STEM 教學對學生學習效果的影響研究
——基于62 項實驗與準實驗研究的元分析

張妮 熊若欣 夏海燕 穆佳男

（貴州師范大學 教育學院，貴州 貴陽 550025）

一、問題的提出

STEM 教學是一種全新的教學實踐。STEM 教學自1986 年被首次提出以來，便迅速受到業界和學界的廣泛關注。國內外研究者對STEM 教學進行了大量實踐探索和創新，然而，仍需系統梳理和總結STEM 教學對學生學習效果的影響。元分析（Meta-analysis）是一種對研究結果進行統計分析的方法，它可綜合已有研究發現，對其相應指標進行更準確、客觀的評估。基于此，本研究擬采用元分析方法，對國內外有關STEM教學實驗與準實驗研究結果進行定量合成，以系統分析STEM 教學對學生學習效果的影響，進而為實施STEM 教學提供參考。

二、研究基礎

（一）STEM 教學對學生學習效果的影響

國內外研究者圍繞STEM 教學開展了大量研究和實驗，大致形成3 種結論：（1）STEM 教學能夠有效促進學習效果。張屹等人[1]通過設計和實施跨學科STEM教學，發現STEM 教學可以激發學生的學習興趣。（2）接受STEM教學的學生學習效果只有較小程度的提升，沒有達到顯著影響。有研究者以制作電子音樂鉛筆對為學習內容，選取22 名大學生進行單組前后實驗，實驗結果表明采用STEM 教學前后學生的職業興趣沒有顯著差異[2]。（3）STEM 教學相對于傳統教學在提升學生學習效果方面存在負效應。瑪格麗塔·奧爾蒂斯·羅哈斯（Margarita Ortiz Rojas）等人[3]在大學計算機編程課堂中使用STEM 教學，研究表明STEM 教學不利于提高學生的自我效能感。

學習效果是指學生經過學習后，在學習、發展和表現方面取得的成果，集中體現在知識與理解力、實際能力、態度與價值觀等方面的發展。已有研究使用元分析將學習效果劃分為以下兩個層面：認知層面主要包括學生學習成績、問題解決能力以及創造力的作用效果；非認知層面主要包括學習動機、學習態度和學習興趣等。本研究進一步將學習效果劃分為認知、能力、情感3 個方面。

（二）STEM 教學的元分析

部分研究者使用元分析技術來分析STEM 教學對學生學習效果的影響，發現STEM 教學在一定程度上有利于提高學生的學習成績，并對培養學生的創造力和學習興趣具有促進作用。然而，已有研究大多只聚焦于STEM 教學對學生學習效果的某一方面的影響，或僅僅分析在STEM 教學中使用某一種技術或教學方法對學生學習效果產生的影響，尚未從整體上全面地驗證STEM 教學的效果。此外，部分研究對調節變量的考慮不充分，沒有對納入元分析的文獻進行質量評價，異質性分析仍不夠全面，研究過程缺乏穩健性，從而使得研究的可重復性差，且其他研究者難以對其結果進行驗證。因此，設計更為嚴謹規范的元分析研究對已有研究結果進行整合，對STEM 教學對學生學習效果的影響進行全面、深入的探究，可在理論和實踐層面上豐富和充實STEM 教學相關研究。

三、研究方法與過程

（一）研究方法

本研究采用元分析作為主要的研究方法，對STEM教學相關的多項實驗與準實驗研究進行梳理和整合，獲取其效應量，進而對其學習效果進行系統分析與評價。基本流程包括文獻檢索與篩選、文獻編碼、計算效應量、發表偏倚分析和異質性檢驗5 個步驟。

（二）研究過程

本研究嚴格遵循用于評價元分析質量的“元分析審查表”，將研究過程劃分為文獻檢索、樣本篩選、文獻編碼與質量評估、數據分析4 個步驟。

1.文獻檢索

本研究采用數據庫檢索與引文回溯法相結合的策略進行文獻檢索。兩名研究助理以“STEM 教學”和“學習效果”為關鍵詞，對百度學術、知網和萬方等國內數據庫進行檢索；以“STEM、STEM Education（STEM教育）、STEM Teaching（STEM 教學）、STEM Learning（STEM 學習）、Learning Effect（學習效果）、Study Outcomes（研究結果）、Learning Result（學習成果）、Study Performance（學習表現）”為關鍵詞，對Google Scholar、Springer 和Web of Science 等國外數據庫進行大范圍組合搜索。之后，采用引文回溯法對已知文獻的參考文獻進行篩選補充，并將全部文獻導入EndNote和Excel 軟件，剔除重復文獻，完成初步篩選。

2.樣本篩選

為避免個人主觀意愿，研究助理嚴格遵循研究目的、研究設計和內容等需要進行樣本篩選。最終確定本研究樣本篩選標準如下：（1）文獻發表時間為2000—2022 年，所使用的語言為英文或中文，文獻類型為期刊和碩博論文；（2）研究主題是STEM 教學對學生影響的實驗或準實驗研究；（3）實驗控制條件為無論是否使用盲法，前測差異ES＜0.5；（4）實驗自變量為進行或不進行STEM 教學，且實驗組與對照組的樣本量相近；（5）研究數據完整，以便計算出實驗效應量。

依據上述標準，兩名研究助理分別對文獻進行篩選，其中，兩人一致的文章有37 篇，不一致的有10 篇，Cohen Kappa 一致系數為0.75，說明文獻檢索與初步篩選的內在信度很高。最終經過協商后，共得到42 篇文獻作為元分析的樣本。本研究使用PRISMA 流程對文獻進行收集和篩選，如圖1 所示（見下頁）。

圖1 文獻檢索與篩選流程

3.文獻編碼與質量評估

完成樣本篩選后，需對文獻進行特征編碼，以便數據分析。結合研究目標、已有研究和相關標準，本研究的文獻編碼標準如表1 所示（見下頁）。

表1 文獻編碼標準

對全部42 篇文獻進行編碼，總共得到62 項研究結果。兩名研究助理分別對文獻進行編碼，其中，兩人編碼一致的有58 項，不一致的有4 項，Cohen Kappa一致系數為0.93，說明編碼的內在信度較高。經過協商，確定最終文獻編碼結果。

為確保納入文獻具有較高的學術品質和研究價值，用方法學質量評價對其進行評估，結果顯示文獻質量整體中等。具體而言，（1）因納入文獻大多是實驗與準實驗研究，故不存在隨機序列的產生方法及分配隱藏，結果為低風險；（2）大部分研究沒有報告盲法情況，結果為高風險；（3）全部研究均不存在數據缺失，結果為低風險。

4.數據分析工具和指標

本研究選擇StataSE 15 軟件進行數據分析。首先，選取標準化均數差（Standardized mean difference, 簡稱SMD）作為效應量來評估STEM 教學對學習效果的影響程度，采用Cohen 法進行計算，其值為實驗組與對照組的均數差值除以合并標準差的商；然后，采用逆方差加權法進行加權；最后，采用固定效應模型（Fixed effect model, 簡稱FEM）和隨機效應模型（Random effect model,簡稱REM）及敏感性分析來分析納入研究間異質性。

四、數據分析與結果

（一）發表偏倚檢測

本研究采用漏斗圖進行發表偏倚檢測，以確保元分析結果的準確性和可靠性。如圖2 所示（見下頁），62 個效應量絕大多數均勻分布在漏斗圖的中上部分，初步證明發表偏倚現象不明顯。然后，進行Egger’s 檢驗得到截距a對應的p＝0.182＞0.05，95%CI＝［-4.53，1.11］，進一步說明不存在發表偏倚。

圖2 發表偏倚檢測漏斗圖

（二）異質性檢驗

由于各個研究在樣本特征、研究環境和方法等方面存在較大差異，導致元分析結果存在異質性。因此，需根據納入研究間異質性的情況選取合適的效應模型。通常采用聯合定性測量的Q 檢驗法和定量檢測的I2，當同時滿足p＞0.1 且I2≤40%時，采用固定效應模型；反之，則采用隨機效應模型。異質性檢驗結果見表2。其中，p＝0.000 且I2＝79.6%，說明各研究間存在較大的異質性，因此應選用隨機效應模型，對效應量進行統計和分析。

表2 異質性檢驗結果

（三）敏感性分析

為了確保元分析結果的穩健性，需要通過敏感性分析進行結果驗證。首先，在分別剔除每項研究之后，發現效應量仍具有統計學意義，森林圖的方向未發生改變，初步證明元分析結果較穩健。然后，采用Rosentha法計算失安全系數，最后計算結果為596。當失安全系數與納入文獻相比很大時，說明結果較為穩健。以N/（5k+10）指標進行定量判斷，最后計算結果為2.7 ＞1，進一步說明元分析結果穩健，結論可被推翻的可能性小。

（四）STEM 教學對學生學習效果的影響

1.STEM 教學對學生整體學習效果具有中等程度的積極影響

從隨機效應模型上來看，62 項研究結果的效應量為0.626，95%置信區間為[0.525，0.727]，且效應量顯著性檢驗Z＝12.17（p＜0.01）。這一結果證明，與傳統教學相比，STEM 教學對學生的學習效果具有中等程度的正向影響。

2.STEM 教學對學生學習效果的影響差異

本研究將學習效果劃分為認知、能力和情感3 個維度，具體結果如表3 所示（見下頁）。（1）認知維度方面，STEM 教學對提升學生的學習成績有正向中等偏大影響，達到顯著水平。（2）能力維度方面，組間效應量Chi2＝18.31，p＝0.61 ＞0.05，說明STEM 教學對學生學習的效果在能力維度方面的影響較為穩健，沒有顯著差異；STEM 教學對培養學生的思維能力和創造力有正向中等偏小影響，達到顯著水平；對提升學生的實踐能力有正向中等偏大影響，達到顯著水平；對培養學生的批判性思維有顯著影響未達到顯著水平；對培養學生的問題解決能力有正向較高水平影響，達到顯著水平。（3）情感維度方面，組間效應量Chi2＝10.15，p＝0.91 ＞0.05，說明STEM 教學對學生的學習效果在情感維度方面的影響較為穩健，沒有顯著差異；STEM 教學對培養學生的學習興趣和職業興趣有正向中等偏小影響，達到顯著水平；對培養學生的探究精神有正向較高水平影響，達到顯著水平；對提高學生的自我效能感有正向中等偏大影響，未達到顯著水平。值得注意的是，在STEM 教學中，更加強調跨學科整合、創造性解決問題、情境創設和協作學習，這同時也增加了學生的認知負荷。一定程度的認知負荷有利于學生學習效果的提升，而過高的認知負荷會增大學生的精神的負擔。這就要求教師在進行STEM教學時，應理性全面地認識學生在STEM 學習中的認知障礙，并通過控制認知負荷提升學生學習效果。

表3 STEM 教學對學生學習效果的具體表現

（五）STEM 教學對學生學習效果在不同調節變量上的影響

1.STEM 教學對不同學段學生學習效果的影響

學習者的認知和心智能力的發展是一個階段性過程。因此，研究對象所處學段不同可能會對STEM 教學的效果產生不同的影響。本研究的結果如表4 所示（見下頁），組間效應量Chi2＝46.38，p＝0.23 ＞0.05，說明STEM 教學對各個學段學生的影響較為穩健，沒有顯著差異。各學段的效應量從大到小依次為小學＞初中＞高中＞大學，各學段的效應量均大于0.2。從不同學段來看，STEM 教學對小學生的影響效果最為顯著，且隨著學段的增加影響效果逐漸減小。這是因為小學生所學的知識相對簡單，其學習動機多屬于興趣型，STEM 教學由于其多樣性的課堂活動形式，更加能夠吸引小學生的學習興趣。STEM 教學對大學生影響程度較低，可能是因為大學生的學習習慣已經養成，并且學習目的明確和自學能力較強，所以不容易產生較大的學習改變[4]。

表4 STEM 教學在不同調節變量上的影響差異

2.STEM 教學對不同學科學生學習效果的影響

本研究將科目劃分為科學、數學、計算機編程等12 門，以探究STEM 教學對學生學習效果的影響在不同科目上的差異。從表4 可知，組間效應量Chi2＝40.34，p＝0.47 ＞0.05，有顯著差異。各學科效應量均大于0.2，雖然對計算機編程、物理和3D 打印與創意設計科目具有中等偏小的正向促進作用，但其效應量顯著性檢驗p大于0.05，未達到顯著性水平。從不同學科來看，將STEM 教學應用在理科學科中，可以使得抽象的問題更加具體化，更易于學生對內容的理解，同時也可以提高學生對理科學習的興趣[5]。

3.STEM 教學對不同班級規模學習效果的影響

作為影響教學環境的關鍵因素，班級規模在很大程度上能影響學生學習效果。由表4 可知，組間效應量Chi2＝50.80，p＝0.15 ＞0.05，說明在STEM 教學中，班級規模對于學生的學習效果的影響較為穩健，沒有顯著差異。在不同班級規模中應用STEM 教學，對學習效果都有正向促進作用且達到顯著水平。從不同班級規模來看，對中規模班級的影響效果最好，這是因為中規模班級的人數適中，比較適合進行協作學習與同伴學習。依據同伴效應原理，同伴之間能共享學習相關信息，相互提供知識和技能性指導，對具體問題解答的正誤做出判斷和糾正[6]。小規模班級由于人數較少，難以開展合作學習；而在大規模班級環境下，教學資源被稀釋，教師鼓勵學生思考、表達和交流的機會減少[7]。

4.STEM 教學對不同實驗周期學習效果的影響

為探究STEM 教學在不同實驗周期上學習效果的差異，本研究劃分了3 個時間段：0 ～3 個月、4 ～6個月和6 個月以上。從表4 可知，組間效應量Chi2＝45.12，p＝0.31 ＞0.05，說明在STEM 教學中，不同實驗周期對于學生的學習效果的影響較為穩健，沒有顯著差異。各實驗周期的效應量從小到大依次為：0 ～3 個月＜4 ～6 個月＜6 個月以上，各學段的效應量都大于0.2，效應量顯著性檢驗p均小于0.05，說明STEM 教學在這3 種實驗周期下都有正向促進作用且達到顯著水平。從不同實驗周期來看，STEM教學的效應量大小與教學周期正相關。因此，研究者在進行STEM 教學實驗時，可以適當延遲實驗干預時間，以充分發揮STEM 教學的優勢。同時，對學生的學習要進行多元化的評價。這是因為，相對于傳統教學，STEM 教學更注重學生在學習中的創新精神與實踐能力，所以多元化評價更符合STEM 教學的特征。

5.STEM 教學對不同教學方法學習效果的影響

為探究STEM 教學對不同教學方法學習效果影響的差異，本研究將教學方法劃分為問題式、項目式、探究式等7 類。從表4 可知，組間效應量Chi2＝37.75，p＝0.65 ＞0.05，說明在STEM 教學中，不同教學方法對于學生的學習效果的影響較為穩健，沒有顯著差異。除了混合式，其他教學方法的效應量均大于0.2，對學習效果具有正向促進作用。其中，游戲化教學方法的顯著性檢驗p＝0.224 ＞0.05，未達到顯著水平：探究式和項目式學習的效果最好，因為這兩種學習方式更符合STEM 教學的核心特征，可加強學生在STEM 學習和集成應用方面的能力，進一步激發其學習能動性[8]。值得注意的是，混合式教學法的效應量沒有達到顯著水平，是因為本研究納入采用此方法的文獻較少，同時也反映出此方法運用的學科領域比較單一。

6.STEM 教學對不同教學場所學習效果的影響

為確定STEM 教學在教學場所上的差異性，本研究將教學場所劃分為普通教室和實驗室。從表4 可見，其組間效應量Chi2＝39.21，p＝0.58 ＞0.05，說明在STEM 教學中，不同教學場所對于學生的學習效果的影響較為穩健，沒有顯著差異。無論是在普通教室還是在實驗室環境下進行STEM 教學，都對學生的學習效果產生了正向促進作用，且達到顯著水平。從不同教學場所來看，實驗室環境下的效應量高于普通教室環境下的效應量。教學場域是一種特殊的社會場域，作為師生之間和生生之間的聯結紐帶，教師需要對教學中涉及的活動資源和技術進行協調和系統安排，切忌把熟悉和使用實驗室環境中的設備和技術作為教學目的[9]。

五、研究討論

（一）穩健性及作用機制

在技術方面，本次元分析按照嚴格的檢驗流程，先后進行了發表偏倚檢測、異質性檢驗及敏感性分析，并對檢驗結果進行詳細的討論，確保了本次元分析具有較強的穩健性。本研究為保障納入元分析的文獻具有較高的學術品質與研究價值，制定了嚴格的文獻納入標準，對以往STEM 教學（準）實驗研究結果進行無偏篩選，并對其質量進行全面系統的評估。以上做法可方便其他研究者后期在研究對象、研究標準一致的情況下，使用元分析方法對本研究的結果進行驗證，可保證研究的可重復性。

（二）邊際貢獻

STEM 教學實踐存在著大量不可控因素，即使是在研究中對相關變量進行了嚴格的控制，同類研究的結果也可能會存在分歧。部分已有研究采用傳統文獻綜述對STEM 教學相關研究進行梳理和概括，其所得到的結論更多依賴于主觀經驗，缺乏客觀性、科學性和可重復性，難以令人信服。本研究在已有研究的基礎上，通過更加規范的文獻篩選標準與質量評估，保證納入元分析文獻的學術價值，從而提高了效應量估計的準確性。以往研究多數只是對某一國家或地區的研究進行分析，且只從某一方面考察STEM 教學對學生效果的影響，難以從整體上對學習效果進行考察，而本研究涵蓋了STEM 教學主題的國內外（準）實驗研究，將學生學習效果劃分為認知、能力和情感3 個方面，基于變量關系和文獻綜述對調節變量進行更全面的選取，接著對其進行異質性檢驗與亞組分析，使得分析結果更加穩健可信。

綜上，本研究可為教育文獻綜述提供方法借鑒，同時為研究者和STEM 教師提供了大量可用于分析的數據，將有助于研究者和實踐者加深對STEM 教學內涵與規律的認知，為開展STEM 教學元分析與STEM教學實踐提供了有價值的參考路徑。

（三）不足及展望

雖然本研究具有較突出的邊際貢獻，但仍存在以下不足：（1）因元分析有嚴格的遴選標準，使得部分研究設計不合理、研究數據不完整的樣本沒有納入分析中，導致本研究納入分析的研究樣本數量稍顯不足；（2）因原始文獻納入的信息所限，所以本研究無法判斷性別、種族、家庭社會地位、實驗地區等調節變量對學生學習效果的影響；（3）本研究未考慮教師在STEM 教學中的態度和能力等因素是否會對學生的學習效果產生影響。在后續研究中可考慮以下方向：（1）持續關注STEM 教學（準）實驗研究的新結論，嚴格遵循元分析文獻遴選標準，進一步擴大元分析樣本數量；（2）根據STEM 教學的特征分析其他調節變量（如性別、種族、家庭社會地位、實驗地區等）的影響及變量間的交叉影響；（3）將STEM 教師所具備的能力、態度等因素納入元分析中，以更加全面、科學地分析和評價STEM 教學的效果。