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王素:中国教育科学研究院、国际与比较教育研究所所长,STEM教育研究中心主任,未来学校实验室主任

▲本文整理自王素老师在第三届中国STEM教育发展大会上的主题讲座,以下为口述实录:

为什么要做STEM教育

近几年中国的发展十分迅速,从图1中可以看到,2018年我国的经济总量超过了90万亿。1963年,J·大卫·辛格提出了国家实力综合指数(CINC),从图2可以看出,2000年后我国发展非常快,但是2015年后中国的国家实力综合指数并没有更新。

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图1:中国经济总量在世界的排名

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图2:国家实力综合指数
(来源:https://en.wikipedia.org/wiki/Composite_Index_of_National_Capability)

在世界经济论坛每年发布的全球竞争力指数报告中(图3)可以看到,2019年中国排名第28,在2018年全球创新指数排行榜中,中国排在第17位。中国是逐步向前发展的,我们仍然处于发展的阶段,未来是科技的竞争,而科技是人才的竞争。

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图3:《全球竞争力指数 2019》

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图4:2018年全球创新指数排行榜,由世界知识产权组织(以下简称“WIPO”)和美国康奈尔大学等机构在纽约发布

中美科技的比较是什么状态?图5是2016年的一个数据,我们可以看到四个象限,科学研究、工程技术研究、效率驱动,还有客户中心型,黑点是中国,三角是美国。中国在很多方面已经非常领先,特别在太阳能、电池板和石油行业、天然气服务和设备这些方面,可以说中国是遥遥领先。但是我们的弱点在科学研究,红色的那个象限,科学研究我们是远远落后的。

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图5:中美科技的比较 2016
(来源:http://www.sohu.com/a/68220584_383312)

图6是2019年刚刚公布的诺贝尔获奖的情况,中国本土只有两位获得诺奖,美国有375位,远远超过了我们,所以说我们在未来还是需要有更多创新性人才的涌现。

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图6:各国诺奖获奖人数(来源:https://simple.wikipedia.org/wiki/List_of_Nobel_Prize_winners_by_country)

我们的未来呢?我们的学生有竞争力吗?他们热爱科学吗?他们愿意从事跟科学相关的职业吗?

在全世界可以比较的数据,就是PISA测试,中国也参与其中。有两年中国排名第一,但在15年的测试中,当我国有更多省份参与之后,我们排名第十。在全球PISA测试中,表现最好的学生,美国占比很多,中国占比13.1%。

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图7:全球PISA数据

中国学生的科学表现,在OECD的平均水平上,横坐标是学生对科学探究方法的精神,中国学生恰恰是缺乏的,所以我们是在OETD平均水平之下。虽然我们成绩很好,但是我们的科学探究精神却没有那么好。

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图8:科学成绩与探究方法之间的关联

我们的学生对科学感兴趣吗?80%左右的学生都表示对科学感兴趣,但是只有9%的中国学生期望在他们长大到30岁的时候,从事与科技有关的职业,而在OECD国家此项的平均值是25%,美国、加拿大等国家此项的平均值超过35%。

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图9:80%的学生表示对科学感兴趣

美国为什么做STEM教育,因为未来需要STEM人才,但是他们感觉自己的学生不热爱科技,不愿意从事这样的职业,而实际上我们危机感应该更强。我们应该更加重视科技教育,更加重视STEM,让我们学生,真正在心里有对科学的热爱,同时有将来从事科学职业的意愿,这个才是最重要的。

科技人才和劳动力满足未来发展的需求吗?

未来的竞争应该是科技人才的竞争,中国现在科技人才和劳动力满足未来发展的需要吗?麦肯锡公布了一个报告——《失业、获得工作:自动化时代的劳动力的转化 2017》,在自动化和人工智能快速发展的时代,评估到2030年在不同情况下失去的工作和获得的工作。到2030年,自动化将使4亿至8亿人有7500万至3.75亿人可能需要转换职业类别并学习新技能,否则将面临着失业。

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图10:到2030年,自动化将使4亿至8亿人有7500万至3.75亿人可能需要转换职业类别并学习新技能

2018年麦肯锡发布了另外一个报告,《技能转变:自动化与员工的未来》,报告提出技能是这个时代的关键挑战。2030年,社会对技术,社交情感以及更高的认知技能的需求将增长。这些对我们的教育带来很大的影响,所以说我们要培养学生的高级思维。如果你不培养学生的高级思维,你现在培养的学生将来可能会面临失业。

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图11:2030年,对技术,社交和情感以及更高的认知技能的需求将增长

这是我们面临的严峻的挑战。

从OECD发布的《未来的教育与技能》以及2030年的学习框架中可以看出,教育不是工具,我们受教育的目的在于让每一个个体和我们的整个社会最终过上幸福生活。怎么达到这样一个目标,怎么过上幸福生活?你要有知识、技能,同时要有态度价值观,所有综合起来变成你的能力,这些能力一定要进行转化,最终让你过上幸福生活。这是我们学校,我们要面临的变革,我们要面临的这样的挑战。

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图12:OECD学习框架2030

从AI领域的报告可以看到,未来在技术层面,我们占优势吗?AI领域——未来发展最强劲的领域,美国有85万人才,印度15万,中国只有5万。

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图13:全球AI领域人才分布地图
来源:领英《全球AI领域人才报告》2017

新华社2019.9.18日报道,当前网络空间安全人才数量缺口高达70万,预计到2020年将超过140万。《中国集成电路产业人才白皮书(2017-2018)》指出,到 2020 年前后,我国集成电路行业人才需求规模约 72 万人左右,而我国现有人才存量 40 万人,人才缺口将达 32 万人。我们人才缺口30万,所有这些都是我们需要努力的一部分。

中国为什么需要加强STEM教育?这是国家安全的需要,经济发展的需要,培养未来人才能力的需要,新时代教育改革的需要。

智能时代对教育带来的挑战

人类的社会发展经过了几个历史时期,机器化时代、大规模生产时代,信息化时代,如今社会即将进入人工智能时代。不同时代的生产方式和社会特征不一样,因此所需要的人才不一样。未来是一个以数据为驱动力的时代,将来物联网系统会占据主导地位。

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图14:工业革命时间表

这样的一个根本性的技术,不仅仅对社会带来巨大的挑战和变革,也会引起教育的系统性变革。人工智能技术在教育领域的应用不仅为教育系统变革、教育技术发展、教学方法改进提供了重要机遇,也给学校、教师、学生带来了挑战。

对于时代性的重大变化,世界各国都做出了积极的回应,短短两年内,几乎主要国家全部做出了回应。我国在17年的时候连续发布了两个重要的关于人工智能的文件,一个是关于新一代人工智能计划,然后同时在12月份的时候公布了三年行动计划。政府和国家都高度重视人工智能时代的概念。

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图15:各国对AI时代的回应

世界各国对人工智能,人才战略的培养,他们做了哪些回应呢?

1、以培养面向人工时代的劳动力为目标,关注学习者认知与非认知能力的培养。

2、加大人工智能领域的投入,大力发展工程、信息科学技术研究。

3、鼓励校企合作,促进人工智能技术转化。

4、扩大人工智能人才培养规模,完善人才培养结构、层次。

5、设立专项奖学金,吸引和留住国际优秀人才。

6、搭建实践平台,推动国际人才交流。

智能时代教育同样面临了一些挑战:

1、数据道德和隐私的担忧会导致数据采集的难度

2、数字鸿沟进一步加大,教育公平面临巨大压力

3、智能时代人才培养目标受到冲击

4、传统教学方式不利于创新人才的培养

5、传统教学内容不适应新的社会发展需求

挑战和机遇并存,如今我们身处于一个最好的时代,因为我们赶上了一个大变革时代,可以创新和实现很多教育理想,因此我们可以树立新的教育理念,转变教育教学范式,提升创新型人才培养成效,创设智能化学习环境,使个性化学习成为可能。

智能时代STEM教育发展战略

  • 战略01 赋能学科教学

学科教学是STEM教育的主阵地。下图是我们今年做《中国STEM教育调研报告》中的一组数据,问学校是怎么样开展STEM教育的?

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图16:本校开展STEM教育的主要形式
来源:《中国STEM教育调研报告》中国教育科学研究院2019.10

现在学校发展STEM教育最重要的方式仍然是以学科为主的学科渗透,也有学校专门开设STEM课程。学校会以信息技术和通用技术课程为载体来开展。如果STEM教育不是面向全体学生,仅仅是社团活动,它就不能满足我们把STEM教育作为提升整体学生的素养的需求。

STEM的目标是什么呢?一是培养创新人才,二是提升素养,三是培养未来劳动力,四是激发兴趣。除此之外,对于国家发展来讲,未来的劳动力,特别跟STEM相关的职业,人才缺口巨大。我们需要更多的人才来从事这些职业,当然我们还要大规模地培养创新人才,这同样是国家发展、国家竞争力的需要。

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图17:STEM教育的目标

因此学科教学应该是STEM教育的主阵地,我们要在学科教学当中培养孩子的团队合作、创造性思维、申辩式思维,有效沟通,包括前文所说的情绪管理,解决复杂问题的能力,以及判断和决策能力。

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图18:在学科教学中培养孩子的STEM素养

图18所提及的素养多为高阶思维,应该用什么方式来培养学生的高阶思维呢?我认为方法有二,一是重构课程,二是转变学习方式。学校可以重构课程,在这些课程当中,用STEM的思想与方式来改造学科课程,增加培养学生的21世纪技能的内容。同时,要转变学习方式,把项目式学习作为将来真正的核心学习方式,同时也要跟社会的真实生活更加结合。

  • 战略02 通过技术促进STEM教育公平发展

STEM教育是面向所有人的,不仅仅对于发达地区,对于不发达地区我们也能够让这些孩子享有更好的STEM教育。对于不发达地区STEM教育所面临的挑战,一是优质师资,二是优质教育资源共享。

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图19:如何通过技术促进STEM教育公平发展

对于优质教育资源的缺乏,可以通过共建共享的方式,通过社群的方式,甚至通过STEM教育新生态的方式,当然也可以通过社会机构的接入来支持他们。对于师资问题我们也有很多解决办法,比如可以通过在线教育平台,AI教师助手、双师课堂,集体调研、直播课堂等等一系列的方式来促进教育公平化的发展。

  • 战略03 提升数字化

教科文对数字化素养有个定义,素养数字素养是通过数字设备和联网技术安全,适当地访问,管理,理解,集成,交流,评估和创建信息的能力,以参与经济和社会生活。它包括各种能力,分别称为计算机素养,ICT素养,信息素养和媒体素养。

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图20:衡量数字素养的全球框架
(来源:http://uis.unesco.org/en/blog/global-framework-measure-digital-literacy)

教科文正在研讨数字化素养的全球框架(图20)。我国也有信息技术课程,但是我们过去对于其中的一些内容不够重视,比如说信息安全问题。因此,我们希望通过增加信息技术的重构,或者通过专项的STEM课程,可以来创设新的课程,满足提升学生数字素养的需求。

  • 战略04 建立数字化教与学平台

人工智能时代一个最重要的改变就是我们从标准化走向个性化。个性化是可以通过技术实现的,比如智慧课堂可以实现师生交互,在备课阶段、课堂阶段、写作业阶段全程采集他的数据深度进行挖掘、分析、实现自适应学习。我们甚至能自动批改作业,自动推送错题本,每一个人都有不一样的作业,这是我们现在正在实验和推行的。

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图21:项目学习平台

这些内容适用于所有的课堂,包括STEM教育的课堂,包括理科课堂。但是有一点是不同的,原来学生是通过答题来写作业,STEM教育很多是动手作,我们怎么样采集动手作的数据,这是今天的挑战,所以需要过程数据、过程记录的平台,我们需要PBL平台,需要素质评价平台,以及教师教研平台,这样才能产生群体智慧。

很多国家也有数字化、项目化的学习平台,它能做项目规划,学生能够在这个过程当中交互、创建自己的项目,并进行可视化,同时能够跟踪、评价。

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图22:STEM教师能力测评系统

我们自己也会研发这些平台(图22),去年我们公布了STEM教师能力等级测试,研发了测试系统,将来希望我们的教研、培训都有在线的部分。

  • 战略05 构建STEM教育新生态

构建STEM教育新生态,这是去年的话题,今年我们再给一张图重新来说一下。其实构建STEM新生态非常重要,STEM教育它不仅仅是学校的事情,它应该是国家战略,全世界共同参与的一项活动。

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