在纽约州特洛伊市一个破旧区域的翻新仓库里，25岁的凯蒂·贝鲁奇吸引了27名五年级学生的专注力。他们正在唱歌、跺脚、拍手和挥舞双手——比你期望的比例和分数要兴奋得多。全班同学正在一起解决一道文字题，题目涉及一支虚构的篮球队，其胜负比为 9:3。输的场次与总比赛场次的比率是多少？贝鲁奇让每个人都参与到分解过程（“我们首先需要做什么？”）中。一旦全班得出一个分数——胜场加输场，除以输场，或 (9 + 3)/3——她鼓励他们约分。“好的，谁知道最大公约数？”她说，指的是最大公约数。她在过道里快速穿梭，哄劝一个学生，然后又哄劝另一个学生，再提供一块解决方案。学生们紧盯着她的每一个动作，知道她可能会点到他们，即使他们没有举手。“我看到了如此多的灵感和如此多的勤奋，”她说。如果一个答案来得容易，她会继续追问那个学生，并询问答案背后的原因和理由。铃声响起，当孩子们排队出去吃午饭时，每个人都交给贝鲁奇一张“出门票”——两个例证当天核心课程的问题的答案，贝鲁奇将仔细审查这些答案，以确定全班是否掌握了当天的目标。
特洛伊预备学校是贝鲁奇任教的学校，即使其绝大多数学生来自低收入家庭，但它也是纽约州表现较好的公立学校之一。2011年，即该校开办的第二年，74% 的五年级学生在纽约州数学考试中达到了“熟练”水平，而全州五年级学生的这一比例仅为 66%。更令人印象深刻的是，在学校学习两年后，特洛伊预备学校 100% 的六年级学生都达到了熟练水平。这所学校取得成功的原因是什么？特洛伊预备学校所属的 Uncommon Schools Charter Network 的领导者道格·莱莫夫毫不犹豫地说：像贝鲁奇这样杰出的、训练有素的教师。
近年来，越来越多的研究表明，优秀的教师是提高所有科目学生成绩的最重要变量。一位优秀的教师胜过社会经济地位、班级规模、课程设计和家长教育水平等因素。斯坦福大学的埃里克·哈努谢克表明，高效教师的学生取得的学业进步是才华较低的教师的学生的学业进步的三倍左右，而与学生的背景无关。这正是数学和科学教育的问题所在：像贝鲁奇这样的教师太少了。教师流失率很高，而教育系统奖励现有教师的原因却不对。
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这场危机并非没有引起注意。自俄罗斯人在 1957 年发射人造卫星以来，美国的政策制定者、教育工作者和企业界人士从未如此关注改善数学和科学教育。美国的经济衰退以及中国日益增强的竞争力（包括其学生在国际测试中的高分）促使他们采取行动。从总统巴拉克·奥巴马到下层的主要参与者都在将美国在科学和数学教育方面的落后表现描述为对该国未来竞争力的严重威胁。根据今年早些时候发布的两次“国家成绩单”测试的结果，只有 32% 的美国八年级学生精通科学，35% 的学生精通数学。与此同时，上海学生在 2010 年国际学生评估项目数学和科学测试中获得了最高分，而美国学生则稳居中游。为了帮助缩小差距，奥巴马总统已提议为我们的学校系统注入新鲜血液。他的处方是：优先在 2020 年之前培养 10 万名高效的数学和科学教师，并提高所有 50 个州的学习标准[参见第 12 页“美国能否在科学方面获得“A”？”科学议程]。总统在去年的国情咨文中说：“保持我们在研究和技术方面的领先地位对于美国的成功至关重要。”“但是，如果我们想赢得未来——如果我们想让创新在美国而不是海外创造就业机会——那么我们也必须赢得教育我们孩子的竞赛。”
的确，在美国白宫的推动下，美国似乎正在开展一项全国性实验，探讨如何鼓励更有效的数学和科学教学。越来越多的研究表明，我们过去认为我们对如何培养和奖励教师的了解是错误的。例如，根据传统观念，贝鲁奇的效率不应该达到她现在效率的一半。在来到特洛伊预备学校之前，她没有课堂经验，也没有获得教育学硕士学位。但她确实拥有，而且研究表明更重要的是，她对自己的学科领域有很强的掌握能力：她拥有应用数学学士学位，并在转行之前曾在一家工程公司处理数字。
然而，在大多数学区，教师的加薪和退休福利都与经验和教育学研究生学位挂钩。事实上，课堂时间并不能像许多专家所认为的那样很好地预测学生的成绩。新教师的熟练程度通常在几年内提高，然后趋于平稳。拥有经验非常丰富的教师的学生与像贝鲁奇这样在课堂上工作了三年的教师的学生之间的成绩差异很小。研究生学位也与课堂上的更高绩效无关。分析师怀疑这是因为 90% 的学位是普通教育硕士学位，而不是特定学科领域的硕士学位。相反，几项研究表明，教师拥有数学高级学位的学生的数学成绩更高。
“一个完全混乱的系统”
立法变革并非易事。自 2001 年前总统乔治·W·布什的《不让一个孩子掉队法案》通过以来，各州一直被鼓励聘请具有所教科目学位的教师。然而，截至 2008 年，所有年级的科学和数学教师中，只有约 25% 的人拥有数学或科学系或学校授予的本科或研究生学位。这部分是由于教师保留率差。每年，在 477,000 名数学和科学教师队伍中，有 25,000 名教师离开该行业，其中近三分之二的人表示对工作不满意。为了填补空缺，每个州都制定了自己的“替代”和“紧急”聘用规则和条例，其中一些人接受了良好的培训，而另一些人则没有。国家教师质量委员会主席凯特·沃尔什说：“这是一个完全混乱的系统。总结美国教师教育项目的最好方式就是一切皆有可能”。
总的来说，教师资格认证标准在各州之间仍然差异很大。马萨诸塞州的一些有抱负的小学教师被要求参加专为教师设计的严格数学课程，并在旨在探究深入内容知识的严格考试中取得好成绩。根据国家教师质量委员会的数据，在其他州，包括阿肯色州和内华达州，未来的教师只需要重复他们在高中时学过的一门课程，或者一门主要旨在缓解他们的数学焦虑而不是提高他们对内容的掌握程度的课程。
这种类型的培训与高成就国家提供的培训相比相形见绌。2007 年对 16 个国家未来中小学数学教师的内容知识进行的一项研究发现，未来的美国教师的数学知识不如他们的许多同行。新加坡、德国、台湾和韩国的几乎所有未来中学教师都学习过线性代数和基本微积分课程，而美国未来教师中只有大约一半学习过这些基础课程。在代数知识方面，美国教师得分垫底。其中一个原因是，对于什么是高质量的数学或任何其他学科的教师预备课程，人们没有达成共识。密歇根州立大学的威廉·施密特说：“一些[美国师范学院]可以与世界上最好的师范学院相媲美，他指导了美国部分的调查。“但有些更像博茨瓦纳的师范学院。我们有这样的范围”。
同样令人不安的是该调查的发现，即在未来教师数学知识方面排名最低的美国教师预备课程往往位于大型公立大学，而这些大学培养的教师人数最多。“分布的后四分之一——学生的数学知识不多的学院——培养了超过一半的未来中学数学教师，”施密特说。“各州需要关闭那些工作做得非常糟糕的机构。
改革之路
有理由感到乐观。在公司和非营利组织的资金涌入的帮助下，一些州正在开展雄心勃勃的改革议程，并得到了备受尊敬的教师培训项目的扩展。在过去的几年里，路易斯安那州最好的数学教师（该州正处于教师培训项目重大改革的中间阶段）一直来自美国教师团，这是一个竞争激烈的全国性项目，该项目招募全国顶尖大学的顶尖毕业生，承诺在师资短缺的学校任教两年。路易斯安那州董事会教师教育倡议副专员珍妮·伯恩斯说，美国教师团的学员在数学方面的高考成绩高于大多数教师，一些数据表明，更高的分数与更高的效率相关。对田纳西州和北卡罗来纳州学校的美国教师团的研究也显示了科学学生成绩的类似积极成果。到目前为止，只有大约三分之一的美国教师团成员专门从事科学或数学，但这即将改变。今年 2 月，该组织承诺到 2015 年为其服务的 31 个州招募 11,000 名新的数学和科学教师。缺点是，美国教师团的许多学员在仅仅几年后就退出了教学岗位。
UTeach 是一个保留优秀教师的典范项目，这是一个创新型教师培训项目，起源于 20 世纪 90 年代末的德克萨斯大学奥斯汀分校。其目标是培养更多具有深厚学科知识的科学和数学教师。它通过为数学或科学专业的大学新生提供两个由导师授课的免费学期制教学研讨会来实现这一目标。五年后，其 82% 的教师仍在课堂上任教。UTeach 将如此高的数字归功于它从一开始就为学生提供了大量的真实课堂时间，“这样他们就可以决定自己是否喜欢教学，”德克萨斯大学奥斯汀分校自然科学系前院长玛丽·安·兰金说，她帮助启动了这个项目。“有些人一旦有了非常有趣的经历，并看到教学是多么有益，就会被吸引住。”四年结束时，学员毕业时将获得科学或数学领域的学士学位，以及教师资格认证所需的所有课程。
UTeach 赢得了美国国家研究委员会以及许多其他团体的认可，并吸引了足够的非营利组织和公司资金来帮助其扩展。在过去的三年里，提供该项目的校区数量增加了两倍，达到 14 个州的 30 个。（大多数校区都创建了自己版本的诙谐名称：堪萨斯大学的版本是 UKanTeach。）与此同时，去年成为国家数学和科学倡议总裁兼首席执行官的兰金已承诺继续扩大规模。她的目标：到 2015 年，UTeach 培养 4,000 名 STEM（science，technology，engineering 或 mathematics）教师。
其他教师培训项目通过在其职业生涯后期招募具有深厚数学和科学背景的专业人士而取得了成功。新教师项目 (TNTP) 专注于 20 多岁和 30 多岁的那些“早期职业选择错误”的人，他们转行从事教学的机会成本仍然较低，TNTP 总裁蒂姆·戴利说。该项目是由华盛顿特区前学校主管米歇尔·里伊发起的一个替代性培训组织，向其研究员提供免费教师培训，然后他们继续攻读有补贴的教育学硕士学位，同时进行教学。他们所有的数学和科学教师都像贝鲁奇一样，在自己的学科领域拥有深厚的背景。
“我们过去认为，会有很多人辞掉工作回到学校，在那里他们会贷款支付硕士课程的费用，以便他们可以成为一名教师，并在另一端获得微薄的收入。这种情况并不多见，”戴利说。“我们发现，招募人员的最佳时机是在 25 岁到 35 岁之间。他们刚刚开始职业生涯几年，并且拥有数学或科学技能，并且渴望将教学作为一种职业而不是短期经历。这些人擅长这些科目，并且积极性高、以使命为导向，并且愿意在急需教师的学校任教。”
虽然 TNTP（与美国教师团一样）因其压缩的培训时间表而受到师范学院倡导者的批评，但戴利表示，招募具有深厚内容知识的人员的替代性项目是 STEM 解决方案的重要组成部分。“如果你不提供替代性认证，会有人自愿做这件事吗？”他问道。“我认为答案是否定的——当他们有抵押贷款和家庭要养活时，没有人会承担中年经济困难回到学校成为一名教师。对这样做感兴趣的人数为零。”
向“超级明星”教师学习
随着教育工作者和研究人员更多地了解吸引和培训教师的最佳方法，他们也在制定更好的留住教师的方案。范德比尔特大学公共政策与教育学助理教授马修·G·斯普林格说，薪酬可能不如人们想象的那样是一个明确的激励因素。“关于绩效工资计划的严格研究只有少数，”斯普林格说，“你可以设计它们的不同方式的数量是巨大的。我们只测试了几种模型。”但是，他补充说，美国教育部“学校和教职工调查”显示，找到一名优秀的数学或科学教师的难度大约是找到一名小学教师的两倍，“人们可能会得出结论，这可能源于市场驱动的薪酬不足。”越来越清晰的是，优秀的培训和工作满意度是密切相关的。图森 BASIS 学校的校长朱莉娅·托伊斯使用有竞争力的薪酬、持续发展和定期反馈相结合的方式来保持员工的积极性，这所拥有 700 名学生的特许学校在科学和数学方面在全国表现最好的学校中名列前茅。她的教师往往来自学术界、研究生和博士后学生，他们认为自己更喜欢教学而不是进行研究。
托伊斯很快补充说，拥有科学或数学高级学位并不能保证任何人都能找到工作。“每位教师[申请人]都必须进行教学演示，而我每观看五次演示，就会聘用一位，”她说。一旦申请人被聘用，学校就会提供持续的教师发展和关于教师绩效的定期反馈，并支付高于当地学区和私立学校的工资。托伊斯观察到，凭借良好的业绩，“教师获得了很大的权威和自由以及创造力。”“我们让人们想留下来。
Uncommon Schools 的莱莫夫同意，培训不足可能是许多教师过早离开该行业的原因。“谁不认识很多曾经当过教师但现在是房地产经纪人的人？”他问道。“没有正确的培训，他们就不会成功。当有人决定从事教学时，他们知道自己可能拿不到高薪，但他们认为自己会做出改变。如果他们最终离开，那是因为他们没有做出改变。这实际上是世界上最艰难的工作之一。我们必须为从事这项工作的人提供更好的工具。”
这些工具可能是什么样的？换句话说，用白宫的话来说，什么是“培养和激励”学生的具体技巧？国家研究委员会 2010 年的一份报告“培养教师”的作者写道，在这方面，特别是科学教学方面，几乎没有确凿的研究。专家们一致认为，学生需要事实知识、实践科学探究的机会以及对“科学本质”的理解，后者指的是科学家如何收集和理解新信息。在数学方面有更好的数据。学生既需要记住乘法表等事实，又需要在掌握更高级的数学知识之前，深入思考概念性知识。还有“一些证据”支持使用合作学习和个别评估来定制学生教学。但在应该教什么方面比在教这些材料的最佳方法方面有更多的共识。
改变现状的努力正在进行中。密歇根大学教育学院院长黛博拉·L·鲍尔十多年来一直致力于确定新教师在准备好接管课堂之前需要的具体技能。她帮助建立的项目“数学教学知识”旨在教会新教师准确诊断学生感到困惑的原因，保持课堂注意力，并组装一个工具箱，其中包括，例如，解释分数的各种策略。鲍尔说，她自己在课堂上的经验以及她作为研究人员的多年经验使她确信，认为优秀的教学是“直觉的”是“非常误导的”。
范德比尔特的保罗·科布说，在数学教学知识技能方面得分高的教师比在直接数学测试中表现良好的教师更有可能培养出成功的学生，他向自己的学生和希望提高水平的有经验的教师传授这些策略。科布与麦吉尔大学的同事卡拉·杰克逊一起，通过培训有经验的教师使用这些相同的技巧，看到了学生学习水平的显著提高。但他承认，这些小组规模很小——每次 12 到 15 人——而且这项工作花费了一年多的时间。现在的挑战是如何将这种培训推广到更大规模。“我们知道有一些优秀的学校，”科布说。“我们有兴趣创建优秀的学区。
莱莫夫也确定了 49 种技巧，用他的话说，这些技巧“将伟大的教师与仅仅优秀的教师区分开来”。他花了多年时间观察超级明星教师，并专注于使他们高效的具体、可复制的特征。首先，莱莫夫的团队专注于如何使阅读教学更有效，现在它正在数学和科学方面做同样的事情，培养像贝鲁奇这样的教师。该团队迄今为止注意到的因素包括：不让学生逃脱责任（回到最初回答错误的学生，以确保他们理解正确的答案）和使错误正常化（向学生展示在获得正确答案之前犯错是正常的）。
力争达到顶峰
虽然关于彻底改革数学和科学教师培训的最佳方法的争论仍在继续，但奥巴马政府已承诺继续从宣传平台以及财政部层面推动 STEM 教育。其“力争上游”计划（一系列奖励教育改革最雄心勃勃的州数十亿美元额外联邦援助资金的全国性竞赛）促使各州彻底改革其教师评估计划，并使 BASIS 和 Uncommon Schools 等特许学校更容易开办，并使受过替代性培训的教师（如来自美国教师团和 TNTP 的教师）更容易被聘用。竞赛鼓励各州在招募具有更强核心掌握能力的 STEM 教师方面做得更多，并将学生成绩与教育学校改革联系起来。刺激资金也已提供给学校，用于更新其科学实验室，联邦资金正在资助诸如罗伯特·诺伊斯教师奖学金计划之类的项目，该计划为大学环境中顶尖科学和数学毕业生的教师培训付费。即便如此，政府部门也知道它需要做更多的事情。
这就是政府官员正在与纽约卡内基公司密切合作开展他们所谓的“100Kin10”努力的原因之一。在过去一年中，他们成功地吸引了 100 多个政府、企业和非营利组织加入这项事业，并在第一轮筹款中从包括比尔及梅琳达·盖茨基金会、谷歌和迈克尔及苏珊·戴尔基金会在内的团体中筹集了 2400 万美元。他们向捐助者承诺，这笔资金的投资将仅限于那些已经证明其有效性的教师培训项目，这些项目已经过芝加哥大学研究人员的审查。（到目前为止，UTeach 和美国教师团是已被批准投资的数十个项目之一，加州州立大学、亚利桑那州立大学、密歇根州立大学、波士顿学院和伍德罗·威尔逊国家奖学金基金会也是如此。）
毫无疑问，这项事业正在创造热度和光芒，其倡导者坚称，这一次，我们将看到真正的进步。“我们知道这是必要的，我们知道这是可能的，而且对于足够多的孩子来说，这种情况还不够普遍，”负责卡内基 STEM 教师倡议的塔利亚·米尔格罗姆-埃尔科特说。“我们可以通过动员全国各地足够多的人做出决定，用他们自己的资源、专业知识和当地知识加入我们来实现这一目标。我们可以共同努力实现这一目标。”
尽管还有很长的路要走，但对于这项努力的重要性，毫无争议。