科學(xué)實(shí)踐社會(huì)學(xué)視角中的美國(guó)STEM全納中學(xué)研究*

周穎琦，王晶瑩

（首都師范大學(xué) 物理系，北京 100048）

一、美國(guó)STEM的發(fā)展

STEM教育是美國(guó)近代積極推行的以科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)為主導(dǎo)的教育戰(zhàn)略。1993年美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金首次提出“SMET”，即將科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程、技術(shù)多學(xué)科融合以加強(qiáng)美國(guó)科學(xué)教育。2007年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì) (NSB)在其報(bào)告《國(guó)家行動(dòng)計(jì)劃：應(yīng)對(duì)美國(guó)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育系統(tǒng)的緊急需要》中正式提出“STEM”一詞[1]。

在此之前，美國(guó)開展的STEM教育主要培養(yǎng)對(duì)象是擁有優(yōu)秀科學(xué)資質(zhì)的學(xué)生。由此產(chǎn)生了特別關(guān)注STEM學(xué)科的學(xué)校——STEM學(xué)校[2]。最早的STEM學(xué)校被稱為STEM 精英學(xué)校（Selective STEM Schools），他們的歷史可以追溯到20世紀(jì)30年代。STEM精英學(xué)校以極高的入學(xué)門檻和嚴(yán)格的學(xué)術(shù)要求著稱。

然而STEM精英學(xué)校未能 “擴(kuò)大在大學(xué)選擇STEM專業(yè)的學(xué)生通道，解決美國(guó)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力及教育平等問題”[3]，因此在近十年興起了STEM全納學(xué)校（Inclusive STEM Schools）和STEM職業(yè)技術(shù)學(xué)校 （Schools with STEM-focused Career and Technical Education）。

STEM全納學(xué)校的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的STEM才能，而不是挑選出有STEM才能的學(xué)生，使更廣泛的學(xué)生群體接受到STEM教育，讓市民都有一定的科學(xué)素養(yǎng)，并擴(kuò)大教育公平性。[3]

STEM職業(yè)技術(shù)學(xué)校的目的是培養(yǎng)在自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和農(nóng)業(yè)技術(shù)等STEM領(lǐng)域的高素質(zhì)技術(shù)人員，為學(xué)生提供多樣化的STEM職業(yè)發(fā)展道路和高水平的技術(shù)培訓(xùn)。

2015年，時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)的奧巴馬 （Barack Hussein Obama）在演講中呼吁國(guó)家努力創(chuàng)造更多 “新一代高中”。之后，美國(guó)教育部與美國(guó)研究學(xué)會(huì)（AIR）合作舉辦了為期1.5天的工作坊，邀請(qǐng)STEM領(lǐng)域的專家和學(xué)科帶頭人分享他們的觀念并對(duì)STEM教育未來的改革提出建議，形成了頗有指向性和戰(zhàn)略性的 《STEM 2026：STEM教育創(chuàng)新愿景》報(bào)告，自此掀起了STEM教育的熱潮。由于其理念的先進(jìn)性，被中國(guó)、德國(guó)、日本、韓國(guó)、澳大利亞等國(guó)廣泛學(xué)習(xí)。

二、皮埃爾·布爾迪厄資本理論

皮埃爾·布爾迪厄（Pierre Bourdieu）是當(dāng)代法國(guó)最具國(guó)際性影響力的思想大師之一，他的實(shí)踐社會(huì)學(xué)理論探討了場(chǎng)域（Field）和慣習(xí)（Habitus）對(duì)實(shí)踐的結(jié)構(gòu)性引導(dǎo)作用以及資本（Capital）在實(shí)踐過程中對(duì)場(chǎng)域和慣習(xí)的重構(gòu)過程。具體到科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中的作用關(guān)系如圖1所示。

科學(xué)場(chǎng)域指的是科學(xué)領(lǐng)域的內(nèi)部關(guān)系位置所形成的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型，包括科學(xué)行動(dòng)者和科學(xué)儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室等所組成的物理空間?？茖W(xué)慣習(xí)指的是身處科學(xué)場(chǎng)域特定位置的科學(xué)行動(dòng)者所表現(xiàn)出來的特性，是一系列歷史關(guān)系在個(gè)體心智層面內(nèi)化的結(jié)果。[4]科學(xué)資本指的是行動(dòng)者所擁有的全部科學(xué)資源，包括與科學(xué)相關(guān)的經(jīng)歷，對(duì)科學(xué)的理解，關(guān)于科學(xué)和如何運(yùn)用科學(xué)的相關(guān)知識(shí)，興趣和接觸到從事科學(xué)相關(guān)職業(yè)的人等。科學(xué)資本作為科學(xué)場(chǎng)域里重要的媒介，使行動(dòng)者參與到科學(xué)場(chǎng)域中去。個(gè)體的實(shí)踐行動(dòng)在調(diào)動(dòng)自身科學(xué)資本的同時(shí)，也在不斷學(xué)習(xí)補(bǔ)充著自身的科學(xué)資本，從而重構(gòu)科學(xué)場(chǎng)域和科學(xué)慣習(xí)。個(gè)體的行動(dòng)遵循機(jī)會(huì)主義原則，因此學(xué)校所能做的就是為學(xué)生提供良好的科學(xué)場(chǎng)域，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)慣習(xí)以引導(dǎo)學(xué)生保持在STEM領(lǐng)域不斷探索實(shí)踐的熱情。

美國(guó)現(xiàn)有的三類STEM學(xué)校為擁有不同科學(xué)資本的學(xué)生提供了適合他們的場(chǎng)域，以更好地引導(dǎo)他們形成科學(xué)慣習(xí)，讓每位學(xué)生都能樂于調(diào)度現(xiàn)有的科學(xué)資本并通過學(xué)習(xí)不斷增加自身科學(xué)資本，成為STEM領(lǐng)域人才。

圖1 皮埃爾·布爾迪厄資本理論邏輯框圖

三、資本理論下STEM全納中學(xué)的引導(dǎo)措施

1.改造社會(huì)環(huán)境場(chǎng)

（1）存在參與缺口的科學(xué)場(chǎng)域

美國(guó)教育政策專家的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，從事STEM領(lǐng)域的少數(shù)民族裔和女性與美國(guó)的人口構(gòu)成嚴(yán)重不符：美國(guó)歷史上非洲裔居民占美國(guó)總?cè)丝诘?/9以上，但是非洲裔居民從事STEM職業(yè)的人僅為1/20。盡管西班牙裔是美國(guó)人口增長(zhǎng)比率最大的種族，但2013年只有6%的西班牙裔工程師和科學(xué)家。盡管有一半女性有大學(xué)學(xué)歷，在生物和相關(guān)的科學(xué)專業(yè)工作的女性也有近一半，但在STEM領(lǐng)域中女性仍未被很好地代表。尤其是在工程領(lǐng)域只有15%的女性勞動(dòng)力。這些懸殊不僅影響了國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展競(jìng)爭(zhēng)力，還限制了個(gè)體在工作中的機(jī)會(huì)[5]。

（2）少數(shù)民族裔和女性低自我效能的科學(xué)慣習(xí)

存在參與缺口的科學(xué)場(chǎng)域深深地影響著社會(huì)公眾對(duì)少數(shù)民族裔和女性及少數(shù)民族裔和女性對(duì)自己的認(rèn)知。根據(jù)阿爾伯特·班杜拉（Albert Bandura）的社會(huì)認(rèn)知職業(yè)理論（SCCT），職業(yè)的選擇是自我效能、結(jié)果預(yù)期及個(gè)人目標(biāo)在環(huán)境的支持和阻礙下動(dòng)態(tài)作用的結(jié)果。從這種觀念來看，自我效能（相信將來在STEM領(lǐng)域中可以成功）、結(jié)果預(yù)期（如果參與STEM，將會(huì)發(fā)生什么）是影響個(gè)體興趣和職業(yè)目標(biāo)的重要因素。斯蒂爾（Claude Steele）等學(xué)者的研究表明固有觀念的威脅使少數(shù)民族裔學(xué)生在潛意識(shí)中認(rèn)為自己不被看好[6]。穆吉塔巴和瑞斯（Mujtaba&Reiss）UPMAP研究指出由于男性比女性對(duì)于物理特征結(jié)構(gòu)更敏感，比起男性大多數(shù)女性學(xué)生不被教師、家長(zhǎng)或朋友鼓勵(lì)學(xué)習(xí)物理學(xué)。諾拉（Nora）和拉米雷斯（Ramirez）等發(fā)現(xiàn)當(dāng)獲得的成績(jī)比預(yù)期低時(shí)，西班牙裔學(xué)生比非西班牙裔白人學(xué)生感到更加沮喪。相同數(shù)學(xué)成就水平的男性學(xué)生比女性表現(xiàn)出更多數(shù)學(xué)自我效能。

（3）自我效能和參與缺口共同作用下的選課現(xiàn)狀

根據(jù)美國(guó)教育部民事權(quán)利辦公室 （U.S.Department of Education,Office for Civil Rights）2014年對(duì)美國(guó)高中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：美國(guó)高中非洲裔學(xué)生占16%，但只有8%選擇微積分課程；西班牙裔學(xué)生占21%，選擇微積分課程的只有12%。一些少數(shù)民族裔學(xué)生集中的高中缺少高等課程的開設(shè)。幾乎有1/5非洲裔學(xué)生的高中不提供任何AP課程，1/3非洲裔和西班牙裔學(xué)生集中的高中不開化學(xué)課程。即使少數(shù)民族裔學(xué)生上的高中提供這些課程，他們也沒有白人學(xué)生或亞洲男學(xué)生傾向于選擇這些課程。

（4）社會(huì)環(huán)境下少數(shù)民族裔、女性學(xué)生對(duì)科學(xué)資本的調(diào)度情況

由于參與缺口和較低的自我效能，少數(shù)民族裔學(xué)生和女性學(xué)生在面對(duì)選擇時(shí)多表現(xiàn)為不愿調(diào)動(dòng)自己的科學(xué)資本。因此即使選擇了課程，他們的成績(jī)也相對(duì)不理想。埃雷拉（Herrera）和烏爾塔多（Hurtado）的研究表明即使非洲裔、西班牙裔和白人學(xué)生對(duì)于在大學(xué)選擇STEM專業(yè)表現(xiàn)出的興趣是一樣的，前兩個(gè)少數(shù)民族裔學(xué)生最終完成學(xué)業(yè)的仍占少數(shù)。少數(shù)民族裔和女性缺乏的科學(xué)資本繼而重構(gòu)了社會(huì)的科學(xué)場(chǎng)域。在STEM領(lǐng)域中缺少優(yōu)秀的少數(shù)民族裔和女性領(lǐng)導(dǎo)者導(dǎo)致惡性循環(huán)，如圖2所示，這樣的問題亟需解決。

圖2 社會(huì)環(huán)境作用下的惡性循環(huán)關(guān)系圖

（5）STEM全納學(xué)校的改善措施和效果

STEM全納學(xué)校采用以學(xué)生興趣為主、就近入學(xué)的招生原則。在申請(qǐng)學(xué)生人數(shù)大于招收人數(shù)時(shí)會(huì)采取抽簽的方式選擇學(xué)生，有效解決了參與缺口問題。調(diào)查顯示北卡羅來納州STEM全納高中學(xué)生中有62.6%為少數(shù)民族裔學(xué)生（州平均38.9%），德克薩斯州STEM全納高中學(xué)生中有73.4%為少數(shù)民族裔學(xué)生（州平均51.6%）。[5]多樣的文化背景和學(xué)術(shù)水平既是學(xué)校的特色也是挑戰(zhàn)。學(xué)校積極發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，引導(dǎo)學(xué)生相互學(xué)習(xí)，尊重每個(gè)人的文化背景，以實(shí)際行動(dòng)為學(xué)生闡釋“公平”的定義。正如進(jìn)入哈佛大學(xué)的羅伯特（Robert Lue）回憶說：“我的老師教會(huì)我珍惜這個(gè)多樣性——從同學(xué)廣泛不同的背景中吸取經(jīng)驗(yàn)，并思考我能為小組貢獻(xiàn)什么?！痹谶@種公平全納的環(huán)境中，未被充分代表的少數(shù)民族裔學(xué)生和女性學(xué)生的資質(zhì)可以被很好地開發(fā)，以增強(qiáng)他們的科學(xué)資本，重構(gòu)學(xué)生的認(rèn)知觀念。

根據(jù)芭芭拉等人對(duì)美國(guó)北卡羅來納州和德克薩斯州39所STEM全納教育高中和22所綜合性高中畢業(yè)生的縱向調(diào)查，STEM全納學(xué)校學(xué)生在微積分或微積分初步、物理、化學(xué)、工程課程的參與比例均比綜合性高中學(xué)生高且具有統(tǒng)計(jì)意義。也就是說如果非洲裔學(xué)生或女性學(xué)生進(jìn)入STEM全納學(xué)校，他們就更容易選擇微積分初步或微積分、物理、化學(xué)這些STEM相關(guān)課程。進(jìn)入STEM全納學(xué)校的非洲裔學(xué)生更有可能選擇至少一門工程課程（見表1）。

表1 美國(guó)北卡羅來納州12年級(jí)學(xué)生STEM課程選擇表

2.創(chuàng)建靈活的學(xué)習(xí)環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生自主探究

提到教室，多數(shù)人腦海中會(huì)浮現(xiàn)這樣的畫面：整齊的桌椅，滿是文字的黑板。在這樣的教室中，學(xué)習(xí)的發(fā)生大多是教師傳授、學(xué)生記憶。然而STEM全納中學(xué)努力轉(zhuǎn)變這種被動(dòng)的學(xué)習(xí)狀態(tài)，從為學(xué)生提供靈活的學(xué)習(xí)空間開始。

《STEM 2026：STEM教育創(chuàng)新愿景》中一位撰稿人描述了他在STEM全納高中所看到的教室：這里有長(zhǎng)桌子，在一端有兩臺(tái)電腦，另一端是大型小組工作空間。在房間周圍有6個(gè)壁式投影儀可以用筆記本電腦或?qū)W生的手機(jī)控制。這個(gè)空間被有意設(shè)計(jì)得空曠而簡(jiǎn)單，吸引學(xué)生參與。學(xué)生不會(huì)感覺這個(gè)空間是貴重的，他們可以把空間搞亂，移動(dòng)?xùn)|西，甚至放松娛樂。所有東西——包括長(zhǎng)凳、白板、計(jì)算機(jī)和工作臺(tái)都是有輪子的。桌子可以單獨(dú)使用或拼接在一起進(jìn)行小組活動(dòng)。教室提供充足的電力和隨處可見的插座，可用于靈活的設(shè)施放置。[7]

在這種教室中，學(xué)生會(huì)十分自然地設(shè)計(jì)自己所需的工作空間并很快投入到探索的海洋中去，充分調(diào)動(dòng)已有知識(shí)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的檢驗(yàn)證明，盡管為學(xué)生們提供方向性的指導(dǎo)會(huì)讓他們更快地學(xué)到知識(shí)，但當(dāng)學(xué)生還被允許探索學(xué)習(xí)內(nèi)容時(shí)，他們額外的技能也會(huì)被提升，如創(chuàng)造性和問題解決能力。[7]這種能力會(huì)幫助學(xué)生結(jié)合進(jìn)一步學(xué)習(xí)所需重構(gòu)科學(xué)場(chǎng)域和科學(xué)慣習(xí)，形成良性循環(huán)，如圖3所示。

圖3 創(chuàng)建靈活的學(xué)習(xí)空間引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的良性循環(huán)關(guān)系圖

值得說明的是，科學(xué)新手在形成個(gè)體科學(xué)慣習(xí)前，首先需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力將理論化形態(tài)的知識(shí)、程序、慣例等內(nèi)化成為個(gè)體心智素質(zhì)的一部分，最終形成個(gè)體的科學(xué)慣習(xí)[4]。因此STEM全納學(xué)校在允許學(xué)生進(jìn)行自主探究的課程前嚴(yán)格規(guī)定了先修課程條件。比如學(xué)生首先必須達(dá)到一定的代數(shù)基礎(chǔ)和技能水平，知道學(xué)習(xí)是如何發(fā)展的才可以自行發(fā)展與其他學(xué)科結(jié)合的學(xué)習(xí)活動(dòng)。正如《STEM 2026：STEM教育創(chuàng)新愿景》中描述的：僅僅依靠自主探究的方法學(xué)習(xí)可能會(huì)限制青年運(yùn)用可行、科學(xué)的方法去探索科學(xué)的機(jī)會(huì)。這也許將成為學(xué)生探究道路上的一塊不必要的絆腳石，直到學(xué)生在一個(gè)適當(dāng)?shù)沫h(huán)境中學(xué)習(xí)了相關(guān)知識(shí)[7]。

在這種靈活的學(xué)習(xí)環(huán)境下，STEM全納高中學(xué)生在高等數(shù)學(xué)、高等科學(xué)、STEM活動(dòng)和校外非正式STEM活動(dòng)參與數(shù)量上均明顯高于綜合性高中且具有統(tǒng)計(jì)意義（見表2）。女性學(xué)生和非洲裔學(xué)生在高等數(shù)學(xué)、高等科學(xué)以及課外STEM活動(dòng)中的參與度提高尤其明顯。大量研究表明，高中所學(xué)習(xí)的數(shù)學(xué)和科學(xué)課程水平對(duì)學(xué)生進(jìn)入大學(xué)學(xué)習(xí)STEM專業(yè)有很高的預(yù)測(cè)作用。參加某一課程（如微積分）或被置于或高或低的STEM課程路徑中都對(duì)學(xué)生相信自己有STEM領(lǐng)域職業(yè)的能力有顯著影響并可以延續(xù)下去。一旦學(xué)生有了對(duì)于自己能力和可能性的信心，他們就會(huì)產(chǎn)生一種STEM特質(zhì)：一種他們有能力克服STEM課程學(xué)習(xí)中的困難，并愿意接受挑戰(zhàn)的心理特質(zhì)。[5]因此，我們有理由認(rèn)為STEM全納學(xué)校提供的這種學(xué)習(xí)環(huán)境可以促進(jìn)STEM人才的發(fā)展和保留。

表2 北卡羅來納州學(xué)生高中STEM課程及活動(dòng)參與表

3.運(yùn)用基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方法，踐行以學(xué)習(xí)者為中心的學(xué)習(xí)模式

STEM全納高中基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)具體表現(xiàn)為提倡游戲?qū)W習(xí)、嘗試解決生活中的實(shí)際問題和積極運(yùn)用新技術(shù)輔助學(xué)習(xí)。

（1）游戲?qū)W習(xí)在STEM全納學(xué)校的運(yùn)用及內(nèi)化效果

STEM教育中最好的資源就是孩子們的好奇心。正如一位《STEM 2026：STEM教育創(chuàng)新愿景》撰稿人所說：“孩子們天生具有好奇心，這將會(huì)成為驅(qū)動(dòng)他們學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)，即使再意志堅(jiān)定的科學(xué)家也不敵此動(dòng)機(jī)?！痹S多以學(xué)習(xí)為目的的游戲因此被開發(fā)。例如在一款在線蛋白質(zhì)折疊游戲中，挑戰(zhàn)者在一個(gè)游戲競(jìng)爭(zhēng)的環(huán)境中將蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行折疊以實(shí)現(xiàn)最有效的蛋白質(zhì)折疊方法。通過STEM主題游戲，學(xué)生的設(shè)計(jì)欲望被激活，并刺激形成一種對(duì)STEM的好奇心。對(duì)游戲的低戒備心讓所有學(xué)生都開始對(duì)話題感興趣并積極投入到探索和研究中去。

游戲過程還可以激發(fā)學(xué)生的發(fā)散性思維。學(xué)生會(huì)主動(dòng)嘗試不同的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，來探索不同結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的特征。學(xué)生也許還會(huì)一邊試著想出最有效的折疊蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法，一邊思考如何在現(xiàn)實(shí)醫(yī)藥學(xué)和分子生物學(xué)中應(yīng)用這些富有創(chuàng)造性的貢獻(xiàn)。這些游戲活動(dòng)是有規(guī)則的，但是允許在一定程度上破壞或延伸這些規(guī)則，鼓勵(lì)學(xué)生涉足和嘗試新鮮事物。為教育設(shè)計(jì)的游戲不僅可以讓學(xué)生看到學(xué)習(xí)內(nèi)容之間的相關(guān)性，還會(huì)使他們開始將自己當(dāng)作積極而成功的學(xué)習(xí)者。[7]

在游戲的過程中，失敗被認(rèn)為是達(dá)到成功所必經(jīng)的路徑。即使失敗了也并不會(huì)因此受到批評(píng)或者被認(rèn)為能力不足。挫折或失敗會(huì)被看作是游戲挑戰(zhàn)過程的一部分，是對(duì)學(xué)生用另一種方法再次嘗試的刺激。堅(jiān)持不懈的嘗試培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)術(shù)韌性，是克服困難繼續(xù)保留在STEM管道中的重要品質(zhì)。

（2）真實(shí)的生活問題在STEM全納學(xué)校的運(yùn)用及內(nèi)化效果

STEM全納學(xué)校倡導(dǎo)讓學(xué)生明白所學(xué)知識(shí)的用處，鼓勵(lì)通過嘗試解決真實(shí)問題而進(jìn)行的課堂教學(xué)。如數(shù)學(xué)課也許會(huì)基于某公司為產(chǎn)品所定價(jià)格計(jì)算盈虧。生物課會(huì)在實(shí)驗(yàn)室中討論為什么有不同的卷發(fā)類型或直發(fā)，以此學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)和線粒體DNA的問題。這樣的課堂活動(dòng)促進(jìn)了學(xué)生以更深入的視角看待信息而不是僅僅套用內(nèi)容。真實(shí)的生活問題還可能包括保護(hù)水資源或改善水質(zhì)；更好地了解人類的頭腦以便提出預(yù)防、處理和治療腦損傷的新方法；解決基礎(chǔ)設(shè)施老化問題；將利用太陽(yáng)能的價(jià)格變得更有競(jìng)爭(zhēng)力等。解決這些現(xiàn)實(shí)生活中亟需解決的問題可以幫助學(xué)生更好地理解STEM與生活的相關(guān)性，看到STEM在提高生活質(zhì)量方面的價(jià)值。

嘗試解決這些問題只是為學(xué)生提供一個(gè)可獲得的介入機(jī)會(huì)。事實(shí)上解決問題并不是學(xué)習(xí)的目的。真正的目標(biāo)是通過交互學(xué)科的思考方式、小組合作的形式努力去思考解決辦法的過程。在思考這些問題的同時(shí)，學(xué)生會(huì)將所學(xué)科學(xué)知識(shí)內(nèi)化為一種責(zé)任，運(yùn)用自己所學(xué)為社會(huì)發(fā)展作出貢獻(xiàn)的使命感。

如果學(xué)生的研究項(xiàng)目可以在真實(shí)世界中得以實(shí)現(xiàn)，將會(huì)極大地支持他們?cè)赟TEM道路上繼續(xù)前行。例如美國(guó)田納西州Chattanooga STEM全納學(xué)校與當(dāng)?shù)匾患译娏υO(shè)備與通訊公司合作，請(qǐng)學(xué)生為櫥窗裝飾設(shè)計(jì)一個(gè)方案原型。九個(gè)星期以后，學(xué)生們?cè)O(shè)計(jì)出了各種巧妙的裝置原型，真的獲得了公司的資助在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)了他們的創(chuàng)意。

（3）先進(jìn)技術(shù)在STEM全納學(xué)校的運(yùn)用及內(nèi)化效果

STEM全納中學(xué)充分理解STEM在信息技術(shù)領(lǐng)域扮演的重要角色，并將虛擬現(xiàn)實(shí)、3D打印等新技術(shù)充分應(yīng)用于課堂中，幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)。

例如，EcoMUVE和EcoMOBILE是一個(gè)基于課程的互補(bǔ)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件。通過教師的指導(dǎo)，使中學(xué)生通過EcoMUVE進(jìn)入一個(gè)生動(dòng)復(fù)雜的科學(xué)環(huán)境，如魚在池塘中生活的計(jì)算機(jī)環(huán)境。運(yùn)用EcoMOBILE技術(shù)，學(xué)生可以使用移動(dòng)技術(shù)在學(xué)習(xí)設(shè)備中增強(qiáng)學(xué)生的觀察。例如，兩位學(xué)生可以用一個(gè)與探針連接的手持牌去探測(cè)學(xué)校附近的池塘耗氧量。在課堂中，由學(xué)生組成的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)中每位成員都扮演一個(gè)明確的角色：有的是水質(zhì)專家，有的是博物學(xué)家。學(xué)生們首先在教室中確定自己的角色，然后在虛擬的池塘生態(tài)系統(tǒng)中練習(xí)相應(yīng)的技能。例如，博物學(xué)家在虛擬場(chǎng)景學(xué)習(xí)池塘中的生物體，水質(zhì)專家在虛擬池塘中測(cè)量水中各種化學(xué)物質(zhì)的含量。然后學(xué)生們可以到真實(shí)的池塘中運(yùn)用已熟練掌握的技能實(shí)地考察。最后學(xué)生們互相分享他們?cè)诓煌慕巧袑W(xué)到了什么，討論收集的數(shù)據(jù)，共同了解池塘環(huán)境。[7]

再比如運(yùn)用3D打印技術(shù)輔助學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)。學(xué)生可以通過3D打印技術(shù)制造一些廉價(jià)的、可以檢查和觸摸的模型，如三維恐龍模型、人類器官橫切面圖等。這種制造工具鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行小組合作，運(yùn)用所學(xué)進(jìn)行創(chuàng)新，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考的能力。

（4）項(xiàng)目式學(xué)習(xí)下的深度學(xué)習(xí)

個(gè)體的學(xué)習(xí)過程需要給予充分的時(shí)間以使他們通過自組織將適當(dāng)?shù)闹R(shí)和固有的認(rèn)知相結(jié)合，并嘗試在新的情景中對(duì)已有知識(shí)加以有效運(yùn)用。在這個(gè)過程中就需要有意識(shí)地放慢學(xué)習(xí)速度，加強(qiáng)個(gè)人反思。教育者還認(rèn)識(shí)到當(dāng)年輕人能將他們的全部所知在各種地方運(yùn)用起來的時(shí)候他們通常就會(huì)成功。“但是他們?cè)谝粋€(gè)空間中學(xué)到的知識(shí)很少在另一個(gè)地方被想起來或運(yùn)用”。STEM全納高中的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)正嘗試在不同的情景下調(diào)動(dòng)學(xué)生的已有知識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)深度的學(xué)習(xí)，形成良性循環(huán)，如圖4所示。

圖4 基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的良性循環(huán)關(guān)系圖

（5）項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的效果

芭芭拉等人的縱向調(diào)查顯示北卡羅來納州STEM全納學(xué)校的12年級(jí)學(xué)生比綜合性高中12年級(jí)學(xué)生表現(xiàn)出更高的數(shù)學(xué)和科學(xué)特質(zhì)，即自己和別人都認(rèn)為自己擅長(zhǎng)數(shù)學(xué)（或科學(xué)），其中女性和非洲裔學(xué)生差異也十分明顯（見表3）。在對(duì)學(xué)生在課堂中表現(xiàn)為堅(jiān)持不懈的行為進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)：STEM全納學(xué)校的學(xué)生在遇到數(shù)學(xué)和科學(xué)的困難時(shí)會(huì)表現(xiàn)得更加堅(jiān)持不懈，其中全體學(xué)生和女性學(xué)生的統(tǒng)計(jì)尤其具有統(tǒng)計(jì)意義。這表明STEM全納學(xué)校的教學(xué)方法有助于使學(xué)生堅(jiān)持學(xué)習(xí)STEM相關(guān)科目，更高的STEM方面學(xué)科特質(zhì)有利于學(xué)生未來進(jìn)入大學(xué)STEM專業(yè)。

表3 北卡羅來納州學(xué)生STEM態(tài)度表

4.及時(shí)、多樣的評(píng)估反饋機(jī)制為學(xué)生提供個(gè)性化發(fā)展平臺(tái)

基于STEM全納學(xué)校的招生策略，學(xué)生成績(jī)水平差異性巨大，如何滿足所有學(xué)生的學(xué)習(xí)需求成為STEM全納學(xué)校所面臨的巨大挑戰(zhàn)。因此STEM全納學(xué)校致力于為每位學(xué)生構(gòu)建自己的個(gè)性化科學(xué)場(chǎng)域，推動(dòng)學(xué)生實(shí)現(xiàn)自我導(dǎo)向的學(xué)習(xí)。

（1）實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)的運(yùn)用

STEM全納學(xué)校積極嘗試運(yùn)用實(shí)時(shí)反饋評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行輔助教學(xué)。教師僅通過后臺(tái)檢測(cè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)學(xué)生遇到困難時(shí)及時(shí)出面進(jìn)行引導(dǎo)。例如“智能輔導(dǎo)系統(tǒng)”是以現(xiàn)實(shí)中人類助教的行為和指導(dǎo)為原型設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其區(qū)別于其他計(jì)算機(jī)半自動(dòng)指導(dǎo)工具的地方在于它是為解釋復(fù)雜的學(xué)生反應(yīng)而設(shè)計(jì)的，并在運(yùn)行過程中不斷學(xué)習(xí)，調(diào)整和適應(yīng)自己的行為以便與學(xué)生更有效地互動(dòng)，幫助他們堅(jiān)持學(xué)習(xí)和理解有難度的內(nèi)容——尤其是當(dāng)學(xué)生努力想要學(xué)習(xí)和理解關(guān)鍵概念時(shí)。這些輔導(dǎo)系統(tǒng)通過與學(xué)生互動(dòng)建立個(gè)性化的學(xué)生檔案，不僅可以評(píng)估學(xué)生的熟練程度，還可以診斷學(xué)生的問題類型和為什么學(xué)生會(huì)有此問題。

美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué) （Carnegie Mellon University）一項(xiàng)兩年的研究將這種認(rèn)知輔導(dǎo)軟件運(yùn)用到7個(gè)州的《代數(shù)1》課程中，發(fā)現(xiàn)參與應(yīng)用此軟件的學(xué)生平均每年學(xué)到了兩倍的知識(shí)，那些有學(xué)習(xí)和行為困難的學(xué)生成績(jī)提高尤為明顯。

（2）多樣化的評(píng)估方式

不是所有的認(rèn)知過程都是線性的。很多有創(chuàng)造性的學(xué)生因?yàn)樵诨诔煽?jī)的評(píng)估中表現(xiàn)平平或欠佳而被埋沒。因此，STEM全納學(xué)校尤其注重整合更多全面的學(xué)習(xí)測(cè)量方法，更深入地評(píng)價(jià)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中獲得的多樣化技能和知識(shí)。通過這種不僅僅關(guān)注知識(shí)熟練度的評(píng)價(jià)機(jī)制，可以建立學(xué)生對(duì)STEM領(lǐng)域的認(rèn)同感，能更好地培養(yǎng)青年心智的成熟。多樣的評(píng)估方法使學(xué)生更容易認(rèn)為他們的數(shù)學(xué)和科學(xué)教師對(duì)他們有高標(biāo)準(zhǔn)的要求并相信他們可以達(dá)到要求。

（3）基于評(píng)估反饋機(jī)制下的不斷學(xué)習(xí)

通過多樣化的評(píng)估方式和實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)，每位學(xué)生都會(huì)感到學(xué)習(xí)是可以通過不斷挑戰(zhàn)自我完成的，在保持興趣的基礎(chǔ)上不斷調(diào)動(dòng)已有知識(shí)獲得新的提升，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)的良性循環(huán)，如圖5所示。

圖5 及時(shí)、多樣評(píng)估反饋機(jī)制下的學(xué)習(xí)良性循環(huán)關(guān)系圖

四、對(duì)我國(guó)STEM教育的啟示

美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)包雷教授指出，中美對(duì)于STEM課程的出發(fā)點(diǎn)是不同的。美國(guó)的STEM課程體系致力于培養(yǎng)新時(shí)代美國(guó)本土的科技人才和工程師。而中國(guó)教育缺少的則是對(duì)于探究、創(chuàng)新和運(yùn)用整合知識(shí)方面能力的訓(xùn)練。因此我們不應(yīng)將美國(guó)的理論完全照搬，而應(yīng)當(dāng)結(jié)合我國(guó)國(guó)情進(jìn)行有側(cè)重的學(xué)習(xí)和借鑒。

筆者針對(duì)中國(guó)的STEM教育特色提出如下建議：

1.增強(qiáng)學(xué)生對(duì)STEM的興趣，訓(xùn)練自主探究意識(shí)

學(xué)?？梢罁?jù)學(xué)生的水平和興趣，積極與企業(yè)、博物館合作，為學(xué)生提供豐富多樣的學(xué)習(xí)環(huán)境，鼓勵(lì)學(xué)生在不同環(huán)境下學(xué)以致用開展探究活動(dòng)?，F(xiàn)在許多學(xué)校致力于開發(fā)機(jī)器人、3D打印項(xiàng)目等，但其實(shí)很多學(xué)生只是在完成課堂上教師布置的電路板任務(wù)，而沒有真正理解STEM課程對(duì)于知識(shí)整合運(yùn)用和發(fā)展個(gè)性創(chuàng)造力的課程目標(biāo)。這是我們不太愿意看到的[8]。

2.正確引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新

教育部在《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進(jìn)教育信息化工作的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》中明確提出學(xué)習(xí)者需要具有較強(qiáng)的信息意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)?！禨TEM 2026：STEM教育創(chuàng)新愿景》報(bào)告中研究表明運(yùn)用技術(shù)創(chuàng)造、設(shè)計(jì)、建造、探索和合作的學(xué)生比那些僅消極地將技術(shù)應(yīng)用為媒體的學(xué)生對(duì)技術(shù)的應(yīng)用會(huì)在教育方面收益更多[7]。因此，學(xué)校應(yīng)致力于為學(xué)生提供參與科學(xué)活動(dòng)的機(jī)會(huì)和資源，即良好的科學(xué)場(chǎng)域。引導(dǎo)學(xué)生通過自組織將掌握的科學(xué)技術(shù)，如iPad、3D打印技術(shù)等在教師的引導(dǎo)下形成用來探究科學(xué)問題的科學(xué)慣習(xí)，而不僅僅作為一種娛樂設(shè)備。

3.引導(dǎo)學(xué)生正確看待“失敗”

在我們的教育系統(tǒng)中，“錯(cuò)誤”的概念經(jīng)常帶有強(qiáng)烈的消極色彩。師生間對(duì)失敗的恐懼導(dǎo)致大部分學(xué)生快速學(xué)會(huì)了懼怕和逃避失敗。但“這種天生的對(duì)失敗的低容忍度阻礙了我們?nèi)〉谜_創(chuàng)新的潛力”。教師應(yīng)認(rèn)識(shí)到在研究中，失敗的嘗試是一個(gè)很好的加強(qiáng)學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。通過失敗新的問題被提出，開啟了確定為什么一個(gè)技術(shù)、結(jié)構(gòu)或創(chuàng)新不可用的新調(diào)查。學(xué)生可以重新審視什么是熟悉的，什么是不清楚的，承擔(dān)嘗試使用新方法解決復(fù)雜問題的風(fēng)險(xiǎn)。教師需要具備有效評(píng)估學(xué)生對(duì)科學(xué)現(xiàn)象的察覺力，與他們共同探究和延伸這種察覺力，而不是像他們做錯(cuò)了一樣駁回他們。