STEM教育的特征分析及對我國的啟示—以北卡羅來納州數(shù)學和科學學校為例

時文靜 徐 力

STEM是科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)、數(shù)學(Mathematics)4門學科英文首字母的縮寫。STEM教育在美國發(fā)展至今已經30多年，近年來世界各國也逐漸關注STEM教育、開展STEM教育，但總體而言，美國的STEM教育發(fā)展較為成熟，STEM學校建設較好。因此，分析美國STEM學校的對我國的STEM教育的發(fā)展具有借鑒意義。

一、STEM教育的發(fā)展

1.美國STEM教育

STEM教育源自美國，STEM教育的提出除了源于軍事和經濟安全的國家目標之外，還要保持國家的競爭地位，幾乎所有創(chuàng)新和職業(yè)領域都與STEM知識和技能密不可分，美國聯(lián)邦、州和地方政府需要更多的STEM專家推動創(chuàng)新，以維持該國在全球經濟中的競爭地位。此外，美國中小學生的數(shù)學和科學水平較低，在國際數(shù)學與科學評測趨勢(TIMSS，4年一次)中，美國中小學生在數(shù)學和科學方面的表現(xiàn)處于國際低水平，美國的排名落后于很多國家。自此之后美國推出了近20項政府報告和政策發(fā)展STEM教育，加強STEM教育。2006年發(fā)布“美國競爭力計劃”，提出培養(yǎng)具有STEM素養(yǎng)的人才是全球競爭力的關鍵。2010年頒布“變革方程”教育計劃，利用商界的力量促進STEM公益教育事業(yè)、激勵青少年學習STEM以及鼓勵教育改革[1]。2013年頒布《STEM教育五年戰(zhàn)略計劃》，2017年簽署的總統(tǒng)備忘錄中也指出每年至少投資2億美元用于STEM教育項目，提供高質量的STEM和計算機科學及編程課程，培養(yǎng)兒童的STEM知識和技能，以此促進STEM教育的發(fā)展。

2.中國STEM教育

我國開展STEM教育時間較晚，國內關于STEM教育的研究最早可以追溯到2008年陳超等發(fā)表的《美國的世界一流大學戰(zhàn)略與啟示》，在該文中簡要提及“美國競爭力計劃”，強調通過實施STEM教育戰(zhàn)略提高美國的競爭力，但沒有具體剖析STEM教育概念及內涵[2]。之后從2008—2012年，我國STEM教育研究一直處于起步階段，論文發(fā)表量總數(shù)不超過10篇，且大多是對國外STEM教育政策和發(fā)展脈絡的梳理與解讀。2013—2018年，論文發(fā)表量逐年攀升，尤其是近三年，STEM教育研究已然成為國內教育研究的熱點[3]。

常詠梅等學者以2011—2016年來源于CSSCI期刊的57篇STEM文獻(碩博論文12篇，期刊論文45篇)分析出我國當前的STEM研究現(xiàn)狀：(1)我國STEM教育的研究熱點是關于STEM教育的教育政策、學科整合、美國STEM教育、與創(chuàng)客教育的聯(lián)系的研究；(2)STEM教師、人才培養(yǎng)、項目學習、教學實踐等領域有待進一步研究與探討[4]。因此，為了更好地發(fā)展我國的STEM教育，筆者以美國一所較為成功實施STEM教育的學?！笨_來納州數(shù)學和科學學校(North Carolina School of Science and Mathematics, 簡稱 NCSSM)為例，通過研究它的課程設置探究STEM教育的本質并從中獲得成功的經驗，期望能為我國STEM教育的發(fā)展提供啟示與借鑒。

二、NCSSM的STEM教育

美國的STEM教育學校大致分為4種類型：分別是STEM精英學校、STEM全納學校、STEM職業(yè)技術學校、STEM綜合學校。美國STEM精英學校大概有4種類型，分別是：寄宿制學校、獨立學校、校中校、半日制課程學習中心。STEM精英學校是圍繞一個或者多個STEM學科開展教學活動的學校，學校致力于為學生提供能獲得STEM文憑的、高質量的STEM職業(yè)教育，為此，整合多方面的資源支持學生的學習，其中包括優(yōu)秀的師資、完善的課程體系、專業(yè)的實驗設備、科學家的指導和一些有助于專業(yè)發(fā)展的輔助項目。NCSSM是一所寄宿制STEM精英學校，它的核心課程觀是培養(yǎng)學生探索性的世界觀和創(chuàng)新能力。

NCSSM的STEM學科課程設置涵蓋了工程、技術、數(shù)學和科學，覆蓋全面，甚至還有豐富的人文類課程。此外學校還提供免費的互動視頻會議課程(IVC)、AP項目、夏季加速課程(summer accelerator)、各種選修課供學生選擇，課程種類豐富，學生可以根據自己的興趣和實際情況選擇課程。通過對NCSSM學校的課程設置分析出以下4點STEM教育的本質特征。

1.跨學科性

與傳統(tǒng)分科教學不同，STEM教育強調將原本分散的科學、技術、工程、數(shù)學這4門學科內容自然組合形成整體，具有跨學科性?？鐚W科意味著教育工作者在STEM教育中，不再將重點放在某個特定學科或者過于關注學科界限，而是將重心放在特定問題上，強調利用科學、技術、工程或數(shù)學等學科相互關聯(lián)的知識解決問題，實現(xiàn)跨越學科界限、從多學科知識綜合應用的角度提高學生解決實際問題的能力的教育目標[5]。

NCSSM有許多研究性課程，這些課程涉及生物學、化學、物理、工程學和人文學科(如圖1所示)。課程時長跨越1～3個月。例如，NCSSM的暑期研究計劃中的“生態(tài)學：杜克濕地中心”“使用天然染料提取物制造太陽能電池”“野生食物的營養(yǎng)”等研究課題需要學生綜合運用各個學科的知識，單一的學科知識無法支撐學生完成整個研究計劃。

圖1 2018—2019年NCSSM在線課程圖[6]

2.情境性

STEM教育具有情境性特征，它強調將知識應用于生活，解決生活中真實存在的問題，培養(yǎng)解決問題的能力。NCSSM認為通過核心課程為學生營造一個真實的學習情景十分重要，因此在設置學習情境時會考慮選擇學生生活所遇到的問題，具有鮮明的生活性特征，而從現(xiàn)實生活中尋找素材，也就意味著學習情境具有真實性[7]。現(xiàn)實世界中的諸多問題，例如生態(tài)失衡、環(huán)境污染、資源短缺等，這些都是最自然的STEM學科的組合，均可以成為STEM教育的素材。這種學習環(huán)境有利于吸引學生的注意力，激發(fā)學生的興趣，并提高學生對社會問題的關注度。NCSSM開設了種類豐富的選修課，例如Honors Energy and Sustainability，該課程向學生介紹全球可持續(xù)發(fā)展的重要領域，要求學生對科學、工程、經濟學中可持續(xù)性的、相關聯(lián)的主題進行多學科研究，探討人類社會面對的全球變化、生態(tài)系統(tǒng)退化和全球資源限制等一系列問題。

3.實踐性

STEM教育強調做中學，在實踐中應用所學的知識解決實際存在的問題。NCSSM提供了許多實踐性課程，參與夏季研究與創(chuàng)新計劃的學生將與校園內的NCSSM教員或校外志愿導師一起工作，在夏季的2～5周內全天工作，學生可以參與獨立或正在進行的項目。這些項目可以培養(yǎng)個人和專業(yè)技能，學生以演講的形式匯報計劃的結果，這種方式不僅可以展示學生項目中的發(fā)現(xiàn)，還可以促進學生的發(fā)展和成長。此外，通過學生服務部門，學生必須在高年級之前為北卡羅來納州的非營利組織提供60小時的服務學習。每個學生還需要每周進行3個小時的校園服務，暑期服務計劃允許學生以各種方式回饋家庭社區(qū)，這些方式可以滿足個人激情、愛好、興趣和可能的職業(yè)。無論這是首次志愿者體驗還是以前志愿服務的延續(xù)，學生都有機會進行個人成長，并在志愿服務中培養(yǎng)持久的興趣和承諾。

4.協(xié)作性

NCSSM的許多課程以項目的形式開展，學生需要以小組為單位，開展研究課題，在這過程中相互幫助、啟發(fā)、交流討論，也要做到合理分工，因此協(xié)作性是非常重要的。NCSSM會為學生提供專業(yè)指導教師，在項目進行過程中給予學生一定的幫助。此外通過雙向視頻會議，學生可以與項目團隊合作，與全州其他學校的學生進行全班討論。NCSSM教師實時監(jiān)控課程，評估學生的學習情況，確保學生參與課程材料并相互學習。

三、對中國STEM教育的啟示

NCSSM作為美國一所比較成功的STEM教育學校，成功并非偶然，它的課程定位、校園環(huán)境、專業(yè)的教師、豐富的實踐活動為每一位學生提供獨特的學習體驗，我國在開展STEM教育過程中，可以學習以下幾點。

1.發(fā)揮學生主導作用

縱觀NCSSM學校的STEM課程，學生是學習的主體并主導整個項目的研究和實施。NCSSM給學生提供了廣闊的發(fā)展空間和選擇空間，例如比賽、實踐活動、志愿活動、在線課程等，學生可以自主選擇感興趣的活動或者研究性課題，教師在這過程中扮演一個輔助者的角色，給予學生指導、建議和可供選擇的幫助，而不是給出指令，學生根據教師的指示完成項目，因此無論是選擇項目還是選擇合作伙伴，學生都有主導權和選擇權。這種豐富多彩的校園活動也給學生帶來更多體驗的機會，學校提供的幫助也讓學生能夠更加深入地探索感興趣的領域，很多學生對于未來的職業(yè)選擇都和學生時代參與的活動有密切的聯(lián)系。

2.聯(lián)合各方資源

NCSSM充分利用了家長和社會等各種資源，并進行合理的運用。近40年來，NCSSM基金會一直支持NCSSM有才華的學生參加在線和遠程教育課程的學術學習；NCSSM校友會重點在志愿服務，并捐贈資金；家長委員會協(xié)會通過為家長組織志愿服務的機會支持學?；顒?；學生政府會與管理人員合作，為學生建立更具支持性的學術環(huán)境，更強大的社會社區(qū)和更健康的心理生活。除了活動主辦和俱樂部資助外，還有專門用于影響學生團體的特殊舉措和項目的預算，這些社會資源極大地幫助了NCSSM的學生，為其提供了優(yōu)質的教育資源和廣闊的發(fā)揮空間，讓學生全方面發(fā)展。

3.專業(yè)師資

NCSSM的教師是各自領域的技能嫻熟的教師和領導者，擁有多年的數(shù)學，科學和人文學科經驗。教師致力于設計每個學生的學習體驗，并將他們的專業(yè)經驗帶到課堂，為每個學生拓寬經驗。NCSSM的成功與優(yōu)質的師資條件密不可分，教學經驗和技能嫻熟的教師在教學過程中對于學生的影響是巨大的，而NCSSM的教師為NCSSM培養(yǎng)的許多優(yōu)秀的學生，未來就是STEM領域中的優(yōu)秀人才。

四、結語

我國目前的STEM教育處于起步階段，缺乏系統(tǒng)的課程設計，也沒有相關專業(yè)的教育人員。NCSSM的成功之處我們可以借鑒學習，但是在學習的過程中不可生搬硬套，要將它本土化、中國化，例如將項目與中國的傳統(tǒng)文化相結合，學生既能通過項目學習、發(fā)揚我國的傳統(tǒng)文化，又能通過項目鍛煉自己的能力。筆者希望通過對美國NCSSM的案例分析為我國開展STEM教育提供一些啟示，促進STEM教育的健康發(fā)展。