美国中小学STEM学业成绩与相关政策 ——基于NSF报告的分析与评述

摘要：美国中小学STEM学业成绩是影响美国STEM教育政策制定的重要考量。最新报告显示：美国中小学STEM学业成绩近年来缓慢提升；STEM学业成绩在不同种族、家庭经济背景以及性别之间存在显著差异；美国中小学STEM学业成绩水平总体位居世界发达经济体的中游位置。并且，STEM学业成绩会直接影响到高中毕业后的专业或职业选择。针对这些现象，在美国最近出台的STEM教育政策规划中均有相关的应对措施。相比较而言，我国应进一步加强教育数据搜集的科学性、全面性；发挥本土优势，开展STEM科目测评研究，为教育科研与决策提供翔实依据；并加强政府部门间合作，全社会共同推进STEM教育。

关键词：STEM教育，STEM测评，STEM政策

近期，美国国家科学基金会（National Science Foundation, NSF）的内设机构——国家科学理事会（National Science Board, NSB）针对美国中小学STEM教育出台了《科学与工程指标2020：中小学数学与科学教育》（Science & Engineering Indicators 2020：Elementary and Secondary Mathematics and Science Education）。该报告是在《科学与工程指标2018》（Science & Engineering Indicators 2018）的基础上，将近两年最新的STEM（科学、技术、工程、数学）学科成绩数据纳入进来，对当前全美中小学STEM学业成绩，学生不同群体的STEM学业成绩差异，以及K-12阶段教育完成后的学生走向进行了阐述分析。这类报告可谓是美国中小学STEM学业成绩的晴雨表，它所反映的STEM教育现状可作为美国STEM教育政策制定的依据。有鉴于此，本文拟围绕该报告，对当前美国中小学STEM学科的成绩表现、不同群体间成绩差异、高中毕业生走向等进行分析介绍，探讨其对STEM教育政策走向的影响，在此基础上，结合我国中小学STEM教育的实施现状，开展分析与比较。

一、美国中小学STEM学业成绩概述

（一）中小学STEM学业成绩的评价方案和维度

《科学与工程指标2020：中小学数学与科学教育》的数据主要来源是美国联邦教育部国家教育数据中心（National Center for Education Statistics，NCES）的全国教育进步评估（The National Assessment of Educational Progress，NAEP）和2010-2011学年度开始的幼儿发展纵向研究项目（the Early Childhood Longitudinal Study, Kindergarten Class of 2010-11，ECLS-K:2011）。NCES所开展的这类项目，多年来持续致力于评估美国学生各学科领域的知识和能力水平，在全美颇具代表性。该报告借助NAEP、ECLS-K:2011的若干指标，展现美国不同家庭背景、不同族裔以及不同性别的中小学生STEM学业水平；此外，还通过国际比较的方式，明确美国中小学STEM教育在发达国家间的排行，以此为制定相关的教育政策提供基础。所采用的评价维度包括如下几个方面：

1. 采取多种衡量工具

该报告主要采用平均分、量表分数以及百分位数等方式，横纵结合，分析与比较同一学生群体在不同时期、不同群体学生在同一时期的STEM学业成绩，以及分析比较不同国别和地区间中小学生的STEM学业成绩水平。其中，量表分数是将原始分数转换为标准分数，以便比较同一科目在不同时期的测试分数。借助百分位数，可以横向开展国别和区域间学生成绩不同层次的比较，通过各项衡量指标相互补充、相互映照的方式，尽可能全面地获取对美国中小学生STEM学业成绩国际排名的了解。

2. 通过追踪评测观察变化趋势

该报告援引了两项纵向追踪调研，一是面向小学早期阶段学生，从2010-2011学年度开始，运用儿童早期纵向追踪研究（Early Childhood Longitudinal Study, Kindergarten Class of 2010-11，ECLS-K:2011）的方式，追踪其成长过程中STEM学业成绩变化；二是面向高中生群体，开展高中纵向研究项目（High School Longitudinal Study of 2009 , HSLS:09），追踪从高中到高中后教育阶段的专业学习和高中毕业后参加工作的职业选择，从而历时性展示美国中小学STEM教育的发展。

3.着眼于促进公平和提高STEM教育的国际竞争力

总体来看，该报告主要从促进STEM教育公平与提升国家教育竞争力的角度出发，对美国中小学STEM学业成绩现状进行了梳理总结。一是通过平均成绩和优良程度来了解美国中小学STEM学业成绩的总体水平，并对不同族裔、性别以及家庭经济背景学生之间差异进行比较，找出差距，明确施政方向。二是借助多重衡量指标，通过国际比较的方式，比较美国与其他发达国家和地区之间中小学STEM学业成绩差距，明确所处坐标，为制定STEM教育强国战略提供依据。

（二）中小学STEM学业成绩现状

1. 近年来，美国中小学生STEM学业成绩缓慢进步

在这里择取八年级学段和K-5学段的评测结果，来看全美中小学生STEM学业成绩。全国范围内，八年级学生的数学（Math）成绩在过去30年中有所提高，但是大部分改进发生在前面的20年。在科学（Science）方面，根据《科学与工程指标2018》（Science & Engineering Indicators 2018）显示，2009年至2015年间，NAEP面向四、八、十二年级的科学测试，四年级和八年级平均得分均提高了4分，略有提升。在技术和工程素养（Technology and Engineering Literacy, TEL）方面，自NAEP首次在2014年开展评估以来，美国学生技术和工程成绩也有所提高。

在数学科目方面，自1990年以来，美国八年级学段的数学平均成绩呈上升趋势，但最近几年上升速度有所放缓。在2007年之前，平均分数提高了16分，从1990年的263分增加到2005年的279分，2007年之后增速有所放缓（图1）。

图1：美国八年级学段数学测试成绩变化

在科学（Science）成绩方面，美国K-5学段的科学成绩不断提升。ECLS-K:2011自2010-2011学年度开始，采集了18200名幼儿园毕业班学生的样本量，并由此开始对这些学生每年进行跟踪和测试，一直延续到2016年。结果发现，近几年美国小学阶段科学成绩不断提升。如图2所示，无论是白人、黑人、拉美裔还是亚裔学生，尽管不同族裔之间科学平均分数有所差异（白人学生始终稍为领先），但不同族裔学生的科学成绩连续五年均呈上升状态。

图2：美国小学生科学成绩追踪评测（平均分）

此外，NAEP在2014年对八年级学段学生进行了首次技术和工程素养（Technology and Engineering Literacy，TEL）评测，时隔四年之后对当年的八年级学生进行了再度评测。两相对比，2018年八年级学段的TEL得分比2014年高2分（152对150）。

如此缓慢的进展程度，并不足以为STEM教育强国战略提供足够支撑，所以美国近年来出台的STEM教育政策每每将提高中小学生STEM学业成绩作为重要的施政着眼点。

2.STEM学业成绩在不同家庭收入、族裔和性别之间差别显著

美国是个多元种族的国家，白人、黑人、拉美裔、亚裔是最主要的种族。不同种族间教育不均衡历来是困扰美国教育公平的突出问题，家庭收入和性别差异也是影响教育公平的重要变量，在STEM教育领域也不例外。该报告显示，在不同家庭收入、族裔和性别之间，中小学生STEM学业成绩呈现明显差异。

图3：不同家庭收入背景学生数学追踪评测

一是高收入家庭学生成绩普遍高于低收入家庭学生成绩。报告援引了儿童纵向研究（Early Childhood Longitudinal Study，ECLS），该研究采用了联邦统计部门2010年确定的联邦贫困线标准来考察不同家庭收入背景学生在STEM学业成绩方面的差别。低收入家庭是指家庭收入低于联邦贫困线，高收入家庭意味着家庭收入至少不低于联邦贫困线划定收入的2倍。根据ECLS-K:2011调研数据显示，来自高收入家庭学生的STEM学业成绩要高于来自低收入家庭学生的STEM平均成绩。并且，随着年龄增长，不同家庭收入背景学生的STEM学业成绩差距呈逐渐扩大趋势。幼儿园时期（2010年）高、低收入家庭学生数学平均成绩差距为8.9分，到了小学五年级（2016年），这一差距扩大到12.9分（图3）。小学一年级时（2011年）高、低收入家庭学生科学平均成绩差距为6.8分，到了小学五年级（2016年），这一差距扩大到9.5分（图4）。

图4：不同家庭收入背景学生科学追踪评测

与小学阶段数学成绩差异相类似，据1996年以来NAEP针对八年级学段数学科目测试结果显示，高家庭收入背景的八年级学生数学平均分一直高于低家庭收入背景（可以享受学校免费午餐）25分以上，2017年这一差距为27分。而据NAEP在2014年、2018年分别对八年级学段开展的工程与技术测试结果显示，高收入家庭背景学生高出低家庭收入背景学生分别为28分、26分。

图5：不同族裔小学生数学成绩追踪评测

二是STEM学业成绩在族裔间分布不均，白人、亚裔较占优势。如图2、图5所示，白人、亚裔小学生的科学、数学成绩平均分通常高于其他族裔。根据NAEP2017年针对八年级学生数学测试结果显示，62％的亚裔学生成绩达到或超过熟练程度，而白人学生为44％，黑人学生为13％，西班牙裔学生为20％。再比如，根据NAEP2014年、2018年的工程与技术测评数据显示，八年级学段的白人、亚裔学生的科学成绩平均分也是高于其他族裔（图6）。

图6：八年级不同族裔学生科学成绩评测

三是STEM学业成绩部分存在性别差异。小学阶段男生STEM学业成绩略高于女生，到了中学阶段差距不明显，部分科目如技术与工程成绩开始低于女生。相对家庭背景和种族因素，男、女生STEM学业成绩也存在差异，但不太明显（图7、图8）。但就高中阶段开设的AP课程、IB课程中的STEM科目而言，女性无论选修率还是考试成绩，均不及男生。

图7：小学男、女生数学成绩追踪评测

图8：八年级男、女生科学成绩追踪评测

总体来看，美国中小学生不同群体间STEM学业成绩存在差距，并且有迹可循，学生早期STEM学业成绩会影响到学习态度和信心，家庭收入、种族、性别等因素也都会影响到学生当下及未来的学习，这样的趋势在当前美国是普遍存在的。

此外，STEM师资分布不均也是造成上述不均衡现象的重要原因。据美国国家科学理事会（National Science Board）发布的《科学与工程指标2018》报告显示：美国中小学STEM学科教师的认证合格率、教学经验、年收入等等，因学校所在地的经济水平、族裔分布等因素而呈明显差异。一般来说，优秀STEM师资（包括认证合格率、教学经验等）更多集中在经济水平高、白人居住的地区，相应的收入水平也高。例如，该报告指出：高贫困地区学校数学教师的认证合格率为88％，而低贫困地区学校数学教师的认证合格率为95％；高贫困地区高中数学教师科班出身者占比87%；而低贫困地区高中数学教师的科班出身者占比95%。再比如，高贫困地区新手数学教师（教龄＜3年）占比18％，而低贫困地区新手数学教师占比10％。

3.美国中小学STEM学业成绩在发达经济体之间位居中游

该报告援引了国际数学与科学研究（The Trends in International Mathematics and Science Study, TIMSS）与国际学生测试项目（The Program for International Student Assessment, PISA）相关数据，分别采用平均分和百分位数开展比较，尽可能全面获取对美国学生STEM学科领域成绩国际排名与实力的了解。结果显示，在国际货币基金组织（IMF）所确定的19个发达经济体中，美国的科学和数学测试成绩平均分排名均为第9（数学621分，科学597分），位居中游。进一步，该报告根据2015年TIMSS测评数据，确定参评国家或地区学生成绩最高（成绩位列90%和95%以上）和最低（成绩低于10%和5%以下）的百分比分数，据此对每个国家和地区的学生成绩进行分组和比较，然后发现：科学测试中，新加坡有34％的学生成绩位列第90个百分位数组，美国只有8％的学生成绩位列该组，美国学生科学上游成绩在发达经济体中位居第九（表1）。同样的比较显示，美国学生的数学上游成绩在发达经济体中位居第八。

表1：发达国家和地区八年级TIMSS科学测试成绩情况

上述历史、国内差异和国际比较等维度的衡量结果表明，美国中小学STEM学业成绩进步缓慢，不同学生群体的成绩存在巨大差异，并且在国际上排名并不理想。因此，美国朝野上下对当前中小学STEM学业成绩并不满意，K-12阶段的STEM教育实力也不足以支撑国家创新战略需求。打造优秀STEM师资，提高STEM教育质量，促进STEM教育公平，已成为近年来美国STEM教育改革所要突围的重点内容。

二、与STEM领域相关的高中毕业生走向

随着美国朝野上下对STEM教育的日渐重视，以及产业结构升级换代对于STEM领域劳动力需求的不断增加，K-12阶段STEM教育的战略性意义愈加突出。美国的高中生无论是升入高校学习，还是毕业后直接就业，STEM教育均成为影响他们人生选择的重要因素。

（一）STEM教育影响中学后教育阶段的专业选择

美国高中毕业后升入高等院校的比率，从1980年的49%增长到了2016年的70%，高等教育普及化程度日渐加深，超过2/3的高中生毕业后会进入高校学习。2016年全美约有310万高中生毕业，其中有220万进入2年制或4年制学院或大学继续学业。

报告援引了一项全国范围内开始于2009年的高中纵向研究项目（High School Longitudinal Study of 2009 , HSLS:09），来考察高中时期数学和科学学习以及大学时期从事STEM专业学习的关联程度。HSLS:09项目先是于2009年在全国范围内选取了20000名9年级学生作为样本并进行调查，然后于2012年、2013年和2016年分别做了调查。研究发现，这类群体中那些进入高中后教育阶段学习的群体中，有41%的学生研修STEM专业，并最终取得相关学位。

在其中，高中后教育阶段的STEM专业选择，在不同家庭收入背景、种族背景以及家长学历背景之间也存在显著差异。例如亚裔学生从事STEM专业学习占比最高（54%），其次是西班牙裔（42%）、白人（41%）和黑人（40%）。父母为高学历背景的学生更倾向于选择STEM专业，另外，那些毕业成绩好的学生，高中时期曾选修IP课程、IB课程的学生，以及具有数学、科学专业特长生也容易选择STEM专业。相对来说，女生、黑人学生以及西班牙裔学生在中学后阶段的STEM教育领域处于少数或弱势，难以取得较高的STEM学业水平。

（二）中学STEM教育影响高中毕业生就业方向

根据该报告数据，2016年，全美约有28%的高中生毕业后参加工作。这一群体中有85%的毕业生从事有报酬的工作，而在从事有报酬工作群体中，又有14%的人从事技术熟练型职业（Skilled Technical Workforce，STW）。STW职业是指对科学和技术知识技能要求较高的，但是并不一定高等教育学历的职业，它通常被视为通向中产阶级的途径。在美国劳动力群体中，STW员工占比为12%，发挥着重要作用，美国劳动力市场缺乏足够的STW员工。有些人须接受高等教育后才能谋取STW职业，而另一些人则可在高中毕业后直接从事STW职业。

HSLS:09项目分析了高中阶段选修STEM课程、就业选择以及赚取薪水高低之间的联系。结果表明：选修STEM课程并接受相关职业和技术教育与高中毕业后直接从事STW职业有着较强的相关关系。并且，选修STEM课程并接受相关职业和技术教育的群体在参加STW职业的性别差异更为显著，男生占比79%，女生仅为21%。

美国高中阶段提供的职业技术教育涵盖了STEM领域和非STEM领域，这类职教课程旨在向学生提供未来职场需要的技能，帮助学生毕业后寻找工作。对于那些高中毕业后即参加工作的群体来说，参与STEM教育领域职业和技术培训的学生，如机械制造、工程等，更容易进入STW职业领域，并且相对于非STW职业，STW职业平均每小时工资的中位数要高出1美元。

三、比较与思考

在结论部分，该报告指出美国中小学STEM教育尚需从如下三方面继续努力：（1）确保所有学生都有均等接受STEM教育的机会；（2）持续改进STEM教育；（3）提升美国K-12阶段STEM教育的竞争力。并且，该报告呈现的分析结果显示：K-12阶段STEM教育在鼓励学生升学选择STEM专业，以及促使他们从事STEM职业方面发挥着重要作用。

这篇报告是美国最新STEM教育战略——《为成功规划路线：美国STEM教育行动方略》（Charting a Course for Success: America’s Strategy for STEM Education，又称“北极星计划”）出台之后第二年出具的报告，该报告所反映的诸多现状和问题，可以说既是美国当前“北极星计划”施政措施的现实考量，也有不少地方是针对“北极星计划”中的某些政策条款作出的回应，如搜集和分析STEM教育数据、提高STEM透明度等。这类报告与STEM教育政策内容联系如此紧密，其重要性不容忽视。在这里，有必要对这类报告及美国STEM教育政策的关系稍作探讨。

（一）美国STEM教育调研及政策制定

多年来，美国国家科学基金会（NSF）是影响美国STEM教育的举足轻重的部门，它所提供的咨询报告直接影响到美国的教育决策。在历史上，NSF在推动《国防教育法》起草与制定过程中发挥过重要作用。1990年代，NSF率先提出了“SMET”作为缩略词以代表科学（Science）、数学（Math）、工程（Engineer）和技术（Technology）等主要科目，到后来改为“STEM”作为缩略词，并不断赋予新的内涵。进入21世纪以来，但凡涉及STEM教育政策制定，NSF总是参与其中，或提供资金，或设立项目，或提供情报，或开展研究。由此可见，国家科研主管部门在推进美国中小学STEM教育过程中发挥的重要作用。

美国联邦教育部的重要职能之一是搜集教育数据和信息，发达的教育信息搜集系统，为教育研究和决策提供了翔实的依据。该篇报告虽是由NSF发布，但其中关于STEM学业成绩的数据来源于联邦教育部旗下国家教育统计中心（NCES）诸多评估项目的结果。

该报告是在国家层面对全美中小学生STEM学业成绩开展评估，从STEM教育战略要求出发，新增了技术和工程学科的测评成绩内容。随着美国STEM强国战略的逐渐明确和STEM教育实践的推进，NCES也会开发出更具体更有操作性的评价方案，围绕STEM学业成绩测评的这类报告内容也会更加丰富，为相关政策的制定提供更为翔实的参考依据。

“北极星计划”是特朗普政府上台以来推出的STEM教育方案，它虽然是接续奥巴马政府2013年颁布实施的“联邦STEM教育战略五年计划”（Federal STEM Education 5-Year Strategic Plan），于2018年期满后制定的新一轮规划。但显而易见，该计划增加了许多新的内容。是特朗普政府时期为实现“让美国再次强大”的标榜口号而在教育领域作出的行动。该计划在开篇就提出“过去20年里，美国基本的STEM技能有了显著增长，但相比于其他国家也逐渐落后。根据数据显示，从2006到2015年，美国15岁学生在国际数学测试方面落后于国际平均水平，在科学素养方面仅仅稍高于国际平均水平”。显然，就是从这类报告所反映的问题出发，“北极星计划”提出了如下三项战略目标：（1）为提升全民STEM素养打造坚实的基础；（2）促进STEM领域的广泛性、多样性、公平性与包容性；（3）为未来培养STEM领域就业工人。另外，“北极星计划”中提到的加强STEM教师培训，加强学校与用人单位合作，推进“基于工作的学习”（Work Based Learning, WBL）等等，可以说几乎就是针对《科学与工程指标：中小学数学与科学教育》所反映的现状和问题作出的精准施策。

（二）NSF报告之于我国STEM教育的启示

我国STEM教育虽然近几年刚刚起步，但也有着较长的历史。早在恢复高考后的1980年代，社会上就有着“学好数理化，走遍全天下”的流行语，反映出了STEM教育可以改善个人生活，推动各行业发展的共识。在教育信息化“十三五”规划中，明确指出要促进跨学科教育（STEAM）教育。近年来，为促进新世纪创新型人才培养，加强人才储备，各国相继推出了STEM教育战略，在这种背景下，面向教育信息化“十四五”发展规划，我们要在各地实施STEM教育的基础上，充分挖掘本土基础资源，发挥好现有优势，进一步推进STEM教育。对照美国NSF、联邦教育部等部门的研究报告与教育决策，本研究认为，美国的STEM教育评价、数据搜集及其与政策之间的呼应，之于我国当前STEM教育改革，有如下三点启示：

一是加强STEM教育数据搜集的全面性、科学性。全面、准确、可靠的数据是做出科学决策的基础和重要前提。我们有着“没有调查，就没有发言权”的优良传统，在“靠数据说话”的新时期要进一步发扬光大。加强教育数据搜集，确保对各级各类教育信息、测试成绩有翔实的记录和备案。并加强教育数据搜集的科学性，从多个维度搜集、整理STEM教育信息，让数据搜集从全国到地方，再到每个地区、每所学校、每个年级，畅通到全国教育系统的每条毛细血管，达致对教育更进一步的全面、精准了解，并做到公开、透明。从而既有助于为教育决策提供明确依据，也有助于为教育研究提供准确的数据，亦有助于加强教育数据透明度，促进全社会的有效参与。

二是大力开展STEM科目相关的测评研究。以近几年我国部分地区参加的PISA项目测试为例，无论东部沿海，还是内陆地区，测试成绩均反映出中国教育的优势，所凸显的经验甚至为西方国家所效仿。作为考试大国，我们在知识传授方面有着悠久的历史和传统的优势。在新的历史时期，从提升国家教育竞争力的战略高度出发，借助当下信息技术发展优势，在全国开展STEM科目测评，全面了解不同地区、不同阶层和不同性别学生群体在STEM学科领域的表现，及时把握问题和现状，做到精准施策；并及早发现有资质的学生，开展英才教育。

三是加强政府部门间合作，全社会共同推动STEM教育。当前，STEM教育已经成为国际趋势，在不同国家和地区有着不同的表述，如在德国被称为MINT项目，在韩国被称为STEAM教育项目，在我国香港地区，香港“STEM教育联盟”改名为“科技创新教育联盟”，以图更好适应本土环境，加快教育促进创新步伐。STEM教育不仅仅意味着教育系统内部的变革与重组，它关涉到科技创新，关涉到劳动力知识结构的升级换代，关涉到一个国家在世界上的竞争力水平，客观上需要全社会的参与，也对加强政府跨部门协作以及促进社会各界参与提出了新的要求。例如美国“北极星计划”中，就明文列出了联邦各机构如国家科学基金会、能源部、卫生与公共服务部、国土安全部、国防部等十四家机构在促进STEM教育方面的责任分工。由此来看，STEM教育不仅仅是教育系统内部改革的事情，它的顺利实施，需要相关部门的配套措施为之保驾护航。

（原载于《上海教育》2020年第29期，人大复印报刊资料《中小学教育》2021年第1期转载）