《STEM教育—北極星計劃》的經驗與啟示

李科震 李維

[摘要]信息時代正以磅礴的勁頭迅猛發展，新時代對教育輸出的勞動力提出了更高的要求，競爭能力薄弱或單一的勞動力正面臨被時代“拋棄”的困境，而具有高度綜合性跨學科式的STEM教育將為新型勞動力的培養提供有效的解決途徑。2018年12月美國白宮發布《STEM教育—北極星計劃》文件，隱含著“推陳出新”的意義，《STEM教育—北極星計劃》著重闡述了美國將STEM教育融合“計算思維”作為新時代公民素養的形式推廣，并通過政府立法的方式推出了適應當代發展的戰略決策。通過加強社會各界教育力量的相互銜接、提升學科包容性以及制定透明的問責制度和推廣計算能力的培養，為STEM教育體系的發展開闊空間。相比之下，我國STEM教育由于起步較晚，該領域處于“百業待興”的狀態。通過借鑒《STEM教育—北極星計劃》解決問題的經驗，結合我國STEM教育的現狀，對我國推行STEM教育做出如下建議：開發課程融合，促進課程本土化;協調多方合作，豐富教學資源;加強監管體制，營建教育環境;普及素養意識，發展教育據點。

[關鍵詞]STEM教育;《STEM教育—北極星計劃》;教育借鑒;計算思維

[中圖分類號]G420[文獻標識碼]A[文章編號]1005-4634（2019）05-0001-070引言

自20世紀中期蘇美兩國軍事競爭開始，美國政府通過彌補國家自身發展策略中的不足，來提升國家的國際競爭實力。最終，美國政府將改革目標鎖定在教育。為解決教育問題，美國政府實施了一系列的改革措施，初始形態的STEM教育應運而生。STEM 教育即科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）教育的簡寫，是融合多門學科，在跨學科的背景下解決復雜化、情景化的問題，有助于提升學生高階思維能力的新型教學方式。以1986年發布第一份關于STEM教育的指導性文件——《本科學科、數學和工程教育》（Undergraduate Science， Mathematics and Engineering Education）作為STEM教育的開始標志[1]，美國通過32年時間逐漸形成了一套較為成熟的STEM教育體系。而我國則是在2007年首次引入STEM教育，在不斷努力推進下，STEM教育逐漸成為我國教育領域的關注熱點。但由于“我國STEM教育起步較晚，并且傳統教育根深蒂固”[2]，STEM教育在我國尚未得到全面有效的實踐和推廣。總體而言，STEM教育系統的引入為我國培養新一代創新性人才注入了新的動力，但是如何才能和發達國家的STEM教育比肩？又如何提升我國STEM教育的實力呢？

2018年12月3日，美國白宮發布《STEM教育—北極星計劃》（STEM-Education-Strate-gic-Plan）報告（本文以下簡稱《北極星計劃》），期望通過該文件的制定，在未來5年內在美國本土普及和發展STEM教育，為全體美國公民帶來優質的STEM教育。該文件的推行得到了美國社會各界的認可。筆者將對該文件的相關策略進行分析，并依據在現階段該文件所展現的創新點和實際作用，結合我國國情，探討我國STEM教育在今后的推行工作中應汲取的經驗與啟示。

1《北極星計劃》提出的背景

作為STEM教育的開創國，美國在STEM的許多方面達到了較為成熟的地步，形成了一套穩定的運行體系，也為提高美國國家競爭力做出了突出貢獻。但是美國STEM教育中仍存在一些問題，制約著教育的進一步發展，并在美國社會中產生了一定的消極影響。

1.1理工人才缺失

理工科目涵蓋國防、建筑、電子、量子信息等多個學科，關乎國家安全，也是未來科技發展的重要支撐力量。國家的科技實力逐漸成為綜合國力和地位的重要衡量標準之一。二戰之后美國多次進行了促進工程教育的改革。但是，其效果卻差強人意，教育質量不僅沒有提升反而下降 [3]。教育質量問題引起了美國政府的極大重視，并立即著手調查。一方面，通過美國本土社會調查，發現在美國本土中學階段學生成績中數學、物理等理工學科與其他學科相比有明顯的不足;在高等教育層面，美國最新數據顯示：美國教育授予科學、工程學位的人數在全球占比為10%[4]。相比較，中國和印度的科學、工程學位授予比重則在24%左右[5]。另一方面，雖然通過STEM教育培養了一定的理工人才，但是在美國社會中，從事相關理工科的職業占比較少，表明美國勞動力在理工就業領域有著明顯的缺陷。

1.2STEM教育資源不足

在教育推行的過程中，教師是身處一線的實施者，教師的參與是教育開展必不可少的重要環節之一。對于新興的STEM教育專業，STEM教師有著不可或缺的地位。根據美國教育中心發布的數據，美國STEM教師的總體規模呈逐年上升趨勢，但在整體上依舊數量短缺，無法滿足STEM教育逐步開展后對師資的需求[6]。由于缺少專職教師的引領，STEM教學在一定程度上沒有達到預期的效果，故而校園課程得不到有效的開發，使得原有教學資源無法充分利用，很大程度上也影響了新教師投身STEM行業的熱情。在學生層面上，不僅獲取教學資源的途徑有限，而且教學課程與學生未來求職沒有形成較好的銜接，故而無法對學生的職業生涯提供有效的長期規劃，對STEM教育的推行造成嚴重的阻礙。

1.3弱勢群體教育不公

美國種族問題一直在社會中引起強烈爭議，教育中的不公平問題同樣直接影響了美國整體教育水平的質量。從學生層面上，群體間的學生在STEM學科上的學業成就相差甚大，其中以非白種人、低收入人群、女性等弱勢群體的表現尤為欠缺[7]。女性和傷殘人士以及退伍軍人等弱勢群體參加STEM教育的比例越來越少，而且，退出STEM教育的人數一直在上升，這一現象對美國STEM教育產生了強烈的負面影響。其中弱勢群體的受教育不公問題是最終導致“兩極分化”現象愈演愈烈的重要原因[8]。能否有效緩解這一問題，成為美國教育改革的重要任務之一，也是美國在未來數年內能否全面推行STEM教育的重要評價指標。

1.4STEM普及率較低

在美國，STEM教育的覆蓋率并未達到100%[9]，不僅很多學生與教師對STEM教育的態度停留在將它視為一門活動課程，而且在校本課程和學生職業規劃上尚未形成良好的銜接和過渡。因此，許多學生對STEM教育的認識僅僅停留在學校的教學組織學習層面，沒有認同STEM的培養意義，故而在學習和生活中沒有掌握應用STEM技能來分析和處理問題的能力。近期美國一項調查針對即將進入大學的高中生進行了測試，只有20%的學生掌握了STEM的基本知識與技能[10]。社會中與STEM教育相關的企業或產業尚未意識到自身與STEM教育的密切聯系，忽視了眾多有助于STEM教育推行的契機，與此同時，也降低了企業與相關產業在市場中的競爭能力。這一問題成為美國政府在教育領域中亟待解決的重要議項之一。

2《北極星計劃》的經驗和創新

面對以上STEM教育的發展問題，美國政府頒布了《北極星計劃》。旨在通過這份文件的實施，推動STEM教育的普及，完善STEM教育的運行體系，全面提高STEM教育的教育質量，并確保美國STEM教育的發展程度處于世界領先地位。為此，《北極星計劃》提出了4項解決途徑：在學科交叉領域吸引學生;發展和豐富伙伴關系;加強監管機制的透明性和問責性;培養公民的計算素養。

2.1加強理工學科，促進學科融合

《北極星計劃》提出“在學科交叉領域吸引學生”，不僅倡導更多學科融合，而且要求學生在學習過程中加強對知識的深層次理解。突出STEM教育是將嚴謹的學科知識同生活問題結合，并運用到解決實際問題當中去的特點。美國政府表示：“在過去的25年內，STEM教育已經從4個交叉學科的便捷集群發展成為對21世紀經濟至關重要的更具凝聚力的知識庫和技能集。”[5]無論STEM教育的名稱如何發展①，今后STEM教育的發展中，STEM體系無疑將會融合更多的學科理念。

《北極星計劃》最新提出：“STEM不僅傳授批判性思維，還要傳授毅力、適應能力、合作能力、組織能力和責任感等行為能力。” [5]在教學過程中，通過啟發式教學調動學習者的主動性和創造性，使學習者在學習過程中的角色更加主動，不依賴教師的傳授，而是通過多種STEM跨學科活動來促進學習者的創新意識和創業意識。這些活動要求參與者通過使用不同學科的知識和方法來解決問題，對STEM學習者來說，可以幫助偏科的學生通過融合課程的學習補齊短板，尤其是對數學等理學科目偏科的學生，通過將數學融合在其他學科之中的方式，使學習者在解決問題的過程中掌握辯證思維。正如北京師范大學的郭玉英教授所言：“整合理念為科學教育面臨的首要矛盾——有限的科學學習時間和‘無限的科學知識——提出了解決方案。”[11]

單一的學科知識對解決實際問題明顯乏力，而STEM教育跨學科的教學方式將傳統式教學的“柵欄”拆除，“將科學、技術、工程、數學等作為STEM教育的基礎和建構現實世界模型的通用語言”[12]，把培養具有責任心和更強競爭素質的STEM素養公民作為本次教育改革的最終目的。

2.2豐富教學資源，加強戰略合作

《北極星計劃》為解決STEM教育資源不足問題提出的方案，即“發展和豐富伙伴關系”。在學習者個人層面上，要與他人結合形成共同學習探究的伙伴關系;同時在學校以及教育機構層面，也要與相關企業和產業建立戰略伙伴關系，可將兩者作為互補關系進行發展。

首先，STEM教育機構同產業、企業、雇主以及社區相互結合建立起新的合作關系，能夠在更廣闊范圍內加強教育資源的利用。形成的戰略伙伴關系能夠提供給STEM學習者在企業中工作所需要的實際經驗，也為學習者提供了更具有針對性、操作性的有效學習方式，加強了學習內容的真實性和趣味性。在多方組合為STEM教育服務的有機體系中，學習者區別于以往的學習視角，“將通過營造真實情景和現實挑戰為途徑，激發學習者進行深度學習”[13]。其次，相關企業也可以依托教育機構系統化的培訓，針對企業需求來培養未來員工。從而更早地規劃企業招聘、吸引人才進入企業，也為STEM人員的職業選擇和就業提供更多的選項，為社會STEM勞動力建立了更加對口的就業方向。最后，美國民間STEM組織自2015年奧巴馬政府頒布《STEM教育法案》后，各州紛紛開始建立STEM教育中心，綜合學校開設STEM課程[14]，學習者可以通過此類非正式學習，在地域和時間層面上合理規劃自己的學習生涯，并且通過該方式接觸到各類教育人員，開闊自身學習視野。

2.3倡導教育公平，完善監管機制

《北極星計劃》提出了5項完善監管機制的創新規定：（1）利用和衡量STEM社區的實證案例;（2）報告代表性不足群體的參與率;（3）使用統一的指標衡量發展進度;（4）公開項目績效和成果;（5）制定聯邦實施計劃并追蹤進展。從而保證STEM監管體制的透明性和問責性。

首先，聯邦政府要在投資和開展活動中基于證據的實踐來實施決策[15]。在STEM教育體系中，社區合作伙伴要為學習者提供成功的實踐案例供學習者參考借鑒，并制定更加有效的學習方式。政府通過統計在社區中實施成功的實踐案例數量，作為該社區實施STEM教育開展成果的一項衡量標準。其次，為加強STEM教育公平性、包容性，社區中傷殘人士、女性、退伍軍人等在體系中的參與率也將成為衡量社區教育發展的重要指標。最后，美國聯邦政府將依據這些統一指標來衡量各州STEM教育發展狀態。

為了鼓勵采用以成功案例為評價標準的做法，教育署強調“審核申請項目中教育創新及教育實施的有效性，教育署將依據教育成果的影響大小，優先資助那些有強大、嚴謹的證據為基礎的項目”[5]。《北極星計劃》更注重美國政府在STEM教育體系運轉中的作用與地位，并且加強開展政府間“跨部門合作戰略”，此次參與和包含STEM崗位的政府部門就有15個（見表1），這將為STEM教育的開展與推廣做出有力支持，并形成完整的運轉體系。

①?STEM教育在發展階段融入更多學科，因此在名稱上有所變化。如加入藝術學科（Art）后，稱為STEAM。本文為統一，均稱為STEM。

2.4融合計算思維，普及STEM素養

《北極星計劃》主要的創新點是在原有“培養STEM教育人才”目標基礎上轉變為“培養具有STEM素養的公民”，并融合了“計算思維”的豐富內涵。一方面，不僅體現了將STEM教育的內涵作為新時期公民應當具有的基本素養，而且使得公民對于STEM的理解從單一的教育形式上升到新時期自身應當具有的生存能力;在意識層面上使得公民從被動的接受性學習向主動性學習逐漸轉變。另一方面，將計算思維同STEM教育融合，二者相互補充發展，憑借STEM跨學科式的教學特點，豐富了計算思維的培養途徑，同時也擴展了STEM教育內容。

為加強STEM培養公民素養的性質，《北極星計劃》首先強調新時期下應當提升公民的計算能力，即自身能夠通過數碼產品來搜索信息、解答問題、分享資源，“并且需要公民理解如何負責任地、安全地使用這些工具”[5]，有意識地維護網絡的安全與健康[16]。其次，《北極星計劃》所推行的計算能力不僅僅是對計算機使用能力的要求，更加契合卡內基·梅隆大學的周以真2010年提出的“計算思維”理念：“進一步將計算思維表述為一種解決問題的思維過程，能夠抽象、清晰地將解決方案和問題用信息處理代理（人或機器）有效執行的方式表述出來。”[17]信息時代下多元化的數據琳瑯滿目，有效地對數據進行分類、歸納并解決問題是對現代人才必備素養的基本考量。將STEM素養融合計算思維進行普及，不僅能促進公民思維能力和STEM素養的提升，而且能促進廣大公民利用各類網絡平臺，打破時間和空間對學習STEM的約束，還能促進個性化教學的開展，為學習者提供更具有針對性的學習規劃。

3《北極星計劃》對我國STEM教育的啟示 中國自2007年引入STEM教育，一直向國際先進教育靠攏。十多年來，STEM教育在我國越來越受到廣大教育者及學者的關注，國內文獻數量持續上漲，研究機構紛紛成立，但在實際中STEM教育還存在著許多問題。縱觀之下，《北極星計劃》成為美國STEM教育發展中承上啟下的轉折點，是在現有的教育基礎上推出的一系列新舉措。鑒于《北極星計劃》的相關經驗并結合我國實際問題，提出下列幾點推行建議。

3.1開發課程融合，促進課程本土化

在我國，雖然STEM已經進入部分校園，但仍處于較邊緣的地位，未能與國家必修科目結合起來[3]。其教育課程無法與我國現階段的教育形成對接，故而STEM教育的課程內容未能夠得到校方的充分肯定，也沒能和學生以及相關學科形成良好的交互關系。

通過《北極星計劃》中“加強學科融合”的經驗措施，在我國，一方面可以以學校為單位通過自身行動來規劃和創建STEM教育本土化的發展形式。校園是開展教育的“基地”，應當充分發揮學校、教師、學生等多種力量。可以通過開放學校圖書館、實驗室等場所，讓學生切實融入到知識探索的過程中去，將上課地點搬到實驗室、自然中去。通過STEM教學的多學科融合，提高學生對教學內容的興趣，吸引學生的注意力。在學校中，還可以通過鼓勵的形式促進相關學科的教師進行跨學科的教學研究;招聘有經驗、有能力的STEM專業教師，成立STEM教師工作組。讓教師們從本職學科出發，向其他學科擴展教學內容，在原有教學內容的基礎上加持對STEM理念的理解，設計適合本土學生學習的STEM教學課程。另一方面，引導STEM教學開發者借助“跨學科”的途徑，豐富教學方式和教學內容，并在學習中啟發學習者的主動性和創造性，使學習者在學習過程中的角色更加靈活，不再依賴教師的傳授，而是通過各種STEM跨學科活動促進學習，不僅能夠更快地促進STEM教育本土化，而且加強了教學的連貫性、趣味性、創新性，也使得在課程內容形成一套適合中國本土發展的體系。

3.2協調多方合作，豐富教學資源

我國現階段的STEM教育推行工作初露頭角，社會中與STEM相關的產業鏈并沒有激活二者之間的聯系。因此，《北極星計劃》中“加強多方戰略伙伴關系”的經驗在我國現階段中有著廣闊的實施空間。政府部門可以通過聯合教育部門劃分教育發展程度相似的地區，通過鼓勵地區自行開展本土化STEM教育，加強地區內教育資源的共享。地區校方應當自主與當地企業、社區展開STEM教育活動，與STEM課程相關企業或產業建立長期的合作伙伴，尤其在高校之間可以建立以STEM為主題交流合作的社團聯合會，通過資源共享，提供更加有效便捷的學習互助方式。加強教育相關產業之間的聯系，為STEM教育的推行體系提供更多參與者，注入更加豐富的社會元素。美國政府在聯邦部門機構中設立了關于STEM的職業崗位，極大地促進了STEM學習者的積極性。基于我國現狀，可以促進各政府部門挖掘相關職位以及制定職位要求，為STEM的推行帶來更加整體性的推行策略。

不僅如此，政府及學校可以開創高校聯盟的新形式，進一步開展STEM專職教師的培養。教師是連接學生和知識的橋梁，專業的教師可以為學生的學習“搭建”起更好更快地獲取知識的途徑。專業的教師團隊是STEM教育本土化的重要力量，教師著力于實踐，通過實踐不斷提升在STEM領域的造詣。現階段，我國STEM在校園中尚未得到全面推行，STEM專職教師的培養是我國STEM教育發展的重要任務之一，進一步完善合理的認證制度、財政制度、評估制度是中國發展專業STEM教師的基本保障[6]。

3.3加強監管體制，營建教育環境

從《北極星計劃》的“完善監管問責機制”措施可以認識到：教育活動的健康發展需要健全的運行體系作為基本保障，政府的鼓勵和及時有效的監管極為重要。相比較，我國出臺的STEM教育政策十分有限，相關法律基本空白[3]。故而，一套對應STEM教育發展的監管制度對我國STEM的發展尤為重要。政府一方面要鼓勵當地學校開展STEM教育系列活動，開發當地STEM教育平臺。另一方面則要完善STEM教育評估體系，追蹤和檢驗學習者在STEM課程中所掌握的知識與技能，并依據當地STEM教育開展的有效性，建立合理的檢查評估標準，能夠實時變換評價方式，積極地在教育過程中檢驗STEM教育的質量[18]。政府有責任將所有地區的教育成果以及開展項目中各個團體參與情況進行公開，對開展成效較好的地區或學校提供資金或政策鼓勵，并積極推行好的經驗和成果。

通過政府政策以及制度的建立，STEM的教育環境將得到大幅改善，使STEM教育成為被公民認可的教育體系，相關制度的確立為體系中每一個環節提供保障。例如，在完善的財政制度下，激發校園STEM的創辦熱情，學校更有策略性地將STEM作為校本課程進行開發擴展;在STEM教師的培訓制度保障下，每一位教師都能接受正規和全面的培訓，并被學校認可和聘請;在有效的監管評估制度下，明確追蹤績效和責任，公開發展成果，規劃合理的發展方向。

3.4推行素養意識，發展教育據點

STEM教育在我國發展時間尚短，多數地區對STEM教育還處于未知的狀態，而STEM教育設計范圍廣泛，從初等教育到高等教育都包含在內，讓公民從意識上認同STEM教育開展和普及的必要性，是當前我國STEM教育推行的亟待解決的問題。《北極星計劃》將STEM作為一種公民素養來推行，更貼合新時代人民對自身、對社會的要求，讓STEM教育更容易被接受。改革開放至今，我國公民的素養不斷提升，但整體水平較發達國家仍有差距。通過分析《北極星計劃》中將“STEM與計算思維融合”的方式，把“計算思維”融入我國STEM教育中來，把計算思維作為基本素養，通過教育教學的方式普及計算思維素養，讓公民從意識上接納新式教育，并為STEM加入中國味。讓原有被動接受知識學習的觀念轉變為主動塑造自身素質的觀念，不僅能扭轉學習者視STEM為負擔的消極情緒，而且能為STEM的推行提供廣闊空間。

我國STEM融入“計算思維”能夠極大地促進教育的推行，首先，計算思維是人類科學思維中固有的組成成分并早于計算機的出現[19]。而且在我國學科教學中已經有所運用，加持STEM融合多學科的特點，可以促進教育教學突破傳統的思維定式和教學模式。其次，我國《課程標準》倡導“創設情境”，有利于學生依托計算思維來探究問題本質。最后，由政府和教育部門領導，在地區聯合教育機構、學院開展相關活動，形成推行STEM教育的據點，使之成為學習者的學習資源、學習場所。通過舉辦學生創新比賽、機器人俱樂部等STEM活動，在活動中推廣計算思維，倡導和引導學生運用計算思維分析、處理問題，逐漸形成STEM素養的普及網絡。

4結束語

教育的推行對當今國際形勢下的國家發展有著奠基性的意義，我國在世界各國眼里都有著不同往日的影響，在教育領域形成突破口，為應對新時代的挑戰塑造具有優秀素養的公民，為國家贏得世界競爭增添力量，是我國教育界的重要任務，也是綜合國力提升的基礎。

近年來我國在STEM教育中的發展可圈可點，未來的發展前景擁有無限可能。我國應當重新定義STEM教育的戰略性地位，增強頂層設計[20]，繼而鼓勵地區開展適應本土化的STEM教育模式，聯合相關學校、企業、部門共同加強開展力度，進一步推行STEM素養理念。讓學生體會到通過學習高度融合的學科知識為解決生活問題帶來的便利，通過豐富的STEM學習資源能夠塑造更加健全、更具有競爭力的自身素質。自此基礎上，進一步優化教學管理制度，激活教與學的活力;激活師與生之間的互動;激活學生的深層學習[21]。在制度的保障下，STEM穩健運行，越來越多的高質量人才涌入社會所能帶來的巨大活力，將成為新中國未來發展的不竭動力。

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[責任編輯馬曉寧]

Enlightenments and suggestions from

"STEM Education-North Star Strategic Plan"

LI Ke-zhen，LI Wei

（The Department of Education，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

AbstractEducation should produce and provide highly qualified labor force to meet the requirements in the new era.STEM，a comprehensive cross-disciplinary education plan will contribute to the approach to training the new labor force.In December 2018，the White House released the "STEM Education Strategic Plan"，which implies "Bringing Forth the New through the Old".The plan sets forth that the government of the United States calls urgently the citizens to fuse STEM education with "computational thinking"， and puts forward the strategic decision to respond to the contemporary development by government legislation. This plan opens up space for the development of STEM education systems by strengthening the interconnection of educational forces from all sectors of society，promoting subject inclusion， developing transparent accountability systems and promoting the cultivation of computational ability.In contrast，China′s STEM education is in its infancy. This paper aims to make the following suggestions on the implementation of STEM education in China by referring to the experience of problems solving in America′s "STEM Education—North Star Strategic Plan"：developing curriculum integration and promoting curriculum localization;coordinating multi-party cooperation to enrich teaching resources;strengthening the supervision system and building the educational environment;popularizing literacy awareness and developing educational strongholds.

KeywordsSTEM education;"STEM Education Strategic Plan";educational reference;computational thinking

[收稿日期]2019-05-07[基金項目]天津市科技計劃項目（17KPXMSF00090）

[作者簡介]*李科震（1994-），男，山東菏澤人。碩士研究生，主要研究方向為課程與教學論。