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中国 STEM 教育白皮书 中国教育科学研究院

2017 年6月20 日 中国教育科学研究院 National Institute of Education Sciences 中国 STEM 教育白皮书 目录

一、中国 STEM 教育背景.

1

(一)时代背景

1

(二)国际背景

4

(三)社会经济发展背景

6

(四)产业与人才背景

8

二、中国 STEM 教育现状.15

(一)发展与成就

15

(二)问题与挑战

24

三、中国 STEM

2029 计划.28

(一)中国背景下的 STEM 教育内涵.28

(二)中国 STEM 教育

2029 创新行动计划.33 附录:部分国家 STEM 教育发展情况.41

(一)美国的 STEM 教育.41

(二)英国的 STEM 教育.49

(三)德国的 STEM 教育.59

(四)芬兰的 STEM 教育.67

(五)以色列的 STEM 教育.73 中国 STEM 教育白皮书

1

一、中国 STEM 教育背景 保持卓越,领导世界――这是当今发达国家全力发展 STEM 教育的终 极宗旨.在以美德等为代表的发达国家中,STEM 教育均位居国家行动的战 略高度,承担着打造本国在全球范围内核心竞争力的重大任务.从他们舍我 其谁的 STEM 教育口号中,可以一窥其壮志宏图―― 成功者将是那些发明 世界的人,而不是那些适应世界的人! 为未知而教,为未来而学!

(一)时代背景 随着移动互联网、物联网、人工智能、智能制造等高速发展,数字高新技 术正渗透到我们生活的方方面面, 并不断地与不同领域不同产业紧密结合, 重 构产业内部结构,提升产业效益,推动人类向数字化和智能制造时代迈进. 互联网是数字化时代的关键性技术.十二届全国人大三次会议政府工作 报告首次提出 互联网+ 行动计划,指出 将推动云计算、大数据、物联网、 移动互联网等与现代制造业结合, 促进电子商务、 工业互联网和互联网金融健 康有序发展,引导互联网企业拓展国际市场 .据有关资料,2016 年全球移动 工作者已经达到

13 亿,比2010 年增长了 13%.2020 年预计互联设备将达到

200 亿数量级,这意味着很多家庭中的家居用品都会关联起来,我们的未来生 中国 STEM 教育白皮书

2 活可能发生巨变.2016 年7月,人民网研究院组织专家学者撰写的《中国移 动互联网发展报告(2016) 》蓝皮书正式发布.报告对移动互联网价值创造的 路径与模式做了总结提炼.总的来讲,借助移动互联网,内容生产要素被跨空 间、跨时间重组;

新技术加入进来,丰富了内容形态;

新资本也形成聚集,创 造了新的生产模式,新价值随之产生. 物联网是新一代信息技术的重要组成部分,也是 信息化 时代的重要发 展阶段.顾名思义,物联网就是物物相连的互联网.这有两层意思:其一,物 联网的核心和基础仍然是互联网, 是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;

其二,其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间,进行信息交换和通信,也 就是物物相息. 物联网通过智能感知、 识别技术与普适计算等通信感知技术, 广泛应用于网络的融合中, 也因此被称为继计算机、 互联网之后世界信息产业 发展的第三次浪潮. 物联网技术在物流、家庭、医疗、电力、交通、农业、军事等领域都得到 了很多应用.物联网技术与工厂生产的结合,催生了智慧工厂.物联网技术应 用于生产线过程检测、实时参数采集、生产设备与产品监控管理、材料消耗监 测等,可以大幅度提高生产智能化水平.在钢铁行业,利用物联网技术,企业 可以在生产过程中实时监控加工产品的宽度、厚度、温度等参数,提高产品质 量,优化生产流程.物联网与工厂生产设备的融合,可以对工厂在生产过程中 所产生的各种污染源,进行实时监控.把传感器应用到设备、油气管道中,可 以感知危险环境中工作人员、 设备机器、 周边环境等方面的安全状态信息等. 物联网应用在智慧工厂, 具有相当广泛的应用前景, 经济效益和社会效益明显. 人工智能的研究是一个不断努力推动机器智能向前发展的过程.它正在 形成 人工智能效应 ,即人工智能将一种新技术带入人们的生活,一旦人们 习惯了这种技术,它便不再被认为是人工智能.2014 年秋,斯坦福大学发起 了人工智能百年研究调研项目, 主要考察人工智能的发展现状, 展望未来发展 潜力并分析其对社会的影响.2016 年9月,作为人工智能百年研究中的一部 分,斯坦福发布了《2030 年的人工智能与生活》报告.该报告分析了人工智 能过去

15 年的发展状况,并预测了其未来

15 年的发展趋势. 中国 STEM 教育白皮书

3 该报告认为,随着技术的发展,人工智能将广泛应用于交通、家庭生活、 医疗、教育等多个领域.在交通领域,2030 年,飞行器或机器人等人工智能 设备将会作为交通工具运用于北美的城市中.人工智能系统还将被应用于执 行危险任务的领域. 在家庭生活领域, 家庭机器人将在北美城市出现并得到推 广,它们将在我们的生活中扮演邮递员、清洁员、保安等角色,但由于技术限 制和机器设备成本高等原因,初期可能仅限于特定领域.在医疗保健领域,医 师通过自动化助手, 凭借自身经验和直觉进行诊疗, 并根据智能机器的输出结 果做出判断.医疗机器人将完成许多医学任务,但无法实现完全自动化,需要 人机交互.互动结果将对治疗过程形成反馈,从而形成治疗过程的 闭环 . 在教育领域,兼具互动乐趣与学习效果的教学机器人等智能设备可能会得到 普及, 但并不能完全取代人类教师. 如何最佳地整合人机交互与面对面学习将 是人工智能在教育领域应用的核心问题. 当前,智能制造成为业界关注的热点.智能制造融合了信息技术、先进制 造技术、 自动化技术和人工智能技术, 它可以实现整个制造业价值链的智能化 和创新, 是信息化与工业化的深度融合. 智能制造俨然成为新的工业革命的象 征,正逐步形成新的生产方式、产业形态、商业模式和经济增长点.智能制造 包括开发智能产品;

应用智能装备;

自底向上建立智能产线,构建智能车间, 打造智能工厂;

践行智能研发;

形成智能物流和供应链体系;

开展智能管理;

推进智能服务;

最终实现智能决策. 在过去的

30 多年中,制造业作为增速最快的经济部门之一,一直是我国 经济快速增长的引擎, 在促进经济增长和吸收就业方面发挥了重要作用. 但近 年我国制造业增速放缓, 经济进入中高速增长的新常态, 制造业面临前所未有 的挑战和机遇.目前,在全球产业分工中,我国制造业仍处于全球价值链的中 段,参与的是较低层次、研发与创新含量较低、增值率较低的国际分工.今后 我国制造业要参与更高层次的国际分工和竞争,迫切需要转型升级. 中国制造

2025 发展规划将在我国制造业转型升级中起到至关重要的 推进作用.目前, 中国制造

2025 已制定了一个 1+11 的文件支撑体系,

11 个文件包括五大工程落实方案、四个专项规划和两个三年行动计划.五大 中国 STEM 教育白皮书

4 工程即智能制造工程、高端装备创新工程、制造业创新中心工程、工业强基工 程、绿色制造工程.四个战略性领域专项规划分别是制造业人才发展规划、新 材料产业发展规划、信息产业发展规划、医药工业发展规划.两个重要支撑性 行动计划是制造业质量品牌提升三年行动计划和发展服务型制造三年行动计 划.

21 世纪的人才要在当今复杂世界中维持竞争力,需要具有快速掌握新的 知识技能以解决复杂问题、 收集和评估信息的能力, 尤其是从各种数字媒体中 获取信息的能力. 各国的教育实践........