)他們的STEM技能，教育者做出大膽嘗試，將視頻游戲作為一項(xiàng)拓展活動(dòng)融入STEM課程，希望激發(fā)并維持學(xué)生對(duì)STEM課程的學(xué)習(xí)興趣，減少人才流失。完備的視頻游戲需要全面的視頻游戲庫(kù)和支持系統(tǒng)以及設(shè)施，為此，出版商成立相關(guān)機(jī)構(gòu)致力于教育類電子游戲的創(chuàng)建和推廣，在游戲設(shè)計(jì)中納入STEM原則和核心概念。一些非營(yíng)利組織也與家長(zhǎng)及當(dāng)?shù)仄髽I(yè)共同策劃建立健全的游戲體系，其中的大部分視頻游戲都可以免費(fèi)提供給STEM教育者進(jìn)行測(cè)試，以確定是否符合他們的計(jì)劃。

將STEM課程融入視頻游戲有兩種途徑，一是直接設(shè)計(jì)新的游戲，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)虛擬環(huán)境，允許學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行與科學(xué)、數(shù)學(xué)相關(guān)的游戲活動(dòng)，例如，“結(jié)束世界饑荒”游戲可以教會(huì)學(xué)生如何分配援助食物以及如何幫助別人；二是改進(jìn)已有游戲，使之適應(yīng)STEM課程計(jì)劃，例如，在一款關(guān)于治理污染的游戲中，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中擔(dān)任市長(zhǎng)的角色，主要任務(wù)是解決城市所面臨的環(huán)境問(wèn)題，同時(shí)還要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)健康有序的就業(yè)市場(chǎng)，使市民保持積極的心態(tài)，并改善市民的生活質(zhì)量。

視頻游戲作為一種教育工具，通過(guò)特定的社會(huì)環(huán)境和教學(xué)內(nèi)容賦予不同的角色和特定的意義，從視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)的角度給學(xué)生提供多種學(xué)習(xí)方式。游戲任務(wù)由易到難，循序漸進(jìn)地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。此外，團(tuán)隊(duì)游戲可以幫助學(xué)生確立社會(huì)目標(biāo)概念及社會(huì)互動(dòng)性，提高學(xué)生自我效能感、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的信心以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的能力?；谟螒?qū)W習(xí)的評(píng)價(jià)體系，STEM教育者應(yīng)該對(duì)學(xué)生完成任務(wù)的過(guò)程以及團(tuán)隊(duì)成員間的合作交流進(jìn)行評(píng)價(jià)。

四、管道儲(chǔ)水的課程開(kāi)發(fā)嘗試：基于學(xué)生的興趣取向

STEM教育旨在將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)進(jìn)行跨學(xué)科融合，注重項(xiàng)目探究、動(dòng)手實(shí)踐、主動(dòng)創(chuàng)造等學(xué)習(xí)方式，通過(guò)開(kāi)設(shè)預(yù)修課程，幫助學(xué)生根據(jù)興趣確定大學(xué)的專業(yè)方向，為專業(yè)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。目前，美國(guó)實(shí)施STEM教育的學(xué)校在課程設(shè)置上都以STEM課程為中心，針對(duì)管道理論所揭露的人才流失問(wèn)題，優(yōu)化人才培養(yǎng)模式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（一）充分利用地域優(yōu)勢(shì)，整合當(dāng)?shù)刭Y源

研究表明，工商業(yè)圈、自然地理環(huán)境、政府基礎(chǔ)設(shè)施等都是與STEM課程相關(guān)聯(lián)的環(huán)境資源，教師整合環(huán)境資源，將教育內(nèi)容與當(dāng)?shù)丨h(huán)境相結(jié)合，為學(xué)生提供STEM學(xué)習(xí)的真實(shí)情境，能夠促進(jìn)學(xué)生STEM內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

將STEM教學(xué)充分結(jié)合并利用當(dāng)?shù)刭Y源，不僅方便學(xué)生接觸STEM職業(yè)和應(yīng)用設(shè)施，而且解決了人力資源開(kāi)發(fā)問(wèn)題?；赟TEM教學(xué)與當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)資源整合的愿景，路易斯·納德?tīng)柹热诉M(jìn)行了為期4年的研究項(xiàng)目——K-12階段STEM教師專業(yè)發(fā)展計(jì)劃，該項(xiàng)目將基于地域的STEM課程作為重點(diǎn)內(nèi)容，為400余名教育工作者提供較為深入的綜合性STEM短期課程，課程結(jié)束后，全體成員都要對(duì)這些課程進(jìn)行討論、評(píng)價(jià)，確定最終的實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)。

STEM短期課程重在激發(fā)教師和學(xué)生對(duì)STEM、市政水利系統(tǒng)、健康、農(nóng)業(yè)、食品安全、礦物開(kāi)發(fā)、林業(yè)、能源開(kāi)發(fā)等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生興趣。短期課程還為教師提供實(shí)地考察STEM行業(yè)和業(yè)務(wù)的機(jī)會(huì)，如制造廠、礦山、自然公園、食品加工廠、研究所、醫(yī)院、實(shí)驗(yàn)室等，旨在促使K-12階段STEM教師能夠充分挖掘當(dāng)?shù)乜捎觅Y源，綜合利用這些資源開(kāi)展STEM課程。在實(shí)地考察的過(guò)程中，由地方STEM專家進(jìn)行的工作場(chǎng)所介紹，有利于教師加深對(duì)地域環(huán)境和地域條件的理解，從而更好地利用資源開(kāi)發(fā)課程。通過(guò)短期課程的培訓(xùn)及實(shí)地考察，參與教師不僅對(duì)基于地域的STEM教學(xué)有了更深的理解，其相關(guān)知識(shí)、能力以及整合地方資源進(jìn)行STEM教學(xué)的意識(shí)也大幅提升。

（二）重視調(diào)整各學(xué)段STEM課程，加強(qiáng)課程銜接力度

學(xué)生是否愿意選擇STEM專業(yè)以及未來(lái)是否從事STEM行業(yè)，除了取決于學(xué)生自身的學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)興趣之外，還取決于學(xué)生STEM相關(guān)學(xué)科的成績(jī)。一個(gè)強(qiáng)大的K-12階段STEM管道的創(chuàng)設(shè)，將會(huì)對(duì)美國(guó)的STEM教育起到至關(guān)重要的作用，各學(xué)段之間課程的銜接程度影響學(xué)生對(duì)STEM的持久關(guān)注度。為此，肯塔基州的路易斯維爾大學(xué)工程學(xué)院開(kāi)展了一個(gè)K-12拓展項(xiàng)目，目的在于增加對(duì)STEM領(lǐng)域感興趣和有能力學(xué)習(xí)STEM相關(guān)學(xué)科的學(xué)生人數(shù)，為那些沒(méi)有進(jìn)入到管道的學(xué)生提供機(jī)會(huì)。該項(xiàng)目選定當(dāng)?shù)氐男W(xué)和初中開(kāi)展工程預(yù)科課程，即“項(xiàng)目引領(lǐng)”計(jì)劃（Project Lead the Way，PLTW），為學(xué)生高中階段的學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備。中小學(xué)階段采用的是波士頓科學(xué)博物館開(kāi)發(fā)的小學(xué)工程學(xué)課程（EIE），中學(xué)階段采用的是由研究者與中學(xué)科學(xué)教師合作開(kāi)發(fā)的工程學(xué)方案（IME）[4]。經(jīng)過(guò)4年的實(shí)踐，有2000多名學(xué)生參與了該項(xiàng)目所開(kāi)設(shè)的相關(guān)課程，壯大了STEM人才隊(duì)伍。中小學(xué)階段旨在增加進(jìn)入STEM領(lǐng)域的學(xué)生數(shù)量，后續(xù)教育過(guò)程注重STEM課程質(zhì)量。在奧巴馬政府的支持下，傳統(tǒng)的高中STEM課程正在被更新為綜合應(yīng)用型的STEM課程，增強(qiáng)與高校專業(yè)選擇之間的聯(lián)系，提高課程在現(xiàn)實(shí)科學(xué)領(lǐng)域的適用性，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)生從事STEM行業(yè)的可能性。

（三）豐富學(xué)生的實(shí)踐體驗(yàn)

佩吉·多爾舒克等人提出的研究性學(xué)習(xí)項(xiàng)目計(jì)劃使得高中生可提前參與高校本科生的研究課題，使高校STEM專業(yè)學(xué)生可接觸從事STEM行業(yè)的成功人士[5]。該項(xiàng)目可有效彌補(bǔ)STEM管道理論的不足，激發(fā)并保持學(xué)生對(duì)STEM課程的興趣，提高從事STEM行業(yè)工作的動(dòng)機(jī)，減輕管道連接處人才流失。同時(shí)，拓展活動(dòng)能有效吸引其他學(xué)生參加STEM活動(dòng)，促使非STEM學(xué)生的轉(zhuǎn)型與進(jìn)修，增加STEM專業(yè)生源。

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