美国STEM教育研究30年：历程、特点与启示
赵书琪 于洪波[通讯作者]
（山东师范大学 教育学部，山东济南 250014）
摘要：美国STEM教育研究自1986年诞生起，经过30余年的发展，已引起了世界各国的广泛关注。文章首先通过文献分析，将美国STEM教育研究的发展历程分为发轫阶段、勃兴阶段和拓展阶段，并举例概述了各阶段STEM教育研究的具体情况。随后，文章从研究逻辑、研究思路与研究取向三个维度，分析了美国STEM教育研究的特点。最后，文章从学理探讨、顶层设计与实证探索三方面，分析了美国STEM教育研究对我国的启示，以期为我国STEM教育的研究与发展提供参考。
关键词：美国STEM教育；发展历程；K-12教育；STEM素养
一 美国STEM教育研究的文献分析
STEM一词是Science（科学）、Technology（技术）、Engineering（工程）、Mathematics（数学）四个单词首字母的缩写。STEM教育的兴起是现代社会自觉回应时代诉求的结果。可以说，培养青少年的STEM素养，业已成为各国教育未来发展的重要议题[1]。美国是STEM教育的发源地，回顾其30余年来的STEM教育研究成果，梳理其STEM教育研究的发展历程，分析其STEM教育研究的特点，可为我国STEM教育研究的本土化发展提供启示。
这个开篇以一连串的简短句子聚合起强大的力量裹协着读者直接进入了骑桶者的内心世界。骑桶者的内心正为现实的匮乏所煎迫：一方面是逼人就死的严寒，一方面是骑桶者抵御严寒的物资资源的一无所有；而且，此种物资的一无所有显然是由于他的极度贫穷。他因此不得不要去找煤炭老板寻求帮助，赊借煤炭以御严寒。但是骑桶者面对的现实问题不只是物资贫穷，从“煤店老板对于我的通常的要求已经麻木不仁；我必须向他清楚地证明，我连一星半点煤屑都没有了”这一句话里还可以看出，他在信誉上也是赤贫的。
为此，本研究以WOS数据库的子库——Web of Science TM核心合集为文献资料来源。作为具有全球影响力的数据库，Web of Science TM核心合集累计收录了10,000多种具有世界权威性的学术期刊和超过10万篇国际会议的学术论文。同时，本研究以SSCI数据库为检索平台，检索主题词为STEM Education，类别选择Education & Educational Research、Education Scientific Disciplines、Engineering Multidisciplinary，文献类型为Article、Proceedings Paper、Book Chapter，国家/地区选择America，检索时间设为1986年1月1日至2018年9月1日。结果共检索到556篇文献，剔除与本研究主题无关、内容有重复的文献，最终获得有效文献545篇。本研究选取1986年、1996年、2007年、2018年为时间节点，统计了这些时间节点美国STEM教育研究的有效文献篇数，结果如图1所示。
2.3.5 发表偏倚分析 本文采用了漏斗图来检测研究是否存在潜在偏倚。漏斗图未发现明显不对称，表明研究未存在明显的发表偏倚。见图6。
图1 不同时间节点美国STEM教育研究的有效文献篇数统计图
二 美国STEM教育研究的发展历程
对545篇有效文献进行统计分析，本研究发现：学界公认的STEM教育研究的开端，始于美国国家科学委员会（National Science Board，NSB）于1986年发布的“本科的科学、数学和工程教育”（Undergraduate Science, Mathematics and Engineering Education）报告。1986年之后，美国关于STEM教育研究的数量整体呈上升趋势，但总量相对来说仍然较少，且研究主要集中于相关概念的理论研究。1996年之后，学者通过探索、完善STEM教育的实施路径来拓展其研究领域，使STEM教育研究迎来了发展期——在这一时期里，该领域研究中位列前五位的关键词分别是“STEM Education”、“STEM Teacher”、“Assessment”、“K-12”、“Active Learning”。2007年，伴随着美国“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”（A National Action Plan for Addressing the Critical Needs of the U. S. Science, Technology, Engineering and Mathematics Education System）报告的出台，STEM教育研究进入“全景式”发展阶段，研究数量呈井喷式增长，这意味着美国STEM教育研究进入了深化拓展阶段。具体来说，美国STEM教育研究经历了以下阶段：
1 发轫阶段（1986～1995年）：STEM教育内涵的阐释与深化
美国STEM教育研究将定量分析方法与质性研究方法进行了有机结合。其中，定量分析方法有因子分析、结构方程模型、数理统计法等，而质性研究方法有教育叙事研究、行动研究、田野研究等。如Huffman等[19]在构建STEM评价能力建设模型“合作化评估社区计划”（Cooperative Assessment Community Plan）时，使用工程课程校本化的一个四维描述模型来量化STEM课堂中的学生评价指标，并通过对质性数据的筛选分析，建立了STEM教育评价模型。此外，美国STEM教育也比较注重个案研究，而教育个案研究的初衷是通过刻画教育现场发展的全过程，总结出某些具有规律性的结论并加以推广。基于此，美国STEM教育研究的突出特色是以项目为驱动，因地制宜地开发STEM课程，并由此更新课堂的STEM教学模式。
目前，我国STEM教育研究尚处于起步与转型的阶段，相关的学术研究呈现出碎片化、浅表化的特征，在STEM教育本土概念的明晰、实施路径的选择及项目规划的设定等方面答案仍不甚明朗。参考美国STEM教育研究的丰富经验，我国STEM教育研究可从以下方面发力：
2 勃兴阶段（1996～2006年）：STEM教育实施路径与具体策略的探索
随着二战后“婴儿潮”的退去，已有的STEM劳动队伍逐渐接近退休年龄，美国STEM劳动力深陷质量堪忧的窘境[11]。此外，据美国国家科学基金会调查，在拥有科学与工程学位的工人中，有三分之二所从事的工作与他们所接受的教育仅仅有一点关系，或根本没有任何关系[12]。由此可见，美国STEM劳动力的结构不甚合理，质量也有待提高。2007年，美国国家科学委员会发表“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”的报告[13]，将STEM教育从义务教育阶段延伸至高等教育阶段。在国家的号召下，致力于提高教育质量、促进教育公平的STEM教育项目在美国各校如火如荼地开展起来。
针对如何开展STEM教育、促进学生STEM素养生成的问题，研究者从学校课程、教学、师资配置等方面纷纷进行了探索。如Clark[8]提出教育整合模型并将其融入STEM整合性课程，呼吁学校全员联合起来，为学生提供打通K-12学龄段的STEM课程——此研究成果为STEM课程整合的实施提供了理论基础；Pascarella等[9]对佛罗里达州两个中学的班级进行了对比实验，结果显示：教师共享、合作式教学策略优于传统讲授式教学策略，师生之间的经验共享可以促进学生STEM素养的内化。随着研究的深入，研究者逐渐意识到STEM师资是STEM教育成功的重要保障，故针对STEM教师专业化发展的研究也逐渐增多。如Sattler等[10]采用个案分析的方法，实地考察了一所学校教师专业发展的策略，他们发现教师与专业支持人员、行政人员、学生家长、社区成员之间的合作可以促进教师专业知识与能力的发展，因此他们建议高校鼓励教师设计、开发以校情和学情为基础的综合服务项目。
美国STEM教育研究脱胎于美国社会经济发展对教育改革的现实需要，故其发展脉络与研究范式深受国家经济、政治和文化等多重因素的影响——开展STEM教育研究的首要目的是提高美国劳动力的素质和培养科学技术人才便体现了这一点。而从已有研究成果来看，美国STEM教育研究多从教育学、心理学、社会学、管理学、生态学、法理学、国际比较、政策工具等视角来助推学校教育，具有多元互补的特点。如Adelson[17]将人类文化学和教育叙事研究方法引入STEM课堂，使研究者能在深度讲述师生学习、生活的过程中探讨STEM教育的本质与实施策略的适切性。可以说，美国STEM教育研究已形成了一种“多角度、多层次”的立体研究态势。
观察组：在对照组的治疗基础上同时给予患者双黄连口服液（生产单位：河南天地药业股份有限公司；批准文号：国药准字Z41021468；规格：每支装10 mL），同样以棉签蘸取双黄连口服液，于溃疡处及其周围进行涂抹，每日3次，盐酸雷尼替丁胶囊用于双黄连口服液之后，用法与对照组相同，均连续服用2周。
3 拓展阶段（2007年至今）：“全景式”STEM教育项目的建设与实施
1996年，美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）发布了名为“塑造未来：透视科学、数学、工程和技术的本科教育”（Shaping the Future: Perspectives on Undergraduate Education in Science, Mathematics, Engineering and Technology）的报告。该报告从地方政府、社区、学校等方面提出了STEM教育的相关建议，并强调“要大力培养从事STEM教育的企事业相关人员”[7]。自此，K-12学校中的STEM教育实验便如雨后春笋般不断开展。
此阶段，学界对STEM教育的研究逐步具体化与实践化，即从学理分析和理论阐释转向实证研究与实践策略研讨，而以STEM教育项目为依托的学校教育改革也直接推动了STEM教育研究的深化。
“奥兰治县STEM倡议”（Orange County STEM Initiative，OC STEM）为推动加利福尼亚州STEM教育的发展作出了重要贡献，其主要目的是通过在社区相关利益者之间创建一种亲密的伙伴关系，组织构建STEM生态系统，以促进奥兰治县的经济实力与竞争力[14]。对此，OC STEM的研发与组织者——STEM生态系统学习协会（OC STEM Ecosystem Learning Institute，OSELI）制定了如下目标：①服务于奥兰治县的经济增长和可持续发展；②促进奥兰治县K-12与高等教育学龄段学生STEM能力的整体发展；③培养奥兰治县的孩子成为合格的公民，以适应社会的要求；④培养STEM师资，为正在或即将毕业的学生做好准备，使其具有个人与国家生活所需要的批判性思维技能、审美情趣与创造力[15]。基于上述目标，OSELI制定了与教师专业发展等配套的工作任务和内容[16]。
三 美国STEM教育研究的特点
1 遵循“立足本土、多元融合”的研究逻辑
此阶段，关于STEM教育的研究突破了原有的框架与范式，研究者关注的重点从对STEM教育内涵、特征的探讨转为如何在学校教育中实现STEM教育、应从哪些维度激发学生STEM素养的发展等，并建设性地提出了STEM的基本理论和具体操作步骤。此阶段，研究者逐渐达成了以下共识：学生STEM教育素养的提升可以通过更新学校的课程建设、教学策略、师资队伍等方式来实现——这为下一阶段STEM教育项目的实施与建设提供了依据。
2 坚持“点面结合、纵横交错”的研究思路
综观美国STEM教育研究的发展历程，其发轫阶段以宏观的理论研究为主，研究者以STEM教育的内涵、外延、培养目标与实施框架等为支点，在明晰理论依据与培养目标的基础上逐渐转向整合性的基于校情、学情的实施策略与STEM项目的研究。此外，美国STEM教育的焦点从最初关注高等教育逐渐辐射至K-12教育，针对不同学段的STEM教育既各具独特性，又存在承接关系，体现了美国STEM教育研究基于学段衔接、各教育要素共同发展的研究思路。如“项目引路”（Project Lead the Way，PLTW）计划作为美国STEM教育中最重要的课程提供者，长期致力于推进STEM跨学科整合的课程建设[18]。PLTW计划在K-12教育和本科教育中开设了相互贯通的STEM课程，并在教学模式、教师专业发展、课程认证与推广等方面采取了有效措施。
3 采用“量质并行、注重个案”的研究取向
“STEM教育”一词产生于1986年美国国家科学委员会发布的“本科的科学、数学和工程教育”报告[2]。该报告提出了“科学、技术、工程及数学教育集成”[3]的纲领性建议，确立了STEM教育优先发展的战略地位，由此拉开了STEM教育研究的大幕。该报告发布后，美国学界倾向于将STEM教育理解为以科学教育为中心、以培养学生的科学知识与技能为目的的教育模式。如Murnane[4]从国家经济发展的角度倡导STEM教育，并将其视为以科学、技术、工程及数学学科为中心的教育模式。随着STEM教育研究的不断深入，面对STEM教育实践中学科孤立、难以整合的困境，一些研究者整合相关学科的概念，推出了以“STEM素养”培育为中心的“学科集合取向”的STEM教育概念。如Kinney[5]认为，STEM是一种跨学科的思维方法，它强调培养学生在科学、技术、工程及数学课堂中惯用的生成性思维并开展相关的实践探索；Brunner[6]通过对俄亥俄州一所私立高中长达3年的STEM教育实验，总结出STEM教育的目标是学生STEM素养的形成。
四 美国STEM教育研究对我国的启示
此阶段，美国学界对STEM教育概念的认识从科学、技术、工程和数学学科内容的简单叠加逐渐发展为以培养STEM素养为指向的概念集合。
湿度是果蔬中的水分含量。果蔬在采收以后的运输期间发生失水现象是不可避免的。影响湿度的因素主要有果蔬本身的水分蒸腾强度和包装的材料种类两个方面。控制湿度的方法主要有在水纸箱或在纸箱中用聚乙烯薄膜铺垫和定期浇水两种。
1 加强学理探讨，澄清STEM教育的内涵与目标
美国学界对STEM教育概念的认识始于对科学、技术、工程和数学学科的简单叠加，后来将STEM教育日益发展成为一种具有跨学科、创新性、趣味性、协作性等特点，旨在培养学生创造性解决问题能力的教育模式。然而，我国部分学者对STEM教育概念的界定更侧重于外延式理解或将其视为培养创客应具备的重要手段，这无疑遮蔽了STEM教育的丰富内涵，并导致STEM教育在实践层面出现偏差。另外，我国STEM教育缺乏系统性方案，基础教育与高等教育、职业教育之间的衔接有待增强；针对STEM教育与创新教育、创客教育的本质区别何在，不同学龄段的STEM教育在具体操作上应有何侧重等问题，也有待我国研究者进行基于学理的、深入且持续的探究。
2 开展政策研究，完善STEM教育的顶层设计
美国STEM教育研究已有30余年的历史积淀，其特点是由政府进行顶层设计，并集结各方力量，共同开展STEM教育研究，合力促进STEM教育的发展。美国STEM教育政策的顺利推进与实施，离不开其背后相关国家政策的有力支持。据不完全统计，美国国家科学委员会、美国国家科学基金会、美国国家科技委员会、全美教育协会等20余个组织机构曾参与过美国STEM教育政策的研究与制定，这为相关政策的科学性、可行性与连续性提供了切实保障。2018年5月，“中国STEM教育2029行动计划”正式开启，表明我国已从战略高度上开始重视STEM教育人才的培养，但具体怎么实施仍需政府进行顶层设计和整体规划。因此，学界理应进一步加强对STEM教育的政策研究，不断探讨STEM教育的发展对策，以协助政府做出科学决策。
并结合矩阵求逆引理[22]来实现逆矩阵Pi的循环更新。然而,根据定义式(10),矢量bi不满足类似(11)的更新规则,且随着迭代次数i的增大,矢量bi的计算量也将越来越大。为此,可以利用近似(10)中的从而获得这是由于 与 作为w0的估计值通常近似相等,并且当j接近i时,两者相差越来越小,使得 与 也近似相等,并且当j接近i时,两者相差也逐渐减小。即使当j远小于i时, 可能与 有所差异,但由于权值 λi-j 的存在,这种差异的影响会随着i-j的增大而减小。因此,即可得到
3 重视实证研究，推进STEM教育的项目研究
STEM教育的最终目的是培养学生适应未来社会的核心关键能力。基于此，在学校教学中如何培养学生的STEM教育素养，将成为未来STEM教育研究的重要内容。美国重视利用实证研究分析STEM教育的实施过程，提出了合作学习、基于项目的学习等STEM教育的重要实施策略，搭建了STEM教师职前、职后培养平台。相较而言，我国STEM教育研究重思辨、轻实践，尤其是在STEM教育过程与评估方面尚缺乏有代表性的研究成果。因此，研究者有必要立足于我国的国情与文化特征，大力推进STEM教育的实证研究和项目研究，积极开展STEM教育评估、开发STEM教学案例等，以在实践中收集数据、检验效果，并总结经验、完善理论，真正推动我国STEM教育理论与实践的系统、深入发展。
参考文献
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Thirty Years of Research on STEM Education in America:History, Characteristics and Enlightenment
ZHAO Shu-qi YU Hong-bo[Corresponding Author]
（Faculty of Education, Shandong Normal University, Jinan, Shandong, China 250014）
Abstract: Since its emergence in 1986, STEM (Science, Technology, Engineering and Mathematics) education research in America has attracted great attention all over the world after more than 30 years of development. Firstly, through literature analysis, the development processes of STEM education research in America were divided into the initial stage, flourishing stage and expanding stage. Meanwhile, the specific situations of STEM education research in each stage were summarized with examples. Then, the characteristics of STEM education research in America were analyzed from three dimensions of research logic, research idea and research orientation. Finally, the enlightenment of STEM education research in America on our country was investigated from three aspects of theoretical discussion, top-level design and empirical exploration, expecting to provide reference for the research and development of STEM education in our country.
Keywords: STEM education in America; development process; K-12 education; STEM literacy
【中图分类号】G40-057
【文献标识码】A
【论文编号】1009—8097（2019）01—0005—06
【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2019.01.001
作者简介：赵书琪，在读博士，研究方向为比较教育、美国教育史，邮箱为zhaoshuqi0722@163.com。
收稿日期：2018年10月31日
编辑：小米
标签：美国STEM教育论文; 发展历程论文; K-12教育论文; STEM素养论文; 山东师范大学教育学部论文;