美国研究生STEM 教育发展趋势及应对策略
——基于《面向21世纪的研究生STEM 教育》的分析

文少保,王曼暇

一、问题的提出

STEM 教育是指融合了科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)四门学科的跨学科整合教育,旨在培养学生的综合素养、创新精神和实践能力。作为国家科技创新的有效途径和实践手段,STEM 教育在提升国民素质、推动经济发展方面发挥了重大作用。研究生STEM 教育更被看作是培养复合型创新人才的抓手,是驱动科技创新力、增强经济发展力、提升国家竞争力的助推器。[1]对美国甚至世界的科学研究、科学技术创新以及相关政策制定都具有广泛影响力的美国国家科学、工程和医学学院(National Academies of Sciences,Engineering,and Medicine)在2018年5月29日发布了《面向21世纪的研究生STEM 教育》(《Graduate STEM Education for the 21st Century》),该报告在总结美国现阶段研究生STEM 教育的基础上,聚焦透明度和核心竞争力,指出虽然美国研究生STEM 教育在世界名列前茅,但仍须不断变革,使研究生在面对不断变化的科技发展和不同的职业生涯时做好准备。[2]该报告也是继1995年的《重塑科学家和工程师的研究生教育》(Reshaping the Graduate Education of Scientists and Engineers)审查报告之后对美国研究生STEM 教育开展的第二次全面审查。

美国科学促进会(American Association for the Advancement of Science)名誉首席执行官艾伦·莱施纳(Alan I.Leshner)担任该委员会主席以及报告的编辑。审查工作历时18个月,收集了大量数据,与包括学生、教师、大学管理人员、行业领导者和政策制定者在内的各种利益相关者进行了广泛的讨论,还委托相关部门进行专门分析来审查研究生阶段STEM 教育实践中的学术研究工作。[3]因此报告较为科学和全面地展示了美国现阶段研究生STEM教育的现状。这一报告在美国广泛传播,它通过分析现阶段的研究生STEM 教育,提出其中存在的问题,呼吁采用一种以学生为中心的新项目、政策和实践来加强美国的研究生STEM 教育。为此,本文在梳理美国研究生STEM 教育历史背景的基础上,充分提炼了该报告中美国STEM 的教育发展趋势及其应对这些变化的策略,以期对我国新工科研究生培养提供启示。

二、报告内容分析及其结果

报告的主体部分分为六章,第一章阐述了推动文件产生的原因;第二章对现行的研究生STEM 教育制度进行了分析,从性别、种族、公民身份以及残疾状况等对美国研究生STEM 教育的入学率以及学位获得数量进了统计,将收集的大量数据通过图表展示出来;第三章、第四章和第五章分别从硕士阶段、博士阶段以及两阶段交叉部分的STEM 教育入手提供了一系列详细的建议,通过解决当前STEM教育的需求以及预测研究生教育的未来环境,确保研究生STEM 教育系统保持活力;第六章概述了如果本报告中的所有建议都得到执行后理想的研究生教育制度,其中还提供了一份给研究生STEM 教育实行过程中相关组织的建议清单,以明确每个利益相关方在实施委员会设想的研究生STEM 教育体系方面必须做的工作。

在对文件的翻译和梳理过程中,其高度透明的数据和高度实用的建议举措令人印象深刻。首先,这份报告呼吁采取一种更加完备和系统的方法来推进研究生STEM 教育,因为只有在STEM 研究生教育系统内所有的利益相关方作出一致和坚定的承诺,本报告中提出的目标才能实现。其次,报告还提出了一个理想的研究生STEM 教育系统,然后为系统中的每个利益相关者提供了具体的行动步骤,以帮助实现这一理想。重要的是这份报告还呼吁当前的STEM 教育系统应当从主要侧重于高等教育机构和研究企业本身的需求转变为以学生为中心,更加强调和关注具有不同需求和面对许多挑战的研究生个人,将研究生培养成为具备创新能力的科学与工程人才。

为了克服在文本内容研究上的主观性和不确定性,本文使用了由日本学者樋口耕一开发的一款名为KH Coder的文本数据挖掘软件对该报告的文本内容进行分析;该软件具备强大的文本数据挖掘功能,在日本的社会学、经济学、语言学、教育学等多个研究领域得到广泛应用。[4]本文主要是运用了软件中对高频词的共现网络分析这一功能,词频统计可以通过频繁出现的词来揭示文本主题的重要线索,共现网络分析则是通过确定两个或多个词语共同出现的可能性来洞悉高频词语的语义网络。软件通过图谱的形式呈现了分析结果(图1),图中的圆圈代表从文本中抽取的关键词,连接圆圈的线段表示关键词之间的联系。

图1 文本内容中高频词的共现关系图

图1中共呈现了15个共现群落(community),剔除一些意义不大的词语并通过对报告具体内容的理解和梳理,最后凝练出STEM 领域研究生发展的5个应对策略。

(一)STEM 领域研究生核心能力的培养成为发展的关键策略

在共现群落01 中,除了STEM、education、graduate、student这类体现报告对象和主体的词语外,值得关注的是core(核心)、competency(能力)、goal(目标)、career(职业生涯)和outcome(产出)五词组成的语义网络,根据对整个报告的整体理解,将之概括为在STEM 领域研究生的培养过程注重核心能力的培养,以更好地满足学生的职业目标要求,从而提高研究生STEM 教育的产出。

报告中指出,21 世纪科技的发展和进步使STEM 领域也迎来新的变化和挑战,大数据、云计算、人工智能、纳米技术、基因编辑等新发展领域正在改变旧的科研方式,面对瞬息万变的学习和工作环境,接受STEM 教育的研究生必须积极接受和整合这些新的科学研究领域和方法,掌握21世纪的核心能力。

报告的第四章和第五章分别对硕士研究生阶段和博士研究生阶段应具备的核心能力进行了阐述。在第四章中,委员会为了找到硕士学位的核心教育要素,审查了研究生院理事会(Council of Graduate Schools,简称CGS)的硕士学位校准框架,得出了硕士研究生应具备的4个核心能力;在第五章中,委员会根据收集到的数据和意见给出了博士研究生应该具备的两大核心能力(具体见图2)。

图2 STEM 专业研究生应具备的核心能力

首先,强调跨学科能力。报告中指出STEM 领域的研究生除了要扎实地掌握某一专业领域的知识外,还应具有跨学科的知识,了解另一种不同的战略、方法或技术,以便在面对复杂问题时能够提出多学科和跨学科的理念和解决问题的方法论。跨学科能力尤其重要,因为随着科学的发展和进步,传统上定义科学和工程学科的界限变得模糊,而且越来越多的科学研究和应用以学科融合为重要特征。

其次,重视沟通能力、领导能力和团队合作能力这类基础性和可转移性能力。报告中指出STEM专业领域的研究生除了在做研究的能力方面需要受到良好的培训以外,还应该培养超越学科、适用于任何环境的技能。一是沟通能力,包括与同伴以及更大范围相关人员的沟通,第五章还具体提出博士研究生还应具有向所有STEM 领域专业人士、其他相关的部门以及广大公众传达研究或工作的重要性和影响的能力。二是团队协作能力,这有利于让具有其他学科专业知识和来自不同文化和学科背景的同伴参与研究,获得更大成效。三是领导能力,包括对项目的领导和管理以及对人员的领导。除此之外,研究生还要基于自身发展的个人目标或职业目标,获得其他技能,如获得适当的教学技巧为未来的教师职业发展做准备,或者是学习管理方法为未来在工业、政府或非营利组织的职位做准备。

最后,强调科学研究规范和责任。报告中指出硕士研究生应当学习和理解研究责任和研究诚信的重要性,以系统的方式进行学习、研究和从事工作。博士研究生在开展原创性研究时,更应该学习和应用科学领域的专业规范和道德标准,以及科学家和工程师在专业和社会中所应承担的道德责任。

报告中还为培养其中所提到的核心能力制定了详细的行动规划和建议;强调未来的研究生将能够借助完全透明且易于获取的数据,选择他们的学习方案,这些数据包括学院及其各系的投入成本、可行的未来职业发展道路以及以前学生的成功经历。

(二)STEM 领域研究生在性别、种族与公民身份等方面更加平等、包容和多样化

在共现群落02和03,woman(女性)、earn(获得)、degree(学位)、number(数量)以及increase(增长)组成了一个语义网络,根据报告内容将其理解为通过关注性别差异在获得学位数量上增长的不同来看美国研究生STEM 教育的发展趋势,事实上,在报告的第二章中除了关注不同性别在入学率和学位获得方面的数据和趋势以外,还关注了不同种族和族裔、国籍以及残疾状况在研究生STEM 领域获得学位的数据和趋势。

图3中4个柱状图摘自报告,报告中的数据来源于国家科学委员会(National Science Board,简称NSB)。左上为2000年至2015年间按性别和学位级别划分的学位获得数量柱状图。可以看到在STEM 领域,男性和女性获得硕士和博士学位的数量都有明显的增长,且总的来说男性获得的学位数量多于女性。女性STEM 硕士学位的数量从2000年的41,700个增加到2015年的81,700个,男性硕士学位从2000年的54,600 个增加到2015 年的92,000个,女性博士学位的数量从9,300个增加到16,300 个,男性博士学位从16,100 个增加到22,900个。虽然从总量上来看,男性获得了更多的STEM 研究生学位,但是从2000年到2015年,女性获得STEM 研究生学位的比例增加更多,2015年女性获得的学位比2000年增加了96%,而男性则增加了82%。在博士水平上,2015年女性获得的学位比2000年多74%,而男性多43%。并且报告中还分别从STEM 教育中的工程和科学两个领域比较了不同性别获得学位的增长率,女性学位获得的增长率都明显高于男性,其中在生物科学领域的增长率更是男性的两倍以上。

图3 不同分类下STEM 领域研究生学位获得数量情况[5]

左下和右下两图分别是在硕士和博士水平上2000年至2015年不同种族和族群的学位获得数量变化情况,在硕士和博士获得数量中占比最高的是白人种族,但从增长幅度来看,西班牙裔或拉丁裔学生的学位获得增长率最高;白人学生的学位获得增长率在博士阶段是最低的,只有32%。

右上为美国公民(或永久居民)与临时签证持有者两种不同公民身份在获得学位数量上的变化,从2000年到2015年,获得STEM 硕士学位的临时签证持有者增长了136%以上,而美国公民的增长率仅略高于71%;但来自研究生院理事会(CGS)的最新数据显示,从2016年到2017年,所有领域的临时签证持有者入学人数都有所下降,这也是他们面临的挑战之一。

总的来说,美国STEM 领域的研究生构成在性别、种族与公民身份等方面都具有较为明显的多样性,并且在性别方面,虽然女性获得学位数量依旧少于男性,但在多数专业女性学位获得量的增长率要高于男性;在族裔方面,白人种族获得学位数量的增长率也不及其他族裔;在公民身份方面,近年来临时签证持有者获得学位数量减少。在关注这些差异以及变化的基础上,报告指出理想的研究生STEM 教育应当使来自各种背景的学生通过透明的体制参与到STEM 教育系统之中,以实现其最大的潜力,学生们会被鼓励去理解和处理该学科甚至跨学科的不同观点、经验和想法,加强他们所接受的研究生教育的多样性,促进包容性和平等的学习环境的形成。

(三)STEM 教育领域研究生专业能力发展需要进一步社会化

在共现群落04中,development(发展)、society(社会)、professional(专业的)、skill(技能)等词语组成了语义网络,结合报告内容,将之概括为STEM教育领域的研究生为面向社会的发展需求被要求掌握更多的专业化知识。

该报告强调学生将在理想的STEM 教育系统中获得广泛的专业技术知识,并在感兴趣的领域进行深入的社会化,在该过程中获得在报告的第三章和第四章中概述的核心竞争力;学生在积累经验的过程中也有机会交流他们的工作成果,要求他们有能力展示自己的工作,并接触本专业以外的受众,包括不同专业的同龄人、更广泛的科学界或是非技术受众。学生在掌握这些能力后,将会更好地理解与其工作相关的道德问题,学会考虑其工作对社会的更广泛影响。

(四)研究生STEM 教育系统进一步明确各个利益相关方的行动支持

在共现群落05、09和12中,stakeholder(利益相关 者)、enterprise(企 业)、state(国 家)、funding(提供资金)、policy(政策)、agency(专门机构)以及support(支持)等词都是在理想的研究生STEM 教育实行过程中与利益相关方有联系的词语。这些高频词与其形成的共现关系网络可以看出报告对各个利益相关方的重视,并且报告中也十分明确地提出了每个利益相关方应当采取的具体行动。

报告的最后一章指出理想的教育系统的建设将不可避免地伴随着高额成本。考虑到这个挑战,报告中敦促所有利益相关方,包括联邦和州政策制定者、学院、大学、雇主、教师和行政人员、学生、国家科学和教育组织、倡导团体以及支持并从STEM 领域的进步中受益的公众,要团结起来支持本报告中的建议,并且在今后继续评估美国的研究生STEM 教育是否能够满足一个完全现代化的STEM 企业及其服务国家的需要,要求其对研究生STEM 教育的现代化作出国家承诺,确保其行动肯定会有利于未来几代人。当该战略目标实现的同时,美国将充分受益于其将STEM 的力量用于解决当今和未来问题的一系列行动。

(五)研究生STEM 教育过程中为学生提供有效的教学指导和实践锻炼

在共现群落08和13中,mentor(导师)、advisor(顾 问)、teaching(教 学)、mentoring(指 导)以 及practice(实践)等词语构成了一个语义网络。结合报告的内容将之概括为在研究生STEM 教育过程中导师和顾问要为学生提供有效的教学和指导,并且在培养过程中也要加强学生的实践锻炼。

报告提出理想的研究生STEM 教育中,相关部门将帮助学生物色最能支持其学业和职业发展的顾问和导师;并且开发更有效的渠道,让学生与导师和顾问进行双向交流沟通,并为学生提供信息反馈机制,使导师和顾问更好地了解学生对重要问题的看法。而各个高等教育院校为了提供更有效的教学和指导,要为教师提供培训、资源和时间来提高他们作为导师的技能,从而为他们直接监管的研究生以及他们所在部门或整个院校的其他学生提供高质量的指导和建议。这种培训将考虑教师在其职业生涯的不同阶段所面临的各种挑战。例如,职业生涯早期的教师,如果正在一个研究小组里建立自己的地位,可能需要一本关于成为最佳导师和顾问的实践入门书;而职业生涯较长的教师可能会受益于定期进修,以探索新的技能或技术来支持学生的成功。

对于学生的实践锻炼,报告中指出在理想的研究生STEM 教育系统中,学生将被鼓励花费时间、资源和空间去探索不同的职业选择,也可以通过课程学习、研讨会、实习和其他种类的方式获得经验。学校也鼓励学生创造属于自己的专题研习机会——最好是作为团队的一员——以此来培养可转移的专业技能,如沟通、协作、管理和创业精神,要求学生“在实践中学习”,而不是简单地通过讲课和课程作业来学习。

三、启示

为了构建国际竞争新优势,我国大力推进新工科建设。从2010到2017年,我国研究生招生人数从47.44万增长到72万人;其中工科研究生占比最大,约40%左右。[6]随着规模的不断扩大,研究生教育也由扩大规模转向提高质量,由外延扩张转向内涵发展,从以知识为本转向以能力为本。[7]

1.创新培养模式,注重培养工科研究生的核心能力

现阶段工科研究生领域内的许多学科只注重本专业领域的知识内容,并且教学模式普遍比较传统,与本科讲座式课堂教学类似,这种教学模式虽然利于学生系统掌握理论知识,但也在一定程度上束缚了学生的创新发展。随着科学的发展和进步,越来越多的科学研究和应用以学科的融合为重要特征,国家对创新型人才的需求也不断扩大。因此在工科研究生的培养上,除了要重视基础知识的更新外,还要开设能够结合社会生产实际和工作需要的应用性课程,以及培养科学研究能力和动手能力的实验性课程。[8]要使研究生具备在报告中提到的专业能力、跨学科知识整合能力、基础性技能(超越学科的技能,适用于任何环境,例如沟通、领导能力和团队合作能力)以及实践研究能力;要成为一个横跨人文科学和工程的领袖人物。[9]如果工科研究生的培养坚持需求和问题导向,掌握上述核心能力,必将为国家的繁荣富强提供战略支撑力量和充盈的底气。

2.加强交流与合作,创设新工科研究生教育文化环境

“新工科”这一概念自2016年提出后,引起了广泛讨论,教育部先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”等指导性文件,[10]指出了新工科发展的方向是在优势工科高校、综合性高校和地方高校内都应该积极推进和协调新工科建设;各高校需要积极交流和总结发展中的经验和问题,并且要建立在全球范围内的通力合作。具体来说,可以通过新工科领域一流教研人员在高校间甚至国际流动,保持科学研究的先进性与前沿性;通过开展各相关领域的学术研讨、学术报告,讨论交流在研究中遇到的困难及解决问题的经验;还可以开发学术信息交流平台,进一步开放思想交流,最终形成包容的新工科教育文化环境。

3.面向社会需求,促进科研成果的有效转化

工科研究生的科学研究与社会需求存在着一定程度的脱节问题,学生普遍在技术研发上较为吃力,创造性科研活动较少,研究成果也较难产业化。在2020年9月科学家座谈会上,习近平总书记勉励广大科学家和科技工作者肩负起责任,坚持面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康,不断向科学技术广度和深度进军。[11]因此,新工科的研究生首先应该精准把握时代发展需求,主动开展创新型科学研究;要掌握科学研究方法,在科研实践中提高自己的科研素质和科研能力,为科技创新打下良好基础;在科学研究过程中积极思考如何创造有价值的科研成果,并将之进行有效的成果转化,积极参与产学研的合作,提高自身的工程素质和实践能力。

4.明确利益相关方,开展全方位协同创新

新工科的发展不仅要依靠人才,更要依赖于强有力的组织系统,发挥协同创新的作用。首先是政府的大力支持,通过推动机制体制改革、出台支持措施等,提供良好的科技创新环境,加快科技强国建设的战略部署,为高等教育发展提供时代契机及内驱动力。[12]其次是高校发挥其在科学研究方面的功能,把握人才优势,形成战略力量;企业发挥其技术创新的主体作用,促进人才培养与产业需求紧密结合,与高校进行合作,并支持高校开展科研活动。最后是教育协会组织以及民众的积极参与,做好第三方的评价与监督。总之,要充分发挥我国社会主义制度能够集中力量办大事的优势,开展全方位的协同创新。

5.创新教学管理,保证有效的教学指导与实践锻炼

工科研究生师资的储备与培养在研究生规模迅速扩大的情况下略显薄弱,导师指导的时间和效果无法保证,工科研究生的实践能力普遍不够强。这就需要进一步创新高校的教学管理,保证师资队伍的数量和质量,确保导师有能力有精力对学生的发展和学习进行有效的指导,学生与导师应当开展定期交流;需要改革传统的学科型的工程教育,高度重视学生专业实践能力的培养,创造条件促使学生将课堂所学知识运用到实践中,高校可聘请相关专业的专家或高级工程师定期为学生讲授实际工作中需要用到的方法与能力,促进有效的实践锻炼。

总的来说,工科研究生的培养是涉及多主体、多方面、多层次的系统工程,要立足我国的国情,立足科技和工程发展的国家战略和现实需求,在借鉴他山经验的同时,融入我国教育文化特色,建设具有中国教育文化特色和开放包容的新工科研究生教育体系。