《STEM教育—北极星计划》的经验与启示

李科震 李维

[摘要]信息时代正以磅礴的劲头迅猛发展，新时代对教育输出的劳动力提出了更高的要求，竞争能力薄弱或单一的劳动力正面临被时代“抛弃”的困境，而具有高度综合性跨学科式的STEM教育将为新型劳动力的培养提供有效的解决途径。2018年12月美国白宫发布《STEM教育—北极星计划》文件，隐含着“推陈出新”的意义，《STEM教育—北极星计划》着重阐述了美国将STEM教育融合“计算思维”作为新时代公民素养的形式推广，并通过政府立法的方式推出了适应当代发展的战略决策。通过加强社会各界教育力量的相互衔接、提升学科包容性以及制定透明的问责制度和推广计算能力的培养，为STEM教育体系的发展开阔空间。相比之下，我国STEM教育由于起步较晚，该领域处于“百业待兴”的状态。通过借鉴《STEM教育—北极星计划》解决问题的经验，结合我国STEM教育的现状，对我国推行STEM教育做出如下建议：开发课程融合，促进课程本土化;协调多方合作，丰富教学资源;加强监管体制，营建教育环境;普及素养意识，发展教育据点。

[关键词]STEM教育;《STEM教育—北极星计划》;教育借鉴;计算思维

[中图分类号]G420[文献标识码]A[文章编号]1005-4634（2019）05-0001-070引言

自20世纪中期苏美两国军事竞争开始，美国政府通过弥补国家自身发展策略中的不足，来提升国家的国际竞争实力。最终，美国政府将改革目标锁定在教育。为解决教育问题，美国政府实施了一系列的改革措施，初始形态的STEM教育应运而生。STEM 教育即科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）教育的简写，是融合多门学科，在跨学科的背景下解决复杂化、情景化的问题，有助于提升学生高阶思维能力的新型教学方式。以1986年发布第一份关于STEM教育的指导性文件——《本科学科、数学和工程教育》（Undergraduate Science， Mathematics and Engineering Education）作为STEM教育的开始标志[1]，美国通过32年时间逐渐形成了一套较为成熟的STEM教育体系。而我国则是在2007年首次引入STEM教育，在不断努力推进下，STEM教育逐渐成为我国教育领域的关注热点。但由于“我国STEM教育起步较晚，并且传统教育根深蒂固”[2]，STEM教育在我国尚未得到全面有效的实践和推广。总体而言，STEM教育系统的引入为我国培养新一代创新性人才注入了新的动力，但是如何才能和发达国家的STEM教育比肩？又如何提升我国STEM教育的实力呢？

2018年12月3日，美国白宫发布《STEM教育—北极星计划》（STEM-Education-Strate-gic-Plan）报告（本文以下简称《北极星计划》），期望通过该文件的制定，在未来5年内在美国本土普及和发展STEM教育，为全体美国公民带来优质的STEM教育。该文件的推行得到了美国社会各界的认可。笔者将对该文件的相关策略进行分析，并依据在现阶段该文件所展現的创新点和实际作用，结合我国国情，探讨我国STEM教育在今后的推行工作中应汲取的经验与启示。

1《北极星计划》提出的背景

作为STEM教育的开创国，美国在STEM的许多方面达到了较为成熟的地步，形成了一套稳定的运行体系，也为提高美国国家竞争力做出了突出贡献。但是美国STEM教育中仍存在一些问题，制约着教育的进一步发展，并在美国社会中产生了一定的消极影响。

1.1理工人才缺失

理工科目涵盖国防、建筑、电子、量子信息等多个学科，关乎国家安全，也是未来科技发展的重要支撑力量。国家的科技实力逐渐成为综合国力和地位的重要衡量标准之一。二战之后美国多次进行了促进工程教育的改革。但是，其效果却差强人意，教育质量不仅没有提升反而下降 [3]。教育质量问题引起了美国政府的极大重视，并立即着手调查。一方面，通过美国本土社会调查，发现在美国本土中学阶段学生成绩中数学、物理等理工学科与其他学科相比有明显的不足;在高等教育层面，美国最新数据显示：美国教育授予科学、工程学位的人数在全球占比为10%[4]。相比较，中国和印度的科学、工程学位授予比重则在24%左右[5]。另一方面，虽然通过STEM教育培养了一定的理工人才，但是在美国社会中，从事相关理工科的职业占比较少，表明美国劳动力在理工就业领域有着明显的缺陷。

1.2STEM教育资源不足

在教育推行的过程中，教师是身处一线的实施者，教师的参与是教育开展必不可少的重要环节之一。对于新兴的STEM教育专业，STEM教师有着不可或缺的地位。根据美国教育中心发布的数据，美国STEM教师的总体规模呈逐年上升趋势，但在整体上依旧数量短缺，无法满足STEM教育逐步开展后对师资的需求[6]。由于缺少专职教师的引领，STEM教学在一定程度上没有达到预期的效果，故而校园课程得不到有效的开发，使得原有教学资源无法充分利用，很大程度上也影响了新教师投身STEM行业的热情。在学生层面上，不仅获取教学资源的途径有限，而且教学课程与学生未来求职没有形成较好的衔接，故而无法对学生的职业生涯提供有效的长期规划，对STEM教育的推行造成严重的阻碍。

1.3弱势群体教育不公

美国种族问题一直在社会中引起强烈争议，教育中的不公平问题同样直接影响了美国整体教育水平的质量。从学生层面上，群体间的学生在STEM学科上的学业成就相差甚大，其中以非白种人、低收入人群、女性等弱势群体的表现尤为欠缺[7]。女性和伤残人士以及退伍军人等弱势群体参加STEM教育的比例越来越少，而且，退出STEM教育的人数一直在上升，这一现象对美国STEM教育产生了强烈的负面影响。其中弱势群体的受教育不公问题是最终导致“两极分化”现象愈演愈烈的重要原因[8]。能否有效缓解这一问题，成为美国教育改革的重要任务之一，也是美国在未来数年内能否全面推行STEM教育的重要评价指标。

1.4STEM普及率较低

在美国，STEM教育的覆盖率并未达到100%[9]，不仅很多学生与教师对STEM教育的态度停留在将它视为一门活动课程，而且在校本课程和学生职业规划上尚未形成良好的衔接和过渡。因此，许多学生对STEM教育的认识仅仅停留在学校的教学组织学习层面，没有认同STEM的培养意义，故而在学习和生活中没有掌握应用STEM技能来分析和处理问题的能力。近期美国一项调查针对即将进入大学的高中生进行了测试，只有20%的学生掌握了STEM的基本知识与技能[10]。社会中与STEM教育相关的企业或产业尚未意识到自身与STEM教育的密切联系，忽视了众多有助于STEM教育推行的契机，与此同时，也降低了企业与相关产业在市场中的竞争能力。这一问题成为美国政府在教育领域中亟待解决的重要议项之一。

2《北极星计划》的经验和创新

面对以上STEM教育的发展问题，美国政府颁布了《北极星计划》。旨在通过这份文件的实施，推动STEM教育的普及，完善STEM教育的运行体系，全面提高STEM教育的教育质量，并确保美国STEM教育的发展程度处于世界领先地位。为此，《北极星计划》提出了4项解决途径：在学科交叉领域吸引学生;发展和丰富伙伴关系;加强监管机制的透明性和问责性;培养公民的计算素养。

2.1加强理工学科，促进学科融合

《北极星计划》提出“在学科交叉领域吸引学生”，不仅倡导更多学科融合，而且要求学生在学习过程中加强对知识的深层次理解。突出STEM教育是将严谨的学科知识同生活问题结合，并运用到解决实际问题当中去的特点。美国政府表示：“在过去的25年内，STEM教育已经从4个交叉学科的便捷集群发展成为对21世纪经济至关重要的更具凝聚力的知识库和技能集。”[5]无论STEM教育的名称如何发展①，今后STEM教育的发展中，STEM体系無疑将会融合更多的学科理念。

《北极星计划》最新提出：“STEM不仅传授批判性思维，还要传授毅力、适应能力、合作能力、组织能力和责任感等行为能力。” [5]在教学过程中，通过启发式教学调动学习者的主动性和创造性，使学习者在学习过程中的角色更加主动，不依赖教师的传授，而是通过多种STEM跨学科活动来促进学习者的创新意识和创业意识。这些活动要求参与者通过使用不同学科的知识和方法来解决问题，对STEM学习者来说，可以帮助偏科的学生通过融合课程的学习补齐短板，尤其是对数学等理学科目偏科的学生，通过将数学融合在其他学科之中的方式，使学习者在解决问题的过程中掌握辩证思维。正如北京师范大学的郭玉英教授所言：“整合理念为科学教育面临的首要矛盾——有限的科学学习时间和‘无限的科学知识——提出了解决方案。”[11]

单一的学科知识对解决实际问题明显乏力，而STEM教育跨学科的教学方式将传统式教学的“栅栏”拆除，“将科学、技术、工程、数学等作为STEM教育的基础和建构现实世界模型的通用语言”[12]，把培养具有责任心和更强竞争素质的STEM素养公民作为本次教育改革的最终目的。

2.2丰富教学资源，加强战略合作

《北极星计划》为解决STEM教育资源不足问题提出的方案，即“发展和丰富伙伴关系”。在学习者个人层面上，要与他人结合形成共同学习探究的伙伴关系;同时在学校以及教育机构层面，也要与相关企业和产业建立战略伙伴关系，可将两者作为互补关系进行发展。

首先，STEM教育机构同产业、企业、雇主以及社区相互结合建立起新的合作关系，能够在更广阔范围内加强教育资源的利用。形成的战略伙伴关系能够提供给STEM学习者在企业中工作所需要的实际经验，也为学习者提供了更具有针对性、操作性的有效学习方式，加强了学习内容的真实性和趣味性。在多方组合为STEM教育服务的有机体系中，学习者区别于以往的学习视角，“将通过营造真实情景和现实挑战为途径，激发学习者进行深度学习”[13]。其次，相关企业也可以依托教育机构系统化的培训，针对企业需求来培养未来员工。从而更早地规划企业招聘、吸引人才进入企业，也为STEM人员的职业选择和就业提供更多的选项，为社会STEM劳动力建立了更加对口的就业方向。最后，美国民间STEM组织自2015年奥巴马政府颁布《STEM教育法案》后，各州纷纷开始建立STEM教育中心，综合学校开设STEM课程[14]，学习者可以通过此类非正式学习，在地域和时间层面上合理规划自己的学习生涯，并且通过该方式接触到各类教育人员，开阔自身学习视野。

2.3倡导教育公平，完善监管机制

《北极星计划》提出了5项完善监管机制的创新规定：（1）利用和衡量STEM社区的实证案例;（2）报告代表性不足群体的参与率;（3）使用统一的指标衡量发展进度;（4）公开项目绩效和成果;（5）制定联邦实施计划并追踪进展。从而保证STEM监管体制的透明性和问责性。

首先，联邦政府要在投资和开展活动中基于证据的实践来实施决策[15]。在STEM教育体系中，社区合作伙伴要为学习者提供成功的实践案例供学习者参考借鉴，并制定更加有效的学习方式。政府通过统计在社区中实施成功的实践案例数量，作为该社区实施STEM教育开展成果的一项衡量标准。其次，为加强STEM教育公平性、包容性，社区中伤残人士、女性、退伍军人等在体系中的参与率也将成为衡量社区教育发展的重要指标。最后，美国联邦政府将依据这些统一指标来衡量各州STEM教育发展状态。

为了鼓励采用以成功案例为评价标准的做法，教育署强调“审核申请项目中教育创新及教育实施的有效性，教育署将依据教育成果的影响大小，优先资助那些有强大、严谨的证据为基础的项目”[5]。《北极星计划》更注重美国政府在STEM教育体系运转中的作用与地位，并且加强开展政府间“跨部门合作战略”，此次参与和包含STEM岗位的政府部门就有15个（见表1），这将为STEM教育的开展与推广做出有力支持，并形成完整的运转体系。

① STEM教育在发展阶段融入更多学科，因此在名称上有所变化。如加入艺术学科（Art）后，称为STEAM。本文为统一，均称为STEM。

2.4融合计算思维，普及STEM素养

《北极星计划》主要的创新点是在原有“培养STEM教育人才”目标基础上转变为“培养具有STEM素养的公民”，并融合了“计算思维”的丰富内涵。一方面，不仅体现了将STEM教育的内涵作为新时期公民应当具有的基本素养，而且使得公民对于STEM的理解从单一的教育形式上升到新时期自身应当具有的生存能力;在意识层面上使得公民从被动的接受性学习向主动性学习逐渐转变。另一方面，将计算思维同STEM教育融合，二者相互补充发展，凭借STEM跨学科式的教学特点，丰富了计算思维的培养途径，同时也扩展了STEM教育内容。

为加强STEM培养公民素养的性质，《北极星计划》首先强调新时期下应当提升公民的计算能力，即自身能够通过数码产品来搜索信息、解答问题、分享资源，“并且需要公民理解如何负责任地、安全地使用这些工具”[5]，有意识地维护网络的安全与健康[16]。其次，《北极星计划》所推行的计算能力不仅仅是对计算机使用能力的要求，更加契合卡内基·梅隆大学的周以真2010年提出的“计算思维”理念：“进一步将计算思维表述为一种解决问题的思维过程，能够抽象、清晰地将解决方案和问题用信息处理代理（人或机器）有效执行的方式表述出来。”[17]信息时代下多元化的数据琳琅满目，有效地对数据进行分类、归纳并解决问题是对现代人才必备素养的基本考量。将STEM素养融合计算思维进行普及，不仅能促进公民思维能力和STEM素养的提升，而且能促进广大公民利用各类网络平台，打破时间和空间对学习STEM的约束，还能促进个性化教学的开展，为学习者提供更具有针对性的学习规划。

3《北极星计划》对我国STEM教育的启示 中国自2007年引入STEM教育，一直向国际先进教育靠拢。十多年来，STEM教育在我国越来越受到广大教育者及學者的关注，国内文献数量持续上涨，研究机构纷纷成立，但在实际中STEM教育还存在着许多问题。纵观之下，《北极星计划》成为美国STEM教育发展中承上启下的转折点，是在现有的教育基础上推出的一系列新举措。鉴于《北极星计划》的相关经验并结合我国实际问题，提出下列几点推行建议。

3.1开发课程融合，促进课程本土化

在我国，虽然STEM已经进入部分校园，但仍处于较边缘的地位，未能与国家必修科目结合起来[3]。其教育课程无法与我国现阶段的教育形成对接，故而STEM教育的课程内容未能够得到校方的充分肯定，也没能和学生以及相关学科形成良好的交互关系。

通过《北极星计划》中“加强学科融合”的经验措施，在我国，一方面可以以学校为单位通过自身行动来规划和创建STEM教育本土化的发展形式。校园是开展教育的“基地”，应当充分发挥学校、教师、学生等多种力量。可以通过开放学校图书馆、实验室等场所，让学生切实融入到知识探索的过程中去，将上课地点搬到实验室、自然中去。通过STEM教学的多学科融合，提高学生对教学内容的兴趣，吸引学生的注意力。在学校中，还可以通过鼓励的形式促进相关学科的教师进行跨学科的教学研究;招聘有经验、有能力的STEM专业教师，成立STEM教师工作组。让教师们从本职学科出发，向其他学科扩展教学内容，在原有教学内容的基础上加持对STEM理念的理解，设计适合本土学生学习的STEM教学课程。另一方面，引导STEM教学开发者借助“跨学科”的途径，丰富教学方式和教学内容，并在学习中启发学习者的主动性和创造性，使学习者在学习过程中的角色更加灵活，不再依赖教师的传授，而是通过各种STEM跨学科活动促进学习，不仅能够更快地促进STEM教育本土化，而且加强了教学的连贯性、趣味性、创新性，也使得在课程内容形成一套适合中国本土发展的体系。

3.2协调多方合作，丰富教学资源

我国现阶段的STEM教育推行工作初露头角，社会中与STEM相关的产业链并没有激活二者之间的联系。因此，《北极星计划》中“加强多方战略伙伴关系”的经验在我国现阶段中有着广阔的实施空间。政府部门可以通过联合教育部门划分教育发展程度相似的地区，通过鼓励地区自行开展本土化STEM教育，加强地区内教育资源的共享。地区校方应当自主与当地企业、社区展开STEM教育活动，与STEM课程相关企业或产业建立长期的合作伙伴，尤其在高校之间可以建立以STEM为主题交流合作的社团联合会，通过资源共享，提供更加有效便捷的学习互助方式。加强教育相关产业之间的联系，为STEM教育的推行体系提供更多参与者，注入更加丰富的社会元素。美国政府在联邦部门机构中设立了关于STEM的职业岗位，极大地促进了STEM学习者的积极性。基于我国现状，可以促进各政府部门挖掘相关职位以及制定职位要求，为STEM的推行带来更加整体性的推行策略。

不仅如此，政府及学校可以开创高校联盟的新形式，进一步开展STEM专职教师的培养。教师是连接学生和知识的桥梁，专业的教师可以为学生的学习“搭建”起更好更快地获取知识的途径。专业的教师团队是STEM教育本土化的重要力量，教师着力于实践，通过实践不断提升在STEM领域的造诣。现阶段，我国STEM在校园中尚未得到全面推行，STEM专职教师的培养是我国STEM教育发展的重要任务之一，进一步完善合理的认证制度、财政制度、评估制度是中国发展专业STEM教师的基本保障[6]。

3.3加强监管体制，营建教育环境

从《北极星计划》的“完善监管问责机制”措施可以认识到：教育活动的健康发展需要健全的运行体系作为基本保障，政府的鼓励和及时有效的监管极为重要。相比较，我国出台的STEM教育政策十分有限，相关法律基本空白[3]。故而，一套对应STEM教育发展的监管制度对我国STEM的发展尤为重要。政府一方面要鼓励当地学校开展STEM教育系列活动，开发当地STEM教育平台。另一方面则要完善STEM教育评估体系，追踪和检验学习者在STEM课程中所掌握的知识与技能，并依据当地STEM教育开展的有效性，建立合理的检查评估标准，能够实时变换评价方式，积极地在教育过程中检验STEM教育的质量[18]。政府有责任将所有地区的教育成果以及开展项目中各个团体参与情况进行公开，对开展成效较好的地区或学校提供资金或政策鼓励，并积极推行好的经验和成果。

通过政府政策以及制度的建立，STEM的教育环境将得到大幅改善，使STEM教育成为被公民认可的教育体系，相关制度的确立为体系中每一个环节提供保障。例如，在完善的财政制度下，激发校园STEM的创办热情，学校更有策略性地将STEM作为校本课程进行开发扩展;在STEM教师的培训制度保障下，每一位教师都能接受正规和全面的培训，并被学校认可和聘请;在有效的监管评估制度下，明确追踪绩效和责任，公开发展成果，规划合理的发展方向。

3.4推行素养意识，发展教育据点

STEM教育在我国发展时间尚短，多数地区对STEM教育还处于未知的状态，而STEM教育设计范围广泛，从初等教育到高等教育都包含在内，让公民从意识上认同STEM教育开展和普及的必要性，是当前我国STEM教育推行的亟待解决的问题。《北极星计划》将STEM作为一种公民素养来推行，更贴合新时代人民对自身、对社会的要求，让STEM教育更容易被接受。改革开放至今，我国公民的素养不断提升，但整体水平较发达国家仍有差距。通过分析《北极星计划》中将“STEM与计算思维融合”的方式，把“计算思维”融入我国STEM教育中来，把计算思维作为基本素养，通过教育教学的方式普及计算思维素养，让公民从意识上接纳新式教育，并为STEM加入中国味。让原有被动接受知识学习的观念转变为主动塑造自身素质的观念，不仅能扭转学习者视STEM为负担的消极情绪，而且能为STEM的推行提供广阔空间。

我国STEM融入“计算思维”能够极大地促进教育的推行，首先，计算思维是人类科学思维中固有的组成成分并早于计算机的出现[19]。而且在我国学科教学中已经有所运用，加持STEM融合多学科的特点，可以促进教育教学突破传统的思维定式和教学模式。其次，我国《课程标准》倡导“创设情境”，有利于学生依托计算思维来探究问题本质。最后，由政府和教育部门领导，在地区联合教育机构、学院开展相关活动，形成推行STEM教育的据点，使之成为学习者的学习资源、学习场所。通过举办学生创新比赛、机器人俱乐部等STEM活动，在活动中推广计算思维，倡导和引导学生运用计算思维分析、处理问题，逐渐形成STEM素养的普及网络。

4结束语

教育的推行对当今国际形势下的国家发展有着奠基性的意义，我国在世界各国眼里都有着不同往日的影响，在教育领域形成突破口，为应对新时代的挑战塑造具有优秀素养的公民，为国家赢得世界竞争增添力量，是我国教育界的重要任务，也是综合国力提升的基础。

近年来我国在STEM教育中的发展可圈可点，未来的发展前景拥有无限可能。我国应当重新定义STEM教育的战略性地位，增强顶层设计[20]，继而鼓励地区开展适应本土化的STEM教育模式，联合相关学校、企业、部门共同加强开展力度，进一步推行STEM素养理念。让学生体会到通过学习高度融合的学科知识为解决生活问题带来的便利，通过丰富的STEM学习資源能够塑造更加健全、更具有竞争力的自身素质。自此基础上，进一步优化教学管理制度，激活教与学的活力;激活师与生之间的互动;激活学生的深层学习[21]。在制度的保障下，STEM稳健运行，越来越多的高质量人才涌入社会所能带来的巨大活力，将成为新中国未来发展的不竭动力。

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[責任编辑马晓宁]

Enlightenments and suggestions from

"STEM Education-North Star Strategic Plan"

LI Ke-zhen，LI Wei

（The Department of Education，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

AbstractEducation should produce and provide highly qualified labor force to meet the requirements in the new era.STEM，a comprehensive cross-disciplinary education plan will contribute to the approach to training the new labor force.In December 2018，the White House released the "STEM Education Strategic Plan"，which implies "Bringing Forth the New through the Old".The plan sets forth that the government of the United States calls urgently the citizens to fuse STEM education with "computational thinking"， and puts forward the strategic decision to respond to the contemporary development by government legislation. This plan opens up space for the development of STEM education systems by strengthening the interconnection of educational forces from all sectors of society，promoting subject inclusion， developing transparent accountability systems and promoting the cultivation of computational ability.In contrast，China′s STEM education is in its infancy. This paper aims to make the following suggestions on the implementation of STEM education in China by referring to the experience of problems solving in America′s "STEM Education—North Star Strategic Plan"：developing curriculum integration and promoting curriculum localization;coordinating multi-party cooperation to enrich teaching resources;strengthening the supervision system and building the educational environment;popularizing literacy awareness and developing educational strongholds.

KeywordsSTEM education;"STEM Education Strategic Plan";educational reference;computational thinking

[收稿日期]2019-05-07[基金项目]天津市科技计划项目（17KPXMSF00090）

[作者简介]*李科震（1994-），男，山东菏泽人。硕士研究生，主要研究方向为课程与教学论。