2001年，卡尔·威曼因创造出一种称为玻色-爱因斯坦凝聚态的物质状态并利用激光操纵单个原子而获得诺贝尔奖。现在，这位56岁的物理学家正试图操纵一个更大、更僵硬的系统：美国的大学教育。他的目标是改善本科科学和数学的教学，他知道他将需要他闻名遐迩的激光般专注力的每一瓦特来完成这项工作。
“是的，我认为老狗也能学会新把戏，”威曼说。几年前，他在科罗拉多大学博尔德分校开始与其他科学教育者合作，今年他搬到了温哥华的英属哥伦比亚大学，因为他获得了1200万美元的教育事业支持。“但这不会一蹴而就。”
接受这项挑战需要威曼放下他的挚爱——研究，他说他的这份热情是由他在俄勒冈州乡村的七年级科学老师培养出来的。相反，他正在努力在一个日益壮大但往往不协调的运动中占据一席之地，以改善美国当前的科学、技术、工程和数学教育系统（通常缩写为STEM）。
缺陷随处可见。美国学生在小学阶段的数学和科学方面可能表现尚可，但国际比较表明，随着他们在教育系统中的进步，他们正在落后于大多数全球同龄人。而且他们所知道的往往不足。国家教育进展评估，有时被称为国家成绩单，显示近三分之一的八年级学生甚至不具备最基本的数学技能，这一比例对于高中毕业生来说接近五分之二。 STEM课程教师中，专业不对口的人数惊人，这无疑无济于事：在中学的数学教师中，51.5%缺乏该学科的主修或辅修学位，科学教师中这一比例为40%。
但知道问题所在与就如何解决问题达成一致并非一回事。目前的改革努力从个人的热爱劳动到巨大的多州合作不等。尽管大多数改革者表示他们希望提高学生的成绩，但许多项目都侧重于中期目标，例如吸引更多学生进入STEM领域，培养更多更好的数学和科学教师，或者提高那些已经在课堂上的教师的技能，以及加强课程设置。最近一系列的报告都赞扬了这些方法，但大多数都将更好的教师放在首位。
改革者还必须面对这样的现实：与大多数国家不同，美国的教育主要由州和地方负责。联邦项目提供的资金不到每年用于教育全国5000万中小学生的5000亿美元的10%。即使是2001年的《不让一个孩子掉队法案》，该法案要求学区证明其学生在2014年前在数学和阅读方面取得可接受的成绩水平，但也保留了各州设定这些水平并决定如何实现这些水平的权力。教师认证在很大程度上也是一项州职能。
地方控制的一个缺点是，在全国范围内推广项目更困难。因此，学区可能会发现自己重复造轮子，或者更糟。正如一位教育工作者所说，“有时我们最终会重复发明瘪胎。”
这种缓慢的进展激怒了商业圆桌会议的苏珊·特莱曼，该组织由顶尖CEO组成，一直大力推动改进STEM教育。“这都不是什么高深学问，也不是什么新事物，”她说。“所以问题是，我们为什么还没有做这些事情？我想，答案是，不做更容易。”
像威曼这样的一批教育工作者决心制定策略，让科学教育达到应有的水平。
作为一名终身学者，威曼专注于他最了解的文化。不幸的是，在这种文化中，许多教授仍然以淘汰那些被认为不合格的学生为荣，而向非专业学生教授科学的任务通常分配给那些在等级制度底层的人。“这些人（教职员工）在存在了数百年的体系下取得了成功，”他说，“他们认为其他人想法和学习方式都和他们一样。”研究表明，许多文科专业的学生在完成科学课程后，对该学科的兴趣比学期开始时更低，这是由于教学方法未能吸引学生所致。
为了改变这种结果，威曼和其他人采用了各种教育工具。一个流行的工具是便携式互动教学技术，这是哈佛大学物理学家埃里克·马祖尔在二十年前开创的。教授不再等到期末考试才发现学生掌握了什么，而是反复打断每次讲座，提出一个关于正在讨论的主题的问题。学生们通过手持电子“点击器”回答，教授然后利用这些答案立即找出任何问题。
“我研究过如何提高K-12教师的素质，”同时担任美国国家科学院科学教育委员会主席的威曼说，“我认为我们必须先解决大学的问题。我们的目标是让人们开始问大学：你们为什么不这样做？”
博尔德校区也致力于一项互补的努力，将STEM专业学生培养成数学和科学教师。校区内六个科学系的教师与大学教育学院合作，聘请本科生作为大型入门课程的同伴导师。该项目激发了他们对教学的兴趣，一旦他们被吸引，便将教学法与内容知识相结合。今年秋天，六名新毕业生将进入课堂。与此同时，初步结果显示，导师（被称为学习助理）和学生都比普通班级的学生学习了更多的科学知识。
德克萨斯大学奥斯汀分校是这场运动的领导者。其UTeach项目在过去十年中，进入课堂的科学和数学专业毕业生人数几乎翻了两番（从1996届的12,000名毕业生中的21名增加到去年的74名），目前有近500名本科生处于培养阶段。UTeach项目始于1997年，它也促使STEM教职员工重新思考他们将大学预科教学视为二流职业的传统观念。“其他主要研究型大学的科学系主任会告诉我：‘我们的学生比那更好。教学不是我们毕业生的工作，’”UTeach项目背后的推动者玛丽·安·兰金回忆道。“我们已经打破了这个神话。”
UTeach的成功案例给总部位于德克萨斯州的埃克森美孚基金会留下了深刻印象，以至于他们在三月份启动了一项耗资1.25亿美元的全国数学和科学倡议（NMSI），旨在数十所大学推广该项目。（NMSI的部分资金还将用于扩大一项于20世纪90年代在德克萨斯州启动的示范项目，该项目旨在培训教师教授高级课程，并向通过这些严格考试的学生支付费用。）每个获得资助的大学如果严格遵守德克萨斯模式，将在五年内获得高达240万美元的资助。
尽管这些项目不断推广，但全国每年新增教师的绝大多数仍毕业于传统项目，这些项目在科学和数学方面提供的指导较不严格。对于他们以及K-12劳动力中已有的300多万教师来说，学习更多数学和科学意味着在职专业发展或攻读研究生学位。
佛蒙特大学数学家肯·格罗斯在1998年选择了后者，当时州教育官员请他帮助提高农村地区教师的数学素养。格罗斯为小学教师开发的三年制研究生项目从数学作为第二语言的概念开始。“在方程2 + 3 = 5中，数字是修饰名词的形容词，我们已经同意所有数字都修饰同一个名词，”他解释说。“但是方程1 + 1 = 15也可能是真的，如果第一个数字修饰‘一角硬币’，第二个修饰‘五分硬币’，第三个修饰‘分’。我们不教授这个概念，但它是理解数学语言的关键。”格罗斯说他不是在淡化数学，只是让那些本科时可能故意回避数学的老师更容易上手。
许多学术科学家正在与这两类人群合作——提高现有教师的技能并培训尚未进入课堂的教师。例如，在内布拉斯加大学林肯分校，数学教育家吉姆·刘易斯开发了“数学学期”——为准备成为小学教师的本科生开设的教学法和数学课程，以及为中学数学教师开设的研究生课程“中学数学”。
“有些人认为数学教育硕士学位只应授予数学专业的学生，”刘易斯说，“但我认为这门槛太高了。我们的目标是为教师提供一个专业硕士学位，其中一些人只需要两门数学课程即可获得认证，通过有益、有挑战性且适合他们工作的课程。”
格罗斯和刘易斯都相信他们正在取得进展。格罗斯引用了一项尚未发表的研究，该研究发现，在佛蒙特数学研究所培训过的教师任教的学校中，一群四年级学生在四年和六年后的数学表现明显优于没有这类教师的对照组。刘易斯为那些在数学理解方面有所提高的毕业生感到自豪。
但是，STEM 专业发展工作以其评估难度大而著称，并且可能更难以持续实施。教育部（该部门支持了格罗斯的项目）的一位官员说：“我们无法断定这是否奏效。但我们认为教师们对数学的理解更深入，也更能有效地教学。”去年，对国家科学基金会（NSF）资助的一项耗资2.5亿美元、为期十年的项目进行了评估，该项目旨在提高31个州约70,000名科学和数学教师的技能。评估结论是，如果这些努力做得好，使用高质量的材料，并得到政策支持和多年持续，它们就能发挥作用。
然而，这显然要求很高。在NSF的地方系统性变革倡议的88个项目中，没有一个达到最基本的目标，即提供承诺的130小时额外培训。Horizon Research的艾丽斯·韦斯表示，她的团队无法全面衡量对学生成绩的影响，因为NSF最初并未要求学区解决这个问题，而且这些项目涉及的年级范围很广。第二次评估发现，那些报告学生成绩有所提高的学区无法将项目的影响与其他因素区分开来。
新罕布什尔州康科德高中科学教师的自我指导专业发展从未经过正式评估。但托马斯·克鲁姆林的学生受益于他过去五年中每隔一个周五早上7点与同事开会学到的技巧。在讲授物质守恒单元时使用互动点击器，克鲁姆林发现86%的学生错误地认为一堆铁钉在敞开容器中生锈后质量会保持不变，没有考虑到额外的氧气。“过去，如果这个问题出现在考试中，我可能会感到悲伤，但很可能会继续下一个单元，”他说。相反，他停下了课程，插入了关于生锈和氧化的讨论，然后继续。
得克萨斯州理查森市的官员希望有一个数学项目能够提升低绩效中学，并缩小种族和社会经济阶层之间巨大的成就差距。2004年，他们向该市最大的雇主德州仪器公司（TI）寻求帮助。在考虑了几个模型后，TI开发了自己的项目。该公司聘请了国家数学教育专家，为教师提供专业发展。他们还用融入了科技的课程（类似于威曼等人与本科生一起使用的互动点击器系统）补充了现有课程，并培训教师使用这些技术。作为回报，学区将数学教学时间增加了一倍，并为教师提供了共享的计划时间来准备额外的课程。
这个名为“数学前沿”的新项目借鉴了密歇根大学教育学院院长黛博拉·鲍尔的研究。她认为，高效的数学教师对本学科的理解超越了他们在课程中学到的知识和课堂上需要教授的内容。她称之为“教学数学知识”的这种能力使他们能够解决例如教科书中未涉及的学生误解。但鲍尔说，仅仅培训教师理解这个概念是不够的：“干预措施必须影响课堂上发生的一切。否则，它们没有任何好处。”
理查森市的官员表示，他们已经取得了切实的成果。2005年和2006年，理查森市一所中学的一个项目帮助三分之一在前一年未能通过州数学评估的学生在次年春天通过了考试。去年，该项目扩展到五所中学，并增加了代数1部分，今年秋天，其监督员将跟踪最初的队列进入高中。与此同时，德州仪器计划将该项目推向全国。“我们将向任何愿意为诚信实施该项目做出必要承诺的学区提供该项目，”德州仪器公司的丽莎·布雷迪·吉尔说。
成功课堂干预的推广很棘手。问问乔治华盛顿大学教育学教授沙龙·林奇就知道了，她一直在研究马里兰州郊区蒙哥马利县公立学校使用的三个中学科学单元。这个由联邦资助的项目始于5所学校，希望覆盖该学区38所中学中的35所。
林奇发现，三个单元中只有两个真正“奏效”，即在学生理解方面产生了适度但具有统计学意义的提升。第三个单元后来被取消了，林奇不确定剩下的两个课程是否会持续实施，以及在资助结束后学区能否妥善支持这些单元。
林奇的联邦资助项目耗资520万美元，其中包括大量使用课堂观察员，这可能使其超出大多数学校改革监测工作的范围。而美国教育的权力下放性质几乎确保了干预措施将保持地方性，而非全国性。“坦率地说，”她说，“我认为在美国推广任何东西都是一个荒谬的想法。”
加州州立大学奇科分校的生物学教授贝弗·马库姆对改进的前景更为乐观。马库姆负责“动手科学实验室”，这是一个面向小学生的校园设施，其实验台由本科生负责。该实验室是培训未来教师的工具，是教师专业发展的场所，也是学习科学的有趣场所。
事实上，这个贫困农业社区的一所学校的老师们已经修订了整个科学课程，以利用这一概念。去年，柑橘大道小学开始开设“科学星期五”，届时学校的四年级、五年级和六年级学生将轮流在六个实验台之间度过90分钟，就像他们在大学实验室一样。“我们最大的问题是找到时间进行基于实验室的科学教学，”理查德·阿吉莱拉说，他曾是校长，四年前决定重返课堂，“我们庞大的少数民族人口（来自东南亚的苗族）带来了特殊的挑战。所以动手实验的方法非常棒。”
这对学生的学习有什么影响呢？对该实验室唯一的研究表明，它提高了教师的信心并增加了他们的知识。一项严谨的研究，记录该实验室对学生成绩的影响，尚待时日。“我没有足够的资源做任何可信的研究，”马库姆承认，“没有它，我不想做出任何夸张的声明。”
拿出这些证据是马库姆、威曼和其他改革者面临的挑战。他们一致认为，这是实现国家所需科学教育体系的唯一途径。
