美國研究生STEM 教育發展趨勢及應對策略
——基于《面向21世紀的研究生STEM 教育》的分析

文少保,王曼暇

一、問題的提出

STEM 教育是指融合了科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)和數學(Mathematics)四門學科的跨學科整合教育,旨在培養學生的綜合素養、創新精神和實踐能力。作為國家科技創新的有效途徑和實踐手段,STEM 教育在提升國民素質、推動經濟發展方面發揮了重大作用。研究生STEM 教育更被看作是培養復合型創新人才的抓手,是驅動科技創新力、增強經濟發展力、提升國家競爭力的助推器。[1]對美國甚至世界的科學研究、科學技術創新以及相關政策制定都具有廣泛影響力的美國國家科學、工程和醫學學院(National Academies of Sciences,Engineering,and Medicine)在2018年5月29日發布了《面向21世紀的研究生STEM 教育》(《Graduate STEM Education for the 21st Century》),該報告在總結美國現階段研究生STEM 教育的基礎上,聚焦透明度和核心競爭力,指出雖然美國研究生STEM 教育在世界名列前茅,但仍須不斷變革,使研究生在面對不斷變化的科技發展和不同的職業生涯時做好準備。[2]該報告也是繼1995年的《重塑科學家和工程師的研究生教育》(Reshaping the Graduate Education of Scientists and Engineers)審查報告之后對美國研究生STEM 教育開展的第二次全面審查。

美國科學促進會(American Association for the Advancement of Science)名譽首席執行官艾倫·萊施納(Alan I.Leshner)擔任該委員會主席以及報告的編輯。審查工作歷時18個月,收集了大量數據,與包括學生、教師、大學管理人員、行業領導者和政策制定者在內的各種利益相關者進行了廣泛的討論,還委托相關部門進行專門分析來審查研究生階段STEM 教育實踐中的學術研究工作。[3]因此報告較為科學和全面地展示了美國現階段研究生STEM教育的現狀。這一報告在美國廣泛傳播,它通過分析現階段的研究生STEM 教育,提出其中存在的問題,呼吁采用一種以學生為中心的新項目、政策和實踐來加強美國的研究生STEM 教育。為此,本文在梳理美國研究生STEM 教育歷史背景的基礎上,充分提煉了該報告中美國STEM 的教育發展趨勢及其應對這些變化的策略,以期對我國新工科研究生培養提供啟示。

二、報告內容分析及其結果

報告的主體部分分為六章,第一章闡述了推動文件產生的原因;第二章對現行的研究生STEM 教育制度進行了分析,從性別、種族、公民身份以及殘疾狀況等對美國研究生STEM 教育的入學率以及學位獲得數量進了統計,將收集的大量數據通過圖表展示出來;第三章、第四章和第五章分別從碩士階段、博士階段以及兩階段交叉部分的STEM 教育入手提供了一系列詳細的建議,通過解決當前STEM教育的需求以及預測研究生教育的未來環境,確保研究生STEM 教育系統保持活力;第六章概述了如果本報告中的所有建議都得到執行后理想的研究生教育制度,其中還提供了一份給研究生STEM 教育實行過程中相關組織的建議清單,以明確每個利益相關方在實施委員會設想的研究生STEM 教育體系方面必須做的工作。

在對文件的翻譯和梳理過程中,其高度透明的數據和高度實用的建議舉措令人印象深刻。首先,這份報告呼吁采取一種更加完備和系統的方法來推進研究生STEM 教育,因為只有在STEM 研究生教育系統內所有的利益相關方作出一致和堅定的承諾,本報告中提出的目標才能實現。其次,報告還提出了一個理想的研究生STEM 教育系統,然后為系統中的每個利益相關者提供了具體的行動步驟,以幫助實現這一理想。重要的是這份報告還呼吁當前的STEM 教育系統應當從主要側重于高等教育機構和研究企業本身的需求轉變為以學生為中心,更加強調和關注具有不同需求和面對許多挑戰的研究生個人,將研究生培養成為具備創新能力的科學與工程人才。

為了克服在文本內容研究上的主觀性和不確定性,本文使用了由日本學者樋口耕一開發的一款名為KH Coder的文本數據挖掘軟件對該報告的文本內容進行分析;該軟件具備強大的文本數據挖掘功能,在日本的社會學、經濟學、語言學、教育學等多個研究領域得到廣泛應用。[4]本文主要是運用了軟件中對高頻詞的共現網絡分析這一功能,詞頻統計可以通過頻繁出現的詞來揭示文本主題的重要線索,共現網絡分析則是通過確定兩個或多個詞語共同出現的可能性來洞悉高頻詞語的語義網絡。軟件通過圖譜的形式呈現了分析結果(圖1),圖中的圓圈代表從文本中抽取的關鍵詞,連接圓圈的線段表示關鍵詞之間的聯系。

圖1 文本內容中高頻詞的共現關系圖

圖1中共呈現了15個共現群落(community),剔除一些意義不大的詞語并通過對報告具體內容的理解和梳理,最后凝練出STEM 領域研究生發展的5個應對策略。

(一)STEM 領域研究生核心能力的培養成為發展的關鍵策略

在共現群落01 中,除了STEM、education、graduate、student這類體現報告對象和主體的詞語外,值得關注的是core(核心)、competency(能力)、goal(目標)、career(職業生涯)和outcome(產出)五詞組成的語義網絡,根據對整個報告的整體理解,將之概括為在STEM 領域研究生的培養過程注重核心能力的培養,以更好地滿足學生的職業目標要求,從而提高研究生STEM 教育的產出。

報告中指出,21 世紀科技的發展和進步使STEM 領域也迎來新的變化和挑戰,大數據、云計算、人工智能、納米技術、基因編輯等新發展領域正在改變舊的科研方式,面對瞬息萬變的學習和工作環境,接受STEM 教育的研究生必須積極接受和整合這些新的科學研究領域和方法,掌握21世紀的核心能力。

報告的第四章和第五章分別對碩士研究生階段和博士研究生階段應具備的核心能力進行了闡述。在第四章中,委員會為了找到碩士學位的核心教育要素,審查了研究生院理事會(Council of Graduate Schools,簡稱CGS)的碩士學位校準框架,得出了碩士研究生應具備的4個核心能力;在第五章中,委員會根據收集到的數據和意見給出了博士研究生應該具備的兩大核心能力(具體見圖2)。

圖2 STEM 專業研究生應具備的核心能力

首先,強調跨學科能力。報告中指出STEM 領域的研究生除了要扎實地掌握某一專業領域的知識外,還應具有跨學科的知識,了解另一種不同的戰略、方法或技術,以便在面對復雜問題時能夠提出多學科和跨學科的理念和解決問題的方法論。跨學科能力尤其重要,因為隨著科學的發展和進步,傳統上定義科學和工程學科的界限變得模糊,而且越來越多的科學研究和應用以學科融合為重要特征。

其次,重視溝通能力、領導能力和團隊合作能力這類基礎性和可轉移性能力。報告中指出STEM專業領域的研究生除了在做研究的能力方面需要受到良好的培訓以外,還應該培養超越學科、適用于任何環境的技能。一是溝通能力,包括與同伴以及更大范圍相關人員的溝通,第五章還具體提出博士研究生還應具有向所有STEM 領域專業人士、其他相關的部門以及廣大公眾傳達研究或工作的重要性和影響的能力。二是團隊協作能力,這有利于讓具有其他學科專業知識和來自不同文化和學科背景的同伴參與研究,獲得更大成效。三是領導能力,包括對項目的領導和管理以及對人員的領導。除此之外,研究生還要基于自身發展的個人目標或職業目標,獲得其他技能,如獲得適當的教學技巧為未來的教師職業發展做準備,或者是學習管理方法為未來在工業、政府或非營利組織的職位做準備。

最后,強調科學研究規范和責任。報告中指出碩士研究生應當學習和理解研究責任和研究誠信的重要性,以系統的方式進行學習、研究和從事工作。博士研究生在開展原創性研究時,更應該學習和應用科學領域的專業規范和道德標準,以及科學家和工程師在專業和社會中所應承擔的道德責任。

報告中還為培養其中所提到的核心能力制定了詳細的行動規劃和建議;強調未來的研究生將能夠借助完全透明且易于獲取的數據,選擇他們的學習方案,這些數據包括學院及其各系的投入成本、可行的未來職業發展道路以及以前學生的成功經歷。

(二)STEM 領域研究生在性別、種族與公民身份等方面更加平等、包容和多樣化

在共現群落02和03,woman(女性)、earn(獲得)、degree(學位)、number(數量)以及increase(增長)組成了一個語義網絡,根據報告內容將其理解為通過關注性別差異在獲得學位數量上增長的不同來看美國研究生STEM 教育的發展趨勢,事實上,在報告的第二章中除了關注不同性別在入學率和學位獲得方面的數據和趨勢以外,還關注了不同種族和族裔、國籍以及殘疾狀況在研究生STEM 領域獲得學位的數據和趨勢。

圖3中4個柱狀圖摘自報告,報告中的數據來源于國家科學委員會(National Science Board,簡稱NSB)。左上為2000年至2015年間按性別和學位級別劃分的學位獲得數量柱狀圖。可以看到在STEM 領域,男性和女性獲得碩士和博士學位的數量都有明顯的增長,且總的來說男性獲得的學位數量多于女性。女性STEM 碩士學位的數量從2000年的41,700個增加到2015年的81,700個,男性碩士學位從2000年的54,600 個增加到2015 年的92,000個,女性博士學位的數量從9,300個增加到16,300 個,男性博士學位從16,100 個增加到22,900個。雖然從總量上來看,男性獲得了更多的STEM 研究生學位,但是從2000年到2015年,女性獲得STEM 研究生學位的比例增加更多,2015年女性獲得的學位比2000年增加了96%,而男性則增加了82%。在博士水平上,2015年女性獲得的學位比2000年多74%,而男性多43%。并且報告中還分別從STEM 教育中的工程和科學兩個領域比較了不同性別獲得學位的增長率,女性學位獲得的增長率都明顯高于男性,其中在生物科學領域的增長率更是男性的兩倍以上。

圖3 不同分類下STEM 領域研究生學位獲得數量情況[5]

左下和右下兩圖分別是在碩士和博士水平上2000年至2015年不同種族和族群的學位獲得數量變化情況,在碩士和博士獲得數量中占比最高的是白人種族,但從增長幅度來看,西班牙裔或拉丁裔學生的學位獲得增長率最高;白人學生的學位獲得增長率在博士階段是最低的,只有32%。

右上為美國公民(或永久居民)與臨時簽證持有者兩種不同公民身份在獲得學位數量上的變化,從2000年到2015年,獲得STEM 碩士學位的臨時簽證持有者增長了136%以上,而美國公民的增長率僅略高于71%;但來自研究生院理事會(CGS)的最新數據顯示,從2016年到2017年,所有領域的臨時簽證持有者入學人數都有所下降,這也是他們面臨的挑戰之一。

總的來說,美國STEM 領域的研究生構成在性別、種族與公民身份等方面都具有較為明顯的多樣性,并且在性別方面,雖然女性獲得學位數量依舊少于男性,但在多數專業女性學位獲得量的增長率要高于男性;在族裔方面,白人種族獲得學位數量的增長率也不及其他族裔;在公民身份方面,近年來臨時簽證持有者獲得學位數量減少。在關注這些差異以及變化的基礎上,報告指出理想的研究生STEM 教育應當使來自各種背景的學生通過透明的體制參與到STEM 教育系統之中,以實現其最大的潛力,學生們會被鼓勵去理解和處理該學科甚至跨學科的不同觀點、經驗和想法,加強他們所接受的研究生教育的多樣性,促進包容性和平等的學習環境的形成。

(三)STEM 教育領域研究生專業能力發展需要進一步社會化

在共現群落04中,development(發展)、society(社會)、professional(專業的)、skill(技能)等詞語組成了語義網絡,結合報告內容,將之概括為STEM教育領域的研究生為面向社會的發展需求被要求掌握更多的專業化知識。

該報告強調學生將在理想的STEM 教育系統中獲得廣泛的專業技術知識,并在感興趣的領域進行深入的社會化,在該過程中獲得在報告的第三章和第四章中概述的核心競爭力;學生在積累經驗的過程中也有機會交流他們的工作成果,要求他們有能力展示自己的工作,并接觸本專業以外的受眾,包括不同專業的同齡人、更廣泛的科學界或是非技術受眾。學生在掌握這些能力后,將會更好地理解與其工作相關的道德問題,學會考慮其工作對社會的更廣泛影響。

(四)研究生STEM 教育系統進一步明確各個利益相關方的行動支持

在共現群落05、09和12中,stakeholder(利益相關 者)、enterprise(企 業)、state(國 家)、funding(提供資金)、policy(政策)、agency(專門機構)以及support(支持)等詞都是在理想的研究生STEM 教育實行過程中與利益相關方有聯系的詞語。這些高頻詞與其形成的共現關系網絡可以看出報告對各個利益相關方的重視,并且報告中也十分明確地提出了每個利益相關方應當采取的具體行動。

報告的最后一章指出理想的教育系統的建設將不可避免地伴隨著高額成本。考慮到這個挑戰,報告中敦促所有利益相關方,包括聯邦和州政策制定者、學院、大學、雇主、教師和行政人員、學生、國家科學和教育組織、倡導團體以及支持并從STEM 領域的進步中受益的公眾,要團結起來支持本報告中的建議,并且在今后繼續評估美國的研究生STEM 教育是否能夠滿足一個完全現代化的STEM 企業及其服務國家的需要,要求其對研究生STEM 教育的現代化作出國家承諾,確保其行動肯定會有利于未來幾代人。當該戰略目標實現的同時,美國將充分受益于其將STEM 的力量用于解決當今和未來問題的一系列行動。

(五)研究生STEM 教育過程中為學生提供有效的教學指導和實踐鍛煉

在共現群落08和13中,mentor(導師)、advisor(顧 問)、teaching(教 學)、mentoring(指 導)以 及practice(實踐)等詞語構成了一個語義網絡。結合報告的內容將之概括為在研究生STEM 教育過程中導師和顧問要為學生提供有效的教學和指導,并且在培養過程中也要加強學生的實踐鍛煉。

報告提出理想的研究生STEM 教育中,相關部門將幫助學生物色最能支持其學業和職業發展的顧問和導師;并且開發更有效的渠道,讓學生與導師和顧問進行雙向交流溝通,并為學生提供信息反饋機制,使導師和顧問更好地了解學生對重要問題的看法。而各個高等教育院校為了提供更有效的教學和指導,要為教師提供培訓、資源和時間來提高他們作為導師的技能,從而為他們直接監管的研究生以及他們所在部門或整個院校的其他學生提供高質量的指導和建議。這種培訓將考慮教師在其職業生涯的不同階段所面臨的各種挑戰。例如,職業生涯早期的教師,如果正在一個研究小組里建立自己的地位,可能需要一本關于成為最佳導師和顧問的實踐入門書;而職業生涯較長的教師可能會受益于定期進修,以探索新的技能或技術來支持學生的成功。

對于學生的實踐鍛煉,報告中指出在理想的研究生STEM 教育系統中,學生將被鼓勵花費時間、資源和空間去探索不同的職業選擇,也可以通過課程學習、研討會、實習和其他種類的方式獲得經驗。學校也鼓勵學生創造屬于自己的專題研習機會——最好是作為團隊的一員——以此來培養可轉移的專業技能,如溝通、協作、管理和創業精神,要求學生“在實踐中學習”,而不是簡單地通過講課和課程作業來學習。

三、啟示

為了構建國際競爭新優勢,我國大力推進新工科建設。從2010到2017年,我國研究生招生人數從47.44萬增長到72萬人;其中工科研究生占比最大,約40%左右。[6]隨著規模的不斷擴大,研究生教育也由擴大規模轉向提高質量,由外延擴張轉向內涵發展,從以知識為本轉向以能力為本。[7]

1.創新培養模式,注重培養工科研究生的核心能力

現階段工科研究生領域內的許多學科只注重本專業領域的知識內容,并且教學模式普遍比較傳統,與本科講座式課堂教學類似,這種教學模式雖然利于學生系統掌握理論知識,但也在一定程度上束縛了學生的創新發展。隨著科學的發展和進步,越來越多的科學研究和應用以學科的融合為重要特征,國家對創新型人才的需求也不斷擴大。因此在工科研究生的培養上,除了要重視基礎知識的更新外,還要開設能夠結合社會生產實際和工作需要的應用性課程,以及培養科學研究能力和動手能力的實驗性課程。[8]要使研究生具備在報告中提到的專業能力、跨學科知識整合能力、基礎性技能(超越學科的技能,適用于任何環境,例如溝通、領導能力和團隊合作能力)以及實踐研究能力;要成為一個橫跨人文科學和工程的領袖人物。[9]如果工科研究生的培養堅持需求和問題導向,掌握上述核心能力,必將為國家的繁榮富強提供戰略支撐力量和充盈的底氣。

2.加強交流與合作,創設新工科研究生教育文化環境

“新工科”這一概念自2016年提出后,引起了廣泛討論,教育部先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”等指導性文件,[10]指出了新工科發展的方向是在優勢工科高校、綜合性高校和地方高校內都應該積極推進和協調新工科建設;各高校需要積極交流和總結發展中的經驗和問題,并且要建立在全球范圍內的通力合作。具體來說,可以通過新工科領域一流教研人員在高校間甚至國際流動,保持科學研究的先進性與前沿性;通過開展各相關領域的學術研討、學術報告,討論交流在研究中遇到的困難及解決問題的經驗;還可以開發學術信息交流平臺,進一步開放思想交流,最終形成包容的新工科教育文化環境。

3.面向社會需求,促進科研成果的有效轉化

工科研究生的科學研究與社會需求存在著一定程度的脫節問題,學生普遍在技術研發上較為吃力,創造性科研活動較少,研究成果也較難產業化。在2020年9月科學家座談會上,習近平總書記勉勵廣大科學家和科技工作者肩負起責任,堅持面向世界科技前沿、面向經濟主戰場、面向國家重大需求、面向人民生命健康,不斷向科學技術廣度和深度進軍。[11]因此,新工科的研究生首先應該精準把握時代發展需求,主動開展創新型科學研究;要掌握科學研究方法,在科研實踐中提高自己的科研素質和科研能力,為科技創新打下良好基礎;在科學研究過程中積極思考如何創造有價值的科研成果,并將之進行有效的成果轉化,積極參與產學研的合作,提高自身的工程素質和實踐能力。

4.明確利益相關方,開展全方位協同創新

新工科的發展不僅要依靠人才,更要依賴于強有力的組織系統,發揮協同創新的作用。首先是政府的大力支持,通過推動機制體制改革、出臺支持措施等,提供良好的科技創新環境,加快科技強國建設的戰略部署,為高等教育發展提供時代契機及內驅動力。[12]其次是高校發揮其在科學研究方面的功能,把握人才優勢,形成戰略力量;企業發揮其技術創新的主體作用,促進人才培養與產業需求緊密結合,與高校進行合作,并支持高校開展科研活動。最后是教育協會組織以及民眾的積極參與,做好第三方的評價與監督。總之,要充分發揮我國社會主義制度能夠集中力量辦大事的優勢,開展全方位的協同創新。

5.創新教學管理,保證有效的教學指導與實踐鍛煉

工科研究生師資的儲備與培養在研究生規模迅速擴大的情況下略顯薄弱,導師指導的時間和效果無法保證,工科研究生的實踐能力普遍不夠強。這就需要進一步創新高校的教學管理,保證師資隊伍的數量和質量,確保導師有能力有精力對學生的發展和學習進行有效的指導,學生與導師應當開展定期交流;需要改革傳統的學科型的工程教育,高度重視學生專業實踐能力的培養,創造條件促使學生將課堂所學知識運用到實踐中,高校可聘請相關專業的專家或高級工程師定期為學生講授實際工作中需要用到的方法與能力,促進有效的實踐鍛煉。

總的來說,工科研究生的培養是涉及多主體、多方面、多層次的系統工程,要立足我國的國情,立足科技和工程發展的國家戰略和現實需求,在借鑒他山經驗的同時,融入我國教育文化特色,建設具有中國教育文化特色和開放包容的新工科研究生教育體系。