美国STEM教育的内涵与实施概况

徐晓丽

摘 要：美国最先提出STEM教育，近30年来一直推动STEM教育的发展，旨在培养创新型人才，维护国家安全，保持美国在经济领域的领先地位。文章通过梳理美国STEM教育的内涵演变，了解美国STEM教育的发展概况，从三个层面探索美国STEM教育的实施路径：国家制定STEM政策，各组织制定课程标准；各州制定STEM框架与量规，建设STEM网络平台；各学校探索STEM教学方法。

关键词：美国；STEM教育；内涵；标准

一、STEM教育的内涵

STEM这一术语最初是由美国国家科学基金会提出的Science，Mathematics， Engineering and Technology（SMET）发展而来。2000年后，SMET转变为STEM（Science，Technology，Engineering and Mathematics）。自从STEM术语得到官方认定后，科学、技术、工程和数学四门学科就用STEM这一缩略语表示。然而，美国关于STEM教育到底包含哪些科目存在分歧。例如，国家科学基金会把社会科学包含在STEM教育中，其2015年发布的《STEM教育法》把计算机科学也包含在内。进入21 世纪，弗吉尼亚理工大学学者亚克门（Yakman）把“艺术”（Art）作为重要的人文因素与STEM 相融合，从而产生了STEAM[1]。基于文献的整理分析，笔者认为在看待STEM教育时，其既可以是分科的，又可以是整合的，也可以是拓展延伸的。

（一）科学、技术、工程和数学的内涵

科学是对自然世界的研究，包括与物理、化学和生物学有关的自然法则以及与这些学科相关的事实、原理、概念或惯例的处理和应用。科学既是一段时间积累的知识体系，也是通过科学探究产生新知识的过程。[2]

技术在严格意义上虽不是一门学科，但它包括创建和操作技术工艺品以及手工艺品本身的人类和组织系统、知识、流程和设备[3]。总的来说，技术通过改善自然环境满足人类需求，它是一种认识世界、改造世界的工具。技术领域的核心概念有系统（system），资源（resource），需要（requirement），优化与权衡（optimization and trade-off），程序（process），控制（control）。[4]

工程既是关于人造产品设计和创造的知识体系，也是解决问题的过程，该过程是在约束下设计的。工程设计中的约束包括自然法则或科学、时间、资金、可用材料、人体工程学、环境法规、可制造性和可维修性[5]。K-12工程教育强调：工程设计的原则，恰当地使用数学、科学和技术知识，促进工程思维习惯（包括系统性、创造性、积极、合作、交流、伦理）的养成。

数学是对数、数量和空间之间的模式和关系的研究。在要求经验证据支持或推翻论断的情况下，数学需要通过基于假设的逻辑论证予以支持。数学知识不断增长，但不会被推翻，除非基础假设被转化。K-12数学教育的具体概念包括数字、算术、代数、函数、几何、统计和概率。

（二）整合的STEM教育内涵及整合方式

1.整合的STEM教育内涵

对于整合的STEM教育（Integrated STEM Education）的内涵，不同的学者持有不同的看法。从四门学科的整合形式上看，桑德斯（Sanders）将整合的STEM教育描述为“在两个或更多STEM学科之间或STEM科目与一个或多个其他学科之间探究教学和学习的方法”[6]。莫尔（Moore）等人将整合的STEM教育定义为“将科学、技术、工程和数学四个学科中的部分或全部纳入基于学科和现实世界问题之间的一個单元或课程中”[7]。托德·凯利（Todd Kelley）和 J·杰夫诺尔斯（J. Geoff Knowles）认为，整合的STEM教育是教授两个或多个STEM领域的内容，在真实的情境中进行STEM实践以连接各门学科，提高学生的学习效果。[8]

2.整合方式

STEM教育主要有三种整合方式：内容整合（Content Integration）、辅助式整合（Supporting Content Integration）、情境整合（Context Integration）。其中，内容整合是指教师围绕某个涉及多方领域的大概念（Big Ideas）来设计教学活动或单元，从而融合多门学科内容；辅助式整合是指教师设计的教学活动或单元涵盖两门以上学科，把其中一门预设为主要学科，其他学科用于辅助主要学科的学习；情境整合是指以一门学科的内容为核心目标，教师利用其他领域的现实问题情境推动核心内容的学习[9]。STEM教育的整合强调学科之间联系的建立，深层次的知识学习，真实的情境以及学以致用。

二、STEM教育的实施概况

（一）国家层面

1.联邦政府、国会等发布相关政策和研究报告

1986年，美国国家科学委员会发布《本科数学、科学与工程教育》报告，指出当时美国本科生的数学、科学和工程教育质量不高，面临诸多挑战，其中工程学科是最为薄弱的。发布这份报告旨在提出本科数学、科学和工程教育中存在的问题并改善这种不良状况。经过十年的发展，美国国家科学基金会于1996年发布《塑造未来：本科教育振兴策略》报告，对过去十年的STEM教育进行回顾与总结，并规划未来的教育发展构想。2007年，美国联邦教育部发布了《学术竞争力委员会报告》，提出各阶段STEM教育的具体培养目标和量规。2010年，美国总统行政办公室和总统科技顾问委员会发布了《准备与激励：美国K-12未来的科学、技术、工程和数学教育》报告，对STEM教育发展提出7条优先发展建议。2013年，国家科学技术委员会发布了《联邦STEM教育五年战略规划》，为STEM教育发展规划实施路线图，横向上从行动（action）、结果（outcome）、量规（metric）三个层面，纵向上从近期（1～2年）、中期（3～4年）、长期（4年以上）三个时间段描述了STEM教育的五大优先投资领域。2016年，美国联邦教育部联合美国研究所发布《STEM 2026：STEM教育创新愿景》报告，提出了美国STEM教育未来发展的六大愿景以及实现这些愿景所面临的八大挑战。

2.各组织积极制定课程标准

在实施STEM教育的过程中，美国国会、行政机构、国家科学基金会、相关咨询机构等都是STEM教育的积极参与者。2007年，美国国家技术教育协会发布《技术素养标准》，旨在培养学生的技术素养，使其具备21世纪技能，将技术与工程和科学进行融合，帮助学生发现学科之间的联系，打破学科之间的壁垒。2010年，美国州长协会最佳实践中心、州首席教育官员理事会等民间组织自发组织制定了《数学州共同核心标准》，共同标准的制定有利于各州实施数学教育，标准中提出了8个教学实践，充分体现了将科学与数学相结合的思想。同年，美国国家研究院发布《K-12工程教育标准？》（Standards for K-12 Engineering Education？），这份报告主要探讨工程教育是否应该成为中小学的一门独立学科，经过反复的研究，最终放弃将工程教育作为中小学的一门单独学科，这也是报告名称中有问号的原因所在。报告强调培养学生的工程思维，强调大概念的学习，将工程与数学、科学技术相融合，培养学生的创新思维和问题解决能力。2012年，美国国家研究委员会发布《K-12科学教育框架：实践、跨领域概念和核心概念》，该报告强调科学与工程两门学科的整合，二者的结合充分体现了跨领域的内容融合。2013年，美国国家研究委员会发布《下一代科学标准》，强调科学与工程技术和数学的整合。

（二）各州层面

1.各州制定STEM教育框架及量规

美国STEM教育的具体实施框架是自上而下与自下而上相互结合的。联邦政府层面发布政策和报告，作为指导STEM教育发展的“风向标”，各州积极探索符合州STEM教育发展规律的实践框架。威斯康星州、印第安纳州、北卡罗来纳州、纽约州等都制定了STEM教育框架，旨在指导各州开展STEM人才培养。例如，印第安纳州制定了STEM教育实施量规，从基础建设、教学指导、课程、拓展学习四个方面描绘了印第安纳州的STEM教育图景，并将其分成初期实施（Initial Implementation）、发展实施（Developing Implementation）、形成实施（Approaching Implementation）、全面实施（Full Implementation）四个阶段。其STEM教育框架如表1所示。

2.STEM教育资源共享网络建设

美国除了在正规教育中开展STEM教育，特别是通过建设可共享的网络资源，在非正规教育中也积极推广STEM教育。多个州都运行了STEMx网络（http：//www.stemx.us/resources/），该网络面向中小学和大学，通过传播高质量的STEM教育策略、项目、视频等资源，以提高学生STEM成绩，使其具备创新意识。各州可以依据该平台建设具有本州特色的STEM教育。

（三）学校层面

1.将基于项目的学习运用于STEM教学中

基于项目的学习（Project-based Learning）这一教学概念尝试将学生培养成为积极的学习者，在项目中积极获取必要的知识以解决问题，而不是成为消极接受二手知识的学习者[11]。基于项目的STEM 学习有两个本质特征[12]：一是模糊的任务，该任务被置于丰富的情境下，同时具有明确的目标，要求学生解决若干问题，通过学生完整的作品展示考量其对STEM各学科知识的掌握情况；二是明确的结果，通过跨学科整合帮助学生建立高阶思维技能，促使其了解不同学科领域之间的联系。

以美国和谐公立学校为例，该校将基于项目的学习方法运用于STEM教育中，形成了“STEM学生登台秀”模式（STEM Students on the Stage）[13]。该模式的目标是“在基于项目的学习扩展学生知识面的过程中，持续关注以学生为中心的规范教学方法”。该模式共有三级项目：Ⅰ级项目、Ⅱ级项目、Ⅲ级项目，难易程度由低到高。其中，Ⅰ级项目关于各核心科目，如数学、科学、社会研究等；Ⅱ级项目关于跨学科项目，以科学或数学为主；Ⅲ级项目是为那些喜欢创造、想要自主研究、开发产品的学生设立的。这些项目都是跨学科的项目，每一步都需要技术整合以最终完成项目。该模式的教学过程分为两部分，第一部分是教师主导的教学，教师主要负责讲解概念，带领学生开展动手活动、小组合作等；第二部分是学生项目，是教学过程的重中之重，学生是课堂的主人，教师是辅助者。

2.將基于问题的学习运用于STEM教学中

基于问题的学习（Problem-based Learning）始于引入一个真实世界的问题，这个问题为后续教学活动打下基础[14]。基于问题的学习的前提是学生具备相关的知识储备，以便其更好地理解文本，为进一步学习打下基础，同时学生要对真实世界的问题感兴趣，产生探究的欲望。基于问题的学习以建构主义的学习模型为基础，由四部分组成：可能产生多种问题假设和多种问题解决方法；以学生学习为中心，学生决定他们的学习内容并找到适切的信息资源；教师是促进者或指导者；真实世界的问题[15]。基于问题的STEM学习，以真实问题为导向，让学生主动探究问题，最终解决问题。

以《化学连接：基于问题的学习，STEM经验》（Chemical Connections： A Problem-based Learning，STEM Experience）[16]课程为例，教师采用基于问题的学习方法，以生活中的真实问题导入：“大家通过标签，看看你的衬衫是哪里生产的？”然后，教师引导学生探究问题，向学生介绍任务，基于学生原有的知识和经验，提出研究问题。最后，教师组织学生总结学习内容，展示学习成果，并进行反思。在这一过程中，教师需要指导学生撰写及完善探究报告，帮助学生反思解决问题的过程中哪些地方是有效的，哪些地方是需要改进的，以便迁移到后续需要解决的问题中。

参考文献：

[1]崔鸿，朱家华，张秀红.基于项目的STEAM学习探析：核心素养的视角[J].华东师范大学学报（教育科学版），2017（4）：54-61.

[2][3][5]Committee on Integrated STEM Education. STEM Integration in K-12 Education： Status， Prospects， and an Agenda for Research[EB/OL]. https：//www.nap.edu/download/18612， 2018-04-13.

[4]International Technology and Engineering Education Association.Standards for Technological Literacy：Content for the Study of Technology[EB/OL]. https：//www.iteea.org/File.aspx？id=67767&v=691d2353， 2018-04-13.

[6]Sanders， M. STEM， STEM Education， STEM Mania[J].The Technology Teacher，2009，68（4）：20-26.

[7]Moore， T.， Stohlmann， M.， Wang， H.， Tank， K.， Glancy， A.， &Roehrig， G.Engineering in Pre-College Settings：Synthesizing Research， Policy， and Practices[M]. West Lafayette：Purdue Press，2014：35-60.

[8]Todd R. Kelley，J. Geoff Knowles. A Conceptual Framework for Integrated STEM Education[EB/OL].https：//link.springer.com/article/10.1186/s40594-016-0046-z，2019-02-20.

[9]杨亚平，陈晨.美国中小学整合性STEM教学实践的研究[J].外国中小学教育，2016（5）：58-64.

[10]Indianas Department of Education .Indianas Department of Education STEM Education Implementation Rubric[EB/OL].https：//www.doe.in.gov/sites/default/files/wf-stem/stem implementation-rubric.pdf，2018-06-21.

[11]John W. Thomas. A Review of Research on Project-based Learning[EB/OL]. http：//www.bie.org/images/uploads/general/9d06758fd346969cb63653d00 dca55c0.pdf，2017-06-13.

[12][美]罗伯特·M·卡普拉罗，玛丽·玛格丽特·卡普拉罗，詹姆斯·R·摩根.基于项目的STEM学习：一种整合科学、技术、工程和数学的学习方式[M]. 王雪华，屈梅.译.上海：上海科技教育出版社，2016：7.

[13]Alpaslan Sahin，Namik Top.STEM Students on the Stage（SOS）： Promoting Student Voice and Choice in STEM Education Through an Interdisciplinary， Standards-focused， Project Based Learning Approach[J]. Journal of STEM Education，2015（3）：24-33.

[14][16]Amy Abbott.Chemical Connections： A Ppoblem-based Learing， STEM Experience[J].Science Scope，2016，3（1）：34.

[15]Howard Barrows.Is it Truly Possible to Have Such a Thing as PBL？[J]. Distance Education， 2002，23（1）： 119-122.

編辑 朱婷婷 校对 许方舟