美国STEM教育战略规划决策支持模型及其启示

纪洪波

（北京大学，北京 100871）

美国STEM教育战略规划决策支持模型及其启示

纪洪波

（北京大学，北京 100871）

2009年以前，美国Boeing、MIT、Raytheon、Sandia、SimBlox/NIH等机构研制了与美国STEM（Science，Technology，Engineering，Mathematics）教育战略规划决策支持有关的基于系统动力学的五个早期模型；随后BHEF（Business Higher Education Forum）研制了美国STEM教育模型、美国STEM本科生模型和在职教育模型等三个模型。这些模型具有适切性和规范性、系统性和动态性、预测性和实验性、可视性和交互性的特征。当前，我国的教育规划缺乏决策支持模型与数据的积累和挖掘，迫切需要学习借鉴美国STEM教育战略规划系统动力学决策支持模型的经验，改进教育规划。

美国STEM教育；战略规划；系统动力学；决策支持；模型

美国为了确保国家的竞争力和在科学、技术、工程 与 数 学（Science，Technology，Enginecning，Mathematics，简称STEM）领域的领先地位，美国连续出台了《美国竞争力计划》《联邦STEM教育五年战略规划》《迎击风暴》《参与执行：在科学、技术、工程和数学领域增加培养一百万大学毕业生》等相关的报告、政策和具有法律效力的文件［1］。其中，《联邦STEM教育五年战略规划》对提高国家STEM教育质量、保证和增加青少年及公众对STEM教育的参与、加强在校大学生的STEM学习、更好地服务于在STEM教育方面以往未受重视的群体、为未来STEM劳动力提供所需的研究生教育、建立一个高效的跨部门合作的新模式等进行了详尽的部署。［2］。围绕《迎击风暴》和《参与执行:在科学、技术、工程和数学领域增加培养一百万大学毕业生》报告提出的目标，Boeing、MIT、Raytheon、Sandia、SimBlox/NIH和 BHEF（Business Higher Education Forum）等机构研制了基于系统动力学的模型以支持相关决策。［3］［4］

一、早期的五个STEM模型

随着与其他国家竞争越来越激烈，美国的企业领导人担心美国没能产出足够数量的训练有素的工程师和科学家，他们越来越关注STEM对美国未来繁荣的影响。2009年之前已经开发出五个独立的系统动力学模型以测试与此相关的政策建议。这五个模型都以开发者所在的组织命名，分别为Boeing，MIT，Raytheon，Sandia and SimBlox/NIH。

（一）Boeing模型［5］

Boeing模型的重点是分析美国海外投资、教育、移民、研发投入政策以及其他国家的决策对美国未来繁荣影响。该模型基于一些动态假设，这些动态假设与《迎击风暴：增强活力使美国走向更美好的经济未来》的国家科学院的报告（2007年）所涉内容紧密相关。

（二）MIT模型［6］

MIT模型探索近25年的美国出生的大学生获得工程学位的比例下降的原因。另外，注重研究

“度”，当STEM老师加薪与工人加薪相对值达到一定“度”时可以扭转下降趋势，说明了可能存在一个“拐点”，在这个点将引起劳动力供需比例发生变化，导致美国本科生获得工程学位的比例增加。

（三）Raytheon模型［7］

Raytheon模型最初关注的是测试所提出的与2015年目标相近应的师资力量改进政策。除了把其栈——流结构分解得更细以外，Raytheon公司模型类似于麻省理工学院的模型。MIT模型更多的是开发一个基于过去的行为的更合理的动态假说的研究模型，而Raytheon模型的产生源自找到和测试实现未来特定行为目标——到2015年大学毕业生翻一番的政策。

（四）Sandia模型［8］

Sandia模型着重于STEM的职业吸引力，除在MIT模型中唯一影响STEM职业吸引力工资外，还包括可用的STEM工作、外包的STEM工作、晋升的可能性、工作期限。为了探索产业和政府的政策从内部影响STEM劳动力的可用性，Sandia模型对STEM劳动力内部的影响因素进行了明确区分：入门和更高水平的工作；入门水平和更高水平的继续教育；入门和更高水平的工人和需求；本科生和研究生学院与STEM入门和更高级别工作的关系。

（五）SimBlox/NIH模型［9］

SimBlox/NIH模型主要是人口特征的仿真模型，关注的焦点是研究人员的老化特征，测试并分析政策对研究人员老化特征的影响。对照Boeing模型可以发现，这项工作开始把Boeing公司研发投资政策模型内生化。表1对上述五个模型进行了对比。

表1：基于系统动力学的STEM模型比较［10］

二、BHEF的三个STEM教育开源模型

（一）BHEF美国STEM教育模型［11］

BHEF是美国最古老的以财富500强的CEO和研究型大学校长为成员的组织，致力于推进创新教育与劳动力解决方案和改善美国的竞争力。BHEF美国STEM教育模型是Raytheon公司历时三年开发的，于2009年将其正式赠送给BHEF。随后，BHEF将模型以开源方式向有兴趣的伙伴开放。

1.问题与模型结构

美国STEM毕业生的相对短缺导致BHEF于2005年启动了确保美国在STEM领域领导地位行动方案，提出到2015年美国STEM领域毕业生数量翻一番的目标。针对这一雄心勃勃的目标，身为Raytheon公司主席兼CEO与BHEF主席的William H.Swanson提出了“如何确定哪种想法对增加STEM毕业生数量最有效？”的问题。

基于这一问题，BHEF设计了美国STEM教育简化模型，如图1所示。

图1 美国STEM教育简化模型［12］

2.干预措施及其影响

一是聚焦本科教育产生的投入回报。群分项目通过课程接续、宿舍接近和其他活动对学生进行编组来建立学生间牢固的社会网络。研究表明50%的院校实施群分项目能在六年内引起STEM毕业生数的明显增加。

二是胜任STEM教育的师资对增加STEM兴趣和数学熟练度至关重要。模型假设建立在Hanushek（2002）两个与教师有关的关键研究结果上：（1）师资对初级和高中教育阶段学生绩效变化的影响约占8.5%；（2）把学生从第50百分位数的教师处送至第85百分位数的教师处，在给定年限内提高学生标准化数学测试成绩7%。研究表明，胜任STEM高中教育的师资流失率从13%减少到7%会引起高中熟练掌握数学的学生数增加。

三是单独使用基础教育阶段战略和高中后战略都不能在近期达到翻一番的目标。只有同时实施群分项目和提高STEM师资胜任比例，STEM大学毕业生数才能确实接近翻一番的目标，然而，达到这一结果会花费20年的时间。

（二）美国STEM本科生模型［13］

像许多其他政府机构和私营部门的组织一样，海军也面临着找到在STEM学科有充足技能的员工的挑战。2012年，美国海军为BHEF提供了STEM本科生模型的研发资金，重点研究人才供给的本科部分，并且把与海军研究办公室的STEM2Stern计划

提出的重点任务和总统科技咨询委员会提出的增加一百万STEM本科生毕业率和保留率等内容直接纳入模型。

1.问题与模型结构

STEM领域的学生尤其是在大学的大一、大二学年学生的高流失率大大减少了获得STEM学位的毕业生数量。要实现总统科技咨询委员会（President’s Council of Advisors on Science and Technology，PCAST）提出的在未来10年每年增加10万个STEM毕业生的目标需要采取强有力的干预措施。STEM本科生模型用于提高STEM学生保留率的干预效果，如图2所示。

图2 美国STEM本科生模型

2.输出

BHEF的美国STEM模型表明，提高STEM学生毕业人数有效的干预措施为：本科生桥梁项目、课程再设计、校内科研、认知辅导、学习共同体、服务奖学金。

（三）在职教育模型（Learn and Earn）［14］

对美国竞争力和创新能力的担心已经导致美国更严格地审视教育体系。高等教育、工商业和政府的领导人越来越频繁地呼吁扩大教育机会来改善美国劳动力的技能。在职教育项目为改善劳动力供给提供了一个通道。在职教育项目需要高校和雇主之间合作为成年人在参加工作的同时接受高等教育提供机会。城市学院（Metropolitan College）就是这样一个例子。

1.问题

在20世纪90年代，UPS（United Parcel Service Inc.）认为员工的生产率低、培训少和招聘成本高阻碍了路易斯维尔隔夜航运业务的发展。UPS希望送达路易斯维尔的包裹的数量至少翻一番，但劳动力储量不足以满足这种日益增长的需求。

2.政策选项及其影响

这种结构能使用户在不同的情景下测试政策选项的影响。按照UPS基线、无城市学院的扩张、有城市学院的扩张三种情景，对新员工、熟练员工、在城市学院的新员工、在城市学院的熟练员工、城市学院教育出的熟练员工五种员工成分在员工生产率、员工士气、潜在的劳动力存量、所需的劳动力、每个岗位的招聘数五个方面随时间的变化情况进

行了测试。

研究结果表明，引入城市学院后，UPS员工结构发生了变化，从中反映出员工受到了更好的教育和更加熟练。从效果看，城市学院似乎成为吸引和留住UPS员工的工具。

BHEF在所承担的一个项目中使用系统动力学建模方法来理解导致城市大学成功的影响因素并描述其成功的结果。模型结构如图3所示。

图3 美国在职教育模型

三、STEM教育战略规划系统动力学决策支持模型的特征

STEM人才影响美国的竞争力这一问题涉及复杂非线性动态系统。系统动力学提供了一种综合而有条理的方法以帮助理解复杂非线性动态系统的历时行为。该方法也可用于测试所提方案的有效性，进而帮助决策者设定重点措施和指导政策落实。

STEM教育战略规划系统动力学决策支持模型的特征主要体现在以下四个方面。

（一）适切性和规范性

针对组织存在的问题，借助系统动力学的定性定量结合、人机交互和滚动迭代的建模方法和成熟的建模步骤，为教育战略规划及其相关政策研究提供较为严谨的方法。

（二）系统性和动态性

系统动力学方法能用由流速—流位—信息的基本反馈回路及其耦合关系构成的模型表达复杂动态系统，并通过对模型整体的历时行为表现和实际系统的历时行为表现进行对比对模型进行检验，从

而了解行为背后的深层次结构，加深系统与周围环境之间的相互联系、作用和控制机理的认识。

（三）预测性和实验性

通过设定不同的政策情景，显示项目和政策实施与期望输出之间的时间延迟，预测系统行为的发展趋势，验证系统对期望输出的承载能力，测试不同政策实施的相对成本，揭示过程中意想不到的影响，寻求满意的政策，为决策提供支持。

（四）可视性和交互性

系统动力学是一种图示化方法，可为决策者和利益相关者提供一种有效的可视化的交流平台来讨论不同的政策方案，以系统的产出而不是特定的项目或政策为出发点，从非政治化的角度讨论教育改进，为适切环境、凝聚共识和付诸实施奠定基础。

四、STEM教育战略规划系统动力学决策支持模型的启示

当前，我国的教育规划主要是描述理想目标，不注重目标的形成过程和实施目标的过程，缺乏教育数据的积累和挖掘难以为决策提供系统、有效支持。因此，迫切需要学习借鉴美国STEM教育战略规划系统动力学决策支持模型的经验，改进教育规划。

（一）整合力量，关注重大战略问题

根据确保STEM领域的领导地位和提高国家竞争力的现实需求制定。STEM教育战略规划系统动力学决策支持模型是针对提高STEM人才竞争力、增加STEM领域毕业生数量、满足某些领域对STEM人才的需求、优化劳动力构成等战略问题而研发的。STEM教育带有较为明显的“国家意志”色彩，以联邦政府作为教育行动的主体，是美国教育界一场持续时间较长的全国性战略规划。STEM教育战略规划系统动力学决策支持模型的研制和应用体现了集思广益和协同行动，以确保整个教育投资组合的效果最大化。我国应学习借鉴美国强烈的危机意识，推进重大战略问题治理体系的完善，运用系统动力学等方法系统思考事关国家安全和竞争力的关键领域的教育战略规划，建立协同联动的谋划、实施机制。

（二）运用实证方法，开展STEM教育相关评估和预测

STEM教育战略规划鼓励开展基于实证的研究，并充分利用调查、评估和预测研究的成果，战略性地塑造联邦投资方向。我国应学习借鉴美国STEM教育实证研究的理论和方法，明确决策支持导向，设计数据库框架、进行数据积累，开展评估和预测，发布和维护相关问题域的系统动力学等开源模型，建立有前景的实践和项目有效性的实证案例，应用于跨部门合作中，并与社会公众分享，提高教育投入的社会效果。

（三）加强协作，开发适用于决策者及其当事员工的模型和界面

一般来说系统动力学是用一组微分方程来反映系统运动的，通常需要采用相关专业软件处理。由于系统动力学实际模型的复杂性，界面可能不适合大多数决策者。应在开源模型版本的开发中开展决策者、建模者、模型界面与沟通专家、研究共同体之间的协作，开发出适用于决策者及其当事员工使用的模型和界面。可用Vensim PLE Plus软件创建模型，然后插入“滑块”作为输入控制器控制常数的初始值或游戏中的变量值，并通过分析面板或自定义的图表和报告显示输出信息，进而创建“飞行模拟器”或学习环境。可以将Excel的数据联动功能与用VBA编写人机界面功能结合起来开发系统动力学仿真模型、用专业软件画出因果关系图和流速和流位图再用Excel详细推演计算过程、从已有Excel数据联动模型中追踪找出因果关系，进一步区分流速和流位变量，识别出构成的回路，画出因果关系图和流速——流位图，用系统动力学模型加深对Excel表格模型的理解。

［1］上官剑，李天露.美国STEM教育政策文本述评［J］.高等教育研究学报，2015，（6）：64-71.

［2］罗晖，李朝晖.美国实施科学、技术、工程和数学教育战略提升国家竞争力［J］.科普研究，2014，（10）：32-40.

［3］［10］Newton Paul C.，Richey Michael C.，Mohammad Mojtahedzadeh1.STEM Pressures from Birth to Globalization：Five Related Models.［EB/OL］. http：//www.systemdynamics.org/conferences/2009/proceed/papers/P1406.pdf.

［4］BHEF.friro simulate.［EB/OL］.http：//forio. com/simulate/bhef/.［2015-08-22］.

［5］National Academy ofSciences，National Academy of Engineering,Institute of Medicine.Rising Above the Gathering Storm：Energizing and Employing America for a Brighter Economic Future［EB/OL］. http：//www.nap.edu/openbook.php?record_id=11463.

［6］Daniel Joseph Sturtevant.America Disrupted：Dynamics of the Technical Capability Crisis.Thesis for Master of Science in Engineering and Management，Systems Design and Management Program，Massachusetts Institute of Technology.September.［EB/OL］. http：//static.clexchange.org/ftp/documents/Research/RS 2008-09AmericaDisrupted.pdf.

［7］Brian H.Wells，H.Alex Sanchez and Dr. Joanne M.Attridge.Systems Engineering the U.S.Education System.Raytheon Company［EB/OL］.http：//halexsanchez.com/downloads/us_education.pdf.

［8］Andjelka Kelic and Aldo Zagonel.Science，Technology，Engineering，and Mathematics（STEM）CareerAttractivenessSystem DynamicsModeling. Sandia Report SAND2008-8049 dated December［EB/ OL］.http：//prod.sandia.gov/techlib/access-control.cgi/2 008/088049.pdf.

［9］J.Chris White，Walter T.Schaffer.PI Aging Simulation Model.June4［EB/OL］.http：//grants.nih. gov/grants/new_investigators/NIH_Aging_Model_Validation_4_June_08.ppt.

［11］BHEF.IncreasingtheNumberofSTEM Graduates：Insights from the U.S.STEM Education& Modeling Project.［EB/OL］.http：//www.ncci-cu.org/ downloads/BHEF_STEM.pdf.

［12］BHEF.U.S.STEM Education Model-simplified Representation View.［EB/OL］.http：//forio.com/ simulate/bhef/u-s-stem-education-model/model/download/?hard=true.

［13］BHEF.The U.S.STEM Undergraduate Model-Applying System Dynamics to Help Meet President Obama’s Goals for One Million STEM Graduates and the U.S.Navy’s CivilianSTEM Workforce Needs［EB/ OL］.http：//www.bhef.com/sites/g/files/g829556/f/20130 6/report_2013_stem_undergrad_model.pdf.

［14］BHEF.Learn and Earn-Modeling the Success of Metropolitan College［EB/OL］.http：//www.bhef.com/ sites/g/files/g829556/f/report_2011_learn_earn.pdf.

（责任编辑：李作章；责任校对：杨 玉）

Review and Its Revelation on the U.S.STEM Education Strategy Planning Decision Support Model

JI Hongbo
（Peking University，Beijing 100871）

Boeing，MIT，Raytheon，Sandia，SimBlox/NIH institutions developed the early five STEM system dynamics models related to decision making support for STEM education strategic planning before 2009，and BHEF（Business-Higher Education Forum）developed the three open source models（the U.S.STEM education model，STEM undergraduate model，Learn and Earn model）.These models are useful tool for policy experimentand communication with characteristics of relevance and rigor for studying complex dynamic system.Now，China’s education strategic planning lack of decision making support model and data accumulation and mining.It is urgent to learn from American experience for improving the China’s education strategic planning decision making.

the U.S.STEM education；strategic planning；system dynamics；decision making support；model

G649.21

A

1674-5485（2016）11-0116-07

纪洪波（1963-），男，山东蓬莱人，北京大学教育学院博士生，主要从事教育经济与管理研究。