關于中學生STEM態度的調研及建議

黃雯靜 程敏熙 周少娜

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

1 研究概述

STEM教育是一種將科學、技術、工程及數學等學科有機融合，在于培養學生科學知識與技能的教育模式.STEM教育最早起源于美國，1986年美國國家科學委員會(NSB)發布《本科的科學、數學和工程教育》報告，確立了STEM教育優先發展的戰略地位.

1986年至2016年，美國逐漸建立K-12學齡段的STEM課程，加大STEM教師的培養力度，確立STEM教育的協調合作戰略，將STEM教育置于政府教育工作的優先地位.此外，美國為保持國際競爭力和國際地位，提出“力求在實踐社區、活動設計、教育經驗、學習空間、學習測量、社會文化環境等方面促進 STEM 教育的發展”的要求[1]，并動員全國各層面的力量來支持美國全體學生發展高水平的STEM知識與技能[2].

自STEM教育的概念被提出后，各國不僅注重對STEM教育的理論研究，也加大了對STEM教育的實施力度.英國提出“教育轉變項目”來提高促進STEM教育發展，大力倡導“學徒制是培養新型 STEM 人才的成功途徑”.日本希望通過STEM教育來提高學生的學業成就，力求在STEM教育的實現過程中提高對工程人才的培養力度.德國實施STEM教育國家策略，提倡“科學和商業合作促進創新”、開發“MINT友好項目”、“工程4.0”、校內遠程通訊、校園與企業實驗室，以鼓勵對STEM人才的培養.此外，芬蘭、以色列、比利時、荷蘭、法國、愛爾蘭和奧地利等國家紛紛投身STEM課程的開發與建設，注重政府與科研中心的合作，成立STEM教育教師培訓中心，并注重提升學生、家長、教師和公眾的科學意識和價值觀念[3].

2001年，我國開始引入STEM教育，自2015年李克強總理在深圳柴火空間考察后，創客教育開始在國內中小學得到高度的重視與發展.繼創客教育后，“創造中學”作為新的教育和培養人才的新模式，被我國大力提倡.我國政府大力支持STEM教育在國內的發展，出臺了《教育信息化 “十三五”規化》和《全民科學素質行動計劃綱要實施方案 (2016—2020 年)》等一系列規劃和綱要，并倡導探索 STEAM 教育(A指藝術)、創客教育等新模式.目前我國一批STEM教育實行發展機構呈現出健康發展的態勢，有較多具有影響力的教育課程發展機構，比如上海STEM云中心、深圳柴火空間、北京鯊魚公園、北京寓樂灣等[4].

一直以來，我國采取分科教學的方式，各學科聯系不密切，尚未建立成熟的STEM教育評價體制和標準[5].通過查閱文獻可知，現階段我國STEM課程的設計主要參照國外，以原有的分科課程為載體，融入STEM教育理念，且多在物理教學中滲透[6].物理教師單一地在情景和內容教學中融入STEM教育理念[7]，不了解分科教學下學生的STEM課程學習態度，也沒有完整的評價體制，因此難以把握學生是否真正體會到了STEM理念、很難反思自己的STEM教育是否僅僅流于形式，更難以改進自己的課程并在整體教學中滲透STEM教育.這就需要教師立足國情，深度研究國內學生對STEM課程的學習態度.為此，本研究開展相關調查，了解國內學生STEM態度的情況，為進行STEM課程的設計提出建議.

2 問卷設計及樣本選取

STEM課程包括數學、科學和工程技術，在研究學生的STEM態度時，需要了解學生各學科的學習態度、自我效能感和價值期望.因此本次研究的問題包括學生STEM態度及分維度的學科總體差異、學生STEM態度及分維度的性別差異、學生STEM態度及分維度的年級差異、學生STEM態度中年級與性別的交互效應.

2.1 問卷的設計

本研究采用國外成熟的李克特5級量表[8]，由一組陳述組成，有“非常不同意”“基本不同意”“中立”“基本同意”“非常同意”5種回答，分別記為1，2，3，4，5.第1～8題研究數學，其中第1，3，4，5，7，8題研究數學自我效能感，第2，6題研究數學價值期望；第9～17題研究科學，其中第9，14，16題研究科學自我效能感，第10，11，12，13，15，17研究科學價值期望；第18～26題研究工程技術，其中第18，20，21，23，26用于研究工程技術的自我效能感，第19，22，24，25用于研究工程技術的價值期望.此外，第1，3，5，16題為反向題，在將問卷結果錄入到Excel后需進行反向處理，對于學生選擇1的題目需改選為5，選擇2的題目需改選為4，以此類推.

2.2 樣本的選取

本研究從廣東省廣州市某中學共6個年級隨機抽取學生進行調查，各年級抽取學生情況如表1所示.

表1 研究對象

注：“未知”是指學生填問卷時忘記填寫性別這一項信息，但其數據在研究年級差異中有用.

3 中學生STEM態度調查結果

3.1 學生STEM態度及分維度的學科總體差異

利用SPSS軟件的單因素方差分析及多重比較對學生各學科差異進行分析，結果如表2所示.

表2 學科總體差異

研究結果表明：學生學習科學的態度比數學的態度好(3.63>3.30)，學習工程的態度比數學的態度好(3.40>3.30)，學習科學的態度比工程的態度好(3.63>3.40)；學生的科學自我效能感比數學自我效能感強(3.57>3.31)，數學自我效能感和工程自我效能感不存在顯著差異(受篇幅所限，多重比較的表格省略)，科學自我效能感比工程自我效能感強(3.57>3.28)；學生的科學價值期望比數學價值期望高(3.66>3.27)，工程價值期望比數學價值期望高(3.54>3.27)，科學價值期望比工程價值期望高(3.66>3.54).

進一步分析可知，在學科態度、自我效能感和價值期望3個層面，學生學習科學的態度更為積極；在學科態度和價值期望兩個層面，均表現為“科學優于工程、工程優于數學”的狀態.對于這種“數學遇冷”的現象，筆者認為可能是學生從小學習數學，數學作為主科，學習周期長，學生面臨較大的學習壓力，為了學業而學數學，學習興趣被沖淡，所以存在一定的倦怠心理.而科學在低年級學段以副科的形式出現，到了初高中才真正成為主科，科學課上包含很多小型的學生工程項目，在鍛煉了學生思維的同時，也培養了動手能力，因此科學和工程技術對學生來說更加新鮮和具體，學生學習科學和工程技術的興趣更大.

3.2 學生STEM態度及分維度的性別和年級差異

為研究性別以及年級(這兩個因素)對學生STEM態度的影響，分別以性別和年級為自變量，相關指標為因變量，采用獨立樣本T檢驗的方法進行研究，結果如表3所示.

表3 STEM態度及分維度的性別和年級差異

研究結果表明：就年級而言，初高中學生對STEM學科總體態度不存在顯著差異(P=0.213>0.05)，但是初中生學習數學的態度更好(3.41>3.20)，高中生學習科學的態度更好(3.80>3.46)，初高中學生學習工程態度并不存在顯著差異(P=0.581>0.05)；初高中學生的總體自我效能感不存在顯著差異(P=0.978>0.05)，但初中生的數學自我效能感更強(3.44>3.19)，高中生的科學自我效能感更強(3.66>3.49)，初高中學生的工程自我效能感不存在顯著差異(P=0.820>0.05)；高中生的總體價值期望更高(3.73>3.59)，初高中學生的數學價值期望不存在顯著差異(P=0.064>0.05)，高中生的科學價值期望更高(3.87>3.45)，初高中學生的工程價值期望不存在顯著差異(P=0.359>0.05).

就性別而言，男生總體STEM態度更好(3.62>3.25)，表現在男生的數學、科學、工程技術學習態度相比于女生更好；男生總體的自我效能感更強(3.66>3.41)，表現在男生的數學自我效能感、科學自我效能感和工程自我效能感都比女生更強；男生總體的價值期望更高(3.73>3.57)，表現在男生的數學價值期望、科學價值期望和工程價值期望都比女生高.

3.3 學生STEM態度中年級與性別的交互效應

為研究年級和性別的交互作用對學生STEM態度的影響，采用多因素方差分析，結果如表4所示.

表4 性別與年級交互作用對工程自我效能感影響主體間效應測試

研究結果表明：工程自我效能感受到性別和年級的交互影響顯著(P=0.018<0.05).學生總體STEM學科態度、數學態度、科學態度、工程態度、總體自我效能感、數學自我效能感、科學自我效能感、總體價值期望、數學價值期望、科學價值期望和工程價值期望均不受性別和年級的交互影響(受篇幅所限，相關表格省略).

4 結果分析與建議

4.1 加大科學學習深度 提高數學學習興趣

基于表2 分析，學生更喜歡學習科學，更有信心能將科學學好，并認為自己以后有更大的可能從事與科學有關的職業.相比之下，學生學習數學的積極性較低，對于自己能學好數學的信心不大且未來想從事數學的相關工作的想法不多.學生的自我效能感、價值期望與學習興趣有較大關系，因此物理教師在將STEM理念融入到物理課堂時，要注重鉆研學生的興趣，對于學生感興趣的科學，教師在進行課程設計時可適當加大科學的難度、融合不同科學領域的知識.例如，在物理課堂中適當加大物理知識的難度，增加化學和生物的內容，增加與工程有關的科學探究活動，達到加大科學課學習深度的目的，為學生今后從事科學相關工作做準備.相比于科學，學生學習數學的積極性較低，教師應適當增加有趣味性的數學知識，提高學生學習數學的興趣，豐富學生對數學相關職業的認識，鼓勵學生多鉆研數學和從事與數學有關的職業.

綜合以上分析，在將STEM理念融入到物理課堂時，教師要合理設計數學、科學和工程的占比，要根據學生的學習興趣和未來可能的職業發展進行課程難度的調控和設計，適當設計適合學生的工程項目.對于學生學習積極性較大的科學，可適當增大課程的難度，融合不同科學學科的知識，加大學生學習科學的深度和廣度，為學生今后從事科學相關工作做準備；對數學模塊的設計可適當增加趣味性數學知識，在物理課堂上盡可能避開難度大的數學知識，以提高學生學習數學的興趣，克服學生的數學倦怠心理.

4.2 重視年級差異 系統滲透STEM理念

基于表3分析，初中生對學好數學有更大的信心.而高中生認為自己更有能力學好科學，高中生認為未來有可能從事和STEM學科有關的職業.對于初高中學生對STEM課程的不同方面反應不同現象，物理教師在將STEM理念融入到課堂時，不僅要考慮各階段學生對STEM課程各學科的具體需求，還需考慮同一學科在不同年級的難度設置.初高中物理教師應密切討論“如何將STEM理念融入物理教學”的問題，宏觀把握初高中物理教學的STEM理念融合，使STEM理念融入整個中學物理教學中，而不僅僅是停留在一兩節課中，進而系統地將STEM理念融入整個中學物理課程中.

具體而言，初中生學習數學的積極性更高、自信心更強，并認為自己有能力學好數學，而對于學好科學的自信心則不如高中生強.這就啟發物理教師在將STEM理念融入到物理課堂時需對初高中進行宏觀且系統地把握：鑒于初中生對學好數學有更大的學習自信心和積極性，可適當增加初中物理學習中數學難度或占比，培養初中生的數理邏輯；而對于科學課程，則應注重不同科學知識的融合，可適當降低難度、設計適合初中生的課外探究活動，提高他們學習科學的積極性.鑒于高中生更有信心學好科學，未來有可能從事和STEM學科有關的職業或與科學有關的職業，物理教師可將難度較大的科學知識設計到高中物理課程，增加最新科技前沿的知識，設計貼近社會和科學發展的工程項目，讓學生在學習物理的同時體會社會和科技的發展，培養高中生的科學思維，對有志從事STEM相關職業和科學相關職業的高中生進行培養和鍛煉.

4.3 尊重性別差異 合理發展STEM學科

基于表3分析，性別對STEM課程的影響很顯著：男生在數理知識方面比女生更感興趣、思維更加活躍、邏輯更為嚴密、未來的職業發展更傾向于理工科，這符合我們的認知.男女生在STEM課程學習中存在這種的差異，對物理教師來說具有較大的啟發：在將STEM理念融入到物理課堂時不僅要考慮男生的課程需要、合理安排各學科的占比、適當加大課程難度，更應該關注女生對STEM學科的學習態度，特別是女生能否適應融合STEM理念的物理課堂，這很是重要.物理教師要注重在這種新型課堂上調動女生學習的積極性、增加科學知識的趣味性、整體提高女生學習STEM課程的興趣.此外，物理教師還應該在實際教學中，向女生的STEM課程學習提供相應的方法指導、增強女生學好STEM課程的自信心、適當開闊女生的科學視野，也應積極號召女性從事STEM的相關職業，促進學科專業人才的性別比例，更好地發展STEM學科，強化STEM學科在國內的實施效果同時促進其長遠發展.

4.4 綜合性別和年級 科學滲透工程理念

目前，國內并沒有將工程作為一門正式的學科加入中小學課程，學生往往只能在生活中接觸工程的有關知識，或者在興趣班中有所涉獵.學生沒有系統學過工程知識，對工程技能的知識相對缺乏，這直接影響學生學習工程的自信心.

在此大背景下，將STEM教育理念融入到教學中具有重要意義，通過在物理課程中增添工程技術的元素，設計符合學生發展的工程項目，促進學生STEM素養的整體發展.例如將創客教育引入物理課堂，主張學生自己設計實驗并進行探究，創設物理第二課堂等課外創新活動，為學生提供更多參與工程項目的機會、創造更多動手實踐的機會.不僅能夠培養學生的數理邏輯，還能夠提升學生對數學和科學應用的意識和能力，滲透工程的相關理念.將工程理念滲透到物理教學是符合我國國情的，據前文的分析可知，性別對STEM課程的影響顯著，年級影響著數學和科學的難度設計與內容調控，因此，在將工程理念滲透到物理教學中，需對性別和年級進行綜合考慮.唯有如此，才能更好地將工程理念滲透到物理教學中，進而達到將STEM理念滲透到物理教學中，增強學生在新教育模式下的學習自信心.

5 結束語

STEM課程作為一種新型教育模式，其目的在于培養綜合型人才.在將STEM理念融入到物理課程的過程中，需要科學地考慮各學科的占比及難度的設計，這就需要物理教師充分了解學生對STEM課程的學習態度，具體包括：男女生對STEM課程中不同學科的學習態度，各年級的學生對STEM課程中不同學科的學習態度，以及性別和年級的交互作用對STEM課程的影響情況.唯有如此，才能更好地把握學生在物理課堂中對STEM理念的體會，科學反思自己的STEM教育成果，有目的地改進課程并在整體教學中滲透STEM教育，科學地設計出符合國內學生需求的STEM課程，促進STEM課程在國內的實施及長遠發展.