国际STEM教育研究进展与启示——基于SSCI期刊《国际STEM教育期刊》载文的内容分析

张 博

国际STEM教育研究进展与启示——基于SSCI期刊《国际STEM教育期刊》载文的内容分析

张 博

（东北师范大学 体育学院，吉林 长春 130024）

STEM教育已成为世界各国教育领域培养未来人才、回应社会挑战的重要教育实践活动，现已产生了诸多研究成果．《国际STEM教育期刊》是目前唯一收录于SSCI数据库的STEM教育专门研究期刊，自2014年创刊以来刊载了诸多STEM教育专业性研究，值得深入探索与研究．经梳理，国际STEM教育研究主要集中在基础性的STEM教育理念研究、过程性的STEM教学变革研究和发展性的STEM教育推进研究3个方面．研究对于中国STEM教育发展有3个方面的启示：一是强化STEM教育理论研究，从基础上把握STEM教育本质内涵；二是开发STEM教学设计路径，从过程上促进STEM教育理念落实；三是健全STEM教育协同生态，从发展上助力STEM教育深度推进．

国际STEM教育期刊；STEM学校；STEM教学

提供高质量的STEM教育实践活动目前已成为世界范围内各个国家培养高层次人才的重要途径，相关研究成果不断涌现[1]．《国际STEM教育期刊》（）创刊于2014年，属于在线开放访问期刊，重点关注科学、技术、工程与数学（STEM）教育领域内的相关问题，是目前唯一收录于SSCI数据库的STEM教育研究专门期刊，为来自各个学科研究人员和教育工作者的相关研究成果提供了发表和共享的平台，促进STEM教育领域原创的、系统的以及高质量研究的深入发展．该期刊面向不同层次教育阶段的STEM教育所有相关问题，侧重于对STEM教学和学习的研究，旨在解决学生在STEM教育实践活动中所面临的各种挑战等．

截止到2020年10月31日，该期刊共收录相关研究文章242篇，呈现了近年来STEM教育研究的全面样貌与关注重点，为中国STEM教育发展提供了前沿和丰富的研究信息，值得深入挖掘与分类研究．经过梳理和分析发现，《国际STEM教育期刊》深入理论与实践两个层面，全面思考STEM教育的现在与未来．总体来看，期刊主要关注三方面的STEM教育主题：一是基础性的STEM教育理念研究，二是过程性的STEM教学变革研究，三是发展性的STEM教育推进研究．

1 基础性研究：STEM教育内涵的理解

21世纪以来的科学教育变革开始走向跨领域、综合化以及全景式的教育形态，越发重视学生综合运用不同学科领域的知识和方法来理解和解决实际问题能力的培养，STEM教育的引入正是源于分科教育对自身的反省以及对未来人才培养趋势的把握．当前，STEM教育研究者对于STEM教育中科学、技术、工程与数学的整合理念与路径仍在持续探索，深刻诠释与构建STEM教育内涵，为回应新时代全球挑战对于高层次人才培养的现实需求指明了发展方向．《国际STEM教育期刊》中对于STEM教育内涵的理解主要集中在以下3个方面．

1.1 STEM教育应指向解决现实世界中的实际问题

在世界范围内，STEM教育变革受到大众媒体的极大关注．尽管全世界越来越重视STEM教育，STEM教育一词的使用也愈加频繁和广泛，但是STEM教育所包含的根本特征及其对课程和学生成绩的意义仍存在很大的不确定性．此外，如果没有对于STEM教育的共同理解，那么设计和实施促进所有学生成功进行STEM学习的课程与教学将难以完成．Tamara基于意义建构理论（sense-making theory）考察了STEM教育所包含的多重意义价值[2]．其指出，STEM教育指向需要一种跨学科的方法来解决现实世界中的问题，具体包含3个方面的中心意义：一是跨学科的联系，即STEM教师需要开发跨学科课程，这不仅包括技术、工程、数学以及科学之间的相互整合，同时还包括与写作、阅读以及社会研究等科目的扩展和连接；二是基于项目/问题的教学实践，即教师需要通过基于项目或者基于问题的教学帮助学生积累相关的STEM学习经验；三是学校中的问题与现实世界中的问题相联系，即使得学生得到真实的学习经验，让课堂教学任务的主题同课堂外现实世界环境之间相互联系．

1.2 STEM教育应指向各个学科连贯系统的有效整合

21世纪经济和社会环境的迅速发展极大推动了全球STEM教育的长远发展与深度发展．在过去的近三十年实践中，全球经历了大规模的STEM教育改革，但在实践中STEM教育者对STEM教育理念缺乏连贯的理解，教师很难在STEM学科之间建立联系，这导致学生往往对STEM学习不感兴趣．Todd指出STEM教育侧重于将孤立的学科加以改进以及STEM知识在实践中的真实应用，当学生几乎不了解各个学科之间的联系时，进行STEM学习会是一项极大的挑战[3]．因此，Todd基于学习科学理论提出了STEM教育整合框架，该框架包括情境STEM学习、STEM要素（工程设计、科学探究、技术素养、数学思维）和实践社区3个部分组成．其中，情境STEM学习既是学生学习和发展STEM知识与技能的平台，又是学生STEM教育实践活动的“负荷”，是对于学生问题解决能力的实际考察；工程设计是STEM学科整合的关键，能够在STEM学科之间找到交叉点并建立联系，为学生提供了一个系统的视角来解决情境问题；科学探究培养的是学生像真正的科学家一样思考和行动，学生用标准的科学实践提出问题、假设和进行调查，将所学的知识技能转移到真实的情境问题中；技术素养指向学生能够批判性地思考技术本身的问题，而不仅是停留在将技术视为物质对象的工具，还包括文化、社会、环境等影响；数学思维可以赋予学生在STEM学习中的分析理性，帮助学生看到数学在生活中的意义；实践社区可以帮助学生更好地理解每个STEM领域并帮助其实现STEM学习所需的关键学习成果．

1.3 STEM教育应致力于促进多样化与包容性

STEM教育旨在帮助学生获得和利用与STEM领域相关的知识和技能，学习现实世界中科学家和工程师的实践经验与思考解决问题的方法．然而并不是所有的学习者都能获得高质量的STEM教育机会，因此促进STEM教育中多样化、公平性与包容性的努力从未停止，各级STEM教育实践应重视提升代表性不足群体的参与以及消除种族、性别、残疾等多方面的歧视．Meggan在对美国一所公立大学进行调查时发现种族微歧视（RMA）仍然存在，这需要学校行政部门、教职员工以及学生群体的共同努力才能削减其对于STEM教育的影响[4]．Mariel在研究中指出注意力缺陷与学习障碍的学生在实验室工作、小组合作等STEM学习环境中存在着明显的适应性困难，进而设计了自我导向型的STEM学习方式，并发现其能够有效提高这类学生在STEM学习中的学习效果[5]．Erin指出教师在教学前充分了解特殊学生的学习障碍并进行教学调整，能够激发教师在教学中对于弱势群体的支持态度，进而创建更加具有包容性的STEM教室[6]．

2 过程性研究：STEM教学变革的图景

STEM教学是STEM教育实践活动的重心，也是推进STEM教育发展落实的最后一公里．STEM教学实施应最大限度地调动学生的学习动机，提升学生的学习兴趣，发展学生的STEM综合素养．当前，国际上普遍关注改善与创新STEM教学理念以及教学模式等，而设计有效的STEM教学以培养社会需要的STEM人才已经成为重要的研究方向．《国际STEM教育期刊》中对于STEM教学变革的图景主要集中在以下两个方面．

2.1 教学理念改进

STEM教育重在打破学科界限，引导学生建立学科知识与现实世界之间的有机联系，以解决实际问题作为目的，注重学生在实践中的真实学习，这使得学生在学习过程中不仅仅是记忆了知识点，同时还获得了真实体验，加深学生对知识的理解与应用．为了能够实现STEM教育的核心目标，教师在进行STEM教学时需要进行教学理念上的深度革新．

2.1.1 强调概念学习：从概念整合到学科整合

科学概念的教学是STEM教育领域持续关注的话题．Douglas从数字游戏设计这一STEM教育情境的研究出发，指出科学概念的教学应从专注于概念整合（conceptual integration）的STEM游戏设计转向专注于学科整合（disciplinary integration）的STEM游戏设计[7]．这是因为前者仅仅是将目标STEM概念直接集成到核心游戏环境，构筑基础是对世界的直观理解与概念渐进性发展，重点通过游戏中的设置来支持学生进行经验重组，让学生在熟悉情境中对概念进行反复抽象而加深学习，而后者通过将目标STEM概念与核心游戏环境进行交互设计，在游戏的导航机制中进行STEM概念的学习和扩展，构筑基础是科学概念的发展与科学实践，能够鼓励学习者向着研究复杂问题的科学家一样系统学习，而不是在处理随机事件等．

2.1.2 关注高影响力教学：以教师为中心到以学生为中心

STEM教育重视学生在情境中自主探索与动手实践，不再拘泥于传统以教师为主的课堂授课，从而最大程度培养学生的创新能力．Leslie指出STEM教育需要摒弃传统教学中教师主导并直接向学生传授内容的教学观念，认为学生在学习过程中起着主动的作用，而不是被动地从教师那里获得信息．新时期的STEM教育需要以教师为中心到以学生为中心进行转变，例如项目式学习（PBL）要求学生主动探索现实世界中的问题，培养学生的批判性思维与认真钻研的科学精神[8]．Robert在调查中指出教师的教学实践观念与STEM教育所倡导的教学理念存在不匹配性，比如STEM教师在制定教学计划时更多的是以教师为中心，机械考察学生课堂出勤，这让学生降低了进行STEM学习的兴趣[9]．Emily同样也关注到了以学生为中心进行STEM教学的重要性，其在为期4年的教学改进计划中，通过帮助教师采用以学生为中心的包容性教学法来改善学生STEM学习的效果，结果发现以学生为中心的教学质量有明显的提升[10]．

2.2 教学方式改进

持续推进STEM教学方式变革，推动STEM教育更高质量发展是STEM教育领域中的热点问题．STEM教学与传统教学方式相比有着诸多的不同，在计划和实施STEM教学时，必须一方面尊重各个学科的内在方法和概念，并考虑在它们之间建立关系的必要性和重要性，这是学生如何学习和应用STEM内容解决实际问题的基础；另一方面，增强学生在STEM学习中的认知参与和能力发展．此外，教师也可以通过多种方式强化对STEM教学方式的创新，从而达到发展学生STEM素养的最终目标．

2.2.1 基于认知参与的教学

有意义的STEM学习取决于学生高质量的认知参与，因此在教学过程中，教师需要帮助学生从浅层认知加工转向有意义的深层认知处理，从而促进更高级的认知学习成果．依据STEM教学过程中师生之间的互动情况，Chi提出了交互（interactive）、建构（constructive）、主动（active）与被动（passive）认知参与框架（ICAP）．其中交互式参与是指学习者与周围他人进行建设性的交流，例如小组合作学习解决项目中的问题；建构式参与是指学习者在除了学习给定的材料以外能够产生新的想法或行为，例如学生学习古诗后能够自行解读其背后的思想；主动式参与是指学习者采取某种明显的身体动作参与到学习中，例如旋转显微镜使成像更清晰；被动式参与是指学习者接受来自教学的各种信息但不做任何其它事情，例如仅听而不做笔记．Chi指出交互式参与比建构式参与效果更好，建构式参与比主动式参与更好，主动式参与比被动式参与更好（I＞C＞A＞P）．该框架可以帮助教师分析和评估课堂教学环境中学生的认知参与深度，帮助教师改进教学．Catherine在认知参与框架（ICAP）基础上抽离出CAP部分来探索教师在促进学生各种形式认知参与中的作用，进一步确定在STEM探索性学习活动中教师提示的有效性，并将其分为建设性的、主动的和被动的教师提示．结果发现，教师在教学过程中应该向学生提供较多的建设性提示，相对较少的被动性的提示，从而让学生在产生创新思想的同时将知识迁移到新的情境中[11]．Allyson基于ICAP框架开发出了学生课程认知参与工具（SCCEI）用以衡量学生在记笔记、处理文本以及同伴互动过程中的认知参与度，教师在了解学生对课堂结构的参与度后可以根据不同的现实情况改变教学实践策略[12]．

2.2.2 基于边界对话的教学

事实上，将STEM教育真正落实的艰难在于师生双方在试图从STEM中一个学科知识领域跨越到另一个学科知识领域时，都会遇到一定的认知障碍．这是由于每个STEM学科都有自己的认识论与方法论实践，并且学科领域之间的界限很难改变．Allen强调不能将STEM各学习领域间的边界视为障碍，而是将其视为学习的潜力，这是因为STEM各学习领域的边界往往涉及了多个视角并且具有极强的不确定性与可塑性，反而创造了教师的教学空间与学生的思考空间．基于此，Allen基于学科边界可视为一种对话现象的核心思想，将其纳入到STEM教学的实践社区与问题解决等过程，提出了交互跨界的STEM教学法框架．教师可以通过构建适当的边界对象在不同的STEM学科之间传递知识，从而让学生在STEM学习中有效实现知识之间的有效贯通[13]．

图1 边界对话的基本框架

2.2.3 基于模型构建的教学

当前，STEM教学所面临的巨大挑战之一是教师如何以有意义且相关联的方式将两个或者多个STEM科目在真实的实践中整合到一起并在教学活动中得以实现．STEM教育远不只是4个学科的便捷整合，而是涵盖了现实世界的综合问题，不能也不应该孤立地学习，就像4门学科在现实世界中也不是孤立地存在一样．Jonas在研究中指出，STEM教学需要各学科之间互动并保持每个学科的完整性，且模型构建能够通过真实的实践弥合STEM各学科之间的割裂．其在研究中指出，模型简化了现实情境中的诸多现象并有着多种表现形式，例如物理化学领域的概念模型、技术工程领域的设计模型等．由于STEM各学科在模型建构方面的实践存在着天然的相似性，因而模型可以成为连接各学科的中间桥梁，使得STEM教师能够在真实的实践活动中利用模型搭建STEM各学科的中心概念[14]．

3 发展性研究：STEM教育推进的思考

STEM教育为学生提供了学习更多相关和刺激经验的机会，鼓励使用更高层次的批判性思维技能，提高解决问题的技能，激发学生的学习好奇心，培养对科学的积极态度，并鼓励学生在STEM学习的过程中取得更高的成就并加深对周围世界的理解．持续推进STEM教育是未来教育发展的重要趋向之一，同时也是促进STEM教育多元化发展与深度性发展的基础．《国际STEM教育期刊》中对于STEM教育推进的思考主要集中在以下3个方面．

3.1 高度重视STEM课程的有机整合

当前的STEM教育要求科学、技术、工程和数学4门课程之间进行有机整合，为学生提供在现实世界、多学科环境中体验学习的机会．虽然，课程整合已经被广泛接受为STEM教育的内核，但是STEM教育的泛化研究使得STEM教师对于STEM教育内涵的理解普遍存在困惑．为此，Emily在课程整合层次上认为STEM教育是指“根据学科与现实世界之间的联系，将科学、技术、工程和数学4个学科中的部分或者全部整合为一门课程、一个单元或者一个课程问题”，并据此探索了9名中学物理教师在课堂上实施STEM课程单元时的经验考察．在经过一个学年的111次观察后，研究者通过教学日志数据将每个STEM课程单元的实施过程进行了编码分析后发现了3种不同程度的整合情况，分别是附加整合（低程度整合）、显性整合（中程度整合）与隐性整合（高程度整合），并指出教师在高程度整合的STEM课程中能够在各学习领域之间建立明确而有意义的联系．与此同时，学生在高程度整合的课程中学习效果更好[15]．由此可见，教师在STEM教育中需要高度重视STEM课程的有机整合，明晰各学习领域之间的密切联系，提升STEM教育质量．

3.2 加快推进STEM学校的整体建设

在美国，STEM教育虽然已经获得了巨大发展，但众多研究者仍在深入研究更多方式来提升学生对于STEM学习的兴趣及其所取得的成就．近年来，STEM中小学在美国各州逐渐兴起，并成为使更多学生进入STEM专业学习的驱动机制．为了能够探查STEM中小学校的特征，Melanie调查了美国7个州的20所STEM中小学校，对每所学校的书面材料、学生以及家长手册、新闻报道、音像文件、领导访谈等信息进行编码，总共确定了76个不同的细节特征．这项研究经过再次讨论遴选发现，STEM中小学在以下8个关键性特征及对应要点中表现优异，分别是个性化学习（差异化教学、灵活的时间表与学生自主性），PBL学习（跨学科学习、同伴指导与真实性学习），高水平学习（真实性学习、任职要求较高的任务与核心课程），职业、技术和生活技能（操作、实习、示范），学校社区（教职工的支持、学生彼此信任、学生为学校做出贡献、教职工行为和价值观），外部社区（学校保持联系、教职工实践、学生社会服务），职工基础（教职工协作、领导支持教职工成长），背景基础（家庭参与、教职工信念）[16]．不可否认的是，STEM中小学的建设集中了众多STEM教育资源，并且能够具有针对性以及系统性地培养STEM人才．

3.3 扩展强化STEM中心的协同服务

随着人们对于STEM教育的关注度不断上升，美国诸多中小学以及高校院所设立了STEM教育中心（STEM Education Center，SEC）数量不断增长，成为助力于不同阶段学校STEM教育变革的有力支持机构．为了能够深入了解STEM教育中心对于STEM教育的作用机制，Deborah从124个STEM教育中心里选取6个样本进行多维比较．经过编码分析发现，STEM教育中心的功能主要包括两个方面．一是通过教育研究和提升教学质量两个功能来改善STEM教育，STEM教育中心致力于弥合STEM教育过程中理论与实践之间的差距，设计、实施并与评估STEM课程创新的成果以及提供学生STEM学习效果的基准数据等．此外，STEM教育中心还致力于通过研讨会、讲习班等分享成功经验，强化对于STEM教学的研究与支持，例如创新STEM教学方式等．二是统筹与协调各类STEM教育资源以供学生积累学习经验，例如和社区建立合作伙伴关系共同开展STEM实践学习，通过举办活动以提供真实体验来满足学生需求，通过争取资金来修缮基础设施以创造更好的STEM环境，从而增加年轻人和公众的参与等[17]．

图2 STEM教育中心

4 对中国STEM教育发展的现实启示

当前，STEM教育正在全球轰轰烈烈地展开，美国最新STEM教育5年计划（2019—2023）的发布，爱尔兰十年STEM教育政策（2017—2026）的印发以及中国STEM教育2029行动计划的实施等将世界范围内STEM教育推向了一个新的发展阶段．《国际STEM教育研究》作为国际上唯一被SSCI收录的STEM教育专门研究期刊，持续关注了全球各国STEM教育发展的重要事项，为中国SETM教育发展提供了3方面的重要启示．

4.1 强化STEM教育理论研究 在基础上把握STEM教育本质内涵

当前，中国对于STEM教育的推进表现出极大的热情，无论是幼儿园以及中小学阶段的课程建设，还是大学乃至于研究生阶段的综合实践，都积极落实STEM教育的相关理念．随着中国各级STEM教育的不断扩展，从事STEM教育的工作者越来越多，这就要求STEM工作者必须深刻理解STEM教育本质内涵，全面具备科学、技术、工程以及数学领域的完整认识．美国STEM教育领域代表人物Johnson指出，STEM教育像是一种思考现实世界的方式，帮助学生认识到如何解决现实世界中的问题以及社会中存在的挑战[18]．基于此，强化STEM教育理论研究愈加重要，清晰阐释STEM教育本质内涵及其对于STEM课程、STEM教学以及STEM评价的指导作用是保证STEM教育发挥最大育人功能的关键．尤其对于教师群体而言，其有必要了解STEM教育中所必需的目的、内容和方法，所需要具备的专业技能和专业属性，才能为学生组织真正的STEM项目，避免形成“摸不着头脑”以及“摸着石头过河”的状态，制约STEM教育的进一步深化．

4.2 开发STEM教学设计路径 在过程上促进STEM教育理念落实

STEM教育旨在提供来自于真实世界的现实问题，让学生围绕问题进行实践探究，以所收集到的证据为线索进行逻辑推理，最终整理成解决问题的可行方案．基于此，教师在进行教学实践活动时需要意识到STEM教育的根本不应是让学生们去表征世界，而应是让学生们去介入世界，不是观察和描述，而是操作和改变，让学生真正发现这个世界是怎么样的．因此，教师在进行STEM教学设计路径的开发时，尤其需要关注3方面的内容：一是教学目标的设计上需要从低层次的单一任务转向高层次的综合任务，让学生能够有序组织在STEM学习过程中所遇到的事实、概念以及方法等，促进学生综合思维的发展；二是在教学过程的设计上要为学生提供完整的、整体的活动场景，通过这一场景进行有序的、系列的扩展，将不同领域的活动组织起来，重视学生的认知参与和思考实践，同时使用多种方式进行教学效果分析；三是在教学评价的设计上要关注跨学科素养和解决问题的能力，指向的是让学习者获得应该能够在任何适当的现实生活中可以使用的、永久保留的记忆或联系，并能够随时召回，对于学生综合能力水平进行准确评估．

4.3 健全STEM教育协同生态 在发展上助力STEM教育深度推进

STEM教育经过几十年的发展已经逐渐形成相对完善的教育体系，尤其是在课程开发与教学实践等方面积累了诸多成熟经验，但就其发展的总体来看，中国尚未形成联动的、多元的、统筹的STEM教育发展机制，政策、资源等各方面支持还无法完整支撑STEM教育的纵向与横向运转，因而建立健全统筹多方面资源的STEM教育机制，从发展行助力STEM教育深度推进迫在眉睫．STEM教育强调多学科融合，是科学、技术、工程与数学的复合体，与STEM教育相关的学校、学院和大学、图书馆、博物馆等其它社区资源都应该囊括其中，从而向学生提供完整的STEM学习体验，形成以学生为中心的STEM教育生态，将扩大和丰富每个学习者的教育和职业生涯，还意味着让学习者参与到本地雇主的基于工作的学习经验、实习、学徒和研究经验中．第一，STEM教育的内部发展需要形成完整格局，即能够创新学校STEM教育模式，充分落实STEM教育理念，革新STEM教育方式与课程内容，建立校内与校外STEM教育的沟通机制．第二，STEM教育的外部发展需要形成网络体系，即形成以STEM教育为中心的集政府部门、高等学校、科研机构、企业单位、公共服务机构以及中小学校等为一体的圈层设计，打破不同单位机构之间的机制壁垒，分工明确、活化资源、有机联动，打造有多方力量参与的STEM教育生态，在实现STEM教育全方位发展的同时扩大STEM教育的辐射范围与社会影响．

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International STEM Education Research Progress and Enlightenment——Based on the Content Analysis of the Papers Published in the SSCI Journal

ZHANG Bo

(School of Physical Education, Northeast Normal University, Jilin Changchun 130024, China)

STEM education has become an important educational practice in the field of education in the world, including China, to cultivate future talents and respond to social challenges, and has produced a lot of research results.is currently the only STEM education specialized research journal indexed in the SSCI database. Since its inception in 2014, many professional studies on STEM education have been published, which is worthy of in-depth exploration and research.After sorting out, international research on STEM education mainly focuses on three aspects: research on basic STEM education concept, research on procedural STEM teaching reform and research on the development and promotion of STEM education. This study has three implications for the development of STEM education in China: first, to strengthen theoretical research on STEM education and to grasp the essential connotation of STEM education on the basis; second, to develop the path of STEM teaching design and to promote the implementation of STEM education concepts from the process; third, to improve the collaborative ecology of STEM education and to promote the in-depth advancement of STEM education from the development perspective.

; STEM school; STEM teaching

2021–11–12

2020年度吉林省社会科学基金项目（博士和青年扶持项目）——新时代劳动教育与体育教育关系研究（2020C087）

张博（1990—），男，吉林长春人，讲师，博士，主要从事教育实践活动与体育人文社会学研究．

G420

A

1004–9894（2022）02–0058–05

张博．国际STEM教育研究进展与启示——基于SSCI期刊《国际STEM教育期刊》载文的内容分析[J]．数学教育学报，2022，31（2）：58-62．

[责任编校：张楠、陈汉君]