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省域视角下中小学学生STEM教育现状调研
发布日期:2022-05-09 14:53   来源:未知   阅读:

  摘要:省域经济和社会文化的发展给STEM教育带来了机遇和挑战,中小学生是国家未来发展强有力的人才支撑,在基础教育阶段开展STEM教育,培养学生的STEM素养和创新思维正当其时、适逢其势。以S省为例,运用SPSS 24.0软件对性别、学段等多个指标进行差异性分析、相关性分析和描述性分析,揭示省域中小学STEM教育现状,在此基础上提出推动STEM教育普适性发展的路径:关注特殊变量影响,推动STEM教育全民化;打造立体化STEM资源,实现培养路径多元化;审视教育评价体系,促进STEM发展本土化;增强实践、研究共同体交互,呈现教育创新一体化。

  STEM是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)四门学科英文首字母的缩写。STEM综合了科学、技术、工程与数学的特点,通过课题研究的整合化、教学内容的情境化、教学方法的综合化 [1] ,在解决实际问题的过程中,整合学科知识和学科思想,促使学习者以系统的、发展的、联系的思维应对全球化、多元化发展。STEM教育日渐成为提高国民科学素质、培养创新型人才乃至提升国际竞争力的重要路径。目前,STEM教育在世界各地发展迅猛,影响广泛。近年来,国家大力推动STEM教育的开展,先后颁布一系列政策文件完善STEM课程体系,推动STEM资源的开发与实施,促进STEM人才的培育。2017年8月,中国教育科学研究院STEM教育研究中心发布《中国STEM教育白皮书》(精华版)(以下简称“白皮书”)。白皮书指出,“STEM教育在中国进入蓬勃发展阶段,在教育实践、理论研究和教育政策方面取得明显进展,但是也存在严峻的挑战” [2] 。2018年,中国教育科学研究院启动“中国STEM教育2029创新行动计划”。2019年10月,教育部在答复政协十三届全国委员会第二次会议教育类提案时指出,要多途径培育学生信息素养,支持跨学科知识融合的STEM教育和侧重于将想法进行实践创造的创客教育,逐步建立有中国特色的STEM教育、创客教育课程体系框架 [3] 。省域中小学教育具有落实国家教育战略目标的重要责任,也担负着促进区域经济发展的重要使命。省域教育与经济是相互制约、相互影响的,一方面,经济社会发展状况决定着教育的基础条件;另一方面,教育又是知识生产与再生产的重要途径,对于区域经济产业结构优化升级具有先导性的作用 [4] 。S省是中国经济实力较强的省份之一,许多领域在全国处于领先地位,近年来抓住数字经济发展新机遇,经济高质量发展特征愈加明显,对创新型人才需求量增大。同时,S省一直走在基础教育改革的前列,力促全省基础教育高质量发展。但S省基础教育阶段的STEM教育尚未发展成熟,基于此,在区域基础教育课程体系中探索STEM教育的发展、实施现状,对于提升STEM教育的教学效果、培养学生的核心素养、培育创新型人才意义重大 [5] 。

  笔者在借鉴埃里克.维贝 (Eric Wiebe)提出的S-STEM量表 (Student Attitudes toward STEM Survey的简称) [6] 、J.杰夫.诺尔斯(J.Geoff Knowles)提出的T-STEM量表(Teacher Efficacy and Attitudus toward STEM Survey的简称) [7] 以及中国教育科学研究院STEM教育研究中心2019年研制的“中国STEM教育调查问卷”等国内外较为权威的STEM调研问卷,并在充分考虑实际情况的基础上,研制“中小学生STEM教育现状调查问卷(学生版)”和“中小学生STEM教育现状调查问卷(教师版)”。S-STEM量表包括学生的科学学习态度、数学学习态度、技术与工程学习态度、21世纪技能学习态度和STEM职业兴趣5个维度。T-STEM量表包括STEM教师的教学效能感和信念、科学教学结果期望、学生技术使用、科学教学、21世纪学习态度、教师领导态度、STEM职业意识共7个部分 [8] 。“中国STEM教育调查问卷”分别面向学校管理人员、教师、学生三大群体,从理念认知、实践现状与应然性需求3个维度全面收集相关信息 [9] 。在文献分析的基础上,结合STEM教学实际,制定“中小学生STEM教育现状调查问卷(学生版)”和“中小学生STEM教育现状调查问卷(教师版)”。为确保问卷有效性,问卷在编制完成后邀请STEM相关专家和一线教师进行指导和修正,经过专家评议,对部分题项进行了修改和删除,丰富了“中小学生STEM教育现状调查问卷(学生版)”第13题、第27题等题目的选项,补充了实践现状和需求期望维度的多选题选项,初步形成的调查问卷共计30题,包括基本信息、认知、态度、实践、需求、期望、收获、评价8个部分。对“中小学生STEM教育现状调查问卷(教师版)”第8题、第15题进行优化,形成问卷共30题,包括基本信息、STEM认知、STEM素养、实践现状、教学期望5个维度。

  为了验证问卷的信度和效度,对问卷进行预调研。预调研的问卷通过问卷星平台在S省内部分中小学进行发放和回收,发放学生版问卷200份,回收有效问卷196份(有效样本率98%);教师版问卷20份,回收有效问卷20份(有效样本率100%)。测试得到的反馈显示问卷设计的问题易于答卷者的理解和回答。根据试测得到的反馈和结果,对部分题目和选项进行修改,使问卷题目更易于被调查者理解。预调研中的数据用于信度分析和效度分析。

  当克隆巴赫Alpha值大于0.9时,表明问卷信度很好;克隆巴赫Alpha大于0.8时,表明问卷信度良好。基于预调研数据对删除后的题项进行信度分析 [10] ,如表1所示,学生版问卷的Alpha值为0.966,大于0.9;教师版问卷的Alpha值为0.873,大于0.8。说明两份问卷题项内部一致性较好,内在质量佳。

  对数据进行了KMO和Bartlett球形检验,如果KMO值在0.6~0.7之间说明效度可以接受,如果KMO值在0.7~0.8之间说明效度较好,如果KMO值大于0.8说明问卷效度高。如表2所示,学生版问卷、教师版问卷KMO值分别为0.972、0.900,Bartlett球形检验的Sig.值均为0.000,说明问卷整体效度较高。

  基于对预调研的数据分析,该问卷信效度的检验结果均符合本研究的客观需求与具体要求,保证了此问卷结构的合理性和研究数据的科学性,该问卷可以用于实际测量。在上述分析的基础上,形成正式的“中小学生STEM教育现状调查问卷(学生版)”,问卷设计31题,主要内容如表3所示;“中小学生STEM教育现状调查问卷(教师版)”,问卷设计30题,主要内容如表4所示。

  为了解S省中小学STEM教育现状,本研究基于正式问卷展开调研。面向S省内中小学生群体,从认知态度、实践现状、需求和期望及收获和评价4个维度全面收集相关信息;同时,面向开设STEM课程的中小学教师,从STEM认知、STEM素养、实践现状、教学期望4个方面进行调查。问卷采用网上调查的方式,通过问卷星平台进行问卷的发放,历时1个月,最终回收学生版问卷11 969份,其中小学生问卷7248份(低学段学生问卷由家长辅助完成),中学生问卷4721份。经过样本筛选,剔除质量不佳、作答时间过短的问卷,最终得到有效问卷11 085份(有效样本率92.61%),其中有效的小学生问卷6834份(有效样本率94.41%),中学生问卷4251份(有效样本率90.04%);回收教师版有效问卷192份(有效样本率96.00%)。调查结果使用SPSS 24.0软件和问卷星平台进行分析。

  采用独立样本T检验,分析性别与中小学生学习意愿是否存在差异,结果如表5所示。通过独立样本T检验发现(p=0.002,小于0.05),不同性别的中小学生对STEM课程喜爱程度存在显著差异,女性相较于男性对STEM学习的喜爱程度更高。STEM教育和职业领域很大程度上被视为由男性占领和主导,这种社会偏见在一定程度上影响女性青少年的学习意愿和选择。从学生时代打破偏见,保护女性的学习兴趣,让更多女性投身STEM教育学习将有助于缓解该领域人才紧缺的现状,在一定程度上也能够促进教育公平 [11] 。

  不同性别的中小学生每周愿意花费在STEM课程的时间显著性概率值p为0.067,大于0.05,没有达到显著水平,说明不存在显著差异。但可从表5中看出男性均值略大于女性,说明男性学生更愿意花费时间在STEM课程上,这与中国教科院STEM教育研究中心在2019年发布的《中国STEM教育调研报告》(简要版)结论是一致的。

  采用单因素方差分析对不同学段的中小学生学习意愿进行分析,研究学段是否对中小学生学习意愿有显著影响。以学段作为因子,以中小学生对STEM课程喜爱程度和每周愿意花费在STEM课程上的时间为因变量进行单因素方差分析,分析结果如表6所示。

  由表6可知学生对STEM课程喜爱程度和每周愿意花费在STEM课程上的时间的显著性均小于0.05,说明STEM学习意愿在学段方面存在显著差异。

  总体来看,小学到初中再到高中,学生对STEM课程兴趣均值呈递增趋势。小学高年级阶段(五至六年级)均值为最低值,在此学段的学生面临小升初的压力,对STEM教育的关注度不高。随着学段升高,高二年级均值达到峰值,这个学段的学生有独立的思想且敢于表达自己的想法,学生明确知道自己对STEM教育的喜爱程度。应从各方面加强低学段学生对STEM教育的学习兴趣,从小培养学生的创新能力与综合素质。

  不同学段学生每周愿意花费在STEM课程上的时间随学段升高,学生愿意花费在STEM课程上的时间越多。小学低年级学生均值较低,原因在于这个年龄段的学生思维并未成熟,大部分学习行为是在教师和家长的引导下进行,不完全具备自主接触新鲜事物的能力。虽然高学段学生学业课程较多,但利用课余时间开展STEM教育可以开阔学生视野,提供不同的学习思路与方法。

  值得关注的是,九年级、高二年级、高三年级学生对STEM课程喜爱度较高,但不愿意花费较多的时间进行STEM课程学习,主要原因在于此学段学生面临较大的升学压力,学生尽可能将时间用于准备升学考试,而暂时放弃兴趣爱好。新时代需要德智体美劳全面发展的未来栋梁,学生创新能力、综合素质的培养需要各个学段教师的重视。学段差异是值得关注的问题,随着年龄的增长,学生接触的基础课程越来越多,对未知世界的探索意识和创新精神也越来越强,学生尝试建立不同学科之间的相互联系,教育工作者可以关注学生学习机会的获得与学习结果的改进,以更好促进STEM教育的发展。

  调查结果显示,29.42%的学生接受过STEM综合教育,在这些学生中,超过60%的学生STEM课程由专门的STEM教师进行指导,约40%的学生STEM教师由数学教师、信息技术教师或其他学科教师兼任。13.46%的中小学生完全没有接受过相关教育,超过半数学生仅仅接受过科学、技术、工程、数学中一门或多门课程的相关学习,说明STEM教育在S省内尚未大面积普及,STEM教育应面向全体学生,全面培养创新性人才。值得期待的是,超过90%的中小学生对未来从事STEM教育相关行业持期待态度。STEM教育正在进一步普及、发展,STEM教师日渐专业化,学生也越来越接纳STEM教育。

  笔者运用SPSS 24.0对“是否接受过STEM教育”与“是否想从事与科学技术有关的职业”进行相关性分析,分析结果如表7所示(个案数为11 085)。斯皮尔曼相关系数为0.139,显著性概率值p为0.000,说明存在显著正相关,但相关性较弱。

  接受过STEM教育和未接受STEM教育的学生对未来从事相关行业的影响不大,学生对STEM相关行业的职业认同感还不够,部分原因在于学生年龄较小,对未来职业缺乏全面的思考和认识。在今后开展STEM教育的过程中,教师应适当引导学生树立积极的STEM教育职业观,为STEM教育的发展源源不断地输送人才。

  从事STEM教育工作的教师是有情怀的教师,绝大多数教师对自身定位认知清晰,在STEM课程中作为支持者、引导者、组织者,而非教授者、旁观者。教师将任务以项目的形式发布给小组,在项目实践过程中,教师通过现代教育技术手段支持学生开展项目,引导学生利用多学科的综合思维解决实际问题。这要求教师具备并不断提高开设STEM课程所需要的各种能力和素养,包括课程整合素养、跨学科教学素养、信息技术素养、STEM开发与设计能力。

  将学段与课时进行交叉分析,得到结果如表8所示。可以看出,小学低年级阶段开设STEM课程最多,说明绝大多数的学校管理者和教师认识到了STEM教育的重要性,认为小学低年级学段开设课程是合理的,启蒙越早,受益越深。但从小学到中学,STEM课时数大幅递减,且课时量均在每周5节以下。多数学校将STEM设置为课后兴趣小组,每周1~2课时且时间在30分钟以内。学生在短时间的课程设置下难以一次性完成项目设计,且课程之间间隔时间长,难以形成连续的课程体系。大多数中小学管理者和教师已经意识到STEM的不可替代性,正在逐步迎合时代要求,适应未来的社会需求和发展。

  STEM教育成效独特,大多数教师对“学习STEM课程可以有效促进其他课程的学习”持认同态度。STEM的宗旨在于整合创新,提升学生实际的问题解决能力和跨学科思维意识,将看起来独立的四门学科整合起来产生创见或者进行创造 [12] ,并在教育过程中提倡学生运用多学科相互关联的知识解决实际问题,关注科学、技术、工程和数学四门学科如何在教育实践活动中发挥其功能,从而培养学生的系统思维,引导学生将各学科知识建立内在联系,各学科协同发展,这是单科课程难以达到的。此外,STEM为不同层次学生提供个性化的实践条件,在完成项目的过程中,要求学生调动眼、脑、手等多种器官,在潜移默化中提升学生的综合实践能力和创新能力,以适应不断变化的社会需求。

  教师统计参与过STEM综合课程的3261名学生,对其通过STEM教育得以提升的能力的评价如表9所示,响应百分比表示有效提高该能力频数占总频数的百分比,个案百分比指通过STEM课程有效提高该能力的学生占学生总人数的百分比。由表9可以看出,STEM教育可以显著提高学生搜集、整理信息的能力,独立思考、探究的能力和计算机操作能力。清华大学工业训练中心副主任顾学雍在第二届中国STEM教育发展大会上发言,他认为计算思维是STEM教育的基础。同时,STEM教育也是有效培养学生计算思维的手段,科学、技术、工程和数学领域都涉及计算思维。基于真实情景的STEM项目实践,可以激发学生求知欲望,提高学生的信息应用能力和独立思考的能力,有助于计算思维切实落地。信息浪潮中,计算思维既具有教育意义,也是一种生活技能。计算思维并非一门独立的学科,它和数学思维、工程思维关系紧密 [13] 。由表9可知,通过STEM教育可以有效使计算思维落地,在学生当中产生积极的引领作用。

  资源建设是教育发展和进步必不可少的一环,也是提升教师教学能力的依赖性路径。教育部发布的《教育信息化“十三五”规划》强调,优质资源建设是教育信息化工作中的重点内容 [14] 。STEM课程倡导学生通过动手、动脑解决实际问题,引导学生自主建构,发展跨学科思维。这要求开设的STEM课程具有科学性、严谨性、前沿性,并能够为学生提供相应的硬件、软件、评估工具等。团队对教师和教学管理者就STEM课程实施需要的条件进行调查,调查结果如图1所示,目前STEM课程最需要完善的是适应省域内使用的配套资源和相应教材,且在授课场所和教师专业化方面也有所欠缺。S省大多数中小学使用的STEM资源是普遍适用且来源广泛的,缺乏具有省域特色的本土化开发,且专门的STEM教学管理人员配备不足。调查结果显示,部分学校的STEM课程由科学教师、信息技术教师兼任,这种情况给学科教师增加了工作压力,也会导致课程实施的“业余化”。

  当前的教育背景和教育理念下,基础课程成绩在学校、教师、家长、学生眼中是评价学生的重要指标之一,学校对创新性STEM项目缺乏重视,导致学生参加STEM项目的机会和实践不足。学校管理者和教师首先应转变思想,认识到STEM教育的不可或缺性,改进评价体系,真正实现多元指标评价,开展各式各样的STEM项目活动,为中小学生参加STEM项目提供机会,在项目实践中加强合作与独立思考的能力,培养创造思维,提升STEM素养。

  从省域视角对STEM教育现状进行分析,S省部分地区和学校已经开展了一系列STEM教育的探索、研究和实践,但仍未全面普及,须结合省域情况与社会需要,探索适合本土实际的发展路径。STEM教育为信息化教育的发展、进一步深化教学改革及创新人才的培养提供了有力且有效的抓手。目前,S省基础教育阶段的STEM教育尚未发展成熟,未来STEM教育的推进还有赖于政府部门的支持和全社会的协作参与,有赖于专业人员的科学引领和师生共同的探索实践。基于此次调研的主要发现,本研究提出以下建议。

  调研数据显示,STEM教育的接受度受学生学段与家长支持度的影响相对较大。在STEM教育的发展过程中,应重视性别对学习兴趣的影响、学段不同带来的学习压力对STEM教育的影响,尤其是毕业年级面临升学压力,对STEM教育出现有兴趣无时间的情况,可以尝试探索创造性教学实践,为中学生营造学习空间与时间。同时,促进家长对STEM教育的认可与支持,推动STEM教育成为面向全体学生的公平教育。

  警惕“表态积极,行动迟缓”的行为,正如田慧生在《加强中小学STEM教育 为社会主义现代化强国建设提供强有力的科技人才支撑》一文中所述,加强中小学STEM教育不可不为,不可慢为 [15] 。教育部门和学校应积极开展各式各样的STEM项目活动,为中小学生参加STEM项目提供机会,在项目实践中加强合作与独立思考的能力,培养创造思维,提升STEM素养。

  学校和政府部门、教育机构合作,开发本土化、特色化的STEM资源和教材,注重各学段教育目标和内容的一致性、衔接性。除实验室、STEM空间等学校资源的建设外,社会性资源也是必不可少的,如博物馆、图书馆等。多方合作加强立体化资源建设,真正实现STEM教育创造性融合发展。

  实验室、教具设备是开展STEM教育的空间场所和工具,学校要积极引进所需资源,充分利用已有的实验材料,融合不同学科所支撑的多样化实践活动,将知识的获取、工具的利用以及项目的实践进行有机整合,切实提高学生的STEM素养。此外,设计、开发与学生的知识结构和能力水平相适应的、解决实际问题的STEM课程对创新人才培养具有重要意义。

  以省域为单位,推举STEM教育带头人,引领省域内教师见贤思齐、奋发有为、脚踏实地。建立长期有效的STEM教师培养和评价体系,只有顺利通过资格认证,才算达到了STEM教师标准 [16] 。对于积极性不高的教师,通过激励机制提高其积极性,动员全体教师群策群力,开展STEM教研活动。另外,师范生作为职前教师,在其培养活动过程中,可将STEM教育融入其中,培养师范生STEM教学的能力和资源开发能力,培育具有跨学科背景的师资力量。

  科学合理的评价体系可以有效保障STEM教育的质量,省域内制定评价体系时可以将已有的评价体系引入STEM领域,如吴忭等 [17] 提出利用认知网络分析法对STEM教育开展评价,李艳燕等 [18] 提出的评价工具包含课堂环境、课程结构、教学内容以及学生表现四个一级指标。省域STEM教育评价应以项目特色为基础,将定量分析与定性分析相结合、形成性评价与总结性评价相结合,关注项目的可持续发展与推广价值。

  开展STEM教育的地区和学校要研读前沿教育理念与国家制度走向,学习成功案例,结合本土实际完善学科体系,制订具有省域本土特色的STEM发展规划。在课程形式和内容的选择方面,可根据学校或课外机构的实施情况将STEM项目设置于分科课程、综合课程、活动课程等,教学内容结合本地风土人情,使学生身临其境地参与实践活动。

  应社会所需,与市场接轨,与企业合作,理论与实践相结合,政府部门、高校、中小学、校外机构、企业等社会力量联合起来,建立STEM教育产学研合作共同体。政府部门健全相关政策,高校引领理论研究,中小学立足实践,校外机构和企业提供社会资源,加强共同体交互,形成STEM教育理念、研究与实践的共识,健全资源共建、信息共享的“多方共赢”的合作机制,探索适合本地发展的教学方式,完善学生培养体系,营造全社会STEM教育氛围,实现STEM教育的健康、绿色、可持续发展。

  把省域STEM教育发展成政府推动、学校为主、全社会共同努力的教育行动的同时,关注国内外STEM发展方向,把握STEM实践形式与教育现状,将理论、教学、研究、实践紧密结合起来。STEM教育与编程项目、创客活动相结合,借助数字化学习工具,鼓励学生分享,促进学生利用跨学科知识解决问题,实现STEM应用和创新层面进一步延伸和扩展。

  纵观全球发展趋势,以STEM教育、创客教育、人工智能、大数据等为代表的新兴科技正在蓬勃发展,想要跟上时代步伐,需要大量创新型人才的支持。STEM教育在基础教育阶段的发展,引发了社会各界对传统教育理念的思考,改变了传统的教育思维方式。如何在省域经济、社会、教育协同发展中使STEM教育走向繁荣显得越发重要。本研究根据研究主题,在参照已有问卷的基础上,结合S省实际情况,编制调查问卷,对中小学生和教师进行大规模调查,从而获取全面、真实的数据信息,分析STEM教育在S省的发展现状并为其今后的繁荣出谋划策,从关注特殊变量、打造立体化资源、审视评价体系、增强共同体交互四个方面提出建议,擘画STEM教育全民化、师资培养路径多元化、STEM发展本土化、教育创新一体化的STEM发展蓝图,助力省域STEM教育科学、健康发展。

  由于时间、精力和人力的缺乏,本研究未能对S省内全体中小学生及教师进行调查,若在时间、精力和人力允许的情况下,扩大样本量会对省域视角下中小学学生STEM教育现状有更为详实的呈现。我们将继续探索省域视角下STEM教育的现实发展路径,通过更多的实证研究和教学实践探求具有本土特色的可持续发展之路。期待STEM教育在S省更大范围实施,让学生学会思考、学会创新,在研究中发现问题,在实践中解决问题。在浩荡的时代东风中,以问题为载体,以创新为契机,以STEM教育为依托,让每一个学生能够在信息化浪潮中乘风破浪,砥砺前行。

  [1]冯子娟.美国高中STEM教育实施研究[D].长春:东北师范大学,2018:6-7.

  [4]王少媛,刘国瑞.推进省域高等教育科学发展是一项系统工程[J].现代教育管理,2015(1):38-42.

  [8]宋怡,刘晓雨.STEM学习态度与教学效能感研究:基于南京市4所小学的调查[J].成都师范学院学报,2020(3):55-64.

  [12]杨开城,窦玲玉,李波,等.STEM教育的困境及出路[J].现代远程教育研究,2020(2):20-28.

  [13]朱珂,贾鑫欣.STEM视野下计算思维能力的发展策略研究[J].现代教育技术,2018(12):115-121.

  [15]田慧生.加强中小学STEM教育 为社会主义现代化强国建设提供强有力的科技人才支撑[J].今日教育,2018(1):34-37.

  [16]李义茹,彭援援.STEAM课程的发展历程、价值取向与本土化建设[J].现代教育技术,2019(9):115-120.

  [17]吴忭,王戈,盛海曦.认知网络分析法:STEM教育中的学习评价新思路[J].远程教育杂志,2018(6):3-10.

  [18]李艳燕,董笑男,李新,等.STEM教育质量评价指标体系构建[J].现代远程教育研究,2020(2):48-55,72.

  陈思含(1997— ),女,山东淄博人,硕士研究生,研究方向为STEM教育、技术支持下教师专业发展;

  亓建芸(1979— ),女,山东莱芜人,讲师,研究方向为网络教育应用、信息化下教师专业发展;

  赵可云(1981— ),男,山东潍坊人,教授、博士生导师,研究方向为教育信息化、STEM与人工智能教育、信息技术与课程整合。