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1、推进 STEM 教育:展望 2020 年BodgerW. Byhee现在是时候超越口号 ,让提高所有学生的 STEM 素养成为 教育优先考虑的问题。STEM 教育兴起之初,就得到了各阶层的广泛关注。植物科学家们欢欣鼓舞,因为他们认为教育工作者终于意识到一株植物主要部分（茎）的重要性了。 技术人员和工程师也很兴奋,因为他们认为它提到了手表的一部分。酒鉴赏家也热情,因为他们觉得 STEM 教育对酒杯也提供了些许支持。此外,政治保守派对此表示担心,因为他们认为这是一个支持干细胞研究的新的教育重点。实际上,这些关于 STEM 的观念都不是当前使用的理解，STEM 实际上是科学、技术、工程和数学教育的缩

2、写。STEM 起源于 20 世纪 90 年代，由美国国家科学基金会(NSF)提出,一直以来被用作一个涉及 STEM 的一个或多个学科的实践、方针、计划或实践等任何情况下通用的标签。然而,最近一个“对 STEM 的印象”的调查发现,大多数专业人士缺乏对STEM 缩写形式的理解。大多数受访者将其与“STEM 研究”或植物联系起来(keefe,2010)。再次,教育共同体在没有真正花时间澄清这个项目到底意味着什么的情况下接受了一个口号。大多数人使用 STEM 这个术语时,他们想表达的还是原来的意思。所以 STEM 常常被解读为科学或数学，很少提到技术或工程,这是一个必须补救的问题。如果 STEM 教

3、育要超越口号阶段,STEM 共同体的教育者须澄清 STEM 缩写在教育政策、计划和实践上实际意味着什么。下面的讨论的几件事可以显示 STEM 教育对当代教育意味着什么。首先,它将意味着认识到科学教育已在已经结束的“不让一个孩子掉队”时期被削弱。中小学的重新授权法案(ESEA)可以凸显学校项目中科学及其与技术和工程紧密结合的重要性。其次,据观察,STEM 通常是一个科学或数学术语,因此 STEM 更应该强调技术。提到技术,很少有其他的事情能比技术更能影响我们的日常生活但不为我们所熟知的了。现在是时候改变这种情况了。我所指的视角和教育项目要大于信息通信技术(ICT)。当然，信息通信技术是技术项目的

4、一部分。第三,STEM 教育将意味着在基础教育阶段增加对工程的重视程度。工程直接包含问题解决和创新这两个流行的主题(Lichtenberg，Woock， 而我指的是将 STEM 集成的思想作为长期目标(Sanders,2009)。因此,让我们看看的一些挑战。第一个挑战涉及积极地将技术和工程包括在在学校项目中。虽然一个人可以识别技术和工程项目，但是在学校中这些项目的规模通常很低。扩展技术和工程课程，适当地将 T 和 E 包含在科学和数学教育中似乎是应对这一挑战的一种合理的方法。但是要注意,这种方法维持了独立的学科的“筒仓”取向。将技术和工程整合在科学教育中这一想法并不新鲜。“所有美国人的科学”(

5、AAAS,1989),随后的“科学素养基准”(AAAS,1993)和“美国国家科学教育标准”(NRC,1996),都有与技术和工程相关的标准。例如,“所有美国人的科学”提出“工程结合科学研究和实用价值”和“工程本质是在约束下进行设计(AAAS,1989,pp。40-41)。1996 年,美国国家科学教育标准包括各年级科学和技术的标准,幼儿园-4 年级、5-8 年级以及 9-12 年级。其中一个标准直接表明“技术设计能力”是科学探究标准的理解和能力的补充。此外,有两个非常重要的支持技术和工程教育的举措。首先,2010 年 3 月,全国评估董事会(NAGB)批准了国家评估框架技术和工程,定于 20

6、14 年。第二,新的科学共同核心州立标准将技术和工程标准包括在内，支持了这些最初的基于标准的举措。最具有挑战性的问题之一就是引入能源效率、气候变化、风险缓解和发展学生作为公民将面临的解决问题的能力等于 STEM 相关的内容。应对这一挑战需要这样一种教育方法：将生活环境和全球问题置于核心位置，并使用 STEM 理解和解决这一问题。这被称为基于环境的科学教育(Fensham,2009),可以很容易地表示为基于环境的 STEM 教育。图 1 是一个改编自 2006 年 PISA 科学素养测试的内容框架,但是他们可以代表基于环境的 STEM 教育课程主题。这种教育方法强调分析形式、解决问题或课题的能力

7、,而不是各自的学科的专门知识的概念和过程。图 2 展示了以看作 STEM 教育结果的能力。个人(自我、家庭、同辈群体) 社会(社区)全球(生活在世界各地)健康 保持健康，意外事故，营养 控制疾病,社会传播,食物的选择,社区卫生 流行病,传染病的传播能源利用率 能源的个人利用,强调保护和效率 能量守恒,转变到有效利用和非化石燃料 全球性的后果,能量的使用与守恒自然资源 原料的个人消费 维持人口总数、生活质量、安全、生产和 可再生能源和不可再生能源,自然系统,人食物分配,能源供应 口自然增长率,可持续利用环境品质环境友好行为、原材料使用和处置 人口分布、废物处理,环境影响,当地气候生物多样性,生态

8、可持续性,污染、生产和水土流失的控制危害缓解自然和人类活动导致的,住房相关的决策快速变化(地震、极端天气),缓慢而渐进变化(沿海侵蚀,沉降)、风险评估气候变化、现代战争的影响科学、技术、工程和数学前沿对自然现象的科学解释、科学爱好、体育和休闲,音乐和个人技术的兴趣新材料、设备和过程,遗传修饰,认识武器技术、运输灭绝的物种,太空探索、宇宙的起源和结构图 1.STEM 的教育环境注：改编自:科学、阅读和数学素养的评估:2006 年 PISA 框架(OECD, 2006）识别 STEM 问题 识别可以从 STEM 的角度来描述的问题 定义关键词来搜索 STEM 信息 识别 STEM 学科的关键概念从

9、 STEM 的角度解释问题 在特定情况下应用 STEM 知识 以 STEM 的视角描述或解释现象并预测变化 识别合适的描述、解释、解决方案和预测利用 STEM 信息 解释 STEM 信息、得出和交流结论 识别假设、证据和推理过程 反思 STEM 发展的社会影响图 2.STEM 能力注：改编自:科学、阅读和数学素养的评估:2006 年 PISA 框架(OECD, 2006）这个讨论暗示的创新的变化应该与课程补充一起启动， 说明在许多幼儿园-12年级项目重点的变化。这方法是适当可实现的,因为这些变化抓住存在于当前学校项目中的机遇。推进 STEM 教育:行动的课程理论行动典型以如图 1 所示的基于当

10、代问题的典型指导单位为中心。这些教学单元分为小学,中学和高中学校不同水平，分别持续 2、4、6 周。所以,我并不是在说一个 STEM 教育体系的彻底改革。尽管这些单位将表现一种 STEM 相关问题集成方法,但是在引入学校计划时单位仍是以“筒仓”的方式。使用典型指导单元作为介绍 STEM 教育的一种整合的方法是一个挑战,但事实上,这些单位是简短的,可以纳入当前计划的目标实现。这种方法是对课堂教师教学材料要求的一个积极和建设性的回应,体现创新并且容易实现。此外,他们提供了专业发展的机会。图 3 大致描述了提出的教学单位设计说明书。图 3.典型 STEM 单元的设计说明书。这种教学方法或始于一个吸引

11、学生的挑战或问题。这个挑战是与他们的年龄、年级和发展阶段相适应的。当他们探索和理解这个问题时,他们必须“伸出”各自STEM 学科的知识和技能应用到这个问题上来。学生在典型单元发展和解决方案设计中运用的知识和技能将从如共同核心州立标准和 NAEP 技术和工程素养框架等各种文档中获得。图 4 提出了一个描述重点强调语境问题和连接各 STEM 学科的框架。 以 NRC 的几个报告中描述的学习研究为基础;例如，人们如何学习(NRC,2000)，讲科学带入学校(NRC,2007)。 描绘一个整合教学序列，就像在美国的实验室报告(NRC,2006)中描述的那样;也就是说,一种教学模式。 成熟的使用反向设计

12、(see Wiggins and McTighe, 2005)。 强调能力 提供发展 21 世纪的劳动力技能的机会(如,2010 年 NRC) 提供持续的单元:小学 (幼儿园-5 年级) 2 周初中 (6 - 8 年级) 4 周高中 (9-I2 年级) 6 周 基于反馈和有效性的证据的实战试验和修正。 与 STEM 相关的环境问题是主题单位的中心(见图 1)图 4.STEM 典型单元的框架推进 STEM:行动十年本节更详细的描述了我们应该如何启动和带来最后一章所描述的变化，来测量美国教育系统中的问题。实现更高水平的 STEM 素养不能在短时间内完成,它至少需要十年时间。图 5 描述了在美国进行

13、推进 STEM 教育的十年教育改革的阶段和目标的规范。阶段 时间 目标启动 STEM 教育改革 两年 设计、开发和实现典型教 学单位衡量 STEM 改革 六年 在地方、州和国家层面改 变政策、程序和做法维持 STEM 教育改革 两年 在地方层面，培养学校科 技项目持续改进的能力评估 STEM 教育改革 在 10 年内进行连续的专 业评估 提供改革前和改革后的形 成性和终结性评价数据内容涉及到 STEM 生活和工作情况(如：环境、资源、健康、危害、尖端科学)工程 ITEA 标准 NAEP 2012 年科技素养框架 共同核心科学标准数学 共同核心科学标准 NAE 报告科学 技术国家标准 NAEP

14、2009 框架共同核心科学标准共同核心州立标准NCTM 标准 图 5.十年行动的阶段和目标改革初始阶段的主要工作出现在在改革的头两年。这一阶段将是“引入小的改进带来大的影响 ”。这一阶段的中心任务是筹备资金和开发 STEM 典型单元。这些典型的 STEM 单元使用主要环境作为“话题”(如：能源效率、风险缓解和健康)并且强调能力是学习的结果。这一阶段包括实地试验、最终的单位产品和补充评估。参与地区选择学校,是与专业发展一起实现的。在小学,初中,和高中提供 STEM 典型单元、专业发展以及模范评估会对系统产生影响,增进学校人员对 STEM 的了解和接受程度,增加政策制定者和管理员的支持以及促进公众

15、对 STEM 的理解。这些单元将为回答公众关于将发生什么变化以及为什么这是重要的（特别是对学生是重要的）等问题提供基础。 第二个阶段是“系统性变化”阶段,形成改革规模需要 6 年时间。在最初的阶段,努力让改革的规模显著扩大。对教师反应和学生成绩、能力和特征的评价将得到回顾和分析。这些数据为教学单元原始模型的回顾、新教学单元的开发和引人注目的持续扩张的案例说明提供了基础。这一阶段主要包括努力审查和修改国家政策和标准，并为当地和国家采用的教学材料创造新的标准。出版商将开始开发核心的新版本和补充计划。通过这整个时期,STEM 教师专业发展仍在继续。地区开始选择和实施逐渐出现的强调 STEM 素养的课

16、程。与新项目保持一致的职业发展正在进行。这一阶段的中心目标修改地方、州和国家政策，开发新学校项目，并使教学实践与STEM 素养目标相一致。这一阶段结束时,国家新的标准和评估方法、新的教师认证制度、新的核心的教学材料，补充项目将是可用的,教师专业发展与新的优先顺序也将是一致的。这个阶段可能会出现非常大的困难，因为决策者和教育工作者将直接面对在政策、计划和实践方面面临改革和提出新举措将面临的困难。维持“国家目标的当地能力建设”工作集中在这十年中的最后两年。工作侧重于建设地区水平的，STEM 教育提高的当地能力。这些努力逐步淘汰使用外部基金改革的做法，引入学校所在地区资源的利用，以应对科学和技术的新进步和学校项目的隐含变化。评估包括工作、内容和课程的变化、教师和教学,评估和问责制的持续的反馈信息。显然,反馈发生在“监控和调整”的所有阶段的。反馈为判断提供了教学单元和实施的相关问题以及教师专业发展等方面的信息。学区、州、国家、和甚至国际水平上，评估和反馈都是可管理和可用的。学区和州独立进行评估。国家教育进展评估机构(NAEP)评估的结果,国际评估 TIMSS 和 PISA 还提供改革发展的反馈。结论 在 20 世纪 50 年代末,美国用一次课程改革回应了国内和国际变化。改革持续了十年甚至更长的时间。当前面临的无数挑战，国家提出了推进 STEM 教育的 2020年愿景作为回应。