美国本科STEM教育改革系统性策略——基于美国大学协会《本科STEM教育计划》分析

林姬佺，卓泽林

（华南师范大学教育科学学院，广东广州 510631）

当今世界正处于一个大发展大变革的时期，知识经济和第四次工业革命加剧了科技与人力资源的竞争。在此背景下，美国将科学、技术、工程、数学（Science，Technology，Engineer，Mathematics，简称STEM）教育提升到维护国家安全的高度，以期通过培养更多本土的科技人才来拉动经济增长和维持美国的国际竞争力。本科阶段的STEM教学质量直接关系着企业未来STEM劳动力的素质。近年来，在强调培养更多基础教育阶段STEM教师和提升学生STEM素养以外，美国社会也开始广泛关注本科STEM教学改革，希望通过转变STEM课堂的传统教学模式来提升学生的学习质量。2011年9月，由美国顶尖研究型大学组成的大学联盟——美国大学协会（Association of American Universities）发布了《本科STEM教育计划》（Undergraduate STEM Education Initiative），启动了一系列改革活动[1]，计划在五年时间内改善其成员大学的STEM教育质量，以使基于证据的教学模式成为本科STEM教育的共识。该项目探索大学协会组织在推动大学进行规模性改革上的作用，同时尝试在制度层面变革以增强STEM教学改革的持续性。[2]《本科STEM教育计划》在实施中整合了研究型大学内外部的资源，促使美国本科STEM教育改革从分散化转向系统化。由此可见，该计划不仅对美国本科STEM教育改革具有重要的指导作用，也将对美国高等教育发展产生重要影响，本研究将较为全面地分析《本科STEM教育计划》开展的动因、举措及其对美国本科STEM教育产生的影响。

一、《本科STEM教育计划》实施的动因

（一）教学方式弊端消解学生对STEM 课程的学习兴趣

本科STEM 教育是美国STEM 教育战略的重要组成部分，学生在进入企业工作时需要高水平的STEM知识与素养，如定量与信息素养、探究与分析能力、批判性思维、进行跨学科的沟通与协作能力等。这些高水平的知识和素养需要通过学习STEM课程来习得，因此美国高校通过提供高质量的STEM 课程来培养更多STEM专业人才，这是美国保持经济世界主导地位的现实路径。然而在现实中，美国本科学生对于STEM专业学习的动机并不强，且缺乏持续学习的动力，美国STEM学科的保有率低，即选择主修与实际取得学位的学生数量差大，就是其最好的注脚。例如，美国国家科学基金委（National Research Foundation）的调查数据显示，在过去10年里美国本科一年级选择主修STEM专业的学生在同届所有学生中的占比一直维持在25%左右，而最终能获得STEM学科学士学位的学生比例一直维持在15%～17%之间[3]；长期追踪大学生态度与大学规划的《美国大一新生调查》报告中同样发现，50%物理或生物专业的一年级学生和60%数学专业的一年级学生将会从这些专业领域转到其他专业[4]；总统科学与技术顾问委员会(President’s Council of Advisors on Science and Technology)在《致力于卓越：再培养100万具有STEM学位的大学毕业生》中也提供了相应的证据，在打算攻读STEM专业的学生中，仅有不到40%的人能取得STEM学位，而大部分学生在学习了STEM专业的一、二年级课程后选择转去非STEM专业[5]。该报告同时指明，美国STEM专业长期存在难以吸引和保留人才的问题主要体现在本科基础课程阶段。伊莱恩·西摩(Elaine Seymour）和南希·休伊特（Nancy M.Hewitt）两位学者对学生本科早期转出STEM专业的原因进行了调查，发现主要影响因素有很多，但缺少或丧失STEM专业的学习兴趣是最主要的原因，同时高达90.2%的转出者把无效的教学列为他们的考虑因素。[6]究其原因，本科阶段STEM基础课程往往都在人数多的大教室上课，教学模式也普遍以知识传授为主，教师多关注学生对知识的记忆，而忽略了对学生能力和情感的培养以及学生个体差异对学习的影响。

（二）教师缺乏有效支持进行STEM 教学改革

随着本科STEM 教育质量问题越来越凸显，STEM学科的教育者在近三四十年内形成了专门的研究领域，并在物理学、化学、工程学、生物学、地球科学、天文学等学科积累了大量的教学研究成果。这些研究结合了认知科学、教育心理学、教育学的理论和方法，系统深入地验证了学生对于STEM学科知识概念的建构模式以及能有效促进学生建构STEM学习的教学法。[7]尽管已被证实是有效的教学法早已由公共渠道发布，但研究型大学STEM学科的教师在课堂上仍然使用传统的讲授法，很少去实践这些研究成果。[8]事实上，研究型大学和其他专业组织开发了众多针对本科STEM教学创新的专业发展项目，但调查显示这些项目在行动层面上的效果甚微。[9]造成这个问题的主要原因是大部分本科STEM教学改革将教师个体视为唯一的行动者，但当教师缺乏资源和政策上的支持时，就无法精准地实施教学创新。

基于教师个体层面的改革忽视了高校的荣誉和考评机制、专业人员的支持、部门资源协同等因素对教师的影响，因此随着项目结束或项目负责人的调离，一些短时间内取得的改革成果最终都因缺乏学校制度的支持而失败。[10]这些改革经验使联邦政府、大学以及其他相关利益人开始寻求更为系统的改革策略，期望通过协同不同层次的要素来增强本科STEM教育改革的动力和持续性，从而扩大改革的影响力和规模。[11]在此背景下，美国大学协会在国家科学基金委的资助下发起了以研究型大学为改革对象的《本科STEM教育计划》，探索系统改革本科STEM教学的路径。《本科STEM教育计划》强调通过综合改变院系、大学和国家层面的环境要素来促进教师持续地使用已被证实是有效的教学法。

二、美国大学协会在推行改革中的举措

美国大学协会在改革中发挥着中介调控的作用，通过识别提升教学质量的不同层次的核心要素来凝聚相关改革人士，加强研究型大学的合作与沟通，促进改革经验在大学间的传播。

（一）设立明确的改革目标体系

为了确保不同大学都可以响应和支持改革，美国大学协会在正式推行改革项目前非常注重对目标的设立。首先从目标特征上看，改革是清晰明确的，因此高校可以在实际执行中根据本校特点将总目标转化为各个层级的行动目标。其次，改革目标需要是可测量和成果导向的，因此在项目结束时，美国大学协会可以运用证据说明改革的有效性。最后，参与改革的高校需要在总目标的设置上达成共识，使美国大学协会可以对不同高校的共性策略进行评估，使改革成果可以在同一指标下进行比较。

在制定改革目标的过程中，美国大学协会组建了一个由本科STEM 教育专家组成的技术咨询委员会，并协同美国大学协会和成员大学校长或管理人员共同制定具体目标。一是建立一个用以评估和提高STEM 教学质量的分析框架，其效力尤其要适用于本科一、二年级的教学；二是选取美国大学协会的成员大学作为试点和示范，并通过开发评估工具来说明STEM课程教学质量的提升、院系使用有效教学方法的程度以及改进教学对STEM专业保有率和学位授予量的影响；三是探索大学可以用来培训、认证和奖励STEM教学人员的机制；四是通过加强与联邦研究机构的合作来建立提升本科教学的认证和激励机制；五是建立一个高效的信息反馈和评价平台，促进有效的本科STEM教育改革经验的共享和学习。[12]总目标经过与成员大学的协商后，又被转化成名为《本科教学系统变革框架》（以下简称《框架》）更为系统的执行指标，用以进一步指导成员大学的实践。[13]

《 框架》 将改革目标分为教授法（pedagogy）、脚手架支撑（scaffolding）和文化变革（cultural change）三个相互关联的层次。教授法内部包含了教学目标、教育实践、评估、通路四个维度和更为具体的指标。教授法的特征是将教学视为动态的系统，教师基于学生的学习特质设立明确的教学目标，并通过精确的反馈及时调整教学过程。脚手架支撑包含了教师专业发展、资源支持、数据分享、设施规划四个维度，强调院校应该为教师提供充足的资源和指导。文化变革包含了领袖承诺、卓越教学评价和激励制度三个维度，强调院校应该将教学创新制度化，并推动STEM教育文化机制的产生，使改革成果可以被传承。其中教授法是系统改革中的核心层次，脚手架支撑和文化变革是成功执行教授法的必要途径。

（二）选取具有代表性的研究型大学作为试点

在改革方案推出后，共有31个成员大学申请成为试点，美国大学协会依据一定标准从中选取了8所学校，分别是布朗大学、密歇根州立大学、亚利桑那大学、加州大学戴维斯分校、科罗拉多大学博尔德分校、北卡罗来纳大学教堂山分校、宾夕法尼亚大学和圣路易斯华盛顿大学。各试点大学以年拨款的方式总共获得50万美金的资助。对试点大学的选拔主要基于两个考虑。首先，校本改革内容要符合《框架》的目标，申请者需要说明学校实施计划与《框架》三个层次目标之间的关系，并承诺在预期时间内完成改革。其次，申请大学要具有更广泛的代表性，即反映不同大学类型的特征（公立或私立、学生规模、地域等）。除此之外，申请大学教师的参与度、机构承诺、组织变革的可持续性以及对教师激励制度改革的承诺也是选拔考虑的重要因素。试点大学从2013年秋季学期开始改革，在2017年春季完成所有的计划项目。美国大学协会在改革期间对试点大学的工作进行评估和反馈，并于改革结束后向社会发布《STEM本科教育计划》的总成果报告。

（三）建立STEM 教育改革网络扩大影响力

美国大学协会在改革计划启动时成立了一个项目团队作为统筹的组织机构，并在每一个成员大学设立了专门的联络点，组成了美国大学协会与成员大学的STEM网络。该网络成为成员大学与其他改革相关利益人交流的主要平台，以年会的形式传播试点大学的改革经验，促进大学之间的组织学习。除了年会这个交流机制外，美国大学协会还根据改革中的关键性问题召开专题讨论，与社会各界共商应对策略。例如，协会在2015年召开了“提升本科STEM教与学：学院院长的角色”专题讨论会。参会者不仅来自成员大学，还有其他非成员高校的管理人员，使改革取得了更广泛的影响力。另外，协会利用STEM网络与其他STEM教育平台建立合作关系，为成员大学的改革提供更多、更专业的资源。例如，协会在2014年参与组织了“支持本科STEM教育的策略整合”会议，与来自STEM学科领域的专家、基金投资人、美国学院与大学协会（Association of American Colleges and Universities）、美国公立与赠地大学协会（Association of Public and Land-Grant Universities）一同商讨将全国性STEM教育项目与局部改革融合的路径，尤其是要让专业协会的教师发展资源可以支撑大学改革。[14]

（四）加强数据在推动系统改革中的作用

美国大学协会在改革进程中使用两种信息来源用以判断改革的有效性，并依据这些反馈来决定资源的进一步配置。[15]第一种数据来自对试点大学的现场考察，美国大学协会在改革实施中对试点大学项目负责人、学院院长和教务长、校长进行访谈，以识别校本改革中遇到的阻碍和可能的解决方案，同时了解微观层面上教学变革与学校制度变革之间的相关性。第二种数据来自对所有参与改革的教师的问卷调查，这部分量化数据关注全部试点大学改革前后的效益差别。调查在2014 年和2016 年分别收集了基准数据与后期追踪数据，内容包含教师课堂行为、教学态度、专业发展质量和机构环境四个方面。问卷的设计考量了与《框架》指标的契合度，但因为对深层次学习的测量并不存在统一的标准，所以美国大学协会并未检测这一要素，而是要求试点大学自行提供相关信息，并要特别说明保有率与弱势群体学生学习情况的关系。美国大学协会在三个方面运用数据推动改革的进程，一是为投资机构提供信息，阐明改革总体效益；二是通过数据聚合来促进关于本科STEM教育改革的国家对话，包括与联邦政策制定者和其他国家协会的对话；三是为每个试点大学提供反馈信息，使试点大学可以及时调整不足之处。美国研究型大学的治理具有很强的自主性，因此推进校际的数据分享并不容易。通过这次STEM教育的规模性改革，美国大学协会探索建构了研究型大学的数据互通机制，积累了大学间信息流通的经验。

三、试点大学执行改革目标的策略

改革的预期目标能否实现取决于试点大学对目标体系的执行力度，而试点大学执行的成功与否取决于基层STEM学科教师的支持和配合程度。一方面，对于不熟悉新的STEM教学法的教师来说，将一系列的目标精准转化为教学是一项挑战；另一方面，让具有自己教育信念的大学教师接受新理念下的教学本身就是一项挑战。因此，研究型大学执行改革的重难点是如何吸引和维持教师参与改革。因此，试点大学通过一些具体的策略来扩大改革在大学内部的影响力。

（一）在转变STEM 基础课程中探索建构学科融合课程

所有参与STEM教学改革的学院都转变了其基础课程的传统教学模式，运用基于证据的教学法来促进学生的主动式学习。这些有别于传统讲座式教学的方法，包括设立问题解决环节和小组合作项目、开设工作室式教学（studio course）、运用课堂上互动答题器（clicker）技术、改造实验流程、设立学生导师等。一些试点大学通过改造学习空间来支持新教学法的有效开展。另外，一些试点大学不但在单个学院内转变了STEM课程，还通过跨学科的合作来重新设计STEM的课程体系。例如，密歇根州立大学的物理、化学和生物学院构建了3D课程模式，将学院内的基础课程分成科学实践、跨学科概念、学科核心概念三个模块。3D课程的实施需要三个不同学院的教师达成合作，在识别与区分跨学科知识、技能以及学科专业知识的基础上构建教学目标和评价标准。[16]除此之外，加利福尼亚大学戴维斯分校的生物科学学院、农学院、环境科学学院和化学学院为生命科学学院的学生开发了五门共享课程。这个新的课程序列需要来自这些不同学科的教职工协同合作，但它的实施效果仍有待评估和研究。[17]

多学科的合作模式显现了STEM教育学科融合理念在本科教育阶段的实践。需注意的是，改革的目标体系中并未明确提出STEM学科融合，因而此理念是在STEM教学改革的实践中自然衍生出来的。院校层面的改革目的并不是直接下达STEM学科融合理念下的执行目标，因为在学界和其他社会群体内并未对STEM学科融合理念下的相关概念和实践达成共识。院校制度上的改革目的是为多样化的STEM学科融合实践提供支持和适宜的环境，鼓励更多教师主动参与和积累经验，为本科阶段STEM教育学科融合的系统化打下基础。

（二）提升教师的参与程度

在教师层面，是否参与改革是基于教师个人意愿的行动选择。为了吸引更多教师认同和持续参与，各试点大学共同实行了三项策略：一是聘任STEM教育专家，二是组建教师学习共同体，三是改革教师的奖励和晋升机制。STEM教育专家在院系层面的改革中发挥了重要作用。在招聘资格上，STEM教育专家既需要通晓STEM学科专业知识，又需要掌握基于证据的教学模式和教育研究范式。在工作职责上，STEM教育专家按照所在院校的实际情况，在帮助教师重置课程、参与教学相关决策和对外发表教学学术成果等方面发挥领袖作用。加强STEM教育专家在学院内部有关教学和课程决策方面的话语权，并为他们建立清晰的职业发展通道，可以加深他们与学校管理人员和有较强影响力的终身教师的合作，减小改革因在STEM学科教师群体中难以被认可而产生的阻力。[18]

在推广新教学法时，大部分试点大学都采取了教师学习共同体的组织方式。共同体一般是由6～15位成员组成的跨学科小组，由STEM教育专家负责组织。活动形式一般为短期系统性课程、系列研讨会和其他形式的培训。学习共同体的有效性体现在三个方面：首先，共同体通过形成强有力的社会学习环境来塑造教师的教学信念和行为，为教师提供情感支持；其次，共同体成员来自不同的STEM院系，成员之间的互动有利于促进更多跨学科的沟通和合作；最后，共同体成员是基层教师中最好的宣传员，他们所转换的STEM课程可以成为最有效的范例，吸引更多教师加入改革。

改革的主要目标之一是通过改变研究型大学的制度环境来推进教师行动模式的改变。试点大学在结合激励机制与推行基于证据的教学方面作出了努力，主要表现为STEM院系在原有的教师考核中增加教学权重，设置更多针对基于证据的教学模式的考核和评价指标。一些试点大学在教师晋升和终身聘任方面也考虑加入这一要素。对教师制度作出调整并不是要减弱科研工作的重要性，而是要在研究型大学STEM学科中将教学提升到与科研同等的地位，从而使教师将建立教育质量文化内化为教师的身份认同。但是，这一策略在实施过程中往往更易遭遇阻力，因为已获得终身职位的教师在晋升标准的决策方面享有更大权力，同时对传统教学模式也持有更强的信念。

（三）开发教学评估工具

有效的教学评价工具可以使试点大学更全面精确地掌握学生的学习情况和评价教师的教学成效，从而支撑大学和院系针对教学事务作出合理决策。[19]在测量学习成果方面，评价更关注学生对核心科学概念的理解以及学习的增益。在评估教师方面，试点大学按照STEM教育的理念开发了多种教学观摩方案，以帮助教师理解课堂行为与学习成果的关系。一些试点大学还通过开发可视化分析工具来整合校内分散的教学数据，揭示有关教学的不同数据信息中蕴含的共同模式，如加利福尼亚大学戴维斯分校开发了“认识你的学生”（Know Your Student）和“色带”（Ribbon）两个工具。“认识你的学生”将学生当前和以前所学课程的数据集成在一个仪表盘里进行分析，并以此为教师提供相应的教学指导、教育文献和其他教学资源，以支持教师真正做到因材施教。“色带”可以将学生在专业之间的迁移数据可视化为路径图。它可以根据用户定义的特征来分析影响学生流动的因素，并显示特定时间段内的学科流动情况，使教师和管理人员可以追踪学生的长期发展。[20]

（四）协同校内资源

除了有效反馈学生和教师的教学情况外，试点大学成功地整合了已有的平台和信息来提高STEM教学资源的供给效率。例如，加利福尼亚戴维斯分校将2012 年设立的iAMSTEM中心（该中心通过数据分析研究STEM 学生的学习状况）与学校的教学中心合并成新的机构——有效教育中心（ Center for Education Effectiveness）。通过与其他行政部门的合作，该中心运用多元的数据来支撑教学的政策制定。一些试点大学将STEM教育改革融入校内更广泛的教育计划中。例如，北卡罗来纳大学教堂山分校的中央行政部门推出了质量提升计划（The Quality Enhancement Program），该项计划将提升本科STEM教学质量纳入其中，使STEM教育改革成为大学的优先发展事项。STEM教育改革和大学总体规划之间的一致性是实现校内资源协同的先决条件。部门间的协同和快速的信息流通使校内行政部门、教辅机构与STEM 学院取得高度一致的教学改革理念，极大地促进了改革的执行效率。

四、系统性本科STEM教育改革产生的影响

（一）较大地提升了学生在STEM 领域的认知和学习成效

在试点大学改革的3年中，共有39个学院、230 名教师和1676 名助教参与了改革，162 门课程实现了转换，超过10万名学生修习了转换后的课程。学生取得学习成果的显著性因不同大学和学院而有所不同，但试点大学提供的数据显示转换的STEM课程普遍提升了学生的学习成效。女性、少数族裔以及第一代大学生与白人男性学生的成就差距明显缩小。另外，STEM课程的不及格率，完成基础STEM课程后又继续选修STEM高级课程的学生也有所增加。例如，北卡罗来纳大学教堂山分校在转换STEM课程后，学生的不及格率由2013年的11.5%减少到2016年的9.5%，而学生的学习增益与传统讲座式课程相比提高了13%。科罗拉多大学博尔德分校的物理学院在5 个学期里将4 门转换课程和非转换课程进行比较，发现学生在转换课程学习后的概念测量成绩要比非转换课程学习平均高出25%～30%。[21]除了提高学习成效外，一些试点大学还发现教学改革影响了学生的心理因素，如提高学生在学习STEM课程中的自我效能感、元认知和对科学的积极态度。由于STEM课程转换周期并不长，试点大学需要在未来提供更多的追踪性数据来证明改革对学生学习成效的长期影响。

（二）加强了研究型大学STEM 教育改革的持续性

试点大学在推动校内教学改革时普遍采取自上而下和自下而上相结合的模式，强调教师自发性与政策规定性的协调统一。一方面，改革强调了对新教学法的执行力度，通过调整教师激励制度来形成较强的改革动力，促使更广泛的人员参与其中。另一方面，改革在多层面的实施过程中将不同群体对教学的隐含信念，尤其是不同信念间的矛盾外显化。教师群体与行政管理人员之间、已获得终身职位的教授与短聘教师之间对教学持有不同的观念，这种理解差异使不同群体在行动和制度决策上较难达成一致。[22]但是，矛盾的外显化同时也强化了改革的动力，因为在政策层面协商矛盾可以增进不同群体对STEM教学问题的关注。目前，所有试点大学的STEM教育改革都获得了学校对其进行长期投资的承诺。除此之外，试点大学的改革成效和经验使美国大学协会获得了更多的社会资助，并在2017年开始进行第二轮的试点改革。

（三）成为美国本科STEM 教育改革的引擎

美国大学协会作为一个富有声望的研究型大学联盟，在推动美国本科STEM教育改革上有独特的优势。《本科STEM教育计划》试图通过多所研究型大学的同时改革来促进大学之间的组织学习。研究发现，大学之间的相互竞争是推动学校内部持续改革的重要因素。[23]首先，美国大学协会的成员大学都是全美乃至全球的顶尖大学，成员之间的激烈竞争促使各个大学时刻关注着其他对手的改革动向。其次，研究型大学的改革具有风向标的作用，会成为其他类型高校模仿的对象，从而吸引更多协会外的机构推行STEM教育改革。美国大学协会对全美高校的影响主要有两种途径：一是当高质量的本科STEM教育成为美国大学协会的标准时，其他希望加入该组织的大学会相应提升STEM教育质量以达到入会标准；二是美国大学协会定义了什么是美国卓越的高等教育，当它强调STEM教育的重要性时，会让其他高校产生压力，担心不采取行动会让学校与卓越教育的标准渐行渐远。[24]最后，美国大学协会在改革的过程中加强了与其他大学组织和专业组织在STEM教育上的合作，进一步整合了全国的教育资源。例如，美国大学协会在改革后期与美国学院与大学协会开展的万花筒计划（Project Kaleidoscope）进行合作，该计划在暑期为STEM职业生涯早期和中期的大学教师提供关于提升STEM教学质量的培训，这为更大规模的教师实践课程转变提供了专业支持。美国大学协会与其他国家组织的协同有助于美国本科STEM教育改革项目从分散化的状态转入系统化的模式，加速了本科STEM教育改革的整体进程。