從美國STEM教育的發展看中國STEM教育

對話嘉賓：

丁林：博士，美國俄亥俄州立大學（Ohio State University）教育和人類生態學院教與學系終身教授，博士生導師。長期致力于學科科學教育研究（Discipline-based Science Education Research），主要研究領域包括概念學習、問題解決、科學推理和認識論發展的理論和實證研究，特別關注教育研究的測量理論和定量研究范式。他發表了大量極具影響力的文章、會議論文，其中很多都發表在國際頂級科學教育學術期刊上，如Physical Review： Physics Education Research、Research in Science Education、International Journal of Science and Mathematics Education、Journal of Research in Science Teaching等。此外，他還主持了多項美國聯邦政府或州政府資助的科研項目，包括美國國家基金會（National Science Foundation--NSF）資助的項目“類比推理在大學物理導入課程中提高學生綜合問題解決能力的調查與研究”“工程教育中產業價值職業和技術學習成果測量的發展和檢驗”“21世紀課堂：俄亥俄州STEM教師培訓”及俄亥俄教育部資助的項目“生物教學建模：成為科學和工程學中的領袖”。任物理教育研究會議論文集（Physics Education Research Conference Proceedings）的主編，物理教育研究（PER-Central）資源中心的副主編，并且經常受到國際期刊、基金資助機構、專業協會的邀請作為評審專家。

對話嘉賓：

杜玉霞：教育技術學博士，廣州大學教育信息技術系副教授，系副主任，美國俄亥俄州立大學訪問學者。兼任廣州市中小學教師信息技術應用能力提升工程專家，廣東省綜合評標專家，廣州市海珠區教育信息化應用指導專家，Universal Journal of Educational Research雜志、《開放教育研究》雜志審稿專家等職。目前主要從事教師教育信息化、信息化教學資源開發與應用、STEM教育等領域的研究。

當前負責主持教育部人文社科課題“信息化教學資源的老化機理與生命周期模型研究”、廣東省特色創新項目“大數據時代基于視頻資源的中小學教師專業發展模式研究”等省部級課題五項，所著《中小學信息化教學資源的優化與應用策略》等著作由中國社會科學等出版社出版，近年在《電化教育研究》《中國電化教育》等學術期刊發表論文20余篇。

● STEM教育如何開展

杜玉霞：STEM教育旨在打破學科領域邊界，促使學生能夠綜合運用多種學科知識，提高探究能力和解決實際問題的能力，它是美國為提升國家競爭力和勞動力創新能力而提出的一項國家教育戰略。自從STEM教育理念被提出以來，越來越多的學者和相關人員開始了STEM教育的理論研究與實踐探索，現在，STEM教育的重要意義不僅在美國社會各領域已經被廣泛認同，許多國家也日益關注和重視STEM教育對培養復合型創新人才的重要性，將其看作提升國家科技競爭力和創新人才培養的著力點。前不久，澳大利亞政府提出了讓所有年輕人具備必要的STEM技能和知識的《STEM學校教育國家戰略2016—2026》，顯示了澳大利亞從國家層面開展STEM教育的決心和舉措。

近年來，中國的STEM教育也在蓬勃發展。但是，如何使STEM教育從理念和思想層面，轉化為卓有成效的行動實踐，是當前STEM教育發展中面臨的難題。今年4月初，在出席廣州市某區關于教育創新的中小學校長論壇時，許多中小學領導和教師提出了疑問：STEM作為新生課程，不像其他課程有統一的課程大綱和明確的教學目標，STEM究竟應如何設計和實施，我們不知從何著手，希望教育部門和相關研究部門能夠為我們開發和提供這樣的課程或者給予相關指導。這令我想起了去年在美國俄亥俄州立大學參加“為成功而互聯”的全國性教育大會的情景，當時，三千多名來自高校、中小學、政府部門、教育公司及相關企業的各界人士濟濟一堂討論新技術環境下的教育改革，其中許多主題也是圍繞如何有效開展STEM教育展開的。

可見，怎么開展STEM教育是中國和美國實踐者共同關注的主題，但由于兩國開展STEM教育的背景和發展階段不同，所遇到的問題也不同，美國STEM教育已經形成了不少經驗和成果。而中國開展STEM教育的時間短，與美國的發展差距較大，一方面包括教育界人士在內的社會各界對STEM教育重要性的認識還不夠充分，另一方面，STEM教育理論與實踐研究的成果還非常少，尚未形成系統的理論可以指導實踐，也缺少可以廣泛推廣的實踐成果。因此，我們很想具體了解一下作為STEM教育的發起方，美國的STEM教育是如何逐步發展起來并取得諸多成果的。

丁林：探討美國STEM教育發展的成果與經驗，我們首先要回顧一下美國STEM教育發展的歷程。美國早在19世紀就開始了STEM教育的嘗試，1862年的Morrill法案首先在大學建立并支持了科學與工程的教育項目。1986年，美國國家科學委員會發表了《本科的科學、數學和工程教育》報告，這被認為是美國STEM教育集成戰略的里程碑，指導了國家科學基金會此后數十年對美國高等教育改革在政策和財力上的支持。該報告首次明確提出“科學、數學、工程和技術”教育的綱領性建議，從而被視為STEM教育的開端。

STEM教育為科學、技術、工程、數學四個領域教與學的理論與實踐科目。它的適用層次包含全部學段，從學前到成人教育。20世紀90年代，國家科學委員會（NSF）將這四類科目統稱為SMET，但是由于其發音的問題故更名為STEM。1996年，美國國家科學基金會發表了題為《塑造未來：透視科學、數學、工程和技術的本科教育》報告，并提出今后的“行動指南”。報告針對新的形勢和問題，對學校、地方政府、工商業界和基金會提出了明確的政策建議，包括大力“培養K-12教育系統中STEM教育的師資”的問題。

新世紀以來美國政府意識到國家的科學技術發展出現了瓶頸，科技人才嚴重缺失和不足，當時美國政府特別是美國教育部對科技人才培養模式和制度進行了反思，所以才形成了如今受到重視和追捧的跨學科、跨領域的STEM教育。美國STEM教育是由美國聯邦政府自上而下推動的一項國家長期教育戰略規劃，通過出臺各項政策，其中包括STEM教育目標與評估政策、師資培養政策、經費政策以及教育公平政策等，來推進STEM教育的發展。STEM教育彰顯了美國教育的實用主義理念，并且帶有較為明顯的“國家意志”色彩。

2003年，美國高等教育開始出現科學類授予學位相比其他學位數量減少的趨勢，社會開始出現增加科技素養職業者的呼聲，為STEM教育理念及實踐在美國社會的廣泛傳播提供了契機（Pema，2009）。2004年至2006年，大量的研究報告指出美國如果要在全球市場提高競爭力，必須加強STEM方面的教育投入。2006年發布的《美國競爭力計劃》（American Competitiveness Initiative，ACI），提出知識經濟時代的教育目標之一是培養具有STEM素養的人才，并稱其為全球競爭力的關鍵。由此，美國在STEM教育方面不斷加大投入，鼓勵學生主修科學、技術、工程和數學，培養其科技理工素養。

2007年10月，美國國家科學委員會發表《國家行動計劃：應對美國科學、技術、工程和數學教育系統的緊急需要》報告，提出的行動計劃主要包括兩個方面的措施：一是要求增強國家層面對K-12階段和本科階段的STEM教育的主導作用，在橫向和縱向上進行協調；二是要提高教師的水平和增加相應的研究投入。該報告顯示了STEM教育從本科階段延伸到中小學階段，希望從中小學就開始實施STEM教育。

也正是在2007年，美國參眾兩院在8月通過了《美國創造機會以有意義地促進技術、教育和科學之卓越法》（又稱作《美國競爭法》）。《美國競爭法》一共包括8個部分，其中許多部分有多項條款與教育有關，教育條款主要涉及教師教育、STEM教育等方面。

《美國競爭法》對STEM教育的重視，極大程度上反映了美國社會的一種共同關注趨勢。例如，2007年美國州長協會冬季會議就高度強調STEM教育在各州乃至全美國創建“創新環境”中的重要意義。美國學術競爭力委員會在2007年5月公布的委員會報告中，分析研究了2006年度總額達31億美元的105項聯邦STEM教育項目。

杜玉霞：看來，與中國主要在中小學開展STEM教育不同，美國的STEM教育開端于高等教育，逐步延伸到中小學教育，從這個角度看，2007年可稱為美國STEM教育發展的一個轉折點：從關注高等教育階段開始向基礎教育階段延伸，美國STEM教育開始向全學段開展。另外，STEM教育不僅繼續強調政府的政策推動與資金投入，而且在當年10月美國國家科學委員會發表的報告和8月美國參眾兩院通過《美國競爭法》里，都強調了STEM教育師資培養的重要性并提出了一些具體舉措。美國相關部門已經認識到，提升師資水平是有效開展STEM教育的重要基礎和保障。

丁林：是的，美國日益重視大學教育前的STEM教育。2009年1月，美國國家科學委員會（National Science Board）代表NSF發布了致總統奧巴馬的公開信，明確指出：國家的經濟繁榮和安全要求美國保持科學和技術的世界領先和指導地位，大學前的STEM教育是建立領導地位的基礎，而且應當是國家最重要的任務之一。委員會敦促新政府抓住這個特殊的歷史時刻，并動員全國力量支持所有的美國學生發展高水平的STEM知識和技能。

近年來，STEM教育在美國得到快速發展，2010年，美國出臺了《培養與激勵：為美國的未來實施K-12年級STEM教育》，指出要改進STEM教育，必須重視培養與激勵，要在未來10年招收和培養10萬名優秀的STEM教師，創建1000所專注于STEM的新學校。

2011年，奧巴馬總統推出了旨在確保經濟增長與繁榮的新版的《美國創新戰略》。新版的《美國創新戰略》指出，美國未來的經濟增長和國際競爭力取決于其創新能力。“創新教育運動”指引著公共和私營部門聯合，以加強科學、技術、工程和數學（STEM）教育。同年，美國國家科學院研究委員會發布了《成功的K-12階段STEM教育：確認科學、技術、工程和數學的有效途徑》的報告，提出了在中小學實施STEM教育的主要目標。

美國州長協會在2011年12月又針對STEM教育行動發布了《制定科學、技術、工程和數學教育議程：州級行動之更新》報告，分析了該協會2007年提出的行動議程中的薄弱之處，重新提出“實施州級STEM議程”的各項具體措施。2014年STEM整合教育委員會發布了《K-12年級STEM整合教育：現狀、前景和研究議程》，提出了10項建議，其中2項針對K-12年級STEM整合教育的多個利益相關者，4項針對參與設計STEM整合教育方案的人員，1項針對負責開發測試評估的人員，3項針對研究者。2015年STEM教育法頒布，將計算機科學納入STEM教育。

杜玉霞：美國對K-12階段的STEM教育的重視不僅體現在宣傳引導上，更是落實到了具體的政策和舉措上，《成功的K-12階段STEM教育：確認科學、技術、工程和數學的有效途徑》報告對中小學實施STEM教育的主要目標的確定，為中小學教師如何開展STEM教育提供了明確目標和具體指導。STEM整合教育委員會發布的K-12年級STEM教育的10項建議，對于STEM教育的研究與實踐，都給予了很有前瞻性的具體指導，它強調STEM是整合教育，重視通過對整合教育方案的有效設計，來保障STEM教育的效果。美國在STEM教育發展中既重視宏觀戰略的制定，又重視對具體發展過程的指導和建議，認為要提出對實踐發展的具體指導，必須有扎實的研究作為基礎和依據，需要一定期限的研究投入和積累來支撐。

丁林：縱觀美國STEM教育幾十年的發展，一個鮮明的特點是，政府各部門都參與進來，共同推進著STEM教育的探索和實踐。發展初期各機構都將關注點集中在本科階段的STEM教育，關注本科層次STEM教師的培養，緊隨其后的報告體現了美國逐漸加大了對STEM教育的研究力度，開始針對STEM教育中的學生因素進行研究，并逐漸集中到K-12階段的STEM教育上。參與和支持STEM教育的機構涉及國會、聯邦政府（內設總統科技顧問委員會向總統提出科技發展建議）、國家科學基金會（NSF）（不僅扶持研發項目，更著重培養創新人力資源和提高國民科技素質），這樣就逐漸形成了集中的指導思想和具體的改革方向，積極有效地推進了STEM教育的發展，STEM教育正在美國不同學段的學校以不同的課程或活動展開。總之，美國STEM教育是一項由政府、國會、社會團體、公眾共同參與和共同努力的系統工程。如今，美國需要與全球競爭，因此對STEM教育的需求更加迫切。

● STEM教育與創客教育的關系

杜玉霞：美國的STEM教育經歷了一個較長的發展過程，中國是近幾年才開展STEM研究與實踐活動的，自2012年11月以“STEM教育中的教學創新與跨學科研究”為主題的第二屆科學、技術、工程和數學國際教育大會（簡稱STEM 2012）在北京召開以來，以及在中國政府提出培養創新人才號召的背景下，STEM開始成為學界和社會相關人士日益關注的熱點話題。

無論STEM教育發展的歷程有多長，中美兩國開展STEM教育的目的是相同的，都是培養具備良好的多學科知識綜合應用能力的創新人才。中國的STEM教育雖然起步晚，但發展速度比較快，在STEM教育實踐中，人們往往將STEM/STEAM教育與創客教育聯系在一起，如廣州南武實驗中學投資六十多萬元建設了“學創空間”，作為開展STEM教育與創客教育的基地。此外，北京、溫州等地的一些中小學也建立了支持STEM教育與創客教育的實驗室。可見，在中國開始探索STEM教育的許多中小學，他們將STEM教育與創客教育融為一體，難以區分到底哪些屬于STEM教育，哪些是創客教育。不知在美國STEM教育與創客教育是怎樣的關系？

丁林：創客通過提供活動和資源，使其活動在任何人們能夠想象到的項目中提供學習的機會，同時，創客也通過學習社群，跨越了人際與網絡，吸引著全年齡段和各種知識層面的人參與進來。因此，越來越多的研究者開始關注如何將STEM教育與創客活動聯系起來，以及用創客活動來推動基于STEM的非正式學習。創客嘉年華的廣泛傳播，使研究者關注創客運動的發展潛力對STEM教學方法與內容的豐富。當然，將創客與K-12教育相聯系是一個非常好的切入點。

創客的概念來源于由Dale Dougherty、Sherry Huss和Dan Woods三人于2005年創辦的《創客》雜志中的創客二字（Frauenfelder，2011），繼而在2006年，由《創客》雜志舉辦的創客嘉年華廣泛傳播，使得創客的概念風靡全球。正如Lindtner（2015）所言，創客嘉年華通過為個人和企業提供項目展示的機會，不斷擴大著它的規模，從舊金山到亞洲、歐洲和南美。如今，創客不再是一本雜志或一個事件，而是一個為各類創意人群實施創客項目的社群。在創造的過程中，創客也可以為參與者提供分享概念、設計、項目的機會。

創客課程為STEM教育提供了組織教學活動的框架。STEM教育往往要通過整合多種科目內容開展教與學活動，而創客由于其自由的組織原則，使得它能夠為參與者提供多種類型的課程，包括烹飪、縫紉、編制、木工、機器人、焊接、印刷、繪畫、建筑等，這些活動能夠為STEM教育提供具體活動的指引。

創客空間為STEM教育提供了組織學習活動的框架。在當前的研究中，很難找到設計和安排STEM學習活動的有效方法，如果能為教學提供更為先進的場地和設備，那么STEM的學習過程將更加有效。創客空間為組織課后學習活動，提供了良好的解決方案，創客空間的非正式學習環境使得參與者能夠在沒有任何壓力的情況下充分發揮才智。這種社群不僅提供了分享樂趣的機會，并且通過各種設施支持學習活動。

所以，創客空間的最大好處是對工具的使用，它們能夠提供價值十萬美元的設備來滿足個人和群體的基本創作需求，同時創客空間實施對公眾開放的會員制模式，每月50～100美元的會員費，使得學生可以以低廉的成本參與到創客項目中去，這些要素都為STEM學習活動的組織提供了解決的方法。

杜玉霞：看來，美國的STEM教育與創客教育的關系也非常密切，創客教育為STEM教育提供了實施的框架，提供了組織學習活動的方法和手段。成功的實踐案例對新型教育活動的開展具有重要的借鑒意義，了解美國這些年來在STEM教育和創客教育實踐中的一些成功做法和案例，可以幫助我們少走彎路。

丁林：是的，創客的浪潮將極大地推動STEM教育的發展。一大批美國高等學府組成了高等教育創客聯盟，提供立足于大學校園的創客活動，創客運動正成為一股浪潮，改變著美國的公司、學術界、高等教育界、美國政府甚至世界，而這股浪潮也推動著STEM教育，與之共同發展。

實踐方面，基于創客的項目為學生提供了一種STEM學習的機會。例如，C2Learn（2013—2015）就是一個旨在培養學生協作創造力的歐洲研究項目（Koulouris， 2015），該項目利用數字游戲活動為學生提供基于理論基礎的學習過程，學生在數字游戲活動中可以掌握創客學習的方法，顯然，這種活動包含了很多技術、工程和數學方面的知識。

在現實社群的創客教育方面，Columbus Idea Foundry就是一個很好的例子，他們為愛好者提供了諸多創客課程，而這些課程直接為參與者提供了非正式學習的機會（Jay，2014）。在虛擬空間的創客教育方面，Niemeyer（2015）基于創客文化設計了一個基于沙箱游戲Minecraft的教學項目，Minecraft中文譯名“我的世界”，是基于沙箱理念的一種創造性游戲，該游戲允許學習者在三維虛擬世界中建造任何可以想象到的東西，而該教學項目基于創客文化的理念，讓學生在創客空間中進行協作創造，以提高其協作能力和問題解決能力，在教學過程中教師為學生設置了網絡直播的功能，把學生創造的過程通過Youtube平臺直播出去，以促進課內學生和課外觀眾的集體討論，從而對評論進行質性材料的分析、發現。在創客文化的影響下，利用學習游戲進行網絡視頻互動，能夠為學生創造一種基于新技術的虛擬混合式學習體驗，學生在協作中充分發揮了創造力和協作能力，“創造”的過程促進了學生的協作學習。其研究設計的思路同樣能夠為STEM教學實踐提供助力（如圖1）。

杜玉霞：國內目前對于創客教育與STEM教育的研究主要集中于如何將兩者有效結合，服務于培養具有多學科綜合能力的創新人才，但這些研究才開始不久，還需要大量的實證研究來驗證和支持一些理論研究觀點。

丁林：其實很難通過研究驗證具體的環境、技術、應用、設備或實踐活動對學生STEM學習過程中的具體作用。Giannakos（2015）指出創客活動可以提高參與者的研究意識、知識儲備、協作能力，他的結論恰恰為STEM教育和創客活動建立了聯系。

具體來說，創客空間提供了3D打印機、車床、電腦等工具，參與者可以利用工具協同工作，在他們的設計項目中學習。這解決了教師在STEM教育過程中僅關注內容的問題，如果教師能夠基于創客空間工具進行STEM教學活動，那么教師的教學過程將對學生的動手能力產生極大影響。已有研究結果認為，創客教育是一個通過混合項目、網絡、實操技能提高高階思維能力的良好的解決方案。

● STEM教育的評價

杜玉霞：設計與實施STEM教育的形式無論是課程還是項目，我們都希望能夠對這些活動的效果進行評估和衡量，國內目前關注的重點是如何開展STEM教育，對于如何通過評價引導STEM教育的順利發展關注得還很不夠，但這對于保障STEM教育的質量卻具有重要意義和價值。

丁林：實質上，目前并沒有對STEM整體學業結果的測試評價，在眾多討論美國STEM教育學業結果的報告中，數據都是采用對科學和數學成績的評價，如PISA、TIMSS、NEAP等。

美國國家教育進展評估委員會（The National Assessment of Educational Progress，NAEP）是美國唯一一個在國家層面上進行STEM教育結果評估的對中小學學生數學、科學能力水平進行持續測量的機構。NAEP在2005年的一項調查中發現，美國學生數學、科學能力水平有所增強，但是普遍未達到基本要求，僅三分之一的4～8年級學生在數學水平上達到基準，有20%的4年級生和30%的8年級生的得分低于基本水平。TIMSS在2011年測試了4年級學生的數學表現，美國學生平均成績為541分，高于TIMSS設置的量化分數，躋身于15名，低于8個國家和地區，與6個國家（地區）相差無幾。很明顯，目前還難以對STEM教育的結果開展全面有效的測評。

杜玉霞：STEM教育不僅要關注新技術和各學科知識的高度整合和創新應用，更要關注通過這些教育活動，是否能夠培養學生綜合應用多個學科的知識在實踐中發現問題、分析問題和解決問題的實際能力。當面向結果的評價難以開展時，就需要借助于面向過程的測評來保障和衡量STEM教育的質量。

丁林：正是由于實施面向結果的測評難度較大，人們開始將目光投向了數字化工具，以期能利用這些工具，對STEM教學過程的有效性進行測量，這是STEM教育評價發展的一個重要趨勢，但目前還缺乏具有推廣價值的典型成果。

● STEM教育面臨的挑戰

杜玉霞：STEM教育的內容與科學、技術、工程、藝術等眾多學科的新發展和新研究密切相關，STEM教育的實踐受到各種新媒體、新技術的影響，也與創客教育等新型教育形式或項目互相作用，未來的STEM教育將會有更好的發展前景，也必將面臨更多的挑戰。我們可以看到，這兩年有人提出STEM+，有人提出STEAM教育，這表明STEM教育的名稱和內涵都在不斷演變和發展，越來越多的學科正在融入STEM教育，這使STEM教育受到更多人士的關注和參與，但在實踐中卻也面臨更多的現實問題和發展挑戰。

丁林：美國《面向一下代的科學標準》（2015）提出：K-12科學教育將在內容和實踐兩方面得到豐富，并且跨越學科和學段為所有學生提供達到國際基準的科學教育。因此，提高對與學生科目成績密切相關的科目的學習興趣，對STEM教育至關重要。Hogan（2016）提出了被稱為BPE的STEM學習過程，在BPE學習中，學生的學習興趣成為STEM教育的關鍵因素。Welch（2015）通過研究發現，大部分學生對STEM具有濃厚興趣，并且興趣表現為與學業成就高度相關。

由Tony Wager提出的21世紀技能已嵌入到學生STEM教育的目標中。由于21世紀技能不僅對個人至關重要，更是一種融入不同文化的能力。不管學生選擇的職業如何，在STEM教育中應讓其認識到生活所需要的技能。在科學、技術、工程、數學的學科教學中能夠教導學生如何批判性地思考、如何解決問題，在生活中如何使用技能，并且如何把握機會。因此，STEM教育正成為培養21世紀技能的關鍵。

綜觀美國STEM教育，當前發展面臨四方面的挑戰：

第一，學生和教師在STEM教育方面的表現令人擔憂。這具體體現為，一方面學習STEM相關科目的學生人數不夠多，另一方面教師缺乏STEM教育的相關培訓。Welch（2015）對愛荷華州學生態度的調查顯示，雖然學生依然能夠保持對STEM的興趣，但是其興趣水平已有所下降。

第二，STEM實踐缺乏專業化指導。在STEM教育中，學生雖然學到了解決問題的方法，但是他們沒有學會如何去發現問題，并且學生對真正關心的一些問題缺乏足夠深入的探索。正如Capraro（2016）所指出的，教師還沒有讓學生發現問題，就已經開始教答案了，這讓學生感到莫名其妙。現存的STEM教育在具體實施中缺乏教學法和實踐方法。所有這些問題都導致了STEM教育在開展中缺乏實踐方面的指導和專業性指導。

第三，學生發展差異較大。在學業成就的評價方面，雖然美國學生在數學和科學方面有所提高，但是普遍未能達到基本水平。不同類型的學生在學業成就上也存在差異，學校在對學生的分類上，更傾向將學生分為學術型和非學術型，這影響了一部分學生學習的積極性，進而導致差異更加明顯。Welch（2015）在STEM教育現狀的報告中也指出，雖然女生對STEM感興趣，但是其成績依然落后于男生，并且在初中、高中階段有所下降。對以上存在的差異，必須尋求解決這些問題的方法才能促進STEM教育的發展。

第四，對“技術”與“工程”的忽視。美國總統奧巴馬指出：“發展STEM教育對學生在21世紀的經濟競爭過程非常重要，我們需要培養具有數學和科技素養的老師為學生提供教育。”然而教學實踐中，STEM似乎僅僅是關于數學和科學的，即使技術、工程在現代生活中發揮著如此大的作用，教師對技術與工程的教學也顯得關心不足。

● STEM教育的發展趨勢

杜玉霞：STEM教育是一個培養具有跨學科思維能力和創新能力人才的綜合性教育活動，不僅需要相關人員和部門的積極參與和支持，也需要包括政府等不同領域的相關部門、人員、物力和財力的密切協作、投入和配合才能為STEM教育的發展提供一個良好的基礎和環境。同時，由于STEM教育既需要關注前沿動態，也要腳踏實地，從實際出發，因此，把握STEM教育發展的未來趨勢對科學制訂STEM教育政策，合理規劃STEM教育課程和項目等具有重要的指導意義。

丁林：在現代社會對從業者的高壓力下，學生不僅要掌握知識，更應該懂得如何運用知識。在STEM教育中，這種應用能力要求學生對STEM各個學科都有足夠的認識，即將STEM進行整合的學習，因此將技術、工程與科學、數學進行整合必將成為STEM教育的主要趨勢，這個過程不僅能夠提高學生的應用能力，還可以提高學生的創新性思維能力和高階思維能力。具體來說，教學實踐中要把握好以下兩種趨勢：

第一，是將STEM與教學理論相整合。基于項目的學習（Project-based Learning， PBL）在STEM實踐中發揮著重要作用。PBL通過為學生提供特定結構整合學術、技術等技能的學習過程，保持著學生的學習興趣，Hogan（2016）的Big Picture Education（BPE）教育項目就是PBL的主要代表，該項目首先在美國實施，進而推廣到新西蘭、加拿大、印度、新加坡、韓國等國家和地區。BPE項目通過BPE STEAM學校進行教學，該學校是一種課后非正式學習組織，針對學生的興趣和需要，可以有針對性地為每一位學生設置STEM課程，并且進行一對一教學，學生在學習過程中必須參與到實踐中，才能應用學到的知識，學生發展與能力的評價則是基于學生的實踐成果質量以及實踐過程對其自身的影響。基于PBL的STEM學習特別適用于以提高學生個人能力為目標的教育過程，個人學習理論與STEM實踐的整合，將有利于學生個人能力的提高。

另一類PBL，即基于問題的學習（Problem-based Learning， PBL），也在STEM教育中得到廣泛應用。NE STEM 4U（The Nebraska Science、Technology、Engineering and Mathematics 4U）是一個以學生為主體、教師主導的基于問題學習過程的STEM實踐（Cutucache， 2016），該STEM教育過程主要發生于K-8學段的學生在課后的非正式學習，教師是由大學生志愿者組成的，他們首先要報名、面試和考核，通過后則會承擔教學工作，學生在名為Beyond School Bells的社區中進行與STEM科目相關的基于問題的學習，學習時長為6周，NE STEM 4U的教員會參與到學生與志愿者教師的互動當中，教員、志愿者教師和學生共同擔當著教學者、觀察者和評價者的角色，志愿者教師和學生在實施教學、問題解決和思辨過程中分別豐富了各自的實踐經驗（如圖2）。

協作學習也是一種促進學生在組織中與同伴協作學習的有效方法。PLTL（Peer-Led Team Learning）就是以STEM學科為基礎的旨在提高學生學業成就的項目，該項目通過混合式的研究方法驗證了STEM教學對學生的影響，測試學生在知識獲得、技能習得方面的水平，通過6～8人一組的協作學習過程，學生能夠協作討論、解決問題，這個過程對STEM教育中的學習、協作和興趣培養是十分重要的。

第二，是通過STEM實踐整合基礎教育和高等教育。未來必須解決STEM教學實踐中中小學與高等學府缺乏合作的問題，促進中小學校與高等教育機構的廣泛合作，這將成為豐富STEM教育理論和實踐的有效途徑。Hodges（2016）及其團隊開展的iSTEM（integrated STEM education）項目，成功地為STEM相關企業、高校和中小學相互溝通搭建了橋梁；中小學開設的iSTEM教育日，可以通過實驗活動、課堂教學和互動交流來開展，Hodges在研究中指出了Elodea-A 5E Lab on Osmosis、Clark the Calf Case Study和Meet the Scientists三個教學案例涵蓋了以上三種教學活動。iSTEM教育日對各參與方都具有重要意義，學生可以借助STEM企業提供的學習設備、器材和軟件進行學習，同時能夠得到高校教師、學生的指導，該項目旨在滿足各方要求：學生方面旨在提高其對STEM學科的認識、理解；教師方面旨在優化其教學策略與內容設計；企業方面旨在提高產品質量并促進教學整合；高校方面旨在增進與基礎教育的聯系，并為教師、學生提供教學機會。