美國“轉變本科生科學、技術、工程與數學教育計劃”的解讀與啟示

沈允中，張翠霞，曲金澤，潘 峰

（北京聯合大學實訓基地，北京 100101）

在國家教育體系中，高等教育是未來創新人才的主要孵化器，而本科生教育是高等教育階段規模最大、周期最長、專業知識系統性最強、專業人才培養數量最多的部分，從未來國家戰略需求而言，其重要程度十分突出。早在上世紀80年代，卡內基教育促進基金會的一份研究報告就指出:本科學院是美國高等教育的起點，起源于這種學院并圍繞其發展的大學已經產生出改變這個國家及整個世界的知識［1］。

進入21世紀以來，面對日益嚴重的全球氣候變化、資源短缺、經濟危機等一系列無法回避的重大問題，以及新興經濟體國家快速成長帶來的壓力，美國更加重視科技人才的培養，以保持其科學技術的領先優勢，促進經濟的發展。因此，持續推廣教育改革，特別是圍繞提升科學、技術、工程和數學（science，technology，engineering and mathematics，簡稱STEM）教育水準而進行的教材、課程、教學方法改革備受重視。本世紀初，美國國家科學院和研究理事會分別發表了關于改進本科生STEM 教育的報告［2－3］，反應了對本科生教育的重視。美國的教育部門、科研機構、專業學（協）會和企業都積極主導并參與了大學本科階段的教育研究和改革。

美國國家科學基金會（National Science Foundation，NSF）作為科學研究和教育的重點資助機構，承擔了國家科技人才資源建設的任務。NSF 設立了多個項目資助本科生教育研究。本文中通過解讀NSF開展的“轉變本科生科學、技術、工程與數學教育計劃（Transforming Undergraduate Education in Science，Technology，Engineering and Mathematics，簡稱TUES）”［4］，反映自21世紀開始以來美國本科生教育改革的特點，以期對我國高等教育，特別是本科生教育方面的研究有所啟發和借鑒。

1 TUES計劃介紹

NSF的教育與人力資源理事會下設大學本科教育部（Department Undergraduate Education，DUE），直接負責本科生教育研究各個計劃項目的資助。其中TUES計劃的規模較大、立項數量多、影響范圍廣、持續時間較長，至2012年，該部開展的本科生教育相關計劃有16個［5］。從上世紀90年代末到2011年初，其間該計劃立項3700余個，投入經費超過7億美元。

1.1 TUES計劃的出臺背景與目標

上個世紀末，NSF 為提升本科生教學改革的水平，將當時正在執行的“課程教學發展計劃（Course and Curriculum Development）”、“教學與實驗室改進計劃（Instruction and Laboratory Improvement）”和“本科生教師提升計劃（Undergraduate Faculty Enhancement）”合并為“課程和實驗室改善計劃（The Course，Curriculum，and Laboratory Improvement Program，簡稱CCLI）”。CCLI計劃以為國家儲備多樣化、具有競爭力的科學家、工程師、技術人員和良好素質的公民為背景，其目的是提高本科生STEM 的教育質量。該計劃的實施對學習環境、課程內容、課程設置和教育實踐產生了積極影響［6］。

針對新世紀以來面臨的經濟危機、健康成本提高、全球變暖等一系列重大挑戰，美國迫切需要培養新一代高素質的科學家和工程師，他們應當具備從事生物技術、納米技術、可替代能源等重大科學問題研究的能力，這些問題直接影響社會發展和國民生活質量的提高。2009年，NSF將CCLI計劃改為“轉變本科生科學、技術、工程與數學教育計劃”，即TUES計劃［7］。

TUES計劃以更廣的角度、更大的力度支持本科生STEM 教育創新，其總目標是應對不斷出現的挑戰，通過創新改進本科生STEM 教育。TUES計劃支持能夠反映STEM 各學科最新發展動態，并與教學研究相結合的教材和教學策略等有關的改編、創作和推廣工作，支持具有推廣范圍大且穩定的創新實驗室和創造性教學方法的項目。TUES計劃面向所有高等教育環節，這些環節包括社區學院和大型研究設備、培養高素質的STEM 人才，以及向公眾普及STEM 知識與生活的關系等。TUES計劃鼓勵非營利組織、專業學術團體、高等院校之間的合作。

1.2 TUES計劃的內容

TUES計劃探索如何提高所有本科生STEM 教育質量。計劃根據美國科學院出版的《人們如何學習:大腦、精神、實驗和學校》［8］和《學生如何學習》［9］中提出的4個關鍵要素（即:以學生為中心，以知識為中心，以社團為中心，支持學習的評價方式）創建學習環境。TUES計劃確定的申報項目內容有:

（1）編寫教材和創新發展戰略。包括提供新的學習材料和教學策略，提升課程和實驗室教學。

（2）貫徹新的教學方法。包括確保教學方法的普遍應用，通過適當的工具幫助學生學習，以及實踐內容更加廣泛。

（3）提高教師的專業知識技能。要求教師必須掌握新的知識和技能，適應新的教材和教學方法。

（4）確定和評價學習效果。包括開發有價值的可靠的STEM 知識測試方法，測試新教材和教學方法的效果，收集、綜合、解釋學生對知識的理解、思考、興趣、態度和實踐能力等。

（5）關于本科生STEM 教育的研究。包括探索教學發展策略對提高學生學習能力和轉變學習態度的有效性，以及如何進行推廣和執行。研究結果應當為編寫新教材、創新教學方法、提高教師能力和評估方法提供依據。

1.3 TUES計劃的項目類型

TUES計劃的項目有4種類型，各種類型項目的預算額度和完成的時間周期見表1。

類型1:引導性項目。例如:編寫新教材；將現代科學和教育學集成到教師教學計劃中；開發新工具，用以評價學生對關鍵教學過程和特別學科知識的掌握情況。

類型2:多方、多機構參與的項目。例如:多家機構參加的系列課程項目；社區學院與正規本科院校之間的合作項目；以互聯網為基礎的專業發展規劃等。

類型3:大規模項目。包括在地區或全國范圍內傳播已經過檢驗的教材或教學方法，專業發展的可持續模式，以及多機構大范圍反映學生STEM 學科知識的評價數據庫等。

類型4:TUES 中心資源項目。這種項目以提高STEM 教育社團的能力和增加相互之間的交流為目的。包括大型小型會議、出版、研究、評價等，以擴大STEM 項目的影響。

表1 TUES計劃的類型及其預算額度和周期

1.4 TUES計劃的實施

根據對TUES計劃的項目數據統計，該計劃自實施以來，已完成項目超過60%。2001—2010 年，TUES計劃的項目數量占NSF 本科生研究項目總量的43.0%以上。2007年以來，TUES項目數量保持在每年300項以上，年經費均超過6000萬美元。

TUES計劃的項目涉及數學、物理、化學、生物、地學、天文學、計算機科學、工程、經濟、社會科學等領域，以及跨學科研究、教學評估研究等。項目成果的形式包括:教材、新課程設置、遠程教育系統、教學軟件、實驗設計、實驗室、研討活動、會議、調研、教師培訓、網絡論壇、教學設備、資源共享等多種形式。

TUES計劃項目的絕大部分參加單位是高等院校，包括兩年制的學院，同時還包括多個在專業領域中有影響的學（協）會、科研機構（研究中心、國家實驗室等）、科學咨詢機構、教育研究機構、企業等。各類機構承擔的項目類型見表2。

NSF十分重視TUES計劃的執行和所產生的重要影響，適時組織項目參加人員和團體進行交流活動。NSF分別在2004年、2008年和2011年召開了全國性的TUES計劃研討會［6，10－11］，參會的項目達到數百個，涉及多個學科以及交叉學科，包括評估、合作、教師發展、教材、關鍵挑戰問題等多個方面。研討會不僅反映了項目的落實情況和具體效果，并且項目成果獲得了傳播，不同項目團體進行了充分的交流，通過研討會和出版物向社會擴大了TUES計劃的影響。

表2 各種類型機構承擔的項目類型

2 TUES計劃項目的特點

通過對TUES計劃及其資助項目的具體案例分析，歸納出的以下特點很值得我國本科生教育借鑒。

2.1 教學改革與國家、社會需求、經濟發展及產業實際相結合

TUES計劃中的項目重視國家、社會和經濟發展的需要。例如，為本科生有機化學實驗室課程設計的“新一代綠色化學教材”，其中包括綠色有機化學的教學策略、設備和實驗教材設計貫穿了健康、環境等國家與社會密切關注的重大環境問題。

又如，“通過合作項目的學習加強數字工程設計經驗項目”強調理論與實際設計經驗的結合，并為學生提供職業工程中的經驗，為后續課程進行自然銜接。

2.2 以學生、知識為中心，構建吸引學生學習STEM的環境，增加案例教學，提供專業技能訓練實踐機會

在TUES的多個項目中，強調案例研究，通過實際案例指導學生學習掌握知識和技能。在組織STEM 教學中，重視調動學生積極參與，吸引學生的興趣。例如，“數字電子學的預習、練習、教學和學習項目”，通過網絡教材預習新內容，教學內容通過提問方式進行，網絡教材提供課后練習，學習的全程學生都可以與教師進行互動，從而提高了學習的效果。

而“實際工程問題多媒體案例的推廣項目”以培養工程類學生軟實力（包括解決問題的能力和商務技能）與硬技術素養為目的，與企業合作開發多媒體形式的形象化案例，向學生展示解決工程和管理實際問題的方案，以及模擬團隊工作。這套教學案例也拓展了教學形式和教師的教學能力。

2.3 重視新技術人才的培養，將跨學科研究和學科前沿研究納入本科生教學

TUES項目重視將新知識、新技術、跨學科研究引入課堂教學和實驗室實踐。例如，冷泉港國家實驗室“發展和推廣RNAi（RNA－mediated genetic interference）和功能基因組新實驗室項目”，是在人類基因組計劃完成的背景下而開發的實驗課程，旨在幫助學生學習RNAi新技術和利用計算機進行基因組分析，使學生可以自行設計、實驗、探索。

“生物光子學本科生學習體驗項目”包括實驗室和課程講義建設，是一個典型的跨學科領域的學習課程，教師來自生物系、化學系和物理系。內容包括熒光與顯微鏡基本原理，有機熒光合成、熒光光譜學、顯微鏡在細胞生物學中的應用等。實驗課程是利用生物光子學儀器完成一個設計題目。

另外，“納米計算引入標準電學工程課程項目”，電學課程中的“集成微納米流體項目”，以及“納米光子學實驗室項目”等，將納米技術前沿研究內容系統引入本科生階段的學習，而不是局限于一般介紹性的新技術講座。

2.4 重視教師的新知識和新技術培訓

為適應科學技術的發展，TUES計劃中的部分項目專門為培養教師而設置。這類項目以組織教師學習、掌握和傳授新知識和新技術為目標。培訓內容包括數學、物理學、化學、生物學等基礎學科，以及跨學科領域和高新技術領域。例如，“發展教師經驗項目”是通過建立社團，共同面對教學問題，共享新的教學理念、方案，鼓勵教師利用新的教學策略，與專業學會共同合作，開展教學研討活動。

在拓展一些課程新內容之前，先對教師進行培訓。例如，數學和科學教育卓越中心與3所學院共同承擔的“實驗室中稀有和敏感物種遺傳保護項目”，將分子生物學方法用于地質學，探索局部環境問題。項目先為教師舉辦分子生物學研討會，以提高教師關于遺傳學和生物多樣性方面的知識技能，利用分子生物學方法開展稀有、敏感物種的遺傳分析和物種保護等相關課程的教學。

2.5 參加教學改革項目的機構呈現多樣化，鼓勵各類機構開展項目合作

TUES項目的參加機構不只是高等院校，還包括科研機構、專業學協會、企業、教育研究機構以及非營利組織等。這些機構參加教材改編、課程設置項目，組織教學評議、培訓教師和為學生提供實習機會，特別是組織重要的教學改革研討會議。

以“21世紀本科生物理學計劃——區域研討會”項目為例，該項目由美國物理教師聯合會與美國物理學會和物理協會合作，組織物理系教師團隊開展一系列的區域研討會，研究和分析本科生物理學創新戰略計劃的發展，就振興本科生物理教育問題進行了深入分析。項目的最終目的是使美國50%以上的物理系本科生的物理學教學在3年內要有所改觀。

在教育改革中，美國許多重要科學團體十分重視教育理論研究，例如國家研究理事會2000 年開展了“人們如何學習項目”和“基于科學研究的學科訓練項目”，從認知心理學等多個方面組織開展跨領域的認知和學習研究。研究結果表明在本科生的教學過程中，通過提出新的教學方法和教材，可以明顯地改進學生對基本概念和科學研究特性的理解。美國國家科學院關于“基于教育研究的學科訓練項目的態勢、貢獻和未來方向項目”對這類研究組織開展了更進一步的探討和評議，并提出了相關建議。

2.6 強調教學效果評估

重視教學效果評估是TUES 項目的共同特點。新的教材（包括軟件、實驗設計）要求帶有評估系統，用以評估教學是否提高了學生學習STEM 課程的興趣。同時，也有專門以評估為目的的項目。“跟蹤學生如何解決問題項目”就是一套可以有效地評估科學與工程專業學生解決問題能力的練習系統，包括基本概念、合作能力以及實驗室的活動等。

當然，TUES項目還具有其他特點，比如，重視網絡技術在提高教學效果中的應用等。但以上6個特點在宏觀上更突出，更典型。

3 啟示

TUES計劃值得我國高等教育借鑒，特別是以下幾點對我國本科生教育更有所啟發。

（1）聯合社會多方力量參加教學改革，為教育創新提供了新的環境和力量，使教育教學的過程和結果緊密聯系實際，從而更加適應國家建設和社會發展的需要。

（2）增加各類學校參與國家高等教學改革活動的機會，擴大不同類型學校的交流互動和資源共享，參與教學改革院校的廣泛性亦可使人才培養更加多層次、全方位。

（3）以學生、知識和社團為中心開展教學改革的理念為我國高等教育研究增加了新的思考維度。

（4）將科學研究的新成果和最新技術及時引入本科教學課程，使本科教育期間培養的專業人才能夠跟進科學技術前沿的發展，盡早投入到影響社會發展的重大問題和交叉學科研究中。

（5）增加大規模長期本科生教育、教學改革計劃，使本科教學改革具有穩定性、日常化和持續性。目前正在實施的教育部“高等學校本科教學質量與教學改革工程”［12］和實施期限為2010—2020年的“卓越工程師教育培養計劃”［13］將為我國高等教育、教學改革創造穩定持續的環境，希望有更多這樣的計劃。

科技競爭實質上是人才競爭，而尖端人才培養以高等教育為基礎。TUES計劃將本科教育放到影響社會發展和提高全民生活質量的高度，從國家戰略的層面設計和實施本科教育改革，必然對國家發展產生積極的效應。本科教育不僅是教育部門一方的工作，也是一項社會系統工程，應當受到政府、教育、科研、企業、非營利機構多方的重視和支持。希望TUES計劃能對我國高等教育切實有所啟發，促進本科教育改革的實施。

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［1］厄內斯特博耶.大學:美國大學生的就讀經驗［M］.徐芃鞏，譯.北京:北京師范大學出版社，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、財政部全面啟動“高等學校本科教學質量與教學改革工程”［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.教育部關于實施卓越工程師教育培養計劃的若干意見.［2011－01－08］.［EB／OL］.［2012－05－07］.http:／／www.moe.gov.cn／publicfiles／business／htmlfiles／moe／s6342／201102／xxgk ＿115066.html.