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【摘要】：近年来，一些论证表明STEM教育在构建学科知识和培养一系列能力、技能和性格方面的价值，这与年轻人在动态的、复杂的和具有挑战性的未来工作、社会和政治环境中富有成效和合乎道德的需求相一致。这种结合被称为STEM素养，并被定位为STEM教育项目的理想结果。然而，关于如何在K-12学校发展这方面的知识是有限的。本文介绍了一个概念化STEM教育特征的综合性质的框架。它识别和描绘了STEM教育的关键特征，识别学校项目的不同切入点、课程设计和教学策略。该框架为规划和实施学校的STEM教育提供了实际性的指导。

【关键词】：STEM，跨学科，综合，学科，STEM素养，K-12学校

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介绍

呼吁通过改进STEM教育来提高STEM能力是教育、经济和政治话语中的一个共同主题(例如Caprile et al.2015;Marginson et al.2013)。这些呼吁往往来自雇主，他们担心缺乏熟练工种的专业人士来填补当前和新兴职位，尤其是在以创新为基础的企业。一些人将矛头指向教育，声称“就业能力的缺乏归因于过时的课程和(学校)缺乏创新”(Moore et al.2014)。STEM综合教育被认为是培养个人和专业重要技能和能力的平台。其中包括研究探究、问题解决、批判性和创造性思维、创业精神、协作、团队合作和沟通能力(English 2016; Honey et al. 2014;Maddenetal. 2013)。

此外，STEM教育的潜力是让社区和企业作为背景和支持参与项目，以提高真实性和目的性。基于STEM问题和项目的学习模型也反映了商业和工业中经常使用的过程(Asghar et al.2012;Breiner et al.2012;Portz 2015)。然而，尽管人们已经认识到STEM教育的个人、社会和经济效益，以及它在K-12学校课程中的日益增加的包容性，但对于它应该如何规划、教授和评估存在不同的观点，这可能会给负责实施的人造成困惑(Breiner et al. 2012; Honey et al. 2014; Newhouse 2017)。

什么是STEM教育？

STEM教育的单一定义是难以捉摸的，这既反映了STEM作为“元学科”的突现性，也反映了关于如何分离STEM学科在K-12 STEM课程中体现的争论。然而，存在着合理的共识，即STEM教育应该以发展科学、技术、工程和数学概念、知识和过程理解为主要目标，“通过努力将四门学科的部分或全部合并到一个班级，基于主题和现实世界问题之间的联系的单元或课程”(Marrero et al.2014)。虽然跨学科是STEM教育的显著特征，但对于STEM学科在跨学科K-12 STEM课程中的定位和优先级存在不同的观点。

问题综述

虽然关于K-12 STEM教育的STEM扫盲目标存在共识，但具体包括什么，以及如何实现，尚不清楚。这对教师提出了挑战。学校的组织和结构加剧了这一挑战，不同的部门通常负责与个别学科相结合的课程。这些结构促进了一种“简仓”效应，在这种效应下，教师独立规划和教学，以他们认为可能最有效的方式提供学科内容，通常是为了满足外部评估需求(Bybee 2010; Newhouse 2017; Zeidler 2016; Zollman 2012)。跨学科的STEM教育对这种方法提出了挑战，需要更多的协作方法，这些方法需将多个学科和不同的教学技能结合起来。

本文介绍了一个旨在指导教师规划和教学STEM教育的框架。它是从确定STEM计划和教学的关键概念和特征，以及它们在STEM课程中结合的方式的文献综述发展而来的。在解释概念和特点之前，本文首先从不同的视角对STEM教育进行了综述。这些特征描述了它们与STEM课程和教学法的相关性，然后通过框架说明它们如何整合到K-12 STEM教育的不同方法中，专注于构建STEM素养的共同目标。

方法综述

一项学术数据库搜索确定了可能提供与K-12 STEM教育相关的关键概念的文献。我们遵循了一个界定程序，因为该方法支持灵活性，可以调查在教学和研究发展领域提供不同视角的文献(Munn et al. 2018)。而确定审查范围的最终程序尚未确定(Anderson et al.2008; Arskey and O’Malley 2005; Daudt et al.2013),根据Pham等人(2014)，范围评论遵循六个阶段的过程，从问题陈述开始，寻找相关研究，研究选择，提出数据，总结结果和可选的咨询阶段。

结论

本节介绍了主要的发现，组织使用了四个概念。首先，对K-12 STEM教育新兴本质的讨论提供了背景，这反映在文献中，表明了STEM教育的组成包括了不同方面，以及它应该如何规划、教授和评估的不同观点。定位尚在发展的某些领域的特征分析，反映对STEM课程的形式和组成的不同观点，这是有必要的。

一个指导学校STEM教育的框架

STEM读写能力的发展是整个文学领域的一个统一主题。这被定位为K-12 STEM教育的核心，定义了STEM课程的目的和期望的结果。这些成果可以总结如下:学习STEM学科知识，认识STEM如何塑造我们的世界，理解基于STEM的努力的本质，建设性地参与与STEM相关的问题和挑战。虽然学科知识的方向存在差异，但所有的文献都认为，在某一时刻参与多个学科的重要性，并将STEM课程定位在真实的环境中，专注于问题解决、需求或机会。设计思维的元素，包括研究、问题说明/定义和构思，尤为突出，并且经常与STEM以外的学科整合相关。虽然普遍认同以学生为中心的教学方法的可取性，而且这些方法通常更符合STEM技能和性格，但人们承认教师作为学科专家在K-12 STEM教育中发挥着关键作用，开发课程和学习环境，优化构建STEM能力的机会。以下是一个框架，试图概念化每一块STEM“拼图”如何匹配和关联到其他，为STEM教育的关键元素提供实用指导，以及如何以不同的方式将它们组合起来，以实现学生的STEM素养的共同目标。

该框架试图绘制K-12 STEM教育特征之间的联系，概念化规划和教学STEM课程的不同方法。它承认STEM素养的共同目标，但也承认不同的切入点、学科知识倾向和教学方法可以在解释STEM的课程中共存。核心是技能和性格，被确定为STEM教育的预期结果。这些与STEM素养的四大支柱——知识、参与、努力和意识有关，定义了学生的技能、性格、知识和能力的属性，这些属性被认为是STEM素养。他们在核心的位置表明他们对STEM学习的中心地位，认识到他们与知识、性格和技能的关系，并作为计划和教学的焦点。这种双向相互作用在图1中用对角线双头箭头表示。

图1 STEM教育的STEM素养发展框架

围绕核心的是四个由堆叠的灰色条形标志的STEM学科。值得注意的是，条形图的顺序是不同的，每个学科都可能被确定为STEM课程的切入点或重点。条形图的顺序并不代表优先级、等级或贡献程度，因为学科贡献的程度和方式不同。多学科应该对STEM教育有所贡献，但以这种方式代表它们表明，有一两个学科可能会成为STEM课程的“引导者”。从实用角度来看，这为教师教授学科结构的课程提供了可能性，从而探索利用学科作为更综合方法的“跳板”的潜力。这个机会可以通过横贯条形图的双头箭头来说明，这些条形图描述了学科知识的整合，但是使用单个学科作为切入点。

框架的上半部分确定了STEM课程的一系列背景或起点，定位于需求、机会、欲望或问题。在本设计的课程中，学科知识的贡献更符合项目的要求，潜在地增强其真实性，并支持学生理解多学科对开发解决方案和结果的集体贡献(跨学科方向)。浅灰色箭头表示它们与单一学科方向的相关性较弱。向内的箭头表示问题、需求、机会和想要作为项目的激励因素或内容，在基于项目的设计中参与工作过程的内环(伙伴关系、知识互换、网络、利益相关的参与者、团队合作、协作)和学科知识的不同“混合”。框架的下半部分详细说明了与不同学科方向相关的课程、教学法和学习环境特征。然而，这些组织在内环不是为了沟通与跨学科或学科方向的唯一通道。相反，教学和课程方法将根据STEM项目的性质和阶段而变化，并优先考虑学科知识、技能和能力发展等成果。在现实中，任何一种方向的STEM课程都可能在不同的时间要求不同的教学方法、学习设计和教师角色。虽然文献更强烈地主张跨学科、以学生为中心的设计，但重要的是，任何框架都要足够灵活，以适应其他方法。最后，值得注意的是在外圈中包含了设计思维。它的定位认可了设计思维在教学法，课程和其他方向的角色，反映了文学的一致性，表明其原则是K-12 STEM教育中普遍应用的结构和/或过程。设计思维的跨取向作用是由它的中心位置和连接它与两个方向的箭头所指示的。

总结:机遇与挑战

该框架试图将STEM教育的特征如何在学校课程中以不同的方式结合和整合概念化，重点是发展学生的STEM素养。它并不是要描述一个“非此即彼”的场景，而是鼓励考虑不同的方法、策略和角色，这些都是在适合目标的基础上确定的。然而，在当前的学校环境中，实施这一框架并非没有挑战，因为外部标准、单一学科评估和“竖井式”的部门结构会使整合学科的努力无效(Bybee 2010)。国家政策和课程也存在紧张，教师被鼓励探索跨学科的方法，同时期望报告学生的STEM成就作为独立的学科，通常使用严格的标准化测试(Timms et al. 2018)。

尽管有这些挑战，创新的跨学科STEM的例子正在出现，并报告了积极的成果。在这些例子中，学校利用机会重新定义课程，调整历史组织系统和结构，以提高灵活性、协作和支持新项目的学科整合和基于STEM教学的问题。这些表明，在现有的教育环境中，跨学科的K-12 STEM教育是可能的，这样做可以为全面的STEM扫盲发展带来重大好处。至少，这个框架和分析可以作为一个起点，用来讨论现有的课程如何从孤立的、单一学科的方法过渡到反映项目中具有更大真实性和相关性的多学科投入的方法。为了在学校促进这一点，它可以在学院间或跨学科规划会议上使用，以审查现有的课程，重点关注STEM学科通过更有意义的，基于项目研究方法更好地整合下，是如何发展的。

该框架还可能推动关于K-12 STEM教育扫盲目标的辩论，促进对当前课程和教学方法的评估，以确定其有效性和相关性，以提供更全面的结果，即定义为具有STEM素养的人。未来的K-12 STEM教育研究在报告和传播这些开创性努力的成果、构建和分享STEM综合教育的有效实践知识以及从中受益方面发挥着重要作用。最后，该框架应被视为一种尝试，以帮助建立对STEM教育及其如何在学校实施的理解。审查揭示了关于这一点的许多争论，表明可接受的方法和实践的基础仍在建立中。测试和评估该框架，作为规划和教学K-12 STEM教育的指导，可能有助于建立这个基础。

（来源：“百研工坊”微信公众号，编译：盛立莉 东南大学脑与学习科学系，研究生导师：柏毅，作者：Garry Falloon）

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原标题：《理解K-12 STEM教育：发展STEM素养的框架》