美国大学STEM人才培养策略解读


李碧虹 施融


摘要:基础科学学科的人才培养将深刻影响社会未来的发展。我国大学基础科学学科的教学状况尚不乐观。美国大学开辟STEM专门领域以发展基础科学学科,在课程教学改革、教师专业发展、教育伙伴、制度支持几方面所采取的策略,反映了以学生学习为中心、重视培养学生探究力、在教师专业发展中渗透学科学习内容、将人才培养作为一项系统工程而实施的特征。为我国基础科学学科的人才培养提供了可资借鉴的经验。
关键词:STEM;人才培养;课程改革;教师发展;教育伙伴


Interpretation the Strategies of STEM Talent Cultivation in American Universities


LI Bi-hong SHI Rong


Abstract: The talent cultivation of Basic science disciplines will profoundly affect the future development of our society. Nowadays the education of these fields in our country is not optimistic. The STEM field has been built to develop basic science disciplines in America, and strategies such as reformation of curriculums, development of faculty, setting education partnership and institutional support were implemented. These strategies demonstrate that the American university has been taking focus on improving students’ learning and inquiring ability, integrating the learning content of STEM disciplines in faculty development, and implement it as a system engineering. Significant experience is provided for the talent cultivation of our country in the same fields.
Key words: STEM; talent cultivation; reform of teaching and learning; teacher development; educational partnership


一、为何关注STEM的人才培养
  发展深源于基础研究,新的发展、新的知识源自人们的创新意识和创新能力,这些来自基础科学。[1]这便是我们应当重视基础科学发展的原因。基础科学的发展则有赖于基础科学学科的人才培养。正是由于深刻认识到了这一点,美国一直对于基础科学学科人才培养格外关切,将其与国家生存和发展相联系。1986年,美国国家科学委员会发表《本科的科学、数学和工程教育》报告,开启了STEM教育集成战略的里程碑。[2]STEM是science(科学)、technology(技术)、engineer(工程)、mathematics(数学)的缩写,即为基础科学学科。当前,奥巴马政府将培养STEM领域专门人才作为影响美国未来的一项重要国家发展战略。然而,美国从政府到教育界,仍担忧STEM人才储备不足。因为学习中的辛苦和就业中的弱势,正在削减着美国青少年对于这些学科领域的兴趣。从1985年到2004年,大学工程学位授予缩减了20%,主修计算机科学的本科生人数从2002年到2004年减少了33%。[3]专业属于STEM的大学生改变专业、辍学等现象越来越普遍:本科生中工程专业40%、物理和生物学专业50%、数学专业60%的学生放弃原专业。[4] 与之对应的是,越来越多的亚裔学生正在进入美国填补这一市场,冲击着美国本土的人才培养。因此,美国从高等教育界到政府都十分重视STEM人才培养问题,从课程教学、师资建设、教育伙伴等方面,形成颇具特色的人才培养策略。
  与美国比较,我国的高等教育并不格外关注基础科学学科,更无STEM专门领域。这与我国基础教育扎实、产业结构影响下科技和工程专业学生具有就业优势有关,但从可持续发展的角度,不难看出以下问题:其一,基础科学学科难以为科技进步储备优质人力资源。由于大学没有按照培养科学技术发明创造人才的模式去办学,[5]我们所培养的人才科技原创能力不高,与国际水平比较,我国大学的原创性科研成果少,影响力偏低。[6]其二,在日益激烈的国际竞争中,发达国家正在移民政策等方面采取措施吸引STEM人才输入。作为人才输出国,我们如果自己对基础科学学科的发展长期忽视,将对人才回流十分不利。其三,拥有就业优势的只是技术和工程学科,一些基础科学学科如物理、数学,也面临就业难的问题,本科生申请转专业的比例很高。因此,我们有必要关注美国STEM人才培养策略,分析和借鉴其中的成功经验。


二、美国大学STEM人才培养策略
(一)STEM领域的课程改革
  支持大学教师进行课程教学改革,是美国大学STEM学科人才培养策略之一。其实施的原因在于,课程改革对学生的发展具有深刻的影响。在大学STEM领域的课程教学中,教师对课程的研究越深入、对课程改革参与程度越高,学生的收获则越多。[7]经过对STEM课程改革多年的研究,“探究性学习”现在被列为STEM领域最重要的新学习形式。学生在学习中“探究”包含:观察;提出问题;通过书籍资料检索已知;进行文献回顾;为调查做规划;运用工具组织、分析和阐释数据;回答问题、解释并进行预测;交流结果。[8]
  成立于2003年的科学与数学改革伙伴组织(the Partnership for Reform in Science and Mathematics,简称PRISM) 是STEM课程改革中具有代表意义的组织。在PRISM的努力下,课程改革可以得到竞争性的小型资助项目。资助项目向教师征求提案进行教学改革实验,目的在于通过课程改革促进学生的学习。2004年夏季东北乔治亚地区发起了一个小型资助项目,乔治亚大学(University of Georgia)和乔治亚周界学院(Georgia Perimeter College)资助STEM学科的大学教师进行教学创新,这些项目囊括生物、化学、地理、数学、天文学科等基础科学学科。[9]2006-2007年项目如表1。该组织还成立科学与数学教学学习研究协会,资助STEM教师学习、分享、交流有效的教学方法。
表1:STEM教学改革实验项目(2006-2007年

学科
时间
题目
数学
2006
运用交互式交流课件支持混合微积分的主动性学习
数学
2007
学生在基础统计学中理解能力特征的预测估计
生物
2006
运用同行评估和网络软件提高学生的写作和学习能力
生物
2006
在一年级解剖和生理实验室教学中强化主动性学习
生物
2006
在二年级生物课程中强化主动性学习
生物
2006/07
在文科类的实验教学中以提高探索能力培养学生的科学素养
天文
2006
开发运用合作学习技巧的天文实验课程
天文
2006
初级天文实验教学中天文观测活动的开发
化学
2006/07
在化学实验教学中引入在线视频作为教学辅助材料
地理
2006
将飓风预报引入天气气候实验教学以开发探究性练习
地理
2006
通过探究性概念和真实世界模拟加强气候科学教育

资料来源:Henry, Ronald J.(2010). An Assessment of STEM Faculty Involvement in Reform of Introductory College Courses[J]. Journal of College Science Teaching, 39(6),74-81
(二)以职业准备和学术团队促进STEM大学教师专业发展
  教师专业发展包含职前和职后两个阶段。PREP模型建立的主旨是对未来的STEM大学教师即现在的博士生进行的教学与学习专业训练,以帮助未来的STEM大学教师打造成功的职业生涯。PREP为planning,Resilience,Engagement,Professionalism的首字母,来自美国高校协会和研究生院委员会建立的“教师职业准备”项目,模型的涵义是:规划(planning):为确定和完成职业目标而进行的贯穿整个研究生阶段的规划;Resilience(顺应力):培养个人发展和职业阶梯成功所需的顺应力和韧性;接触(Engagement):就积极接触人生中重要决定进行练习,掌握达到职业目标所需的技能;专业化(Professionalism):在科研、教学和服务中达到高层次的专业标准。[10]表2是密歇根州立大学PREP模型在各阶段的具体内容。

表2:专业化主题区的PREP矩阵
阶段
规划
获得顺应力
接触
专业化
早期
博士学位获得
写作研习班
从学生到教授:专业发展各阶段
负责任的研究作风
中期
建立网络:
非学术性选择
学术性工作搜寻
解决冲突的能力博士论文写作研习班
将学术成功转变为就业机会
负责任的研究作风
教学认证
助教研习班
晚期
博士论文写作
简历制作技能
解决冲突的能力
在二年制或四年制大学中保持职位
FAST奖学金项目
CASTL奖学金项目Hans Kende纪念讲座系列
注:FAST奖学金项目(Future Academic Scholars in Teaching):密歇根州立大学的奖学金项目,为学生获得教学经历、熟悉教学及评估的技术提供机会;CASTL奖学金项目(Carnegie Academy for the Scholarship of Teaching and Learning):密歇根州立大学的奖学金项目,为提高教学水平而设立;Hans Kende:密歇根州立大学特聘教授。
资料来源:Austin,A.E.,Campa,H.III, Pfund,C..(2009).Preparing STEM Doctoral Students for Future Faculty Careers[J]. New Directions for Teaching & Learning, 117, 83-95
  有两类团体承载着STEM大学教师专业发展的使命。一类是研究、教学与学习集成中心(the Center for the Integration of Research, Teaching, and Learning,简称CIRTL)所建立的学术共同体,以教学即为研究,二者在学术共同体中转换的理念,[11]帮助未来的STEM教师(研究生和博士后研究人员)、现任的STEM教师应对未来大学STEM领域教学的挑战。对于现任的STEM学科大学教师,另一种团队是大学教师学习团体(FLC)。FLC是提高STEM教师专业水平的重要组织,团体的活动包括跨学科的习明纳、联合课程、教学实验、双周会议。对FLC评估发现,这种团体是加强STEM学科教学与学习的有效机制。[12]
(三)MSP的U-S教育伙伴
  NSF中的数学与科学合作项目(MSP)是一个国家研发项目,主要支持U-S(高校和中小学学校系统)合作关系的发展,通过建立和发展U-S教育伙伴,帮助中小学发展数学和科学学科的教学,为大学STEM学科储备优质生源。MSP(Mathematics and Science Partnerships)建立于2002年,资助以下四种类型项目的开展:(1)综合性伙伴项目:在数学和科学教育中实施贯穿K-12教育的变革;(2)定向的伙伴项目:在相对较窄的年级或学科范围中致力于K-12学生成绩提高;(3)协会伙伴项目:以培养校本的知识权威和大师级教师发展中学的数学和科学教育;(4)研究、评估和技术援助项目:为MSP夯实研究和评估能力以及建立基础设施。[13]24-25 教育伙伴的主旨是改善中小学学生的学习,为他们未来的发展打下基础;提高教师的专业水平,增强他们在教学中的理论研究和实践探索。[14]
  参与U-S伙伴项目的大学教师主要是享有终身教授职位的教师,一般而言是在暑期进行两到八周时间的合作。大学STEM教师较多参与的活动有:研究中小学在职教师保留和增加的策略、制定职前教育新政策、一般的中小学教师招募活动、针对STEM专业学生的招募活动、教师职前培训的课程开发。[15]参与促进中小学数学与科学教师专业发展活动的人员有14类,包括STEM大学教师、教育学学科大学教师、大学管理人员等。Moyer-Packenham等(2009)检验了34个数学与科学伙伴关系项目(MSP)项目,[16]发现在中小学数学与科学教师专业发展活动中,大学STEM学科的教师都有广泛的、高程度的参与,尤其对与大学人才培养最为接近的高中教育参与更多。而在所有人员中,大学STEM教师参与程度是最高的。
(四)以经费和法案为STEM人才培养提供支持
  为适应STEM领域人才培养的需要,联邦、州政府采取各种行动方案支持大学的STEM人才培养,主要表现在两个方面:一是提供经费资助相关的组织或项目;二是以法案促进STEM人才培养。根据2005年政府问责办公室的调查,在2004年有207个联邦教育项目专门针对STEM教育,约28亿美元适用于这些项目,其中71% (20亿)分布于国家卫生研究院(NIH)(9.98亿,51个项目)和国家科学基金委员会(NSF)(9.97亿,48个项目)。这些项目所涉及的目标群体有:中小学生、二年制和四年制大学的大学生、研究生、博士后、中小学教师、大学教师即教辅人员、院校。项目的主要目的是:[13]19-20(1)吸引所有教育阶段的学生来学习STEM领域的课程并为之准备 (114个项目);(2)吸引学生获得STEM高等教育学位、从事博士后研究(137个项目);(3)为STEM领域的大学生、研究生提供成长和研究机会(103个项目);(4)吸引研究生从事STEM领域的职业(131个项目);(5)发展STEM领域的教师教育(73个项目);(6)改善和扩展院校发展STEM领域的能力(90个项目)。
  法案为STEM人才培养提供了制度保障,以下6个法案就是专门为提高STEM教育质量所提出的:[17]科学与数学教育竞争力法案(H.R. 5358)在国家自然科学基金中设立奖学金,资助学生攻读STEM学科的学位后致力于教学,并为高校建立科学与数学教育伙伴项目拨款。保护美国竞争优势的教育法案(S.2198)以基于业绩的奖学金及其他项目来培养更多的数学和科学教师,并为教大学先修课程的教师参加培训提供拨款。国家创新行动(S. 2109)法案以联邦财政提供竞争性拨款,鼓励高校发展革新项目增加STEM招生数。新国防教育法案(NNDEA)将STEM 教育的州标准向国家基准调整,通过贷款减免、税收政策及奖学金等吸引STEM学科高水平的教学人才。创新与竞争法案(H.R. 4845)提出了数学和科学学科的创新奖学金项目等。儿童数学和科学教育保持卓越法案(S. 2423)为数学和科学领域提供奖学金、贷款减免和税收优惠,创造更多大学先修课程的学习机会,并给在STEM学科教学中作出贡献的教师提供奖励。


三、美国大学STEM人才培养策略的特征
(一)以学生学习为核心、关注探究
  美国大学STEM课程教学改革的策略体现了其素有的“以学生为中心”的教育理念,其核心在于学生的学习。表1所列出的资助课程改革项目体现了STEM课程教学改革的两个特征:其一,课程教学是围绕学生的学习而进行的,教师的教学很好地作为方法和手段,达成学生学习这一目的,发展“学习能力”、培养“科学素养”是课程改革所关注的问题;其二,重视实验教学,强调探究。将学科所涉及的实验情境,如天文观测、真实世界模拟等引入课程教学之中,让学生通过实践获得知识、提高能力。“主动性”、“探究性”则是反复出现的词汇,侧重激发学生的个性和潜能、发挥主观能动性。此外,在实验教学中,学生所经历的也正是Hackerman所提出的“探究”过程。
  教师开展课程改革的研究和设计、进行教学方法交流,研究和交流的重要内容为“学生是如何学习的”,[18]通过深入了解学生的学习,来修改、完善课程设计和教学方案,使之包含更主动的学习策略。对学生学习的认识和思考,不仅将学生放在一个主动学习的位置上,而且在对课程教学的设计和准备中,预设了学生进行探究的过程,从而使探究在日常教学中有序运转。
  STEM领域的课程教学改革以学生为中心,十分关注引导学生进行探究,并创造一种实践环节,促使学生的学习与社会实践相结合,回应了STEM人才培养为中创新能力发展的问题,因为创新能力根植于扎实的知识体系,生成于实验和观察中的积极思考。
(二)在教师专业发展中渗透大学STEM学科学习内容
  知识是不断更新发展的,在教学中,学习方法的教比知识的教更为重要,而学科的学习方法则主要来自对学科的学习实践。通过教师职业“社会化”教育、团体中的学习、教学与研究结合,将STEM学科的学习内容渗透到教师专业发展中来,是将学习有机地融入教师的教学之中。
  PREP模型反映了在STEM学科教师职前专业发展中,针对博士生的教师职业“社会化”教育,让博士生在完成学位的同时探索大学教师的职业。对STEM学科的学习认识最深的是在校的学生,博士生中的一部分即为未来的大学教师,他们既对STEM学科的知识有深入系统的研究,又开始学习这些学科教学的技能方法,能为将来成为优秀的教师打下坚实基础。在博士生教育阶段为将来的大学教师职业做准备,最为重要的就是教学技能的培养。[19]这就是Weidman等人所提出的“教师职业社会化教育”。[20]在研究生教育中采用科学教育者的预备课程,在学位论文写作和就业准备中包含教学的内容,都是让博士生将学科学习与未来的教学结合起来。
  与STEM大学教师专业发展相关的团体包括教师学习团体、教学-研究团体。“学习”是一种教育学的实践,教师的讲授不一定能让学生完成学习的过程,提高STEM学科教学效果关键是让学生掌握学习的方法。在教师学习团体中,教师的实践是在探索STEM学科的学习方法,以此达成STEM学科和教育学之间的桥梁。因而,学习团体产生的是一种具有教育学价值的文化氛围,并使学习的实践制度化,从而最终实现提高学生学习能力的目的。教学-研究团体则连接了职前和职后的教师专业发展,以科研团队为载体,以科研为学习的内容和依托,师生一起运用科研来检验和提高他们的教学、学习水平。[21]
(三)将STEM人才培养作为一项系统工程
  其一是注重人才成长的连续性。人才的成长并非一蹴而就,美国大学的STEM人才培养没有将眼光局限于高等教育阶段,U-S教育伙伴的建立和发展,促使STEM学科的教学形成一个连续性过程。通过建立和发展U-S教育伙伴,STEM学科的大学教师能亲自体会中小学的教学,了解中小学生的知识储备状况和学习内容及方式。中小学的数学、科学学科教师认识大学STEM学科发展的需要、学习的内容和方法,理解如何为STEM学科储备优质生源。教育伙伴最直接的影响就是帮助中小学教师增加STEM学科专业知识,并拓宽视野,从而促进中小学教学的发展。比较意外的是,研究发现,中小学教师在教育伙伴中获得了比学科知识更多的教育学知识,而大学教师在帮助中小学教师完善专业发展的过程中,自己亦成为学习者。[22]可见,大学教师与中小学教师在教育伙伴中的收益并不仅仅是学科知识的沟通,更是教学上的连接。学习是一种连续性的过程,在STEM学科的教学中,大学教师、中小学教师处于两端,教学被割裂开来,出现断层。教育伙伴正是起到了将教学的两端联接起来的作用,与具有连续性的学生学习相适应。
  其二是注重打造人才培养的整体环境。美国STEM人才培养除了大学多方面的工作,还有政府和社会在建立学习组织、发展项目、提供经费、法律等方面的支持。为发展STEM学科而建立的各种组织,其经费主要由联邦、州政府或基金会等社会组织提供,如研究、教学与学习集成中心这样的组织,就由国家自然科学基金所支持,属于国家创新项目,教师学习团体也由政府资助。支持STEM人才培养的项目之多、额度之大,足以体现美国政府的决心,政府更是将大学STEM人才培养纳入法案。STEM人才培养已成为一项庞大的系统工程,在STEM领域学习和研究的各级各类学生、在任的高校和中小学教师、攻读STEM学科的学位后致力于教学工作的学生、高校、中小学,全部都在这一工程之中,得到充足的经费资助和法律保障。


四、几点启示
  从美国大学STEM人才培养的策略及其特征来比照我国大学基础科学科学的教学,可以得到一些有益的启示。
  首先,我们需要重视基础科学学科,并在将之落实到课程教学中时,注重学生创新能力的发展。创新,是我国当前大学基础科学学科人才培养中最令人担忧的一面。尽管我国的中学教育十分重视数理化这些科目,但因受考试影响,侧重于加大知识点的难度,主要通过大量习题来提高应试水平,既是纸上谈兵,又是重复劳动,而知识体系的内在结构及其生成,以及实验和观察,都没有受到足够重视。正是这被忽视的两个方面,才能提供创新的基础和动力,这就对大学的教学提出了要求。我们需要在教学中改变教师停留于“自我”关注的局面,以学生的学习为中心,探索以发现和探究为核心的教学方式,并在课堂之外创设社会实践活动,为学生提供自由思考、讨论和实践的空间。
  其次,教师发展是人才培养的关键。我国大学教师发展还缺乏成熟的制度来支撑。在理论界,教师发展针对中小学教师的研究多,针对大学教师则少,在实践上,大学教师在就业之前未接受有关教学的培训,就业后也仅是利用业余时间接受短期的理论培训以获得资格证书。教师对于学生的学习情况、学习方式都不熟悉。美国大学给予当前的博士生、即未来的大学教师以教学方面的理论和技能训练,又设立教师发展项目为教师提供机会进行教学方面的学习和交流,不失为解决大学教师缺乏教学知识问题的可行措施。目前,我国已有一些大学专门设立教师教学发展中心,着眼于帮助教师提高教学技能。我们还需要建设更多的项目让教师参与,以便他们在充分了解学生需要的基础上,形成更多关于教学的心得和兴趣。
  最后,我们还需要以一种系统性的眼光,为人才成长打造整体环境。纵向地考虑,教学的连续性要求制度建设重视各级教育在人才培养上所具有的关联。相对而言,我国大学在建立与其他机构的伙伴关系时,更多考虑的是科技研发,大学与中小学的联系基本局限于以攻读学位为目的的教师培训,注重的仍是学术研究。横向地,人才培养需要大学以外的力量特别是政府的支持。我国政府和教育界并未忽视基础科学学科的发展,1989年以来建立国家理科基础研究和教学人才培养基地,后来又设立国家基础科学人才培养基金项目予以资助。但该项目只涉及拔尖人才,偏重于科研能力的训练。[①]我国是政府主导型社会,政府的统筹规划能力很强,政府过多介入大学一直为学界所诟病。其实,大学的人才培养仍需政府更多的作为,在经费提供、项目建设、政策法规等方面发挥优势,以及引导社会力量投入到大学的发展之中。

 

参考文献:

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[①]参见:国家基础科学人才培养基金项目指南http://www.nsfc.gov.cn/nsfc/cen/xmzn/2010xmzn/10/index.html

 

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