STEM教育研究发展的现状和趋势：解读美国STEM教育研究项目

王 科，李业平，肖 煜



STEM教育研究发展的现状和趋势：解读美国STEM教育研究项目

王 科，李业平，肖 煜

（德克萨斯农工大学 教学与文化系，德克萨斯州 77843，美国）

美国是STEM教育研究的领跑者，探究美国STEM教育研究发展的现状和趋势，可为中国STEM教育研究与实践提供参考．采用内容分析法对美国STEM教育研究项目进行编码，探究这些研究项目的发展现状与趋势．研究发现，STEM教育研究项目的资助金额高、年限短，聚焦开发创新类的项目，多元化地资助STEM教育研究，特别重视以信息技术为媒介开展融入STEM教育研究．整体上来说，项目数量、资助金额以及合作项目都呈现递增趋势．研究启示：中国可结合当前教育现状更有效地采用多元化、合作化、信息化地推进STEM教育研究．

美国STEM教育；STEM研究项目；特征与趋势

1 引言

21世纪科技的竞争是STEM人才的竞争；人才的培养与教育是推动国家发展的内动力，为国家发展提供充足的人才保障．因此，STEM人才的教育也随之成为了世界性的热点话题．世界各国在快速发展的同时，也在大力推动STEM教育的发展．中国作为全球经济增长最快的国家之一，也非常重视STEM教育．中国正在积极地加强STEM教育．2016年教育部颁布了《教育信息化“十三五”规划》，并明确提出有条件的地区要积极探索信息技术在跨学科学习（STEAM教育）中的应用（教育部[1]，2016）．2017年，中国教育科学研究院发布了“中国STEM教育白皮书”，并在书中提到，STEM教育已经被纳入国家战略发展政策．2017版的《义务教育小学科学课程标准》倡导跨学科学习方式，建议教师在教学实践中尝试STEM教育．然而，中国STEM教育面临着六大问题与挑战，其中之一就是缺少国家级项目的示范引领，包括课程开发、教师培训、评估标准等方面（白皮书[2]，2017）．国家级STEM教育研究项目可以为STEM教育研究者的研究方向提供重要的参考作用，可以帮助他们了解STEM教育研究的前沿．因此文章将聚焦分析美国的有关STEM教育研究项目的特征，为中国STEM教育研究者提供第一手资料，了解美国STEM教育研究的发展，并为规划申请研究项目，进行STEM教育实践提供参考．

该研究通过分析受美国联邦教育科学研究院（Institute of Education Sciences，简称IES）资助的有关STEM教育研究的项目特征与趋势，即分析这些受资助项目的基本信息、研究对象、研究内容、研究设计以及研究方法等方面，总结研究特征趋势，分析研究方向．具体来说有以下两个研究问题：（1）受资助的STEM教育研究项目的项目特征是什么？（2）受资助的STEM教育研究项目的特征趋势是什么？

2 研究背景

美国作为头号经济与科技大国，尤为重视人才的培养与建设．在21世纪之初，美国国家科学基金会正式将科学、数学、工程和技术教育更名为STEM教育，美国是最早提出STEM教育的国家，并一直致力于推进STEM教育研究与发展（Li[3–4]，2014、2018），为美国持续引领世界科技的发展而努力．

2007年，美国国家科学院的“风暴愈演愈烈”（Rising Above the Gathering Storm）的报告中论述到，美国的经济、军事和文化的优势依赖于持续的科学和技术工程的领先．美国迫切需要采取一个行动来维持这些优势．其中最重要的行动建议是通过大幅提升中小学科学和数学教育质量来填充美国人才库（Committee on Prospering in the Global Economy of the 21st Century[5]，2007）．在过去的十多年以来，美国一如既往地推进STEM教育．前美国总统乔治·沃克·布什、奥巴马以及现任总统特朗普都在强调STEM教育对美国发展的重要性，并通过不同方式来促进STEM教育研究的发展．美国国家研究委员会（The National Research Council，简称NRC）发布公告称（NRC[6–7]，2011、2012），未来STEM人才需求强劲，然而STEM专业人才的供给严重不足，为此，美国需要大力推进STEM教育研究与发展．2018年12月，美国白宫国家科学与技术委员会（National Science & Technology Council）下属的STEM教育委员会（Committee on STEM Education）出了一份报告，“制定成功之路：美国STEM教育战略”，报告中指出，美国今天的经济繁荣和国家安全更加依赖于持续的科技创新能力．美国国家创新的根基比以往任何时候都更加依赖于STEM教育．跨部门合作的共同目标之一就是打造一个STEM生态系统，为所有美国人提供一个终身的、高质量的STEM教育服务．每一个通过这个教育系统的人都可以获得基本的STEM素养，从而为美国继续以先进科技引领世界发展提供一支多样化的劳动力大军（Committee on STEM Education[8]，2018）．此外，美国正在切实落实政策的实施．例如特朗普总统曾于2017年6月签署了一份总统备忘录，指示教育部将STEM和计算机科学教育作为重中之重，并计划为其每年至少投入2亿美元的拨款（White House[9]，2017）．2018年，美国教育部实际上为STEM教育项目拨款2.79亿美元（White House[10]，2018）．

美国联邦教育科学研究院（IES）创立于2002年，是美国教育部的一个主要的统计、研究和评估部门．该院主要开展以下6项工作：（1）提供美国如何教育学生的数据；（2）调查和资助研究项目，从而改进和提高教育；（3）资助开发与测试提高全体学生教育成绩的新方法；（4）大规模评估联邦教育计划和政策；（5）为增加在教育决策中使用数据和研究而提供资源；（6）支持通过专门培训和制定方法和措施促进统计和研究（IES[11]，2019）．研究者通过美国联邦教育科学研究院的官方网站查看并搜索与STEM相关的研究项目．网站上通常会给出一些项目的基本信息：如年份、资助金额、受资助单位、项目负责人、资助年限、项目类型和项目简介等．具体的项目介绍参见附录2．这里将根据项目信息建立编码框架，再对项目进行编码和分析统计，最后回答研究问题．

3 研究方法

3.1 样本筛选

该研究所选择的有关STEM教育的研究项目均受美国教育科学研究院资助，并且这里给出了STEM教育研究项目的判断标准，即符合下面任何一个条件即可：（1）项目的标题中含有“STEM”；（2）项目的说明中含有“STEM”．具体筛选过程如下：首先研究者打开美国联邦教育科学研究院的官方网页并进入“资助机会—搜索已资助的研究拨款与合同”页面（Funding Opportunity-Search Funded Research Grants and Contracts）．接下来，在搜索关键词栏目中输入“STEM”，同时选择了“题目”（title）以及“简介”（description）．在附加搜索选项中选择“拨款”（grants）和“合同”（contracts），其它选择项都是“搜索全部”（search all）．搜索发现79个受资助的项目．由于搜索关键词是“STEM”，因此搜索结果中会包括一些不是STEM教育的项目，如资助项目的题目中含有单词“system”，也包含了“STEM”，因此这些项目需要剔除．此外，有的项目在介绍的最后包含了一些发表的文章参考文献，如附录1中的“CROMLEY J G, PEREZ T, KAPLAN A. Undergraduate STEM achievement and retention cognitive, motivational, and institutional factors and solutions. Policy Insights from the Behavioral and Brain Sciences, 2016, 3 (1): 4–11.”但是，项目标题和简介中并没有“STEM”，像这样的项目也需要剔除．经过这样的筛选过程后，研究者最终找到46个由项目研究者自己标定的STEM教育研究项目（从2007—2018年），作为文章的研究对象．

3.2 编码框架

根据研究的问题，在王科、Kuo Li-Jen、Li Ye-ping和Davis Trina[12]（2017）的编码框架的基础上修改而成．新的框架包括项目的基本信息（见表1）、研究对象、研究内容、研究设计以及研究方法5个维度．新的编码框架仍然包含5个维度：（1）项目的基本信息；（2）研究对象；（3）研究内容；（4）研究设计；（5）研究方法．首先，项目的基本信息来自于项目简介中给出的基本信息，包括标题、负责人、机构、资助额以及资助年限等．其次，新的框架中包括了4类研究对象：学前班到小学、初中、高中以及成年人．再次，对于研究内容的分类，根据STEM融入的情况将其分为5类：STEM中的一科、两科、三科、四科，以及STEM和另外其它科目．此外，研究设计类型包括4大类：实验研究（有实验组和控制组的研究）、纵向研究、相关性研究以及干预性研究（使用新材料、新方法的教学研究，且无控制组的研究）．研究方法则主要包括数据类型与数据分析方法．数据类型包括质性数据（访谈和观察）和量化数据（问卷、开发的测评以及标准化测评工具）．数据分析包含各种分析策略，如描述性统计、方差分析（ANOVA）、多层线性模型分析（HLM）、逻辑回归分析（logistic regression）以及结构项目反应理论模型（IRT）等，具体的编码框架见表1．

对于研究问题的解答，首先，对所筛选的STEM教育研究项目按照所建立的新框架进行编码，并分析编码总结出STEM教育研究项目在这5个维度的特征来解决第一个研究问题；其次，通过分析这5个维度在年度水平上的分布来分析项目发展趋势，从而回答文章的第二个问题．

3.3 编码说明

首先，根据项目简介直接录入项目的基本信息．其次，根据项目简介中的样本信息，对研究对象进行编码．同样，对于研究内容的编码，可查看标题和项目研究的摘要，从而可以判断出此项目是融合的STEM教育还是STEM其中的一个科目或两个及两个以上科目的融合研究等．再次，对于研究设计来说，编码者需要认真阅读项目介绍，如项目摘要中提到“干预（intervention）和控制条件（control condition）”即可判断此研究为干预性研究，如果“控制条件”中提到了实验组和控制组，那么此研究也属于实验性研究．最后，对研究方法的编码，编码者主要是根据项目说明信息来编码数据类型和数据分析策略．如附录2中的“结构式摘要”部分的“关键测量”中提到了数据类型，以及在“数据分析测量”中提到分析方法．如下所示，研究者使用斜体来凸显其中的关键词：“测量包括课程考试和期末成绩．此外，研究小组还将收集数据来说明取得补充材料的范围和取得补充材料的时间（例如，一节课的录像带被访问的次数）．研究人员还将使用问卷来评估自我效能感、网关课程的价值和感知成本的变化．”“研究人员将使用二次分析来测试动机和解决问题的技能是否会调节条件的影响；所有这些将通过路径分析进行检验．”

根据已建立编码框架，作者中的两位分别对每个项目简介进行编码，然后对所有的编码进行一致性分析，发现一致性达到84.8%．最后，3位研究者对其中不一致的编码进行讨论，并最终确定编码．编码过程中采用了Excel进行录入，并采用频数进行最后的分析统计．

表1 编码分类与说明

注：项目基本信息包括项目的标题、类别、负责人、负责人所在机构、开始年份、资助年数、资助额以及项目的研究目标类别．

4 研究结果

分析了46个受资助的STEM教育研究项目，从基本信息、研究对象、研究内容、研究设计以及研究方法5个方面来分析总结STEM教育项目的特征，然后根据这些特征在年度上的分布来总结STEM教育项目的发展趋势．根据研究问题、研究结果从项目特征与项目发展趋势两个方面来展示．

4.1 STEM教育研究项目特征

4.1.1 项目基本信息

项目名称：在2007—2018年之间，总共有46个项目分布．18个项目名称中包括“STEM”单词；28个项目名称中不包含“STEM”，但是项目摘要中包含“STEM”单词．

项目来源的类型：如表2所示，46个STEM教育研究项目共来自14个项目类，其中认识与学生学习类的项目占21.7%，小型企业创新研究类的项目（包括特殊教育）占32.7%，高等教育和成人教育的项目类占13.0%．整体上来说，项目来源呈现多样化趋势，即很多项目类型都在支持STEM教育研究的发展，尤其是小型企业创新研究项目类特别支持STEM教育研究．

在46个项目中，有21个项目只有一位项目负责人．剩下的25个有两位或两位以上的项目负责人．46个项目中有41位第一项目负责人．其中来自参数工作室（Parametric Studios）的Christopher Whitmer、来自西南教育发展公司（Southwest Educational Development Corporation）的Melissa Dodson以及来自未来工程师（Future Engineers）的Deanne Belle都有两个STEM教育项目；来自伊利诺伊大学香槟分校的Jennifer Cromley有3个STEM教育项目．

表2 项目来源的类别

项目运行机构：41家机构管理运行着46个项目，其中有17家非大学机构与24家大学机构．负责管理一个、两个、3个项目的机构分别有37家、3家和1家．伊利诺伊大学香槟分校是获得资助项目最多的机构，有3个项目；参数工作室、西南教育发展公司以及未来工程师3家机构都有两个STEM教育项目．

项目目标：根据项目申请书中的信息，共有8种项目研究目标类型：发展与创新（15.2%，=7），效能与复制（8.7%，=4），探索（30.4%，=14），测量（4.3%，=2），开发（28.3%，=13），研究者与实践者伙伴关系（2.1%，=1），培训（2.1%，=1），以及其它（8.7%，=4）．其中发展与创新、探索以及开发类的STEM教育项目占总体的73.9%，其余的项目则分布在其它不同的研究目的中．

资助年份与时间：在过去的11年中，平均每年受美国教育科学研究院资助的项目约4个，过去的5年每年都不少于5个．在46个STEM项目中，有4个资助时间半年的项目；15个两年的项目，4个两年半的项目，6个3年的项目，16个4年项目，1个5年项目，平均每个项目的资助时间是2.8年（=1.15）．两年和4年的项目占总项目的67%．

资助金额：受资助的项目总金额超过5 180万美元，每个项目平均资助金额达到113万美元．其中50万以下的项目占19.6%；50万~100万美元的项目占28.3%；100万~150万美元的项目占37%（详见表3）．

表3 项目资助金额区间分布

从项目的基本信息来看，STEM教育项目中近三分之二的项目名称中并没有包含“STEM”；STEM项目来源多达14类并且项目运行机构分散，项目目标主要集中在开发、探索、发展与创新．资助年限少于3年，项目平均金额大于百万．

4.1.2 受资助项目的研究对象

统计发现46个受资助项目的研究对象没有明显的特征，主要分布在4个类别：13个小学阶段（28%），18个初中阶段（39%），14个高中阶段（30%），18个成年阶段（39%）．小学类别中有5个项目的研究对象聚焦学前儿童的研究，此外，成年人的类别中有5个项目的研究对象包括在职教师．在图5中，有些项目的研究对象包括几个年级段，因此，有14个项目的研究对象包括两类，占全部项目的35%；有两个项目的研究对象包括3类，占全部项目的4%．

4.1.3 受资助项目的研究内容

STEM研究项目的研究内容包括STEM中的一门或多门，多门则是研究STEM教育的融合或与STEM相关，如对STEM专业的兴趣，STEM研究的模式探究．因此，分别统计了这些项目的融入情况．统计发现，受资助的46个项目的研究内容，相对比较集中于科学与计算机两个科目，分别有14个项目包括科学学科和25个项目包括信息技术学科；其次关注工程的项目较少，只有5个（见图1）．同时，特别分析了25个融入信息技术的项目，发现1个项目是使用软件来编制测试题，4个是有关信息技术与工程的融入项目，5个是有关信息技术融入数学的项目，9个是有关信息技术与科学融入的项目，还有6个是有关信息技术与STEM有关的融入项目．

图1 5类研究内容分布

在46个项目中，只研究单科的项目有15个，如图2所示，其中有6个单独研究数学项目，4个单独研究科学项目，1个单独研究工程项目，1个单独研究信息技术项目，以及3个单独研究其它项目．

图2 单科分布

总的来说，在46个STEM教育研究项目中有19个包含两门学科的研究内容，5个研究信息技术融入数学，9个信息技术融入科学，4个信息技术融入工程，1个数学和科学融入项目．双科融合的项目比较多，占全部的41%（=19）．有12个项目含有STEM研究内容，其中6个是信息技术融入STEM教育研究，另外6个是有关STEM的评估、课程、能力、问题、学校以及职业．信息技术学科在所有融合的STEM教育研究项目占有很高的比重，可见信息技术在STEM教育中的地位．

4.1.4 受资助项目的研究设计方法

统计发现，在所有46个项目中，67%的项目是实验性研究（=31），78%的项目是相关性研究（=36），15%的项目是纵向研究（=7），54%的项目是干预性研究（=25）（如图3所示）．因为一个研究项目既可以是实验性研究，又可以是相关性研究和纵向研究，即一个项目可涵盖几种研究设计，所以采用4类研究方法的项目百分比总和超过100%．此外，有1个项目使用4类研究设计方法，有20个项目使用了3类研究设计方法，14个项目使用了两类研究设计方法，有7个项目使用一类研究设计方法，有4个项目不属于研究类项目，如博士后培养项目，软件开发项目等．

图3 4类研究方法分类统计

4.1.5 受资助项目的研究方法

研究方法包括数据收集方法与数据分析策略．首先，对数据收集方法进行统计，发现在46个项目中用标准化测评项目和自己开发的测评工具来收集学生数据的项目所占比例较高，分别为57%和70%．另外，质性数据的收集方法所占比例相对较低，分别是访谈类9%、问卷类30%以及观察类22%（见图4），此外计算机收集的数据所占比例为17%．在编码过程中，一个项目的研究方法通常涵盖了几类．同时，项目简介中可能没有提到具体的数据收集方法，见附录3．此外，有5个项目摘要中没有提到任何一种数据收集方法，10个项目摘要中提到一种数据收集方法，14个项目摘要中提到两类，12个项目包括了3类，5个项目包括了4类，没有项目包括5类或6类．

图4 使用6类数据收集方法的项目数分布

其次，对于数据分析策略的统计表明，有38%的受资助的项目（=13）使用HLM来分析数据，有22%的项目（=10）使用回归分析来分析数据，使用这两类方法的比例相对来说较高．此外，有15%的项目（=7）使用ANOVA和MANOVA的方法去分析数据，其余一些分析方法如描述性统计、IRT、SEM、因子分子等使用较少（见图5）．最后，有19个项目摘要中没有提供上述数据分析方法的信息，例如附录2中的样本2和3．有17个项目只提到一种方法，有2个项目提到两种方法，仅有1个项目提到使用3种方法．

图5 项目的数据分析策略分布

4.2 STEM教育研究项目特征趋势

在过去11年中，每年的受资助STEM教育研究项目数整体上呈现上升趋势．此外，有25个有关融入信息技术的项目，在整体上呈现递增趋势（如图6）．同时，有多个负责人的受资助项目在整体上也呈现递增趋势，如图7所示．从每年受资助的金额来看，整体上也呈现递增趋势（如图8所示）．然而在其它的维度上，如研究对象、研究内容、研究设计以及研究方法都没有发现明显的趋势．究其原因，可能与文章的样本数较小有关，因为样本总体是46，时间跨度是11年，年均项目为4个．

图6 STEM项目数以及融入信息技术的STEM项目数的变化趋势

图7 项目负责人的年度分布趋势

图8 年度STEM教育研究项目总金额趋势

5 讨论

基于对美国46个STEM教育研究项目的分析研究，得出美国当前STEM教育的发展特征与趋势．基于以上研究结果，研究者认为有以下几点值得中国教育研究者和教育政策制定者关注，特别对中国即将或已经在开展STEM教育实践的研究者．首先，美国正在加大STEM教育研究的投入，鼓励交叉学科研究．研究发现，STEM教育研究的项目来源类别呈现多元化趋势，即研究者可以从不同的项目类型中申请资助STEM教育研究项目．因此，中国的STEM教育更需要大量的资金投入以吸引更多跨学科的研究人员加入．同时，原来的各科分散研究的模式可以有序地向双科、多科合作探索融合STEM教育模式转变．其次，融合STEM教育的研究目前仍在探索开发阶段．文章中的STEM教育研究项目主要是以开发、探索、小型企业创新类为研究目标，所占比例超过三分之二．因此，中国的STEM教育研究正面临着一个机遇，可以从美国的STEM教育研究项目中获得大量的参考信息，从而帮助中国STEM教育研究者更好地开展STEM教育实践，并顺利跻身于世界STEM教育研究的前列．再次，融入信息技术是融合STEM教育的必要条件．这个发现为中国融合STEM教育提供了参考依据．目前中国STEM教育实践的开展主要是以信息技术教师为主来带动STEM教育实践．同时在中国目前的教育现状下，最大化地利用信息技术老师的优势来开展STEM教育实践具有优势条件（李彤彤[13]，2018），同时也能为培养新的STEM教师提供参考模式．最后，美国的研究设计以及研究方法相对比较成熟，而中国的STEM研究者可以很好地从美国成熟的研究设计和研究方法中学习到今天网络化数字时代所需的数据处理能力和更多统计分析方法．总之，在中国大力推动STEM教育的形势下，教育研究者进行更广泛的跨学科合作是推动STEM教育的研究发展的必要条件和趋势．

6 结论

美国作为世界上最先提出STEM教育的国家，在STEM教育研究方面一直是世界的领跑者．因此，文章通过分析筛选自IES的46个STEM研究项目来分析美国当前的STEM教育的最新发展特征与趋势，可以为中国的STEM教育研究发展提供参考．文章通过对项目简介的编码，总结STEM项目的特征和趋势如下：（1）受资助的46个项目分布在过去的11年中，项目数量和年资助金额整体上呈现逐年递增趋势；（2）近年来，越来越多的项目有多个项目负责人；（3）项目类别呈现多元化趋势，有14类之多，其中小型企业创新研究类的项目占了33%；（4）项目目标主要集中在探索、开发以及发展与创新3类，占总项目的73%；（5）项目的研究设计主要是实验干预性研究以及相关性研究；（6）项目的研究方法比较传统，主要采用标准化测试和项目开发测试来收集数据，应用ANOVA和多元回归分析以及HLM方法来分析量化数据并无明显的趋势特征；（7）从融合的STEM科目来看，有28%的项目的研究科目是聚焦于一个学科，如数学或科学．在融合的STEM教育项目中，基本上都有融入信息技术科目．可见，信息技术在STEM教育研究中的重要性．基于以上研究发现，研究者期望中国的教育研究者、教育政策制定者、教师教育培训者以及有关的教育机构和教育企业管理者能够透过该文章对美国的STEM研究项目的分析来了解当前美国的STEM教育研究方向和政策，从而可以为中国的STEM教育研究献计献策、添砖加瓦．

[1] 中华人民共和国教育部．教育信息化“十三五”规划[EB/OL]．（2016-06-17）[2019-03-16]．http://www.ict.edu.cn/ laws/new/n20160617_34574.shtml.

[2] 中国教育科学研究院．中国STEM教育白皮书[EB/OL]．（2017-06-20）[2019-03-16]．https://wenku.baidu.com/ view/f43a9834f68a6529647d27284b73f242326c3150.html.

[3] LI Y. International Journal of STEM Education----A platform to promote STEM education and research worldwide [J]. International Journal of STEM Education, 2014 (1): 1.

[4] LI Y. Journal for STEM Education Research----Promoting the development of interdisciplinary research in STEM education [J]. Journal for STEM Education Research, 2018, 1 (1-2): 1-6.

[5] Committee on Prospering in the Global Economy of the 21st Century. Rising above the gathering storm: Energizing and employing America for a brighter economic future [M]. Washington, DC: National Academies Press, 2007: 1-590.

[6] National Research Council. Successful K-12 STEM education: Identifying effective approaches in science, technology, engineering, and mathematics [M]. Washington, DC: National Academies Press, 2011:1-44.

[7] National Research Council. Monitoring progress toward successful K–12 STEM education: A nation advancing [M]. Washington, DC: National Academies Press, 2013: 1-56.

[8] Committee on STEM Education. Charting a course for success: America’s strategy for STEM education [EB/OL]. [2019-05-27]. https://www.whitehouse.gov/wp-content/uploads/2018/12/STEM-Education-Strategic-Plan-2018.pdf.

[9] White House. Presidential memorandum for the secretary of education [EB/OL]. (2017-09-25) [2019-05-25]. https://www.whitehouse.gov/presidential-actions/presidential-memorandum-secretary-education/

[10]  White House. President Donald J. Trump is working to ensure all Americans have access to STEM education [EB/OL]. (2018-12-04) [2019-05-12]. https://www.whitehouse.gov/briefings-statements/president-donald-j-trump-is-working- to-ensure-all-americans-have-access-to-stem-education/.

[11]  Institute of Education and Science. About IES [EB/OL]. [2019-05-20]. http://ies.ed.gov/aboutus.

[12] 王科，GUO L Z，LI Y，等．透视美国数学教育研究项目——以受美国教育科学研究院资助的数学教育项目为例[J]．数学教育学报，2017，26（2）：82-88．

[13] 李彤彤．创客式教学：面向核心素养培养的STEAM课程教学新范式[J]．中国电化教育，2018（9）：40-47．

Exploring the Status and Development Trends of STEM Education Research: The Case of IES Funded Projects on STEM Education in the U.S.

WANG Ke, LI Ye-ping, XIAO Yu

(Department of Teaching, Learning & Culture, Texas A & M University, College Station, Texas 77843, USA)

At present, all countries in the world were actively promoting the development of STEM education research, especially the United States. By analyzing funded projects on STEM education, this study explored current situation and development trends of STEM education research in the United States. The findings showed that the funding amount of STEM education research projects was high; the duration of most projects was short, the focus of most projects was on the development and innovation, the program-types of STEM projects were various; and the integrated STEM projects paid special attention to information technology as the media. Overall, the number of projects, the amount of funding, and the number of cooperative projects were increasing. The findings provide possible implication for the research and practice of STEM education in China.

U.S. STEM education; STEM education projects; features and trends

附录1：STEM教育研究项目的基本信息

STEM教育研究项目的基本信息

序起始年项目名称项目类别项目负责人项目机构项目目标项目持续（年）项目金额（美元） 12007为科学探究而学习研究调查和评估技能认知与学生学习Millis, Keith北伊利诺斯州大学发展与创新41 986 743 22011博士后：跨学科教育研究的博士后培养项目教育科学博士后研究训练计划Klahr, David卡内基梅隆大学培训3648 974 32011美语手语的测试卷编制者特殊教育中小企业创新研究Vinopol, Corrine残疾人研究与培训协会其它2.51 050 000 42011高中物理虚拟实验室小型企业创新研究Finstein, Jeanne多面体学习媒体公司发展阶段I2850 000 52011触觉浸入式学习平台，改善视障人士的STEM学习特殊教育中小企业创新研究Darrah, Marjorie信息研究公司其它2.51 049 279 62011STEM太阳能探索小型企业创新研究Marley, David多样化建筑公司发展阶段II2.51 046 500 72012协调多重表征：对比学习微积分和不学习微积分的高中生的关注模式认知与学生学习Cromley, Jennifer伊利诺伊大学香槟分校探索3906 433 82013面向教师和学生的基于游戏的K-2 STEM教育小型企业创新研究Christopher, CatherinevKidz发展阶段I0.5150 000 92013科学技能探索：一款基于标准的游戏，旨在培养学生的科学技能、学术思维和科学学习策略小型企业创新研究Blackwell, Lisa心态作用有限责任公司发展阶段II2.51 050 000 102013全球教育2教育技术Brown, Scott康涅狄格大学效能与复制43 477 944 112014STEM的自我学习成就和动机：一个综合的认知—动机干预来提高生物学成绩高等教育和成人教育Cromley, Jennifer天普大学发展与创新41 379 250 122014一个小学的折纸和立体纸的工程课程，以促进三维空间思维和推理基础的STEM教育认知与学生学习Taylor, Holly塔夫斯大学发展与创新31 250 884 132014让学生参与STEM：国际社会教育合作交流网络小型企业创新研究Loannidou, Andri活跃教育发展阶段I0.5149 991 142014为归纳学习设计对比案例认知与学生学习Schwartz, Daniel斯坦福大学探索31 367 916 152014幼儿空间训练：识别可塑因素早期学习计划和政策Golinkoff, Roberta特拉华大学探索41 599 153 162015STEM准备项目与教师资格认证计划的教师效能的探索性研究有效的教师与教学Dodson, Melissa西南教育探索2698 273 172015学习开放反应科学测试题和英语学习者英语学习者Noble, Tracy技术教育研究中心探索41 596 743 182015基于测评系统对数学与科学领域的学校预科课程的开发早期学习计划和政策Anthony, Jason南佛罗里达大学测量41 597 625 192015恒星排列：在基础天文学中探索空间思维和关系性框架（恒星）认知与学生学习Anggoro, Florencia圣十字学院探索2311 139 202015STEM准备项目与教师资格认证计划的教师效能的探索性研究有效的教师与教学Dodson, Melissa西南教育探索2698 273 212015通过空间技能教学提高中学数学成绩认知与学生学习Sorby, Sheryl俄亥俄州立大学效能与复制43 499 941 222015STEM种子：开发一个创新的学前STEM课程早期学习计划和政策Cyr, Martha伍斯特理工学院发展与创新41 462 318 232016振兴21世纪的STEM研究生教育其它Rudin, Thomas国家科学院其它2200 000 242016基于带有数学直接表示的游戏学习和计算机应用评估小型企业创新研究Weiner, Randy脑震发展阶段II2900 000 252016代数一的逐步虚拟辅导小型企业创新研究Smith, PattiQuerium发展阶段II2900 000 262016开发一个在线、多挑战平台，可以同时运行多个K-12工程设计的挑战赛小型企业创新研究Belle, Deanne未来工程师发展阶段I0.555 481 272016推理与论证：改进用于入门生物学课程的评估高等教育和成人教育Cromley, Jennifer伊利诺伊大学香槟分校测量4756 527 282016为师生合作设计的环境，允许以实时工程为中心，在中年级进行STEM（笛卡尔）探索小型企业创新研究Whitmer, Christopher参数工作室发展阶段I0.5149 740 292016城市STEM基础（使用）伙伴关系:衡量成功的基准教育研究者与实践者伙伴关系LaForce, Melanie芝加哥大学研究者与实践者伙伴关系2398 072 302016动态手势和定向动作如何有助于数学证明实践认知与学生学习Nathan, Mitchell威斯康星大学麦迪逊分校探索41 389 562 312017为师生合作设计的环境，允许以实时工程为中心，在中年级进行STEM（笛卡尔）探索小型企业创新研究Whitmer, Christopher参数工作室发展阶段II2900 000 322017网络追逐的分数探索小型企业创新研究Goldberger, GaryFablevision发展阶段II2900 000 332017混合方法探索与有障碍的英语学习者在高等教育成功的相关因素高等教育和成人教育Trainor, Audrey A.纽约大学探索41 397 251 342017发展一个强化空间的小学课程和教师培训系列，以提高科学成绩认知与学生学习Fisher, Kelly约翰霍普金斯大学发展与创新41 398 481 352017衔接的化学课程的有效性STEM教育Stieff, Mike伊利诺斯大学，芝加哥效能与复制53 279 937 362017翻倍了？理解九年级代数改革对大学生继续攻读和毕业的长期影响高等教育和成人教育Nomi, Takako圣路易斯大学效能与复制2559 485 372017探索适应性认知和情感的学习支持，为下一代STEM学习游戏教育技术Shute, Valerie佛罗里达州立大学探索41 399 996 382017为K-12学生开发一个在线的、多挑战的平台小型企业创新研究Belle, Deanne未来工程师发展阶段II2899 988 392017探索STEM学习环境中的空间一致性的假设认知与学生学习Matlen, Bryan西部教育探索41 399 631 402018STEM中的性别刻板印象：探索预防的发展模式认知与学生学习Master, Allison华盛顿大学探索41 399 149 412018弱势群体学生的在线学习STEM大学入门课程高等教育和成人教育Perry, Michelle伊利诺伊大学香槟分校探索31 399 194 422018通过将移动学习技术与自然语言处理技术相结合，加强STEM本科教育高等教育和成人教育Menekse, Muhsin普渡大学发展与创新41 398 642 432018是否应用STEM职业技术教育可以加强低收入高中生的大学入学和就业的渠道？职业及技术教育Gottfried, Michael加州大学圣巴巴拉分校探索2344 940 442018用于实践科学学习的云实验室软件小型企业创新研究Roozebook, Clifton无数传感器发展阶段II2900 000 452018莱恩教育服务区的住校编码者方案的评估低成本、短期的教育干预评估Strand Cary, Mari莱恩教育服务区其它2249 922 462018在线教师专业化发展社区：一个可扩展的社区方法，以改进全国AP化学教学有效的教师与教学Rushton, Gregory纽约州立大学石溪分校发展与创新31 398 358

附录2：项目简介样本1

Avi Kaplan和Michael Balsai（天普大学）；Tony Perez（欧道明大学）

生物学院一年级的课程是许多STEM专业成功的敲门砖．虽然许多学术能力强的大学生努力学习和理解这些课程中的概念，但是他们认为这些知识与他们未来的职业没有相关．一些研究人员和实践者建议彻底改变教学方法，从以授课为基础转向创新的以学生为中心的教学，以提高学生的参与度和积极性．虽然这些改变可能有助于促进积极的态度和改善学习，但要做出这些改变需要对课程进行重大改革，而且很难在不同的高等教育环境中实施．这个项目的目的是开发一个在线课程方法来教授生物学入门课程．这个项目可以被其他大专院校采用和实施，而且教师不需要负担过重．

研究团队将开发一套非常简短的且基于网络的支持，通过教师已经在使用的教学方式以及围绕黑板而建的补充方式提供支持．这个套件将包括“全面”的认知和动机支持．在最初的两年里，研究小组将改变支持的类型，看看哪一种可能被证明是最有效的，在最后一年，他们将在真实的教室环境中进行干预的试点测试．

本研究的产品将包括一套特定课程的视频和信息，开发任何入门此类STEM课程材料的原则，以及创建此类其他课程材料的教师指南．还将出版同行评议的出版物．

这个项目将在宾夕法尼亚州的一所大专院校进行．

修读生物入门课程的本科生．

根据研究人员在开发阶段发现的结果，干预措施将包括许多可能的组成部分．最初的6个组成部分包括：（1）每周播放一段简短的多媒体视频，主要是为了提高学生的相关先验知识；（2）教授选定的PPT演讲片段录像；（3）录制短、中难度问题的工作实例；（4）相关性写作任务，学生就生物课与他们的学习、专业、职业和生活目标的相关性，给自己写一系列的信；（5）有针对性的自我效能增强反馈，旨在构建学生的自我效能感；（6）有针对性的信息，帮助抵消学生对完成生物学课程所必须做出的牺牲的看法．组件的最终组合将通过黑板来实现，并与典型的课堂教学（如讲课）结合使用．

这个项目将使用一个迭代设计，其中6个组件（3个认知策略和3个动机策略）的不同组合相互测试，以确定哪些组件应该在最终版本中．材料的初步设计将在2014年秋季进行．材料和在线方式将在两年的时间里进行测试和完善，第一轮测试将于2015年春季学期和秋季学期进行，第二轮测试将于明年开始．完整干预的最终试点测试将于2017年春季至秋季学期进行．

为了制作每周的启动视频，研究人员将复习章节部分，确定每周的相关内容，并为视频编写脚本．专家将审查脚本，以确保可用性和技术准确性．工作示例视频将以类似的方式开发，研究团队将审查教科书、家庭作业和期末考试数据中的章节复习部分的问题，以确定要使用的问题类型．授课录像将在相关学期内制作，使用实际课堂授课．研究人员将利用对上学期修过这门课的高年级学生的采访记录，制作出“抵消成本”的视频．其它材料（例如，相关性写作提示）将来自该领域现有的工作．在2015年春季和秋季，研究团队将测试一种认知和一种动机成分的组合．根据这些测试的结果，他们将在2016年春季和秋季测试两种认知和两种动机成分的不同组合．他们打算完成完整的原型，并在去年使用实验设计进行试点．在本研究中，学生将被随机分配在大型讲座课程中接受有一种变化的干预．

在整个开发阶段，将随机分配教室接受不同版本的干预，每组作为其他组的对照组．在最后一年的试点中，学生们将收到剩下的两个有前途的版本中的一个，并将比较这两组的结果．

主要的结果衡量包括课程考试和期末成绩．此外，研究小组还将收集数据来说明取得补充材料的范围和取得补充材料的时间（例如，一节课的录像带被访问的次数）．研究人员还将使用问卷来评估自我效能感、网关课程的价值和感知成本的变化．

研究人员将使用计划中的比较来测试这6种因素的效果，学生的入学动机和对干预执行度是同步变化的，并根据需要对嵌套数据进行调整．研究人员将使用二次分析来测试动机和解决问题的技能是否会调节条件的影响；所有的这些将通过路径分析进行检验．

https://www.ideals.illinois.edu/handle/2142/97878

CROMLEY J G, PEREZ T, KAPLAN A. Undergraduate stem achievement and retention cognitive, motivational, and institutional factors and solutions [J]. Policy Insights From the Behavioral and Brain Sciences2016, 3 (1): 4–11.

附录2：项目简介样本2

随着国家对STEM（科学、技术、工程和数学）专业人才短缺的关注，科学专业的入学人数预计在未来几年将呈上升趋势．实验室工作被视为许多STEM课程的重要组成部分，因为实验室使学生能够与自然现象互动，并分析收集到的数据．然而，为充足的实验室提供资金已成为一项挑战，许多学校表示，它们没有装备良好的实验室科学设备．据估计，一间物理实验室的费用为4万—5万5千美元，另外每年的更换和维修预算为2 000—3 000美元．本项目的目的是开发一套具有成本效益和维护免费的基于网络的虚拟实验室，可以完全取代或补充在一个典型的高中物理课程的实践实验室．

研究团队正在为24个虚拟实验室开发所有内容和组件，主题包括位移、速度、重力加速度、运动学和牛顿第二定律．为了测试该技术在学校实施的可行性，高中生对该技术的可用性，以及该产品改善学生学习的承诺，将对3所高中6间教室的120名物理学生进行随机试验．这些小组将被分配到3种不同的实验方法中的一种．一组学生将使用虚拟实验室作为传统实验室的替代品；其中一组将使用虚拟实验室作为传统实验室实践经验的补充；最后一组是作为控制组使用，只完成传统的动手实验．分析将检查学生在一个学期的课程前后在标准化物理考试中的成绩．

针对高中生的在线虚拟物理实验室将在没有设备的情况下使用，或者作为使用真实设备前后的补充．该产品将包括24个虚拟实验室，这些实验室与物理标准的全年课程目标一致．模拟的特点是实验室设备的交互式、实时三维表示，以及数据收集、分析、绘图和报告功能，允许用户在线执行实验的所有阶段．当学生使用过程或生成不合理的结果时，实验室将包含嵌入式反馈．教师的专业发展和支持也将包括在内．

附录2：项目简介样本3

这个项目组将开发并测试一个笛卡尔的原型，这是一个为四~七年级学生设计建造工程项目的在线游戏和仿真平台．该原型将包括一个虚拟工作区，供学生创建和测试模型．学生们将运用所学的工程学原理来设计一艘船，该原型将包含一个3D打印机来创建一个现实的模拟模型．在3间五年级或六年级教室的试点研究中，研究人员将检查原型是否按计划发挥作用，教师是否认为原型可以在课堂环境中实现，以及学生在使用原型时是否投入．

G420

A

1004–9894（2019）03–0053–09

2019–05–27

王科（1982—），男，安徽含山人，美国德克萨斯农工大学教学与文化系博士，主要从事数学教育研究．

王科，李业平，肖煜．STEM教育研究发展的现状和趋势：解读美国STEM教育研究项目[J]．数学教育学报，2019，28（3）：53-61．

[责任编校：周学智、张楠]