繪制成功之路：美國STEM教育戰略（一）

趙塞納　黃寶珠　杜永軍等（編譯）

編者按：2018年12月3日，特朗普政府頒布了《繪制成功之路：美國STEM教育戰略》（Charting a Course for Success： Americas Strategy for STEM Education）。該戰略由美國國家科學和技術委員會下屬的STEM教育委員會發布，旨在讓所有美國人終生享有高質量的STEM教育，力求將美國打造成STEM掃盲、創新和就業方面的全球領導者。報告分為三部分：第一部分介紹了美國STEM教育戰略的行動綱要、發展愿景、發展目標、行政舉措;第二部分介紹了美國STEM教育戰略如何走向成功，如何利用學科融合吸引學員，如何培養學員的計算機素養;第三部分介紹了美國STEM教育戰略如何以透明和問責的方式運作，相關部門如何合作。鑒于篇幅，本刊將此報告編譯為三節，此為第一節。

美國國家科學和技術委員會（The National Science and Technology Council，NSTC）是制訂有關協調聯邦內不同機構間的科學與技術研究政策的主要部門。NSTC的主要目標是確保有關科學技術的政策、決策和項目符合總統規定的要求。NSTC制定研究和發展戰略，再由聯邦機構進行協調，旨在實現多個國家目標。NSTC的工作是由委員會組織下達的，并負責監督在科學技術方面的小組委員會和工作組。

科學和技術政策辦公室（The Office of Science and Technology Policy，OSTP）是在1976年《國家科技政策、組織與重點領域法》的支持下，針對國家安全、國土安全、公共健康、外交關系、環境、技術恢復、資源利用等項目，向總統和總統辦公室提供有關科學、工程、經濟和技術方面的建議而成立的部門。OSTP跨部門協調科技政策，協助行政管理部門和預算局進行年度審核和分析研發預算，并為總統下達的重大政策、計劃和聯邦政府項目提供科學技術判斷和分析方面上的依據。

STEM教育委員會（the Committee on STEM Education，CoSTEM）是依照2010年出臺的《美國競爭再授權法》（the American COMPETES Reauthorization）中第101條而成立的。根據該法，CoSTEM審查聯邦機構的STEM教育項目、投資和活動，并開展自評以確保項目有效可行;與管理預算辦公室協調整個聯邦機構的STEM教育項目、投資和活動;全面實施STEM教育戰略計劃，每五年更新一次。STEM教育聯邦協調小組委員會（Federal Coordination in STEM Education，FC-STEM）為CoSTEM提供咨詢和幫助，促進戰略計劃的制定和實施。

本文提出了聯邦政府的STEM教育五年戰略計劃，該計劃的提出是基于對未來的展望——所有美國人終身享有高質量的STEM教育，美國成為STEM掃盲、創新和就業方面的全球領導者。因此，該計劃增強了聯邦政府教育政策的公平性及多樣性，并讓學習者、家庭、教育工作者、社區和企業雇主在全國性合作中，參與到STEM社區項目中去。除了指導聯邦政府的活動和投資，計劃還旨在指導更廣泛的社區團體活動，最終實現本計劃中的目標。

一、行動綱要

美國自建國以來，STEM學科一直是人們發現科學和技術進步的源泉，幫助美國成為世界上最具競爭力的國家之一。隨著全球創新發展步伐的加快，科技人才的競爭也在加快。今天，美國的創新能力和國家的繁榮與安全比以往任何時候都更依賴于一個有效的、具有包容性的STEM教育生態系統。在21世紀的經濟發展中，個人的成功也越來越依賴較高的STEM素養，在對技術要求越來越高的世界里，消費者和公民同樣也需要具備STEM能力。

STEM教育已經從簡單的普通學科學習轉變為一種更加綜合的和跨學科的學習。這使得STEM教育需要通過實際應用來掌握學術概念，并在學校、社區、職場等正式、非正式環境中練習。它可以培養人的批判性思維、團隊合作等能力。STEM素養最好在中小學時就進行培養，因為它們是在職業技術培訓、本科課程、研究生培養、日常工作中提高技術技能水平的先決條件。培養美國人的整體數字化素養和增強勞動力STEM相關知識的水平是非常重要的舉措，將廣泛影響美國整個STEM行業發展。

聯邦政府在推動STEM教育方面扮演了關鍵角色，其與各級利益相關方合作，努力掃清STEM發展的障礙。為實現最終目標，需要實現以下3個目標。

加強STEM基礎素養培訓，確保每個美國人都有機會學習STEM基本概念，包括計算思維、數字化素養。具有STEM素養的群體將更有能力應對飛速發展的技術變革，并為進入社會做好充分的準備。

提高STEM教育的多樣性、公平性和包容性，為所有美國人提供終身學習的機會，尤其是STEM領域中的弱勢群體。

為未來STEM勞動力的就業提供便利，幫助受過大學STEM教育的學生和從事不需要4年制學歷技術工作的從業者為自身發展做好充分準備。支持受過STEM教育的多樣化人才就業上崗以及進入行業關鍵部門，這些人才是國家創新的基礎，對科學發現和創造未來的技術至關重要。

聯邦政府以以下4種方式為基礎，制定了一套貫穿各領域的辦法，每種方式都有具體的目標和聯邦政府為實現這些目標而采取的行動。

第一，發展和豐富戰略伙伴關系。該方式的重點是加強現有的聯系，并在教育機構、企業雇主和社區之間建立新的聯系。這意味著將學校、學院、大學、圖書館、博物館和其他社區資源匯集在一起，建立STEM生態系統，不斷拓寬和豐富每個學習者的教育和職業之旅，讓他們在當地實習、研究和在職學習的過程中積累經驗。戰略伙伴關系還意味著探索教育界，將正規和非正規學習融為一體，使學生能夠完成核心學術和應用技術課程，為接受高等教育做好準備。這一方式有助于留住對STEM領域感興趣的學習者，并為公共和私營部門雇主培養高素質人才。

第二，通過學科融合吸引學生。該方式旨在通過關注復雜的現實問題和迎接各種類型的挑戰，讓學生感到STEM學習的意義。它通過讓學習者參與跨學科活動（如基于項目的學習、科學博覽會、機器人俱樂部、發明挑戰或游戲研討會）來促進創新和創業，這些活動要求參與者運用不同學科的知識和方法來識別和解決問題。它也可以通過使用新型的、量身訂制的教學方法，幫助學生理解其中跟數學相關的問題。另一個目標是讓學習者運用多學科知識來解決問題，如通過結合基礎數學、統計學和計算機科學的知識來學習數據科學并研究社會問題。這些活動有助于培養學生的STEM知識素養，并提前為快速變化的工作做好準備。

第三，培養計算素養。這條途徑認識到數字設備和互聯網是如何徹底地改變社會的，并采取了使學習者能夠最大限度地適應這一變化的策略。數字掃盲能夠為人們提供查找信息、回答問題和分享想法的工具，并且他們需要了解如何負責任和安全地使用這些工具。該方式旨在推動計算思維成為當今關鍵技能，計算思維不僅只是有效地使用計算設備，而且意味著用數據解決復雜問題。它通過擴大數字平臺在教學和學習中的應用，讓人們可以隨時隨地學習。每個人都可以在其中找到最有效的學習方式，而且它可以利用模擬活動或虛擬現實體驗吸引人們更努力地學習。這些工具有可能縮小正規教育環境中的成績差距，并在工作場所提供提高技能的機會。

第四，以透明和問責的方式運作。該方式要求聯邦政府保證在STEM方案中公開透明開展各項活動。這樣其他STEM利益攸關方可以監管整個項目的運行狀況，多方共同努力實現該國家戰略的最終目標。

這4種方式試圖增強教育工作者、雇主和社區的能力，使各級學習者更好地服務于整個社會，并確保美國在未來成為在全世界STEM掃盲、創新和就業方面的全球領導者。

表1列出了本戰略計劃下的教育方式和目標，以及擁有STEM教育方案、投資和活動的聯邦部門和獨立機構。這些圓點標示的是每個機構目前計劃通過特派專家來完成的目標，但具體完成情況須視預算限制和其他核準情況而定。

聯邦機構集體計劃用透明和問責的方式運作，完成以下5個目標：一是在STEM社區中利用和擴展基于現實的實踐;二是注重少數群體的參與程度;三是使用通用指標來衡量進度;四是公開提供STEM教育相關程序的性能和結果;五是制定實施計劃并跟蹤進展情況。

二、STEM教育的愿景

STEM是美國進行技術探索和創新的基礎。利用原子的力量將人送上月球和往火星發射探測車;設計出可以聯網的便攜小型電腦;發明出展示身體內部運作的影像生成設備，并試圖利用新技術解碼人類基因組。這些驚人的成就不斷轉變為人類的經驗，激勵著不同年代的人們去探索未知的領域。同時這些突破為STEM教育和研究提供了強大的公眾基礎。

隨著科技人才的競爭，全球創新的步伐也在加快?，F如今，美國的經濟繁榮和國家安全取決于其不斷進步的科學和技術創新能力。美國的國家創新基礎比以往任何時候都要依賴于有效的跨部門合作，通過合作獲得STEM教育的發展紅利和完成其最終目標——建立STEM生態系統。該系統能夠為所有美國人提供終身接受STEM高質量教育的機會。這是讓每個人具備基本STEM素養的途徑，可以讓美國在技術競爭日益激烈的世界中搶先占據和保持領導地位做好準備。

在過去的25年里，STEM教育已經從4個交叉學科的實用集合體發展為對21世紀經濟至關重要的知識庫和技能集合系統。優質的STEM教育提供了一種跨學科的學習方法，并將嚴謹的學術概念與實際應用結合在一起，讓學生將STEM知識運用在學校、社區、工作和更廣泛的世界環境中。STEM教育戰略的策劃者們將繼續擴大教育范圍，進一步融合包括藝術和人文學科在內的多學科研究領域。現代STEM教育不僅應鍛煉批判性思維、解決問題、高階思維、設計、推理等技能，還應培養毅力、適應能力、合作能力、組織能力、責任感等行為能力。

美國STEM行業由政府公共部門和私營組織構成，通過多種方式提供教育和培訓，并在與經濟相關的部門進行研究和開發。STEM教育和培訓讓學生在學前教育到高中（K-12）、本科生到博士后等階段通過技術教育、實習、社區大學、再培訓項目等方式進行學習。盡管目前美國的學前教育只是州、地方和部落負責的項目，但聯邦政府在提供適合的教育方式方面依然發揮著重要作用，如提供和傳播最新教育消息，有效開展教學以促進STEM教育發展。聯邦政府通過支持勞動力發展項目、高等教育研發項目等措施激發公眾創造力并激勵下一代STEM學習者不斷去研究和學習，從而帶動國家研發行業發展。

（一）STEM教育的現狀

美國提供了大量STEM領域內的本科和研究生學位，以便進一步開展促進美國繁榮和國家安全的研究。對于那些沒有接受過高等教育的人來說，如果他們渴望在職場上取得成功，那么STEM技能將發揮越來越重要的作用。STEM技能，如計算思維、發現并解決問題的能力、創新思維等，對于為生產智能產品、改善醫療保健和保衛國家的團隊來說至關重要，這些技能同樣在很多領域和工作中都是寶貴的資產。國家的成功需要受過高等教育的現代勞動者和熟練駕馭高科技、數字化和互聯網世界的美國人來實現。

國家認識到應該讓所有的美國人（不論年齡、背景和職業）都能接受高質量STEM教育，因此整個STEM生態系統內的各組織都在努力改進STEM教育和培訓，全國各地都建立了以STEM為重點的學校和非正式學習項目，其中衍生出許多成功的案例：聯邦政府的資金支持更廣泛的STEM教育活動，不同年齡組和學習背景的人都可以參與學習;不同地區的行業、非營利組織和專業協會也建立了支持STEM學習者的項目。這些成就讓我們可以對STEM教育進行有目標的改進，并保持美國在全球的競爭力。

根據美國國家科學委員會（National Science Board）的《2018年科學與工程指標報告》（Science and Engineering Indicators 2018），美國人的STEM基礎素養在過去20年中略有提高，但仍落后于許多國家。2006-2015年，美國15歲青少年在數學素養方面的得分低于國際平均水平，在科學技能方面則略高于國際平均水平。而最近一項面向即將進入大學的高中生的素質測試的數據顯示，只有20%的學生準備好了學習STEM專業相關課程。在全世界范圍內，有兩個國家在培養學生STEM素質方面做得很好——在過去15年里，印度和中國授予科學與工程學士學位的數量上超過了美國。這兩個國家共提供了占全球科學與工程學士學位總數近一半的學位，印度占25%，中國占22%。相比之下，美國科學與工程學士學位僅占全球總量的10%，但美國雇主對STEM學位畢業生的需求卻在持續增長。

在美國，STEM專業畢業生的就業率比其他專業以更快的速度增長，STEM工人比其他領域工人可以獲得更高的工資。STEM學位持有者享有更高的收入，無論他們是否從事STEM職業。盡管STEM技能有如此高的價值，但并不是所有的美國人都有平等機會接受STEM教育，或者在STEM領域享有平等地位。婦女、殘障人士、部分種族和族裔群體（非洲裔、西班牙語拉丁裔、土著印第安裔、阿拉斯加原住民）在接受科學與工程教育和在相關崗位就業的比例明顯偏低。正如指標中所報告的，盡管婦女占總人口的一半，但她們在STEM工作人員中所占比例不足30%。同樣，據不完全統計，少數種族和民族群體人口雖占總人口的27%，但其在STEM相關行業的勞動力只占全國STEM勞動力的11%。另外，殘障人士和退伍軍人在參加STEM教育和職業方面也面臨障礙，來自不同地區的美國人也可能會接受不同程度的STEM教育。例如，在缺少基本寬帶網絡服務的2400萬美國人中的83%生活在農村或部落社區。盡管改善STEM教育的可獲得性本身并不代表在STEM領域能享受平等待遇，但是教育的公平性、可獲得性依然應是國家的基本優先事項。

美國國家科學、工程和醫學研究院（National Academy of Science，Engineering and Medicine）十多年的研究表明，為了讓學生在未來的工作做好準備，美國STEM教育生態系統建設還面臨著更多的挑戰。2017年多份聯邦戰略計劃和報告也指出，通過STEM教育實現國家目標，還要重視國家安全、人工智能、網絡安全、量子信息科學、先進制造業等領域的教育。毫無疑問，STEM教育一直都是美國的一項重要優先任務。

（二）未來五年的聯邦戰略計劃

本文介紹了聯邦政府STEM教育的五年戰略計劃，并響應了2010年《美國競爭再授權法》第101條的要求。該計劃通過與學習者、家庭、教育工作者、社區領導人和雇主的全國性合作，加強了聯邦政府計劃的公正性、行動效果以及達成與國家STEM社區合作的承諾。除了指導聯邦機構在未來5年的行動之外，它還計劃成為STEM社區的一顆“北極星”，為該社區群體的成功指明道路。聯邦政府鼓勵來自全國各地的STEM教育利益相關者通過他們自己的行動來支持該計劃，以實現最終目標。

此項戰略計劃是參與STEM教育生態系統的利益相關者們花費了大量心血后的產物。該戰略將聯邦機構關于STEM教育項目的重點投資和活動與國家STEM社區的優先項目重新結合起來。因此該計劃反映了多個新的重點領域，比如教育與雇主的伙伴關系是以工作為基礎的學習和美國成熟技術勞動力發展的重點。它強調了跨學科、跨正式與非正式教育、跨社區建立聯系的重要性，強調了創新和開拓教育的重要性、計算思維能力普遍推廣的價值、數字教育工具的力量以及具備數字素養的必要性。最后，聯邦機構的承諾保證了在執行這一戰略和報告進展時結果的透明度和問責制。

此戰略計劃是基于對未來的展望而制定的，即讓所有美國人終身享有高質量的STEM教育，以及讓美國通過STEM教育在綜合素質、創新和就業方面成為全球領導者。實現這一理想的辦法是首先完成以下3個目標：第一是加強STEM基礎素養，第二是提高STEM教育的多樣性、公平性和包容性，第三是為STEM勞動力發展的未來前景做好準備。

在制訂實施計劃時，政府可以采取一定的方法來促進多個目標共同推進。例如，以上3個目標都可以通過提高社區對STEM教育的參與度來推進。另外，將計算思維作為所有教育活動的組成部分，這會對其產生廣泛的影響。因此該戰略建立在以下4種途徑方法上：第一是發展和豐富戰略伙伴關系，第二是在學科交叉融合上吸引學生，第三是培養計算能力，第四是讓執行具有透明性和問責性。

每條途徑都包含了一系列目標，這些目標代表了政府的優先項。每個計劃都包含了聯邦政府的討論總結、核心思想和推動目標發展的一系列關鍵行動，而行政摘要則詳細說明了各個聯邦機構對每項教育目標作出的貢獻。各機構將在此戰略公布后擬訂執行計劃，確保其內容具體有效地實行。

三、STEM教育的目標

該計劃中的3個目標，為聯邦機構的項目投資選擇和機構間的協調活動提供了明確的總體指導，可以成為其他STEM教育相關群體的指向標。

（一）為STEM綜合素養打下堅實的基礎

如果所有美國人都能從STEM教育中受益，那么這個國家就會更加強大。STEM教育為他們提供了一個堅實的基礎，讓STEM學習者能夠充分參與到社會中來，為社會作貢獻。STEM素養的發展取決于所有美國人能否終身獲得高質量的STEM教育。即使對于那些不從事與STEM相關工作的人群來說，對STEM知識和STEM相關技術的基本理解已經成為現代人全面參與社會的先決條件。STEM教育教授了如何思考和解決問題的能力，而這些能力也可以運用到其他領域。具備STEM素養可以使人們能夠在個人健康、營養、娛樂、交通、網絡安全、財務管理、教育子女等方面做出更聰明的抉擇。具有STEM素養的群體面對問題時能夠更冷靜、清晰地進行分析，整理并提出有效的解決方案。他們在應對迅速發展的技術變革時，將以陪審員、選民和消費者的身份更好地參與到社會中去。

（二）提高STEM教育的多樣性、公平性和包容性

只有當所有社會成員和那些在STEM和就業領域的弱勢群體都能公平地享受STEM教育時，國家才能在STEM堅實基礎下謀求更多的利益。大量研究表明，在性別、種族、社會經濟地位、能力、地理位置、宗教等方面多樣的社區，這種重視包容的環境才能夠更好地留住人才，更具參與性、生產力、創造力和組織性。

目前，并不是所有的學生都能獲得高質量的STEM教育機會，暗藏的偏見是阻礙這一目標實現的一個因素，美國農村、城市與郊區在人力、物力和財力分配上的差異，也大大阻礙了這一目標的實現。非洲裔、西班牙語拉丁裔、土著印第安裔、阿拉斯加原住民等族群在STEM領域工作的比例明顯低于他們在其他工作中的總體比例，從事科學與工程等職業的女性比例在美國整體勞動力里也明顯偏低。研究發現，如果那些弱勢群體也能公平地接觸STEM教育，那么更多的發明和專利、創業與教育創新等類似的突破都可以實現。

根據對社區的不完全統計，婦女和少數族群在STEM相關方面也面臨障礙。研究發現，盡管美國45%的行業由女性領導，但在過去4年新成立的225家生物技術公司中，只有17家公司由女性領導。

無論地理位置、性別、種族、社會經濟地位、是否參過軍、父母受教育程度、殘障狀況、學習程度以及其他社會身份如何，所有美國人都應該有機會掌握STEM相關的技能和方法。這不僅是為了他們自己的成功，也是為了讓美國更具競爭力。該計劃期望STEM教育在制訂和實行禁止歧視等相關政策時，也應體現更加包容和公平的價值觀。

（三）讓STEM勞動力為未來做好準備

美國多樣化的人才有了充實的STEM知識和強大的業務能力，他們就可以更好地為未來工作做好準備。這些人才在保障國家創新和經濟的關鍵領域都是至關重要的，如農業、能源、醫療、信息與通信技術、制造、運輸、國防、人工智能、量子信息科學等領域。自2000年以來，雖然STEM領域的學位數量有所增加，但在某些需要STEM學位的領域，如計算機科學、數據科學、電氣工程、軟件開發等，勞動力短缺現象仍然存在，部分與STEM相關的技術行業領域也存在勞動力短缺的問題。即使許多空缺職位不需要學士學位就可以勝任，但STEM培訓可以讓人們更具競爭力。讓學習者獲得STEM相關的技能和方法，他們就會在就業時有更多的選擇。這其中也包括在聯邦政府工作的職員——210萬雇員中有1/7的人需要在STEM領域工作。

只有當美國人擁有強大的STEM基礎，當STEM領域的多樣性和包容性實現時，美國才能擁有強大STEM勞動力。今天的學生就是未來的勞動力，他們的學習經驗將直接影響有多少人決定從事STEM相關職業，以及他們如何為未來工作做準備。聯邦政府和其他計劃相關方對STEM研發和培訓的投資將使許多從事STEM職業的人從中受益。這些投資支持幫助了很大一部分的人員，包括本科生、研究生、技術人員、早期職業研究人員和其他國家STEM相關的勞動力。

四、行政舉措為計劃奠定基礎

特朗普政府已經為奠定計劃基礎做了諸多舉措，例如重新授權NSTC下屬的CoSTEM為領導機構，為國家實現該計劃的目標提供指導;指示各機構在2020財年財務預算請求中優先考慮STEM相關的勞動力教育和培訓;建立統籌全國的勞工委員會，鼓勵對工人的教育進行投資;支持并簽署了《加強21世紀職業和技術教育法》（Strengthening Career and Technical Education for 21st Century Act）和重新授權《卡爾·D·帕金斯職業和技術教育法》（Carl D. Perkins Career and Technical Education Act），以增加學生在中等教育和高等教育階段后進一步接受高質量技術教育和獲得資格認證的機會;發布行政命令，擴大學徒制，改善職業培訓項目;指導聯邦教育部將高質量STEM教育的覆蓋面擴大到K-12階段的學生;發布行政命令，保護州與地方對教育機構課程管理的控制權。

這些行動反映了自奧巴馬時期以來的美國政府認識到STEM教育和培訓的重要性它是美國創業就業和經濟繁榮的驅動力。政府以這些行動為基礎，制定了今后五年的全面戰略。