美國早期STEM教育數(shù)字工具的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

中圖分類號：G 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOl：10.3969/j.issn.1672-1128.2025.07.005

在全球教育改革深化和人才競爭加劇的背景下，美國等發(fā)達(dá)國家將STEM教育定位為培養(yǎng)未來創(chuàng)新人才的戰(zhàn)略重點(diǎn)。通過整合人工智能、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)，美國著力打造創(chuàng)新的STEM學(xué)習(xí)環(huán)境，將科技人才培養(yǎng)階段前置到小學(xué)低年級和學(xué)前教育階段。2024年11月，美國白宮科技政策辦公室發(fā)布《推進(jìn)STEM教育和培養(yǎng)STEM人才的聯(lián)邦戰(zhàn)略計(jì)劃》（FederalStrategic Plan for Advancing STEM Education and Cultivating STEM Talent），首次將“計(jì)算思維”納入幼兒園課程標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)調(diào)數(shù)字工具應(yīng)貫穿“從學(xué)前至成人教育的全年齡段”，反映了美國對早期STEM教育的戰(zhàn)略重視]。

STEM教育作為融合科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的跨學(xué)科理念，旨在培養(yǎng)創(chuàng)新思維、問題解決能力等綜合素養(yǎng)，與建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)通過積極參與、互動(dòng)和探索構(gòu)建知識和理解的觀點(diǎn)高度契合[23]。實(shí)證研究表明，早期 STEM教育對兒童發(fā)展具有多維積極影響。在學(xué)習(xí)能力方面，多項(xiàng)研究證實(shí)參與早期STEM項(xiàng)目的兒童在問題解決、邏輯推理和空間思維等方面表現(xiàn)顯著優(yōu)于對照組45；在科學(xué)興趣層面，結(jié)構(gòu)化的STEM實(shí)驗(yàn)活動(dòng)能有效激發(fā)兒童的科學(xué)好奇心和探索意愿7；在未來職業(yè)選擇上，兒童早期接觸 STEM教育與其未來選擇相關(guān)專業(yè)和職業(yè)的傾向呈顯著正相關(guān)。

盡管研究已證實(shí)STEM教育的重要性，學(xué)界對早期STEM教育的界定仍存在分歧。部分學(xué)者認(rèn)為早期STEM教育主要面向0至8歲的兒童，而另一些學(xué)者則將其范圍擴(kuò)展到小學(xué)高年級。基于皮亞杰提出的認(rèn)知發(fā)展理論，0至11歲是兒童認(rèn)知發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，包括感覺運(yùn)動(dòng)階段（0至2歲）、前運(yùn)算階段（2至7歲）和具體運(yùn)算階段（7至11歲）9。這一時(shí)期的兒童尚未完全發(fā)展出抽象思維能力，需要借助工具作為“腳手架”輔助思考。因此，本研究將早期STEM教育定位于0至11歲階段，聚焦數(shù)字技術(shù)對兒童認(rèn)知發(fā)展的促進(jìn)作用。

數(shù)字工具正在被廣泛應(yīng)用于早期STEM教育，作為“阿爾法世代” （2010—2024年出生）的兒童，自誕生起便在智能設(shè)備環(huán)繞的數(shù)字生態(tài)中成長。這些技術(shù)載體提供了豐富的學(xué)習(xí)資源和互動(dòng)體驗(yàn)，支持兒童個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑，使他們能夠按照自適性節(jié)奏探索和構(gòu)建知識。然而，梳理已有研究發(fā)現(xiàn)，雖然數(shù)字工具已被廣泛引入早期教育，從認(rèn)知發(fā)展理論視角系統(tǒng)分析數(shù)字工具如何適配不同年齡段兒童的研究較為缺乏。因此，本研究對美國早期STEM教育中數(shù)字工具的應(yīng)用現(xiàn)狀、數(shù)字工具對兒童認(rèn)知發(fā)展的促進(jìn)及當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)與應(yīng)對策略進(jìn)行分析，構(gòu)建了“政策演進(jìn)—應(yīng)用現(xiàn)狀—挑戰(zhàn)與應(yīng)對”研究框架。通過探究數(shù)字工具賦能兒童在早期 STEM教育中主動(dòng)探索和意義建構(gòu)的作用路徑，深化對該領(lǐng)域發(fā)展趨勢的認(rèn)知，為我國早期STEM教育的創(chuàng)新實(shí)踐提供理論參照與策略啟示。

一、美國早期STEM教育的政策演進(jìn)

美國STEM教育政策從高中和高等教育階段逐漸向早期教育階段延伸，其發(fā)展軌跡呈現(xiàn)出低齡化趨勢。STEM教育概念的提出可以追溯至2001年，美國國家科學(xué)基金會(huì)在《科學(xué)與工程指標(biāo)》報(bào)告中首次使用“STEM”的表述[]。20世紀(jì)80年代，由于全球科技競爭加劇及經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型需求，美國開始強(qiáng)化科技教育。1983年美國國家教育卓越委員會(huì)發(fā)布《國家在危機(jī)中：教育改革勢在必行》，將科技教育質(zhì)量提升至國家安全層面。1990年，《美國 2000 年教育戰(zhàn)略》明確提出加強(qiáng)K-12階段數(shù)學(xué)與科學(xué)教育，為后續(xù)政策制定奠定基礎(chǔ)[12]。

進(jìn)人21世紀(jì)，美國國家科學(xué)基金會(huì)啟動(dòng)“創(chuàng)新技術(shù)體驗(yàn)”（Innovative TechnologyExperiences for Students and Teachers，ITEST）計(jì)劃，投入1.3億美元支持中小學(xué)STEM課程開發(fā)，標(biāo)志著聯(lián)邦政府開始系統(tǒng)介人基礎(chǔ)教育階段的科技人才培養(yǎng)。此后，政策逐漸向早期教育傾斜。2007年美國國會(huì)通過《美國創(chuàng)造機(jī)會(huì)以促進(jìn)科技、教育和經(jīng)濟(jì)實(shí)力法》，增加了對早期STEM教育的關(guān)注和投資3]，意在激發(fā)兒童興趣并儲(chǔ)備科研人才。奧巴馬政府時(shí)期，STEM教育被提升至國家戰(zhàn)略層面，通過“教育創(chuàng)新”（Educate to Innovate）運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)調(diào)早期介人 STEM學(xué)習(xí)的重要性，并推動(dòng)教師專業(yè)技能的提升。2015 年發(fā)布的《每個(gè)學(xué)生成功法》（EveryStudent Succeeds Act）要求各州將STEM納人中小學(xué)核心課程，尤其是小學(xué)階段，并提供教師培訓(xùn)資金。

此外，全美幼教協(xié)會(huì)2012年發(fā)布《技術(shù)和交互式媒介作為工具應(yīng)用于0至8歲早期教養(yǎng)方案》報(bào)告，肯定了數(shù)字工具對于兒童發(fā)展的作用。該報(bào)告認(rèn)為，數(shù)字工具的使用有利于支持兒童的認(rèn)知、社會(huì)、情感、身體和語言發(fā)展，并建議適宜地將數(shù)字技術(shù)和媒體整合到環(huán)境、課程和活動(dòng)中，以提升早期教育實(shí)踐的質(zhì)量。具體建議包括：利用數(shù)字顯微鏡、可穿戴記錄設(shè)備等技術(shù)工具，鼓勵(lì)兒童進(jìn)行戶外探索和自然觀察，將技術(shù)作為記錄與延伸學(xué)習(xí)的輔助手段，引導(dǎo)兒童在真實(shí)環(huán)境中探索；設(shè)計(jì)結(jié)合體力活動(dòng)的互動(dòng)技術(shù)，如體感游戲、動(dòng)作捕捉舞蹈程序等，激勵(lì)兒童在動(dòng)態(tài)參與中學(xué)習(xí)，減少被動(dòng)靜坐的屏幕使用時(shí)間；強(qiáng)調(diào)將技術(shù)和媒體作為日常工具，引導(dǎo)兒童的注意力集中在活動(dòng)和探索本身，而非正在使用的技術(shù)和媒體。這進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了數(shù)字工具的應(yīng)用應(yīng)與兒童的自然發(fā)展階段和學(xué)習(xí)需求相協(xié)調(diào)，幫助兒童從具體運(yùn)算階段過渡到形式運(yùn)算階段，促進(jìn)兒童的認(rèn)知發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)最佳教育效果。

近十年來，美國STEM教育政策進(jìn)一步向數(shù)字化轉(zhuǎn)型與早期干預(yù)方向深化。2016年，美國教育部與國家科學(xué)基金會(huì)聯(lián)合發(fā)布《STEM2026：STEM教育中的創(chuàng)新愿景》（STEM2026：AVisionforInnovationin STEMEducation），進(jìn)一步明確了早期教育對實(shí)現(xiàn)“STEM2026”教育目標(biāo)的關(guān)鍵作用，提倡利用在線資源和互動(dòng)工具來增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)。該報(bào)告提出“沉浸式學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)”的倡議，鼓勵(lì)幼兒園使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）教具，積極推動(dòng)低齡化STEM教育創(chuàng)新I5。2024年11月，美國白宮科技政策辦公室發(fā)布新一期五年規(guī)劃《推進(jìn)STEM教育和培養(yǎng)STEM人才的聯(lián)邦戰(zhàn)略計(jì)劃》，將編程和融合正式與非正式學(xué)習(xí)環(huán)境的的理念覆蓋到從學(xué)前至成人教育的全年齡段，強(qiáng)調(diào)STEM教育的連續(xù)性，特別指出學(xué)前到基礎(chǔ)教育階段是STEM人才發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

在美國推動(dòng)實(shí)施早期STEM教育相關(guān)政策的過程中，數(shù)字技術(shù)被視為關(guān)鍵工具，用于增強(qiáng)教學(xué)和學(xué)習(xí)體驗(yàn)。2016年，美國教育部發(fā)布《未來就緒學(xué)習(xí)：重新想象技術(shù)在教育中的角色》報(bào)告，倡導(dǎo)數(shù)字技術(shù)與STEM教育的深度融合，為早期STEM教育提供了實(shí)施建議[。該報(bào)告提出了數(shù)字技術(shù)支持早期STEM教育的多維框架：首先，鼓勵(lì)利用數(shù)字技術(shù)創(chuàng)造個(gè)性化和差異化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，提升學(xué)生的批判性思維、創(chuàng)造力和寫作能力，為創(chuàng)新和未來發(fā)展做出準(zhǔn)備；其次，創(chuàng)建以學(xué)習(xí)者為中心的數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)探索和參與，同時(shí)支持教師充分發(fā)揮利用技術(shù)培養(yǎng)學(xué)生對早期STEM學(xué)習(xí)的興趣和技能。此外，該報(bào)告還建議使用數(shù)據(jù)指導(dǎo)決策，幫助教育工作者全面、科學(xué)、有效地評估和改進(jìn)STEM教育項(xiàng)目，并確保所有學(xué)生都能獲得必要的數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，以實(shí)現(xiàn)早期STEM教育的機(jī)會(huì)平等。

二、美國早期STEM教育中的主要數(shù)字工具

當(dāng)前，美國幼兒園和學(xué)前教育中心已經(jīng)開始廣泛利用數(shù)字工具開展兒童STEM教育，幫助兒童為未來的學(xué)業(yè)和職業(yè)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。進(jìn)入小學(xué)階段，數(shù)字工具的應(yīng)用進(jìn)一步深化，幫助兒童更加深入地理解復(fù)雜的概念與知識。這些數(shù)字工具主要包括教育機(jī)器人、模擬程序、教學(xué)模型、敘事豐富的視頻、數(shù)字游戲等[17.I8]，其教育特性和主要作用詳見表1。

表1早期STEM教育中的主要數(shù)字工具[17

注：表中內(nèi)容為作者根據(jù)文獻(xiàn)梳理

皮亞杰認(rèn)為，兒童在早期階段尚未完全發(fā)展出理解他人觀點(diǎn)的能力，具有較強(qiáng)的自我中心傾向，限制了兒童自身從他人視角理解問題的能力，這就要求教育者采用特定的教學(xué)策略和教育工具促進(jìn)兒童的認(rèn)知成長和社會(huì)發(fā)展。參與游戲，尤其是象征性游戲，作為兒童認(rèn)知發(fā)展的重要方式，能夠使兒童通過模擬現(xiàn)實(shí)情境來探索和理解外部世界。美國AVG安全軟件公司的“數(shù)字日記”（DigitalDiaries）研究，印證了皮亞杰的觀點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)了數(shù)字工具在兒童早期發(fā)展的重要性。該研究發(fā)現(xiàn)，2一5歲的孩子中有 47% 會(huì)使用智能手機(jī)， 69% 會(huì)操控鼠標(biāo)，而這個(gè)年齡段的孩子只有 38% 會(huì)寫自己的全名，僅 27% 能在家長引導(dǎo)下口頭描述簡單的早餐制作流程，如“倒牛奶進(jìn)麥片”或“剝雞蛋殼”。這說明，幼兒對數(shù)字設(shè)備的操作能力顯著超前于傳統(tǒng)生活技能的習(xí)得[。對于6—11歲的兒童而言，隨著認(rèn)知能力的逐漸增強(qiáng)，他們能夠更好地理解他人的觀點(diǎn)，并且能夠進(jìn)行更復(fù)雜的思維活動(dòng)。這一階段的兒童對數(shù)字工具的使用也更加熟練和深入。數(shù)字技術(shù)的普及和應(yīng)用已經(jīng)深入兒童的日常生活，對兒童的認(rèn)知發(fā)展和技能學(xué)習(xí)產(chǎn)生了重要影響。教育者應(yīng)充分利用這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)適合這一年齡段兒童的數(shù)字學(xué)習(xí)活動(dòng)，以促進(jìn)他們的全面發(fā)展。

三、數(shù)字工具在美國早期STEM教育中的應(yīng)用

（一）構(gòu)建個(gè)性化的學(xué)習(xí)路徑，提升學(xué)習(xí)效果

學(xué)習(xí)是一個(gè)主觀、個(gè)體化和社會(huì)化的過程，它通過學(xué)習(xí)者與環(huán)境的互動(dòng)主動(dòng)構(gòu)建[2021]。兒童通過“同化”和“順應(yīng)”兩種機(jī)制來建構(gòu)認(rèn)知結(jié)構(gòu)，從而逐步發(fā)展其認(rèn)知能力。在早期STEM教育中，數(shù)字工具的應(yīng)用為學(xué)習(xí)者提供了一個(gè)豐富的互動(dòng)環(huán)境，使他們能夠在實(shí)踐中探索和構(gòu)建科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的知識體系。這些工具通過提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)路徑，滿足了兒童的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求，并顯著提升了他們在STEM領(lǐng)域的學(xué)習(xí)效果。

平板電腦、應(yīng)用程序等數(shù)字工具，基于其多模態(tài)特性，能為學(xué)習(xí)者提供動(dòng)態(tài)的學(xué)習(xí)平臺(tái)。這些工具能夠記錄和分析兒童的行為數(shù)據(jù)，并根據(jù)每個(gè)兒童的學(xué)習(xí)進(jìn)度、興趣愛好和學(xué)習(xí)習(xí)慣，個(gè)性化地調(diào)整學(xué)習(xí)內(nèi)容的難度和方式。實(shí)施反饋和診斷評估是數(shù)字工具支持下的另一個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)。通過這些機(jī)制，兒童可以及時(shí)了解自己的知識理解和掌握情況，從而調(diào)整學(xué)習(xí)策略，優(yōu)化學(xué)習(xí)路徑。這強(qiáng)化了學(xué)習(xí)者的自我調(diào)節(jié)能力，使他們能夠更好地監(jiān)控自己的學(xué)習(xí)進(jìn)程，并在必要時(shí)進(jìn)行調(diào)整。此外，數(shù)字工具支持下的學(xué)習(xí)環(huán)境鼓勵(lì)兒童通過探索和實(shí)驗(yàn)來構(gòu)建知識。例如，通過編程教育機(jī)器人，兒童不僅學(xué)習(xí)編程邏輯，還能通過實(shí)踐應(yīng)用這些知識來解決實(shí)際問題。這種學(xué)習(xí)方式正是建構(gòu)主義理論所倡導(dǎo)的，通過動(dòng)手操作和直接經(jīng)驗(yàn)來構(gòu)建深層次的理解，支持兒童在邏輯推理和抽象思維方面的認(rèn)知能力發(fā)展。

（二）營造豐富多元的學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)興趣和創(chuàng)新思維

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)是在一定的情境即社會(huì)文化背景下，借助其他人的幫助即通過人際間的協(xié)作活動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的意義建構(gòu)過程20，“情境”“協(xié)作”“會(huì)話”和“意義建構(gòu)”則是塑造學(xué)習(xí)環(huán)境的四大關(guān)鍵要素2。在美國早期 STEM教育實(shí)踐中，數(shù)字工具的應(yīng)用貫穿這四大要素，有效促進(jìn)了兒童創(chuàng)新思維和問題解決能力的發(fā)展。

1.情境

情境作為學(xué)習(xí)過程中的關(guān)鍵要素，能夠促進(jìn)學(xué)生對知識的深人理解和意義建構(gòu)。在美國的早期STEM教育中，數(shù)字工具如教育機(jī)器人和模擬軟件，提供了豐富的情境模擬資源，為兒童自主學(xué)習(xí)創(chuàng)造了有利條件。例如，谷歌的“積木計(jì)劃”（Project Bloks）通過模塊化實(shí)體編程幫助兒童理解邏輯流程；ScratchJR編程軟件以圖形化界面簡化代碼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；AR-Camp;P編程工具則結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)提升兒童的空間認(rèn)知以及編程過程中的沉浸感[23]。這些工具將抽象概念具象化，降低了學(xué)習(xí)門檻，同時(shí)激發(fā)了兒童的探索與協(xié)作能力。它們結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，通過搭建各種逼真的模型構(gòu)建真實(shí)而生動(dòng)的情境。例如，手持式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備通過移動(dòng)設(shè)備與應(yīng)用軟件相結(jié)合的方式，在現(xiàn)實(shí)世界疊加虛擬形象，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的特殊顯示效果。這種虛擬情境的創(chuàng)設(shè)將兒童的身份和角色意識、完整的生活經(jīng)驗(yàn)與教學(xué)任務(wù)進(jìn)行交互，激發(fā)兒童對科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，釋放豐富的想象力和創(chuàng)造力。

2.協(xié)作

協(xié)作是建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論中的另一個(gè)核心要素，它強(qiáng)調(diào)通過社會(huì)互動(dòng)促進(jìn)學(xué)習(xí)20。協(xié)作學(xué)習(xí)可以采取多種形式，包括小組討論、角色扮演、頭腦風(fēng)暴和共同設(shè)計(jì)項(xiàng)目等。在線協(xié)作工具和多玩家游戲?yàn)閮和峁┝艘粋€(gè)平臺(tái)，使他們能夠在虛擬環(huán)境中體驗(yàn)這些多樣化的協(xié)作形式，通過與同伴的互動(dòng)參與和完成任務(wù)挑戰(zhàn)、共同解決問題。這種協(xié)作的學(xué)習(xí)環(huán)境增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)意識，促進(jìn)了認(rèn)知和社會(huì)技能的發(fā)展[24]。例如TangiblePlay是美國一家專注實(shí)體與數(shù)字交互的兒童教育科技公司，其核心產(chǎn)品歐斯莫（Osmo）結(jié)合實(shí)體積木與屏幕交互，部分游戲還可以開啟多人模式，需要多人協(xié)同操控實(shí)體模塊指揮虛擬角色通關(guān)，能有效鍛煉兒童協(xié)作解決問題的能力[25]。有效的協(xié)作學(xué)習(xí)需要明確的設(shè)計(jì)原則，包括明確的目標(biāo)、角色分配、過程指導(dǎo)和反饋機(jī)制。對于教育者而言，在線協(xié)作工具可以提供這些結(jié)構(gòu)化的支持，并基于實(shí)時(shí)反饋的數(shù)據(jù)，分配特定任務(wù)、跟蹤進(jìn)度和評估協(xié)作的有效性。這不僅有助于提高學(xué)習(xí)效果，還能培養(yǎng)兒童的自主學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。

3.會(huì)話

會(huì)話在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論中扮演著至關(guān)重要的角色，它既是協(xié)作學(xué)習(xí)的組成部分，也是知識建構(gòu)過程中的一個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)。會(huì)話允許學(xué)習(xí)者通過語言交流來表達(dá)自己的想法、疑問和理解，從而促進(jìn)知識的共同建構(gòu)[26。麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室及其合作機(jī)構(gòu)共同研發(fā)的ScratchJr工具，專為5至7歲兒童設(shè)計(jì)，使兒童能夠通過圖形化編程創(chuàng)造互動(dòng)故事。該工具的在線社區(qū)支持“項(xiàng)目評論”功能，兒童可以上傳自己的作品，并通過語音或涂鴉的形式解釋其思路。其他用戶則可以通過表情符號和簡單文字進(jìn)行反饋，如“你是怎么讓角色移動(dòng)的？”這種非同步對話使低齡兒童在成人引導(dǎo)下逐步學(xué)會(huì)用技術(shù)術(shù)語表達(dá)邏輯，從而提升他們的語言和邏輯思維能力[27]。

在數(shù)字工具的支持下，會(huì)話的形式和范圍得到了極大擴(kuò)展。數(shù)字工具支持整合文本、圖像、視頻和音頻等方式的多模態(tài)交流，有助于不同學(xué)習(xí)風(fēng)格的兒童更好地參與討論和表達(dá)自己的觀點(diǎn)，并使會(huì)話交流更加直觀和高效。其次，在線會(huì)話平臺(tái)允許兒童即時(shí)接收同伴和教師的反饋，從而調(diào)整自己的理解和表達(dá)，這種即時(shí)性反饋機(jī)制是傳統(tǒng)面對面會(huì)話難以實(shí)現(xiàn)的。此外，數(shù)字工具使跨文化交流成為可能。通過論壇、在線討論板等工具，兒童可以圍繞特定的STEM主題，與來自不同文化背景的同伴進(jìn)行交流。這種深度討論有助于兒童深化對STEM領(lǐng)域復(fù)雜概念的理解，在拓展視野的同時(shí)促進(jìn)多元文化的理解。

4.意義建構(gòu)

意義建構(gòu)涉及兒童如何將新信息與已有知識相結(jié)合，形成個(gè)人的理解28]。通過編程、模擬和設(shè)計(jì)等活動(dòng)，兒童能夠?qū)⒖茖W(xué)、數(shù)學(xué)、工程、美學(xué)等方面的知識應(yīng)用于解決實(shí)際問題，這種基于個(gè)人興趣和學(xué)習(xí)進(jìn)度的實(shí)踐與應(yīng)用是意義建構(gòu)的重要途徑，同時(shí)，跨學(xué)科的整合也有助于兒童理解各學(xué)科之間的聯(lián)系，從而建構(gòu)更全面的知識體系。此外，數(shù)字工具還可以支持兒童進(jìn)行反思和元認(rèn)知活動(dòng)，如通過日志、思維導(dǎo)圖等工具記錄和反思自己的學(xué)習(xí)過程，這種反思有助于兒童監(jiān)控和調(diào)整自己的學(xué)習(xí)策略，從而更有效地建構(gòu)意義。以ScratchJr工具為例，兒童通過編程角色動(dòng)作，如“移動(dòng)10步”或“旋轉(zhuǎn)90度”，將數(shù)字、角度、序列等數(shù)學(xué)概念與“恐龍穿越火山”等角色的敘事相結(jié)合。在這個(gè)過程中，兒童可能會(huì)遇到程序運(yùn)行不按預(yù)期進(jìn)行的情況，如角色沒有按照想象那樣移動(dòng)。這時(shí)，兒童就需要通過嘗試不同的編程指令或調(diào)整代碼，找出問題所在并加以解決。這一過程有助于兒童理解編程邏輯，培養(yǎng)邏輯思維和問題解決能力，促進(jìn)規(guī)劃與修正策略等元認(rèn)知能力的發(fā)展[2。

（三）促進(jìn)教師專業(yè)發(fā)展，加強(qiáng)家校協(xié)同合作

在智能時(shí)代背景下，技術(shù)的集群效應(yīng)，包括大數(shù)據(jù)、人工智能、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等，構(gòu)成了一個(gè)互補(bǔ)融合的有機(jī)生態(tài)，為家校協(xié)同育人提供了新機(jī)遇。這一生態(tài)不僅為教師提供了新的教學(xué)工具，也要求教師在數(shù)字化教學(xué)環(huán)境中，通過指導(dǎo)能力和教育策略的適應(yīng)與發(fā)展，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)構(gòu)建知識的能力。在這一過程中，教師作為學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計(jì)者和學(xué)習(xí)過程的引導(dǎo)者，通過利用數(shù)字工具改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，創(chuàng)造更加互動(dòng)和個(gè)性化的教學(xué)環(huán)境，并以包含真實(shí)世界問題的項(xiàng)目和任務(wù)為牽引，讓學(xué)生在解決這些問題的過程中主動(dòng)構(gòu)建知識。教師也可以通過數(shù)字平臺(tái)獲得即時(shí)反饋，幫助學(xué)生反思自己的學(xué)習(xí)過程，促進(jìn)學(xué)生的元認(rèn)知發(fā)展。例如，使用數(shù)字檔案記錄學(xué)生的成就和進(jìn)步，這不僅有助于教師評估教學(xué)效果，也為學(xué)生提供了成長軌跡的可視化記錄。

數(shù)字檔案系統(tǒng)在美國早期教育中的應(yīng)用始于2010年代中期，并在2020年前后隨著教育技術(shù)普及和疫情暴發(fā)而進(jìn)一步擴(kuò)展。當(dāng)前，美國幼兒園常用的數(shù)字檔案系統(tǒng)如Seesaw 和Brightwheel，主要通過技術(shù)手段優(yōu)化家校溝通、學(xué)習(xí)記錄和日常管理。教師會(huì)拍攝孩子完成的藝術(shù)作品、寫作樣本或數(shù)學(xué)作業(yè)的照片，并將其上傳到學(xué)生的個(gè)人數(shù)字檔案中，這些檔案將在家長會(huì)上展示給家長，或者通過安全的在線平臺(tái)與家長分享。此外，美國小學(xué)教師廣泛使用谷歌教室（GoogleClassroom）分配作業(yè)、提供反饋和跟蹤學(xué)生的進(jìn)度。每個(gè)學(xué)生都有一個(gè)個(gè)人賬戶，家長也可以通過這個(gè)平臺(tái)查看兒童的作業(yè)和成績。教師通過分析作業(yè)提交情況和測試成績，識別可能需要額外幫助的兒童，篩選出最有效、適用性最強(qiáng)的教學(xué)方法和教學(xué)工具，并利用這些工具與家長建立緊密聯(lián)系。同時(shí)，通過在線通信和資源共享，家長可以更深入地了解孩子在學(xué)校的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，從而支持兒童在家庭和半正式學(xué)習(xí)環(huán)境中的STEM學(xué)習(xí)。

四、啟示與建議

數(shù)字工具在早期STEM教育領(lǐng)域的應(yīng)用面臨多重挑戰(zhàn)，包括潛在使用風(fēng)險(xiǎn)、發(fā)展適配性爭議，以及教育資源不公平等問題2。首先，在數(shù)字工具使用的潛在風(fēng)險(xiǎn)方面，有研究表明，如果編程軟件等數(shù)字工具缺乏互動(dòng)和引導(dǎo)，兒童的學(xué)習(xí)可能會(huì)停留在表面，難以深入理解概念，從而無法有效發(fā)展批判性思維和問題解決能力，影響其長期的學(xué)習(xí)效果3]。同時(shí)，數(shù)字工具的吸引力可能導(dǎo)致兒童過度使用，減少與同伴和教師的現(xiàn)實(shí)互動(dòng)，進(jìn)而影響其社交技能的發(fā)展，甚至可能引發(fā)行為和注意力問題。其次，數(shù)字工具需要匹配兒童認(rèn)知發(fā)展階段。若其設(shè)計(jì)不符合兒童年齡特點(diǎn)，可能引發(fā)兒童的挫敗感，阻礙學(xué)習(xí)興趣[3。對于處在具體思維階段的兒童來講，數(shù)字工具提供的復(fù)雜信息可能超出其認(rèn)知負(fù)荷，且令他們難以區(qū)分虛擬與現(xiàn)實(shí)。此外，“數(shù)字鴻溝”會(huì)加劇教育不平等。不同經(jīng)濟(jì)背景家庭的技術(shù)可及性差異顯著，而數(shù)字工具的有效性高度依賴教師指導(dǎo)，若培訓(xùn)不足，工具使用可能流于形式[32]。

隨著我國《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》《關(guān)于加強(qiáng)新時(shí)代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見》??2024 年提升全民數(shù)字素養(yǎng)與技能工作要點(diǎn)》等一系列政策的出臺(tái)與實(shí)施，STEM教育的戰(zhàn)略地位日益凸顯，尤其在培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才方面開始扮演重要角色。但相較于美國等發(fā)達(dá)國家，我國在早期STEM教育領(lǐng)域仍處于起步階段，尚未構(gòu)建起較全面和系統(tǒng)的政策框架。教育資源在城鄉(xiāng)及不同地區(qū)之間的分配存在不平衡，公眾對于兒童早期STEM能力培養(yǎng)的意識不足，這些因素共同制約了早期STEM教育在全國范圍內(nèi)的均衡發(fā)展。結(jié)合先進(jìn)國家的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)與挑戰(zhàn)，我國早期STEM教育可從以下四方面著手。

一是加強(qiáng)政策與標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。應(yīng)順應(yīng)兒童認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，制定適合我國國情的早期STEM教育技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)與指南，確保數(shù)字工具在兒童發(fā)展中的合理運(yùn)用。相關(guān)政策的制定應(yīng)特別關(guān)注促進(jìn)數(shù)字公平，縮小城鄉(xiāng)及不同社會(huì)經(jīng)濟(jì)背景兒童在數(shù)字資源獲取上的差距，創(chuàng)造更加健康、公平的學(xué)習(xí)環(huán)境。

二是強(qiáng)化教師培訓(xùn)和本土化課程設(shè)計(jì)。建立系統(tǒng)化的STEM教師培養(yǎng)體系，提升教師數(shù)字素養(yǎng)和跨學(xué)科教學(xué)能力。培訓(xùn)應(yīng)突破傳統(tǒng)學(xué)科界限，引導(dǎo)教師掌握如何將數(shù)字工具與STEM課程有機(jī)整合，設(shè)計(jì)適合不同年齡段兒童的創(chuàng)新教學(xué)策略。同時(shí)，開發(fā)符合中國文化背景的本土化STEM課程資源，確保內(nèi)容的適齡性和發(fā)展適宜性。

三是建立家校社協(xié)同機(jī)制。制定符合中國家庭教育特點(diǎn)的數(shù)字工具使用指導(dǎo)原則，促進(jìn)家庭、學(xué)校與社區(qū)在兒童STEM學(xué)習(xí)中的共同參與。充分發(fā)揮科技館、兒童活動(dòng)中心等社區(qū)資源的補(bǔ)充作用，開展適合不同年齡段兒童的STEM互動(dòng)活動(dòng)，為學(xué)校教育提供有力支持。

四是加強(qiáng)本土化研究與評估。開展針對中國兒童的數(shù)字工具影響研究，建立適合國情的STEM教育評價(jià)體系。組織跨地區(qū)、長周期的追蹤研究，評估數(shù)字工具對不同背景兒童認(rèn)知發(fā)展的綜合影響，為政策制定和實(shí)踐創(chuàng)新提供科學(xué)依據(jù)。

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Applicationand Challengesof Digital Toolsin Early STEM Education intheUnitedStates

XU Mo WANG Yan （Graduate School of Education， Beijing Foreign Studies University， Beijing 100089）

Abstract：Early STEMeducation isconsideredastrategicpriorityforcultivating future innovativetalentsintheUnited Statesandotherdevelopedcountries，wheredigitaltolsplayasignificantrole.Fromtheperspectiveofconstructivistlearning theory，thisstudydiscusestheroleofdigitaltolsinearlySTEMeducationintheUnitedStatesinbuildingpersoalized leaming paths，shapingtheleamingenvironment，andstrengthening home-schoolcooperation.Thestudyfindsthatdigitaltools canenhance children’slearning outcomesand stimulatetheir interestandinnovativethinking through interactiveenvironments and personalizedsupport.However，therearealsoisuessuchas themisuseofdigital tools，controversies overdevelopmental appropriateness，andinequalitiesineducationalresourcealocation.Itisnecessary tocomplywiththelawsofchildren's cognitivedevelopment，egulatetheuseofdigitaltools，enhanceeachers'digitalliteracyandbringtogetherthestrengthsof families，schols，andcommunities tooptimizeeducational practice.Chinashould strengthenpolicysupport，teacher training， andlocalized curiculum design forearly STEMeducation，narrowthegapineducational resourcesbetweenurbanandrural areas and diferent regions，and promote the balanced development of early STEM education.

KeyWords：Early STEMeducation;Digital tools；United States; Constructivist learning theory;Personalized learning pathways

（編輯 郭向和 校對 張又文）