STEM 教育与研究

柳秀峰，美国纽约州立大学布法罗分校科学教育杰出教授，美国科学促进会（AAAS）会员。在STEM 教育的测量和评估、Rasch 测量的应用，以及学生对物质和能量的长期概念发展等密切相关的领域进行研究。目前担任《科学教学研究》杂志副主编、《学科与跨学科科学教育研究》杂志联合主编。

STEM， 即科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering） 和数学（Mathematics）的缩写，最早由美国国家科学基金会（NSF）提出并应用，并将这一术语用于对教育和劳动力发展项目进行分类[1]。自21 世纪初以来，美国国家科学基金会一直在其发布的出版物和提交给国会的预算申请中使用这一术语，用以指一系列相关项目。尽管STEM 教育深受欢迎，但目前还没有一个统一的定义或广泛接受的概念[2]。

尽管对STEM 教育有各种不同的理解，但一个普遍认同的关键方面是科学、技术、工程和数学的跨学科学习，即综合STEM 教育[3]。这是因为科学、技术、工程和数学虽然是既定的学校科目，但跨学科学习方面存在不足或需要加强。跨学科STEM 教育与科学、技术、工程和数学的学科教育在概念理念和实践上有着明显的重叠[4]。虽然STEM 教育强调整合，但它并非K—12 教育的单一学科；它并不取代学校中的科学、技术、工程和数学等单独学科。

STEM 教育方法

STEM 教育有很多方法。在这里，我们介绍3 种常见的方法：工程设计、基于项目的学习，以及创客空间。

工程设计

设计是工程的核心要素[5]， 可以用于STEM 教育的课程设计和教学实施。Roehrig等人基于对有效综合STEM 教育课程和教学的全面文献回顾[6]，确定了高质量综合STEM 课程和教学的7 个基本特征。这7 个特征在综合STEM 课程与教学的设计和实施中是有机联系并系统执行的（如图1）。

关注现实世界问题 综合STEM 学习应该围绕解决现实世界的问题进行设计，问题应具有情境化特征，且有多种解决方案；同时应能激发学生的兴趣并与学生日常生活息息相关。现实世界的问题应要求学生通过解决问题表现出个体促成变化的能动性。

参与工程设计 工程设计是一个动态迭代的过程，它可以被概念化为几个不同且相互关联的步骤。例如，由波士顿科学博物馆设计的“工程是基础”课程是基于以下步骤的设计过程：识别—头脑风暴—构建和测试—完善和沟通（https：//www.eie.org/）。美国航空航天局（NASA）的设计包括8 个步骤：识别问题—确定标准和约束—头脑风暴可能的解决方案—选择设计—建立模型或原型—测试模型并评估—改进设计—向他人展示模型（https：//nasaeclips.arc.nasa.gov/teachertoolbox/download/45）。English 则提出了工程设计的以下阶段：问题范围的界定（理解问题的边界）—思路的产生（头脑风暴和规划）—设计和构建（模型开发）—设计评估（满足约束）—重新设计（模型开发）[5]。

情境整合 综合STEM 学习应以科学、数学、技术和／或工程的具体内容知识为基础。换而言之，STEM 学科内容为综合STEM 学习提供情境。

内容整合 除了特定内容外，综合STEM学习还应促进STEM 学科内容的整合与衔接。这种衔接可以通过多学科和跨学科的方法实现。

参与真实的STEM 实践 在综合STEM学习中，学生应该有机会参与STEM 实践。STEM 实践的核心是基于证据的推理，如论证和数据科学。学生应利用自己的文化和个体知识，在应用STEM 实践方面表现出能动性。

21 世纪技能 综合STEM 学习应支持21世纪劳动力技能的发展。21 世纪技能包括协作、沟通、批判性和创造性思维，以及解决问题的能力。

STEM 职业 综合STEM 学习应该让学生接触到各种STEM 职业，并促进学生对STEM职业的兴趣。

基于项目的学习

基于项目的学习（Project-basedlearning，PBL）这一概念源远流长，可追溯至100 多年前约翰·杜威关于“将学习视为日常问题的探究”的初始思想。然而，当今的基于项目的学习理念是基于对学生学习方式的深入研究而形成的，特别是融合了建构主义、情境学习、社会文化学习和认知工具理论[7]。在K—12 课堂中实施基于项目的学习的方法有很多[8]。在STEM 教育中，Krajcik 和Blumenfield 提出了基于项目的学习的几个关键特征[7]。

驱动问题 基于项目的学习的核心在于解答一个驱动问题。驱动问题包含了具有价值且意义深远的内容，并紧密联系着现实世界的具体情境[9]。这些驱动问题应以学生的个人经验为基础，并与所期望的学习成果（例如学习标准）相关联。驱动问题之所以有意义且值得回答，在于它们与学生日常生活紧密相关，并且能够满足社会需求。鉴于学生在构建有效的驱动问题方面缺乏经验，教师需要提供适当的指导和支持，帮助学生发展出合适的驱动问题。良好的驱动问题应该是可行的、有价值的、情境化的、意义深远且符合伦理标准的。

真实探究 为了解答驱动问题，学生必须参与到探究过程中，收集和分析数据，并通过数据进行推理以得出结论。这样的探究过程并不是有固定步骤的线性过程，而是根据具体问题和情境灵活变化的动态过程。有效的探究不仅需要具备特定的技能（例如使用特定的测量工具进行测量），还包括相关知识和态度（例如尊重证据、保持开放思维）。美国《新一代科学教育标准》（NGSS）概括了8 种科学与工程实践：提出并界定问题；开发和使用模型；计划和开展研究；分析和解释数据；运用数学和计算思维；构建解释和设计解决方案；基于证据进行论证；获取、评估和交流信息[10]。

协作 基于项目的学习是一种涉及包括教师、学生及其同伴在内的协作过程，他们共同构成了一个学习社团。协作并非学生天生就具备的能力，而是一种需要在学生身上培养的特殊技能和态度，比如言语交流（包括讲话和手势）就在协作中必不可少。教师需要向学生展示高效的协作模式，而学生则应当学会重视并参与高效协作，以便共同解答驱动问题。

技术工具 基于项目的学习有效地利用学习技术解答驱动问题。这些学习技术作为一种思维扩展工具，增强了学生在收集数据、分析和解释数据，以及呈现和交流探究成果方面的智力和操作能力。例如数字探针在户外数据采集中表现出色，而计算机模拟则在对于特定现象（如地震）的探索方面非常有效。在基于项目的学习实践中，这些技术工具被无缝整合到探究过程之中，成为基于项目的学习环境中不可或缺的基本要素。鉴于技术工具可能带来较高的成本，因此在基于项目的学习实施中需要特别关注公平性和包容性问题。

创造工件 工件是对驱动问题的答案或知识的外在展现，它们可以是物理模型、计算机模型、报告、数字媒体（例如PPT、网页）、海报、游戏、剧本等形式。工件通过展示真实探究的过程、结果、新知识和理解，以及探究过程中提出的各种问题，有效回应驱动问题。在构建工件的过程中，学生不仅构建并重塑了他们的理解，而且还积极参与对自身学习的反思，并与他人分享和交流自己的理解。通过展示工件，学生能够从教师和同伴那里获得建设性的反馈。同时，工件也是用于评估学生学习的记录。

创客空间

创客空间是一个允许参与者共同合作，创造知识、物理或数字产品的场所[11]。所谓的“制作”（Making）是指“在艺术、科学和工程领域中，各个年龄段的人们融合数字和物理技术探索创意，学习技术技能，并创造新产品的一个创造性生产过程”[12]。如今由创客空间所推动的创客运动可以被看作是木工、手工艺和电子等传统爱好的现代延伸。创客空间不一定涉及复杂的技术，虽然现今大多数创客空间都采用了数字工具。最初的创客空间多设在校外场所，如博物馆、社区中心和公共图书馆等。随着廉价硬件的普及，数字制造技术的易于获取，以及软件和设计的共享，人们对于将创客空间引入K—12 学校并将其完整地融合到学校课程中表现出了越来越浓厚的兴趣。

将创客空间引入K—12 学校教育是以Papert 的建构主义学习理论为前提的：当学生利用特定工具（如Logo 编程）参与制作可共享的作品时，学习便得以发生[13]。具体来说，创客空间为科学、数学、工程和技术等多个学科提供了一个融合点，从而为综合STEM 学习提供了机会。创客空间的共同特点是创造实物，但由于其目标和用途的差异，其设计和实施在本质上也各不相同。

使用创客空间进行综合STEM 学习关键在于将创客空间视为一个“为特定群体使用而专门设置的空间，这个空间构建了一个围绕实践操作的实践社区”[13]。学习便是通过在创客空间内开展的活动而发生的[11]。Mersand 在2021年的一项研究中，通过将活动理论应用于创客空间，展示了这些活动的不同组成部分[11]，图2 中详细展示了这一点。

Mersand 对创客空间的研究进行了全面的文献回顾[11]，指出不同的创客空间在活动组件的概念化和实际操作上各有侧重，创客空间已经发展成为一种国际性的运动。

STEM 教育研究

随着STEM 教育的迅速发展，对于STEM教育的学术研究也逐步发展起来。《STEM 教育： 创新与研究杂志》（Journal of STEMEducation： Innovations and Research）旨在“在科学、数学、工程和技术的各个层面上推动高质量教育”。该杂志强调现实世界的案例研究，重点关注与STEM 从业者相关的重要问题。《国际STEM 教育杂志》（InternationalJournal of STEM Education）创刊于2014 年8 月，是一本关注学科内容教育的多学科期刊，重点关注科学、技术、工程和数学（STEM）的教学和学习研究。此外，2018 年12 月创刊的《STEM 教育研究期刊》（Journal forSTEM Education Research） 是一本关注跨学科内容学习的期刊，专注于STEM 教育研究， 旨在推动STEM 教育研究作为一个独特领域的发展。由北京师范大学主办的《学科与跨学科科学教育研究》（Disciplinaryand Interdisciplinary Science EducationResearch，DISER）于2019 年11 月创刊，旨在推动科学学科内部及跨学科教育的学术研究和教育实践。

为了反映STEM 教育研究领域的飞速发展，世界上最具影响力的教育百科全书，由爱思唯尔出版的《国际教育百科全书》（第四版），特别增加了1 卷（第11 卷）专门讨论STEM教育[14]。这一新增卷集结了来自澳大利亚、加拿大、中国、芬兰、中国香港、爱尔兰、以色列、瑞典及美国等国家（地区）学者的智慧，涉及STEM 教育的理论基础、STEM 教育方法、STEM 教师教育、STEM 教育中的公平与包容、学生的STEM 职业期望、STEM 教育的测量与评价，涵盖了文献综述、历史叙述、实证研究，以及研究者对其最近研究成果的总结等多种形式，从多元理论和方法论视角深入探讨和剖析了各个主题。

STEM 教育是一个新兴的研究领域，还需要大量实证研究，以下是一些重要的研究方向示例。

STEM 教育研究与发展的整合性和通用语言 目前尚未形成对STEM 教育定义的普遍共识。虽然在这一研究领域中存在多种关于STEM 教育的观点是有益的，但对其本质特征的共识将有助于积累STEM 教育相关的知识和经验。这种共识最终可形成一些通用的语言和专业术语，以用于报告和讨论STEM 教育的相关研究。对于任何新兴研究领域而言，从一个分散的研究状态到一个更为连贯和系统的研究状态的过渡，都是其发展过程中的必经之路。

有效的STEM 教育方法及其效果机制 尽管存在多种STEM 教育方法（本文仅介绍了其中的3 种），但是目前对于这些方法的有效性进行的实证研究还相当有限。为了促进STEM教育发展，迫切需要开展研究以比较不同教育方法的有效性，并深入理解在哪些特定条件下，对不同学生群体而言，哪些特定方法是有效的。与这一研究方向紧密相关的是还需要明确STEM 教育中学生重要的学习成果。

STEM 学习成果的测量（包括思维、兴趣和身份） 为了有效评估不同STEM 教育方法的成效，还需要开展关于测量学生在STEM 教育相关领域中重要学习成果的研究。虽然已有研究关注了对学生STEM 知识、理解、兴趣、职业抱负和身份等方面的评估，但现阶段仍迫切需要开发更为有效、可靠和公平的测量工具，这将极大地促进STEM 教育定量研究的发展。

STEM 学习成果的纵向研究（如身份和STEM 职业兴趣） STEM 教育的一个核心目标是促进学生STEM 身份的形成和职业兴趣的发展。然而，目前的研究大多局限于较短时间跨度，如1 个教学单元、1 个学期或至多1 个学年。我们需要开展跨越多年的纵向研究，理想情况下从小学阶段一直到高中毕业，以评估STEM 教育是否实现了其设定的目标，诸如推动学生的STEM 身份和职业抱负的发展等。这类纵向研究同样需要长期的STEM 教育干预措施，同时也需要标准化的测量工具评估诸如STEM 教育身份这样的特定概念在长时间跨度上的发展变化。

为所有背景的学生创造STEM 学习机会 STEM 教育应该面向全体学生。鉴于STEM 教育需要大量资源，当前STEM 教育项目主要集中于资源充足的私立和公立学校。来自不同种族、民族和地域的学生在接受STEM 教育机会方面存在巨大差距，因此我们有必要努力缩小并最终消除这种差距。为实现这一目标，政府的投资至关重要，同时还需要与工业、商业及非政府组织等方面建立合作关系。

STEM 单科学习和综合STEM 学习之间的协调与协同 STEM 教育的目的在于强化和扩展传统的学科学习。尽管综合STEM 教育侧重于跨学科的学习成果，如培养STEM 身份和职业兴趣，但跨学科学习不应独立于学科学习进行。有效的STEM 教育需要在STEM 单科学习与综合STEM 学习之间实现协调和相互补充。初步研究成果表明，学生在综合STEM 学习与科学、工程学习之间互为补益。但目前关于综合STEM 学习和数学学习之间互利关系的研究证据较少。因此，我们需要更深入地研究拓展对综合STEM学习与科学、技术、工程和数学学科学习之间关系的理解。

在设计和实施STEM 教育方面教师的有效专业发展 STEM 教育要求教师具备跨学科科学和教育学专业知识。然而，当前的科学教师教育大多仍然主要以学科为基础，如生物教育、化学教育等，尤其是在中学教育阶段。用于培养STEM 职前教师的课程相对较少。为了在K—12 学段的学校实施STEM 教育，除了开发STEM 职前教师教育课程外，学科科学教师的专业发展也极为重要。当前，已有大量研究关注教师专业发展的有效性。考虑到实施综合STEM 教育的独特需求，有必要研究有效的STEM 教育教师专业发展项目的独特特征。例如让教师参与科学、工程和医学领域的跨学科研究是否能有效提升科学和数学教师对STEM 跨学科性的理解？这种增进的理解如何转化为学生STEM 教学内容知识，进而提高学生在综合STEM 学习方面的结果？

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