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北极星计划：以STEM教育为核心的全球创新人才培养——《制定成功路线：美国STEM教育战略》（2019-2023）解析

摘 要：随着全球经济、科学技术、地缘政治等的快速变化与发展，科技创新越来越成为引领世界格局变化的重要因素之一，创新成为世界各国的核心竞争力之一。美国一直致力于维护其全球科技创新的霸主地位，先后发布了多个STEM教育相关政策，意在加强科技创新领域的人才培养，保持其在全球科技创新领域的核心位置。2018年12月3日，美国白宫发布了STEM教育新的五年战略计划——“北极星计划”，它将成为美国创新人才培养的驱动力量。该报告以“所有美国公民都将终身受益于高质量的STEM教育”为愿景，从广度和深度上提出了：

未来五年，每个美国人都应掌握基本的STEM概念、弥补以往欠缺的学生进行STEM有效学习、鼓励学生从事STEM职业这三大战略目标；并从发展和丰富战略伙伴关系、促进跨学科交叉融合、推进信息素养和计算思维教育、建立透明和问责的管理机制四条路径，指导政策制定者、研究人员、教育者、行业领导者等，开展STEM教育实践。

通过分析该报告内容，结合我国STEM教育现状和发展诉求，提出以下建议：构建符合中国特色的STEM教育生态系统；成立国家STEM教育委员会；鼓励跨学科交叉融合，培养全面发展的4C人才；以STEM教育培育跨界思维和促进知识应用与融通；加强计算机科学教育，培养计算思维；建立STEM教育监管和评价机制。

关键词：STEM；科技创新；科学教育；人才战略；北极星计划；计算思维；4C人才

作者：陈鹏1.2；田阳2.3；刘文龙1（1.首都师范大学教育学院，北京100048；2.北京师范大学教育学部，北京 100875；3.江苏开放大学互联网教育智能技术研究院，江苏南京 210036）

一、引言

2018年12月3日，白宫和美国STEM教育委员会（The Committee on STEM Education， CoSTEM）联合发布了《制定成功路线：美国STEM教育战略》报告（Charting a Course for Success： America’s Strategy for STEM Education）（本文以下简称 《STEM教育战略》）[1]，提出了美国STEM教育2019-2023的五年战略计划，得到了社会各界的广泛关注。《STEM教育战略》除了在未来五年内指导联邦政府各机构的行动之外，还将帮助政策制定者、研究人员、教育者、行业领导者以及更广泛的公众，有效开展STEM教育实践，成为引航美国STEM共同体走向成功的“北极星”。因此，该战略计划又被称为“北极星计划”。

多年来，美国白宫一直把STEM教育作为实现国家安全[2]、人工智能[3]、网络安全[4]、量子信息科学[5]、先进制造业[6]等领域持续进步和领先的核心要素，先后制定并发布相关计划，提出拥有优质的STEM教育，是助力美国领航全球科技创新的动力和在国际竞争中保持优势地位的保障。因此，STEM教育受到了美国社会各界的广泛认可，得到了联邦教育部、国防部等近20个机构的支持，形成了全国一盘棋的联动机制和特有的STEM教育生态系统，为美国培养了大量的科技创新人才，成为助力美国科技创新持续领航世界的主要因素之一。

人类正面临着新一轮科技革命的挑战，未来经济与社会的发展，智能技术等将是这场科技革命的主角，从大数据、云计算、物联网到人工智能，从5G建设到量子通信，甚至未来的6G网络等，都亟需科技创新的原动力。未来竞争的核心是科技竞争，科技竞争归根结底是人才的竞争。当前，中美贸易争端使得两国在科技创新领域的竞争更加激烈。白宫在此时间节点推出了未来五年的STEM教育战略，意在强化美国在科技创新领域的人才培养质量，即通过领航全球STEM教育，保持其在科技创新领域的全球霸主地位。STEM教育无疑将会在这些领域扮演极其重要的角色，在大量培养与输出人才的同时，还会输出科技创新动力。

因此，面对全球科技创新发展所引发的人才培养竞争态势，为确保我国在新一轮科技革命中占据有利位置，我们必须加快科技创新人才培养生态系统的建设，进一步推动教育体制与机制改革，重视STEM教育的开展，以赢得全球科技创新人才培养的制高点。这也是我们关注、解读美国最新STEM教育战略计划的宗旨所在。

二、美国STEM教育的发展现状

STEM教育起源于美国，1986年发布的《本科的科学、数学和工程教育》（Undergraduate Science，Mathematics and Engineering Education）报告，就针对大学本科教育中存在的问题，提出了要重视科学、数学和工程教育，为国家的发展做好准备。此后，美国历届政府都非常重视STEM教育，并出台了一系列的政策和政府报告，推动STEM教育的发展，其中包括奥巴马政府的 《STEM教育五年战略计划》（2014—2018）（见表 1）。

美国联邦政府强调，应该让所有年龄、背景、社区和不同职业的美国人都能接受高质量的STEM教育，并加大对STEM教育的经费投入，支持建设涵盖适合所有年龄段和不同学习环境的STEM教育活动；企业、非营利组织和专业协会也开展了众多支持STEM教育的项目，整个STEM生态系统的组织机构都在努力改进STEM教育和培训。

根据美国国家科学委员会 （National Science Board，NSB）《2018 年科学与工程指标》（Science and Engineering Indicators 2018）[15]中数据表明：美国公民的STEM基础技能在过去20年中虽略有提高，但仍落后于许多国家；美国15岁青少年在数学技能方面的得分仍然低于国际平均水平，科学技能方面略高于国际平均水平。最近一项对即将进入大学的高中生的测试结果表明，只有20%的学生具备STEM专业所需的知识和能力基础[16]。

时间报告核心内容1 9 8 6 《本科的科学、数学和工程教育》[7]S T E M教育发展的开端，加大投资力度、加强宣传力度、加强各机构之间合作等1 9 9 6《塑造未来：透视科学、数学、工程和技术的 本科教育》[8]重点关注K-1 2阶段S T E M教师师资的培养2 0 0 6《美国竞争力计划》[9]培养S T E M素养人才，加大在科学技术领域的投资力度来提高美国的创新力及在全球范围内的竞争力2 0 0 7《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》增强S T E M教育在K-1 2和本科阶段的主导作用；提高教师的水平并增加相应的研究投入2 0 1 0“变革方程”教育计划[10]成立非盈利组织，使更多个人和慈善组织参与到S T E M教育中，立足商业和教育的结合点，致力于促进中小学S T E M课程的开展2 0 1 1《美国创新战略》加强S T E M教育，动员全国力量支持所有的美国学生发展高水平的S T E M知识和技能2 0 1 3《S T E M 教育五年战略计划》[11]合理有效地利用联邦投资，优先发展S T E M教育；五个S T E M教育优先投资领域和两个协调战略2 0 1 5《每一个学生都成功法（E S S A）》[12]鼓励地方投资和创新以促进S T E M教学和学习，确保学生和学校取得成功2 0 1 6提出S T E M教育六个愿景，以确保各年龄阶段以及各类型的学习者都能享有优质的S T E M学习体验，解决S T E M教育公平问题2 0 1 7《总统备忘录》[14]《S T E M 2 0 2 6：S T E M教育中的创新愿景》[13]每年至少投资2亿美元用于S T E M教育项目，提供高质量的S T E M和计算机科学及编程课程。

此外，美国科学和工程相关专业的大学毕业生仅占全球的10%，而整个国家对STEM相关专业毕业生的需求仍在持续增长[17]；STEM教育在性别、种族、地区仍存在着不平等或发展不均衡的现象，并不是所有美国人都有享受平等的STEM教育机会[18-20]。

因此，联邦政府以“所有美国公民都将终身受益于高质量的STEM教育”为愿景，联合多个部门和组织，制定了新的《STEM教育战略》，其计划通过与学习者、家庭、教育工作者、社区领袖和雇主的全国性合作，加强联邦政府对公平和多样性、基于证据的实践以及与国家STEM共同体合作的承诺。

三、美国STEM教育发展的战略目标

《STEM教育战略》基于美国联邦政府提出的“所有美国人都将终生接受高质量的STEM教育，美国将成为STEM文化、创新和就业领域的全球领导者”这一宏伟愿景，制定了未来五年的三大战略目标。

（一）为培养STEM素养夯实坚实的基础

该报告提出，具备STEM素养的公民，将更有能力应对快速的技术变革并能为参与社会建设做更好的准备。如果所有公民都能在STEM教育中受益，国家将会更加强大。即使对那些可能永远不会从事与STEM相关工作的人来说，理解STEM概念、适应和使用STEM相关技术，也已经成为公民融入现代社会的先决条件。

一个人是否具备STEM素养，往往取决于其是否能够获得高质量的、终生受益的STEM教育。STEM教育能够培养人们在任何领域、不同情境中思考和问题解决的技能，能够更好地帮助人们在个人健康和生活、娱乐、交通、网络安全、财务管理甚至是子女教育等方面，做出明智的选择。接受过STEM教育的人，将更有能力进行深思熟虑的分析和问题解决，从而应对快速的技术变革，并提出创新性的解决方案。因此，《STEM教育战略》强调，美国在未来五年要为培养公民的STEM素养夯实坚实的基础，以保障每个公民都能拥有掌握STEM概念的机会与能力。

可见，这一目标再次强化了STEM教育的地位和价值，其将成为所有美国公民参与的一项具有“义务教育”性质的教育内容。国家将通过各种手段保证公民享有公平的、可触及的STEM教育，促进其从一般的通识教育发展为全民素养教育，从而全面提升国民素质。

（二）增强STEM教育多样性、公平性和包容性

只有当社会所有成员都能公平地接受STEM教育，才能真正实现培养全民的STEM素养。大量的研究表明，在性别、种族、社会经济地位、区域、宗教等方面，具有多样性的企业与组织，对人才提供了更具包容性的环境，能够有利于职员发挥出更强的生产力和创造力，获得更优绩效[21]。目前，美国城市、郊区和农村在人力、物力和财力分配方面的差异，阻碍着“人人接受高质量的STEM学习”这一目标实现，从而导致黑人或非洲裔美国人、西班牙裔或拉美裔美国人、美国印第安人或阿拉斯加原住民在STEM领域从业的比例，远远低于他们在整个劳动力市场的比例[19]。西班牙裔、印第安人等少数族裔学生（亚裔除外），在获得STEM相关学位后，仅有30%能顺利进入STEM工作领域[22]。

同时，当前无论是在STEM教育群体还是STEM工作领域中，都存在显著的性别差异，女性获得STEM学士学位的比例低于男性，尤其是在工程学领域。在过去10年中，女性在STEM行业中的比例低于25%[23]，从事计算机和工程等职业的女性比例较其它领域明显偏低[15]。在STEM人才缺失的背景下，如何吸纳更多女性、更多族裔的人群进入STEM工作领域，成为各利益相关方的共同愿望。只有让当前在STEM领域参与较少的人群有机会更公平地接触STEM教育，将来才能出现更多、更具有创新性的成果[24]。

因此，《STEM教育战略》提出，无论区域、种族、性别、民族、社会经济地位、父母受教育程度、残疾状况、学习基础等如何，所有美国人都应该有机会接触高质量的STEM教育，掌握STEM的技能和方法。未来在STEM教育政策制定和实践时，必须要更丰富、更公平、更包容。

我们认为，这一项目标体现了社会公平的特征，有利于促进美国社会人人享有均等的STEM教育。即通过STEM教育促进贫困人口获得STEM教育就业机会，有利于缩小社会贫富差距，以及社会文化鸿沟，体现了教育的人本特征。

（三）为未来STEM就业做好准备

具备STEM知识和能力的多样化人才，对国家关键领域，如农业、能源、医疗、信息与通讯技术、制造、运输和防御，以及人工智能和量子信息科学等的创新至关重要。无论是接受高等教育的从业者，还是不需要高等教育背景的技术领域工作的从业者，国家都要为其创造更多的STEM学习机会。

2000年以来，美国在STEM领域授予的学位数量有所增加，但在计算机科学、数据科学、电气工程和软件开发等领域，仍然存在劳动力短缺的问题[18]。在一些受益于STEM培训但不需要大学学历的就业领域，同样也存在着相似的问题[17]。近年来，对高级职业人才的迫切需要，正促使政府在政策举措中，重视加强高等教育中数学和科学课程实施，以此作为提升STEM员工素质的手段。但现实情况表明，通过增加STEM学科数量与学科难度，来扩充STEM劳动者，似乎收效甚微[25]。众多研究结果证明，学生的STEM专业抉择是在基础教育阶段而非高等教育阶段发生的。因此，通过增强中小学生对STEM的兴趣与价值认同，来引导其未来STEM职业选择，逐渐成为研究者关注的焦点[25]。基于此，《STEM教育战略》指出，美国未来五年的另一大目标，是需要通过创造真实的学习经验，鼓励学习者未来从事STEM职业，并为其走向STEM岗位提供条件。

未来社会人类的生存注定离不开科学技术，每一个人都要懂得STEM专业领域的知识，这是时代发展的必然结果。正因为这样，政府通过鼓励全民进行STEM学习，促进人们参与STEM领域就业，有利于持续稳定地向科技创新领域输送优秀人才，以不断促进整个国家经济、社会等稳定持续发展。

四、未来五年STEM教育发展的四大路径

为了实现STEM教育的新愿景，达到未来五年的战略目标，需要多个利益相关者的参与和协作。《STEM教育战略》提出了实现目标的四大路径，其中每个路径，又都有具体的发展目标、跨领域的方法，以及政府为实现这些目标而优先采取的行动，具体如图1所示。

（一）发展和丰富战略伙伴关系

发展和丰富战略伙伴关系这一路径，强调了在教育机构、企业雇主及社区之间建立跨部门的联系，促进其交流，使得当前的市场需求与教育实践更好地结合起来；它将学校、博物馆、公共图书馆、企业和其他社区资源结合起来，建立STEM生态系统，丰富学习者的学习经验以及就业体验。同时，它还强调让学习者参与到企业提供的真实的、基于工作的学习体验中，探索将正式和非正式学习相结合，核心专业课程和应用实践类课程相融合的教学模式。

1.培育联结STEM共同体的生态系统

建立涵盖学校、家庭、社区学院、博物馆和科学中心、公共图书馆、企业、基金会和非营利性组织等其他社区资源的STEM生态系统，能够使学习者在课堂内外更好地开展STEM学习。STEM生态系统中专注于长期的、共享的、可持续的、灵活的STEM任务，与孤立的、独立的实体相比，这些任务能够更好地连接、整合和加强跨部门所提供的学习机会。生态系统中的合作伙伴，不受地理边界的约束，可以让个人和组织广泛地参与，并创建从本地扩展到全球的STEM社区。因此，《STEM教育战略》认为，建立健康的STEM生态系统需要实现：

（1）有利于建立更强大、更正式的STEM社区团体，培养具备企业所需技能的、多样化的劳动力队伍。社区团体为学习者提供更好地支持网络，让学习者终生都可以通过各种途径，接受STEM教育和培训，让更多的人或群体能够更容易接触到STEM的相关职业与内容。

（2）促进教育工作者和企业之间的合作关系，共同开发基于现实挑战的课程，从而激发更多学习者对STEM领域职业的兴趣，并为他们在未来的工作中取得成功做好准备。有效的STEM生态系统，要将STEM学习与职业无缝地结合在一起，并传递给广泛、多样的学习者群体。

（3）将STEM教育相关的人士聚集在一起，包括基础教育、高等教育和非正式教育相关工作者、企业领导者以及非盈利性组织人士等，从而促进形成更具包容性的STEM教育环境，帮助学习者将自己视为未来STEM实践者，并与导师一起体验在不同团队中如何应对各种挑战。

联邦政府将通过一系列的行动，来促进STEM生态系统的建立。以联邦政府主导带动州政府及社会，并号召社会全体力量（如社区、家长、企业、高校）共同推进STEM教育发展，构建多部门协同合作的STEM教育生态系统；为学校提供多元化支持，为教师专业发展、STEM课程开发、社区团体活动等，提供更多的机会；建立STEM教育相关在线资源平台，用于共享相关资助项目及活动；为STEM生态系统的建立、开发及活动提供更多的政府资助，支持校内外的各种相关研究等。比如：美国自然科学基金委员会（National Science Foudation， NSF）主导的高校教师与中小学教师合作项目、卡内基基金会（Carnegie Foundation）联合美国一百多个企业共同创建的“变革方程”（Change the Equation）STEM推进机构等。

2.强化教育机构与企业的合作关系，加强基于工作的学习和培训

基于工作的学习 （Work Based Learning，WBL）能够为学习者提供真实情境的任务，寻找解决问题的方法，从而让STEM学习更真实、更具有吸引力。《STEM教育战略》提出，通过学校与企业建立合作伙伴关系，加强基于工作的学习和培训，能够让学生更好地为未来就业做好准备。同时，企业通过与学校合作，能够获得来自不同领域的教育工作者和学习者的视角。研究表明，多样化的群体比同质的群体表现更好，尤其是在创造力和创新方面[26]；他们能够帮助企业形成新想法、创造新产品或解决棘手的问题等；企业也可以参与到学校前沿课程开发，将其领域所需的技能纳入到课程中，为学生提供更多的指导、实习和工作的机会。例如，美国国家海军研究实验室（Naval Research Laboratory，NRL）一直与高校合作，25年来为大量的本科生提供暑期实习机会，通过在项目过程中对国防相关领域学科的接触，学生能更好地对未来学习和就业进行理解和探索[27]。

未来五年，美国政府将采取一系列行动来促进基于工作的学习和培训。例如，通过资助项目，提供高质量、带薪实习和学徒制的机会，并确保指导教师具有丰富的经验；提供多样化的STEM职业，灵活的招聘制度等；政府将聘用更多的WBL项目师资和研究人员，为其提供保障，增加对其奖励和资助等。

3.加强师资培养，分享并融合成功的STEM教育实践经验

除了在校园内的正式学习之外，学习者还可以通过参观科学中心、博物馆、动物园、图书馆和其他社区的非正式教育资源，享受STEM非正式教育体验。《STEM教育战略》提出，要将正式的、非正式的学习结合起来，通过创新性、混合的教育机会和资源，能更好地培养学生的STEM技能。同时，将高质量的职业技术培训与大学课程结合起来，特别是将行业证书考核的内容嵌入到课程中，以有效地帮助学习者为未来就业做好准备。美国联邦劳动部（Department of Labor，DOL）与其他政府机构，通过支持STEM领域的学徒项目，帮助企业、教育工作者、学习者之间建立互利合作关系。例如，Shannon Brennan通过DOL的学徒计划[28]。

在未来五年内，联邦政府将优先考虑对STEM教育工作者的技能提升和专业发展的支持，包括职业技术教育、高校及中小学，以及各种在正式和非正式环境中开展STEM教育实践的群体。加强相关研究，将成功的学习实践融入到STEM正式学习与非正式学习中；通过线上、线下多种方式，分享成功的学习实践，并对教育工作者进行相关实践指导。

（二）在学科交叉领域吸引学生

《STEM教育战略》敦促教育工作者，要开发对学习者更具有意义和启发性的STEM课程或项目，如，基于项目的学习、科学展览、机器人俱乐部、发明挑战或游戏研讨会等。关注需要主动性、创造性的复杂现实问题和挑战，让学习者参与跨学科的活动来促进创新，使用跨学科的知识和方法来识别和解决问题。STEM教育强调文化融合，鼓励知识整合，为有趣而复杂的真实挑战提出创新性的解决方案。

1.推进创新创业教育

创新，通常依赖于在不同领域和部门之间产生的想法聚合。在竞争日益激烈的全球经济中，STEM教育强调聚合过程，促进发现问题和生成创造力。当前，在基础教育、高等教育和非正式学习环境中，通过创新创业竞赛，培养学习者创新思维和创新能力，提高其在未来经济中创造和竞争力。

为了帮助K-12教育工作者了解知识产权、商标及版权等在创新创业中的重要性和产生过程，美国专利和商标办公室创办了教师暑期学院，给教师提供持续时间较长、身临其境的跨学科专业学习。如，传授工程与机器人课程的道格·斯科特（Doug Scott）在接受培训之后，帮助学生在确定解决工程问题时，考虑如何保护和维护知识产权，并指导学生们获得了水下搜索与救援机器人运载工具专利[29]。

为了激励本科生团队专注于解决医疗领域的现实问题，美国国立卫生研究院与VentureWell合作，首次发起生物医学本科生的设计挑战竞赛。竞赛获奖团队开发了诊断结核病和阿尔茨海默病的新工具，以及帮助哮喘和慢性阻塞性肺疾病患者监测肺功能的智能手机工具等[30]。

在未来五年中，联邦政府将通过各种方式推进创新和创业教育，包括项目审批与管理、财政支持与协调，为教育工作者制定和实施专业发展计划，将创新和创业精神纳入课程；规范管理所资助的创新创业竞赛、活动的公民参与情况，通过实践来吸引更多样化的人群参与；支持教育工作者开展有效的活动，增加当前参与较少的群体，使创新创业教育更具包容性，并支持教育工作者对其知识产权的保护等。

2.加强数学教育

数学作为STEM领域中重要一环，是STEM教育成功的基础。将数学知识集成在跨学科的内容中，通过有意义的、真实情境来教授数学，注重逻辑思维、推理思维和批判性思维的训练，更有利于培养学生具备数学素养；要运用数学思维来解决日常生活中的问题，从而激发学生对科学、技术和工程的兴趣和热情，让学生更深入地学习STEM学科。

联邦政府相关部门和机构，为推进有意义的数学教育提供了一系列支持。例如，指导和支持在数学领域开展基金项目研究的学者，为教育实践提供信息；提供一些政府的官方数据，用于数学、统计及STEM课程教学，并给教师提供如何在课程中使用这些数据的建议；优先支持整合数学知识的有意义的、真实情境的STEM项目，并提倡STEM组织向教师与学生分享数学教育实践的知识、内容与经验。

美国气象学会 （The American Meteorological Society，AMS）通过和美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）合作，开设教师专业发展课程，帮助全国各地的教育工作者和学生了解天气数据的收集与分析、天气预报的原理等。迄今为止，超过2.1万名教师参加了这个课程。课后一些教师认为，“当学生接触到相关数据、新闻和图像时，他们会更感兴趣，从而能让他们的数学和科学技能得到显著提高”[31，32]。

3.鼓励跨学科学习

真实情境中的问题，通常需要运用跨多个学科的知识来解决。STEM领域跨学科的特点，以及与人文、艺术等其他领域的交叉融合，让其具有内在的吸引力和趣味性，将学习者吸引到真正的挑战中来。未来五年，联邦政府将加大力度支持有效的跨学科STEM教育实践与项目，以及相关政策的研究、制定和推广；通过实习、奖学金和其他培训的方式及机会，加强对学生在STEM领域研究跨学科问题的支持；加强STEM教师的专业发展，尤其是针对跨学科教学方法的培训与提高。

美国国家航空航天局（The National Aeronautics and Space Administration，NASA）国家航天学院拨款的研究项目，近30年来把全美50个州和2个地区内的学术界、工业界、地方政府、博物馆和非营利组织汇集在一起，成立了850多家合作机构。通过学生奖励制度和对高等教育项目的支持，鼓励开展跨学科的实践活动，吸引大量学生参与STEM职业，以培养下一代航空航天人员[33]。

（三）培养公民的计算素养

信息技术彻底改变了当今社会，信息素养赋予人们寻找信息、解决问题及分享的能力，其不仅仅是有效地使用信息技术设备，更广泛地说，它意味着用数据和技术解决复杂问题。计算机科学教育是STEM教育中一个特别需要强化的领域，《STEM教育战略》专门提出培养计算思维的三个子目标：

1.加强信息素养培养和网络安全教育

信息素养是一种能力，能够确定、查找、评估、组织和有效地生产、使用和交流信息，并解决面临的问题[34]。它赋予人们发现和识别有效信息、利用数据回答问题、分享想法和促进合作。网络安全则是信息素养的重要组成部分，涉及使用包括加密货币等新型信息技术的道德和责任心，它强调人们在使用信息技术时，要尊重数据保护及个人隐私的核心伦理和人类价值观。

强大的信息素养和网络安全技能是各级STEM教育不可缺少的部分，其有助于培养学习者的STEM素养，并成为未来员工的必备素质。联邦政府在促进全民数字素养和网络安全教育方面发挥着关键作用，要推进联邦政府与其他部门、机构之间的合作，在各级推广数字流畅性和网络安全实践，开展并支持网络安全人文层面的基础性和应用性研究。

未来STEM领域从业者，需要进行有关数据使用的数字伦理和隐私方面的培训。例如，作为北极星计划的一部分，联邦卫生部呼吁加强数据科学计算、安全教育、技术道德的培训[35]。当前在医学研究领域，从电子健康记录、可穿戴设备到医学图像、DNA序列等，产生了大量而复杂的数据集，美国政府将加大资助对研究人员开展数据管理、使用和保护的相关培训[36]。联邦贸易委员会（Federal Trade Commission）支持由第一夫人发起的 “做最好的自己”（Be Best）活动，为家长、监护人提供针对成年人与孩子们网络安全和道德进行深入交流的指南[37]。

2.推进计算思维融入所有学科

计算思维是 “一种运用计算机科学基本概念求解问题、设计系统和理解人类行为的方式”，其不仅仅属于计算机科学家，而是每个人的基本技能[38]。虽然计算思维的概念是在计算机科学中发展起来的，但它越来越被视为一套具有广泛价值的思维技能，可以帮助人们解决问题、设计系统和理解人类行为。在技术日益进步和复杂的全球经济中，需推动计算思维融入到其他学科中，成为所有教育的必要组成部分，让每一个学习者都能像计算机科学家一样思考，具备评估信息、分析问题，并通过适当使用数据和逻辑找到解决方案的能力。

《STEM教育战略》提出，美国联邦政府的教育政策和计划，将持续鼓励在所有学科和活动中融入计算思维，为儿童提供在正式与非正式学习环境中培养计算思维的机会；强调计算思维是教育的基础，支持教育机构优先考虑计算思维教育的课程设计，开发课程材料和开展教育实践；加强教师的专业发展，培养教师的计算思维。比如，美国西北大学（Northwestern University）研究团队在 NSF的资助下，多年来一直致力于开发将计算思维技能融入高中数学和科学课程的教学模块和课程中。该团队不仅在STEM课程中培养计算思维，还在假期开展专业发展研讨会，进行教师培训；提出如何将计算思维纳入K-12课程的分类，开展课程开发和教学实践，旨在探索将计算思维整合到高中STEM课程中的方法与途径[39]。

3.扩大数字化教与学平台应用

在线开放课程、远程学习技术、移动学习应用程序及其他数字化学习平台，为当前的学习者提供了更多的学习机会。数字化学习平台在支持STEM教育的多样性和包容性中，具有重要的作用。为了确保所有学习者都能获得高质量、前沿的STEM学习内容与资源，政府将互联网宽带接入并扩大到所需要的社区，帮助建立和扩大在线认证和再培训平台；将继续支持教与学数字化平台的研发与建设，鼓励教育者学习有效使用数字工具，开展课程创新；优先支持远程教育的实践和学习模式。

例如，偏远农村地区学习者接受STEM教育的机会有限，联邦农业部通过对俄克拉荷马州雷德兰兹社区学院（Redlands Community College）拨款，支持该学院与俄克拉荷马州中西部农村学区合作，使用信息技术开展STEM远程教育。如今，雷德兰兹的远程教育项目为29个地点提供现场教学，其中包括19所部落学校和3所高中[40]。

（四）建立透明和问责的管理制度

除上述三个路径，《STEM教育战略》还提出联邦政府及机构将秉承透明、问责制来开展工作。在STEM项目、投资和活动中开展基于证据的实践和决策，分享STEM教育过程和经验；报告当前参与人数不足群体的参与率，使用通用的度量标准来进行评价；公开项目成果，制定项目实施计划并跟踪进展等。通过多个机构部门之间的共同努力，形成透明、问责所需的基础设施和配套方案，从而使联邦政府的STEM教育政策和投资更有效服务公众，真正实现利益最大化。

1.开展STEM领域基于证据的研究及实践

联邦政府将支持STEM领域开展基于证据的项目及实践，从STEM教育中早期的知识生成研究、设计开发项目到实践及评估、发现规律并总结经验。探索有效学习发生的条件和情境，对过程进行详细记录，采用能够改进STEM学习的项目、实践和政策，促进STEM教育更具有多样化和包容性；在证据基础上，利用现有的机构资源和资助机制，不断扩大并更广泛地实施优质项目及实践。例如，联邦政府的教育创新和研究计划，优先资助有强大、严格证据基础的项目[41]。国家科学基金会的教育研究和发展工作也将采用分层结构，根据研究目的和研究项目类型的证据水平，资助不同规模的项目[42]。

2.跟踪不同群体接受STEM教育的参与率

为了实现 “所有美国人都将终生接受高质量的STEM教育”这一愿景，确保人人能够接受STEM教育。联邦政府要求STEM教育项目定期报告不同性别、族裔等群体的参与情况，为各机构评估其在促进多样性和包容性方面的有效性提供证据。相关部门和机构通过建立共同的标准和清晰的机制，报告在政府资助和支持的项目及活动中，不同群体的参与率，尤其是需要上报当前参与人数较少群体的情况；对于长期支持的奖学金项目，需要建立水平基线，并设定改进的目标等；科学制定相关的政策，规定报告年限，改善跟踪和报告的途径等。例如，“美国军队教育推广计划”（The Army Educational Outreach Program，AEOP）在其投资的项目中运用工具捕捉学生的自我报告，并由AEOP评估团队的分析，来确定学生实际参与的百分比。通过数据分析，AEOP得出在其高中和本科学徒制项目的全部参与者中，有38%来自2017年参与较少（政府服务不足）的人群[43]。

3.制定通用标准规范管理项目进展

为了实现STEM教育中的跨部门协调和问责制，并符合国家立法要求，制定和实施共同的度量标准和措施，以跟踪实现本计划中所列出目标的进展情况，是必不可少的。在具有类似目标的项目之间共享绩效数据，可以帮助确定STEM教育的工作原理、对象和背景，还可以促进关于实践的交流，提高STEM教育的有效性。同时，使用通用的标准和数据源，能够使所有领域的涉众在更广泛的背景下评估项目绩效，这有利于对STEM教育项目进行有效、严格和综合的评估。《STEM教育战略》提出，未来五年联邦政府各机构将综合考虑政府计划、投资和活动的多样性和灵活性，共同制定指标，以跟踪项目的进展情况。联邦政府将持续使用一定的指标来评估STEM教育项目、投资及活动的有效性，并为实现本战略计划中提出的目标，制定所需要的额外指标。

4.公开STEM项目绩效和成果

联邦政府各机构之间进行绩效成果分享，支持资源的有效利用和决策协调，通过将项目、投资和活动的绩效及成果公诸于众，以更好地确定协同和互补的领域，为之后的政策制定和资助方向提供证据。在执行五年战略计划的整个过程中，联邦政府及相关部门机构，将进一步强调机构之间的绩效公开、经验分享。国家科学技术委员会STEM教育委员会（CoSTEM）的STEM联邦协调教育小组（FC-STEM）及其跨部门工作组，将为各机构分享实践成果和经验教训提供机会。例如，FC-STEM将探讨开发一个可公开访问的绩效数据库，通过政府收集、组织和报告项目情况，提高公众对政府项目成果的认识，并促进高质量绩效评估和评估方法的使用，从而在STEM教育中实现基于证据的研究及科学决策。

5.制定联邦实施计划并跟踪进展

在FC-STEM小组委员会的指导下，从事STEM教育的联邦机构，将合作制定综合实施计划，提交给CoSTEM和“科学和技术政策办公室”（OSTP）。该综合实施计划，为实现《STEM教育战略》中提出的目标而采取行动，包括：联邦机构近期和长期将采取的行动；机构收集和报告女性、少数群体、农村地区人员参与STEM项目和活动人数比例的情况；当前可用的基线数据的描述，用以评估目标实现的进展情况；跨机构收集通用标准的建议；跟踪实施计划执行情况的方案；向州、地方政府以及STEM教育从业者（包括学校教师和管理人员），传播联邦政府为STEM教育提供的可用资源信息及方案等。

五、对我国STEM教育战略发展与实施的启示

通过上述对美国STEM教育发展现状分析以及“北极星计划”的解析，我们可以清晰地了解到，STEM教育已经成为全球教育发展的制高点，一些发达国家纷纷将其上升到国家战略。即STEM教育事关国家安全与未来发展，STEM教育将为国民经济发展和社会安全等各领域，源源不断地提供优秀的科技创新人才，助力其在国际竞争中脱颖而出。

2015年，我国教育部发布《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见 （征求意见稿）》，明确提出要“探索STEM教育、创客教育等新教育模式”，STEM教育在国家政策层面得到了重视，一些地区正在积极开展STEM教育的实践推广工作。但是，我国仍没有支持STEM教育全方位发展的专门政策和行动计划，尤其缺乏顶层设计，以及相应保障和激励机制；同时，面临着各地跨学科师资缺乏与社会力量整合不足等严峻问题[44，45]。

此次，美国联邦政府推出的北极星计划——《制定成功路线：美国STEM教育战略》，已经“先行一步”，联动多个部门和组织机构，针对美国国情所提出的对未来五年STEM教育发展的目标和路径，对政策制定者、研究人员、教育者、行业领导者，具有明确的指向作用。美国教育部、商业部、国防部等10多个部门和组织机构，已经开始在开展STEM教育项目、投入和活动方面进行落实（如表 2所示），还计划增加预算，协调其他资源。旨在通过具体行动与措施，切实保障相应的STEM教育目标得以实施。

我们认为，对美国北极星计划提出的目标、任务、机制及举措等，必须充分重视与研究。STEM教育作为全球公认的科技创新人才培养的有效模式，对我国进行科技创新人才培养与未来竞争，具有重要的战略意义。所谓“得人才者得天下”，我们必须进一步在中小学生的素质培养、高考改革、高等教育质量这三个高地，加快STEM教育生态体系建设，尽快推动我国STEM人才培养向高精尖方向迈进。

（一）构建符合中国特色的STEM教育生态体系

当前，社会解决问题所需的知识和能力越来越趋向综合、复杂，需要人们具备高度应用跨学科知识和能力，来解决这些复杂问题[46，47]。STEM教育作为培养多学科交叉创新人才的有效方法，是培养优秀科技创新人才的有效途径。美国已形成技术、人才、社区、家庭、企业协同建设的生态系统，而我国尚处于技术媒体、工具应用水平阶段，生态系统建设缺位。根据美国STEM教育策略和经验，亟需联动政府、社区、企业与学校，构建符合中国国情的STEM教育生态体系，以加快我国持续培养各种创新人才。

我国正进行各层级的教育改革，高考改革是众多改革中的重要一环。我们认为，推动STEM教育生态体系建设，需要形成评价闭环，让STEM教育成为选拔优秀人才的有效途径之一，并与高考改革联动，以优化人才选拔机制，促进优秀的科技创新人才脱颖而出。即我国STEM生态体系建设，应从人才选拔的角度进行构建，高考作为我国人才选拔的一种有效机制，虽然各大高校都在自主招生方面做足了功夫，并取得了一定成效，但并不能化解应试教育与高考指挥棒的作用。为了促进我国STEM教育的良性发展，我们初步构建了一个生态体系（见图2）。

首先，在顶层设计上要将STEM教育纳入人才选拔的机制中，让学生基于STEM学习而进入学历上升通道；其次，联动政府、学校、科研机构、企业、社会各界等，将其纳入STEM教育生态，形成有机关联，从政策、资源、环境、师资、资金等各方面提供支持，促进STEM教育生态体系的正向构建和保证其良好的运转；同时，打通与衔接学校教育及其它非正式教育，整合学科间及校内外资源，建设STEM教育实践社区，打造一体化STEM教育生态体系。

（二）成立国家STEM教育委员会

美国联邦政府对STEM教育的重视程度和其严谨的规划，促进了STEM教育的迅猛发展，并取得了明显的成效。这主要与美国国家科学技术委员会下专设的STEM教育委员会（CoSTEM）有很大关系。近年来，美国连续发布多项关于发展STEM教育的指导性文件，大多由该委员会牵头，并联合联邦国防部、能源部、农业部、教育部等多部门和各州政府进行协调、推动，在资金保障、社会参与、项目设计等方面给予STEM教育大力支持，并定期发布相关STEM教育研究和分析报告。

我国作为世界范围内的教育大国，STEM教育在整个教育体系中的战略地位需要进一步明确定位。目前，我国的STEM教育都是由各省、市、校自行推动或开展，虽然相关学术机构也开展了一些探索性研究，但总体上缺乏高级别的政府机构来进行统一规划及推动，这对形成全国性STEM教育发展不利。因此，亟需结合我国国情和发展现状，成立中国特色的STEM教育委员会。这一委员会可以设置在教育部，也可以跨部门联合，以切实加强STEM教育的顶层设计和政策制定，明确我国STEM教育的未来发展愿景，推动STEM教育健康、有序发展。

（三）鼓励跨学科交叉融合，培养创新性4C人才

美国STEM教育注重人才的跨学科融合，鼓励学生进行跨学科交叉学习，培养学生使用跨学科的知识和方法来识别和解决各种问题。通过跨学科的活动促进创新，通过计算思维与批判性思维整合，不断促进学生把在进行STEM教育过程中涌现出的创新设计和想法，转化为创造力。

我们认为，推动我国STEM教育发展，理应借鉴美国相关战略或方案，汲取其优秀经验和方法，服务于我国STEM教育。21世纪核心素养提到了人才应具备学习和革新技能，强调人才应具备“4C能力”，即批判性思维和问题解决能力 （Critical Thinking）、沟通交流能力（Communication）、合作能力（Collaboration）、创造与革新能力 （Creativity and Innovation）。STEM教育正符合4C人才的培养目标。所以，通过推进STEM教育，以培养学习者更广阔的视野与思维；鼓励跨越学科边界的知识融合和应用，解决真实世界中富有挑战性的问题，使学习者获得多学科解决问题的教育经验。总之，通过跨学科交叉融合，能大量培养创新型4C人才，以服务于我国创新型国家建设，以及应对未来科技创新与发展。

（四）以STEM培育跨界思维和促进知识融通

STEM教育的核心价值在于通过跨学科的方式培养创新人才，不断促进学生形成跨界思维与能力。在STEM教育领域，科学知识的应用不再局限于某一学科或领域，而是多学科、多领域的交叉应用，这对学习者的知识掌握、融合、应用等提出了较高的要求，需要学习者具备多学科、多领域、多层次知识的交叉、融合应用，随机应变地解决相关问题。

目前，我国各级各类教育还严重依赖于分科分类路径，社会各界对我国学科的认识基本还处于文科、理科、工科与医科层面，包括高考。在相关课程设置上，不注重学科之间的交叉融合，往往强调单一学科的性质，甚至高校的专业设置也以单一学科背景为主，使得人才培养的综合效益低下。这一传统专业设置理念需要打破，随着人工智能、大数据、云计算、物联网、机器人、量子通信等高科技领域的发展，我们的教育必须要有全新的理念来培养创新人才。因此，我国应该充分借鉴STEM理念，以STEM教育为契机，促进学生的跨界思维与能力发展，打破现有学校教育中各学科相对封闭的局面，促进学科交叉与整合，以实现知识的跨界应用、融通与创新。

（五）强化STEM教育中的计算思维等培养

我们认为，计算思维（包括设计思维、编程教育等）不能仅仅被限制于信息技术课程，未来需要尝试在所有学科和活动中融入计算思维，在正式与非正式学习环境中为所有符合年龄段的学生，提供培养计算思维能力的途径与机会。计算思维包含抽象、分解、概括、算法思维、评估等内涵要素，STEM教育实践活动需要计算思维能力等支撑；学生只有具备基本的计算思维能力，才能更好地在STEM教育活动中完成相应的学习任务。计算思维的培养应该与多学科的知识进行有机融合，培养学生运用计算思维解决问题的能力；结合STEM教育跨学科、情境化的特征，有目的地创设情境，通过项目实践活动，鼓励探索与创新，以提高学生信息素养和解决实践应用类问题的能力；要突破传统的思维定势，全面融通相关知识，注重培养学生的动手实践能力。

当下，我国教育信息化进入2.0时代，信息技术与教学呈现融合发展的态势，这对提升STEM教育质量，助力STEM教育良性发展起到了积极的促进作用。要进一步通过聚合先进的信息技术到相关的学科教学当中，激发学生的学习热情和兴趣，让他们在学习过程中感知技术的逻辑和内在运行规律，促进学生对STEM学习的积极性；在线开放课程、远程学习平台、移动与泛在学习、VR/AR技术应用等，要让更多的学习者接受STEM教育，这些都将有利于STEM教育的推广和跨学科教学实践。

（六）建立有效的STEM教育监管和评价机制

美国提出的联邦政府及机构将秉承透明、问责制开展工作，通过一系列监管制度和评价机制，推动STEM教育有序进行，确保STEM教育的发展质量，这一套工作机制也值得我们充分借鉴。目前，STEM教育在我国尚处于发展阶段，还没有形成与之相适应的监管与评价机制。虽然各级各类学校开展了STEM教育，但都建立在相关学科独立评价的基础上，没有形成专门的STEM教育评价机制。这对推广和发展STEM教育带来一些困难和缺少证据性支持，很难判断我国STEM教育能否对国民经济发展，或者能在多大程度上起到促进作用。

因此，我们需要借鉴美国等国际STEM教育发展经验，并结合我国实际，与中小学、有关高校及社会机构等联合，制定符合我国未来创新人才发展需要的监管制度和评价机制：一是利用政府、社会、学校和企业等各团体的优势和作用，促进政府制定政策以引导STEM教育发展，由社会和企业积极参与相关教学活动，并聘请第三方机构对STEM教育项目进行跟踪和评估，切实起到监理的作用；二是在STEM项目、投资和活动中，开展基于证据的实践和决策，分享STEM教育过程和经验，跟踪不同群体的STEM教育参与率情况，采用数据量化管理模式，将STEM教育过程可视化，便于跟踪和干预，促进STEM教育健康发展；三是制定通用标准，管理STEM项目的进展，构建国家、省、市、县（区）四级STEM教育监管与评价机构，定期进行考察和评价，向社会发布STEM教育基本概况和动态，进行绩效考核；同时，鼓励社会各界参与STEM教育的监管和评价。

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Chen Peng1，2， Tian Yang2，3&Liu Wenlong1（1.Department of Educational Technology， Capital Normal University， Beijing 100048；2.Faculty of Education， Beijing Normal University，Beijing 100875；3.Institute of Intelligent Technology for Internet Education， Jiangsu Open University， Nanjing Jiangsu 210036）

Abstract：With the rapid change and development of global economy， science and technology， geopolitics and so on，science and technology innovation has become one of the important factors leading the change of world pattern，and innovation has become one of the core competitiveness of all countries in the world.The United States has been committed to maintaining its dominance of global scientific and technological innovation，has issued a number of STEM education-related policies， is intended to strengthen the field of science and technology innovation personnel training，to maintain the United States in the global field of science and technology innovation in the core position.In December 2018，the White House and the National STEM Education Commission （CoSTEM） jointly released the Charting a Course for Success：America’s Strategy for STEM.With the vision of all U.S.citizens will benefit from quality STEM education for lifelong，the report proposes three strategic goals for the development of STEM education in the United States over the next five years， from developing and enriching strategic partnerships， interdisciplinary integration， advancing information literacy and computational thinking education， establishing a transparent and accountable management mechanism four paths to guide policy makers， researchers， educators， industry leaders， etc.， to carry out STEM education practice.By analyzing the report，the corresponding suggestions are put forward according to the present situation and development demand of STEM education in China：building a STEM education ecosystem according with Chinese characteristics;establishing national STEM education commission； encouraging interdisciplinary integration and cultivating all-round 4C talents； fostering cross-boundary thinking and promoting the integration of knowledge application through STEM education；strengthening computer science education,fostering computationalthinking;establishing a STEM education supervision and evaluation mechanism.

Keywords：STEM； Science and Technology Innovation； Science Education； Talents Strategy； North Star； Computational Think；4C Talents

基金项目：本文系国家自然科学基金应急管理项目“计算机科学教育发展战略研究”（项目编号：L1724045）；江苏开放大学/江苏城市职业学院“十三五”科研规划课题“混合学习的社会交互研究”（项目编号：16SSW-Q-012）的阶段性研究成果。

作者简介：

陈鹏，首都师范大学教育学院教师，北京师范大学教育学部在读博士研究生，研究方向：计算思维与设计思维，STEM与创客教育；

田阳，北京师范大学教育学部在读博士研究生，江苏开放大学互联网教育智能技术研究院助理研究员，研究方向：混合学习、学习与社交、在线学习交互；

刘文龙，首都师范大学教育学院实验师，研究方向：移动学习、STEM与创客教育。

来源：远程教育杂志,2019,37(02):3-14.

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