如何建设一所成功的STEM高中？*——美国STEM高中的类型与建设框架述评

董泽华



如何建设一所成功的STEM高中？*——美国STEM高中的类型与建设框架述评

董泽华

（华东师范大学 课程与教学研究所，上海 200062）

STEM高中是发展学生创新能力、培育未来信息社会人才的重要学习环境。为此，文章首先聚焦于分析美国STEM高中的发展背景，总结了目前美国STEM高中的三种主要类型，包括精英式STEM高中、包容式STEM高中和职业技术式STEM高中。随后，文章重点介绍了美国STEM高中的“设计—实施—成果”建设框架、“学习核心环境”建设框架、“学习生态环境”建设框架和“八大必要元素”建设框架并分别进行了述评。最后，文章针对我国STEM高中的建设提出了相关建议，以期发展我国的STEM教育，推动我国基础教育的改革。

美国；STEM高中；建设框架

一 美国STEM高中的发展背景

1 冷战时期的科技精英竞争需求

1957年，苏联成功发射人类历史上第一颗人造地球卫星，引发了美国社会强烈的危机感。美国随即颁布《国防教育法》，核心内容之一就是强调与国防相关的数学和科学教育，重视对科技人才的培养，鼓励学生学习科学技术，投身于国家的科技、国防事业。20世纪80年代，美国诸多地区纷纷建立科学、技术、工程和数学的专业高中[1]，以培养国家急需的科学技术人才。此段时期，STEM高中更多地是为了服务于美国的政治需求，以抢占和维持美国军事科技的霸主地位。美国“核动力海军之父”Rickover[2]就认为自己之所以能成功地建设世界领先的美国核动力海军，主要得益于美国当时对数学和科学精英教育给予了前所未有的重视和投入。可以说，美国在冷战时期对科技竞争的需求、对科技精英的重视，是产生STEM高中最为直接的因素。

2 全球化时代的创新人才发展需求

在全球化创新浪潮中，STEM教育是美国培养世界创新领导者的重要方式。但是，当前美国并未在STEM领域拥有足够多的学生、教师和专业人员，难以有效地参与并引领以科技为基础的全球经济的发展浪潮[3]。美国21世纪全球经济繁荣委员会于2003年通过对理工科学位论文授予的调查发现，59%的工程学位授予了外国学生，与德国、日本等发达国家相比，美国学生选择科学、工程等理工科学位的人数明显少于前面两个国家[4]。鉴于此，美国颁布了一系列科技创新人才的培养战略计划和报告，从国家层面推动STEM教育的发展，如2006年颁布的“美国竞争力计划”、“创新美国”，2007年颁布的“迎击风暴”和2010年颁布的“培养和激励：为美国的未来实施K-12年级的STEM教育”等。这些战略计划和报告都聚焦于美国K-12阶段的STEM教育系统，强调其对培养创新人才的重要意义。2010年，时任美国总统的Obama要求美国教育系统在未来十年内至少新建1000所STEM学校，其中包括200所高中。可以说，在美国，建设STEM学校特别是STEM高中，既是培养学生STEM素养、提升学生创新能力的基础，也是为大学输送STEM人才、增加投身于STEM专业和职业人数的重要通道[5]。

二 美国STEM高中的类型

美国STEM高中的发展有悠久的历史，出现了不同类型的STEM高中。根据美国国家研究院（National Research Council）对美国STEM高中的介绍，目前美国STEM高中主要有三类[6]：

1 精英式STEM高中

精英式STEM高中（Selective STEM-focused Schools）作为美国传统的老牌STEM高中，拥有相当长的发展历史。这类高中主要关注STEM中的一种或多种学科，以学生的测验成绩和学术成就作为生源选择标准。精英式STEM高中具有比较严格的学生筛选标准，招生对象往往是那些在STEM领域有天赋且对STEM学习有较强学习动机的学生。另外，精英式STEM高中实施高标准培养方案，通过提供专家教师、先修课程、先进的实验设备和科学家式的学徒制培养等高质量教育，让学生顺利获得STEM的相关学位，并在未来胜任STEM的相关职业。

精英式STEM高中的发展历史较长，主要出现了州立寄宿高中、独立高中、校中校、半日制学校[7]等四种类型。其中，州立寄宿高中面向整个州，从各区县选拔具有STEM天赋的学生，为了方便不同地方学生的学习，该类学校为学习STEM课程的学生提供住宿；独立高中一般位于大都市，为当地最有STEM才华的学生服务；校中校，顾名思义，就是在学校内部开设STEM专业班，以城区高中居多，在这类学校就读STEM班的学生可以选修非STEM课程，而对STEM感兴趣的非STEM班的学生也可选修STEM课程，其课程学习相对较为灵活；半日制学校往往位于经济不太发达、教学资源相对匮乏的地区，该类学校通常将在STEM学习中表现优秀的高中生接过来进行半日的STEM课程学习，其余时间则在学生自己所属的高中学习。

2 包容式STEM高中

为了更好地应对信息社会的快速发展，旨在让所有人都能学习STEM的包容式STEM高中（Inclusive STEM-focused Schools）应运而生。不同于精英式STEM高中对学生入读有较高学习要求，包容式STEM高中面向所有学生，特别是那些在STEM学习中表现较差的学生。包容式STEM高中没有明确的入学选拔要求和标准，只要学生对STEM感兴趣，就可以入读包容式STEM高中学习STEM课程[8]。由于包容式STEM高中服务于所有学生，因此它的目标也是从全体学生出发，提高所有学生学习STEM的兴趣，并为未来从事STEM的相关职业做好准备。包容式STEM高中注重人的可发展性，信奉STEM人才可以进行后天培养。因此，包容式STEM高中在一定程度上弥补了精英式STEM高中只面向小部分天才学生群体的缺陷，大大拓宽了美国STEM教育的覆盖面。

3 职业技术式STEM高中

职业技术式STEM高中（STEM-focused Career and Technical Education Schools）关注科学、数学和技术课程，主要分布于地区的教育中心、综合高中或职业学院。以实用为取向的职业技术式STEM高中重在发展学生的STEM技能，使其能够顺利地进入与STEM相关的就业岗位，其首要目标是培养技术熟练的工人，故在开学之初，就要求学生选择好未来的职业方向。与此同时，职业技术式STEM高中也要求学生主修与职业技术相关的学科，让学生为接受高等教育和进入职场做好充分准备[9]，并帮助具有辍学风险的学生继续学习。值得一提的是，职业技术式STEM高中的少数族裔学生所占比例较低[10]。

综上所述，作为美国科技人才之重要培育和孵化场所的STEM高中，已形成了较为成熟的发展类型，这为美国K-12阶段STEM教育的普及奠定了基础。

三 美国STEM高中的建设框架

一所成功的STEM高中应具备哪些要素？如何评估一所STEM高中的学习环境是否适合开展STEM教育？为此，美国STEM教育的研究者纷纷提出了STEM高中建设框架，举例如下：

1 “设计—实施—成果”建设框架

Means等[11]从“设计（Design）—实施（Implementation）—成果（Outcome）”三个角度来构建STEM高中的建设框架，如图1所示。在该建设框架中，情境、系统因素和不可预料的副作用等影响着STEM课程的设计、实施和成果，且设计、实施和成果三者之间又互相发生作用。

图1 “设计—实施—成果”建设框架

图2 “学习核心环境”建设框架

①设计维度，即STEM高中的整体规划，主要包括学校目标、学校治理和学术结构、学生的入学要求和选择、课程和教学、校内外合作。其中，学校目标包括选拔具有STEM潜质的学生，吸引广大学生学习STEM课程，抑或让学生做好STEM领域的职业准备；学校治理和学术结构决定学校实施STEM教育的质量；学生的入学要求和选择保障了STEM高中的生源；课程和教学包括学生的学习内容和学习方式；校内外合作则指学校与其它单位（高校、科技馆、博物馆甚至工厂等）的合作。

②实施实践，包括支持性结构、教师选聘和专业发展、课堂的评价实践。其中，支持性结构主要有导师辅导、学术咨询、奖学金激励等，能促进学生取得良好的STEM学业成就；选聘专业的STEM教师，并提供持续的专业发展空间，能稳定发展STEM教师队伍，从而保障STRM教学的质量；课堂的评价实践则应综合采用多种评价方式，如表现性评价、档案袋等。

③学生成果，即STEM高中发展效果，特指学生短、中、长期的STEM学业成就。其中，短期成果主要包括测评成绩、学习STEM课程知识量、STEM相关荣誉和奖励等；中期成果包括毕业率、高校入学率、STEM职位数等；长期成果则包括学生修读高校STEM专业数量及其毕业率、最终从事STEM职业数量等。

“设计—实施—成果”建设框架的代表性研究者还有Peters-Burton等[12]，他们认为一所成功的STEM高中不能仅限于应用了多少新科技，更重要的是为所有学生提供促进STEM学习的机会。结合已有的研究成果，Peters-Burton等最终提炼出STEM高中建设的十大关键要素，分别为：STEM课程、革新教学策略和项目学习、整合创新的技术运用、混合正式/非正式学习、真实世界的STEM合作、高校预备课程、具备能够讲授STEM的教师、包容性的STEM使命、管理结构、支持弱势学生。

2 “学习核心环境”建设框架

Marshall[13]从学生学习STEM这一核心出发，建构出成功的STEM高中所应具备的学习环境。在Marshall看来，形成这样的学习环境应遵循九大原则：①创造条件，发展一套能培养创新型人才和领导者的生态系统；②确保学习是一系列愉悦的体验；③个性化的学习方式；④全社区的参与；⑤链接进入全球公共领域；⑥整体发展学生的学科知识、思维习惯和认识；⑦发展综合的跨学科思考能力；⑧在课程、教学和评价中创造一种整体而又真实的场景；⑨确保学生有足够的时间和合适的地点进行学习。

基于上述九大原则，Marshall提出了“学习核心环境”建设框架，如图2所示。该框架主要由三种学习环境和一个集合中心组成：①第一种学习环境是探究和研究实验室、多学科学习中心；②第二种学习环境是培养学生社会意识、系统思维的全球领导力和社会创业机构；③第三种学习环境是关注学生创造性构思能力、想象力的创新孵化器和设计工作室；④集合中心则能全面体现上述三种学习环境所代表的领导力、创新和知识，通过为学生、教师、STEM专家提供更为宽广的活动网络，来分享、整合和利用三种学习环境，激发全球创新学术团体的智慧力、想象力和创新力，从而发现、识别并解决教育工作者共同关心的STEM问题。

“学习核心环境”建设框架既是描绘理想的STEM高中的框架，也是评估一所STEM高中是否成功的代表性框架之一。Marshall认为，一所成功的STEM高中应为学生在学习STEM的过程中创设上述三种学习环境，并且强调这三种学习环境不是割裂的，而有其集合中心——这一中心正是实现STEM教育的归宿之所在。

3 “学习生态环境”建设框架

Erdogan等[14]基于生态隐喻（Ecological Metaphor）理论，构建了“学习生态环境”建设框架，来描绘成功STEM高中的三大关键元素——活动者、行动、情境因素，如图3所示。

图3 “学习生态环境”建设框架

①活动者（Actors），包括学生、教师、社区领导者和榜样。其中，学生是学习STEM的主体，是生态框架的核心；教师作为另一重要活动者，实施关键的STEM教学策略，以促进学生的深度学习；社区领导者由学校管理人员、家长等组成，支持教师工作，参与决策制定，营造独特的学校文化；榜样包括大学教师、实验技术人员、企业领袖等STEM相关领域的专家，作为重要的动机因素引领着高中教师的教和学生的学。

②行动（Actions），包括交流、伙伴支持、指导、评价四种协作行动。其中，交流在课堂内外都可以进行，越是平等的交流，越有助于学生学习；伙伴支持应联合教师、社区领导者和榜样的力量，共同为学生提供更多的学习支持；指导主要是教师、社区领导者和榜样向学生提供学习、就业方面的指导，引导学生产生积极的思维，解决STEM的关键问题，并以点对点的形式鼓舞学生从事STEM专业；评价包括终结性评价和过程性评价，一方面重视形成性评价，让学生及时跟进和调整学习目标，另一方面发展多元的终结性评价形式（如开放式问题、论文、汇报等），以全面、公正地评价学生。

③情境因素（Contextual Factors），主要指学习环境。一所成功的STEM高中，应将正式学习环境（图3中的矩形部分）和非正式学习环境（图3中的椭圆部分）有机地结合起来。在非正式学习环境中，学生依托校外资源，获取相关STEM知识进行STEM学习。正式学习环境包括严谨课程、教学策略、先修课程和技术运用。其中，严谨课程应具有课程标准、主题内容和评价方式，教学策略应以STEM浸入式项目学习为主，先修课程是为学生的大学做好准备的课程，技术运用则指教师将信息技术资源应用到整个教学实践之中。

“学习生态环境”建设框架能够帮助STEM政策的制定者从更宏观的视角出发，制定和实施解决STEM学校问题的策略，明晰STEM学习环境中活动者及其行动的具体特征，妥善处理不同STEM学习环境对活动者的不同影响，全面反映了STEM生态系统中各活动者之间复杂而又紧密的关系，从而改善STEM高中的生态系统。

4 “八大必要元素”建设框架

Laforce等[15]以美国20所STEM高中作为研究对象，采用“自下而上”的调查研究，总结出STEM高中建设的八大必要元素，它们分属于教学元素、非教学元素和支持性元素三类。

教学元素主要指为实现学生学业成就目标的教学实践，涵盖四大必要元素：①个性化的学习，强调学习应该围绕每位学生独特的能力和兴趣，包括教师的教学基于学生的学习需求、教师有自由的教学时间、学生学习自主；②基于问题的学习，要求学生通过解决问题来实现学习目标，包括学生进行跨学科的学习，外部伙伴支持教学、教师促进学生参与真实世界的实践；③严谨的学习，通过聚焦于内容和过程的教学，发展学生的高阶思维；④职业、技术和生活技能，要求学生在教学体验活动中灵活运用未来在大学、职场和生活中经常用到的STEM技能。

非教学元素特指学校促进STEM教育系统形成和发展所表现出的情感努力和意愿，涵盖两大必要元素：①学校共同体和归属感，主要是为学生学习STEM提供良好的校园文化环境，包括教职工支持所有学生的需求、学生之间相互信任和尊重、学生参与学校决策、教职工认可学校的行为和价值；②外部社区，代表学校愿意建立并维系与社区成员和机构之间的关系，即学校主动与其它学校分享发展策略和实践经验，包括学校建立和维持本校的社区存在感、教职工主动传播学校的理论与实践成果。

支持性元素作为基础性元素，支持教学元素和非教学元素发挥作用，涵盖两大必要元素：①教职工基础，指促进教师教学行为和非教学行为的有目的的活动，包括教职工合作、学校领导支持教职工成长和发展、教职工参与决策制定、共同规划学校时间；②情境元素，指STEM学校外部的因素，包括当地创新组织的特点、外部政治和社区对创新的态度。

“八大必要元素”建设框架是在实证调查研究的基础上总结得出的，在反映目前美国STEM高中运行模式的同时，通过评估各个学校在这些元素上的实施情况，来判断一所STEM学校的教学和学生取得的成果是否匹配，以此来理解学生取得STEM成果的前因后果。

四 我国建设STEM高中的建议

STEM高中建设框架的构建关系着STEM高中的发展质量和创新型人才的培养质量。尽管中美教育体系存在差异，但也有着培养创新型人才、提升基础教育质量的共同需求，因此我国可从以下几个方面借鉴美国STEM高中的建设经验，以进一步推动我国基础教育的改革：

1 明确培养目标，探索STEM教育发展路径

一所STEM高中的学生培养目标就好比是一辆车的GPS，如果没有正确的定位，那么STEM高中的发展必将偏离方向。不同于其它类型的高中，发展STEM高中具有极强的专业性。学校只有首先明确了STEM教育培养目标，才能进行学校的整体规划，并指导STEM课程的设计、实施和结果评价。由于STEM高中有不同的组织形式和类型，因此，明确学生的培养目标是学校探索STEM教育发展路径的前提，是进行具体课程设计、实施和评价的基础。

2 革新教学和评价，整合STEM跨学科课程

几乎所有的建设框架都强调发展STEM教育必须重视对STEM课程的整合，强调以跨学科的形式，培养学生的跨学科能力。跨学科不是简单地融合多个学科，而是进行两个或两个以上学科融合的同时，又能体现各门学科的特点，即从不同学科的视角来解决某一个项目或某一个真实问题，从而实现“有意义学习”[16]。实施STEM教学就要彻底革新教师的教学方式，从“学习者中心”出发，采取灵活的教学方式（如基于问题的学习、项目式学习）实施STEM课程。Laforce等在教学元素中强调学生的个性化STEM学习，更是凸显了STEM教育的“学习者中心”理念。此外，教学方式的改革要求STEM高中运用多种评价方式，以激发学生的学习兴趣。

3 进行协同合作，打通校内外STEM教育

作为一个学习生态系统，STEM高中的发展离不开外部资源的支持，需要学校内部和外部社区通力合作，营造一个富有领导力、充满创新和知识的STEM学习环境。这就要求STEM教育的所有参与者以STEM高中为中心进行协同合作，构建和发展有利于STEM教育开展的学习环境。基于此，在学校内部，应鼓励STEM高中的学生、教师和学校领导者相互合作，共同推动校园的建设与发展；而在外部社区，则需要STEM教育利益相关者意识到STEM教育发展的重要性，加大与STEM高中的合作力度，最终打通校内外STEM教育，实现双赢。

[1]NCSSS.History and founders[OL].

[2]Wikipedia. Rickover H G: Focus on education[OL].

[3]Education Week. The push to improve STEM education[OL].

[4]Augustine N R. Rising above the gathering storm: Energizing and employing America for a brighter economic future[M].Washington, D.C: The national Academies Press, 2005:216.

[5][8][11]Means B, Confrey J, House A, et al. STEM high schools: Specialized science, technology, engineering, and mathematics high schools in the U.S[OL].

[6]National Research Council. Successful K-12 STEM education: Identifying effective approaches in science, technology, engineering, and mathematics[M]. Washington, DC: The National Academies Press, 2011:7-17.

[7]Subotnik R F, Tai R H, Almarode J. Study of the impact of selective SMT high schools: Reflections on learners gifted and motivated in science and mathematics[OL].

[9][10]StoneIII J R.Delivering STEM education through career and technical education schools and programs[OL].

[12]Peters-Burton E E, Lynch S J, Behrend T S, et al. Inclusive STEM high school design: 10 critical components[J]. Theory into Practice, 2014,(1):64-71.

[13]Marshall S P. Re-imagining specialized STEM academies: Igniting and nurturing decidedly different minds, by design[J]. Roeper Review, 2009,(1):48-60.

[14]Erdogan N, Stuessy C L. Modeling successful STEM high school in the United States: An ecology framework[J]. International Journal of Education in Mathematics, Science and Technology, 2015,(1):77-92.

[15]Laforce M, Noble E, King H, et al. The eight essential elements of inclusive STEM high schools[J].International Journal of STEM Education, 2016,(1):21-31.

[16]钟启泉.学科教学的发展及其课题:把握“学科素养”的一个视角[J].全球教育展望,2017,(1):11-23、46.

How to Build a Successful STEM High School?——A Review of Types and Construction Frameworks of STEM High Schools in theUnited States

DONG Ze-hua

Science, Technology, Engineering and Mathematics (STEM) high schools are important learning environment for developing students’ innovation ability and cultivating information society talents. Therefore, this paper firstly analyzed the development background of STEM high schools in the United States, and summarized three types of STEM high schools including selective STEM-focused school, inclusive STEM-focused school, STEM-focused career and technical education school. Then, this paper emphatically introduced and reviewed the “design-implementation-achiecement” construction framework, the “core environment of learning” construction framework, the “ecological environment of learning” construction framework, and the “eight essential elements” construction framework of STEM high schools in the United States. Finally, some suggestions for the construction of STEM high schools in our country were proposed, expecting to promote the development of STEM education and the reform of basic education in China.

the United States; STEM high schools; construction frameworks

G40-057

A

1009—8097（2018）07—0120—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.07.018

本文受教育部哲学社会科学重大课题攻关项目“中小学课程实施过程质量监测”(项目编号：16JZD047)、国家留学基金管理委员会项目“国家公派出国留学”（项目编号：201806140180）资助。

董泽华，在读博士，研究方向为STEM课程与教学、STEM生态系统研究，邮箱为andyzehua@126.com。

2017年12月8日

编辑：小米