大学STEM教育创新过程的系统模型
自20世纪80年代以来，美国为保持其经济的全球领导地位，提出了科学、技术、工程和数学（STEM）集成的教育理念。该理念基于这样的认识：教育是机遇之门，是经济发展的基础，而强有力的STEM能力是保证美国经济快速发展的引擎。因此，为保持国家的持续竞争力，必须培养一批训练有素的数学家、科学家、工程师、技师和具备科学素养的劳动大军，必须造就新一代懂科学、懂技术、能写会算的美国公民。多年来，STEM教育理念已经渗透到美国的各个层面，上至政府国会，下至正在接受K-12教育的普通学生。这里我们将视野移至专业研究领域，了解美国政策制定者和学者对于STEM教育的发展所进行的前瞻性的探索。
该研究聚焦于高等教育中的“研究型知识的应用”（research knowledge utilization，RKU）。这好比是科学和技术的创新过程，通过研究成果来创造新的技术，并将这些技术渗透到新的产品和工艺中。因此，注重培养工科学生的能力是至关重要的，以使其在成为工程师的工程实践中使用所学的有关技术的前沿知识来促进新产品的研发。该研究把教授看成是工程师在接受大学教育过程中的重要人物，他们是“研究型知识”的主要应用者，在教授过程中实现创新。
1.STEM的教育创新过程模型
（1）模型的构建
在设计STEM创新模型时，作者广泛地吸收了前人研究的成果。在模型中有选择性地选取了一些系统级别上的变量，如那些对政策影响应负有责任的变量（见图6）。换言之，模型不考虑那些对教育成功造成影响的微观因素。
该研究理解的“教育系统”包括：
详细说明学习知识的类型、技能和态度；
学习内容的选择；
提高教学效果的组织结构；
完成“学习”的过程；
学习过程中使用的材料；
评估策略；
鼓励调整计划以有助于提高教学水平的反馈要素。
图6 模型1：高等学校支持STEM教育功能的研究型知识传递过程该研究把这些教育过程中的原理和创新系统的概念综合在一起，模型整合的七大要素是：研究，媒介，教师，环境，学生，教学效果和评估。
（2）模型七要素
多重学习目标是大学STEM教育的本质特征，它包括智力发展、个人发展、社会发展和向职业的技术掌握。该研究把最终的模型看成是在提高STEM教育进程中政策调整的客观结果。当然，“研究”（research）和STEM教育系统的相互联系远比模型中描述的紧密，这只是一个简化模型。
研究：作者提出了三种不同的研究型知识——一般的教育知识、科学发现和专业知识。作者认为这三种研究知识都有各自的影响对象和媒介（mediators）。
媒介：作者把媒介分为七类。其中包括很多要素，如基础设施、奖励系统、学习计划（训练），以及教育内容与技术。媒介是一个重要的系统特征。
教师：即使在大学层次上，教师也在扮演多重角色：传授知识，鼓励学生学习，挑选和组织学习内容，行为榜样。卓越的教育本身就是多维的。尤其是在研究型大学里，教师的角色从教学延伸到提供服务和科学研究。
环境：环境会影响STEM教育的许多方面，如教室环境设置相比其他环境设置更能传递一种特定的知识。另外一个环境设置要素是学科环境。RKU 也似乎随着学科而变化。该研究想要评估STEM创新系统结论在各学科中普及的程度。
学生：在模型中，作者认为不应该忽略学校之间或学校内部的学生差异（例如：家庭经济状况、教育背景、智力情况）。
教学效果：学生的教学效果并不是简单的累加或线性过程的确定性结果。教学效果是关于学习模式、教学方法、学生品质、教师特质和组织环境的函数。提高研究型大学的STEM学习面临着很大挑战，因为因变量（教学效果）是多维的，自变量间的相互影响也很复杂。
评估：给媒介（如科研机构的动机和支持）和教师提供反馈（如动机、努力、教学效果），最终会对学生的学习造成直接或长期影响。
2.研究型大学的专有模型
研究表明，对研究型大学图中加阴影的要素是不相关的。
（1）基本的教育创新问题
研究型大学的地位主要依靠研究实力。因此，一个教师的成功也主要取决于研究业绩。在这一点上研究型大学的内在优势是教师承担研究人员和教学人员双重角色，他们可以为学生提供该领域的前沿知识。然而这种优势在低层次教学中传授基本学科知识时就不是很明显。作者认为“研究”的首要地位影响了模型的以下方面，它们是研究型大学教育创新时不能不加以考虑和采取对策的方面。
一般性知识和研究，即使是以学科为目标的专业知识，本质上并不具有价值（carry essentiallyno value），因此包含在一般的教育知识和专业知识的研究中的RKU 前景暗淡。
某些媒介受影响。相对于研究来说不重视教学表示教师不需要在研究生课程中整合任何教育学上的训练。因此，可以预见下一代教师对于教学的认识是有限的。
由于在研究型大学里缺乏一种对于STEM教育成就和创新普遍支持的氛围，专门的STEM机构所扮演的角色就极为重要。
研究型大学教师的特质更倾向于注重研究，而不是成为杰出的教学人员。传授知识被认为全部来自于经验。研究倾向意味着教师们有可能意识到教学只是一种强迫接受，因此只有较小的动力来提高自己的教学能力。
时间就是生命。在有限的时间里，有才智的教职人员会花最少的时间在教学上，而最大程度地进行科研活动。增强学生学习的动机显然是因人而异的，尽管人们知道“问题导向”的学习方法可以增强学习效果，但这项创新因为需要花费比教师和学生所能承担的更多的时间和责任而被搁置了。
组织安排上的差异可以导致一些大学比其他大学更有优势。相比于其他类型的大学，在考虑研究型大学的教育创新的前景时，还应考虑另外一些要素，包括：合作教育机会的相对实用性，有机会参加海外项目的学生比例，依赖于校园内教育或远程教育（校园外教育）和学科交叉或协作教育的相对程度。
（2）七大要素的含义
研究：研究型大学把重点放在一些专门学科的研究上，而不是在教学上。教师扮演了研究者和模型2：研究型大学支持STEM教育功能的研究型知识传递过程传授者的双重职业角色。作为传授者，他们传递了尖端的科学知识（内容，方法）。
媒介：模型2显示的，八类媒介中的大部分在促进STEM创新上是无效的。虽然人们已经认识到在研究与教学间达到平衡的重要性，但是平衡的目标并不被教师与行政部门认可，资源、雇用标准和奖励系统仍旧倾向于科学研究（不是教学研究）。
教师：机构和部门政策形成的规范影响着教师的行为。尽管教师对所授课程有相当大的自主权，但他们的行为和选择仍会受到机构和部门规范的影响。虽然教授有可能单独地在自己的教学实践中实行创新，但他们并不会将自己的教学实践与创新写入公开的论文中，也不会在教学过程中进行教育研究。
环境：K-12教育和研究型大学里的STEM教育有很大的区别。主要有两点：①双重角色（研究型大学里的教师把教学看成是次要的角色，而对K-12来说教学是极为重要的）；②孩子与成人学生的不同（对自己负责的程度、动机、学前知识和其他问题）。
学生：该模型认为学生的学习也受动机的影响。
教学效果：对于STEM学习中的学生和STEM创新中的教师，作者把“教学效果”放在中心位置。其中包括很多内容：对大学STEM学生的关于STEM主题的教育；对大学非STEM学生的关于STEM主题的教育；对将来的K-12STEM教师的教育和研究生教育。教育成果还包括改变个人态度和价值观、学会团队工作、获得社交技巧等等。
评估：评估对研究型大学STEM创新的动机产生重要的影响。
（3）研究型大学教师的教学动机
如果一个教师不确信他对教学的关注将会提高他的价值，那么就会丧失教育创新的任何动机。
如果一个教师怀疑改进教学效果是否可以得到奖励，或者，如果感受到对于有效教学的奖励少于其他事业（如：研究）的价值，动机皆会丧失。研究发现，教师们认为，即使有这些奖励也不太会再激励他们更加注重教学。研究型大学和其他大学的设置上有很大的不同，显着的教学效果对于研究型大学里的教师并不是那么重要，因为他们自认为主要是通过研究活动获得奖励的。
3.利用系统来促进STEM创新的前景和措施
该研究提供了一个研究型大学STEM教育实践创新的系统模型，其中心思想是从系统的观点出发考虑改进STEM教育的方法。
研究中提及的七大要素有助于了解STEM创新模型中每个角色的不同功能。该研究对这些媒介的可变性特别感兴趣。例如，新的博士毕业生接受教学训练的比例是多少？ 什么样的训练基础变得越来越普遍？ 他们的有效性如何？ 不同学科间是不同的吗？ 在研究型大学和一般本科学院中雇用的教师之间也存在差异吗？
通过模型可以看出，如果教师动机没有较大的增长，其他的改变是没有实际意义的。双重角色的讨论成了这个问题的基础。2005年的高等教育教学交流会集中在“平衡”这个问题上。特别是致力于讨论重新调整研究与教学之间不平衡的方法。推进提高教学动机的想法包括：不像现在一些国家和大学那样根据研究成果来分配资源（如有重大影响的论文、引用率），而是通过教学标准（teaching and learning metrics）来分配资源；改变教师文化，并明确通过教学投入而不仅仅是研究能力来雇用教师，或者要求博士毕业生至少要有少量的教学训练（一门1个学分的课程）；追踪STEM注册学生在大学间的转移。
研究模型把焦点集中在研究型大学STEM教育中研究型知识的传递上，研究模型在考虑其他教学创新（非STEM）时也是适用的，希望这个系统模型能为促进大学STEM教育进步提供一个有用的工具。