美國早期STEM教育數字工具的應用與挑戰

中圖分類號：G 文獻標志碼：A DOl：10.3969/j.issn.1672-1128.2025.07.005

在全球教育改革深化和人才競爭加劇的背景下，美國等發達國家將STEM教育定位為培養未來創新人才的戰略重點。通過整合人工智能、大數據等前沿技術，美國著力打造創新的STEM學習環境，將科技人才培養階段前置到小學低年級和學前教育階段。2024年11月，美國白宮科技政策辦公室發布《推進STEM教育和培養STEM人才的聯邦戰略計劃》（FederalStrategic Plan for Advancing STEM Education and Cultivating STEM Talent），首次將“計算思維”納入幼兒園課程標準，強調數字工具應貫穿“從學前至成人教育的全年齡段”，反映了美國對早期STEM教育的戰略重視]。

STEM教育作為融合科學、技術、工程和數學的跨學科理念，旨在培養創新思維、問題解決能力等綜合素養，與建構主義學習理論強調通過積極參與、互動和探索構建知識和理解的觀點高度契合[23]。實證研究表明，早期 STEM教育對兒童發展具有多維積極影響。在學習能力方面，多項研究證實參與早期STEM項目的兒童在問題解決、邏輯推理和空間思維等方面表現顯著優于對照組45；在科學興趣層面，結構化的STEM實驗活動能有效激發兒童的科學好奇心和探索意愿7；在未來職業選擇上，兒童早期接觸 STEM教育與其未來選擇相關專業和職業的傾向呈顯著正相關。

盡管研究已證實STEM教育的重要性，學界對早期STEM教育的界定仍存在分歧。部分學者認為早期STEM教育主要面向0至8歲的兒童，而另一些學者則將其范圍擴展到小學高年級。基于皮亞杰提出的認知發展理論，0至11歲是兒童認知發展的關鍵時期，包括感覺運動階段（0至2歲）、前運算階段（2至7歲）和具體運算階段（7至11歲）9。這一時期的兒童尚未完全發展出抽象思維能力，需要借助工具作為“腳手架”輔助思考。因此，本研究將早期STEM教育定位于0至11歲階段，聚焦數字技術對兒童認知發展的促進作用。

數字工具正在被廣泛應用于早期STEM教育，作為“阿爾法世代” （2010—2024年出生）的兒童，自誕生起便在智能設備環繞的數字生態中成長。這些技術載體提供了豐富的學習資源和互動體驗，支持兒童個性化學習路徑，使他們能夠按照自適性節奏探索和構建知識。然而，梳理已有研究發現，雖然數字工具已被廣泛引入早期教育，從認知發展理論視角系統分析數字工具如何適配不同年齡段兒童的研究較為缺乏。因此，本研究對美國早期STEM教育中數字工具的應用現狀、數字工具對兒童認知發展的促進及當前面臨的挑戰與應對策略進行分析，構建了“政策演進—應用現狀—挑戰與應對”研究框架。通過探究數字工具賦能兒童在早期 STEM教育中主動探索和意義建構的作用路徑，深化對該領域發展趨勢的認知，為我國早期STEM教育的創新實踐提供理論參照與策略啟示。

一、美國早期STEM教育的政策演進

美國STEM教育政策從高中和高等教育階段逐漸向早期教育階段延伸，其發展軌跡呈現出低齡化趨勢。STEM教育概念的提出可以追溯至2001年，美國國家科學基金會在《科學與工程指標》報告中首次使用“STEM”的表述[]。20世紀80年代，由于全球科技競爭加劇及經濟結構轉型需求，美國開始強化科技教育。1983年美國國家教育卓越委員會發布《國家在危機中：教育改革勢在必行》，將科技教育質量提升至國家安全層面。1990年，《美國 2000 年教育戰略》明確提出加強K-12階段數學與科學教育，為后續政策制定奠定基礎[12]。

進人21世紀，美國國家科學基金會啟動“創新技術體驗”（Innovative TechnologyExperiences for Students and Teachers，ITEST）計劃，投入1.3億美元支持中小學STEM課程開發，標志著聯邦政府開始系統介人基礎教育階段的科技人才培養。此后，政策逐漸向早期教育傾斜。2007年美國國會通過《美國創造機會以促進科技、教育和經濟實力法》，增加了對早期STEM教育的關注和投資3]，意在激發兒童興趣并儲備科研人才。奧巴馬政府時期，STEM教育被提升至國家戰略層面，通過“教育創新”（Educate to Innovate）運動，強調早期介人 STEM學習的重要性，并推動教師專業技能的提升。2015 年發布的《每個學生成功法》（EveryStudent Succeeds Act）要求各州將STEM納人中小學核心課程，尤其是小學階段，并提供教師培訓資金。

此外，全美幼教協會2012年發布《技術和交互式媒介作為工具應用于0至8歲早期教養方案》報告，肯定了數字工具對于兒童發展的作用。該報告認為，數字工具的使用有利于支持兒童的認知、社會、情感、身體和語言發展，并建議適宜地將數字技術和媒體整合到環境、課程和活動中，以提升早期教育實踐的質量。具體建議包括：利用數字顯微鏡、可穿戴記錄設備等技術工具，鼓勵兒童進行戶外探索和自然觀察，將技術作為記錄與延伸學習的輔助手段，引導兒童在真實環境中探索；設計結合體力活動的互動技術，如體感游戲、動作捕捉舞蹈程序等，激勵兒童在動態參與中學習，減少被動靜坐的屏幕使用時間；強調將技術和媒體作為日常工具，引導兒童的注意力集中在活動和探索本身，而非正在使用的技術和媒體。這進一步強調了數字工具的應用應與兒童的自然發展階段和學習需求相協調，幫助兒童從具體運算階段過渡到形式運算階段，促進兒童的認知發展，從而實現最佳教育效果。

近十年來，美國STEM教育政策進一步向數字化轉型與早期干預方向深化。2016年，美國教育部與國家科學基金會聯合發布《STEM2026：STEM教育中的創新愿景》（STEM2026：AVisionforInnovationin STEMEducation），進一步明確了早期教育對實現“STEM2026”教育目標的關鍵作用，提倡利用在線資源和互動工具來增強學習體驗。該報告提出“沉浸式學習生態系統”的倡議，鼓勵幼兒園使用增強現實（AR）教具，積極推動低齡化STEM教育創新I5。2024年11月，美國白宮科技政策辦公室發布新一期五年規劃《推進STEM教育和培養STEM人才的聯邦戰略計劃》，將編程和融合正式與非正式學習環境的的理念覆蓋到從學前至成人教育的全年齡段，強調STEM教育的連續性，特別指出學前到基礎教育階段是STEM人才發展的關鍵環節。

在美國推動實施早期STEM教育相關政策的過程中，數字技術被視為關鍵工具，用于增強教學和學習體驗。2016年，美國教育部發布《未來就緒學習：重新想象技術在教育中的角色》報告，倡導數字技術與STEM教育的深度融合，為早期STEM教育提供了實施建議[。該報告提出了數字技術支持早期STEM教育的多維框架：首先，鼓勵利用數字技術創造個性化和差異化的學習體驗，提升學生的批判性思維、創造力和寫作能力，為創新和未來發展做出準備；其次，創建以學習者為中心的數字化學習環境，鼓勵學生主動探索和參與，同時支持教師充分發揮利用技術培養學生對早期STEM學習的興趣和技能。此外，該報告還建議使用數據指導決策，幫助教育工作者全面、科學、有效地評估和改進STEM教育項目，并確保所有學生都能獲得必要的數字技術基礎設施，以實現早期STEM教育的機會平等。

二、美國早期STEM教育中的主要數字工具

當前，美國幼兒園和學前教育中心已經開始廣泛利用數字工具開展兒童STEM教育，幫助兒童為未來的學業和職業發展奠定基礎。進入小學階段，數字工具的應用進一步深化，幫助兒童更加深入地理解復雜的概念與知識。這些數字工具主要包括教育機器人、模擬程序、教學模型、敘事豐富的視頻、數字游戲等[17.I8]，其教育特性和主要作用詳見表1。

表1早期STEM教育中的主要數字工具[17

注：表中內容為作者根據文獻梳理

皮亞杰認為，兒童在早期階段尚未完全發展出理解他人觀點的能力，具有較強的自我中心傾向，限制了兒童自身從他人視角理解問題的能力，這就要求教育者采用特定的教學策略和教育工具促進兒童的認知成長和社會發展。參與游戲，尤其是象征性游戲，作為兒童認知發展的重要方式，能夠使兒童通過模擬現實情境來探索和理解外部世界。美國AVG安全軟件公司的“數字日記”（DigitalDiaries）研究，印證了皮亞杰的觀點，強調了數字工具在兒童早期發展的重要性。該研究發現，2一5歲的孩子中有 47% 會使用智能手機， 69% 會操控鼠標，而這個年齡段的孩子只有 38% 會寫自己的全名，僅 27% 能在家長引導下口頭描述簡單的早餐制作流程，如“倒牛奶進麥片”或“剝雞蛋殼”。這說明，幼兒對數字設備的操作能力顯著超前于傳統生活技能的習得[。對于6—11歲的兒童而言，隨著認知能力的逐漸增強，他們能夠更好地理解他人的觀點，并且能夠進行更復雜的思維活動。這一階段的兒童對數字工具的使用也更加熟練和深入。數字技術的普及和應用已經深入兒童的日常生活，對兒童的認知發展和技能學習產生了重要影響。教育者應充分利用這一特點，設計適合這一年齡段兒童的數字學習活動，以促進他們的全面發展。

三、數字工具在美國早期STEM教育中的應用

（一）構建個性化的學習路徑，提升學習效果

學習是一個主觀、個體化和社會化的過程，它通過學習者與環境的互動主動構建[2021]。兒童通過“同化”和“順應”兩種機制來建構認知結構，從而逐步發展其認知能力。在早期STEM教育中，數字工具的應用為學習者提供了一個豐富的互動環境，使他們能夠在實踐中探索和構建科學、技術、工程和數學的知識體系。這些工具通過提供個性化的學習路徑，滿足了兒童的個性化學習需求，并顯著提升了他們在STEM領域的學習效果。

平板電腦、應用程序等數字工具，基于其多模態特性，能為學習者提供動態的學習平臺。這些工具能夠記錄和分析兒童的行為數據，并根據每個兒童的學習進度、興趣愛好和學習習慣，個性化地調整學習內容的難度和方式。實施反饋和診斷評估是數字工具支持下的另一個關鍵特點。通過這些機制，兒童可以及時了解自己的知識理解和掌握情況，從而調整學習策略，優化學習路徑。這強化了學習者的自我調節能力，使他們能夠更好地監控自己的學習進程，并在必要時進行調整。此外，數字工具支持下的學習環境鼓勵兒童通過探索和實驗來構建知識。例如，通過編程教育機器人，兒童不僅學習編程邏輯，還能通過實踐應用這些知識來解決實際問題。這種學習方式正是建構主義理論所倡導的，通過動手操作和直接經驗來構建深層次的理解，支持兒童在邏輯推理和抽象思維方面的認知能力發展。

（二）營造豐富多元的學習環境，激發興趣和創新思維

建構主義學習理論認為，學習是在一定的情境即社會文化背景下，借助其他人的幫助即通過人際間的協作活動而實現的意義建構過程20，“情境”“協作”“會話”和“意義建構”則是塑造學習環境的四大關鍵要素2。在美國早期 STEM教育實踐中，數字工具的應用貫穿這四大要素，有效促進了兒童創新思維和問題解決能力的發展。

1.情境

情境作為學習過程中的關鍵要素，能夠促進學生對知識的深人理解和意義建構。在美國的早期STEM教育中，數字工具如教育機器人和模擬軟件，提供了豐富的情境模擬資源，為兒童自主學習創造了有利條件。例如，谷歌的“積木計劃”（Project Bloks）通過模塊化實體編程幫助兒童理解邏輯流程；ScratchJR編程軟件以圖形化界面簡化代碼結構設計；AR-Camp;P編程工具則結合增強現實（AR）技術提升兒童的空間認知以及編程過程中的沉浸感[23]。這些工具將抽象概念具象化，降低了學習門檻，同時激發了兒童的探索與協作能力。它們結合虛擬現實（VR）和增強現實等技術，通過搭建各種逼真的模型構建真實而生動的情境。例如，手持式增強現實設備通過移動設備與應用軟件相結合的方式，在現實世界疊加虛擬形象，實現增強現實的特殊顯示效果。這種虛擬情境的創設將兒童的身份和角色意識、完整的生活經驗與教學任務進行交互，激發兒童對科學、技術、工程、數學的學習興趣，釋放豐富的想象力和創造力。

2.協作

協作是建構主義學習理論中的另一個核心要素，它強調通過社會互動促進學習20。協作學習可以采取多種形式，包括小組討論、角色扮演、頭腦風暴和共同設計項目等。在線協作工具和多玩家游戲為兒童提供了一個平臺，使他們能夠在虛擬環境中體驗這些多樣化的協作形式，通過與同伴的互動參與和完成任務挑戰、共同解決問題。這種協作的學習環境增強了團隊意識，促進了認知和社會技能的發展[24]。例如TangiblePlay是美國一家專注實體與數字交互的兒童教育科技公司，其核心產品歐斯莫（Osmo）結合實體積木與屏幕交互，部分游戲還可以開啟多人模式，需要多人協同操控實體模塊指揮虛擬角色通關，能有效鍛煉兒童協作解決問題的能力[25]。有效的協作學習需要明確的設計原則，包括明確的目標、角色分配、過程指導和反饋機制。對于教育者而言，在線協作工具可以提供這些結構化的支持，并基于實時反饋的數據，分配特定任務、跟蹤進度和評估協作的有效性。這不僅有助于提高學習效果，還能培養兒童的自主學習能力和團隊合作精神。

3.會話

會話在建構主義學習理論中扮演著至關重要的角色，它既是協作學習的組成部分，也是知識建構過程中的一個動態環節。會話允許學習者通過語言交流來表達自己的想法、疑問和理解，從而促進知識的共同建構[26。麻省理工學院媒體實驗室及其合作機構共同研發的ScratchJr工具，專為5至7歲兒童設計，使兒童能夠通過圖形化編程創造互動故事。該工具的在線社區支持“項目評論”功能，兒童可以上傳自己的作品，并通過語音或涂鴉的形式解釋其思路。其他用戶則可以通過表情符號和簡單文字進行反饋，如“你是怎么讓角色移動的？”這種非同步對話使低齡兒童在成人引導下逐步學會用技術術語表達邏輯，從而提升他們的語言和邏輯思維能力[27]。

在數字工具的支持下，會話的形式和范圍得到了極大擴展。數字工具支持整合文本、圖像、視頻和音頻等方式的多模態交流，有助于不同學習風格的兒童更好地參與討論和表達自己的觀點，并使會話交流更加直觀和高效。其次，在線會話平臺允許兒童即時接收同伴和教師的反饋，從而調整自己的理解和表達，這種即時性反饋機制是傳統面對面會話難以實現的。此外，數字工具使跨文化交流成為可能。通過論壇、在線討論板等工具，兒童可以圍繞特定的STEM主題，與來自不同文化背景的同伴進行交流。這種深度討論有助于兒童深化對STEM領域復雜概念的理解，在拓展視野的同時促進多元文化的理解。

4.意義建構

意義建構涉及兒童如何將新信息與已有知識相結合，形成個人的理解28]。通過編程、模擬和設計等活動，兒童能夠將科學、數學、工程、美學等方面的知識應用于解決實際問題，這種基于個人興趣和學習進度的實踐與應用是意義建構的重要途徑，同時，跨學科的整合也有助于兒童理解各學科之間的聯系，從而建構更全面的知識體系。此外，數字工具還可以支持兒童進行反思和元認知活動，如通過日志、思維導圖等工具記錄和反思自己的學習過程，這種反思有助于兒童監控和調整自己的學習策略，從而更有效地建構意義。以ScratchJr工具為例，兒童通過編程角色動作，如“移動10步”或“旋轉90度”，將數字、角度、序列等數學概念與“恐龍穿越火山”等角色的敘事相結合。在這個過程中，兒童可能會遇到程序運行不按預期進行的情況，如角色沒有按照想象那樣移動。這時，兒童就需要通過嘗試不同的編程指令或調整代碼，找出問題所在并加以解決。這一過程有助于兒童理解編程邏輯，培養邏輯思維和問題解決能力，促進規劃與修正策略等元認知能力的發展[2。

（三）促進教師專業發展，加強家校協同合作

在智能時代背景下，技術的集群效應，包括大數據、人工智能、移動互聯網、云計算等，構成了一個互補融合的有機生態，為家校協同育人提供了新機遇。這一生態不僅為教師提供了新的教學工具，也要求教師在數字化教學環境中，通過指導能力和教育策略的適應與發展，促進學生主動構建知識的能力。在這一過程中，教師作為學習環境的設計者和學習過程的引導者，通過利用數字工具改變傳統的教學模式，創造更加互動和個性化的教學環境，并以包含真實世界問題的項目和任務為牽引，讓學生在解決這些問題的過程中主動構建知識。教師也可以通過數字平臺獲得即時反饋，幫助學生反思自己的學習過程，促進學生的元認知發展。例如，使用數字檔案記錄學生的成就和進步，這不僅有助于教師評估教學效果，也為學生提供了成長軌跡的可視化記錄。

數字檔案系統在美國早期教育中的應用始于2010年代中期，并在2020年前后隨著教育技術普及和疫情暴發而進一步擴展。當前，美國幼兒園常用的數字檔案系統如Seesaw 和Brightwheel，主要通過技術手段優化家校溝通、學習記錄和日常管理。教師會拍攝孩子完成的藝術作品、寫作樣本或數學作業的照片，并將其上傳到學生的個人數字檔案中，這些檔案將在家長會上展示給家長，或者通過安全的在線平臺與家長分享。此外，美國小學教師廣泛使用谷歌教室（GoogleClassroom）分配作業、提供反饋和跟蹤學生的進度。每個學生都有一個個人賬戶，家長也可以通過這個平臺查看兒童的作業和成績。教師通過分析作業提交情況和測試成績，識別可能需要額外幫助的兒童，篩選出最有效、適用性最強的教學方法和教學工具，并利用這些工具與家長建立緊密聯系。同時，通過在線通信和資源共享，家長可以更深入地了解孩子在學校的學習經歷，從而支持兒童在家庭和半正式學習環境中的STEM學習。

四、啟示與建議

數字工具在早期STEM教育領域的應用面臨多重挑戰，包括潛在使用風險、發展適配性爭議，以及教育資源不公平等問題2。首先，在數字工具使用的潛在風險方面，有研究表明，如果編程軟件等數字工具缺乏互動和引導，兒童的學習可能會停留在表面，難以深入理解概念，從而無法有效發展批判性思維和問題解決能力，影響其長期的學習效果3]。同時，數字工具的吸引力可能導致兒童過度使用，減少與同伴和教師的現實互動，進而影響其社交技能的發展，甚至可能引發行為和注意力問題。其次，數字工具需要匹配兒童認知發展階段。若其設計不符合兒童年齡特點，可能引發兒童的挫敗感，阻礙學習興趣[3。對于處在具體思維階段的兒童來講，數字工具提供的復雜信息可能超出其認知負荷，且令他們難以區分虛擬與現實。此外，“數字鴻溝”會加劇教育不平等。不同經濟背景家庭的技術可及性差異顯著，而數字工具的有效性高度依賴教師指導，若培訓不足，工具使用可能流于形式[32]。

隨著我國《新一代人工智能發展規劃》《關于加強新時代中小學科學教育工作的意見》??2024 年提升全民數字素養與技能工作要點》等一系列政策的出臺與實施，STEM教育的戰略地位日益凸顯，尤其在培養拔尖創新人才方面開始扮演重要角色。但相較于美國等發達國家，我國在早期STEM教育領域仍處于起步階段，尚未構建起較全面和系統的政策框架。教育資源在城鄉及不同地區之間的分配存在不平衡，公眾對于兒童早期STEM能力培養的意識不足，這些因素共同制約了早期STEM教育在全國范圍內的均衡發展。結合先進國家的相關經驗與挑戰，我國早期STEM教育可從以下四方面著手。

一是加強政策與標準建設。應順應兒童認知發展規律，制定適合我國國情的早期STEM教育技術應用標準與指南，確保數字工具在兒童發展中的合理運用。相關政策的制定應特別關注促進數字公平，縮小城鄉及不同社會經濟背景兒童在數字資源獲取上的差距，創造更加健康、公平的學習環境。

二是強化教師培訓和本土化課程設計。建立系統化的STEM教師培養體系，提升教師數字素養和跨學科教學能力。培訓應突破傳統學科界限，引導教師掌握如何將數字工具與STEM課程有機整合，設計適合不同年齡段兒童的創新教學策略。同時，開發符合中國文化背景的本土化STEM課程資源，確保內容的適齡性和發展適宜性。

三是建立家校社協同機制。制定符合中國家庭教育特點的數字工具使用指導原則，促進家庭、學校與社區在兒童STEM學習中的共同參與。充分發揮科技館、兒童活動中心等社區資源的補充作用，開展適合不同年齡段兒童的STEM互動活動，為學校教育提供有力支持。

四是加強本土化研究與評估。開展針對中國兒童的數字工具影響研究，建立適合國情的STEM教育評價體系。組織跨地區、長周期的追蹤研究，評估數字工具對不同背景兒童認知發展的綜合影響，為政策制定和實踐創新提供科學依據。

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Applicationand Challengesof Digital Toolsin Early STEM Education intheUnitedStates

XU Mo WANG Yan （Graduate School of Education， Beijing Foreign Studies University， Beijing 100089）

Abstract：Early STEMeducation isconsideredastrategicpriorityforcultivating future innovativetalentsintheUnited Statesandotherdevelopedcountries，wheredigitaltolsplayasignificantrole.Fromtheperspectiveofconstructivistlearning theory，thisstudydiscusestheroleofdigitaltolsinearlySTEMeducationintheUnitedStatesinbuildingpersoalized leaming paths，shapingtheleamingenvironment，andstrengthening home-schoolcooperation.Thestudyfindsthatdigitaltools canenhance children’slearning outcomesand stimulatetheir interestandinnovativethinking through interactiveenvironments and personalizedsupport.However，therearealsoisuessuchas themisuseofdigital tools，controversies overdevelopmental appropriateness，andinequalitiesineducationalresourcealocation.Itisnecessary tocomplywiththelawsofchildren's cognitivedevelopment，egulatetheuseofdigitaltools，enhanceeachers'digitalliteracyandbringtogetherthestrengthsof families，schols，andcommunities tooptimizeeducational practice.Chinashould strengthenpolicysupport，teacher training， andlocalized curiculum design forearly STEMeducation，narrowthegapineducational resourcesbetweenurbanandrural areas and diferent regions，and promote the balanced development of early STEM education.

KeyWords：Early STEMeducation;Digital tools；United States; Constructivist learning theory;Personalized learning pathways

（編輯 郭向和 校對 張又文）