美國中小學STEM教育研究

第一章 美國STEM教育發展研究及其政策支持
第一節 始於高等教育的STEM教育…1
第二節 全面展開的中小學STEM教育…8
第三節 STEM教育的國家戰略、立法保障和未來願景…14
第四節 結語…23

第二章 STEM教育內涵及其特徵
第一節 STEM教育的基本內涵…28
第二節 STEM教育的特徵解析…29
附錄1 課程整合：納米視野——小物體，大作用…43
附錄2 項目學習：專案學習的特徵及其與探究學習的對比…48
附錄3 工程設計：拯救企鵝——通過工程設計講授熱學…50
附錄4 問題解決：利用迴圈模型尋找解決方案…52

第三章 美國中小學技術教育標準
第一節 面向全體美國人的技術教育…55
第二節 美國州級技術教育標準及其實踐…63
第三節 分析與評論…75

第四章 美國中小學的工程教育
第一節 《K—12教育中的工程：理解現狀和提升未來》…79
第二節 《K—12工程教育標準？》…83
第三節 中小學工程課程的建構及其實踐…91
第四節 歸納性結論…104
第五章 作為一門學科的電腦科學
第一節 電腦科學作為一門中小學學科的背景要素…108
第二節 電腦科學的核心概念和核心實踐…111
第三節 《框架》實施之要素…119
第四節 分析與思考…123

第六章 中小學技術與工程素養框架及其評估
第一節 《技術與工程素養框架》的發展進程…127
第二節 技術與工程素養評估的內容領域…131
第三節 技術與工程素養評估的實踐原則…140
附錄1 NAEP技術與工程素養評估領域與教育技術標準及
技術素養標準之對應比較…145
附錄2 NAEP技術與工程素養初步成就水準的定義…147

第七章 美國實施STEM教育的學校類型研究
第一節 STEM精英學校…153
第二節 STEM全納學校…156
第三節 STEM生涯技術學校…160
第四節 餘論與思考…164
附 錄 以北卡羅來納州科學和數學學校為例的個案研究…168

第八章 美國STEM教育的師資保障
第一節 美國教師教育發展政策的簡要回顧…177
第二節 美國STEM教師短缺及其政策措施…185
第三節 多管齊下的STEM師資保障舉措和教師培養…191
第四節 理想目標與實踐結果的差距…202

第九章 美國STEM教育的支援系統
第一節 全國範圍的機構組織…206
第二節 州和地方學區層面的機構組織…218

第十章 非正規STEM教育及學習生態系統的構建
第一節 非正規STEM教育緣何重要？…228
第二節 有效非正規STEM專案的標準…231
第三節 校外STEM專案的結果和影響…235
第四節 STEM學習生態系統之構建…238

第十一章 美國STEM教育及其對國家競爭力的影響
第一節 國家競爭力及其影響因素…250
第二節 STEM教育與國民素質的提升…256
第三節 STEM教育與就業及收入分配…259
第四節 STEM教育與性別、種族平等…261
第五節 STEM教育與國家經濟實力…264
第六節 STEM教育與技術進步：創新的驅動力…266

後記

最近，英國國際權威科學期刊《自然》（Nature）與美國權威科普期刊《科學美國人》(Scientific American)合作，在2015年7月15日出版的《自然》期刊上集中推出幾篇從幼稚園到大學的“科學、技術、工程和數學”（STEM）方面的文章，並配以非常醒目的封面圖片、名為《培育21世紀的科學家》的封面文章和名為《一種教育》的期刊社論，系統審視了全球STEM教育的挑戰和希望。美國連接在校教育和職業生涯的期刊《技術》（Techniques）在2015年3月出版了STEM專題（STEM Issue），指出：當STEM教育的重要性和價值已經成為教育改革和經濟發展的主要部分時，STEM教育就成為“今天的創新，明天的成功”。同樣，由美國督導和課程開發協會主辦的著名教育期刊《教育領導》（Educational Leadership）在2015年1月出版了題為《全民STEM》（STEM for All）的專題文章。這一切確切地傳遞著這樣一個資訊：現在是關注和重視STEM教育的時候了！

早在近30年前的1986年，美國國家科學基金會（NSF）就發佈了名為《科學、數學和工程本科生教育》的報告，強調要“加強大學教育並追求卓越，以使美國下一代成為世界科學和技術領導者”，並就此向各州、學術機構、私營部門和作為聯邦機構的國家科學基金會提出諸多建設性建議。這或許是最早提出STEM教育的一份重要文獻（最初的英文縮寫為SME&T）。國家科學基金會在1996年對美國大學科學、數學、工程和技術教育的十年進展進行回顧和總結，發表了名為《塑造未來：科學、數學、工程和技術的本科生教育新期望》的報告，針對新的形勢和問題，對學校、地方政府、工商界等提出明確的政策建議，包括要大力“培養K—12教育系統中科學、數學、工程和技術學科的師資隊伍”。2007年10月3日，國家科學基金會又發佈了名為《國家行動計畫:應對美國科學、技術、工程和數學教育體系的重大需求》的報告（以下簡稱《國家行動計畫》），針對面臨的兩項主要挑戰，提出兩個方面的措施：一是要求增強國家層面對K—12年級和本科階段的STEM教育的主導作用，在橫向和縱向上進行協調；二是要提高教師的水準和增加相應的研究投入。而10月3日這一天正是蘇聯第一顆人造衛星上天50周年紀念日。此時發表《國家行動計畫》的目的，就是要向美國朝野警示：50年前的威脅今天正以另外一種形式出現，美國必須時刻不忘加強對學生的STEM教育。

這裡還須提及的一份重要文獻，是美國總統科技顧問委員會于2010年向美國總統提交的名為《培養與激勵：為美國的未來實施K—12年級科學、技術、工程和數學教育》的報告。該報告的如下表述充分顯示了STEM教育對於美國的戰略意義和積極價值，這在一定程度上也顯示出STEM教育的普遍價值：“STEM教育將決定美國未來能否成為世界領袖，能否解決如能源、衛生、環境保護和國家安全等諸多領域的巨大挑戰。STEM教育將有助於培養國際市場競爭所需要的能幹且靈活的勞動力。
STEM教育將確保美國社會繼續做出基礎性發現並提升我們對我們自身、我們的星球和宇宙的理解。STEM教育將造就科學家、技術專家、工程師和數學家，他們將提出新的思想，製造新的產品並創造出21世紀的全新產業。STEM教育將為每一個個體提供為獲取足夠生活的薪水，以及為他們自身、他們的家庭和社區作出決定所必需的技術技能和計算素養。”

STEM是科學、技術、工程和數學（Science, Technology, Engineering and Mathematics）的英文單詞首字母的縮寫。我們可以這樣來認識STEM：首先，STEM是分科的，它代表著科學、技術、工程和數學四門獨立的學科領域；其次，STEM又是整合的，這或許是今天強調和重視STEM時最為看重的；再次，STEM還是延伸和擴展的。

就分科而言，這裡以美國中小學各科標準為例予以說明。最早是美國全國數學教師理事會（NCTM）在1989年公佈其《美國學校數學課程與評價標準》，而後又在2000年公佈了新版標準《學校數學的原則和標準》。隸屬於美國國家科學院的國家研究委員會會（NRC）在1996年發佈了美國第一份《全國科學教育標準》，且在2013年再次公佈了標誌著美國新一輪科學教育改革的新標準，即《下一代科學標準》（NGSS）。此次新科學標準第一次將工程和技術教育單獨列出並加入到科學教育的標準中，且非常注重跨學科學習和實踐參與，“旨在説明實現科學和工程領域的教育願景”。2000年4月，美國國際技術教育協會及其下屬的“面向全體美國人的技術項目”隆重推出《技術素養標準：技術學習之內容》的全國性中小學技術教育標準。此外，美國國家科學院於2009年發佈了由國家工程院和國家研究委員會組成之“K—12年級工程教育委員會”提出的研究報告《K—12教育中的工程：理解現狀和改進未來》，並提出中小學實施工程教育的三項原則和七條政策建議，其中的建議七提出：“國家科學基金會和美國教育部應該支持研究‘STEM素養’的特徵和界說。研究者應該不僅要思考科學、技術、工程和數學的核心知識，還要思考連接這四個學科領域的大概念（big ideas）。”這是我們理解科學、技術、工程和數學作為各自相對獨立的學科的基礎。

作為集成戰略的STEM教育並不局限於四門各自獨立的學科，而是更關注其“整合”的意義和價值。這正如美國瓦利市州立大學（Valley City State University）的STEM教育中心官網在解釋“什麼是STEM教育”時所說：STEM“超越其首字母縮寫所意味的，它遠不止於科學、技術、工程和數學”，“STEM 教育是關於學生參與的學習，是基於專案的學習，它運用科學探究過程和工程設計過程，是跨學科的，是關於積極學習的，是關於合作與團隊工作的，是關於解決實際問題的，它連接抽象知識與學生的生活，整合過程和內容……”。美國“專案引路”(Project Lead The Way, PLTW)機構的觀點更明確了STEM教育的整合特點及其現實意義：

STEM教育課程計畫旨在使學生參與以活動、項目和問題解決為基礎的學習，它提供了一種動手做的課堂體驗。學生在應用所學到的數學和科學知識來應對世界重大挑戰時，他們創造、設計、建構、發現、合作並解決問題。

美國國家科學院出版社於2014年出版的《K—12年級STEM整合教育：現狀、前景和研究議程》，對理解STEM教育的整合有了更為全面的認識，認為“STEM整合教育遠不是單獨的、定義明確的經驗，它包括一系列不同的體驗，涉及一定程度的聯繫。這些體驗可能發生在一個或幾個課時內，貫穿整個課程，體現在單一學科或整個學校中，包含於校外活動中”；認為通過對STEM整合方案的研究獲得如下三點重要啟示：整合必須明確，支持學生學習單個學科的知識，整合並不一定越多越好。

同樣，從目前發展的情況看，STEM教育本身也在不斷擴展和延伸。首先，STEM教育發端於美國，但現在已經不斷地出現在其他國家的教育改革中。如英國教育與技能部早在2006年就發佈過《科學、技術、工程和數學計畫報告》（The Science, Technology, Engineering and Mathematics Programme Report），英國“代表教育之科學團體”（SCORE）機構在2010年發佈了一份三次專業發展活動的總結報告《STEM提供者的變革性課程》（The Changing Curriculum for STEM Providers）；2013年全球STEMx教育大會的專題中涉及的國家有芬蘭、澳大利亞、新西蘭、尚比亞等；此外，還有“美洲國家組織對拉丁美洲與加勒比地區STEMx教育的支援”的專題。

其次，STEM教育本身也在擴大。如全球STEMx教育大會名稱中STEM後的x就是最明顯的擴大，這裡的“x”代表著電腦科學、計算思維、調查研究、創造與革新、全球溝通、協助及其他不斷湧現的21世紀所需的知識與技能，“其他不斷湧現的”表示出一種極大的“包容性”。此次大會專題中還多次出現STEAM，如“以STEAM為支撐的高爾夫課程”“從STEM向STEAM進發”“STEAM設計”；又如2013年8月，中國第一屆中小學STEAM教育創新論壇在浙江溫州中學舉辦；以STEAM模型為中心的技術教育課程設計正成為當前韓國技術教育發展的最新動向。STEAM中的“A”即藝術(Arts)。

再次，STEM教育的實施正在越來越多地與教育資訊與通信技術（ICT）結合，而後者的引入為STEM教育的實施提供了更為豐富的方式和途徑。美國科學與技術研究聯盟（ASTRA）於2013年7—11月連續發佈了《2013教育技術》報告，對教育技術革命及其對教育領域的影響進行了全面的闡述，認為“教育技術革命正在為學生創造出更為有效的學習方式，讓他們理解學習如何與‘真實世界’相聯繫，並向他們提供有助於其更為徹底、深入地進行學習所必需的工具”。“教育技術正在變革著K—12教育的面貌。隨著教育技術延伸至課堂，學生不再是資訊的被動接受者。當學生已經擁有智能手機或iPad時，很少有人能夠靜靜地坐在課桌後面”。當STEM教育與迅速發展中的教育資訊與通信技術相聯繫時，它所帶來的教育效果或許難以預料，但其前景卻令人十分期待。

最後，STEM教育從最初關注或集中於高等教育，到逐步下移至中小學教育乃至幼稚園活動，從國家競爭力人才的培養擴展至學習方式的變革。

儘管從比較研究的角度看，STEM教育在世界其他國家的出現和實施已經為時不短，且越來越顯現其引人注目的積極方面，但它在我國教育研究界和中小學一線的出現只是最近幾年的事情。2012年第4期《上海教育·環球教育時訊》曾開闢STEM教育專欄，刊登有《STEM：美國教育戰略的重中之重》等若干篇文章，這是我國教育類雜誌第一次較為集中地介紹STEM教育，而由中國科協青少年科技中心翻譯、科學普及出版社於2013年出版的《STEM項目學生研究手冊》，或許是我國第一本有關STEM教育的譯著。

我國中小學新課程改革至今已有10多年的發展歷史，且已取得相當的成就並獲得諸多有益的經驗，但在如何延續或深化這一課程改革，尤其在學校教育如何注重培養學生的批判性思維和問題解決能力（或者說21世紀基本素養或技能）等方面，國際的經驗或許可以為我們提供某些方面的借鑒。為了使我們能夠充分瞭解世界其他國家尤其是美國在中小學課程改革和發展中實施STEM教育的現狀，從中獲得某些有益的經驗，我們策劃出版“中小學STEM教育”叢書（本叢書系由我本人主持承擔的上海市教育科學規劃課題“美國中小學STEM教育研究”成果之一），其中既有翻譯著作，包括美國國家科學教師協會出版社（NSTA Press）於2012年出版的《在課堂中整合工程與科學》、英國勞特裡奇出版社（Routledge Press）於2013年出版的《設計·製作·遊戲：培養下一代STEM創新者》及荷蘭Sense出版社（Sense Publishers）於2013年出版的《基於項目的STEM學習：一種整合科學、技術、工程和數學的學習方式》3本譯著；也包括由我本人選編或撰寫的《美國STEM教育政策進展》和《美國中小學STEM教育研究》2本著作；同時計畫出版出自我國一線學校的相關著作。

2015年8月25日