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STEM的故事:15年兴衰史

2020-10-05  开心的桂...
教育和教育不断适应不断变化的政治、社会、经济和全球环境。在过去的十年里,这一现象以对STEM(科学、技术、工程和数学)的狂热关注为例。本文旨在考察STEM的发展,并将对其兴起、随后的危机点和已陷入的僵局进行分析。
美国国家科学基金会(National Science Foundation)在20世纪90年代末在美国提出了STEM的概念。最初的缩略语是SMET,但经过负面反馈和一些人的重新思考,它出现了STEM(Sanders,2009;Williams,2011)。在美国,有关STEM的言论是建立在对美国全球优势潜在沉积的政治反动主义基础上的。在英国,最初的重点是科学、工程和技术(SET),但到了2006年,它也变成了STEM。英国对STEM的承诺是从人力资本的角度进行概念化的:“在全球化时代,英国竞争的最佳方式是进军高价值商品、服务和行业。有效的科学和创新体系对于实现这一目标至关重要”(Sainsbury,2007,第3页)。自20世纪90年代以来,欧盟委员会一直集中关注STEM政策。拥有高绩效教育体系和经济增长的亚洲国家(如韩国、日本、中国和台湾)已经制定了更广泛的科技、大学和产业驱动研发的国家政策。
西方STEM议程主要是职业和经济目标之一(Williams,2011),由政府资助,政客推动。各种经济要求被用来证明其重要性,劳动力模式的转变或经济衰退的实例往往会导致对STEM的更多关注(Kuenzi,2008;Williams,2011)。有趣的是,目前的“STEM危机”在英语国家(加拿大除外)引起了大多数人的共鸣,其依据是“定量指标显示,在国际绩效比较中,相对(甚至绝对)表现下降,排名低于该国认为应该占据的地位;和/或学校STEM课程参与率下降”(Marginson、Tytler、Freeman和Roberts,2013年,第55页)。一些国际组织对STEM问题给予了极大的关注,这些问题一直是全球关注的焦点。这些组织包括经济合作与发展组织(OECD)、世界银行、联合国科学、教育和文化组织(UNESCO)、欧洲联盟(EU)和国际教育成就评估协会(IEA)(Marginson等人,2013)。
值得注意的是,尽管STEM的概念将继续推动教育改革,但它最初得到了四个独立学科领域的学者和专业人士的支持:科学、技术、工程和数学。在高等教育环境中,学院主要关注增加其课程中的学生入学人数(Sanders,2009)。STEM一直被认为是避免未来经济衰退(如全球金融危机)的解决方案或预防措施;然而,这些假设的基础似乎并非基于任何硬研究(Williams,2011),而是政治智囊团的猜测和猜测。在21世纪初的美国和英国,不协调的STEM项目迅速发展,花费了大量资金(Kuenzi,2008;Pitt,2009)。这背后有点幼稚的推理是,为了增加工程师和科学家的数量,并保持全球经济的主导地位,聚光灯必须集中在改善科学、技术、工程和数学学科的教育上:例如S.T.E.M,它是从一个非教育性的理论基础上发展起来的,然后强加给教育工作者来制定。 

Stem叙事 

STEM的发展将以讲故事的形式呈现,因为这提供了一个机会来确定其创建过程中的主要参与者以及自1990年代末出现以来影响其演变的危机点,如图1所示。
图1:STEM时间表-政治议程的兴起 
如前所述,STEM的出现是基于职业和经济需要的政治议程的要求。政府推动越来越多的学生在高中和高等教育中选择STEM相关课程,这对教育工作者来说是一个挑战(首席科学家办公室,2013年)。制定STEM议程的斗争,特别是在小学,并没有得到解决,因为教师默认了S.T.E.M.的概念,而不是STEM(图2)。
图2:STEM时间表-制定STEM的斗争 
包含句号并非小事。它表示并承认四个不同学科领域的孤立,而不是它们的整合。正如Moore和Smith(2014)所指出的那样,“这种分离是历史的产物”(第7页),而要把它们结合在一起,需要一个不止四个字母的单词(Sanders,2009)。
以下是继续困扰教育工作者的STEM和S.T.E.M.问题。
首先,“工程”不是小学或中学阶段课程中的一个学科领域,尽管可能有一些证据表明它存在于诸如科学和数学等学科的问题解决和创新方面(Bybee,2010),也没有对职前教师进行工程学科培训。
其次,对“技术”含义的不同解释导致了困惑和挫折(威廉姆斯,2011)。
第三,传统的小学教师在教授科学和数学时缺乏熟练程度和信心,反而偏爱识字教学(Ross、Beazley和Collin,2011)。
第四,由于缺乏受过数学和科学培训的中学教师(首席科学家办公室,2013年),许多被安排到初中课堂上的教师都在“外地”教学(例如,他们可能被培训为健康和体育专家,但却被要求教8年级的数学)。与其他国家相比,澳大利亚的科学和数学领域外教学量尤其高(Marginson等人,2013年)。可以说,这是澳大利亚教育的一个显著弱点,“削弱STEM学习的广度和深度”(Marginson等人,2013年,第23页),因为中学采用的是在科学、数学和技术方面不合格或不合格的替代教师。支撑这些问题的核心挑战是试图理解STEM的实际含义以及它在课堂上的表现。缩略语本身很容易理解,但它所代表的含义对于学校来说,在课程规定的限制下以一种有意义的方式进行解释和交付更具挑战性。
前两个问题,即“工程”和“技术”的位置和解释,导致了对S.T.E.M.,即S.T.E.M.的歪曲解释(图3)。
图3:STEM时间线-STEM解释为S.t.e.M。
换言之,教师专注于传统的科学和数学教学,实际上忽略了技术和工程组件。原因是缺乏指导教师完成这些科目教学的课程文件,以及最近在课程中嵌入技术,而不是作为一个单独的科目来教授。“技术”一词的含义也在不断两极分化:一些人认为技术是指支持教学过程的硬件和软件;而另一些人则认为技术是工具的集合,包括人类使用的机械、修改、安排和程序。这种混淆来自学校课程中两个不同的学科领域,信息技术(即编程和计算机)和设计技术(即机械和工艺)。
在学校,S.T.E.M.被称为S.T.E.M.;而在学校外(即职业环境),则被称为S.T.E.M.(Reiss&Holman,2007)。科学和数学是各种工程的工具和框架;在工程学中,人们创造性地应用科学原理,并用数学来分析和交流观察结果。学校和职业环境(Breiner、Johnson、Sheats Harkness和Koehler,2012)在STEM的制定及其意义上的不一致是STEM叙述中的第一个危机点。然而,政治议程的目的是增加工程和技术领域的高能力专业人员的数量和保留,也就是说,关注技术和工程,这似乎支持了科学技术运动。然而,现实是,教育工作者正在关注科学和数学的学科领域。
那么如何弥合STEM内部的分歧呢?
                                        图4:STEM时间表-STEM教育的兴起。                               
在这种混乱的背景下,STEM叙述出现了下一章,教育界认识到STEM的潜在教学影响。因此,“教育”被添加到名称中(图4),从而使其成为“STEM教育”(Breiner等人,2012),这或许是为了从政治家手中夺取一些所有权,同时也为了强调教育者在实现政治议程方面的作用。在某种程度上,对STEM的关注未能在学校中实施任何真正的变革,是因为教育工作者没有参与该方法的规划和战略制定。STEM教育术语的变化并未对教学实践或学生学习成果产生任何有意义的修改。主要的策略是开发附加项目或扩展项目,这些项目是学校日常活动的附加项目,虽然并不总是互补的。参加这些类型的课程并不是针对所有学生的,而是针对自我提名的感兴趣的学生或学术表现优异的受邀者。尽管STEM教育投入了大量的精力和资金,但几乎没有取得可衡量的成功(Breiner等人,2012年;Kuenzi,2008年)。
这需要进一步详细研究,因为它提供了关于STEM和学校的当前状况的清晰信息。STEM教育作为一个有待实施的概念,其失败的两个主要原因是:(1)课程结构;(2)教师的技能水平和/或准备。这两个问题是STEM计划未能实现预期目标并继续失败的核心所在。澳大利亚目前正在从国家课程过渡到国家课程。学校的教师们一直在努力推行这些改革,在一些州,这是一个重大事件,因为他们也正在摆脱以结果为基础的教学方法。然而,在这套国家课程文件中保持一致的是,科学和数学的STEM学科领域仍然是分立的学科。目前还没有试图取代或提供一个综合的STEM课程来支持教师。没有提供这样一个关键的课程方法,以及通过国家算术和识字评估计划继续进行高风险的国家算术技能测试
在学校里真正教授STEM的行为,正如它在职业和专业环境中制定的那样,是不会发生的。在这样一个问责和比较的氛围中,一所勇敢的学校将走出单独的课程筒仓,尝试综合STEM教育。
第二个问题是教师的技能水平。目前,在最初的教师教育计划中,有一些独立的学科专门涵盖两个学科领域,科学和数学(不包括工程学,因为没有该学科的课程文件,因此没有必要教它)。一些学校还开设了一门技术课程,或尝试在课程中整合所有学科的技术。最初的教师教育计划必须符合国家指导方针,该指南规定了为获得认证而必须涵盖的科目的内容和数量,因此研究生教师只开发了最低水平的S.t.e.M.技能。对于初级教师教育课程而言,在认证过程中需要培养出STEM高技能教师,并制定了课程范围和分配的学分。另一方面,初级学科专家可能是解决这个问题的办法;本科课程可以提供一系列选修课,在一个STEM学科中发展深入和广泛的知识和技能。另一个解决办法是考虑改变最初的教师教育计划,例如转为研究生资格。这将需要一个领域的本科学位,而不一定局限于STEM学科,以及实质性的研究生教学资格,如三年制教学硕士,而不是目前澳大利亚各地提供的一年制教育研究生文凭。要使这项工作产生任何效果,它需要得到政府、认证机构和高等院校的支持。
与此相关的第二个问题是教师技能需要关注教师准备计划。在职小学教师还需要提高STEM科目的技能,因为他们的初始培训将以一般教学模式为基础,即要求他们教授课程中所包括的大部分科目。对于这些教师来说,要想与这种提高技能相结合,就需要有令人信服的证据证明,在STEM教育中增加时间和精力将改善学生的学习成果——目前还不存在。这种对教师专业学习的关注可能需要与他们正在进行的教师注册联系起来,作为一种激励因素。
课程结构和教师的技能水平和准备这两个问题导致了第二个危机点:虽然教育界已经开始掌握议程的一些所有权,但政府继续在项目上投入大量资金,但仍然没有取得预期的成果。重要的是,对于STEM以及如何教授STEM,没有达成一致意见,例如作为S.T.E.M或S.T.E.M或其他变体。高中入学这些科目的学生人数在下降(Goodrum,Druham,&Abbs,2011年),“课程设置的扩大,学生对能力的自我认知,以及对学科难度和有用性的认知”(Kennedy,Lyons,&Quinn,2014,第34页)是可能的原因。PISA分数(国际学生评估计划)的成绩下降,尤其是在STEM知识应用的领域;小学教师显然无法有力地教授所有STEM科目(Marginson等人,2013年)。尽管STEM推广和资助已经超过14年。这是一个显著的统计数据,并掩盖了为什么STEM一直坚持作为一种策略。 
“Stem教育”的兴起——走向融合
 也许是为了改善这种状况,教育界颠覆了政治议程,从教育学的角度来看待STEM教育的实施,并逐渐认识到四个学科(科学、技术、工程、技术、工程)之间的相互作用,和数学)发生在学校以外的世界。这可能是由许多原因引起的:试图理解STEM背后的利益或推动因素实际上是什么,或者试图为STEM的实施制定可行的方法,以应对政府的不懈推动。显然,STEM将继续成为政治优先事项,因此需要找到解决方案。
不管动机如何,2007年,这导致了一个重大的重新命名:“STEM教育”现在被称为“综合STEM教育”(图5)。  

 
图5:STEM时间表-综合STEM教育。
Sanders(2009)将“综合STEM教育”定义为两个或多个STEM学科之间或STEM学科与非STEM学科(如艺术)之间的教学。他还描述了一种将技术设计与科学探究相结合的“有目的的设计和探究”(Sanders,2009,第21页)的教学方法。这样做的理由是,在学校之外的世界里,“设计和科学探究通常同时用于解决现实世界问题的工程(Sanders,2009年,第21页)。
最后,STEM教学框架正在形成。在这个框架中,重要的是建议STEM综合教育可以基于两个或多个STEM科目;它并不意味着需要包括所有四个科目,而是建议可以涉及STEM套件之外的科目。这是一种综合方法,它考虑到STEM的真实、真实应用。从内容和教学角度来看,这也是一个更易于管理和更符合逻辑的框架。有目的的设计和探究的教学法是建立在建构主义基础上的,运用了探究和问题解决的教学法。Sanders(2009)的工作是基于教育理论的STEM在学校教育中实施的逻辑方法的开始。
Moore和Smith(2014)进一步完善了这项早期工作,他们描述了两种“整合”STEM教育的方法:
1.情境整合—工程设计被视为教授数学和科学学科内容的激励因素,以及
2.内容整合—工程技能是学习目标的一部分,数学和科学内容是附带发展的。
由于工程技能不构成学校课程学习目标的一部分,情境整合被视为最有可能在学校取得成功的方法。Moore和Smith(2014)的工作解决了STEM教育的主要障碍之一,即如何将工程纳入其中。
采用情境整合方法进行STEM教育的潜在收益是显著的。首先,它支持建构主义教学法、真实学习和以学生为中心。第二,它可以被看作是“帮助教师和学习者走出学科局限进入创造性跨学科的催化剂”(Pitt,2009,第42页)。此外,这种方法为学生提供了发展21世纪技能的机会:适应性、复杂的沟通、社交技能、非常规问题解决、自我管理、自我发展和系统思维(Bellanca&Brandt,2010)。或许这将实现政治STEM议程之前不切实际的职业目标?
这篇关于STEM、其触发因素和由此产生的危机点的简短叙述试图涵盖从一开始到现在的情况。看来,向综合STEM教育和新兴的教学框架迈进的一步是在学校实现STEM。这就是STEM在澳大利亚的叙述,重要的是简要检查STEM是如何在全球范围内解决的,以便将这种叙述背景化。 

Stem在全球范围内的发展 

STEM如何在全球范围内得到解决?文献揭示了四个地理-社会领域,这些领域的特点是:1)英语国家;(2)西欧国家;(3)亚洲国家;(4)发展中国家。在全球范围内,政府的大部分努力以及媒体和公众关注的大部分焦点都与STEM入学有关:课程、教学方法、教师技能水平、学生动机和学科选择。英语国家的STEM方法主要由美国和英国主导,其特点是广泛谈论“STEM危机”。一些西欧国家,如法国和德国,一段时间以来一直强调STEM作为国家教育和产业政策框架的一部分;这些国家的重点一直是明显的“STEM短缺”而不是“危机”。通常,这些政策或战略包括:“宣传科学的正面形象;增加公众对科学的认识;改进校本数学和科学(教学);以及增加对校本数学和科学的兴趣和参与,STEM三级学科和STEM劳动力”(Marginson等人,2013年,第104页)。令人感兴趣的是这四个国家的2012年PISA结果(经合组织,2014年),如表1所示,因为对STEM数量和质量的关注通常(但并不总是)与国际学生比较国际测试(如PISA)和国际数学和科学研究趋势(TIMS)的国家结果相联系。“他们是否能在2014年的学校里很好地运用他们从OECD中学到的知识,并确定他们能不能很好地在学校外学习到什么?”。
 

数学素养表现
科学素养表现
经合组织平均数
494
501
美国
481
498
英国
494
499
法国
495
505
德国
514
508
表1。2012年主要英语国家和西欧国家的PISA成绩。
 
德国的分数似乎表明,他们15岁的孩子在PISA制度下接受测试的结果预示着其先进的制造业地位,而工程学在这一领域占有重要地位。法国的得分虽然接近经合组织(OECD)的平均水平,但在立法、支出或政治姿态方面明显低于美国和英国。
亚洲国家是第三个被确定的集团,它们的教育体系表现非常出色,如他们的TIMSS和PISA排名所示,而且经济增长(韩国、日本、中国和台湾)在更广泛的范围内制定了科学和技术方面的国家政策,研究和发展由大学和工业驱动。
此外,亚洲STEM表现强劲的国家拥有精英型的职业结构,承认在教授这些学科方面的卓越表现(Marginson等人,2013年)。中国(上海)在PISA 2012的数学和科学素养方面得分最高。国家的规划方法是长期的,在普通民众和政府中,对STEM的重要性以及与研发的联系有着广泛而深刻的共识。在这些国家,关于STEM的语言更加自信;没有“危机”的迹象,没有观察到下降,教学能力也没有什么问题。值得注意的是,这些国家的实践导致了它们的STEM优势:政策侧重于可实现的数量基准,在每个教育体系中都有全面的改革计划,朝着以学生为中心、以探究为基础和解决问题的学习方向发展,并强调创造力。此外,教师受到尊重,STEM学科课程由纪律平等的教师授课,在他们受训的领域进行教学。
最后,在第四组中,新兴工业基础和/或教育参与水平和合格教师供应水平较低的发展中国家,如巴西和南非,STEM从提高基础教育参与率和培养合格教师队伍的角度进行了探讨(Marginson等人,2013年)。
那么,从这个全球STEM环境的简要概述中可以学到什么呢?看起来,像美国和英国,以及追随这些国家的澳大利亚那样,引发诸如“感知危机”这样的引发因素,导致在干涉主义项目上花费大量资金,并没有产生预期的结果。澳大利亚需要制定切合实际的目标,对现有系统进行一些小的改动,类似于西欧国家实施的那些系统,这样可以在工程和科学领域取得预期的成果。像亚洲国家所采取的系统性改革,应该成为这个国家在一个合理和现实的时间框架内所期望的基准。全球环境提供了不同的STEM模型和取得的不同结果。它们为我们提供了历史的后知后觉,应当为政策的发展和改革提供依据。 

结论 

要使STEM综合教育取得成功,还需要克服许多挑战。当教师和学生处于标准化考试制度中(例如在美国、英国和澳大利亚),考试结果影响到学校资金、学校形象和教师绩效工资时,可以理解的是,优先考虑正在测试的科目:主要是数学和读写能力。我们面临的挑战是要让教师们相信,接受STEM综合教育和准备标准化考试并不是相互排斥的。此外,对教师进行再培训和调整职前教师教育计划,为实施STEM综合教育做好准备,这也可能带来高昂的财务成本和工作承诺。也许最难克服的障碍之一是缺乏概念证明。没有证据表明可以通过积极的结果来吸引教师接受综合STEM教育。此外,这些证据在实施后至少12年内是不可能得到的,这是一个学生在小学和中学阶段所花的时间。
STEM叙述的15年让教育界陷入了僵局。它面临一个十字路口:走左边或右边的路将塑造未来。基本上只有两个行动方案可以支持STEM叙事的成功蜕变:要么是教育界占据教育学的制高点,导致STEM教育一体化(一体化),要么是教育界通过支持离散学科领域来支持原有的政治议程(集中)。
第一个行动方针充满了已经讨论过的一体化挑战。第二个行动方案将要求:立即为在职教师专业学习和修改教师教育初级课程注入大量持续资金,以加强教师在数学和科学方面的信心和能力;在小学提供优质资源,以支持“硬”科学(如物理和化学)以及“软”科学(如生物和地球科学);以及在小学培养数学和科学的学科专家教师。我们假定第二个行动方针将成为现实,但这可以通过发展一个教学框架来加以缓和,这种框架将实现两个行动方针的最佳结合:整合和集中。
最后一个可能具有挑衅性的想法是:是否应该有一个分散的方法,让所有的学生都能体验到STEM教育,或者一些学生能够得到STEM教育的全部关注?似乎第一种情况是已经尝试过的;也许后者才是真正的前进之路。
本文发表于2015年的《Australian Journal of Teacher Education》
作者:Susan Blackley;Jennifer Howell,编译:刘映(澳城大教育学博士生)

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