美國STEM教育的內涵與實施概況

徐曉麗

摘 要：美國最先提出STEM教育，近30年來一直推動STEM教育的發展，旨在培養創新型人才，維護國家安全，保持美國在經濟領域的領先地位。文章通過梳理美國STEM教育的內涵演變，了解美國STEM教育的發展概況，從三個層面探索美國STEM教育的實施路徑：國家制定STEM政策，各組織制定課程標準；各州制定STEM框架與量規，建設STEM網絡平臺；各學校探索STEM教學方法。

關鍵詞：美國；STEM教育；內涵；標準

一、STEM教育的內涵

STEM這一術語最初是由美國國家科學基金會提出的Science，Mathematics， Engineering and Technology（SMET）發展而來。2000年后，SMET轉變為STEM（Science，Technology，Engineering and Mathematics）。自從STEM術語得到官方認定后，科學、技術、工程和數學四門學科就用STEM這一縮略語表示。然而，美國關于STEM教育到底包含哪些科目存在分歧。例如，國家科學基金會把社會科學包含在STEM教育中，其2015年發布的《STEM教育法》把計算機科學也包含在內。進入21 世紀，弗吉尼亞理工大學學者亞克門（Yakman）把“藝術”（Art）作為重要的人文因素與STEM 相融合，從而產生了STEAM[1]。基于文獻的整理分析，筆者認為在看待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、技術、工程和數學的內涵

科學是對自然世界的研究，包括與物理、化學和生物學有關的自然法則以及與這些學科相關的事實、原理、概念或慣例的處理和應用。科學既是一段時間積累的知識體系，也是通過科學探究產生新知識的過程。[2]

技術在嚴格意義上雖不是一門學科，但它包括創建和操作技術工藝品以及手工藝品本身的人類和組織系統、知識、流程和設備[3]。總的來說，技術通過改善自然環境滿足人類需求，它是一種認識世界、改造世界的工具。技術領域的核心概念有系統（system），資源（resource），需要（requirement），優化與權衡（optimization and trade-off），程序（process），控制（control）。[4]

工程既是關于人造產品設計和創造的知識體系，也是解決問題的過程，該過程是在約束下設計的。工程設計中的約束包括自然法則或科學、時間、資金、可用材料、人體工程學、環境法規、可制造性和可維修性[5]。K-12工程教育強調：工程設計的原則，恰當地使用數學、科學和技術知識，促進工程思維習慣（包括系統性、創造性、積極、合作、交流、倫理）的養成。

數學是對數、數量和空間之間的模式和關系的研究。在要求經驗證據支持或推翻論斷的情況下，數學需要通過基于假設的邏輯論證予以支持。數學知識不斷增長，但不會被推翻，除非基礎假設被轉化。K-12數學教育的具體概念包括數字、算術、代數、函數、幾何、統計和概率。

（二）整合的STEM教育內涵及整合方式

1.整合的STEM教育內涵

對于整合的STEM教育（Integrated STEM Education）的內涵，不同的學者持有不同的看法。從四門學科的整合形式上看，桑德斯（Sanders）將整合的STEM教育描述為“在兩個或更多STEM學科之間或STEM科目與一個或多個其他學科之間探究教學和學習的方法”[6]。莫爾（Moore）等人將整合的STEM教育定義為“將科學、技術、工程和數學四個學科中的部分或全部納入基于學科和現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）認為，整合的STEM教育是教授兩個或多個STEM領域的內容，在真實的情境中進行STEM實踐以連接各門學科，提高學生的學習效果。[8]

2.整合方式

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

二、STEM教育的實施概況

（一）國家層面

1.聯邦政府、國會等發布相關政策和研究報告

1986年，美國國家科學委員會發布《本科數學、科學與工程教育》報告，指出當時美國本科生的數學、科學和工程教育質量不高，面臨諸多挑戰，其中工程學科是最為薄弱的。發布這份報告旨在提出本科數學、科學和工程教育中存在的問題并改善這種不良狀況。經過十年的發展，美國國家科學基金會于1996年發布《塑造未來：本科教育振興策略》報告，對過去十年的STEM教育進行回顧與總結，并規劃未來的教育發展構想。2007年，美國聯邦教育部發布了《學術競爭力委員會報告》，提出各階段STEM教育的具體培養目標和量規。2010年，美國總統行政辦公室和總統科技顧問委員會發布了《準備與激勵：美國K-12未來的科學、技術、工程和數學教育》報告，對STEM教育發展提出7條優先發展建議。2013年，國家科學技術委員會發布了《聯邦STEM教育五年戰略規劃》，為STEM教育發展規劃實施路線圖，橫向上從行動（action）、結果（outcome）、量規（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教育的五大優先投資領域。2016年，美國聯邦教育部聯合美國研究所發布《STEM 2026：STEM教育創新愿景》報告，提出了美國STEM教育未來發展的六大愿景以及實現這些愿景所面臨的八大挑戰。

2.各組織積極制定課程標準

在實施STEM教育的過程中，美國國會、行政機構、國家科學基金會、相關咨詢機構等都是STEM教育的積極參與者。2007年，美國國家技術教育協會發布《技術素養標準》，旨在培養學生的技術素養，使其具備21世紀技能，將技術與工程和科學進行融合，幫助學生發現學科之間的聯系，打破學科之間的壁壘。2010年，美國州長協會最佳實踐中心、州首席教育官員理事會等民間組織自發組織制定了《數學州共同核心標準》，共同標準的制定有利于各州實施數學教育，標準中提出了8個教學實踐，充分體現了將科學與數學相結合的思想。同年，美國國家研究院發布《K-12工程教育標準？》（Standards for K-12 Engineering Education？），這份報告主要探討工程教育是否應該成為中小學的一門獨立學科，經過反復的研究，最終放棄將工程教育作為中小學的一門單獨學科，這也是報告名稱中有問號的原因所在。報告強調培養學生的工程思維，強調大概念的學習，將工程與數學、科學技術相融合，培養學生的創新思維和問題解決能力。2012年，美國國家研究委員會發布《K-12科學教育框架：實踐、跨領域概念和核心概念》，該報告強調科學與工程兩門學科的整合，二者的結合充分體現了跨領域的內容融合。2013年，美國國家研究委員會發布《下一代科學標準》，強調科學與工程技術和數學的整合。

（二）各州層面

1.各州制定STEM教育框架及量規

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合的。聯邦政府層面發布政策和報告，作為指導STEM教育發展的“風向標”，各州積極探索符合州STEM教育發展規律的實踐框架。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，旨在指導各州開展STEM人才培養。例如，印第安納州制定了STEM教育實施量規，從基礎建設、教學指導、課程、拓展學習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教育資源共享網絡建設

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

（三）學校層面

1.將基于項目的學習運用于STEM教學中

基于項目的學習（Project-based Learning）這一教學概念嘗試將學生培養成為積極的學習者，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習者[11]。基于項目的STEM 學習有兩個本質特征[12]：一是模糊的任務，該任務被置于豐富的情境下，同時具有明確的目標，要求學生解決若干問題，通過學生完整的作品展示考量其對STEM各學科知識的掌握情況；二是明確的結果，通過跨學科整合幫助學生建立高階思維技能，促使其了解不同學科領域之間的聯系。

以美國和諧公立學校為例，該校將基于項目的學習方法運用于STEM教育中，形成了“STEM學生登臺秀”模式（STEM Students on the Stage）[13]。該模式的目標是“在基于項目的學習擴展學生知識面的過程中，持續關注以學生為中心的規范教學方法”。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級項目關于各核心科目，如數學、科學、社會研究等；Ⅱ級項目關于跨學科項目，以科學或數學為主；Ⅲ級項目是為那些喜歡創造、想要自主研究、開發產品的學生設立的。這些項目都是跨學科的項目，每一步都需要技術整合以最終完成項目。該模式的教學過程分為兩部分，第一部分是教師主導的教學，教師主要負責講解概念，帶領學生開展動手活動、小組合作等；第二部分是學生項目，是教學過程的重中之重，學生是課堂的主人，教師是輔助者。

2.將基于問題的學習運用于STEM教學中

基于問題的學習（Problem-based Learning）始于引入一個真實世界的問題，這個問題為后續教學活動打下基礎[14]。基于問題的學習的前提是學生具備相關的知識儲備，以便其更好地理解文本，為進一步學習打下基礎，同時學生要對真實世界的問題感興趣，產生探究的欲望。基于問題的學習以建構主義的學習模型為基礎，由四部分組成：可能產生多種問題假設和多種問題解決方法；以學生學習為中心，學生決定他們的學習內容并找到適切的信息資源；教師是促進者或指導者；真實世界的問題[15]。基于問題的STEM學習，以真實問題為導向，讓學生主動探究問題，最終解決問題。

以《化學連接：基于問題的學習，STEM經驗》（Chemical Connections： A Problem-based Learning，STEM Experience）[16]課程為例，教師采用基于問題的學習方法，以生活中的真實問題導入：“大家通過標簽，看看你的襯衫是哪里生產的？”然后，教師引導學生探究問題，向學生介紹任務，基于學生原有的知識和經驗，提出研究問題。最后，教師組織學生總結學習內容，展示學習成果，并進行反思。在這一過程中，教師需要指導學生撰寫及完善探究報告，幫助學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的，以便遷移到后續需要解決的問題中。

參考文獻：

[1]崔鴻，朱家華，張秀紅.基于項目的STEAM學習探析：核心素養的視角[J].華東師范大學學報（教育科學版），2017（4）：54-61.

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

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[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.美國中小學整合性STEM教學實踐的研究[J].外國中小學教育，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學習：一種整合科學、技術、工程和數學的學習方式[M]. 王雪華，屈梅.譯.上海：上海科技教育出版社，2016：7.

[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