通知公告
    当前位置: 首页 >> 学术前沿 >> 比较研究 >> 正文

美国推进STEM教育的策略

2020-01-13 李小红,李玉娇 点击:[]

   要:

美国在推进STEM教育方面积累了丰富的经验,已成为STEM教育的领跑者。其推进STEM教育的主要策略是:持续出台国家政策,引领STEM教育发展方向;鼓励学术团体、高校、企业等社会力量广泛参与和合作,形成协同共建的发展机制;建立STEM教师培养培训制度与监督保障机制,完善STEM教师教育体系;设立类型多样、层次分明的STEM学校,培养STEM领域的研究型人才和技术型人才;引入多元综合的项目式学习、游戏式学习、戏剧式学习等,变革传统的学习方式。

关键词:

美国;STEM教育; 跨学科

S T E M是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineer)和数学(Math)的简称,强调学科的融合。STEM教育不是科学、技术、工程和数学教育的简单叠加,而是一个有机整体 [1] ,旨在打破学科领域之间的边界,培养学生的科学素养、技术素养、工程素养和数学素养, [2] 提高学生的创新能力和问题解决能力。目前,STEM教育已成为培养21世纪人才的重要力量,成为各国关注的重点。2016年我国发布《教育信息化“十三五”规划》,强调“有条件的地区要积极探索信息技术在‘众创空间’、跨学科学习和创客教育等新的教育模式中的应用” [3] ,提升学生的信息素养、创新意识和创新能力,促进学生的全面发展。2017年教育部颁布《义务教育小学科学课程标准》,新增了技术与工程领域的内容,倡导跨学科学习,培养学生的创新能力。 [4] 同年,中国首届STEM教育发展大会召开,起草了《2017中国STEM教育白皮书》,并启动了“中国STEM教育2029创新行动计划”。 [5] 但总体来看,我国STEM教育尚处于初期发展阶段,还存在顶层设计不完善、社会联动机制与评估机制不健全、教师跨学科整合能力不高等问题。 [6] 美国作为STEM教育的引领者,其推进STEM教育的策略能够为我国STEM教育发展提供借鉴。

一、持续的国家政策引领

美国STEM教育能在短短几十年获得快速发展,主要得益于政府的支持和重视,美国政府及相关部门发布的一系列政策或报告为推动STEM教育作出了巨大贡献。1986年,美国国家科学委员会(National Science Board)发布《本科科学、数学和工程教育》(Undergraduate Science,Mathematics and Engineering Education)报告,首次明确提出“科学、数学、工程和技术教育的集成”的纲领性建议,成为STEM教育的开端。 [7] 1996年,美国国家科学基金会(National Science Foundation,以下简称“NSF”)首次使用STEM来描述涉及一至多门学科的事件、政策、项目或实践。2001年后,STEM逐渐成为四门学科的统称。 [1] 后来历任美国总统都非常重视发展STEM教育。2006年,美国总统布什发布了《美国竞争力计划》(American Competitiveness Initiative),通过增加财政投入来提高美国的创新力和竞争力,并强调全球竞争力的关键是培养具有STEM素养的人才。 [9] 2009年,奥巴马就任美国总统后,首先颁布了《美国振兴及投资法案》(American Recovery and Reinvestment Act),不仅强调STEM的重要性,还通过财政投入大力资助STEM教育。 [10] 2010年,美国总统科技顾问委员会(President’s Council of Advisors on Science and Technology)颁布了《培养与激励:为了美国未来的K-12科学、技术、工程和数学教育》(Prepare an Inspire:K-12Education in Sci-ence,Technology,Engineering and Mathematics Education for American Future),成为专门针对K-12阶段STEM教育的政策文本,明确了在中小学实施STEM教育的重要性。 [11] 2009至2012年间,奥巴马政府还提出了一系列计划,如“竞争卓越计划”(Race to the Top)和“为创新而教计划”(Educate to Innovate)等,加大国家财政投入力度,争取民间力量,培养STEM师资,打造优秀的教师队伍。 [10] 奥巴马连任美国总统后,于2013年成立了“STEM教育委员会”(Committee on STEM Education),以落实国家一系列促进STEM教育发展的政策与战略。该委员会还颁布了《联邦STEM教育五年战略规划》(Federal STEM Education Five-Year Strategic Plan) [13] ,确定了五个STEM教育优先投资领域(支持STEM教师的培养培训、提供研究生的STEM专业培训、增加STEM大学毕业生数量、增加并维持青少年和公众参与STEM学习、增加少数族裔学生和妇女参与STEM的机会与途径)和两个协调战略(利用资产和专业知识建立新的模型,构建和使用基于证据的研究方法) [14] ,促使联邦机构合理有效地利用联邦投资。2015年10月,美国《2015STEM教育法》(STEM Education Act of 2015)正式颁布,这标志着美国STEM教育正式走向法制化。 [15] 次年,美国又发布报告《STEM2026:STEM教育中的创新愿景》(STEM 2026:A Vision for Innovation in STEM Education),总结了STEM教育已取得的成就及存在问题,并从实践社区、活动设计、教育经验、学习空间、学习测量、社会文化环境等方面提出了未来十年STEM教育的发展愿景。 [13] 特朗普就任美国总统后,于2017年签署了《总统备忘录》(Presidential Memoranda),宣布每年至少投资2亿美元用于STEM教育项目。 [11] 为了实现STEM教育高质量、更公平的发展,2018年12月美国国家科学技术委员会(National Science Technology Council)发布了《制定成功路线:美国的STEM教育战略》(Charting A Course For Success:America’s Strategy For STEM Education),被誉为“北极星计划”。这是继上一个五年计划后,美国发布的又一个五年计划,该计划提出了未来五年美国STEM教育的发展愿景,理想目标及实现路径。 [18] 从STEM教育诞生之日起至今,美国从政策层面为完善STEM教育体系,如财政投入、专业机构建立、人才培养、师资培训、课程建设等提供了持续的支持和保障。

二、社会力量的广泛参与和合作

首先,鼓励国家机构和学术团体的广泛参与和合作。国家所拥有的资源能够为学生提供现实世界中应用STEM科目的体验,同时结合真实科学数据的课程能够给予学生学习生涯中难忘的教育经验,激发学生的学习兴趣。美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,以下简称“NASA”)为教育工作者提供了访问真实科学数据的机会,并为教师寻找和使用数据资源提供支持和指导。 [19] 例如,星系和宇宙探索者工具就利用了哈勃太空望远镜的数据;太空科学中的数学就利用了NASA的太空望远镜。 [20] 除了为STEM教育提供直接的资源支持外,一些机构还注重对STEM教育领域进行研究,为STEM教育实践提供理论指导。如美国科学促进协会(American Association for the Advancement of Science)推动建立了基于学科的STEM教育研究联盟(Discipline-based Education Research Alliance),加速知识的开发和传播,加强整个STEM系统的教育实践。 [21]

其次,鼓励高校广泛与K-12学校合作。这不仅有助于K-12学生获得STEM教育的直接体验,还加强了大学教师与K-12教师之间的联系,同时,这种合作还能为大学教师提供实践经验,促进其研究工作的开展。自2002年以来,美国国家科学基金会(National Science Foundation)资助了近100个高等教育机构和K-12学校系统之间的合作。 [22] 如,萨格勒布大学(University of Zagreb)的电气工程和计算机院系提供了一个主要针对K-8和K-12学生和教师的STEM项目,包含组织参观大学教师研究小组和实验室,举办小型研讨会,指导K-12老师如何在学校里使用机器人进行教育教学等内容。 [23] 美国的阿肯色大学史密斯堡分校(Arkansas Fort Smith)的教师与K-12教师进行配对,每学期合作计划3个学习项目,为K-12教师提供最新的知识并提供相关资源。 [24] 此外,大学与大学之间,大学与K-12学校之间也在进行跨区域合作,如美国的阿拉巴马大学(University of Alabama)和南非的开普半岛技术大学(Cape Peninsula University of Technology)建立了学术伙伴关系,设计和发展STEM工具,并与当地的K-12学校进行合作。 [25]

最后,鼓励企业的广泛参与和合作。企业是促进STEM教育不容忽视的力量,它可以为学校发展STEM教育提供良好的实践,加强课堂与现实生活的联系,让教师和学生接触到科学、技术、数学和工程的实际应用与前沿发展,为学生提供利用多学科方法解决问题的机会,还能通过与科学家和工程师的直接接触,为学生提供学习榜样。美国雷声公司(Raytheon Company)和新英格兰爱国者(New England Patriots)就共同为高中学生提供了工程设计挑战和科学模型项目,为学生提供实践经验。 [26] 更为典型的是企业与当地学校的合作,如由美国政府赞助的位于马萨诸塞州的Aptima公司与当地学校建立了紧密的合作关系。公司通过组织学生参观,为学生设立俱乐部,带领科学家、机器人专家和软件工程师进课堂等活动,使学生获得了更多体验;同时通过与学校的合作也为科学家和工程师提供了丰富和有益的经验,该公司还组织成立了正式的STEM委员会,促进合作纵深发展,实现互惠共赢。 [27] 此外,由美国的公司、企业所组建的第三方组织,如变革方程(Change the Equation)、项目引路(Project Lead the Way)等,也为STEM教育提供了强有力的支持。

三、STEM教师教育体系的建立和完善

美国在推进STEM教育的过程中,不断完善STEM教师教育体系,包括STEM教师培养与资格认证、STEM教师入职与在职培训、STEM教师培养问责机制与激励机制、资金保障机制的建立等。

首先,在教师培养方面,主要以项目为依托,培养高质量的STEM专业教师。早在1997年,美国得克萨斯州奥斯汀大学就设立了STEM教师培养项目UTeach,目前该项目已被推广至美国22个州和哥伦比亚特区的46所大学。该项目拥有体验类、教育类、学科类、实践类和评价类多样化的课程内容。其中,体验类课程包括探究性教学方法和探究性教学设计两个部分,学生需要分别完成三节中小学STEM课程设计和授课;教育类课程中的项目教学法课程主要指导学生开发基于问题或项目的课程内容,掌握跨学科教学策略,提高跨学科教学能力。在教学方法上,主要采用“5E探究型教学模式”,包括参与(Engagement)、探究(Exploration)、解释(Explanation)、深化(Elaboration)和评价(Evaluation)五个环节。此外,该项目还为毕业学生提供多样的资格认证,其中初级中学资格认证包括数学和综合科学两种,高级中学资格认证包括科学、物理、数学、工程等学科,学生可以根据自身情况进行选择。虽然学生认证的是学科类的资格证书,但在教师培养过程中都注重提高其STEM综合素养和跨学科教学能力。 [28]

其次,在教师培训方面,国家、高等教育机构及非营利性机构等各方力量都在为提高STEM教师专业能力,打造优秀稳定的STEM教师团队努力。例如,奥巴马政府时期启动了“尊重项目”,在全国范围内严格挑选最优秀的数学和科学教师,将其打造成STEM精英教师团队,为自己所在的学校和其他STEM教育者提供服务与指导。 [10] 又如,很多高校教师教育机构专门制定为期2~3年的硕士学习计划,或为有志于从事STEM教育的人员制定为期1年的教育硕士计划, [30] 以提高STEM在职教师的专业素质。此外,美国也很重视教师的入职培训。如俄勒冈州设立了STEM教师的“教师准备项目”,主要面向刚毕业即将成为3-12年级的准STEM教师,帮助他们进行STEM课程与教学及教学法等知识的整合,同时提供科学、数学教学方面的指导。 [31]

最后,美国还建立了全面的STEM教师教育保障机制。在资金保障方面,主要从立法或政策层面通过财政拨款为STEM教师培养培训给予支持。美国《STEM教师教育与指导支持法案》不仅规划了相应的资金支持,还规定了具体的拨放方案。在激励机制方面,主要通过减免税收或学费、提供奖金和补助等方式为STEM教师培养培训提供支持。《全美STEM教师税收激励法案》不仅为专职STEM教师提供了税收减免优惠,还为STEM相关专业的学生提供了10%的学费减免优惠。在监督管理机制方面,建立了STEM教师职前职后培养问责机制,美国STEM教师培养是以国家投资为主,协同社会多方机构共同参与,而社会机构主要通过申请国家经费创立教师培养项目。因此,为保证STEM教师培养质量,美国建立了项目问责机制,主要通过各机构所培养教师的合格率和排名、接受培养后是否从事STEM教师职业、接受培养后的课堂教学情况这三项指标进行评估。 [32]

四、专门STEM学校的设立

美国国家科学研究委员会(Nationa Research Council)将美国的STEM学校分为三种类型,分别是STEM精英学校(Selective STEM Schools)、STEM全纳学校(Inclusive STEM Schools)和S T E M生涯技术学校(Schools with STEM-focused Career and Technical Education)。[33]

STEM精英学校主要招收对STEM教育感兴趣且具有才华和天赋的学生。美国的北卡罗来纳州科学和数学学校(North Carolina School of Science and Mathematics)就属于STEM精英学校,只招收11年级和12年级的学生;设计的相关课程较具挑战性、实践性,并且涉及范围较广,不仅包括STEM相关学科,还有学生发展课程、人文学科课程和课外活动等,这些课程注重培养学生的高阶思维和综合素养。 [34]

因STEM精英学校严格的选拔制度和招生要求,导致有机会获得STEM专业培养的学生较少,难以满足美国社会发展的人才需求,因此为了促进教育公平,大力培养STEM教育人才,STEM全纳学校在近十年蓬勃兴起。STEM全纳学校较注重学生对STEM的兴趣,在录取上多遵循随机分配机制,如“摇号”等方式,因此学生水平差异较大。STEM全纳学校不仅为学生提供学科课程,还提供适合的技术训练和实习,以满足不同学生群体的需求。位于美国戈尔兹伯勒市的韦恩工程学校就是一所STEM全纳学校,它主要是为学生的大学学习奠定基础,学生在本校学习STEM相关的基础课程后,经本人申请,校长依据学生在校学业表现审核学生是否可以到大学学习更高阶的课程,从而更好地满足了不同学生的学业需求。 [34]

随着社会对STEM教育越来越重视,教育者深刻意识到不仅要培养STEM领域的研究型人才,还要培养一批高质量的技术型人才。如此,STEM生涯技术学校应运而生,其主要是为美国培养高素质的技术型人才。STEM生涯技术学校是以STEM为中心进行生涯技术教育,它是一个开放且灵活的系统,学生除了学习本校的课程,还可以参与当地职业技术中心或生涯技术学院的相关项目。位于美国得克萨斯州奥斯汀的特拉维斯湖区学校就是一所STEM生涯技术学校。它以学术课程和技术教育而闻名,该校课程主要分布在6个学院,包括高级科学与医学、艺术等,不同学院的学生可以根据自身兴趣和需要选择其他学院的课程学习。学生还有很多校外参观实习的机会, [34] 以加强学习与现实生活的联系。

五、多元综合的学习方式变革

第一,广泛开展项目式学习。STEM教育强调科学、技术、工程和数学的整合,跨学科性是其主要特征。通过跨学科的方法,不同学科的概念可以被整合以产生新的思维方式,开展跨学科教育是培养完整的人的主要途径。 [37] 基于项目和基于问题的学习是跨学科教育的主要方法。例如,美国的“火星教育项目”致力于为学生提供在现实或模拟的情境中体验美国宇航局(NASA)专业的科学研究和工程技术活动,是具有真实性和探究性的课程,主要涵盖了“概念建模”“工程”“我们如何探索”与“科学研究”4个领域,包含16个与火星相关的项目内容,如地球、月球和火星模型、火星上的建造者和火星图像分析等。 [38] 又如,美国近年还推出了一个“多学科可持续性教育项目”(Multidisciplinary Sustainability Education Project),主要是让学生以21世纪亟须解决的与可持续发展相关的问题为内容,通过合作学习,使用多学科方法解决复杂的现实问题。 [39]

第二,适度引入游戏式学习。使用游戏活动能提高学生的卷入程度和学习兴趣。美国娱乐软件协会(Entertainment Software Association)等机构联合创办了面向5-12年级学生的美国国家STEM电子游戏竞赛(National STEM Video Game Challenge),该竞赛要求参赛者基于STEM教育原则创作原创性的电子游戏。参赛者需通过探索设计STEM科目,构建游戏原型,分享并发布游戏。从参与主体来看,虽然面对的是学生,但家长和教师可以与学生合作,共同参与开发和设计。从设计成果来看,各类游戏涵盖了从历史到数学等多个学科科目。从数量上来看,2016年共收到参赛作品近5000项。 [40]

第三,巧妙融入戏剧、音乐、舞蹈等学习方式。美国特别关注人文社科类课程对STEM学习的促进作用,因此,诸如戏剧、音乐、舞蹈等学习方式也被融入STEM教育教学中。例如,在《青蛙的一生》的课程教学中,学生观看关于青蛙的视频、阅读关于青蛙的书籍,对比蝴蝶、蜻蜓和青蛙的生命周期特点,了解青蛙的生命发展过程及状态后,分组合作,结合所学的戏剧知识进行戏剧创作,借助表情、动作、声音和对话等艺术性地展示或模仿青蛙变形的各个阶段。另外,融入富有感染力的舞蹈和音乐的学习方式也能加深学生的体验。如创作舞蹈来诠释电压,学生根据不同节奏和感觉的音乐即兴编舞,感受时间(即舞蹈的节奏)、空间(即距地面的高度)、能量(即运动和重量)的变化。学生通过亲身体验和感知,了解到舞蹈中的重量元素代表了电阻,空间元素代表了电压,运动元素代表了功率,同时还进一步了解了电压、电阻和功率之间的关系。 [41]

六、结语

STEM教育是美国培养大批科技创新人才,提高劳动力整体素质的重要途径,是增强美国国家竞争力的“助推器”。所以,自1986年以来,美国颁布了一系列关于STEM教育的政策,为STEM教育的发展提供了制度引领和财政保障。为响应美国政府的号召,社会组织、学术机构、相关企业等社会力量纷纷投身于STEM教育,由此形成了以持续的国家政策为指导,社会各方力量协同参与的联动机制。宏观政策层面明确,完善的国家财政支出方式和人才培养要求等,为美国建立完善的STEM教育系统提供了方向:首先,构建了完善的STEM学校教育系统,通过建立不同类型的学校,培养满足不同需求的专业人才;设计具有整合性、跨学科性特点的课程,采用基于项目、游戏、戏剧的多元综合的学习方式,落实学校STEM课堂教学。其次,构建了完善的STEM教师教育体系,从教师培养、资格认证、教师培训和保障机制等方面进行了有效的探索。美国STEM教育已形成了包含宏观系统、中观系统和微观系统的完善体系。当然,若要促进美国STEM教育进一步发展,还需要关注各个系统内部要素的优化,加大对系统内部各要素的监测与评估。



上一条:全球视野下中国“国际教育”现代性本质及其实现 下一条:国际高等教育质量保障与评估发展趋势及其启示——基于11个国家(地区)高等教育质量