科学实践社会学视角中的美国STEM全纳中学研究*

周颖琦，王晶莹

（首都师范大学 物理系，北京 100048）

一、美国STEM的发展

STEM教育是美国近代积极推行的以科学、技术、工程和数学为主导的教育战略。1993年美国国家科学基金首次提出“SMET”，即将科学、数学、工程、技术多学科融合以加强美国科学教育。2007年，美国国家科学委员会 (NSB)在其报告《国家行动计划：应对美国科学、技术、工程和数学教育系统的紧急需要》中正式提出“STEM”一词[1]。

在此之前，美国开展的STEM教育主要培养对象是拥有优秀科学资质的学生。由此产生了特别关注STEM学科的学校——STEM学校[2]。最早的STEM学校被称为STEM 精英学校（Selective STEM Schools），他们的历史可以追溯到20世纪30年代。STEM精英学校以极高的入学门槛和严格的学术要求著称。

然而STEM精英学校未能 “扩大在大学选择STEM专业的学生通道，解决美国经济竞争力及教育平等问题”[3]，因此在近十年兴起了STEM全纳学校（Inclusive STEM Schools）和STEM职业技术学校 （Schools with STEM-focused Career and Technical Education）。

STEM全纳学校的目标是培养学生的STEM才能，而不是挑选出有STEM才能的学生，使更广泛的学生群体接受到STEM教育，让市民都有一定的科学素养，并扩大教育公平性。[3]

STEM职业技术学校的目的是培养在自动化技术、计算机科学和农业技术等STEM领域的高素质技术人员，为学生提供多样化的STEM职业发展道路和高水平的技术培训。

2015年，时任美国总统的奥巴马 （Barack Hussein Obama）在演讲中呼吁国家努力创造更多 “新一代高中”。之后，美国教育部与美国研究学会（AIR）合作举办了为期1.5天的工作坊，邀请STEM领域的专家和学科带头人分享他们的观念并对STEM教育未来的改革提出建议，形成了颇有指向性和战略性的 《STEM 2026：STEM教育创新愿景》报告，自此掀起了STEM教育的热潮。由于其理念的先进性，被中国、德国、日本、韩国、澳大利亚等国广泛学习。

二、皮埃尔·布尔迪厄资本理论

皮埃尔·布尔迪厄（Pierre Bourdieu）是当代法国最具国际性影响力的思想大师之一，他的实践社会学理论探讨了场域（Field）和惯习（Habitus）对实践的结构性引导作用以及资本（Capital）在实践过程中对场域和惯习的重构过程。具体到科学实践活动中的作用关系如图1所示。

科学场域指的是科学领域的内部关系位置所形成的网络构型，包括科学行动者和科学仪器设备、实验室等所组成的物理空间。科学惯习指的是身处科学场域特定位置的科学行动者所表现出来的特性，是一系列历史关系在个体心智层面内化的结果。[4]科学资本指的是行动者所拥有的全部科学资源，包括与科学相关的经历，对科学的理解，关于科学和如何运用科学的相关知识，兴趣和接触到从事科学相关职业的人等。科学资本作为科学场域里重要的媒介，使行动者参与到科学场域中去。个体的实践行动在调动自身科学资本的同时，也在不断学习补充着自身的科学资本，从而重构科学场域和科学惯习。个体的行动遵循机会主义原则，因此学校所能做的就是为学生提供良好的科学场域，培养学生的科学惯习以引导学生保持在STEM领域不断探索实践的热情。

美国现有的三类STEM学校为拥有不同科学资本的学生提供了适合他们的场域，以更好地引导他们形成科学惯习，让每位学生都能乐于调度现有的科学资本并通过学习不断增加自身科学资本，成为STEM领域人才。

图1 皮埃尔·布尔迪厄资本理论逻辑框图

三、资本理论下STEM全纳中学的引导措施

1.改造社会环境场

（1）存在参与缺口的科学场域

美国教育政策专家的统计结果显示，从事STEM领域的少数民族裔和女性与美国的人口构成严重不符：美国历史上非洲裔居民占美国总人口的1/9以上，但是非洲裔居民从事STEM职业的人仅为1/20。尽管西班牙裔是美国人口增长比率最大的种族，但2013年只有6%的西班牙裔工程师和科学家。尽管有一半女性有大学学历，在生物和相关的科学专业工作的女性也有近一半，但在STEM领域中女性仍未被很好地代表。尤其是在工程领域只有15%的女性劳动力。这些悬殊不仅影响了国家经济发展竞争力，还限制了个体在工作中的机会[5]。

（2）少数民族裔和女性低自我效能的科学惯习

存在参与缺口的科学场域深深地影响着社会公众对少数民族裔和女性及少数民族裔和女性对自己的认知。根据阿尔伯特·班杜拉（Albert Bandura）的社会认知职业理论（SCCT），职业的选择是自我效能、结果预期及个人目标在环境的支持和阻碍下动态作用的结果。从这种观念来看，自我效能（相信将来在STEM领域中可以成功）、结果预期（如果参与STEM，将会发生什么）是影响个体兴趣和职业目标的重要因素。斯蒂尔（Claude Steele）等学者的研究表明固有观念的威胁使少数民族裔学生在潜意识中认为自己不被看好[6]。穆吉塔巴和瑞斯（Mujtaba&Reiss）UPMAP研究指出由于男性比女性对于物理特征结构更敏感，比起男性大多数女性学生不被教师、家长或朋友鼓励学习物理学。诺拉（Nora）和拉米雷斯（Ramirez）等发现当获得的成绩比预期低时，西班牙裔学生比非西班牙裔白人学生感到更加沮丧。相同数学成就水平的男性学生比女性表现出更多数学自我效能。

（3）自我效能和参与缺口共同作用下的选课现状

根据美国教育部民事权利办公室 （U.S.Department of Education,Office for Civil Rights）2014年对美国高中的统计结果显示：美国高中非洲裔学生占16%，但只有8%选择微积分课程；西班牙裔学生占21%，选择微积分课程的只有12%。一些少数民族裔学生集中的高中缺少高等课程的开设。几乎有1/5非洲裔学生的高中不提供任何AP课程，1/3非洲裔和西班牙裔学生集中的高中不开化学课程。即使少数民族裔学生上的高中提供这些课程，他们也没有白人学生或亚洲男学生倾向于选择这些课程。

（4）社会环境下少数民族裔、女性学生对科学资本的调度情况

由于参与缺口和较低的自我效能，少数民族裔学生和女性学生在面对选择时多表现为不愿调动自己的科学资本。因此即使选择了课程，他们的成绩也相对不理想。埃雷拉（Herrera）和乌尔塔多（Hurtado）的研究表明即使非洲裔、西班牙裔和白人学生对于在大学选择STEM专业表现出的兴趣是一样的，前两个少数民族裔学生最终完成学业的仍占少数。少数民族裔和女性缺乏的科学资本继而重构了社会的科学场域。在STEM领域中缺少优秀的少数民族裔和女性领导者导致恶性循环，如图2所示，这样的问题亟需解决。

图2 社会环境作用下的恶性循环关系图

（5）STEM全纳学校的改善措施和效果

STEM全纳学校采用以学生兴趣为主、就近入学的招生原则。在申请学生人数大于招收人数时会采取抽签的方式选择学生，有效解决了参与缺口问题。调查显示北卡罗来纳州STEM全纳高中学生中有62.6%为少数民族裔学生（州平均38.9%），德克萨斯州STEM全纳高中学生中有73.4%为少数民族裔学生（州平均51.6%）。[5]多样的文化背景和学术水平既是学校的特色也是挑战。学校积极发挥优势，引导学生相互学习，尊重每个人的文化背景，以实际行动为学生阐释“公平”的定义。正如进入哈佛大学的罗伯特（Robert Lue）回忆说：“我的老师教会我珍惜这个多样性——从同学广泛不同的背景中吸取经验，并思考我能为小组贡献什么。”在这种公平全纳的环境中，未被充分代表的少数民族裔学生和女性学生的资质可以被很好地开发，以增强他们的科学资本，重构学生的认知观念。

根据芭芭拉等人对美国北卡罗来纳州和德克萨斯州39所STEM全纳教育高中和22所综合性高中毕业生的纵向调查，STEM全纳学校学生在微积分或微积分初步、物理、化学、工程课程的参与比例均比综合性高中学生高且具有统计意义。也就是说如果非洲裔学生或女性学生进入STEM全纳学校，他们就更容易选择微积分初步或微积分、物理、化学这些STEM相关课程。进入STEM全纳学校的非洲裔学生更有可能选择至少一门工程课程（见表1）。

表1 美国北卡罗来纳州12年级学生STEM课程选择表

2.创建灵活的学习环境，引导学生自主探究

提到教室，多数人脑海中会浮现这样的画面：整齐的桌椅，满是文字的黑板。在这样的教室中，学习的发生大多是教师传授、学生记忆。然而STEM全纳中学努力转变这种被动的学习状态，从为学生提供灵活的学习空间开始。

《STEM 2026：STEM教育创新愿景》中一位撰稿人描述了他在STEM全纳高中所看到的教室：这里有长桌子，在一端有两台电脑，另一端是大型小组工作空间。在房间周围有6个壁式投影仪可以用笔记本电脑或学生的手机控制。这个空间被有意设计得空旷而简单，吸引学生参与。学生不会感觉这个空间是贵重的，他们可以把空间搞乱，移动东西，甚至放松娱乐。所有东西——包括长凳、白板、计算机和工作台都是有轮子的。桌子可以单独使用或拼接在一起进行小组活动。教室提供充足的电力和随处可见的插座，可用于灵活的设施放置。[7]

在这种教室中，学生会十分自然地设计自己所需的工作空间并很快投入到探索的海洋中去，充分调动已有知识进行自主学习。对学生学习的检验证明，尽管为学生们提供方向性的指导会让他们更快地学到知识，但当学生还被允许探索学习内容时，他们额外的技能也会被提升，如创造性和问题解决能力。[7]这种能力会帮助学生结合进一步学习所需重构科学场域和科学惯习，形成良性循环，如图3所示。

图3 创建灵活的学习空间引导学生进行自主学习的良性循环关系图

值得说明的是，科学新手在形成个体科学惯习前，首先需要花费大量的时间和精力将理论化形态的知识、程序、惯例等内化成为个体心智素质的一部分，最终形成个体的科学惯习[4]。因此STEM全纳学校在允许学生进行自主探究的课程前严格规定了先修课程条件。比如学生首先必须达到一定的代数基础和技能水平，知道学习是如何发展的才可以自行发展与其他学科结合的学习活动。正如《STEM 2026：STEM教育创新愿景》中描述的：仅仅依靠自主探究的方法学习可能会限制青年运用可行、科学的方法去探索科学的机会。这也许将成为学生探究道路上的一块不必要的绊脚石，直到学生在一个适当的环境中学习了相关知识[7]。

在这种灵活的学习环境下，STEM全纳高中学生在高等数学、高等科学、STEM活动和校外非正式STEM活动参与数量上均明显高于综合性高中且具有统计意义（见表2）。女性学生和非洲裔学生在高等数学、高等科学以及课外STEM活动中的参与度提高尤其明显。大量研究表明，高中所学习的数学和科学课程水平对学生进入大学学习STEM专业有很高的预测作用。参加某一课程（如微积分）或被置于或高或低的STEM课程路径中都对学生相信自己有STEM领域职业的能力有显著影响并可以延续下去。一旦学生有了对于自己能力和可能性的信心，他们就会产生一种STEM特质：一种他们有能力克服STEM课程学习中的困难，并愿意接受挑战的心理特质。[5]因此，我们有理由认为STEM全纳学校提供的这种学习环境可以促进STEM人才的发展和保留。

表2 北卡罗来纳州学生高中STEM课程及活动参与表

3.运用基于项目的学习方法，践行以学习者为中心的学习模式

STEM全纳高中基于项目的学习具体表现为提倡游戏学习、尝试解决生活中的实际问题和积极运用新技术辅助学习。

（1）游戏学习在STEM全纳学校的运用及内化效果

STEM教育中最好的资源就是孩子们的好奇心。正如一位《STEM 2026：STEM教育创新愿景》撰稿人所说：“孩子们天生具有好奇心，这将会成为驱动他们学习的动机，即使再意志坚定的科学家也不敌此动机。”许多以学习为目的的游戏因此被开发。例如在一款在线蛋白质折叠游戏中，挑战者在一个游戏竞争的环境中将蛋白质结构进行折叠以实现最有效的蛋白质折叠方法。通过STEM主题游戏，学生的设计欲望被激活，并刺激形成一种对STEM的好奇心。对游戏的低戒备心让所有学生都开始对话题感兴趣并积极投入到探索和研究中去。

游戏过程还可以激发学生的发散性思维。学生会主动尝试不同的蛋白质结构，来探索不同结构蛋白质的特征。学生也许还会一边试着想出最有效的折叠蛋白质结构的方法，一边思考如何在现实医药学和分子生物学中应用这些富有创造性的贡献。这些游戏活动是有规则的，但是允许在一定程度上破坏或延伸这些规则，鼓励学生涉足和尝试新鲜事物。为教育设计的游戏不仅可以让学生看到学习内容之间的相关性，还会使他们开始将自己当作积极而成功的学习者。[7]

在游戏的过程中，失败被认为是达到成功所必经的路径。即使失败了也并不会因此受到批评或者被认为能力不足。挫折或失败会被看作是游戏挑战过程的一部分，是对学生用另一种方法再次尝试的刺激。坚持不懈的尝试培养了学生的学术韧性，是克服困难继续保留在STEM管道中的重要品质。

（2）真实的生活问题在STEM全纳学校的运用及内化效果

STEM全纳学校倡导让学生明白所学知识的用处，鼓励通过尝试解决真实问题而进行的课堂教学。如数学课也许会基于某公司为产品所定价格计算盈亏。生物课会在实验室中讨论为什么有不同的卷发类型或直发，以此学习蛋白质和线粒体DNA的问题。这样的课堂活动促进了学生以更深入的视角看待信息而不是仅仅套用内容。真实的生活问题还可能包括保护水资源或改善水质；更好地了解人类的头脑以便提出预防、处理和治疗脑损伤的新方法；解决基础设施老化问题；将利用太阳能的价格变得更有竞争力等。解决这些现实生活中亟需解决的问题可以帮助学生更好地理解STEM与生活的相关性，看到STEM在提高生活质量方面的价值。

尝试解决这些问题只是为学生提供一个可获得的介入机会。事实上解决问题并不是学习的目的。真正的目标是通过交互学科的思考方式、小组合作的形式努力去思考解决办法的过程。在思考这些问题的同时，学生会将所学科学知识内化为一种责任，运用自己所学为社会发展作出贡献的使命感。

如果学生的研究项目可以在真实世界中得以实现，将会极大地支持他们在STEM道路上继续前行。例如美国田纳西州Chattanooga STEM全纳学校与当地一家电力设备与通讯公司合作，请学生为橱窗装饰设计一个方案原型。九个星期以后，学生们设计出了各种巧妙的装置原型，真的获得了公司的资助在现实中实现了他们的创意。

（3）先进技术在STEM全纳学校的运用及内化效果

STEM全纳中学充分理解STEM在信息技术领域扮演的重要角色，并将虚拟现实、3D打印等新技术充分应用于课堂中，帮助学生更好地学习。

例如，EcoMUVE和EcoMOBILE是一个基于课程的互补增强现实软件。通过教师的指导，使中学生通过EcoMUVE进入一个生动复杂的科学环境，如鱼在池塘中生活的计算机环境。运用EcoMOBILE技术，学生可以使用移动技术在学习设备中增强学生的观察。例如，两位学生可以用一个与探针连接的手持牌去探测学校附近的池塘耗氧量。在课堂中，由学生组成的科学家团队中每位成员都扮演一个明确的角色：有的是水质专家，有的是博物学家。学生们首先在教室中确定自己的角色，然后在虚拟的池塘生态系统中练习相应的技能。例如，博物学家在虚拟场景学习池塘中的生物体，水质专家在虚拟池塘中测量水中各种化学物质的含量。然后学生们可以到真实的池塘中运用已熟练掌握的技能实地考察。最后学生们互相分享他们在不同的角色中学到了什么，讨论收集的数据，共同了解池塘环境。[7]

再比如运用3D打印技术辅助学生进行设计。学生可以通过3D打印技术制造一些廉价的、可以检查和触摸的模型，如三维恐龙模型、人类器官横切面图等。这种制造工具鼓励学生进行小组合作，运用所学进行创新，培养了学生独立思考的能力。

（4）项目式学习下的深度学习

个体的学习过程需要给予充分的时间以使他们通过自组织将适当的知识和固有的认知相结合，并尝试在新的情景中对已有知识加以有效运用。在这个过程中就需要有意识地放慢学习速度，加强个人反思。教育者还认识到当年轻人能将他们的全部所知在各种地方运用起来的时候他们通常就会成功。“但是他们在一个空间中学到的知识很少在另一个地方被想起来或运用”。STEM全纳高中的项目式学习正尝试在不同的情景下调动学生的已有知识，从而实现深度的学习，形成良性循环，如图4所示。

图4 基于项目学习的良性循环关系图

（5）项目式学习的效果

芭芭拉等人的纵向调查显示北卡罗来纳州STEM全纳学校的12年级学生比综合性高中12年级学生表现出更高的数学和科学特质，即自己和别人都认为自己擅长数学（或科学），其中女性和非洲裔学生差异也十分明显（见表3）。在对学生在课堂中表现为坚持不懈的行为进行统计后发现：STEM全纳学校的学生在遇到数学和科学的困难时会表现得更加坚持不懈，其中全体学生和女性学生的统计尤其具有统计意义。这表明STEM全纳学校的教学方法有助于使学生坚持学习STEM相关科目，更高的STEM方面学科特质有利于学生未来进入大学STEM专业。

表3 北卡罗来纳州学生STEM态度表

4.及时、多样的评估反馈机制为学生提供个性化发展平台

基于STEM全纳学校的招生策略，学生成绩水平差异性巨大，如何满足所有学生的学习需求成为STEM全纳学校所面临的巨大挑战。因此STEM全纳学校致力于为每位学生构建自己的个性化科学场域，推动学生实现自我导向的学习。

（1）实时反馈系统的运用

STEM全纳学校积极尝试运用实时反馈评估系统进行辅助教学。教师仅通过后台检测学生的学习情况，当发现学生遇到困难时及时出面进行引导。例如“智能辅导系统”是以现实中人类助教的行为和指导为原型设计的计算机系统，其区别于其他计算机半自动指导工具的地方在于它是为解释复杂的学生反应而设计的，并在运行过程中不断学习，调整和适应自己的行为以便与学生更有效地互动，帮助他们坚持学习和理解有难度的内容——尤其是当学生努力想要学习和理解关键概念时。这些辅导系统通过与学生互动建立个性化的学生档案，不仅可以评估学生的熟练程度，还可以诊断学生的问题类型和为什么学生会有此问题。

美国卡耐基梅隆大学 （Carnegie Mellon University）一项两年的研究将这种认知辅导软件运用到7个州的《代数1》课程中，发现参与应用此软件的学生平均每年学到了两倍的知识，那些有学习和行为困难的学生成绩提高尤为明显。

（2）多样化的评估方式

不是所有的认知过程都是线性的。很多有创造性的学生因为在基于成绩的评估中表现平平或欠佳而被埋没。因此，STEM全纳学校尤其注重整合更多全面的学习测量方法，更深入地评价学生在学习过程中获得的多样化技能和知识。通过这种不仅仅关注知识熟练度的评价机制，可以建立学生对STEM领域的认同感，能更好地培养青年心智的成熟。多样的评估方法使学生更容易认为他们的数学和科学教师对他们有高标准的要求并相信他们可以达到要求。

（3）基于评估反馈机制下的不断学习

通过多样化的评估方式和实时反馈系统，每位学生都会感到学习是可以通过不断挑战自我完成的，在保持兴趣的基础上不断调动已有知识获得新的提升，实现学习的良性循环，如图5所示。

图5 及时、多样评估反馈机制下的学习良性循环关系图

四、对我国STEM教育的启示

美国俄亥俄州立大学包雷教授指出，中美对于STEM课程的出发点是不同的。美国的STEM课程体系致力于培养新时代美国本土的科技人才和工程师。而中国教育缺少的则是对于探究、创新和运用整合知识方面能力的训练。因此我们不应将美国的理论完全照搬，而应当结合我国国情进行有侧重的学习和借鉴。

笔者针对中国的STEM教育特色提出如下建议：

1.增强学生对STEM的兴趣，训练自主探究意识

学校可依据学生的水平和兴趣，积极与企业、博物馆合作，为学生提供丰富多样的学习环境，鼓励学生在不同环境下学以致用开展探究活动。现在许多学校致力于开发机器人、3D打印项目等，但其实很多学生只是在完成课堂上教师布置的电路板任务，而没有真正理解STEM课程对于知识整合运用和发展个性创造力的课程目标。这是我们不太愿意看到的[8]。

2.正确引导学生运用技术进行创新

教育部在《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见（征求意见稿）》中明确提出学习者需要具有较强的信息意识和创新意识。《STEM 2026：STEM教育创新愿景》报告中研究表明运用技术创造、设计、建造、探索和合作的学生比那些仅消极地将技术应用为媒体的学生对技术的应用会在教育方面收益更多[7]。因此，学校应致力于为学生提供参与科学活动的机会和资源，即良好的科学场域。引导学生通过自组织将掌握的科学技术，如iPad、3D打印技术等在教师的引导下形成用来探究科学问题的科学惯习，而不仅仅作为一种娱乐设备。

3.引导学生正确看待“失败”

在我们的教育系统中，“错误”的概念经常带有强烈的消极色彩。师生间对失败的恐惧导致大部分学生快速学会了惧怕和逃避失败。但“这种天生的对失败的低容忍度阻碍了我们取得正确创新的潜力”。教师应认识到在研究中，失败的尝试是一个很好的加强学习的机会。通过失败新的问题被提出，开启了确定为什么一个技术、结构或创新不可用的新调查。学生可以重新审视什么是熟悉的，什么是不清楚的，承担尝试使用新方法解决复杂问题的风险。教师需要具备有效评估学生对科学现象的察觉力，与他们共同探究和延伸这种察觉力，而不是像他们做错了一样驳回他们。