STEM教育與研究

作者：柳秀峰1　翟彥芳2

（1. 美國紐約州立大學布法羅分校教育學院；2. 首都師范大學教育學院）

柳秀峰，美國紐約州立大學布法羅分校科學教育杰出教授，美國科學促進會（AAAS）會員。在STEM教育的測量和評估、Rasch測量的應用，以及學生對物質和能量的長期概念發展等密切相關的領域進行研究。目前擔任《科學教學研究》雜志副主編、《學科與跨學科科學教育研究》雜志聯合主編。

STEM教育研究

隨著STEM教育的迅速發展，對于STEM教育的學術研究也逐步發展起來。《STEM教育：創新與研究雜志》（Journal of STEM Education: Innovations and Research）旨在“在科學、數學、工程和技術的各個層面上推動高質量教育”。該雜志強調現實世界的案例研究，重點關注與STEM從業者相關的重要問題。《國際STEM教育雜志》（International Journal of STEM Education）創刊于2014年8月，是一本關注學科內容教育的多學科期刊，重點關注科學、技術、工程和數學（STEM）的教學和學習研究。此外，2018年12月創刊的《STEM教育研究期刊》（Journal for STEM Education Research）是一本關注跨學科內容學習的期刊，專注于STEM教育研究，旨在推動STEM教育研究作為一個獨特領域的發展。由北京師范大學主辦的《學科與跨學科科學教育研究》（Disciplinary and Interdisciplinary Science Education Research，DISER）于2019年11月創刊，旨在推動科學學科內部及跨學科教育的學術研究和教育實踐。

為了反映STEM教育研究領域的飛速發展，世界上最具影響力的教育百科全書，由愛思唯爾出版的《國際教育百科全書》（第四版），特別增加了1卷（第11卷）專門討論STEM教育[14]。這一新增卷集結了來自澳大利亞、加拿大、中國、芬蘭、中國香港、愛爾蘭、以色列、瑞典及美國等國家（地區）學者的智慧，涉及STEM教育的理論基礎、STEM教育方法、STEM教師教育、STEM教育中的公平與包容、學生的STEM職業期望、STEM教育的測量與評價，涵蓋了文獻綜述、歷史敘述、實證研究，以及研究者對其最近研究成果的總結等多種形式，從多元理論和方法論視角深入探討和剖析了各個主題。

STEM教育是一個新興的研究領域，還需要大量實證研究，以下是一些重要的研究方向示例。

STEM教育研究與發展的整合性和通用語言 目前尚未形成對STEM教育定義的普遍共識。雖然在這一研究領域中存在多種關于STEM教育的觀點是有益的，但對其本質特征的共識將有助于積累STEM教育相關的知識和經驗。這種共識最終可形成一些通用的語言和專業術語，以用于報告和討論STEM教育的相關研究。對于任何新興研究領域而言，從一個分散的研究狀態到一個更為連貫和系統的研究狀態的過渡，都是其發展過程中的必經之路。

有效的STEM教育方法及其效果機制 盡管存在多種STEM教育方法（本文僅介紹了其中的3種），但是目前對于這些方法的有效性進行的實證研究還相當有限。為了促進STEM教育發展，迫切需要開展研究以比較不同教育方法的有效性，并深入理解在哪些特定條件下，對不同學生群體而言，哪些特定方法是有效的。與這一研究方向緊密相關的是還需要明確STEM教育中學生重要的學習成果。

STEM學習成果的測量（包括思維、興趣和身份） 為了有效評估不同STEM教育方法的成效，還需要開展關于測量學生在STEM教育相關領域中重要學習成果的研究。雖然已有研究關注了對學生STEM知識、理解、興趣、職業抱負和身份等方面的評估，但現階段仍迫切需要開發更為有效、可靠和公平的測量工具，這將極大地促進STEM教育定量研究的發展。

STEM學習成果的縱向研究（如身份和STEM職業興趣） STEM教育的一個核心目標是促進學生STEM身份的形成和職業興趣的發展。然而，目前的研究大多局限于較短時間跨度，如1個教學單元、1個學期或至多1個學年。我們需要開展跨越多年的縱向研究，理想情況下從小學階段一直到高中畢業，以評估STEM教育是否實現了其設定的目標，諸如推動學生的STEM身份和職業抱負的發展等。這類縱向研究同樣需要長期的STEM教育干預措施，同時也需要標準化的測量工具評估諸如STEM教育身份這樣的特定概念在長時間跨度上的發展變化。

為所有背景的學生創造STEM學習機會 STEM教育應該面向全體學生。鑒于STEM教育需要大量資源，當前STEM教育項目主要集中于資源充足的私立和公立學校。來自不同種族、民族和地域的學生在接受STEM教育機會方面存在巨大差距，因此我們有必要努力縮小并最終消除這種差距。為實現這一目標，政府的投資至關重要，同時還需要與工業、商業及非政府組織等方面建立合作關系。

STEM單科學習和綜合STEM學習之間的協調與協同 STEM教育的目的在于強化和擴展傳統的學科學習。盡管綜合STEM教育側重于跨學科的學習成果，如培養STEM身份和職業興趣，但跨學科學習不應獨立于學科學習進行。有效的STEM教育需要在STEM單科學習與綜合STEM學習之間實現協調和相互補充。初步研究成果表明，學生在綜合STEM學習與科學、工程學習之間互為補益。但目前關于綜合STEM學習和數學學習之間互利關系的研究證據較少。因此，我們需要更深入地研究拓展對綜合STEM學習與科學、技術、工程和數學學科學習之間關系的理解。

在設計和實施STEM教育方面教師的有效專業發展 STEM教育要求教師具備跨學科科學和教育學專業知識。然而，當前的科學教師教育大多仍然主要以學科為基礎，如生物教育、化學教育等，尤其是在中學教育階段。用于培養STEM職前教師的課程相對較少。為了在K—12學段的學校實施STEM教育，除了開發STEM職前教師教育課程外，學科科學教師的專業發展也極為重要。當前，已有大量研究關注教師專業發展的有效性。考慮到實施綜合STEM教育的獨特需求，有必要研究有效的STEM教育教師專業發展項目的獨特特征。例如讓教師參與科學、工程和醫學領域的跨學科研究是否能有效提升科學和數學教師對STEM跨學科性的理解？這種增進的理解如何轉化為學生STEM教學內容知識，進而提高學生在綜合STEM學習方面的結果？

參考文獻

[14] Liu X, Wang L. Introduction[A]. In: Liu X, Wang L, eds. Volume 11 - The rise of STEM education. In: Tierney R, Rizvi F, Ercikan K, Smith G, eds. International Encyclopedia of Education (4th edition)[C]. Oxford, UK: Elsevier, 2023.■

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內容編輯 | 孟想

來源 | 《中國科技教育》2024-2

一校 | 孟想

復校 | 劉科

終校 | 朱志安