编译：陈亦泠 东南大学脑与学习科学系，儿童发展与教育研究所
研究生导师：柏毅 李骏扬
作者：Sarfraz Aslam·Abdulelah A.Alghamdi•Nisar Abid•Tribhuwan Kumar
【摘要】: 许多国家的经济增长都归功于 STEM 教育。人们普遍认为，它对于改善科学、技术、工程和数学 (STEM) 教育至关重要，特别是对于传统弱势群体而言。在第四次工业革命时代，我们正经历着一场快速的变革，在发展中国家， STEM教育的实施存在着一些困难。在本文中，我们调查了STEM 教师在真实课堂情境中面临的独特挑战，以及这些因素如何影响他们的教学实践和学生的学习效果。这项定性研究考察了STEM教师在中学阶段的教学反思,采取有目的的抽样方法招募了10名STEM 新手教师,并使用NVIVO11分析数据。尽管他们拥有丰富的学科专业知识、掌握多种教学方法，但仍面临着许多挑战；比如教师在管理课堂、开发课程和认识 STEM 教育的实际限制方面。对于STEM教师来说，内容知识的掌握至关重要,且定期的经验交流对教学有很大的帮助。本文针对发展中国家研究了STEM 教育中的教师教学法和专业发展。
关键词：STEM教育；可持续发展；中学;素质教育
一、介绍
2015年，联合国将可持续发展作为和平、繁荣发展的地球蓝图,所有发达国家和发展中国家必须在全球伙伴关系中合作，以实现17项可持续发展目标(可持续发展)。除了解决贫困问题和其他逆境外，他们还意识到改善健康和教育、减少不平等待遇和刺激经济增长对于消除贫困和其他问题都是必要的。巴基斯坦教育政策(2017)首次强调可持续发展教育(ESD)在实现可持续发展目标中的作用，承认ESD对实现可持续发展的重要性。
STEM是一种集科学、技术、工程和数学于一体的学习方式。STEM教育的核心是认识到跨学科教育应该适用于所有情况，并对现实有深刻的理解。STEM教育涉及动手实践的多维知识，它是一种将新一代认识方法嵌入4C框架(即沟通、协作、创造力和批判性思维)的教学法和哲学。STEM课堂将学生与现实世界的挑战联系起来，将动态数字内容融入到实际操作活动中，有助于促进学生对知识的实际应用。
STEM教育在大多数国家都有很高的需求，因为随着科学对日常生活的影响，它为科学家、工程师和技术人员在全球化世界日益增长的经济中提供了科学知识和合作的机会。许多国家认为STEM教育对经济增长至关重要，这一主题已经引起了教育机构的极大关注。在亚洲的发展中国家，由于缺乏实际实施行动，它引发了相当多的问题。
STEM专业发展计划对于帮助教师理解整合的本质，明确科学、技术、工程和数学之间的联系是必要的。近年来，全球掀起了一场STEM教育运动;在过去的25年里，STEM课程已经从四个相互竞争的学科集群发展成为21世纪经济所需的更连贯的技能基础和能力集。
Aslam等研究人员探讨了巴基斯坦目前正面临教育改革的新时代，21世纪的世界正迅速向深度学习转变，这恰恰需要教育质量的适应和发展。学校必须全面实施创新教育，将学习进步与先验知识相结合。目前巴基斯坦的K-12和高等教育系统对STEM的认识还远远不够，尽管它是21世纪教育的重要组成部分。与此同时，巴基斯坦的课堂上还没有采用基于STEM的教学技术，也未配备充足的专业的师资。
1.1困难与挑战
不同的利益相关者对STEM教育的理解不同，这使得其难以规范，特别是在开发有价值的STEM教学法时。STEM教育的学生通常需要在科学、数学和技术学习领域之间转换，同时参与建模过程，从而在学科之间建立协同关系。因此，这些过程往往是相互依存的。不同知识领域之间的边界跨越概念对于解决综合STEM教学法的复杂性至关重要。学科中的教学内容知识差距需要通过中介对象来弥合，边界的存在，包含了双方共同关注的问题。
在STEM课堂中，强调将与教学相关的主题与外部世界联系起来的技术。批判性思维适用于STEM学习，是STEM课程的基础。它可以评估学生应用知识、解决问题的能力。由于STEM教育是一种新兴的方法，大多数教育工作者，特别是新手教师，对概念的理解可能不同。教师的能力水平(教学内容知识、自我效能感和教学热情)与学生兴趣和自我效能感呈正相关。教学质量的三个维度(认知激活、支持性气候和课堂管理)都是指教师和学生在课堂上的互动。很少有教师遵循学科整合教学的指导方针或方法，也很少有教师教授STEM跨学科整合。科学、数学、工程之间的关系是老师们熟知的，但要把技术融入到课程中并不容易。一些老师认为，问题出在对课程整合的关注上。
尽管关于STEM学科如何整合的研究越来越多，但在实践中仍有许多挑战需要克服。STEM教师整合学科的能力在很大程度上取决于个性、学科、对学校环境、教学方法的理解等。同时，教师需要支持，可以将STEM科目融入国家课程、教育趋势和学校环境。管理者和教师之间也需要密切合作，比如一些教师报告缺乏有效实施探究式学习所需的资源。如果理解了这些挑战，STEM项目就可以成功实施。
STEM教育强调整合知识和解决实际问题;因此，对课程设计和教师的要求则更高。多项研究表明，教师的知识水平对教学至关重要，但只有知识并不能支撑教学。教师仍然必须通过教学来理解教学理论、学习理论、课程理论和知识。
反思性期刊(RJ)从教育者的角度来看是一种有效的评估工具。由于反思性写作在医学、社会科学、临床和专业机构中都很有价值，我们使用新手STEM教师反思日志进行研究。只有少数研究强调了在利益相关者(即高层管理人员、教师和学生)中培养STEM教育的重要性，而以前的研究对更好地理解巴基斯坦的STEM教育贡献有限。
1.2理论基础
各级(国家、区域和地方)必须参与实现17个可持续发展目标。实现17个可持续发展目标需要ESD。教科文组织2019年后提出ESD框架;“重点是加强ESD对实现所有17项可持续发展目标的贡献，重点关注政策、学习环境、教师和教育工作者、青年和社区”。除了“ESD议程”提出的为所有人提供优质教育的目标外，可持续发展目标还概述了教育的必要性，这有助于实现整个可持续发展目标，并使学生为改变世界做好准备。
知识、信仰、情感和动机都会影响教师的决策。近年来，关于这一主题进行了许多富有成效的讨论;然而，在巴基斯坦的研究则较少。尽管STEM是21世纪教育和学习的基本特征，但巴基斯坦却缺乏对它的认识，特别是在K-12和高等教育阶段。
这项研究可以帮助决策者和教师教育工作者了解情况，并通过STEM教育提高巴基斯坦科学教学过程的质量，不仅关注教学技能，还关注教学所需的内容知识。该研究的结论可以为通过创新和创造性培训的教师提高巴基斯坦STEM课堂教学质量提供新颖、实用的建议。
本研究的主要目的是探讨巴基斯坦STEM新手教师在课堂上的STEM教学实践所面临的挑战。具体而言，研究中解决了两个研究问题：
1、STEM教师在课堂体验中面临的独特挑战是什么?
2、这些因素如何影响他们的教学实践和学生的学习成果?
二、材料与方法
本研究采用探索性研究设计。具体而言，本研究调查了巴基斯坦新手STEM“教师”在课堂上实施STEM教学时面临的挑战。STEM教师往往是那些专门从事数学、科学相关学科甚至计算机科学等特定学术领域的教师。一些人在课外活动中教授STEM课程，举办比赛，或在STEM相关活动中辅导学生,而教师本人没有参加一些旨在为教师实施STEM教育做准备和培训的STEM教育项目。本研究采用内容分析法对STEM新手教师的教学反思日志进行分析，总结STEM课堂教学经验。
2.1参与者和流程
本研究招募了10名STEM新手教师，其中女性占60% (n= 6)，男性占40% (n= 4)。采用有目的的抽样技术，根据“Patton(1990) -抽样原则标准”选择样本，识别和选择信息丰富的案例以有效利用有限的资源。Bernard和Spradley强调参与的可用性和意愿，以及清晰、表达和反思地交流经验和意见的能力，向30名STEM新手教师发出了邀请;然而，只有10名教师同意参加。所有教师都签署了收集数据的知情同意书。这些教师，包括科学、数学、技术和英语，代表了不同的学术背景。他们的名字都是匿名的，并给出了笔名，从T1到T10，如图 1所示。
2.2参与者人口统计
图1
2.3数据收集与分析
老师们的思考是开放式的;研究人员没有给他们提供提纲。这项研究收集了60篇教学反思文章，共计1.8万字。采用NVIVO 11软件进行定性分析，确保日志中不包含教师标识，以假名进行数据验证和分析。分析的关键是对许多原始数据进行编码、整理和分类。它包括开放编码、轴向编码和选择性编码。解释阶段是所有定性研究的必要组成部分。每个日志部分由两名研究团队成员进行编码和分类。在此之后，他们共同分析了这项研究背后的概念。在每个过程中，研究的可见有效性和可靠性都得到了增强，并充分支持了受访者对STEM的看法。
2.4.数据编码
开放编码:建立了许多免费节点，软件包包括首先对文本进行预编码，澄清单词，句子和段落，并找到与主题相关的问题和建议。预编码形成300多个自由节点;在对这些节点进行正式编码后，对其中的135个节点进行反复比对。
轴向编码:通过建立的自由度对节点进行分类，并识别每个节点的主题之间的关系。本研究共有105个自由节点，形成教学管理、课堂教学、教师对STEM的认识与评价4个点。
选择性编码:持续检查查询和比对原始数据，梳理现有节点之间的关系，发现可能的逻辑线索，初步框架问题，并提出建议。
三、结果
3.1教学管理
教师提到最多的教学管理方面是控制课堂纪律，其次是调动学生的注意力、积极性和参与感。图 2列出了最重要的四个方面。
图2
课堂纪律管理:在教学反思中，纪律是最具挑战性的方面之一，新手STEM教师往往很难把握。当老师进行实验时，纪律是很难控制的。有时，教师示范实验时容易造成纪律混乱。此外，由于教室布局的原因，老师们也很难控制纪律。
调动学生的注意力、热情和参与：一些老师表示，他们不知道如何引导淘气的学生。老师们提出了许多管教学生的策略，包括在他们的名字上做记号，给每个学生分配任务，通过互动、游戏等方式吸引学生和班级，调动学生的注意力、热情和参与。
与助教和前任老师沟通:几位老师强调了实验室助理和STEM前任老师的重要性，教师需要交流和分享他们的经验。
教师的表达:教师们普遍认为表扬比批评更能改善教学。特别是对于比较调皮、不听话的主体，要用鼓励、肯定等说服的方法来处理。同时，老师们就课堂表达提出了以下几点建议：注意专业语言的准确性，采用学生容易理解的教学方式，用语言组织来自然过渡课堂中各个环节。
3.2课堂教学
在课堂教学方面，本研究发现大部分教师是课堂时间的控制 ，其次是实验。五个重要方面如图 3所示。
图 3
控制课堂时间:在控制课堂时间方面，教师关注的问题是：我是否有足够的时间来完成我的计划。教师们还提到，应该提醒学生们多参加小组活动。剩下的时间，重点对前半段的课堂教学进行讲解，避免最后没有时间。
实验:主要问题是实验材料不合适或者老师没有指定使用统一的实验材料。另一个明显的问题是，学生很难按照实验流程的图纸或实验记录表进行操作——例如，有些小组在没有参考图纸和随机选择材料的情况下建立模型。
分配任务和作业:教师应注意明确分配具体任务，所有的任务都必须清晰易懂。
内容安排:在反思中，老师多次反映“内容安排不合理”等情况，如内容各部分之间缺乏联系，内容安排过多等等。老师给出的策略是选取让人兴奋、具备吸引力的内容，注意内容各部分之间的衔接。
学习计划和任务列表的使用:一些老师抱怨学习计划、任务表和其他材料的设计不合理。问题包括内容过多、填写时间不够、部分学生不配合等。有几位老师建议，有必要使用任务列表和案例辅助教学。
3.3教师专业发展
在专业发展中，教师有不同的看法。比如教师往往缺乏对STEM概念的理解，对教材内容的理解不够深入透彻，各部分内容安排不连贯、不符合逻辑。
一些教师在教学反思中分享了他们对STEM的理论。STEM的一大亮点是培养学生的核心素养;这个过程主要通过设计、施工、评价来体现。给学生更多的时间，而教师则主要是起到指导作用。几位老师还提到了解STEM课程的主线。各环节的衔接，理顺教材内容关系的逻辑，根据实际课程把握重点内容，灵活安排内容。同时，老师们也提到了“工程设计过程”的重要性，将其作为课程主线，时刻提示学生关注问题的解决以及可以做些什么来解决问题。
3.4评价
教师反映评价标准没有向学生明确表达，导致评价缺乏说服力和不公平。同时，也有不少老师觉得小组自我评价和反思的效果更好。
此外，教师在教学过程中还会遇到突发的、意想不到的情况，例如，学生丢失了为上节课设计的图纸，可能不会重新绘制设计；在构建模型时没有按照设计图纸进行，互相模仿，结果大同小异等等。
四、讨论
我们认为，本研究的结果有助于目前关于STEM教师在真实课堂中的独特挑战以及这些因素如何影响巴基斯坦和其他不发达国家的教学实践和学生学习效果的文献。STEM教育对学生的未来发展有着重要的影响，它有助于提高学生独立思考、合作和解决问题的能力;然而STEM教师的专业水平才是实现目标的关键。Stahlman等人指出，教师发现很难把握课堂节奏，导致教学过程不顺利，难以控制时间，不知道如何引导学生完成任务以及学生自带的材料无法用于实验等。考虑到我们的研究结果与以往的研究结果是一致的，所以这个问题似乎会随着时间的推移而持续存在，因此，政策制定者和当局应集中精力解决这些未解决的挑战，即“灰色地带”。
对于STEM教师来说，掌握知识内容至关重要，但定期交流经验，对教学也有很大的帮助，过去的其他研究也报告了类似的结果。分析STEM教师对课后教育的反思，找出STEM新教师在教学过程中遇到的问题，并提出策略和建议，主要针对课堂教学、管理、教师对STEM的认识和评价方面，我们应总结这些方面的经验教训。
在教学管理方面，教师应积极维护课堂秩序。为了培养积极的STEM观念，教育工作者需要通过解决问题的框架与学生合作。根据STEM工作组报告，解决问题和基于项目的框架可以增加学习动机，提高学生的兴趣、成绩和持久性。如Ref所述，有效的课堂管理策略使教师能够处理意外事件并控制学生的行为。
在课堂教学中，教师要进行有效的管理和分配。在课堂上，要分配清晰、具体的任务，并尽量把它们做成任务清单，熟悉任务列表。课前讲好内容，规划好每一部分的内容以及它们之间的联系。如果涉及实验，教师应提前准备好合适、充足的实验材料，给予说明，并提醒学生按照设计图纸操作。
在专业发展方面，教师应该了解STEM教科书的内容，并通过岗前培训彻底了解STEM，同时，加深对工程设计过程的理解和重视。
在评价方面，教师要明确说明评价标准。确保评价公正可信，鼓励团队进行评价反思。由于本研究是定性的，因此应该有进一步的定量分析和深入访谈，然后再进一步发展STEM教学。
五、结论
该研究调查了发展中国家STEM新手教师在课堂遇到的独特挑战，以及这些挑战如何影响他们的教学实践和学生的学习效果。目前，许多因素可能导致巴基斯坦STEM教育发展不足，可能是由于巴基斯坦的研究人员和教育工作者不理解STEM教育的重要性，原因也可能是巴基斯坦的STEM教育面临着一些挑战。而这些挑战包括STEM教师缺乏教育能力，课程质量差，学生活动不足。尽管巴基斯坦宣布了新的STEM计划，但其政府尚未实施该计划。
六、限制与启示
为了能够界定研究的局限性，我们必须考虑到许多我们无法控制或识别的因素，原因很多，其中包括以下几点:
1.STEM教师的性格、兴趣和动机。
2.为了将测试结果转移到其他年龄段，必须对许多科目进行试点，以确保它们不局限于一小群STEM教师。
因此，学校可以根据确定的优势和获得的产品开发STEM课程。此外，还可以从新手STEM教师的角度理解影响教学过程的挑战或障碍来解决这些障碍。投资基础设施、将专业化与任务相匹配、促进教育市场化与质量之间的平衡，这些措施皆可以创造一个有利的教学环境，以此来解决STEM教师在微系统和外部系统层面遇到的挑战。
总体而言，本文的研究成果为未来STEM学科的发展提供了初步的指导。
查阅原文：https://webofscience.clarivate.cn/wos/woscc/full-record/WOS:001083496200001
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责编：邓晓棠
