STEM教育的特征分析及对我国的启示—以北卡罗来纳州数学和科学学校为例

时文静 徐 力

STEM是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、数学(Mathematics)4门学科英文首字母的缩写。STEM教育在美国发展至今已经30多年，近年来世界各国也逐渐关注STEM教育、开展STEM教育，但总体而言，美国的STEM教育发展较为成熟，STEM学校建设较好。因此，分析美国STEM学校的对我国的STEM教育的发展具有借鉴意义。

一、STEM教育的发展

1.美国STEM教育

STEM教育源自美国，STEM教育的提出除了源于军事和经济安全的国家目标之外，还要保持国家的竞争地位，几乎所有创新和职业领域都与STEM知识和技能密不可分，美国联邦、州和地方政府需要更多的STEM专家推动创新，以维持该国在全球经济中的竞争地位。此外，美国中小学生的数学和科学水平较低，在国际数学与科学评测趋势(TIMSS，4年一次)中，美国中小学生在数学和科学方面的表现处于国际低水平，美国的排名落后于很多国家。自此之后美国推出了近20项政府报告和政策发展STEM教育，加强STEM教育。2006年发布“美国竞争力计划”，提出培养具有STEM素养的人才是全球竞争力的关键。2010年颁布“变革方程”教育计划，利用商界的力量促进STEM公益教育事业、激励青少年学习STEM以及鼓励教育改革[1]。2013年颁布《STEM教育五年战略计划》，2017年签署的总统备忘录中也指出每年至少投资2亿美元用于STEM教育项目，提供高质量的STEM和计算机科学及编程课程，培养儿童的STEM知识和技能，以此促进STEM教育的发展。

2.中国STEM教育

我国开展STEM教育时间较晚，国内关于STEM教育的研究最早可以追溯到2008年陈超等发表的《美国的世界一流大学战略与启示》，在该文中简要提及“美国竞争力计划”，强调通过实施STEM教育战略提高美国的竞争力，但没有具体剖析STEM教育概念及内涵[2]。之后从2008—2012年，我国STEM教育研究一直处于起步阶段，论文发表量总数不超过10篇，且大多是对国外STEM教育政策和发展脉络的梳理与解读。2013—2018年，论文发表量逐年攀升，尤其是近三年，STEM教育研究已然成为国内教育研究的热点[3]。

常咏梅等学者以2011—2016年来源于CSSCI期刊的57篇STEM文献(硕博论文12篇，期刊论文45篇)分析出我国当前的STEM研究现状：(1)我国STEM教育的研究热点是关于STEM教育的教育政策、学科整合、美国STEM教育、与创客教育的联系的研究；(2)STEM教师、人才培养、项目学习、教学实践等领域有待进一步研究与探讨[4]。因此，为了更好地发展我国的STEM教育，笔者以美国一所较为成功实施STEM教育的学校—北卡罗来纳州数学和科学学校(North Carolina School of Science and Mathematics, 简称 NCSSM)为例，通过研究它的课程设置探究STEM教育的本质并从中获得成功的经验，期望能为我国STEM教育的发展提供启示与借鉴。

二、NCSSM的STEM教育

美国的STEM教育学校大致分为4种类型：分别是STEM精英学校、STEM全纳学校、STEM职业技术学校、STEM综合学校。美国STEM精英学校大概有4种类型，分别是：寄宿制学校、独立学校、校中校、半日制课程学习中心。STEM精英学校是围绕一个或者多个STEM学科开展教学活动的学校，学校致力于为学生提供能获得STEM文凭的、高质量的STEM职业教育，为此，整合多方面的资源支持学生的学习，其中包括优秀的师资、完善的课程体系、专业的实验设备、科学家的指导和一些有助于专业发展的辅助项目。NCSSM是一所寄宿制STEM精英学校，它的核心课程观是培养学生探索性的世界观和创新能力。

NCSSM的STEM学科课程设置涵盖了工程、技术、数学和科学，覆盖全面，甚至还有丰富的人文类课程。此外学校还提供免费的互动视频会议课程(IVC)、AP项目、夏季加速课程(summer accelerator)、各种选修课供学生选择，课程种类丰富，学生可以根据自己的兴趣和实际情况选择课程。通过对NCSSM学校的课程设置分析出以下4点STEM教育的本质特征。

1.跨学科性

与传统分科教学不同，STEM教育强调将原本分散的科学、技术、工程、数学这4门学科内容自然组合形成整体，具有跨学科性。跨学科意味着教育工作者在STEM教育中，不再将重点放在某个特定学科或者过于关注学科界限，而是将重心放在特定问题上，强调利用科学、技术、工程或数学等学科相互关联的知识解决问题，实现跨越学科界限、从多学科知识综合应用的角度提高学生解决实际问题的能力的教育目标[5]。

NCSSM有许多研究性课程，这些课程涉及生物学、化学、物理、工程学和人文学科(如图1所示)。课程时长跨越1～3个月。例如，NCSSM的暑期研究计划中的“生态学：杜克湿地中心”“使用天然染料提取物制造太阳能电池”“野生食物的营养”等研究课题需要学生综合运用各个学科的知识，单一的学科知识无法支撑学生完成整个研究计划。

图1 2018—2019年NCSSM在线课程图[6]

2.情境性

STEM教育具有情境性特征，它强调将知识应用于生活，解决生活中真实存在的问题，培养解决问题的能力。NCSSM认为通过核心课程为学生营造一个真实的学习情景十分重要，因此在设置学习情境时会考虑选择学生生活所遇到的问题，具有鲜明的生活性特征，而从现实生活中寻找素材，也就意味着学习情境具有真实性[7]。现实世界中的诸多问题，例如生态失衡、环境污染、资源短缺等，这些都是最自然的STEM学科的组合，均可以成为STEM教育的素材。这种学习环境有利于吸引学生的注意力，激发学生的兴趣，并提高学生对社会问题的关注度。NCSSM开设了种类丰富的选修课，例如Honors Energy and Sustainability，该课程向学生介绍全球可持续发展的重要领域，要求学生对科学、工程、经济学中可持续性的、相关联的主题进行多学科研究，探讨人类社会面对的全球变化、生态系统退化和全球资源限制等一系列问题。

3.实践性

STEM教育强调做中学，在实践中应用所学的知识解决实际存在的问题。NCSSM提供了许多实践性课程，参与夏季研究与创新计划的学生将与校园内的NCSSM教员或校外志愿导师一起工作，在夏季的2～5周内全天工作，学生可以参与独立或正在进行的项目。这些项目可以培养个人和专业技能，学生以演讲的形式汇报计划的结果，这种方式不仅可以展示学生项目中的发现，还可以促进学生的发展和成长。此外，通过学生服务部门，学生必须在高年级之前为北卡罗来纳州的非营利组织提供60小时的服务学习。每个学生还需要每周进行3个小时的校园服务，暑期服务计划允许学生以各种方式回馈家庭社区，这些方式可以满足个人激情、爱好、兴趣和可能的职业。无论这是首次志愿者体验还是以前志愿服务的延续，学生都有机会进行个人成长，并在志愿服务中培养持久的兴趣和承诺。

4.协作性

NCSSM的许多课程以项目的形式开展，学生需要以小组为单位，开展研究课题，在这过程中相互帮助、启发、交流讨论，也要做到合理分工，因此协作性是非常重要的。NCSSM会为学生提供专业指导教师，在项目进行过程中给予学生一定的帮助。此外通过双向视频会议，学生可以与项目团队合作，与全州其他学校的学生进行全班讨论。NCSSM教师实时监控课程，评估学生的学习情况，确保学生参与课程材料并相互学习。

三、对中国STEM教育的启示

NCSSM作为美国一所比较成功的STEM教育学校，成功并非偶然，它的课程定位、校园环境、专业的教师、丰富的实践活动为每一位学生提供独特的学习体验，我国在开展STEM教育过程中，可以学习以下几点。

1.发挥学生主导作用

纵观NCSSM学校的STEM课程，学生是学习的主体并主导整个项目的研究和实施。NCSSM给学生提供了广阔的发展空间和选择空间，例如比赛、实践活动、志愿活动、在线课程等，学生可以自主选择感兴趣的活动或者研究性课题，教师在这过程中扮演一个辅助者的角色，给予学生指导、建议和可供选择的帮助，而不是给出指令，学生根据教师的指示完成项目，因此无论是选择项目还是选择合作伙伴，学生都有主导权和选择权。这种丰富多彩的校园活动也给学生带来更多体验的机会，学校提供的帮助也让学生能够更加深入地探索感兴趣的领域，很多学生对于未来的职业选择都和学生时代参与的活动有密切的联系。

2.联合各方资源

NCSSM充分利用了家长和社会等各种资源，并进行合理的运用。近40年来，NCSSM基金会一直支持NCSSM有才华的学生参加在线和远程教育课程的学术学习；NCSSM校友会重点在志愿服务，并捐赠资金；家长委员会协会通过为家长组织志愿服务的机会支持学校活动；学生政府会与管理人员合作，为学生建立更具支持性的学术环境，更强大的社会社区和更健康的心理生活。除了活动主办和俱乐部资助外，还有专门用于影响学生团体的特殊举措和项目的预算，这些社会资源极大地帮助了NCSSM的学生，为其提供了优质的教育资源和广阔的发挥空间，让学生全方面发展。

3.专业师资

NCSSM的教师是各自领域的技能娴熟的教师和领导者，拥有多年的数学，科学和人文学科经验。教师致力于设计每个学生的学习体验，并将他们的专业经验带到课堂，为每个学生拓宽经验。NCSSM的成功与优质的师资条件密不可分，教学经验和技能娴熟的教师在教学过程中对于学生的影响是巨大的，而NCSSM的教师为NCSSM培养的许多优秀的学生，未来就是STEM领域中的优秀人才。

四、结语

我国目前的STEM教育处于起步阶段，缺乏系统的课程设计，也没有相关专业的教育人员。NCSSM的成功之处我们可以借鉴学习，但是在学习的过程中不可生搬硬套，要将它本土化、中国化，例如将项目与中国的传统文化相结合，学生既能通过项目学习、发扬我国的传统文化，又能通过项目锻炼自己的能力。笔者希望通过对美国NCSSM的案例分析为我国开展STEM教育提供一些启示，促进STEM教育的健康发展。