一、美国实施K-12阶段STEM教育的措施
1.制定多层次、个性化的课程标准
美国K-12阶段的教育，每一门课程都有详细的规划和操作标准。具体到STEM教育，不同年级、不同课程也有详细的标准。如《K-12科学教育框架》、《新一代科学标准》、《K-12工程教育标准》、《各州共同数学核心标准》等。除了这些独立的标准，还有与之配套的解释性文件。学校的教学以具体标准为指导，以保证教学质量。如《各州共同数学核心标准》[1]，规定了不同年级的数学教育标准，为各个学校独立开展数学教学提供纲领性的指导。到了高年级，学校还会帮助学生形成系统的学科概念，并有意识地建立学科之间的广泛联系。以科学教育为例，美国初中和高中的科学教育采用“3+1”的内容设置，即三个主要的科学领域：物理科学、生命科学、地球与空间科学实践环节——工程设计。与小学相比，中学科学教育有了明显的学科划分，并且逐步形成一定的学科知识和理论体系。
全国性的STEM教育标准起到统领全局的作用，各州还根据自身的实际情况，在全国性标准的框架下，设计州一级的STEM教育方案，因地制宜地开展STEM教育。如北卡罗来纳州在国家标准的框架下设置了多种形式的STEM教育课程。[2]各学区、学校制定自己的标准，有助于发挥自身的优势，形成STEM教育的特色。
2.增强STEM课程融合
进行学科之间的融合，已经成为很多国家科学教育政策主导和研究的热点。[3]美国现行的科学、技术、工程、数学标准，均体现出不同程度的学科融合倾向。2012年最新的《K-12科学教育框架》强调“科学”与“工程”的融合，强调科学教育的跨学科性。美国K-12阶段的技术教育也注重与其他教育内容交叉和融合。以技术与工程的融合为例，美国K-12阶段有专门的工程技术内容，设置计算机科学、工程两方面的内容。不同阶段科学教育内容的设置方式也有所不同。2014年发布的《K-12教育中的STEM融合：现状、预期与一项研究议程》概括了STEM教育中各领域从独立到不断融合的历程。
项目是美国STEM教育中实现课程融合的又一重要方式。例如，PLTW(Project Lead The Way)项目、暑期项目、课外项目等，这些项目强化STEM教育的地位，并将科学、技术、工程、数学内容密切结合起来。融合的STEM课程，有助于激发学生的STEM兴趣，引导学生在高等教育中选择STEM专业，甚至走上STEM职业道路。
美国特别关注人文社科类课程对K-12 STEM学习的促进作用。在STEM课程以外，还有诸如戏剧、绘画等在内的课程。学生在具备了充分的学术能力以外，还有较高的人格修养，不仅为升入大学做准备，也为职业生涯做好了充分的准备。
3.社会力量广泛参与K-12 STEM教育
美国的社会团体和组织在促进K-12 STEM教育方面发挥着重要作用。除了联邦政府和州政府，这些社会力量可以大致分为三类：教育机构组成的团体、企业团体和公益组织。
美国的教育机构彼此之间联系密切，并成立了各类协会，共同商讨教育问题。全国STEM中学联盟(National Consortium of Secondary STEM Schools，NCSSS)是一个致力于推动STEM教育的组织，成员以初中为主，还包括一些顶级高中，同时还有大学、暑期项目、公司、基金会。该组织的宗旨就是为学生成为科学、技术、工程、数学方面的领军人物做准备。在具体的工作中，NCSSS主要通过为成员单位的师生提供服务、建立合作、传达STEM教育通知、发起教育改革等活动促进中学STEM教育的发展。除了像STEM中学联盟这样的专门组织外，一些STEM领域的高级机构也对K-12 STEM非常重视。美国国家工程院(National Academy of Engineering，NAE)的工作内容之一就是为K-12工程教育提供前沿思想。NAE通过设立项目的形式，鼓励基础阶段的工程教育研究。通过这种方式，充分调动老师和学生的积极性，鼓励学生参与到创新性学习中。[4]通过一系列项目，NAE让K-12阶段的工程教育与大学教育逐步接轨，并且将视野拓展到整个STEM领域，进而推动K-12阶段STEM教育的发展。
美国的企业致力于推动K-12 STEM教育的发展，这是因为进入知识时代，美国企业认识到如果没有高素质的人力资源，企业的生存与发展将无从谈起。企业参与的方式不一，有的联合成立公益机构，如一百多位企业CEO发起的致力于推动中小学STEM教育的“变革方程”;有的则是直接向政府提供STEM教育改革建议，影响美国STEM教育的政策，如名为“激活美国的潜力：为了创新计划的教育”的报告即为“企业圆桌会议”这一协会所提交。
图书管理员在K-12阶段的STEM教育中也发挥着重要作用。在一个以创新为中心的环境中，图书管理员是创造者、创新者和导师。[5]他们作为STEM项目的参与者，不仅通过动画、数字等技术手段对学生进行教育，而且能够成为连接学校和企业的桥梁，为STEM教育项目筹集资金。除了图书馆，国家公园、博物馆等通过提供有效的STEM经历，培养学生的兴趣，使学生形成对STEM的积极态度，提升学生的科学素养。
目前，美国正在构建一种新的STEM学习生态系统，主要目标是实现正规教育、非正规教育和课外教育三位一体的STEM教育，有效整合K-12 STEM教育的资源，提高STEM教育的效率。
4.多项机制保障K-12 STEM教育
(1)优秀师资培育机制。要切实提高K-12阶段学生STEM方面的素养，师资是重要的保障之一。一方面，美国制定了不同专业教师的资格标准，STEM教师不仅要具备所教课程的知识和资格，而且还要具备跨学科的知识和能力，以适应STEM教育的最新形势。另一方面，美国计划增加K-12阶段STEM教师数量。根据2013年《美国联邦政府STEM五年战略规划》，到2020年美国将增加100，000名K-12阶段STEM教育的优秀教师。[6]与之相呼应，美国有各种形式的STEM领域教师培训项目，以提供给教师更多的培训。不仅如此，还对表现优异的STEM教师给予激励，“数学和科学卓越教学总统奖”即是激励方式之一。这些措施为美国培养优秀师资以及高素质的STEM学生提供了保障。
(2)多元经费支持机制。为了能够保障K-12阶段的STEM教育，美国还特别注重教育投入。研究认为中学和高等教育阶段高质量的STEM教育与美国的创新能力和经济繁荣密切相关，[7]对STEM教育进行投入就成为保持经济活力的关键。在经费投入方面，美国联邦政府主要是通过联邦教育部、国家科学基金会、卫生及福利部进行STEM教育经费发放，这些投入占STEM教育投入的80%以上。2015年奥巴马政府在STEM教育上的预算为29亿美元，其中用于K-12 STEM教育的为3.2亿美元。[8]除了联邦政府的投入，美国的社会团体、公司等也对K-12 STEM教育投资，他们的投资主要针对STEM项目或课外STEM活动。例如，美国科学促进会(AAAS)对非营利组织用以加强K-12阶段STEM教育中学生、老师和专业人士的合作。[9]
(3)行政支持机制。美国联邦政府通过制定规划、发布文件等方式对K-12阶段的STEM教育提供行政支持。这些行政行为对具体教育方案的制定和实施起指导作用。例如2013年美国政府发布了《联邦科学、技术、工程与数学教育五年战略规划》，对包括K-12在内的STEM教育活动进行了部署，明确提出“STEM教育应优先于政府在教育方面的其他工作”，[10]同时也为各州制定各自的STEM教育及普及方案提供了框架。不仅如此，一些州将K-12 STEM教育作为本州事务的重点加以重视，采用行政的手段予以保障。2014年，爱德华州立法机构会议讨论的立法优先权议题中就包括K-12 STEM教育。[11]
(4)特殊群体STEM教育保障机制。在加强STEM教育的背景下，美国注重对少数族裔、女性及家庭贫困等弱势群体的STEM教育，并且鼓励他们在未来从事STEM相关工作。增加女性及少数族裔在STEM工作中的比例，是当前美国成功的STEM教育的目标之一。[12]除此之外，一些社会组织及公司针对这些弱势群体采取相应的措施，如2014年尼桑捐赠18万美元用以支持拉美裔美国公民的教育，并鼓励他们从事STEM方面的职业。[13]
5.强化K-12与大学STEM教育的衔接
美国K-12与大学STEM教育衔接首先体现在一般课程设置和实践环节的设置上。这种衔接主要是通过在中小学开设STEM相关课程的方式实现的，如学院高中课程。[14]这种做法在美国由来已久，如工程教育课程可以追溯到20世纪90年代初。[15]除了课程设置，美国K-12 STEM教育还有课外活动环节，这些课外活动通过学生自己动手做实验、参观体验等形式，让学生不断增加对STEM的认识和兴趣，培养STEM思维，并引导他们在大学选择STEM专业。
K-12与大学STEM教育的衔接还体现在与招生挂钩的特殊课程上。为了培养更多的STEM创新人才，美国越来越多的大学与中学建立了密切的联系，双录取项目[16]是美国大学招生方式之一。实施双录取项目的大学为基础教育阶段的学生，特别是高中生提供STEM类的课程，这类课程一般称为AP(Advanced Placement Program)课程，针对那些学有余力、成绩优异的高中生，允许他们先修大学的部分课程并获得学分。研究表明，双录取制度不仅有助于实现高中与大学的衔接，[17]而且是创新人才培养的需要。[18]不仅如此，美国还通过制定各项政策来保障K-12与大学的衔接，[19]《不让一个孩子掉队法案》就是其中之一。在美国文化中，人们认为每个孩子都能成功，托马斯·阿姆斯特朗的经典教育专著《每个孩子都能成功》认为，很多孩子在学校不成功，是学校教育方式的问题，而非孩子本身的问题。所谓问题孩子、差生应当采取特别的教育方式，保障每个孩子都能实现各自价值。
6.成立专门STEM学校
当前，STEM中学是美国K-12 STEM教育中的一个特色。史蒂文森中学是美国最早的STEM中学，同类的学校还有俄克拉荷马数学与科学学校、伊利诺伊数学与科学学校等。STEM中学最初是为了培养技术工人，服务于美国经济的发展。随着后来各国在科技领域竞争环境的变化，STEM中学逐渐演变成为培养STEM领域人才的精英教育学校。这些学校在美国的影响力较大，是美国培养高层次人才和创新人才的重要方式。STEM中学不仅有自己的招生制度，还设置有帮助学生创新能力发展的课程。通过分阶段的培养，STEM中学成为STEM人才的摇篮。
二、美国K-12 STEM教育对我国的启示
1.增加实践训练，培养STEM整体思维
尽管素质教育在我国已经提出了数十年，但在实际操作过程中，很多学校仍然以升学率等指标为导向，中小学教育中的应试思维仍然没有得到根本的转变。在一个以创新为主旋律的时代，迫切需要培养中小学生的创新思维，这是学生发展的需要，也是国家创新能力和国际竞争力提升的需要。培养创新能力的关键在于重视STEM教育中的兴趣培养和实践环节的设置。首先，增加学校教育中的实践环节，应当在中小学教育中增加类似美国的“工程设计”内容或环节，培养学生的问题意识、动手能力和思维能力。其次，增加课外实践环节，我国中小学的STEM教育尽管成绩斐然，但却存在动手能力差、实际应用能力弱等问题，学生的想象力和创造力没有得到充分的发挥。为此，应当让学生更多地走出教室参与实践，科技展览、博物馆、各类STEM相关的课外项目应当纳入到中小学STEM教育中。最后，加强教学过程中的课程融合，形成STEM大课程思维，避免教学过程中各个课程之间的人为撕裂与孤立，进而让学生形成对STEM领域问题的全面感知。这不仅有助于保持和增加对STEM领域的兴趣，而且能够为未来的学习和工作打下重要基础。
2.动员社会力量，加大STEM基础教育投入
社会机构参与中小学的STEM教育，不仅能够提供更多的资金支持，而且能够起到联系和沟通的作用。另外，社会机构的参与还能够提供更多的教育资源，丰富教学内容，例如可以通过设立项目的方式参与中小学的STEM教育，使学生的想法和实践能够找到现实的支持平台。图书馆、博物馆、科技馆这样的公益组织，也可以发挥在STEM方面的优势，与中小学建立广泛的联系，参与到STEM教育中来。鼓励民间的STEM教育基金会、学术研究机构、中小学STEM教育联盟等多种类型的社会机构参与，可以充实我国中小学STEM教育的力量，更好发挥中小学在STEM创新人才培养中的作用。
3.培养卓越师资队伍，保障STEM基础教育经费
保障机制是中小学STEM教育成功的必要条件，师资、经费是保障机制中的两项重要内容。处于教学一线的中小学教师对STEM教育的效果有直接的影响，高素质的师资对提高学生的STEM素质、培养学生创新思维和能力至关重要。根据《中国教育报》的报道，我国中小学教师发展总体处于世界中等水平，[20]这表明中小学教师发展的总体水平仍有上升的空间。2012年2月教育部印发了《幼儿园教师专业标准(试行)》《小学教师专业标准(试行)》和《中学教师专业标准(试行)》，以文件的形式对相关教师标准作了规定。尽管这些标准对不同学段的教师提出了有针对性的要求，但对教师自身的创新能力、实践能力及跨学科能力的要求还不够突出。当前教师的选拔和考核以“合格”为标准，尚未到达“优秀”、“卓越”的层次，未来应当完善中小学STEM教师的选拔和考核标准，健全中小学STEM教师的激励机制，提升中小学STEM教师的整体水平和工作热情，以培养更多的优秀中小学STEM教师。
2007年至2011年，我国的中小学教育经费连续增长，截至2011年，中学和小学的财政性经费分别超过了85%和95%，[21]①但并没有细化到各学科，对STEM教育的投入没有相应的统计数据。另外，根据研究教育投入对经济增长并无明显的作用，而教育质量则与经济增长正相关。[22]与经济增长密切相关的领域是STEM领域，应当注重提高STEM教育的质量，特别是作为基础的中小学STEM教育的质量。
4.与大学STEM教育接轨，制定战略性STEM基础教育方案
传统应试教育中，中学只负责把学生送到大学，大学只负责学生入学后的教育，中学和大学之间缺少必要的衔接。中小学是STEM创新的萌芽阶段，如果缺少必要的培育条件，必将影响大学及未来创造力的生长和创新成果的产生，为此有研究指出应当进行“联动大学、立足中学、推动大中学的深度合作”等建议。[23]借鉴国外的经验，我们已经在少部分学校试行美国的AP课程。这种试行应当以中小学教师深刻理解STEM教育及创新人才的素质要求为前提，同时大学更应当掌握中小学教育的客观实际，以便制定符合中国现状的STEM人才培养方案。
在招生制度方面，我国正在实施的自主招生制度是选拔创新人才的一种有益尝试，在理念上拉近了高中教育与大学教育的距离。在实际操作中，这种方式仍存在许多问题。[24]在通过招生制度改革，加强中学与大学衔接方面，中国还有很多路要走。
