美國技術增強型的STEM教學路徑

羅純源

摘? ?要：近年來，美國STEM教育越來越呈現技術增強型的趨勢，政府各部門發布的一系列政策都體現了對將技術融入STEM教育以促進學生STEM學習的重視。2018年，美國公布STEM教育的“北極星計劃”，尤其強調提高學生的數字素養和計算素養的教育發展路徑，《用技術支持STEM學習的九個維度》這篇報告正是具體論述如何轉變現有STEM教育模式，從而在方法論上接入該發展路徑。文章在分析目前美國STEM教育現狀和教育政策的基礎上，對《用技術支持STEM學習的九個維度》報告進行解讀，將這九個維度劃分為技術促進互動、技術強化問題解決能力、技術培養科研精神三個方面進行具體論述，并基于對報告及相關文獻的解讀給出了對于中國STEM教育發展的建議。

關鍵詞：STEM教育 教育技術 數字化

作為STEM教育的誕生地，美國一直走在STEM教育發展的前沿。STEM教育為美國培養了大量科技創新人才，從而使其在世界范圍內奠定了科技競爭力的領先地位。為了應對未來更加激烈的科技競爭，其必須不斷變革其STEM教育模式，培養出更多具備數字素養、信息素養和創新思維的人才。從近十年美國政府機構發布的相關政策和報告中可以看出，實施技術增強型的STEM教學已成為變革的航向。美國的STEM教育現狀促使其抓住變革的機遇，突破瓶頸從而實現更為長遠的發展。

2019年10月，美國聯邦教育部教育技術辦公室（Office of Educational Technology）發布了一份題為《用技術支持STEM學習的九個維度》（Nine Dimensions for Supporting Powerful STEM Learning with Technology）的報告。該報告響應“北極星計劃”制定的目標和路線，明確指出技術可以成為轉換STEM教學和學習方式的強大工具，探討了將創新的數字技術整合到教育中的影響，并歸納了有效利用技術來深化學生STEM體驗的九大路徑。[1]

一、《用技術支持STEM學習的九個維度》報告發布背景與目的

（一）美國STEM教育發展現狀

通過美國國家科學基金會（National Science Foundation，NSF）發布的《中小學數學與科學教育》（Elementary and Secondary Mathematics and Science Education）[2]和《2020年美國科學與工程狀況》（The State of U.S. Science & Engineering 2020）兩份報告，可以了解到近年來美國K-12階段STEM教育、STEM高等教育、STEM創新、STEM勞動力、美國公眾對于科學技術的態度等方面的概況。[3]

1.社會經濟地位差距使學生在數學和科學成績上的差異越來越大

研究人員發現，學生在數學和科學方面的早期經驗和成就可能會影響他們在以后的學業生涯中對STEM學科的態度和信心[4]。然而，學生通常無法在平等的基礎上開始STEM學習——對幼兒園學生進行的評估揭示了學生因為家庭社會經濟地位、種族或民族等因素在數學和科學成績上產生的差距，其中一些差距隨著學生學業的繼續而持續存在，甚至逐漸擴大[5]。歸根結底，種族因素最終指向的還是社會經濟地位，可以認為社會經濟地位是導致近些年來美國學生STEM學習成效差距的根本因素。

除了上述原因，還有多種因素導致了學生STEM教育的早期差距，其中包括學生是否有充足的機會參與非正式學習和能否得到高質量的學前教育[6]。另外，教育信息化也在某種程度上給學生帶來技術門檻。

2.在國際評估中，美國學生的數學和科學成績表現并沒有非常突出

根據國際數學與科學成就趨勢調查（TIMSS）評估①，相對于其他參與評估的發達國家的學生，美國八年級學生在數學和科學上的表現并不十分突出。在2015年參與TIMSS的19個發達國家中，美國在數學和科學方面的平均分數均排名第9，新加坡、韓國、日本等亞洲國家在分數表現上遠遠超越了美國[7]。美國聯邦教育部逐漸意識到，應當想辦法突破現今STEM教育的瓶頸，變革傳統的STEM教育模式，尋求新的發展路徑，以提高其義務教育階段學生的總體STEM素養。

3.各國STEM高等教育學位產出競爭激烈

在所有國家中，美國授予的STEM博士學位最多，接收的國際學生也最多，但是從工程類STEM專業的博士學位數量來看，美國面臨著來自中國的巨大競爭壓力。中國的STEM博士學位數量增長迅速，美國高等教育機構希望進一步提高STEM領域學生的入學率和保有率。

4.美國企業積極進行技術創新，科技成果轉化率較高

美國企業積極將新的技術應用于企業生產管理的過程，從而實現技術創新。風險投資的數據顯示，新興領域的投資者看到了潛在的商業影響。在美國，風險投資主要集中在依賴軟件的領域，包括移動技術、人工智能、大數據、工業和金融技術。在這些領域中，人工智能技術的投資增長最快。這些現象非常有力地說明，新的研發成果不能僅停留在知識和理論的層面，而且要積極應用于經濟生產和商業實踐，才能發揮其應用價值，吸引更多資源投入，反哺學術研究，從而促進知識的良性循環。

5.具備STEM技術專長的人才在勞動力市場中更具優勢

勞動力市場對STEM人才的需求量很大并保持穩定增長。美國的STEM職位主要包括軟件開發人員、計算機系統分析師、化學家、數學家、經濟學家、心理學家、工程師等，其增長速度超過了整體勞動力的增加速度，目前占美國整體勞動力的5%（約700萬職位）[8]。另外，從事STEM相關職業的人員收入也遠高于其他職業。

需要注意的是，不僅STEM相關行業和機構對STEM技能專長有所要求，許多非STEM領域的行業和機構也同樣對STEM技能有需求。

（一）促進學生互動

技術將大大提高學生在STEM教學中的參與度。通過數字技術、仿真技術、虛擬現實技術，學生可以與學習內容、師生積極互動，從而構建良好的學習社區，促進個體知識和群體知識的深層建構。

1.動態表征

讓學生通過與數字模型，仿真以及數學、科學和工程系統的動態表征進行交互來學習和掌握STEM概念。動態表征（如數字模型、交互式仿真和虛擬環境技術）是科學家、數學家和工程師常常使用的基本工具。基于計算機模型的動態表征往往更能引起學習者的學習興趣，并幫助他們構建更為準確的自然現象或工程現象的心理模型（mental model）②。例如，學生可以通過在線模擬工具對一個地區的溫度、濕度和降雨量進行測量，從而全面了解該地區的氣候情況。

動態表征以動態可視化的形式向學生傳遞教學信息，除了能最大程度地吸引學生的注意力，還能給予學生親自動手實踐的機會，加深對過程性和概念性知識的理解，構建自己的認知地圖。在這個過程中學生和教學內容之間產生良性互動，不再是傳統的單向輸入。

2.協作推理

學生利用相關技術工具圍繞STEM概念進行協作推理，過程中小組成員平等參與、共同進步。不斷構建和維持對問題的共同理解、協作推理可以有效促進學生學習。當學生一起思考某個STEM概念時，他們會對概念的涵義進行反復協商以達成共識。在這個過程中，技術可以通過提供多樣化的交流方式、對社區知識無障礙的訪問來增強協作。研究表明，當學生通過與他人互動來獲得支持和指導時，他們將更多地從協作活動中受益。數字協作平臺相比傳統協作模式具備更為強大的同伴交互功能，并且可以起到均衡參與度的作用（鼓勵小組的每個成員都積極參加，讓協作不被少數人主導）。

3.直接的個性化反饋

數字工具可以為學生的STEM學習和實踐提供即時和個性化的反饋。反饋被認為是影響學生學習的最有力手段之一。當學生面對具有挑戰性的學習任務時，反饋會告知學習者所需的績效水平，以便他們為自己設定合理的目標，并以此指導后續的學習行動。此外，如果學生能夠根據反饋調整自己的學習計劃，反饋還可以幫助他們縮小當前的績效水平與預期績效水平之間的差距。

根據課程的學習目標，反饋可以采取多種不同的形式，如延時反饋或即時反饋、個人反饋或小組反饋等，在不同的情況下適用的反饋形式有所不同。數字技術能夠兼容更多的反饋形式，并且能較為便捷和即時地為每個學生提供個性化反饋，從而引導學生學習行為。反饋從根本上來說其實是學習者與教師的互動。在這個維度中，技術可以分擔教師的部分職能，讓每個學生都能及時得到有針對性的指導，這在STEM學習中是非常有必要的。

（二）強化學生問題解決能力

技術可以培養學生問題解決的能力或者成為學生解決問題的工具。強化學生問題解決能力不僅是為了讓學生實現經過教學設計的良構問題的解決，更重要的是延伸到現實復雜情境中非良構問題③的解決。技術可以幫助學生輸出觀點、掌握系統化的問題解決流程、養成解決問題的計算思維、進行整體化的問題解決并對問題解決的質量進行評估。

1.科學論證技能

學生能夠利用技術進行科學論證，包括提出和評估科學或數學主張的證據。科學論證是一個思維過程，需要學生運用批判性思維來提出和捍衛解釋科學現象概念的證據。科學論證對于科學的所有領域的實踐都至關重要。在課堂里，科學論證使學生能夠建構知識并賦予他們權力來評判他人的主張是否合理;而在真實情境中，科學論證技能也可幫助學生收集相關證據為自己的主張進行辯護。可以說，科學論證技能已成為現代公民必備的核心技能之一。為了順應時代需求， 絕大多數國家的科學課程標準都將學生的論證能力作為重要的培養目標[16]。在此維度中，技術可以為學生創設情境、搭建支架，從而幫助學生提高科學論證技能。科學論證是學生輸出觀點的必要步驟，任何STEM領域創新理念的輸出都需要經過嚴密的科學論證，而觀點輸出則是進行問題解決的前提。

2.工程設計流程

學生可以使用工程設計流程和相關支持技術來計劃、修訂、測試、實施問題解決方案。

工程設計是指以數學和科學知識為基礎，有目標地進行工程產品構思和計劃的過程，是工程教育的重要組成部分[17]。工程設計是一個迭代的系統化過程。工程師根據已有的知識反復測試和調整設計出新版本，然后采取系統化的步驟改進設計。在這個過程中，他們通過數據提出問題，確定成功的解決方案的標準并鑒別制約因素。因而，數字工具在工程設計流程中起著核心作用。

在這個維度中，技術輔助學生進行工程設計，幫助學生通過迭代改進設計步驟將觀點轉化為實踐，從而實現問題解決。另外，技術還為學生提供了將科學和數學思想應用于具體設計的機會。簡而言之，技術可以幫助學生掌握系統化的問題解決流程。

3.計算思維

學生運用信息技術，通過算法、數據和模擬來調查問題并獲得對現象的新理解，從而解決問題。計算思維是指使用一定方法和工具對問題及其解決方案進行表述和分析，并通過算法思維來促進抽象推理和程序自動化。簡單來說，計算思維將一個復雜問題拆解為簡單可操作的子問題，然后使用一系列清晰步驟來有順序地解決每個子問題;證明解決方案有效后，將其遷移到類似問題中;最后通過計算機使問題解決過程自動化。計算思維包括問題拆解、算法、抽象、自動化等方面的能力[18]。這些能力不僅是計算機教育關注的核心素養，更應當是STEM教育需要重點培養的思維能力。在STEM教育中，讓學生運用計算思維進行實踐的教學設計應當廣泛適用于科學和數學相關學科，教學設計者還應當為學生處理抽象數據提供遷移機會和應用環境。

在這個維度中，技術是培養學生計算思維和幫助學生實現問題解決自動化的有力工具，培養學生的計算思維必然離不開信息技術的應用。而計算思維是在STEM領域中進行問題解決時必須具備的一種思維方式。

4.基于項目的跨學科學習

學生可以在結合多個STEM領域的基于項目或挑戰的真實學習活動中使用數字技術工具。分科教學在反映現實世界的真實問題方面具有很大的弊端。針對這一問題，取消分科、進行整合教育已成為一種教育趨勢。STEM代表的是科學、技術、工程和數學相關的學科統整的知識領域，跨學科性就是STEM教育的核心特征[19]。跨學科學習需要學生打破學科界限，綜合應用STEM領域中相互關聯的知識來解決實際問題。

STEM跨學科整合最核心的工作是項目設計。在這個過程中，學生可以使用數字技術來查找、組織和交流信息，進行任務管理并創建最終產品。通過基于項目的跨學科學習活動，學生不僅可以習得重要的STEM知識，還可以在實際情況中結合其他知識和技能進行應用。

在這個維度中，數字技術可以幫助學生獲取信息、運用信息并創建和輸出有形的項目成果，最重要的是它可以培養學生跨學科綜合解決問題的能力，避免學生因為過于關注學科界限、忽視知識聯系，將重心局限于某個特定問題，從而影響問題的整體解決。

5.嵌入式評估

將數字評估嵌入STEM教學中，以提示學生對他們的解釋、模型和問題解決方案的質量進行反思。當教學設計者將數字評估嵌入到STEM教學中時，數字評估可以在學生科學探究過程中為他們提供有關自身STEM實踐質量的豐富信息。當用于形成性評價時，數字評估有助于調整教學內容，以更好地滿足學習者的需求;而當用于總結性評價時，數字評估可以幫助學生評價產出的解決方案的質量。

在這個維度中，技術可以作為對學生進行評估的主體——通過數字技術為學生提供能夠幫助改進自身STEM實踐的信息;技術也可以作為對學生進行評估的渠道——同行和專家可以在學生進行科學探究的過程中隨時介入進行評估。總而言之，技術可以幫助學生評估自己或他人的問題解決方案或產品質量。

（三）培養學生的科研精神

技術可以讓學生理解領域專家進行學術研究的實踐過程，培養學生對于科研探究的興趣和基本素養。學生利用技術工具來開發基于數據和證據的模型。開發和測試基于證據的模型是科學家在研究有關自然界的理論時所進行的一種核心實踐，而工程師在設計針對實際問題的系統性解決方案時也需要依賴基于證據的模型。為了深入理解STEM專家進行的實踐，學生需要開發自己的基于證據的模型，并發展解釋分析這些證據的能力。

在這個維度中，技術可以幫助學生繪制和開發自己基于證據的模型。而讓學生開發的模型能夠深化學生對于科研探究的理解，引起學生對于科研的興趣并最終引導在這方面存在天賦的學生走上科研的學術道路。

三、啟示

通過了解美國近年來的STEM教育現狀和政策背景，并對《用技術支持STEM學習的九個維度》進行解讀，可以發現美國的STEM教育在與技術的深度融合、跨學科整合以及充分引導學生進行自主探究等方面正在進行變革性的嘗試。我國STEM教育可借鑒以下建議。

（一） STEM教育應轉變視角，做到真正意義上的以學生為中心

我國的STEM教育目前采用較多的仍然是講授式教學，尤其是在高等教育之前。教師將事先架構好的由易到難的學科知識按照單元模塊單向地傳輸給學生，然后布置給學生書面練習來測驗學生的知識掌握程度，學生僅僅可從自己的練習完成情況中得到關于自身學習的反饋。在這個過程中，學生鮮少能與教師進行互動，也很難自主建構知識網絡，他們習得的知識體系是提前組建好的。STEM教育應當將主視角從教師轉變到學生，讓學生成為知識的生成者而不是接收者，這才是真正意義上的以學生為中心。以學生為中心的STEM教學的關鍵就是要促進學生自我主導地積極參與學習過程[20]。學生可以在各種技術的支持下進行協作推理、科學論證、工程設計和基于證據的模型開發，在這個過程中他們能夠越來越熟練地運用技術來達到自己的目的，并通過自身的STEM實踐轉變思維方式，培養科學探究的思維能力，從而實現有意義的學習。

（二）STEM教育應進行跨學科整合，培養學生解決真實問題的能力

當前，我國初高中的STEM教育仍以應試教育為主，所有教學活動的展開基本圍繞提高學生的科目考試成績，因此各科的知識體系基本上鮮有交叉，更遑論讓學生實現綜合應用。當然，近些年來的高考改革多多少少打破了學科之間的界限，但是這對于學生能夠綜合地解決STEM領域的真實問題遠遠不夠。

比起知識的接收，更重要的是要培養學生主動學習的技能和解決問題的能力，因此跨學科的項目學習對于目前的STEM教育改革來說很有必要。《STEM 2026：STEM教育中的創新愿景》報告曾強調，STEM課程需要通過設計跨界實踐解決真實問題來轉變傳統教育模式。跨學科項目實踐能夠幫助學生將想法輸出，將理論轉化為實踐，再從實踐中尋找創新突破。在這個過程中學生不僅可以培養4C學習技能（批判性思維、創新思維、溝通能力、協作能力），而且可以找到未來的職業興趣和方向。

（三）STEM教育應與技術深度融合，提高學生數字素養

從目前國內的研究狀況看，公民數字素養意識普遍不強，國家與社會需要高度重視[21]。STEM教育應當充分使用各種數字化工具、信息技術、虛擬現實技術以及人工智能技術來幫助學生更好地進行STEM的概念學習和實踐應用。在這個過程中，學生的行為方式和思維特征也會發生改變[22]。學生通過技術增強型的STEM教育不僅獲取知識，掌握了技術工具的操作方法，而且隨著學習的深化，能夠使用算法的邏輯思維去認識問題和分析問題，最終設計出程序化的解決方案。

如果學生具備足夠的數字素養，那么當他們面臨現實世界的復雜問題或在未來的STEM領域工作中遇到挑戰時，他們能夠自然而然地使用數字化工具幫助自己解決問題，并在信息技術對之前知識進行整合的情況下，更容易充分調動各種資源實現創新，成為信息世界知識的“創造者”和“分享者”。

注釋：

①TIMSS是國際教育成就評價協會（International Association for the Evaluation of Educational Achievement，IEA）從1995年開始實施的國際數學與科學趨勢研究項目。

②心理模型（mental model）是用于解釋人的內部心理活動過程而構造的一種比擬性的描述或表示，可描述和闡明一個心理過程或事件。本質上說，心理模型是經過組織的知識結構。

③非良構問題指在日常生活的具體情境中，很難進行明確的界定、問題的陳述對問題的解決也沒有任何幫助的這一類問題。在解決非良構問題的過程中，目標的數量是很難清晰界定的，有利于解決的信息通常也是不完整的、不正確的和模糊的。

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編輯 呂伊雯? ?校對 徐玲玲