当我们谈论STEM教育时，我们在说什么？外文翻译资料

当我们谈论STEM教育时，我们在说什么？

原文作者 Tobiacute;as Martiacute;n‐Paacute;ez | David Aguilera

单位 Francisco Javier Perales‐Palacios | Joseacute; Miguel Viacute;lchez‐Gonzaacute;lez

摘要：本研究的目的是研究科学、技术、工程和数学(STEM)教育是如何在已发表的文献中得到加强的。为此，我们考察了2013-2018年期间主要科学网索引杂志上发表的教育论文，特别关注（a）理论框架中定义的STEM概念；(b)干预的STEM学科；（c）STEM教育的可能好处；（d）是STEM教育干预成功的关键方面。结果表明，论文所使用的理论框架通常更多关注作为研究对象的变量，而不是STEM教育，并且关于什么是STEM教育有多种解释，这些解释通常涉及到组成首字母缩写词的四个学科的整体外观。

关键词：工程教育； 数学教育； 科学教育； STEM教育； 系统评审； 技术教育

一、研究背景

STEM运动开始于20世纪90年代初。尽管美国国家科学基金会开始使用首字母缩写“SMET”，但出于语音上的原因，它决定将其改为STEM（科学、技术、工程和数学）。根据弗里德曼（2005）的说法，直到2005年弗吉尼亚理工大学创建了“STEM教育学位”，该运动才开始获得成功，并意味着STEM逐渐向国际扩张，直到它被广泛传播(M.Sanders，2009)。为响应美国国家科学院、美国国家工程院提出的社会需求，医学研究所（2007）指出，美国学生的STEM能力不如其他国家发达，国家总督协会（2009）指出，有必要发展STEM身份，以保持经济竞争力。在此之后，它被转移到教育领域，这被认为是满足STEM日益增长的人力资本需求的必要工具(Chiuamp;Duit，2011)，因此，证明在当前时期提供坚实的STEM培训是必要的(卡普里尔、帕尔门、Sanz，amp;Dente，2015)。

鉴于STEM运动的相对近期性，我们能够将STEM教育置于最初的发展阶段。虽然有一些关于文献的深入综述，但关于这一研究方向的综述却很少。举例来说，Bybee（2013）从一些著作的回顾中汇集了一系列关于STEM教育的观点；美国国家科学院（2014）提供了一个参考框架来证明四个STEM学科的整合。另一个例子是，atino和Mayo（2010）强调了STEM教育实施的特点，认为目前有一个不同的努力——一个将科学、技术、工程和数学纳入相同的教育经验，另一个选择承担科学和数学的主角。最近，Thibaut等人（2018）回顾了23项教育干预措施，这些措施明确制定了一种综合的STEM方法，以确定其中使用了哪些学习理论和教学实践。

二、STEM素养和定义

STEM运动的发展导致华盛顿STEM研究小组（2011）创建并定义了术语“STEM素养”，即能够识别和应用STEM知识领域的内容，以理解和解决那些无法从单一学科方法得出的结论的问题情况。这个新素养的发展是必要的每个学科涉及包括一系列基本的概念，程序，和态度内容以这样一种方式，尽管这些这些学科的命令是必要的，所以能力识别和欣赏他们之间存在的联系。这种知识领域的集成涉及到获得一个大于其各个部分之和的最终产品。因此，华盛顿STEM研究小组（2011）提出，当学生了解世界如何通过这四个学科运作，并能够将这一理解应用于改善所有社会领域的社会、经济和环境条件时，她将具备STEM知识。

Zollman（2012）继续这种学术方法的发展，为此引入了STEM素养的定义，侧重于教育领域，并以问题为基础的学习。根据作者，STEM素养需要能够理解和应用内容（概念、程序和态度）2|马丁PAEZ等的学科组成STEM解决真正的问题，特别注意需要开发一系列特定的情感和程序STEM技能来巩固这种素养。

STEM素养正在创造出基于实践技能的“STEM课程”的发展，旨在消除理论和实践之间的差距，并提高解决问题的技能。这些课程的发展源于杜弗雷恩、格雷斯和伦纳德（1997）基于问题解决的建议。为了实现这一点，他们考虑了三个基本要素：概念知识(CK)、操作或程序知识(PK)和解决问题的知识。实际的STEM技能包括CK和PK，它已经被认为是一个中心技术教育的能力，定义为在技术领域使用工程技能、技术和工具的能力(Barlex，2007)。此外，科学的实践应该通过认知发展来促进学习转移，允许实现抽象概念，可以通过动觉参与创造学生的心理结构，并增加他们的动机和承诺(Flick，1993；克拉尔，特里奥娜，amp;威廉姆斯，2007)。STEM课程还应该总结克劳夫和考夫曼（1999）提出的建议，这些建议鼓励学生在不同的背景下在内容和技能之间建立“联系”，以发展他们解决问题的技能。

数学科学、物理学和天文学、心理学、社会科学、教育研究和STEM教育。通过这种教育方法，我们希望达到“STEM身份”，学生通过他们的兴趣和技能感受到STEM的一部分，无论他们的种族、性别或文化（布里克豪斯、洛厄里和舒尔茨，2000；卡龙和约翰逊，2007；波尔曼和米勒，2010）。这样做是必要的STEM集成，不同的组合的STEM学科可以包括，一个学科可以强调，它可以呈现在一个正式的、中立的或非正式的环境和各种教学策略可以参与（国家科学院，2014）。能够达到这个集成，摩尔、米勒、莱什，斯托尔曼和金（2013）提出使用工程作为上下文或催化概念开发表示学生的现实世界，从而发展科学和数学的概念。在一个跨学科的方式，通过使用多个描述（特定模型、图像、语言和符号）并提供翻译，并有技术提供支持。

三、STEM教育：在整合科学、技术、工程、和数学吗？

STEM方法从一开始就一直在不断地发展。作为一个现象，教育界对于STEM教育远没有达成共识，其定义几乎和涉及到这个主题的作者一样多。此外，它们之间存在着很大的差异，一些作者认为这些学科可以单独处理，而另一些作者则认为它们是一个完整的群体(Bybee，2013)。

前者的一个例子是Shaughnessy（2013），他将STEM教育定义为基于科学和数学概念和程序，以及结合应用工程策略和技术使用的方法来解决问题。在另一个极端，m·桑德斯（2009）定义从不同的方法，试图理解所有STEM学科作为一个有凝聚力的实体，其教学集成和协调通过解决现实世界的问题，定义类似于美林（2009），他认为它是一个元学科基于学习标准教学有一个集成的教学和学习方法，具体内容是不可分割的，考虑一个动态和流动的指导。M.Sanders（2009）和Merill（2009）提供的定义由Bybee（2013）支持，他认为STEM教育是一个核心具有“跨学科性质”的，专注于解决实际问题。术语审查带给我们更现代的定义，如由巴拉、比利、梅苏特奥鲁和奥克（2016），马丁PAEZ等人理解STEM教育作为一个跨学科的教学方法，集成了科学、技术、工程、数学和其他知识、技能和信念特定的这些学科。

STEM教育一词的演变导致一些作者创造了“整合STEM教育”的概念，以确定以跨学科的方式整合不同学科的STEM教育。M.E.Sanders和Wells（2006）将“综合STEM教育”定义为基于技术或工程设计的教学方法，有意地将科学和/或数学教育的概念和实践与技术和工程教育的实践概念结合在一起。此外，他们还提出了改进建议，明确指出“综合STEM教育”可以通过与其他学术材料更大的整合来改进，如语言艺术、社会科学、艺术等。辩论也继续使用术语集成，与m·桑德斯（2012）和井（2013）认为，例如，“综合性STEM”和“STEM整合”是不同的，第一个术语意味着一个集成教学过程在持续发展动态和关注学生，与后者相比，这表明更静态的过程由老师监督。

课程整合的思想源于现实世界中各学科并不孤立的问题。然而，我们发现自己面临着一个不一致的事实，因为在大多数传统的教育方法中，这些学科是分开呈现的，只提供了各种不连贯和不一致的事实和技能（比恩，1995；切尔尼亚克，韦伯，桑德曼amp;埃亨，1999；雅各布斯，1989）。这种孤立的学科方法所产生的学习类型未能呈现出一个固定的统一性，因此，从学术背景之外来看，就缺乏意义。这就好像学生们，当面对一个有问题的情况时，是这样的，我希望自己能停下来问自己，他们可以用科学、数学、艺术等等来解决哪一部分(Beane，1995)。相比之下，跨学科的学习方法整合了这些学科，分散了它们的局限性，通过不同水平的认知能力，以追求发展一个整体的思维过程。通过这种方式，学生可以建立有意义的联系，使他们能够处理知识，从而产生适用于现实的跨学科理解。博伊斯·曼西拉、米勒和加德纳（2000）将跨学科知识定义为整合知识和两种或两种以上的思维模式的能力产生认知发展的学科，比如解释一个现象，解决一个问题或以一种通过涉及的学科不可能的方式创造一个产品。这种方法被认为是所有领域的一个巨大飞跃，并正吸引着越来越多的关注(Czerniaketal.，1999)。萨奇维尔和Loepp（2002）提出了一个综合的学习计划，它从多个学科的角度吸收了概念。尽管如此，尽管这些新的方法被转移到课程建议或由教育研究人员辩论和辩护，在教育中心继续发展“独立的主题”或“层蛋糕”方法的教学知识和技能(Furneramp;Kumar，2007)。这种对采用综合方法的沉默可能是因为它彻底背离了目前大多数的教学实践(Mikser，Reiska，Rohtlaamp;Dahncke，2008)。不幸的是，如果没有采用综合的方法，学生就无法发展解决实际问题所需的技能，因为他们无法理解问题所处的背景(Frykholmamp;Glasson，2005)。

1. 桑德斯（2009）和丽兹和风扇（2015）支持跨学科的方法，并支持他们认为STEM教育方法应该要求学生应用数学、技术、科学和工程的知识通过设计和进行调查，分析和解释数据，与多学科团队沟通和工作。STEM集成为学生提供了在现实世界中体验学习的最佳机会之一，而不是学习某一片段，然后不得不在稍后的时刻吸收它们。通过STEM整合，（1）将对每个学科背景概念有更深入的理解，（2）通过接触社会和文化相关的STEM背景扩大对STEM学科的理解，随着学生进入STEM领域的渠道增加，（3）增加了对STEM学科的兴趣（摩尔，2008）

有人认为，真正的STEM教育在它所所处的学术环境和我们生活的真实环境之间建立了联系（埃尔多安、纳夫鲁兹、尤尼斯和卡普拉罗，2016）。Biasutti和ELDeghaidy（2014）选择了产生一种跨学科的哲学、一种深刻的概念理解，以及所谓的21世纪技能。然而，继Bybee（2013）之后，关于如何进行STEM整合的想法各不相同。美国国家科学院（2014年）认为，有必要在意味着复杂的环境中进行工作，通过任务要求学生使用来自多个学科的知识和技能的现象或情况，其背景应该是STEM教育的支柱。相比之下，布莱恩、摩尔、约翰逊和罗赫里克（2015）提出了三种不同的途径来整合STEM内容，与单元或活动一起工作，（1）同时开发来自不同的STEM知识领域的多个学习目标；（2）显著涵盖了某些领域的内容，以支持开发该领域的学习目标；（3）从一个特定的知识领域出发，以定位他人的学习目标。

另一个争论的领域是为整合这些学科而建立的各种概念化。在这方面，我们发现了诸如(a)“集成STEM”这样的概念，其中应该包括STEM学科的不同组合，一个学科应该强调另一个学科，在正式或非正式的环境中呈现，并涉及各种教学策略(M.Sanders，2009)；(b)跨学科性，其中提到知识和社会问题的解决之间缺乏对应关系（霍夫曼·里姆等人，2007）；(c)跨学科性，与解决需要众多学科的工具和理论的问题情况的能力有关，发展学生技能(Klein，1990)；(d)超原则，这意味着涉及不同学科违反其中一个的知识（巴尔西格，2004）；(e)多学科性，即涉及各种学科，而不整合它们，以解决一个问题并达到多个学科目标(Tress，Tress，amp;Fry，2005)。因此，我们发现自己第三次面临着Bybbe（2013）建立的悖论，因为事实上存在多个概念化，这表明科学界之间缺乏共识。

四、STEM教与学

“STEM学习”的定义在文献中还没有很好的确立，所以我们必须从不同的学习概念中明确一个概念。德雷福斯、荣格维斯和伊利亚维奇（1990）和霍希尔、阿布德·哈利克和德斯特法诺（2014）描述说，要成功学习STEM，我们必须充分关注学生思想的概念化和应用。德雷克、兰德、泰明斯基（2014）和拉姆（2014）确认，任何学习都必须建立在通过学生的经验获得知识和技能的基础上。从这些概念化以及已经提出的概念化(STEM素养和STEM教育)中，我们将STEM学习定义为许多概念、程序和态度的整合内容通过一组STEM技能来应用思想或解决跨学科问题。为了实现这一学习，“STEM教学”必须基于STEM课程的标准，为学生创造经验，使他们能够发展对STEM的熟练程度。这些经验应该包括参与研究、逻辑推理和解决问题。然而，我们再次面临着缺乏充分的术语概念化的问题，因为对“STEM学习”这个术语没有充分和共识的概念化。从我们迄今为止所概述的内容来看，很明显，科学界之间对什么是STEM教育缺乏共识。因此，我们认为有必要界定该术语，以避免使用该术语这种混合性让Bybee（2013）等作者质疑它的使用是否合适。

附录

a.科学：它研究自然世界，包括与物理学相关的自然定律和理论，化学、生物学和地质学，以及对事实、原理或基础原理的处理或应用这些学科的概念。反过来，科学是从一个过程中及时积累起来的知识体系（科学研究），产生新的知识。

b.技术：它包括由人或组织组成的整个系统，知识、过程和涉及到技术设备的创建和操作的设备，以及工件本身。因此纵观历史，技术一直被用来

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What are we talking about when we talk about STEM education?

Tobiacute;as Martiacute;n‐Paacute;ez | David Aguilera |

Francisco Javier Perales‐Palacios | Joseacute; Miguel Viacute;lchez‐Gonzaacute;lez

Abstract.The aim of this study is to examine how science, technology,engineering, and mathematics (STEM) education is implemented in the published literature. To accomplish this, the educational experiences published in indexed magazines in the main Web of Science collection during the 2013–2018 period were examined, with special attention paid to (a) The STEM concepts defined in the theoretical frameworks; (b) the STEM disciplines that intervene; (c) the possible benefits of STEM education; and (d) the key aspects for the success of the educational intervention. The results indicate that the theoretical frameworks used normally focus more on the variables that are the object of the study than on STEM education, and that there are multiple interpretations of what STEM education is, and these interpretations do usually involve the integrated appearance of the four disciplines that make up the acronym.

KEYWORDS：engineering education, mathematics education, science education, STEM education, systematic review, technology education

1 | INTRODUCTION

The STEM movement came about at the beginning of the 1990s. Although the National Science Foundation began using the acronym “SMET,” it decided to change it to STEM (science, technology, engineering, and mathematics) for phonetic reasons. According to Friedman (2005), it was not until the creation of a “degree in STEM education” at the Virginia Tech University in 2005 that the movement began to enjoy success, and was an occurrence that meant the gradual international expansion of STEM until it became widespread (M. Sanders, 2009). This was all in

response to the social needs stated by the US National Academy of Sciences, National Academy of Engineering,Institute of Medicine (2007), which stated that the STEM competence of US students was less developed than other countries, and the National Governorrsquo;s Association (2009), which pointed out that it was necessary to develop a STEM identity to maintain economic competitiveness. Following this, it was transferred to the sphere of education, which is considered an essential tool for covering the growing demand for human capital in STEM (Chiu amp; Duit, 2011) and, as such, demonstrating that the provision of solid STEM training is necessary in current times (Caprile, Palmeacute;n, Sanz, amp; Dente, 2015).In light of relative recency of the STEM movement, we were able to place STEM education at the stage of initial development. Reviews along this line of research are scarce, although there are some deep reviews of the literature. By way of example, Bybee (2013) brings together a series of perspectives on STEM education from the review of a number of works; the National Academy of Sciences (2014) contributes a reference framework to justify the integration of the four STEM disciplines. As another example, Atkinson and Mayo (2010) emphasize the characteristics of the implementation of STEM education, concluding that there is a current contrasting efforts— one to incorporate science, technology, engineering, and mathematics into the same educational experience, and another that opts to afford protagonism to science and mathematics. Recently, Thibaut et al. (2018) reviewed 23 educational interventions that clearly set out an integrated STEM approach, to determine which learning theories and teaching practices were used therein. With regard to these precedents, the aim of this article is to explore how the educational interventions that claim to be STEM have been implemented, based on their final research reports. In this current effort, we hope to afford clarity to the subject from the contributions made by the scientific community, guided by the following questions.

2 | STEM literacy and identity

The evolution of the STEM movement led the Washington STEM Study Group (2011) to create and define the term “STEM literacy,” the capacity to identify and apply content from STEM knowledge areas to understand and resolve those problematic situations that cannot be concluded from a mono‐disciplinary approach. For the development of this new literacy it is necessary for each of the disciplines involved in STEM to include a series of essential conceptual, procedural, and attitudinal contents in such a way that, although the command of each of these STEM disciplines is necessary, so is the capacity to recognize and appreciate the connections that exist between them. This integration of knowledge areas involves obtaining a final product greater than the sum of its individual parts.Thus, the Washington STEM Study Group (2011) proposes that a student will be STEM‐literate when he or she achieves an understanding of how the world works through these four disciplines and is able to apply this understanding to improving social, economic, and environmental conditions in all social spheres.

Zollman (2012) continues with the evolution of this academic approach and to do so introduces a definition for STEM literacy focused on the educational sphere and orientated towards problem‐based learning. According to this author, STEM literacy requires the ability to understand and apply content (conceptual, procedural, and attitudinal) 2 | MARTIacute;N‐PAacute;EZ ET AL.from the disciplines that comprise STEM to solve real problems, with particular attention drawn to the need to develop a series of specific affective and procedural STEM skills to consolidate this literacy.

STEM literacy is creating the development of “STEM curricula” based on practical skills that aim to eliminate the gap between theory and practice, as well as improve problem‐solving skills. The development of these curricula arises from proposals such as that of Dufresne, G

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