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美国中小学STEM教育实施的路径与启示

范文

文洁　张艺苇　马悦　赵慧

摘要：在政府和高校的积极推动下，我国STEM教育实现了快速发展，但在实施过程中仍存在诸多问题需要借鉴国际经验来加以分析和解决。文章通过对美国中小学STEM教育实施的特征和实施阶段等进行深入分析，认为美国中小学实施STEM教育的经验对我国存在以下一些启示：加强基础设施的建设，为STEM教育提供支持和保障;给予教师教学指导，为STEM教育培养优秀师资;设计交叉协同的课程，为STEM教育安排合理的学习内容;开展扩展学习，为STEM教育提供辅助支持。

关键词：中小学;STEM教育;实施路径

中图分类号：G622 ? ? ? ?文献标志码：A ? ? ? ? ? ?文章编号：1673-8454（2021）02-0001-07

一、我国中小学STEM教育实施问题亟待关注

作为一个多学科交融的综合领域，STEM 教育注重实践和过程，强调解决真实问题，以更好地培养学生的创新精神与实践能力、将知识转化为解决问题的能力以及综合应用与独立思考的能力，是一种行动学习[1]。STEM的教育目标是确保公民具备通过STEM教育自我提升的能力、培养精通STEM相关技能的劳动力、培养未来的STEM专家以及减少目标和参与的差距，如表1所示。STEM教育已经不仅仅是单纯的学科或课程层面的改革，更代表了面向未来的教育发展战略，甚至成为国家提升科技创新的重要途径。

为提高国家的综合国力，我们需要培养一大批能够满足社会发展需要、适应现代科技发展水平、具有创新能力和开拓精神的复合型人才队伍。在政策支持方面，《教育信息化“十三五”规划》提出：积极探索信息技术在众创空间、跨学科学习（steam教育）、创客教育等新的教育模式中的应用。在实践开展方面，国内已有多所中学引入了STEM教育相关课程。在政府和相关研究机构的积极推动下，我国STEM教育实现了快速发展，但在实施中仍面临着诸多问题，有待借鉴国际经验来加以分析和解决。

二、美国中小学STEM教育实施的特征

1.分阶段实施：由最小程度实施、部分实施到全面实施逐步推进

对传统的分科式教学而言，倡导跨学科教学的STEM教育是教学变革，而且STEM的全面普及具有长期性。为保证STEM教育顺利推进，需要分阶段实施。根据与传统教育的整合程度，STEM教育实施过程可分为最小程度实施、部分实施和全面实施三个阶段。

在最小程度实施阶段，STEM教育仅作为传统教育的补充，学校主要以传统教育为主，仅在某学习单元或学年结束时开展STEM教育活动，让学生体验跨学科、基于项目的学习方式。在部分实施阶段，STEM教育活动附加在传统课程后，学校中的部分学生能够长期参与STEM项目。在全面实施阶段，STEM教育全面整合到傳统教育中，学校开设跨学科、基于问题解决的STEM课程，以提高学生的创新能力和实践能力为目标，形成新型的非传统教学模式。

2.凸显关键要素：基础设施、教学指导、课程、扩展学习

STEM教育的实施强调基础设施、教学指导、课程和扩展学习四个关键要素。其中，基础设施是STEM教育顺利实施的保障，可以为教学活动的开展提供条件支持。相对于传统教育，STEM教育的教学方式有所改变，对教师进行教学指导十分重要。实施STEM教育的任务之一是改进现有的课程，使其具备跨学科教学的特征。为充分提升学生的创造能力，学生不仅需要在学校学习，还应该通过校外的扩展学习提高STEM素养。

3.可操作性强的步骤：采用可量化的方式

美国中小学实施STEM教育，针对基础设施、教学指导、课程和扩展学习等要素设计了多个活动项目，每个活动项目都对应有度量指标，便于相关人员采用量化的方式推进STEM教育的发展。

三、美国中小学STEM 教育实施的分析

作为对传统教育的变革，STEM教育的实施不能一蹴而就，而应循序渐进地与传统教育相整合，最终实现教育模式的转变。从最小程度实施阶段、部分实施阶段到全面实施阶段，STEM教育由传统课程的补充转变为非传统的学校体验，最终成为不同于传统教学的新教学模式。

在最小程度实施阶段， STEM教育中基于问题的学习被用来作为课程的补充学习，单独的STEM学习单元经常被安排在某单元或某学年的结束，这依旧是传统的学校设置。它还可以包括产/企业或非营利组织提供的短期学习单元，向学生提供STEM经验，为其提供所需的技能。

在部分实施阶段，作为非传统的学校体验，STEM相关经验和技能逐渐融入到课程中，学校可能将STEM项目附加在常规课程后或当作提高教育质量所采用的教学手段。因此，教师需要长期进行跨学科合作项目或者是学校间合作。学校为获取材料、资源和资本频繁地与商业企业保持合作，并且建立领导团队为学校员工、学生家长和社区团队提供指导。该阶段仅有部分学生能够长期参与STEM项目。

在全部实施阶段，整个学校或地区都主动促进STEM的实施。在这个非传统的教育模式中，STEM 职业、经历和技能均可以推动课程的展开，教室就像工作场所。教师需要基于真实情境中的问题展开课程教学，引导和培养学生在团队合作中解决问题的能力。通常，主要技能被某领域或地区的STEM 企业所需要。企业为学校STEM教育提供材料、资源和资本。

1.基础设施在不同实施阶段的支持作用（见表2）

（1）最小程度实施阶段

在最小程度实施阶段，领导团队为教师教授STEM课程提供必要的材料和资源。管理者鼓励教师进行合作，将STEM整合到所有课堂教学中。

在该阶段，组建合作型领导团队。团队成员来自学校、学区/学校董事会、社区、高等教育和STEM行业。领导团队在与利益相关者沟通后，确定STEM教育的愿景和使命，确定期望学生达到的学习目标，制定出合作时间和专业学习的日程安排;领导团队定期监控STEM项目的进展情况，并提供指导和支持;通过开展强化项目来提高教师的STEM素养，为保证强化项目的有序进行，制定与专业发展活动相关的STEM日程安排;根据学校的课程要求及整个区域劳动力需求，确定并采取适当的技术。为支持STEM教学活动，学校提供教学设施，包括娱乐、游戏等用的桌子和实验室长凳等。

（2）部分实施阶段

在部分实施阶段，教师、学生、工作人员和社区进行高度协作。为了合作，教师会安排共同的计划教学时间，并拥有可以相互合作创办新型STEM 学习班的自由。领导团队为全体教员提供指导和支持，为学生、社区和企业提供交流的机会。

在该阶段，STEM教育更加强调基础设施的建设和应用。在学年开始前，学校准备好STEM实施所需的实验室空间、资源和物资;制定本学年的教学日程安排，为STEM项目开展、教师规划课程和非传统课堂留出足够的教学时间。为了保证STEM项目按照预期计划实施，领导团队、教师、家长和社区定期开展会议来评估项目的效益，并根据结果安排下一步的任务。

（3）全面实施阶段

在全面实施阶段，学校为管理员和教师提供与校外合作伙伴进行合作的机会，并将这些机会运用在课堂教学中;建立领导团队，为学校员工、学生家长和社区提供指导。

全面实施阶段的基础设施建设是在部分实施阶段效果的基础上，由教师和学校管理人员组建团队，以解决特殊的STEM学校的需要;制作课程地图和课程进展表，使不同级别和不同科目的STEM课程均自然地融入到传统课堂中，战略性地推进STEM课程的实施;创建专业学习社群，根据合作型领导团队成员与利益相关者共同商议的使命、愿景、目标和期望定义其角色和职责。学校团队与学生家长、团队成员也会通过通讯、网站、社交媒体等形式进行交流，向所有利益相关者反馈STEM教育实施情况。

2.不同实施阶段的教学指导（见表3）

（1）最小程度实施阶段

在最小程度实施阶段，教学通常发生在课程周期内，而且在教师的指导下进行。STEM教育可能实现跨学科的合作指导（也可能不会）。同时，政府对STEM教师的专业发展、课程资源和学习材料予以支持。

在该阶段，STEM教育增加了学生参与和完成学习任务的时间，促进了学生通过STEM调查、开放性探究和真实世界的问题来参与基于问题的学习。为提升所采用教学策略的可行性及有效性，课程领导团队确定适合STEM教育和学习项目的教学策略，支持教师运用翻转课堂或虚拟学习等创新的、非传统的教学策略辅助教学。为了促使学生持续参与STEM学习，教师和学生组织开展会议并调查数据，挖掘学生的学习潜力、兴趣和优势。通过教师专业发展可以提升教师教学水平，及时满足学生的学习需求。

（2）部分实施阶段

在部分实施阶段，学校不仅为传统学习提供经验支持，还向学生提供非传统的 STEM 学习经验。尽管课堂可能仍旧是传统模式，但会在调查咨询的基础上高度改进，引导学生解决与他们相关的现实世界中的问题。除了学校的常规课程外，许多学校也提供合作、实习或工作研究项目。教师与校外合作伙伴共同协作，将这些机会整合在课堂中。学生在团队中朝着共同目标沟通合作。当然，学校仍旧存在传统的教学形式。

在这一阶段，更加重视指导教师如何面向学生开展STEM教育。学校为教师专业发展提供跨学科的团队合作和计划方案，并设置专业学习活动日程表，调查并评估社区和企业的需求，确定本地/地区的STEM就业需求，与学校STEM教育计划相结合，确定行业技能所需的教学模式，提高学生在STEM领域的就业机会。值得注意的是，在部分实施阶段，STEM教育并不强调技术的重要性以及STEM教育公平问题。

（3）全面实施阶段

在全面实施阶段，学生参与基于现实世界中相关的复杂问题的学习项目。这可能包含实习、合作社、项目研究、师徒制（Mentorship）和工作见习。教师引导学生提出问题、开展研究、解决问题和开发新技术。STEM教育的实现需要教师、学生、员工和团队之间高度协作的环境支持。教师需要有共同课程规划的时间进行合作和反思教学，有可以相互合作创办新型STEM补习班的自由以及获得赞助和创建新技术的机会。学生与教师的合作可以改变传统的师生关系，从而向更融洽的关系发展。

在该阶段，STEM教育兼顾教师教学能力的提升和教学思想的转变。教师应注意观察学生调查问题的方法，包括协作、提问、资料、交流、基于证据提出主张和开展批判性思维;注重教育公平问题，强调学习差距和获得高等教育的机会，并为弱势群体学生制定特殊的学习计划，尽可能地满足学生个性化学习的需求。

3.不同实施阶段的课程特点（见表4）

不同实施阶段的STEM课程特点大致相同，仅在个别活动项目上有所差别。在最小程度实施阶段、部分实施阶段和全面实施阶段，课程必须与美国STEM教育的相关实施标准相符合。学校也可能创建新的课程标准，该标准可能集成了跨越一年或更长时间的多个课程的内容。学校也可能提供许可、认证和相关联的等级标准，向学生提供有关大学职业培训和技能发展的课程活动。课程可能持续几个小时甚至整天。为了使不同学科之间可以自然过渡，学校会对课程进行战略性的计划改革，由多个教师在多个时间段的讲授整合而成。

在最小程度實施阶段，学校根据对当前学生学习情况的研究结果，确定一系列明确的学习目标，加强师生对STEM教学的理解。在《共同核心州立标准》（Common Core State Standards，简称CCSS）和《新一代K-12科学教育标准》（ Next Generation Science Standards，简称NGSS）或在相关国家标准的指导下开设STEM课程，开发与STEM标准和评估相一致的全面的K-12标准;STEM课程与实际环境和职业相联系，符合当地对劳动力的需求，为帮助学生掌握STEM工作所需技能提供指导;为获取学生的学习和成长历程记录，实施前测与后测，开展基于真实和综合评估的研究。学校与企业和社会机构合作，为学生提供客座演讲、领域工作等校内外的学习机会。

在部分实施和全面实施阶段，STEM学校持续采用探究和基于问题的学习方法，利用探究方式、基于课程的项目改进现有课程;将跨学科的STEM教育作为学校课程的重点内容，利用课程地图和概念地图辅助STEM教学;并根据课程所期望的结果，确定所需的各级工具列表，开发可以整合所有学科的技术课程。

4.不同实施阶段扩展学习的情况（见表5）

在扩展学习方面，不同实施阶段的情况大致相同，仅在个别活动项目上有所差别。在最小程度实施阶段、部分实施阶段和全面实施阶段，STEM学习不会止于在学校的最后一天。学校通过课外活动、做志愿者、工作研究等活动为学生提供了脱离教室和学校的STEM扩展学习项目。通常，学校员工也将参与甚至设计此类活动，以此来推动扩展学习的开展。

扩展学习主要对应于课堂以外的STEM教学活动。这些课外活动需要与校内课程相辅相成、相互促进。在最小程度实施和部分实施阶段，学校领导团队批准课外活动的开展，学校与课外活动供应商合作，确保校外学习具备继续教育的内容和功效，同时提供有关课外活动的相关支持;构建连接校内外学习机会的桥梁，为校外工作人员与教职人员提供合作机会。

扩展学习的课程大多是研究型的，采用探究学习或基于项目的学习方式，并且使所有学生均有接受扩展学习的机会。同时，扩展学习需要学校教师、家长和社区成员的共同参与。在全面实施阶段，学校还应注意调整教师的工作时间，使其有时间、有机会参与到课外活动中，指导学生开展STEM教学活动。

四、美国中小学STEM教育实施的启示

1.加强基础设施建设，为STEM教育提供支持保障

相对于传统教育，STEM教育注重培养和锻炼学生的创新意识和实践能力。为了保证STEM教育的顺利开展，需要加强基础设施建设。学校应为STEM教学活动的开展准备专门的实验室，为学生开展创造性活动提供空间，如为学生提供游戏等所需的桌子和实验室长凳等。

STEM教育的实施需要建立专门的团队，包括领导团队和教师与管理人员团队。领导团队成员来自学校、学区/学校董事会、社区、高等教育和STEM行业，把握学校STEM教育的方向，宏观调控整个实施过程。STEM教育的实施需要专门的教师与学校管理人员团队，具体落实学校领导的要求，推进本校STEM教育的发展。

2.给予教师教学指导，为STEM教育培养优秀师资

除了提高STEM教师的学科素养和教学能力外，转变其教学思想和理念在教学中也尤为重要。在STEM教育的实施过程中，学校应培养教师运用创新的、非传统的教学策略开展教学活动的能力，使他们可以指导学生进行情境学习、基于问题或项目的学习和探究学习。教师应根据当地的就业需求培养学生在STEM行业就业的技能，增加STEM领域的就业率以及就业质量。

STEM教师的职前培养主要指在高等教育阶段重视丰富学生（职前教师）的STEM知识，培养其教师教育技能，为成为STEM教师作好准备。高等教育在STEM教育中的作用包括能够提供有关STEM教师教学的框架、为学生从事STEM职业作准备，具体如表6所示。例如，学校为岗前培训或新教师分配有资格的STEM教育者，使用教师评价标准评估学徒教师的能力等。

3.设计交叉协同的课程，为STEM教育安排合理的学习内容

在STEM四个学科领域的具体课程中，科学学科的课程包括生物、化学、海洋生物学、物理等;技术学科的课程包括电脑/信息系统、游戏设计、开发人员、网络/软件开发者;工程学科的课程包括化学工程、土木工程、计算机工程、电子/电气工程、一般工程和机械工程;数学学科的课程包括数学和统计等[2]。

为了让课程满足STEM学生的学习需求，学校应在国家制定的课程标准的指导下，将跨学科的STEM教育作为重点内容改进现有课程，同时还应与实际环境和职业要求相联系，以符合当地对劳动力的需求。为了使学生对社会有更加深入的了解，学校与企业和社会相关机构合作开展客座演讲等。

STEM课程之间需要形成协同交叉、相互支持的关系，如图1所示。其中，技术与数学知识在工程中支持如何“创造”的研究，涉及人们的创造力;应用科学知识的过程中涉及技术方法，支持“发现”层面的研究。而工程和科学的研究与实践则进一步推动了技术发展和数学研究等。

4.开展扩展学习，为STEM教育提供辅助支持

STEM扩展学习包括基于学校的课外活动，如数学竞赛、机器人竞赛、科学博览会等;课外项目，如将数学融入家庭活动、用乐高构建机器人、使用动画技术讲解故事、研究野生动物等;举行工程、天文学、数论等学科的周末计划或夏令营等。扩展学习是对学校教育的补充，能够弥补学校教育的局限性，使学生的创新精神和实践能力得到全面提升。例如，科技馆、博物馆等社会机构需要引入STEM学科的扩展学习，创设STEM相关模拟实验室，建立完全向学生开放的STEM实验室，使学生有充足的空间进行开发设计。

STEM教育需要课内外、校内外多方力量的支持，需要整合课后项目、假期项目、科学中心、博物馆等资源，形成具有整体性、开放性、动态平衡性、自组织和可持续发展的系统[5]。扩展学习需要学校、教师、家长和社区成员、学生多方的努力。首先，学校应支持课外、校外活动，与课外、校外活动供应商合作。其次，教师应根据学校课程的学习情况为学生提供教学指导，或者直接参与到课外、校外教学活动中。再次，家长和社区成员也可以参与到扩展学习活动中。最后，扩展學习必须有学生的积极参与才是有意义的，学校、教师和家长应鼓励和支持学生参与课程的扩展学习。

扩展学习需要企业（商业和工业等）的支持。它们无论现在还是将来都需要受过良好教育的员工填补职位。学校和企业共同努力，使双方均受益。企业可以提供多种形式的资源和材料，包括学生和教师所需的实验室设备和技术软件等。每个项目活动前应明确活动所对应的劳动力的需求，并根据需求确定活动的步骤与相关要求，在活动中提升学生的实践能力，如表7所示。

参考文献：

[1]余胜泉，胡翔.STEM 教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015（8）：13-22.

[2]The President's Council of Advisors on Science and Technology. Prepare and Inspire： K-12 Science， Technology， Engineering， and Math （STEM） Education for America's Future[DB/OL].http：//www.whitehouse.gov/sites/default/files/microsites/ostp/pcast-stem-ed-final.pdf.

[3]Indiana Department of Education.Elementary/Middle School STEM Full Implementation [DB/OL].http：//www.doe.in.gov/sites/default/files/ccr/elementary-and-middles-school-stem-implementationv2.pdf.

[4]The Thornburg Center for Space Exploration.The Importance of Interdisciplinary Studies in K-12 Education[DB/OL].http：//www.tcse-k12.org/pages/stem.pdf.

[5]李谦，赵中建.美国中小学实施STEM教育个案研究——以北卡罗来纳州科学和数学学校为例[J].外国中小学教育，2014（5）：55-60. ?（编辑：李晓萍）

基金项目：河南省教育厅2019年度人文社会科学研究一般项目“微课在高校《信息检索》课程教学中的应用研究”（编号：2019-ZZJH-482）;河南省2020年度教师教育课程改革研究项目“中小学《人工智能》课程教师教学胜任力提升的研究与实践”（编号：2020-JSJYYB-006）。

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