STEM教育研究發展的現狀和趨勢：解讀美國STEM教育研究項目

王 科，李業平，肖 煜

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STEM教育研究發展的現狀和趨勢：解讀美國STEM教育研究項目

王 科，李業平，肖 煜

（德克薩斯農工大學 教學與文化系，德克薩斯州 77843，美國）

美國是STEM教育研究的領跑者，探究美國STEM教育研究發展的現狀和趨勢，可為中國STEM教育研究與實踐提供參考．采用內容分析法對美國STEM教育研究項目進行編碼，探究這些研究項目的發展現狀與趨勢．研究發現，STEM教育研究項目的資助金額高、年限短，聚焦開發創新類的項目，多元化地資助STEM教育研究，特別重視以信息技術為媒介開展融入STEM教育研究．整體上來說，項目數量、資助金額以及合作項目都呈現遞增趨勢．研究啟示：中國可結合當前教育現狀更有效地采用多元化、合作化、信息化地推進STEM教育研究．

美國STEM教育；STEM研究項目；特征與趨勢

1 引言

21世紀科技的競爭是STEM人才的競爭；人才的培養與教育是推動國家發展的內動力，為國家發展提供充足的人才保障．因此，STEM人才的教育也隨之成為了世界性的熱點話題．世界各國在快速發展的同時，也在大力推動STEM教育的發展．中國作為全球經濟增長最快的國家之一，也非常重視STEM教育．中國正在積極地加強STEM教育．2016年教育部頒布了《教育信息化“十三五”規劃》，并明確提出有條件的地區要積極探索信息技術在跨學科學習（STEAM教育）中的應用（教育部[1]，2016）．2017年，中國教育科學研究院發布了“中國STEM教育白皮書”，并在書中提到，STEM教育已經被納入國家戰略發展政策．2017版的《義務教育小學科學課程標準》倡導跨學科學習方式，建議教師在教學實踐中嘗試STEM教育．然而，中國STEM教育面臨著六大問題與挑戰，其中之一就是缺少國家級項目的示范引領，包括課程開發、教師培訓、評估標準等方面（白皮書[2]，2017）．國家級STEM教育研究項目可以為STEM教育研究者的研究方向提供重要的參考作用，可以幫助他們了解STEM教育研究的前沿．因此文章將聚焦分析美國的有關STEM教育研究項目的特征，為中國STEM教育研究者提供第一手資料，了解美國STEM教育研究的發展，并為規劃申請研究項目，進行STEM教育實踐提供參考．

該研究通過分析受美國聯邦教育科學研究院（Institute of Education Sciences，簡稱IES）資助的有關STEM教育研究的項目特征與趨勢，即分析這些受資助項目的基本信息、研究對象、研究內容、研究設計以及研究方法等方面，總結研究特征趨勢，分析研究方向．具體來說有以下兩個研究問題：（1）受資助的STEM教育研究項目的項目特征是什么？（2）受資助的STEM教育研究項目的特征趨勢是什么？

2 研究背景

美國作為頭號經濟與科技大國，尤為重視人才的培養與建設．在21世紀之初，美國國家科學基金會正式將科學、數學、工程和技術教育更名為STEM教育，美國是最早提出STEM教育的國家，并一直致力于推進STEM教育研究與發展（Li[3–4]，2014、2018），為美國持續引領世界科技的發展而努力．

2007年，美國國家科學院的“風暴愈演愈烈”（Rising Above the Gathering Storm）的報告中論述到，美國的經濟、軍事和文化的優勢依賴于持續的科學和技術工程的領先．美國迫切需要采取一個行動來維持這些優勢．其中最重要的行動建議是通過大幅提升中小學科學和數學教育質量來填充美國人才庫（Committee on Prospering in the Global Economy of the 21st Century[5]，2007）．在過去的十多年以來，美國一如既往地推進STEM教育．前美國總統喬治·沃克·布什、奧巴馬以及現任總統特朗普都在強調STEM教育對美國發展的重要性，并通過不同方式來促進STEM教育研究的發展．美國國家研究委員會（The National Research Council，簡稱NRC）發布公告稱（NRC[6–7]，2011、2012），未來STEM人才需求強勁，然而STEM專業人才的供給嚴重不足，為此，美國需要大力推進STEM教育研究與發展．2018年12月，美國白宮國家科學與技術委員會（National Science & Technology Council）下屬的STEM教育委員會（Committee on STEM Education）出了一份報告，“制定成功之路：美國STEM教育戰略”，報告中指出，美國今天的經濟繁榮和國家安全更加依賴于持續的科技創新能力．美國國家創新的根基比以往任何時候都更加依賴于STEM教育．跨部門合作的共同目標之一就是打造一個STEM生態系統，為所有美國人提供一個終身的、高質量的STEM教育服務．每一個通過這個教育系統的人都可以獲得基本的STEM素養，從而為美國繼續以先進科技引領世界發展提供一支多樣化的勞動力大軍（Committee on STEM Education[8]，2018）．此外，美國正在切實落實政策的實施．例如特朗普總統曾于2017年6月簽署了一份總統備忘錄，指示教育部將STEM和計算機科學教育作為重中之重，并計劃為其每年至少投入2億美元的撥款（White House[9]，2017）．2018年，美國教育部實際上為STEM教育項目撥款2.79億美元（White House[10]，2018）．

美國聯邦教育科學研究院（IES）創立于2002年，是美國教育部的一個主要的統計、研究和評估部門．該院主要開展以下6項工作：（1）提供美國如何教育學生的數據；（2）調查和資助研究項目，從而改進和提高教育；（3）資助開發與測試提高全體學生教育成績的新方法；（4）大規模評估聯邦教育計劃和政策；（5）為增加在教育決策中使用數據和研究而提供資源；（6）支持通過專門培訓和制定方法和措施促進統計和研究（IES[11]，2019）．研究者通過美國聯邦教育科學研究院的官方網站查看并搜索與STEM相關的研究項目．網站上通常會給出一些項目的基本信息：如年份、資助金額、受資助單位、項目負責人、資助年限、項目類型和項目簡介等．具體的項目介紹參見附錄2．這里將根據項目信息建立編碼框架，再對項目進行編碼和分析統計，最后回答研究問題．

3 研究方法

3.1 樣本篩選

該研究所選擇的有關STEM教育的研究項目均受美國教育科學研究院資助，并且這里給出了STEM教育研究項目的判斷標準，即符合下面任何一個條件即可：（1）項目的標題中含有“STEM”；（2）項目的說明中含有“STEM”．具體篩選過程如下：首先研究者打開美國聯邦教育科學研究院的官方網頁并進入“資助機會—搜索已資助的研究撥款與合同”頁面（Funding Opportunity-Search Funded Research Grants and Contracts）．接下來，在搜索關鍵詞欄目中輸入“STEM”，同時選擇了“題目”（title）以及“簡介”（description）．在附加搜索選項中選擇“撥款”（grants）和“合同”（contracts），其它選擇項都是“搜索全部”（search all）．搜索發現79個受資助的項目．由于搜索關鍵詞是“STEM”，因此搜索結果中會包括一些不是STEM教育的項目，如資助項目的題目中含有單詞“system”，也包含了“STEM”，因此這些項目需要剔除．此外，有的項目在介紹的最后包含了一些發表的文章參考文獻，如附錄1中的“CROMLEY J G, PEREZ T, KAPLAN A. Undergraduate STEM achievement and retention cognitive, motivational, and institutional factors and solutions. Policy Insights from the Behavioral and Brain Sciences, 2016, 3 (1): 4–11.”但是，項目標題和簡介中并沒有“STEM”，像這樣的項目也需要剔除．經過這樣的篩選過程后，研究者最終找到46個由項目研究者自己標定的STEM教育研究項目（從2007—2018年），作為文章的研究對象．

3.2 編碼框架

根據研究的問題，在王科、Kuo Li-Jen、Li Ye-ping和Davis Trina[12]（2017）的編碼框架的基礎上修改而成．新的框架包括項目的基本信息（見表1）、研究對象、研究內容、研究設計以及研究方法5個維度．新的編碼框架仍然包含5個維度：（1）項目的基本信息；（2）研究對象；（3）研究內容；（4）研究設計；（5）研究方法．首先，項目的基本信息來自于項目簡介中給出的基本信息，包括標題、負責人、機構、資助額以及資助年限等．其次，新的框架中包括了4類研究對象：學前班到小學、初中、高中以及成年人．再次，對于研究內容的分類，根據STEM融入的情況將其分為5類：STEM中的一科、兩科、三科、四科，以及STEM和另外其它科目．此外，研究設計類型包括4大類：實驗研究（有實驗組和控制組的研究）、縱向研究、相關性研究以及干預性研究（使用新材料、新方法的教學研究，且無控制組的研究）．研究方法則主要包括數據類型與數據分析方法．數據類型包括質性數據（訪談和觀察）和量化數據（問卷、開發的測評以及標準化測評工具）．數據分析包含各種分析策略，如描述性統計、方差分析（ANOVA）、多層線性模型分析（HLM）、邏輯回歸分析（logistic regression）以及結構項目反應理論模型（IRT）等，具體的編碼框架見表1．

對于研究問題的解答，首先，對所篩選的STEM教育研究項目按照所建立的新框架進行編碼，并分析編碼總結出STEM教育研究項目在這5個維度的特征來解決第一個研究問題；其次，通過分析這5個維度在年度水平上的分布來分析項目發展趨勢，從而回答文章的第二個問題．

3.3 編碼說明

首先，根據項目簡介直接錄入項目的基本信息．其次，根據項目簡介中的樣本信息，對研究對象進行編碼．同樣，對于研究內容的編碼，可查看標題和項目研究的摘要，從而可以判斷出此項目是融合的STEM教育還是STEM其中的一個科目或兩個及兩個以上科目的融合研究等．再次，對于研究設計來說，編碼者需要認真閱讀項目介紹，如項目摘要中提到“干預（intervention）和控制條件（control condition）”即可判斷此研究為干預性研究，如果“控制條件”中提到了實驗組和控制組，那么此研究也屬于實驗性研究．最后，對研究方法的編碼，編碼者主要是根據項目說明信息來編碼數據類型和數據分析策略．如附錄2中的“結構式摘要”部分的“關鍵測量”中提到了數據類型，以及在“數據分析測量”中提到分析方法．如下所示，研究者使用斜體來凸顯其中的關鍵詞：“測量包括課程考試和期末成績．此外，研究小組還將收集數據來說明取得補充材料的范圍和取得補充材料的時間（例如，一節課的錄像帶被訪問的次數）．研究人員還將使用問卷來評估自我效能感、網關課程的價值和感知成本的變化．”“研究人員將使用二次分析來測試動機和解決問題的技能是否會調節條件的影響；所有這些將通過路徑分析進行檢驗．”

根據已建立編碼框架，作者中的兩位分別對每個項目簡介進行編碼，然后對所有的編碼進行一致性分析，發現一致性達到84.8%．最后，3位研究者對其中不一致的編碼進行討論，并最終確定編碼．編碼過程中采用了Excel進行錄入，并采用頻數進行最后的分析統計．

表1 編碼分類與說明

注：項目基本信息包括項目的標題、類別、負責人、負責人所在機構、開始年份、資助年數、資助額以及項目的研究目標類別．

4 研究結果

分析了46個受資助的STEM教育研究項目，從基本信息、研究對象、研究內容、研究設計以及研究方法5個方面來分析總結STEM教育項目的特征，然后根據這些特征在年度上的分布來總結STEM教育項目的發展趨勢．根據研究問題、研究結果從項目特征與項目發展趨勢兩個方面來展示．

4.1 STEM教育研究項目特征

4.1.1 項目基本信息

項目名稱：在2007—2018年之間，總共有46個項目分布．18個項目名稱中包括“STEM”單詞；28個項目名稱中不包含“STEM”，但是項目摘要中包含“STEM”單詞．

項目來源的類型：如表2所示，46個STEM教育研究項目共來自14個項目類，其中認識與學生學習類的項目占21.7%，小型企業創新研究類的項目（包括特殊教育）占32.7%，高等教育和成人教育的項目類占13.0%．整體上來說，項目來源呈現多樣化趨勢，即很多項目類型都在支持STEM教育研究的發展，尤其是小型企業創新研究項目類特別支持STEM教育研究．

在46個項目中，有21個項目只有一位項目負責人．剩下的25個有兩位或兩位以上的項目負責人．46個項目中有41位第一項目負責人．其中來自參數工作室（Parametric Studios）的Christopher Whitmer、來自西南教育發展公司（Southwest Educational Development Corporation）的Melissa Dodson以及來自未來工程師（Future Engineers）的Deanne Belle都有兩個STEM教育項目；來自伊利諾伊大學香檳分校的Jennifer Cromley有3個STEM教育項目．

表2 項目來源的類別

項目運行機構：41家機構管理運行著46個項目，其中有17家非大學機構與24家大學機構．負責管理一個、兩個、3個項目的機構分別有37家、3家和1家．伊利諾伊大學香檳分校是獲得資助項目最多的機構，有3個項目；參數工作室、西南教育發展公司以及未來工程師3家機構都有兩個STEM教育項目．

項目目標：根據項目申請書中的信息，共有8種項目研究目標類型：發展與創新（15.2%，=7），效能與復制（8.7%，=4），探索（30.4%，=14），測量（4.3%，=2），開發（28.3%，=13），研究者與實踐者伙伴關系（2.1%，=1），培訓（2.1%，=1），以及其它（8.7%，=4）．其中發展與創新、探索以及開發類的STEM教育項目占總體的73.9%，其余的項目則分布在其它不同的研究目的中．

資助年份與時間：在過去的11年中，平均每年受美國教育科學研究院資助的項目約4個，過去的5年每年都不少于5個．在46個STEM項目中，有4個資助時間半年的項目；15個兩年的項目，4個兩年半的項目，6個3年的項目，16個4年項目，1個5年項目，平均每個項目的資助時間是2.8年（=1.15）．兩年和4年的項目占總項目的67%．

資助金額：受資助的項目總金額超過5?180萬美元，每個項目平均資助金額達到113萬美元．其中50萬以下的項目占19.6%；50萬~100萬美元的項目占28.3%；100萬~150萬美元的項目占37%（詳見表3）．

表3 項目資助金額區間分布

從項目的基本信息來看，STEM教育項目中近三分之二的項目名稱中并沒有包含“STEM”；STEM項目來源多達14類并且項目運行機構分散，項目目標主要集中在開發、探索、發展與創新．資助年限少于3年，項目平均金額大于百萬．

4.1.2 受資助項目的研究對象

統計發現46個受資助項目的研究對象沒有明顯的特征，主要分布在4個類別：13個小學階段（28%），18個初中階段（39%），14個高中階段（30%），18個成年階段（39%）．小學類別中有5個項目的研究對象聚焦學前兒童的研究，此外，成年人的類別中有5個項目的研究對象包括在職教師．在圖5中，有些項目的研究對象包括幾個年級段，因此，有14個項目的研究對象包括兩類，占全部項目的35%；有兩個項目的研究對象包括3類，占全部項目的4%．

4.1.3 受資助項目的研究內容

STEM研究項目的研究內容包括STEM中的一門或多門，多門則是研究STEM教育的融合或與STEM相關，如對STEM專業的興趣，STEM研究的模式探究．因此，分別統計了這些項目的融入情況．統計發現，受資助的46個項目的研究內容，相對比較集中于科學與計算機兩個科目，分別有14個項目包括科學學科和25個項目包括信息技術學科；其次關注工程的項目較少，只有5個（見圖1）．同時，特別分析了25個融入信息技術的項目，發現1個項目是使用軟件來編制測試題，4個是有關信息技術與工程的融入項目，5個是有關信息技術融入數學的項目，9個是有關信息技術與科學融入的項目，還有6個是有關信息技術與STEM有關的融入項目．

圖1 5類研究內容分布

在46個項目中，只研究單科的項目有15個，如圖2所示，其中有6個單獨研究數學項目，4個單獨研究科學項目，1個單獨研究工程項目，1個單獨研究信息技術項目，以及3個單獨研究其它項目．

圖2 單科分布

總的來說，在46個STEM教育研究項目中有19個包含兩門學科的研究內容，5個研究信息技術融入數學，9個信息技術融入科學，4個信息技術融入工程，1個數學和科學融入項目．雙科融合的項目比較多，占全部的41%（=19）．有12個項目含有STEM研究內容，其中6個是信息技術融入STEM教育研究，另外6個是有關STEM的評估、課程、能力、問題、學校以及職業．信息技術學科在所有融合的STEM教育研究項目占有很高的比重，可見信息技術在STEM教育中的地位．

4.1.4 受資助項目的研究設計方法

統計發現，在所有46個項目中，67%的項目是實驗性研究（=31），78%的項目是相關性研究（=36），15%的項目是縱向研究（=7），54%的項目是干預性研究（=25）（如圖3所示）．因為一個研究項目既可以是實驗性研究，又可以是相關性研究和縱向研究，即一個項目可涵蓋幾種研究設計，所以采用4類研究方法的項目百分比總和超過100%．此外，有1個項目使用4類研究設計方法，有20個項目使用了3類研究設計方法，14個項目使用了兩類研究設計方法，有7個項目使用一類研究設計方法，有4個項目不屬于研究類項目，如博士后培養項目，軟件開發項目等．

圖3 4類研究方法分類統計

4.1.5 受資助項目的研究方法

研究方法包括數據收集方法與數據分析策略．首先，對數據收集方法進行統計，發現在46個項目中用標準化測評項目和自己開發的測評工具來收集學生數據的項目所占比例較高，分別為57%和70%．另外，質性數據的收集方法所占比例相對較低，分別是訪談類9%、問卷類30%以及觀察類22%（見圖4），此外計算機收集的數據所占比例為17%．在編碼過程中，一個項目的研究方法通常涵蓋了幾類．同時，項目簡介中可能沒有提到具體的數據收集方法，見附錄3．此外，有5個項目摘要中沒有提到任何一種數據收集方法，10個項目摘要中提到一種數據收集方法，14個項目摘要中提到兩類，12個項目包括了3類，5個項目包括了4類，沒有項目包括5類或6類．

圖4 使用6類數據收集方法的項目數分布

其次，對于數據分析策略的統計表明，有38%的受資助的項目（=13）使用HLM來分析數據，有22%的項目（=10）使用回歸分析來分析數據，使用這兩類方法的比例相對來說較高．此外，有15%的項目（=7）使用ANOVA和MANOVA的方法去分析數據，其余一些分析方法如描述性統計、IRT、SEM、因子分子等使用較少（見圖5）．最后，有19個項目摘要中沒有提供上述數據分析方法的信息，例如附錄2中的樣本2和3．有17個項目只提到一種方法，有2個項目提到兩種方法，僅有1個項目提到使用3種方法．

圖5 項目的數據分析策略分布

4.2 STEM教育研究項目特征趨勢

在過去11年中，每年的受資助STEM教育研究項目數整體上呈現上升趨勢．此外，有25個有關融入信息技術的項目，在整體上呈現遞增趨勢（如圖6）．同時，有多個負責人的受資助項目在整體上也呈現遞增趨勢，如圖7所示．從每年受資助的金額來看，整體上也呈現遞增趨勢（如圖8所示）．然而在其它的維度上，如研究對象、研究內容、研究設計以及研究方法都沒有發現明顯的趨勢．究其原因，可能與文章的樣本數較小有關，因為樣本總體是46，時間跨度是11年，年均項目為4個．

圖6 STEM項目數以及融入信息技術的STEM項目數的變化趨勢

圖7 項目負責人的年度分布趨勢

圖8 年度STEM教育研究項目總金額趨勢

5 討論

基于對美國46個STEM教育研究項目的分析研究，得出美國當前STEM教育的發展特征與趨勢．基于以上研究結果，研究者認為有以下幾點值得中國教育研究者和教育政策制定者關注，特別對中國即將或已經在開展STEM教育實踐的研究者．首先，美國正在加大STEM教育研究的投入，鼓勵交叉學科研究．研究發現，STEM教育研究的項目來源類別呈現多元化趨勢，即研究者可以從不同的項目類型中申請資助STEM教育研究項目．因此，中國的STEM教育更需要大量的資金投入以吸引更多跨學科的研究人員加入．同時，原來的各科分散研究的模式可以有序地向雙科、多科合作探索融合STEM教育模式轉變．其次，融合STEM教育的研究目前仍在探索開發階段．文章中的STEM教育研究項目主要是以開發、探索、小型企業創新類為研究目標，所占比例超過三分之二．因此，中國的STEM教育研究正面臨著一個機遇，可以從美國的STEM教育研究項目中獲得大量的參考信息，從而幫助中國STEM教育研究者更好地開展STEM教育實踐，并順利躋身于世界STEM教育研究的前列．再次，融入信息技術是融合STEM教育的必要條件．這個發現為中國融合STEM教育提供了參考依據．目前中國STEM教育實踐的開展主要是以信息技術教師為主來帶動STEM教育實踐．同時在中國目前的教育現狀下，最大化地利用信息技術老師的優勢來開展STEM教育實踐具有優勢條件（李彤彤[13]，2018），同時也能為培養新的STEM教師提供參考模式．最后，美國的研究設計以及研究方法相對比較成熟，而中國的STEM研究者可以很好地從美國成熟的研究設計和研究方法中學習到今天網絡化數字時代所需的數據處理能力和更多統計分析方法．總之，在中國大力推動STEM教育的形勢下，教育研究者進行更廣泛的跨學科合作是推動STEM教育的研究發展的必要條件和趨勢．

6 結論

美國作為世界上最先提出STEM教育的國家，在STEM教育研究方面一直是世界的領跑者．因此，文章通過分析篩選自IES的46個STEM研究項目來分析美國當前的STEM教育的最新發展特征與趨勢，可以為中國的STEM教育研究發展提供參考．文章通過對項目簡介的編碼，總結STEM項目的特征和趨勢如下：（1）受資助的46個項目分布在過去的11年中，項目數量和年資助金額整體上呈現逐年遞增趨勢；（2）近年來，越來越多的項目有多個項目負責人；（3）項目類別呈現多元化趨勢，有14類之多，其中小型企業創新研究類的項目占了33%；（4）項目目標主要集中在探索、開發以及發展與創新3類，占總項目的73%；（5）項目的研究設計主要是實驗干預性研究以及相關性研究；（6）項目的研究方法比較傳統，主要采用標準化測試和項目開發測試來收集數據，應用ANOVA和多元回歸分析以及HLM方法來分析量化數據并無明顯的趨勢特征；（7）從融合的STEM科目來看，有28%的項目的研究科目是聚焦于一個學科，如數學或科學．在融合的STEM教育項目中，基本上都有融入信息技術科目．可見，信息技術在STEM教育研究中的重要性．基于以上研究發現，研究者期望中國的教育研究者、教育政策制定者、教師教育培訓者以及有關的教育機構和教育企業管理者能夠透過該文章對美國的STEM研究項目的分析來了解當前美國的STEM教育研究方向和政策，從而可以為中國的STEM教育研究獻計獻策、添磚加瓦．

[1] 中華人民共和國教育部．教育信息化“十三五”規劃[EB/OL]．（2016-06-17）[2019-03-16]．http://www.ict.edu.cn/ laws/new/n20160617_34574.shtml.

[2] 中國教育科學研究院．中國STEM教育白皮書[EB/OL]．（2017-06-20）[2019-03-16]．https://wenku.baidu.com/ view/f43a9834f68a6529647d27284b73f242326c3150.html.

[3] LI Y. International Journal of STEM Education----A platform to promote STEM education and research worldwide [J]. International Journal of STEM Education, 2014 (1): 1.

[4] LI Y. Journal for STEM Education Research----Promoting the development of interdisciplinary research in STEM education [J]. Journal for STEM Education Research, 2018, 1 (1-2): 1-6.

[5] Committee on Prospering in the Global Economy of the 21st Century. Rising above the gathering storm: Energizing and employing America for a brighter economic future [M]. Washington, DC: National Academies Press, 2007: 1-590.

[6] National Research Council. Successful K-12 STEM education: Identifying effective approaches in science, technology, engineering, and mathematics [M]. Washington, DC: National Academies Press, 2011:1-44.

[7] National Research Council. Monitoring progress toward successful K–12 STEM education: A nation advancing [M]. Washington, DC: National Academies Press, 2013: 1-56.

[8] Committee on STEM Education. Charting a course for success: America’s strategy for STEM education [EB/OL]. [2019-05-27]. https://www.whitehouse.gov/wp-content/uploads/2018/12/STEM-Education-Strategic-Plan-2018.pdf.

[9] White House. Presidential memorandum for the secretary of education [EB/OL]. (2017-09-25) [2019-05-25]. https://www.whitehouse.gov/presidential-actions/presidential-memorandum-secretary-education/

[10] ?White House. President Donald J. Trump is working to ensure all Americans have access to STEM education [EB/OL]. (2018-12-04) [2019-05-12]. https://www.whitehouse.gov/briefings-statements/president-donald-j-trump-is-working- to-ensure-all-americans-have-access-to-stem-education/.

[11] ?Institute of Education and Science. About IES [EB/OL]. [2019-05-20]. http://ies.ed.gov/aboutus.

[12] 王科，GUO L Z，LI Y，等．透視美國數學教育研究項目——以受美國教育科學研究院資助的數學教育項目為例[J]．數學教育學報，2017，26（2）：82-88．

[13] 李彤彤．創客式教學：面向核心素養培養的STEAM課程教學新范式[J]．中國電化教育，2018（9）：40-47．

Exploring the Status and Development Trends of STEM Education Research: The Case of IES Funded Projects on STEM Education in the U.S.

WANG Ke, LI Ye-ping, XIAO Yu

(Department of Teaching, Learning & Culture, Texas A & M University, College Station, Texas 77843, USA)

At present, all countries in the world were actively promoting the development of STEM education research, especially the United States. By analyzing funded projects on STEM education, this study explored current situation and development trends of STEM education research in the United States. The findings showed that the funding amount of STEM education research projects was high; the duration of most projects was short, the focus of most projects was on the development and innovation, the program-types of STEM projects were various; and the integrated STEM projects paid special attention to information technology as the media. Overall, the number of projects, the amount of funding, and the number of cooperative projects were increasing. The findings provide possible implication for the research and practice of STEM education in China.

U.S. STEM education; STEM education projects; features and trends

附錄1：STEM教育研究項目的基本信息

STEM教育研究項目的基本信息

序起始年項目名稱項目類別項目負責人項目機構項目目標項目持續（年）項目金額（美元） 12007為科學探究而學習研究調查和評估技能認知與學生學習Millis, Keith北伊利諾斯州大學發展與創新41?986?743 22011博士后：跨學科教育研究的博士后培養項目教育科學博士后研究訓練計劃Klahr, David卡內基梅隆大學培訓3648?974 32011美語手語的測試卷編制者特殊教育中小企業創新研究Vinopol, Corrine殘疾人研究與培訓協會其它2.51?050?000 42011高中物理虛擬實驗室小型企業創新研究Finstein, Jeanne多面體學習媒體公司發展階段I2850?000 52011觸覺浸入式學習平臺，改善視障人士的STEM學習特殊教育中小企業創新研究Darrah, Marjorie信息研究公司其它2.51?049?279 62011STEM太陽能探索小型企業創新研究Marley, David多樣化建筑公司發展階段II2.51?046?500 72012協調多重表征：對比學習微積分和不學習微積分的高中生的關注模式認知與學生學習Cromley, Jennifer伊利諾伊大學香檳分校探索3906?433 82013面向教師和學生的基于游戲的K-2 STEM教育小型企業創新研究Christopher, CatherinevKidz發展階段I0.5150?000 92013科學技能探索：一款基于標準的游戲，旨在培養學生的科學技能、學術思維和科學學習策略小型企業創新研究Blackwell, Lisa心態作用有限責任公司發展階段II2.51?050?000 102013全球教育2教育技術Brown, Scott康涅狄格大學效能與復制43?477?944 112014STEM的自我學習成就和動機：一個綜合的認知—動機干預來提高生物學成績高等教育和成人教育Cromley, Jennifer天普大學發展與創新41?379?250 122014一個小學的折紙和立體紙的工程課程，以促進三維空間思維和推理基礎的STEM教育認知與學生學習Taylor, Holly塔夫斯大學發展與創新31?250?884 132014讓學生參與STEM：國際社會教育合作交流網絡小型企業創新研究Loannidou, Andri活躍教育發展階段I0.5149?991 142014為歸納學習設計對比案例認知與學生學習Schwartz, Daniel斯坦福大學探索31?367?916 152014幼兒空間訓練：識別可塑因素早期學習計劃和政策Golinkoff, Roberta特拉華大學探索41?599?153 162015STEM準備項目與教師資格認證計劃的教師效能的探索性研究有效的教師與教學Dodson, Melissa西南教育探索2698?273 172015學習開放反應科學測試題和英語學習者英語學習者Noble, Tracy技術教育研究中心探索41?596?743 182015基于測評系統對數學與科學領域的學校預科課程的開發早期學習計劃和政策Anthony, Jason南佛羅里達大學測量41?597?625 192015恒星排列：在基礎天文學中探索空間思維和關系性框架（恒星）認知與學生學習Anggoro, Florencia圣十字學院探索2311?139 202015STEM準備項目與教師資格認證計劃的教師效能的探索性研究有效的教師與教學Dodson, Melissa西南教育探索2698?273 212015通過空間技能教學提高中學數學成績認知與學生學習Sorby, Sheryl俄亥俄州立大學效能與復制43?499?941 222015STEM種子：開發一個創新的學前STEM課程早期學習計劃和政策Cyr, Martha伍斯特理工學院發展與創新41?462?318 232016振興21世紀的STEM研究生教育其它Rudin, Thomas國家科學院其它2200?000 242016基于帶有數學直接表示的游戲學習和計算機應用評估小型企業創新研究Weiner, Randy腦震發展階段II2900?000 252016代數一的逐步虛擬輔導小型企業創新研究Smith, PattiQuerium發展階段II2900?000 262016開發一個在線、多挑戰平臺，可以同時運行多個K-12工程設計的挑戰賽小型企業創新研究Belle, Deanne未來工程師發展階段I0.555?481 272016推理與論證：改進用于入門生物學課程的評估高等教育和成人教育Cromley, Jennifer伊利諾伊大學香檳分校測量4756?527 282016為師生合作設計的環境，允許以實時工程為中心，在中年級進行STEM（笛卡爾）探索小型企業創新研究Whitmer, Christopher參數工作室發展階段I0.5149?740 292016城市STEM基礎（使用）伙伴關系:衡量成功的基準教育研究者與實踐者伙伴關系LaForce, Melanie芝加哥大學研究者與實踐者伙伴關系2398?072 302016動態手勢和定向動作如何有助于數學證明實踐認知與學生學習Nathan, Mitchell威斯康星大學麥迪遜分校探索41?389?562 312017為師生合作設計的環境，允許以實時工程為中心，在中年級進行STEM（笛卡爾）探索小型企業創新研究Whitmer, Christopher參數工作室發展階段II2900?000 322017網絡追逐的分數探索小型企業創新研究Goldberger, GaryFablevision發展階段II2900?000 332017混合方法探索與有障礙的英語學習者在高等教育成功的相關因素高等教育和成人教育Trainor, Audrey A.紐約大學探索41?397?251 342017發展一個強化空間的小學課程和教師培訓系列，以提高科學成績認知與學生學習Fisher, Kelly約翰霍普金斯大學發展與創新41?398?481 352017銜接的化學課程的有效性STEM教育Stieff, Mike伊利諾斯大學，芝加哥效能與復制53?279?937 362017翻倍了？理解九年級代數改革對大學生繼續攻讀和畢業的長期影響高等教育和成人教育Nomi, Takako圣路易斯大學效能與復制2559?485 372017探索適應性認知和情感的學習支持，為下一代STEM學習游戲教育技術Shute, Valerie佛羅里達州立大學探索41?399?996 382017為K-12學生開發一個在線的、多挑戰的平臺小型企業創新研究Belle, Deanne未來工程師發展階段II2899?988 392017探索STEM學習環境中的空間一致性的假設認知與學生學習Matlen, Bryan西部教育探索41?399?631 402018STEM中的性別刻板印象：探索預防的發展模式認知與學生學習Master, Allison華盛頓大學探索41?399?149 412018弱勢群體學生的在線學習STEM大學入門課程高等教育和成人教育Perry, Michelle伊利諾伊大學香檳分校探索31?399?194 422018通過將移動學習技術與自然語言處理技術相結合，加強STEM本科教育高等教育和成人教育Menekse, Muhsin普渡大學發展與創新41?398?642 432018是否應用STEM職業技術教育可以加強低收入高中生的大學入學和就業的渠道？職業及技術教育Gottfried, Michael加州大學圣巴巴拉分校探索2344?940 442018用于實踐科學學習的云實驗室軟件小型企業創新研究Roozebook, Clifton無數傳感器發展階段II2900?000 452018萊恩教育服務區的住校編碼者方案的評估低成本、短期的教育干預評估Strand Cary, Mari萊恩教育服務區其它2249?922 462018在線教師專業化發展社區：一個可擴展的社區方法，以改進全國AP化學教學有效的教師與教學Rushton, Gregory紐約州立大學石溪分校發展與創新31?398?358

附錄2：項目簡介樣本1

Avi Kaplan和Michael Balsai（天普大學）；Tony Perez（歐道明大學）

生物學院一年級的課程是許多STEM專業成功的敲門磚．雖然許多學術能力強的大學生努力學習和理解這些課程中的概念，但是他們認為這些知識與他們未來的職業沒有相關．一些研究人員和實踐者建議徹底改變教學方法，從以授課為基礎轉向創新的以學生為中心的教學，以提高學生的參與度和積極性．雖然這些改變可能有助于促進積極的態度和改善學習，但要做出這些改變需要對課程進行重大改革，而且很難在不同的高等教育環境中實施．這個項目的目的是開發一個在線課程方法來教授生物學入門課程．這個項目可以被其他大專院校采用和實施，而且教師不需要負擔過重．

研究團隊將開發一套非常簡短的且基于網絡的支持，通過教師已經在使用的教學方式以及圍繞黑板而建的補充方式提供支持．這個套件將包括“全面”的認知和動機支持．在最初的兩年里，研究小組將改變支持的類型，看看哪一種可能被證明是最有效的，在最后一年，他們將在真實的教室環境中進行干預的試點測試．

本研究的產品將包括一套特定課程的視頻和信息，開發任何入門此類STEM課程材料的原則，以及創建此類其他課程材料的教師指南．還將出版同行評議的出版物．

這個項目將在賓夕法尼亞州的一所大專院校進行．

修讀生物入門課程的本科生．

根據研究人員在開發階段發現的結果，干預措施將包括許多可能的組成部分．最初的6個組成部分包括：（1）每周播放一段簡短的多媒體視頻，主要是為了提高學生的相關先驗知識；（2）教授選定的PPT演講片段錄像；（3）錄制短、中難度問題的工作實例；（4）相關性寫作任務，學生就生物課與他們的學習、專業、職業和生活目標的相關性，給自己寫一系列的信；（5）有針對性的自我效能增強反饋，旨在構建學生的自我效能感；（6）有針對性的信息，幫助抵消學生對完成生物學課程所必須做出的犧牲的看法．組件的最終組合將通過黑板來實現，并與典型的課堂教學（如講課）結合使用．

這個項目將使用一個迭代設計，其中6個組件（3個認知策略和3個動機策略）的不同組合相互測試，以確定哪些組件應該在最終版本中．材料的初步設計將在2014年秋季進行．材料和在線方式將在兩年的時間里進行測試和完善，第一輪測試將于2015年春季學期和秋季學期進行，第二輪測試將于明年開始．完整干預的最終試點測試將于2017年春季至秋季學期進行．

為了制作每周的啟動視頻，研究人員將復習章節部分，確定每周的相關內容，并為視頻編寫腳本．專家將審查腳本，以確保可用性和技術準確性．工作示例視頻將以類似的方式開發，研究團隊將審查教科書、家庭作業和期末考試數據中的章節復習部分的問題，以確定要使用的問題類型．授課錄像將在相關學期內制作，使用實際課堂授課．研究人員將利用對上學期修過這門課的高年級學生的采訪記錄，制作出“抵消成本”的視頻．其它材料（例如，相關性寫作提示）將來自該領域現有的工作．在2015年春季和秋季，研究團隊將測試一種認知和一種動機成分的組合．根據這些測試的結果，他們將在2016年春季和秋季測試兩種認知和兩種動機成分的不同組合．他們打算完成完整的原型，并在去年使用實驗設計進行試點．在本研究中，學生將被隨機分配在大型講座課程中接受有一種變化的干預．

在整個開發階段，將隨機分配教室接受不同版本的干預，每組作為其他組的對照組．在最后一年的試點中，學生們將收到剩下的兩個有前途的版本中的一個，并將比較這兩組的結果．

主要的結果衡量包括課程考試和期末成績．此外，研究小組還將收集數據來說明取得補充材料的范圍和取得補充材料的時間（例如，一節課的錄像帶被訪問的次數）．研究人員還將使用問卷來評估自我效能感、網關課程的價值和感知成本的變化．

研究人員將使用計劃中的比較來測試這6種因素的效果，學生的入學動機和對干預執行度是同步變化的，并根據需要對嵌套數據進行調整．研究人員將使用二次分析來測試動機和解決問題的技能是否會調節條件的影響；所有的這些將通過路徑分析進行檢驗．

https://www.ideals.illinois.edu/handle/2142/97878

CROMLEY J G, PEREZ T, KAPLAN A. Undergraduate stem achievement and retention cognitive, motivational, and institutional factors and solutions [J]. Policy Insights From the Behavioral and Brain Sciences2016, 3 (1): 4–11.

附錄2：項目簡介樣本2

隨著國家對STEM（科學、技術、工程和數學）專業人才短缺的關注，科學專業的入學人數預計在未來幾年將呈上升趨勢．實驗室工作被視為許多STEM課程的重要組成部分，因為實驗室使學生能夠與自然現象互動，并分析收集到的數據．然而，為充足的實驗室提供資金已成為一項挑戰，許多學校表示，它們沒有裝備良好的實驗室科學設備．據估計，一間物理實驗室的費用為4萬—5萬5千美元，另外每年的更換和維修預算為2?000—3?000美元．本項目的目的是開發一套具有成本效益和維護免費的基于網絡的虛擬實驗室，可以完全取代或補充在一個典型的高中物理課程的實踐實驗室．

研究團隊正在為24個虛擬實驗室開發所有內容和組件，主題包括位移、速度、重力加速度、運動學和牛頓第二定律．為了測試該技術在學校實施的可行性，高中生對該技術的可用性，以及該產品改善學生學習的承諾，將對3所高中6間教室的120名物理學生進行隨機試驗．這些小組將被分配到3種不同的實驗方法中的一種．一組學生將使用虛擬實驗室作為傳統實驗室的替代品；其中一組將使用虛擬實驗室作為傳統實驗室實踐經驗的補充；最后一組是作為控制組使用，只完成傳統的動手實驗．分析將檢查學生在一個學期的課程前后在標準化物理考試中的成績．

針對高中生的在線虛擬物理實驗室將在沒有設備的情況下使用，或者作為使用真實設備前后的補充．該產品將包括24個虛擬實驗室，這些實驗室與物理標準的全年課程目標一致．模擬的特點是實驗室設備的交互式、實時三維表示，以及數據收集、分析、繪圖和報告功能，允許用戶在線執行實驗的所有階段．當學生使用過程或生成不合理的結果時，實驗室將包含嵌入式反饋．教師的專業發展和支持也將包括在內．

附錄2：項目簡介樣本3

這個項目組將開發并測試一個笛卡爾的原型，這是一個為四~七年級學生設計建造工程項目的在線游戲和仿真平臺．該原型將包括一個虛擬工作區，供學生創建和測試模型．學生們將運用所學的工程學原理來設計一艘船，該原型將包含一個3D打印機來創建一個現實的模擬模型．在3間五年級或六年級教室的試點研究中，研究人員將檢查原型是否按計劃發揮作用，教師是否認為原型可以在課堂環境中實現，以及學生在使用原型時是否投入．

G420

A

1004–9894（2019）03–0053–09

2019–05–27

王科（1982—），男，安徽含山人，美國德克薩斯農工大學教學與文化系博士，主要從事數學教育研究．

王科，李業平，肖煜．STEM教育研究發展的現狀和趨勢：解讀美國STEM教育研究項目[J]．數學教育學報，2019，28（3）：53-61．

[責任編校：周學智、張楠]