在紐約州特洛伊市一個破舊區域的翻新倉庫裡，25歲的凱蒂·貝魯奇吸引了27名五年級學生的專注力。他們正在唱歌、跺腳、拍手和揮舞雙手——比你期望的比例和分數要興奮得多。全班同學正在一起解決一道文字題，題目涉及一支虛構的籃球隊，其勝負比為 9:3。輸的場次與總比賽場次的比率是多少？貝魯奇讓每個人都參與到分解過程（“我們首先需要做什麼？”）中。一旦全班得出一個分數——勝場加輸場，除以輸場，或 (9 + 3)/3——她鼓勵他們約分。“好的，誰知道最大公約數？”她說，指的是最大公約數。她在過道里快速穿梭，哄勸一個學生，然後又哄勸另一個學生，再提供一塊解決方案。學生們緊盯著她的每一個動作，知道她可能會點到他們，即使他們沒有舉手。“我看到了如此多的靈感和如此多的勤奮，”她說。如果一個答案來得容易，她會繼續追問那個學生，並詢問答案背後的原因和理由。鈴聲響起，當孩子們排隊出去吃午飯時，每個人都交給貝魯奇一張“出門票”——兩個例證當天核心課程的問題的答案，貝魯奇將仔細審查這些答案，以確定全班是否掌握了當天的目標。
特洛伊預備學校是貝魯奇任教的學校，即使其絕大多數學生來自低收入家庭，但它也是紐約州表現較好的公立學校之一。2011年，即該校開辦的第二年，74% 的五年級學生在紐約州數學考試中達到了“熟練”水平，而全州五年級學生的這一比例僅為 66%。更令人印象深刻的是，在學校學習兩年後，特洛伊預備學校 100% 的六年級學生都達到了熟練水平。這所學校取得成功的原因是什麼？特洛伊預備學校所屬的 Uncommon Schools Charter Network 的領導者道格·萊莫夫毫不猶豫地說：像貝魯奇這樣傑出的、訓練有素的教師。
近年來，越來越多的研究表明，優秀的教師是提高所有科目學生成績的最重要變數。一位優秀的教師勝過社會經濟地位、班級規模、課程設計和家長教育水平等因素。斯坦福大學的埃裡克·哈努謝克表明，高效教師的學生取得的學業進步是才華較低的教師的學生的學業進步的三倍左右，而與學生的背景無關。這正是數學和科學教育的問題所在：像貝魯奇這樣的教師太少了。教師流失率很高，而教育系統獎勵現有教師的原因卻不對。
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這場危機並非沒有引起注意。自俄羅斯人在 1957 年發射人造衛星以來，美國的政策制定者、教育工作者和企業界人士從未如此關注改善數學和科學教育。美國的經濟衰退以及中國日益增強的競爭力（包括其學生在國際測試中的高分）促使他們採取行動。從總統巴拉克·奧巴馬到下層的主要參與者都在將美國在科學和數學教育方面的落後表現描述為對該國未來競爭力的嚴重威脅。根據今年早些時候釋出的兩次“國家成績單”測試的結果，只有 32% 的美國八年級學生精通科學，35% 的學生精通數學。與此同時，上海學生在 2010 年國際學生評估專案數學和科學測試中獲得了最高分，而美國學生則穩居中游。為了幫助縮小差距，奧巴馬總統已提議為我們的學校系統注入新鮮血液。他的處方是：優先在 2020 年之前培養 10 萬名高效的數學和科學教師，並提高所有 50 個州的學習標準[參見第 12 頁“美國能否在科學方面獲得“A”？”科學議程]。總統在去年的國情諮文中說：“保持我們在研究和技術方面的領先地位對於美國的成功至關重要。”“但是，如果我們想贏得未來——如果我們想讓創新在美國而不是海外創造就業機會——那麼我們也必須贏得教育我們孩子的競賽。”
的確，在美國白宮的推動下，美國似乎正在開展一項全國性實驗，探討如何鼓勵更有效的數學和科學教學。越來越多的研究表明，我們過去認為我們對如何培養和獎勵教師的瞭解是錯誤的。例如，根據傳統觀念，貝魯奇的效率不應該達到她現在效率的一半。在來到特洛伊預備學校之前，她沒有課堂經驗，也沒有獲得教育學碩士學位。但她確實擁有，而且研究表明更重要的是，她對自己的學科領域有很強的掌握能力：她擁有應用數學學士學位，並在轉行之前曾在一家工程公司處理數字。
然而，在大多數學區，教師的加薪和退休福利都與經驗和教育學研究生學位掛鉤。事實上，課堂時間並不能像許多專家所認為的那樣很好地預測學生的成績。新教師的熟練程度通常在幾年內提高，然後趨於平穩。擁有經驗非常豐富的教師的學生與像貝魯奇這樣在課堂上工作了三年的教師的學生之間的成績差異很小。研究生學位也與課堂上的更高績效無關。分析師懷疑這是因為 90% 的學位是普通教育碩士學位，而不是特定學科領域的碩士學位。相反，幾項研究表明，教師擁有數學高階學位的學生的數學成績更高。
“一個完全混亂的系統”
立法變革並非易事。自 2001 年前總統喬治·W·布什的《不讓一個孩子掉隊法案》透過以來，各州一直被鼓勵聘請具有所教科目學位的教師。然而，截至 2008 年，所有年級的科學和數學教師中，只有約 25% 的人擁有數學或科學系或學校授予的本科或研究生學位。這部分是由於教師保留率差。每年，在 477,000 名數學和科學教師隊伍中，有 25,000 名教師離開該行業，其中近三分之二的人表示對工作不滿意。為了填補空缺，每個州都制定了自己的“替代”和“緊急”聘用規則和條例，其中一些人接受了良好的培訓，而另一些人則沒有。國家教師質量委員會主席凱特·沃爾什說：“這是一個完全混亂的系統。總結美國教師教育專案的最好方式就是一切皆有可能”。
總的來說，教師資格認證標準在各州之間仍然差異很大。馬薩諸塞州的一些有抱負的小學教師被要求參加專為教師設計的嚴格數學課程，並在旨在探究深入內容知識的嚴格考試中取得好成績。根據國家教師質量委員會的資料，在其他州，包括阿肯色州和內華達州，未來的教師只需要重複他們在高中時學過的一門課程，或者一門主要旨在緩解他們的數學焦慮而不是提高他們對內容的掌握程度的課程。
這種型別的培訓與高成就國家提供的培訓相比相形見絀。2007 年對 16 個國家未來中小學數學教師的內容知識進行的一項研究發現，未來的美國教師的數學知識不如他們的許多同行。新加坡、德國、臺灣和韓國的幾乎所有未來中學教師都學習過線性代數和基本微積分課程，而美國未來教師中只有大約一半學習過這些基礎課程。在代數知識方面，美國教師得分墊底。其中一個原因是，對於什麼是高質量的數學或任何其他學科的教師預備課程，人們沒有達成共識。密歇根州立大學的威廉·施密特說：“一些[美國師範學院]可以與世界上最好的師範學院相媲美，他指導了美國部分的調查。“但有些更像波札那的師範學院。我們有這樣的範圍”。
同樣令人不安的是該調查的發現，即在未來教師數學知識方面排名最低的美國教師預備課程往往位於大型公立大學，而這些大學培養的教師人數最多。“分佈的後四分之一——學生的數學知識不多的學院——培養了超過一半的未來中學數學教師，”施密特說。“各州需要關閉那些工作做得非常糟糕的機構。
改革之路
有理由感到樂觀。在公司和非營利組織的資金湧入的幫助下，一些州正在開展雄心勃勃的改革議程，並得到了備受尊敬的教師培訓專案的擴充套件。在過去的幾年裡，路易斯安那州最好的數學教師（該州正處於教師培訓專案重大改革的中間階段）一直來自美國教師團，這是一個競爭激烈的全國性專案，該專案招募全國頂尖大學的頂尖畢業生，承諾在師資短缺的學校任教兩年。路易斯安那州董事會教師教育倡議副專員珍妮·伯恩斯說，美國教師團的學員在數學方面的高考成績高於大多數教師，一些資料表明，更高的分數與更高的效率相關。對田納西州和北卡羅來納州學校的美國教師團的研究也顯示了科學學生成績的類似積極成果。到目前為止，只有大約三分之一的美國教師團成員專門從事科學或數學，但這即將改變。今年 2 月，該組織承諾到 2015 年為其服務的 31 個州招募 11,000 名新的數學和科學教師。缺點是，美國教師團的許多學員在僅僅幾年後就退出了教學崗位。
UTeach 是一個保留優秀教師的典範專案，這是一個創新型教師培訓專案，起源於 20 世紀 90 年代末的德克薩斯大學奧斯汀分校。其目標是培養更多具有深厚學科知識的科學和數學教師。它透過為數學或科學專業的大學新生提供兩個由導師授課的免費學期制教學研討會來實現這一目標。五年後，其 82% 的教師仍在課堂上任教。UTeach 將如此高的數字歸功於它從一開始就為學生提供了大量的真實課堂時間，“這樣他們就可以決定自己是否喜歡教學，”德克薩斯大學奧斯汀分校自然科學系前院長瑪麗·安·蘭金說，她幫助啟動了這個專案。“有些人一旦有了非常有趣的經歷，並看到教學是多麼有益，就會被吸引住。”四年結束時，學員畢業時將獲得科學或數學領域的學士學位，以及教師資格認證所需的所有課程。
UTeach 贏得了美國國家研究委員會以及許多其他團體的認可，並吸引了足夠的非營利組織和公司資金來幫助其擴充套件。在過去的三年裡，提供該專案的校區數量增加了兩倍，達到 14 個州的 30 個。（大多數校區都建立了自己版本的詼諧名稱：堪薩斯大學的版本是 UKanTeach。）與此同時，去年成為國家數學和科學倡議總裁兼執行長的蘭金已承諾繼續擴大規模。她的目標：到 2015 年，UTeach 培養 4,000 名 STEM（science，technology，engineering 或 mathematics）教師。
其他教師培訓專案透過在其職業生涯後期招募具有深厚數學和科學背景的專業人士而取得了成功。新教師專案 (TNTP) 專注於 20 多歲和 30 多歲的那些“早期職業選擇錯誤”的人，他們轉行從事教學的機會成本仍然較低，TNTP 總裁蒂姆·戴利說。該專案是由華盛頓特區前學校主管米歇爾·裡伊發起的一個替代性培訓組織，向其研究員提供免費教師培訓，然後他們繼續攻讀有補貼的教育學碩士學位，同時進行教學。他們所有的數學和科學教師都像貝魯奇一樣，在自己的學科領域擁有深厚的背景。
“我們過去認為，會有很多人辭掉工作回到學校，在那裡他們會貸款支付碩士課程的費用，以便他們可以成為一名教師，並在另一端獲得微薄的收入。這種情況並不多見，”戴利說。“我們發現，招募人員的最佳時機是在 25 歲到 35 歲之間。他們剛剛開始職業生涯幾年，並且擁有數學或科學技能，並且渴望將教學作為一種職業而不是短期經歷。這些人擅長這些科目，並且積極性高、以使命為導向，並且願意在急需教師的學校任教。”
雖然 TNTP（與美國教師團一樣）因其壓縮的培訓時間表而受到師範學院倡導者的批評，但戴利表示，招募具有深厚內容知識的人員的替代性專案是 STEM 解決方案的重要組成部分。“如果你不提供替代性認證，會有人自願做這件事嗎？”他問道。“我認為答案是否定的——當他們有抵押貸款和家庭要養活時，沒有人會承擔中年經濟困難回到學校成為一名教師。對這樣做感興趣的人數為零。”
向“超級明星”教師學習
隨著教育工作者和研究人員更多地瞭解吸引和培訓教師的最佳方法，他們也在制定更好的留住教師的方案。範德比爾特大學公共政策與教育學助理教授馬修·G·斯普林格說，薪酬可能不如人們想象的那樣是一個明確的激勵因素。“關於績效工資計劃的嚴格研究只有少數，”斯普林格說，“你可以設計它們的不同方式的數量是巨大的。我們只測試了幾種模型。”但是，他補充說，美國教育部“學校和教職工調查”顯示，找到一名優秀的數學或科學教師的難度大約是找到一名小學教師的兩倍，“人們可能會得出結論，這可能源於市場驅動的薪酬不足。”越來越清晰的是，優秀的培訓和工作滿意度是密切相關的。圖森 BASIS 學校的校長朱莉婭·託伊斯使用有競爭力的薪酬、持續發展和定期反饋相結合的方式來保持員工的積極性，這所擁有 700 名學生的特許學校在科學和數學方面在全國表現最好的學校中名列前茅。她的教師往往來自學術界、研究生和博士後學生，他們認為自己更喜歡教學而不是進行研究。
託伊斯很快補充說，擁有科學或數學高階學位並不能保證任何人都能找到工作。“每位教師[申請人]都必須進行教學演示，而我每觀看五次演示，就會聘用一位，”她說。一旦申請人被聘用，學校就會提供持續的教師發展和關於教師績效的定期反饋，並支付高於當地學區和私立學校的工資。託伊斯觀察到，憑藉良好的業績，“教師獲得了很大的權威和自由以及創造力。”“我們讓人們想留下來。
Uncommon Schools 的萊莫夫同意，培訓不足可能是許多教師過早離開該行業的原因。“誰不認識很多曾經當過教師但現在是房地產經紀人的人？”他問道。“沒有正確的培訓，他們就不會成功。當有人決定從事教學時，他們知道自己可能拿不到高薪，但他們認為自己會做出改變。如果他們最終離開，那是因為他們沒有做出改變。這實際上是世界上最艱難的工作之一。我們必須為從事這項工作的人提供更好的工具。”
這些工具可能是什麼樣的？換句話說，用白宮的話來說，什麼是“培養和激勵”學生的具體技巧？國家研究委員會 2010 年的一份報告“培養教師”的作者寫道，在這方面，特別是科學教學方面，幾乎沒有確鑿的研究。專家們一致認為，學生需要事實知識、實踐科學探究的機會以及對“科學本質”的理解，後者指的是科學家如何收集和理解新資訊。在數學方面有更好的資料。學生既需要記住乘法表等事實，又需要在掌握更高階的數學知識之前，深入思考概念性知識。還有“一些證據”支援使用合作學習和個別評估來定製學生教學。但在應該教什麼方面比在教這些材料的最佳方法方面有更多的共識。
改變現狀的努力正在進行中。密歇根大學教育學院院長黛博拉·L·鮑爾十多年來一直致力於確定新教師在準備好接管課堂之前需要的具體技能。她幫助建立的專案“數學教學知識”旨在教會新教師準確診斷學生感到困惑的原因，保持課堂注意力，並組裝一個工具箱，其中包括，例如，解釋分數的各種策略。鮑爾說，她自己在課堂上的經驗以及她作為研究人員的多年經驗使她確信，認為優秀的教學是“直覺的”是“非常誤導的”。
範德比爾特的保羅·科布說，在數學教學知識技能方面得分高的教師比在直接數學測試中表現良好的教師更有可能培養出成功的學生，他向自己的學生和希望提高水平的有經驗的教師傳授這些策略。科布與麥吉爾大學的同事卡拉·傑克遜一起，透過培訓有經驗的教師使用這些相同的技巧，看到了學生學習水平的顯著提高。但他承認，這些小組規模很小——每次 12 到 15 人——而且這項工作花費了一年多的時間。現在的挑戰是如何將這種培訓推廣到更大規模。“我們知道有一些優秀的學校，”科布說。“我們有興趣建立優秀的學區。
萊莫夫也確定了 49 種技巧，用他的話說，這些技巧“將偉大的教師與僅僅優秀的教師區分開來”。他花了多年時間觀察超級明星教師，並專注於使他們高效的具體、可複製的特徵。首先，萊莫夫的團隊專注於如何使閱讀教學更有效，現在它正在數學和科學方面做同樣的事情，培養像貝魯奇這樣的教師。該團隊迄今為止注意到的因素包括：不讓學生逃脫責任（回到最初回答錯誤的學生，以確保他們理解正確的答案）和使錯誤正常化（向學生展示在獲得正確答案之前犯錯是正常的）。
力爭達到頂峰
雖然關於徹底改革數學和科學教師培訓的最佳方法的爭論仍在繼續，但奧巴馬政府已承諾繼續從宣傳平臺以及財政部層面推動 STEM 教育。其“力爭上游”計劃（一系列獎勵教育改革最雄心勃勃的州數十億美元額外聯邦援助資金的全國性競賽）促使各州徹底改革其教師評估計劃，並使 BASIS 和 Uncommon Schools 等特許學校更容易開辦，並使受過替代性培訓的教師（如來自美國教師團和 TNTP 的教師）更容易被聘用。競賽鼓勵各州在招募具有更強核心掌握能力的 STEM 教師方面做得更多，並將學生成績與教育學校改革聯絡起來。刺激資金也已提供給學校，用於更新其科學實驗室，聯邦資金正在資助諸如羅伯特·諾伊斯教師獎學金計劃之類的專案，該計劃為大學環境中頂尖科學和數學畢業生的教師培訓付費。即便如此，政府部門也知道它需要做更多的事情。
這就是政府官員正在與紐約卡內基公司密切合作開展他們所謂的“100Kin10”努力的原因之一。在過去一年中，他們成功地吸引了 100 多個政府、企業和非營利組織加入這項事業，並在第一輪籌款中從包括比爾及梅琳達·蓋茨基金會、谷歌和邁克爾及蘇珊·戴爾基金會在內的團體中籌集了 2400 萬美元。他們向捐助者承諾，這筆資金的投資將僅限於那些已經證明其有效性的教師培訓專案，這些專案已經過芝加哥大學研究人員的審查。（到目前為止，UTeach 和美國教師團是已被批准投資的數十個專案之一，加州州立大學、亞利桑那州立大學、密歇根州立大學、波士頓學院和伍德羅·威爾遜國家獎學金基金會也是如此。）
毫無疑問，這項事業正在創造熱度和光芒，其倡導者堅稱，這一次，我們將看到真正的進步。“我們知道這是必要的，我們知道這是可能的，而且對於足夠多的孩子來說，這種情況還不夠普遍，”負責卡內基 STEM 教師倡議的塔利亞·米爾格羅姆-埃爾科特說。“我們可以透過動員全國各地足夠多的人做出決定，用他們自己的資源、專業知識和當地知識加入我們來實現這一目標。我們可以共同努力實現這一目標。”
儘管還有很長的路要走，但對於這項努力的重要性，毫無爭議。