基于管道理論的美國中小學STEM課程開發探析

呂偉妮 王晶瑩 田雪葳 王忠厚

摘 要：STEM管道理論是用越來越狹窄的“管道”形容學生從最初進行STEM學習，到最終取得STEM學位并從事STEM相關職業的過程。美國“國家縱向教育研究”的數據表明，在管道的每一個連接點幾乎都會出現人才流失問題，只有極少數學生最終選擇STEM專業，許多學生對STEM專業失去興趣而中途退學或換專業。同時，也有相當一部分從事STEM職業的人并非是由管道輸出的。文章基于管道理論以及當前美國STEM學校的人才培養策略，通過分析美國的STEM課程與教學改進方案，探索未來STEM學校的人才培養模式，探討中小學如何激發并維持學生對STEM的學習興趣。

關鍵詞：美國；管道理論；STEM學校；STEM課程；STEM學習興趣

一、研究背景

作為基于美國“國家縱向教育研究”數據得出的關于STEM人才培養過程的重要理論，管道理論揭示了K-6培養過程中STEM人才流失的路徑。根據該理論，數年來美國在政策和法律上出臺了多項措施以維持和提高STEM人才產出，相繼發布的《美國創新戰略》《教育中的創新愿景》等報告指出，必須加強STEM教育，推進STEM教育研究、發展與創新，力求在社區實踐、教學活動設計、學習空間、社會文化環境等方面促進STEM教育發展，以確保各年齡階段以及各類型的學習者都能享有優質的STEM學習體驗，保證STEM人才數量，進而保持美國的競爭力。

美國在知識經濟時代的教育目標之一是培養具有STEM素養的人才，以提高全球競爭力。要想保持科技在世界上的領先地位，STEM教育是關鍵，也是美國的重要任務之一。早在2011年，美國國家科學院研究委員會就發布了《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，強調STEM教育是一個從幼兒園到高中階段的連貫性的過程。美國幼兒教育協會研究顯示，為幼兒提供接觸STEM知識與技能的機會越早，其未來在STEM行業獲得成功的幾率就越大，越有利于其參與未來世界的競爭。因此，美國在STEM教育方面不斷加大投入，美國政府動員全國力量支持所有學生發展高水平的STEM知識和技能，鼓勵學生主修科學、技術、工程和數學，激發學生的STEM學習興趣，培養其科技和理工素養。

二、STEM管道理論

管道理論描述的是用一個越來越狹窄的“管道”形容學生獲取STEM學位并從事相關行業的過程。管道中的節點比作通向STEM職業生涯所要經歷的重要事件，例如各種考試、主修STEM專業、獲取學位等，在管道末端，水流入一個“杯子”，即表示最終進入STEM行業的一小部分人群，與最初進入STEM管道的大量人群形成了鮮明的對比。換言之，最終進入STEM行業的人數比獲取學位的人數少，獲取學位的人數比主修STEM專業的人數少。同時，研究者對美國“國家縱向教育研究”數據以及相關文獻進行考證分析，發現很多最初進入管道的學生最后沒有從事STEM相關職業，即管道理論所揭示出的軌跡并不能代表管道內全部學生的職業生涯[1]。事實也表明，從基礎教育到高等教育的整個過程中，未來有可能從事STEM行業的人才因各種因素而不斷流失。[2]

關于學生脫離STEM管道的原因，美國學者漢克·科波拉塞克選取了477名荷蘭學生（多數是大學二、三年級學生，這些學生在高中都選修了高數、化學和物理課程并完成結業考試，而在大學時沒有選擇與這些學科相關的專業）作為樣本進行研究，研究采用不同的問卷，分別獲取學生對STEM專業和當前專業的態度，以及學生身邊重要人物（如家長、老師和同學）對其專業選擇的影響，對比分析數據，最終找出學生脫離STEM管道的原因。漢克認為，那些進入STEM管道且有潛力從事此行業的學生之所以離開，主要原因是學生自身對STEM專業的態度，但是對于其他重要人物對學生專業選擇的影響這一原因還需進一步加以證實[3]。學生對STEM失去學習興趣而造成的人才流失，引發了研究者對美國STEM學校人才培養模式的思考，研究者希望通過改進課程提高學生的學習興趣。

三、管道儲水的現代化教育技術嘗試：美國STEM學校的視頻游戲

許多STEM教育者認為，當代學生對技術和媒體更感興趣，為培養他們的STEM技能，教育者做出大膽嘗試，將視頻游戲作為一項拓展活動融入STEM課程，希望激發并維持學生對STEM課程的學習興趣，減少人才流失。完備的視頻游戲需要全面的視頻游戲庫和支持系統以及設施，為此，出版商成立相關機構致力于教育類電子游戲的創建和推廣，在游戲設計中納入STEM原則和核心概念。一些非營利組織也與家長及當地企業共同策劃建立健全的游戲體系，其中的大部分視頻游戲都可以免費提供給STEM教育者進行測試，以確定是否符合他們的計劃。

將STEM課程融入視頻游戲有兩種途徑，一是直接設計新的游戲，為學生創設虛擬環境，允許學生在虛擬環境中進行與科學、數學相關的游戲活動，例如，“結束世界饑荒”游戲可以教會學生如何分配援助食物以及如何幫助別人；二是改進已有游戲，使之適應STEM課程計劃，例如，在一款關于治理污染的游戲中，學生可以在虛擬環境中擔任市長的角色，主要任務是解決城市所面臨的環境問題，同時還要創造一個健康有序的就業市場，使市民保持積極的心態，并改善市民的生活質量。

視頻游戲作為一種教育工具，通過特定的社會環境和教學內容賦予不同的角色和特定的意義，從視覺和聽覺的角度給學生提供多種學習方式。游戲任務由易到難，循序漸進地提升學生的學習能力。此外，團隊游戲可以幫助學生確立社會目標概念及社會互動性，提高學生自我效能感、實現目標的信心以及團隊協作能力，培養學生的批判性思維和解決現實問題的能力。基于游戲學習的評價體系，STEM教育者應該對學生完成任務的過程以及團隊成員間的合作交流進行評價。

四、管道儲水的課程開發嘗試：基于學生的興趣取向

STEM教育旨在將科學、技術、工程和數學進行跨學科融合，注重項目探究、動手實踐、主動創造等學習方式，通過開設預修課程，幫助學生根據興趣確定大學的專業方向，為專業學習奠定基礎。目前，美國實施STEM教育的學校在課程設置上都以STEM課程為中心，針對管道理論所揭露的人才流失問題，優化人才培養模式，提高學生的學習興趣。

（一）充分利用地域優勢，整合當地資源

研究表明，工商業圈、自然地理環境、政府基礎設施等都是與STEM課程相關聯的環境資源，教師整合環境資源，將教育內容與當地環境相結合，為學生提供STEM學習的真實情境，能夠促進學生STEM內容的學習。

將STEM教學充分結合并利用當地資源，不僅方便學生接觸STEM職業和應用設施，而且解決了人力資源開發問題。基于STEM教學與當地相關資源整合的愿景，路易斯·納德爾森等人進行了為期4年的研究項目——K-12階段STEM教師專業發展計劃，該項目將基于地域的STEM課程作為重點內容，為400余名教育工作者提供較為深入的綜合性STEM短期課程，課程結束后，全體成員都要對這些課程進行討論、評價，確定最終的實踐標準。

STEM短期課程重在激發教師和學生對STEM、市政水利系統、健康、農業、食品安全、礦物開發、林業、能源開發等諸多領域產生興趣。短期課程還為教師提供實地考察STEM行業和業務的機會，如制造廠、礦山、自然公園、食品加工廠、研究所、醫院、實驗室等，旨在促使K-12階段STEM教師能夠充分挖掘當地可用資源，綜合利用這些資源開展STEM課程。在實地考察的過程中，由地方STEM專家進行的工作場所介紹，有利于教師加深對地域環境和地域條件的理解，從而更好地利用資源開發課程。通過短期課程的培訓及實地考察，參與教師不僅對基于地域的STEM教學有了更深的理解，其相關知識、能力以及整合地方資源進行STEM教學的意識也大幅提升。

（二）重視調整各學段STEM課程，加強課程銜接力度

學生是否愿意選擇STEM專業以及未來是否從事STEM行業，除了取決于學生自身的學習態度和學習興趣之外，還取決于學生STEM相關學科的成績。一個強大的K-12階段STEM管道的創設，將會對美國的STEM教育起到至關重要的作用，各學段之間課程的銜接程度影響學生對STEM的持久關注度。為此，肯塔基州的路易斯維爾大學工程學院開展了一個K-12拓展項目，目的在于增加對STEM領域感興趣和有能力學習STEM相關學科的學生人數，為那些沒有進入到管道的學生提供機會。該項目選定當地的小學和初中開展工程預科課程，即“項目引領”計劃（Project Lead the Way，PLTW），為學生高中階段的學習做準備。中小學階段采用的是波士頓科學博物館開發的小學工程學課程（EIE），中學階段采用的是由研究者與中學科學教師合作開發的工程學方案（IME）[4]。經過4年的實踐，有2000多名學生參與了該項目所開設的相關課程，壯大了STEM人才隊伍。中小學階段旨在增加進入STEM領域的學生數量，后續教育過程注重STEM課程質量。在奧巴馬政府的支持下，傳統的高中STEM課程正在被更新為綜合應用型的STEM課程，增強與高校專業選擇之間的聯系，提高課程在現實科學領域的適用性，進而增強學生從事STEM行業的可能性。

（三）豐富學生的實踐體驗

佩吉·多爾舒克等人提出的研究性學習項目計劃使得高中生可提前參與高校本科生的研究課題，使高校STEM專業學生可接觸從事STEM行業的成功人士[5]。該項目可有效彌補STEM管道理論的不足，激發并保持學生對STEM課程的興趣，提高從事STEM行業工作的動機，減輕管道連接處人才流失。同時，拓展活動能有效吸引其他學生參加STEM活動，促使非STEM學生的轉型與進修，增加STEM專業生源。

參考文獻：

[1]Matthew A Cannady， Eric Greenwald， Kimberly N Harris.Problematizing the STEM Pipeline Metaphor： Is the STEM Pipeline Metaphor Serving Our Students and the STEM Work force？[J].Science Education， 2014， 98（3）： 443-460.

[2]王晶瑩.關注STEM職業期望的青少年科學素質教育：基于PISA 2015和NARST 2017的反思[J].科學與社會，2017（3）：33-42.

[3]Hanke Korpershoek，Hans Kuyper，Roel Bosker，Greetje Vander Werf. Students Leaving the STEM Pipeline： An Investigation of Their Attitudes and the Influence of Significant Others on Their Study Choice[J]. Research Papers in Education 2013，28（4）：483-505.

[4]Michael A. Gottfried，Robert Bozick. Supporting The STEM Pipeline： Linking Applied STEM Course-Taking In High School To Declaring a STEM Major In College[J].Education Finance & Policy，2016，11（2）：1-26.

[5]Patricia A.S.Ralston， Jeffrey L. Hieb，Gary Rivoli. Partnerships and Experience in Building STEM Pipelines[J].American Society of Civil Engineers，2012， 139（2）：156-162.