美国中小学STEM学习生态系统研究*——以辛辛那提市STEM学习共同体为例

刘亮亮 李雨锦



美国中小学STEM学习生态系统研究*——以辛辛那提市STEM学习共同体为例

刘亮亮1,2李雨锦3

（1．河北大学 教育学院，河北保定 071002；2．河北工艺美术职业学院 办公室，河北保定 071051；3．河北软件职业技术学院 教务处，河北保定 071000）

为进一步改善和提高STEM教育的质量和成效，确保所有学生获得学习STEM的机会，为今后能成功升入大学并在事业和生活上取得成功而做准备，美国政府鼓励各联邦机构、州教育机构、地方教育局和私营部门结成合作伙伴，构建有机融合的STEM学习生态系统，努力采用现代组织方法和手段协调配置各类资源，利用多方财政支持，形成卓有成效的、以目标导向和问题导向为主的STEM教育策略。辛辛那提市“STEM学习共同体”就是地区性STEM学习生态系统的一个成功典范，能够有效配合该地区STEM教育政策的实施和教育实践的创新，提高该地区中小学生的STEM学习效果。

STEM学习生态系统；学习共同体；构建策略

为促进和实现平等教育机会的目标，培养经济和社会发展所需人才，美国社会长期关注和重视科学、技术、工程和数学（Science，Technology，Engineering and Mathematics，STEM）教育，从国家到地方均设立专门机构负责管理和推动STEM教育的发展。美国联邦政府先后出台了多项STEM教育发展规划和战略，各州政府也都如火如荼地出台和开展STEM学习项目和教学实践，社会各界不断提高对STEM重要性的认识，各地区逐步建立并形成了STEM学习生态系统。STEM学习生态系统以全新的创造性方式实现跨部门的通力合作，在改善与提升STEM教育质量与公平方面取得了显著成效。其中，辛辛那提市STEM学习共同体的构建和运行具有较为典型的代表性。

一 辛辛那提市STEM学习共同体的构建

20世纪70年代，尽管美国社会尚未明确提出STEM学习生态系统的相关概念，但联邦政府指导发展STEM教育的举措却已用生态系统的理念逐步构建国家层面的宏观STEM学习生态系统。根据《1976年国家科学技术政策、组织和优先领域法案》（）建立的联邦科学、工程和技术协调委员会（The Federal Coordinating Council for Science, Engineering and Technology）作为领导核心[1]，以一个STEM教育项目为抓手，引领和推动全国各地区的STEM教育发展行动，创建了由美国教育部、能源部、商务部、运输部、国家科学基金会和环保署等16个联邦政府部门参与的全国首个有关STEM教育的整体性联邦战略规划[2]。该规划提供了连接联邦政府各部门参与STEM教育改革和公、私立机构实现技术进步与创新的框架，并在20世纪90年代初步构建了国家层面的宏观STEM学习生态系统。

辛辛那提市“STEM学习共同体”（Greater Cincinnati Stem Community，GCSC）成立于2011年，是地区性STEM学习生态系统的一个成功典范。辛辛那提市的STEM职业发展有诸多优势，未来十年80%地区的工作需要数学和科学技能，STEM工作数量的增长速度比非STEM工作快2倍，STEM工作的工资水平为该地区平均工资的70%以上[3]。目前，加入GCSC的学校有90多所，合作伙伴有130多个，主要分布在跨越美国3个州和9个城市的辛辛那提大都会区[4]。作为一个非营利性系统，GCSC旨在发展STEM教育与劳动力需求的伙伴关系，主要任务是创建一个强大的STEM人才培养渠道，以满足本地区对STEM工作和劳动力日益增长的需求。此外，通过相互贯通和强有力的学习路径，GCSC推动当地教育机构、社区和商业伙伴共同行动，为中小学生创造关注动手能力和现实生活的STEM学习经验，增强学生追求STEM职业的兴趣和信心。GCSC的发展愿景是通过学习共同体的努力，将该地区的适龄劳动力人口培养成富有才干的STEM劳动力队伍。为保证本地区STEM教育机会的公平，GCSC优先服务于少数民族学生和处于弱势地位群体学生，采用直接或间接的支持措施，为他们提供有效的STEM学习机会。

1 构建辛辛那提市STEM学习生态系统的背景

辛辛那提地区的STEM人才供求差距较大，目前仍有大量STEM岗位空缺，将近一半的STEM专业学生在毕业前转专业或放弃学习。为此，辛辛那提教育系统努力创新STEM教育形式并提高STEM课程毕业率，尽早开展STEM学习的准备工作，以提高中小学生的STEM学习兴趣。该系统借助一些与现实世界联系紧密且需较强动手能力的实验活动，帮助学生重新认识STEM科目，进而引发学生对STEM职业的兴趣。作为该系统重要资助者的宝洁公司，由于较早意识到辛辛那提劳动力市场需要大量STEM人才的情况，所以慷慨提供了GCSC建立的种子资金。GCSC作为一个学习共同体，其创建使命就是应对STEM教育薄弱和人才短缺的挑战，改善本地区STEM人才的培养渠道，促进所有合作伙伴同心协力提高STEM教育质量。

2 GCSC的运行机制

GCSC通过组织大量的STEM教育项目，建立了稳固的区域合作机制，并尝试从跨领域协作中积累经验和创新发展模式。

（1）GCSC的组织模式

GCSC拥有数量众多的合作伙伴，包括辛辛那提市和北肯塔基州学校系统的正规教育机构、辛辛那提大学、本地博物馆和科学项目的非正规教育机构，以及对STEM感兴趣的美国银行基金会等商业合作伙伴。GCSC采用小型化、扁平化的“协作圈”组织模型，专注于完成工作，在抓住机遇的同时保持组织架构的灵活性，根据优先发展策略协作发展。

（2）GCSC的工作机制

GCSC的运行是一个每年都根据工作经验和实际情况不断调整的动态适配过程，通常始于有意愿资助STEM教育项目的投资者发起拨款倡议，激发社会各界对STEM教育的兴趣。GCSC项目通常先在一所学校基于有限的资助进行小规模实践，经不断调试直到能证明该项目对学生掌握STEM技能有积极影响之后才开始适时扩大项目的开展比例。它允许学校申请GCSC资助的项目，鼓励企业直接参与项目或通过其它形式支持项目学校或社区合作伙伴。

（3）GCSC的主要任务

GCSC的主要任务是促进本地区STEM教育活动的蓬勃发展，使本地区拥有一流STEM人才，创造和吸引新兴STEM产业，改善居民生活质量，促进地方的经济社会发展，具体包括[5]：①每名学生需积极构建STEM知识和技能体系，为选择STEM职业做准备；②每位教育工作者需努力创建一个使学生接触现实世界STEM问题和获得学习机会的环境；③每个企业需意识到深度参与STEM教育将使企业获得未来所需的STEM人才，既能满足企业的发展战略，又能赢得良好的社会声誉；④每所学校联合多个合作伙伴，为学生提供参与STEM活动的真实体验，提高学生的STEM学习质量；⑤每个家长需获得有关STEM技能和职业的信息资源，帮助和支持孩子的STEM职业探索；⑥每个学习共同体成员需意识到STEM教育的重要性，通过密切合作和寻求外援来支持STEM教育。

3 GCSC的优势

GCSC如今已成长为一个多样化的STEM教育生态系统，参与者都是从事STEM教育事业的创新者、艺术家、设计师和思想家，以激情创造为动力，以问题探究为导向，侧重STEM经验和专业知识的传授[6]。GCSC具有以下优势：

①促进了学生的发展。GCSC积极引导学生融入多样化的学习共同体，弥补校内STEM学习的不足，使学生在享受STEM学习乐趣的同时持续获得源于真实生活的STEM经验，在智力、情感和社会交往等方面得到锻炼，丰富自身的STEM技能，拓展STEM职业前景。

②推动了利益相关者的合作。GCSC各方通过相互连接的STEM学习生态系统，改善了学生的学习成果——教育者和家长致力于提高STEM教育的质量，商业和行业合作伙伴通常是现实世界STEM学习经验的最佳来源，社区组织和机构则为学生提供大量丰富的STEM学习机会。

③创新了活动形式。GCSC在原有STEM活动基础上不断创新形式，例如2017年夏季推出新型工具——“学生STEM护照”（Student STEM Passports），使学生更充分地参与STEM教育活动。主要包括完整记录每个学生的STEM经历和成绩、帮助他们参加首次面试或根据STEM学习成绩获得奖励等，使学生更充分地参与STEM教育活动。另外值得一提的是，GCSC关注女孩的STEM教育，专门设置了STEM女孩项目（Girls in STEM）。

4 GCSC组织的STEM项目

GCSC自成立以来就实施了大量基于真实STEM体验的校外项目，近年来参与项目的师生和合作伙伴数量稳步增加，有效激发了中小学生的STEM学习兴趣。

（1）STEM夏季项目（Summer of STEM）

STEM夏季项目旨在增强学生的STEM意识、学习兴趣和自信心，提高他们的STEM技能和团队建设能力，利用暑期帮助更多的学生探索STEM知识、了解STEM职业，尤其关注贫困学生和处于弱势地位群体学生。2017年5～9月，在GCSC的资助下，学习共同体（主要包括K-12教育工作者、图书馆和中小学生发展组织）先后组织2100名学生参加了29个STEM夏季项目；北卡塔基大学和辛辛那提大学还联合举办“2017年K-12教育工作者STEM论坛”，并出版了一系列与STEM学习相关的书籍。其中，参加2017年夏季项目的女生占参加学生总数的74%，少数族裔学生占比为62%，10～12岁学生占比为52%[7]。

（2）特色俱乐部项目

特色俱乐部项目包含多种类型的子项目，由国家和本地区STEM领域专家在过去已获得成功的STEM项目基础上设计开发，注重学生动手能力的培养和对STEM问题的探究。如STEM自行车俱乐部（STEM Bicycle Club）主要辅导学生在课后拆卸、重装自己的低成本自行车，3D打印机俱乐部（3D Printers Club）则注重引导学生将解决实际问题的设计方案在教室里打印出来。

（3）网络学习项目

网络学习项目是通过网上电子辅导课程，提高学生的自我意识、自信心和STEM职业兴趣。如电子辅导（IBM e-Mentoring）项目是由IBM公司为学生提供STEM课程在线学术指导和职业咨询，尤其注重与后进生建立STEM学习的技术指导关系；降落区（Drop Zone）项目通过真实场景学习，为学生提供STEM研究所需的信息，指导学生研发产品；分享IT项目则旨在创建功能性的资源应用程序，连接行业、师生和家长，找到与IT技能开发和职业追求有关的方案、资金、设备、导师及其它资源。

（4）STEM应用项目

GCSC创设了大量的STEM应用项目，通过引导学生解决具体的STEM问题，展示探究式学习方法，提高学生的问题分析能力和动手实践能力，强化研究团队建设。如市民花园中心绿色学习小组（Civic Garden Center Green Learning Team）项目，每次都围绕一个由当地STEM专家提议的实践活动作为主题，设计城市环境解决方案；学生航天实验项目（Student Spaceflight Experiments Program）和航天任务（Space Mission）项目属于国家地球和空间科学教育中心的子项目，通过模拟太空发射任务，使学生沉浸到宇航员或太空科学家的角色中，为学生提供微重力实验机会——曾经有3个实验项目获得全国学生航天实验项目委员会的下一步评估机会，其中一个实验项目更是通过选拔登上了作为国家实验室的国际空间站；STEM学习日项目由GateWay社区技术学院组织实施，为学生提供本地区具有挑战性的、高薪的STEM职业机会。

二 STEM学习生态系统的优势

STEM学习生态系统包括中小学的STEM教学、校外活动、夏季课程和科学中心、博物馆、图书馆、高等教育机构、商业机构及社区开展的各类非正式STEM学习体验，共同为中小学生提供丰富的学习机会。STEM学习生态系统具有以下优势：

1 推动各方创新协作

STEM学习生态系统拥有丰富的资源优势，为各个生态因子创造了相互合作的机会和共生共栖的文化，通过及时有效的信息反馈机制和适配机制，不断聚合和优化系统功能。该系统积极连接校内外和STEM职业领域的学习活动，利用跨部门合作，通过科技课程、人文课程和艺术课程来培养学生的科学素养和综合能力。此外，该系统通过及时调整与STEM劳动力需求变化相匹配的学习途径，能够促进现实物理空间和虚拟学习空间的结合，保证STEM学习在不同时空实现无缝连接，有效满足了未来地区经济发展所需的STEM人力资源。

2 促进教育者整合现代教育技术和方法

STEM学习生态系统综合运用多种教育评估方式，通过整合中小学生的STEM学习资源，增强了正规学校系统的STEM学习效果，同时借助校外体验式学习、移动学习和日常家庭生活的社会性学习等非正式学习方式进行了有益补充。新的评价策略包括使用数字徽章工具、电子档案袋或其它基于胜任力的方式，形成了一种综合性的资历框架体系，便于教师在不同的学习环境中识别学生之间的STEM学习差异，追踪和评估学生的STEM知识和技能以改善教学设计。

3 形成以学生为中心的STEM学习文化

在STEM学习生态系统中，中小学生的“STEM认同感”和STEM领域的自我感知能力得到了培养，家庭、学校和社区等组织的联系得到了加强，形成了以学生为中心的STEM学习文化——通过鼓励中小学生体验STEM学习的乐趣，来探究、学习STEM领域的知识；通过让学生参与自己所关心的富有挑战性的问题解决方案，来实现自我认同的目标；通过一个个STEM特色项目，为学生提供多方面的STEM学习经验，使他们能够掌握复杂的STEM技能，尝试设计和测试现实生活中STEM问题的解决方案，并在与同伴合作中形成良好的社会交往能力。此外，STEM教育者帮助学生父母或监护人支持学生对STEM的追求和兴趣，为他们持续提供指导和便于获得的资源，鼓励学生未来在大学选择STEM专业并从事相关的STEM职业。

三 STEM学习生态系统的设计原则

每一个STEM学习生态系统在实践中都是独一无二的，由于生态系统中各生态因子不断地进行动态调整和修复，所以目前尚没有可以遵循的固定模式。根据近年来美国各地区的STEM教育实践和经验教训，可以总结出以下设计原则来指导STEM学习生态系统的构建[8]：

1 动态调整系统内的伙伴关系

STEM学习生态系统的运行特征是不断动态调整该系统的伙伴关系，在系统中一个可信的领导组织带领下，各合作伙伴之间由于临时任务而结成联盟，秉持“开明利己”（Enlightened Self-interest）的原则致力于合作，能够彼此认同和尊重各自在系统中的角色和地位，通过反思各自的行为、与同伴进行经验交流，在实施跨部门的战略中有效发挥系统的功能。STEM学习生态系统的构建者应拥有共同的价值、信仰、利益，并代表他们所服务地区的多元文化，也欢迎非传统合作伙伴加入，重视各项活动的公开透明和各类数据的共享，基于数据分析做出重要决策。

2 提供开放、灵活和个性化的学习资源

学习生态系统中生态因子之间的关系复杂，其结构不一定是线性的。构建STEM学习生态系统的关键驱动力是确定并消除所有中小学生平等获得高质量STEM教育的障碍，但生态系统构建的目标不是为所有中小学生设计相同的STEM学习路径，而是动态地按需分配资源，最大限度地为每个学生提供各类STEM学习的机会，以便所有学生都能结合自己的兴趣开展个性化学习。

3 形成循序渐进的多元通道学习

利用正式和非正式的学习环境，STEM学习生态系统为学生提供了循序渐进的多元通道学习，旨在推动中小学生逐步进行主动探究式学习——首先，提高学生在STEM领域的能力和自我效能感；然后，加深学生对当前和未来解决复杂问题所需能力的认识；最后，培养学生的社会情感技能，包括坚持不懈的意志品质、创造性解决问题的能力和协同合作能力。为此，该系统以数字技术为基础的学习平台，提供平等的学习资源和与STEM学习文化相关的教学机会，构建更加灵活的教育模式，打造一个以实验教学为导向的学习环境[9]。

四 STEM学习生态系统的构建策略

为保持地区经济的竞争力和STEM产业的可持续发展，美国在构建地区性的学习生态系统过程中形成了四项策略[10]：

1 构建跨部门合作伙伴关系

基于每一个学习共同体的资产、权益和发展需要，STEM学习生态系统主要采取以下措施来构建强有力的跨部门伙伴关系[11]：①确定一个致力于协作实践的、高度参与的可信领导组织；②评估学习共同体动态，准备从事协同工作；③制定一个总的愿景和目标，界定各利益相关者为实现目标采取的措施，讨论并采用共享检测标准，创建实施可持续发展的政策和沟通策略。

2 创建和连接丰富的STEM学习环境

STEM学习生态系统基于2013年美国《下一代的科学标准》（）、其它州级科学教育标准和核心州立标准涉及的正式和非正式学习环境，努力创建贯通校内外的STEM学习环境，同时考虑横向联系（如连接校内各阶段教育与校外活动）和纵向联系（如连接从初中到高中的职业生涯探索教育），探索通过STEM课程、共同的话题与语言、共享教学与学习方法来提升学习经验。为兼顾教育公平和质量，该系统采用以证据为基础的策略，确保帮助处于弱势地位群体学生在不同的STEM学习环境中取得成功[12]。

3 配备合格的STEM师资

STEM学习生态系统依托STEM教育专门机构、校外活动、夏季项目、拓展学习项目和师资准备项目，由学区的STEM专家提供高质量的师资培训，支持不同环境中的STEM教育者进行反思、分享跨部门的教学经验，并据此制定持续改进教学质量的方法[13]。

4 支持中小学生的STEM发展路径

在学生参加STEM校内外活动的早期阶段，STEM学习生态系统应激发学生未来从事STEM职业的意愿，创建符合他们自身实际的STEM学科发展路径，确保家长持续获得有助于学生成功实现STEM职业理想的信息和指导。此外，该系统注重利用数字媒体将中小学生与同伴、成人和社区的支持联系起来，开发了新的认证模式（如证书、徽章、电子档案袋等），以帮助学生在不同环境中理解、掌握STEM相关的技能和知识[14]。

STEM学习生态系统的主要目的是实现生物体和非生物体间的相互作用，通过自我调适和优化配置达到生态平衡，在系统环境中加强物质、能量和信息的有效循环流动，达到生态系统在相对稳定的同时不断前进和优化的目的，实现学习共同体和学习环境的有机统一与可持续发展。在一个成熟的STEM学习生态系统中，学校或学区、儿童早期教育项目、课外实践活动、STEM教育专门机构（如博物馆、科学中心、高等教育机构和STEM专业协会）、行业企业、私营部门、社区组织、中小学生和家庭等各生态因子会在合作与竞争中共同发力，通过学习共同体的丰富实践，不断重塑STEM学习文化，并能充分利用学习环境中的多方资源、专业知识、数字化工具和网络，根据STEM学习目标进行动态调整，从而共同致力于培养中小学生终身学习的意识，并增加他们未来在大学学习STEM学科或从事STEM相关职业的机会。

[1]94th Congress of the United States. National Science and Technology Policy, Organization, and Priorities Act of 1976[OL].

[2]Federal Coordinating Council for Science, Engineering, and Technology. Pathways to excellence: A federal strategy for science, mathematics, federal coordinating council for science, engineering, and technology[OL].

[3]Greater Cincinnati Stem Community. Why support GCSC[OL].

[4]Greater Cincinnati Stem Community. GCSC reach[OL].

[5]Greater Cincinnati Stem Community. GCSC mandate: Science, technology, engineering & math (STEM) is our collective future[OL].

[6]Greater Cincinnati Stem Community. GCSC mandates and we believe[OL].

[7]Greater Cincinnati Stem Community. Summer of STEM 2017[OL].

[8]STEM Funders Network. Design principles[OL].

[9]U.S. Department of Education. STEM 2026: A vision for innovation in STEM education[OL].

[10]STEM Funders Network. Learn more about these strategies for cultivating STEM ecosystems[OL].

[11]STEM Funders Network. Cultivating cross-sector partnerships[OL].

[12]STEM Funders Network. Creating and connecting STEM-rich learning environments[OL].

[13]STEM Funders Network. Equipping educators[OL].

[14]STEM Funders Network. Supporting youth pathways[OL].

Research on STEM Learning Ecosystem in American Primary and Secondary Schools——Taking the STEM Learning Community of Cincinnati as an Example

LIU Liang-liang1,2LI Yu-jin3

In order to further enhance and improve the quality and effectiveness of STEM (Science, Technology, Engineering and Mathematics) education, ensure all students’ access to STEM learning, prepare for the successful entry into university and the successful career and life in future, American government has made a lot of efforts. The federal agencies, state education institutions, local education bureaus and private sectors were encouraged to form partnerships, build an organic STEM learning ecosystem, coordinate various resources through modern organization methods and means, and construct a goal and problem oriented STEM education strategy with the assistance of multipartite finance. Greater Cincinnati Stem Community was a successful example of the regional STEM learning ecosystem, which could effectively cooperate with the implementation of STEM education policy and the innovation of educational practice in the region, and improve the STEM learning effect of primary and secondary school students in the region.

STEM learning ecosystem; learning community; construction strategy

G40-057

A

1009—8097（2018）10—0113—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.10.017

本文为2018年度河北省社会科学发展研究课题“美国中小学STEM教育对我国科技创新教育的启示”（项目编号：201803040190）的阶段性研究成果。

刘亮亮，河北工艺美术职业学院副教授，河北大学教育学院在读博士，研究方向为教育史，邮箱为liuliang_mx@126.com。

2018年3月22日

编辑：小西