美國STEM教育中“變革方程”項目數據庫的作用及對我們的啟示

劉玲

變革方程（Change the Equation）是美國一個致力于在中小學推廣STEM教育的公益機構。所謂STEM，是指Science（科學）、Technology（技術）、Engineering（工程）、Mathematics（數學）的簡稱，旨在將原本分散的科學、技術、工程、數學四門課程集合成一個新的整體。這一集合，不是課程的簡單組合，而是把學生學習到的零碎知識與機械工程轉變成一個探究世界相互聯系的不同側面的過程，強調學生在“雜亂無章”的學習情境中提升設計能力、合作能力、問題解決能力和實踐創新能力。STEM之所以如此受重視，從奧巴馬的講話中可見一斑：“美國之所以取得今天的成就，完全是依靠其在全球科技創新領域發揮的巨大作用，我們如何教育好下一代，尤其是如何提高科學、技術、工程及數學的教育水平，直接關系到未來企業的領導者、科學家和教師的人才造就問題?！睘轫憫獖W巴馬的號召，美國一百多位企業CEO創建了一個名叫變革方程的公益機構，致力于推廣中小學STEM教育。變革方程是在蓋茨基金會和紐約卡內基公司的支持下由多位商界精英和社會名流創辦起來的，主要創辦人包括前英特爾公司董事長克瑞格·貝特瑞、施樂公司CEO厄休拉·伯恩斯、時代華納有線CEO格倫·布里特、柯達公司CEO安東尼奧·佩雷斯和宇航員薩利·萊德。變革方程是一個非盈利、無黨派的由企業CEO領導的組織，它動員美國的商界，通過利用他們的投資、獨特的資源和影響力來推動STEM教育，并承諾不斷擴大優秀的STEM教育項目在學校和社區中的使用范圍，尤其要通過STEM教育項目增強全體美國人的能力和潛質。

為方便STEM教育的推廣和優秀經驗的共享，變革方程創建了一個優秀的STEM教育項目數據庫。這一數據庫的好處在于，STEM項目開發者可以將他們的項目與已有的項目進行比較，避免項目的重復建設；資助者通過這些項目可以最大化他們的投資效益；教育者可以為學習者找到高質量的STEM教育項目。項目數據庫中的項目會持續不斷地更新，這些項目不僅是國家級的優秀項目，而且變革方程還會不斷地改進項目內容和完善其功能。變革方程的成員還會為項目數據庫中的STEM項目提供資金支持。

1“變革方程”項目數據庫的介紹

1.1項目數據庫的功能

變革方程建立的STEM教育項目數據庫，范圍覆蓋了幼兒園到高中整個學段，教育用戶可以按項目內容領域、項目類型、項目日期、年級階段、設計原則、所針對的學習群體和地域在網上進行查閱，找到適合他們需求的最佳項目。學習者找到的每個項目都有一個簡要概述，包括項目描述、項目類型、目標、營利還是公益項目、年級學段、項目日期、覆蓋區域、項目的優勢和影響力、以及STEM教育項目評估量規，同時還提供了項目的聯系方式以及項目網址，方便學習者交流。根據需求搜索出的項目可能不止一個，教育用戶不僅可以單獨查看搜索到的項目，而且可以從如下幾個方面對多個項目做比較：組織名稱、網址、區域、覆蓋區域、營利還是公益、項目類型、課程、STEM主要內容、年級學段、項目日期以及設計原則。到目前為止，該項目數據庫中已經包含38個優秀的項目，其中有36個項目是非營利性的。

1.2項目的來源

項目數據庫中的項目不是一成不變的，變革方程為對STEM感興趣的項目開發者提供了一個門戶網站（http：∥changetheequation.org/stemworks/），以增加STEM項目數量。變革方程邀請任何有助于改善STEM教育質量的項目參與數據庫項目遴選，以2012年的征集計劃為例：9月15日之前申請的項目如果符合標準，則11月1日會加入數據庫；10月15日之前申請的項目如果符合標準，則12月1日會加人數據庫；12月15日之前申請的項目如果符合標準，2013年1月15日會加人數據庫。被邀請的項目都要求提供一個文檔介紹項目如何滿足變革方程所倡導的十四個基本原則。一直以來，以自愿為原則，變革方程會定期向優秀的STEM教育項目發出公開邀請，并鼓勵任何對項目數據庫感興趣的項目加入數據庫中，經過評估以后的STEM項目如果符合標準將錄入項目數據庫中，同時在資助和推廣上將會予以優先考慮。

1.3項目遴選標準

項目！必須經過嚴格的評估以后才能錄入項目數據庫中，變革方程的成員不僅公布了前述STEM教育項目的基本原則，同時也公布了以這些原則為導向的項目評估量規（如表l所示）。該量規一共包含十四個評估維度，并詳細列出了每個維度的評估指標；為方便評估使用，變革方程還將每個評估指標的達成等級分為三種水平，分別為完全符合、部分符合以及完全不符合。這些量規可以指導項目評估者做出正確的判斷，也能夠幫助項目評估者向項目提交者提出針對性的問題，并且給出分析STEM教育項目的框架。STEM項目學習的目標或重點相差很大，STEM教育項目評估量規的評估維度可能無法評估很多有價值的項目，但是，項目開發者以及評估者必須很重視這些量規，如果項目不能滿足這些量規，則無法進入項目數據庫。

還有一個值得注意的問題是，盡管變革方程公布了STEM教育的基本原則以及針對這些原則對項目進行評估的量規，但是評估這些申請加入項目數據庫的項目的工作卻是由西部教育公司（WestEd）完成的。西部教育公司是一個獨立的接受多方資助的非營利性研究、開發和服務組織。西部教育公司作為第三方機構，充當獨立評論員的角色，利用這些基本原則和評估量規嚴格開展候選項目的評估工作，只有經過嚴格規范的評估以后選定的項目才能加入數據庫中。在第一階段，西部教育公司利用這些原則和量規已經對40多個STEM教育項目進行評估，最終只有20個項目符合要求，同時，對于評估過的項目都會收到詳細的反饋信息，包含項目的優點和缺點。

1.4項目推廣策略

1.4.1推廣方式

在全美范圍內，企業、教育部門以及社區管理者共同開發了培養STEM素養的眾多優秀的創新項目，如“大學先修課程培訓和激勵計劃”、“工程是基礎”、“科學技術的認識及激勵”和“基于網絡的探究式科學環境”等，盡管這些項目能夠為師生創造學習機會并深化STEM知識和技能的習得，尤其關注了女性和少數族裔的學生，但是參與學習的人數并不多。為解決這一問題，變革方程創建了激發學生學習STEM熱情的網站（http：∥www.ignitinglearning.org/），向那些開始接受“激發式學習”理念的學校推廣優秀的STEM教育項目，進而培養受到良好教育的、充滿好奇心的、積極進取的下一代。借助該網站平臺，變革方程不僅很輕松地將這些項目擴大到134個學校，還影響了全國將近40000學生。這只是“激發學習者學習STEM的熱情”網站影響學生學習STEM的一小部分，他們還證明了，如果學生在學習STEM的熱情驅動下產生了改善學習質量的共同愿景時，商業界就會為全美學生提供無數令人心動的就業機會。

1.4.2資金和人力支持

在美國，不僅政府十分重視STEM教育，而且一些企業與基金會也愿意從事有意義的STEM教育推廣活動。這些企業和基金會通過與州政府、當地官員、一線教師以及教育機構的交流，發現了STEM潛在的價值，為此，他們把支持STEM教育視為自己分內的事，在資金、人力和時間上給予重點支持和關注，變革方程成員承諾每年投入超過6億美元的經費來支持STEM教育，并提供大量的STEM學習機會，使全國各地學生都能夠受益。例如，為幫助學習者做好就業或者繼續深造的準備，蓋茨基金會在2010年至2012年間共提供了110萬美元的專項資助，而美國電話電報公司則提供了總計約2。5億美元的STEM教育經費；又如IBM公司為TryScience項目提供了3300志愿者和19300小時的學習指導等。

2我國STEM項目的現狀

2.1上海STEM云中心簡介

由上海市科協聯合社會力量共同打造的全國首家STEM教育平臺——上海STEM云中心（http：∥www.stemcloud.cn/）已經正式上線，課程包括能源怪獸、可穿戴設備、3D打印等，覆蓋生命科學、物質科學、技術與設計、地球與環境科學和社會及行為科學等五大領域。在STEM云平臺上，每個項目都詳細列出了實驗所需的零件和器材，科學愛好者輕點鼠標，就能通過網購的方式獲得實驗配件。除了線上云平臺，上海STEM云中心還提供線下課程培訓和室外素質拓展。線下體驗課程更注重深度探究，配有專業老師進行輔導。

在推廣方面，2014年12月8日，由中國青少年科技輔導員協會、上?？茖W教育中心主辦，上?？茖W種子青少年科技創新服務中心、上海STEM云中心協辦，上海市青少年科學教育協會、上海市青少年科普促進會承辦的"2014年全國青少年科學工作室科技輔導員科學教育（STEM）培訓”在上海松江正式開課。來自全國17個省市及地區科學工作室和上海各區縣學校的60多名科技輔導員參加了培訓。上海已有幾十所在基礎教育中引入STEM教育理念、系統建立STEM課程的學校。

2。2現有項目情況

我們一起來看一下目前在上海STEM云中心的網站上推出的精品課程。

我們選取其中的一個涉及到物理和工程的項目——神奇的力學墨水，來看看我國STEM項目的情況。

在我們做一些工程項目時，需要知道材料承受的力的大小，但傳統的受力分析儀器很貴重，我們能否自己做一個小項目來測出材料的受力情況呢。我們想到，在電學中，我們知道導體的電阻與導體的材料、長度和橫截面積有關，如果把一種導電的材料，如導電墨水涂在一塊木板上，當我們施加一定的力彎曲木板時，導電墨水也隨著彎曲，電阻會發生變化，我們施加不同的力，木板會彎曲不同的角度。如果我們用量角器記錄下木塊彎曲的角度，用萬用表記錄下對應的電阻，再設法求出彎曲的角度與電阻的關系，這樣我們只要用萬用表測出導電墨水對應的電阻，就知道木塊彎曲的角度，就知道木塊的受力情況了。

如圖1所示，沿著受力方向劃一根粗細均勻的線，將萬用表的兩個鱷魚夾分別夾到導電墨水畫出的線的兩端，沿著線的兩端輕輕彎曲木板，觀看電阻變化情況，我們發現電阻變化明顯，但沒有明顯的規律（圖2）。

我們發現，在實驗的時候導電墨水一部分被吸附，一部分停留表面，怎么改進呢？如果膠帶隔絕導電墨水和木板，是不是就可以了？不過膠帶的拉伸延展性不是很好，沒辦法產生規律的形變哦?！敖^緣，薄，延展性好薄膜”百度一下，有了，聚酰亞胺膠帶！太棒了！再來仔細做一次！

為了畫出粗細均勻的線，我們先在木板上貼上一層膠帶，然后再用兩根膠帶作為輔助膠帶分別貼在這根膠帶左右，留出一條畫筆縫隙，用導電墨水涂勻縫隙，畫出一條粗細均勻筆直的導電傳感線，帶導電墨水風干3分鐘后再解開輔助膠帶。下面我們來測試下高級版本的變化情況吧（圖3）。可見高級版導電墨水的電阻值隨著彎曲變化數據十分明顯，且接近線性關系（圖4）！我們可以使用它來測量我們實驗時材料受力情況了呀！

傳統的受力分析儀器很貴，而我們這個小項目卻非常簡單，非常便宜，真是個很神奇的小發明呀！

3對我國教育的啟示

STEM教育需要整合相關學科內容，是后設性的課程，因而其往往是以主題任務的形式來串聯課程內容，加之這種教育內容往往需要以某種硬件載體為依托開展創新實踐，故而國內外開展STEM教育多以項目形式開展，因而，設計和開發基于項目的STEM教育內容是一種可取的方式。以項目的形式于開展，往往需要也容易得到教育主管部門的支持，如以科研項目的形式、以示范基地的形式等等。

STEM教育是科學、技術、數學和工程等多門學科的整合，而我國現有各學科的課程標準屬分科課程標準，無法為STEM這種整合課程的開發與有效實施提供針對性指導。例如，有關教育主管部門或學術組織，應該推出類似STEM教育指導綱要的規范文件。

為方便STEM教育的推廣和優秀經驗的共享，還需要建設項目數據庫，將優秀的STEM教育項目錄入數據庫中。并且，需要建立優秀STEM教育項目的評價標準和遴選機制，評價標準不僅可以幫助使用者區分項目課程的優劣，更有利于指導項目開發者開發出符合要求的課程資源。建設項目數據庫，不僅涉及到資金和人力的支持，需要動員政府部門和企業界的支持，同時更需要考慮規范化的運作。