美国历来重视科技人力资源的开发与培养，以此增强国家创新能力和工程科技实力，进而提升自己的全球竞争力。美国“科学、技术、工程和数学”（简称STEM，是科学Science、技术Technology、工程Engineering和数学Mathematics英文首字母的组合）等领域的创新能力和成就是保证美国经济快速发展的引擎，对于整个国家能否在世界上一直处于科技前沿水平起着至关重要的作用。作為孕育美国STEM领域创新人才摇篮的特殊中学，是美国创新教育体系中极为重要的部分，为美国培养STEM领域高素质人才奠定了强有力的人才基础。
一、美国STEM中学的历史及现状。
美国STEM中学是一类面向有天赋、有才能以及对STEM领域有浓厚兴趣和专长的学生提供精英教育的学校。它致力于发展学生对科学、技术、工程和数学等方面的学习兴趣，为他们提供学习机会。美国STEM中学在发展过程中经历了两个转折点。
20世纪初，美国经济发展迅速，急需大量的产业工人。1904年，纽约市建立了美国第一所STEM中学———史蒂文森高中，其建立的初衷是为企业培养合格的技术工人。1957年，当苏联第一颗人造卫星升天后，美国政府大为震惊，意识到科学技术的滑坡在于人才的严重短缺，改革教育的呼声随之高涨。1958年，美国颁布《国防教育法》，明确提出一是要培养在STEM领域具备超强学术能力的学生，以提升美国在STEM领域的竞争力。二是大力发展创新教育，要求州政府加强数学、科学教育，包括提供更好的学习设备和实验仪器，重视教师专业化培训。三是将一部分资金用于指导、咨询以及鼓励那些在STEM领域有所建树的学生，为他们提供持续的科研和学习机会。四是改变STEM中学的教学策略和课程设置，为学生重新设置学习计划和项目。如增加理科教材难度、丰富学生的科学体验、鼓励学生独立完成科学实验等。严格的科学和数学课程提高了学生的创新能力，为他们日后能在STEM领域有所建树提高了能力，推动了STEM学校的发展。
进入21世纪，美国政府对发展STEM中学更为重视。联邦政府为了提高美国在STEM领域的全球竞争力，2006年拨款31.2亿美元支持105项政府参与的STEM教育项目，其中包括24项初级和中等教育项目、70项STEM中学与大学合作项目和11项顶级超越项目。2007年8月，美国时任总统乔治·布什签署了《美国竞争力法案》，该法案旨在为提升技术、教育和科学领域的学术水平创造机会，以确保美国的创新能力。一是增加科研经费。二是加强从基础教育到研究生阶段STEM领域的教育机会。三是奠定创新制度的基础，法案从经济和政策上支持了STEM领域教育。最近几年，一些STEM特殊中学已经开始根据《美国竞争力法案》的要求，提高学生在STEM领域的竞争力。比如，俄克拉荷马数学与科学学校通过科研、教师培训和扩展活动为该州学生服务。伊利诺伊数学与科学学校的学生和教师一起研究数学、科学和技术课程、教学方法、结果的标准和评价，以此激发学生在数学、科学和技术领域的兴趣、动机，并取得成就。截至2010年6月，国家数学、科学和技术特色中学联合体共包括100多所STEM中学成员，以及100多个由大学、学院、暑期项目组、基金会和公司等组成的隶属成员。2011年，美国国家科学院研究委员会发布了《成功的K-12阶段STEM教育：确认科学、技术、工程和数学的有效途径》的报告，报告认为在中小学实施STEM教育的目标主要有三个：一是扩大在STEM领域修读高级学位和从业学生的人数以及女性和少数族裔的参与度。二是扩大具有STEM素养的高技能劳动力队伍。三是提升所有学生的STEM素养。
二、美国STEM中学的育人模式。
从20世纪初发展到今天，美国STEM中学经过一个世纪的发展，已经形成了一套完整的育人模式，旨在使学生具备全球经济时代所需要的科学、技术、工程和数学领域的研究和创新能力，培养和输送了大量日后成为STEM领域专家、教育家和领导者的人才。
1.STEM中学的招生制度。
20世纪中叶，美国高中教育阶段已经被划入义务教育行列，初中毕业生只需通过申请就可以进入学区内的高中学习。而STEM中学因其卓越的品质和鲜明的教学理念吸引着不同地区、不同种族对STEM领域有兴趣和有能力的学生前来就读，因此，生源之间的竞争性较强，决定了此类高中招生具有选拔性和多样化特点。首先，考生除了需要填写申请表之外，学校还要附加一些竞争性程序，比如兴趣爱好、才艺展示、能力、诚信等不同形式的考试以及来自教师或辅导员的测评等。其次，STEM中学打破了学区和种族的招生限制。多数STEM中学面向州范围内的所有符合条件的学生开放，确保最大限度地招收优质生源，以便为这些学生提供更好的受教育机会。
2.STEM中学的课程设置。
美国中学的课程设置分为核心课程（必修课程）和选修课程。在核心课程中，与STEM相关的主要是数学、科学和信息技术。初中的STEM课程主要是通过数学、科学和信息技术来实现的。高中的STEM设置4门课程，主要包括三类：（1）高等数学。包括代数II、初等微积分∕解析、微积分、其他高级数学（三角学、高级统计、代数III、解析几何和离散数学等）。（2）提高型科学和工程。是指内容比较高深或是被指定为提高型的课程，如生物、化学、环境∕地球科学、物理、工程等。高等生物课程在高中利用两年或三年的生物课时间完成（初等生物课程在初中已学完）。工程包括运用数学和科学概念、技能解决工程问题的学术课程，同时也包括航空航天材料、冶金、测绘等一些专业科目。（3）与STEM相关的技术课程，包括计算机信息、健康科学、工程∕科学技术等。计算机信息课程包括计算机编程、逻辑、算法和系统管理。健康科学课程为学生从事医疗工作做准备，从流行病学、社区医疗、牙科到兽医、护理、验光、听力、心理健康、急诊、疾病科学等都要学习。通过设置科研实习和职业训练课程，为学生未来从事STEM领域科学研究和职业生涯奠定基础。工程∕科学技术课程主要是关于仪表、设备维修和其他与工程和科学职业有关的技术任务。如，美国一个专门致力于为中学提供严密的STEM教育课程计划的“项目引路”机构（PLTW），从1997年开始，在纽约州的12所高中的十二年级学生中推行“工程之路”课程项目，包括基础课程、专业化课程和顶层课程。基础课程包括“工程设计导论”、“工程原理”和“数字电子学”；专业化课程包括“航空宇宙工程”、“生物技术工程”、“土木工程和建筑”和“计算机整合制造”；顶层课程仅有“工程设计与开发”课程，学生就某个开放性的问题进行团队合作，一起研究、设计、测试并得出结论。产品开发的生命周期和设计过程将被用来指导和帮助团队完成问题的解决方案。团队成员向咨询委员会陈述他们设计的方案。3D设计软件的运用也会帮助学生设计出他们团队所选择的问题解决方案，这门课程使学生学会统筹和团队合作的技巧。2000年，该机构开始在初中阶段推行“技术之门”课程项目。“技术之门”课程以活动为导向，旨在挑战和吸引学生的天然好奇心和想象力。这一课程分为设计与建模、自动化和机器人技术、能源与环境、飞行与空间、技术科学和电子魔力。至于选修课程，因各校不同，也变得丰富多彩，要视学校具体情况而定。
此外，STEM中学还为提前完成核心课程和选修课程的学生开设了大学先修课程，让这些学生提前感受大学的学习氛围。比如，布朗斯科学高中的先修课程包括大学物理、大学化学等17门课程。先修课程的学分为1-5学分。若课程得分在3学分及以上的学生进入大学时可以免修该课程；若得了4学分，则可以直接进入大学二年级学习。大学先修课程为高中和大学之间的良好过渡和衔接发挥了积极作用，有利于学生未来的专业化发展。
3.STEM中学的师资要求。
作为美国培养科技创新人才的摇篮，STEM中学比普通中学肩负着更重要的使命。2007年10月，美国国家科学委员会发表的《国家行动计划：应对美国科学、技术、工程和数学教育系统的紧急需要》报告提出：一是要增强国家层面对K-12（幼儿园到高中十二年级）阶段STEM教育的主导作用。二是要提高教师的水平和增加相应的研究投入，加大中小学实施STEM教育和教师培养培训力度。为此，STEM师资培养机构加大了复合型人才培养力度，STEM中学也更加重视对优秀师资的选拔，以此来保障教学质量。STEM中学的教师一般超过所在地区其他学校教师的水平，教师通常具有博士学位，核心教师团队则由一批各学科的高水平专家组成。另外，由于教学对象都是在科学、技术、工程和数学领域极具天赋的学生，这就要求教职员工必须擅长与学生交往，不仅能在学业上引导他们，而且还需要提供一些心理学和医学方面的相应服务，特别是针对天才儿童的心理咨询。
4.STEM中学学生培养的“三个阶段”。
第一阶段：学生通过经历适宜的学习挑战、争取父母支持、培养师生交往能力以及形成最初的学科实力，从而具备一种综合能力。在这一发展阶段，教师激发学生的学习动机，帮助学生打好坚实的数学和计算机基础，培养学生运用数学和科学解释现象的方法，训练学生具备较高水平的理解能力，为成为STEM领域精英打下专业基础。另外，还要鼓励学生发展超出课堂普通水平的知识和技能，包括参加课外学习俱乐部或课外竞赛。暑期课程在第一阶段尤为重要，因为在这里，学生有机会碰到和他们一样在数学、科学、计算机领域充满兴趣、资质优秀的学生。他们一起学习超前课程，一起锻炼自己。这一阶段也离不开学生父母对孩子的鼎力相助。学生家长不仅通过鼓励和赞扬支持学生，而且提供各种学习资料，为孩子订阅科学画报、杂志，购买科学书籍、家用实验设备，陪同孩子参观博物馆以及其他具有科学价值和科学趣味的地方（比如美国国家航空航天局），家长们以此来支持学校课程，激发学生的学习动机，培养学生学习科学的能力。
第二阶段：学生通过学习高中课程和大学课程继续获得知识和技能，同时获取在STEM领域的隐性知识，如潜在的创新能力、真正的自然科学研究过程、作为科研新星怎样获得认可等。这种隐性知识的获得是潜移默化的，需要长时间在该领域工作、学习、生活才能有所感悟。学生通过专家的指导，在学术环境下同科学家一起探讨，在实验室同具有博士学位的导师一起工作，在课堂上和同学们一起研究。导师机制、竞争机制在STEM教育领域为学生未来发展起着至关重要的作用。这一阶段，学生意识到科学实践的重要，渴望将来成为科学家、数学家、工程师，能够提出一些有兴趣的问题，理解并分析数据，考虑尝试不同的解决方法。学生经历了科学研究的所有阶段，包括从阅读文献、关注问题、发现问题、搜集数据、分析数据到最后利用技术得出研究结论的科学研究方法。学生通过长期从事科研项目，形成自己对科学的认知和判断，经过一段时间的训练，他们形成了从事科学研究必备的基本素质。
第三阶段：学生在专家的指导下完成从技术训练到形成学术生产力的跨越。他们已经具备了成为一名科学家的素质和技能，包括能够识别、提出科学问题，设计完整的科研实验，与其他科学家建立良好的合作关系，申请科研经费和科研赞助来支撑研究项目，具备管理大型科研项目的能力。以上这些能力要求他们必须学会自我评价，洞悉自己的优势与劣势，才能最终获得成功。重要的是，学生一定要具备创新能力，只有具备了这种可以超越他人，甚至是超越导师的能力，才能使他们获得足够的自信，完成科研任务，形成自己的学术影响力。
STEM中学的学生们经过以上“三个阶段”的学习之后，在一定意义上已经成为了一名年轻的研究者。同时，“三个阶段”的科研洗礼也为他们进入大学追寻自己的科研之梦奠定了坚实的学术基础。STEM中学毕业的学生，绝大部分都进入大学继续学习STEM领域相关学科。其中一项对1032名学生跟踪调查的结果显示：大约有75%的学生打算取得STEM领域学士及以上学位，40%的学生打算取得STEM领域的博士学位；同时有85%的学生认为STEM高中的学习经验提高了自己的批判性思维，有76%的学生认为STEM高中提高了自己的研究技能。由此可见，STEM中学已经逐渐成为美国STEM科研领域的人才孵化器。
三、美国STEM中学对我国创新教育的启示。
美国STEM教育强化了美国科技创新人才培养战略，其学校招生、培养模式、师资要求和培养模式等，对我国创新型人才的培养以及STEM领域的创新教育有一定的启示。
首先，需要进一步提高认识，真正确立科技人力资源在国家未来发展中的战略地位。国家要加大对科技人力资源开发的经费投入，逐步健全并完善我国科学与工程教育的培养体系。
其次，急需技术、工程教育课程进入中小学课堂。我国应该出台相应规劃，培养培训更多的教师，重点培养未来十年在科学、技术、工程和数学领域的学生，特别是在基础教育阶段，大幅提高学生在这些领域的知识及科研水平。长期以来，在我国中小学课堂，除了科学和数学教育尚有一席之地，工程和技术教育根本不能走进课堂，而基础教育恰恰是培养学生创新能力的起点，这应当引起人们的关注和深思。
再其次，树立多元教育观。应该允许不同的学校类型、不同的育人理念、不同的培养模式、不同的课程设置存在。开创人人皆可成才、人人尽展其才的局面。
（作者单位：中国化工报社）