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1、推进STEM教育:展望2020年 BodgerW. Byhee现在是时候超越口号,让提高所有学生的STEM素养成为教育优先考虑的问题。STEM教育兴起之初,就得到了各阶层的广泛关注。植物科学家们欢欣鼓舞,因为他们认为教育工作者终于意识到一株植物主要部分（茎）的重要性了。 技术人员和工程师也很兴奋,因为他们认为它提到了手表的一部分。酒鉴赏家也热情,因为他们觉得STEM教育对酒杯也提供了些许支持。此外,政治保守派对此表示担心,因为他们认为这是一个支持干细胞研究的新的教育重点。实际上,这些关于STEM的观念都不是当前使用的理解，STEM实际上是科学、技术、工程和数学教育的缩写。STEM起源于20世纪
2、90年代，由美国国家科学基金会(NSF)提出,一直以来被用作一个涉及STEM的一个或多个学科的实践、方针、计划或实践等任何情况下通用的标签。然而,最近一个“对STEM的印象”的调查发现,大多数专业人士缺乏对STEM缩写形式的理解。大多数受访者将其与“STEM研究”或植物联系起来(keefe,2010)。再次,教育共同体在没有真正花时间澄清这个项目到底意味着什么的情况下接受了一个口号。大多数人使用STEM这个术语时,他们想表达的还是原来的意思。所以STEM常常被解读为科学或数学，很少提到技术或工程,这是一个必须补救的问题。如果STEM教育要超越口号阶段,STEM共同体的教育者须澄清STEM缩写在
3、教育政策、计划和实践上实际意味着什么。下面的讨论的几件事可以显示STEM教育对当代教育意味着什么。首先,它将意味着认识到科学教育已在已经结束的“不让一个孩子掉队”时期被削弱。中小学的重新授权法案(ESEA)可以凸显学校项目中科学及其与技术和工程紧密结合的重要性。其次,据观察,STEM通常是一个科学或数学术语,因此STEM更应该强调技术。提到技术,很少有其他的事情能比技术更能影响我们的日常生活但不为我们所熟知的了。现在是时候改变这种情况了。我所指的视角和教育项目要大于信息通信技术(ICT)。当然，信息通信技术是技术项目的一部分。第三,STEM教育将意味着在基础教育阶段增加对工程的重视程度。工程直
4、接包含问题解决和创新这两个流行的主题(Lichtenberg，Woock， & Wright，2008)。工程有一些出现在我们的学校中,但肯定与其职业生涯和社会贡献不一致。如果国家真正对创新感兴趣,那么对STEM中的“T”和“E”强调是必要的。(Katehi，Pearson，&Feder，2009)。第四,所有的STEM学科都为强调21世纪的技能带来了机会。学生可以提高21世纪的技能，比如适应能力、复杂的通信、社会技能、非常规性问题解决能力、自我管理/自我发展和系统思考能力(NRC,2010)。在STEM项目,学生调查和项目提供给教师帮助学生发展21世纪的技能的时间和机会。第五,STEM将意味
5、着一个学习我们时代面临的重大挑战的完整的课程方法。我说的挑战是指:能源利用率、资源使用、环境质量和风险缓解等。公民需要的能力就是理解和解决与STEM学科明显相关的问题这些问题在被理解之前需要运用经济和政治等其他学科知识。现在是时候超越口号,让提高所有学生的STEM素养成为教育优先考虑的问题。公众可能已经准备好进行这样一个改革(Johnson,Rochkind,& ott,2010)。澄清STEM教育的目的澄清STEM素养和并将其作为学校课程的基本目的是推进STEM教育的第一步。下面的描述是从2006年PISA科学框架(经合组织,2006)修改得来。 总的来说,STEM素养包括概念理解、程序的技
6、能和个人处理STEM相关的个人、社会和全球问题的能力。STEM素养涉及STEM学科的集成和四个相互关联和互补的部分。STEM素养指的是以下几点:l 获得科学、技术、工程、和数学知识并利用这些知识识别问题、获取新知以及应用知识解决STEM相关的问题。l 将STEM学科的特点理解为人类活动的形式,包括探究、设计和分析过程。l 认识到STEM学科如何塑造我们物质、思维和文化世界。l 从事STEM相关的问题，运用科学,技术,工程和数学的想法做一个关心他人、有,情感和建设性的公民。将STEM文化的这些描述转化到学校课程和教学实践中需要一种整合各学科、设计、开发和实现教学材料的组织教育的方法。在推动STE
7、M教育的过程中，教育工作者必须面对和解决许多挑战。应对挑战推动STEM教育推进STEM教育过程中存在几个重要的挑战。缩略词的使用和相关歧义曾作为决策者和教育工作者的立足点。然而,当人们远离国家政策，走向STEM在教育计划中的具体实践时，STEM的力量减少得相当迅速。在这里,我不是暗示个体STEM教育“”“筒仓”的变化;而我指的是将STEM集成的思想作为长期目标(Sanders,2009)。因此,让我们看看的一些挑战。第一个挑战涉及积极地将技术和工程包括在在学校项目中。虽然一个人可以识别技术和工程项目，但是在学校中这些项目的规模通常很低。扩展技术和工程课程，适当地将T和E包含在科学和数学教育中似
8、乎是应对这一挑战的一种合理的方法。但是要注意,这种方法维持了独立的学科的“筒仓”取向。将技术和工程整合在科学教育中这一想法并不新鲜。“所有美国人的科学”(AAAS,1989),随后的“科学素养基准”(AAAS,1993)和“美国国家科学教育标准”(NRC,1996),都有与技术和工程相关的标准。例如,“所有美国人的科学”提出“工程结合科学研究和实用价值”和“工程本质是在约束下进行设计(AAAS,1989,pp。40-41)。1996年,美国国家科学教育标准包括各年级科学和技术的标准,幼儿园-4年级、5-8年级以及9-12年级。其中一个标准直接表明“技术设计能力”是科学探究标准的理解和能力的补充
9、。此外,有两个非常重要的支持技术和工程教育的举措。首先,2010年3月,全国评估董事会(NAGB)批准了国家评估框架技术和工程,定于2014年。第二,新的科学共同核心州立标准将技术和工程标准包括在内，支持了这些最初的基于标准的举措。最具有挑战性的问题之一就是引入能源效率、气候变化、风险缓解和发展学生作为公民将面临的解决问题的能力等于STEM相关的内容。应对这一挑战需要这样一种教育方法：将生活环境和全球问题置于核心位置，并使用STEM理解和解决这一问题。这被称为基于环境的科学教育(Fensham,2009),可以很容易地表示为基于环境的STEM教育。图1是一个改编自2006年PISA科学素养测试
10、的内容框架,但是他们可以代表基于环境的STEM教育课程主题。这种教育方法强调分析形式、解决问题或课题的能力,而不是各自的学科的专门知识的概念和过程。图2展示了以看作STEM教育结果的能力。个人(自我、家庭、同辈群体)社会(社区)全球(生活在世界各地)健康保持健康，意外事故，营养控制疾病,社会传播,食物的选择,社区卫生流行病,传染病的传播能源利用率能源的个人利用,强调保护和效率能量守恒,转变到有效利用和非化石燃料全球性的后果,能量的使用与守恒自然资源原料的个人消费维持人口总数、生活质量、安全、生产和食物分配,能源供应可再生能源和不可再生能源,自然系统,人口自然增长率,可持续利用环境品质环境友好行
11、为、原材料使用和处置人口分布、废物处理,环境影响,当地气候生物多样性,生态可持续性,污染、生产和水土流失的控制危害缓解自然和人类活动导致的,住房相关的决策快速变化(地震、极端天气),缓慢而渐进变化(沿海侵蚀,沉降)、风险评估气候变化、现代战争的影响科学、技术、工程和数学前沿对自然现象的科学解释、科学爱好、体育和休闲,音乐和个人技术的兴趣新材料、设备和过程,遗传修饰,认识武器技术、运输灭绝的物种,太空探索、宇宙的起源和结构图1.STEM的教育环境注：改编自:科学、阅读和数学素养的评估:2006年PISA框架(OECD, 2006）识别STEM问题l 识别可以从STEM的角度来描述的问题l 定义关
12、键词来搜索STEM信息l 识别STEM学科的关键概念从STEM的角度解释问题l 在特定情况下应用STEM知识l 以STEM的视角描述或解释现象并预测变化l 识别合适的描述、解释、解决方案和预测利用STEM信息l 解释STEM信息、得出和交流结论l 识别假设、证据和推理过程l 反思STEM发展的社会影响图2.STEM能力注：改编自:科学、阅读和数学素养的评估:2006年PISA框架(OECD, 2006）这个讨论暗示的创新的变化应该与课程补充一起启动， 说明在许多幼儿园-12年级项目重点的变化。这方法是适当可实现的,因为这些变化抓住存在于当前学校项目中的机遇。推进STEM教育:行动的课程理论行动
13、典型以如图1所示的基于当代问题的典型指导单位为中心。这些教学单元分为小学,中学和高中学校不同水平，分别持续2、4、6周。所以,我并不是在说一个STEM教育体系的彻底改革。尽管这些单位将表现一种STEM相关问题集成方法,但是在引入学校计划时单位仍是以“筒仓”的方式。使用典型指导单元作为介绍STEM教育的一种整合的方法是一个挑战,但事实上,这些单位是简短的,可以纳入当前计划的目标实现。这种方法是对课堂教师教学材料要求的一个积极和建设性的回应,体现创新并且容易实现。此外,他们提供了专业发展的机会。图3大致描述了提出的教学单位设计说明书。l 以NRC的几个报告中描述的学习研究为基础;例如，人们如何学习
14、(NRC,2000)，讲科学带入学校(NRC,2007)。l 描绘一个整合教学序列，就像在美国的实验室报告(NRC,2006)中描述的那样;也就是说,一种教学模式。l 成熟的使用反向设计(see Wiggins and McTighe, 2005)。l 强调能力l 提供发展21世纪的劳动力技能的机会(如,2010年NRC)l 提供持续的单元: 小学 (幼儿园-5年级) 2周 初中 (6 - 8年级) 4周 高中 (9-I2年级) 6周l 基于反馈和有效性的证据的实战试验和修正。l 与STEM相关的环境问题是主题单位的中心(见图1)图3.典型STEM单元的设计说明书。这种教学方法或始于一个吸引学
15、生的挑战或问题。这个挑战是与他们的年龄、年级和发展阶段相适应的。当他们探索和理解这个问题时,他们必须“伸出”各自STEM学科的知识和技能应用到这个问题上来。学生在典型单元发展和解决方案设计中运用的知识和技能将从如共同核心州立标准和NAEP技术和工程素养框架等各种文档中获得。图4提出了一个描述重点强调语境问题和连接各STEM学科的框架。内容涉及到STEM生活和工作情况(如：环境、资源、健康、危害、尖端科学)工程l ITEA标准l NAEP 2012年科技素养框架 l 共同核心科学标准数学l 共同核心科学标准l NAE报告科学技术国家标准NAEP 2009框架共同核心科学标准共同核心州立标准NCTM标准 图4.STEM典型单元的框架推进STEM:行动十年本节更详细的描述了我们应该如何启动和带来最后一章所描述的变化，来测量美国教育系统中的问题。实现更高水平的STEM素养不能在短时间内完成,它至少需要十年时间。图5描述了在美
