美国高等STEM教育教学模式与方法改革：动因·策略·启示

刘宝存 庄腾腾

(1.北京师范大学 国际与比较教育研究院，北京 100875；2.北京师范大学 教育学部高等教育研究院，北京 100875)

STEM(科学、技术、工程、数学)教育是近年来美国高等教育人才培养的重要领域，无论是在政府报告还是学术论文中，高水平STEM人才均被视为维护国家安全、促进技术创新以及维持经济繁荣的重要基石。高校是人才培养的主要阵地，美国高等STEM教育不仅为本国培养了大批支持技术创新和社会进步的高水平科技人才，同时也是全球各国大学生留学美国的主要领域。然而近年来，美国许多专家学者批评当前美国高校STEM领域的教学模式和方法不利于培养适应工业4.0时代的创新型STEM人才，越来越多的毕业生无法适应行业和社会发展对技术和素养的新要求，引发了美国各界的担忧。在汹涌的改革呼声中，美国联邦政府推出了多项举措来推动高等STEM教育领域教学模式与方法改革，希望通过激励性措施引导高等院校共同努力，以提升高等STEM教育教学质量。本文拟分析美国高等STEM教育教学模式与方法的改革动因和策略，并在此基础上探讨其对我国高等工程教育特别是“新工科”教育教学模式与方法改革的借鉴意义。

一、美国高等STEM教育教学模式与方法存在的问题

21世纪是科学技术日新月异、新知识新技术不断涌现的时代，大数据、自动化、人工智能、物联网、云计算、生物医学、3D打印等新技术的涌现和持续发展，不仅从数量上对STEM人才提出大量的需求，更对STEM人才的知识、技能结构提出了更高的要求。从需求数量看，据不完全统计，2017-2022这五年间，美国劳动力市场共需STEM人才160余万人(1)Eva Baker et al., STEM 2026: A Vision for Innovation in STEM Education(US Department of Education, 2016), https://oese.ed.gov/files/2016/09/AIR-STEM2026_Report_2016.pdf.，至少有1/5的行业需要掌握高级STEM专业能力的人才(2)Eva Baker et al., STEM 2026: A Vision for Innovation in STEM Education(US Department of Education, 2016), https://oese.ed.gov/files/2016/09/AIR-STEM2026_Report_2016.pdf.。从知识技能要求看，正如2015年美国国家自然科学基金会在其报告《重新审视STEM人才队伍》(Revisiting the STEM Workforce)中所指出的那样，21世纪的STEM人才在认知能力方面应掌握数学、化学和其他科学与工程领域扎实的学科知识，具备解决复杂问题、开展技术设计和编程的技术能力，具有演绎和归纳能力、逻辑能力与数学能力；在非认知能力方面，应习惯于独立开展和完成探索性的非传统工作。(3)Dan Arvizu et al., Revisiting the STEM Workforce: A Companion to Science and Engineering Indicators 2014(National Science Foundation, 2015), https://www.nsf.gov/nsb/publications/2015/nsb201510.pdf.面对科学技术与知识经济发展对STEM人才在知识、技能方面的更高要求，不少研究报告纷纷指出，美国的高等院校虽然仍有其人才培养的优势，但也面临着教学模式与方法、课程设置以及其他人才培养路径等方面的问题，如果不进行改革则难以更好地培养出适应时代要求的创新型STEM人才。概括起来讲，美国高等STEM教育教学模式与方法存在以下几个方面的问题。

(一)讲座式课堂教学仍占压倒性地位

研究表明，学生在运用积极学习、体验学习等非传统教学方法的课堂环境中学习，无论是在概念掌握还是最终的考试成绩方面都会高于仅仅接受传统的讲座式教学。如斯科特·弗里曼(Scott Freeman)等人通过对200多项教学实验的论文进行元分析指出，教师采用积极教学的方法会促进学生深度掌握更多专业知识并降低考试的不及格率。(4)Scott Freeman et al.,“Active Learning Increases Student Performance in Science, Engineering and Mathematics,”Proceedings of the National Academies of Sciences of the United States of America, May 12, 2014, https://www.pnas.org/content/111/23/8410.美国科学研究委员会(National Research Council)的一项研究也表明，传统的讲座式教学在促进学生构建概念体系和培育对STEM学习的积极态度方面远不如创新型教学方法有效。(5)National Research Council, Discipline-Based Education Research: Understanding and Improving Learning in Undergraduate Science and Engineering(Washington, DC: The National Academies Press, 2012), 3.

过去20余年间，美国虽然已有大量专家学者呼吁高校要开展教学模式与方法改革，然而传统讲座式教学仍然在美国高等STEM教育中占据主导地位。(6)President’s Council of Advisors on Science and Technology, Report to the President——Engage to Excel: Producing One Million Additional College Graduates with Degrees in Science, Technology, Engineering and Mathematics(Washington D.C.: Executive Office of the President of the United States of America, 2012), 85.相比之下，旨在提升学生学习效果的“体验式学习”(experiential learning)和“积极学习”(active learning)等创新型教学方法在课堂中的应用明显不足。一项调查表明，超过51%的全职教师在课堂中将讲授法作为唯一的教学方法。(7)Kevin Eagan et al., Undergraduate Teaching Faculty: The 2013-2014 HERI Faculty Survey(Los Angeles: Higher Education Research Institute, University of California, 2014), 26.另一项专门针对工科教学的调查也显示，尽管有82%的教师意识到自己需要改革教学方法，但仅有47%的教师在实际教学中有所行动。(8)Maura Borrego et al., “Diffusion of Engineering Education Innovations: A Survey of Awareness and Adoption Rates in U.S. Engineering Departments,”Journal of Engineering Education 99, no.3(2010): 185-207.虽然82%和47%这样的比例看似不低，但美国科学、工程、医学研究院(National Academies of Sciences, Engineering and Medicine)提醒要慎重看待这样的数据，因为此类调查结果均基于参与者的自我汇报，不排除当事人会夸大自己对创新型教学方式的采用程度，(9)Shirley Malcom and Michael Feder, Barriers and Opportunities for 2-Year and 4-Year STEM Degrees: Systemic Change to Support Students’ Diverse Pathways(The National Academies of Science, Engineering, and Medicine, 2016), http://thescienceexperience.org/Books/Barriers_And_Opportunities_for_2-_And_4-year_STEM_Degrees.pdf.这也就意味着真正采用创新型教学方法的教师比例可能更低。造成这种现象的原因之一是现有教师缺乏对各种新型教学模式与方式的认知和体验，且对这类教学模式与方法对学生学习效果的影响知之甚少，同时开展学科研究的学术人员也对教学模式与方法鲜有研究，(10)Suzanne DoNovan et al., How People Learn: Bridging Research and Practice(Washington, D.C.: National Academy Press, 1999), 35.从而导致适用于高等STEM教育的最佳教学模式和方法并没有得到人们足够的认知与了解。

传统讲座式教学的盛行使得大批学生对自己的大学学习经历表示遗憾，不少美国大学毕业生表示，自己所在大学的STEM领域的课堂教学无趣且无效，如果教学方法能更加有效，相信自己的学习成绩会更优异，也更有可能在毕业后继续从事STEM领域的工作。(11)Committee on Developing Indicators for Undergraduate STEM Education, Developing Indicators for Undergraduate STEM Education(The National Academies of Science, Engineering, and Medicine, 2016), https://sites.nationalacademies.org/cs/groups/dbassesite/documents/webpage/dbasse_173980.pdf.不少学生因对大学教学模式与方法印象不佳而决定不再在本领域继续学习和深造，从而造成了STEM领域的“人才流失”现象。(12)Araceli Martinez Ortiz and Vederaman Sriraman, “Exploring Faculty Insights into Why Undergraduate College Students Leave STEM Fields of Study- A Three-Part Organizational Self-Study,”American Journal of Engineering Education 6, no.1(2015): 43-60.

(二)实验类课程教学的探索性不足

实验类课程是引导STEM领域学生探索科学规律、实现学科新发现的重要载体。作为联邦政府最主要的科学教育政策咨询部门，美国总统办公室科学技术委员会于2012年在其研究报告中明确指出：美国高校STEM领域现行标准化实验类课程中的大部分实验都是重复性的经典实验，在做实验之前，学生已经完全了解将会得到何种实验结果，整个实验过程只不过是模仿前人的机械性操作，所得到的也不过只是一遍又一遍的验证性结果，并没能教给学生如何去主动探索，不利于激发学生学习的探索和发现意识，“学生很有可能在这种重复性的实验中形成对STEM领域的错误认知，即STEM就是在重复过去已知的内容，而不是为了获得新的发现”(13)President’s Council of Advisors on Science and Technology, Report to the President——Engage to Excel: Producing One Million Additional College Graduates with Degrees in Science, Technology, Engineering and Mathematics(Washington D.C.: Executive Office of the President of the United States of America, 2012), 46.。报告以学习棒球为类比指出，探索型实验课程的不足极大地抑制了学生STEM学习兴趣和学习潜力的释放。学习棒球时教练应该首先让学生亲身观看并感受棒球比赛的刺激，或亲自上阵打几场棒球之后再详细地传授与棒球有关的理论知识，而绝不能一开始就只讲授各种理论规则。同理，STEM领域也应该加强探究型实验课程以充分激发学生的兴趣。但这样的课程在美国大部分高校中普遍尚未开设，绝大多数学生都必须等到本科学业的后半段才能稍微体会到一些科学研究带来的兴奋感。现行的实验类课程教学模式在很大程度上弱化了教学的功效，它不能以最高效的方式激发学生学习的内在动力，并帮助学生获取新知识和探索STEM领域的奥妙。

(三)跨学科合作教学薄弱

跨学科性是STEM领域与其他学科领域的主要区别之一，STEM作为一个整体概念并非是科学、技术、工程和数学四者的简单叠加，而是为了强调通过对各类素养的整合以培养学习者融会贯通的跨学科能力。(14)Susan Rundell Singer, STEM Education: Time for Integration(Association of American Colleges and Universities, 2011), https://www.aacu.org/publications-research/periodicals/stem-education-time-integration.美国学者达文·保罗(Davim Paulo)在其著作《机械工程教育》中指出，“有效的工程教育必须使学生了解为达成特定的工程目标所必需的一系列生产制造的理论基础和生产流程，以及在这一流程中需要各方付出何种协同性支持才能确保工程制造的全周期可靠性，因而对学生的跨学科能力和背景的要求很高。”(15)Paulo Davim, Mechanical Engineering Education(London: Hoboken, NJ: ISTE, Ltd, 2012), 58.克劳利·爱德华(Cwawley Edward)等学者在其著作《重新审视工程教育：CDIO模式》中更是强调，工程领域的课程应当是各个知识领域互相联系的跨学科融合性课程，而绝不能碎片化和彼此孤立，因此，开发跨学科、综合性的工科课程的关键之一在于协调传统意义上彼此独立的学科课程，并大力加强课程体系中的跨学科元素。(16)Edward Crawley et al., Rethinking Engineering Education(Cham: Springer International Publishing, 2014), 21.

然而，即便是在跨学科教学理念的发源地美国，跨学科合作教学在很多高校的实际教学实践中依然只停留在理念层面，不同部门、院系及学科的教师几乎没有太多实质性的跨学科合作，政府部门对于跨学科合作教学的支持力度也十分微弱。不少学者指出，虽然近年来美国越来越多的高校在发展战略或目标层面都提及了要加强本校高等教育的跨学科性，但在开展跨学科教学方面采取的实质行动仍不足，且跨学科合作教学对于大多数美国高校的领导层而言都是一件可有可无的边缘性事件。(17)Creso Sa.,“‘Interdisciplinary Strategies’ in U.S.Research Universities,”Higher Education 55,(2008): 537-552.因此，加强跨学科教学和跨学科研究在大量的政府、基金会以及民间组织的研究报告中都是高频出现的关键词。究其缘由，主要是因为跨学科合作教学需要教师付出额外巨大的“跨学科成本”(interdisciplinary cost)，包括时间成本、知识成本、心理成本、资金成本等(18)The Science Education Resource Center at Carleton College, “Challenges Facing Interdisciplinary Teachers,”March 8, 2019, https://serc.carleton.edu/sp/library/interdisciplinary/challenges_faci.html.。而美国科学基金会(National Science Foundation)于2016年指出，虽然联邦政府在科学与工程领域以各种形式提供了大量资金以支持各类科研，但只有2%的资金真正投入于跨学科合作教学方面，目前这些措施尚未对任何特定学科领域的跨学科教学产生实质性的改变。(19)Dorinda Allard et al., Science and Engineering Indicators 2016(National Science Foundation, 2017), https://www.nsf.gov/nsb/publications/2016/nsb20161.pdf.此外，在很多高校内部的院系与学科层面，学科间的交融也往往会因为院系组织层面的制度惯性以及各自学科基于本身特性而形成的学科壁垒而遭遇阻碍。(20)Creso Sa.,“‘Interdisciplinary Strategies’ in U.S. Research Universities,”Higher Education 55,(2008): 537-552.美国科学研究委员会(National Research Council)明确指出，包括生命科学、生物学在内的美国高等STEM教育界应尽快形成广泛共识，认清开展跨学科教学对于解决诸多教学与学习问题的重要意义。(21)National Research Council, A New Biology for the 21st Century(Washington, DC: The National Academies Press, 2009), 22.

二、美国高等STEM教育教学模式和方法改革的策略

针对高校层面STEM教育教学模式与方法存在的积弊和问题，自奥巴马政府时期开始，美国联邦政府便推行多项改革举措，激励和引导高等院校共同行动，推动高等STEM教育教学质量的提升，主要改革策略包括以下几个方面。

(一)积极推广基于实证的STEM教学方法

2012年，美国联邦政府在其工作报告《为卓越而行动：再培养一百万STEM大学毕业生》中指出，“高等STEM教师需要在课堂中切实采纳基于研究证据所支持的教学方法”，并呼吁各州大力开展实证教学研究以孵化出基于实证且可广泛推广的STEM教学实践。(22)President’s Council of Advisors on Science and Technology, Report to the President——Engage to Excel: Producing One Million Additional College Graduates with Degrees in Science, Technology, Engineering and Mathematics(Washington D.C.: Executive Office of the President of the United States of America, 2012), 17.基于此，许多教育相关部门和高等教育机构纷纷采取措施，加强STEM领域基于实证的教学方法的研究和推广，以期提升学生的学习效果和学科忠诚度。例如，2014年，美国自然基金会资助密西根大学开展了一项名为“本科教学与学习发展实证研究”的教学研究项目，加强天文学、生物科学、化学、数学和物理在内的核心STEM课程中教学与学习方法的实践研究。2016年美国自然基金会资助堪萨斯大学等7所高校参加的“转型教育：支持卓越教与学”项目，通过开展新型课程设计、提升院系层面教学的专业性以及引入社区与跨校区的工程专业力量，来促进本科STEM教育质量的提升。此外，自2014年起，美国大学联合会(American Association of Universities)还组织全美多所高校连续召开关于本科STEM教学研讨会，以期为全美本科STEM领域教师更新教学技能提供借鉴。

各类项目的大力开展，对美国高等教育界，尤其是高等STEM教育界推广基于实证研究的教学方法起到了巨大的助推作用。例如，美国大学联合会通过召集全美多所大学开展本科STEM教学研讨会，不仅厘清了美国高等STEM教育界教师教学和学生学习的问题，更基于大量的一手数据和证据创造性地开发了《本科STEM教与学系统性变革框架》(23)Association of American Colleges and Universities, “STEM Framework,”Nov 23, 2019, https://www.aau.edu/education-service/undergraduate-education/undergraduate-stem-education-initiative/stem-framework.，框架中包含了大量在本科STEM领域中开展有效教学所需的实践要素，并已成为当前大批美国高校的共识。例如，框架提倡高校教师在参考个人经验的基础上运用基于真实证据的教学法，并大力呼吁院校从“教学法”“条件支持”以及“文化变革”三个层面来确保教师有能力有资源有条件创新教学模式与方法。其中，每一个层面又包含更具体的行为要素，如在“教学法”层面，框架在“教学目标”“教学实践”“教学评价”“教学资源”等四个方面对教师提出了有关要求，而在“条件支持”层面，框架从“专业发展”“提供资源”“分享数据”“提供空间”等四方面对院系提出了要求，在“文化变革”层面，框架则认为“领导的决心”“关于教学的有效测量标准”以及提供适当的“激励性措施”是引领组织文化变革，使其促进实证教学的重要手段。美国大学联盟的成员均是重要的研究型大学，他们对于开展基于实证教学法的共识对美国高等教育界整体观念产生了重要影响。

总体而言，“基于实证”(evidence-based)是近年来美国各级各类教育改革的关键词，基于实证的教育实践在美国受到高度重视，也被认为是大范围推广某项教育实践的前提。所谓“基于实证”可从两个层面来理解，一是研究者利用既有被公认的研究成果来回答研究问题和指导教育实践，二是研究者通过自行设计、开展满足一定条件的实验研究，并在数据分析的基础上获得回答某个教育问题的新证据。(24)Marina Milner-Bolotin,“Evidence-Based Research in STEM Teacher Education: From Theory to Practice,”Frontiers in Education 92, no.3(2018): 1-9.无论是哪一种理解，基于实证都因其体现的客观性、可量化性与可检验性而在当前的教育改革中受到推崇。

(二)对STEM教师开展教学方法培训

根据美国总统办公室科学技术委员会的提议，自2013年起，美国联邦政府通过美国科学、工程与医学研究院、美国物理教师协会等多家联邦层面的研究单位、学术机构、学科社团及基金会等机构共同出资，设立针对高校STEM教师的教学研究和教学方法的各类培训项目，连续五年每年投入1000-1500万美元，(25)President’s Council of Advisors on Science and Technology, Report to the President——Engage to Excel: Producing One Million Additional College Graduates with Degrees in Science, Technology, Engineering and Mathematics(Washington D.C.: Executive Office of the President of the United States of America, 2012), 34.以期使全美高校大约23万名STEM教师的10%-20%都能接受此类项目的培训。(26)Ibid.,20.联邦政府认为，如果一名高校STEM教师在实际工作中最多可以对10名左右的同事产生影响，那么参与教学培训项目的那10%-20%的老师就可以通过辐射效应影响到所有教师。在2012年的《为卓越而行动：再培养一百万STEM大学毕业生》报告中，联邦政府认为STEM领域学生退出比例居高不下，是课程内容本身的枯燥性和教学方法的机械性双重作用造成的结果，前两年的学习经历和效果将会影响学生决定是否继续在STEM领域进一步深造或者工作，因此提升大一、大二年级STEM领域基础性课程与教学的质量至关重要。据不完全统计，美国高校STEM领域为大一、大二学生开设研讨课和导论课程的教师大约占全部教师的10%，联邦政府希望通过开展培训使得这一比例在五年间增长到20%，即46000名教师左右。(27)President’s Council of Advisors on Science and Technology, Report to the President——Engage to Excel: Producing One Million Additional College Graduates with Degrees in Science, Technology, Engineering and Mathematics(Washington D.C.: Executive Office of the President of the United States of America, 2012), 20.

这一策略所蕴含的理念是，让STEM教师了解有效的STEM教学方法是更新教学实践的前提，而促使STEM教师在繁忙的专业研究之余仍有时间有意愿去了解教学，需要政府及高校有关部门的统筹推动。因此，联邦政府非常重视教师培训工作，牵头对教师开展基于实证的教学模式与方法培训。在相应的政策激励下，近年来，大批高校纷纷各自或以院校合作的形式开展各类STEM领域的教学培训，并形成了高校联盟共同提升STEM教师队伍的教学能力。例如德克萨斯州大学阿灵顿分校于2016年重新启用其“研、教、学一体化中心”开展STEM教师培训。该中心如今已经历了第三次扩展，不仅不断吸收重量级的学者加入其中，更与全美及加拿大46所研究型高校结成联盟，共同对现任STEM教师和未来STEM教师开展培训工作，培训对象覆盖了全美范围内的大批高校教师，而其成员高校每年所培养的STEM毕业生占全美STEM毕业生总数的1/3(28)University of Texas, Arlington,“STEM Faculty Training Network Welcomes 25 New Members,” Nov 22, 2019, https://www.uta.edu/science/news/2016/04-12-stem-faculty-training-network-welcomes.php#.，影响范围可见一斑。总体而言，开展STEM领域的教学培训已成为许多高等院校的常态工作。

(三)开发和推广探究性实验课程和探究性教学方法

针对现行标准化实验类课程探究性不强的问题，美国政府部门首先加强探究性实验课程的开发和推广。美国国家自然基金会自2013财年以来，在10年之内每年斥资120万美元(29)Ibid.，通过一些专项项目来开发示范性的探索性实验课程，并推广到更多高校的课程体系中去，尤其是开发针对大一和大二年级的探究性课程，以加强高校的实验课程和实践教学体系的探索性和工程设计性，从而推动学生在STEM领域的探索性学习。高校可以申请国家自然基金会的这笔专项资金，用于本校实验课程的开发和实践教学的转型，但必须满足基金会的有关要求。据估计，这笔专项经费足以覆盖上百所院校。(30)President’s Council of Advisors on Science and Technology, Report to the President——Engage to Excel: Producing One Million Additional College Graduates with Degrees in Science, Technology, Engineering and Mathematics(Washington D.C.: Executive Office of the President of the United States of America, 2012), 21.其次，美国政府部门把支持更多的本科生科研项目作为促进探究性教学的一项重要举措。美国科学、工程、医学研究院在其2017年的报告《STEM领域本科生科研经历：成功、挑战和机会》中指出，本科参与科研的经历会影响STEM领域学生的毕业率和继续留在STEM领域深造以及从事工作的比例，并增强学生对STEM领域的归属感、理解力和自信心，同时也是大幅度提升学生深度学习STEM的关键措施。(31)The National Academies of Science, Engineering, and Medicine, Undergraduate Research Experiences for STEM Students: Successes, Challenges, and Opportunities(Washington, DC: The National Academic Press, 2017), 4.联邦政府2012年在其《为卓越而行动：再培养一百万STEM大学毕业生》的报告中也指出：“参与教师的科研项目是激发学生在STEM领域求真、探索和创新的最直接方式。”(32)President’s Council of Advisors on Science and Technology, Report to the President——Engage to Excel: Producing One Million Additional College Graduates with Degrees in Science, Technology, Engineering and Mathematics(Washington D.C.: Executive Office of the President of the United States of America, 2012), 26.因此无论是政府还是研究机构，都期望高校在STEM领域营造和建立一种引导本科生参与科研项目的文化和制度。

许多高校近年来也纷纷采取各种措施创新STEM领域的探究性教学和学习模式。例如，威拉姆特大学(Willamette University)近年来开发了本科生数学暑期学徒制科研项目，旨在促使STEM领域的本科生在暑期的一段完整时期内跟随导师沉浸式地从事科研体验，培养学生的学科探究性能力和研究型学习能力。项目通常以8周为限，一位导师会指导3名本科生，在暑期的一开始，导师会围绕一个特定的数学主题(如环与矩阵理论、统计与随机过程、图论、组合数学等)向学生提出一个主要的研究问题或与学生共同商议创设研究问题，并带领学生利用8周的时间就这个研究问题进行深钻。8周中，学生在自主钻研之外，还需要参加一些相关的工作坊及学术训练活动，学校会为每位参加这个项目的学生资助4000美元(33)The National Academies of Science, Engineering, and Medicine, Undergraduate Research Experiences for STEM Students: Successes, Challenges, and Opportunities(Washington, DC: The National Academic Press, 2017), 44.，包括参加学术会议和交流的交通费和各类成本费用，这样的科研经历对本科生而言其收获要显著大于平时的课堂学习。再例如，近年来美国国防部和国家自然科学基金会共同设立了“本科生科研经历激励与支持奖”，以提升特定院校STEM领域本科生的学习投入程度。该奖项每年经费额度为数百万美元，国防部把相关研究课题委托给有关高校，并要求申请经费的高校必须让本科生参与课题研究。(34)Executive Office of the President of the United States of America,“Federal Science, Technology, Engineering, and Mathematics (STEM) Education 5-Year Strategic Plan,” Nov 10, 2019, https://obamawhitehouse.archives.gov/sites/default/files/microsites/ostp/stem_stratplan_2013.pdf.参加该项目的高校通常也会利用暑期的8周时间，让计算机科学与航空航天领域的教授和专家每人指导数名本科生，本科生被要求每周必须参与研究36小时以上，并参加有关讲座、报告和实践类活动。8周结束之际，所有参与的学生都必须要上交书面的学习报告，并接受一项关于专业学习的口头测评，同时要制作一个网站来展示他们的项目经历和探究性学习内容。当然，每位学生可以获得多达8000美金的补助。(35)The National Academies of Science, Engineering, and Medicine, Undergraduate Research Experiences for STEM Students: Successes, Challenges, and Opportunities(Washington, DC: The National Academic Press, 2017), 44.

(四)加强校企协作促进实践教学

实践教学是高等STEM教育的重要组成部分，为提升高等STEM教育的质量，美国联邦政府和有关行业协会采取多种措施，加强行业和企业界对高校STEM领域教学实践的实质性影响。例如，自2012年底以来，美国总统就业和竞争力委员会发动联邦政府有关部门、各重要基金会、知名企业等各利益相关群体共同采取措施，扩大全美范围内STEM领域实习基地的数量，尤其是两年制社区学院STEM领域学生的实习基地数量，并提出在今后数年内实现实习基地数量在现有基础上翻倍的目标。联邦政府还要求各实习基地按照各领域真实的行业标准来训练实习学生，从而切实增进高校STEM领域学生的工程实践经验。(36)President’s Council of Advisors on Science and Technology, Report to the President——Engage to Excel: Producing One Million Additional College Graduates with Degrees in Science, Technology, Engineering and Mathematics(Washington D.C.: Executive Office of the President of the United States of America, 2012), 33.通过校企合作促进实践教学，不仅要培养学生的工程技能，而且要培养教师的工程实践能力。2018年底，美国国家科学与技术委员会则在其报告《制定成功的路线图：美国STEM教育战略》中提出要加强“大学教师-雇主伙伴关系”，旨在通过加强教师和企业界的合作，强化基于工作的学习理念，促使高等STEM领域的教师在帮助企业雇主解决实际工程问题的过程中增强教师的工程实践能力和经验。(37)Committee on STEM Education of the National Science and Technology Council, Charting a Course for Success: America’s Strategy for STEM Education(Washington D.C: Executive Office of the President of the United States, 2018), 11.

在这一背景下，美国多所高校紧紧抓住校企合作的机遇，成立了特定的部门来建立和维护与企业的合作伙伴关系，积极开展合作教育，促进实践教学。例如，加州大学伯克利分校、旧金山分校与杨森公司共同合作，建立了数据科学健康创新计划。计划的执行主要依托加州大学校内的伯克利数据科学研究所和贝克计算健康科学研究所，但杨森制药公司会派出高级数据科学和制药领域的专业人员作为导师来专门指导学校参与校企实践合作项目的师生。合作两方最大限度地凭借双方的优势来实现数据驱动的发现和创新，并利用现有的大量关于健康的数据集和资源，以及有关合作伙伴所提供的技术、临床和专业知识，促使双方的研究人员和教学工作者能够分享和交换医疗领域的前沿研究现状，从而促使科研与教学能力的双重提高。(38)University of California San Francisco,“University of California Announces Collaboration with Janssen to Expand Data Science Research in Healthcare,”Nov 12, 2019, https://www.ucsf.edu/news/2019/06/414791/university-california-announces-collaboration-janssen-expand-data-science.

总体而言，校企合作在美国历史悠久且形式多样，如孵化器、科技园、联合会等都是校企协作的具体形式，但校企合作多年来主要集中在科研、咨询、创业等领域，而对于高校教学改革的推动作用则相对有限。近年来美国政府和高等教育机构决心进一步采取有关措施，以使校企合作在促进课堂教学方面发挥更大的作用。

(五)倡导并实践跨学科合作教学新模式

促进跨学科合作教学当前被美国政府部门和高等教育界视为创新教学理念甚至推动整个高等STEM教育变革的基础战略之一，因此，由政府部门或学术组织以项目的形式引领高校开展跨学科合作教学成为了一种新模式。例如，美国自然科学基金会领导组织的“转型教育：支持卓越教与学”项目被引入了科罗拉多大学、堪萨斯大学等7所高校，在基金会的引导和激励下，七所高校纷纷致力于加强本校内STEM专业领域不同院系之间的对接和跨部门沟通，以促进跨学科合作教学的开展。基金会作为引领部门，其项目会对高校提出相关标准，如对各高校加强跨学科合作的要求包括探索打破学科壁垒、保障一线教师有足够的精力与空间开展跨学科教学、明晰STEM领域学生学习目标、鼓励本科生通过参加科研体验跨学科学习，以及引领学生的学习反思。同时，基金会会根据各高校开展跨学科合作的实际情况对其予以奖励。自2016年以来，该项目共奖励了工程、物理、环境科学、生理学、数学等学科领域内的多个高校教学团队和个人，以表彰他们在跨学科课程开发和课程教学创新方面的贡献。(39)Center for STEM Learning of University of Colorado Boulder,“TRESTLE Awards,” Nov 14, 2019, https://www.colorado.edu/csl/trestle/trestle-awards.

除了在政府部门或学术组织的引导下，高校各自也纷纷采取不同措施促进跨学科教学，其中打造“教师学习共同体”被美国高等STEM教育界视为促进落实跨学科合作教学理念的重要措施。(40)Maura Borrego et al.,“Diffusion of Engineering Education Innovations: A Survey of Awareness and Adoption Rates in U.S.Engineering Departments,”Journal of Engineering Education 99,no.3(2010): 185-207.如普渡大学由教育学院和科学学院共同出资建立了STEM教学推进中心，推动学校开展STEM领域的综合性教学。波士顿大学成立了跨学科教学与学习中心来促进教学研究、学生反馈及不同学科之间教师的合作教学。新罕布什尔大学专门成立了STEM教师协作联盟项目来提升跨学科教学合作，以期加强STEM领域的学生保持率。该项目不仅服务于本校教师的能力提升，也面向整个新罕布什尔州培训STEM教师。此类项目均按照“教师学习共同体”的理念，定期将不同学科间的教师聚集在一起，从学科、课程、教学法、文化、学生等多个维度来分享、反思和创新教学实践，推进和落实STEM领域跨学科合作教学。开展基于“教师学习共同体”的跨学科合作教学的基本理念是，真正有效的教学是一种学术行为，即“学术性教学”(41)Indiana University Bloomberg,“Faculty Learning Communities,”Nov 18, 2019, https://citl.indiana.edu/programs/faculty-learning-communities/.，并非人人都可以实践，但学习共同体则不仅有助于不同教师之间激发彼此的教学热情、教学认知和教学反思，更能促使不同学科的教师通过合作来增强教学和课程体系的跨学科元素，从而增强学生的跨学科学习体验。(42)Ibid.

总体而言，跨学科合作教学对教师而言能提升不同教学风格之间的交流借鉴，打破学科甚至文化间的壁垒，以促进自身既有教学模式与方法的提升和转变。对学生而言，则能让学生在STEM领域的复杂结构中避免碎片化学习，真正实现知识建构的整合性，从而增强学习动力和过程满意度。(43)Milton Cox,“Introduction to Faculty Learning Communities,”Nov 18, 2019, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/tl.129.

三、对我国高等工程教育教学方法改革的启示

改革开放40年来，我国高等工程教育在规模和质量方面均取得了长足发展，于2016年正式成为全球最具影响力的国际工程教育学位互认协议——《华盛顿协议》的正式成员国。但教师中心、教材中心、课堂中心以及重视教师权威与主导而忽视学生的主体性和能动性，是我国高等工程教育长期以来存在的问题。我国大学理工科专业的课堂中时常出现学生“睡倒一片”或“闷头玩手机”等现象，不仅揭示了学生对高校现行教学方法缺乏共鸣，更妨碍了工科学生在所学专业领域的知识掌握和技能获得，对培养卓越工程师以及各项“新工科”目标的实现极为不利。美国高等STEM教育教学模式与方法的改革措施可以为“新工科”背景下我国高等工程教育的教学方法改革提供相应的启示。

(一)统筹建立提升教师工程实践能力的定向机制

实践性是工程教育的重要属性之一，而丰富的工程实践经验则是开展高水平工程教育教学的重要前提。整体上看，我国高等工程教育教师队伍的工程实践经验，尤其是青年教师的工程经历普遍不足。由于相应机制的缺乏，青年教师往往在博士毕业之后便直接进入高校开展教学工作，形成了既有的“从校园到校园”的客观事实，与工程专业的实践要求形成了较大的脱节。这一现状极大地制约着我国高等工程教育教师队伍的工程实践能力，再加上实验类教师的数量、结构和水平难以满足教学改革不断提高的要求(44)教育部高等教育教学评估中心.中国工程教育质量报告(2013年度) [R].北京:中国工程教育质量报告编委会,2014.54.，以及现行教师考评机制过于侧重学术研究而忽视对工程实践能力的考核，诸多不利因素共同影响着我国高等工程教育对学生工程实践能力的整体培养。事实上，国际工程联盟提出的工程专业毕业生应掌握的核心能力，包括“具有运用工程基础知识和本专业基本理论知识解决问题的能力，具有系统的工程实践学习经历以及了解本专业前沿发展现状和趋势的能力”(45)International Engineering Alliance,“25 Years of Washington Accord 1984-2014: Celebrating International Engineering Education Standards and Recognition,”Nov 18, 2019, http://www.ieagreements.org/assets/Uploads/Documents/History/25YearsWashingtonAccord-A5booklet-FINAL.pdf.。因此，加入《华盛顿协议》对我国工科毕业生的知识结构和工程能力提出了新要求，从而也就对教师的行业背景和工程实践经验提出了新挑战。

教育行政部门应统筹规划，与各有关行业部委或部门协同出台政策，为高校工程领域教师赴各行业组织、研发单位、生产企业等开展工程实践能力进修提供政策依据。高等学校应积极探索与企业及研发单位的双向合作机制，建立健全教师工程实践能力提升的定向机制，如与企业合作建立“教师工程实践能力研修和发展基地”，提升教师的专业水平、工程经验和实践能力，确保教师的工程背景能够满足“新工科”背景下专业教学的需要。

(二)为教师在课堂中开展探究性教学提供保障性条件

美国高等STEM教育教学模式与方法的改革理念，究其本质是为了通过打造外在条件来最终提高学生的学习自主性、体验性、互动性和探索性，而探究性教学恰恰强调个人情感、体验、互动和探索对学习行动和学习效果的促进作用，是深化课堂教学促使学生获取知识及培养技能的重要途径。问题导向教学法、项目导向教学法、行动教学法、高峰体验课程以及本科生科研均是落实探究性教学的重要形式，都在全球范围内有着广泛的应用。

与传统的讲授法有所不同，探究性教学的开展需要基于相应教学资源和教学能力的支持。“新工科”背景下，我国高等院校应切实为教学部门和教师配备开展探究性教学的基础设施，如翻转课堂教学场所和平台，基于虚拟现实技术和增强现实技术的教学模拟软件，教学资源共享平台，基于学科特征的教学互动在线平台等，不断引导教师学习并充分利用信息技术、人工智能，更新教学模式与方法，从而给予学生更多的自主学习机会、师生互动机会以及学生与知识间的深度互动机会，引导学生在探究性学习中不断培养创新能力。同时，高校应大力开展对工程领域教师队伍的教学法培训，重点加强教师队伍结合相应学科开展探究性教学的能力，促使高等工程专业的教师不仅具备扎实的学科理论功底和实践能力，更要同时具备高水平工程教学能力，从而以最高效的教学方法促进学生的理论学习和应用能力培养。

(三)建立并推广跨学科教学共同体

作为“新工科”建设的重要纲领之一，《北京指南》指出：“要探索多学科交叉融合的工程人才培养模式，建立跨学科交融的新型组织机构，开设跨学科课程，探索面向复杂工程问题的课程模式……推进跨学科合作学习”(46)教育部.新工科建设指南(“北京指南”)[EB/OL]. http://education.news.cn/2017-06/13/c_129631611.htm, 2017-06-13/2019-11-10.。跨学科教学团队是跨学科人才培养体系的基础支撑。当前，学科壁垒现象依然存在于我国高校包括工程领域在内的许多专业，依托同一学科甚至同一课程的教研室仍然是我国广大高校教师开展教学交流的主要形式，不同专业领域的教师之间的教学交集相当有限，共同研讨跨学科教学的精力与动力相对不足。为实现“新工科”推动学科交叉融合和跨界整合的目标，我国高等工科院校可借鉴美国高等STEM领域“教师学习共同体”的理念精神，打造“跨学科教师学习与教学共同体”，引导相近领域不同学科的教师共同上课、共编教材、共做研究、共同指导学生，将跨学科教学视为提升课程质量和专业质量的基本新常态，从而在课程、教师、教学等影响学生学习效果的微观层面实现实质性的升级。