“科学、技术、工程和数学”教育（STEM education）：一个值得认识和重视的教育战略
美国总统奥巴马出席第二届白宫科学展，并颇有兴致地体验机器模型。 CFP供图
“科学、技术、工程和数学”教育（STEM education），不断出现在美国联邦政府的各种教育改革政策和项目中，并成为美国应对21世纪挑战教育战略的重中之重。美国100多位企业首席执行官已经组建了一个名叫“变革方程”的机构，并承诺在至少100个服务不足的学区内扩大有效实施STEM课程计划——
■赵中建
近年来，随着奥巴马入住白宫正式当选为美国总统，“科学、技术、工程和数学”教育（STEM education）作为一个新的概念，不断出现在美国联邦政府的各种教育改革政策和项目中。2009年7月美国教育部制定的“迈向巅峰计划”将其作为该计划的6项重点项目之一，同时希望各州竞报这一联邦资助项目。此后开展的“为了创新而教育”运动，旨在提高美国学生对STEM教育的参与程度，并改善他们的学业成绩。
而在2011年2月，美国国家经济委员会、经济顾问委员会和科技政策办公室联名发布了《美国创新战略——确保我们的经济增长和繁荣》的政府报告，强调要用21世纪技能来教育美国人并培养出世界一流的劳动力，这就要求奥巴马政府关注教育改革，尤其要重视STEM教育，并努力在2020年前再培养出10万名从事STEM教育的教师。为了响应奥巴马总统的号召，美国100多位企业首席执行官已经组建了一个名叫“变革方程”的机构，并承诺在至少100个服务不足的学区内扩大有效实施STEM课程计划，尤其要扩大培养全体美国人的能力和潜质的参与度。对我们而言，是该认识、理解和深入研究STEM教育的时候了。
1 在“杂乱无章”中培养创新型科技人才
STEM是科学、技术、工程和数学英文首字母的缩写，美国国家科学基金会最早将科学、技术、工程和数学四门学科统称为STEM教育，这反映了一种教育哲学的变化。STEM教育是一种“后设学科”，即这一学科的建立是基于不同学科之间的融合然后形成一个新的整体，将原本分散的学科形成一个整体，这就形成了当今日趋受到重视的、跨领域的STEM教育了。美国高度重视STEM教育的根本原因，在于其深刻认识到美国科学技术的滑坡在于其人才的严重短缺，这在美国近10余年来的大量文献中屡屡被提及。
STEM素养是由科学、技术、工程和数学学科的素养所组成，但又不是它们的简单组合，而是把学生学习到的各学科知识与机械过程转变成一个探究世界相互联系的不同侧面的过程。一个STEM课堂的特点就是在“杂乱无章”的学习情境中强调学生的设计能力、批评性思维和问题解决能力。这种复杂的学习情境包含了多种学科，其问题可能涉及纳米技术、生物医学和天体生物学等学科知识。一个STEM课堂上教师可能提出一个问题，然后希望学生组成一个班级范围内的探究小组开展研究。在研究过程中，学生要使用技术搜集、分析数据，并设计、测试和改进一个解决方案，然后与其同伴交流研究成果。学生的STEM素养，就是在这样的学习环境和学习过程中逐步形成的。
2 STEM教育在美国是项系统工程
其实，美国提出和重视STEM教育并非始自奥巴马政府。早在1986年，美国国家科学委员会就发表过《本科的科学、数学和工程教育》报告，这被认为是美国STEM教育集成战略的里程碑，指导了国家科学基金会此后数十年对美国高等教育改革在政策和财力上的支持。该报告首次明确提出“科学、数学、工程和技术”教育的纲领性建议，从而被视为STEM教育的开端。
1996年，美国国家科学基金会发表了题为《塑造未来：透视科学、数学、工程和技术的本科教育》报告，并提出今后的“行动指南”。报告针对新的形势和问题，对学校、地方政府、工商业界和基金会提出了明确的政策建议，包括大力“培养K-12教育系统中STEM教育的师资问题”。
2007年10月30日，美国国家科学委员会发表《国家行动计划:应对美国科学、技术、工程和数学教育系统的紧急需要》报告，提出的行动计划主要包括两个方面的措施：一是要求增强国家层面对K-12阶段和本科阶段的STEM教育的主导作用，在横向和纵向上进行协调；二是要提高教师的水平和增加相应的研究投入。这一报告显示了STEM教育从本科阶段延伸到中小学教育阶段，希望从中小学就开始实施STEM教育。
也正是在2007年，美国参众两院在8月2日一致通过了《美国创造机会以有意义地促进技术、教育和科学之卓越法》。有意思的是，该法英文中除第一个和最后一个单词外，其余单词以首字母缩写而成为COMPETES，因而该法英文又缩写为America COMPETES Act，故可直接称作《美国竞争法》。《美国竞争法》一共包括8个部分，其中第六部分的标题即为“教育”，其他部分也有多项条款与教育有关。教育条款主要涉及教师教育、STEM教育、外语教育和本科生研究生奖学金等4个方面。《美国竞争法》对STEM教育的重视，极大程度上反映了美国社会的一种共同关注趋势。例如，2007年度美国州长协会冬季会议就高度强调STEM教育在各州乃至全美国创建“创新环境”中的重要意义。又如美国学术竞争力委员会在2007年5月公布的委员会报告中，分析研究了2006年度总额达31亿美元的105项联邦STEM教育项目。
2011年，美国国家科学院研究委员会发布了《成功的K-12阶段STEM教育：确认科学、技术、工程和数学的有效途径》的报告，报告认为在中小学实施STEM教育的目标主要有三个：一是扩大最终会在STEM领域修读高级学位和从业的学生人数，并扩大STEM领域中女性和少数族裔的参与度；二是扩大具有STEM素养的劳动力队伍并扩大这一队伍中女性和少数族裔的参与度；三是增强所有学生的STEM素养，包括那些并不从事与STEM职业相关工作的学生或继续修读STEM学科的学生。而美国州长协会在2011年12月又针对STEM教育行动发布了《制定科学、技术、工程和数学教育议程：州级行动之更新》报告，分析了该协会2007年提出的行动议程中的弱势之处，重新提出“实施州级STEM议程”的各项具体措施。
3 从“项目引路”机构看STEM教育基本特征
美国有一个专门致力于在初中和高中提供严密的STEM教育课程计划的机构，名字为“项目引路”机构（PLTW），成立于1987年。“项目引路”机构从1997年开始在纽约州的12所高中推行“工程之路”课程项目，其设置类似于四年制高中的课程设置顺序，包括基础课程、专业化课程和顶层课程。
基础课程包括“工程设计导论”、“工程原理”和“数字电子学”；专业化课程包括“航空宇宙工程”、“生物技术工程”、“土木工程和建筑”和“计算机整合制造”；顶层课程仅包含“工程设计与开发”一门科目，其内容简介为：“在工程设计与开发课程中，学生就某个开放性的问题进行团队合作，一起研究、设计、测试并得出结论。产品开发的生命周期和设计过程将被用来指导和帮助团队完成问题的解决方案。团队成员将向那些对本课程提供咨询的外部观察者组成的委员会陈述和界定他们设计的方案。这一课程允许学生应用在前期的“项目引路”课程中学到的所有知识和技能。3D设计软件的运用也会帮助学生设计出他们团队所选择的问题解决方案。这门课程同时也使学生学会统筹和团队合作的技巧，这对他们是大有裨益的。本课程是为12年级学生开设的。”
“项目引路”又于2000年开始在初中阶段推行“技术之门”课程项目。“技术之门”课程以活动为导向，旨在挑战和吸引学生的天然好奇心和想象力。这一课程分为为时9周的6个独立的单元，分别是设计与建模、自动化和机器人技术、能源与环境、飞行与空间、技术科学和电子魔力。
此外，“项目引路”还从2008年开始在高中阶段推行“生物医学科学”课程项目。这一课程项目目前包含了4门课程，且与适当的全国课程学习标准相一致，分别是生物医学科学原理、人体系统、医疗干预和生物医学创新。我们不妨看一下“医疗干预”科目的如下基本内容：“学生在跟踪他们设定的虚拟家庭的日常生活中，研究各种干预法，包括预防、诊断和疾病的治疗。这门课程是如何保持身体的整体健康和动态平衡的指南。学生会探究如何预防和对抗感染，如何筛选和评估人类的DNA代码，如何预防、诊断和治疗癌症，还有当身体器官机能开始衰退时，如何进行对抗。通过这些情境，学生接触到广泛的相关干预措施，包括免疫学、手术、遗传学、药理学、医疗设备和诊断。在这门课程中，生活方式的选择和预防措施是非常重要的，正如科学的思维方式和工程设计在将来干预措施的发展中发挥重要的作用一样。”
“项目引路”的上述课程项目目前已经在美国50个州和哥伦比亚特区的4200多所学校推广，超过40多万名学生修学了这些课程。这一课程的一个显著特征，就是使“参与课程的学生能够进行以活动为基础、以项目为基础和基于问题解决的学习，同时获得实践的课堂体验。”
自“项目引路”课程项目实施以来，一些学术机构对其学术效果进行了独立评估，发表的报告集中强调了“项目引路”课程促使学生通过STEM教育在发展心和脑方面的成功意义。美国教育部部长邓肯也在2011年将“项目引路”机构的STEM课程称之为一种“在全国成功实施的新生涯和技术教育的卓越模式”。
（作者系华东师范大学课程与教学研究所副所长、教授、博士生导师）
链接
在由华东师范大学和美国纽约大学合作举办的上海纽约大学（2013年开始正式招生）的专业和课程设置中已经引入了“科学、技术、工程和数学”之概念，其专业设置基本包含如下三大类，即“科学、技术、工程和数学（STEM）”、“社会科学”和“人文科学”。STEM大类包含有：生物和行为科学专业，内含生物方向和神经科学方向；自然科学专业，内含化学方向和物理方向；工程科学专业，内含计算机工程方向、计算机科学方向、电子工程方向和互动创意和技术方向；数学专业。
