美国STEM教育中“变革方程”项目数据库的作用及对我们的启示

刘玲

变革方程（Change the Equation）是美国一个致力于在中小学推广STEM教育的公益机构。所谓STEM，是指Science（科学）、Technology（技术）、Engineering（工程）、Mathematics（数学）的简称，旨在将原本分散的科学、技术、工程、数学四门课程集合成一个新的整体。这一集合，不是课程的简单组合，而是把学生学习到的零碎知识与机械工程转变成一个探究世界相互联系的不同侧面的过程，强调学生在“杂乱无章”的学习情境中提升设计能力、合作能力、问题解决能力和实践创新能力。STEM之所以如此受重视，从奥巴马的讲话中可见一斑：“美国之所以取得今天的成就，完全是依靠其在全球科技创新领域发挥的巨大作用，我们如何教育好下一代，尤其是如何提高科学、技术、工程及数学的教育水平，直接关系到未来企业的领导者、科学家和教师的人才造就问题。”为响应奥巴马的号召，美国一百多位企业CEO创建了一个名叫变革方程的公益机构，致力于推广中小学STEM教育。变革方程是在盖茨基金会和纽约卡内基公司的支持下由多位商界精英和社会名流创办起来的，主要创办人包括前英特尔公司董事长克瑞格·贝特瑞、施乐公司CEO厄休拉·伯恩斯、时代华纳有线CEO格伦·布里特、柯达公司CEO安东尼奥·佩雷斯和宇航员萨利·莱德。变革方程是一个非盈利、无党派的由企业CEO领导的组织，它动员美国的商界，通过利用他们的投资、独特的资源和影响力来推动STEM教育，并承诺不断扩大优秀的STEM教育项目在学校和社区中的使用范围，尤其要通过STEM教育项目增强全体美国人的能力和潜质。

为方便STEM教育的推广和优秀经验的共享，变革方程创建了一个优秀的STEM教育项目数据库。这一数据库的好处在于，STEM项目开发者可以将他们的项目与已有的项目进行比较，避免项目的重复建设；资助者通过这些项目可以最大化他们的投资效益；教育者可以为学习者找到高质量的STEM教育项目。项目数据库中的项目会持续不断地更新，这些项目不仅是国家级的优秀项目，而且变革方程还会不断地改进项目内容和完善其功能。变革方程的成员还会为项目数据库中的STEM项目提供资金支持。

1“变革方程”项目数据库的介绍

1.1项目数据库的功能

变革方程建立的STEM教育项目数据库，范围覆盖了幼儿园到高中整个学段，教育用户可以按项目内容领域、项目类型、项目日期、年级阶段、设计原则、所针对的学习群体和地域在网上进行查阅，找到适合他们需求的最佳项目。学习者找到的每个项目都有一个简要概述，包括项目描述、项目类型、目标、营利还是公益项目、年级学段、项目日期、覆盖区域、项目的优势和影响力、以及STEM教育项目评估量规，同时还提供了项目的联系方式以及项目网址，方便学习者交流。根据需求搜索出的项目可能不止一个，教育用户不仅可以单独查看搜索到的项目，而且可以从如下几个方面对多个项目做比较：组织名称、网址、区域、覆盖区域、营利还是公益、项目类型、课程、STEM主要内容、年级学段、项目日期以及设计原则。到目前为止，该项目数据库中已经包含38个优秀的项目，其中有36个项目是非营利性的。

1.2项目的来源

项目数据库中的项目不是一成不变的，变革方程为对STEM感兴趣的项目开发者提供了一个门户网站（http：∥changetheequation.org/stemworks/），以增加STEM项目数量。变革方程邀请任何有助于改善STEM教育质量的项目参与数据库项目遴选，以2012年的征集计划为例：9月15日之前申请的项目如果符合标准，则11月1日会加入数据库；10月15日之前申请的项目如果符合标准，则12月1日会加人数据库；12月15日之前申请的项目如果符合标准，2013年1月15日会加人数据库。被邀请的项目都要求提供一个文档介绍项目如何满足变革方程所倡导的十四个基本原则。一直以来，以自愿为原则，变革方程会定期向优秀的STEM教育项目发出公开邀请，并鼓励任何对项目数据库感兴趣的项目加入数据库中，经过评估以后的STEM项目如果符合标准将录入项目数据库中，同时在资助和推广上将会予以优先考虑。

1.3项目遴选标准

项目！必须经过严格的评估以后才能录入项目数据库中，变革方程的成员不仅公布了前述STEM教育项目的基本原则，同时也公布了以这些原则为导向的项目评估量规（如表l所示）。该量规一共包含十四个评估维度，并详细列出了每个维度的评估指标；为方便评估使用，变革方程还将每个评估指标的达成等级分为三种水平，分别为完全符合、部分符合以及完全不符合。这些量规可以指导项目评估者做出正确的判断，也能够帮助项目评估者向项目提交者提出针对性的问题，并且给出分析STEM教育项目的框架。STEM项目学习的目标或重点相差很大，STEM教育项目评估量规的评估维度可能无法评估很多有价值的项目，但是，项目开发者以及评估者必须很重视这些量规，如果项目不能满足这些量规，则无法进入项目数据库。

还有一个值得注意的问题是，尽管变革方程公布了STEM教育的基本原则以及针对这些原则对项目进行评估的量规，但是评估这些申请加入项目数据库的项目的工作却是由西部教育公司（WestEd）完成的。西部教育公司是一个独立的接受多方资助的非营利性研究、开发和服务组织。西部教育公司作为第三方机构，充当独立评论员的角色，利用这些基本原则和评估量规严格开展候选项目的评估工作，只有经过严格规范的评估以后选定的项目才能加入数据库中。在第一阶段，西部教育公司利用这些原则和量规已经对40多个STEM教育项目进行评估，最终只有20个项目符合要求，同时，对于评估过的项目都会收到详细的反馈信息，包含项目的优点和缺点。

1.4项目推广策略

1.4.1推广方式

在全美范围内，企业、教育部门以及社区管理者共同开发了培养STEM素养的众多优秀的创新项目，如“大学先修课程培训和激励计划”、“工程是基础”、“科学技术的认识及激励”和“基于网络的探究式科学环境”等，尽管这些项目能够为师生创造学习机会并深化STEM知识和技能的习得，尤其关注了女性和少数族裔的学生，但是参与学习的人数并不多。为解决这一问题，变革方程创建了激发学生学习STEM热情的网站（http：∥www.ignitinglearning.org/），向那些开始接受“激发式学习”理念的学校推广优秀的STEM教育项目，进而培养受到良好教育的、充满好奇心的、积极进取的下一代。借助该网站平台，变革方程不仅很轻松地将这些项目扩大到134个学校，还影响了全国将近40000学生。这只是“激发学习者学习STEM的热情”网站影响学生学习STEM的一小部分，他们还证明了，如果学生在学习STEM的热情驱动下产生了改善学习质量的共同愿景时，商业界就会为全美学生提供无数令人心动的就业机会。

1.4.2资金和人力支持

在美国，不仅政府十分重视STEM教育，而且一些企业与基金会也愿意从事有意义的STEM教育推广活动。这些企业和基金会通过与州政府、当地官员、一线教师以及教育机构的交流，发现了STEM潜在的价值，为此，他们把支持STEM教育视为自己分内的事，在资金、人力和时间上给予重点支持和关注，变革方程成员承诺每年投入超过6亿美元的经费来支持STEM教育，并提供大量的STEM学习机会，使全国各地学生都能够受益。例如，为帮助学习者做好就业或者继续深造的准备，盖茨基金会在2010年至2012年间共提供了110万美元的专项资助，而美国电话电报公司则提供了总计约2。5亿美元的STEM教育经费；又如IBM公司为TryScience项目提供了3300志愿者和19300小时的学习指导等。

2我国STEM项目的现状

2.1上海STEM云中心简介

由上海市科协联合社会力量共同打造的全国首家STEM教育平台——上海STEM云中心（http：∥www.stemcloud.cn/）已经正式上线，课程包括能源怪兽、可穿戴设备、3D打印等，覆盖生命科学、物质科学、技术与设计、地球与环境科学和社会及行为科学等五大领域。在STEM云平台上，每个项目都详细列出了实验所需的零件和器材，科学爱好者轻点鼠标，就能通过网购的方式获得实验配件。除了线上云平台，上海STEM云中心还提供线下课程培训和室外素质拓展。线下体验课程更注重深度探究，配有专业老师进行辅导。

在推广方面，2014年12月8日，由中国青少年科技辅导员协会、上海科学教育中心主办，上海科学种子青少年科技创新服务中心、上海STEM云中心协办，上海市青少年科学教育协会、上海市青少年科普促进会承办的"2014年全国青少年科学工作室科技辅导员科学教育（STEM）培训”在上海松江正式开课。来自全国17个省市及地区科学工作室和上海各区县学校的60多名科技辅导员参加了培训。上海已有几十所在基础教育中引入STEM教育理念、系统建立STEM课程的学校。

2。2现有项目情况

我们一起来看一下目前在上海STEM云中心的网站上推出的精品课程。

我们选取其中的一个涉及到物理和工程的项目——神奇的力学墨水，来看看我国STEM项目的情况。

在我们做一些工程项目时，需要知道材料承受的力的大小，但传统的受力分析仪器很贵重，我们能否自己做一个小项目来测出材料的受力情况呢。我们想到，在电学中，我们知道导体的电阻与导体的材料、长度和横截面积有关，如果把一种导电的材料，如导电墨水涂在一块木板上，当我们施加一定的力弯曲木板时，导电墨水也随着弯曲，电阻会发生变化，我们施加不同的力，木板会弯曲不同的角度。如果我们用量角器记录下木块弯曲的角度，用万用表记录下对应的电阻，再设法求出弯曲的角度与电阻的关系，这样我们只要用万用表测出导电墨水对应的电阻，就知道木块弯曲的角度，就知道木块的受力情况了。

如图1所示，沿着受力方向划一根粗细均匀的线，将万用表的两个鳄鱼夹分别夹到导电墨水画出的线的两端，沿着线的两端轻轻弯曲木板，观看电阻变化情况，我们发现电阻变化明显，但没有明显的规律（图2）。

我们发现，在实验的时候导电墨水一部分被吸附，一部分停留表面，怎么改进呢？如果胶带隔绝导电墨水和木板，是不是就可以了？不过胶带的拉伸延展性不是很好，没办法产生规律的形变哦。“绝缘，薄，延展性好薄膜”百度一下，有了，聚酰亚胺胶带！太棒了！再来仔细做一次！

为了画出粗细均匀的线，我们先在木板上贴上一层胶带，然后再用两根胶带作为辅助胶带分别贴在这根胶带左右，留出一条画笔缝隙，用导电墨水涂匀缝隙，画出一条粗细均匀笔直的导电传感线，带导电墨水风干3分钟后再解开辅助胶带。下面我们来测试下高级版本的变化情况吧（图3）。可见高级版导电墨水的电阻值随着弯曲变化数据十分明显，且接近线性关系（图4）！我们可以使用它来测量我们实验时材料受力情况了呀！

传统的受力分析仪器很贵，而我们这个小项目却非常简单，非常便宜，真是个很神奇的小发明呀！

3对我国教育的启示

STEM教育需要整合相关学科内容，是后设性的课程，因而其往往是以主题任务的形式来串联课程内容，加之这种教育内容往往需要以某种硬件载体为依托开展创新实践，故而国内外开展STEM教育多以项目形式开展，因而，设计和开发基于项目的STEM教育内容是一种可取的方式。以项目的形式于开展，往往需要也容易得到教育主管部门的支持，如以科研项目的形式、以示范基地的形式等等。

STEM教育是科学、技术、数学和工程等多门学科的整合，而我国现有各学科的课程标准属分科课程标准，无法为STEM这种整合课程的开发与有效实施提供针对性指导。例如，有关教育主管部门或学术组织，应该推出类似STEM教育指导纲要的规范文件。

为方便STEM教育的推广和优秀经验的共享，还需要建设项目数据库，将优秀的STEM教育项目录入数据库中。并且，需要建立优秀STEM教育项目的评价标准和遴选机制，评价标准不仅可以帮助使用者区分项目课程的优劣，更有利于指导项目开发者开发出符合要求的课程资源。建设项目数据库，不仅涉及到资金和人力的支持，需要动员政府部门和企业界的支持，同时更需要考虑规范化的运作。