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作者：王巍 摘要
关键词：项目式；STEM教育；研究现状 一、引言 STEM教育是当今培养创新人才的全球性议题，各国都在积极探索如何实施STEM教育来增加具有国际竞争力的人才数量，以增强知识经济时代国家竞争力。国内学者对STEM教育的理性探讨[1]和发展分析[2]随着教育实践逐渐深入，促使STEM教育在实施的有效性方面面临巨大挑战。目前，STEM教育“如何教”的问题集中在四种典型的教学方法，即问题式学习（Problem- based learning）、探究式学习（Inquiry- based learning）、设计式学习（Design- based learning）和项目式学习（Project-based learning）[3]。其中，项目式学习在STEM教育中获得了更广泛的关注[4]。有研究表明，以项目为基础的教学方式能够有效促进学生对STEM知识的兴趣，影响学生对STEM领域的职业选择，项目式教学能够提高学生在高度知识型社会中的竞争力[5]。国内对STEM教育教学方法的实践探索集中在高等院校或科研院所[6-7]，有效的教学方法是落实教学实践的关键因素，所以对项目式STEM教育研究现状的梳理具有重要意义。鉴于此，本文以2007年至2018年 Scopus数据库中基于项目式学习开展STEM教育的文献作为样本，在整体了解项目式STEM教育研究概况的基础上，通过关键词共现分析，可视化描述国际上项目式STEM教育的主要研究内容，以期为国内STEM教育教学实践的研究和发展提供参考和借鉴。 二、研究设计 1.数据来源 为了解当前项目式STEM教育的研究现状，本文以全球规模最大的文摘和索引数据库 Scopus为研究样本来源。笔者选择题名（Title）字段进行检索，以“STEM Education”和“Project-based Learning”为核心检索词，同时根据两个核心检索词的学术研究特点进一步精确检索关键词。 首先，STEM是由 Science（科学）、Technology（技术）、 Engineering（工程）与Mathematics（数学）四个学科英文拼写首字母缩写而成，在一部分研究中用四个学科的全拼形式代替缩写形式，所以本研究中将“Science，Technology，Engineering and Mathematics”作为核心检索词“STEM Education”的拓展表达形式之一。另外，随着STEM学科整合范围的扩大以及培养学生综合创新能力的需求，融入艺术（Arts）的 STEAM研究成果日益丰富。STEAM教育在教学理念和教学方法上与STEM教育一脉相承[8]，基于项目的学习方式在 STEAM教育中依然发挥着重要作用。不同的是，STEAM教育在课程开发和教学评价维度等方面较STEM教育更具丰富性，所以本研究中将“STEAM Education”与其全拼写形式“Science，Technology，Engineering， Mathematics and Arts”作为“STEM Education”的另外两种拓展表达形式。 其次，学者们对项目式学习的书写方式主要有“Project- based Learning”和“Project based Learning＂两种形式，通过研读文献内容发现两种书写方式在表达意义上无内涵差别，所以在检索目标文献时，将两种书写方式等同。 最后，笔者在初步确定研究样本中将“STEM Education”“Science，Technology，Engineering and Mathematics”“STEAM Education”“Science，Technology，Engineering，Mathematics and Arts”分别与“Project- based Learning”和“Project based Learning”组合并一一检索，最终得到包含8个检索词组的检索结果。通过对文献类型、摘要与本研究意图关联程度的筛选，最终确定162条记录作为本文研究的文献集合，样本出版时间截至2018年12月31日。 2.研究方法和工具 Bibexcel是由瑞典科学计量学家 Olle Persson开发的文献计量软件，本文运用该软件对162篇文献样本进行发文量、地域分布、高影响力研究团队的统计分析，从而了解当前项目式STEM教育的整体研究概况。Pajek是大型复杂网络分析工具，用于对节点网络的分析和可视化操作，可实现对数据节点的矩阵分析和聚类分析。笔者将高频关键词通过 Pajek进行共现网络分析，结合代表性研究团队的科研成果，以阐释项目式STEM教育的研究热点和发展趋势。 三、项目式STEM教育研究现状 （一）文献样本描述性统计分析 1.载文量分析 通过文献计量软件对研究样本进行整体分析发现，2007年到2018年间，国际上关于项目式STEM教育的年载文量如图1所示。最早的文献是2007年美国德州理工大学T-STEM中心研究团队对高中STEM教育的改革倡议[9]，通过培训STEM教师以工程设计过程作为教学的指导性框架，进一步将学生依托实际项目学习STEM概念的方式细化为基于工程设计的项目学习。2008年到2015年间，文章数量逐年增加但比较缓慢，且出现了两个零增长的平台期，即2013年和2015年较上一年文献数量没有增加。结合STEM教育发展历程和文献样本中研究背景的概述可以发现，美国奥巴马政府在此期间频繁发布关于STEM教育的政策报告，如2013年《联邦STEM教育五年战略规划》（Federal Science，Technology，Engineering and Mathematics（STEM）education：5- year Strategic Plan）强调了STEM人才储备和师资培训的重要地位；《下一代科学标准》（Next Generation Science Standards）中引入工程学科和跨学科实践，突出了STEM教育的整合或跨学科特征；随后的《K-12年级STEM整合教育：现状、前景和研究议程》（STEM Integration in K-12 Education Status，Prospects and an Agenda for Research）着重探讨了STEM课程整合与课程实施的跨学科性；《2015年STEM教育法》（STEM Education Act of 2015）提出将计算机科学纳入STEM教育类别，加强对非正式环境下STEM教育领域发展的研究。这些政策报告从国家未来竞争力的战略高度规划了STEM教育的教育目标、实施路线和评估标准，全面促进了STEM教育的发展，使得关于项目式STEM教育的研究进入了新的阶段。由此可见，顶层设计对STEM教育的深入实践起到了重要作用。 2.高影响力研究团队分析 美国是STEM教育研究成果最多且被引用率较高的国家，随着全球经济模式的发展变化，各国（地区）对创新人才的需求使得STEM教育受到了广泛关注。韩国、马来西亚、以色列等国家开始了对项目式STEM教育的研究和实践，我国大陆地区的研究成果较少。 为确保数据分析的准确性，笔者对文章作者进行国家（地区）和研究机构的信息匹配，以保证去除同一作者所属多重机构或不同机构作者重名的情况，继而用 Bibexcel软件分别提取作者全名和所属机构，研究者所属的国家（地区）和机构以及取得的研究成果如表1所示。目前项目式STEM教育领域形成的高影响力研究团队有四个，分别是美国德州农工大学团队、台湾屏东大学团队、美国欧道明大学团队和以色列本-古里安大学团队。 为了进一步了解四个研究团队成员间的合作情况，笔者通过Bibexcel软件得到文献作者的网络节点和合作频次文件，利用 Pajek软件读取网络节点文件和合作频次文件形成可视化网络图，如图2所示。其中圆圈代表文献作者，线段代表两位作者形成合作关系。作者节点圆圈大小表示作者合作总数多寡，作者节点间连线的粗细表示两位作者合作次数。从图2可看出，各研究团队围绕核心研究者形成了紧密的合作网络。其中研究团队1中的成员最多，但核心研究者只有两位，他们是德州农工大学的罗伯特・卡普拉罗（Capraro R.M.）教授和玛丽・卡普拉罗( Capraro M.M.)教授。研究团队2的合作网络图中4条线条较粗，代表以台湾屏东大学罗哲希教授为首的多位研究者形成了最紧密的合作关系，结合表1中的数据可见该团队成果被引用率最高，在项目式STEM教育领域中影响力较大。另外从图2中还可以发现，项目式STEM教育的研究团队还没有形成复杂的合作关系，通过对各团队文献内容的深入研读发现，各团队受所属国家（地区）教育战略政策和科研经费支持的影响，研究对象的人口学特征主要围绕学段、性别和经济背景展开，研究国家（地区）文化和种族差异对STEM学习者学习效果影响的极少。这也说明目前STEM教育领域中采用项目式教学的研究还处在探索阶段，未来随着各国（地区）对STEM研究的不断深入，来自不同种族和文化背景的学习者在项目式STEM学习中呈现的教育现象将更加丰富。 （二）研究热点 分析项目式STEM教育文献样本的高频关键词共现网络情况，可以得出当前研究的热点。笔者对全部样本的关键词进行提取并统计，共得到原始关键词551个，总频次1133次。由于从数据库直接导出的关键词未经处理，研究者在尊重文献作者研究意图的前提下，只对关键词的单复数不同形式以及同一词的缩写和简写进行统一，如“High schools”和“High school”统一为“High School”，“Project based learning”和“PjBL”统一为“Project- based learning”。使用 Bibexcel软件生成高频关键词社会网络分析所需的.net文件和.vec文件，并导入社会网络分析软件 Pajek中，使用 Pajek内部的可视化分析工具绘制出高频关键词的共现网络图，如图3所示，网络图以“STEM”和“Project- based Learning”两个核心关键词为中心向外延伸，中心关键词节点频次较高，次级节点分布均匀，可见关于项目式STEM教育的研究已经初具规模。但代表次级节点的圆圈较小，说明项目式STEM研究的内容有待进一步深化。关键词网络图中相对明显的次级节点包括Engineering Education（工程教育）、Education computing（计算机教育）、Curricula（课程）、Professional aspects（专业方面）、Personnel training（人员培训）、Problem solving（问题解决）、Teaching（教学）和 Computer aided design（计算机辅助设计）。 （三）项目式STEM教育主要研究内容 高影响力研究团队的研究成果代表了某一领域的核心研究内容，结合高频关键词网络分析结果，本研究总结了当前项目式STEM教育研究的核心内容，包括项目式STEM教育教学效果、项目式课程内容要素、教师STEM能力发展特点等。 1.项目式STEM教育教学效果 采用项目式教学能够提高学生对STEM学科的兴趣和自我效能感。学生对STEM领域专业选择和对职业抱负规划与STEM内容无关，教师在项目引领过程中的实施策略影响学生对STEM知识的学习态度[14]。实用性和易用性较强的STEM项目能够增加学生的学习动机和欲望，台湾地区职业高中学生在完成多功能电动车的项目后，对科学、数学、技术与工程四个学科的学习态度变化最明显的是工程学，学生愿意从事工程行业的兴趣大幅度提高[11]。另外，项目式学习不仅能够提高学生在STEM领域的学科素养，还能进一步发展具有创造力的情感领域[14]，包括冒险精神、好奇心、想象力和面对困难的挑战性。 通过项目学习STEM知识能够提高低学业水平学生的学业成就。传统教育观念和教学现象表明，不同学业水平的学生学业成就呈现明显差异。然而，罗伯特教授的研究团队通过对高中低不同能力水平学生在项目式STEM学习后的数学成绩进行测试，结果显示低学业成就学生的成绩提高更加明显，这一结果阐明了项目式STEM教学方法对提高学生的学业成就是有效的，同时促进了教师对差异化教学的重新思考，使不同表现水平的学生从项目式STEM活动中受益，并指导教师调整教学策略，最大限度地吸引不同程度的学习者[15]。 STEM领域的女性学习者参与项目式学习后对STEM职业的兴趣发生了积极变化。STEM职业领域中女性从业者数量偏少导致STEM劳动力总量不足一直是研究者关注的重点。通过对女性代表的研究发现，她们对STEM的选择意愿低于男性[16]，这种流失迹象开始于高中阶段[17]。但罗哲希教授团队通过对完成“奖杯扬声器”项目的女生进行半结构化访谈发现[18]，女高中生的性别角色信念和女工程师角色楷模对其STEM自我效能感和STEM专业承诺有显著影响，参与访谈的学生认为选择STEM专业受学校或教师使用的教学方法的影响，教学方法直接影响女生对STEM知识的学习兴趣和持续学习动力。可见，性别因素不是导致STEM职业领域女性人数缺乏的直接原因，期待STEM领域从业人员的大幅增长可以采用恰当的教学方法和学习策略提高女性对STEM领域的兴趣，从而正向影响女性对STEM领域的专业选择态度，也使得STEM领域性别比例失衡现象得以改善。 2.项目式课程内容要素 STEM教育包括科学、技术、工程、数学四个学科的内容，以培养学生面向真实世界的问题解决能力为核心目标。项目式STEM教育内容整合焦点是工程设计和技术，工程设计和技术是创建与科学、数学的概念和实践联系的基础[19]，其中工程设计的作用更加重要，被认为是实现学科整合的关键所在，为STEM各学科提供交叉点并建立联系的机会。按照《美国新一代科学标准》框架，科学教育内容涵盖了物质科学、地球与空间科学、生命科学以及工程、技术和科学应用[20]，以不同领域科学内容为主题，设置基于真实问题的STEM项目，以数学知识为问题解决的工具，能够促进学生对工程和技术知识的学习。但是研究者通过分析参与“太阳能电动汽车”项目的初中生在STEM学习平台中的讨论内容发现，学生在项目进行过程中讨论的关于技术和工程的话题要多于科学和数学，讨论内容主要围绕如何使用技术和工程概念，而对科学知识原理和如何利用数学知识解决问题的讨论较少[21]，学生在完成项目后针对这一现象的解释是，工程和技术知识能让学生直接发现需要解决的问题，科学和数学知识的特点是侧重于概念和原理，学生不能通过抽象的科学原理寻找解决问题的最佳方案，学生的解释再一次说明了工程和技术内容在项目式STEM教育中的突出地位。所以工程知识和技术知识既是学生基于实践学习的基础性知识，又可能是学生完成STEM项目的困难性障碍，尤其是技术工具的操作性知识既是学生需要学习的新知识也是学生进行STEM项目的基础性经验，学生对工程技术知识的关注和投入直接影响项目的完成情况。教师在进行项目设计时，需要全面衡量知识内容的覆盖科目和难易程度，不要局限于科学和数学两个学科，应以跨学科性和整合性双重标准评定STEM项目的合理性和有效性。 3.教师STEM能力发展特点 教师是实施教育教学的核心角色和影响教育效果的关键因素。由于缺乏专业的STEM教师，所以早在2007年美国对在职教师开展了提升教师STEM能力的专业发展培训项目。研究者对参与培训的教师进行STEM教育实践和STEM能力发展的持续观察和评估，发现教师对STEM教育价值的理解与实践存在差距[22]，教师对STEM知识概念的理解不代表掌握了实施STEM教育所需的教学技能，教师的理论知识学习结果优于教学实践表现能力，可见，在教师培训中，STEM教学实践技能是教育培训的重点，也是STEM教师专业发展的难点。 教师开展STEM活动的积极性受教学工作评价机制和STEM教育实施条件影响。教师对STEM教育不够热衷源于项目活动时间不充裕，项目发展以学生能力为中心，从项目开始到完成的时间存在弹性，另外课程开发要遵循课程标准，教师既要对课程标准负责也要对学生能力发展负责，而问责制评价制度使教师在学生成绩和学生能力之间难以抉择，这些因素都大大降低了教师开展STEM活动的主动性[23-24]。设计由教师驱动的专业发展活动能减少教师对STEM认知和STEM实践行为之间的差距，从而使教师对STEM教育的知识性理解和操作性经验均衡发展。在STEM课堂上，学生STEM学习经验匮乏，教师STEM教学经验也较匮乏，在STEM空间建设不完善的学校，发生在教室等传统学习空间的STEM课程对教师开发项目内容和项目实施提出了挑战，这类具体的教学问题既普遍存在于STEM教学实践，又难以通过培训的方式面面俱到，所以在STEM教师能力发展过程中，既需要系统的理论课程和实践活动，也需要持续的反馈功能机制帮助教师个体STEM能力成长。 四、对我国STEM教育发展的建议 经济发展过程中我国的人口红利在一定程度上发挥了重要作用，但随着经济发展方式的转变，高质量且富有创造力的劳动力将成为新一轮经济发展和社会进步的关键资源。STEM教育作为培养创造型人才的重要途径，对我国实现强国梦具有重要作用。尽管我国STEM教育起步晚，但发展势头强劲有力，为了更好地推动我国STEM教育的实践发展，本文对项目式STEM教育研究成果进行了分析和概括，结合我国当前STEM教育发展的客观实际，对未来STEM教育发展提出以下建议。 （一）构建多方联动的教师专业发展机制 STEM教师培养是当前STEM教育工作的重要部分，中国教育科学研究院颁布的《中国STEM教师能力等级标准（试行）》指引了教师培训和教师专业发展的方向。但是由于职前教师培养周期较长，且当前师范院校的STEM职前师资培养方案仍在探索阶段，培训在职教师是缓解 STEM教师严重缺乏的当务之急。高等师范院校是制定和实施教师培训方案的主体，按照传统的教师培训机制，教师培训团队主要是师范院校学科领域的专家教授，尽管高等师范院校的发展以“综合性”为目标，但工程技术类的智库资源状况想要满足STEM教师对工程技术知识和技能的强烈需求，需要联合多方专业团队助力师范院校实施教师专业发展项目。在坚持STEM教育教学理念和跨学科整合的方针指引下，未来的STEM师资培养主体突出综合性、异质性，以师范院校为引领，同时联合工程技术类高等院校和学院、企事业单位或机构，尤其是前沿的工程、技术与科学领域的研发团队，在为STEM教师提供专业知识的同时拓宽STEM领域发展的视野，提高STEM教师对STEM职业的认同，只有教师了解了工程师的职业特点才能鼓励学生从事工程或者STEM领域的职业。此外，STEM教师专业发展活动的开发者要考虑教师的个体差异和专业优势，重视教师发展投入，使教师增强主人翁意识，更主动地参与到培训活动和教学实践中，有利于教师弱化自身对教育教学改革的畏难心理，树立教学自信。 另外，探索高校工程专业学生与STEM学科教师双向培养的机制，为STEM职前教师培养开拓路径，使STEM师资可持续发展获得更多的智力支持和后备力量。实施办法是将工程类本科、研究生的专业实习与中小学STEM教师专业发展相结合，以“工程教师”服务基础教育为宗旨，发挥“影子”指导作用。“工程教师”辅助STEM教师学习专业的工程技术知识，促进STEM教师在STEM知识和技能方面的专业化、精准化，同时STEM教师指导“工程教师”教育方法、课程标准等教育学和心理学方面的内容，有助于“工程教师”对STEM教师的教学实践提出改进建议。双向培养机制的另一个目的是吸引对教育事业具有热情的工程类本科生和研究生，拓宽工程类毕业生的就业渠道，为STEM师资队伍储备人力资源，当然这需要教师准入制度和资格考核方面的政策支持。 （二）开发垂直整合、动态发展的STEM课程 当前，从基础教育到高等教育对STEM课程都表现出了强烈的需求，尤其在资本市场的利益驱动下，各种STEM教育形式呈现了百花齐放的局面，这为推进学校STEM教育起了关键的作用，也对正式教育条件下的STEM课程发展提出了挑战。STEM教育不仅需要整合性课程开发团队，还需要丰富的教育资源支持，尤其是以创客、机器人编程为代表的STEM课程需要学校层面做出更多的财政规划和人力分配，对于小型、资源有限的学校而言，发展STEM教育存在一定的阻碍。多方联动的STEM教师培训团队可以为STEM师资的可持续发展提供重要支持，也可以成为STEM课程开发和资源支持的重要力量。STEM培训团队的专家们是各级各类前沿课题的研究者或STEM领域实践项目的领导者，课题研究或实践项目以解决当前社会发展过程中的问题为目标，研究过程需要高精尖的设备支持和资源投入，这为中小学的STEM课程孵化提供了重要平台。大学研究项目和综合实践项目兼具知识性与实践性，将成熟的大学研究课题或者实践项目按照学段分解成递进式的低水平课程，使学术研究和实践发展的前沿动态传播到基础教育学段。通过教师培训和共享资源加强高校、企事业单位与中小学的合作，不仅使STEM课程实现了动态更新，也将前沿技术转移到课程发展中，这种结构化的发展机制激发了学生的学术兴趣和职业探索，扩大了高校资源的辐射范围，拉近了基础教育与高等教育的距离，也促进了企事业单位等社会机构和教育部门对人才培养方案的有效沟通和实践探索。 （三）基于教学情境生成教学策略和教学方法 对STEM教育教学方法和教学策略的探讨屡见不鲜，多项研究成果证明，以项目为基础的教学方法对学生STEM学习是有效的，这也是本研究的研究缘起。然而没有研究充分显示项目式学习在教与学中的优势，也没有研究成果表明何种策略方法适合所有的STEM教育情境，STEM教师在理论学习基础上根据具体的教学情境选择和改善教学方法，基于结构化流程发展出基于游戏的项目、基于社区的项目、基于科幻小说的工程设计等多种教学变式，进一步体现STEM综合性和跨学科的特点，增强学生对不同情境的敏感性，发展学生创造力和想象力。STEM活动时间限制、学生合作态度消极、评价形式机械化、思维发展模式化等问题随着STEM教育的出现而衍生发展，这些问题一方面需要学校管理者和地方教育部门调整政策制度，为STEM教师提供教学保障，另一方面促进STEM教师思考新时期和新理念下的师生角色定位，探索职业发展的核心竟争力。智能化教育手段的发展提升了教师劳动效率，使学生的教育地位更加突出，对学生学习过程中思维路径、情绪调节、时间管理、演讲表达等方面的把握能力体现了高水平教师的职业竟争优势，这不仅对STEM教师提出了更高的要求，也对教师教育的发展提出了挑战。 基金项目：全国教育科学规划国家一般课题“基于项目的中小学 steam教育应用模式研究”（编号：BCA170081）。 作者简介：王巍，东北师范大学教育学部教育技术学博士研究生。 |
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