STEM专业的主要目标是帮助学生发展学术知识、能力和技能(以下简称技能)以及更高阶的思维能力，如批判性思维。让个人具备这些技能有助于发展人力资本，促进创新，帮助国家在全球知识经济中发展和提高竞争力。过去的研究表明，一个国家的人力资本(以受教育年限衡量)与其发展之间存在正相关关系。最近的研究表明，针对中小学学生的国际评估中所衡量的技能更接近于国家一级人力资本的技能要求，这些技能也是经济增长的有力的决定因素。对认知技能在经济增长中的作用的研究显示，认知技能测量也可能捕捉非认知或更高层次的认知维度，这些维度也可以解释生产力和经济增长。这些研究结果为能够继续探索促进技能发展的教育改革提供了支持。

然而，在强调人力资本对生产和发展的重要性时，研究人员主要关注的是在本科阶段获得的技能。特别是，国家尽管每年在本科STEM项目上花费了数百亿美元，但对这些项目的学生在大学期间发展批判性思维和学术技能的程度所知甚少。

目前为衡量学生的技能增益情况做出的尝试，例如，通过收集毕业生短期就业成果的数据等方法仍过于间接，无法为教育政策制定者或大学管理人员提供实际可操作的方法。也很少有人使用标准化评估的直接方法。此外， 在少数研究收集标准化评估数据的案例中，例如经济合作与发展组织的高等教育学习成果评估，他们通常没有评估具有全国代表性（随机）的学生和机构样本，因此无法从国际视角来衡量学生的技能水平和技能提升。

罗亚尔卡（Loyalka）等29 名研究者比较了各国具有代表性（随机）的STEM本科生样本的技能水平与增益情况。然而，该研究的局限性在于，它只收集和分析了计算机科学专业学生在某一时间点（即大学毕业时）的计算机科学（CS）技能的横断面数据。因此，本研究的结果并不能直接涉及：(1) 在大学期间学到的技能（技能增益）；(2) 高阶思维技能； (3) 基础学术技能，如在大学的前两年基本涵盖的，也是作为以后成功的基础的数学和科学的学科技能。罗亚尔卡（Loyalka）等29人针对中国、印度和俄罗斯收集使用的样本也相对较少，样本只包括了1,593名学生；此外，印度的样本只来自三个州，并不具备严格的全国代表性。

缺少关于高等教育中技能获取的证据是一个重大的遗漏。各国在高等教育上的支出占其GDP的比例相当大，而且在不断增加（美国为2.6%）。因为与小学和中学教育相比，高等教育能带来更大的回报。虽然回报可能在不同程度上表现为高等教育对技能发展的贡献或其信号价值，但通过高等教育产生的技能也可能带来很多外部效益。例如，高等教育可能导致创新发展和知识转移。

在本文中，我们试图通过提供直接的、有代表性的和纵向的数据来弥补这个缺陷，即比较不同国家间STEM本科生的高阶思维和学术技能（技能水平和技能提升），以及在院校选择性和学生性别方面的差异。为此，我们收集了关于中国、印度和俄罗斯的精英和非精英院校的STEM本科生（四年制计算机科学和电子工程专业的学生）的批判性思维和学术技能的国际标准化评估数据。值得注意的是，除了是关键的政治和经济行为体之外，中国、印度和俄罗斯还培养了全球大约一半的STEM毕业生。此外，我们将这三个主要国家的STEM学生的批判性思维技能水平和技能增益情况与美国进行了对比。

在院校选择性方面，高等教育系统越来越多地被区分为精英和非精英机构。精英院校的特点是公共和私人投资水平较高，配额有限，选择性录取。因此，学生得分较高，声望较高。与培养一国绝大多数大学生的非精英院校相比，其一般被认为学生的培养质量较高。在中国、印度和俄罗斯等新兴经济体中，高等教育系统日益分化为精英和非精英机构的现象也很明显，这些国家的政策制定者积极推动精英机构成为世界级的研究型大学，培养出高素质的科学和管理人才。

我们采用严格的抽样程序，随机选择中国、印度和俄罗斯的院校和学生。通过密切关注调查，我们在院校和注册学生中取得了较高的总回复率。我们的考试被设计为文化中立，并被验证为文化中立。我们培训了数百名调查员，让他们以同样的方式来监考考试。同时，所有被抽中并参与其中的学生都被施加了同样的激励措施。我们还测试了结果对学生动机的潜在差异的敏感性。

我们对技能提升的估计是多维的和稳健的。我们严格的抽样和调查程序使我们能够在相对意义上考察跨组别技能增益，即跨高等教育系统和机构。我们还使用了垂直标度的测试分数来研究绝对意义上的跨组技能提升，学生的技能是否随时间发生了正、零或负的变化。我们测量了领域性的高阶思维技能（批判性思维）以及领域性的学术技能（如我们抽样专业中的主要科学科目——数学和物理）的相对和绝对提升。在控制了学生的家庭背景和他们的校外活动等变量后，我们的研究表明，技能水平提高的差异可归因于学生的校内经历，而不是他们的家庭背景或校外活动的差异(补充资料F）。因此，我们测量的技能增益很大程度上反映了与参与本科STEM项目有关的增值。

通过预览主要结果，我们发现各国之间以及精英院校与非精英院校之间的技能水平有明显的差异。 在大学开始时，中国和美国的学生在批判性思维方面的得分比印度的学生高约1.4到1.5个标准差，比俄罗斯的学生高约0.3到0.5个标准差。此外，中国学生在学术技能方面的得分比印度和俄罗斯的学生高约1 个标准差。与非精英院校的学生相比，来自中国和印度精英院校的学生在学术和批判性思维能力方面的得分要高得多。女生在大学开始时的批判性思维分数与男生相同，数学和物理分数略低。在大学的前两年，数学方面的性别差距缩小了，但在物理方面却没有。

这些技能水平的巨大差距让我们深入了解来自不同国家和不同类型机构的 STEM 本科生的入学时的技能水平。我们还展示了大学两年后学术技能水平的差距以及大学两年和四年后批判性思维技能的差距，从而进一步了解每个国家 STEM 毕业生的全球竞争力。稍后，我们会以这些技能水平差距为背景，讨论 STEM 专业的差异化选择。

重要的是，为了关注大学质量，我们展示了各国在技能增益方面的巨大差异。印度和俄罗斯的学生在前两年经历了显著的学术技能提升（0.1到0.4个标准差），而中国的学生没有经历任何提升或显著的绝对学术技能损失（大约-0.3到0个标准差）。这有助于缩小中国和其他国家之间的学术技能差距。纵向增益显示，中国、印度和俄罗斯的学生在大学的前两年在批判性思维方面略有增益，而在最后两年在批判性思维方面有所损失。而美国多个队列的回归调整结果（尽管不具代表性）与之前的文献密切相关，这些文献表明美国学生在四年内获得了实质性的收获（大约0.5个标准差）。

研究发现不同国家的批判性思维技能水平差异很大（图 1 和表 1）。中国大学一年级学生（以下简称大一新生）表现出与美国大一新生相似的批判性思维技能水平，略高于俄罗斯的新生。与印度的新生相比，俄罗斯的新生也表现出更高水平的批判性思维技能。在第二年结束时，与印度的二年级学生相比，中国的大学二年级学生的批判性思维得分仍然高得多，也略高于俄罗斯的二年级学生，与美国的同龄人相当。因为美国学生在一年中的不同时间参加批判性思维考试，而且第二年和第三年的样本量相对相等，所以我们把第二年和第三年的观察结果合并起来。然而，到第四年结束时，虽然中国学生的分数仍然比印度学生高得多，但他们的分数在统计上与俄罗斯学生没有区别，而比美国的四年级学生低得多。

与批判性思维一样，中国新生的数学和物理技能水平最高，远高于印度新生和俄罗斯，如图2和表2所示。这些差异都在1%的水平上具有统计学意义。与印度新生相比，俄罗斯新生的数学技能水平进一步明显提高，但物理技能却没有。

基于各国在技能提高方面的差异，中国在学术技能方面的优势在两年后大大缩小，如图2和表2所示。根据未经调整的估计，中国从第一年开始到第二年结束的技能提高为负值。 数学的技能增益为负值，而且下降幅度很大，物理同样为负值，但该结果不具备统计学意义。相比之下，印度的数学和物理的技能增益估计值为正值，且是显著的。在俄罗斯，数学和物理的结果也是正值，尽管较变动幅度较小。

综上所述，结果显示，印度和俄罗斯的学生在大学的前两年在数学和物理方面取得了明显的进步。相比之下，中国的学生在进入大学前获得的数学技能有所下降。

无论我们是否将项目反应理论（IRT）标度分数转换为Z分数，这些结果都是成立的。此外，当我们将一年级开始和二年级结束的数学测试限制在STEM项目上（这在两次数学测试中完全相同，并且约占每次测试的40%）时，我们发现中国学生在二年级结束时的得分也比一年级开始时低0.27 个标准差（这与表2中报告的数学技能下降0.31 个标准差相当相似）。这与印度和俄罗斯在普通项目上的数学分数大幅提高形成对比。尽管从一年级开始到二年级结束，中国学生的数学技能在绝对值上有所下降，但与印度和俄罗斯相比，中国学生在二年级结束时的数学技能水平仍然很高。

在批判性思维和学术技能水平方面，各院校类型也有明显的跨国差异，如表3和补充表3b。在批判性思维能力方面，中国精英院校四年级的学生比印度和俄罗斯的精英院校的学生高出约0.5 – 1.3个小数点；中国非精英院校四年级的学生每年比印度非精英院校的学生高出0.7 – 1.2个小数点，比俄罗斯非精英院校的学生高出0.2个小数点（第二和第三学年除外，他们的分数处于同一水平）。关于一年级开始和二年级结束时的数学和物理技能水平，中国精英院校的学生比印度和俄罗斯精英院校的学生高出约0.5 – 2个标准差；中国非精英院校的学生比印度和俄罗斯非精英院校的学生高出约0.3 – 1.0个标准差。

值得注意的是，与印度精英院校的新生相比，中国非精英院校的新生表现出更高的批判性思维能力（这一差距在第四年缩小），与俄罗斯精英院校的新生相比，中国非精英院校的新生表现出更高的数学和物理能力（数学的差距在第二年缩小，但物理能力的差距没有缩小）。

在国家内部和国家之间，精英院校和非精英院校的学生在批判性思维和学术技能的提高方面存在很大差异，如表3所示。中国精英院校的学生从第一年开始到第二年结束，在批判性思维以及数学和物理技能方面没有任何技能提升。中国非精英院校的学生从三年级开始到四年级结束，批判性思维能力显著下降，数学技能从一年级开始到二年级结束，并且在物理技能方面没有收益。而印度精英院校的学生在前两年的物理技能下降，批判性思维能力在最后两年下降，他们在数学技能方面有很大的进步。此外，印度非精英机构的学生在数学技能和物理技能方面都有显著的收获，但在最后两年经历了批判性思维能力的下降。俄罗斯精英院校的学生似乎在数学方面有所提高，但在物理学和批判性思维方面没有提高，而非精英院校的学生在物理学方面有所提高，但在数学和批判性思维方面没有。

不同性别的技能水平和收益有很小的差异，如表4所示。在大学开始时，中国、印度和俄罗斯的女学生表现出与男学生相似的批判性思维能力水平。中国和印度的女性新生与男性新生相比，其数学和物理分数略低（0.1 – 0.3分）。俄罗斯的女新生在数学和物理方面的得分与男新生的水平相同。