STEM教育與中小學生創造力關系的Meta分析

邱德峰 于澤元 陳紅

摘要：STEM教育一度被視為培養學生創造力的重要路徑，為此國內外學者開展了大量的實驗研究，然而，研究結論卻大相徑庭。鑒于此，文章采用元分析對近十年來國內外有關STEM教育對中小學生創造力影響的30篇實驗或準實驗研究論文進行量化分析。研究發現：1.STEM教育能夠顯著提升中小學生的創造力，合并后的效應量為0.50，達到了中等程度的影響;2.在調節效應分析當中，STEM教育受教學時間、教學場域等變量的調節;3.在學段、學習科目、學習類型等調節變量上不存在顯著差異。因此，就創造力的培養而言，未來可明確加強STEM教育的時間投入，建立與STEM教育相適宜的多元化的學習場域，促進學生創造力的發展。

關鍵詞：STEM教育;Meta分析;創造力;主效應分析;調節效應分析

一、研究背景

創造力是21世紀學習的關鍵，同時也是學生發展核心素養的關鍵組成部分，一直以來，培養具有創造力和創新性思維的人才是世界各國共同關注的重大議題。為了培養學生的創造力，世界各國紛紛展開探究及實踐，而STEM教育的提出正是對創造力人才培養的一種重要回應。STEM教育旨在為全球性問題（特別是2030可持續發展目標中的問題）提供創新性的解決方案，強調以跨學科的知識和方法解決實踐問題，培養學生的創新意識和能力。目前，在世界范圍內已掀起了轟轟烈烈的STEM教育運動，旨在培養學生的創造力。

然而，STEM教育真的能夠提高學生的創造力嗎？STEM教育究竟是一種“跟風炒作”或“研究熱潮”，還是真有益于學生的創造力發展？目前，關于上述問題的結論存在不少爭議。例如，有研究認為STEM教育能夠顯著提升中小學生的創造力，對學生創造力的發展有積極的影響。妮拉·費納（NilaySener）等人采用了準實驗的方式，研究了不同學習環境中實施科學教育項目對中學生創造性思維能力及其對科學課態度的影響，研究結果顯示，實施科學教育項目有效地提高了學生對科學的態度和創造性思維水平，實驗組的創造力得分要顯著優于對照組[實驗組M=92.94，對照組M=69.50，t（49）=5.399;p<0.05]，也即說明實施了科學教育項目的學生創造力得到了明顯提升。然而，也有研究認為STEM教育對中小學生創造力發展沒有影響，或否定了STEM教育在學生創造力中的作用。例如，仲嬌嬌采用托蘭斯創造思維測驗對12名小學生進行了準實驗研究，研究結果顯示，實驗組在創造性思維測驗的得分均值低于對照組在創造性思維測驗的得分（M實驗組=93.271

為了有效探究STEM教育與學生創造力的關系，本研究采用元分析（Meta analysis）作為研究方法，試圖明晰STEM教育與學生的創造力的關系，同時也進一步探究STEM教育在不同的學科、學段、學習周期、學習方式以及學習場域等調節變量上的表現。通過客觀的分析，以期解決當下的爭議，并為后續進一步開展STEM教育研究提供參考和依據。

二、研究設計

1.研究方法

為了客觀地揭示STEM教育對中小學生創造力的影響效果，本文采用國際學界比較認可的、嚴謹的Meta分析作為研究方法。Meta分析是一種對具有相同研究目的的多個獨立研究結果進行系統分析、定量綜合的一種研究方法。其通過采用科學的方式匯總他人研究結果，從而獲得較為客觀可靠的結論。在本研究中，主要是科學地匯總已有STEM教育與中小學生創造力的相關實證研究成果，經過一定的定量統計分析，來反映STEM教育對學生創造力的影響效果。

2.數據來源

為了盡可能地保證數據的全面性，本研究全面檢索了國內外本領域常用的數據庫，其中國內數據庫主要以CNKI、萬方和維普為代表，外文數據主要以ERIC、Springer Link、STOR（Joumal Storage）、TaylorFrancis Online、Web of Science等為主，同時也在Google Scholar以及百度學術等網站上進行查漏補充。檢索策略為：中文以“STEM教育，OR STEM教學，OR STEM課程，OR STEM學習”為關鍵詞進行主題檢索，英文以“STEM Education，OR STEM Teaching，OR STEM Curriculum，OR STEM Learning”為關鍵詞進行主題檢索，所有檢索時間均截止到2019年8月31日。隨后，對初步檢索到的文獻進行進一步篩選和排查。

3.文獻納入標準

為了獲取可供Meta分析的研究文獻，還需進一步對相關主題文獻進行篩選和排查，確定納入的標準。本研究文獻納入的標準如下：（1）研究主題涉及STEM教育與學生創造力的相關研究;（2）研究對象是以中小學生為主，大學生以及其他學習者不在納入范疇;（3）研究方法須是實驗或準實驗研究;（4）研究數據明確包含樣本量、均值、標準差、T值等結局指標，以便計算出實驗效應值。經過篩選排查，最終獲取30篇合格文獻（其中國外文獻21篇、國內文獻9篇），以此30篇文獻作為正式Meta分析的樣本。文獻篩選流程如圖1所示。

4.特征值編碼

為了便于后續的亞組分析，本研究根據樣本文獻的特征，從作者、發表年份、實驗人數、學段、學習科目、學習周期、學習方式以及學習場域等維度進行編碼。其中，學段編碼為小學（1-6年級）、初中（7-9年級）、高中（10-12年級）。學習科目編碼為數學、科學、地理、化學、生物、機器人、信息技術以及STEM課程等。學習周期編碼為0-3個月、3-6個月以及6個月以上。學習方式編碼為問題式、項目式學習以及設計式學習。學習場域分為I型學習場域和Ⅱ型學習場域，其中，I型學習場域主要是指常規的普通課堂教室，Ⅱ型學習場域范圍較廣，主要是指除了I型學習場域以外的其他場域，如科技館、實驗室、工作間、生活場域等。總的編碼結果如表1所示：

5.數據分析

（3）學習周期的調節效應分析

研究還進一步考察了不同學習周期的亞組分析結果（見表2），從表中分析結果可知，不同組別之間存在顯著的異質性（I²=86%，P<0.01），也就意味著STEM學習周期不同，其對學生創造力的影響不同，且這種差異達到了統計學意義。該結論正與雷諾茲（Reynolds）等人的研究相呼應，雷諾茲等人研究發現，學生創造力的發展與教學周期之間具有一定的正相關。從合并后的效應量大小來看，學習時間6個月及以上的STEM干預對學生創造力的提升效果最為顯著，效應量為0.61，達到了中等偏上程度的正相關。其次是3-6個月，效應量為0.47。最后為0-3個月，效應量為0.46。即說明，STEM教學周期越長，學生創造力提升越明顯。

（4）學習方式的調節效應分析

表2還呈現了不同學習方式亞組分析的結果，從表中數據可知，三種不同的學習方式——設計式學習、項目式學習和問題式學習均能夠提升中小學生的創造力，其效應量大小依次為設計式（1.26）、項目式（0.78）、問題式（0.57），且均達到了顯著性水平。此結論在已有研究中得到驗證，例如，樓世杰（Lou SJ）等人將項目式學習的五個關鍵階段（準備、實施、展示、評估以及修正）運用到STEM教學當中，研究發現，在基于項目式學習的STEM教育驅動下，學生的創造力得到了明顯提升，同時，也可進一步激發學生創造力情感領域的發展，諸如冒險、好奇心、想象力和挑戰等。同樣，也有不少研究證實，設計式的STEM學習（Kim&Choi，2012;Park&Yoo，2013）以及問題式的STEM學習（Judson，2014;Mehalik，M.M.，et al.，2016;劉雪，2018）也能夠顯著提升學生的創造力。此外，從組間分析可知，組間不存在顯著差異（Chi=4.53，P=0.10>0.05），每種學習方式都具有正向作用，均能夠提升學生的創造力，并不存在某種唯一或具有明顯優勢的STEM學習方式。

（5）學習場域的調節效應分析

從學習場域的調節效應亞組分析可知，在兩種不同的學習場域中實施STEM教育均能夠提升中小學生的創造力，且達到了顯著水平（P<0.01）。在已有的研究中，里斯基夫斯基（Riskowski）等人基于傳統的I型教室場域展開了STEM教育與學生創造力的關系探究，研究發現學生的創造力獲得了明顯的提升;同樣的結論在龐瑜等人的研究中也可以得到證實。而萊姆（Lam，P.）等人、孔永泰和霍孫晨（Kong，Y.T.& Huo，S.C.）等人研究了II型場域中STEM教育對學生創造力的影響，研究顯示接受STEM教育的學生創造力均有顯著的提升。此外，從效應量的大小來看，I型教學場域（傳統課堂教室）合并后的效應量為0.65，II型教學場域（實驗室、生活場景等）合并后的效應量為1.25。而在組間的異質性檢驗中，I²=76.7%，P=0.04<0.05，提示組間存在較強的異質性，且達到了顯著水平。言下之意，I型場域和II型場域在提升中小學生創造力的效果上存在顯著差異，而從效應量的大小可知，II型場域對提升中小學生創造力的效果要明顯優于I型場域。

四、總結與討論

1.主效應討論

基于對30項國內外STEM教育與中小學生創造力關系的Meta分析發現，中小學實施STEM教育確實有利于學生創造力的發展，能夠對學生創造力的提升產生一定的推動作用。主效應分析其合并后的效應量為0.50，且P<0.05，也即說明STEM能夠顯著提升中小學生的創造力，并具有中等程度的正向影響。因此可以確定，作為一種新的課程形式，STEM教育是提升學生創造力的可靠途徑。未來可加大STEM教育的推廣力度，在更多的學校開展STEM教育，讓學生有機會參與STEM教育活動當中，促進其創造力的發展。本次研究在很大程度上證實了STEM教育在培養學生創造力上的作用，同時，也回應了當前STEM教育與學生創造力關系上的爭議，能夠為今后中小學繼續開展STEM教育提供參考依據。

2.調節效應討論

為了進一步探究STEM教育與中小學生創造力的關系，研究還對學段、學習科目、學習周期、學習類型以及學習場域等調節變量進行了亞組分析，以進一步考察STEM教育在不同背景變量上，對提升中小學生創造力的影響和差異。研究表明：（1）在學段的調節效應分析中，在小學、初中和高中實施STEM教育均能夠顯著提升學生的創造力，且不同學段之間的創造力的效應大小之間不存在顯著差異，也就是說，從STEM教育干預的角度而言，并不存在某個“黃金期”，高中、初中、小學每個階段都是學生創造力發展的關鍵階段，恰當的STEM干預或訓練均有顯著的效果。（2）在學科的調節效應分析中，在各個學科中實施STEM教育干預均能夠顯著提升學生的創造力，同時研究結果還顯示，不同學科之間在提升學生創造力發展上不存在顯著差異，不過，在本研究中，由于學科分組導致個別組內樣本量較少，尤其是在地理、機器人、化學和信息技術等科目上，納入的文獻只有卜2篇，故亞組分析結果暫無足夠的說服力，后續需要納入更多的研究來證明學科之間是否存在顯著差異。（3）在教學周期的調節效應分析中，STEM教學持續的時間越長，學生創造力的提升效果越明顯。因此，持久的STEM教育對學生創造力的發展是十分有利的。在今后的中小學教學實踐當中，可以適當延長STEM的教學周期，學校可設置足夠的課時比例，從而確保STEM教育對學生創造力發展的延續性。（4）在學習方式的調節效應分析中，以三種不同的學習方式（設計式學習、項目式學習以及問題式學習）開展STEM教育，均能夠顯著提高學生的創造力水平。然而，該三種不同的學習方式在提升學生創造力的效果上并無顯著差異，言下之意，不管是哪種學習方式都有各自的特點及優勢，在學生的創造力培養過程中均能發揮獨特的作用，每所學校可根據自身的實際特點，靈活選用和制訂學習方式。（5）在學習場域的調節效應分析中，研究發現，I型學習場域（傳統的課堂教室）和II型學習場域（如實驗室、工作坊、生活場景等）都能夠顯著提升學生的創造力，相對而言，II型學習場域對學生創造力的提升更為明顯。也就是說，在新型學習場域（如實驗室、科技館、工作間、生活場景等）中實施STEM教育，對學生創造力的培養比在傳統教室實施更有優勢，未來亦可考慮創設更多的新型學習環境，將學生的STEM學習帶人更加開放和多元的環境，為學生創造力的發展提供最佳的場域。

五、研究不足與未來展望

本研究基本證實了STEM教育在培養學生創造力方面的積極意義，然而，研究本身也存在一定的局限性：其一，為了盡可能保證研究的全面性，研究所納入的文獻包括實驗或準實驗研究，因此在研究方法上難以做到完全一致和統一，從而使得Meta分析的結果具有較低程度的異質性。盡管采用了隨機效應模型來消除可能存在的偏差，但并不能完全排除異質性干擾的可能。其二，樣本數量具有一定的限制性，在納入Meta分析的獨立研究當中，大部分研究實驗組和對照組的樣本數量偏低，缺乏大樣本的獨立研究。同時，在調節效應分析中，存在部分調節變量亞組分析樣本分布不均衡的情況，其也會在一定程度上影響調節變量分析的結果。其三，在調節變量的亞組分析時，只分析了學段、科學、教學周期、學習方式以及學習場域等各個獨立研究共有的調節變量，而其他調節變量暫未納入討論分析范疇。

針對本研究主題，未來應加強以下幾個方面的研究及改進：其一，繼續關注本研究領域，及時更新納入新的研究，不斷匯總更多的獨立研究成果，擴大樣本數量。其二，盡可能更多地納入分析其他的調節變量，進一步探究STEM教育提升中小學生創造力的“真正”原因。其三，制定更為嚴格的文獻篩選標準，排除文獻本身可能引起的偏差。