安娜·費舍爾當時正在主持一個關於幼兒注意力和分心問題的本科生研討會，她注意到教室的牆壁光禿禿的。這讓她想到了幼兒園教室，這些教室通常裝飾著令人愉悅的海報、彩色地圖、圖表和藝術品。她想知道，所有這些視覺刺激對孩子們有什麼影響，他們比她在卡內基梅隆大學的學生更容易分心。這些裝飾會影響孩子們的學習能力嗎？
為了找出答案，費舍爾的研究生卡里·戈德溫設計了一個實驗，物件是卡內基梅隆大學兒童學校（一所校園實驗室學校）的幼兒園學生。兩組各12名幼兒園學生坐在一個房間裡，房間輪流用戈德溫購買的物品裝飾或保持空曠，並在每種環境中聽三個關於科學的故事。研究人員用錄影記錄了學生們的表現，並在稍後記錄了每個孩子的注意力集中程度。在閱讀結束時，孩子們被問及他們聽到的內容。在空曠教室裡的孩子更可能集中注意力，並且在理解測試中得分更高。
像費舍爾這樣的數百個實驗是為美國課堂帶來更嚴謹科學的一部分努力。這場運動始於前總統喬治·W·布什的《不讓一個孩子掉隊法案》，並在巴拉克·奧巴馬總統的領導下得以延續。2002年，教育部成立了教育科學研究所（IES），以鼓勵研究人員追求被描述為“科學有效的研究”，特別是隨機對照試驗，IES的倡導者認為這是黃金標準。政府還建立了“什麼有效”資訊交換中心，為課堂教育工作者提供關於各種內容的成果資料庫，從特定課程的評估到循證教學技術。
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現在，研究人員正在使用新興技術和新的資料分析方法來建立即使在10年前也無法進行的實驗。攝像機跟蹤眼球運動以檢視學生將注意力集中在哪裡；皮膚感測器報告學生是否投入或感到厭煩。經濟學家已經找到了如何處理資料以模擬隨機試驗的方法——這些試驗在學校中通常難以且昂貴地實施。
許多新的研究超越了標準化測試的簡單指標，轉而研究正在進行中的學習。“我感興趣的是衡量真正重要的事情，”斯坦福大學教育研究生院助理教授保羅·布利克斯坦說。“我們一直在開發新技術和新的資料收集方法來捕捉過程。” 學生完成任務的質量只是實驗的一部分；研究人員還記錄學生的目光注視、皮膚電反應以及與同學的交流等。布利克斯坦稱這種方法為“多模態學習分析”。
新的方法論已經透過發現教師不能僅僅根據他們的學歷來評判，課堂規模並非總是最重要的，以及如果學生努力完成課堂作業，他們實際上可能會更投入，從而挑戰了廣泛持有的信念。儘管這些研究尚未提出能夠治癒美國學校所有弊病的“靈丹妙藥”，但這些發現開始填補教育這個極其複雜的難題中的一些空白。
尋找規律
發人深省的問題正在產生一些最令人驚訝的結果。在一系列針對初中生和高中生的實驗中，布利克斯坦正試圖透過超越相對原始的工具（如選擇題測試）來評估學生的知識，從而瞭解教授數學和科學的最佳方法。“在工程和科學中發生了很多事情都是失敗，”他說。“你嘗試了一些東西，它不起作用，然後你重新評估你的想法；你回去用一套新的想法再試一次。” 這就是他希望用這些新工具捕捉到的過程之一：“我們把孩子們帶到實驗室，我們進行研究，告訴他們構建某種工程或科學專案。” 研究人員在實驗室裡，有時在孩子們身上安裝感測器。然後他們收集資料並分析它們以尋找規律。“人們的學習方式有很多與直覺相反的地方，”布利克斯坦指出。“我們喜歡揭示我們擁有的直覺有時是錯誤的。”
“發現式”學習，即學生自己發現事實，而不是直接從老師那裡獲得，最近很流行；布利克斯坦和他在 FabLab@School（布利克斯坦於 2009 年建立的教育工作室網路）的同事正試圖深入瞭解學生真正需要多少或多少的指導。家長可能不喜歡看到他們的孩子在學校感到沮喪，但布利克斯坦說，“有一些程度的挫敗感和失敗是非常有成效的，是非常好的學習方式。” 在一組研究中，他和他的同事試圖找出學生是先聽講座還是先進行探索性活動，哪種方式能學到更多關於科學主題的知識。先聽講座被稱為“先講後練”，他說。“先告訴你，然後你練習。” 學生被分成兩組：一組從講座開始，另一組從探索性活動開始。研究人員在幾項研究中重複了實驗，發現結果相當一致：先練習的學生比先聽講座的學生表現好 25%。 “這裡的想法是，如果你先聽講座，而你還沒有自己探索過這個問題，你甚至不知道講座正在回答什麼問題，”布利克斯坦說。
新的工具和資料分析方法使教育研究更加高效和精確。康奈爾大學管理與政策教授喬丹·松代拉幫助復興了一種舊的研究工具，並用它來研究暑期學校的有效性以及聯邦專案 Title I（針對一定比例低收入學生的學校）的資助效果。該方法被稱為迴歸不連續性分析，它比較特定閾值兩側的兩組學生。例如，在關於暑期學校的研究中，松代拉比較了考試分數剛好高於使他們有資格參加暑期學校水平的學生和那些剛好低於該水平的學生，以檢視額外的教育是否提高了學生的考試分數。該設計用於模擬隨機對照試驗。
他的結論：暑期學校可能是一種比縮小班級規模更具成本效益的提高考試分數的方法。
在 Title I 研究中，松代拉比較了剛好高於獲得聯邦資金所需限額的學校和那些剛好低於該限額的學校。他發現，這筆錢對最有可能受到影響的學生的學業成績沒有產生太大影響。但它也說明了研究設計的一些侷限性。貧困學生比例更高的學校可能從額外資金中獲得更大的益處。同樣有可能的是，如此接近閾值的學校會將這筆錢用於一次性支出，而不是長期投資，因為他們不能確定他們的人口會保持不變，並且他們將繼續有資格獲得未來的聯邦援助。
其他研究人員正在挖掘資料以跟蹤許多學生隨著時間的推移的進步。哥倫比亞大學教師學院副教授、國際教育資料探勘協會主席瑞安·貝克回憶說，當他在 2000 年代初攻讀博士學位時，他每天早上 6 點起床開車去一所學校，在那裡他會花一整天的時間站著，用剪貼簿做筆記。快進十年，貝克的工作例程看起來非常不同。他和他的同事最近完成了一項由國家科學基金會資助的為期七年的縱向研究，研究了數千名初中生如何使用名為 ASSISTments 的網路數學輔導程式的日誌檔案。然後，研究人員跟蹤了學生是否上了大學，如果上了大學，他們上了哪所選擇性大學，以及他們主修了什麼專業，以檢視他們是否可以在學生使用該軟體與其後來的學業成就之間建立聯絡。
“大資料使我們能夠長期觀察，並且能夠非常細緻地觀察，”貝克說。他和他的同事特別感興趣的是瞭解那些“玩弄”系統（試圖在不遵循所有步驟的情況下完成一組特定問題）的學生會發生什麼。“你是否有意濫用教育軟體來完成學習，比你上課的次數更能預測你是否會上大學，”他說。事實證明，玩弄簡單的問題不如玩弄更難的問題那麼有害。玩弄簡單問題的學生可能只是感到無聊，而玩弄更難問題的學生可能沒有理解材料。貝克認為，這種資訊最終可以幫助教師和輔導員不僅找出哪些學生有學業問題的風險，還可以找出他們有風險的原因以及可以做些什麼來幫助他們。
建立證據基礎
新的研究正在幫助建立一個長期以來在教育領域缺失的證據基礎。IES 創始主任格羅弗·懷特赫斯特回憶說，當他在 2002 年，即《不讓一個孩子掉隊法案》生效後不久開始工作時，一個主要由少數族裔組成的學區的負責人請他推薦一種已被證明對他的學生有效的數學課程。“我說，‘沒有’，”懷特赫斯特說。“他簡直不敢相信法律要求他將他所做的一切都基於科學研究，但實際上根本沒有。” 懷特赫斯特指出，那位負責人絕非孤例，他現在是布魯金斯學會教育政策布朗中心主任和高階研究員。“實際上，很少有研究能夠真正滿足政策制定者和教育工作者的需求。它主要是由學者和教育學院撰寫的研究，供學者和教育學院閱讀。僅此而已。”
許多研究人員會不同意這種嚴厲的評估。然而，這種批評促使學術界審查和解釋其方法和使命。在 IES 的早期，懷特赫斯特和其他人經常將教育科學與藥物研究進行比較，表明研究學校的人應該像製藥研究人員測試新藥一樣測試課程或學習實踐。透過該測試的策略和課程將被納入“什麼有效”資訊交換中心。
IES 現任主任、芝加哥大學前教育研究員約翰·伊士頓認為，資訊交換中心作為政府審查學區可能感到有壓力要購買的產品的一種方式尤其有用。“我認為這是一個非常有價值的來源，一個值得信賴的來源，您可以在這裡找到是否有任何證據表明這種商業產品有效，”他說。該資訊交換中心現在收錄了 500 多份報告，總結了關於幼兒數學教學、小學寫作和幫助學生完成大學申請流程等主題的當前發現。它還審查了數十萬份報告，以幫助區分最優質的研究和較弱的研究，包括關於特許學校和績效工資對教師的有效性等主題的研究，這些研究為正在進行的關於這些問題的辯論提供了資訊。
懷特赫斯特說，政府強調嚴謹科學的最重要貢獻之一是高質量教師定義的巨大變化。過去，質量是由特定學位或資格認證等證書定義的。現在，他斷言，“它關乎在課堂上的有效性，透過觀察和教師提高考試分數的能力來衡量。” 儘管關於如何評估個別教師的有效性仍然存在重大爭議，但懷特赫斯特認為，這種方法的變化是由研究界，特別是經濟學家推動的，“他們之所以接觸到這個話題，是因為突然之間有了資源——資料資源和研究支援資源。”
許多研究人員抱怨說，IES 對隨機對照試驗的強調忽視了其他可能有效的方法。例如，學區的案例研究可以像商學院使用公司案例研究一樣描述實踐中的學習實踐。“目前的圖景實際上是一個方法論的生態系統，這是有道理的，因為教育是一個複雜的現象，如果有的話——在科學意義上是複雜的，”喬治梅森大學教育心理學教授安東尼·凱利說。伊士頓說，他仍然認為隨機對照試驗是該過程的重要組成部分，但不一定是“最終事件”。他認為，試驗也可能在開發教育干預措施的早期階段有用，以檢視某些措施是否有效且值得進一步研究。
從實驗室到課堂
將這種新科學引入學校仍然是一個挑戰。“與許多其他領域一樣，教育研究的事情是，這些通常是漫長的工作軌跡，”國家科學基金會教育和人力資源理事會助理主任瓊·費里尼-蒙迪說。“任何短期內的單一研究都不太可能產生影響。” 實驗室和課堂之間也存在長期障礙。過去，許多研究人員認為為他們的工作尋找現實世界的應用不是他們的工作。而且，大多數教育工作者認為，他們在課堂上獲得的專業知識通常勝過研究人員可以告訴他們的任何事情。
“什麼有效”資訊交換中心本應幫助彌合這一差距，但在 2010 年，美國政府問責辦公室發現，只有 42% 的受訪學區聽說過它。美國政府問責辦公室的調查還發現，只有大約 34% 的學區至少訪問過資訊交換中心網站一次，而經常使用的學區則更少。在 2013 年 12 月的更新報告中，美國政府問責辦公室表示，傳播仍然存在問題。隨著共同核心州立標準的實施，這種需求現在更加迫切。出版商正在積極推銷聲稱符合新標準的課程，但學區採購官員不能僅僅訪問資訊交換中心並搜尋經過測試的共同核心課程。相反，他們必須搜尋關於他們正在考慮的特定課程的研究——並非所有課程都在資料庫中。
伊士頓和其他人已經承認需要建立更好的學校渠道。作為解決方案的一部分，資訊交換中心釋出了 18 份“實踐指南”，闡述了關於諸如教授正在學習英語的學生或向幼兒教授數學等主題的已知資訊。每份指南都由一個小組編寫，該小組彙集了研究人員、教師和學校管理人員。早期數學小組的成員、卡內基梅隆大學兒童學校主任心理學教授莎倫·卡弗說，實踐指南也可能指導未來的研究。她敦促她的研究生閱讀與其領域相關的指南，並尋找需要更多探索的領域。
每個研究問題都是試圖拼湊一個非常大的拼圖的另一塊。“我不認為你可以從它是否有效或無效的角度來看待教育，就好像它是一個燈泡一樣，”費城郊區非營利組織 21 世紀 STEM 教育夥伴關係總裁約瑟夫·梅利諾說。“我不認為人類知識是那樣的……在機械時代，我們習慣於機械地思考事物。它有效嗎？你能修好它嗎？我不認為你能修好教育，就像你不能修好你的番茄植株一樣。你培養它。你培育它。”
梅利諾的組織管理了一項為期五年、由 IES 資助的隨機對照研究，研究將認知科學的四個原則應用於初中科學教學的有效性。賓夕法尼亞州和亞利桑那州共有 180 所學校被隨機分配修改或未修改的課程。該研究的一部分基於關於人們如何從圖表中學習的認知科學研究。梅利諾說，研究人員瞭解到，圖形藝術家可能會放入圖表中以使其引人注目的某些東西——例如大量的顏色——實際上會分散學習注意力。研究人員還發現，學生需要閱讀圖表的指導。這是可以融入新教科書設計的那種結果。教師還可以花時間解釋圖中不同符號的含義，例如箭頭或剖檢視。
讓教育工作者成為研究過程的重要組成部分也可以將結果引入課堂。教師通常覺得他們從經驗中獲得的專業知識被忽視了，相反，他們每隔幾年就會得到一套新的、據稱是基於證據的課程，但沒有太多解釋為什麼新課程比舊課程好得多。過去，研究人員通常不認為向教師解釋他們的工作是他們的職責。坦普爾大學心理學教授、空間智慧與學習中心首席研究員諾拉·紐科姆說，這種情況正在發生變化。“我認為人們真的開始意識到，如果你使用聯邦納稅人的錢，你就應該分享你的知識。”
知識交流可以是雙向的。在賓夕法尼亞州和亞利桑那州的科學課程研究中，教師參與了實驗的初步設計。“他們更像是特級教師，”紐科姆說。“他們教書，他們給我們反饋，”她補充道。由於這項研究發生在實際的學校而不是實驗室，研究人員在工作進行過程中培訓了課堂教師。
其他研究人員指出了芬蘭的模式，根據帕西·薩爾伯格的說法，教育理論、研究方法和實踐都是教師教育的重要組成部分，他在 2011 年撰寫了《芬蘭的教訓》，講述了該國如何重建其教育系統並躋身國際數學和識字率排名的前列。在某些方面，與美國學校的比較是不公平的，因為芬蘭是一個更加同質化的國家。但紐科姆認為，美國教師培訓應包括認知科學的最新發展。在許多教師教育專案中，學生“被教授的心理學不僅落後 10 年，而且更像是落後 40 年”，她說。這種基本的基礎可以幫助教師評估新研究的重要性，並找到將其融入課堂的方法。“你不可能真正為課堂上發生的一切編寫指令碼，”紐科姆說。“如果你的腦海中有一些關於你在那些即時時刻所做的事情的原則，你可以做得更好。”