美国特色STEM高中的类型、特征和生态框架

柳 靖， 柳 桢

(1.河北师范大学 教育学院,河北 石家庄 050024；2.河北开放大学 纪检监察审计室,河北 石家庄 050080)

科学、技术、工程和数学(Science, Technology,Engineering,Mathmatics,缩写为STEM)领域的知识已成为全球经济和许多职业发展的重要问题。美国与科学和工程(S&E)相关职业的种类和数量一直持续增加，虽然从1950到2009年，美国总劳动人口增长了1.2%，科学和工程职业的年均增长率为5.9%[1]，但毕业生仍然供不应求。

2009年美国教育进展评估(National Assessment of Educational Progress)显示，33%的四年级学生和26%的八年级学生精通数学，这一比例虽然高于1996年的19%和20%，但仍有近 3/4的八年级学生数学不佳。由于中学和中学后教育机构欠佳的STEM教育状况可能会对未来美国经济产生负面影响，联邦政府开始制定与实施提高学生对科学和工程职业兴趣的新策略。2013 年，国家研究委员会(National Research Council，NRC)建立了监测STEM教育的国家体系以更好地发展国家和州级STEM教育。[2]可见美国政府对STEM学科的重视。

为了适应社会、经济的发展，美国逐步创办了特色STEM高中(specialized STEM schools)，得到了社会的高度认可。2014年总统科学技术顾问委员会(President’s Council of Advisors on Science and Technology，PCAST)的报告强调特色STEM高中作为独特的国家资源对学生学习STEM有直接影响，能缩小弱势群体学生在STEM学习机会上的差距[3]。特色STEM高中专注于STEM领域，通过导师制、实习和学徒制为学生提供高级课程和重要的实习机会，其独特而综合的学习环境往往优于其他类型的高中；专业知识领域的博士组成了高水平师资，学生一般在STEM领域具有较高的能力水平、兴趣和抱负[4]。本文介绍美国特色STEM高中的历史、类型、特征和生态框架。

一、特色STEM高中的历史

(一)特色STEM高中的产生

100 多年前，特色STEM高中最早使用Specialized Science Mathematics and Technology schools(特色科学、数学和技术学校，缩写为SMT)的称谓，致力于提高特定工业领域工人的技能。19世纪末20世纪初，伴随着美国工业革命产生的进步主义教育反对教育与生活脱节，主张教育与社会的有机联系，各州开始建立与科学和技术相关的高中：1904 年建立的史蒂文森高中(Stuyvesant High School)是美国第一所特色 SMT学校，学校对男生进行手工培训，使他们成为科学、数学和技术人才；1922 年开设的布鲁克林技术高中(Brooklyn Technical High School)为上大学或从事技术职业的学生提供科学、数学、制图和手工艺等课程；1938 年成立的布朗克斯科学高中(Bronx High School of Science)强调“以学科为中心”，为从事技术行业的学生提供科学和数学教育[5]。

(二)特色STEM高中的发展

1957年，苏联发射第一颗人造地球卫星的消息震动了美国朝野，美国政府开始反思本国科学和技术教育落后的原因。在教育家柯南特(James Bryant Conant，1893—1979)的建议下，1958年通过了《国防教育法》(National Defence Education Act)，除了发展天才教育外，国家政策开始重点关注STEM教育，自然科学、数学和技术方面的教育得到了财政援助，各州纷纷创建SMT学校。1980 年，北卡罗莱纳州将针对有天赋的学生的暑期计划发展为专业 SMT学校——北卡罗莱纳科学和数学学校(The North Carolina School of Science and Mathematics)[5]，其他州也效仿建立了特色 SMT学校。1988 年，成立了国家数学、科学和技术特色中学联合会(National Consortium for Specialized Secondary Schools of Mathematics Science and Technology，缩写为NCSSSMST)。NCSSSMST致力于研究和制定美国STEM教育的示范性计划，并推进形成国家教育政策；发布STEM教育最新的发展信息；促进会员学校的交流与合作；提供技术驱动手段，满足学生、教师和社会等各方的要求；提高学生在STEM领域的专业素养，培养其领导才能，使学生能面对未来的挑战。NCSSSMST通过开展这些工作来推进STEM教育的不断发展。2010年6 月，NCSSSMST 已由最初的十几所学校发展为拥有100多所STEM高中学校成员以及100 多个大学、教育中心、暑期项目组、基金会和公司等隶属成员的联合会，为39 000名学生和1600名教育工作者提供服务[5]。20世纪初，STEM教育从最初的“手工培训学校”演变为“特色 SMT学校”，到20世纪末，许多学校开始使用“特色STEM高中”的称谓。这些学校大多由国家和州倡导建立，试图解决美国经济竞争力下降和STEM劳动力短缺的问题。

二、特色STEM高中的类型

2011 年，NRC根据学生的能力和录取标准将特色STEM高中分为选择性STEM高中、全纳性STEM高中和以STEM为核心的生涯和技术教育(Career and Technical Education,缩写为CTE)学校三种类型，这三类特色STEM高中都采用基于项目的学习，重点培养学生的批判性思维和合作能力。

(一)选择性STEM高中

选择性STEM高中专注一个或多个STEM学科，其学生是根据一套学术成就标准筛选出来的，因此，学生具有较高的天赋，有上进心，对STEM感兴趣。这种高中拥有专家型教师、严格的课程、先进的实验室和其他资源，教师在工作坊中有专业发展和提高的机会。[4]

根据每所学校的个性特征可将选择性STEM高中分为州立寄宿学校、综合学校、校中校和半日制学校四类。州立寄宿学校依靠州拨款运行，各州明确规定学校中每个县的学生人数；综合学校一般建在大城市，为特定地区天资聪颖的学生服务；校中校也设在城市，为天资聪颖的学生和弱势群体服务；半日制学校通常位于经济处境不利的社区或农村，为该地区的优秀学生提供具有挑战性的课程，学生一般在完成学校课程后再到半日制STEM高中学习。[4]

(二)全纳性STEM高中

全纳性STEM高中以具有大学预备课程、小班教学、专家型教师和丰富的技术环境而闻名，其安全的环境、最新的技术和大学预科课程吸引了众多学生就读。无论学生(尤其是弱势群体的学生)过去的成绩如何，都可以在这里接受其感兴趣的STEM教育。

(三)以STEM为核心的生涯和技术教育学校

为了提高学生对STEM的兴趣，美国在教育中心、综合高中或生涯学院建立了以STEM为核心的生涯和技术教育学校，学校以科学、数学和技术为主，学生在指定学校学习后通常有半天在这些学校学习。以STEM为核心的生涯和技术教育学校的目的是避免高中辍学和帮助学生做好上大学的准备，在课堂上为学生提供真实世界中STEM教育的应用。多兹尔-利比医学高中(Dozier-Libbey Medical High School)是一所以STEM为核心的生涯和技术教育学校，学校在关注实践科学教育的高中和大学学习环境之间起桥梁作用。学生至少学习四门科学课程、四门数学课程和两年外语，毕业生大都符合加利福尼亚大学的要求。课程全部围绕健康科学，采用基于项目的教学策略，为了实现教学目的，教师和合作伙伴组织进行了员工随访、访问导航网站、在职经验、研究项目和实习等实践活动[2]。

三、特色STEM高中的特征

不同环境和地域的特色STEM高中的特征有所差异，但大多数有三个共同特征。

(一)重视科研实习课程

特色STEM高中的课程一般重视科学、技术、工程和数学学科，包括必修课、选修课、大学的先修课程和科研实习课，必修课主要围绕数学、科学、技术主题，很多特色STEM高中有独特的科研实习课程。2010 年，在研究了16所特色STEM高中的课程后，法伊弗(Pfeiffer)认为特色STEM高中能为学生提供更多的研究机会：15所特色STEM高中的学生和教师一起进行研究，13所学校的学生在导师的帮助下进行暑期研究，12所学校的学生利用校外设施或实验室进行研究，11所学校的学生参加了传播研究成果的比赛[6]。

(二)教学实践注重学习者、知识、评价和共同体

20世纪特色STEM高中的转型改变了学生的许多学习目标，但是使学生成为科学专家的目标却始终未变。为了培养这样的专家，教师围绕着有意义和适当的学习目标开展教学实践，这些教学实践促进了学生对先验知识的应用和对专业领域知识的掌握。

特色STEM高中采用四个中心的教学实践方法，即以学习者、知识、评价和共同体为中心。在以学习者为中心的环境中，学生学习概念和文化知识；在以知识为中心的环境中，学生要理解所学内容；在以评价为中心的环境中，学生能得到来自专家的反馈；在以共同体为中心的环境中，学生向共同体中的其他成员学习[2]。四个中心的教学实践使学生能获得多维度的学习反馈，实现学习的跃升和素质的提高。

(三)学生为升学和职业生涯作准备

由于学生的社会背景、学习课程的机会和家长的参与等因素造成了女性、非洲裔、拉美裔和较低社会经济地位等弱势群体的学生与男性、白人、亚裔和较高社会经济地位的学生相比获得STEM学位的比例更低的情况[7]。特色STEM高中旨在为所有学生提供公平的学习机会，减少个人背景和其他因素对学生的影响，缩小弱势群体学生的差距，帮助他们为升学和职业生涯作好准备。

2013年，一项对1719名全纳性STEM高中和3359名传统学校的九年级学生的研究结果显示，全纳性STEM高中的学生对STEM科目更感兴趣，对获得学士学位更有信心。由于他们学习了更多STEM学科的大学预备课程，在大学教育中对STEM学科表现出更大的兴趣(44%∶33%)，在大学学习工程专业的比例更高(26%∶18%)[5]。NCSSSMST跟踪调查了1032名特色STEM高中的毕业生，所有被调查者中，75%愿意继续接受大学以上的教育，40%计划获得博士学位， 60%的大学新生希望获得STEM学位，55%的大学高年级学生正在攻读STEM学位。51%在大学主修科学，全美平均23%的大学生学习科学；10%主修数学，全美平均3%的大学生学习数学[5]。这些调查数据表明：通过在特色STEM高中的学习，毕业生对升学的信心更加坚定，选择专业更加明确，有更多学生愿意学习与STEM相关的专业，有利于他们在STEM领域就业。

四、特色STEM高中的生态框架

尽管STEM教育经历了从SMT学校向特色STEM高中的转变，但一些学者认为特色STEM高中前景堪忧，美国的STEM教育在国家需求和现实发展之间产生了脱节。教育、技术和经济环境的重大变化可能会导致STEM高中的设计缺陷，因此，主张建立新的设计原则和生态框架[8-9]。

2008年，魏威尔·塔沃尔(Weaver-Hightower)提出了生态学习环境，即行动者、环境因素和行动相互作用的系统学习环境。在自然生态系统中生物之间彼此互动交流，而校内学习也是要素主体的相互作用，通过师生间的互动实现学习目标。同时生态系统中的合作是行动者之间相互理解的复杂互动，例如，学生通过小组来合作完成一个项目[8]。

2010年，马歇尔(Marshall)认为设计推进STEM教育的学习环境必须有助于培养学生积极思考的习惯，这些习惯能产生创造性思维、解决问题的能力和领导能力，他重新设计、整合了学校三种学习环境。第一种以调查、研究和跨学科学习为中心，第二种以创新和设计为中心，第三种以全球领导力和社会企业家精神为中心[9]。

特色STEM高中是为了发展STEM教育而建立的学校，但研究人员认为特色STEM高中不能解决所有STEM学科的问题，于是他们提出有助于学生发展的新的概念框架——“社会的协同行动”[2]，图1列出了社会的协同行动的组成要素。

图1 社会的协同行动

在学校生态系统中，特色STEM高中有行动者、环境因素和行动三类组成要素[2]。

(一)行动者

行动者包括学生、教师、社会人士和成功人士，行动者可以有多个角色。例如，教师在教室里教育学生，在课堂外则是接受培训的角色。学生是最主要的行动者，也是学校生态系统的中心，教师、管理人员和其他行动者都支持学生的发展。以学习者为中心的学校能提供提出问题的真实机会并在教师的指导下找到解决方法。学生在好奇心的驱使下会提出问题、认真观察、收集数据、解释数据、承担风险、测试结论，从而变得富于创造力，教师也更加灵活，更能容忍学生的错误[10]。

特色STEM高中训练有素的教师应掌握专业领域的知识和教学策略，全身心投入教学，促进学生的课堂学习，挑战学生的思维习惯，使学生与社会紧密联系，在课堂上有效地使用各种技术手段，通过工作坊促进专业发展、更新知识和技能[10]。

学校生态系统内的其他行动者包括学生干部、教师领导、工作人员、管理人员和学生家长等社会人士，他们既能围绕有意义的目标和共同价值观形成独特的学校文化，又可以相互联系、交流。为了营造更好的学习环境，社会人士鼓励教师通过交流获得更多权利、参与决策过程和欣赏自己而承担更多的责任。当教师承担这些责任时，会提升专业教学，改进教学策略[2]。

成功人士包括大学教职员、实验室技术人员、商业或行业领袖、其他STEM专业人士和学生家长，他们是一种激励因素，参与对学生、教师的指导，成功人士通过实习或学徒计划在校内外与学生和教师交流、互动。学生通过实习或与成功人士的互动，获得真实的生活体验，这是运用所学知识最有效的方法，也有利于保持对STEM的学习兴趣。

(二)环境因素

学校生态系统中主要的环境因素是学习环境，特色STEM高中的正式和非正式学习环境不应泾渭分明，行动者应和谐地利用它们。图1的矩形代表正式的学习环境，椭圆形代表非正式学习环境，虚线表示学习是开放的，不应局限于学校，要鼓励学生在其他环境中学习知识。学生在课余时间开展项目研究，寻求问题的解决方案，也会得到各方面的帮助。这些项目可作为学生的成绩，并在学校的科学博览会上作介绍和展示。

在正式学习环境中，严格的课程和教学策略发挥着重要作用。严格的课程应确定优先次序的标准，给每个单元命名，为单元制定标准，建立学习日志；整合形成性评价，创建前后单元的终结性评价，在每个单元前提供补救干预措施[2]。

为了确保课程质量，基于项目的教学策略需要不断改革，这种变革包括STEM学科中的教与学的持续性变革。严格的课程和教学策略的变化应满足高级课程的需要。

技术资源是学校生态系统的另一个环境因素。技术对基于探究性的教与学都非常重要，在技术主导的社会里，学生利用技术可以快速得到丰富的信息，了解导师正在进行的研究。在技术手段匮乏时期，教师和学生都不像今天这样很容易接触到计算机和其他工具，现在的问题不是缺乏技术，而是教师如何将技术融入教学实践[11]。为此，教师应得到在教室里使用技术的优质培训，专业人士不断指导教师的教学。当作为行动者的教师和学生在学校生态系统中协同使用它们时，以上的学习环境和技术资源等因素都是有意义的。

(三)协同行动

生态系统内的协同行动是行动者之间的互动，学校生态系统中的协同行动包括交流、合作、指导和评价等。所有的协同行动都是行动者之间的合作和互利[8]。

1.交流

交流在系统中较为突出，可以在课堂内，也可以在课堂外。沟通渠道畅通是优秀学校的典型特征，当教师明确指出课堂行为的规则、规范和应达到的学术成就时，学生都会积极、踊跃地表现，从而取得良好的教学效果[12]。

2.合作

教师、社会人士和成功人士的合作尤为重要，STEM交叉学科的研究需要更多来自教师、学生家长和其他STEM专业人员的支持。例如，教师和社会人士可以与大学教师、技术人员、工商业领袖、其他STEM专业人士和学生家长合作。

3.指导

学生对与STEM职业相关的教育成见会阻碍其获得STEM学位，而有效的指导能对学生心目中科学家的形象产生积极影响，尤其是有利于弱势群体学生学习STEM专业和职业[5]，准备上大学的学生可以在导师的指导下学习相关学科。

4.评价

综合运用形成性评价和终结性评价，促进学生的发展。形成性评价不仅能帮助每个学生明确自己的需要并使他们走向有意义的学习目标，而且能同时有效促进教师的教和学生的学，而不是单向衡量学生的学习。为确认学生学习的有效性，仍可使用终结性评价。但应使用开放式问题、多项选择题测试、论文、报告和演讲等多样化的评价方式[13]，形成性评价和终结性评价对于促进学生发展都是必要的。

结语

特色STEM高中是随着美国社会、经济发展而出现的学校类型，从SMT到STEM，这一鲜活的学校类型始终律动着时代发展的脉搏，社会、经济的变化会导致学校也随之发生变化。学校生态系统一个微小改变就能产生规模效应，因此，教育领导者、决策者和研究人员应该考虑学校生态多层次的干预措施[8]，实现STEM教育利益相关者的共赢。