美国国家实验室支持STEM教师专业发展模式研究

/美国国家实验室支持STEM教师专业发展模式研究【摘要】从STEM教育发起至今，美国始终将其视为一项国家战略持续推进。在政策、文化及教育等背景因素影响下，美国国家实验室形成“互联网+项目+资源”模式支持STEM教师专业发展，为STEM教育战略提供重要支撑。该模式中，互联网发挥服务平台、互动机制与数据空间等功能，教学与研究两类项目共同驱动STEM教师专业发展，教学素材与教学平台两类资源合力赋能STEM教师优化教学。该模式特点体现为：支持主体权威性、支持内容优质性、支持对象多元性、支持方式便利性及支持立场公益性。“互联网+项目+资源”模式的实施促进了STEM教师专业知识、专业技能及专业身份等方面的发展，为解决STEM教师短缺与结构不均衡等问题提供一种可行方案。【关键词】STEM教师；STEM教育；教师专业发展；美国国家实验室

美国科学、技术、工程和数学(Science，Technology，Engineering，andMathematics，STEM)教育于1986年由美国国家科学基金会(NationalscienceFoundation)发起，旨在培养高素养的科学和技术劳动者。从STEM教育发起开始，美国始终将其视为一项国家战略，举全社会之力支持其发展。建立和完善STEM教师教育体系即美国推进STEM教育的主要策略之一。[1]在STEM教师培养上，美国不断突破边界，扩展渠道，充分发挥各类组织机构的优势，为STEM教师提供高质量专业发展支持服务，持续提升STEM教师队伍质量水平。在此过程中，美国国家实验室①以其在前沿科技、科研人员、实验设施等多方面的优势为STEM教师提供独具特色的专业发展支持，并以美国联邦政府能源部(DepartmentofEnergy)于2022年12月启动的“能源部STEM计划”为标志，正式形成“互联网+项目+资源”的支持模式。本文将从背景、要素、特点及成效等方面对这一模式进行系统解读。 一、“互联网+项目+资源”模式形成背景 (一)政策背景：美国将STEM教育作为国家战略持续推进 1.联邦政府：制定战略规划发展STEM教育 尽管美国STEM教育已获得举世瞩目的成就，但是仍面临诸如教师短缺、学生学业表现不佳等突出问题。为更有效应对挑战，更快实现美国STEM教育愿景——“所有美国人都终身享有高质量STEM教育，美国将成为STEM素养、创新与就业方面的全球领导者”，2018年，美国国家科学技术委员会下属的STEM教育委员会(CommitteeonSTEMEducation)发布联邦政府STEM教育2018-2023五年战略规划《绘制成功之路：美国STEM教育战略》(ChartingaCourseforSuccess：America'sStrategyforSTEMEducation)(以下简称《美国STEM教育战略》)。 《美国STEM教育战略》强调建立包括联邦教育部、能源部等全国与利益相关机构共同参与的STEM生态系统，以合力发展STEM教育。该战略提出三项目标：为提升公众STEM素养打下坚实基础；增强STEM教育的多元性、公平性与包容性；为未来培养充足的STEM从业者。[2]在具体阐述实现目标的路径时，《美国STEM教育战略》多次提及要优先给予STEM教育工作者专业发展支持，帮助他们扩展知识、提升技能水平，使其更有能力担负起培育STEM人才的使命。 2.能源部：启动“能源部STEM计划”推进STEM教育 能源部是支持能源创新、科学发现、核安全与遗留核材料环境清理等重要任务领域基础研发的首要联邦机构，同时也是美国在物理与计算科学方面基础研究的最大支持者。支撑能源部强大科技实力的核心在于其所属的17个国家实验室(表略)。 这些实验室形成世界同类型实验室体系中最全面的体系，成为美国国家科研事业的支柱。国家实验室具有涵盖广泛领域的核心能力、世界一流的工作人员以及最先进的设施与仪器。[3]这些优势是美国高等院校、教师专业发展学校、基金会等其他STEM教师教育参与机构所不具备的，同时也是高质量STEM教师教育所必需的，由此，国家实验室被美国联邦政府及能源部寄予以高质量支持服务促进STEM教师专业发展的厚望。 培养下一代STEM人才是能源部的重要使命之一。2019年，能源部成立研究与技术投入委员会(ResearchandTechnologyInvestmentCommittee)，旨在召集能源部关键部门及其领导人为支持研发活动提供咨询与决策，协调战略研究重点，并确定基础与应用科技领域的潜在整合机会，其工作重点之一即整合STEM教育资源。2020年4月，该委员会在STEM研讨会的基础上创建STEM工作组。工作组制定能源部STEM教育框架，并对所有STEM教育活动进行“全景式”分析，意在进一步有效整合STEM教育资源。2022年12月，作为推进STEM教育的标志性“转折点”[4]，“能源部STEM计划”正式启动，该计划是能源部各相关部门及国家实验室共同合作的成果，旨在通过建立单独门户网站等途径持续分享、完善面向STEM教师、学生、专业人员及技术工人等群体所提供的所有教育、培训等服务，并不断增强服务获取的便利性。[5]该计划的启动也标志着美国国家实验室正式形成支持STEM教师专业发展的“互联网+项目+资源”模式。 (二)文化背景：美国社会文化深刻影响国家实验室的理念与行动 一方面，国家实验室的理念与行动受美国科研机构社会服务文化的影响。作为高等教育理念的时代性转变，“为社会服务”理念最早出现于19世纪后期的美国高校，以1862年颁布的《莫雷尔法案》(MorrillLand-GrantAct)为标志性开端。在经历了以“知识传播和技术推广”促进农业技术变革，以“技术转移和成果转化”推动工业繁荣两个阶段后，20世纪末期以来，美国高校的社会服务职能处于以“参与型学术”[6]引领社会发展的新阶段。该时期强调以学术研究加强与社会的互动，在更广泛意义上履行社会责任，促进公共福祉。经过一个多世纪的发展，“为社会服务”理念已然成为美国高等教育的独特文化基因。[7]在1994年能源部启动管理模式改革[8]之前，国家实验室的创建与管理一直主要是依托高校进行。与高校的密切联系，使国家实验室也受到“为社会服务”文化的深刻影响，并将这种理念一直坚持并发展。正是在这一文化理念指引下，国家实验室秉持公益精神为STEM教师提供专业发展支持服务。 另一方面，美国社会多元文化中的差异性合作、不均衡等，对国家实验室支持STEM教师专业发展的实践亦产生重要影响。受多元文化影响，国家实验室倡导与教师、学生、社区工作人员等多元群体之间的合作，如共同利用实验室资源开展STEM教育。同时，“多元”意味着丰富或差异，但也可能表征为不均衡、不平等。因此，国家实验室还致力于为社会中的弱势群体提供专门服务，如来自少数族裔或经济发展相对落后地区的STEM教师群体，以减少“多元”带来的社会问题，促进社会公平正义。 (三)教育背景：美国STEM师资队伍建设面临挑战 在30多年的发展历程中，STEM教育为美国培养了一支数量庞大的STEM从业人员队伍，为社会经济、科技等领域发展，为美国保持其世界强国地位发挥着不可替代的作用。然而，21世纪以来，美国面临着STEM师资队伍建设方面的挑战。第一，教师整体短缺，特别是美国基础教育严重缺少合格的STEM教师。[9]第二，教师队伍结构不均衡。一是区域分布不均衡，例如，少数族裔或家庭贫困学生占比高的学校，或国家南部和西部的学校，相对而言更缺少经验丰富的STEM教师，[10]更可能出现教师短缺危机；二是不同地域、群体的教师获取专业发展支持的机会不均衡。第三，教师缺少充分、有效的专业发展支持。美国存在STEM教师高流失率问题，而导致教师离职的一个重要原因即缺少专业发展上的支持。[11] 二、“互联网+项目+资源”模式要素解析 (一)互联网功能定位：服务平台、互动机制与数据空间 “互联网+项目+资源”模式中，互联网发挥服务平台、互动机制与数据空间等重要功能。 1.支持服务平台 一方面，互联网作为内容呈现平台向STEM教师提供专业发展支持信息。能源部与17个国家实验室均建有专门的STEM教育服务网站，并设置专门栏目为STEM教师提供专业发展支持服务。各国家实验室根据研究领域、人员构成、实验设施、所处地域等实际情况，充分开发、整合可用于支持STEM教师专业发展的项目、资源等各类内容，经由互联网平台呈现于服务对象。而能源部STEM教育服务网站除呈现由其发起、各实验室参与的专业发展项目外，同时成为整合国家实验室体系STEM教师专业发展支持服务的门户网站。另一方面，互联网作为学习平台为STEM教师基于网络技术的学习提供支持。例如，教师可利用网络会议室等技术平台参与讲座、研讨会等学习活动。 2.互动交流机制 经由互联网，能源部、国家实验室、STEM教师等各参与主体之间建立起便捷、高效的互动交流机制。首先，互联网可实现国家实验室与STEM教师之间的互动交流。STEM教师可通过互联网获取实验室提供的专业发展信息，对于教学资源，教师可直接下载使用或在线阅览所有素材资源，可在线申请使用网络教学平台。对于专业发展项目，教师需在线注册、申请；申请通过后，现场项目可在网上获取具体信息，虚拟项目则可在线参与。其次，互联网可促进能源部与实验室之间以及各实验室之间互动交流。通过这种交流，能源部可了解、监督实验室工作开展情况；实验室之间则可相互学习或进行合作。最后，互联网可使能源部、国家实验室及STEM教师等致力于发展美国STEM教育的参与者形成共同的STEM教育发展网络，此巨型网络的强大力量足以影响美国的未来。 3.数据管理空间 从数据技术视角而言，互联网还可发挥数据管理功能，成为高效的数据管理空间。一方面，互联网可高效存储能源部、国家实验室及在线参与的STEM教师的各类STEM教育相关数据，形成支持STEM教师专业发展的数据库。另一方面，国家实验室可利用互联网技术对各类数据进行分析，以更科学评估实验室所提供支持服务的成效，了解STEM教师对于服务的体验情况，分析其所需支持的发展趋势等，基于此，实验室则可不断优化服务。 (二)项目支持：教学与研究共同驱动STEM教师专业发展 1.教学项目：提升教师STEM教学素养 教学是STEM教育的中心环节，教学素养是STEM教师的“立身之本”。美国国家实验室利用自身多方面优势，为从K-12到高等教育各学段的STEM教师提供教学方面的专业发展支持，提升其STEM素养。国家实验室的教学项目活动内容主要在于丰富STEM教师的学科知识，提供新的教学方法，提高教学技能等。活动方式主要包括科学家讲座、工作坊及工作嵌入式专业学习等，且以实验室现场学习为主，以网络虚拟学习为辅。 本研究以费米国家加速器实验室(以下简称“费米实验室”)的“教师工作坊项目”为例呈现教学项目具体内容及运行情况。“教师工作坊项目”为K-12各学段教师提供针对性支持。例如，“友好物理学”项目专门服务于K-5年级教师。此项目专注于课堂教学，鼓励教师像科学家一样思考。在为期两天的工作坊活动中，参与教师通过一系列开放式实验探索，以及与优秀小学教师和实验室工作人员的讨论及反思，深入理解物理科学概念以及学习运用科学方法开展物理教学。同时，教师在项目中参与的所有课堂教学活动以及获得的新理解都可以应用于日常物理课堂教学，从而提升教学质量，发展学生物理素养。[12] 2.研究项目：助力教师成长为“研究型STEM教师” 科研对于教学具有重要促进作用，特别是STEM教育本身涉及科学性相对更强的学科领域，更需要教师投入科学研究的态度与精神，进行更多、更深入的研究性实践探索。国家实验室在众多STEM相关专业研究领域处于世界领先地位，拥有先进实验设施，高水平科研人员以及多类别前沿研究课题，这些成为实验室支持STEM教师科学研究方面专业发展的独特优势。总体而言，在研究项目设计及实施上，国家实验室主要通过支持STEM教师与实验室研究人员共同合作，参与实验研究及前沿科学问题研讨等方式，帮助教师扩展STEM视野，加深对STEM相关概念的理解，提升STEM课程研发能力，培养科学研究的知识与技能、思维与方法、态度与精神，发展STEM研究素养，助力其成长为“研究型STEM教师”。 本研究以多个实验室共同参与的“STEM教师与研究员项目”(STEMTeacherandResearcherProgram)为例呈现研究项目具体内容及运行情况。 “STEM教师与研究员项目”主要由加州州立大学(CaliforniaStateUniversity)与美国国家科学基金会等合作发起，国家可再生能源实验室、桑迪亚国家实验室、太平洋西北国家实验室、斯坦福直线加速器国家实验室(以下简称“斯坦福实验室”)及劳伦斯利弗莫尔国家实验室等均参与其中。 项目主要面向未来有志于从事K-12学段STEM教育工作的本科生、硕士生等，参与者将进行为期9周的带薪暑期研究体验。项目旨在将参与者培养成为优秀教师。参与者将获得与国家实验室研究人员合作开展研究工作的机会。以斯坦福实验室为例，2024年暑期，其为参与者提供2～4个研究员岗位，参与者可与实验室科学家共同开展粒子物理方面的研究。同时，通过参与研讨会等方式，参与者还可获得将研究经验转化为课堂实践方面的支持。此外，国家实验室还提供持续的专业发展机会支持参与者的继续发展，而非仅限于暑期项目期间。[13]该项目支持未来的STEM教师在真实研究环境中获得第一手经验，可培养参与者对教师职业的兴趣，吸引他们加入STEM教育事业。 (三)资源支持：以高质量资源赋能STEM教师优化教学 1.教学素材：为STEM教师高效备课提供支持 第一，提供研究数据。国家实验室基于自身专业领域建立研究数据资料库，这些资料可为教师教学提供重要的数据支持。以费米实验室为例，实验室建立物理科学与生命科学两类数据库。物理科学数据库包含有关中微子实验、能量、强度及宇宙前沿方面的实验资料。在生命科学方面，实验室利用其所处的独特草原环境，致力于修复草原生态系统，开展丰富的生命科学研究项目，并建立鸟类、蝴蝶、青蛙及植物等数据库。以鸟类为例，实验室记录了在周边区域出现过的293种鸟的数据，包括出现时间、频次，生活习性及真实图片等。[14] 第二，提供教学方案。国家实验室为教师提供STEM相关课程教学方案。例如，太平洋西北国家实验室为6-12年级STEM教师提供设计思维课程教案。[15]该教案可用于课堂教学以培养学生的设计思维，而设计思维将有助于STEM学习。 第三，提供活动资料。国家实验室为教师提供丰富的STEM相关教学活动资料。例如，2022年，太平洋西北国家实验室研究人员与STEM教师基于《下一代科学标准》(NextGenerationScienceStandards)合作设计了名为“水淹教室”的沿海生态系统虚拟探索活动。教师通过演示、实践活动和问题讨论等，帮助学生理解人类活动与气候变化的关系，提升学生科学素养。[16]托马斯·杰斐逊国家加速器实验室(以下简称“杰斐逊实验室”)为师生提供16个不同主题的科学操作活动，并附有活动所需的操作指南与数据记录表等相关资料。[17] 第四，提供科普资源。其一，科普视频。如杰斐逊实验室的“科学系列视频档案”，收录了1962年-2018年，来自美国、欧洲等地科学家83场经典讲座视频资料，涉及物理、化学、生物学、医学等诸多科学领域。[18]其二，科普资源卡。如太平洋西北国家实验室“教师资源卡”，34张资源卡介绍了哥伦比亚盆地干旱地区非生物(如气候、地质等)特征、植被及野生动物等信息，以增强教师对干旱地区生态的理解。[19]其三，科普出版物。例如，由能源部资助，费米实验室与斯坦福实验室联合出版的关于粒子物理的网络杂志《对称》(Symmetry)，面向公众免费开放，可帮助教师了解粒子物理科学知识及前沿技术。再如，为激励学生探索可再生能源，国家可再生能源实验室与能源部合作研发了“星火小队”(SparkSquad)系列漫画书，将能源知识融入漫画故事中。 2.教学平台：为STEM教师提供独特教学体验 国家实验室利用自身优势为STEM教师提供可与学生共同参与的实验室探究活动与项目考察活动，这些活动为教师提供不同于日常课堂教学的独特教学体验。这些发生在实验室场景中的差异化体验有助于提升教师STEM教学素养，同时也可激发学生STEM兴趣，发展学生STEM素养。 一方面，教师可利用实验室实验平台开展教学活动。例如，阿贡国家实验室建有三个学习实验室——病毒变异“侦探”(VirusVariantDetectives)实验室、极端X射线和粒子加速器(ExtremeX-RaysandParticleAccelerators)实验室与制造更佳电池(BuildingaBetterBattery)实验室。实验内容主要面向5-12年级学生，所有STEM教育机构的教师均可以组织学生参与实验。实验室提供以学生为中心的教学环境，教师可借助平台与实验室工作人员共同开展STEM实验教学。[20] 另一方面，教师可在实验室考察活动中进行教学活动。例如，布鲁克海文国家实验室为K-12学段师生开发了38个实地考察项目，这些项目涵盖K-12各年级，涉及物理、化学、生物、计算机及工程学等多个领域。部分项目还支持以虚拟方式通过网络平台灵活开展。同时，这些项目具有很强指向性，每个项目都会明确其面向的具体年级及课程标准。教师可根据实际教学需求申请，并组织学生参加，在考察活动中开展现场或网络教学。[21]在师生互动的国家实验室教学场景中，STEM教学理念、模式、方法等智慧得以生成，教师专业发展得以实现。 三、“互联网+项目+资源”模式特点分析 (一)支持主体权威性：国家实验室及其科学家为STEM领域权威 作为“互联网+项目+资源”模式中为STEM教师提供专业发展支持的主体，国家实验室及其科学家团队在美国乃至世界STEM相关专业研究领域都处于权威地位。 一方面，美国国家实验室利用自身优势参与STEM教师教育，可彰显重视STEM教师培养，推进STEM教育战略的“国家意志”。另一方面，美国国家实验室的科学家等科研工作人员直接参与专业发展项目的开发与实施、教学资源的研发与整合；直接与参与教师面对面交流或合作开展课题研究。这些权威人员的直接参与、深度参与，为专业发展支持服务在内容设计与实施层面的权威性及高质量提供重要保障。 (二)支持内容优质性：以高质量项目与资源满足教师发展需求 美国国家实验室以高质量专业发展项目与教学资源有效满足STEM教师专业发展需求。具体而言，“高质量”主要体现在“前沿性”“丰富性”与“契合性”三个方面。 “前沿性”方面，国家实验室实验设施、研究成果等代表世界该领域先进水平，这些优势被整合入项目与资源当中，确保支持服务内容处于STEM领域前沿。 “丰富性”方面，专业发展项目“丰富性”一是体现在教学与研究两种不同项目类型，二是体现在学科领域涵盖STEM教育细分的众多学科专业领域。教学资源“丰富性”主要体现在不仅具有高端学习实验室平台，而且可提供研究数据、教学方案、活动资料及科普资源等多种教学素材。 “契合性”方面，一是教学与研究双项目设计符合教师专业发展主要由教学与研究共同驱动的现实；二是支持内容能够满足教师了解STEM前沿科技、参与实验研究、与科学家对话以及获取优质教学素材等“高层次”需求；三是多数支持内容的设计均以美国联邦或州STEM相关课程标准为依据，充分考虑教师实际教学需求。例如，费米实验室宇宙射线电子实验室(CosmicRaye-Lab)为《下一代科学标准》中所有科学与工程实践提供学习情境支持。[22] (三)支持对象多元性：面向多元教师群体促进社会公平正义 “互联网+项目+资源”模式注重服务STEM教师群体的多元性。这种“多元性”主要体现在三个方面：其一，学段多元，服务教师群体涵盖从K-12到高等教育的各个学段；其二，专业发展阶段多元，服务教师群体贯穿从职前到职后各阶段；其三，族裔与地域多元，服务教师群体不仅面向多数族裔，而且也关注少数族裔，不仅面向经济相对发达地区，而且也支持相对落后地区。 例如，由能源部发起，各国家实验室参与的访问教师项目(VisitingFacultyProgram)，主要面向美国研究界代表性不足的高等教育机构全职教员(主要是少数族裔群体)。以2024年夏季学期项目为例，113名教师通过申请，他们来自美国30个州、87个STEM研究边缘化机构，涉及40个研究领域。[23]国家实验室为来自少数族裔群体及相对贫困地区的STEM教师设计类似访问教师项目的专门项目，支持其专业发展，进而促进他们所在学校、区域STEM教育发展，促进社会整体公平正义。 (四)支持方式便利性：项目参与和资源获取方式灵活便捷 “互联网+项目+资源”模式在支持STEM教师专业发展的方式上以教师便利为宗旨。具体而言，“便利”主要体现在项目参与和资源获取两个方面。 项目参与方式方面，教师通过互联网就可了解项目信息，可在线咨询、申请等。工作“脱嵌式”与“嵌入式”，现场实地与网络虚拟等不同参与方式可满足教师根据工作实际进行灵活选择，有助于避免“工学矛盾”。资源获取方式方面，只要具备基本网络条件，所有教学素材教师均可随时随地根据个人需要在相关国家实验室网站在线浏览或下载使用，部分教学平台资源亦可直接在线使用。 (五)支持立场公益性：坚持服务文化彰显公益精神 “为社会服务”文化对作为重要科研机构的国家实验室具有深刻影响，多个实验室都明确将服务社会与公众作为核心价值观。基于此价值理念，国家实验室坚持公益服务精神为STEM教师提供专业发展支持服务。资源支持方面，所有教学素材均可在实验室网站免费浏览或下载，虚拟实验室等教学平台也可在线免费申请使用。项目支持方面，除极少数与高校合作的学位项目外，绝大多数项目均免费向教师申请者开放，部分项目甚至还提供奖学金、津贴等，全力支持教师参与项目，实现专业发展。 四、“互联网+项目+资源”模式实施成效 (一)为促进STEM教师专业发展发挥重要作用 在美国具有代表性的STEM教师专业标准有：《科学教师培养标准》[24](StandardsforScienceTeacherPreparation)、《工程教师培养与专业发展标准》[25](StandardsforPreparationandProfessionalDevelopmentforTeachersofEngineering)以及《数学教师培养标准》[26](StandardsforPreparingTeachersofMathematics)等，本研究通过综合分析比较发现这些专业标准主要从专业知识、专业技能与专业身份三方面对STEM教师素养提出要求。“互联网+项目+资源”模式实施，形成17个国家实验室全部参与，贯穿各个学段，连通职前与职后，涵盖所有学科专业领域的STEM教师专业发展支持服务体系，提升教师专业素养，促进教师专业发展，具体而言，亦主要体现在专业知识、技能与身份等方面。 1.丰富STEM教师专业知识 国家实验室通过项目与资源支持主要丰富了STEM教师学科内容知识与教学知识。国家实验室将最新研究成果融入项目与资源当中，举办科学家讲座，鼓励教师与科学家合作开展研究，提供研究数据、科普资源等教学素材，这些支持服务使STEM教师能够收获权威、前沿、丰富的学科内容知识。同时，通过参与相关教学项目，教师还可获取最新学科教学知识，如STEM教学方法与策略等。专业知识可加强教师STEM知识储备，加深其对STEM的理解，有助于其改进教学。 2.提升STEM教师专业技能 “互联网+项目+资源”模式实施主要可提升STEM教师教学技能与研究技能。通过参与教学项目，STEM教师不仅可收获学科教学知识，而且可通过项目中的实践活动习得诸如教学设计、活动开展及学生评价等技能。同时，教师依托实验室教学平台开展教学活动，可在独特教学体验中提升教学技能。通过参与研究项目，STEM教师可与科学家合作开展STEM前沿课题研究工作，在此过程中，可激发教师科研兴趣，培养其科研能力，帮助其成长为“研究型STEM教师”。 3.增强STEM教师身份认同 沉浸在由共享知识、价值观与实践规范构成的学科文化中，有助于教师接受自身学科专业身份，并建构与发展这一身份的意义。[27]国家实验室即通过专业发展项目与教学资源支持，在国家实验室这一独特场域中，为STEM教师提供沉浸式体验STEM学科文化的专业发展机会，帮助教师建构自身作为STEM教师的专业身份，增强身份