美国“转变本科生科学、技术、工程与数学教育计划”的解读与启示

沈允中，张翠霞，曲金泽，潘 峰

（北京联合大学实训基地，北京 100101）

在国家教育体系中，高等教育是未来创新人才的主要孵化器，而本科生教育是高等教育阶段规模最大、周期最长、专业知识系统性最强、专业人才培养数量最多的部分，从未来国家战略需求而言，其重要程度十分突出。早在上世纪80年代，卡内基教育促进基金会的一份研究报告就指出:本科学院是美国高等教育的起点，起源于这种学院并围绕其发展的大学已经产生出改变这个国家及整个世界的知识［1］。

进入21世纪以来，面对日益严重的全球气候变化、资源短缺、经济危机等一系列无法回避的重大问题，以及新兴经济体国家快速成长带来的压力，美国更加重视科技人才的培养，以保持其科学技术的领先优势，促进经济的发展。因此，持续推广教育改革，特别是围绕提升科学、技术、工程和数学（science，technology，engineering and mathematics，简称STEM）教育水准而进行的教材、课程、教学方法改革备受重视。本世纪初，美国国家科学院和研究理事会分别发表了关于改进本科生STEM 教育的报告［2－3］，反应了对本科生教育的重视。美国的教育部门、科研机构、专业学（协）会和企业都积极主导并参与了大学本科阶段的教育研究和改革。

美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）作为科学研究和教育的重点资助机构，承担了国家科技人才资源建设的任务。NSF 设立了多个项目资助本科生教育研究。本文中通过解读NSF开展的“转变本科生科学、技术、工程与数学教育计划（Transforming Undergraduate Education in Science，Technology，Engineering and Mathematics，简称TUES）”［4］，反映自21世纪开始以来美国本科生教育改革的特点，以期对我国高等教育，特别是本科生教育方面的研究有所启发和借鉴。

1 TUES计划介绍

NSF的教育与人力资源理事会下设大学本科教育部（Department Undergraduate Education，DUE），直接负责本科生教育研究各个计划项目的资助。其中TUES计划的规模较大、立项数量多、影响范围广、持续时间较长，至2012年，该部开展的本科生教育相关计划有16个［5］。从上世纪90年代末到2011年初，其间该计划立项3700余个，投入经费超过7亿美元。

1.1 TUES计划的出台背景与目标

上个世纪末，NSF 为提升本科生教学改革的水平，将当时正在执行的“课程教学发展计划（Course and Curriculum Development）”、“教学与实验室改进计划（Instruction and Laboratory Improvement）”和“本科生教师提升计划（Undergraduate Faculty Enhancement）”合并为“课程和实验室改善计划（The Course，Curriculum，and Laboratory Improvement Program，简称CCLI）”。CCLI计划以为国家储备多样化、具有竞争力的科学家、工程师、技术人员和良好素质的公民为背景，其目的是提高本科生STEM 的教育质量。该计划的实施对学习环境、课程内容、课程设置和教育实践产生了积极影响［6］。

针对新世纪以来面临的经济危机、健康成本提高、全球变暖等一系列重大挑战，美国迫切需要培养新一代高素质的科学家和工程师，他们应当具备从事生物技术、纳米技术、可替代能源等重大科学问题研究的能力，这些问题直接影响社会发展和国民生活质量的提高。2009年，NSF将CCLI计划改为“转变本科生科学、技术、工程与数学教育计划”，即TUES计划［7］。

TUES计划以更广的角度、更大的力度支持本科生STEM 教育创新，其总目标是应对不断出现的挑战，通过创新改进本科生STEM 教育。TUES计划支持能够反映STEM 各学科最新发展动态，并与教学研究相结合的教材和教学策略等有关的改编、创作和推广工作，支持具有推广范围大且稳定的创新实验室和创造性教学方法的项目。TUES计划面向所有高等教育环节，这些环节包括社区学院和大型研究设备、培养高素质的STEM 人才，以及向公众普及STEM 知识与生活的关系等。TUES计划鼓励非营利组织、专业学术团体、高等院校之间的合作。

1.2 TUES计划的内容

TUES计划探索如何提高所有本科生STEM 教育质量。计划根据美国科学院出版的《人们如何学习:大脑、精神、实验和学校》［8］和《学生如何学习》［9］中提出的4个关键要素（即:以学生为中心，以知识为中心，以社团为中心，支持学习的评价方式）创建学习环境。TUES计划确定的申报项目内容有:

（1）编写教材和创新发展战略。包括提供新的学习材料和教学策略，提升课程和实验室教学。

（2）贯彻新的教学方法。包括确保教学方法的普遍应用，通过适当的工具帮助学生学习，以及实践内容更加广泛。

（3）提高教师的专业知识技能。要求教师必须掌握新的知识和技能，适应新的教材和教学方法。

（4）确定和评价学习效果。包括开发有价值的可靠的STEM 知识测试方法，测试新教材和教学方法的效果，收集、综合、解释学生对知识的理解、思考、兴趣、态度和实践能力等。

（5）关于本科生STEM 教育的研究。包括探索教学发展策略对提高学生学习能力和转变学习态度的有效性，以及如何进行推广和执行。研究结果应当为编写新教材、创新教学方法、提高教师能力和评估方法提供依据。

1.3 TUES计划的项目类型

TUES计划的项目有4种类型，各种类型项目的预算额度和完成的时间周期见表1。

类型1:引导性项目。例如:编写新教材；将现代科学和教育学集成到教师教学计划中；开发新工具，用以评价学生对关键教学过程和特别学科知识的掌握情况。

类型2:多方、多机构参与的项目。例如:多家机构参加的系列课程项目；社区学院与正规本科院校之间的合作项目；以互联网为基础的专业发展规划等。

类型3:大规模项目。包括在地区或全国范围内传播已经过检验的教材或教学方法，专业发展的可持续模式，以及多机构大范围反映学生STEM 学科知识的评价数据库等。

类型4:TUES 中心资源项目。这种项目以提高STEM 教育社团的能力和增加相互之间的交流为目的。包括大型小型会议、出版、研究、评价等，以扩大STEM 项目的影响。

表1 TUES计划的类型及其预算额度和周期

1.4 TUES计划的实施

根据对TUES计划的项目数据统计，该计划自实施以来，已完成项目超过60%。2001—2010 年，TUES计划的项目数量占NSF 本科生研究项目总量的43.0%以上。2007年以来，TUES项目数量保持在每年300项以上，年经费均超过6000万美元。

TUES计划的项目涉及数学、物理、化学、生物、地学、天文学、计算机科学、工程、经济、社会科学等领域，以及跨学科研究、教学评估研究等。项目成果的形式包括:教材、新课程设置、远程教育系统、教学软件、实验设计、实验室、研讨活动、会议、调研、教师培训、网络论坛、教学设备、资源共享等多种形式。

TUES计划项目的绝大部分参加单位是高等院校，包括两年制的学院，同时还包括多个在专业领域中有影响的学（协）会、科研机构（研究中心、国家实验室等）、科学咨询机构、教育研究机构、企业等。各类机构承担的项目类型见表2。

NSF十分重视TUES计划的执行和所产生的重要影响，适时组织项目参加人员和团体进行交流活动。NSF分别在2004年、2008年和2011年召开了全国性的TUES计划研讨会［6，10－11］，参会的项目达到数百个，涉及多个学科以及交叉学科，包括评估、合作、教师发展、教材、关键挑战问题等多个方面。研讨会不仅反映了项目的落实情况和具体效果，并且项目成果获得了传播，不同项目团体进行了充分的交流，通过研讨会和出版物向社会扩大了TUES计划的影响。

表2 各种类型机构承担的项目类型

2 TUES计划项目的特点

通过对TUES计划及其资助项目的具体案例分析，归纳出的以下特点很值得我国本科生教育借鉴。

2.1 教学改革与国家、社会需求、经济发展及产业实际相结合

TUES计划中的项目重视国家、社会和经济发展的需要。例如，为本科生有机化学实验室课程设计的“新一代绿色化学教材”，其中包括绿色有机化学的教学策略、设备和实验教材设计贯穿了健康、环境等国家与社会密切关注的重大环境问题。

又如，“通过合作项目的学习加强数字工程设计经验项目”强调理论与实际设计经验的结合，并为学生提供职业工程中的经验，为后续课程进行自然衔接。

2.2 以学生、知识为中心，构建吸引学生学习STEM的环境，增加案例教学，提供专业技能训练实践机会

在TUES的多个项目中，强调案例研究，通过实际案例指导学生学习掌握知识和技能。在组织STEM 教学中，重视调动学生积极参与，吸引学生的兴趣。例如，“数字电子学的预习、练习、教学和学习项目”，通过网络教材预习新内容，教学内容通过提问方式进行，网络教材提供课后练习，学习的全程学生都可以与教师进行互动，从而提高了学习的效果。

而“实际工程问题多媒体案例的推广项目”以培养工程类学生软实力（包括解决问题的能力和商务技能）与硬技术素养为目的，与企业合作开发多媒体形式的形象化案例，向学生展示解决工程和管理实际问题的方案，以及模拟团队工作。这套教学案例也拓展了教学形式和教师的教学能力。

2.3 重视新技术人才的培养，将跨学科研究和学科前沿研究纳入本科生教学

TUES项目重视将新知识、新技术、跨学科研究引入课堂教学和实验室实践。例如，冷泉港国家实验室“发展和推广RNAi（RNA－mediated genetic interference）和功能基因组新实验室项目”，是在人类基因组计划完成的背景下而开发的实验课程，旨在帮助学生学习RNAi新技术和利用计算机进行基因组分析，使学生可以自行设计、实验、探索。

“生物光子学本科生学习体验项目”包括实验室和课程讲义建设，是一个典型的跨学科领域的学习课程，教师来自生物系、化学系和物理系。内容包括荧光与显微镜基本原理，有机荧光合成、荧光光谱学、显微镜在细胞生物学中的应用等。实验课程是利用生物光子学仪器完成一个设计题目。

另外，“纳米计算引入标准电学工程课程项目”，电学课程中的“集成微纳米流体项目”，以及“纳米光子学实验室项目”等，将纳米技术前沿研究内容系统引入本科生阶段的学习，而不是局限于一般介绍性的新技术讲座。

2.4 重视教师的新知识和新技术培训

为适应科学技术的发展，TUES计划中的部分项目专门为培养教师而设置。这类项目以组织教师学习、掌握和传授新知识和新技术为目标。培训内容包括数学、物理学、化学、生物学等基础学科，以及跨学科领域和高新技术领域。例如，“发展教师经验项目”是通过建立社团，共同面对教学问题，共享新的教学理念、方案，鼓励教师利用新的教学策略，与专业学会共同合作，开展教学研讨活动。

在拓展一些课程新内容之前，先对教师进行培训。例如，数学和科学教育卓越中心与3所学院共同承担的“实验室中稀有和敏感物种遗传保护项目”，将分子生物学方法用于地质学，探索局部环境问题。项目先为教师举办分子生物学研讨会，以提高教师关于遗传学和生物多样性方面的知识技能，利用分子生物学方法开展稀有、敏感物种的遗传分析和物种保护等相关课程的教学。

2.5 参加教学改革项目的机构呈现多样化，鼓励各类机构开展项目合作

TUES项目的参加机构不只是高等院校，还包括科研机构、专业学协会、企业、教育研究机构以及非营利组织等。这些机构参加教材改编、课程设置项目，组织教学评议、培训教师和为学生提供实习机会，特别是组织重要的教学改革研讨会议。

以“21世纪本科生物理学计划——区域研讨会”项目为例，该项目由美国物理教师联合会与美国物理学会和物理协会合作，组织物理系教师团队开展一系列的区域研讨会，研究和分析本科生物理学创新战略计划的发展，就振兴本科生物理教育问题进行了深入分析。项目的最终目的是使美国50%以上的物理系本科生的物理学教学在3年内要有所改观。

在教育改革中，美国许多重要科学团体十分重视教育理论研究，例如国家研究理事会2000 年开展了“人们如何学习项目”和“基于科学研究的学科训练项目”，从认知心理学等多个方面组织开展跨领域的认知和学习研究。研究结果表明在本科生的教学过程中，通过提出新的教学方法和教材，可以明显地改进学生对基本概念和科学研究特性的理解。美国国家科学院关于“基于教育研究的学科训练项目的态势、贡献和未来方向项目”对这类研究组织开展了更进一步的探讨和评议，并提出了相关建议。

2.6 强调教学效果评估

重视教学效果评估是TUES 项目的共同特点。新的教材（包括软件、实验设计）要求带有评估系统，用以评估教学是否提高了学生学习STEM 课程的兴趣。同时，也有专门以评估为目的的项目。“跟踪学生如何解决问题项目”就是一套可以有效地评估科学与工程专业学生解决问题能力的练习系统，包括基本概念、合作能力以及实验室的活动等。

当然，TUES项目还具有其他特点，比如，重视网络技术在提高教学效果中的应用等。但以上6个特点在宏观上更突出，更典型。

3 启示

TUES计划值得我国高等教育借鉴，特别是以下几点对我国本科生教育更有所启发。

（1）联合社会多方力量参加教学改革，为教育创新提供了新的环境和力量，使教育教学的过程和结果紧密联系实际，从而更加适应国家建设和社会发展的需要。

（2）增加各类学校参与国家高等教学改革活动的机会，扩大不同类型学校的交流互动和资源共享，参与教学改革院校的广泛性亦可使人才培养更加多层次、全方位。

（3）以学生、知识和社团为中心开展教学改革的理念为我国高等教育研究增加了新的思考维度。

（4）将科学研究的新成果和最新技术及时引入本科教学课程，使本科教育期间培养的专业人才能够跟进科学技术前沿的发展，尽早投入到影响社会发展的重大问题和交叉学科研究中。

（5）增加大规模长期本科生教育、教学改革计划，使本科教学改革具有稳定性、日常化和持续性。目前正在实施的教育部“高等学校本科教学质量与教学改革工程”［12］和实施期限为2010—2020年的“卓越工程师教育培养计划”［13］将为我国高等教育、教学改革创造稳定持续的环境，希望有更多这样的计划。

科技竞争实质上是人才竞争，而尖端人才培养以高等教育为基础。TUES计划将本科教育放到影响社会发展和提高全民生活质量的高度，从国家战略的层面设计和实施本科教育改革，必然对国家发展产生积极的效应。本科教育不仅是教育部门一方的工作，也是一项社会系统工程，应当受到政府、教育、科研、企业、非营利机构多方的重视和支持。希望TUES计划能对我国高等教育切实有所启发，促进本科教育改革的实施。

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［1］厄内斯特博耶.大学:美国大学生的就读经验［M］.徐芃巩，译.北京:北京师范大学出版社，1993.

［2］National Academies.Improving Undergraduate Instruction in Science，Technology，Engineering and Mathematics 2003［R／OL］.［2012－10－11］.http:／／www.nap.edu／books／0309089298／html／.

［3］National Research Council.Evaluating and Improving Undergraduate Teaching in Science，Technology，Engineering，and Mathematics［R］.2003. ［EB／OL］.［2012－6－21］.http:／／www.nap.edu／books／0309072778／html／.

［4］National Science Foundation.Transforming Undergraduate Education in Science， Technology， Engineering and Mathematics（TUES）［R］.［2010－02－24］.［DB／OL］.［2012－06－11］.http:／／www.nsf.gov／publications／pub＿summ.jsp？WT.z＿pims＿id＝5741＆ods＿key＝nsf10544.

［5］National Science Foundation.Undergraduate Education（DUE），Programs and Funding Opportunities［R］.［2012－12－01］.［DB／OL］.［2012－12－20］.http:／／www.nsf.gov／div／index.jsp？div＝DUE.

［6］National Science Foundation.Invention and Impact:Building Excellence in Undergraduate Science，Technology，Engineering and Mathematics（STEM）Education［M］.New York:American Association for the Advancement of Science，2004.

［7］National Science Foundation.New Challenges，New Strategies［M］.Washington，D C:The National Academies Press，2009.［2010－09－21］.［DB／OL］.［2012－09－21］.http:／／www.aaas.org／news／releases／2010／0921ccli.shtml.

［8］National Research Council.How People Learn:Brain，Mind，Expe－rience，and School［M］.Washington，D C:The National Academies Press.2000.［DB／OL］.［2012－08－19］.http:／／books.nap.edu／catalog.php？record＿id＝9853＃toc.

［9］National Research Council.How Students Learn［M］.Washington D C:The National Academies Home，2005.［DB／OL］.［201－06－23］.http:／／www.nap.edu／catalog.php？record＿id＝10126＃toc.

［10］National Science Foundation.Invention and Impact Ⅱ:Building Excellence in Undergraduate Science，Technology，Engineering and Mathematics（STEM）Education［M］.New York:American Association for the Advancement of Science，2008.

［11］National Science Foundation.Transforming Undergraduate Education in STEM:Making and Measuring Impacts［M］.New York:American Association for the Advancement of Science，2011.

［12］教育部.教育部、财政部全面启动“高等学校本科教学质量与教学改革工程”［EB／OL］.（2007－01－25）.［2012－06－19］.http:／／www.moe.gov.cn／publicfiles／business／htmlfiles／moe／moe ＿2198／200701／19711.html.

［13］教育部.教育部关于实施卓越工程师教育培养计划的若干意见.［2011－01－08］.［EB／OL］.［2012－05－07］.http:／／www.moe.gov.cn／publicfiles／business／htmlfiles／moe／s6342／201102／xxgk ＿115066.html.