內容簡介

本書以專題形式對美國中小學STEM教育的諸多方麵進行瞭介紹、分析和研究：指齣《本科科學、數學和工程教育》（1986）與《國傢在危急中，教育改革勢在必行》（1983）兩份報告在美國教育改革發展進程中具有同等重要之地位，且是今日美國STEM教育盛行之緣起；關注技術與工程教育以及計算機科學在STEM教育中的地位及其重要意義和價值；試圖明晰不同類型之STEM學校的各自特徵，包括其設計理念、實施課程與方法以及實施之效果；探討與正規學校STEM教育構成完整“生態學習係統”的非正規STEM教育；特彆從非營利性的“專業STEM機構”角度並以個案解讀方式介紹瞭美國STEM教育的支持係統；超過基礎教育範疇闡述美國STEM教育對國傢競爭力的影響。

本書與《美國STEM教育政策進展》構成姐妹篇，互為補充，相得益彰。

作者簡介

趙中建，華東師範大學教授、博士生導師，上海紐約大學文理學部副主任，兼任國傢基礎教育課程教材專傢工作委員會委員、上海市基礎教育課程改革專傢工作委員會委員；曾任華東師範大學國際教育中心主任、課程與教學研究所副所長、《全球教育展望》雜誌副主編、中國教育學會比較教育分會秘書長；曾為英國倫敦大學教育學院客座研究員和美國賓夕法尼亞大學教育研究生院富布萊特高級訪問學者。

堅持“立基點於本土，求視野於世界”之研究原則，長期從事聯閤國教科文組織文獻研究、全民教育研究、印度教育研究、美國教育研究、國傢創新政策比較研究，積極倡導應用現代管理思想以促進學校管理創新。策劃“聯閤國教科文組織教育”叢書，主編“美國基礎教育改革研究”叢書，閤作主編“當代教育理論”譯叢，齣版《學校管理體係與ISO9000標準》《學校文化》《學校經營》《戰後印度教育研究》《質量為本——美國基礎教育熱點問題研究》 《歐洲國傢創新政策熱點問題研究》 等著作。

目錄

第一章 美國STEM教育發展研究及其政策支持

第一節 始於高等教育的STEM教育…1

第二節 全麵展開的中小學STEM教育…8

第三節 STEM教育的國傢戰略、立法保障和未來願景…14

第四節 結語…23

第二章 STEM教育內涵及其特徵

第一節 STEM教育的基本內涵…28

第二節 STEM教育的特徵解析…29

附錄1 課程整閤：納米視野——小物體，大作用…43

附錄2 項目學習：項目學習的特徵及其與探究學習的對比…48

附錄3 工程設計：拯救企鵝——通過工程設計講授熱學…50

附錄4 問題解決：利用循環模型尋找解決方案…52

第三章 美國中小學技術教育標準

第一節 麵嚮全體美國人的技術教育…55

第二節 美國州級技術教育標準及其實踐…63

第三節 分析與評論…75

第四章 美國中小學的工程教育

第一節 《K—12教育中的工程：理解現狀和提升未來》…79

第二節 《K—12工程教育標準？》…83

第三節 中小學工程課程的建構及其實踐…91

第四節 歸納性結論…104

第五章 作為一門學科的計算機科學

第一節 計算機科學作為一門中小學學科的背景要素…108

第二節 計算機科學的核心概念和核心實踐…111

第三節 《框架》實施之要素…119

第四節 分析與思考…123

第六章 中小學技術與工程素養框架及其評估

第一節 《技術與工程素養框架》的發展進程…127

第二節 技術與工程素養評估的內容領域…131

第三節 技術與工程素養評估的實踐原則…140

附錄1 NAEP技術與工程素養評估領域與教育技術標準及

技術素養標準之對應比較…145

附錄2 NAEP技術與工程素養初步成就水平的定義…147

第七章 美國實施STEM教育的學校類型研究

第一節 STEM精英學校…153

第二節 STEM全納學校…156

第三節 STEM生涯技術學校…160

第四節 餘論與思考…164

附 錄 以北卡羅來納州科學和數學學校為例的個案研究…168

第八章 美國STEM教育的師資保障

第一節 美國教師教育發展政策的簡要迴顧…177

第二節 美國STEM教師短缺及其政策措施…185

第三節 多管齊下的STEM師資保障舉措和教師培養…191

第四節 理想目標與實踐結果的差距…202

第九章 美國STEM教育的支持係統

第一節 全國範圍的機構組織…206

第二節 州和地方學區層麵的機構組織…218

第十章 非正規STEM教育及學習生態係統的構建

第一節 非正規STEM教育緣何重要？…228

第二節 有效非正規STEM項目的標準…231

第三節 校外STEM項目的結果和影響…235

第四節 STEM學習生態係統之構建…238

第十一章 美國STEM教育及其對國傢競爭力的影響

第一節 國傢競爭力及其影響因素…250

第二節 STEM教育與國民素質的提升…256

第三節 STEM教育與就業及收入分配…259

第四節 STEM教育與性彆、種族平等…261

第五節 STEM教育與國傢經濟實力…264

第六節 STEM教育與技術進步：創新的驅動力…266

後記

前言/序言

最近，英國國際權威科學期刊《自然》（Nature）與美國權威科普期刊《科學美國人》(Scientific American)閤作，在2015年7月15日齣版的《自然》期刊上集中推齣幾篇從幼兒園到大學的“科學、技術、工程和數學”（STEM）方麵的文章，並配以非常醒目的封麵圖片、名為《培育21世紀的科學傢》的封麵文章和名為《一種教育》的期刊社論，係統審視瞭全球STEM教育的挑戰和希望。美國連接在校教育和職業生涯的期刊《技術》（Techniques）在2015年3月齣版瞭STEM專題（STEM Issue），指齣：當STEM教育的重要性和價值已經成為教育改革和經濟發展的主要部分時，STEM教育就成為“今天的創新，明天的成功”。同樣，由美國督導和課程開發協會主辦的著名教育期刊《教育領導》（Educational Leadership）在2015年1月齣版瞭題為《全民STEM》（STEM for All）的專題文章。這一切確切地傳遞著這樣一個信息：現在是關注和重視STEM教育的時候瞭！

早在近30年前的1986年，美國國傢科學基金會（NSF）就發布瞭名為《科學、數學和工程本科生教育》的報告，強調要“加強大學教育並追求卓越，以使美國下一代成為世界科學和技術領導者”，並就此嚮各州、學術機構、私營部門和作為聯邦機構的國傢科學基金會提齣諸多建設性建議。這或許是最早提齣STEM教育的一份重要文獻（最初的英文縮寫為SME&T;）。國傢科學基金會在1996年對美國大學科學、數學、工程和技術教育的十年進展進行迴顧和總結，發錶瞭名為《塑造未來：科學、數學、工程和技術的本科生教育新期望》的報告，針對新的形勢和問題，對學校、地方政府、工商界等提齣明確的政策建議，包括要大力“培養K—12教育係統中科學、數學、工程和技術學科的師資隊伍”。2007年10月3日，國傢科學基金會又發布瞭名為《國傢行動計劃:應對美國科學、技術、工程和數學教育體係的重大需求》的報告（以下簡稱《國傢行動計劃》），針對麵臨的兩項主要挑戰，提齣兩個方麵的措施：一是要求增強國傢層麵對K—12年級和本科階段的STEM教育的主導作用，在橫嚮和縱嚮上進行協調；二是要提高教師的水平和增加相應的研究投入。而10月3日這一天正是蘇聯第一顆人造衛星上天50周年紀念日。此時發錶《國傢行動計劃》的目的，就是要嚮美國朝野警示：50年前的威脅今天正以另外一種形式齣現，美國必須時刻不忘加強對學生的STEM教育。

這裏還須提及的一份重要文獻，是美國總統科技顧問委員會於2010年嚮美國總統提交的名為《培養與激勵：為美國的未來實施K—12年級科學、技術、工程和數學教育》的報告。該報告的如下錶述充分顯示瞭STEM教育對於美國的戰略意義和積極價值，這在一定程度上也顯示齣STEM教育的普遍價值：“STEM教育將決定美國未來能否成為世界領袖，能否解決如能源、衛生、環境保護和國傢安全等諸多領域的巨大挑戰。STEM教育將有助於培養國際市場競爭所需要的能乾且靈活的勞動力。STEM教育將確保美國社會繼續做齣基礎性發現並提升我們對我們自身、我們的星球和宇宙的理解。STEM教育將造就科學傢、技術專傢、工程師和數學傢，他們將提齣新的思想，製造新的産品並創造齣21世紀的全新産業。STEM教育將為每一個個體提供為獲取足夠生活的薪水，以及為他們自身、他們的傢庭和社區作齣決定所必需的技術技能和計算素養。”

STEM是科學、技術、工程和數學（Science, Technology, Engineering and Mathematics）的英文單詞首字母的縮寫。我們可以這樣來認識STEM：首先，STEM是分科的，它代錶著科學、技術、工程和數學四門獨立的學科領域；其次，STEM又是整閤的，這或許是今天強調和重視STEM時最為看重的；再次，STEM還是延伸和擴展的。

就分科而言，這裏以美國中小學各科標準為例予以說明。最早是美國全國數學教師理事會（NCTM）在1989年公布其《美國學校數學課程與評價標準》，而後又在2000年公布瞭新版標準《學校數學的原則和標準》。隸屬於美國國傢科學院的國傢研究委員會會（NRC）在1996年發布瞭美國第一份《全國科學教育標準》，且在2013年再次公布瞭標誌著美國新一輪科學教育改革的新標準，即《下一代科學標準》（NGSS）。此次新科學標準第一次將工程和技術教育單獨列齣並加入到科學教育的標準中，且非常注重跨學科學習和實踐參與，“旨在幫助實現科學和工程領域的教育願景”。2000年4月，美國國際技術教育協會及其下屬的“麵嚮全體美國人的技術項目”隆重推齣《技術素養標準：技術學習之內容》的全國性中小學技術教育標準。此外，美國國傢科學院於2009年發布瞭由國傢工程院和國傢研究委員會組成之“K—12年級工程教育委員會”提齣的研究報告《K—12教育中的工程：理解現狀和改進未來》，並提齣中小學實施工程教育的三項原則和七條政策建議，其中的建議七提齣：“國傢科學基金會和美國教育部應該支持研究‘STEM素養’的特徵和界說。研究者應該不僅要思考科學、技術、工程和數學的核心知識，還要思考連接這四個學科領域的大概念（big ideas）。”這是我們理解科學、技術、工程和數學作為各自相對獨立的學科的基礎。

作為集成戰略的STEM教育並不局限於四門各自獨立的學科，而是更關注其“整閤”的意義和價值。這正如美國瓦利市州立大學（Valley City State University）的STEM教育中心官網在解釋“什麼是STEM教育”時所說：STEM“超越其首字母縮寫所意味的，它遠不止於科學、技術、工程和數學”，“STEM 教育是關於學生參與的學習，是基於項目的學習，它運用科學探究過程和工程設計過程，是跨學科的，是關於積極學習的，是關於閤作與團隊工作的，是關於解決實際問題的，它連接抽象知識與學生的生活，整閤過程和內容……”。美國“項目引路”(Project Lead The Way, PLTW)機構的觀點更明確瞭STEM教育的整閤特點及其現實意義：

STEM教育課程計劃旨在使學生參與以活動、項目和問題解決為基礎的學習，它提供瞭一種動手做的課堂體驗。學生在應用所學到的數學和科學知識來應對世界重大挑戰時，他們創造、設計、建構、發現、閤作並解決問題。

美國國傢科學院齣版社於2014年齣版的《K—12年級STEM整閤教育：現狀、前景和研究議程》，對理解STEM教育的整閤有瞭更為全麵的認識，認為“STEM整閤教育遠不是單獨的、定義明確的經驗，它包括一係列不同的體驗，涉及一定程度的聯係。這些體驗可能發生在一個或幾個課時內，貫穿整個課程，體現在單一學科或整個學校中，包含於校外活動中”；認為通過對STEM整閤方案的研究獲得如下三點重要啓示：整閤必須明確，支持學生學習單個學科的知識，整閤並不一定越多越好。

同樣，從目前發展的情況看，STEM教育本身也在不斷擴展和延伸。首先，STEM教育發端於美國，但現在已經不斷地齣現在其他國傢的教育改革中。如英國教育與技能部早在2006年就發布過《科學、技術、工程和數學計劃報告》（The Science, Technology, Engineering and Mathematics Programme Report），英國“代錶教育之科學團體”（SCORE）機構在2010年發布瞭一份三次專業發展活動的總結報告《STEM提供者的變革性課程》（The Changing Curriculum for STEM Providers）；2013年全球STEMx教育大會的專題中涉及的國傢有芬蘭、澳大利亞、新西蘭、贊比亞等；此外，還有“美洲國傢組織對拉丁美洲與加勒比地區STEMx教育的支持”的專題。

其次，STEM教育本身也在擴大。如全球STEMx教育大會名稱中STEM後的x就是最明顯的擴大，這裏的“x”代錶著計算機科學、計算思維、調查研究、創造與革新、全球溝通、協助及其他不斷湧現的21世紀所需的知識與技能，“其他不斷湧現的”錶示齣一種極大的“包容性”。此次大會專題中還多次齣現STEAM，如“以STEAM為支撐的高爾夫課程”“從STEM嚮STEAM進發”“STEAM設計”；又如2013年8月，中國第一屆中小學STEAM教育創新論壇在浙江溫州中學舉辦；以STEAM模型為中心的技術教育課程設計正成為當前韓國技術教育發展的最新動嚮。STEAM中的“A”即藝術(Arts)。

再次，STEM教育的實施正在越來越多地與教育信息與通信技術（ICT）結閤，而後者的引入為STEM教育的實施提供瞭更為豐富的方式和途徑。美國科學與技術研究聯盟（ASTRA）於2013年7—11月連續發布瞭《2013教育技術》報告，對教育技術革命及其對教育領域的影響進行瞭全麵的闡述，認為“教育技術革命正在為學生創造齣更為有效的學習方式，讓他們理解學習如何與‘真實世界’相聯係，並嚮他們提供有助於其更為徹底、深入地進行學習所必需的工具”。“教育技術正在變革著K—12教育的麵貌。隨著教育技術延伸至課堂，學生不再是信息的被動接受者。當學生已經擁有智能手機或iPad時，很少有人能夠靜靜地坐在課桌後麵”。當STEM教育與迅速發展中的教育信息與通信技術相聯係時，它所帶來的教育效果或許難以預料，但其前景卻令人十分期待。

最後，STEM教育從最初關注或集中於高等教育，到逐步下移至中小學教育乃至幼兒園活動，從國傢競爭力人纔的培養擴展至學習方式的變革。

盡管從比較研究的角度看，STEM教育在世界其他國傢的齣現和實施已經為時不短，且越來越顯現其引人注目的積極方麵，但它在我國教育研究界和中小學一綫的齣現隻是最近幾年的事情。2012年第4期《上海教育·環球教育時訊》曾開闢STEM教育專欄，刊登有《STEM：美國教育戰略的重中之重》等若乾篇文章，這是我國教育類雜誌第一次較為集中地介紹STEM教育，而由中國科協青少年科技中心翻譯、科學普及齣版社於2013年齣版的《STEM項目學生研究手冊》，或許是我國第一本有關STEM教育的譯著。

我國中小學新課程改革至今已有10多年的發展曆史，且已取得相當的成就並獲得諸多有益的經驗，但在如何延續或深化這一課程改革，尤其在學校教育如何注重培養學生的批判性思維和問題解決能力（或者說21世紀基本素養或技能）等方麵，國際的經驗或許可以為我們提供某些方麵的藉鑒。為瞭使我們能夠充分瞭解世界其他國傢尤其是美國在中小學課程改革和發展中實施STEM教育的現狀，從中獲得某些有益的經驗，我們策劃齣版“中小學STEM教育”叢書（本叢書係由我本人主持承擔的上海市教育科學規劃課題“美國中小學STEM教育研究”成果之一），其中既有翻譯著作，包括美國國傢科學教師協會齣版社（NSTA Press）於2012年齣版的《在課堂中整閤工程與科學》、英國勞特裏奇齣版社（Routledge Press）於2013年齣版的《設計·製作·遊戲：培養下一代STEM創新者》及荷蘭Sense齣版社（Sense Publishers）於2013年齣版的《基於項目的STEM學習：一種整閤科學、技術、工程和數學的學習方式》3本譯著；也包括由我本人選編或撰寫的《美國STEM教育政策進展》和《美國中小學STEM教育研究》2本著作；同時計劃齣版齣自我國一綫學校的相關著作。

2015年8月25日

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