美國STEM教育的內(nèi)涵與實施概況

徐曉麗

摘 要：美國最先提出STEM教育，近30年來一直推動STEM教育的發(fā)展，旨在培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，維護(hù)國家安全，保持美國在經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。文章通過梳理美國STEM教育的內(nèi)涵演變，了解美國STEM教育的發(fā)展概況，從三個層面探索美國STEM教育的實施路徑：國家制定STEM政策，各組織制定課程標(biāo)準(zhǔn)；各州制定STEM框架與量規(guī)，建設(shè)STEM網(wǎng)絡(luò)平臺；各學(xué)校探索STEM教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：美國；STEM教育；內(nèi)涵；標(biāo)準(zhǔn)

一、STEM教育的內(nèi)涵

STEM這一術(shù)語最初是由美國國家科學(xué)基金會提出的Science，Mathematics， Engineering and Technology（SMET）發(fā)展而來。2000年后，SMET轉(zhuǎn)變?yōu)镾TEM（Science，Technology，Engineering and Mathematics）。自從STEM術(shù)語得到官方認(rèn)定后，科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門學(xué)科就用STEM這一縮略語表示。然而，美國關(guān)于STEM教育到底包含哪些科目存在分歧。例如，國家科學(xué)基金會把社會科學(xué)包含在STEM教育中，其2015年發(fā)布的《STEM教育法》把計算機(jī)科學(xué)也包含在內(nèi)。進(jìn)入21 世紀(jì)，弗吉尼亞理工大學(xué)學(xué)者亞克門（Yakman）把“藝術(shù)”（Art）作為重要的人文因素與STEM 相融合，從而產(chǎn)生了STEAM[1]。基于文獻(xiàn)的整理分析，筆者認(rèn)為在看待STEM教育時，其既可以是分科的，又可以是整合的，也可以是拓展延伸的。

（一）科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的內(nèi)涵

科學(xué)是對自然世界的研究，包括與物理、化學(xué)和生物學(xué)有關(guān)的自然法則以及與這些學(xué)科相關(guān)的事實、原理、概念或慣例的處理和應(yīng)用?？茖W(xué)既是一段時間積累的知識體系，也是通過科學(xué)探究產(chǎn)生新知識的過程。[2]

技術(shù)在嚴(yán)格意義上雖不是一門學(xué)科，但它包括創(chuàng)建和操作技術(shù)工藝品以及手工藝品本身的人類和組織系統(tǒng)、知識、流程和設(shè)備[3]?？偟膩碚f，技術(shù)通過改善自然環(huán)境滿足人類需求，它是一種認(rèn)識世界、改造世界的工具。技術(shù)領(lǐng)域的核心概念有系統(tǒng)（system），資源（resource），需要（requirement），優(yōu)化與權(quán)衡（optimization and trade-off），程序（process），控制（control）。[4]

工程既是關(guān)于人造產(chǎn)品設(shè)計和創(chuàng)造的知識體系，也是解決問題的過程，該過程是在約束下設(shè)計的。工程設(shè)計中的約束包括自然法則或科學(xué)、時間、資金、可用材料、人體工程學(xué)、環(huán)境法規(guī)、可制造性和可維修性[5]。K-12工程教育強(qiáng)調(diào)：工程設(shè)計的原則，恰當(dāng)?shù)厥褂脭?shù)學(xué)、科學(xué)和技術(shù)知識，促進(jìn)工程思維習(xí)慣（包括系統(tǒng)性、創(chuàng)造性、積極、合作、交流、倫理）的養(yǎng)成。

數(shù)學(xué)是對數(shù)、數(shù)量和空間之間的模式和關(guān)系的研究。在要求經(jīng)驗證據(jù)支持或推翻論斷的情況下，數(shù)學(xué)需要通過基于假設(shè)的邏輯論證予以支持。數(shù)學(xué)知識不斷增長，但不會被推翻，除非基礎(chǔ)假設(shè)被轉(zhuǎn)化。K-12數(shù)學(xué)教育的具體概念包括數(shù)字、算術(shù)、代數(shù)、函數(shù)、幾何、統(tǒng)計和概率。

（二）整合的STEM教育內(nèi)涵及整合方式

1.整合的STEM教育內(nèi)涵

對于整合的STEM教育（Integrated STEM Education）的內(nèi)涵，不同的學(xué)者持有不同的看法。從四門學(xué)科的整合形式上看，桑德斯（Sanders）將整合的STEM教育描述為“在兩個或更多STEM學(xué)科之間或STEM科目與一個或多個其他學(xué)科之間探究教學(xué)和學(xué)習(xí)的方法”[6]。莫爾（Moore）等人將整合的STEM教育定義為“將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四個學(xué)科中的部分或全部納入基于學(xué)科和現(xiàn)實世界問題之間的一個單元或課程中”[7]。托德·凱利（Todd Kelley）和 J·杰夫諾爾斯（J. Geoff Knowles）認(rèn)為，整合的STEM教育是教授兩個或多個STEM領(lǐng)域的內(nèi)容，在真實的情境中進(jìn)行STEM實踐以連接各門學(xué)科，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。[8]

2.整合方式

STEM教育主要有三種整合方式：內(nèi)容整合（Content Integration）、輔助式整合（Supporting Content Integration）、情境整合（Context Integration）。其中，內(nèi)容整合是指教師圍繞某個涉及多方領(lǐng)域的大概念（Big Ideas）來設(shè)計教學(xué)活動或單元，從而融合多門學(xué)科內(nèi)容；輔助式整合是指教師設(shè)計的教學(xué)活動或單元涵蓋兩門以上學(xué)科，把其中一門預(yù)設(shè)為主要學(xué)科，其他學(xué)科用于輔助主要學(xué)科的學(xué)習(xí)；情境整合是指以一門學(xué)科的內(nèi)容為核心目標(biāo)，教師利用其他領(lǐng)域的現(xiàn)實問題情境推動核心內(nèi)容的學(xué)習(xí)[9]。STEM教育的整合強(qiáng)調(diào)學(xué)科之間聯(lián)系的建立，深層次的知識學(xué)習(xí)，真實的情境以及學(xué)以致用。

二、STEM教育的實施概況

（一）國家層面

1.聯(lián)邦政府、國會等發(fā)布相關(guān)政策和研究報告

1986年，美國國家科學(xué)委員會發(fā)布《本科數(shù)學(xué)、科學(xué)與工程教育》報告，指出當(dāng)時美國本科生的數(shù)學(xué)、科學(xué)和工程教育質(zhì)量不高，面臨諸多挑戰(zhàn)，其中工程學(xué)科是最為薄弱的。發(fā)布這份報告旨在提出本科數(shù)學(xué)、科學(xué)和工程教育中存在的問題并改善這種不良狀況。經(jīng)過十年的發(fā)展，美國國家科學(xué)基金會于1996年發(fā)布《塑造未來：本科教育振興策略》報告，對過去十年的STEM教育進(jìn)行回顧與總結(jié)，并規(guī)劃未來的教育發(fā)展構(gòu)想。2007年，美國聯(lián)邦教育部發(fā)布了《學(xué)術(shù)競爭力委員會報告》，提出各階段STEM教育的具體培養(yǎng)目標(biāo)和量規(guī)。2010年，美國總統(tǒng)行政辦公室和總統(tǒng)科技顧問委員會發(fā)布了《準(zhǔn)備與激勵：美國K-12未來的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育》報告，對STEM教育發(fā)展提出7條優(yōu)先發(fā)展建議。2013年，國家科學(xué)技術(shù)委員會發(fā)布了《聯(lián)邦STEM教育五年戰(zhàn)略規(guī)劃》，為STEM教育發(fā)展規(guī)劃實施路線圖，橫向上從行動（action）、結(jié)果（outcome）、量規(guī)（metric）三個層面，縱向上從近期（1～2年）、中期（3～4年）、長期（4年以上）三個時間段描述了STEM教育的五大優(yōu)先投資領(lǐng)域。2016年，美國聯(lián)邦教育部聯(lián)合美國研究所發(fā)布《STEM 2026：STEM教育創(chuàng)新愿景》報告，提出了美國STEM教育未來發(fā)展的六大愿景以及實現(xiàn)這些愿景所面臨的八大挑戰(zhàn)。

2.各組織積極制定課程標(biāo)準(zhǔn)

在實施STEM教育的過程中，美國國會、行政機(jī)構(gòu)、國家科學(xué)基金會、相關(guān)咨詢機(jī)構(gòu)等都是STEM教育的積極參與者。2007年，美國國家技術(shù)教育協(xié)會發(fā)布《技術(shù)素養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)》，旨在培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)，使其具備21世紀(jì)技能，將技術(shù)與工程和科學(xué)進(jìn)行融合，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)學(xué)科之間的聯(lián)系，打破學(xué)科之間的壁壘。2010年，美國州長協(xié)會最佳實踐中心、州首席教育官員理事會等民間組織自發(fā)組織制定了《數(shù)學(xué)州共同核心標(biāo)準(zhǔn)》，共同標(biāo)準(zhǔn)的制定有利于各州實施數(shù)學(xué)教育，標(biāo)準(zhǔn)中提出了8個教學(xué)實踐，充分體現(xiàn)了將科學(xué)與數(shù)學(xué)相結(jié)合的思想。同年，美國國家研究院發(fā)布《K-12工程教育標(biāo)準(zhǔn)？》（Standards for K-12 Engineering Education？），這份報告主要探討工程教育是否應(yīng)該成為中小學(xué)的一門獨立學(xué)科，經(jīng)過反復(fù)的研究，最終放棄將工程教育作為中小學(xué)的一門單獨學(xué)科，這也是報告名稱中有問號的原因所在。報告強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，強(qiáng)調(diào)大概念的學(xué)習(xí)，將工程與數(shù)學(xué)、科學(xué)技術(shù)相融合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和問題解決能力。2012年，美國國家研究委員會發(fā)布《K-12科學(xué)教育框架：實踐、跨領(lǐng)域概念和核心概念》，該報告強(qiáng)調(diào)科學(xué)與工程兩門學(xué)科的整合，二者的結(jié)合充分體現(xiàn)了跨領(lǐng)域的內(nèi)容融合。2013年，美國國家研究委員會發(fā)布《下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》，強(qiáng)調(diào)科學(xué)與工程技術(shù)和數(shù)學(xué)的整合。

（二）各州層面

1.各州制定STEM教育框架及量規(guī)

美國STEM教育的具體實施框架是自上而下與自下而上相互結(jié)合的。聯(lián)邦政府層面發(fā)布政策和報告，作為指導(dǎo)STEM教育發(fā)展的“風(fēng)向標(biāo)”，各州積極探索符合州STEM教育發(fā)展規(guī)律的實踐框架。威斯康星州、印第安納州、北卡羅來納州、紐約州等都制定了STEM教育框架，旨在指導(dǎo)各州開展STEM人才培養(yǎng)。例如，印第安納州制定了STEM教育實施量規(guī)，從基礎(chǔ)建設(shè)、教學(xué)指導(dǎo)、課程、拓展學(xué)習(xí)四個方面描繪了印第安納州的STEM教育圖景，并將其分成初期實施（Initial Implementation）、發(fā)展實施（Developing Implementation）、形成實施（Approaching Implementation）、全面實施（Full Implementation）四個階段。其STEM教育框架如表1所示。

2.STEM教育資源共享網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

美國除了在正規(guī)教育中開展STEM教育，特別是通過建設(shè)可共享的網(wǎng)絡(luò)資源，在非正規(guī)教育中也積極推廣STEM教育。多個州都運行了STEMx網(wǎng)絡(luò)（http：//www.stemx.us/resources/），該網(wǎng)絡(luò)面向中小學(xué)和大學(xué)，通過傳播高質(zhì)量的STEM教育策略、項目、視頻等資源，以提高學(xué)生STEM成績，使其具備創(chuàng)新意識。各州可以依據(jù)該平臺建設(shè)具有本州特色的STEM教育。

（三）學(xué)校層面

1.將基于項目的學(xué)習(xí)運用于STEM教學(xué)中

基于項目的學(xué)習(xí)（Project-based Learning）這一教學(xué)概念嘗試將學(xué)生培養(yǎng)成為積極的學(xué)習(xí)者，在項目中積極獲取必要的知識以解決問題，而不是成為消極接受二手知識的學(xué)習(xí)者[11]。基于項目的STEM 學(xué)習(xí)有兩個本質(zhì)特征[12]：一是模糊的任務(wù)，該任務(wù)被置于豐富的情境下，同時具有明確的目標(biāo)，要求學(xué)生解決若干問題，通過學(xué)生完整的作品展示考量其對STEM各學(xué)科知識的掌握情況；二是明確的結(jié)果，通過跨學(xué)科整合幫助學(xué)生建立高階思維技能，促使其了解不同學(xué)科領(lǐng)域之間的聯(lián)系。

以美國和諧公立學(xué)校為例，該校將基于項目的學(xué)習(xí)方法運用于STEM教育中，形成了“STEM學(xué)生登臺秀”模式（STEM Students on the Stage）[13]。該模式的目標(biāo)是“在基于項目的學(xué)習(xí)擴(kuò)展學(xué)生知識面的過程中，持續(xù)關(guān)注以學(xué)生為中心的規(guī)范教學(xué)方法”。該模式共有三級項目：Ⅰ級項目、Ⅱ級項目、Ⅲ級項目，難易程度由低到高。其中，Ⅰ級項目關(guān)于各核心科目，如數(shù)學(xué)、科學(xué)、社會研究等；Ⅱ級項目關(guān)于跨學(xué)科項目，以科學(xué)或數(shù)學(xué)為主；Ⅲ級項目是為那些喜歡創(chuàng)造、想要自主研究、開發(fā)產(chǎn)品的學(xué)生設(shè)立的。這些項目都是跨學(xué)科的項目，每一步都需要技術(shù)整合以最終完成項目。該模式的教學(xué)過程分為兩部分，第一部分是教師主導(dǎo)的教學(xué)，教師主要負(fù)責(zé)講解概念，帶領(lǐng)學(xué)生開展動手活動、小組合作等；第二部分是學(xué)生項目，是教學(xué)過程的重中之重，學(xué)生是課堂的主人，教師是輔助者。

2.將基于問題的學(xué)習(xí)運用于STEM教學(xué)中

基于問題的學(xué)習(xí)（Problem-based Learning）始于引入一個真實世界的問題，這個問題為后續(xù)教學(xué)活動打下基礎(chǔ)[14]?；趩栴}的學(xué)習(xí)的前提是學(xué)生具備相關(guān)的知識儲備，以便其更好地理解文本，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，同時學(xué)生要對真實世界的問題感興趣，產(chǎn)生探究的欲望?；趩栴}的學(xué)習(xí)以建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)模型為基礎(chǔ)，由四部分組成：可能產(chǎn)生多種問題假設(shè)和多種問題解決方法；以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心，學(xué)生決定他們的學(xué)習(xí)內(nèi)容并找到適切的信息資源；教師是促進(jìn)者或指導(dǎo)者；真實世界的問題[15]?；趩栴}的STEM學(xué)習(xí)，以真實問題為導(dǎo)向，讓學(xué)生主動探究問題，最終解決問題。

以《化學(xué)連接：基于問題的學(xué)習(xí)，STEM經(jīng)驗》（Chemical Connections： A Problem-based Learning，STEM Experience）[16]課程為例，教師采用基于問題的學(xué)習(xí)方法，以生活中的真實問題導(dǎo)入：“大家通過標(biāo)簽，看看你的襯衫是哪里生產(chǎn)的？”然后，教師引導(dǎo)學(xué)生探究問題，向?qū)W生介紹任務(wù)，基于學(xué)生原有的知識和經(jīng)驗，提出研究問題。最后，教師組織學(xué)生總結(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容，展示學(xué)習(xí)成果，并進(jìn)行反思。在這一過程中，教師需要指導(dǎo)學(xué)生撰寫及完善探究報告，幫助學(xué)生反思解決問題的過程中哪些地方是有效的，哪些地方是需要改進(jìn)的，以便遷移到后續(xù)需要解決的問題中。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔鴻，朱家華，張秀紅.基于項目的STEAM學(xué)習(xí)探析：核心素養(yǎng)的視角[J].華東師范大學(xué)學(xué)報（教育科學(xué)版），2017（4）：54-61.

[2][3][5]Committee on Integrated STEM Education. STEM Integration in K-12 Education： Status， Prospects， and an Agenda for Research[EB/OL]. https：//www.nap.edu/download/18612， 2018-04-13.

[4]International Technology and Engineering Education Association.Standards for Technological Literacy：Content for the Study of Technology[EB/OL]. https：//www.iteea.org/File.aspx？id=67767&v=691d2353， 2018-04-13.

[6]Sanders， M. STEM， STEM Education， STEM Mania[J].The Technology Teacher，2009，68（4）：20-26.

[7]Moore， T.， Stohlmann， M.， Wang， H.， Tank， K.， Glancy， A.， &Roehrig， G.Engineering in Pre-College Settings：Synthesizing Research， Policy， and Practices[M]. West Lafayette：Purdue Press，2014：35-60.

[8]Todd R. Kelley，J. Geoff Knowles. A Conceptual Framework for Integrated STEM Education[EB/OL].https：//link.springer.com/article/10.1186/s40594-016-0046-z，2019-02-20.

[9]楊亞平，陳晨.美國中小學(xué)整合性STEM教學(xué)實踐的研究[J].外國中小學(xué)教育，2016（5）：58-64.

[10]Indianas Department of Education .Indianas Department of Education STEM Education Implementation Rubric[EB/OL].https：//www.doe.in.gov/sites/default/files/wf-stem/stem implementation-rubric.pdf，2018-06-21.

[11]John W. Thomas. A Review of Research on Project-based Learning[EB/OL]. http：//www.bie.org/images/uploads/general/9d06758fd346969cb63653d00 dca55c0.pdf，2017-06-13.

[12][美]羅伯特·M·卡普拉羅，瑪麗·瑪格麗特·卡普拉羅，詹姆斯·R·摩根.基于項目的STEM學(xué)習(xí)：一種整合科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)方式[M]. 王雪華，屈梅.譯.上海：上?？萍冀逃霭嫔纾?016：7.

[13]Alpaslan Sahin，Namik Top.STEM Students on the Stage（SOS）： Promoting Student Voice and Choice in STEM Education Through an Interdisciplinary， Standards-focused， Project Based Learning Approach[J]. Journal of STEM Education，2015（3）：24-33.

[14][16]Amy Abbott.Chemical Connections： A Ppoblem-based Learing， STEM Experience[J].Science Scope，2016，3（1）：34.

[15]Howard Barrows.Is it Truly Possible to Have Such a Thing as PBL？[J]. Distance Education， 2002，23（1）： 119-122.

編輯 朱婷婷 校對 許方舟