美國STEM教育發展

寫過中國STEM教育發展，也談談美國的情況。一來當然因為美國是STEM教育的源頭；二來中美兩大強國在未來世代會持續互相較勁，兩國以STEM教育推動的科技發展比併，會是實力分析的相關因素；三來美國STEM教育，近年未有像中國、東南亞地區及北歐國家那麼火熱，讀者也有興趣了解美國STEM教育的最新發展。因篇幅所限，本文綜合一些網上資料及討論平台的文稿簡單介紹。

美國推進STEM的路線圖

筆者在這個《STEM+ 教育初探系列》首篇文稿──〈STEM 橫空出世〉已簡介過美國的STEM教育是由美國政府積極推動。現摘錄作者王烽2017年8月3日在《上海教育·環球教育時訊》的文稿──〈美國的STEM教育〉的重點，順時序來補充一下：

1986年美國國家科學委員會發表過《本科的科學、數學和工程教育》報告，這被認為是美國STEM教育集成戰略的里程碑。該報告首次明確提出「科學、數學、工程和技術」教育的綱領性建議，從而被視為STEM教育的開端。

1996年，美國國家科學基金會發表了題為《塑造未來：透視科學、數學、工程和技術的本科教育》報告，並提出今後的「行動指南」，大力「培養K-12教育系統中STEM教育的師資問題」。

2006年1月31日，美國總統布殊在其國情咨文公布一項重要計劃──《美國競爭力計劃》（American Competitiveness Initiative，ACI），提出知識經濟時代教育目標之一是培養具有STEM素養的人才，並稱其為全球競爭力的關鍵。

2007年10月30日，美國國家科學委員會發表《國家行動計劃：應對美國科學、技術、工程和數學教育系統的緊急需要》報告，提出的行動計劃主要包括兩個方面的措施：一是要求增強國家層面對K-12階段和本科階段的STEM教育的主導作用，在橫向和縱向上進行協調；二是要提高教師的水準和增加相應的研究投入。這一報告顯示了STEM教育從本科階段延伸到中小學教育階段，希望從中小學就開始實施STEM教育。

也正是在2007年，美國參眾兩院在8月2日一致通過了《美國創造機會以有意義地促進技術、教育和科學之卓越法》（又稱作《美國競爭法》）。《美國競爭法》對STEM教育的重視，極大程度上反映了美國社會的一種共同關注趨勢。

2009年1月11日，美國國家科學委員會（National Science Board）代表NSF發布致美國當選總統奧巴馬的一封公開信，其主題是《改善所有美國學生的科學、技術、工程和數學教育》。明確指出：國家的經濟繁榮和安全要求美國保持科學和技術的世界領先和指導地位。大學前的STEM教育是建立領導地位的基礎，而且應當是國家最重要的任務之一。

2011年，奧巴馬總統推出了旨在確保經濟增長與繁榮的新版的《美國創新戰略》。新版的《美國創新戰略》指出，美國未來的經濟增長和國際競爭力取決於其創新能力。「創新教育運動」指引着公共和私營部門聯合，以加強科學、技術、工程和數學（STEM）教育。同年美國國家科學院研究委員會發布了《成功的K-12階段STEM教育：確認科學、技術、工程和數學的有效途徑》的報告，報告認為在中小學實施STEM教育的目標主要有三個：

1. 擴大最終會在STEM領域修讀高級學位和從業的學生人數，並擴大STEM領域中女性和少數族裔的參與度；
2. 擴大具有STEM素養的勞動力隊伍並擴大這一隊伍中女性和少數族裔的參與度；
3. 增強所有學生的STEM素養，包括那些並不從事與STEM職業相關工作的學生或繼續修讀STEM學科的學生。

美國州長協會在2011年12月又針對STEM教育行動發布了《制定科學、技術、工程和數學教育議程：州級行動之更新》報告，分析了該協會2007年提出的行動議程中的弱勢之處，重新提出《實施州級STEM議程》的各項具體措施。

美國STEM教育四種素養

王烽在文稿更指出，STEM教育是一種「後設學科」，即這一學科的建立是基於不同學科之間的融合然後形成一個新的整體，將原本分散的學科形成一個整體，由此形成當今日趨受到重視的、跨領域的STEM教育。美國高度重視STEM教育的根本原因，在於其深刻認識到美國科學技術的滑坡在於其人才的嚴重短缺，這在美國近10餘年來的大量文獻中屢屢被提及，而人才準備則聚焦培養學生四種STEM素養：

第一，科學素養（Scientific literacy）。是一種運用科學知識和過程，理解自然界並參與影響自然界的有關決策。

第二，技術素養（Technological literacy）。是指使用、管理、理解與評價技術的能力。技術是對自然環境的革新與改造以滿足人們的現實需要。

第三，工程素養（Engineering literacy）。是指對技術的工程設計與開發過程的理解。工程課程是基於專案，整合了多門學科的知識，使得難以理解的概念與學生生活密切相關，激發學生解決問題的興趣。

第四，數學素養（Mathematical literacy）。指學生在發現、表達、解釋和解決多種情境下的數學問題時進行分析、推斷和有效交流思想的能力。

大家都知道，美國發起的STEM教育，後來加了藝術（Arts）變成STEAM。有些地區及組織又演進為STREAM，多出來的R指的就是閱讀及寫作。未來社會，閱讀及寫作是一項異常重要的團隊協作和溝通能力。

美國STEM教育的具體實踐

美國對STEM的支持是舉國上下的。美國白宮於2014年6月18日（National Day of Making，自造日）首次舉辦了創客嘉年華（Maker Faire），奧巴馬並在活動上宣布了由白宮主導的推動創客運動的整體措施。許多團體、企業都答應支持這個由各種形式推進創客的「美國製造業的群眾文藝復興」。

美國人的STEM教育內核雖然是S、T、E和M，但外延的內容非常豐富，包括語言的藝術，商業的技能，包括PR、Marketing、teamwork，還有現今非常重要的coopetition，這是一個合成詞，由cooperation和competition合成而來，意為「競合」。

美國STEM教育另一個精彩的外延是看重教育帶給孩子的自信，讓孩子得到能夠面對未來挑戰的技能和信心，在不過分注重結果的情況下獲得他人尊重和內心真正的成長。這是STEM教育的本質和核心，是需要國內科技教育工作者和STEM教育學習者去充分理解和認識的，只有這樣才能真正培養出在未來有競爭力的人才。

STEM教育在美國已成為獨立課程，強調四門學科知識的綜合性應用，強調解決實際問題的能力。美國的STEM教育是從本科、高中開始逐步向中小學滲透，背後有着非常先進的教育理念，包含培養面向21世紀人才所需的所有元素：

• 足夠挑戰的環境條件
• 以學生為中心的活動設計
• 注重在真實情境中學習
• 公司制的學習模式
• 學校打造數字校園

美國STEM教育的困局及挑戰

雖然備受重視，但是STEM教育、STEM人才的現狀卻讓人憂慮。美國在發布於2011年的一份《人力資源調查報告》中指出：超過一半的美國雇主發現自己很難找到具備高等數學、高等物理、高等化學知識的員工，而這些知識卻是工作當中必須掌握的。西門子的報告稱：2012年，該公司原計劃在美國招收3000多個員工，但在招聘當中卻發現僅有10%的應徵者能夠順利通過STEM能力測試，這也就意味着90%的應徵者未能從學校教育中獲取勝任這3000個職位的能力。因此，專家預計，在接下來的十幾年，美國必須多培養100萬STEM領域的高校畢業生，才能使美國經濟立於不敗之地。與STEM人才匱乏的現狀相對應的卻是快速增長的需求量。在美國，STEM領域的職位增長速度是其餘工種的三倍。還有一點也許更能打動正在找工作的畢業生：STEM相關行業的薪水通常比其他行業高出26%。

從上述統計資料中得出的結論就是，所有學生都極須在K-12階段獲得優質的STEM教育，不管他們是想接着上大學，還是步入職場謀生。因此，美國極須為K-12階段的學生提供既生動有趣又能讓更多人享有的STEM課程，否則美國今天的經濟強國地位將朝不保夕。

縱觀當前美國各地推進STEM的行動，落實在操作層面上，有兩個方面的特點非常明顯，一是擁抱數位技術，二是在真實情境中學習。

STEM在中國的落地硬體條件是具備的，好的學校裏有3D印表機、車床、鑽床等等。缺乏的還是師資，是軟性條件。STEM教育裏人是核心環節，美國也面對共同問題。美國中密西根大學/萊斯利大學Juliana Texley教授在2016年11月STEM+教育上海峰會上，提出：「應開闢一條連接未來的通道，助力今日世界的莘莘學子成長為明日世界的優秀公民，更好地迎接未來的挑戰：

挑戰1：教師們感覺很難整合STEM

教師自身在知識獲取階段時，他們接受的也是傳統的分科教育，從小學時過少的科學課程安排，到大學時被單科教授，還有教科書和主題類書籍的分化，這種孤僻性的教育方式，造成了現在教師自身在協作和整合能力上的弱勢。跨學科整合概念是教師們遇到的最大挑戰。美國在挑戰整合採取的一個重要行動是重新定義成功，這迫使了教育工作者們改變，並試着努力開發三維教學整合的課程。

挑戰2：技術實現

當前，基礎教育沒有系統完善的技術課程，但是現在的孩子卻是技術的原住民，他們期待更好的技術教育課程。這個挑戰不僅在美國，在中國其實還要更明顯一些。國內同樣的領域中，有很多都沒有足夠的技術和硬體支援，尤其在鄉村地區。

挑戰3：整合文學來陳述STEM的思想

區別於傳統的文學概念，Juliana Texley教授提出用適當的閱讀來理解STEM教育有很大的價值。STEM文學和傳統的科學書籍有非常大的區別，它涉及主動調查、分享思維習慣，這代表了STEM的創新。

挑戰4：建立教師的信心

其實所有教師們在自身所授的課程上已經做的非常棒了，Juliana Texley教授認為可以在他們已熟悉的教育方式上幫助他們建立更好的信心。比如讓教師和學校們能夠有效的評估他們目前正在使用的，以及他們想要使用的教材；給予教師們制定和評估自己課程的權利，而不是使用統一的評估標準體系來限制各人所長。

STEM 2026: 美國STEM教育創新的六大願景

為進一步推動STEM教育，2016年9月14日，美國研究所與美國教育部綜合了研討會與會學者對 STEM 未來十年的發展願景與建議，聯合發布：《教育中的創新願景》（STEM 2026：A Vision for Innovation in STEM Education）。《STEM 2026》旨在推進STEM教育創新方面的研究和發展，並為之提供堅實依據。確保各年齡階段以及各類型的學習者都能享有優質的STEM學習體驗，解決STEM教育公平問題，進而保持美國的競爭力。

美國STEM教育的六大願景分別為：

1. 網絡化且參與度高的實踐社區
2. 加入特別設計的遊戲和風險的學習活動
3. 包含用跨學科方法解決「大挑戰」的教育經驗
4. 創新技術支援的靈活且包容的學習空間
5. 創新且具操作性的學習測量
6. 促進多元化且多機遇的社會文化環境

《STEM 2026》報告中還提到，未來可能顛覆 STEM 課堂的六類技術：

1. 線上協作工具
2. 線上混合的教育環境
3. 沉浸式媒體
4. 模擬遊戲
5. 智慧導師系統
6. 增強與虛擬實境AR&VR

4個最新努力方向和「北極星」計劃

2018年6月，白宮科學與技術政策辦公室推選並邀請各州STEM教育傑出貢獻者和引領者進行了集中討論，會議提出了美國STEM教育的4個最新努力方向，並發布了相關報告。

1.  在教育和工作之間建立更牢固的聯繫
2. 專注於創新和創業
3. 將電腦科學整合到STEM教育中
4. 制定改善所有美國人STEM素養的計劃

白宮更進一步於2018年12月3日發布了STEM教育的五年戰略計劃──「北極星」計劃，是由美國國家科學技術委員會STEM協會和白宮科學與技術政策辦公室擬定。該計劃預示着美國聯邦政府的未來投資方向，還敦促教育工作者推出更有意義和啟發性的STEM課程：PBL學習、科學節、機器人俱樂部、發明挑戰和遊學工作坊等，任何能夠培養學生綜合應用各領域知識來識別與解決問題能力的方案。 政府的這一目標有三重含義：

1. 增加廣度：每個美國人都應掌握基本的STEM概念（比如電腦思維），以能夠應對技術變革；
2. 增加深度：增進以往在這一領域欠缺的學生對STEM的學習；
3. 鼓勵下一代：鼓勵學生從事STEM職業。

外熱內冷，辦好STEM從研究開始。

雖然美國積極投資、全國鋪開推動STEM教育，但近年基礎教育卻顯現「外熱內冷」情況。美國一個致力於教育創新的研究機構通過多種途徑採集教育大數據，今年初發布了《2018年美國教育趨勢》報告，揭示了當今美國教育工作者最為關注的20個教育發展趨勢。結果是有助於培養孩子面對困難和挑戰的積極態度，還將通過激發更活躍的大腦活動，提高孩子智商的「成長型思維」排名第一。PBL（項目化學習/專題研習）也上了榜，排名第六。

令人驚訝的是，人們一直很關注的STEAM教育竟然沒有在內，與其相關的創客教學、機器人和程式設計學習卻在榜上。學者解讀或許STEAM教育本身存在跨學科知識糅合的複雜性，學科跨界的不確定性，以及對於學校課程設置、教師課程開發和設計能力提出了巨大挑戰，導致真正關注它的教育工作者並不多，在課堂中實踐較少。現實說明儘管STEAM教育的理念令人心潮澎湃，不過對於培養學生的創新與實踐能力確實有巨大的推動作用。其內在要求與現實的教育體制間存在着水土不服的問題。今天中國很多所謂的「STEAM教育」，事實上只是勞技學科或者小發明小創造的翻版而已，不過是迎合當今的熱點，包裝而來的。

關於如何能辦好STEM教育？或許美國、中國大陸和香港的STEM教育工作者，要參考一下今年「一丹教育研究獎」得主，美國芝加哥西北大學統計學系系主任Larry Hedges教授的總結：「如要辦好STEM教育，請先做相關的研究。」這正正符合STEM教育「教無定方、學無定法、成無定式」的特點。