绘制成功之路：美国STEM教育战略

赵塞纳 黄宝珠 杜永军 郭伟

一、STEM教育战略如何走向成功

联邦政府的STEM教育战略通过以下途径实现上文中提到的三个目标：加强STEM基础素养，提高STEM教育的多样性、公平性和包容性，使STEM劳动力为未来做好准备。

美国将受益于战略合作伙伴关系，在其中学习者可以把知识同工作的需要结合起来。跨部门的战略伙伴关系需要建立起教育机构、企业及其服务的群体三者间的联系，在促进交流的基础上使教育准备工作与劳动力需求结合起来。

联邦机构应该鼓励STEM教育相关者在STEM生态系统建设方面进行合作，并团结其他组织机构，如PreK-12学校、非正式教育的教育者、社区学院和大学——包括西语拉丁裔服务机构（Hispanic-serving Institutions，HSIs）——企业、非营利组织、社会服务机构等经济和劳动力发展组织，以及博物馆、图书馆、认证服务机构等终身学习组织机构。STEM生态系统不但能让个人和组织更有效地利用战略伙伴提供的资源，而且为未来劳动力的培养提供更多的支持。通过教育者与企业的合作伙伴关系，加强基于工作的学习和培训非常重要。因此校企合作模式将促使工作者有更多在岗位上取得成功的机会，他们可以通过共同协作，让学习者适应飞速变化的岗位需求，并总结出一套方法，起到协调实践的效果。

丰富和发展战略合作伙伴关系有以下三个目标。

第一，建设能够团结社区内不同群体的STEM生态系统。STEM生态系统吸引了教育相关者和其他组织机构。该生态系统注重设计长期的、可共享的、可持续的和灵活的任务，以增加各部门可提供的学习机会。生态系统内的合作伙伴不受地域的限制，可以广泛地参与进来，从而创建从地区到全球的STEM社区。

STEM生态系统的合作模式将建立起更强大、更信息化的社区，并培养出满足当地企业需求的多样化劳动力。这样的社区可以为学习者提供接受STEM教育相关职业培训的机会。系统促进了教育工作者和企业之间的合作，共同开发具有挑战性的课程，激发学习者对STEM学习的兴趣，并为他们在未来工作中取得成功做好准备。

STEM生态系统还通过将各种专业人员集合在一起，形成一种包容性的环境。专业人员将在学生预备学习的相关重要时期与他们进行互动。这些专业人员来自如PreK-12学校，非正式教育——如以头脑、心智、健康、实践发展（Head & Heart & Health & Hand，4-H）为宗旨的4-H俱乐部，社区学院和大学学院（包括HSIs等），企业和社区。STEM生态系统可以发展多元化的成人教育者和专业人员群体，指导学习者成为未来STEM行业的实践者。

联邦政府通过项目、投资和活动来促进STEM教育生态系统的发展，这些项目和活动充分利用行业中其他组织与教育机构间的合作模式。随着系统的深入发展，部分实践数据将为联邦政府战略计划的制定提供依据。联邦拨款机构将创建和连接STEM生态系统视作资助项目的一部分，通过加大对系统的资金投入，支持那些有建设能力和教育能力的工作者和研究人员，并教授他们所需的知识和技能，从而加速系统的扩展。

为实现这一目标，联邦政府的行动应侧重于以下四个方面：一是建立不同地区STEM生态系统间的联系，为师徒关系开展、专业教育者发展、课程教材开发等社区活动提供更多的机会;二是建立简单的、可搜索的、人性化的在线资源，使学习者更便捷地查找到与STEM教育相关的联邦活动和资助项目;三是增加联邦资助项目的数量，如奖励那些参与开发STEM生态系统的人员;四是支持各种关于促进STEM生态系统建设的校内外研究项目，并宣传成功案例。

第二，通过教育者与企业的合作伙伴关系，加强基于工作的学习和培训在STEM生态系统中，基于工作的学习（Work-based Learning，WBL）模式是一种确保学习者在职场中有利地位的方式，如小学阶段进入工作场所参观;中学阶段进行学前实习，接受关于如何成为成熟学徒的培训;本科生和研究生阶段进行研究工作。尽管WBL模式的政策和行动在全国各地的差异很大，但社区仍然可以根据WBL模式的通用定义、战略计划、协调方法、外联战略和交互策略，思考如何开展内部协调和实践。

通过与教育者合作，企业将从中获益，从而为广大学习者提供真实的工作环境。在合作关系中，不同背景和有着不同经验的教育工作者和学生在新环境中以全新的视角进行知识学习和工作实践。另外，与教育者合作的企业也可以在缩短与全国的STEM技能水平差距方面有所作为。如果企业选择同教育机构合作，将进入职场所需的资格证书和培训项目纳入中学和高等教育课程，支持前沿课程开发并提供试用环境，给予学习者参与学徒制、师徒制等WBL模式的机会，企业就可以从受过充分培训的员工中获益。

联邦机构将在学徒制、在职培训、外聘等机制中同雇主和教育工作者合作，为全国各地的学生在WBL模式的培训项目上提供资金支持。各机构还可以利用人力资源，凭借联邦实验室、设备、研究项目，利用专业知识和数据培养高质量劳动力，最终增加他们的工作经验。联邦机构可以选择扩大与教育工作者和企业的合作，建立深层次的合作关系，并在各个项目中加以利用，如重视两年制、四年制的HSIs项目和其他高等教育机构的教学计划、PreK-12学校的非正式教育和正式教育项目。

为实现这一目标，联邦政府的行动应侧重于以下四个方面：一是为教育机构提供更多带薪实习和学徒培训的机会，确保让学生积累到有效的经验;二是根据联邦就业通道计划（Federal Pathways Employment Program），灵活运用招聘权限，将培养出更多具有多样性的STEM劳動力作为重点，加快把员工向有竞争力的服务岗位输送，并扩大计划的招聘范围，放宽招聘权限;三是增加联邦资助项目的数量，明确合伙人在项目中的奖励标准，如奖励教育工作者在课外参与WBL模式的项目;四是建立新机构，招聘部分学徒、实习生、博士后研究员和其他参与WBL模式项目的人员，将其纳为全职的、永久的联邦雇员。

第三，融合来自学习领域的成功实践经验。为了建设具有创造性的、混合式的教育方式，联邦机构要在过程中运用不同于传统的学习方法（如利用非正式教育配合正式教育，在职业和技术教育中增加大学预科教育内容）并结合跨学科学习方法。其最终目的是让学习者以最有效率的方式获得工作技能。

如今在接受高等教育的学生中，大约有一半人会选择从社区大学开始学习，另一半人直接进入四年制学院或大学。实际上，他们所有人都曾有参与非正式STEM教育的经历，比如参加当地俱乐部、业余团队和其他校外活动项目，或者到科学中心、博物馆、动物园、自然中心、水族馆、图书馆等接触非正式教育资源。这些教育资源可以在沟通协调中更好地为学习者服务。例如，由国家科学教师协会（National Science Teacher Association）和科学技术中心协会（Association of Science-Technology Centers）创建的“互联科学学习”，就是一个向学习者分享实用经验和知识的在线社区。类似的学习方式可以不断弥合校内外教育资源的差距。

将高质量的职业技术培训与大学预科课程结合起来的教育制度可以有效帮助学生在专业学习和就业中做好准备。尤其是在培训后，学生将获得行业公认的职业资格证书。此制度建立在一系列实践经验的基础上，充分表现了非正式教育、职业技术教育的应用学习、跨学科学习三方面的特点。无论运用何种方式，为了更好地满足STEM行业的需求，未来STEM教育对技术劳动力的培养都依赖于不同组织间进行的联合行动、合作项目和资源共享。

联邦政府应继续大力支持在正式教育和非正式教育中那些拥有核心技术的工作者间的合作关系，并努力团结STEM教育的各相关方。联邦政府可以通过研讨会、数据支持和资金资助，帮助高等教育机构更好地将其项目与STEM教育、职业技术教育的中学课程相结合。例如，学生可以在中学的职业技术教育课程中获得更多的通用学分，避免在之后的社区学院重修类似课程。教育政策制定者应该减少教育工作者在跨学科工作方面和在正式、非正式环境之间转换的障碍。

为实现这一目标，联邦政府的行动应侧重于以下三个方面：一是优先考虑对STEM教育工作者在技能提升和专业发展上的支持，其中包括职业技术教育课程教师，大学预科教师以及在正式、非正式环境中的教育工作者;二是优先研究能让职业技术教育、大学预科、正式和非正式教育的成功经验结合起来的方法;三是通过网络会议、研讨会等机制聚集与STEM教育相关的工作者，共享有效方法和成功经验，并为其他教育者提供最佳指引。

二、利用交叉学科知识的融合吸引学生

交叉学科融合是教育中最具变革性的发现和创新，其融合了STEM、艺术、人文等众多学科的知识和方法，要求学生跨越传统学科界限进行思索和探求。此外，现代职场也将那些拥有不同观念、生活经验、知识、思维方式的人聚集在一起。美国将受益于以交叉学科为基础的教育体系。STEM教育展现出一种融合的文化，同时鼓励知识的整合，并为复杂的问题开发出新的解决方案——这是一种更具包容性的教育，可以吸引更多的人才进入STEM相关领域。

此途径强调了融合，说明了创新创业教育意在培养出面对快速变化的世界依然有能力取得成功的思想家。此外，新环境中的STEM教育是否有效，取决于学习者是否能将逻辑思维和数学原理应用于社会问题。在任何领域，跨学科知识融合和应用是解决现实中复杂问题的方法之一。为了完成此目标需要做到以下三点。

（一）扩大创新创业教育

创新通常是指不同部门和领域在生产新产品或新工艺时的想法汇合，它通常以“和与或”的方式来融合科学发现。创业者将新的项目、服务和产品引入市场和社会。在竞争日益激烈的全球经济中，STEM教育在强调学科融合的同时，也注重提升学习者发现问题和解决问题的能力，从而促进革新。培养关键技能的内容应该在STEM教育中发挥巨大的作用，让更多的美国人有能力为国家经济繁荣作贡献。

创新和创业精神对于维护美国的全球竞争力和安全至关重要。为了跟上竞争对手的步伐，美国公司必须走在创新前沿，并能够快速有效地将新技术转化为产品和服务。美国如果想成为全球STEM社区的领导者，就应该通过在PreK-12学校、高等教育和非正式教育环境中执行包容性战略，加强学习者在未来经济中的创造力和竞争力，不断提高他们的创新创业技能。

联邦政府可以通过各种方式推进创新创业教育，如财政支持、简化行政手续等。它们还可以为教育工作者制订和实施专业方案，将创新创业精神纳入课程。联邦政府还通过国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）的創新联合会（I-CorpsTM）等项目，在中学阶段促进创新与创业教育。在所有的项目、投资和活动中，各机构还要优先确保合作伙伴和受助人公平地参与项目。

为实现这一目标，联邦政府的行动应侧重以下三个方面：一是审查联邦政府资助项目的参与率，并在有需要时设计最佳方案来吸引更多具有多样化思维和包容性的参与者;二是在联邦教育和创业投资方面，向教育工作者提供更多的有效方案，使学习者更具多样性;三是在联邦教育和创业投资方面，开展更多向教育工作者传授关于如何创新和保护知识产权的活动。

（二）让数学成为吸引学生的“磁铁”

数学和统计学是STEM教育下的学生通向成功的基础。它为描述现实世界中的现象模型提供了一种通用语言。尽管美国学生在努力缩小差距，但他们的数学素养仍然落后于部分国际学生。提高数学素养的方式之一就是做好不同学科内数学知识的整合，利用被实践检验过的、学生感兴趣的教学法来教授数学知识。学生在这种环境下，加强了运用逻辑、推理和批判性思维的能力，促使他们更多地应用数学思维解决日常生活中的问题。数据科学、建模和基于问题的学习是整合数学知识的有效机制。

数学课程是STEM教育的一个主要障碍，因此STEM教育领导者必须为学生创建一套不同以往的、有针对性的教学方法。如果美国想要拥有一个充满多样化STEM人才的未来，就必须以数学为源头，培养学生对STEM相关学科的兴趣和热情，让他们更深入地研究这些学科。数学可以成为吸引学生深入学习的”磁铁“，而不是障碍。情境设计下的数学和统计学教学将有助于实现这一目标。

联邦政府和有关部门可以调动资源，推进在情景中的、有意义的应用数学教育。那些从事和支持数学研究与开发的人，将积极地为数学领域的工作提供资金，同时挖掘与STEM数学教育相关的信息。

为实现这一目标，联邦政府的行动应包括以下三个方面：一是简化数据，使其更易于服务数学、统计等STEM教育课程，同时就如何在课程中使用这些数据提出建议;二是优先支持将数学和统计相关的教育内容纳入有意义的项目，不断提升教育工作者的技能;三是分享在开展数学和统计学相关教育方面的成功经验，保持学习项目的多样性。

（三）鼓励跨学科学习

STEM教学与人文艺术等领域的整合，让学习者能应对来自不同领域的挑战。跨学科知识的学习也有助于学习者更充分地认识STEM的内在价值，让他们在各类教育中更好地通过合作解决团队中可能遇到的各种问题。

为了开展跨学科融合的相关研究，科学家和工程师需要一个多样的数据集，包括学科知识、潜在合作者的语言和文化、协作技能水平评估（如沟通、与他人合作的能力、批判性思维和主动性）等。早期接触跨学科问题并尝试解决它的学习者为研究提供了样板。

联邦机构对跨学科STEM教育的支持十分重要。各机构可以通过财政资助和培训支持STEM学习者研究跨学科问题。本科生、研究生和博士后研究人员可以亲身体验跨学科科学和工程是如何进行的，将知识活学活用，最终完成不同的目标。

为实现这一目标，联邦政府行动包括：一是支持研究、开发和制定有效的跨学科STEM教育实践、计划和政策;二是通过财政资助和培训，激发STEM学习者对研究跨学科问题的热情;三是确保持续更新以解决社区和全球问题为重点的跨学科教学方法，提升STEM教育者的素质和质量。

三、培养计算机素养

数字设备和互联网技术已经完全改变了社会。现代人需要具备“数字素养”，掌握使用数字设备的能力。而有效使用计算机等数字技术工具进行网站创建、视频编辑、3D打印、操作控制系统等活动，则需要更高级别的“计算运用能力”。除数字素养外，熟悉信息通信技术也是运用科学、技术和数学知识的重要方面，可以为进入对技术要求高的工作岗位做准备。事实上，信息通信技术是进入热门工作岗位的关键，现在的学生在接受技术教育后很可能成为未来的数据分析专家、人工智能和机器学习专家、软件和应用程序开发人员、自动化技术人员、量子信息科学家和网络安全专家。因此STEM教育中的计算机科学教育被视为重点领域。为了满足现阶段工作和未来网络工作的需求，美国需要从接受过计算机培训的本科生中选取一部分学生将其培养成为PreK-12教育中与计算机科学教育相关的工作者，进而将他们培养成为专业研究人员。

在STEM教育中，同其他领域一样，信息通信技术也在不断发展变化，给传统学习中的时间、地点和内容带来新的挑战。在正式和非正式教育环境下，不同的教育会带给学生不同的学习效果。所有美国人都需要学习计算机科学与计算技能，掌握新技术知识和应用方法，以适应未来的工作。政府应该努力实现让所有美国人都可以获得公共服务的承诺（如提供可以人人共享的网络），让美国人不因地理、种族、性别、族裔、社会经济地位、退伍军人身份、父母教育成就、残障等因素而被歧视，都能享受到先进网络技术发展所带来的好处。

培养计算机素养需要加强人与人之间的联系、提高人们积累知识的能力，并制定培養学生获取高需求工作技能的策略。它还计划了未来要进行的重要研究，包括如何发挥数字技术的优势，使所有年龄段的美国人都能成为合乎道德的数据和数字通信生产者。培养计算机素养需完成以下三个目标。

（一）培养数字素养和提升网络安全

正如前几个世纪扫盲是人们改善生活的关键技能一样，数字扫盲对于当今社会的人们至关重要。数字扫盲使人们可以识别有效信息，并利用数据回答问题、分享观点和促进合作。网络安全是数字扫盲的组成部分之一，包括如何安全地使用信息通信技术（如加密等新技术）。在使用数字工具时，网络安全是大众都应该了解的，而这种做法建立在注重数据保护和尊重个人隐私的道德基础上。强大的数字素养和网络安全技能可以完善STEM教育的各个层面，有助于科学、技术和平等意识的普及，并为未来的STEM劳动力奠定坚实的基础。

在数据使用方面，对劳动力发展来说，重要的是对STEM教育的相关人员进行有关道德和隐私方面的培训。例如，在2018年数据科学战略计划（Strategic Plan for Data Science 2018）中，全国卫生研究所（National Institutes of Health，NIH）呼吁加强对本科生和研究生定量计算技能的培训，包括他们如何在安全和道德范围内使用数据，以促进课程和其他资源的开发，增强以数据科学为基础的方法的严谨性。此外，在网络安全领域高职业需求的前提下，为了确保美国长期的网络安全，联邦政府应加强行动，扩大国家的网络安全队伍建设并使其具有多样性。

联邦政府在普及数字知识和网络安全知识方面发挥着关键作用。尽管没有一个单独的机构，甚至是联邦政府，可以在活动中接触到全国的学习者、工人和公民，但不同机构间的伙伴关系提供了合作机制，可以让各联邦政府或机构在同政府、行业和非营利组织的合作中更好地理解网络安全中的社会问题（如关注弱势群体），从而将教育推广到全国的社区。私营和国营企业通过WBL模式中的伙伴关系，可以在数字道德、在线信息分析和网络安全方面给予学习者真实的体验。国家、地方和政府、社区非营利组织和专业组织也可以利用WBL模式来提高其支持者和成员的素质。

除了开展伙伴关系之外，联邦政府应该支持以教育为目的而开展的STEM相关内容的学习活动。这在整个学习领域，尤其是对于家庭，至关重要。例如，联邦贸易委员会为支持第一夫人的“做最好的人”（Be Best）活动，正在帮助孩子、家长、监护人和其他成年人就如何营造安全和负责任的网络提供指导，并与他们中的代表进行深入交流。随着数据科学的迅速发展，在推广与数字扫盲有关的学科中，联邦政府应发挥主导作用，让研究人员未来可获得与伦理道德有关的研究数据。而在STEM各学科内，政府仍然需要探索如何传授数字化技能的方法。

为实现这一目标，联邦政府需要在以下三方面做出努力：一是鼓励各联邦机构及其相关组织在推广数字流畅性和网络安全上的做法，如制定针对教育工作者的专业发展计划;二是支持关于网络安全方面的基础应用研究，加强宣传并开展有意义的实践;三是加强对从本科到研究生教育的STEM相关研究人员在数字伦理和数据隐私方面的培训。

（二）使计算思维的培养成为教育的组成部分

计算思维（Computational Thinking，CT）是指在解决问题及制定解决方案时所涉及的思维过程，使信息处理器（人、机器或者两者结合）制定的解决方案可以有效进行。更容易理解的是，CT包含了一组程序。这些程序定义了问题，将其分解为一个个组件，从中开发出解决问题的模型，然后评估结果，迭代更新，以及等待再次解决新问题的机会。虽然这一概念是在计算机科学中发展起来的，但是它越来越被看作是一项宝贵的思维技能，帮助人们去解决问题、设计系统，了解人类的行为。

在日益技术化和复杂的全球经济中，CT需要成为教育的组成部分之一，让每名学习者都有能力评估信息、分解问题，并通过使用适当的数据和逻辑制定解决方案。

虽然CT不需要计算机，但它们确实涉及到利用计算工具进行必要的推理。人们认为CT是普遍有益的，因为跟CT有关的技能都集中在计算机科学（Computer Science，CS）知识的中心区域。CS中心的周围，还存在着数字世界中应用计算所需的更广泛的理解、能力和技能：问题说明和表达、算法开发等主题，软件设计、编程和调试，互联网，大数据，网络安全，学科应用（包括与之相关的社会影响和伦理考量）。普及CS教育仍然是国家的优先事项，这一事项也需要通过跨学科的思维整合来实现。

在培养坚实的CT基础方面，CT教育有助于公众理解STEM教育。它培养学习者分析问题的能力，使他们掌握一生都能有用的技能。人们可以利用数据来决策、评估风险和进行日常活动，如挑选物美价廉的汽车、购买城市债券等。此外，强调思维能力而不是死记硬背的教学方法将吸引更多的学习者进入STEM领域。最重要的是，即使面对难以掌握这些技术方法的人，如残障学生等群体，在教授计算机技术时也要有包容性，以便他们在未来也能参与到现代社会建设之中。

现代工作的发展要求劳动力能不断利用新技术在一些近几年出现的新兴领域竞争工作岗位。许多传统行业中的蓝领工作已经被需要计算能力的工作所取代，特别是制造业。预计在计算机和信息技术职业方面就业人数的增加可以带动美国人养成练习CT和CS思维的习惯。这不仅会让他们为将来的工作做好准备，而且使他们自身也能得到发展。下一代的创新者将利用这些就业机会，进一步提升美国在世界的领导地位。

联邦教育政策和方案应鼓励整合所有学科、活动的CT原则，无论是在学校还是在其他非正式教育环境中，要为所有儿童提供早期就能接触CT基本技能的机会。支持教师教育的机构应优先考虑包含CT和CS思维的课程设置，使教师们认为这些技能与阅读、写作、数学和科学一样对教育至关重要。与STEM学科相关的教师在准备工作中可以引导CT和CS思维的整合。STEM相关的政策和方案中应招聘、培训和保留那些具有CT的教师，尤其需要针对那些教师需求大或工作人员难以管理的学区。

为实现这一目标，联邦政府行动包括以下三个方面：一是增加聯邦资金投入，拓宽发展伙伴关系的渠道，并把对CT的考量作为选择标准之一;二是作为STEM课程的一部分，支持研究并宣传关于向幼儿教授CT和CS思维的有效方法;三是支持和共享那些关于CT有效的教育实践行动和课程材料。

（三）拓展数字教学平台

越来越多的教育机构和组织提供开放的在线课程、远程学习软件、移动学习应用程序和其他各种数字学习计划。这些产品使教育工作者需要重新思考学生的学习方式。要充分利用这些新数字技术，教育工作者需要细致地调整教育目标，参考研究如学习者的特点、学习内容、技能等要素。教育机构和组织应该在那些可以随时随地学习的环境中提供高质量的STEM专业知识，尝试打破正式和非正式教育之间的界限。

特别是那些仿真的游戏、移动平台、虚拟环境和增强现实工具，可以提高学习者的好奇心和参与度。无论是在现实世界中还是在虚拟环境中，由在线教学工具和自适应嵌入式技术支持的专用学习空间可以为教师和学习者提供灵巧的外观结构、便携的设备和丰富的材料，同时实时、智能的反馈可以促进教师开发出新的学习和协作模式。此外，随着工作不断更新换代，美国工人可以及时通过数字平台进行再培训，提高技能从而获得证书。这种方式为缩小全国各地的贫富差距提供了潜在的可能。

数字平台通过向学习者提供STEM相关学科的学习机会来增强STEM教育的多样性和包容性。然而技术也可能通过机会差距，加剧现有的不平等。为确保所有学习者（特别是那些来自服务不足社区和代表性不足族群的学习者）能够获得高质量的STEM数字学习工具，就必须要考虑平台的成本和连通性。截至2016年，约有2400万美国人无法获得固定的陆基宽带服务，他们大多数分布在美国的农村和部落地区。

联邦机构应继续支持研发、新建和改进教学数字平台，并评估平台的可扩展性。机构的相关方案和活动应鼓励将工具开发、课程创新同相关教育工作者的专业发展结合起来，以克服各种关于使用数字工具的障碍。联邦政府应进一步发展伙伴关系，将互联网扩大到高需求社区，并帮助建立和扩大在线认证和再培训平台，帮助工人适应数字经济发展要求。

为实现这一目标，联邦政府行动包括以下三个方面：一是在通用设计原则下，利用数字工具增加对课程编制的研究和支持;二是赞助、鼓励研讨会等集体实践活动，并对STEM教育工作者就如何有效使用数字工具和学习模式进行培训;三是优先支持远程学习的实践活动和学习模式，确保其能有效覆盖到服务欠缺的农村人口。

编辑 赵明豪   校对 吕伊雯译者简介：赵赛纳、黄宝珠，甘肃省联合国教科文组织协会翻译;杜永军，甘肃省联合国教科文组织协会会长;郭伟，《世界教育信息》杂志特约通讯员