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美国stem专业实用性强,对日后工作生活帮助较大

发表日期:2017-09-08

英国国际权威科学期刊《自然》(Nature)与美国权威科普期刊《科学美国人》(Scientific American)合作,集中推出了几篇从幼儿园到大学的“科学、技术、工程与数学”(STEM)教育文章,并配以非常醒目的封面图片、封面文章《培育21实际的科学家》(Building the 21st Century Scientist)和社论《一种教育》(An education),系统审视了STEM教育的希望和挑战。

《自然》指出,孩子人人都是科学家,只要从小就给他们合适的科学教育。孩子传统上所接受的科学教育主要是基于讲授式的,但这种形式的科学教育有其显著的问题。尤其是在21世纪的今天,这种形式的科学教育越发凸显其问题。

对此,《自然》认为,为了培养21世纪的科学家,我们的教育需要培养孩子“创造性的问题解决能力”(creative problem solving)、“批判性思维”(critical thinking)和“合作”(collaboration)等“软技能”(soft skills)。

《自然》相信,聚焦于这些技能的科学教育能够增进学生掌握和保持知识的能力,进而促进学生选择STEM学科,未来成长为新一代科学家——他们同时是未来多学科的劳动力。而且,《自然》也相信,良好的学校STEM教育还有另一显著好处——促使下一代人具有普遍良好的科学素养。

幼儿园——小科学之家

在德国“小科学家之家”(Haus der kleinen Forscher,Little Scientists' House)里,一群5岁的小孩子对树通过摇晃枝叶产生风很自信。老师没有纠正他们的答案,而是反问他们有没有谁在没有树的地方看到过风。一个小男孩回想起他有一次去海边,风卷起海水和沙子,但视线中却并没有一棵树。另一个男孩说,前进中的车辆会让叶子旋转。于是,孩子们得出了结论——树不是风的源泉。

这是德国“小科学家之家”里常见的一幕。虽然这个科学教育项目启动至今时间不足十年,但却已经覆盖了德国超过一半的3~6岁的孩子。2006年由一个德国商业领袖团体发起的“小科学家之家”项目,从2008年开始受到政府的支持与资助。现在,这个项目的不同版本已经扩展到了奥地利、荷兰、巴西、澳大利亚和泰国。其中,泰国现在已经发展了1.4万个类似的教育中心。

“小科学家之家”的效果已经被数千个实证研究证实。与此同时,值得注意的是,它仅仅只是通过与周围世界互动,激励孩子发现心中的内在科学家的全球众多类似项目之一。在全球各地,教育工作者正在努力让孩子从小就爱上STEM。

参与“小科学家之家”的幼儿园教师克里斯蒂娜·朱约斯(Christina Jeuthe)说,“小科学家之家”标志着传统教育者角色的改变。教师会让幼儿询问关于自然现象和日常所见的问题。当孩子们对这些问题给出幼稚的答案时,老师会帮助他们用活动验证问题的答案——这实际上类似于模仿成年人做科研的方法。

这些活动会从幼儿熟悉的事物和经历开始。当把这些场景应用于不同地方和文化时,会产生相当多的创造性。比如,在泰国,有一项活动需要借助孔明灯。孩子们说他们喜欢类似的即兴实验。倡导该项目的教育工作者说,幼儿在此过程中学到了如何做计划、解决问题的宝贵经验,更不用说提升自信心了。

根据2013年对3000多名参与“小科学家之家”项目的教育工作者的问卷调查显示,参与的学生均表示他们感到更加自信,并且对科学教育更感兴趣。对此,克里斯蒂娜·朱约斯指出:“只要给孩子们空间、时间和可能性,我相信他们一定会成长得更好,我相信他们会这样。”

青少年:真正的科学研究者

通过访问一个由欧洲核子研究委员会(CERN)设立在英国的分布式计算机网络,英国坎特伯雷(Canterbury)西蒙·兰顿学校(Simon Langton school)的学生卡尔·休伊特(Cal Hewitt)在做一些物理计算。该校的学生通常会设计和执行真正雄心勃勃的实验。包括卡尔·休伊特在内的一些学生曾在科学大会上作过报告;一些人甚至还在同行评议期刊上发表过原创研究成果。

西蒙·兰顿学校的教育哲学很简单。管理学校科研项目的西蒙·兰顿中心(Langton Star Centre)的负责人贝基·帕克(Becky Parker)说:“给学生一个做真实科学的机会,体会科学发现带来的兴奋。”

西蒙·兰顿学校是英国一家国立精英教育机构,其招生生源基于学生11岁时的能力测试。该校的青少年研究项目大约在十年前启动。当时贝基·帕克决定签订意向协议,可以让二年级学生通过远程在线访问澳大利亚和夏威夷的望远镜。而且,学校采用的不是教师示范的标准模式——贝基·帕克把控制权交给了学生。学生也没有让他失望——他们利用学校赋予的自由,确定了六七颗近地小行星的存在,并且发现了两颗新的近地小行星。

同时,西蒙·兰顿学校的学生还参与了由英国国家空间中心(National Space Centre)主办的一次竞赛——根据他们在欧洲核子研究委员会的一次实地考察中提出的宇宙射线侦查技术的相关提议,设计一个可以在太空中进行的实验。现在,这些学生正在通过欧洲核子研究委员会大型强子对撞机上的单极和特种探测器(MoEDAL)寻找一些物理学上最奇异的现象,比如微型黑洞。

西蒙·兰顿学校的学生、MoEDAL团队成员凯特琳·库克(Caitlin Cook)说,这才是教育应该做的。她还说:“我们已经在前沿做了如此多的工作。它向我们证实了做物理学研究的本来面貌。”其同学弗乐·波默罗伊(Fleur Pomeroy)说:“为什么有些人要质疑我们是否可以做真正的科学呢?”他们认为他们做的就是科学——青少年学生也可以做真正的科学。

中学:研究项目展开跨国合作

新加坡的华侨中学(Hwa Chong Institute,HCI)是一所精英中学。它仅招收最优秀的学生。这些学生可以获得先进的教育设施,比如原子力显微镜和细胞培养孵化器——这些设备即便是一些大学生看来也会眼红。但对该校研究主任来说,这些设施仍然远远不够。她一直希望可以给学生更多挑战,给他们一个与外部世界相连的研究科学的环境。

在认识美国教育专家乔治·乌尔夫(George Wolfe)之后,她的想法终于有了落实的机会。乔治·乌尔夫告诉她,他决定成立科学学校(Academy of Sciences,AoS)——一所位于美国弗吉尼亚州施特林市(Sterling)的公立精英中学,学生在其中可以设计和做科研。两人达成共识,即开展合作。

从2006年开始,每年10月,新加坡华侨中学有12名左右的14~15岁学生,有机会到这所美国科学学校参加持续一学年的研究项目。他们每4人一组——每组有两名来自新加坡和两名来自美国的学生,参加一些实验,如筛选具有抗菌化合物能力的蛆虫。9个月后,美国科学学校的学生会到新加坡华侨中学,和实验伙伴一起完成最终的分析,并完成实验结果展示。

美国科学学校参与该项目的学生阿什利·弗格森(Ashley Ferguson)说,一开始,很多传统文化套路会产生明显影响。她说美国学生会更加积极主动、自由流畅地对话,而新加坡华侨中学的伙伴则更加专注。目前在弗吉尼亚大学(University of Virginia)读书的阿什利·弗格森说:“我们应该更好地学习更加结构化、逻辑化的思维方式。”

最重要的是学会团队协作,新加坡华侨中学研究主任和美国教育专家乔治·乌尔夫都这么认为。对于这个科学教育合作项目,新加坡华侨中学研究主任说最好的地方是“学生开始彼此关心,为彼此考虑”。现在担任美国科学学校校长的乔治·乌尔夫也表示:“我们的使命是教会孩子们如何做科学。如果你看看现实世界中科学家真正做的事情,会发现没有人在真空环境中工作。”

大学生:跨学科研究进行中

当泰勒·黑斯特(Tyler Heist)考虑他在大学第一年的计划时,他决定让自己沉浸在科学之中。大多数高校科学课程都是由单个院系管理,仅仅集中在一种科学领域,但美国弗吉尼亚州里士满大学(University of Richmond)的《综合定量科学》(Integrated Quantitative Science)课程却同时提供5个科学领域的入门课程——生物、化学、物理、数学和计算机科学。

更好的是,这些课程会组织一些跨学科问题的专门课时,比如抗生物耐药性和细胞对热量的反应。2010年,泰勒·黑斯特申请了该课程的20节选修课并通过了考试。正是得益于此,今年年底他将去普林斯顿大学(Princeton University)攻读跨学科的计算机生物学(computational biology)博士。

跨学科课程起源于十多年前的一份报告。美国国家研究委员会(National Research Council)在报告中总结称,生物学研究已经发生了显著变化,与物理学和计算机科学家紧密相连,但生物学教育还没有跟上这一脚步。

里士满大学的生物学教授艾普尔·希尔(April Hill)认为,解决这一问题的最佳方式是通过真正科学问题的聚焦,从多学科领域审视核心问题,从而重新设置入门课程,而不是采用传统的教育方法,让学生一门课接着一门课地逐一学习。艾普尔·希尔与其同事在2009年首次开始设计他们的交叉学科课程。

尽管跨学科课程并不新鲜,但艾普尔·希尔的方法却新颖独到——针对入门课程结合了5个不同的学科,包括在课程结束后还开设了一个夏季付费实验室研究课堂。她说,用来整合多个学科的额外工作远远超过所付的费用,这项课程同时促进了她所在团队——基本多细胞生物发展管理基因网络——的跨学科合作。艾普尔·希尔说:“现在,我已经有了6年的跨学科教学经验,我很难想象如果没有开设这个课程会怎样。”

泰勒·黑斯特也表示,该项目是一项高水平课程,帮助他阅读包含物理学或计算生物学在内的主要生物学文献,并表示该课程还丰富了他做科学研究的方法。

来源:新校长传媒