科学、教育和技术
https://doi.org/10.1007/s10956-020-09823-x
理解K-12 STEM教育：发展STEM扫盲框架
Garry Falloon① amp;Maria Hatzigianni② amp;Matt Bower① amp;Anne Forbes①amp; Michael Stevenson①
# Springer Nature B.V. 2020
摘要
近年来，争论表明STEM教育对于建立学科知识、能力、技能和配置的价值，符合年轻人在动态、复杂和具有挑战性的未来工作、社会和政治环境中富有成效和道德运作的需要。 这种结合被称为STEM素养，并被定位为STEM教育项目的预期成果。然而，关于K-12学校如何发展这一点的知识有限。 本文介绍了一个概念化STEM教育综合性质的框架。它识别和映射STEM教育的关键特征，识别不同的切入点、课程设计和学校课程的教学策略。该框架为学校规划和实施STEM教育提供了实际指导。
关键词：STEM；跨学科；综合；纪律； STEM素养·学校；K-12
导言
通过改进STEM教育提高STEM能力的呼吁是教育、经济和政治话语中的一个共同主题(例如 Caprile等人，2015； Marginson 等人，2013 )。 这些呼吁经常来自雇主，他们担心不熟悉工作场所的专业人员来填补当前和新出现的职位，特别是在以创新为基础的企业。 有人指责教育，声称“缺乏就业能力是因为
*Garry Falloon garry.falloon@mq.edu.au
Maria Hatzigianni maria.hatzigianni@unimelb.edu.au
Matt Bower matt.bower@mq.edu.au
Anne Forbes anne.forbes@mq.edu.au
Michael Stevenson michael.stevenson@mq.edu.au
①The Macquarie School of Education, The Faculty of Arts, Macquarie University, Sydney, Australia
②The Faculty of Education, The University of Melbourne, Melbourne, Australi
过时的课程和缺乏创新（在学校)”(摩尔等人,2014 ,第3页)。 其他人提到许多学生对科学和技术不感兴趣的问题，他们评论说，糟糕的教学和缺乏相关性导致了难以摆脱的负面态度(Bissaker,2014;Newhouse,2017; Roberts,2012)。在教育上，STEM被认为是解决日益减少的参与的一种手段，其重点是整合学科知 识，以解决真实、“现实世界”背景下的问题(Honey等人,2014 )。 综合STEM教育已被确定为发展重要技能和能力的平台，无论是个人还是专业都有价值，包括研究探究、问题解决、批判性和创造性思维、创业、 合作、团队合作和交流(English,2016;Honey等人,2014;Madden等人,2013 )。
此外，STEM教育作为项目的背景和支持项目，使社区和企业参与其中，提高了真实性和目的性。 STEM问题和基于项目的学习模型也反映了商业和工业中经常使用的过程(Asghar等人,2012;Breiner等人2012 ;Portz ,2015 )。 设计思维技能经常支持“现实世界”的产品构思，开发是通过概念化、设计、原型化、评估结 果、人工制品和解决方案来实现的。这些技能，再加上Hargrove(2011)所描述的追求STEM设计过程的认知要求，为STEM教育提供了广泛的支持，
补充经济和商业论点(Brears等人,2011 )。然而，尽管承认STEM教育的个人、社会和经济效益，并将其越来越多地纳入K-12学校课程，但在如何规划、教授和评估STEM教育方面存在不同的观点，这可能会在负责实施STEM教育的人中造成混乱(Breiner等人,2012;Honey 等人,2014;Newhouse, 2017)。
什么是STEM教育？
一个单一的，商定的STEM教育是难以捉摸的， 反映了STEM作为一种“元违纪”的新兴性质，以及关于如何在K-12 STEM 课程中代表单独的STEM 主题的辩论。 然而，合理的一致意见是，STEM教育应以发展科学、技术、工程、数学概念知识和支持理解为主要目标，“通过努力将这四个学科中的一些或所有学科 合并成一个基于学科与现实世界问题之间联系的班级、单元或课程”(Marrero等人,2014,第38页)。虽然跨学科作为STEM教育的一个属性突出，但对于STEM 学科应如何定位和优先于跨学科K-12 STEM 课程，存在不同的观点。
问题说明
虽然关于K-12 STEM教育的STEM素养目标存在共识， 但并不清楚它是什么以及如何实现。 这对教师提出了挑战，他们被期望重新考虑通常强烈持有的关于个别STEM学科的教学和学习的信念，转向涉及解决问题或实现机会的多学科或跨学科方法，这些方法位于“现实世界”的背景下。 学校的组织和结构加剧了这一挑战， 因为学校的各个部门往往负责与各学科相一致的课程。 这些结构促进了“筒仓”效应，教师孤立地规划和教学， 以他们认为最有效的手段提供纪律内容，通常是为了满 足 外 部 评 估要求(Bybee,2010;Newhouse,2017;Zeidler,2016; Zollman,2012)。 跨学科STEM教育计划这种方法，需要更多的协作方法， 结合多个学科和不同的教学技能。
本文介绍了一个旨在指导教师规划和教学STEM教育的框架。 它是从对文献的范围审查中发展起来的，这些文献确定了STEM规划和教学的关键概念和特征， 以及它们在STEM课程中的组合方式。在解释概念和特征之前, 本文首先从不同的角度对
阐述STEM教育。 这些特征是从它们与STEM课程和教育学的相关性来描述的，在通过框架进行插图之前，它们如何在K-12 STEM教育的不同方法中整合，重点是建立STEM素养的共同目标。
审查方法
一个学术数据库搜索确定的文献可能提供深入的关键 概念与K-12 STEM教育。遵循了一个范围界定程序， 因为该方法支持对提供不同观点的文献进行调查的灵 活性，以发展教学和研究领域(Munn等人,2018 )。虽然范围界定审查的明确程序尚未确定(Anderson 等人, 2008;Arskey和 Orsquo;Malley,2005; Daudt 等 人,2013 )，符合Munn等人(2018) 的要求。范围界定审查，“旨在提供证据的概述或地图。而不是一个批判性评估和综合的结果或对特定问题的答案”(第3页）。 它们适合在证据仍在出现和观点不同的发展中国家进行调查，或者正如Munn所说的，“当仍然不清楚什么其他更具体的问题可以通过更多的系统-温度审查来提出和解决时”第2页)。 根据Pham等人 (2014)的说法，范围界定 审查遵循六个阶段的过程， 从问题陈述开始，寻找相关的研究，研究选择，提出数据，总结结果和可选的咨询阶段。 在使用关键词STEM和教育(或者学校)进行初步数据库扫描后，第一作者和一名研究助 理（评审员）确定了四个概念作为起点，可能为K- 12 STEM教育提供理解、重点和方法的见解。
它们是：
amp; 知识（纪律）、技能、能力和能力；
amp; 关于STEM教育规划的观点和方法；
amp; 了解STEM课程和教育学；
amp; 了解STEM素养。
首先，审查程序涉及确定与四个STEM教育概念相一致的关键词。 关键词仅限于学校STEM 素养和规划、学校STEM教学的具体内容，认识到STEM的概念 在其他领域具有相关性。 在数据库搜索中输入了不同的关键字组合，布尔运算符用于定义和强调搜索术语 之间的重要关系（附录表1）。 筛选器被设置为返回英文全访问同行评审的文章、报告、书籍和章节，
2007年后。第二阶段涉及通过对经常发表的作者进行识别，具体到学校STEM教育，提炼结果。 这包括在完成作者的高级搜索之前，从搜索结果中创建一个作者列表，其中包含关键词“STEM教育”(和/或学校、课程、教学)和“STEM素养”。 这将总出版数量重新划分为91。
评审人员随机划分列表，并阅读每个文档的摘要、 方法和结论。对于书籍，审查包括扫描导言和最相关的章节。 两位评审员都使用一个模板来完成每个出版物的摘要（附录表2）。在扫描了这些文件后，评审员会见并讨论了结果。一些作者在多个出版物中有代表；然而，这些出版物的重点往往相似，因此决定将 每个作者深入审查的出版物数量限制在三个。
有趣的是，大多数出版物都是概念性的(N=55)，实 证研究(N=24)和报告(N=12)较少。 虽然这可能反映了这一领域的紧急性质，但重要的是要包括研究类型的平衡，大约与样本中每个代表的比例相对应。 使用这些标准，评审员讨论了摘要，并最终确定了一套概念性、经验性和报告出版物，代表了作者的每一种观点。 共挑选了50份文件，其中包括3本书、7章、11份报告、1份会议文件和28份文件进行深入审查。
编码和特征识别
评审员在这些出版物之间进行了划分，并进行了仔细 的阅读，并确定了作者对与这四个概念相一致的特征的观点和理解，并对其进行了编码和注释。评审员分享、审查和讨论了彼此的理解，然后生成与这四个概念相一致的特征列表草案。为了支持端口有效性，两位评审员都隐秘地检查了对方解释的样本。这导致了一些小的调整，并提供了更多的上下文信息，这些信息后来被用来创建描述性陈述，说明特征是如何概念化的。最后确定的特征被组织在十个主题下，根据共同的属性分组。对原有的概念标签进行了调整，反映了STEM（合并）课程与教育学和规划的重叠，以及学科知识(与能力、技能等分离）的作用。
最后的概念和主题是：
STEM 能力、技能和配置。
主题：认知、创造性思维、个人能力、性格和 态度；
STEM 课程与教育学。
主题：课程与学习设计，教育学，工作过程，设 计思维；
STEM 学科知识。
主题：学科优先性和知识定位（定向）；
STEM扫盲。
主题：STEM教育的目标和目的。
附录表提供了与作者一致的概念、特征、主题和描述符的摘要3。
调查结果
本节介绍了使用四个概念组织的主要发现。首先，背景是通过讨论K-12 STEM教育的紧急性质来提供的，这反映在文学艺术中，它表明了不同的观点，即STEM教育包括什么，以及应该如何规划、教授和评估。 这是必要的，以定位分析的特点，从仍然发展的领域，反映不 同的观点，STEM课程的形式和组成。
STEM教育的不同视角
Bybee(2010)描述了STEM 教育， “ 作为任何事件、政策、程序或实践的通用标签，涉及一个或几个STEM学科”(第30页)。 然而，文献表明，对STEM教育的基本原理及其对教学和学习的影响的理解还没有得到很好的 理解，并且根据不同利益相关者的观点而有所不同(例如Breiner 等人,2012;Holmlund 等人,2018;Honey等人,2014;Newhouse,2017;Sanders,2012) 。例如， Techakosit 和 Nilsook(2018) 评论说，政府在学校为STEM拨款数十亿美元，通常期望长期的生态经济价 值，建立一个“管道”，生产现成的员工、创新者和科 学家，能够开发新的、高价值的产品和服务。 然而，正如Timms等人(2018)和Zollman(2012)指出，负责实施STEM课程的教室的教师努力掌握STEM 教育的“样子”、应该如何规划、为什么和如何修改历 史教学方法、应该评估和报告学生的结果以及如何评 估和报告。 Breiner等人 (2012)还建议家长可能会质疑他们所认为的与基于项目的STEM相关的“非常规”教学法和课程，可能会将其解释为与传统的、基于学科的方 法相关的学术严谨性的“削弱”。
虽然有默契认为K-12 STEM教育的驱动因素正在应对 管道挑战，但一些作者强调了采用技术官僚方法的危 险，这种方法导致“筒仓式”教学，仅侧重于技术成果(如 Asghar等人,2012 ;Breiner等人,2012; English,2016;Salami等人,2017 )。 这些作者主张一个更广泛的视角——一个促进积极的个人和社会结果，以及工作场所的准备。 Zollman(2012)将这一点描述为“学习认识和学习去做(而且)学习生活在
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