羅純源

摘? ?要：近年來，美國STEM教育越來越呈現(xiàn)技術(shù)增強型的趨勢，政府各部門發(fā)布的一系列政策都體現(xiàn)了對將技術(shù)融入STEM教育以促進學(xué)生STEM學(xué)習(xí)的重視。2018年，美國公布STEM教育的“北極星計劃”，尤其強調(diào)提高學(xué)生的數(shù)字素養(yǎng)和計算素養(yǎng)的教育發(fā)展路徑，《用技術(shù)支持STEM學(xué)習(xí)的九個維度》這篇報告正是具體論述如何轉(zhuǎn)變現(xiàn)有STEM教育模式，從而在方法論上接入該發(fā)展路徑。文章在分析目前美國STEM教育現(xiàn)狀和教育政策的基礎(chǔ)上，對《用技術(shù)支持STEM學(xué)習(xí)的九個維度》報告進行解讀，將這九個維度劃分為技術(shù)促進互動、技術(shù)強化問題解決能力、技術(shù)培養(yǎng)科研精神三個方面進行具體論述，并基于對報告及相關(guān)文獻的解讀給出了對于中國STEM教育發(fā)展的建議。

關(guān)鍵詞：STEM教育 教育技術(shù) 數(shù)字化

作為STEM教育的誕生地，美國一直走在STEM教育發(fā)展的前沿。STEM教育為美國培養(yǎng)了大量科技創(chuàng)新人才，從而使其在世界范圍內(nèi)奠定了科技競爭力的領(lǐng)先地位。為了應(yīng)對未來更加激烈的科技競爭，其必須不斷變革其STEM教育模式，培養(yǎng)出更多具備數(shù)字素養(yǎng)、信息素養(yǎng)和創(chuàng)新思維的人才。從近十年美國政府機構(gòu)發(fā)布的相關(guān)政策和報告中可以看出，實施技術(shù)增強型的STEM教學(xué)已成為變革的航向。美國的STEM教育現(xiàn)狀促使其抓住變革的機遇，突破瓶頸從而實現(xiàn)更為長遠的發(fā)展。

2019年10月，美國聯(lián)邦教育部教育技術(shù)辦公室（Office of Educational Technology）發(fā)布了一份題為《用技術(shù)支持STEM學(xué)習(xí)的九個維度》（Nine Dimensions for Supporting Powerful STEM Learning with Technology）的報告。該報告響應(yīng)“北極星計劃”制定的目標和路線，明確指出技術(shù)可以成為轉(zhuǎn)換STEM教學(xué)和學(xué)習(xí)方式的強大工具，探討了將創(chuàng)新的數(shù)字技術(shù)整合到教育中的影響，并歸納了有效利用技術(shù)來深化學(xué)生STEM體驗的九大路徑。[1]

一、《用技術(shù)支持STEM學(xué)習(xí)的九個維度》報告發(fā)布背景與目的

（一）美國STEM教育發(fā)展現(xiàn)狀

通過美國國家科學(xué)基金會（National Science Foundation，NSF）發(fā)布的《中小學(xué)數(shù)學(xué)與科學(xué)教育》（Elementary and Secondary Mathematics and Science Education）[2]和《2020年美國科學(xué)與工程狀況》（The State of U.S. Science & Engineering 2020）兩份報告，可以了解到近年來美國K-12階段STEM教育、STEM高等教育、STEM創(chuàng)新、STEM勞動力、美國公眾對于科學(xué)技術(shù)的態(tài)度等方面的概況。[3]

1.社會經(jīng)濟地位差距使學(xué)生在數(shù)學(xué)和科學(xué)成績上的差異越來越大

研究人員發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在數(shù)學(xué)和科學(xué)方面的早期經(jīng)驗和成就可能會影響他們在以后的學(xué)業(yè)生涯中對STEM學(xué)科的態(tài)度和信心[4]。然而，學(xué)生通常無法在平等的基礎(chǔ)上開始STEM學(xué)習(xí)——對幼兒園學(xué)生進行的評估揭示了學(xué)生因為家庭社會經(jīng)濟地位、種族或民族等因素在數(shù)學(xué)和科學(xué)成績上產(chǎn)生的差距，其中一些差距隨著學(xué)生學(xué)業(yè)的繼續(xù)而持續(xù)存在，甚至逐漸擴大[5]。歸根結(jié)底，種族因素最終指向的還是社會經(jīng)濟地位，可以認為社會經(jīng)濟地位是導(dǎo)致近些年來美國學(xué)生STEM學(xué)習(xí)成效差距的根本因素。

除了上述原因，還有多種因素導(dǎo)致了學(xué)生STEM教育的早期差距，其中包括學(xué)生是否有充足的機會參與非正式學(xué)習(xí)和能否得到高質(zhì)量的學(xué)前教育[6]。另外，教育信息化也在某種程度上給學(xué)生帶來技術(shù)門檻。

2.在國際評估中，美國學(xué)生的數(shù)學(xué)和科學(xué)成績表現(xiàn)并沒有非常突出

根據(jù)國際數(shù)學(xué)與科學(xué)成就趨勢調(diào)查（TIMSS）評估①，相對于其他參與評估的發(fā)達國家的學(xué)生，美國八年級學(xué)生在數(shù)學(xué)和科學(xué)上的表現(xiàn)并不十分突出。在2015年參與TIMSS的19個發(fā)達國家中，美國在數(shù)學(xué)和科學(xué)方面的平均分數(shù)均排名第9，新加坡、韓國、日本等亞洲國家在分數(shù)表現(xiàn)上遠遠超越了美國[7]。美國聯(lián)邦教育部逐漸意識到，應(yīng)當(dāng)想辦法突破現(xiàn)今STEM教育的瓶頸，變革傳統(tǒng)的STEM教育模式，尋求新的發(fā)展路徑，以提高其義務(wù)教育階段學(xué)生的總體STEM素養(yǎng)。

3.各國STEM高等教育學(xué)位產(chǎn)出競爭激烈

在所有國家中，美國授予的STEM博士學(xué)位最多，接收的國際學(xué)生也最多，但是從工程類STEM專業(yè)的博士學(xué)位數(shù)量來看，美國面臨著來自中國的巨大競爭壓力。中國的STEM博士學(xué)位數(shù)量增長迅速，美國高等教育機構(gòu)希望進一步提高STEM領(lǐng)域?qū)W生的入學(xué)率和保有率。

4.美國企業(yè)積極進行技術(shù)創(chuàng)新，科技成果轉(zhuǎn)化率較高

美國企業(yè)積極將新的技術(shù)應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)管理的過程，從而實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新。風(fēng)險投資的數(shù)據(jù)顯示，新興領(lǐng)域的投資者看到了潛在的商業(yè)影響。在美國，風(fēng)險投資主要集中在依賴軟件的領(lǐng)域，包括移動技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)、工業(yè)和金融技術(shù)。在這些領(lǐng)域中，人工智能技術(shù)的投資增長最快。這些現(xiàn)象非常有力地說明，新的研發(fā)成果不能僅停留在知識和理論的層面，而且要積極應(yīng)用于經(jīng)濟生產(chǎn)和商業(yè)實踐，才能發(fā)揮其應(yīng)用價值，吸引更多資源投入，反哺學(xué)術(shù)研究，從而促進知識的良性循環(huán)。

5.具備STEM技術(shù)專長的人才在勞動力市場中更具優(yōu)勢

勞動力市場對STEM人才的需求量很大并保持穩(wěn)定增長。美國的STEM職位主要包括軟件開發(fā)人員、計算機系統(tǒng)分析師、化學(xué)家、數(shù)學(xué)家、經(jīng)濟學(xué)家、心理學(xué)家、工程師等，其增長速度超過了整體勞動力的增加速度，目前占美國整體勞動力的5%（約700萬職位）[8]。另外，從事STEM相關(guān)職業(yè)的人員收入也遠高于其他職業(yè)。

需要注意的是，不僅STEM相關(guān)行業(yè)和機構(gòu)對STEM技能專長有所要求，許多非STEM領(lǐng)域的行業(yè)和機構(gòu)也同樣對STEM技能有需求。

（一）促進學(xué)生互動

技術(shù)將大大提高學(xué)生在STEM教學(xué)中的參與度。通過數(shù)字技術(shù)、仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)，學(xué)生可以與學(xué)習(xí)內(nèi)容、師生積極互動，從而構(gòu)建良好的學(xué)習(xí)社區(qū)，促進個體知識和群體知識的深層建構(gòu)。

1.動態(tài)表征

讓學(xué)生通過與數(shù)字模型，仿真以及數(shù)學(xué)、科學(xué)和工程系統(tǒng)的動態(tài)表征進行交互來學(xué)習(xí)和掌握STEM概念。動態(tài)表征（如數(shù)字模型、交互式仿真和虛擬環(huán)境技術(shù)）是科學(xué)家、數(shù)學(xué)家和工程師常常使用的基本工具?；谟嬎銠C模型的動態(tài)表征往往更能引起學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，并幫助他們構(gòu)建更為準確的自然現(xiàn)象或工程現(xiàn)象的心理模型（mental model）②。例如，學(xué)生可以通過在線模擬工具對一個地區(qū)的溫度、濕度和降雨量進行測量，從而全面了解該地區(qū)的氣候情況。

動態(tài)表征以動態(tài)可視化的形式向?qū)W生傳遞教學(xué)信息，除了能最大程度地吸引學(xué)生的注意力，還能給予學(xué)生親自動手實踐的機會，加深對過程性和概念性知識的理解，構(gòu)建自己的認知地圖。在這個過程中學(xué)生和教學(xué)內(nèi)容之間產(chǎn)生良性互動，不再是傳統(tǒng)的單向輸入。

2.協(xié)作推理

學(xué)生利用相關(guān)技術(shù)工具圍繞STEM概念進行協(xié)作推理，過程中小組成員平等參與、共同進步。不斷構(gòu)建和維持對問題的共同理解、協(xié)作推理可以有效促進學(xué)生學(xué)習(xí)。當(dāng)學(xué)生一起思考某個STEM概念時，他們會對概念的涵義進行反復(fù)協(xié)商以達成共識。在這個過程中，技術(shù)可以通過提供多樣化的交流方式、對社區(qū)知識無障礙的訪問來增強協(xié)作。研究表明，當(dāng)學(xué)生通過與他人互動來獲得支持和指導(dǎo)時，他們將更多地從協(xié)作活動中受益。數(shù)字協(xié)作平臺相比傳統(tǒng)協(xié)作模式具備更為強大的同伴交互功能，并且可以起到均衡參與度的作用（鼓勵小組的每個成員都積極參加，讓協(xié)作不被少數(shù)人主導(dǎo)）。

3.直接的個性化反饋

數(shù)字工具可以為學(xué)生的STEM學(xué)習(xí)和實踐提供即時和個性化的反饋。反饋被認為是影響學(xué)生學(xué)習(xí)的最有力手段之一。當(dāng)學(xué)生面對具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)任務(wù)時，反饋會告知學(xué)習(xí)者所需的績效水平，以便他們?yōu)樽约涸O(shè)定合理的目標，并以此指導(dǎo)后續(xù)的學(xué)習(xí)行動。此外，如果學(xué)生能夠根據(jù)反饋調(diào)整自己的學(xué)習(xí)計劃，反饋還可以幫助他們縮小當(dāng)前的績效水平與預(yù)期績效水平之間的差距。

根據(jù)課程的學(xué)習(xí)目標，反饋可以采取多種不同的形式，如延時反饋或即時反饋、個人反饋或小組反饋等，在不同的情況下適用的反饋形式有所不同。數(shù)字技術(shù)能夠兼容更多的反饋形式，并且能較為便捷和即時地為每個學(xué)生提供個性化反饋，從而引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)行為。反饋從根本上來說其實是學(xué)習(xí)者與教師的互動。在這個維度中，技術(shù)可以分擔(dān)教師的部分職能，讓每個學(xué)生都能及時得到有針對性的指導(dǎo)，這在STEM學(xué)習(xí)中是非常有必要的。

（二）強化學(xué)生問題解決能力

技術(shù)可以培養(yǎng)學(xué)生問題解決的能力或者成為學(xué)生解決問題的工具。強化學(xué)生問題解決能力不僅是為了讓學(xué)生實現(xiàn)經(jīng)過教學(xué)設(shè)計的良構(gòu)問題的解決，更重要的是延伸到現(xiàn)實復(fù)雜情境中非良構(gòu)問題③的解決。技術(shù)可以幫助學(xué)生輸出觀點、掌握系統(tǒng)化的問題解決流程、養(yǎng)成解決問題的計算思維、進行整體化的問題解決并對問題解決的質(zhì)量進行評估。

1.科學(xué)論證技能

學(xué)生能夠利用技術(shù)進行科學(xué)論證，包括提出和評估科學(xué)或數(shù)學(xué)主張的證據(jù)?？茖W(xué)論證是一個思維過程，需要學(xué)生運用批判性思維來提出和捍衛(wèi)解釋科學(xué)現(xiàn)象概念的證據(jù)?？茖W(xué)論證對于科學(xué)的所有領(lǐng)域的實踐都至關(guān)重要。在課堂里，科學(xué)論證使學(xué)生能夠建構(gòu)知識并賦予他們權(quán)力來評判他人的主張是否合理;而在真實情境中，科學(xué)論證技能也可幫助學(xué)生收集相關(guān)證據(jù)為自己的主張進行辯護?？梢哉f，科學(xué)論證技能已成為現(xiàn)代公民必備的核心技能之一。為了順應(yīng)時代需求， 絕大多數(shù)國家的科學(xué)課程標準都將學(xué)生的論證能力作為重要的培養(yǎng)目標[16]。在此維度中，技術(shù)可以為學(xué)生創(chuàng)設(shè)情境、搭建支架，從而幫助學(xué)生提高科學(xué)論證技能?？茖W(xué)論證是學(xué)生輸出觀點的必要步驟，任何STEM領(lǐng)域創(chuàng)新理念的輸出都需要經(jīng)過嚴密的科學(xué)論證，而觀點輸出則是進行問題解決的前提。

2.工程設(shè)計流程

學(xué)生可以使用工程設(shè)計流程和相關(guān)支持技術(shù)來計劃、修訂、測試、實施問題解決方案。

工程設(shè)計是指以數(shù)學(xué)和科學(xué)知識為基礎(chǔ)，有目標地進行工程產(chǎn)品構(gòu)思和計劃的過程，是工程教育的重要組成部分[17]。工程設(shè)計是一個迭代的系統(tǒng)化過程。工程師根據(jù)已有的知識反復(fù)測試和調(diào)整設(shè)計出新版本，然后采取系統(tǒng)化的步驟改進設(shè)計。在這個過程中，他們通過數(shù)據(jù)提出問題，確定成功的解決方案的標準并鑒別制約因素。因而，數(shù)字工具在工程設(shè)計流程中起著核心作用。

在這個維度中，技術(shù)輔助學(xué)生進行工程設(shè)計，幫助學(xué)生通過迭代改進設(shè)計步驟將觀點轉(zhuǎn)化為實踐，從而實現(xiàn)問題解決。另外，技術(shù)還為學(xué)生提供了將科學(xué)和數(shù)學(xué)思想應(yīng)用于具體設(shè)計的機會。簡而言之，技術(shù)可以幫助學(xué)生掌握系統(tǒng)化的問題解決流程。

3.計算思維

學(xué)生運用信息技術(shù)，通過算法、數(shù)據(jù)和模擬來調(diào)查問題并獲得對現(xiàn)象的新理解，從而解決問題。計算思維是指使用一定方法和工具對問題及其解決方案進行表述和分析，并通過算法思維來促進抽象推理和程序自動化。簡單來說，計算思維將一個復(fù)雜問題拆解為簡單可操作的子問題，然后使用一系列清晰步驟來有順序地解決每個子問題;證明解決方案有效后，將其遷移到類似問題中;最后通過計算機使問題解決過程自動化。計算思維包括問題拆解、算法、抽象、自動化等方面的能力[18]。這些能力不僅是計算機教育關(guān)注的核心素養(yǎng)，更應(yīng)當(dāng)是STEM教育需要重點培養(yǎng)的思維能力。在STEM教育中，讓學(xué)生運用計算思維進行實踐的教學(xué)設(shè)計應(yīng)當(dāng)廣泛適用于科學(xué)和數(shù)學(xué)相關(guān)學(xué)科，教學(xué)設(shè)計者還應(yīng)當(dāng)為學(xué)生處理抽象數(shù)據(jù)提供遷移機會和應(yīng)用環(huán)境。

在這個維度中，技術(shù)是培養(yǎng)學(xué)生計算思維和幫助學(xué)生實現(xiàn)問題解決自動化的有力工具，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維必然離不開信息技術(shù)的應(yīng)用。而計算思維是在STEM領(lǐng)域中進行問題解決時必須具備的一種思維方式。

4.基于項目的跨學(xué)科學(xué)習(xí)

學(xué)生可以在結(jié)合多個STEM領(lǐng)域的基于項目或挑戰(zhàn)的真實學(xué)習(xí)活動中使用數(shù)字技術(shù)工具。分科教學(xué)在反映現(xiàn)實世界的真實問題方面具有很大的弊端。針對這一問題，取消分科、進行整合教育已成為一種教育趨勢。STEM代表的是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)相關(guān)的學(xué)科統(tǒng)整的知識領(lǐng)域，跨學(xué)科性就是STEM教育的核心特征[19]?？鐚W(xué)科學(xué)習(xí)需要學(xué)生打破學(xué)科界限，綜合應(yīng)用STEM領(lǐng)域中相互關(guān)聯(lián)的知識來解決實際問題。

STEM跨學(xué)科整合最核心的工作是項目設(shè)計。在這個過程中，學(xué)生可以使用數(shù)字技術(shù)來查找、組織和交流信息，進行任務(wù)管理并創(chuàng)建最終產(chǎn)品。通過基于項目的跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動，學(xué)生不僅可以習(xí)得重要的STEM知識，還可以在實際情況中結(jié)合其他知識和技能進行應(yīng)用。

在這個維度中，數(shù)字技術(shù)可以幫助學(xué)生獲取信息、運用信息并創(chuàng)建和輸出有形的項目成果，最重要的是它可以培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科綜合解決問題的能力，避免學(xué)生因為過于關(guān)注學(xué)科界限、忽視知識聯(lián)系，將重心局限于某個特定問題，從而影響問題的整體解決。

5.嵌入式評估

將數(shù)字評估嵌入STEM教學(xué)中，以提示學(xué)生對他們的解釋、模型和問題解決方案的質(zhì)量進行反思。當(dāng)教學(xué)設(shè)計者將數(shù)字評估嵌入到STEM教學(xué)中時，數(shù)字評估可以在學(xué)生科學(xué)探究過程中為他們提供有關(guān)自身STEM實踐質(zhì)量的豐富信息。當(dāng)用于形成性評價時，數(shù)字評估有助于調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，以更好地滿足學(xué)習(xí)者的需求;而當(dāng)用于總結(jié)性評價時，數(shù)字評估可以幫助學(xué)生評價產(chǎn)出的解決方案的質(zhì)量。

在這個維度中，技術(shù)可以作為對學(xué)生進行評估的主體——通過數(shù)字技術(shù)為學(xué)生提供能夠幫助改進自身STEM實踐的信息;技術(shù)也可以作為對學(xué)生進行評估的渠道——同行和專家可以在學(xué)生進行科學(xué)探究的過程中隨時介入進行評估?？偠灾夹g(shù)可以幫助學(xué)生評估自己或他人的問題解決方案或產(chǎn)品質(zhì)量。

（三）培養(yǎng)學(xué)生的科研精神

技術(shù)可以讓學(xué)生理解領(lǐng)域?qū)＜疫M行學(xué)術(shù)研究的實踐過程，培養(yǎng)學(xué)生對于科研探究的興趣和基本素養(yǎng)。學(xué)生利用技術(shù)工具來開發(fā)基于數(shù)據(jù)和證據(jù)的模型。開發(fā)和測試基于證據(jù)的模型是科學(xué)家在研究有關(guān)自然界的理論時所進行的一種核心實踐，而工程師在設(shè)計針對實際問題的系統(tǒng)性解決方案時也需要依賴基于證據(jù)的模型。為了深入理解STEM專家進行的實踐，學(xué)生需要開發(fā)自己的基于證據(jù)的模型，并發(fā)展解釋分析這些證據(jù)的能力。

在這個維度中，技術(shù)可以幫助學(xué)生繪制和開發(fā)自己基于證據(jù)的模型。而讓學(xué)生開發(fā)的模型能夠深化學(xué)生對于科研探究的理解，引起學(xué)生對于科研的興趣并最終引導(dǎo)在這方面存在天賦的學(xué)生走上科研的學(xué)術(shù)道路。

三、啟示

通過了解美國近年來的STEM教育現(xiàn)狀和政策背景，并對《用技術(shù)支持STEM學(xué)習(xí)的九個維度》進行解讀，可以發(fā)現(xiàn)美國的STEM教育在與技術(shù)的深度融合、跨學(xué)科整合以及充分引導(dǎo)學(xué)生進行自主探究等方面正在進行變革性的嘗試。我國STEM教育可借鑒以下建議。

（一） STEM教育應(yīng)轉(zhuǎn)變視角，做到真正意義上的以學(xué)生為中心

我國的STEM教育目前采用較多的仍然是講授式教學(xué)，尤其是在高等教育之前。教師將事先架構(gòu)好的由易到難的學(xué)科知識按照單元模塊單向地傳輸給學(xué)生，然后布置給學(xué)生書面練習(xí)來測驗學(xué)生的知識掌握程度，學(xué)生僅僅可從自己的練習(xí)完成情況中得到關(guān)于自身學(xué)習(xí)的反饋。在這個過程中，學(xué)生鮮少能與教師進行互動，也很難自主建構(gòu)知識網(wǎng)絡(luò)，他們習(xí)得的知識體系是提前組建好的。STEM教育應(yīng)當(dāng)將主視角從教師轉(zhuǎn)變到學(xué)生，讓學(xué)生成為知識的生成者而不是接收者，這才是真正意義上的以學(xué)生為中心。以學(xué)生為中心的STEM教學(xué)的關(guān)鍵就是要促進學(xué)生自我主導(dǎo)地積極參與學(xué)習(xí)過程[20]。學(xué)生可以在各種技術(shù)的支持下進行協(xié)作推理、科學(xué)論證、工程設(shè)計和基于證據(jù)的模型開發(fā)，在這個過程中他們能夠越來越熟練地運用技術(shù)來達到自己的目的，并通過自身的STEM實踐轉(zhuǎn)變思維方式，培養(yǎng)科學(xué)探究的思維能力，從而實現(xiàn)有意義的學(xué)習(xí)。

（二）STEM教育應(yīng)進行跨學(xué)科整合，培養(yǎng)學(xué)生解決真實問題的能力

當(dāng)前，我國初高中的STEM教育仍以應(yīng)試教育為主，所有教學(xué)活動的展開基本圍繞提高學(xué)生的科目考試成績，因此各科的知識體系基本上鮮有交叉，更遑論讓學(xué)生實現(xiàn)綜合應(yīng)用。當(dāng)然，近些年來的高考改革多多少少打破了學(xué)科之間的界限，但是這對于學(xué)生能夠綜合地解決STEM領(lǐng)域的真實問題遠遠不夠。

比起知識的接收，更重要的是要培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的技能和解決問題的能力，因此跨學(xué)科的項目學(xué)習(xí)對于目前的STEM教育改革來說很有必要?！禨TEM 2026：STEM教育中的創(chuàng)新愿景》報告曾強調(diào)，STEM課程需要通過設(shè)計跨界實踐解決真實問題來轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教育模式?？鐚W(xué)科項目實踐能夠幫助學(xué)生將想法輸出，將理論轉(zhuǎn)化為實踐，再從實踐中尋找創(chuàng)新突破。在這個過程中學(xué)生不僅可以培養(yǎng)4C學(xué)習(xí)技能（批判性思維、創(chuàng)新思維、溝通能力、協(xié)作能力），而且可以找到未來的職業(yè)興趣和方向。

（三）STEM教育應(yīng)與技術(shù)深度融合，提高學(xué)生數(shù)字素養(yǎng)

從目前國內(nèi)的研究狀況看，公民數(shù)字素養(yǎng)意識普遍不強，國家與社會需要高度重視[21]。STEM教育應(yīng)當(dāng)充分使用各種數(shù)字化工具、信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及人工智能技術(shù)來幫助學(xué)生更好地進行STEM的概念學(xué)習(xí)和實踐應(yīng)用。在這個過程中，學(xué)生的行為方式和思維特征也會發(fā)生改變[22]。學(xué)生通過技術(shù)增強型的STEM教育不僅獲取知識，掌握了技術(shù)工具的操作方法，而且隨著學(xué)習(xí)的深化，能夠使用算法的邏輯思維去認識問題和分析問題，最終設(shè)計出程序化的解決方案。

如果學(xué)生具備足夠的數(shù)字素養(yǎng)，那么當(dāng)他們面臨現(xiàn)實世界的復(fù)雜問題或在未來的STEM領(lǐng)域工作中遇到挑戰(zhàn)時，他們能夠自然而然地使用數(shù)字化工具幫助自己解決問題，并在信息技術(shù)對之前知識進行整合的情況下，更容易充分調(diào)動各種資源實現(xiàn)創(chuàng)新，成為信息世界知識的“創(chuàng)造者”和“分享者”。

注釋：

①TIMSS是國際教育成就評價協(xié)會（International Association for the Evaluation of Educational Achievement，IEA）從1995年開始實施的國際數(shù)學(xué)與科學(xué)趨勢研究項目。

②心理模型（mental model）是用于解釋人的內(nèi)部心理活動過程而構(gòu)造的一種比擬性的描述或表示，可描述和闡明一個心理過程或事件。本質(zhì)上說，心理模型是經(jīng)過組織的知識結(jié)構(gòu)。

③非良構(gòu)問題指在日常生活的具體情境中，很難進行明確的界定、問題的陳述對問題的解決也沒有任何幫助的這一類問題。在解決非良構(gòu)問題的過程中，目標的數(shù)量是很難清晰界定的，有利于解決的信息通常也是不完整的、不正確的和模糊的。

參考文獻：

[1]Office of Educational Technology. Nine dimensions for supporting powerful STEM learning with technology education[EB/OL].[2019-10-18]. https：//tech.ed.gov/files/2019/10/stem-innovation-spotlights-research-synthesis.pdf.

[2][7]ROTERMUND S， WHITE K.Elementary and secondary Mathematics and Science education[EB/OL].[2019-09-04].https：//ncses.nsf.gov/pubs/nsb20196.

[3][8][9]KHAN B， ROBBINS C， OKRENT A.The State of U.S. Science & Engineering 2020[EB/OL].[2020-01-15].https：//ncses.nsf.gov/pubs/nsb20201.

[4]MALTESE A V， TAI R H. Eyeballs in the fridge： sources of early interest in science[J]. International Journal of Science Education， 2010， 32（5）：669-685.

[5]FRIEDMAN-KRAUSS A， BARNETT W S， NORES M. How much can high-quality universal Pre-K reduce achievement gaps？[Z] .Washington， D.C.：Center for American Progress， 2016.

[6]GARC？魱A E， WEISS E. Education inequalities at the school starting gate： Gaps， trends， and strategies to address them[Z]. Washington， D.C.： Economic Policy Institute， 2017.

[10]Executive Office of the President. Prepare and inspire：K-12 science， technology， engineering， and math（stem） education for Americas future[R].Washington D.C.， 2010.

[11]National Research Council. A framework for K-12 science education： Practices， crosscutting concepts， and core ideas[M].Washington， D.C.：The National Academies Press， 2011：30-33.

[12]National Science and Technology Council. Federal Science， Technology， Engineering， and Mathematics （STEM） Education 5-Year Strategic Plan[R].Washington D.C.， 2013.

[13]Office of Innovation and Improvement， U.S.Department of Education . STEM 2026： A Vision for Innovation in STEM Education[R].Washington D.C.， 2016.

[14]The White House.Charting a Course for Success：Americas Strategy for STEM Education[EB/OL].[2018-12-15].https：//www.whitehouse.gov/wp-content/uploads/2018/12/STEM-Education-Strategic-Plan-2018.pdf.

[15]陳鵬，田陽，劉文龍.北極星計劃：以STEM教育為核心的全球創(chuàng)新人才培養(yǎng)——《制定成功路線：美國STEM教育戰(zhàn)略》（2019-2023）解析[J].遠程教育雜志，2019，37（2）：3-14.

[16]劉韜容，肖化，張軍朋.國外學(xué)生科學(xué)論證能力的分析視角及評價模式[J].上海教育科研，2019（2）：53-57.

[17]雷慶，王敏.工程設(shè)計與工程設(shè)計教育的歷史解讀[J].高等工程教育研究，2014（1）：38-44.

[18]亞達夫，錢逸舟.如何有效開展編程與計算思維教育：教師教育的視角[J].中國信息技術(shù)教育，2020（8）：4-8.

[19][20]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學(xué)科整合模式[J].開放教育研究，2015，21（4）：13-22.

[21]朱紅艷，蔣鑫.國內(nèi)數(shù)字素養(yǎng)研究綜述[J].圖書館工作與研究，2019（8）：52-59.

[22]李鋒，熊璋，任友群.聚焦數(shù)字化競爭力，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)——從國際國內(nèi)課程改革看上海中小學(xué)信息科技教育[J].電化教育研究，2017，38（7）：26-31.

編輯 呂伊雯? ?校對 徐玲玲