整合STEM教育K-12科学教育工程设计跨学科整合STEM实践教育公平
超越基础：整合STEM教育的详细概念框架
2026年8月24日•约 127 分钟
Abstract / 摘要
“面向 K–12 科学课堂，文章提出整合 STEM 教育的七特征框架，系统讨论真实问题、工程设计、情境与内容整合、STEM 实践、21 世纪技能、职业意识，以及贯穿其中的公平与多样性。”
摘要
鉴于K-12融合STEM教育的概念化和实施存在较大差异，本文提出了一个详细的K-12融合STEM教育概念框架，供研究人员、教育工作者和课程开发者作为共同的愿景。我们的框架基于现有的融合STEM文献，描述了融合STEM的七个核心特征：（a）工程设计的核心地位，（b）由真实问题驱动，（c）情境整合，（d）内容整合，（e）STEM实践，（f）21世纪技能，以及（g）向学生介绍STEM职业。我们的融合STEM框架旨在为教育工作者提供更具体的指导，并支持融合STEM研究，因为缺乏对融合STEM特征的深入概念化一直阻碍着该领域的发展。迄今为止，缺乏详细的融合STEM框架导致该领域未能系统地收集课堂数据，从而理解融合STEM教学的性质和质量；这延迟了关于学生成果影响的研究，包括学业成就和情感方面的影响。通过本文提出的框架，我们为研究人员探索融合STEM的具体方面或整体教学质量对学生成果的影响奠定了基础。
超越基础：整合 STEM 的详细概念框架
自从“STEM”（科学、技术、工程、数学）这一术语在2001年被提出以来，全球范围内已有众多努力致力于改善K12阶段的STEM教学和学习（Freeman等，2014）。随着全球发布STEM政策文件（例如，Australian Curriculum, Assessment，2016；European Commission，2015；Hong，2017；National Research Council（NRC），2012），K12教育中的STEM实施重点转向跨学科或整合性教学（ interdisciplinary or integrated instruction ），通常被称为“整合STEM教育（ integrated STEM education ）”，而非分别通过学科方式教授科学、技术、工程和数学。尽管整合STEM教育已通过国家和国际政策文件得到了较为确立，但关于整合STEM教学模型和有效教学方法的争议仍然广泛存在并且具有挑战性（Moore等，2020）。Sgro等（2020）认为，实质上，整合STEM是“任何人决定它意味着什么”，且整合STEM课程中的巨大差异表明，需要“更清楚地了解不仅STEM教育的构成内容，还要了解教育者整体如何概念化STEM及其整合过程”（第185页）。为此，本文提出了一个详细的K12整合STEM教育概念框架，供研究人员、教育者和课程开发者作为共同的愿景。
文献和政策文件中存在多种对整合STEM教育的广义定义。例如，Moore、Stohlmann及其同事（2014）将整合STEM教育定义为“将科学、技术、工程和数学四个学科中的部分或全部整合到一个课堂、单元或课程中，这种整合基于学科之间的联系以及与现实世界问题的关联”（第38页）。类似地，Kelley和Knowles（2016）将整合STEM定义为“教授两个或更多STEM领域内容的一种方法，这些内容通过STEM实践绑定于真实情境中，旨在将这些学科联系起来，以增强学生学习”（第3页）。几乎所有定义的共通点是使用真实世界的情境来为学习提供背景，并激发学生的参与（例如，Kelley & Knowles，2016；Kloser等，2018；National Academy of Engineering（NAE）和NRC，2014）。一些研究者主张跨所有四个STEM学科进行整合（例如，Burrows等，2018；Chandan等，2019），而其他人则呼吁至少整合其中两个STEM学科（例如，Moore等，2020）。鉴于工程在STEM政策文件中的重要地位（例如，NRC，2012；NGSS Lead States，2013），许多整合STEM的方法特别包括工程情境或工程设计问题作为学习的背景（例如，Berland & Steingut，2016；Mehalik等，2008；Moore，Stohlmann等，2014）。实际上，Nathan等（2013）认为，STEM整合的理想目标不太可能通过任何两个STEM领域的整合来实现……将技术与工程（设计科学）配对不足以满足STEM整合要求，而且还排除了科学和数学（自然科学）的配对。相反，它要求跨越设计科学和自然科学的STEM整合。（第82页）
除了工程的核心地位和与现实世界问题的联系外，文献中对整合STEM教育达成共识的其他方面包括：（a）使用以学生为中心的教学法（例如，Asunda & Mativo，2017；Johnson等，2016；Thibaut等，2018），（b）支持发展21世纪技能，如创造力、合作、沟通和批判性思维（例如，Sias等，2017；Wang & Knoblach，2018），以及（c）应向学生明确展示STEM学科之间的联系（例如，English，2016；Kelley & Knowles，2016；NAE和NRC，2014）。虽然这些方面被认为是STEM广义定义中的核心内容，但文献并未详细说明如何将这些方面付诸实践，以便在K12课堂中高质量地实施整合STEM教育。
虽然整合STEM教育不限于在科学课堂中实施，但在美国，通过《K-12科学教育框架》（NRC，2012）和《下一代科学标准（Next Generation Science Standard s）》（NGSS Lead States，2013），对K12科学教师有政策要求，因此，大多数整合STEM的研究发生在科学教育的背景下（Takeuchi等，2020）。因此，本文特别聚焦于K12科学课堂中的STEM整合。还需要说明的是，整合STEM并非要排除K12科学课堂中的其他重要学习目标。简单来说，并非所有的科学内容都可以或应该通过整合STEM的方法进行教学；还应关注科学的本质（ nature of science ），并通过探究式学习（ inquiry-based learning ） 让学生参与科学概念的学习。
尽管这一领域在整合STEM教育的定义和广泛特征方面取得了更多的共识，但在如何在课程和课堂中操作这些特征方面仍然缺乏具体说明。如果整合STEM教育的实施要实现使用跨学科和整合的方法教授STEM内容，以提高学生对STEM职业的兴趣和准备（例如，National Academy of Science, National Academy of Engineering, and Institute of Medicine，2007；President’s Council of Advisors on Science and Technology（PCAST），2011）的政策目标，教育者和课程开发者需要具体的细节。没有明确的指导方针，整合STEM教育的实施就会涵盖广泛的做法（Moore等，2020），其中许多做法，如下文所述，存在问题（例如，Gunckel和Tolbert，2018；McComas和Burgin，2020）。显然，迫切需要研究提供整合STEM教育对学生学习和对STEM的情感影响的关键证据，因为许多关于整合STEM的论点主要来自政策和理论立场（例如，NAE和NRC，2014）。开发有效的评估工具和研究协议来研究整合STEM教学和学习需要对整合STEM教育的特征进行明确的详细描述。因此，本文提出了一个详细的整合STEM教育框架，扩展了先前建立的优质整合STEM的组成部分，将广泛的陈述细化为描述优质整合STEM实施应在课堂中呈现的具体构造。首先，我们考察了整合STEM教育推动的政策环境。其次，我们提供了广泛的文献综述，扩展了上述描述的整合STEM教育共识方面，对整合STEM的关键特征进行了更细致和详细的讨论。
STEM 政策
了解整合STEM教育被推广的政策背景至关重要，因为各种方法都是响应源自美国的政策指令，这些指令呼吁解决紧迫问题，例如STEM劳动力需求（Takeuchi等，2020）。事实上，主导政策争论的一个观点是，国家的持续繁荣依赖于满足STEM劳动力需求，以应对能源、健康、环境、国家安全和全球发展等关键挑战（例如，National Academy of Science, National Academy of Engineering, and Institute of Medicine，2007；PCAST，2011）。STEM职位的增长速度快于非STEM职位（U.S. Bureau of Labor Statistics，2020），这可能导致到2025年美国缺少高达350万名STEM工作人员（National Association of Manufacturing and Deloitte Report，2018）。STEM劳动力的论点被世界各国用来制定新的STEM教育政策和倡议（Freeman等，2014）。然而，政策文件并未详细分析STEM劳动力需求的具体内容，超出了STEM工人短缺的问题。为了让整合STEM教育能够回应与STEM劳动力相关的政策呼吁，需要更好地理解学生需要哪些知识和技能，才能在STEM专业领域取得成功。
更具体地说，STEM劳动力的需求还涉及到美国乃至全球存在的“创造力危机 （ creativity crisis ）”（Bronson & Merryman, 2011；Kim, 2011；Lin, 2011）。STEM雇主不仅寻找具备扎实STEM知识和技能的劳动力，还希望员工具备在全球经济中竞争的能力，特别是具有强大二十一世纪技能（如批判性思维、沟通、协作和创造力）（Bronson & Merryman, 2011；Charyton, 2015）。根据世界经济论坛的一项调查，考虑到自动化和人工智能在工作场所的快速增长，今天约65%的学龄前儿童将从事目前尚不存在的工作（World Economic Forum, 2016）。因此，仅仅期望学生学习孤立的事实和内容已不再足够。学生不应仅仅被定位为信息的接收者，而应参与知识的建构。通过知识建构（ knowledge construction ） 所形成的深刻内容理解，成为学生运用二十一世纪技能来创造、分析、评估、创新并解决现实世界问题的基础（Stehle & Peters-Burton, 2019）。
在当前的STEM政策话语中，较少看到这样的论点：即整合STEM教育（integrated STEM education）应促进STEM素养 （ STEM literacy ） 和意识的提升，并解决与发展中国家教育公平和减贫相关的问题（Freeman et al., 2014；National Academy of Sciences [NAS], 2014）。事实上，单纯从劳动力角度来教授STEM内容被一些科学教育者视为有问题的做法（例如，Hoeg & Bencze, 2017；Zeidler, 2016；Zeidler et al., 2016）。例如，Gunckel和Tolbert（2018）批评了《框架》中的工程设计所体现的技术官僚、功利主义和新自由主义基础（NRC, 2012）。这些批评在我们开发关于综合STEM教育的理解时得到了细致的考虑，并被纳入其中，以指导教育工作者和研究者更好地理解综合STEM，确保所有学生都能获得积极的学习体验。
整合 STEM 框架
在这篇文献综述中，我们提出了一个K12整合STEM教育框架，提供了实施和评估整合STEM教学的一些关键细节。如果缺乏对整合STEM教育的共同理解（common understandings），要从研究中得出有关教师实践与学生成果的结论几乎是不可能的。我们认为，这种共同理解应该超越对整合STEM教育的定义和共识特征的列举，因为这些特征可能会被教育者以多种方式解读。我们的框架包括七个整合STEM的关键特征：（a）聚焦于现实世界的问题；（b）工程的中心地位；（c）情境整合（context integration）；（d）内容整合（content integration）；（e）STEM实践；（f）21世纪技能，以及（g）向学生介绍STEM职业。表1总结了这些特征，接下来的文献综述将详细讨论每个特征。 这些关键特征与前面部分中提到的三项整合STEM的共识特征相一致，并在此基础上有所扩展：（a）整合STEM是通过现实世界的问题来进行情境化的，（b）整合STEM支持21世纪技能的发展，（c）STEM学科之间的联系应该明确地向学生呈现。我们在框架中达成的共识是，整合STEM需要使用以学生为中心的教学法；然而，我们更关注的是学生参与STEM实践，而不是广义上的以学生为中心的教学法。我们的框架扩展了整合STEM的概念，明确解决了整合的性质、工程的角色以及STEM职业意识。最后，我们的框架专门关注多样性和公平性的问题，而不是当前流行的整合STEM概念中偏向技术中心的关注点。需要注意的是，表1中的每一个特征都不是孤立存在的（见图1）。接下来的部分将基于文献对每个特征进行深入探讨，并展示这些特征之间的联系。识
表1：整合STEM教育的七个关键特征
图1：整合STEM教育关键特征之间的互动
聚焦现实世界的问题
如果学习不是以解决现实世界问题为中心（特征1），那么该课程就不能被视为代表性的整合STEM教育。正如前面所提到的，整合STEM的定义中最常见的特征是，STEM整合应该围绕现实世界的问题或背景展开（例如，Kelley & Knowles, 2016；Kloser等，2018；Moore等，2020）。事实上，许多学生发现很难将传统学科方法呈现的STEM内容与自身相关（Kelley & Knowles, 2016）。整合STEM教育的支持者认为，使用现实世界或真实问题作为学习背景，为学习STEM内容提供了动机和目的（例如，Kelley & Knowles, 2016；Monson & Besser, 2015）。研究表明，通过真实的工程设计问题进行学习可以提高学生对科学和工程的兴趣（Guzey, Moore, & Morse, 2016；Lachapelle & Cunningham, 2014；McClure等，2021）。然而，选择一个现实世界的问题需要谨慎考虑，因为学生能够参与所有整合STEM教育特征的能力依赖于现实世界问题的性质（见图1）。
我们的框架扩展了对现实世界问题性质重要性的考虑，因为需要注意的是，这些真实问题必须能够激发所有学生的兴趣和学习动机（Carter等，2015；Monson & Besser，2015）。鉴于许多STEM领域中缺乏多样性（Vakil & Ayers，2019），需要增加历史上在STEM中代表性不足的学生的兴趣。重要的是要让学生参与到与他们个人动机相关并将STEM内容与学生的生活经验联系起来的现实世界问题中。研究表明，这可以使学习变得更有意义和相关，从而增强学生对科学的参与度（Djonko-Moore等，2018），并将学生定位为他们学习中的认知主体（Miller等，2018）。通常，整合STEM的课堂活动倾向于集中在男性主导的工程技术方面，如设计“物品”（例如汽车和火箭）（Gunckel & Tolbert，2018）。然而，研究表明，女孩和有色人种学生更容易受到具有共同目标导向的项目的激励，这些项目关注社会问题，如健康、环境和社会正义，而不是这些性别化的工程项目（Billington等，2013；Diekman等，2010；Leammukda & Roehrig，2020）。对“物品”和技术标准的强调与共同目标导向相对立，这会对STEM职业的兴趣产生负面影响（Diekman等，2010）。这一研究方向与Gunckel和Tolbert（2018）的论点相契合，他们主张在整合STEM中考虑关怀和同情的维度。尽管文献中已明确一致认为整合STEM教育应包括一个真实问题来情境化学习（例如，Kelley & Knowles，2016；Moore，Stohlmann等，2014），但关于此类问题的性质也存在重要考虑，特别是在政策文件中（例如，Australian Curriculum, Assessment, and Reporting Authority，2016；European Commission，2015；NRC，2012）所提到的，如果要促进内容学习和学生动机的话。借助学生个人和社区兴趣以及生活经验，能够更好地激发学生的动机，并通过有目的地考虑学生的兴趣，能够使STEM领域更具多样性。
工程的核心地位
鉴于工程在STEM政策文件中的重要地位（例如，NRC，2012），现实世界的问题通常被呈现为工程设计挑战（特征2）（Moore等，2020）。工程在大多数关于综合STEM的定义中被视为核心部分（例如，Berland & Steingut，2016；Mehalik等，2008；Moore，Stohlmann等，2014；Nathan等，2013）；即便在只涉及两门学科整合的研究中，最常见的组合也是科学与工程（Moore等，2020）。因此，我们的框架将现实世界的问题与工程设计挑战（图1中的特征1和2）联系起来，以促进当前改革文件中呼吁的实践（例如，NRC，2012）。
解决一个宏观的现实世界问题需要运用并发展来自多个学科的内容理解（例如，Cavlazoglu & Stuessy，2017；Thibaut等，2018；Walker等，2018）。具体而言，在综合STEM教育中，学生需要参与工程实践，开发现实世界问题的可能设计解决方案（Berland & Steingut，2016；NAE和NRC，2014；NRC，2012）。工程实践在NGSS中通过八种科学和工程实践进行松散定义；然而，将工程实践成功融入科学课堂中，需要对工程实践进行更为完善的阐述（Cunningham & Carlsen，2014；Moore，Glancy等，2014）。在我们的工作中，我们在很大程度上借鉴了《质量K12工程教育框架》（Moore，Glancy等，2014），该框架提出了三个领域，包括12个关键指标，旨在评估K-12工程教育的质量（见表2）。
表2 K-12工程教育质量的领域及关键指标
工程是一种系统性和迭代性的方法，用于根据客户需求设计解决方案（产品、过程和系统）（NRC, 2012）。因此，设计被广泛认为是工程的核心活动（Dym, 1999）。工程设计是一个迭代过程，“测试最有前景的解决方案，并根据测试结果修改提案，最终导致更大的完善并最终达到最优解决方案”（NRC, 2012，第210页）。换句话说，回应失败是工程设计过程的核心；如果要实现创新，失败是预期的，因为它可以导致更强大、更具创新性的设计（Henry et al., 2021；Simpson et al., 2018）。因此，K-12学生在整合STEM课程中有机会充分参与迭代工程设计过程，并至少参与一次评估和重新设计所提出的解决方案或一组解决方案的循环是至关重要的（Moore, Stohlmann, et al., 2014）。从失败中学习需要为学生提供明确的支架，引导他们参与反思性决策过程（Wendell et al., 2017）。
不幸的是，在K-12课堂中，工程设计通常仅仅被视为一个技术性问题（Gunckel & Tolbert, 2018）。因此，我们的框架在《K-12质量工程教育框架》（Moore, Glancy等，2014）的基础上进行了扩展，不仅关注工程设计的技术层面，还明确考虑了STEM 领域中的多样性和公平性。与专业工程师的工作相似，学生应当理解并解决在开发可能的设计解决方案时问题的标准和约束条件（Watkins等，2014）。然而，这些约束通常仅限于现实的，但表面的问题，如时间、材料的可获取性和预算，往往忽视了大多数现实问题中固有的社会、政治和伦理问题（Gunckel & Tolbert, 2018；Roehrig等，2020）。事实上，一些研究者认为，NGSS（NGSS Lead States，2013）和《框架》（NRC，2012）在工程设计中忽视了道德和伦理考量（例如，Kahn，2015）。Gunckel和Tolbert（2018）警告道，虽然工程教育已提高了对伦理的关注，但这种方法仍然依赖于技术官僚主义和功利主义原则。必须采取一种以关怀和同理心为基础的方法，重新构建工程教育，鼓励学生考虑他们设计解决方案的社会影响（Gunckel & Tolbert，2018；Jackson等，2021）。类似地，研究者也提倡将社会科学问题（SSI）纳入综合STEM教学中（Kahn，2015；Owens & Sadler，2020；Roehrig等，2020）。除了促进对现实问题的科学解决方案外，SSI还明确考虑道德和伦理问题（Kahn，2015；Zeidler，2016）。这种整合STEM教育方法不仅提高了目的性，使所有公民都能具备STEM素养，无论他们将来是否参与STEM职业，而且重新构想了STEM劳动力中所需的技能，以改善和多样化对工程设计的思维和方法。
情境整合
用于激发学生学习的现实问题和/或工程设计挑战应具有足够的复杂性，以促使产生多个解决方案（Lachapelle & Cunningham, 2014），并鼓励学习者应用和扩展他们对STEM学科的知识（Berland & Steingut, 2016；Monson & Besser, 2015）。工程设计挑战或现实问题与特定的内容学习目标之间需要有明确的对接（见图1），问题或挑战应当被框定为学生需要借助STEM内容知识来生成可能的设计并做出基于证据的决策。这在图1中被表示为“情境整合”（特征3）。
如果问题情境与内容学习目标之间没有明确和清晰的整合，学生将倾向于进行试验（即通过反复试探的方式），这将导致无法实现内容学习目标（McComas & Burgin, 2020；Moore, Glancy等，2014；Roehrig等，2021）。这与Takeuchi等（2020）指出的一个重大问题相关，即缺乏对特定STEM概念的明确聚焦。在他们对文献的系统回顾中，Takeuchi等（2020）报告称，他们审查的154篇综合STEM文章中，几乎40%聚焦于学生的职业抱负和选择，而非具体STEM概念的学习。现实问题和工程设计挑战必须为学习目标STEM内容提供背景，同时还需具备激励和吸引学生的特性，以帮助促进积极的STEM身份认同（例如，Tai等，2006）。
不幸的是，即使在真实世界的背景下，设计任务也可能退化为仅仅是做手工艺品或仅通过试错进行的琢磨，而这些都不需要运用STEM内容或实践来开发解决方案。虽然工程师开发产品和过程作为解决真实世界问题的方案，但K-12工程和综合STEM教育者往往倾向于制作物理产品。例如，过去十年中，工程课程、创客空间和数字制造实验室在K-12学校中迅速增加（Adams Becker等，2016）。创客空间和制造实验室的重点是开发产品，通常通过“对材料进行琢磨，并以某个最终目标为导向”（Sheffield等，2017，第149页）。实际上，这些空间是现代化的职业教育或车间课程版本（Blackley等，2017；McComas & Burgin，2020）。研究表明，学生在参与动手实践、基于项目的工程课程时，科学和数学内容学习有限，因为这些课程缺乏与科学和数学内容的明确联系（Tank等，2019）。创客空间、制造实验室和工程项目与整合STEM教育的特点不相符，除非教师明确将其与数学和科学内容联系起来（Sheffield等，2015）。因此，整合STEM教育需要一个真实的问题或工程设计挑战，能够使学生明确地学习和应用科学和数学概念。
工程实践要求使用和应用科学、数学和工程知识。K-12 STEM教育应强调这种跨学科的特点，通过为学生提供在解决工程问题的背景下应用适当发展的数学或科学内容的机会（Arik & Topçu, 2020; NRC, 2012; Reynante et al., 2020）。事实上，工程作为一门学科，涉及“理解支撑物理关系的科学和指导工程设计的模型的数学基础，而不是仅仅依靠琢磨或在没有基于数学和/或科学分析的基础上随意修改”（Householder & Hailey, 2012，第12页）。工程设计过程中的设计迭代是基于证据、科学和数学知识以及通过测试原型设计所生成数据的分析（Mathis等，2016；Mathis等，2018）。
我们的观点是，整合STEM教育的核心是由现实世界问题驱动的，并通过使用任何相关学科的知识和实践来开发解决这些问题的可能方案。如果学生要在开发和评估解决现实世界问题的设计方案时考虑和理解问题的完整社会-历史-政治背景（例如，Gunckel & Tolbert, 2018），那么除了STEM学科的技术知识外，社会科学的知识和实践也是必要的。此外，解决STEM中的公平性和多样性问题的关键是促进学生的生活经历和文化知识，以及学科知识，这些都与提出解决现实世界问题和工程设计挑战的方案相关。不幸的是，那些在STEM中被边缘化和代表性不足的学生的文化知识往往被视为不足，而不是作为参与STEM的合法方式（Tan & Calabrese Barton, 2018）。在整合STEM教育文献中，关于提升文化和本土知识在工程设计中的应用的关注较少；然而，促进所有学生对STEM的兴趣和学习需要关注诸如文化创客教育（Tan & Calabrese Barton, 2018）和民族工程（Friesen & Herrmann, 2018; Kilada et al., 2021）等方法。
内容整合
除了现实世界问题/工程设计挑战与目标科学和/或数学内容之间的明确联系（特征 3 – 情境整合），同样重要的是要将学科之间的联系（特征 4 - 内容整合）也明确地呈现给学生（English, 2016；Kelley & Knowles, 2016；NAE 和 NRC, 2014）。尽管教师可能理解在整合 STEM 课程中各类内容呈现和活动之间的联系，学生往往难以自主建立这些联系（Dare 等，2018；Tran & Nathan, 2010）。由于学生很少能自发地建立这些联系（Tran & Nathan, 2010），教师必须帮助学生识别并明确这些联系，或者直接将这些联系呈现给学生。在对一所高中工程课堂的研究中，Nathan 等（2013）讨论了有助于将这些跨学科联系明确呈现给学生的有效教学方法。他们的建议包括提问、促进问题解决、创建模型和表现形式，以及明确突出学科知识，帮助学生识别特定内容的存在。
内容整合可以通过多学科、跨学科或超学科方法实现（Bybee, 2013；Moore & Smith, 2014；Vasquez 等，2013）。一些研究者认为，一种方法并不优于另一种方法（Rennie 等，2012），而其他研究者则将整合定义为从学科到超学科逐步增加的连续体（例如，Vasquez 等，2013；Wang & Knoblach, 2018）。跨学科方法的支持者认为，这种方法优越，因为一个主题或现实世界问题作为学习的锚点（例如，Vasquez 等，2013），而与多学科方法相比，后者“从学科内容和技能开始和结束[学生]需要将不同课堂上教授的不同学科的内容和技能联系起来”（Wang 等，2011，第2页）。
虽然许多研究者将多学科整合作为跨多个课堂进行（例如，Vasquez 等，2013），但将工程和数学思维整合到科学课堂中的呼声（例如，NRC, 2012）要求在科学课程或单元内进行跨学科整合（Capobianco & Rupp, 2014；Moore, Stohlmann等，2014）。在多学科方法中，每个 STEM 学科都可以在课程和教学中辨识出来，而在跨学科方法中，各学科则难以区分（Lederman & Niess, 1997）。鉴于有观点认为整合 STEM 教育能够改善学生对科学和数学概念的学习（例如，Berland & Steingut, 2016；Fan & Yu, 2017；Guzey 等，2017），以及学生在识别不同内容领域如何相互支持和互补时所面临的困难（English, 2016；NAE 和NRC, 2014），内容领域之间的联系需要为学生明确呈现（English, 2016；Kelley & Knowles, 2016）。正如 NAE 和 NRC（2014）报告中所述：
当学生对各学科中的相关概念几乎没有或完全没有理解时，跨学科连接思想是具有挑战性的。此外，学生并不总是在整合的情境中自然而然地使用他们的学科知识。因此，学生需要支持，才能在工程或技术设计情境中引出相关的科学或数学思想，将这些思想有效地连接起来，并以能够反映规范性科学思想和实践的方式重新组织自己的思想。（第5页）
尽管不否定超学科和跨学科方法在整合 STEM 教育中的作用，但多学科方法是学生学习和应用学科内容、并理解学科内容如何相互连接的最佳方法。
鉴于工程在国家和州科学标准中的定位，数学和技术在文献中受到的关注较少，它们在整合 STEM 课程中的纳入往往有限（Roehrig 等，2021）（例如，Roehrig 等，2021）。因此，在开发更为健全和详细的整合STEM 教育模型时，必须更加明确地关注数学和技术。
数学案例
尽管科学和数学之间有着长久的整合历史（例如，Berlin & White, 1995；Davison 等，1995；Huntley, 1998），但在整合 STEM 教育中，数学的整合尤其困难（Walker, 2017；Zhang 等，2015），研究显示数学知识对学生的影响较小（例如，Becker & Park, 2011；NAE 和 NRC, 2014；Nugent 等，2015）。例如，Huntley（1998）将跨学科方法描述为一种学科处于前景，而另一学科则作为背景仅提供情境。然而，在科学（以及更近期的整合 STEM 课程）中，数学通常作为数据测量和分析的工具被背景化，几乎没有或根本没有数学概念学习目标（例如，Baldinger 等，2021；Ring 等，2017；Roehrig 等，2021；Walker, 2017）。这种对数学的处理通过《下一代科学标准》（NGSS）得到加强，其中将数学和计算思维作为八大科学和工程实践之一（NRC, 2012）。这一实践将数学呈现为科学和工程中的核心工具（Hoda, Wilkerson, & Fenwick, 2017），包括“从构建模拟、做出定量预测、统计分析数据，到识别、表达和应用定量关系”等任务（Aminger 等，2021，第190页）。
虽然很难想象在没有数学实践的参与下教授和学习科学或工程，但数学的联系通常是隐性的，学生可能无法清楚地看到这些联系（Roehrig 等，2021）。成功的数学整合需要明确数学的角色，例如通过将数学放在前景中（Silk 等，2010）。例如，在一项元分析中，Hurley（2001）发现，当学生通过多学科方法按顺序学习科学和数学内容时，数学学习的效果最大，而不是跨学科方法。最近，Baldinger 等（2021）认为，科学和数学学习机会需要在一个单元中进行策略性定位和突出展示。事实上，如前所述，通过多学科（multidisciplinary）方法，数学和科学概念可以在一个单元中明确和有目的地置于前景，从而改善科学和数学的概念性学习。
在一项关于数学和计算思维在 K-12 科学课堂中实施的罕见研究中，Aminger 等（2021）发现，只有当教师让学生参与高认知需求的数学任务时，如数学建模，才能提高学生对科学现象的理解。建模使用数学方程式来表示科学现象并传达科学思想（例如，Bialek & Botstein, 2004；Brush, 2015；Lazenby & Becker, 2019）。尽管学生需要解读方程所代表的数学和科学意义（例如，Bialek & Botstein, 2004；Sevian & Talanquer, 2014），但高等教育阶段的研究表明，学生通常依赖于算法程序，而没有将数学方程与科学现象联系起来（例如，Bing & Redish, 2009）。高等教育研究者提倡融合的意义建构，在这种方式下，学生的科学和数学知识被激活并用于发展对科学现象的理解（Zhao & Schuchardt, 2021）。当教学鼓励通过融合意义建构参与数学建模时，学生的定量问题解决能力得到了提升（例如，Becker, Rupp, & Brandriet, 2017；Lazenby & Becker, 2019；Schuchardt & Schunn, 2016）。
技术案例
技术在整合STEM教育的定义中很少被明确提及（例如，Ellis 等，2020；Herschbach，2011）。技术的隐性处理主要有两种形式：教育技术的整合和作为工程中的生产和使用技术（Ellis 等，2020；Kelley & Knowles，2016）。毫无疑问，教育技术在 K-12 课堂中扮演着越来越重要的角色，像所有教师一样，科学教师也使用数字技术工具来呈现内容并让学生完成工作，通常通过一对一技术倡议来实现。指导 K-12 课堂中技术使用的标准，如国际教育技术协会（ISTE）为教育者设定的标准，定义了教育者所需的技术技能（ISTE，2000），这些标准不针对特定内容和年级（Ellis 等，2020）。这些数字技术最常用来替代传统的纸质和文本学习。例如，在科学课堂上，数字笔记本已被用来代替纸质笔记本（Constantine & Jung，2019）。虽然这使学生能够包含照片和视频等多媒体，并通过基于网络的工具进行协作工作，但这些技术的使用并不特定于STEM。
鉴于NGSS中对工程的关注，整合STEM教育中对技术的看法通常与技术在工程课程中的表现方式相关。在对K-12工程课程的评审中，技术主要被表现为工程的产品（NRC，2009）。这种技术在整合STEM教育中的表现方式在NGSS中得到了明确阐述，其中工程被定义为“解决问题的系统性实践，而技术则是这一实践的结果”（NRC，2012，第103页）。类似地，《框架》指出，“当工程师运用他们对自然世界和人类行为的理解来设计满足人类需求和愿望的方式时，技术便产生了”（NRC，2012，第12页）。从本质上讲，根据这种对STEM中“T”的定义，STEM变成了SEM，导致技术被工程所包容。
在定义特定于整合STEM教育的技术时，更有成效的观点是将STEM中的“T”定义为科学、数学和工程从业者使用的工具（Ellis et al., 2020；NAE 和 NRC，2014）。为了支持学生参与STEM专业人员的真实实践，学生应该有机会使用STEM特定的工具或技术（例如，Bell & Bull，2008；Ellis et al., 2020；McCrory，2008）。在科学课堂上，一个常见的例子是使用数字探头来收集和分析数据（例如，Hechter & Vermette，2014）。近年来，随着工程学科进入科学课堂，新技术如计算机辅助设计（CAD）软件和3D打印机被引入（例如，Wieselmann et al., 2019）。然而，对于整合STEM教育来说，关键是这些工具不应仅限于数据收集设备；相反，它们应该鼓励学生更深入地参与科学内容（Bull & Bell，2008）。超越基本的数据实践，STEM教育中的技术实践可以提升至包括模拟和建模实践，这已被证明能提高学生的概念性科学理解（Aminger et al., 2021）。
内容整合小结
鉴于在整合STEM课程中需要激活和应用学科知识，因此有强烈的理由支持采用多学科的方法，让学生既有机会学习内容，又能将这些内容与真实问题联系起来。仅仅通过隐性联系是不够的；对教学的观察应当能够显示出教师主导的清晰和明确的讨论，旨在促进学生理解学科之间的联系。学科间的相互关系是复杂的，要求以有意且有目的的方式教授STEM内容，以便学生理解STEM内容是如何在概念上相互联系的。就数学和技术而言，至关重要的是，这些学科不应仅限于数据收集和分析的工具。当合适时，课程开发者和教师应鼓励学生通过数学和技术辅助建模来参与更高认知需求的实践和明确的意义构建。虽然物理学中与建模相关的文献较为丰富（例如，Hestenes，2010），但其他科学学科中也存在相关的建模文献，可以用来指导更高质量的数学整合（例如，Lazenby & Becker，2019；Schuchardt & Schunn，2016；Zhao & Schuchardt，2021）。通过这些数据和数学实践的参与，作为STEM专业人员的实践，这是一种STEM特定的技术整合方法。
STEM 实践和21世纪技能的整合
在整合STEM的定义中，还普遍提到具体学科实践（如探究、工程设计），以及共享的实践和技能（如批判性思维、创造力）（Moore等，2020）。在应对现实问题和工程设计挑战时，学生应直接参与真实的STEM实践（特征5）和21世纪技能（特征6），以开发潜在的解决方案（图1）（例如，Kelley & Knowles，2016；Moore, Stohlmann等，2014）。工程设计挑战的性质对于促进预期的学习成果至关重要，应结构化为多种可能的解决路径。例如，如果任务过于受限，设计空间就会变得有限，学生将没有机会发展重要的21世纪技能，如批判性思维和创造力。
STEM 实践
让学生参与STEM实践是整合STEM教育定义中的一个常见组成部分（例如，Kelley & Knowles，2016；Moore等，2020）。这些实践“代表了从业者在从事工作时所做的事情，是学生学习某一学科并理解该领域本质所必须做的事情的必要部分”（Reynante等，2020，第3页）。让学生参与STEM实践得到了广泛的实用主义支持，实用主义强调通过实践学习（Asunda，2014），更具体地说，得到了社会建构主义学习理论的支持，后者是STEM教育改革的基础，倡导学生主动建构知识，而不是传递知识（例如，Guzey，Moore，& Harwell，2016；Riskowski等，2009）。
知识构建和STEM专业人士的工作核心是数据实践（Duschl等，2007）。数据实践包括数据的创建、收集、操作、分析和可视化（Weintrop等，2016）。鉴于工程设计挑战提供了多个解决路径，并且没有单一正确的解决方案（Lachapelle & Cunningham，2014），而且“数据本身没有固有的结构能够直接得出答案”（Weintrop等，2016，第135页），因此，学生在参与工程设计过程时，积极参与数据实践并使用数据来做出决策是非常重要的。在《框架》（NRC，2012）中，这被称为基于证据的论证实践，强调使用证据、科学和数学知识来发展科学解释并在工程设计中为设计决策提供依据。
论证是科学和工程领域的共同实践（Couso & Simarro，2020）；然而，尽管科学论证在研究文献中得到了充分支持（例如，Berland & McNeill，2010），但K-12学生使用证据和STEM内容来为设计决策辩护的水平仍处于起步阶段（例如，Mathis等，2018；Purzer等，2015；Valtorta & Berland，2015）。论证和决策制定需要在考虑现有证据以及任何已定义的标准和限制的基础上，权衡可能的设计解决方案的优缺点（Wendell等，2017）。
Siverling等（2017）认为，通过在综合STEM课程中明确使用基于证据的推理，可以促进学生应用科学和数学内容。例如，课堂活动可能要求学生在规划阶段解释为什么应该追求初步设计方案，并且要求学生在评估已测试的设计方案时，使用证据和STEM内容并向客户证明其合理性（Mathis等，2016；Mathis等，2018）。这种正式的基于证据的推理明确要求学生对他们的设计和设计决策做出陈述，并通过证据（来自反复测试）和推理（使用科学和数学内容）来支持这些陈述（Siverling等，2019）。学生不会自发地使用科学和数学内容来为他们的设计选择辩护和解释；相反，学生在参与工程设计任务时，通常会关注成本和材料限制（例如，English等，2013；Guzey & Aranda，2017）。因此，在K-12整合STEM课程中明确包含基于证据的推理是必要的，以帮助学生将科学和数学内容与工程设计挑战联系起来。
STEM知识不仅仅是做出设计决策时需要考虑的内容。在评估可能的设计解决方案时，学生需要优先考虑“标准和权衡，这些权衡考虑到各种约束因素，包括成本、安全性、可靠性和美学，以及可能的社会、文化和环境影响”（NGSS标准HS-ETS1-3）。重要的是，不应忽视提议解决方案的社会和文化方面，因为我们的目标是培养具备STEM素养的公民，并培养一个未来能够更深入思考其工作、超越传统技术官僚焦点的劳动力（Gunckel & Tolbert，2018；Roehrig等，2020；Zeidler，2016）。
学生在参与工程设计过程中应该具备决策的自主权（例如，Berland & Steingut，2016；Johnson等，2016；Saito等，2015）。工程设计挑战应当设计成具有多条解决路径，使学生能够确定自己的解决方案轨迹，并在设计解决方案从学生的问题、想法和探索中发展时，提供机会建立知识。Miller等（2018）认为，我们还必须将学生定位为认知主体，而非STEM内容的接收者，否则《框架》（NRC，2012）中对学生参与STEM实践的呼吁将无法实现。Miller等（2018）将认知主体（ epistemic agency ） 定义为“学生能够定位自己，感知并行动于，在课堂社区中塑造知识建构工作的机会”（第1058页）。具体来说，学生应该有机会：（a）以个人和文化知识为学习资源；（b）建构知识；（c）建构对自己有用的知识产品；（d）改变约束和支持行动的结构。当学生获得认知主体性时，他们可以提出针对个人有意义问题的解决方案，而不仅仅是学习学科的经典事实和模仿规定的实践。通过参与工程设计挑战，学习围绕有意义和真实的问题进行，从而提供了一种自主感（sense of agency），因为学生可以看到内容学习目标对开发问题解决方案具有用处和相关性（例如，Schwarz等，2017）。研究人员认为，现实世界的问题应该让学生不仅仅是知识建构者，还应该是他们社区中的变革推动者，进一步促进认知主体性和STEM身份（STEM identity）[注：指的是个人对自己在STEM领域的认同感和归属感。它涉及到个体如何看待自己在这些领域的角色，以及他们是否认为自己是科学家、工程师、数学家或技术专家等的潜在成员。这种认同感不仅包括技能和知识的掌握，还包括个人对自己能够在STEM领域中取得成就的信心和动机。STEM身份的形成通常受到多种因素的影响，包括个人的兴趣、文化背景、教育经历、社会互动以及对STEM领域的社会认知等。具有强烈STEM身份的人通常会更多地参与STEM活动，并对未来在STEM职业中取得成功持积极态度。在教育中，培养学生的STEM身份被视为鼓励学生继续在这些领域学习和工作的一个重要途径。通过参与实际的STEM项目、解决实际问题以及看到自己的努力在这些领域中产生影响，学生可以逐步发展出强烈的STEM身份]的形成（Billington等，2013；Leammukda & Roehrig，2020；Miller等，2018）。
21 世纪技能
除了具体的STEM实践外，整合STEM教学还应支持21世纪技能的发展（例如，Moore, Glancy等，2014；Sias等，2017）。广义的21世纪技能包括知识建构、现实世界问题解决、熟练的沟通能力、协作能力、利用信息和通信技术进行学习、创造力和协作能力（Partnership for twenty-first Century Learning, 2016）；这些技能是“个人适应并在不断变化的世界中茁壮成长所必需的”（Stehle & Peters-Burton, 2019，第2页）。近期的趋势是加入艺术教育，因为STEAM教育的倡导者认为，艺术的整合将增强学生的批判性思维和解决问题的能力，并培养他们的创造力（Trevallion & Trevallion, 2020）。然而，这些论点已是整合STEM教育公认目标的核心（NAE and NRC, 2014；Moore, Glancy等，2014），而创造力在STEM学科中至关重要，甚至不需要插入艺术内容。整合STEM教育为批判性思维、协作、创造力和沟通能力的发展提供了丰富的环境（Stehle & Peters-Burton, 2019）。
现实世界问题和工程设计挑战的模糊性质要求学生进行批判性思维，利用他们的STEM内容知识和生活经验来提出可能的设计解决方案。参与工程设计过程本身就包含了创造力和批判性思维，因为没有单一的正确解决方案，这促进了变革性和创新设计解决方案的潜力（Stretch & Roehrig, 2021；Petroski, 2016；Simpson等，2018）。当学生反复测试和改进他们的设计解决方案时，他们会经历设计失败。正如前面提到的，创新的发生应当预期失败，能够从失败中学习可以通过创造力和批判性思维的应用，推动更强大的设计和创新（Henry等，2021；Simpson等，2018）。
鉴于工程学的高度跨学科和整合性，学生还应提供机会在团队中合作，以增强他们的协作技能（Riel et al., 2012；Rinke et al., 2016；Thibaut et al., 2018），这些技能对于发展协商设计解决方案至关重要，这些方案能够在不同的理解下对同一问题空间进行综合（Wendell et al., 2017）。实际上，在K-12课堂中，小组活动约占科学课堂教学时间的一半，期望小组共同构建STEM内容知识，并为现实世界的问题设计解决方案（Wieselmann et al., 2020；Wendell et al., 2017）。Sharunova et al.（2020）使用布鲁姆分类法（Anderson & Krathwohl, 2005）定义了小组在小组工程设计活动中参与的认知参与连续体。整合STEM学习环境涉及学生之间“新的沟通层次、共同愿景、集体智慧和直接连贯的行动”（Asunda, 2014，第8页）。此外，研究人员呼吁开展整合STEM活动，其中学生被期望共同应用他们所学的知识，开发可能的设计解决方案，并通过反复分析和评估改进这些设计（Asunda et al., 2015；Dolog et al., 2016；Sharunova et al., 2020）。
促进STEM职业
最终特征——促进STEM职业（特征7）是文献中整合STEM最不常见的特征。因此，它在某种程度上与整合STEM框架的其他特征分开，但为将整合STEM教育纳入K-12课堂的政策动机提供了支撑。以促进学生未来参与STEM职业为目标，整合STEM教育应向学生介绍STEM职业的具体情况（Jahn & Myers, 2014；Luo et al., 2021）。这应包括让学生参与STEM专业人士的真实工作（Kitchen et al., 2018；Ryu et al., 2018），并积极推动学生发展STEM身份。越来越多的研究表明，STEM兴趣、态度和身份是持续从事STEM学科的预测因素，而非STEM课程中的学业表现（Avraamidou, 2020；Rodriguez et al., 2017；Tai et al., 2006）。此外，身份研究表明，对STEM感兴趣并享受其中的学生不一定认为自己会从事未来的STEM职业（Carlone et al., 2011）；尤其对于来自历史上代表性不足的群体的学生来说，他们较少表现出对STEM领域的兴趣，也较少认同STEM领域（Rodriguez et al., 2017）。此外，STEM兴趣和职业愿望通常在八年级时就已形成（Tai et al., 2006），这表明需要在学生教育早期就引入STEM职业。除了向学生介绍STEM职业外，研究还表明，关注个人经验和知识的关联有助于塑造学生在STEM中的身份认同（Ryu et al., 2018；Carlone et al., 2014；Sias et al., 2017）。
尽管通过参与STEM实践和21世纪技能，支持学生为现实问题提出解决方案，也有助于发展积极的STEM身份认同和对STEM的兴趣，但这些活动并不要求与STEM职业有任何明确的联系。关于学生对工程学理解的发展，现有的研究较为有限，且对于通过让学生参与动手的STEM活动，是否能隐性地塑造对工程师和其他STEM专业人士工作的深刻理解，仍然存在争议（例如，Svihla等，2017）。然而，STEM职业的明确讨论可以帮助学生了解具体的职业机会，并将这些职业与他们的兴趣对接（Kitchen等，2018；Ryu等，2018）。
框架的意义与应用
整合STEM教育的七个关键特征（表1）对教师在规划和实施整合STEM时具有重要意义，特别是如果K-12课堂中的整合STEM旨在促进STEM素养并增加STEM领域的多样性。选择整合STEM课程的情境时需要谨慎，因为研究表明，少数族裔学生和女性（尤其是在STEM领域中的代表性较低者）在参与STEM的动机方面与白人男性存在差异（例如，Billington等，2013；Diekman等，2010；Leammukda & Roehrig，2020）。虽然一些科学主题适合简单的工程设计活动，例如设计一个能够尽可能远行的捕鼠器车，但这些活动并没有与现实世界的问题相联系。相比之下，可以要求学生设计栖息地以保护受气候变化影响的赤道企鹅，这一问题需要运用和应用热传递的科学概念（Sheerer & Schnittka，2012）。这个工程设计挑战通过人类对环境的影响而引发的现实问题进行情境化，且很容易进行适当调整，纳入人类引发的环境问题以及在制定设计方案时考虑当地政策和传统。通过将工程设计挑战情境化为现实世界的问题，我们要求学生不仅理解问题的技术标准和约束条件，还要从潜在的道德和伦理困境的角度考虑这个问题。教师应抓住这样的机会，引导学生进行意义建构，理解背景的真实性，并以批判性视角处理这些问题。关注选择能促进STEM领域少数群体学生积极身份认同的现实问题和相关的工程设计挑战，不仅能够应对报告的劳动力需求，还能为如何在现实世界中应用STEM内容和实践带来新的视角和方法。
不幸的是，即使有了现实世界的背景，工程设计任务也可能会变成通过随机的试验和错误反复改进设计（McComas & Burgin，2020；Moore，Glancy等，2014；Roehrig等，2021），如果这些整合STEM课程的规划不充分。除了提供旨在促进积极STEM身份认同的激励背景外，现实世界的问题和工程设计挑战还必须为学习特定的STEM内容提供背景。这可能涉及重新激活先前的知识或在教学单元中明确教授STEM内容。我们建议，采用更接近多学科整合的教学方法，可能更有助于学生识别整合STEM单元中固有的STEM内容。换句话说，高质量的整合STEM单元（例如，Bhattacharya等，2015；Karahan等，2014；Moore，Guzey等，2014；Moore等，2015）应包括旨在明确教授相关STEM内容的课程。鉴于学生很少能自发地建立这些联系（Tran & Nathan，2010），因此，教师使用特定的教学方法，如基于证据的推理（Mathis等，2016；Mathis等，2018），帮助学生明确这些联系至关重要。强有力的教师引导和提问是帮助学生认识到学科之间联系的必要条件，学生可以通过反复和反思的过程，利用这些联系开发出更强的设计解决方案。
我们的整合STEM框架不仅帮助为教育工作者提供更具体的指导，还支持整合STEM研究。尽管K-12课堂中推动整合STEM教育的努力不断增加，但评估STEM整合教学的观察协议的开发进展缓慢。在有效协议开发之前，STEM教育研究人员仍然依赖于一些现有的工具，这些工具早于当前的STEM教育倡议，例如改革教学观察协议（ Reformed Teaching Observation Protocol ）（Sawada等，2002）。到目前为止，缺乏详细的整合STEM框架阻碍了该领域在课堂上系统地收集数据，从而理解整合STEM教学的性质和质量；这也延缓了与学生成果（包括学术成就和情感）相关的研究进展。该框架为教师实践提供了详细的指导，期望在整合STEM课程中观察到这些实践。通过这个框架，研究人员现在可以探索整合STEM的具体方面或整体教学质量对学生成果的影响，因为这个框架可以指导整合STEM观察协议的开发，而这一协议目前在该领域中仍然缺失（例如，Dare等，2021）。
总结
我们的框架解决了该领域的一个关键需求，即超越对整合STEM的简单定义，提供详细的描述，以便操作化中心构念，例如整合的性质。基于STEM政策文件的意图和现有文献，我们提出了一个整合STEM框架，其中包括七个关键特征： (a) 关注真实世界的问题； (b) 工程的核心地位； (c) 情境整合； (d) 内容整合；(e) STEM实践； (f) 二十一世纪技能；和 (g) 向学生介绍STEM职业。虽然这些关键特征包括了整合STEM的常见组成部分（例如，Johnson等，2016；Kelly & Knowles，2016；Moore, Stohlmann等，2014），我们的框架详细概念化了每个关键特征，并为教育者、课程开发者和研究人员操作化了整合STEM。这一点至关重要，因为诸如“努力将科学、技术、工程和数学四个学科中的一些或全部结合到一个课堂、单元或课程中，这个过程基于学科之间的联系和真实世界的问题”（Moore, Stohlmann等，2014，p.38）的说法并未提供足够的信息，无法解决如如何整合任何子集的STEM学科或哪些真实世界的问题适合推动所有学生在STEM领域学习等关键问题。
最重要的是，我们的框架直接关注多样性和公平性问题，因为当前对整合STEM的定义和实施主要关注内容，并仅考虑参与解决真实世界问题和/或工程设计挑战的技术层面。我们的框架特别针对整合STEM批评者提出的问题（例如，Gunckel & Tolbert，2018；Roehrig等，2020；Zeidler，2016），全面考虑工程设计挑战所在的社会历史政治背景，并在做出设计决策时运用这一知识。该框架还关注所有学生的STEM身份发展，理解真实世界问题和/或工程设计挑战的性质如何限制或促使女孩和有色人种学生对STEM的兴趣和参与（例如，Billington等，2013；Diekman等，2010；Leammukda & Roehrig，2020）。同样重要的是，通过提升学生的生活经验和文化知识，作为有效的知识形式，鼓励所有学生在参与开发解决真实世界问题的方案时，借此发挥作用，从而促进积极的STEM身份认同。
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