王 科，李業(yè)平，肖 煜

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STEM教育研究發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢：解讀美國STEM教育研究項目

王 科，李業(yè)平，肖 煜

（德克薩斯農(nóng)工大學(xué) 教學(xué)與文化系，德克薩斯州 77843，美國）

美國是STEM教育研究的領(lǐng)跑者，探究美國STEM教育研究發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢，可為中國STEM教育研究與實踐提供參考．采用內(nèi)容分析法對美國STEM教育研究項目進行編碼，探究這些研究項目的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢．研究發(fā)現(xiàn)，STEM教育研究項目的資助金額高、年限短，聚焦開發(fā)創(chuàng)新類的項目，多元化地資助STEM教育研究，特別重視以信息技術(shù)為媒介開展融入STEM教育研究．整體上來說，項目數(shù)量、資助金額以及合作項目都呈現(xiàn)遞增趨勢．研究啟示：中國可結(jié)合當(dāng)前教育現(xiàn)狀更有效地采用多元化、合作化、信息化地推進STEM教育研究．

美國STEM教育；STEM研究項目；特征與趨勢

1 引言

21世紀(jì)科技的競爭是STEM人才的競爭；人才的培養(yǎng)與教育是推動國家發(fā)展的內(nèi)動力，為國家發(fā)展提供充足的人才保障．因此，STEM人才的教育也隨之成為了世界性的熱點話題．世界各國在快速發(fā)展的同時，也在大力推動STEM教育的發(fā)展．中國作為全球經(jīng)濟增長最快的國家之一，也非常重視STEM教育．中國正在積極地加強STEM教育．2016年教育部頒布了《教育信息化“十三五”規(guī)劃》，并明確提出有條件的地區(qū)要積極探索信息技術(shù)在跨學(xué)科學(xué)習(xí)（STEAM教育）中的應(yīng)用（教育部[1]，2016）．2017年，中國教育科學(xué)研究院發(fā)布了“中國STEM教育白皮書”，并在書中提到，STEM教育已經(jīng)被納入國家戰(zhàn)略發(fā)展政策．2017版的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》倡導(dǎo)跨學(xué)科學(xué)習(xí)方式，建議教師在教學(xué)實踐中嘗試STEM教育．然而，中國STEM教育面臨著六大問題與挑戰(zhàn)，其中之一就是缺少國家級項目的示范引領(lǐng)，包括課程開發(fā)、教師培訓(xùn)、評估標(biāo)準(zhǔn)等方面（白皮書[2]，2017）．國家級STEM教育研究項目可以為STEM教育研究者的研究方向提供重要的參考作用，可以幫助他們了解STEM教育研究的前沿．因此文章將聚焦分析美國的有關(guān)STEM教育研究項目的特征，為中國STEM教育研究者提供第一手資料，了解美國STEM教育研究的發(fā)展，并為規(guī)劃申請研究項目，進行STEM教育實踐提供參考．

該研究通過分析受美國聯(lián)邦教育科學(xué)研究院（Institute of Education Sciences，簡稱IES）資助的有關(guān)STEM教育研究的項目特征與趨勢，即分析這些受資助項目的基本信息、研究對象、研究內(nèi)容、研究設(shè)計以及研究方法等方面，總結(jié)研究特征趨勢，分析研究方向．具體來說有以下兩個研究問題：（1）受資助的STEM教育研究項目的項目特征是什么？（2）受資助的STEM教育研究項目的特征趨勢是什么？

2 研究背景

美國作為頭號經(jīng)濟與科技大國，尤為重視人才的培養(yǎng)與建設(shè)．在21世紀(jì)之初，美國國家科學(xué)基金會正式將科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)教育更名為STEM教育，美國是最早提出STEM教育的國家，并一直致力于推進STEM教育研究與發(fā)展（Li[3–4]，2014、2018），為美國持續(xù)引領(lǐng)世界科技的發(fā)展而努力．

2007年，美國國家科學(xué)院的“風(fēng)暴愈演愈烈”（Rising Above the Gathering Storm）的報告中論述到，美國的經(jīng)濟、軍事和文化的優(yōu)勢依賴于持續(xù)的科學(xué)和技術(shù)工程的領(lǐng)先．美國迫切需要采取一個行動來維持這些優(yōu)勢．其中最重要的行動建議是通過大幅提升中小學(xué)科學(xué)和數(shù)學(xué)教育質(zhì)量來填充美國人才庫（Committee on Prospering in the Global Economy of the 21st Century[5]，2007）．在過去的十多年以來，美國一如既往地推進STEM教育．前美國總統(tǒng)喬治·沃克·布什、奧巴馬以及現(xiàn)任總統(tǒng)特朗普都在強調(diào)STEM教育對美國發(fā)展的重要性，并通過不同方式來促進STEM教育研究的發(fā)展．美國國家研究委員會（The National Research Council，簡稱NRC）發(fā)布公告稱（NRC[6–7]，2011、2012），未來STEM人才需求強勁，然而STEM專業(yè)人才的供給嚴(yán)重不足，為此，美國需要大力推進STEM教育研究與發(fā)展．2018年12月，美國白宮國家科學(xué)與技術(shù)委員會（National Science & Technology Council）下屬的STEM教育委員會（Committee on STEM Education）出了一份報告，“制定成功之路：美國STEM教育戰(zhàn)略”，報告中指出，美國今天的經(jīng)濟繁榮和國家安全更加依賴于持續(xù)的科技創(chuàng)新能力．美國國家創(chuàng)新的根基比以往任何時候都更加依賴于STEM教育．跨部門合作的共同目標(biāo)之一就是打造一個STEM生態(tài)系統(tǒng)，為所有美國人提供一個終身的、高質(zhì)量的STEM教育服務(wù)．每一個通過這個教育系統(tǒng)的人都可以獲得基本的STEM素養(yǎng)，從而為美國繼續(xù)以先進科技引領(lǐng)世界發(fā)展提供一支多樣化的勞動力大軍（Committee on STEM Education[8]，2018）．此外，美國正在切實落實政策的實施．例如特朗普總統(tǒng)曾于2017年6月簽署了一份總統(tǒng)備忘錄，指示教育部將STEM和計算機科學(xué)教育作為重中之重，并計劃為其每年至少投入2億美元的撥款（White House[9]，2017）．2018年，美國教育部實際上為STEM教育項目撥款2.79億美元（White House[10]，2018）．

美國聯(lián)邦教育科學(xué)研究院（IES）創(chuàng)立于2002年，是美國教育部的一個主要的統(tǒng)計、研究和評估部門．該院主要開展以下6項工作：（1）提供美國如何教育學(xué)生的數(shù)據(jù)；（2）調(diào)查和資助研究項目，從而改進和提高教育；（3）資助開發(fā)與測試提高全體學(xué)生教育成績的新方法；（4）大規(guī)模評估聯(lián)邦教育計劃和政策；（5）為增加在教育決策中使用數(shù)據(jù)和研究而提供資源；（6）支持通過專門培訓(xùn)和制定方法和措施促進統(tǒng)計和研究（IES[11]，2019）．研究者通過美國聯(lián)邦教育科學(xué)研究院的官方網(wǎng)站查看并搜索與STEM相關(guān)的研究項目．網(wǎng)站上通常會給出一些項目的基本信息：如年份、資助金額、受資助單位、項目負責(zé)人、資助年限、項目類型和項目簡介等．具體的項目介紹參見附錄2．這里將根據(jù)項目信息建立編碼框架，再對項目進行編碼和分析統(tǒng)計，最后回答研究問題．

3 研究方法

3.1 樣本篩選

該研究所選擇的有關(guān)STEM教育的研究項目均受美國教育科學(xué)研究院資助，并且這里給出了STEM教育研究項目的判斷標(biāo)準(zhǔn)，即符合下面任何一個條件即可：（1）項目的標(biāo)題中含有“STEM”；（2）項目的說明中含有“STEM”．具體篩選過程如下：首先研究者打開美國聯(lián)邦教育科學(xué)研究院的官方網(wǎng)頁并進入“資助機會—搜索已資助的研究撥款與合同”頁面（Funding Opportunity-Search Funded Research Grants and Contracts）．接下來，在搜索關(guān)鍵詞欄目中輸入“STEM”，同時選擇了“題目”（title）以及“簡介”（description）．在附加搜索選項中選擇“撥款”（grants）和“合同”（contracts），其它選擇項都是“搜索全部”（search all）．搜索發(fā)現(xiàn)79個受資助的項目．由于搜索關(guān)鍵詞是“STEM”，因此搜索結(jié)果中會包括一些不是STEM教育的項目，如資助項目的題目中含有單詞“system”，也包含了“STEM”，因此這些項目需要剔除．此外，有的項目在介紹的最后包含了一些發(fā)表的文章參考文獻，如附錄1中的“CROMLEY J G, PEREZ T, KAPLAN A. Undergraduate STEM achievement and retention cognitive, motivational, and institutional factors and solutions. Policy Insights from the Behavioral and Brain Sciences, 2016, 3 (1): 4–11.”但是，項目標(biāo)題和簡介中并沒有“STEM”，像這樣的項目也需要剔除．經(jīng)過這樣的篩選過程后，研究者最終找到46個由項目研究者自己標(biāo)定的STEM教育研究項目（從2007—2018年），作為文章的研究對象．

3.2 編碼框架

根據(jù)研究的問題，在王科、Kuo Li-Jen、Li Ye-ping和Davis Trina[12]（2017）的編碼框架的基礎(chǔ)上修改而成．新的框架包括項目的基本信息（見表1）、研究對象、研究內(nèi)容、研究設(shè)計以及研究方法5個維度．新的編碼框架仍然包含5個維度：（1）項目的基本信息；（2）研究對象；（3）研究內(nèi)容；（4）研究設(shè)計；（5）研究方法．首先，項目的基本信息來自于項目簡介中給出的基本信息，包括標(biāo)題、負責(zé)人、機構(gòu)、資助額以及資助年限等．其次，新的框架中包括了4類研究對象：學(xué)前班到小學(xué)、初中、高中以及成年人．再次，對于研究內(nèi)容的分類，根據(jù)STEM融入的情況將其分為5類：STEM中的一科、兩科、三科、四科，以及STEM和另外其它科目．此外，研究設(shè)計類型包括4大類：實驗研究（有實驗組和控制組的研究）、縱向研究、相關(guān)性研究以及干預(yù)性研究（使用新材料、新方法的教學(xué)研究，且無控制組的研究）．研究方法則主要包括數(shù)據(jù)類型與數(shù)據(jù)分析方法．?dāng)?shù)據(jù)類型包括質(zhì)性數(shù)據(jù)（訪談和觀察）和量化數(shù)據(jù)（問卷、開發(fā)的測評以及標(biāo)準(zhǔn)化測評工具）．?dāng)?shù)據(jù)分析包含各種分析策略，如描述性統(tǒng)計、方差分析（ANOVA）、多層線性模型分析（HLM）、邏輯回歸分析（logistic regression）以及結(jié)構(gòu)項目反應(yīng)理論模型（IRT）等，具體的編碼框架見表1．

對于研究問題的解答，首先，對所篩選的STEM教育研究項目按照所建立的新框架進行編碼，并分析編碼總結(jié)出STEM教育研究項目在這5個維度的特征來解決第一個研究問題；其次，通過分析這5個維度在年度水平上的分布來分析項目發(fā)展趨勢，從而回答文章的第二個問題．

3.3 編碼說明

首先，根據(jù)項目簡介直接錄入項目的基本信息．其次，根據(jù)項目簡介中的樣本信息，對研究對象進行編碼．同樣，對于研究內(nèi)容的編碼，可查看標(biāo)題和項目研究的摘要，從而可以判斷出此項目是融合的STEM教育還是STEM其中的一個科目或兩個及兩個以上科目的融合研究等．再次，對于研究設(shè)計來說，編碼者需要認真閱讀項目介紹，如項目摘要中提到“干預(yù)（intervention）和控制條件（control condition）”即可判斷此研究為干預(yù)性研究，如果“控制條件”中提到了實驗組和控制組，那么此研究也屬于實驗性研究．最后，對研究方法的編碼，編碼者主要是根據(jù)項目說明信息來編碼數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)分析策略．如附錄2中的“結(jié)構(gòu)式摘要”部分的“關(guān)鍵測量”中提到了數(shù)據(jù)類型，以及在“數(shù)據(jù)分析測量”中提到分析方法．如下所示，研究者使用斜體來凸顯其中的關(guān)鍵詞：“測量包括課程考試和期末成績．此外，研究小組還將收集數(shù)據(jù)來說明取得補充材料的范圍和取得補充材料的時間（例如，一節(jié)課的錄像帶被訪問的次數(shù)）．研究人員還將使用問卷來評估自我效能感、網(wǎng)關(guān)課程的價值和感知成本的變化．”“研究人員將使用二次分析來測試動機和解決問題的技能是否會調(diào)節(jié)條件的影響；所有這些將通過路徑分析進行檢驗．”

根據(jù)已建立編碼框架，作者中的兩位分別對每個項目簡介進行編碼，然后對所有的編碼進行一致性分析，發(fā)現(xiàn)一致性達到84.8%．最后，3位研究者對其中不一致的編碼進行討論，并最終確定編碼．編碼過程中采用了Excel進行錄入，并采用頻數(shù)進行最后的分析統(tǒng)計．

表1 編碼分類與說明

注：項目基本信息包括項目的標(biāo)題、類別、負責(zé)人、負責(zé)人所在機構(gòu)、開始年份、資助年數(shù)、資助額以及項目的研究目標(biāo)類別．

4 研究結(jié)果

分析了46個受資助的STEM教育研究項目，從基本信息、研究對象、研究內(nèi)容、研究設(shè)計以及研究方法5個方面來分析總結(jié)STEM教育項目的特征，然后根據(jù)這些特征在年度上的分布來總結(jié)STEM教育項目的發(fā)展趨勢．根據(jù)研究問題、研究結(jié)果從項目特征與項目發(fā)展趨勢兩個方面來展示．

4.1 STEM教育研究項目特征

4.1.1 項目基本信息

項目名稱：在2007—2018年之間，總共有46個項目分布．18個項目名稱中包括“STEM”單詞；28個項目名稱中不包含“STEM”，但是項目摘要中包含“STEM”單詞．

項目來源的類型：如表2所示，46個STEM教育研究項目共來自14個項目類，其中認識與學(xué)生學(xué)習(xí)類的項目占21.7%，小型企業(yè)創(chuàng)新研究類的項目（包括特殊教育）占32.7%，高等教育和成人教育的項目類占13.0%．整體上來說，項目來源呈現(xiàn)多樣化趨勢，即很多項目類型都在支持STEM教育研究的發(fā)展，尤其是小型企業(yè)創(chuàng)新研究項目類特別支持STEM教育研究．

在46個項目中，有21個項目只有一位項目負責(zé)人．剩下的25個有兩位或兩位以上的項目負責(zé)人．46個項目中有41位第一項目負責(zé)人．其中來自參數(shù)工作室（Parametric Studios）的Christopher Whitmer、來自西南教育發(fā)展公司（Southwest Educational Development Corporation）的Melissa Dodson以及來自未來工程師（Future Engineers）的Deanne Belle都有兩個STEM教育項目；來自伊利諾伊大學(xué)香檳分校的Jennifer Cromley有3個STEM教育項目．

表2 項目來源的類別

項目運行機構(gòu)：41家機構(gòu)管理運行著46個項目，其中有17家非大學(xué)機構(gòu)與24家大學(xué)機構(gòu)．負責(zé)管理一個、兩個、3個項目的機構(gòu)分別有37家、3家和1家．伊利諾伊大學(xué)香檳分校是獲得資助項目最多的機構(gòu)，有3個項目；參數(shù)工作室、西南教育發(fā)展公司以及未來工程師3家機構(gòu)都有兩個STEM教育項目．

項目目標(biāo)：根據(jù)項目申請書中的信息，共有8種項目研究目標(biāo)類型：發(fā)展與創(chuàng)新（15.2%，=7），效能與復(fù)制（8.7%，=4），探索（30.4%，=14），測量（4.3%，=2），開發(fā)（28.3%，=13），研究者與實踐者伙伴關(guān)系（2.1%，=1），培訓(xùn)（2.1%，=1），以及其它（8.7%，=4）．其中發(fā)展與創(chuàng)新、探索以及開發(fā)類的STEM教育項目占總體的73.9%，其余的項目則分布在其它不同的研究目的中．

資助年份與時間：在過去的11年中，平均每年受美國教育科學(xué)研究院資助的項目約4個，過去的5年每年都不少于5個．在46個STEM項目中，有4個資助時間半年的項目；15個兩年的項目，4個兩年半的項目，6個3年的項目，16個4年項目，1個5年項目，平均每個項目的資助時間是2.8年（=1.15）．兩年和4年的項目占總項目的67%．

資助金額：受資助的項目總金額超過5?180萬美元，每個項目平均資助金額達到113萬美元．其中50萬以下的項目占19.6%；50萬~100萬美元的項目占28.3%；100萬~150萬美元的項目占37%（詳見表3）．

表3 項目資助金額區(qū)間分布

從項目的基本信息來看，STEM教育項目中近三分之二的項目名稱中并沒有包含“STEM”；STEM項目來源多達14類并且項目運行機構(gòu)分散，項目目標(biāo)主要集中在開發(fā)、探索、發(fā)展與創(chuàng)新．資助年限少于3年，項目平均金額大于百萬．

4.1.2 受資助項目的研究對象

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)46個受資助項目的研究對象沒有明顯的特征，主要分布在4個類別：13個小學(xué)階段（28%），18個初中階段（39%），14個高中階段（30%），18個成年階段（39%）．小學(xué)類別中有5個項目的研究對象聚焦學(xué)前兒童的研究，此外，成年人的類別中有5個項目的研究對象包括在職教師．在圖5中，有些項目的研究對象包括幾個年級段，因此，有14個項目的研究對象包括兩類，占全部項目的35%；有兩個項目的研究對象包括3類，占全部項目的4%．

4.1.3 受資助項目的研究內(nèi)容

STEM研究項目的研究內(nèi)容包括STEM中的一門或多門，多門則是研究STEM教育的融合或與STEM相關(guān)，如對STEM專業(yè)的興趣，STEM研究的模式探究．因此，分別統(tǒng)計了這些項目的融入情況．統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，受資助的46個項目的研究內(nèi)容，相對比較集中于科學(xué)與計算機兩個科目，分別有14個項目包括科學(xué)學(xué)科和25個項目包括信息技術(shù)學(xué)科；其次關(guān)注工程的項目較少，只有5個（見圖1）．同時，特別分析了25個融入信息技術(shù)的項目，發(fā)現(xiàn)1個項目是使用軟件來編制測試題，4個是有關(guān)信息技術(shù)與工程的融入項目，5個是有關(guān)信息技術(shù)融入數(shù)學(xué)的項目，9個是有關(guān)信息技術(shù)與科學(xué)融入的項目，還有6個是有關(guān)信息技術(shù)與STEM有關(guān)的融入項目．

圖1 5類研究內(nèi)容分布

在46個項目中，只研究單科的項目有15個，如圖2所示，其中有6個單獨研究數(shù)學(xué)項目，4個單獨研究科學(xué)項目，1個單獨研究工程項目，1個單獨研究信息技術(shù)項目，以及3個單獨研究其它項目．

圖2 單科分布

總的來說，在46個STEM教育研究項目中有19個包含兩門學(xué)科的研究內(nèi)容，5個研究信息技術(shù)融入數(shù)學(xué)，9個信息技術(shù)融入科學(xué)，4個信息技術(shù)融入工程，1個數(shù)學(xué)和科學(xué)融入項目．雙科融合的項目比較多，占全部的41%（=19）．有12個項目含有STEM研究內(nèi)容，其中6個是信息技術(shù)融入STEM教育研究，另外6個是有關(guān)STEM的評估、課程、能力、問題、學(xué)校以及職業(yè)．信息技術(shù)學(xué)科在所有融合的STEM教育研究項目占有很高的比重，可見信息技術(shù)在STEM教育中的地位．

4.1.4 受資助項目的研究設(shè)計方法

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在所有46個項目中，67%的項目是實驗性研究（=31），78%的項目是相關(guān)性研究（=36），15%的項目是縱向研究（=7），54%的項目是干預(yù)性研究（=25）（如圖3所示）．因為一個研究項目既可以是實驗性研究，又可以是相關(guān)性研究和縱向研究，即一個項目可涵蓋幾種研究設(shè)計，所以采用4類研究方法的項目百分比總和超過100%．此外，有1個項目使用4類研究設(shè)計方法，有20個項目使用了3類研究設(shè)計方法，14個項目使用了兩類研究設(shè)計方法，有7個項目使用一類研究設(shè)計方法，有4個項目不屬于研究類項目，如博士后培養(yǎng)項目，軟件開發(fā)項目等．

圖3 4類研究方法分類統(tǒng)計

4.1.5 受資助項目的研究方法

研究方法包括數(shù)據(jù)收集方法與數(shù)據(jù)分析策略．首先，對數(shù)據(jù)收集方法進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)在46個項目中用標(biāo)準(zhǔn)化測評項目和自己開發(fā)的測評工具來收集學(xué)生數(shù)據(jù)的項目所占比例較高，分別為57%和70%．另外，質(zhì)性數(shù)據(jù)的收集方法所占比例相對較低，分別是訪談類9%、問卷類30%以及觀察類22%（見圖4），此外計算機收集的數(shù)據(jù)所占比例為17%．在編碼過程中，一個項目的研究方法通常涵蓋了幾類．同時，項目簡介中可能沒有提到具體的數(shù)據(jù)收集方法，見附錄3．此外，有5個項目摘要中沒有提到任何一種數(shù)據(jù)收集方法，10個項目摘要中提到一種數(shù)據(jù)收集方法，14個項目摘要中提到兩類，12個項目包括了3類，5個項目包括了4類，沒有項目包括5類或6類．

圖4 使用6類數(shù)據(jù)收集方法的項目數(shù)分布

其次，對于數(shù)據(jù)分析策略的統(tǒng)計表明，有38%的受資助的項目（=13）使用HLM來分析數(shù)據(jù)，有22%的項目（=10）使用回歸分析來分析數(shù)據(jù)，使用這兩類方法的比例相對來說較高．此外，有15%的項目（=7）使用ANOVA和MANOVA的方法去分析數(shù)據(jù)，其余一些分析方法如描述性統(tǒng)計、IRT、SEM、因子分子等使用較少（見圖5）．最后，有19個項目摘要中沒有提供上述數(shù)據(jù)分析方法的信息，例如附錄2中的樣本2和3．有17個項目只提到一種方法，有2個項目提到兩種方法，僅有1個項目提到使用3種方法．

圖5 項目的數(shù)據(jù)分析策略分布

4.2 STEM教育研究項目特征趨勢

在過去11年中，每年的受資助STEM教育研究項目數(shù)整體上呈現(xiàn)上升趨勢．此外，有25個有關(guān)融入信息技術(shù)的項目，在整體上呈現(xiàn)遞增趨勢（如圖6）．同時，有多個負責(zé)人的受資助項目在整體上也呈現(xiàn)遞增趨勢，如圖7所示．從每年受資助的金額來看，整體上也呈現(xiàn)遞增趨勢（如圖8所示）．然而在其它的維度上，如研究對象、研究內(nèi)容、研究設(shè)計以及研究方法都沒有發(fā)現(xiàn)明顯的趨勢．究其原因，可能與文章的樣本數(shù)較小有關(guān)，因為樣本總體是46，時間跨度是11年，年均項目為4個．

圖6 STEM項目數(shù)以及融入信息技術(shù)的STEM項目數(shù)的變化趨勢

圖7 項目負責(zé)人的年度分布趨勢

圖8 年度STEM教育研究項目總金額趨勢

5 討論

基于對美國46個STEM教育研究項目的分析研究，得出美國當(dāng)前STEM教育的發(fā)展特征與趨勢．基于以上研究結(jié)果，研究者認為有以下幾點值得中國教育研究者和教育政策制定者關(guān)注，特別對中國即將或已經(jīng)在開展STEM教育實踐的研究者．首先，美國正在加大STEM教育研究的投入，鼓勵交叉學(xué)科研究．研究發(fā)現(xiàn)，STEM教育研究的項目來源類別呈現(xiàn)多元化趨勢，即研究者可以從不同的項目類型中申請資助STEM教育研究項目．因此，中國的STEM教育更需要大量的資金投入以吸引更多跨學(xué)科的研究人員加入．同時，原來的各科分散研究的模式可以有序地向雙科、多科合作探索融合STEM教育模式轉(zhuǎn)變．其次，融合STEM教育的研究目前仍在探索開發(fā)階段．文章中的STEM教育研究項目主要是以開發(fā)、探索、小型企業(yè)創(chuàng)新類為研究目標(biāo)，所占比例超過三分之二．因此，中國的STEM教育研究正面臨著一個機遇，可以從美國的STEM教育研究項目中獲得大量的參考信息，從而幫助中國STEM教育研究者更好地開展STEM教育實踐，并順利躋身于世界STEM教育研究的前列．再次，融入信息技術(shù)是融合STEM教育的必要條件．這個發(fā)現(xiàn)為中國融合STEM教育提供了參考依據(jù)．目前中國STEM教育實踐的開展主要是以信息技術(shù)教師為主來帶動STEM教育實踐．同時在中國目前的教育現(xiàn)狀下，最大化地利用信息技術(shù)老師的優(yōu)勢來開展STEM教育實踐具有優(yōu)勢條件（李彤彤[13]，2018），同時也能為培養(yǎng)新的STEM教師提供參考模式．最后，美國的研究設(shè)計以及研究方法相對比較成熟，而中國的STEM研究者可以很好地從美國成熟的研究設(shè)計和研究方法中學(xué)習(xí)到今天網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字時代所需的數(shù)據(jù)處理能力和更多統(tǒng)計分析方法．總之，在中國大力推動STEM教育的形勢下，教育研究者進行更廣泛的跨學(xué)科合作是推動STEM教育的研究發(fā)展的必要條件和趨勢．

6 結(jié)論

美國作為世界上最先提出STEM教育的國家，在STEM教育研究方面一直是世界的領(lǐng)跑者．因此，文章通過分析篩選自IES的46個STEM研究項目來分析美國當(dāng)前的STEM教育的最新發(fā)展特征與趨勢，可以為中國的STEM教育研究發(fā)展提供參考．文章通過對項目簡介的編碼，總結(jié)STEM項目的特征和趨勢如下：（1）受資助的46個項目分布在過去的11年中，項目數(shù)量和年資助金額整體上呈現(xiàn)逐年遞增趨勢；（2）近年來，越來越多的項目有多個項目負責(zé)人；（3）項目類別呈現(xiàn)多元化趨勢，有14類之多，其中小型企業(yè)創(chuàng)新研究類的項目占了33%；（4）項目目標(biāo)主要集中在探索、開發(fā)以及發(fā)展與創(chuàng)新3類，占總項目的73%；（5）項目的研究設(shè)計主要是實驗干預(yù)性研究以及相關(guān)性研究；（6）項目的研究方法比較傳統(tǒng)，主要采用標(biāo)準(zhǔn)化測試和項目開發(fā)測試來收集數(shù)據(jù)，應(yīng)用ANOVA和多元回歸分析以及HLM方法來分析量化數(shù)據(jù)并無明顯的趨勢特征；（7）從融合的STEM科目來看，有28%的項目的研究科目是聚焦于一個學(xué)科，如數(shù)學(xué)或科學(xué)．在融合的STEM教育項目中，基本上都有融入信息技術(shù)科目．可見，信息技術(shù)在STEM教育研究中的重要性．基于以上研究發(fā)現(xiàn)，研究者期望中國的教育研究者、教育政策制定者、教師教育培訓(xùn)者以及有關(guān)的教育機構(gòu)和教育企業(yè)管理者能夠透過該文章對美國的STEM研究項目的分析來了解當(dāng)前美國的STEM教育研究方向和政策，從而可以為中國的STEM教育研究獻計獻策、添磚加瓦．

[1] 中華人民共和國教育部．教育信息化“十三五”規(guī)劃[EB/OL]．（2016-06-17）[2019-03-16]．http://www.ict.edu.cn/ laws/new/n20160617_34574.shtml.

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[13] 李彤彤．創(chuàng)客式教學(xué)：面向核心素養(yǎng)培養(yǎng)的STEAM課程教學(xué)新范式[J]．中國電化教育，2018（9）：40-47．

Exploring the Status and Development Trends of STEM Education Research: The Case of IES Funded Projects on STEM Education in the U.S.

WANG Ke, LI Ye-ping, XIAO Yu

(Department of Teaching, Learning & Culture, Texas A & M University, College Station, Texas 77843, USA)

At present, all countries in the world were actively promoting the development of STEM education research, especially the United States. By analyzing funded projects on STEM education, this study explored current situation and development trends of STEM education research in the United States. The findings showed that the funding amount of STEM education research projects was high; the duration of most projects was short, the focus of most projects was on the development and innovation, the program-types of STEM projects were various; and the integrated STEM projects paid special attention to information technology as the media. Overall, the number of projects, the amount of funding, and the number of cooperative projects were increasing. The findings provide possible implication for the research and practice of STEM education in China.

U.S. STEM education; STEM education projects; features and trends

附錄1：STEM教育研究項目的基本信息

STEM教育研究項目的基本信息

序起始年項目名稱項目類別項目負責(zé)人項目機構(gòu)項目目標(biāo)項目持續(xù)（年）項目金額（美元） 12007為科學(xué)探究而學(xué)習(xí)研究調(diào)查和評估技能認知與學(xué)生學(xué)習(xí)Millis, Keith北伊利諾斯州大學(xué)發(fā)展與創(chuàng)新41?986?743 22011博士后：跨學(xué)科教育研究的博士后培養(yǎng)項目教育科學(xué)博士后研究訓(xùn)練計劃Klahr, David卡內(nèi)基梅隆大學(xué)培訓(xùn)3648?974 32011美語手語的測試卷編制者特殊教育中小企業(yè)創(chuàng)新研究Vinopol, Corrine殘疾人研究與培訓(xùn)協(xié)會其它2.51?050?000 42011高中物理虛擬實驗室小型企業(yè)創(chuàng)新研究Finstein, Jeanne多面體學(xué)習(xí)媒體公司發(fā)展階段I2850?000 52011觸覺浸入式學(xué)習(xí)平臺，改善視障人士的STEM學(xué)習(xí)特殊教育中小企業(yè)創(chuàng)新研究Darrah, Marjorie信息研究公司其它2.51?049?279 62011STEM太陽能探索小型企業(yè)創(chuàng)新研究Marley, David多樣化建筑公司發(fā)展階段II2.51?046?500 72012協(xié)調(diào)多重表征：對比學(xué)習(xí)微積分和不學(xué)習(xí)微積分的高中生的關(guān)注模式認知與學(xué)生學(xué)習(xí)Cromley, Jennifer伊利諾伊大學(xué)香檳分校探索3906?433 82013面向教師和學(xué)生的基于游戲的K-2 STEM教育小型企業(yè)創(chuàng)新研究Christopher, CatherinevKidz發(fā)展階段I0.5150?000 92013科學(xué)技能探索：一款基于標(biāo)準(zhǔn)的游戲，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)技能、學(xué)術(shù)思維和科學(xué)學(xué)習(xí)策略小型企業(yè)創(chuàng)新研究Blackwell, Lisa心態(tài)作用有限責(zé)任公司發(fā)展階段II2.51?050?000 102013全球教育2教育技術(shù)Brown, Scott康涅狄格大學(xué)效能與復(fù)制43?477?944 112014STEM的自我學(xué)習(xí)成就和動機：一個綜合的認知—動機干預(yù)來提高生物學(xué)成績高等教育和成人教育Cromley, Jennifer天普大學(xué)發(fā)展與創(chuàng)新41?379?250 122014一個小學(xué)的折紙和立體紙的工程課程，以促進三維空間思維和推理基礎(chǔ)的STEM教育認知與學(xué)生學(xué)習(xí)Taylor, Holly塔夫斯大學(xué)發(fā)展與創(chuàng)新31?250?884 132014讓學(xué)生參與STEM：國際社會教育合作交流網(wǎng)絡(luò)小型企業(yè)創(chuàng)新研究Loannidou, Andri活躍教育發(fā)展階段I0.5149?991 142014為歸納學(xué)習(xí)設(shè)計對比案例認知與學(xué)生學(xué)習(xí)Schwartz, Daniel斯坦福大學(xué)探索31?367?916 152014幼兒空間訓(xùn)練：識別可塑因素早期學(xué)習(xí)計劃和政策Golinkoff, Roberta特拉華大學(xué)探索41?599?153 162015STEM準(zhǔn)備項目與教師資格認證計劃的教師效能的探索性研究有效的教師與教學(xué)Dodson, Melissa西南教育探索2698?273 172015學(xué)習(xí)開放反應(yīng)科學(xué)測試題和英語學(xué)習(xí)者英語學(xué)習(xí)者Noble, Tracy技術(shù)教育研究中心探索41?596?743 182015基于測評系統(tǒng)對數(shù)學(xué)與科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)校預(yù)科課程的開發(fā)早期學(xué)習(xí)計劃和政策Anthony, Jason南佛羅里達大學(xué)測量41?597?625 192015恒星排列：在基礎(chǔ)天文學(xué)中探索空間思維和關(guān)系性框架（恒星）認知與學(xué)生學(xué)習(xí)Anggoro, Florencia圣十字學(xué)院探索2311?139 202015STEM準(zhǔn)備項目與教師資格認證計劃的教師效能的探索性研究有效的教師與教學(xué)Dodson, Melissa西南教育探索2698?273 212015通過空間技能教學(xué)提高中學(xué)數(shù)學(xué)成績認知與學(xué)生學(xué)習(xí)Sorby, Sheryl俄亥俄州立大學(xué)效能與復(fù)制43?499?941 222015STEM種子：開發(fā)一個創(chuàng)新的學(xué)前STEM課程早期學(xué)習(xí)計劃和政策Cyr, Martha伍斯特理工學(xué)院發(fā)展與創(chuàng)新41?462?318 232016振興21世紀(jì)的STEM研究生教育其它Rudin, Thomas國家科學(xué)院其它2200?000 242016基于帶有數(shù)學(xué)直接表示的游戲?qū)W習(xí)和計算機應(yīng)用評估小型企業(yè)創(chuàng)新研究Weiner, Randy腦震發(fā)展階段II2900?000 252016代數(shù)一的逐步虛擬輔導(dǎo)小型企業(yè)創(chuàng)新研究Smith, PattiQuerium發(fā)展階段II2900?000 262016開發(fā)一個在線、多挑戰(zhàn)平臺，可以同時運行多個K-12工程設(shè)計的挑戰(zhàn)賽小型企業(yè)創(chuàng)新研究Belle, Deanne未來工程師發(fā)展階段I0.555?481 272016推理與論證：改進用于入門生物學(xué)課程的評估高等教育和成人教育Cromley, Jennifer伊利諾伊大學(xué)香檳分校測量4756?527 282016為師生合作設(shè)計的環(huán)境，允許以實時工程為中心，在中年級進行STEM（笛卡爾）探索小型企業(yè)創(chuàng)新研究Whitmer, Christopher參數(shù)工作室發(fā)展階段I0.5149?740 292016城市STEM基礎(chǔ)（使用）伙伴關(guān)系:衡量成功的基準(zhǔn)教育研究者與實踐者伙伴關(guān)系LaForce, Melanie芝加哥大學(xué)研究者與實踐者伙伴關(guān)系2398?072 302016動態(tài)手勢和定向動作如何有助于數(shù)學(xué)證明實踐認知與學(xué)生學(xué)習(xí)Nathan, Mitchell威斯康星大學(xué)麥迪遜分校探索41?389?562 312017為師生合作設(shè)計的環(huán)境，允許以實時工程為中心，在中年級進行STEM（笛卡爾）探索小型企業(yè)創(chuàng)新研究Whitmer, Christopher參數(shù)工作室發(fā)展階段II2900?000 322017網(wǎng)絡(luò)追逐的分?jǐn)?shù)探索小型企業(yè)創(chuàng)新研究Goldberger, GaryFablevision發(fā)展階段II2900?000 332017混合方法探索與有障礙的英語學(xué)習(xí)者在高等教育成功的相關(guān)因素高等教育和成人教育Trainor, Audrey A.紐約大學(xué)探索41?397?251 342017發(fā)展一個強化空間的小學(xué)課程和教師培訓(xùn)系列，以提高科學(xué)成績認知與學(xué)生學(xué)習(xí)Fisher, Kelly約翰霍普金斯大學(xué)發(fā)展與創(chuàng)新41?398?481 352017銜接的化學(xué)課程的有效性STEM教育Stieff, Mike伊利諾斯大學(xué)，芝加哥效能與復(fù)制53?279?937 362017翻倍了？理解九年級代數(shù)改革對大學(xué)生繼續(xù)攻讀和畢業(yè)的長期影響高等教育和成人教育Nomi, Takako圣路易斯大學(xué)效能與復(fù)制2559?485 372017探索適應(yīng)性認知和情感的學(xué)習(xí)支持，為下一代STEM學(xué)習(xí)游戲教育技術(shù)Shute, Valerie佛羅里達州立大學(xué)探索41?399?996 382017為K-12學(xué)生開發(fā)一個在線的、多挑戰(zhàn)的平臺小型企業(yè)創(chuàng)新研究Belle, Deanne未來工程師發(fā)展階段II2899?988 392017探索STEM學(xué)習(xí)環(huán)境中的空間一致性的假設(shè)認知與學(xué)生學(xué)習(xí)Matlen, Bryan西部教育探索41?399?631 402018STEM中的性別刻板印象：探索預(yù)防的發(fā)展模式認知與學(xué)生學(xué)習(xí)Master, Allison華盛頓大學(xué)探索41?399?149 412018弱勢群體學(xué)生的在線學(xué)習(xí)STEM大學(xué)入門課程高等教育和成人教育Perry, Michelle伊利諾伊大學(xué)香檳分校探索31?399?194 422018通過將移動學(xué)習(xí)技術(shù)與自然語言處理技術(shù)相結(jié)合，加強STEM本科教育高等教育和成人教育Menekse, Muhsin普渡大學(xué)發(fā)展與創(chuàng)新41?398?642 432018是否應(yīng)用STEM職業(yè)技術(shù)教育可以加強低收入高中生的大學(xué)入學(xué)和就業(yè)的渠道？職業(yè)及技術(shù)教育Gottfried, Michael加州大學(xué)圣巴巴拉分校探索2344?940 442018用于實踐科學(xué)學(xué)習(xí)的云實驗室軟件小型企業(yè)創(chuàng)新研究Roozebook, Clifton無數(shù)傳感器發(fā)展階段II2900?000 452018萊恩教育服務(wù)區(qū)的住校編碼者方案的評估低成本、短期的教育干預(yù)評估Strand Cary, Mari萊恩教育服務(wù)區(qū)其它2249?922 462018在線教師專業(yè)化發(fā)展社區(qū)：一個可擴展的社區(qū)方法，以改進全國AP化學(xué)教學(xué)有效的教師與教學(xué)Rushton, Gregory紐約州立大學(xué)石溪分校發(fā)展與創(chuàng)新31?398?358

附錄2：項目簡介樣本1

Avi Kaplan和Michael Balsai（天普大學(xué)）；Tony Perez（歐道明大學(xué)）

生物學(xué)院一年級的課程是許多STEM專業(yè)成功的敲門磚．雖然許多學(xué)術(shù)能力強的大學(xué)生努力學(xué)習(xí)和理解這些課程中的概念，但是他們認為這些知識與他們未來的職業(yè)沒有相關(guān)．一些研究人員和實踐者建議徹底改變教學(xué)方法，從以授課為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)向創(chuàng)新的以學(xué)生為中心的教學(xué)，以提高學(xué)生的參與度和積極性．雖然這些改變可能有助于促進積極的態(tài)度和改善學(xué)習(xí)，但要做出這些改變需要對課程進行重大改革，而且很難在不同的高等教育環(huán)境中實施．這個項目的目的是開發(fā)一個在線課程方法來教授生物學(xué)入門課程．這個項目可以被其他大專院校采用和實施，而且教師不需要負擔(dān)過重．

研究團隊將開發(fā)一套非常簡短的且基于網(wǎng)絡(luò)的支持，通過教師已經(jīng)在使用的教學(xué)方式以及圍繞黑板而建的補充方式提供支持．這個套件將包括“全面”的認知和動機支持．在最初的兩年里，研究小組將改變支持的類型，看看哪一種可能被證明是最有效的，在最后一年，他們將在真實的教室環(huán)境中進行干預(yù)的試點測試．

本研究的產(chǎn)品將包括一套特定課程的視頻和信息，開發(fā)任何入門此類STEM課程材料的原則，以及創(chuàng)建此類其他課程材料的教師指南．還將出版同行評議的出版物．

這個項目將在賓夕法尼亞州的一所大專院校進行．

修讀生物入門課程的本科生．

根據(jù)研究人員在開發(fā)階段發(fā)現(xiàn)的結(jié)果，干預(yù)措施將包括許多可能的組成部分．最初的6個組成部分包括：（1）每周播放一段簡短的多媒體視頻，主要是為了提高學(xué)生的相關(guān)先驗知識；（2）教授選定的PPT演講片段錄像；（3）錄制短、中難度問題的工作實例；（4）相關(guān)性寫作任務(wù)，學(xué)生就生物課與他們的學(xué)習(xí)、專業(yè)、職業(yè)和生活目標(biāo)的相關(guān)性，給自己寫一系列的信；（5）有針對性的自我效能增強反饋，旨在構(gòu)建學(xué)生的自我效能感；（6）有針對性的信息，幫助抵消學(xué)生對完成生物學(xué)課程所必須做出的犧牲的看法．組件的最終組合將通過黑板來實現(xiàn)，并與典型的課堂教學(xué)（如講課）結(jié)合使用．

這個項目將使用一個迭代設(shè)計，其中6個組件（3個認知策略和3個動機策略）的不同組合相互測試，以確定哪些組件應(yīng)該在最終版本中．材料的初步設(shè)計將在2014年秋季進行．材料和在線方式將在兩年的時間里進行測試和完善，第一輪測試將于2015年春季學(xué)期和秋季學(xué)期進行，第二輪測試將于明年開始．完整干預(yù)的最終試點測試將于2017年春季至秋季學(xué)期進行．

為了制作每周的啟動視頻，研究人員將復(fù)習(xí)章節(jié)部分，確定每周的相關(guān)內(nèi)容，并為視頻編寫腳本．專家將審查腳本，以確保可用性和技術(shù)準(zhǔn)確性．工作示例視頻將以類似的方式開發(fā)，研究團隊將審查教科書、家庭作業(yè)和期末考試數(shù)據(jù)中的章節(jié)復(fù)習(xí)部分的問題，以確定要使用的問題類型．授課錄像將在相關(guān)學(xué)期內(nèi)制作，使用實際課堂授課．研究人員將利用對上學(xué)期修過這門課的高年級學(xué)生的采訪記錄，制作出“抵消成本”的視頻．其它材料（例如，相關(guān)性寫作提示）將來自該領(lǐng)域現(xiàn)有的工作．在2015年春季和秋季，研究團隊將測試一種認知和一種動機成分的組合．根據(jù)這些測試的結(jié)果，他們將在2016年春季和秋季測試兩種認知和兩種動機成分的不同組合．他們打算完成完整的原型，并在去年使用實驗設(shè)計進行試點．在本研究中，學(xué)生將被隨機分配在大型講座課程中接受有一種變化的干預(yù)．

在整個開發(fā)階段，將隨機分配教室接受不同版本的干預(yù)，每組作為其他組的對照組．在最后一年的試點中，學(xué)生們將收到剩下的兩個有前途的版本中的一個，并將比較這兩組的結(jié)果．

主要的結(jié)果衡量包括課程考試和期末成績．此外，研究小組還將收集數(shù)據(jù)來說明取得補充材料的范圍和取得補充材料的時間（例如，一節(jié)課的錄像帶被訪問的次數(shù)）．研究人員還將使用問卷來評估自我效能感、網(wǎng)關(guān)課程的價值和感知成本的變化．

研究人員將使用計劃中的比較來測試這6種因素的效果，學(xué)生的入學(xué)動機和對干預(yù)執(zhí)行度是同步變化的，并根據(jù)需要對嵌套數(shù)據(jù)進行調(diào)整．研究人員將使用二次分析來測試動機和解決問題的技能是否會調(diào)節(jié)條件的影響；所有的這些將通過路徑分析進行檢驗．

https://www.ideals.illinois.edu/handle/2142/97878

CROMLEY J G, PEREZ T, KAPLAN A. Undergraduate stem achievement and retention cognitive, motivational, and institutional factors and solutions [J]. Policy Insights From the Behavioral and Brain Sciences2016, 3 (1): 4–11.

附錄2：項目簡介樣本2

隨著國家對STEM（科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)）專業(yè)人才短缺的關(guān)注，科學(xué)專業(yè)的入學(xué)人數(shù)預(yù)計在未來幾年將呈上升趨勢．實驗室工作被視為許多STEM課程的重要組成部分，因為實驗室使學(xué)生能夠與自然現(xiàn)象互動，并分析收集到的數(shù)據(jù)．然而，為充足的實驗室提供資金已成為一項挑戰(zhàn)，許多學(xué)校表示，它們沒有裝備良好的實驗室科學(xué)設(shè)備．據(jù)估計，一間物理實驗室的費用為4萬—5萬5千美元，另外每年的更換和維修預(yù)算為2?000—3?000美元．本項目的目的是開發(fā)一套具有成本效益和維護免費的基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室，可以完全取代或補充在一個典型的高中物理課程的實踐實驗室．

研究團隊正在為24個虛擬實驗室開發(fā)所有內(nèi)容和組件，主題包括位移、速度、重力加速度、運動學(xué)和牛頓第二定律．為了測試該技術(shù)在學(xué)校實施的可行性，高中生對該技術(shù)的可用性，以及該產(chǎn)品改善學(xué)生學(xué)習(xí)的承諾，將對3所高中6間教室的120名物理學(xué)生進行隨機試驗．這些小組將被分配到3種不同的實驗方法中的一種．一組學(xué)生將使用虛擬實驗室作為傳統(tǒng)實驗室的替代品；其中一組將使用虛擬實驗室作為傳統(tǒng)實驗室實踐經(jīng)驗的補充；最后一組是作為控制組使用，只完成傳統(tǒng)的動手實驗．分析將檢查學(xué)生在一個學(xué)期的課程前后在標(biāo)準(zhǔn)化物理考試中的成績．

針對高中生的在線虛擬物理實驗室將在沒有設(shè)備的情況下使用，或者作為使用真實設(shè)備前后的補充．該產(chǎn)品將包括24個虛擬實驗室，這些實驗室與物理標(biāo)準(zhǔn)的全年課程目標(biāo)一致．模擬的特點是實驗室設(shè)備的交互式、實時三維表示，以及數(shù)據(jù)收集、分析、繪圖和報告功能，允許用戶在線執(zhí)行實驗的所有階段．當(dāng)學(xué)生使用過程或生成不合理的結(jié)果時，實驗室將包含嵌入式反饋．教師的專業(yè)發(fā)展和支持也將包括在內(nèi)．

附錄2：項目簡介樣本3

這個項目組將開發(fā)并測試一個笛卡爾的原型，這是一個為四~七年級學(xué)生設(shè)計建造工程項目的在線游戲和仿真平臺．該原型將包括一個虛擬工作區(qū)，供學(xué)生創(chuàng)建和測試模型．學(xué)生們將運用所學(xué)的工程學(xué)原理來設(shè)計一艘船，該原型將包含一個3D打印機來創(chuàng)建一個現(xiàn)實的模擬模型．在3間五年級或六年級教室的試點研究中，研究人員將檢查原型是否按計劃發(fā)揮作用，教師是否認為原型可以在課堂環(huán)境中實現(xiàn)，以及學(xué)生在使用原型時是否投入．

G420

A

1004–9894（2019）03–0053–09

2019–05–27

王科（1982—），男，安徽含山人，美國德克薩斯農(nóng)工大學(xué)教學(xué)與文化系博士，主要從事數(shù)學(xué)教育研究．

王科，李業(yè)平，肖煜．STEM教育研究發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢：解讀美國STEM教育研究項目[J]．?dāng)?shù)學(xué)教育學(xué)報，2019，28（3）：53-61．

[責(zé)任編校：周學(xué)智、張楠]