一、美國實施K-12階段STEM教育的措施
1.制定多層次、個性化的課程標準
美國K-12階段的教育，每一門課程都有詳細的規劃和操作標準。具體到STEM教育，不同年級、不同課程也有詳細的標準。如《K-12科學教育框架》、《新一代科學標準》、《K-12工程教育標準》、《各州共同數學核心標準》等。除了這些獨立的標準，還有與之配套的解釋性文件。學校的教學以具體標準為指導，以保證教學質量。如《各州共同數學核心標準》[1]，規定了不同年級的數學教育標準，為各個學校獨立開展數學教學提供綱領性的指導。到了高年級，學校還會幫助學生形成系統的學科概念，并有意識地建立學科之間的廣泛聯系。以科學教育為例，美國初中和高中的科學教育采用“3+1”的內容設置，即三個主要的科學領域：物理科學、生命科學、地球與空間科學實踐環節——工程設計。與小學相比，中學科學教育有了明顯的學科劃分，并且逐步形成一定的學科知識和理論體系。
全國性的STEM教育標準起到統領全局的作用，各州還根據自身的實際情況，在全國性標準的框架下，設計州一級的STEM教育方案，因地制宜地開展STEM教育。如北卡羅來納州在國家標準的框架下設置了多種形式的STEM教育課程。[2]各學區、學校制定自己的標準，有助于發揮自身的優勢，形成STEM教育的特色。
2.增強STEM課程融合
進行學科之間的融合，已經成為很多國家科學教育政策主導和研究的熱點。[3]美國現行的科學、技術、工程、數學標準，均體現出不同程度的學科融合傾向。2012年最新的《K-12科學教育框架》強調“科學”與“工程”的融合，強調科學教育的跨學科性。美國K-12階段的技術教育也注重與其他教育內容交叉和融合。以技術與工程的融合為例，美國K-12階段有專門的工程技術內容，設置計算機科學、工程兩方面的內容。不同階段科學教育內容的設置方式也有所不同。2014年發布的《K-12教育中的STEM融合：現狀、預期與一項研究議程》概括了STEM教育中各領域從獨立到不斷融合的歷程。
項目是美國STEM教育中實現課程融合的又一重要方式。例如，PLTW(Project Lead The Way)項目、暑期項目、課外項目等，這些項目強化STEM教育的地位，并將科學、技術、工程、數學內容密切結合起來。融合的STEM課程，有助于激發學生的STEM興趣，引導學生在高等教育中選擇STEM專業，甚至走上STEM職業道路。
美國特別關注人文社科類課程對K-12 STEM學習的促進作用。在STEM課程以外，還有諸如戲劇、繪畫等在內的課程。學生在具備了充分的學術能力以外，還有較高的人格修養，不僅為升入大學做準備，也為職業生涯做好了充分的準備。
3.社會力量廣泛參與K-12 STEM教育
美國的社會團體和組織在促進K-12 STEM教育方面發揮著重要作用。除了聯邦政府和州政府，這些社會力量可以大致分為三類：教育機構組成的團體、企業團體和公益組織。
美國的教育機構彼此之間聯系密切，并成立了各類協會，共同商討教育問題。全國STEM中學聯盟(National Consortium of Secondary STEM Schools，NCSSS)是一個致力于推動STEM教育的組織，成員以初中為主，還包括一些頂級高中，同時還有大學、暑期項目、公司、基金會。該組織的宗旨就是為學生成為科學、技術、工程、數學方面的領軍人物做準備。在具體的工作中，NCSSS主要通過為成員單位的師生提供服務、建立合作、傳達STEM教育通知、發起教育改革等活動促進中學STEM教育的發展。除了像STEM中學聯盟這樣的專門組織外，一些STEM領域的高級機構也對K-12 STEM非常重視。美國國家工程院(National Academy of Engineering，NAE)的工作內容之一就是為K-12工程教育提供前沿思想。NAE通過設立項目的形式，鼓勵基礎階段的工程教育研究。通過這種方式，充分調動老師和學生的積極性，鼓勵學生參與到創新性學習中。[4]通過一系列項目，NAE讓K-12階段的工程教育與大學教育逐步接軌，并且將視野拓展到整個STEM領域，進而推動K-12階段STEM教育的發展。
美國的企業致力于推動K-12 STEM教育的發展，這是因為進入知識時代，美國企業認識到如果沒有高素質的人力資源，企業的生存與發展將無從談起。企業參與的方式不一，有的聯合成立公益機構，如一百多位企業CEO發起的致力于推動中小學STEM教育的“變革方程”;有的則是直接向政府提供STEM教育改革建議，影響美國STEM教育的政策，如名為“激活美國的潛力：為了創新計劃的教育”的報告即為“企業圓桌會議”這一協會所提交。
圖書管理員在K-12階段的STEM教育中也發揮著重要作用。在一個以創新為中心的環境中，圖書管理員是創造者、創新者和導師。[5]他們作為STEM項目的參與者，不僅通過動畫、數字等技術手段對學生進行教育，而且能夠成為連接學校和企業的橋梁，為STEM教育項目籌集資金。除了圖書館，國家公園、博物館等通過提供有效的STEM經歷，培養學生的興趣，使學生形成對STEM的積極態度，提升學生的科學素養。
目前，美國正在構建一種新的STEM學習生態系統，主要目標是實現正規教育、非正規教育和課外教育三位一體的STEM教育，有效整合K-12 STEM教育的資源，提高STEM教育的效率。
4.多項機制保障K-12 STEM教育
(1)優秀師資培育機制。要切實提高K-12階段學生STEM方面的素養，師資是重要的保障之一。一方面，美國制定了不同專業教師的資格標準，STEM教師不僅要具備所教課程的知識和資格，而且還要具備跨學科的知識和能力，以適應STEM教育的最新形勢。另一方面，美國計劃增加K-12階段STEM教師數量。根據2013年《美國聯邦政府STEM五年戰略規劃》，到2020年美國將增加100，000名K-12階段STEM教育的優秀教師。[6]與之相呼應，美國有各種形式的STEM領域教師培訓項目，以提供給教師更多的培訓。不僅如此，還對表現優異的STEM教師給予激勵，“數學和科學卓越教學總統獎”即是激勵方式之一。這些措施為美國培養優秀師資以及高素質的STEM學生提供了保障。
(2)多元經費支持機制。為了能夠保障K-12階段的STEM教育，美國還特別注重教育投入。研究認為中學和高等教育階段高質量的STEM教育與美國的創新能力和經濟繁榮密切相關，[7]對STEM教育進行投入就成為保持經濟活力的關鍵。在經費投入方面，美國聯邦政府主要是通過聯邦教育部、國家科學基金會、衛生及福利部進行STEM教育經費發放，這些投入占STEM教育投入的80%以上。2015年奧巴馬政府在STEM教育上的預算為29億美元，其中用于K-12 STEM教育的為3.2億美元。[8]除了聯邦政府的投入，美國的社會團體、公司等也對K-12 STEM教育投資，他們的投資主要針對STEM項目或課外STEM活動。例如，美國科學促進會(AAAS)對非營利組織用以加強K-12階段STEM教育中學生、老師和專業人士的合作。[9]
(3)行政支持機制。美國聯邦政府通過制定規劃、發布文件等方式對K-12階段的STEM教育提供行政支持。這些行政行為對具體教育方案的制定和實施起指導作用。例如2013年美國政府發布了《聯邦科學、技術、工程與數學教育五年戰略規劃》，對包括K-12在內的STEM教育活動進行了部署，明確提出“STEM教育應優先于政府在教育方面的其他工作”，[10]同時也為各州制定各自的STEM教育及普及方案提供了框架。不僅如此，一些州將K-12 STEM教育作為本州事務的重點加以重視，采用行政的手段予以保障。2014年，愛德華州立法機構會議討論的立法優先權議題中就包括K-12 STEM教育。[11]
(4)特殊群體STEM教育保障機制。在加強STEM教育的背景下，美國注重對少數族裔、女性及家庭貧困等弱勢群體的STEM教育，并且鼓勵他們在未來從事STEM相關工作。增加女性及少數族裔在STEM工作中的比例，是當前美國成功的STEM教育的目標之一。[12]除此之外，一些社會組織及公司針對這些弱勢群體采取相應的措施，如2014年尼桑捐贈18萬美元用以支持拉美裔美國公民的教育，并鼓勵他們從事STEM方面的職業。[13]
5.強化K-12與大學STEM教育的銜接
美國K-12與大學STEM教育銜接首先體現在一般課程設置和實踐環節的設置上。這種銜接主要是通過在中小學開設STEM相關課程的方式實現的，如學院高中課程。[14]這種做法在美國由來已久，如工程教育課程可以追溯到20世紀90年代初。[15]除了課程設置，美國K-12 STEM教育還有課外活動環節，這些課外活動通過學生自己動手做實驗、參觀體驗等形式，讓學生不斷增加對STEM的認識和興趣，培養STEM思維，并引導他們在大學選擇STEM專業。
K-12與大學STEM教育的銜接還體現在與招生掛鉤的特殊課程上。為了培養更多的STEM創新人才，美國越來越多的大學與中學建立了密切的聯系，雙錄取項目[16]是美國大學招生方式之一。實施雙錄取項目的大學為基礎教育階段的學生，特別是高中生提供STEM類的課程，這類課程一般稱為AP(Advanced Placement Program)課程，針對那些學有余力、成績優異的高中生，允許他們先修大學的部分課程并獲得學分。研究表明，雙錄取制度不僅有助于實現高中與大學的銜接，[17]而且是創新人才培養的需要。[18]不僅如此，美國還通過制定各項政策來保障K-12與大學的銜接，[19]《不讓一個孩子掉隊法案》就是其中之一。在美國文化中，人們認為每個孩子都能成功，托馬斯·阿姆斯特朗的經典教育專著《每個孩子都能成功》認為，很多孩子在學校不成功，是學校教育方式的問題，而非孩子本身的問題。所謂問題孩子、差生應當采取特別的教育方式，保障每個孩子都能實現各自價值。
6.成立專門STEM學校
當前，STEM中學是美國K-12 STEM教育中的一個特色。史蒂文森中學是美國最早的STEM中學，同類的學校還有俄克拉荷馬數學與科學學校、伊利諾伊數學與科學學校等。STEM中學最初是為了培養技術工人，服務于美國經濟的發展。隨著后來各國在科技領域競爭環境的變化，STEM中學逐漸演變成為培養STEM領域人才的精英教育學校。這些學校在美國的影響力較大，是美國培養高層次人才和創新人才的重要方式。STEM中學不僅有自己的招生制度，還設置有幫助學生創新能力發展的課程。通過分階段的培養，STEM中學成為STEM人才的搖籃。
二、美國K-12 STEM教育對我國的啟示
1.增加實踐訓練，培養STEM整體思維
盡管素質教育在我國已經提出了數十年，但在實際操作過程中，很多學校仍然以升學率等指標為導向，中小學教育中的應試思維仍然沒有得到根本的轉變。在一個以創新為主旋律的時代，迫切需要培養中小學生的創新思維，這是學生發展的需要，也是國家創新能力和國際競爭力提升的需要。培養創新能力的關鍵在于重視STEM教育中的興趣培養和實踐環節的設置。首先，增加學校教育中的實踐環節，應當在中小學教育中增加類似美國的“工程設計”內容或環節，培養學生的問題意識、動手能力和思維能力。其次，增加課外實踐環節，我國中小學的STEM教育盡管成績斐然，但卻存在動手能力差、實際應用能力弱等問題，學生的想象力和創造力沒有得到充分的發揮。為此，應當讓學生更多地走出教室參與實踐，科技展覽、博物館、各類STEM相關的課外項目應當納入到中小學STEM教育中。最后，加強教學過程中的課程融合，形成STEM大課程思維，避免教學過程中各個課程之間的人為撕裂與孤立，進而讓學生形成對STEM領域問題的全面感知。這不僅有助于保持和增加對STEM領域的興趣，而且能夠為未來的學習和工作打下重要基礎。
2.動員社會力量，加大STEM基礎教育投入
社會機構參與中小學的STEM教育，不僅能夠提供更多的資金支持，而且能夠起到聯系和溝通的作用。另外，社會機構的參與還能夠提供更多的教育資源，豐富教學內容，例如可以通過設立項目的方式參與中小學的STEM教育，使學生的想法和實踐能夠找到現實的支持平臺。圖書館、博物館、科技館這樣的公益組織，也可以發揮在STEM方面的優勢，與中小學建立廣泛的聯系，參與到STEM教育中來。鼓勵民間的STEM教育基金會、學術研究機構、中小學STEM教育聯盟等多種類型的社會機構參與，可以充實我國中小學STEM教育的力量，更好發揮中小學在STEM創新人才培養中的作用。
3.培養卓越師資隊伍，保障STEM基礎教育經費
保障機制是中小學STEM教育成功的必要條件，師資、經費是保障機制中的兩項重要內容。處于教學一線的中小學教師對STEM教育的效果有直接的影響，高素質的師資對提高學生的STEM素質、培養學生創新思維和能力至關重要。根據《中國教育報》的報道，我國中小學教師發展總體處于世界中等水平，[20]這表明中小學教師發展的總體水平仍有上升的空間。2012年2月教育部印發了《幼兒園教師專業標準(試行)》《小學教師專業標準(試行)》和《中學教師專業標準(試行)》，以文件的形式對相關教師標準作了規定。盡管這些標準對不同學段的教師提出了有針對性的要求，但對教師自身的創新能力、實踐能力及跨學科能力的要求還不夠突出。當前教師的選拔和考核以“合格”為標準，尚未到達“優秀”、“卓越”的層次，未來應當完善中小學STEM教師的選拔和考核標準，健全中小學STEM教師的激勵機制，提升中小學STEM教師的整體水平和工作熱情，以培養更多的優秀中小學STEM教師。
2007年至2011年，我國的中小學教育經費連續增長，截至2011年，中學和小學的財政性經費分別超過了85%和95%，[21]①但并沒有細化到各學科，對STEM教育的投入沒有相應的統計數據。另外，根據研究教育投入對經濟增長并無明顯的作用，而教育質量則與經濟增長正相關。[22]與經濟增長密切相關的領域是STEM領域，應當注重提高STEM教育的質量，特別是作為基礎的中小學STEM教育的質量。
4.與大學STEM教育接軌，制定戰略性STEM基礎教育方案
傳統應試教育中，中學只負責把學生送到大學，大學只負責學生入學后的教育，中學和大學之間缺少必要的銜接。中小學是STEM創新的萌芽階段，如果缺少必要的培育條件，必將影響大學及未來創造力的生長和創新成果的產生，為此有研究指出應當進行“聯動大學、立足中學、推動大中學的深度合作”等建議。[23]借鑒國外的經驗，我們已經在少部分學校試行美國的AP課程。這種試行應當以中小學教師深刻理解STEM教育及創新人才的素質要求為前提，同時大學更應當掌握中小學教育的客觀實際，以便制定符合中國現狀的STEM人才培養方案。
在招生制度方面，我國正在實施的自主招生制度是選拔創新人才的一種有益嘗試，在理念上拉近了高中教育與大學教育的距離。在實際操作中，這種方式仍存在許多問題。[24]在通過招生制度改革，加強中學與大學銜接方面，中國還有很多路要走。
