STEM框架下中美项目式学习活动比较

摘要：以提高受教育者诸方面能力的素质教育成为教育改革发展的主题，在STEM教育改革的浪潮下，我国以素质教育为背景基于项目的学习，其发展是否符合国际先进教育理念，活动内容是否符合培养创新人才的需求，值得深入思考和分析。因此，文章以美国“桥梁”项目式学习活动和中国学校青少年实践活动为研究对象，在S（科学）、T（技术）、E（工程）、M（数学）四个维度上基于STEM结构框架对两国PBL内容进行编码比较分析，数据结果显示：美国PBL知识数量多于中国，覆盖面窄，难度大，活动注重数学思维；中国PBL知识数量少，具体学科涉及广，内容丰富，不深入，活动侧重技术方面。基于以上结论，从提高认识、培训教师、广泛实践三个方面展开讨论，希望对中国STEM教育的进一步发展提供借鉴。

关键词：STEM；STEM教育 ；基于项目的学习；编码；发展趋势

一、STEM教育

1、问题提出。以提高受教育者诸方面素质尤其是能力培养和个性发展为目标的素质教育成为教育改革发展的主题，2010年，国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）明确指出培养创新人才的重要性和紧迫性。[1]STEM教育是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineer）和数学（Mathematics）教育的简称，旨在打破学科界限，培养学生的科技理工素养[2]， 1980年，为提升国家竞争力和创新力美国将STEM理念应用到教育，2007年，《国家行动计划：应对美国科学、技术、工程和数学教育系统的紧急需要》由美国国家科学委员会（NSF）发表，该报告提出STEM教育从本科延伸，希望从中小学开始实施。

2、问题解决驱动的、行动导向的方式是STEM教育常采用的教学方法，其中常用的是基于项目的学习（Project—based Learning，PBL）和基于问题的学习（Problem—based Learning，PBL）[3]。面对STEM教育改革的新一轮浪潮，素质教育大背景下我国基于项目的学习，其发展是否符合国际先进教育理念，活动内容是否符合培养创新人才的需求，值得深入研究。因此，选择STEM框架下对中美两国基于项目的学习活动比较研究，为进一步深化我国教育改革，促进STEM教育在我国的发展，具有重要现实意义。

二、研究现状

1、中美STEM教育的发展。早在19世纪美国就开始尝试STEM教育，1986年，作为美国STEM教育集成战略的里程碑报告《本科的科学、数学和工程教育》，首次明确提出“科学、数学、工程和技术”被视为STEM教育的起点。20世纪90年代，国家科学委员会把这四类学科统称为STEM[4]。新世纪以来，美国政府逐步意识到科学技术发展的重要性，自上而下推出国家长期教育战略规划，以此推动STEM教育的发展。为显示对STEM教育的高度关注，2007年相继出台两项法案来保障STEM教育的实施，同年美国州长协会在冬季会议上也强调在“创新环境”中STEM教育的重要性。近年来，美国的STEM教育发展迅速，不仅有顶层设计法律政策的保障，在STEM教育相关理论、研究方法、学校课程设置以及评价多元化等方面都蓬勃发展[5]。

近几年来，随着STEM教育成为培养创新型和复合型人才的实践手段，我国也慢慢开始研究。分析相关文献发现，对于STEM教育中国研究者大多较宏观，实证研究较少。主要分为以下方面：①理论研究。在2016年关于STEM教育的论文研究数量呈爆发式增长，多以基础研究为主。华中师大的蒋志辉等人基于STEM教育的背景构建了学生学习力培养策略模型，并给出具体实例

[6]。②教学实践。以北京上海为首多地陆续开展STEM课程并申报试点学校。如江苏省STEM教育试点项目首期培训班已于2016年3月在南京成功举办[7]。

2、基于项目式学习的相关比较研究。基于项目式学习是有效融合STEM教学理念的途径之一，本文提到的PBL即基于项目的学习。国外对STEM教育已有大量实证研究。不论从类型、目标还是形式来看，STEM学习与真实情境联系起来，学生能创造性的解决问题，跨学科的项目式学习能帮助学生更好的理解学科概念。早在2004年，梅里爾（Merrill）的“设计楼梯体系”项目将技术和数学学科有效整合[8]，2006年霍顿（Horton）研制的“地貌主题”项目旨在整合多学科进行项目式学习[9-10]。可见，基于项目的学习是培养学生解决问题的重要途径。随着STEM的发展，我国也越来越重视，北京师范大学率先成立STEM创新教学研究中心，和北京望京实验学校、北京建华学校建立联盟，将空泛的教育理念和口号转变为真实的教育实践活动。中国PBL主要涉及STEM相关创意课程设计，比如乐高教育课程开发与研究、LittleBits教育课程设计与开发

[11]。针对这些课程设计的比较研究未涉及。

三、理念下的研究设计

本研究基于STEM教育结构框架，按照一定的编码方式对基于项目的学习活动中涉及的知识点学科编码，内容量化，通过数据统计软件进行分析，深入对比得出活动中S（科学）、T（技术）、E（工程）和M（数学）维度知识点的整体分布、各维度分布异同、知识点覆盖的广度和重合度。

1、研究内容和对象。本研究基于STEM结构框架对中美两国PBL的知识点按具体学科编码，根据涉及具体学科的频次将项目式学习活动的知识点量化，结合数据对活动内容进行描述性分析，进而探讨以下问题：①两国活动中基于STEM框架下学科知识点的数量和分布。②两国活动在S（科学）、T（技术）、E（工程）、M（数学）各维度的知识点数量及覆盖面。美国节选自罗伯特M（Robert M. Capraro）和玛丽（Mary Margaret Capraro）编写的一本书籍单元，该书以AJ摩尔学院（A.J. Moore Academy）和阿金斯学院（W.C. Akins HS STEM Academy）等学校为依托，分别从概念界定、发展起源、理论基础、教师教学、课堂管理以及评价准则等方面分14章阐述基于项目学习活动。本研究以该书的一个学习单元为研究对象，该学习单元基于项目式活动历时一周，让学生利用小木棒、热胶棒、白胶浆等工具合作设计并建造一座重量最轻且承重最大的“桥梁”。

我国则采用日照市某校七年级学生在实践基地为期一周的活动为研究对象。日照市青少年综合实践基地自2004年建设以来，每年承担着1.4万名学生的综合实践活动任务，该综合实践活动内容以培养青少年创新精神、发展实践能力和实施素质教育为根本目标，活动项目设置上体现不同学科交融、学生动手操作等内容，与STEM教育的培养理念不谋而合。该活动设置生存能力、发展能力、创新能力三大类项目。

2、研究方法。STEAM结构框架由美国弗吉尼亚理工大学学者G.Yakman提出，是目前国际上公认的结构教育体系，本研究以此理论基础对STEM四个维度分别编制具体学科内容分析编码表，依据编码学科对中美PBL涉及的知识点进行量化，然后对结果进行描述性分析和可视化统计，见表1。

三、研究结果

1、STEM知识点整体分布情况。

①美国PBL知识点总数多于中国，尤以工程和数学知识量居多。根据编码统计，美国PBL知识点总数为372，中国知识点总数为265。美国主要涵盖T（技术）和M（数学），尤以M（数学）知识为主，而中国M（数学）知识点仅占24%。两国PBL活动中大部分呈现物理、操作等理工科学科，说明国家越来越重视学生的动手操作能力。中国PBL内容更丰富，几乎涵盖所有维度。根据STEM各维度所占比重来看，中国是T>E=M>S，美国各维度表现为M>T>E>S。从图2看出，中国各维度的知识点比重几乎相当，S（科学）所占比重少些，约为17%。美国在T（技术）、E（工程）方面的知识点分布相当，M（数学）突出，约是中国M知识点个数的3倍，可见美国对数学学科的重视程度。

②中美两国部分知识点重合度较高，各维度侧重点不同。

中国PBL几乎涵盖所有知识点共33个，美国PBL涉及的具体知识点共18个。如图3，将中国PBL中学科排名前八位与美国相应学科进行比较，结果显示两国部分知识点的重合度较高。S（科学）维度中除物理学S-1有重合外，其他具体学科都差别很大，E（工程）维度中除建筑设计E-2、材料科学E-11、机械E-12有重合外，其他学科无重叠，且重合的学科中美国知识点数远多于中国，中国PBL的学科涵盖知识点数量少，涉及具体学科多，内容丰富；美国PBL的学科涵盖知识点数量多，具体学科涉及少，研究深入。

2、S、T、E、M维度知识点分布情况。

1.S（科学）维度知识点的分布对比：

由图4得，中美两国PBL在S（科学）维度的分布上都关注物理学S-1和空间科学S-5等具体学科，且物理学所占比重最大。美国PBL在S（科学）维度共包含三个具体学科，且比例不均，物理学学科约占S（科学）维度的七成，重点突出。而中国PBL包含所有S（科学）维度的具体学科，所占比重均衡，说明中国PBL促进学生素质的综合、均衡发展。总的来看，中国PBL在S（科学）维度知识点的覆盖面广，两国PBL在该维度的侧重点不同。

2、T（技术）维度知识点的分布对比：由雷达图5可以看出，中美两国PBL在T（技术）维度上的覆盖面差异较大。相同：中美两国PBL都越来越注重发展学生的动手实践能力，在T（技术）维度上，中国操作学科占比重为16%，而美国操作所占比例更是高达47%，可见两国PBL的内容分布呈现较高一致性。不同：中国PBL在T维度上分布广，各个学科分布均匀，主要以操作和信息为主。美国PBL则分布相对集中，尤其是操作T-11学科约占五成，对于操作性知识的侧重呈现一边倒倾向，对于信息和制造学科涉及很少。

3、E（工程）维度知识点分布对比：如图6所示，外环为美国PBL在E（工程）维度上知识点分布，内环为中国PBL。美国主要集中在材料科学和建筑设计学科，中国覆盖范围远比美国广。图中信息显示，中美两国PBL在E（工程）维度上知识侧重点差别较大。美国的覆盖面相对集中，主要是建筑设计、材料科学和机械，几乎三等分。中国PBL可以明显的看出其关注点比美国多样化，几乎涵盖E维度的所有科目，其中以机电和建筑设计为主。在土木工程、海洋工程方面，兩国都没有涉及。

4.M（数学）维度知识点的分布对比：

图7中，外环是中国PBL在M（数学）维度上的具体科目分布，美国PBL的具体科目分布在内环，图中可以看出，在M（数学）维度上中美两国PBL具体学科的重合度很高，具有一定的共性。主要集中在数及运算、推理与证明等学科。美国的侧重点在数及运算和量度上，约占六成，其余学科则平均分布。中国主要关注代数学和几何学，对学生的数学计算能力要求提高。同时，两国对概率分析和三角函数等其他性质的数学问题均未涉及。

四、结论和启示

1、数据分析。

（1）PBL知识点横向差异。①中国PBL涉及的具体学科数量远高于美国，知识点覆盖更广，内容更丰富，有助于拓展学生视野，发展学生的多方面能力，提升学生的综合素养，也与中国PBL活动的目标——提高受教育者综合素质、培养创新型人才相吻合。在M（数学）维度上，两国重合度很高，但在S（科学）、T（技术）、E（工程）维度上差异明显。充分说明两国对数学的重视度趋同，而对其他维度知识的侧重点不同，在S（科学）维度上中国重视生物学、化学学科，而美国对这些学科未涉及，T（技术）维度美国对医学、电力学科未关注，中国则主要强调电力知识内容。②两国PBL在具体学科数量上差异很大，但部分具体学科重合度很高，主要有物理、建筑设计、代数等学科，在土木工程、概率分析等学科皆为空白，说明两国PBL的侧重点相似，都以学习者为中心，打破传统教师灌输、学生被动的教学模式，重点培养学生的理工思维和发散思维，强调自主构建知识，发展他们的实践操作能力，注重深度学习和探究式学习。

（2）PBL知识点纵向差异。①美国PBL知识点总数多，具体维度上知识点类别少，内容深入且具体，层次性增强。美国STEM教育发展至今，正逐步实现培养创新人力资源和提高国民技术素质的目标，在实施过程中更加注重层次与深度。中国PBL涉及知识面广，但具体内容泛而不深入，表现在知识跨度大难度小，停留在对部分生活实验现象的观察上，关于现象背后的解释涉及甚少。中国素质教育在STEM框架下显现出的结论符合其教育的宗旨，充分发挥学生的主体性，通过实现全面发展教育，促进学生的最优发展。②M（数学）维度上，两国都关注较多，尤其是代数、几何、问题求解和数学原理等学科，知识难度由浅入深，层层递进，将数学知识融入到PBL中，提高学生的数学思维和数学建模思想，在运用高阶思维解决数学问题方面两国表现出足够的重视。

2、数据差异对我国PBL的启示。

中国PBL覆盖面广，适当增进深度。通过以上研究结果，一方面中国PBL知识点覆盖面广，学科间融合性强，有助于拓展学生视野，活动设计丰富，注重与实际生活联系；另一方面从STEM教育视角出发，中国PBL学科难度设计上未体现由浅入深的层次性。在素质教育背景下中国PBL体现出素质教育的全面性、基础性和学生的主体性。近年来，国内STEM教育蓬勃发展。将理念和思想层面转化为行动实践仍是发展中的难题。基于STEM框架下中美两国PBL的比较分析，以研究问题为出发点，主要从以下三方面展开讨论：

（1）提高各界人士对STEM教育的认识。纵观美国STEM教育的发展，政府部门的参与起着主要推动、积极导向作用，企业界、教育界以及社会各界都为STEM教育提供多维度支持。同理中国STEM教育也应当主动变革，加快相关法律规范的的制定来保障其发展，充分发挥企业界、教育界以及社会各界人士的推动作用。

（2）培训STEM教育的专业教师。相比较美国整合性STEM教育对专业教师培养的关注，我国STEM教育的现状，教师更侧重在活动中指导、帮助学生，缺乏引导学生自主探索的精神，不利于培养学生主动学习能力和创新素养形成。在STEM教育中，学生虽然通过思考、动手实践、团队协作完成任务，但在解决问题过程中，并未学会如何发现问题、深化理解所学知识、知识的迁移应用等，具体实施过程中，缺乏专业化的教学和实践方法。

（3）开展广泛STEM教育实践研究。在STEM教育中，要求学生对各个学科都有足够认识，进行整合学习以提高学生的应用能力，实践研究作为有效激发学生学习热情、促进学生能力提高的活动应该在多个教育阶段开展。实践活动的复杂性不仅有利于学生明确学习目标，加深对本学科知识的深度思考，还能变革学习方法，成为学习的主动参与者；实践活动的真实性帮助学生自主构建知识，对专业主题更好理解，促进学习者解决问题和发散创新思维的培养。广泛开展相关实践研究，进而使学习者低阶能力得到提升，高阶能力得到增强。

参考文献

[1] 科教2016.2号.教育部关于印发《教育信息化“十三五”规划》的通知[Z].

[2] 杨弘扬，姜大雨，张晓卓.2016.STEM理念在化学教学设计中的应用[J].课堂教学，（11）：33-35.

[3] 丁林.2016.从美国STEM教育的发展看中国STEM教育[J].对话，（7）：21-29.

[4] 杜玉霞.2016.从美国STEM教育的发展看中国STEM教育[J].对话，（7）：21-29.

[5] 詹青龙，许瑞（2016）.国外STEM教育研究的热题表征与进路预判—基于ERIC（2005-2015）的量化考察[J]中国电化教育，（10）：66-72.

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[9] Kazuyoshi Yshino，Yasunari Kurita .2012. Development of Study Aids and Project Activity Procedures for STEM Education. Advanced Materials Research Vol.590.pp 503-507.

[10] 江豐光.2015.北京师范大学教育技术学院STEM创新教学研究中心，2017（4）.

[11] Robert M，Capraro .Mary Margaret Capraro . James R. Morgan. 2013. STEM Project-Based Learning： An Integrated Science， Technology， Engineering， and Mathematics（STEM） Approach [M]. Springer Science & Business Media，210 pages.

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