基于管道理论的美国中小学STEM课程开发探析

摘 要：STEM管道理论是用越来越狭窄的“管道”形容学生从最初进行STEM学习，到最终取得STEM学位并从事STEM相关职业的过程。美国“国家纵向教育研究”的数据表明，在管道的每一个连接点几乎都会出现人才流失问题，只有极少数学生最终选择STEM专业，许多学生对STEM专业失去兴趣而中途退学或换专业。同时，也有相当一部分从事STEM职业的人并非是由管道输出的。文章基于管道理论以及当前美国STEM学校的人才培养策略，通过分析美国的STEM课程与教学改进方案，探索未来STEM学校的人才培养模式，探讨中小学如何激发并维持学生对STEM的学习兴趣。

关键词：美国；管道理论；STEM学校；STEM课程；STEM学习兴趣

一、研究背景

作为基于美国“国家纵向教育研究”数据得出的关于STEM人才培养过程的重要理论，管道理论揭示了K-6培养过程中STEM人才流失的路径。根据该理论，数年来美国在政策和法律上出台了多项措施以维持和提高STEM人才产出，相继发布的《美国创新战略》《教育中的创新愿景》等报告指出，必须加强STEM教育，推进STEM教育研究、发展与创新，力求在社区实践、教学活动设计、学习空间、社会文化环境等方面促进STEM教育发展，以确保各年龄阶段以及各类型的学习者都能享有优质的STEM学习体验，保证STEM人才数量，进而保持美国的竞争力。

美国在知识经济时代的教育目标之一是培养具有STEM素养的人才，以提高全球竞争力。要想保持科技在世界上的领先地位，STEM教育是关键，也是美国的重要任务之一。早在2011年，美国国家科学院研究委员会就发布了《成功的K-12阶段STEM教育：确认科学、技术、工程和数学的有效途径》的报告，强调STEM教育是一个从幼儿园到高中阶段的连贯性的过程。美国幼儿教育协会研究显示，为幼儿提供接触STEM知识与技能的机会越早，其未来在STEM行业获得成功的几率就越大，越有利于其参与未来世界的竞争。因此，美国在STEM教育方面不断加大投入，美国政府动员全国力量支持所有学生发展高水平的STEM知识和技能，鼓励学生主修科学、技术、工程和数学，激发学生的STEM学习兴趣，培养其科技和理工素养。

二、STEM管道理论

管道理论描述的是用一个越来越狭窄的“管道”形容学生获取STEM学位并从事相关行业的过程。管道中的节点比作通向STEM职业生涯所要经历的重要事件，例如各种考试、主修STEM专业、获取学位等，在管道末端，水流入一个“杯子”，即表示最终进入STEM行业的一小部分人群，与最初进入STEM管道的大量人群形成了鲜明的对比。换言之，最终进入STEM行业的人数比获取学位的人数少，获取学位的人数比主修STEM专业的人数少。同时，研究者对美国“国家纵向教育研究”数据以及相关文献进行考证分析，发现很多最初进入管道的学生最后没有从事STEM相关职业，即管道理论所揭示出的轨迹并不能代表管道内全部学生的职业生涯[1]。事实也表明，从基础教育到高等教育的整个过程中，未来有可能从事STEM行业的人才因各种因素而不断流失。[2]

关于学生脱离STEM管道的原因，美国学者汉克·科波拉塞克选取了477名荷兰学生（多数是大学二、三年级学生，这些學生在高中都选修了高数、化学和物理课程并完成结业考试，而在大学时没有选择与这些学科相关的专业）作为样本进行研究，研究采用不同的问卷，分别获取学生对STEM专业和当前专业的态度，以及学生身边重要人物（如家长、老师和同学）对其专业选择的影响，对比分析数据，最终找出学生脱离STEM管道的原因。汉克认为，那些进入STEM管道且有潜力从事此行业的学生之所以离开，主要原因是学生自身对STEM专业的态度，但是对于其他重要人物对学生专业选择的影响这一原因还需进一步加以证实[3]。学生对STEM失去学习兴趣而造成的人才流失，引发了研究者对美国STEM学校人才培养模式的思考，研究者希望通过改进课程提高学生的学习兴趣。

三、管道储水的现代化教育技术尝试：美国STEM学校的视频游戏

许多STEM教育者认为，当代学生对技术和媒体更感兴趣，为培养他们的STEM技能，教育者做出大胆尝试，将视频游戏作为一项拓展活动融入STEM课程，希望激发并维持学生对STEM课程的学习兴趣，减少人才流失。完备的视频游戏需要全面的视频游戏库和支持系统以及设施，为此，出版商成立相关机构致力于教育类电子游戏的创建和推广，在游戏设计中纳入STEM原则和核心概念。一些非营利组织也与家长及当地企业共同策划建立健全的游戏体系，其中的大部分视频游戏都可以免费提供给STEM教育者进行测试，以确定是否符合他们的计划。

将STEM课程融入视频游戏有两种途径，一是直接设计新的游戏，为学生创设虚拟环境，允许学生在虚拟环境中进行与科学、数学相关的游戏活动，例如，“结束世界饥荒”游戏可以教会学生如何分配援助食物以及如何帮助别人；二是改进已有游戏，使之适应STEM课程计划，例如，在一款关于治理污染的游戏中，学生可以在虚拟环境中担任市长的角色，主要任务是解决城市所面临的环境问题，同时还要创造一个健康有序的就业市场，使市民保持积极的心态，并改善市民的生活质量。

视频游戏作为一种教育工具，通过特定的社会环境和教学内容赋予不同的角色和特定的意义，从视觉和听觉的角度给学生提供多种学习方式。游戏任务由易到难，循序渐进地提升学生的学习能力。此外，团队游戏可以帮助学生确立社会目标概念及社会互动性，提高学生自我效能感、实现目标的信心以及团队协作能力，培养学生的批判性思维和解决现实问题的能力。基于游戏学习的评价体系，STEM教育者应该对学生完成任务的过程以及团队成员间的合作交流进行评价。

四、管道储水的课程开发尝试：基于学生的兴趣取向

STEM教育旨在将科学、技术、工程和数学进行跨学科融合，注重项目探究、动手实践、主动创造等学习方式，通过开设预修课程，帮助学生根据兴趣确定大学的专业方向，为专业学习奠定基础。目前，美国实施STEM教育的学校在课程设置上都以STEM课程为中心，针对管道理论所揭露的人才流失问题，优化人才培养模式，提高学生的学习兴趣。

（一）充分利用地域优势，整合当地资源

研究表明，工商业圈、自然地理环境、政府基础设施等都是与STEM课程相关联的环境资源，教师整合环境资源，将教育内容与当地环境相结合，为学生提供STEM学习的真实情境，能够促进学生STEM内容的学习。

将STEM教学充分结合并利用当地资源，不仅方便学生接触STEM职业和应用设施，而且解决了人力资源开发问题。基于STEM教学与当地相关资源整合的愿景，路易斯·纳德尔森等人进行了为期4年的研究项目——K-12阶段STEM教师专业发展计划，该项目将基于地域的STEM课程作为重点内容，为400余名教育工作者提供较为深入的综合性STEM短期课程，课程结束后，全体成员都要对这些课程进行讨论、评价，确定最终的实践标准。

STEM短期课程重在激发教师和学生对STEM、市政水利系统、健康、农业、食品安全、矿物开发、林业、能源开发等诸多领域产生兴趣。短期課程还为教师提供实地考察STEM行业和业务的机会，如制造厂、矿山、自然公园、食品加工厂、研究所、医院、实验室等，旨在促使K-12阶段STEM教师能够充分挖掘当地可用资源，综合利用这些资源开展STEM课程。在实地考察的过程中，由地方STEM专家进行的工作场所介绍，有利于教师加深对地域环境和地域条件的理解，从而更好地利用资源开发课程。通过短期课程的培训及实地考察，参与教师不仅对基于地域的STEM教学有了更深的理解，其相关知识、能力以及整合地方资源进行STEM教学的意识也大幅提升。

（二）重视调整各学段STEM课程，加强课程衔接力度

学生是否愿意选择STEM专业以及未来是否从事STEM行业，除了取决于学生自身的学习态度和学习兴趣之外，还取决于学生STEM相关学科的成绩。一个强大的K-12阶段STEM管道的创设，将会对美国的STEM教育起到至关重要的作用，各学段之间课程的衔接程度影响学生对STEM的持久关注度。为此，肯塔基州的路易斯维尔大学工程学院开展了一个K-12拓展项目，目的在于增加对STEM领域感兴趣和有能力学习STEM相关学科的学生人数，为那些没有进入到管道的学生提供机会。该项目选定当地的小学和初中开展工程预科课程，即“项目引领”计划（Project Lead the Way，PLTW），为学生高中阶段的学习做准备。中小学阶段采用的是波士顿科学博物馆开发的小学工程学课程（EIE），中学阶段采用的是由研究者与中学科学教师合作开发的工程学方案（IME）[4]。经过4年的实践，有2000多名学生参与了该项目所开设的相关课程，壮大了STEM人才队伍。中小学阶段旨在增加进入STEM领域的学生数量，后续教育过程注重STEM课程质量。在奥巴马政府的支持下，传统的高中STEM课程正在被更新为综合应用型的STEM课程，增强与高校专业选择之间的联系，提高课程在现实科学领域的适用性，进而增强学生从事STEM行业的可能性。

（三）丰富学生的实践体验

佩吉·多尔舒克等人提出的研究性学习项目计划使得高中生可提前参与高校本科生的研究课题，使高校STEM专业学生可接触从事STEM行业的成功人士[5]。该项目可有效弥补STEM管道理论的不足，激发并保持学生对STEM课程的兴趣，提高从事STEM行业工作的动机，减轻管道连接处人才流失。同时，拓展活动能有效吸引其他学生参加STEM活动，促使非STEM学生的转型与进修，增加STEM专业生源。

参考文献：

[1]Matthew A Cannady， Eric Greenwald， Kimberly N Harris.Problematizing the STEM Pipeline Metaphor： Is the STEM Pipeline Metaphor Serving Our Students and the STEM Work force？[J].Science Education， 2014， 98（3）： 443-460.

[2]王晶莹.关注STEM职业期望的青少年科学素质教育：基于PISA 2015和NARST 2017的反思[J].科学与社会，2017（3）：33-42.

[3]Hanke Korpershoek，Hans Kuyper，Roel Bosker，Greetje Vander Werf. Students Leaving the STEM Pipeline： An Investigation of Their Attitudes and the Influence of Significant Others on Their Study Choice[J]. Research Papers in Education 2013，28（4）：483-505.

[4]Michael A. Gottfried，Robert Bozick. Supporting The STEM Pipeline： Linking Applied STEM Course-Taking In High School To Declaring a STEM Major In College[J].Education Finance & Policy，2016，11（2）：1-26.

[5]Patricia A.S.Ralston， Jeffrey L. Hieb，Gary Rivoli. Partnerships and Experience in Building STEM Pipelines[J].American Society of Civil Engineers，2012， 139（2）：156-162.