STEM框架下中美項目式學習活動比較

劉麗+李興保

摘要：以提高受教育者諸方面能力的素質教育成為教育改革發展的主題，在STEM教育改革的浪潮下，我國以素質教育為背景基于項目的學習，其發展是否符合國際先進教育理念，活動內容是否符合培養創新人才的需求，值得深入思考和分析。因此，文章以美國“橋梁”項目式學習活動和中國學校青少年實踐活動為研究對象，在S（科學）、T（技術）、E（工程）、M（數學）四個維度上基于STEM結構框架對兩國PBL內容進行編碼比較分析，數據結果顯示：美國PBL知識數量多于中國，覆蓋面窄，難度大，活動注重數學思維；中國PBL知識數量少，具體學科涉及廣，內容豐富，不深入，活動側重技術方面。基于以上結論，從提高認識、培訓教師、廣泛實踐三個方面展開討論，希望對中國STEM教育的進一步發展提供借鑒。

關鍵詞：STEM；STEM教育 ；基于項目的學習；編碼；發展趨勢

一、STEM教育

1、問題提出。以提高受教育者諸方面素質尤其是能力培養和個性發展為目標的素質教育成為教育改革發展的主題，2010年，國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）明確指出培養創新人才的重要性和緊迫性。[1]STEM教育是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineer）和數學（Mathematics）教育的簡稱，旨在打破學科界限，培養學生的科技理工素養[2]， 1980年，為提升國家競爭力和創新力美國將STEM理念應用到教育，2007年，《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》由美國國家科學委員會（NSF）發表，該報告提出STEM教育從本科延伸，希望從中小學開始實施。

2、問題解決驅動的、行動導向的方式是STEM教育常采用的教學方法，其中常用的是基于項目的學習（Project—based Learning，PBL）和基于問題的學習（Problem—based Learning，PBL）[3]。面對STEM教育改革的新一輪浪潮，素質教育大背景下我國基于項目的學習，其發展是否符合國際先進教育理念，活動內容是否符合培養創新人才的需求，值得深入研究。因此，選擇STEM框架下對中美兩國基于項目的學習活動比較研究，為進一步深化我國教育改革，促進STEM教育在我國的發展，具有重要現實意義。

二、研究現狀

1、中美STEM教育的發展。早在19世紀美國就開始嘗試STEM教育，1986年，作為美國STEM教育集成戰略的里程碑報告《本科的科學、數學和工程教育》，首次明確提出“科學、數學、工程和技術”被視為STEM教育的起點。20世紀90年代，國家科學委員會把這四類學科統稱為STEM[4]。新世紀以來，美國政府逐步意識到科學技術發展的重要性，自上而下推出國家長期教育戰略規劃，以此推動STEM教育的發展。為顯示對STEM教育的高度關注，2007年相繼出臺兩項法案來保障STEM教育的實施，同年美國州長協會在冬季會議上也強調在“創新環境”中STEM教育的重要性。近年來，美國的STEM教育發展迅速，不僅有頂層設計法律政策的保障，在STEM教育相關理論、研究方法、學校課程設置以及評價多元化等方面都蓬勃發展[5]。

近幾年來，隨著STEM教育成為培養創新型和復合型人才的實踐手段，我國也慢慢開始研究。分析相關文獻發現，對于STEM教育中國研究者大多較宏觀，實證研究較少。主要分為以下方面：①理論研究。在2016年關于STEM教育的論文研究數量呈爆發式增長，多以基礎研究為主。華中師大的蔣志輝等人基于STEM教育的背景構建了學生學習力培養策略模型，并給出具體實例

[6]。②教學實踐。以北京上海為首多地陸續開展STEM課程并申報試點學校。如江蘇省STEM教育試點項目首期培訓班已于2016年3月在南京成功舉辦[7]。

2、基于項目式學習的相關比較研究。基于項目式學習是有效融合STEM教學理念的途徑之一，本文提到的PBL即基于項目的學習。國外對STEM教育已有大量實證研究。不論從類型、目標還是形式來看，STEM學習與真實情境聯系起來，學生能創造性的解決問題，跨學科的項目式學習能幫助學生更好的理解學科概念。早在2004年，梅里爾（Merrill）的“設計樓梯體系”項目將技術和數學學科有效整合[8]，2006年霍頓（Horton）研制的“地貌主題”項目旨在整合多學科進行項目式學習[9-10]。可見，基于項目的學習是培養學生解決問題的重要途徑。隨著STEM的發展，我國也越來越重視，北京師范大學率先成立STEM創新教學研究中心，和北京望京實驗學校、北京建華學校建立聯盟，將空泛的教育理念和口號轉變為真實的教育實踐活動。中國PBL主要涉及STEM相關創意課程設計，比如樂高教育課程開發與研究、LittleBits教育課程設計與開發

[11]。針對這些課程設計的比較研究未涉及。

三、理念下的研究設計

本研究基于STEM教育結構框架，按照一定的編碼方式對基于項目的學習活動中涉及的知識點學科編碼，內容量化，通過數據統計軟件進行分析，深入對比得出活動中S（科學）、T（技術）、E（工程）和M（數學）維度知識點的整體分布、各維度分布異同、知識點覆蓋的廣度和重合度。

1、研究內容和對象。本研究基于STEM結構框架對中美兩國PBL的知識點按具體學科編碼，根據涉及具體學科的頻次將項目式學習活動的知識點量化，結合數據對活動內容進行描述性分析，進而探討以下問題：①兩國活動中基于STEM框架下學科知識點的數量和分布。②兩國活動在S（科學）、T（技術）、E（工程）、M（數學）各維度的知識點數量及覆蓋面。美國節選自羅伯特M（Robert M. Capraro）和瑪麗（Mary Margaret Capraro）編寫的一本書籍單元，該書以AJ摩爾學院（A.J. Moore Academy）和阿金斯學院（W.C. Akins HS STEM Academy）等學校為依托，分別從概念界定、發展起源、理論基礎、教師教學、課堂管理以及評價準則等方面分14章闡述基于項目學習活動。本研究以該書的一個學習單元為研究對象，該學習單元基于項目式活動歷時一周，讓學生利用小木棒、熱膠棒、白膠漿等工具合作設計并建造一座重量最輕且承重最大的“橋梁”。endprint

我國則采用日照市某校七年級學生在實踐基地為期一周的活動為研究對象。日照市青少年綜合實踐基地自2004年建設以來，每年承擔著1.4萬名學生的綜合實踐活動任務，該綜合實踐活動內容以培養青少年創新精神、發展實踐能力和實施素質教育為根本目標，活動項目設置上體現不同學科交融、學生動手操作等內容，與STEM教育的培養理念不謀而合。該活動設置生存能力、發展能力、創新能力三大類項目。

2、研究方法。STEAM結構框架由美國弗吉尼亞理工大學學者G.Yakman提出，是目前國際上公認的結構教育體系，本研究以此理論基礎對STEM四個維度分別編制具體學科內容分析編碼表，依據編碼學科對中美PBL涉及的知識點進行量化，然后對結果進行描述性分析和可視化統計，見表1。

三、研究結果

1、STEM知識點整體分布情況。

①美國PBL知識點總數多于中國，尤以工程和數學知識量居多。根據編碼統計，美國PBL知識點總數為372，中國知識點總數為265。美國主要涵蓋T（技術）和M（數學），尤以M（數學）知識為主，而中國M（數學）知識點僅占24%。兩國PBL活動中大部分呈現物理、操作等理工科學科，說明國家越來越重視學生的動手操作能力。中國PBL內容更豐富，幾乎涵蓋所有維度。根據STEM各維度所占比重來看，中國是T>E=M>S，美國各維度表現為M>T>E>S。從圖2看出，中國各維度的知識點比重幾乎相當，S（科學）所占比重少些，約為17%。美國在T（技術）、E（工程）方面的知識點分布相當，M（數學）突出，約是中國M知識點個數的3倍，可見美國對數學學科的重視程度。

②中美兩國部分知識點重合度較高，各維度側重點不同。

中國PBL幾乎涵蓋所有知識點共33個，美國PBL涉及的具體知識點共18個。如圖3，將中國PBL中學科排名前八位與美國相應學科進行比較，結果顯示兩國部分知識點的重合度較高。S（科學）維度中除物理學S-1有重合外，其他具體學科都差別很大，E（工程）維度中除建筑設計E-2、材料科學E-11、機械E-12有重合外，其他學科無重疊，且重合的學科中美國知識點數遠多于中國，中國PBL的學科涵蓋知識點數量少，涉及具體學科多，內容豐富；美國PBL的學科涵蓋知識點數量多，具體學科涉及少，研究深入。

2、S、T、E、M維度知識點分布情況。

1.S（科學）維度知識點的分布對比：

由圖4得，中美兩國PBL在S（科學）維度的分布上都關注物理學S-1和空間科學S-5等具體學科，且物理學所占比重最大。美國PBL在S（科學）維度共包含三個具體學科，且比例不均，物理學學科約占S（科學）維度的七成，重點突出。而中國PBL包含所有S（科學）維度的具體學科，所占比重均衡，說明中國PBL促進學生素質的綜合、均衡發展。總的來看，中國PBL在S（科學）維度知識點的覆蓋面廣，兩國PBL在該維度的側重點不同。

2、T（技術）維度知識點的分布對比：由雷達圖5可以看出，中美兩國PBL在T（技術）維度上的覆蓋面差異較大。相同：中美兩國PBL都越來越注重發展學生的動手實踐能力，在T（技術）維度上，中國操作學科占比重為16%，而美國操作所占比例更是高達47%，可見兩國PBL的內容分布呈現較高一致性。不同：中國PBL在T維度上分布廣，各個學科分布均勻，主要以操作和信息為主。美國PBL則分布相對集中，尤其是操作T-11學科約占五成，對于操作性知識的側重呈現一邊倒傾向，對于信息和制造學科涉及很少。

3、E（工程）維度知識點分布對比：如圖6所示，外環為美國PBL在E（工程）維度上知識點分布，內環為中國PBL。美國主要集中在材料科學和建筑設計學科，中國覆蓋范圍遠比美國廣。圖中信息顯示，中美兩國PBL在E（工程）維度上知識側重點差別較大。美國的覆蓋面相對集中，主要是建筑設計、材料科學和機械，幾乎三等分。中國PBL可以明顯的看出其關注點比美國多樣化，幾乎涵蓋E維度的所有科目，其中以機電和建筑設計為主。在土木工程、海洋工程方面，兩國都沒有涉及。

4.M（數學）維度知識點的分布對比：

圖7中，外環是中國PBL在M（數學）維度上的具體科目分布，美國PBL的具體科目分布在內環，圖中可以看出，在M（數學）維度上中美兩國PBL具體學科的重合度很高，具有一定的共性。主要集中在數及運算、推理與證明等學科。美國的側重點在數及運算和量度上，約占六成，其余學科則平均分布。中國主要關注代數學和幾何學，對學生的數學計算能力要求提高。同時，兩國對概率分析和三角函數等其他性質的數學問題均未涉及。

四、結論和啟示

1、數據分析。endprint

（1）PBL知識點橫向差異。①中國PBL涉及的具體學科數量遠高于美國，知識點覆蓋更廣，內容更豐富，有助于拓展學生視野，發展學生的多方面能力，提升學生的綜合素養，也與中國PBL活動的目標——提高受教育者綜合素質、培養創新型人才相吻合。在M（數學）維度上，兩國重合度很高，但在S（科學）、T（技術）、E（工程）維度上差異明顯。充分說明兩國對數學的重視度趨同，而對其他維度知識的側重點不同，在S（科學）維度上中國重視生物學、化學學科，而美國對這些學科未涉及，T（技術）維度美國對醫學、電力學科未關注，中國則主要強調電力知識內容。②兩國PBL在具體學科數量上差異很大，但部分具體學科重合度很高，主要有物理、建筑設計、代數等學科，在土木工程、概率分析等學科皆為空白，說明兩國PBL的側重點相似，都以學習者為中心，打破傳統教師灌輸、學生被動的教學模式，重點培養學生的理工思維和發散思維，強調自主構建知識，發展他們的實踐操作能力，注重深度學習和探究式學習。

（2）PBL知識點縱向差異。①美國PBL知識點總數多，具體維度上知識點類別少，內容深入且具體，層次性增強。美國STEM教育發展至今，正逐步實現培養創新人力資源和提高國民技術素質的目標，在實施過程中更加注重層次與深度。中國PBL涉及知識面廣，但具體內容泛而不深入，表現在知識跨度大難度小，停留在對部分生活實驗現象的觀察上，關于現象背后的解釋涉及甚少。中國素質教育在STEM框架下顯現出的結論符合其教育的宗旨，充分發揮學生的主體性，通過實現全面發展教育，促進學生的最優發展。②M（數學）維度上，兩國都關注較多，尤其是代數、幾何、問題求解和數學原理等學科，知識難度由淺入深，層層遞進，將數學知識融入到PBL中，提高學生的數學思維和數學建模思想，在運用高階思維解決數學問題方面兩國表現出足夠的重視。

2、數據差異對我國PBL的啟示。

中國PBL覆蓋面廣，適當增進深度。通過以上研究結果，一方面中國PBL知識點覆蓋面廣，學科間融合性強，有助于拓展學生視野，活動設計豐富，注重與實際生活聯系；另一方面從STEM教育視角出發，中國PBL學科難度設計上未體現由淺入深的層次性。在素質教育背景下中國PBL體現出素質教育的全面性、基礎性和學生的主體性。近年來，國內STEM教育蓬勃發展。將理念和思想層面轉化為行動實踐仍是發展中的難題。基于STEM框架下中美兩國PBL的比較分析，以研究問題為出發點，主要從以下三方面展開討論：

（1）提高各界人士對STEM教育的認識。縱觀美國STEM教育的發展，政府部門的參與起著主要推動、積極導向作用，企業界、教育界以及社會各界都為STEM教育提供多維度支持。同理中國STEM教育也應當主動變革，加快相關法律規范的的制定來保障其發展，充分發揮企業界、教育界以及社會各界人士的推動作用。

（2）培訓STEM教育的專業教師。相比較美國整合性STEM教育對專業教師培養的關注，我國STEM教育的現狀，教師更側重在活動中指導、幫助學生，缺乏引導學生自主探索的精神，不利于培養學生主動學習能力和創新素養形成。在STEM教育中，學生雖然通過思考、動手實踐、團隊協作完成任務，但在解決問題過程中，并未學會如何發現問題、深化理解所學知識、知識的遷移應用等，具體實施過程中，缺乏專業化的教學和實踐方法。

（3）開展廣泛STEM教育實踐研究。在STEM教育中，要求學生對各個學科都有足夠認識，進行整合學習以提高學生的應用能力，實踐研究作為有效激發學生學習熱情、促進學生能力提高的活動應該在多個教育階段開展。實踐活動的復雜性不僅有利于學生明確學習目標，加深對本學科知識的深度思考，還能變革學習方法，成為學習的主動參與者；實踐活動的真實性幫助學生自主構建知識，對專業主題更好理解，促進學習者解決問題和發散創新思維的培養。廣泛開展相關實踐研究，進而使學習者低階能力得到提升，高階能力得到增強。

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