美國本科STEM教育改革系統性策略
——基于美國大學協會《本科STEM教育計劃》分析

林姬佺，卓澤林

（華南師范大學教育科學學院，廣東廣州 510631）

當今世界正處于一個大發展大變革的時期，知識經濟和第四次工業革命加劇了科技與人力資源的競爭。在此背景下，美國將科學、技術、工程、數學（Science，Technology，Engineer，Mathematics，簡稱STEM）教育提升到維護國家安全的高度，以期通過培養更多本土的科技人才來拉動經濟增長和維持美國的國際競爭力。本科階段的STEM教學質量直接關系著企業未來STEM勞動力的素質。近年來，在強調培養更多基礎教育階段STEM教師和提升學生STEM素養以外，美國社會也開始廣泛關注本科STEM教學改革，希望通過轉變STEM課堂的傳統教學模式來提升學生的學習質量。2011年9月，由美國頂尖研究型大學組成的大學聯盟——美國大學協會（Association of American Universities）發布了《本科STEM教育計劃》（Undergraduate STEM Education Initiative），啟動了一系列改革活動[1]，計劃在五年時間內改善其成員大學的STEM教育質量，以使基于證據的教學模式成為本科STEM教育的共識。該項目探索大學協會組織在推動大學進行規模性改革上的作用，同時嘗試在制度層面變革以增強STEM教學改革的持續性。[2]《本科STEM教育計劃》在實施中整合了研究型大學內外部的資源，促使美國本科STEM教育改革從分散化轉向系統化。由此可見，該計劃不僅對美國本科STEM教育改革具有重要的指導作用，也將對美國高等教育發展產生重要影響，本研究將較為全面地分析《本科STEM教育計劃》開展的動因、舉措及其對美國本科STEM教育產生的影響。

一、《本科STEM教育計劃》實施的動因

（一）教學方式弊端消解學生對STEM 課程的學習興趣

本科STEM 教育是美國STEM 教育戰略的重要組成部分，學生在進入企業工作時需要高水平的STEM知識與素養，如定量與信息素養、探究與分析能力、批判性思維、進行跨學科的溝通與協作能力等。這些高水平的知識和素養需要通過學習STEM課程來習得，因此美國高校通過提供高質量的STEM 課程來培養更多STEM專業人才，這是美國保持經濟世界主導地位的現實路徑。然而在現實中，美國本科學生對于STEM專業學習的動機并不強，且缺乏持續學習的動力，美國STEM學科的保有率低，即選擇主修與實際取得學位的學生數量差大，就是其最好的注腳。例如，美國國家科學基金委（National Research Foundation）的調查數據顯示，在過去10年里美國本科一年級選擇主修STEM專業的學生在同屆所有學生中的占比一直維持在25%左右，而最終能獲得STEM學科學士學位的學生比例一直維持在15%～17%之間[3]；長期追蹤大學生態度與大學規劃的《美國大一新生調查》報告中同樣發現，50%物理或生物專業的一年級學生和60%數學專業的一年級學生將會從這些專業領域轉到其他專業[4]；總統科學與技術顧問委員會(President’s Council of Advisors on Science and Technology)在《致力于卓越：再培養100萬具有STEM學位的大學畢業生》中也提供了相應的證據，在打算攻讀STEM專業的學生中，僅有不到40%的人能取得STEM學位，而大部分學生在學習了STEM專業的一、二年級課程后選擇轉去非STEM專業[5]。該報告同時指明，美國STEM專業長期存在難以吸引和保留人才的問題主要體現在本科基礎課程階段。伊萊恩·西摩(Elaine Seymour）和南?！ば菀撂兀∟ancy M.Hewitt）兩位學者對學生本科早期轉出STEM專業的原因進行了調查，發現主要影響因素有很多，但缺少或喪失STEM專業的學習興趣是最主要的原因，同時高達90.2%的轉出者把無效的教學列為他們的考慮因素。[6]究其原因，本科階段STEM基礎課程往往都在人數多的大教室上課，教學模式也普遍以知識傳授為主，教師多關注學生對知識的記憶，而忽略了對學生能力和情感的培養以及學生個體差異對學習的影響。

（二）教師缺乏有效支持進行STEM 教學改革

隨著本科STEM 教育質量問題越來越凸顯，STEM學科的教育者在近三四十年內形成了專門的研究領域，并在物理學、化學、工程學、生物學、地球科學、天文學等學科積累了大量的教學研究成果。這些研究結合了認知科學、教育心理學、教育學的理論和方法，系統深入地驗證了學生對于STEM學科知識概念的建構模式以及能有效促進學生建構STEM學習的教學法。[7]盡管已被證實是有效的教學法早已由公共渠道發布，但研究型大學STEM學科的教師在課堂上仍然使用傳統的講授法，很少去實踐這些研究成果。[8]事實上，研究型大學和其他專業組織開發了眾多針對本科STEM教學創新的專業發展項目，但調查顯示這些項目在行動層面上的效果甚微。[9]造成這個問題的主要原因是大部分本科STEM教學改革將教師個體視為唯一的行動者，但當教師缺乏資源和政策上的支持時，就無法精準地實施教學創新。

基于教師個體層面的改革忽視了高校的榮譽和考評機制、專業人員的支持、部門資源協同等因素對教師的影響，因此隨著項目結束或項目負責人的調離，一些短時間內取得的改革成果最終都因缺乏學校制度的支持而失敗。[10]這些改革經驗使聯邦政府、大學以及其他相關利益人開始尋求更為系統的改革策略，期望通過協同不同層次的要素來增強本科STEM教育改革的動力和持續性，從而擴大改革的影響力和規模。[11]在此背景下，美國大學協會在國家科學基金委的資助下發起了以研究型大學為改革對象的《本科STEM教育計劃》，探索系統改革本科STEM教學的路徑?！侗究芐TEM教育計劃》強調通過綜合改變院系、大學和國家層面的環境要素來促進教師持續地使用已被證實是有效的教學法。

二、美國大學協會在推行改革中的舉措

美國大學協會在改革中發揮著中介調控的作用，通過識別提升教學質量的不同層次的核心要素來凝聚相關改革人士，加強研究型大學的合作與溝通，促進改革經驗在大學間的傳播。

（一）設立明確的改革目標體系

為了確保不同大學都可以響應和支持改革，美國大學協會在正式推行改革項目前非常注重對目標的設立。首先從目標特征上看，改革是清晰明確的，因此高?？梢栽趯嶋H執行中根據本校特點將總目標轉化為各個層級的行動目標。其次，改革目標需要是可測量和成果導向的，因此在項目結束時，美國大學協會可以運用證據說明改革的有效性。最后，參與改革的高校需要在總目標的設置上達成共識，使美國大學協會可以對不同高校的共性策略進行評估，使改革成果可以在同一指標下進行比較。

在制定改革目標的過程中，美國大學協會組建了一個由本科STEM 教育專家組成的技術咨詢委員會，并協同美國大學協會和成員大學校長或管理人員共同制定具體目標。一是建立一個用以評估和提高STEM 教學質量的分析框架，其效力尤其要適用于本科一、二年級的教學；二是選取美國大學協會的成員大學作為試點和示范，并通過開發評估工具來說明STEM課程教學質量的提升、院系使用有效教學方法的程度以及改進教學對STEM專業保有率和學位授予量的影響；三是探索大學可以用來培訓、認證和獎勵STEM教學人員的機制；四是通過加強與聯邦研究機構的合作來建立提升本科教學的認證和激勵機制；五是建立一個高效的信息反饋和評價平臺，促進有效的本科STEM教育改革經驗的共享和學習。[12]總目標經過與成員大學的協商后，又被轉化成名為《本科教學系統變革框架》（以下簡稱《框架》）更為系統的執行指標，用以進一步指導成員大學的實踐。[13]

《 框架》 將改革目標分為教授法（pedagogy）、腳手架支撐（scaffolding）和文化變革（cultural change）三個相互關聯的層次。教授法內部包含了教學目標、教育實踐、評估、通路四個維度和更為具體的指標。教授法的特征是將教學視為動態的系統，教師基于學生的學習特質設立明確的教學目標，并通過精確的反饋及時調整教學過程。腳手架支撐包含了教師專業發展、資源支持、數據分享、設施規劃四個維度，強調院校應該為教師提供充足的資源和指導。文化變革包含了領袖承諾、卓越教學評價和激勵制度三個維度，強調院校應該將教學創新制度化，并推動STEM教育文化機制的產生，使改革成果可以被傳承。其中教授法是系統改革中的核心層次，腳手架支撐和文化變革是成功執行教授法的必要途徑。

（二）選取具有代表性的研究型大學作為試點

在改革方案推出后，共有31個成員大學申請成為試點，美國大學協會依據一定標準從中選取了8所學校，分別是布朗大學、密歇根州立大學、亞利桑那大學、加州大學戴維斯分校、科羅拉多大學博爾德分校、北卡羅來納大學教堂山分校、賓夕法尼亞大學和圣路易斯華盛頓大學。各試點大學以年撥款的方式總共獲得50萬美金的資助。對試點大學的選拔主要基于兩個考慮。首先，校本改革內容要符合《框架》的目標，申請者需要說明學校實施計劃與《框架》三個層次目標之間的關系，并承諾在預期時間內完成改革。其次，申請大學要具有更廣泛的代表性，即反映不同大學類型的特征（公立或私立、學生規模、地域等）。除此之外，申請大學教師的參與度、機構承諾、組織變革的可持續性以及對教師激勵制度改革的承諾也是選拔考慮的重要因素。試點大學從2013年秋季學期開始改革，在2017年春季完成所有的計劃項目。美國大學協會在改革期間對試點大學的工作進行評估和反饋，并于改革結束后向社會發布《STEM本科教育計劃》的總成果報告。

（三）建立STEM 教育改革網絡擴大影響力

美國大學協會在改革計劃啟動時成立了一個項目團隊作為統籌的組織機構，并在每一個成員大學設立了專門的聯絡點，組成了美國大學協會與成員大學的STEM網絡。該網絡成為成員大學與其他改革相關利益人交流的主要平臺，以年會的形式傳播試點大學的改革經驗，促進大學之間的組織學習。除了年會這個交流機制外，美國大學協會還根據改革中的關鍵性問題召開專題討論，與社會各界共商應對策略。例如，協會在2015年召開了“提升本科STEM教與學：學院院長的角色”專題討論會。參會者不僅來自成員大學，還有其他非成員高校的管理人員，使改革取得了更廣泛的影響力。另外，協會利用STEM網絡與其他STEM教育平臺建立合作關系，為成員大學的改革提供更多、更專業的資源。例如，協會在2014年參與組織了“支持本科STEM教育的策略整合”會議，與來自STEM學科領域的專家、基金投資人、美國學院與大學協會（Association of American Colleges and Universities）、美國公立與贈地大學協會（Association of Public and Land-Grant Universities）一同商討將全國性STEM教育項目與局部改革融合的路徑，尤其是要讓專業協會的教師發展資源可以支撐大學改革。[14]

（四）加強數據在推動系統改革中的作用

美國大學協會在改革進程中使用兩種信息來源用以判斷改革的有效性，并依據這些反饋來決定資源的進一步配置。[15]第一種數據來自對試點大學的現場考察，美國大學協會在改革實施中對試點大學項目負責人、學院院長和教務長、校長進行訪談，以識別校本改革中遇到的阻礙和可能的解決方案，同時了解微觀層面上教學變革與學校制度變革之間的相關性。第二種數據來自對所有參與改革的教師的問卷調查，這部分量化數據關注全部試點大學改革前后的效益差別。調查在2014 年和2016 年分別收集了基準數據與后期追蹤數據，內容包含教師課堂行為、教學態度、專業發展質量和機構環境四個方面。問卷的設計考量了與《框架》指標的契合度，但因為對深層次學習的測量并不存在統一的標準，所以美國大學協會并未檢測這一要素，而是要求試點大學自行提供相關信息，并要特別說明保有率與弱勢群體學生學習情況的關系。美國大學協會在三個方面運用數據推動改革的進程，一是為投資機構提供信息，闡明改革總體效益；二是通過數據聚合來促進關于本科STEM教育改革的國家對話，包括與聯邦政策制定者和其他國家協會的對話；三是為每個試點大學提供反饋信息，使試點大學可以及時調整不足之處。美國研究型大學的治理具有很強的自主性，因此推進校際的數據分享并不容易。通過這次STEM教育的規模性改革，美國大學協會探索建構了研究型大學的數據互通機制，積累了大學間信息流通的經驗。

三、試點大學執行改革目標的策略

改革的預期目標能否實現取決于試點大學對目標體系的執行力度，而試點大學執行的成功與否取決于基層STEM學科教師的支持和配合程度。一方面，對于不熟悉新的STEM教學法的教師來說，將一系列的目標精準轉化為教學是一項挑戰；另一方面，讓具有自己教育信念的大學教師接受新理念下的教學本身就是一項挑戰。因此，研究型大學執行改革的重難點是如何吸引和維持教師參與改革。因此，試點大學通過一些具體的策略來擴大改革在大學內部的影響力。

（一）在轉變STEM 基礎課程中探索建構學科融合課程

所有參與STEM教學改革的學院都轉變了其基礎課程的傳統教學模式，運用基于證據的教學法來促進學生的主動式學習。這些有別于傳統講座式教學的方法，包括設立問題解決環節和小組合作項目、開設工作室式教學（studio course）、運用課堂上互動答題器（clicker）技術、改造實驗流程、設立學生導師等。一些試點大學通過改造學習空間來支持新教學法的有效開展。另外，一些試點大學不但在單個學院內轉變了STEM課程，還通過跨學科的合作來重新設計STEM的課程體系。例如，密歇根州立大學的物理、化學和生物學院構建了3D課程模式，將學院內的基礎課程分成科學實踐、跨學科概念、學科核心概念三個模塊。3D課程的實施需要三個不同學院的教師達成合作，在識別與區分跨學科知識、技能以及學科專業知識的基礎上構建教學目標和評價標準。[16]除此之外，加利福尼亞大學戴維斯分校的生物科學學院、農學院、環境科學學院和化學學院為生命科學學院的學生開發了五門共享課程。這個新的課程序列需要來自這些不同學科的教職工協同合作，但它的實施效果仍有待評估和研究。[17]

多學科的合作模式顯現了STEM教育學科融合理念在本科教育階段的實踐。需注意的是，改革的目標體系中并未明確提出STEM學科融合，因而此理念是在STEM教學改革的實踐中自然衍生出來的。院校層面的改革目的并不是直接下達STEM學科融合理念下的執行目標，因為在學界和其他社會群體內并未對STEM學科融合理念下的相關概念和實踐達成共識。院校制度上的改革目的是為多樣化的STEM學科融合實踐提供支持和適宜的環境，鼓勵更多教師主動參與和積累經驗，為本科階段STEM教育學科融合的系統化打下基礎。

（二）提升教師的參與程度

在教師層面，是否參與改革是基于教師個人意愿的行動選擇。為了吸引更多教師認同和持續參與，各試點大學共同實行了三項策略：一是聘任STEM教育專家，二是組建教師學習共同體，三是改革教師的獎勵和晉升機制。STEM教育專家在院系層面的改革中發揮了重要作用。在招聘資格上，STEM教育專家既需要通曉STEM學科專業知識，又需要掌握基于證據的教學模式和教育研究范式。在工作職責上，STEM教育專家按照所在院校的實際情況，在幫助教師重置課程、參與教學相關決策和對外發表教學學術成果等方面發揮領袖作用。加強STEM教育專家在學院內部有關教學和課程決策方面的話語權，并為他們建立清晰的職業發展通道，可以加深他們與學校管理人員和有較強影響力的終身教師的合作，減小改革因在STEM學科教師群體中難以被認可而產生的阻力。[18]

在推廣新教學法時，大部分試點大學都采取了教師學習共同體的組織方式。共同體一般是由6～15位成員組成的跨學科小組，由STEM教育專家負責組織?；顒有问揭话銥槎唐谙到y性課程、系列研討會和其他形式的培訓。學習共同體的有效性體現在三個方面：首先，共同體通過形成強有力的社會學習環境來塑造教師的教學信念和行為，為教師提供情感支持；其次，共同體成員來自不同的STEM院系，成員之間的互動有利于促進更多跨學科的溝通和合作；最后，共同體成員是基層教師中最好的宣傳員，他們所轉換的STEM課程可以成為最有效的范例，吸引更多教師加入改革。

改革的主要目標之一是通過改變研究型大學的制度環境來推進教師行動模式的改變。試點大學在結合激勵機制與推行基于證據的教學方面作出了努力，主要表現為STEM院系在原有的教師考核中增加教學權重，設置更多針對基于證據的教學模式的考核和評價指標。一些試點大學在教師晉升和終身聘任方面也考慮加入這一要素。對教師制度作出調整并不是要減弱科研工作的重要性，而是要在研究型大學STEM學科中將教學提升到與科研同等的地位，從而使教師將建立教育質量文化內化為教師的身份認同。但是，這一策略在實施過程中往往更易遭遇阻力，因為已獲得終身職位的教師在晉升標準的決策方面享有更大權力，同時對傳統教學模式也持有更強的信念。

（三）開發教學評估工具

有效的教學評價工具可以使試點大學更全面精確地掌握學生的學習情況和評價教師的教學成效，從而支撐大學和院系針對教學事務作出合理決策。[19]在測量學習成果方面，評價更關注學生對核心科學概念的理解以及學習的增益。在評估教師方面，試點大學按照STEM教育的理念開發了多種教學觀摩方案，以幫助教師理解課堂行為與學習成果的關系。一些試點大學還通過開發可視化分析工具來整合校內分散的教學數據，揭示有關教學的不同數據信息中蘊含的共同模式，如加利福尼亞大學戴維斯分校開發了“認識你的學生”（Know Your Student）和“色帶”（Ribbon）兩個工具?！罢J識你的學生”將學生當前和以前所學課程的數據集成在一個儀表盤里進行分析，并以此為教師提供相應的教學指導、教育文獻和其他教學資源，以支持教師真正做到因材施教。“色帶”可以將學生在專業之間的遷移數據可視化為路徑圖。它可以根據用戶定義的特征來分析影響學生流動的因素，并顯示特定時間段內的學科流動情況，使教師和管理人員可以追蹤學生的長期發展。[20]

（四）協同校內資源

除了有效反饋學生和教師的教學情況外，試點大學成功地整合了已有的平臺和信息來提高STEM教學資源的供給效率。例如，加利福尼亞戴維斯分校將2012 年設立的iAMSTEM中心（該中心通過數據分析研究STEM 學生的學習狀況）與學校的教學中心合并成新的機構——有效教育中心（ Center for Education Effectiveness）。通過與其他行政部門的合作，該中心運用多元的數據來支撐教學的政策制定。一些試點大學將STEM教育改革融入校內更廣泛的教育計劃中。例如，北卡羅來納大學教堂山分校的中央行政部門推出了質量提升計劃（The Quality Enhancement Program），該項計劃將提升本科STEM教學質量納入其中，使STEM教育改革成為大學的優先發展事項。STEM教育改革和大學總體規劃之間的一致性是實現校內資源協同的先決條件。部門間的協同和快速的信息流通使校內行政部門、教輔機構與STEM 學院取得高度一致的教學改革理念，極大地促進了改革的執行效率。

四、系統性本科STEM教育改革產生的影響

（一）較大地提升了學生在STEM 領域的認知和學習成效

在試點大學改革的3年中，共有39個學院、230 名教師和1676 名助教參與了改革，162 門課程實現了轉換，超過10萬名學生修習了轉換后的課程。學生取得學習成果的顯著性因不同大學和學院而有所不同，但試點大學提供的數據顯示轉換的STEM課程普遍提升了學生的學習成效。女性、少數族裔以及第一代大學生與白人男性學生的成就差距明顯縮小。另外，STEM課程的不及格率，完成基礎STEM課程后又繼續選修STEM高級課程的學生也有所增加。例如，北卡羅來納大學教堂山分校在轉換STEM課程后，學生的不及格率由2013年的11.5%減少到2016年的9.5%，而學生的學習增益與傳統講座式課程相比提高了13%?？屏_拉多大學博爾德分校的物理學院在5 個學期里將4 門轉換課程和非轉換課程進行比較，發現學生在轉換課程學習后的概念測量成績要比非轉換課程學習平均高出25%～30%。[21]除了提高學習成效外，一些試點大學還發現教學改革影響了學生的心理因素，如提高學生在學習STEM課程中的自我效能感、元認知和對科學的積極態度。由于STEM課程轉換周期并不長，試點大學需要在未來提供更多的追蹤性數據來證明改革對學生學習成效的長期影響。

（二）加強了研究型大學STEM 教育改革的持續性

試點大學在推動校內教學改革時普遍采取自上而下和自下而上相結合的模式，強調教師自發性與政策規定性的協調統一。一方面，改革強調了對新教學法的執行力度，通過調整教師激勵制度來形成較強的改革動力，促使更廣泛的人員參與其中。另一方面，改革在多層面的實施過程中將不同群體對教學的隱含信念，尤其是不同信念間的矛盾外顯化。教師群體與行政管理人員之間、已獲得終身職位的教授與短聘教師之間對教學持有不同的觀念，這種理解差異使不同群體在行動和制度決策上較難達成一致。[22]但是，矛盾的外顯化同時也強化了改革的動力，因為在政策層面協商矛盾可以增進不同群體對STEM教學問題的關注。目前，所有試點大學的STEM教育改革都獲得了學校對其進行長期投資的承諾。除此之外，試點大學的改革成效和經驗使美國大學協會獲得了更多的社會資助，并在2017年開始進行第二輪的試點改革。

（三）成為美國本科STEM 教育改革的引擎

美國大學協會作為一個富有聲望的研究型大學聯盟，在推動美國本科STEM教育改革上有獨特的優勢?！侗究芐TEM教育計劃》試圖通過多所研究型大學的同時改革來促進大學之間的組織學習。研究發現，大學之間的相互競爭是推動學校內部持續改革的重要因素。[23]首先，美國大學協會的成員大學都是全美乃至全球的頂尖大學，成員之間的激烈競爭促使各個大學時刻關注著其他對手的改革動向。其次，研究型大學的改革具有風向標的作用，會成為其他類型高校模仿的對象，從而吸引更多協會外的機構推行STEM教育改革。美國大學協會對全美高校的影響主要有兩種途徑：一是當高質量的本科STEM教育成為美國大學協會的標準時，其他希望加入該組織的大學會相應提升STEM教育質量以達到入會標準；二是美國大學協會定義了什么是美國卓越的高等教育，當它強調STEM教育的重要性時，會讓其他高校產生壓力，擔心不采取行動會讓學校與卓越教育的標準漸行漸遠。[24]最后，美國大學協會在改革的過程中加強了與其他大學組織和專業組織在STEM教育上的合作，進一步整合了全國的教育資源。例如，美國大學協會在改革后期與美國學院與大學協會開展的萬花筒計劃（Project Kaleidoscope）進行合作，該計劃在暑期為STEM職業生涯早期和中期的大學教師提供關于提升STEM教學質量的培訓，這為更大規模的教師實踐課程轉變提供了專業支持。美國大學協會與其他國家組織的協同有助于美國本科STEM教育改革項目從分散化的狀態轉入系統化的模式，加速了本科STEM教育改革的整體進程。