国外大科学装置机构STEM教育资源开发的启示

郭 庆 乔翠兰 朱宗宏 Martin Hendry①

大科学装置是指在较大规模投入和工程建设支持下，通过长期稳定运行和持续科学技术活动，实现重要科学技术目标的大型设施[1]。大科学装置作为观察、计量和探测未知事物的工具，涉及科学技术各个领域，扩大人类感知范围，揭示宇宙奥秘[1]，同时也蕴含丰富的科学教育价值，是经济社会发展和推进科技创新教育的有力抓手。STEM是科学、技术、工程、数学的简称，STEM教育强调打破学科界限，促进学生科学素养、技术素养、工程素养、数学素养的整合发展[2]，是国际科学教育转型发展的重要目标和方向。落实STEM教育不仅是教育系统的职责，更需要社会各界通力合作，为STEM教育提供高质量教育资源。大科学装置大多依托于高校、科研院所等科研机构，具有丰富的人力、物力资源。拥有大科学装置的机构在利用大科学装置进行前沿科学研究的过程中，应充分挖掘其STEM教育价值，广泛开发各种STEM教育资源。

一、 大科学装置与STEM教育的本质联系

STEM教育诞生于美国，其根本宗旨是在激烈的国际竞争下通过培养STEM人才，促进科技创新和产品开发，维持市场良性发展，进而维护美国在科技、经济等领域的核心竞争力和世界领先地位。大科学装置作为探索科学前沿的利器，也承载着科技创新、增强综合国力的任务。因此，从社会取向的教育目的来说，大科学装置具有开发STEM教育资源的价值和必要性。从学科育人视角来看，大科学装置与STEM教育理念存在着内在联系，也是开发STEM教育资源的重要动机。

(一) 基于实践的研究深化了科学探究的本质

1996年，美国颁布的《国家科学教育标准》明确指出：“科学探究是科学和科学学习的核心”[3]。以探究为核心的科学教育强调：科学探究不仅是教学方法，也是教学内容和教学目标。事实上，科学探究的核心是通过动手做，将书本所传递的间接经验直接化。而在践行科学探究教育的过程中，却出现了脱离实践、从书本到书本、从概念到概念的“探究”。2010年后，美国相继出台《K-12科学教育框架》《下一代科学教育标准(NGSS)》两个重要指导文件，指出“实践”“跨学科概念”“学科核心概念”的紧密联系，为科学教育指明了路径。这两个文件都强调了“实践”的地位，并细分出八种“科学与工程实践”，这是对探究本质的进一步深化，点明科学教育应通过基于实践的探究式学习获得直接经验[4]。

早在20世纪90年代初，美国出台的“2061计划”系列文件如《全体美国人的科学》《科学素养的基准》等，均强调学生要像科学家做研究一样，通过探究来学习科学，形成科学的世界观，理解科学事业[5]。科学家的科学研究是科学探究的实践，大科学装置是他们进行科学研究的工具，其研究过程也是科学探究的实践过程。利用大科学装置进行STEM教学，就是将“科学家们以科研为目的的科学探究实践”转化为“学生以学习为目的的科学探究实践”[4]。可见，实践深化了探究的本质，而大科学装置又承载着实践，因此有可能也有必要挖掘大科学装置的STEM教育价值。

(二) 整合工程技术的科研实践吻合STEM教育理念

STEM教育的核心是跨学科整合，因此可将STEM定义为“基于实践的跨学科整合式探究学习”。实践与探究的关系已阐明，另一个问题是为什么要将科学、技术、工程、数学四门学科结合起来进行跨学科教育，这种跨学科思想的落实情况如何？首先，STEM的每一门学科都曾相对独立地发展，具有其独特的学科价值，而学科间知识、价值的内在联系是整合的理论基础。当科学、技术和数学结合在一起，才能更好地实现产品转化。理想的STEM教育是科学、技术、数学彼此间相互渗透、相互干预的过程，而工程深嵌于技术之中[6]。因此整合四门课程是有理论依据的，是学科内在价值相互作用的结果。其次，人们在工作、生活中面对的问题大多是纷繁复杂的，需综合应用多学科知识经验，借助高阶思维能力，进行实践探究，秉持积极的科学态度，才能有效甚至创造性地解决问题。

STEM教育理念提出至今，受到越来越多的关注，也在实践中出现越来越多的偏差。首先是内涵理解的泛化，即把单一的科学教学也当作STEM教育，缺乏工程技术的整合意识。其次是实施路径的窄化，即只关注如何在教学中落实跨学科知识整合，而忽略基于“实践的探究”这一核心实施路径。事实上，这两方面的偏差是相互联系的，恰恰是工程技术学科蕴含丰富的设计与实践知识，也正是工程技术实践可将科学探究、数学思维完美整合。“2061”计划的提出和系列科学教育文件的出台促进了美国科学教育改革，而20世纪90年代后期由美国国际技术教育家协会(ITEA)发起的“全体美国人的技术”项目和系列技术教育文件的出台推动了STEM教育的深度整合[7]。大科学装置本身的建造就是应用科学理论的工程项目，其目的是科学家通过工程设计、技术操作，在实践中探究未知科学。因此，以工程技术实践为核心进行科学探究的大科学装置，完全吻合STEM教育理念。

二、 国外大科学装置机构开发STEM教育资源的条件

随着前沿科学技术的不断发展，国家、社会、科学家等都意识到大科学装置既具有培养社会所需的STEM人才的价值，又符合STEM教育的核心育人理念，大科学装置开发STEM教育资源势在必行，同时也具备了开发STEM教育资源充足的主客观条件。

(一) 有利的政策环境和充足的研究经费

2006年，布什政府颁布《美国竞争力计划》，通过增大财政投入培养STEM人才，以提高美国国际竞争力[8]。2009年，奥巴马政府颁布《美国振兴及投资法案》，进一步扩大STEM教育的财政投入[9]。2013年STEM教育委员会颁布《联邦STEM教育五年战略规划》，强调合理利用联邦财政投入，促进STEM教师的培养、增加STEM人才数量[10]。2017年特朗普签署《总统备忘录》，宣布每年至少投资2亿美元用于STEM教育项目[11]。2018年12月美国国家科学技术委员会发布了STEM教育第二个五年计划《制定成功路线：美国的STEM教育战略》，被誉为“北极星计划”，提出所有美国人终生接受高质量STEM教育的愿景[12]，对优质STEM教育资源的开发和公平共享提出新的需求和挑战。除了政策引领，大科学装置开发STEM教育资源还受到美国自然科学基金会(简称NSF)等组织的专门资助，具备有利的政策环境和充足的研究经费。

(二) 良好的社会环境和积极的社会合作

在国家STEM教育政策的引导下，国外社会各界逐渐形成一种“取之于民，用之于民”的共识，尤其是依靠纳税者资助建立的国家科研机构和学术团体，他们有着挖掘自身教育价值、为STEM教育提供优质教育资源、为学生提供现实世界中的STEM体验、为在职和职前STEM教师提供教育培训促进其专业发展的责任意识。

面对STEM教育推进过程中出现的资源短缺、分配不均问题，科研机构、高校、K-12学校、企业等展开广泛合作，共同开发STEM教育资源。自2002年以来，NSF资助了近100个高等教育机构、K-12学校、科研机构之间的合作[10]。费米国家实验室打造一站式STEM教育资源服务平台——教师资源中心，与在职教师、职前教师、大学教授、相关管理人员密切合作，为K-12教育开发高质量STEM课程[13]。美国国家航空航天局(简称NASA)与亚利桑那州立大学合作开发覆盖K-12全学段的STEM教育课程“火星教育项目”[14]。英国国家STEM学习中心和线上项目“STEM大使”推动广大科研院所、学术机构、高等院校、企业及其他各类组织纷纷以“志愿大使”的身份加入到STEM教育及资源开发中去[15]，如卢瑟福·阿普尔顿实验室在天文学、粒子物理、纳米技术、新材料等领域的研究基础上开发“粒子物理大师班”“未来工程”“未来科学”“教师培训研讨会”等STEM课程及活动资源[16]。瑞士联邦技术研究院、保罗谢勒研究所等大科学装置科研机构广泛与高校、中小学、社会组织等合作，开发共享优质STEM教育资源。整体来看，国外社会各界对STEM教育有着自觉参与意识，教育资源开发已形成社会合力，大科学装置开发STEM教育资源具备良好的社会环境和积极的社会合作基础。

(三) 悠久的科普传统和极强的教育意识

前沿科研资源普及转化是促进公众理解科学，提升科学素养的有效途径。国外大科学装置机构重视科普教育的传统也促使其将STEM教育资源开发视为己任。1958年，时任美国总统艾森豪威尔签署了《美国国家航空暨太空法案》(National Aeronautics and Space Act)，其直接结果便是NASA的建立。该法案强调：在重大科研任务之外，促进公众有效理解科学是NASA每一个机构、每一个项目的重要目标[17]。NASA承诺将所有科研任务和研究结果以公众能够理解的形式公布，并让公众参与到项目研究中[18]。随着STEM教育理念的提出和普及，NASA于1994年成立空间科学办公室，同年制定并实施“空间科学办公室科普与教育战略计划”，强调开展各级教育，将教育资源开发重心由公众科普转向K-12年龄段STEM教育[19]。1996年，NASA颁布《空间和太空科学：NASA科学政策导引》，强调NASA应运用其科研项目资源、人才资源等，开发和发展教育资源，在面向K-12年龄段的STEM教育改革中做出重大贡献，从总体上提升全国公民的科学素养[20]。美国联邦政府对科普教育的系统政策指导相对滞后，1994年克林顿政府颁布《符合国家利益的科学》，指出进一步加强实施全体美国人的教育战略[21]。1995年，《国家教育标准》指出全面开展“公众理解科学活动”[22]。大科学装置广泛、自觉开发科普教育资源的传统及意识为新时代STEM资源开发奠定思想基础。

三、 国外大科学装置机构STEM教育资源开发的特点

STEM教育思想的率先提出是在高等教育领域，1986年美国国家科学理事会(简称NSB)发布了报告《本科的科学、数学和工程教育》，首次在STS教育的基础上强调工程和数学的重要地位与作用，旨在提升大学生与研究生的综合科研与实践能力，培养复合型科技创新人才。国外大科学装置机构积极为大学生开发各类实践型STEM教育资源。如费米实验室开设了“夏季科学技术实习(SIST)”“本科生科学实验室实习(SULI)”等多个大学生暑期科研参与项目，来自物理、工程、材料科学、计算机等专业的本科生将深入费米实验室，与科学家合作，进行为期二至三个月的带薪研究[23]。激光干涉引力波天文台(LIGO)汉福德和利文斯顿天文台联合加州理工学院为本科生提供暑期研究项目，学生在天体物理、机械建模、LIGO数据分析等领域进行真实研究[24]。此外佛罗里达大学引力波研究中心、路易斯安那州立大学、明尼苏达大学等高校研究所也开设了相应的本科生暑期研究项目[25]。这些项目让学生以科研工作者的身份加入到大科学装置开展的前沿科研课题之中，直接参与到以科研为目的的科学探究实践之中。学生不仅能学习到前沿科学知识，还能将知识应用于实际科学研究，此外大多数项目还要求学生参与学术论坛，进行学术报告。整体而言，大科学装置面向大学生的科研参与项目将全方位提升学生的科研素养，激发学生科研热情。

随着STEM教育逐渐向基础教育拓展，国外大科学装置机构的STEM教育资源开发重心逐渐转向K-12教育，其资源种类相较大学生STEM教育资源而言更加丰富，内容更加契合科学教育标准，资源公开也使得受众更加广泛。下文将主要聚焦基础教育阶段，通过具体案例简要分析国外大科学装置机构如何整合人力物力资源，挖掘大科学装置的STEM教育价值，开发高质量STEM教育资源。

(一) 重视基础教育科学探究资源的开发

随着STEM教育在全世界范围内的普及，大科学装置科研机构逐渐将资源开发重心由体验式的科普转向探究式的STEM基础教育。费米实验室基于其粒子加速器等优势科研领域，设计系列K-12科学探究课程(如“儿童发明家”等)，建立科学资源共享网络中心“夸客网(QuarkNet)”，开发电子实验室，整合各大科学装置真实研究数据，并设计系列基于科学数据的探究活动(如“探究地震产生及其影响因素”等)[26]。英国达斯伯里实验室基于其粒子加速器、工程与计算中心等，针对KS2-KS4(7～15岁)学生设计“大数据狩猎挑战”“望远镜和系外行星”“编程电路板”“移动天文台”等课程探究资源；针对KS5(16～17岁)学生设计“粒子物理大师班”“核物理大师班”等参观、讲座、实操、数据分析一体化探究活动[16]。LIGO国际科学合作组织(LIGO Scientific Collaboration，简称LSC)基于大科学装置LIGO，设计了系列STEM课堂教学探究活动资源(见表1)[25]。不论是费米实验室、达斯伯里实验室还是LSC，其教育资源开发都不局限于简单的科学普及，而是更加重视为STEM基础教育开发探究式教学资源。

表1 LSC的STEM课堂教学探究活动资源

(二) 以科学家为核心落实多主体合作开发模式

国外大科学装置机构STEM教育资源开发主体是多元的，是以科学家团体为核心、广泛听取一线教育需求、综合采纳教育专家意见而形成的。如表1中“I2U2”的开发起源于科学大数据时代的到来及科学教育对数据资源的需求，正如美国国家科学委员会和科学院指出：大量真实数据的累积给科学教育带来前所未有的促进[27]。于是科学家开发出集成LIGO真实探测数据的电子实验室，并联合课程专家将抽象数据转化为以解决实际问题为核心的项目式探究教学资源。值得指出的是，此类数据资源具有开源性，学生可以访问调用LIGO真实探测数据进行二次开发，并通过互联网分享展示原创作品。又如费米实验室打造的一站式科学教育资源服务平台“教师资源中心”，科学家借助这一平台广泛与在职教师、职前教师、教育专家、相关管理人员等建立紧密联系，开发高质量STEM教育资源[13]；NASA喷气推进实验室科学家与亚利桑那州立大学教育专家合作，开发针对K-12学段的STEM课程“火星教育项目”[14]；LSC各国科学家团体联合教师、教育专家设计开发了多项线上STEM教育活动资源(见表2)。

表2 LSC线上STEM教育活动资源

(三) 以课程标准为理论指导

从《国家科学教育标准》到《下一代科学教育标准(NGSS)》，基于“科学与工程实践”的探究与“跨学科概念”“学科核心概念”结合在一起，越来越密不可分，为美国K-12学段STEM教育乃至世界基础科学教育指出了新时代发展方向。

美国大科学装置机构STEM教育资源开发紧紧围绕着NGSS理念，促使前沿科研资源教育转化积极耦合课程标准对学生的发展指导。如NASA的国际空间站设计系列教育资源“来自太空的STEM课程”，其中每项活动都会明确指出其涉及的NGSS三维目标内容。以“动能与势能”课程活动为例，学生通过观看国际空间站的宇航员在太空中对动能与势能相互转化的演示及讲解获得相关知识的感性认识，接着通过工程设计、仪器制作、实验探究、交流讨论等实现相关知识建构。NASA官网也指明该课程在科学与工程实践上突出“开发和使用模型”“分析和解释数据”“应用数学思维和计算思维”；在学科核心概念上涉及“PS3.A：能量的定义”“PS3.B：能量转化与守恒”“PS3.C：能量与力的关系”；在跨学科概念上强调“系统和系统模型”“尺度、比例和数量”[28]。又如LSC索诺马州立大学团队设计的课堂活动资源“黑洞合并模型”和“时空扭曲模型”为STEM教师提供引力波教学活动案例。活动指南中明确指出其对应的NGSS内容，在科学与工程实践上突出“开发和使用模型”；在学科核心概念上涉及“ESS1.A：宇宙和星球”“PS2.B：相互作用的类型”“PS3.A：能量的定义”“PS3.B：能量转化与守恒”“PS3.C：能量与力的关系”“PS4.A：波的特性”；在跨学科概念上强调“原因与结果”“系统和系统模型”“能量与物质”[29]。LSC伯明翰大学团队开发的STEM游戏资源“时空探索”已进入Google Play、App Store等应用商城。游戏中学生需根据噪声、预算和技术支持情况选择引力波探测器地理位置、地底深度，设置环境真空度、温度、隔振级数、激光功率、透镜材料、透镜平整度等，根据噪声曲线的变化权衡调节各参数，最终建造自己的引力波探测器。该游戏涉及NGSS理念中科学与工程实践的“开发与使用模型”“规划与开展研究”“应用数学思维和计算思维”“建构解释与设计方案”；学科核心概念中的“PS4.A：波的特性”“PS4.C：信息设备”；跨学科概念中的“原因与结果”“尺度、比例和数量”“系统和系统模型”“结构与功能”。游戏开发者指出：“这是一款有趣且具有教育意义的游戏，适合作为补充资源与课程标准结合使用”[30]。

四、 我国科技资源向STEM教育转化的困境

改革开放后，特别是21世纪初国际经济转型和竞争加剧的背景下，我国科学教育越来越重视科学素养的培育，也逐渐重视科技资源的普及转化。《全民科学素质行动计划纲要(2006—2010—2020年)》指出，科技博物馆、科研机构要建立将科学技术研究开发的新成果转化为科学教育、传播与普及资源的机制，为提高青少年科学素质服务[31]。《关于加强国家科普能力建设的若干意见》(国科发政字〔2007〕32号)中强调国家重大工程项目、科技计划项目和重大科技专项实施过程中，需让社会公众及时了解、掌握相关的科技知识和信息。中小学应与就近高校、科研机构、科技场馆建立稳定联系，充分利用校外科学教育资源，开展教学和课外科技活动[32]。《关于科研机构和大学向社会开放开展科普活动的若干意见》(国科发政字〔2006〕494号)也强调科研机构在承担国家科技计划项目过程中，将科技成果及知识的传播与扩散作为科技计划的目标和任务之一[33]。我国近些年虽兴建众多大科学装置，整体科研水平得到较大提升，但科技资源教育转化的条件并不成熟，教育资源开发的现状也不容乐观，具体原因有以下几点。

(一) 政策环境不充分，游离在资助体系边缘

多年来，我国科普教育取得较大发展，但与国外科技资源的教育转化相比，还存在优质资源短缺、资源分布不均、资源开发深度不够等问题，尤其是面向中小学的STEM教育资源更为贫乏。其直接原因一方面是STEM教育缺少顶层设计。国外大多将STEM教育上升到国家战略高度，接连出台多部指导政策，而我们仅仅是在相关文件中有所提及。政策环境的不充分，使得上述科技资源普及转化的文件在实施过程中更关注公众科普，对于为基础教育提供优质科学教育资源、改善基础教育科学探究教学的实践相对忽视。另一方面是资助制度体系不健全。国内外政策都强调科学研究、工程项目在实施过程中要将成果通俗化、教育化，可见科技资源向教育资源转化也是科研项目的一部分，应当得到一定的资金支持，这一点在国外具有较为完善的资助制度，如美国科研机构均可向国家自然科学基金会申请教育研究经费。而科学教育在国内属于教育学一级学科下的“学科教育”领域，大体上只能申请社会科学基金项目，而社会科学基金相对缺乏对学科教育研究的资助，整体来说科学家难以获得教育资源开发的专项资助。缺乏政策和资助体系的辐射，我国STEM教育和科技教育资源的开发难以建立社会联动机制、难以形成社会合力。

(二) 开发者意识淡薄，停留在科学普及的表面

开发者是科技教育资源传播的主导，开发者的教育意识直接决定科技资源教育转化的深度和质量，进而影响资源受众的科学素养发展水平。当前，我国科研工作者参与教育的意识较为淡薄，主要表现在以下方面。第一，角色定位模糊。部分科研工作者只致力于科学研究，缺乏作为教育资源开发者与传播者的角色意识。也有一些科研工作者虽具有教育资源开发意识，但只是将自己定位为资源开发的把关者，真正的开发工作委托给高校学科教育专家。第二，资源开发思维固化。从我国各科研机构、大科学装置官网的科学普及或科学传播板块中能发现，其教育资源大多以科普文章、视频等形式存在，缺乏指向科学探究实践的教育资源，资源开发思维较为固化。

科研工作者教育意识淡薄直接导致科技教育资源停留在科普的表面。首先，以学科教育专家为核心开发者的模式与国外是相反的，学科教育专家对相关科研原理和本质理解略浅，所设计的资源虽然符合学生认知，但深度上还有欠缺，甚至有的只是将现有资源披上大科学装置等科研外衣。其次，面向全体公众的科普教育资源对于中小学生来说是碎片化的，不成体系，也难以支持学生的科学探究实践。此外，随着大众传媒日渐发展，网络自媒体科普内容开发者越来越多，简单的科普资源也愈加丰富，因此，科研机构有必要改变固化的开发思维，以科学课程标准为指导，开发更有深度的探究型教育资源。

(三) 受众素养不高，供需交互在需求处断链

科技教育资源传播不是一个自上而下的简单线性扩散，而是开发者和受众共同参与的双向互动过程。科技教育资源的开发很难定义一个起点，但受众的需求和资源开发之间应该是一个螺旋上升的闭环，在这样的供需交互循环中，受众会逐渐掌握相关前沿知识与理论，促进自身专业发展；开发者则在不断更新的需求中开发出更高质量的教育资源。而制约我国科技资源转化为优质STEM教育资源的另一现实因素是：中小学师生科学素养不高。“新课改”实施近20年，中小学科学教育已逐渐形成一套完整的教学资源、策略、方法，足够将学科知识传授给学生，也足够应对国家招生考试。因此，中小学师生对获取前沿科学知识的积极性并不高，也缺乏基于实践的科学探究意识，整体科学素养在应试教育体制下并未实现较大跨越。这就使得科技教育资源的供需交互循环在需求处断链，成为科学家自上而下单方向的开发与输出，最终影响资源开发的深度，难以渗透基础教育课程与教学。

五、 启示与建议

尽管STEM教育在我国还处于起步阶段，但国外大科学装置开发STEM教育资源的动机、条件和特点等可为我国科技资源向教育资源的深入转化带来启示与借鉴。

(一) 完善科技资源教育转化的政策制度

在科普教育方面，我国已有较为完善的制度体系；但要深入开发中小学STEM教育或科学教育资源，相关顶层设计还需完善。

首先要逐渐创建完善的政策环境。这包括两方面，一是将科学教育或STEM教育提升至国家层面，出台相应的指导性政策文件，促进全社会对科学教育重视度的提升，实现大环境的整体改善。二是重视科研资源的多元社会价值，出台科技资源向基础教育资源转化的指导意见，提升高等院校、科研机构等开发优质教育资源的执行力。

其次要完善资助、考核与激励机制。公立科研项目应为科技资源教育转化设立专项资助，鼓励科研工作者积极申请，并需制定严格的考核与激励机制，确保资源开发数量与质量。

(二) 提升开发者与受众的主动性与创造性

需要明确的是，开发者和受众通过传播媒介联系在一起，是相互影响、相互促进的整体，只有提高双方的主动意识和创造意识才能促进优质科技教育资源的开发。

首先，必须实现核心开发者转向，形成以科学家为核心，联合学科教育专家的开发团队。其次，在资源开发过程中应充分考虑不同年龄段学生的知识基础和认知发展水平，基于心理与学习理论，开发针对性的教育资源。这要求科学家着眼于科技资源的科学理论和本质，注意所开发教育资源的科学性、前沿性、创造性、探究性、实践性和针对性；教育专家立足课程教学理论，从课程标准、科学素养等角度分析资源的课程价值，评估资源的难度水平，搭建资源与教学内容的衔接桥梁，为资源编写课程维度的解释、教学建议等。再次，作为受众的中小学师生需主动积极参与资源反馈环节，抓住资源在使用过程中的关键问题，为后续资源开发提出新的需求，为资源更新提出建设性的参考意见和科学的决策依据。最终，科学家、学科教育专家、一线师生将形成稳定的“校·研·教”合作开发模式。

(三) 加强社会各界的协同作用

开发科技教育资源的任务不只属于高等院校和科研机构，而应由全社会通力合作、协同创新，形成科技界、企业界、教育界的资源开发合力。

首先，高科技企业应加入到科技教育资源开发中来，或直接与相关教育专家合作，挖掘企业技术中蕴含的教育价值，或是为教育资源开发提供横向项目资助。其次，随着信息传播渠道的多元化，教育资源的传递和获取更加便捷，科研机构、高校、中小学、企业、科技馆、博物馆、自媒体等致力于开发科技教育资源的社会各界人士应积极沟通，通力合作，减少低质量资源在网络上的堆积，深化教育资源的实践探究属性，综合利用各种传播渠道，实现资源和受众的有效对接，使资源发挥最大效用。