我国STEM生态系统构建与服务功能价值评估研究

高雅茹 董艳 赵亮

摘要：随着STEM教育成为全球科技人才培养与教育教学改革的重要途径，构建可持续的STEM生态系统对保障其健康发展显得尤为重要。该文基于教育生态学、复杂系统科学等学科理论对STEM生态系统构建与服务功能价值评估进行研究，分别从环境设施、政策资金、师资力量、课程资源、方法实践、成果转化等六个组成要素展开分析，结合各组成要素的内在联系与结构特征提出STEM生态系统建设框架，并结合该框架对国内外已有实践经验进行了分析。为保障STEM生态系统的科学性与有效性，进一步结合教育经济学与生态经济学等学科理论对STEM生态系统的供给、育人、社会、支持四大服务功能进行价值评估，以便促进STEM生态系统的完善，促进STEM教育的可持续发展。

关键词：STEM;生态系统;教育生态学;服务功能

中图分类号：G434

文献标识码：A

一、研究背景

教育可持续发展需要良好的教育生态作为保障，结合STEM教育理念构建可持续的生态系统对完善学科理论架构有重要意义[1]。事实上，STEM教育作为跨学科整合的教育模式，既强调学科间的互动与联系，又承认各个学科的特殊性，STEM教育并不能单纯的依靠某类教师或者课程，而需要一个完善的生态系统综合保障STEM的发展。STEM生态系统需要结合教育生态学、复杂系统科学等理论提出相应的建设框架[2]。同时结合生态系统服务功能价值评估对STEM生态系统进行综合评估，以便促进系统的完善。目前我国针对STEM生态系统构建及其服务功能价值评估的研究相对零散，尚缺乏相对完善的理论框架[3]。通过开展STEM生态系统建设与服务功能价值评估研究，有利于营造一个健康多元的教育生态，最终为STEM教育的发展提供良好的外在环境。

二、现状评述

国外STEM生态系统研究以美国为主，1976年美国创建了首个STEM教育整体性联邦战略规划，为从宏观视角下建设STEM生态系统提供了初步框架[4][5]。1986年美国国家科学委员会（National ScienceBoard）发表的《尼尔报告》（Neal panel's report）提出“科学、数学、工程和技术集成（SMET集成）”建议，随后在《塑造未来：科学、数学、工程和技术的本科生教育新期望》（Shaping the Future： Strategiesfor Revitalizing Undergraduate Education）报告中对政府、学校等各个部门提出更加具体的要求。进入21世纪以后，美国于2006年发布的《国家竞争力计划》（American Competitiveness Initiative）着重关注STEM师资短缺问题，2013年推出的《联邦STEM教育战略规划》（Federal STEM Education Strategie Plan）将STEM教育提升为国家战略层面。2014年美国国家研究理事会（National Research Council）发布的《STEM学习无处不在》（STEM Learning is Everywhere）进一步探讨了STEM学习生态系统的概念。2018年发布的《制定成功路线：美国的STEM教育战略》（Charting a Coursefor Success： America's Strategy for STEM Education）提出美国STEM教育未来五年的愿景目标及其实现途径等内容，要求建设高质量的STEM教育生態，同时对STEM行业标准与核心理念加以落实[6]。除政府层面以外，各专家与机构也在不断进行STEM生态系统的研究与实践，内布拉斯加奥马哈分校的STEM研究者与奥马哈公立学校的教师与管理人员开展“师生合作计划”，通过构建大学与中小学交互的STEM生态系统促进教师STEM教学[7]。澳大利亚结合STEM测评结果不佳与相关师资短缺问题及时对中小学STEM项目进行调整，关注STEM人文价值与特殊群体的STEM学习，这些调整是政治诉求与教育理念博弈的结果，也是促使STEM生态系统演化的动力[8]。英国则更加关注STEM向STEAM的转化，具体从资金拨款、考试改革、数据库建设等领域开展STEM生态系统的建设，同时在教育督导评估领域面临挑战[9]。

目前我国STEM生态系统的研究尚处于起步阶段，部分学者认为我国STEM教育在教育政策、教育实践、设计策略等各层面缺乏连续性与系统性，导致内容分散，难以形成可以推广的教育成果[10]。因此，结合中国STEM教育发展面临的问题构建适宜的STEM生态系统对促进各要素及其组织主体关系具有重要的保障作用，有利于促进STEM教育的长久发展。目前已有不少学者对美国STEM生态系统构建原因、概念特征、优势策略进行分析归纳，并结合中国教育特征提出STEM生态系统的建设思路[11]。但现有研究多聚焦于对国外成果的梳理，针对中国STEM生态系统的综合性研究相对较少，以至于对STEM教育中各要素定位不够清晰，难以在实际的STEM教育发展中进行具体的理论指导。STEM学习生态系统（STEM Learning Ecosystem）融合了正规教育、非正规教育与课外教育等不同部门，由于各类教育场景的差异巨大，STEM生态系统也在不断演化。国内学者认为STEM学习系统具有整体性、开放性、可持续性等特征，通过整合不同机构资源为学生提供STEM课程学习，便于学生掌握跨学科综合学习技能[12]。另外教师在STEM教学中也能获得系统支持。不同教育阶段的STEM生态系统需要结合相应时段的学生认知特点与知识基础进行构建，但目前依旧缺乏基于特定教育阶段特征的STEM生态系统构建研究，有待对各阶段STEM生态系统进行深化，另外通过积极开展STEM生态系统研究还可以整合现代教育技术并促进多方创新协作[13]。STEM生态系统的建设需要结合跨学科、趣味性、情境性、协作性等STEM教育理念，借助相关课程与广域课程等跨学科整合模式，提出跨学科整合的项目设计模式[14]。随着STEM教育的深入发展，一系列的相关教育机构也不断成立，2015年上海教育中心成立“上海STEM教育联盟”，2016年成立的“粤港澳促进STEM教育联盟”等机构致力于STEM教育资源的共享与应用实践，这些教育机构的成立为STEM生态系统的形成奠定了基础，也有利于形成完善的教育生态[15]。

三、理论基础与定义特征

生态系统理论着重分析生物与环境因素在人类发展中的相互影响，随着学科融合，生态系统理论逐渐成为并行于生物学、社会学、教育学等领域的宏观科学理论。教育生态系统主要对教育与人的发展规律进行研究，尝试借助生态循环、自我调节、生态平衡等构建可持续的教育生态环境，促进人类全面可持续发展[16]。教育生态系统宏观上包括各个国家或地区的生态系统，着重分析与教育相关的各类环境系统，包括生态环境、人才流动、知识转移等;微观上则关注校园、教室、座位以及课程设置、师生关系等对教育的影响。STEM生态系统在发展过程中形成了许多自身特征。

STEM生态系统是一个从简单到复杂不断迭代的动态系统，是环境建设、课程开发、师资培训、教学实践等相互关系的总和，具有多样性、开放性、可持续性等特征[17]。STEM生态系统从教育体系层面划分为学习生态系统与教育生态系统，前者从学习的视角开展STEM学习环境的构建，后者则从教育的视角进行STEM教育环境的建设，高效的STEM生态系统需要统筹兼顾学习与教育两个维度，从而保障STEM理念的有效实施。2014年由美国国家研究理事会主辦的“成功的校外STEM学习高峰论坛”上提出“STEM学习生态框架”的主题。但科技的两面性往往需要人文进行更好的引导，促使在SIEM基础上提出STEAM，其中A由起初的艺术也泛化为文化、社会、语言等多学科[18]。在此基础上，又有学者提出了“STEM+”的概念，促使该生态系统变得更加多元[19]。总体而言，STEM生态系统是为构建一个完善的教育学习环境，以便更好的培养一个可持续发展的人。

四、STEM生态系统构建

世界各国对STEM生态系统建设方面取得了较为丰富的实践经验，通过分析各国STEM教育经验可以为所提建设框架的完善与后期实践提供参考。首先以国家层面为例，美国STEM资助者网络（STEM ecosystems）以学习者为中心，政府STEM政策为导向，由专家、教师、管理者、政府官员、技术人员和相关行业领导者等共同合作，开展学校、家庭、科学馆、图书馆、高等教育机构以及非盈利性机构等跨部门跨场所实践，融合正式教育与非正式教育，打造了STEM生态系统全球实践联合社区[20]，引入实践小组，使学习者将STEM理论知识与现实世界联系起来，设计诸如3D打印、编程、机器人技术等主题活动。通过社区的建立，打破单个角色、主题以及资金的孤立和距离的束缚，实现STEM学习方法和资源渠道的多样性，使学习者能够在广阔的STEM生态系统地图中学习，以就业为导向，导航并获得STEM相关的职业和发展机会，最终也为STEM教育的健康和可持续发展提供保障。同样，芬兰LUMA中心生态系统也是各利益共同体协同合作，以“人人学习STEM”为目标，为3-19岁学习者服务。除此之外，建立STEM教师的素养提升培训和终身学习体系，加设虚拟网络学习环境是STEM生态系统的创新之处。其次，从城市层面，美国伊利诺伊州埃文斯顿（Evanston.Illinois）构建包括利益相关者，共同信念和理解，信息技术与工具，硬件基础设施，EvanSTEM公私合作伙伴机构等组成部分，重点致力于系统内部各组件以及组件之间协作，设计以学习者为中心的STEM学习数据平台，将各主体的数据与资源上传到平台，以实现各主体的知识共享与交流进步‘21]。德克萨斯奥斯丁都会区（Greater Austin）STEM生态系统以公平驱动为方法，扩宽人们对STEM的了解，支持该区正式与非正式STEM教育，减少重复工作，提高各部门的效率并扩大部分与整体的积极影响[22]。上述所提出的STEM生态系统建设框架基于教育生态学等理论从宏观视角切实构建了STEM生态系统，起到了宣传吸引与培养相关专业人才的作用，但是缺乏从中观组织层面构建更加具体化的生态系统。

基于教育生态系统等理论开展STEM生态系统的建设研究，需要结合不同阶段学生认知特点选择合适的建设要素。该研究结合不同类型生态系统存在的差异性，针对正规教育、非正规教育与课外教育等不同环境下的STEM生态系统进行要素分析，重点对正规教育的学前、小学、中学等不同时段STEM生态系统的特色要素进行研究[23Ⅱ24]。以期为构建初步的STEM生态系统框架，为后期不同教育阶段与教育场景下的多样化STEM生态系统类型提供借鉴。

（一）组成要素

STEM生态系统在演化过程中需要结合不同教育阶段与教育场景选取针对性的建设要素。STEM生态系统从宏观到微观上包含了硬件设施、政策资金、师资力量、课程资源、方法实践、成果转化等组成要素，如图1所示，这些要素是STEM生态系统的基础。各要素的功能与组成如下。

1.环境设施。良好的环境设施是STEM生态系统建设的基石，包括与STEM教育相关的科技馆、培训机构、博物馆、多媒体设备等硬件设施，以及教育网络系统、交互学习系统等软件设施。另外物联网、云计算等新技术能够促使STEM系统架构更加优化，未来需要对社会、学校与家庭等各类场景开展复合环境设施建设。

2.政策资金。合理的政策资金是STEM生态系统运转的保障，教育法规、政策条例、质量标准、发展规划等教育政策，以及财政拨款、企业支持等扶持资金是促进教育生态系统演化的重要动力。政府政策保障了STEM课程的合法性，教育资金则增强了STEM课程的持久性，两者在一定程度上影响STEM教育生态系统的发展快慢。

3.师资力量。优秀的专业教师是STEM生态系统发展的核心，系统建设中需要优先参照《中国STEM教师能力等级标准》等文件培育合格充足的师资力量，借助探究式与项目式理念提升教师STEM课程资源建设能力、跨学科整合能力。政府、学校等教育管理者要结合STEM理念培养批判思维与创新思维，科学制定顶层规划。

4.课程资源。丰富的课程资源是STEM生态系统的科学支撑，通过研究已有课程与实际情况设计合理的STEM课程内容，构建适合不同教育阶段多样化的STEM课程资源库，为不同类型教育提供差异化的课程体系。同时为保障学生在科学规范的课程指导下学习，需要注重加强对STEM课程资源的建设与改革。

（三）評估框架与方法

STEM生态系统服务功能价值评估需要借鉴教育生态学等多元学科的理论指导。首先需要对系统中各项服务功能的直接价值与间接价值进行类型划分，再对各项功能的不同价值类型确定权重，明确各个环节的重要程度，如图3所示。通过综合评估便于人们了解STEM生态系统各部分价值，有利于为STEM教育制定更加合理的发展规划[30]。评估过程中，有学者为对学生在STEM学习中所要达到目标的程度进行测量和界定，通过STEM评估量表设计相应的评价体系[31]。另外，评估经常会借助市场价值法与替代市场价值法等方法[32]。近年来随着大数据、云计算等技术有效的增强了数据收集处理能力，综合外部干扰条件与可持续发展理论构建STEM生态系统服务功能价值评估框架，分别对供给、育人、社会与支持等功能开展服务功能价值评估。通过对STEM生态系统的动态评估，及时发现存在的问题并提出有效建议，最终促进STEM生态系统的持续优化。

六、面临问题与前景展望

STEM教育的可持续发展需要结合组成要素与建设途径构建STEM生态系统，还需要进一步借助评估机制明确系统存在的问题与各要素的重要性，以便采取相应措施完善组成要素，优化组织结构。但目前STEM生态系统在细分要素、内部结构等方面还有待深入研究，未来随着社会经济的发展也将对其提出更加严峻的挑战。

（一）面临问题

由于STEM生态系统的复杂性，目前仍旧存在许多挑战。STEM生态系统所包含的硬件设施、政策资金、师资力量、课程资源、方法实践与成果转化等六要素联系将更加紧密，针对各要素发挥的具体作用有待深化研究。另外随着教育技术的日渐发展，STEM生态系统的演化将逐步加快，其各项服务功能也将随之改变，通过结合其价值属性进行动态评估，才能及时发现其存在的问题并进行优化。尽管该研究对STEM生态系统构建与服务功能价值评估进行了初步的探究，但依旧面临许多问题，具体体现在以下三个方面：（1）STEM生态系统与其他教育生态系统的差异还有待对比分析，以便区分各个系统发挥的作用，加强不同系统间的联系;（2）鉴于不同教育场景与各个教育阶段的差异性，对STEM生态系统组成要素与内部结构还有待优化，以便构建更加微观的生态系统，促使STEM生态系统更具有指导性与可模拟性;（3）尽管目前在STEM生态系统研究中已有不少成功案例，但是这些案例的普适性还有待进一步考证，还需结合实际案例对生态系统服务功能价值评估框架进行优化，并对评估方法的适宜性加以检验，以便实现对STEM生态系统的动态监测。

（二）前景展望

STEM生态系统的构建能够为STEM教育的发展提供基础保障。鉴于STEM生态系统的组成要素及系统功能演变，通过评估能优化系统结构。建设可持续的STEM生态系统将为科学教育发展提供支撑，但随着社会经济的不断发展，STEM生态系统也在不断演化，针对未来发展展望具体包括以下三个方面：（1）随着人工智能、云计算等新技术的发展，STEM生态系统的组织要素也会受到影响，各要素间的组织结构也会发生变化，进而促进STEM生态系统的潜在演化，信息获取方式与教育需求的变化也会引起STEM生态系统服务功能价值评估体系改变;（2）STEM生态系统将与全球教育系统.乃至自然生态系统、社会经济系统等联系更加密切，不同系统间的要素流动更加频繁，有必要对不同系统间的影响机制进行研究，明确STEM生态系统在要素循环中发挥的作用;（3）STEM生态系统与其他社会经济系统间存在着密切联系，为保证系统的持续发展，还要从整体社会生态系统的视角出发，提升社会生态系统中各子系统的互动机制，促使STEM生态系统获得良好的外部环境。

参考文献：

[1] LedbetterN，Ferguson J，et al.Finland：an exemplary STEM educational system[EB/OL].http：//nsuworks.nova_edu/transfonnations，2019-1 1-09.

[2]王凤产.教育生态系统复杂性探讨[J].中国电化教育，2011，（5）：27-30.

[3]朱珂，冯冬雪等.STEM教育战略规划的指标设计及评价策略——基于美国北卡罗来纳州STEM教育战略规划的启示[J].远程教育杂志，2017，35（5）：75-83.

[4] 94th Congress of the United States.National Science and TechnologyPoliey，Organization，and Priorities Act of 1976 [EB/OL].https：//www.gpo.gov/fdsys/pkg/STATU TE-9 0/pdf/s'rArru TE -90-Pg459.pdf，2019-11-12.

[5] Federal Coordinating Councilfor Science，Engineering，and TechnologyPathwaysto excellence：A federal strategy for science，mathematics[EB/OL].https：//books.google.co.jp/，2019-11-20.

[6]李刚，吕立杰.构建公平而有质量的STEM教育生态——《制定成功路线：美国的STEM教育战略》解读及启示[J].中国电化教育，2019，（7）：99-106.

[7] Tapprich W E，Cradient N，Leas H，et al.EnhanCing the s'rEMEcosystem through Teacher_Researcher Partnerships [J].MetropolitanUniversities，20167（27）：71-85.

[8]首新，胡卫平.为了一个更好的澳大利亚——澳大利亚中小学STEM教育项目评述[J].外国教育研究，2017，44（10）：100-114.

[9]Culture Learning Alliance STEM+ARTS=SrrEAM [R].UK：CultureLearning Alliance，2014.

[10]赵中建，龙玫.美国STEM学习生态系统的构建[J].教育发展研究，2015，35（5）：61-66.

[11]蒋家傅，张嘉敏等.我国STEM教育生态系统与发展路径研究—基于美国开展STEM教育经验的启示[J].现代教育技术2017，27（12）：31-37.

[12]蔡苏，王沛文.美国STEM教育中社会组织的作用及对我国的启示[J].中国电化教育，2016，（10）：74-78.

[13]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[J].现代教育技术，2018，28（10）：113-119.

[14]余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨學科整合模式[J].开放教育研究，2015，（4）：13-22.

[15]冯帮，项思雨.国内STEM教育若干争议问题述评[J].上海教育科研，2019，（8）：33-37.

[16]李景春.生态位理论视域中的教育生态系统及其发展[J].教育科学，2006，22（3）：26-29.

[17] Traphagen K，Traill S.How cross-sector collaborations are advancingSTEM learning [R].Los Altos：Noyce Foundation，2014.

[18][美]罗伯特.M.卡普拉罗，玛丽·玛格丽特·卡普拉罗等.王雪华译.基于项目的s'rEM学习：一种整合科学、技术、工程和数学的学习方式[M].上海：上海科技教育出版社，2016.

[19]傅骞，刘鹏飞_从验证到创造——中小学STEM教育应用模式研究[J]中国电化教育，2016，（4）：71-77.

[20] STEM Ecosystems.What are STEM Learning Ecosystems？ [EB/OL].https：//stemecosystems.org/what-are-stem-ecosystems/.2020-07-15.

[21] Nacu D，Upadhyay P，Skorepa E，et al.lmplementing Learning Analyticsto Foster a STEM Learning Ecosystem at the City-Level：EmergingResearch and Design Challenges[C].Chicago，IL，USA：Proceedings ofthe Sixth （2019） ACM Conferenr，e on Leaming@ Sr，ale，2019.

[22] STEM Ecosystems.Vision，Coals，Key Initiatives [EB/OL].https：//greateraustmstemecosystem.org/about/goals/.2020-07-15.

[23] STEM Funders Network.Learn more ahout these strategies forcultivating s'rEM ecosystems [EB/OL].http：//stemecosystems.org/strategies，2019-11-20.

[24]赵慧臣，陆晓婷.开展STEAM教育，提高学生创新能力——访美国STEAM教育知名学者格雷特·亚克门教授[J].开放教育研究，2016，（5）：4-10.

[25] John H.Falk，Lynn D.Dierking.Learning from museums：Visitorexperiences and the making of meaning [M].Maryland：AltamiraPress，2000.

[26]陈舒，刘新阳.美国校外STEM教育成效评价：视角、框架与指标[J].开放教育研究，2017，23（2）：102-110.

[27] Azevedo R.Defining and measLmng engagement and learning in science：Coneeptual，theorehc.al，methodological，and analytical issues [J].EducationalPsychologist，2015，50（1）：84-94.

[28] C.C.Johnson，E.E.Peters-Burton，et ai.STEM Road Map：A Frameworkfor Integrated s'rEM Education [M].New York：Routledge，2015.

[29] Afterschool Alliance （2013）.Defining youth outcomes for s'rEMlearning in afterschool [EB/OL].http：//www. afterschoolalliance. org/STEM_Outcomes_2013.pdf，2019-11-22.

[30]江丰光，蔡瑞衡.国内外STEM教育评估设计的内容分析[J].中国电化教育，2017，（6）：59-66.

[31] Rich C H，&Matovinovic D.ACT aspire online assessment systemdesigned to provide insights to inform K-12 STEM education [C].Beijing：Beijing Normal University，2016.

[32] Hui F，Koplin M.The implementation of authentic activities forleaming：A case study in finance education [J].E-Journal of BusinessEducation&Scholarship of Teaching，2011，5（1）：59-72.

作者简介：

高雅茹：在读博士，研究方向为比较教育、ST：EM教育和教师教育（yrugao@126.com）。

董艳：教授，博士生导师，研究方向为教师信息化教学能力提升、TPACK知识、21世纪学习、项目教学法、STEM教育（yan.dong@bnu.edu.cn）。

赵亮：在读博士，研究方向为应急管理与科学教育（zlookbook@163.com）

收稿日期：2020年3月20日

责任编辑：邢西深