基于知識(shí)圖譜的國(guó)際STEM教育研究可視化分析

仲書緣，徐曉雄

（寧波大學(xué) 教師教育學(xué)院，浙江 寧波 315211）

當(dāng)今時(shí)代，人類所面臨的氣候變暖、人口過剩、自然資源短缺、環(huán)境污染等諸多問題，需要有效的科技手段來解決。[1]進(jìn)入21世紀(jì)后，科技創(chuàng)新更是成為一個(gè)國(guó)家能否在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中制勝的關(guān)鍵因素。基于此，被視為創(chuàng)新型人才培養(yǎng)有效方式的STEM教育，近年來倍受世界各國(guó)的高度關(guān)注。

STEM教育理念可溯源到美國(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì)于20世紀(jì)80年代發(fā)表的 《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》，報(bào)告創(chuàng)見性地提出將科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程、技術(shù)四門學(xué)科融合為一體，進(jìn)行集成化教學(xué)，用以培養(yǎng)具備跨學(xué)科知識(shí)的創(chuàng)新型人才。[2]自STEM教育理念傳入國(guó)內(nèi)以來，在理論和實(shí)踐層面都有相當(dāng)數(shù)量的成果，但就整體的發(fā)展情況來看仍處于起步階段，尚缺少對(duì)STEM教育的獨(dú)立命題和教育創(chuàng)新。

鑒于此，本文借助可視化知識(shí)圖譜分析法對(duì)2008-2018年這十余年間的國(guó)際STEM教育研究進(jìn)行文本挖掘，探尋其研究的熱點(diǎn)主題與前沿趨勢(shì)，進(jìn)而總結(jié)國(guó)際STEM教育研究對(duì)我國(guó)的啟示，以期為我國(guó)STEM教育未來的發(fā)展提供理論和實(shí)踐方面的借鑒。

一、研究設(shè)計(jì)

1.樣本獲取

本文的文獻(xiàn)樣本以Web of ScienceTM（WOS）核心合集為來源。STEM教育是多個(gè)學(xué)科融合的領(lǐng)域，又指向教育系統(tǒng)，因此STEM在話語中可以代表STEM教育[3]，同時(shí)STEAM作為STEM的擴(kuò)展概念，也有相當(dāng)數(shù)量的研究文獻(xiàn)。故本文將檢索詞定為“STEM”及“STEAM”，構(gòu)造高級(jí)檢索式 “TS=(STEM*OR STEAM)”，語種限定為“English”，文獻(xiàn)類型設(shè)定為“Article”，時(shí)間跨度為 2008-2018年，最終得到695篇有效文獻(xiàn)。

2.研究方法

近年興起的科學(xué)知識(shí)圖譜（Mapping Knowledge Domains）是以某個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的知識(shí)為研究對(duì)象，通過計(jì)量統(tǒng)計(jì)生成可視化的“圖”與“譜”來顯現(xiàn)知識(shí)在時(shí)空上的發(fā)展情況以及知識(shí)間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。[4]

本文根據(jù)研究需要，采用Bicomb2.0、自編JavaScript代碼、SPSS21.0以及CiteSpce5.1生成可視化的科學(xué)知識(shí)圖譜。其中Bicomb2.0統(tǒng)計(jì)歷年發(fā)文量和來源期刊分布，并生成關(guān)鍵詞詞篇矩陣；自編JavaScript代碼繪制國(guó)際STEM教育研究的空間分布圖譜；SPSS21.0生成關(guān)鍵詞多維尺度圖譜；CiteSpace5.1生成高頻關(guān)鍵詞表、被引文獻(xiàn)時(shí)間線視圖和關(guān)鍵詞突現(xiàn)表。最后，在解讀知識(shí)圖譜的基礎(chǔ)上再對(duì)國(guó)際STEM教育研究進(jìn)行定性分析。

二、國(guó)際STEM教育研究文獻(xiàn)概貌

1.研究時(shí)間分布

圖1 2008-2018年國(guó)際STEM教育研究歷年發(fā)文量

無論哪個(gè)研究領(lǐng)域，論文的數(shù)量都是一個(gè)衡量該領(lǐng)域研究熱度和發(fā)展趨勢(shì)的重要指標(biāo)，國(guó)際STEM教育研究的歷年發(fā)文量如圖1所示?？梢娢墨I(xiàn)數(shù)量整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中以2013年為分水嶺，2013年之前文獻(xiàn)量增長(zhǎng)速度緩慢，說明該時(shí)間段國(guó)際上對(duì)STEM教育研究的關(guān)注度并不高，年均發(fā)文量介于5-20篇之間。

2013-2017年期間，以美國(guó)的《聯(lián)邦政府關(guān)于科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué) （STEM）教育戰(zhàn)略規(guī)劃 （2013-2018年）》為代表，英國(guó)、澳大利亞、加拿大、德國(guó)等相繼出臺(tái)有關(guān)STEM教育的政策文件，吸引了眾多研究者的目光，文獻(xiàn)數(shù)量呈指數(shù)式增長(zhǎng)，從27篇躍升到168篇。值得注意的是，2018年的文獻(xiàn)數(shù)量未能延續(xù)之前的增長(zhǎng)趨勢(shì)，表明國(guó)際STEM教育研究已經(jīng)進(jìn)入常態(tài)化研究階段。

2.研究空間分布

對(duì)文獻(xiàn)產(chǎn)出的國(guó)家（地區(qū)）和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，有助于了解STEM教育在國(guó)際上的研究成果分布情況，便于后期開展國(guó)際學(xué)術(shù)合作和資源引進(jìn)。

筆者在對(duì)文獻(xiàn)樣本的國(guó)家（地區(qū)）和研究機(jī)構(gòu)來源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，得到34個(gè)國(guó)家（地區(qū)）和121所研究機(jī)構(gòu)發(fā)文量在2篇以上，再通過編寫代碼繪制成可視化交互知識(shí)圖譜。

從國(guó)家（地區(qū)）層面看，國(guó)際STEM教育研究多集中于發(fā)達(dá)國(guó)家，美國(guó)作為STEM教育的發(fā)源地，仍是研究的中心，發(fā)文量高達(dá)472篇，占總數(shù)的67.9%，其次為澳大利亞（41篇，5.9%）和英國(guó)（36 篇，5.2%），余下的國(guó)家發(fā)文量皆在30篇以下。

從研究機(jī)構(gòu)層面看，排名前十的高產(chǎn)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)都為美國(guó)的高校，其中普渡大學(xué)、密歇根州立大學(xué)、威斯康辛大學(xué)三所高校發(fā)文較多，依次為28篇、16篇、15篇，其余如德克薩斯農(nóng)工大學(xué)、佐治亞理工學(xué)院等理工科大學(xué)發(fā)文量較多，表明美國(guó)的研究型理工高校也在關(guān)注STEM教育。

3.來源期刊分布

通過分析文獻(xiàn)來源期刊的分布情況，可以在一定程度上了解某個(gè)領(lǐng)域研究的主要群體以及該研究的學(xué)科轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散趨勢(shì)。[5]經(jīng)統(tǒng)計(jì)，國(guó)際STEM教育研究文獻(xiàn)共分布在98種期刊，表1中列舉了載文量排名前八的期刊，它們所刊登的論文數(shù)量占總量的比例超過40%，具有較高的領(lǐng)域代表性。

表1 國(guó)際STEM教育研究文獻(xiàn)來源期刊（部分）

通過期刊的名稱可以看出科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門STEM學(xué)科教育類期刊都有相當(dāng)數(shù)量的文獻(xiàn)，其中科學(xué)教育是學(xué)界關(guān)注的重點(diǎn)?！犊茖W(xué)與技術(shù)教育雜志》《歐亞大陸數(shù)學(xué)、科學(xué)和技術(shù)教育雜志》和《國(guó)際科學(xué)與數(shù)學(xué)教育雜志》作為多學(xué)科教育類期刊載文量較高，體現(xiàn)了STEM教育研究跨學(xué)科的特征。

三、國(guó)際STEM教育研究熱點(diǎn)與趨勢(shì)

1.國(guó)際STEM教育研究熱點(diǎn)

多維尺度圖可將多維空間中的樣本數(shù)據(jù)降維至低維度，同時(shí)保留數(shù)據(jù)間的原始關(guān)系，有助于研究者以更簡(jiǎn)單的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位、分析和歸類。[6]根據(jù)關(guān)鍵詞在多維尺度圖譜（圖2）四個(gè)象限內(nèi)的分布狀況，再結(jié)合高頻關(guān)鍵詞表（表2），可將近十年來國(guó)際STEM教育研究熱點(diǎn)劃分為以下四大主題：

圖2 國(guó)際STEM教育研究多維尺度圖譜

表2 國(guó)際STEM教育研究高頻關(guān)鍵詞（部分）

（1）STEM教育的整合路徑探究

按知識(shí)的本質(zhì)特性進(jìn)行分科教學(xué)，有助于學(xué)習(xí)者獲得邏輯嚴(yán)密的文化知識(shí)以及方便教師的講授，但因其脫離生活的實(shí)踐性和缺乏內(nèi)容的趣味性，為許多學(xué)者所詬病。[7]STEM教育的宗旨之一便是打破學(xué)科之間的壁壘，踐行以真實(shí)問題為導(dǎo)向、整合多門學(xué)科知識(shí)于一體的教學(xué)。

在整合取向上，學(xué)界仍未達(dá)成共識(shí)，當(dāng)下有多種STEM學(xué)科的整合方法。多學(xué)科方法如同傳統(tǒng)課程一般，每門學(xué)科的具體知識(shí)和技能都是單獨(dú)學(xué)習(xí)的，學(xué)生需要自主地將不同內(nèi)容聯(lián)系起來，而跨學(xué)科方法則是從一個(gè)真實(shí)世界中的問題為起點(diǎn)，調(diào)用跨學(xué)科的知識(shí)和思維來完成任務(wù)。[8]

Satchwell對(duì)跨學(xué)科方法做了更詳細(xì)的解讀，將其分為跨學(xué)科課程和整合課程，跨學(xué)科課程是以一門學(xué)科作為中心，同時(shí)以其他學(xué)科內(nèi)容的隱形鏈接為支持。整合課程指明確地吸收來自一門以上的其他學(xué)科的內(nèi)容，并且課程中所含的兩門或更多的學(xué)科內(nèi)容擁有同樣的權(quán)重。[9]

類似的還有內(nèi)容整合和上下文整合，內(nèi)容整合關(guān)注將多個(gè)學(xué)科合并成一個(gè)課程活動(dòng)或單元，用以強(qiáng)調(diào)“大思想（Big Ideas）”；上下文整合則專注于一門學(xué)科的內(nèi)容，但可以通過加入其他學(xué)科的特定背景來增強(qiáng)該學(xué)科內(nèi)容的上下文關(guān)聯(lián)性。[10]

對(duì)于如何在STEM學(xué)科整合過程中體現(xiàn)各個(gè)學(xué)科的價(jià)值，學(xué)界已經(jīng)達(dá)成相對(duì)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，即數(shù)學(xué)屬于基礎(chǔ)學(xué)科，發(fā)展學(xué)生的理性邏輯思維，科學(xué)幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)世界，二者共同促進(jìn)技術(shù)和工程能力的發(fā)展，用以改造世界。[11]總體來看，國(guó)際上的STEM學(xué)科整合研究遵循由分科走向融合的路徑，且構(gòu)建了明晰的學(xué)科價(jià)值體系。

（2）STEM教育的低齡化滲透

STEM專業(yè)畢業(yè)生數(shù)量無法滿足就業(yè)市場(chǎng)的需求是各國(guó)面臨的最大挑戰(zhàn)，如歐盟2012年STEM專業(yè)畢業(yè)生只占總數(shù)的22.8%，預(yù)測(cè)2025年STEM工作崗位缺口會(huì)高達(dá)700萬。[12]因此，國(guó)際上開始反思過往專注于高等教育的STEM教育模式，多位學(xué)者發(fā)現(xiàn)相較于在高等教育中通過干預(yù)手段促使學(xué)生選擇STEM專業(yè)，在K-12階段讓學(xué)生充分接觸STEM教育，能夠更有效地影響他們?cè)谖磥磉x擇STEM專業(yè)和職業(yè)。[13]

美國(guó)已在中小學(xué)階段開設(shè)了專門的STEM學(xué)校，主要可以分為“特色STEM學(xué)?！保⊿TEM精英學(xué)校）、“全納STEM學(xué)?！币约啊癝TEM職業(yè)技術(shù)學(xué)校”。[14]

三類學(xué)校有不同的人才培養(yǎng)目標(biāo)：“特色STEM學(xué)校”（STEM精英學(xué)校）通過選拔錄取有STEM學(xué)科天賦的學(xué)生，培養(yǎng)未來進(jìn)入頂尖研究型大學(xué)的學(xué)生；“全納STEM學(xué)?！泵嫦虼蟛糠制胀▽W(xué)生，學(xué)生無需通過學(xué)業(yè)測(cè)試即可被錄取，培養(yǎng)進(jìn)入普通高校學(xué)習(xí)的應(yīng)用型人才；“STEM職業(yè)技術(shù)學(xué)校”通常依托于教育中心、綜合學(xué)校或是職業(yè)學(xué)院開設(shè)，學(xué)生可在該類學(xué)校學(xué)習(xí)一項(xiàng)STEM領(lǐng)域的操作性技能。

德國(guó)、奧地利、瑞士等國(guó)受“混合天賦（MINT Talent）”理念的影響，聯(lián)合在中小學(xué)開設(shè)300多所“校園實(shí)驗(yàn)室”，培養(yǎng)“工業(yè)4.0”需要的科學(xué)家和工程師。[15]日本則是另辟蹊徑，重新修訂課程大綱在中小學(xué)階段增加STEM課程的比重。[16]由此可以看出，世界各國(guó)多是利用頂層力量推動(dòng)STEM教育向中小學(xué)階段滲透。

（3）STEM教育中的體驗(yàn)式教學(xué)

不同于以往講授式的教學(xué)模式，STEM教育十分強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者的主動(dòng)參與，在活動(dòng)中體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問題、提出方案、解決問題的樂趣，進(jìn)而促進(jìn)自我效能感的提升，喚起學(xué)生的STEM學(xué)業(yè)興趣。若干研究分享了如基于問題的學(xué)習(xí)、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)、基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、玩中學(xué)等適合STEM教育的體驗(yàn)式教學(xué)模式。[17-19]

筆者將在STEM教育中實(shí)施體驗(yàn)式教學(xué)的要素總結(jié)為以下四點(diǎn)：①在學(xué)習(xí)過程中讓學(xué)生感受到自身的能力；②在活動(dòng)中讓學(xué)生表現(xiàn)出他們的能力；③保證有充足的時(shí)間完成活動(dòng)以及開展學(xué)生自主發(fā)起的活動(dòng)；④靈活的學(xué)習(xí)環(huán)境。

當(dāng)然教學(xué)過程中也應(yīng)凸顯教師的職責(zé)，一項(xiàng)在兩個(gè)小學(xué)四年級(jí)班級(jí)中進(jìn)行的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)：在一堂同樣使用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的STEM課程中，一位教師對(duì)科學(xué)實(shí)踐做了寬泛的定義，將學(xué)生稱為“科學(xué)家”，該班的學(xué)生表現(xiàn)出更高的參與積極性；而另一位教師所定義的科學(xué)實(shí)踐較為狹義，導(dǎo)致這個(gè)班的學(xué)生認(rèn)為自己的活動(dòng)不屬于科學(xué)范疇，參與課堂活動(dòng)的意愿降低。[20]這意味著，即使教師在STEM教育中致力于實(shí)施以學(xué)生為中心的體驗(yàn)式教學(xué)，如果未能做到有效引導(dǎo)，也很難達(dá)到良好的效果。

（4）低代表性群體的STEM教育機(jī)會(huì)保障

“不讓一個(gè)孩子落隊(duì)”是國(guó)際教育界一直秉持的理念，但因人種、性別等原因?qū)е耂TEM教育中存在著由有色人種和女性等構(gòu)成的低代表性群體。[21]國(guó)際上嘗試以政策保障、STEM多元化發(fā)展、師資建設(shè)等措施彌補(bǔ)人種差異造成的STEM教育鴻溝。如美國(guó)的全選項(xiàng)科學(xué)系統(tǒng)（FOSS）項(xiàng)目通過訓(xùn)練有色人種科學(xué)教師為本族學(xué)生提供高水平的STEM課程，為學(xué)生未來進(jìn)入STEM領(lǐng)域打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。[22]Ceci等人則從潛在的生物學(xué)差異和社會(huì)文化角度解釋了女性為何在STEM領(lǐng)域代表性不足的原因，最后研究得出并非是因女性對(duì)于STEM領(lǐng)域的興趣缺失或是天賦不足導(dǎo)致該現(xiàn)象，相反女性相較于男性擁有更高的認(rèn)知優(yōu)勢(shì)，社會(huì)文化阻礙、性別刻板印象和工作可選余地有限是導(dǎo)致女性在STEM領(lǐng)域不斷流失的主要原因。[23]可考慮從消除刻板的性別印象、增強(qiáng)男女平等意識(shí)、擴(kuò)大職位可選項(xiàng)以及增強(qiáng)女性自我效能感等方面來提高女性在STEM領(lǐng)域的代表性。

2.國(guó)際STEM教育研究的前沿趨勢(shì)

根據(jù)科學(xué)計(jì)量學(xué)中的普萊斯科學(xué)前沿理論，科學(xué)研究的前沿發(fā)展依賴于近期的研究成果，也就是說可以通過當(dāng)前的科學(xué)文獻(xiàn)來預(yù)判未來的研究趨勢(shì)。[24]本文使用CiteSpce5.1對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行突現(xiàn)詞檢測(cè)，得到如表3所示的歷年突現(xiàn)關(guān)鍵詞表，可以看到近年的突現(xiàn)關(guān)鍵詞為“設(shè)計(jì)（Design）”“成果（Outcome）”“情境（Context）”和“選擇（Choice）”等，再結(jié)合國(guó)際STEM教育研究的共被引文獻(xiàn)時(shí)間線圖譜（圖3）中近年來的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)文獻(xiàn)，預(yù)測(cè)未來國(guó)際STEM教育研究將呈現(xiàn)以下四個(gè)趨勢(shì):

（1）STEM工程設(shè)計(jì)教學(xué)

“設(shè)計(jì)（Design）”在STEM教育中并不是一個(gè)新鮮的概念，在STEM課程整合研究中便有大量有關(guān)課程設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)。近年來的“設(shè)計(jì)”多指學(xué)生在課堂中進(jìn)行產(chǎn)品的工程設(shè)計(jì)過程，即Engineering Design Process（EDP）[25]，是體驗(yàn)式教學(xué)研究的最新進(jìn)展。如上文所言，學(xué)習(xí)者以解決現(xiàn)實(shí)問題為導(dǎo)向，進(jìn)行產(chǎn)品工程設(shè)計(jì)的過程中必然需要涉及到數(shù)學(xué)、科學(xué)以及技術(shù)學(xué)科的知識(shí)和思維方式。因此，工程設(shè)計(jì)教學(xué)被視為一種有效的STEM教學(xué)方式，但因其對(duì)學(xué)生的起點(diǎn)能力、教師的教學(xué)水平和配套資源都有較高的要求，目前仍處于探索階段。

表3 國(guó)際STEM教育研究歷年突現(xiàn)關(guān)鍵詞

圖3 國(guó)際STEM教育研究共被引文獻(xiàn)時(shí)間線圖譜

（2）多維度的STEM教育評(píng)價(jià)體系

STEM教育能夠培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新思維、協(xié)作能力、問題解決能力等綜合能力，但如何制定客觀的標(biāo)準(zhǔn)去衡量STEM教育的成果，即量化評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)者“STEM素養(yǎng)”的提升，是當(dāng)前國(guó)際STEM教育研究者共同面臨的難題?，F(xiàn)有的一些評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)國(guó)家教育進(jìn)步評(píng)價(jià)系統(tǒng)，盡管包含相關(guān)STEM學(xué)科的評(píng)價(jià)指標(biāo)，但多以傳統(tǒng)的紙筆評(píng)價(jià)方式進(jìn)行，并不一定適用于思維與能力的測(cè)量，而STEM教育側(cè)重在活動(dòng)中學(xué)習(xí)，注重過程評(píng)價(jià)。因此，制定多維度、可量化的STEM教育評(píng)價(jià)體系是未來國(guó)際STEM教育研究的一大趨勢(shì)。

（3）智能化的STEM學(xué)習(xí)情境

靈活的學(xué)習(xí)情境是有效實(shí)施STEM教育的關(guān)鍵因素之一，因STEM教育跨學(xué)科融合、基于真實(shí)問題、自主建構(gòu)知識(shí)等特性，STEM學(xué)習(xí)情境不同于過往的學(xué)習(xí)空間，需要做到情境與學(xué)生的動(dòng)態(tài)匹配，才能促進(jìn)有效學(xué)習(xí)的發(fā)生。當(dāng)前人工智能技術(shù)能針對(duì)不同特征的學(xué)習(xí)者進(jìn)行個(gè)性化匹配，可以預(yù)測(cè)虛擬STEM實(shí)驗(yàn)室、STEM教學(xué)機(jī)器人、智能化STEM教室等智能化的STEM學(xué)習(xí)情境創(chuàng)設(shè)研究會(huì)成為下一階段的研究熱點(diǎn)。

（4）管道化的STEM人才輸送機(jī)制

持續(xù)不斷地吸引優(yōu)秀人才進(jìn)入STEM領(lǐng)域是實(shí)施STEM教育的一大目標(biāo)。“選擇（Choice）”成為最新的突現(xiàn)關(guān)鍵詞，表明過往國(guó)際上實(shí)施的STEM人才培養(yǎng)模式仍存在一定問題。盡管如上文所提及的提升K-12階段學(xué)生的STEM學(xué)業(yè)興趣和保障低代表性群體的STEM教育機(jī)會(huì)已經(jīng)成為國(guó)際STEM教育研究的兩大熱點(diǎn)，但現(xiàn)有研究所提的多為宏觀層面的措施，究竟如何在具體層面上促使學(xué)習(xí)者選擇STEM專業(yè)，進(jìn)入STEM行業(yè)，做到K-12、高等教育及就業(yè)選擇之間的有機(jī)銜接，即形成管道化的STEM人才輸送機(jī)制是有待學(xué)界解決的一個(gè)迫切問題。

四、國(guó)際STEM教育研究對(duì)我國(guó)的啟示

要想對(duì)國(guó)內(nèi)的STEM教育發(fā)展提出建設(shè)性的意見，必然需要了解當(dāng)前國(guó)內(nèi)STEM教育研究的狀況，本文根據(jù)發(fā)表在CNKI核心期刊上的STEM教育文獻(xiàn)制作了互動(dòng)知識(shí)圖譜，如圖4所示。發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)的STEM教育研究主要集中于東部地區(qū)的師范類院校，且研究?jī)?nèi)容以STEM教育理論探討、國(guó)外研究?jī)?nèi)容解讀為主，尚未形成較為系統(tǒng)化的理論體系和可行的實(shí)踐模式。結(jié)合上文的分析結(jié)果，筆者將國(guó)際STEM教育研究對(duì)我國(guó)的啟示總結(jié)為以下四點(diǎn)：

圖4 國(guó)內(nèi)STEM教育研究現(xiàn)狀概略圖譜

1.建設(shè)雙向推進(jìn)、多方協(xié)同的STEM教育生態(tài)系統(tǒng)

一項(xiàng)重大的教育改革事項(xiàng)，需要教育主管部門的頂層規(guī)劃、教育基層的積極響應(yīng)以及社會(huì)相關(guān)部門的協(xié)同配合。盡管當(dāng)前國(guó)內(nèi)的STEM教育研究十分火熱，但“自下而上”的推進(jìn)路線對(duì)頂層設(shè)計(jì)的影響還相當(dāng)有限，目前專門針對(duì)STEM教育的政策文件尚不多見，比較有代表性只有《中國(guó)STEM教育白皮書》。而改革分科式教學(xué)模式、創(chuàng)設(shè)單獨(dú)的STEM學(xué)科，甚至是建立高考式的STEM人才選拔機(jī)制都需要相應(yīng)的政策支持。

同樣，科教與創(chuàng)新之間的壁壘也是我國(guó)長(zhǎng)期存在的一個(gè)問題，這需要在STEM教育發(fā)展中加強(qiáng)社會(huì)協(xié)同機(jī)制，促進(jìn)企業(yè)與高校間的產(chǎn)學(xué)研合作。當(dāng)然也應(yīng)搭建企業(yè)、高校、科研院所與中小學(xué)之間的“橋梁”，在真實(shí)的生產(chǎn)和科研環(huán)境中培養(yǎng)中小學(xué)生的STEM興趣和創(chuàng)新能力。建設(shè)“自上而下”和“自下而上”雙向推進(jìn)以及多方協(xié)同的中國(guó)特色STEM教育生態(tài)系統(tǒng)，是助力我國(guó)STEM教育快速發(fā)展的一個(gè)重要路徑。

2.構(gòu)建STEM教育學(xué)術(shù)與實(shí)踐共同體

推進(jìn)STEM教育發(fā)展的關(guān)鍵因素之一在于把握跨學(xué)科融合這一核心特征，但當(dāng)前國(guó)內(nèi)的STEM教育研究學(xué)科擴(kuò)散程度并不高，主要的研究力量為教育技術(shù)和科學(xué)教育學(xué)科群體。同時(shí)，在實(shí)踐中教師因?qū)W科背景的限制，對(duì)其他STEM學(xué)科了解并不深入，在實(shí)施STEM教育時(shí)只做到了其他學(xué)科知識(shí)的簡(jiǎn)單疊加，距離學(xué)科邊界消失、課程內(nèi)容體現(xiàn)不同學(xué)科思維方式的跨學(xué)科融合模式仍有不小的差距。

STEM教育帶有濃厚的巴斯德科研范式色彩——基礎(chǔ)理論研究、開發(fā)設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐應(yīng)用研究之間的界線幾乎消散。[26]所以筆者認(rèn)為可借鑒美國(guó)的項(xiàng)目引路（PLTW）理念，構(gòu)建STEM教育學(xué)術(shù)與實(shí)踐共同體，集STEM學(xué)科的專家、學(xué)者和一線教師之力，以跨學(xué)科融合為導(dǎo)向，編制配套的STEM教材，設(shè)計(jì)與實(shí)施“本土化”的STEM課程及教育資源。

在此基礎(chǔ)上，可形成一個(gè) “STEM教育多利益聯(lián)合體”，即STEM教師可直接獲得專家指導(dǎo)，較過往的教師培訓(xùn)模式更具效率和針對(duì)性，STEM學(xué)科的專家和學(xué)者則可從實(shí)踐中汲取“養(yǎng)分”，形成的理論具有更強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)性。同時(shí)，學(xué)習(xí)者能享受優(yōu)質(zhì)的STEM教育資源，其所面對(duì)的問題或項(xiàng)目可能是學(xué)科最前沿的進(jìn)展，所面對(duì)的授課教師可能是該領(lǐng)域的“領(lǐng)頭人”，有助于提升他們的STEM學(xué)業(yè)興趣。

3.優(yōu)化STEM教育的生源結(jié)構(gòu)

我國(guó)同樣存在因經(jīng)濟(jì)發(fā)展失衡和性別差異而導(dǎo)致的STEM教育低代表性群體現(xiàn)象。例如，教育部發(fā)布的《中國(guó)教育概況——2016年全國(guó)教育事業(yè)發(fā)展情況》報(bào)告指出，農(nóng)村學(xué)生在學(xué)生人均持有科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)值上，只相當(dāng)于城市學(xué)生的65.7%。[27]在高等教育領(lǐng)域，女性人數(shù)已經(jīng)超過男性，但進(jìn)入STEM相關(guān)專業(yè)的女性明顯少于男性。[28]

此外，新高考改革帶來了新問題，2014年浙江省教育考試院面向全省23511名高三考生的調(diào)查結(jié)果顯示：選擇“物化生”的考生較改革前下降明顯，只有57.18%的男生和26.93%的女生選擇了物理；新增設(shè)的技術(shù)學(xué)科卻被考生冷落；不同成績(jī)水平的考生選科意向相距甚大，17.99%成績(jī)較好的考生選擇了“物化生”組合，而選擇該組合的成績(jī)中等和中下的考生只有10.59%、7.84%。[29]照此趨勢(shì)發(fā)展，大學(xué)期間進(jìn)入STEM專業(yè)的男女生人數(shù)都會(huì)下降，且在STEM產(chǎn)業(yè)中占多數(shù)的應(yīng)用型人才也會(huì)出現(xiàn)勞動(dòng)力短缺的問題。

以上問題關(guān)乎我國(guó)STEM教育的公平和質(zhì)量。調(diào)整STEM教育的生源結(jié)構(gòu)，讓更多家庭經(jīng)濟(jì)情況不佳的學(xué)生、女性以及中下成績(jī)水平的學(xué)生選擇STEM學(xué)科，同樣是保障我國(guó)STEM教育健康發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。針對(duì)低代表性群體，可借鑒國(guó)際上有較好實(shí)施效果的政策文件、師資培訓(xùn)計(jì)劃、獎(jiǎng)學(xué)金激勵(lì)機(jī)制等。針對(duì)高中階段STEM科目生源流失的現(xiàn)象，可對(duì)學(xué)生進(jìn)行選科指導(dǎo)和職業(yè)生涯規(guī)劃，甚至可以建設(shè)特色STEM高中。

當(dāng)然，最需要變革的是當(dāng)前以紙筆測(cè)驗(yàn)成績(jī)?yōu)橹鞯脑u(píng)價(jià)方式，為STEM教育制定多維度的評(píng)價(jià)體系，納入更多的過程性指標(biāo)。例如，部分女生可能在邏輯思維上不具有優(yōu)勢(shì)，但其能夠在STEM活動(dòng)中設(shè)計(jì)出具有美感的產(chǎn)品，成績(jī)中下的學(xué)生可能不擅長(zhǎng)考試，但其擁有較強(qiáng)的實(shí)踐操作能力，而 “設(shè)計(jì)思維”“操作能力”都是“STEM素養(yǎng)”中的重要組成部分。通過多維度的STEM教育評(píng)價(jià)體系，此類學(xué)生的最終得分不會(huì)與傳統(tǒng)意義上的“尖子生”形成巨大的差距，從而提升他們的自我效能感，促使他們選擇STEM專業(yè)，達(dá)到優(yōu)化STEM教育生源結(jié)構(gòu)的目的。

4.實(shí)施“本土化”創(chuàng)新的STEM教育

在起步階段充分借鑒和吸收國(guó)際STEM教育的理論、優(yōu)秀案例、教學(xué)資源等，對(duì)于我國(guó)發(fā)展STEM教育具有極大的促進(jìn)作用，但非長(zhǎng)久之計(jì)。從國(guó)際STEM教育的發(fā)展歷程可以看出，STEM教育是一個(gè)持續(xù)生長(zhǎng)的理念，根植于一個(gè)國(guó)家的文化背景和教育傳統(tǒng)，又受國(guó)家政策和意識(shí)形態(tài)的影響，并以國(guó)家利益為服務(wù)對(duì)象。

因此，我國(guó)在借鑒國(guó)際STEM教育經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上需要做到“本土化”創(chuàng)新。STEM教育的理論基礎(chǔ)是實(shí)用主義和建構(gòu)主義[30]，進(jìn)行STEM教育的“本土化”創(chuàng)新便需要從實(shí)用主義的角度思考“中國(guó)智造”背景下我國(guó)開展STEM教育的目的是什么，從建構(gòu)主義的角度思考怎樣的STEM教育才是適合中國(guó)學(xué)生的。

我國(guó)的STEM教育應(yīng)與“中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)”[31]對(duì)接，以培養(yǎng)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)所需要的創(chuàng)新型人才、應(yīng)用型人才和具有科學(xué)素養(yǎng)的公民為導(dǎo)向，同時(shí)在教學(xué)實(shí)踐過程中充分考慮教師、學(xué)生、環(huán)境等多方面的因素。例如，農(nóng)村地區(qū)的學(xué)校并非一定要效仿發(fā)達(dá)地區(qū)建設(shè)造價(jià)昂貴的STEM實(shí)驗(yàn)室或是虛擬實(shí)驗(yàn)室，教師也可因地制宜地開發(fā)自己的STEM校本課程，比如“農(nóng)作物栽培技術(shù)”，通過帶領(lǐng)學(xué)生種植西紅柿、辣椒等農(nóng)作物，領(lǐng)略育種知識(shí)，其中涉及生物學(xué)知識(shí)，搭建支架會(huì)涉及數(shù)學(xué)和工程知識(shí)，施肥涉及化學(xué)知識(shí)等，這便是一種“本土化”創(chuàng)新，既凸顯了STEM教育跨學(xué)科融合、做中學(xué)的特點(diǎn)，又能夠提升學(xué)生的STEM學(xué)業(yè)興趣，為國(guó)家培養(yǎng)未來的科技人才。