安娜·费舍尔当时正在主持一个关于幼儿注意力和分心问题的本科生研讨会，她注意到教室的墙壁光秃秃的。这让她想到了幼儿园教室，这些教室通常装饰着令人愉悦的海报、彩色地图、图表和艺术品。她想知道，所有这些视觉刺激对孩子们有什么影响，他们比她在卡内基梅隆大学的学生更容易分心。这些装饰会影响孩子们的学习能力吗？
为了找出答案，费舍尔的研究生卡里·戈德温设计了一个实验，对象是卡内基梅隆大学儿童学校（一所校园实验室学校）的幼儿园学生。两组各12名幼儿园学生坐在一个房间里，房间轮流用戈德温购买的物品装饰或保持空旷，并在每种环境中听三个关于科学的故事。研究人员用录像记录了学生们的表现，并在稍后记录了每个孩子的注意力集中程度。在阅读结束时，孩子们被问及他们听到的内容。在空旷教室里的孩子更可能集中注意力，并且在理解测试中得分更高。
像费舍尔这样的数百个实验是为美国课堂带来更严谨科学的一部分努力。这场运动始于前总统乔治·W·布什的《不让一个孩子掉队法案》，并在巴拉克·奥巴马总统的领导下得以延续。2002年，教育部成立了教育科学研究所（IES），以鼓励研究人员追求被描述为“科学有效的研究”，特别是随机对照试验，IES的倡导者认为这是黄金标准。政府还创建了“什么有效”信息交换中心，为课堂教育工作者提供关于各种内容的成果数据库，从特定课程的评估到循证教学技术。
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现在，研究人员正在使用新兴技术和新的数据分析方法来创建即使在10年前也无法进行的实验。摄像机跟踪眼球运动以查看学生将注意力集中在哪里；皮肤传感器报告学生是否投入或感到厌烦。经济学家已经找到了如何处理数据以模拟随机试验的方法——这些试验在学校中通常难以且昂贵地实施。
许多新的研究超越了标准化测试的简单指标，转而研究正在进行中的学习。“我感兴趣的是衡量真正重要的事情，”斯坦福大学教育研究生院助理教授保罗·布利克斯坦说。“我们一直在开发新技术和新的数据收集方法来捕捉过程。” 学生完成任务的质量只是实验的一部分；研究人员还记录学生的目光注视、皮肤电反应以及与同学的交流等。布利克斯坦称这种方法为“多模态学习分析”。
新的方法论已经通过发现教师不能仅仅根据他们的学历来评判，课堂规模并非总是最重要的，以及如果学生努力完成课堂作业，他们实际上可能会更投入，从而挑战了广泛持有的信念。尽管这些研究尚未提出能够治愈美国学校所有弊病的“灵丹妙药”，但这些发现开始填补教育这个极其复杂的难题中的一些空白。
寻找规律
发人深省的问题正在产生一些最令人惊讶的结果。在一系列针对初中生和高中生的实验中，布利克斯坦正试图通过超越相对原始的工具（如选择题测试）来评估学生的知识，从而了解教授数学和科学的最佳方法。“在工程和科学中发生了很多事情都是失败，”他说。“你尝试了一些东西，它不起作用，然后你重新评估你的想法；你回去用一套新的想法再试一次。” 这就是他希望用这些新工具捕捉到的过程之一：“我们把孩子们带到实验室，我们进行研究，告诉他们构建某种工程或科学项目。” 研究人员在实验室里，有时在孩子们身上安装传感器。然后他们收集数据并分析它们以寻找规律。“人们的学习方式有很多与直觉相反的地方，”布利克斯坦指出。“我们喜欢揭示我们拥有的直觉有时是错误的。”
“发现式”学习，即学生自己发现事实，而不是直接从老师那里获得，最近很流行；布利克斯坦和他在 FabLab@School（布利克斯坦于 2009 年创建的教育工作室网络）的同事正试图深入了解学生真正需要多少或多少的指导。家长可能不喜欢看到他们的孩子在学校感到沮丧，但布利克斯坦说，“有一些程度的挫败感和失败是非常有成效的，是非常好的学习方式。” 在一组研究中，他和他的同事试图找出学生是先听讲座还是先进行探索性活动，哪种方式能学到更多关于科学主题的知识。先听讲座被称为“先讲后练”，他说。“先告诉你，然后你练习。” 学生被分成两组：一组从讲座开始，另一组从探索性活动开始。研究人员在几项研究中重复了实验，发现结果相当一致：先练习的学生比先听讲座的学生表现好 25%。 “这里的想法是，如果你先听讲座，而你还没有自己探索过这个问题，你甚至不知道讲座正在回答什么问题，”布利克斯坦说。
新的工具和数据分析方法使教育研究更加高效和精确。康奈尔大学管理与政策教授乔丹·松代拉帮助复兴了一种旧的研究工具，并用它来研究暑期学校的有效性以及联邦项目 Title I（针对一定比例低收入学生的学校）的资助效果。该方法被称为回归不连续性分析，它比较特定阈值两侧的两组学生。例如，在关于暑期学校的研究中，松代拉比较了考试分数刚好高于使他们有资格参加暑期学校水平的学生和那些刚好低于该水平的学生，以查看额外的教育是否提高了学生的考试分数。该设计用于模拟随机对照试验。
他的结论：暑期学校可能是一种比缩小班级规模更具成本效益的提高考试分数的方法。
在 Title I 研究中，松代拉比较了刚好高于获得联邦资金所需限额的学校和那些刚好低于该限额的学校。他发现，这笔钱对最有可能受到影响的学生的学业成绩没有产生太大影响。但它也说明了研究设计的一些局限性。贫困学生比例更高的学校可能从额外资金中获得更大的益处。同样有可能的是，如此接近阈值的学校会将这笔钱用于一次性支出，而不是长期投资，因为他们不能确定他们的人口会保持不变，并且他们将继续有资格获得未来的联邦援助。
其他研究人员正在挖掘数据以跟踪许多学生随着时间的推移的进步。哥伦比亚大学教师学院副教授、国际教育数据挖掘协会主席瑞安·贝克回忆说，当他在 2000 年代初攻读博士学位时，他每天早上 6 点起床开车去一所学校，在那里他会花一整天的时间站着，用剪贴板做笔记。快进十年，贝克的工作例程看起来非常不同。他和他的同事最近完成了一项由国家科学基金会资助的为期七年的纵向研究，研究了数千名初中生如何使用名为 ASSISTments 的网络数学辅导程序的日志文件。然后，研究人员跟踪了学生是否上了大学，如果上了大学，他们上了哪所选择性大学，以及他们主修了什么专业，以查看他们是否可以在学生使用该软件与其后来的学业成就之间建立联系。
“大数据使我们能够长期观察，并且能够非常细致地观察，”贝克说。他和他的同事特别感兴趣的是了解那些“玩弄”系统（试图在不遵循所有步骤的情况下完成一组特定问题）的学生会发生什么。“你是否有意滥用教育软件来完成学习，比你上课的次数更能预测你是否会上大学，”他说。事实证明，玩弄简单的问题不如玩弄更难的问题那么有害。玩弄简单问题的学生可能只是感到无聊，而玩弄更难问题的学生可能没有理解材料。贝克认为，这种信息最终可以帮助教师和辅导员不仅找出哪些学生有学业问题的风险，还可以找出他们有风险的原因以及可以做些什么来帮助他们。
建立证据基础
新的研究正在帮助建立一个长期以来在教育领域缺失的证据基础。IES 创始主任格罗弗·怀特赫斯特回忆说，当他在 2002 年，即《不让一个孩子掉队法案》生效后不久开始工作时，一个主要由少数族裔组成的学区的负责人请他推荐一种已被证明对他的学生有效的数学课程。“我说，‘没有’，”怀特赫斯特说。“他简直不敢相信法律要求他将他所做的一切都基于科学研究，但实际上根本没有。” 怀特赫斯特指出，那位负责人绝非孤例，他现在是布鲁金斯学会教育政策布朗中心主任和高级研究员。“实际上，很少有研究能够真正满足政策制定者和教育工作者的需求。它主要是由学者和教育学院撰写的研究，供学者和教育学院阅读。仅此而已。”
许多研究人员会不同意这种严厉的评估。然而，这种批评促使学术界审查和解释其方法和使命。在 IES 的早期，怀特赫斯特和其他人经常将教育科学与药物研究进行比较，表明研究学校的人应该像制药研究人员测试新药一样测试课程或学习实践。通过该测试的策略和课程将被纳入“什么有效”信息交换中心。
IES 现任主任、芝加哥大学前教育研究员约翰·伊士顿认为，信息交换中心作为政府审查学区可能感到有压力要购买的产品的一种方式尤其有用。“我认为这是一个非常有价值的来源，一个值得信赖的来源，您可以在这里找到是否有任何证据表明这种商业产品有效，”他说。该信息交换中心现在收录了 500 多份报告，总结了关于幼儿数学教学、小学写作和帮助学生完成大学申请流程等主题的当前发现。它还审查了数十万份报告，以帮助区分最优质的研究和较弱的研究，包括关于特许学校和绩效工资对教师的有效性等主题的研究，这些研究为正在进行的关于这些问题的辩论提供了信息。
怀特赫斯特说，政府强调严谨科学的最重要贡献之一是高质量教师定义的巨大变化。过去，质量是由特定学位或资格认证等证书定义的。现在，他断言，“它关乎在课堂上的有效性，通过观察和教师提高考试分数的能力来衡量。” 尽管关于如何评估个别教师的有效性仍然存在重大争议，但怀特赫斯特认为，这种方法的变化是由研究界，特别是经济学家推动的，“他们之所以接触到这个话题，是因为突然之间有了资源——数据资源和研究支持资源。”
许多研究人员抱怨说，IES 对随机对照试验的强调忽视了其他可能有效的方法。例如，学区的案例研究可以像商学院使用公司案例研究一样描述实践中的学习实践。“目前的图景实际上是一个方法论的生态系统，这是有道理的，因为教育是一个复杂的现象，如果有的话——在科学意义上是复杂的，”乔治梅森大学教育心理学教授安东尼·凯利说。伊士顿说，他仍然认为随机对照试验是该过程的重要组成部分，但不一定是“最终事件”。他认为，试验也可能在开发教育干预措施的早期阶段有用，以查看某些措施是否有效且值得进一步研究。
从实验室到课堂
将这种新科学引入学校仍然是一个挑战。“与许多其他领域一样，教育研究的事情是，这些通常是漫长的工作轨迹，”国家科学基金会教育和人力资源理事会助理主任琼·费里尼-蒙迪说。“任何短期内的单一研究都不太可能产生影响。” 实验室和课堂之间也存在长期障碍。过去，许多研究人员认为为他们的工作寻找现实世界的应用不是他们的工作。而且，大多数教育工作者认为，他们在课堂上获得的专业知识通常胜过研究人员可以告诉他们的任何事情。
“什么有效”信息交换中心本应帮助弥合这一差距，但在 2010 年，美国政府问责办公室发现，只有 42% 的受访学区听说过它。美国政府问责办公室的调查还发现，只有大约 34% 的学区至少访问过信息交换中心网站一次，而经常使用的学区则更少。在 2013 年 12 月的更新报告中，美国政府问责办公室表示，传播仍然存在问题。随着共同核心州立标准的实施，这种需求现在更加迫切。出版商正在积极推销声称符合新标准的课程，但学区采购官员不能仅仅访问信息交换中心并搜索经过测试的共同核心课程。相反，他们必须搜索关于他们正在考虑的特定课程的研究——并非所有课程都在数据库中。
伊士顿和其他人已经承认需要建立更好的学校渠道。作为解决方案的一部分，信息交换中心发布了 18 份“实践指南”，阐述了关于诸如教授正在学习英语的学生或向幼儿教授数学等主题的已知信息。每份指南都由一个小组编写，该小组汇集了研究人员、教师和学校管理人员。早期数学小组的成员、卡内基梅隆大学儿童学校主任心理学教授莎伦·卡弗说，实践指南也可能指导未来的研究。她敦促她的研究生阅读与其领域相关的指南，并寻找需要更多探索的领域。
每个研究问题都是试图拼凑一个非常大的拼图的另一块。“我不认为你可以从它是否有效或无效的角度来看待教育，就好像它是一个灯泡一样，”费城郊区非营利组织 21 世纪 STEM 教育伙伴关系总裁约瑟夫·梅利诺说。“我不认为人类知识是那样的……在机械时代，我们习惯于机械地思考事物。它有效吗？你能修好它吗？我不认为你能修好教育，就像你不能修好你的番茄植株一样。你培养它。你培育它。”
梅利诺的组织管理了一项为期五年、由 IES 资助的随机对照研究，研究将认知科学的四个原则应用于初中科学教学的有效性。宾夕法尼亚州和亚利桑那州共有 180 所学校被随机分配修改或未修改的课程。该研究的一部分基于关于人们如何从图表中学习的认知科学研究。梅利诺说，研究人员了解到，图形艺术家可能会放入图表中以使其引人注目的某些东西——例如大量的颜色——实际上会分散学习注意力。研究人员还发现，学生需要阅读图表的指导。这是可以融入新教科书设计的那种结果。教师还可以花时间解释图中不同符号的含义，例如箭头或剖视图。
让教育工作者成为研究过程的重要组成部分也可以将结果引入课堂。教师通常觉得他们从经验中获得的专业知识被忽视了，相反，他们每隔几年就会得到一套新的、据称是基于证据的课程，但没有太多解释为什么新课程比旧课程好得多。过去，研究人员通常不认为向教师解释他们的工作是他们的职责。坦普尔大学心理学教授、空间智能与学习中心首席研究员诺拉·纽科姆说，这种情况正在发生变化。“我认为人们真的开始意识到，如果你使用联邦纳税人的钱，你就应该分享你的知识。”
知识交流可以是双向的。在宾夕法尼亚州和亚利桑那州的科学课程研究中，教师参与了实验的初步设计。“他们更像是特级教师，”纽科姆说。“他们教书，他们给我们反馈，”她补充道。由于这项研究发生在实际的学校而不是实验室，研究人员在工作进行过程中培训了课堂教师。
其他研究人员指出了芬兰的模式，根据帕西·萨尔伯格的说法，教育理论、研究方法和实践都是教师教育的重要组成部分，他在 2011 年撰写了《芬兰的教训》，讲述了该国如何重建其教育系统并跻身国际数学和识字率排名的前列。在某些方面，与美国学校的比较是不公平的，因为芬兰是一个更加同质化的国家。但纽科姆认为，美国教师培训应包括认知科学的最新发展。在许多教师教育项目中，学生“被教授的心理学不仅落后 10 年，而且更像是落后 40 年”，她说。这种基本的基础可以帮助教师评估新研究的重要性，并找到将其融入课堂的方法。“你不可能真正为课堂上发生的一切编写脚本，”纽科姆说。“如果你的脑海中有一些关于你在那些即时时刻所做的事情的原则，你可以做得更好。”