改进科学教育：这不是火箭科学，但这更加难！

编译 高斯寒

“这不是火箭科学，但这更加难！”这句话改写自天文学研究者乔治·尼尔森（George Nelson）经常说的话。尼尔森当了11年美国宇航局（NASA）宇航员，执行过三次太空任务，其中包括“挑战者”号航天飞机事故后的首个任务。离开NASA后的几十年里，他拓展事业版图，横跨科学研究、工程学和科学教育等领域。在众多职务之中，他担任了西华盛顿大学的物理学教授、美国科学促进会“2061项目”主管，后者是一个着眼于改善科学教育的长期项目。尼尔森的这句话凸显出提升科学教育体系的困难程度。

改善科学素养和科学教育的努力在最近几十年里面临许多挑战。譬如说，美国的《2001年不让任何孩子落后法案》强调了教师测试项目，结果侵蚀教师和学校的自主性，进而削弱和拖延了科学教育实践上早该实施的改变。

本文强调了一些鼓励物理学家参与改善科学教育行动的趋势。尽管并不新鲜，但这些趋势再度获得科学家和科研机构的关注。这些努力的核心是认识到科学教育生态系统的复杂性，并采用更广阔的基于系统的方式。以基于研究的教学方法为基础，物理学家能够在学校、校外项目、国际事件和旨在改善科学素养的其他活动中与各方合作，发挥作用。

智利双子星天文台的费尔南达·乌鲁蒂亚（Fernanda Urrutia）和儿童一起做滤色器实验。加州大学伯克利分校的劳伦斯科学展厅通过“数学和科学大探险”项目发起这个活动

善用最佳教学方法

我们从几十年设计、实施和评估创新科学教育项目的经验中明白转变科学教育的挑战。我们和新手教师、经验丰富的老教师、博物馆教育者、教育研究者、教育开发团队合作过，而受众从学前儿童到成年人都有。我们也和各个科学、工程和教育领域专业团体，各国政府和全球的非政府组织共事过。我们从实践中学到许多经验，知道如何才能教得更有效果。

许多科学家对于不同环境下的教学方法并不熟悉。幸运的是，有许多高质量的免费资源总结了针对不同背景下学习的研究成果。我们最近完成了一篇针对最佳教学实践研究的综述文章，强调了一些对科学家最有用的最佳实践。尽管这篇综述文章特定于天文学教育，但大多数建议都适用于科学和工程教育的所有领域。

学习要趁早

对于许多科学家来说，与教一群小屁孩相比，教授本科生和研究生更加容易，也更为熟悉。后者已经拥有数学和科学基础，也选择上过科学课程。教他们就好比射箭，射出一支箭，然后在箭命中之前把靶子放在着陆点。击中靶心令人满意，但也提出了一个问题：老师对年长的学生有多大影响？向更年轻的学生教授科学具有挑战性，但能在他们高度成形（highly formative）和难以预测的早期发展过程中极大扩展他们的科学视角。

20世纪60年代初，哈佛大学教授杰罗姆·布鲁纳（Jerome Bruner）发起多项科学教育改革尝试。他的关注重心是早期学习和所谓的螺旋式课程，即每年更加详细地探究各科目，而不是将某个科目“留给”某个特定的年龄范围——譬如说在十年级上化学课，十一年级上物理课。布鲁纳坚信，任何科学概念都可以改造后适用于任何一个年龄层。对于年幼的学生，参与科学活动和演示的做法会比给出言语性或数学性解释更加有效。布鲁纳指出，人是通过尝试骑车来学会骑脚踏车的，而不是通过看一本图画书或一页指南来学会。

20世纪60年代中期，罗伯特·卡普拉斯（Robert Karplus）在加州大学伯克利分校劳伦斯科学展厅所做的工作提供了另一种改进初等教育科学课程的方法。卡普拉斯离开理论性的量子电动力研究事业，因为他相信教育年幼学习者的工作和大学科研教书工作一样具有挑战性，一样有回报。卡普拉斯发展和支持了一个已经证明对各个年龄层学习者都有效的学习环模型。他的学习环理论假定，学习分为能够周而复始的三个阶段——探索、发明、发现。他的主要贡献是强调实际动手经验，而非以教材为中心的学习方式。卡普拉斯的学习环模型得到后世其他学者的修正，反映出对科学研究过程的深层理解。

初等教育的老师通常将工作重心放在传授基础的阅读、写作和数学技能上。虽然他们懂得最佳的教育手段——包括那些源自布鲁纳和卡普拉斯的方法，但要将他们的教书技能应用到教授科学上却很困难。许多初等教育的老师对于科学主题的了解程度，对于如何有效地结合科学和核心教学内容，也缺乏自信。

科学家能与教师合作，克服这些困难。科学家懂得科学，而教师明白儿童们是如何学习的。更深刻地弄清年幼学生是如何学习科学的话，双方都能从中获益。教育者能明白学生对科学的错误观念和幼稚理论，那么在这样的教育者指引下，学生能更加成功地探究科学概念。至于科学家方面，他们和初等教育老师的合作能带来许多回报，极富建设性。

学校里的角色

科学家能带给学校的，不只是亲身上阵或以视频形式做报告和演示。传统上，科学家是基于他们对一群学生或学校缺少什么做出的评估来决定在学校里承担什么角色，而评估往往是根据他们自身的儿时经历或在学校里的短期考察。一种更好的做法是让科学家和教师合作，找出学生最关切的主题，提出最佳的应对方法。科学家还可对每天工作在教育领域内的教育专业人士的需求做出响应。

科学教师常常表示，他们需要接受更多线上教课方法的培训，需要能获取到高质量的交互式学习材料，掌握最新科学发现和技术的更多信息。他们也希望能有一位科学家随时待命，能在电话中向他们解释概念和术语，帮助他们找到合适的活动和演示，支援和鼓励他们。大多数初等和中等教育层面的科学教师说，他们的教育背景不足以有效地教授物理学。教师对于更为专业的准备和支援工作的需求已经存在了几十年，从我们的角度来看，这项需求似乎越来越强烈。

要满足教师们的需求，一个方法是科学家成为所谓的科学大使。担任科学大使的科学家充当科学界和教育界之间的联络人，帮助教师寻找教育材料和教具，帮他们联系大学或科研群体。科学大使必须明白教育体系的运作，譬如教育者如何接受培训，要应付什么需求，每个年龄层的学生又是如何学习科学概念的。美国天文学会之类的专业学会常常在学术会议中提供科学大使培训。

教室内的主动式科学学习

科学家常常惊讶地发现，学校内的许多科学课几乎没有花时间给学生实际钻研科学。初等教育的学生进行简单的物理学实验的情况越来越少见，尽管那些活动已被证明能有效地让学生对学科产生兴趣。相反地，各个年龄层的科学课常常包含学习科学术语，记忆科学方法，阅读和讨论科学原理、定律以及科学家。

这些科学课未能允许学生玩科学游戏，结果科学课变得枯燥乏味又迂腐。罗伯特·耶格尔（Robert Yager）是美国科学教学研究学会和美国科学教育协会的前会长，他在1988年的一篇文章中指出，“做”科学更加有趣。

遗憾的是，学生们极少有机会玩科学——极少有机会进行真正的科学探究，也就是调查一个他们自行确定的问题，构想可能的解释，针对各种解释来设计实验。相反地，学校的科学课意味着在小学、初中、高中的13年里学习游戏规则，做验证类型的实验，学习他人提出的、广为接受的解释，学习其他人构想和使用的特殊术语与步骤。

按照我们的经验来说，天赋异禀的学生常常最容易因为没机会参与科学提问和探索而感到沮丧。我们认识的一位极有才华的学生在初中时被科学教师打上了“难教、捣蛋”的标签，差点因此而辍学。这个学生到底干了什么呢？他向教师提出质疑，询问有什么证据说明地球绕着太阳运转。科学家欢迎和激赏这样的提问和质疑，而不会感觉受到威胁。那名学生如今是IBM公司的一位著名工程师。科学参与——而非教条主义的记忆背诵——激发出对于科学的热忱。

自由选择的教育

位于亚利桑那州图森的薇拉·鲁宾天文台有一处少儿天文学咖啡馆，里面可获取基于电脑的工具，学生用这些工具来分析大型数据集。这家咖啡馆也提供研究生、博士后的科学演讲和与他们的非正式讨论

诸如天文日或全国天文周之类基于社群的教育活动是将科学活动带给广泛受众的有效方式。2019年在夏威夷州希洛的库希欧王子广场购物中心举办的这项活动中，来自双子星天文台的一位职员和一名学生一起探究滤色器。天文台在活动中联系当地社群，了解他们的教育需求

物理学家在选择科学教育的角色时，常常倾向于学校与课堂。然而，在课外和校外项目中，仍然有其他机遇。这些非正式和自由选择的教育场景包括课外俱乐部、自然博物馆、科学博物馆、天文馆、图书馆、可实际动手的科技中心、科研机构的访客中心、街头集市、社区活动、夏令营、科学咖啡馆、科学节日等等。

科学家在那些场所可以帮助设计博物馆展览，为儿童发现中心建立科学项目，在图书馆发表演讲。演讲最好较为简短，不要那么正式，留出足够时间用于讨论、辩论和广泛提问，这样能提高听众的兴趣，提高参与度和满意度。和其他领域相似，非正式教育领域在教学法背后也有着强劲的研究基础。

打造科学资本

许多创新科学教育项目构建在“科学资本”概念之上，这个术语源自2013年的一份颇具影响力的英国科学教育政策报告《抱负：年轻人的科学与事业志向（10～14岁）》。科学资本是指个体的所有科学相关的知识、看法、体验和资源的总和，包括他们知道和学习的科学内容、他们对科学的想法，以及他们日常与科学、与对科学感兴趣的人打的交道。基于资本的教育生态系统视角鼓励各种合作关系，给儿童提供在学校和其他场景学习科学、技术、工程、数学（STEM）的机会，鼓励系统性改变，为学习者创造一个支持系统。触及或服务新社群的创造性方式已经在全球范围得到成功施行，常常由科学家担任关键团队成员。譬如，科学家已经对鼓励科学设计和视觉思考的项目做出贡献，这类项目也被称为STEAM，因为它们结合了STEM领域和艺术，能激发儿童的艺术兴趣和视觉思维技能，促使他们追求科学和技术相关的事业。

阿拉斯加大学费尔班克斯分校的科学教育副教授劳拉·康纳（Laura Carsten Conner）与合作者研究了女孩如何看待科学，艺术与科学的联结在构建她们的科学身份中的价值。她的研究构成了“自然的色彩”和“培养STEAM”项目的基础。这些项目结合艺术和科学，包括在科学咖啡厅举办与科学家互动的活动，培训教育专业人员如何整合艺术与科学进入课程，在暑期学院中用分光仪、光学显微镜、扫描电子显微镜等科学工具教女孩探索色彩等。

康纳的项目证明了构建科学资本作为创新科学教育核心方式的重要性和价值。艺术与科学的联结能触及新受众，为开始构建科学资本的学生提供一个鼓励性环境。

“自然的色彩”项目中对艺术有兴趣的学生使用显微镜、摄像机和分光仪来学习荧光、动物视觉、极化、颜料的光谱性质、光干涉和结构色彩的相关知识。该项目支持那些有兴趣探索艺术和科学之间关系的学生、家庭和教育者，在亚利桑那州图森和阿拉斯加州费尔班克斯举办了多次面向女学生的暑期学院

国际和全球项目

许多科学家告诉过我们，一些奇特的经历是改变人生的大事件，譬如看万花筒、观察月球磁场、用红外照相机观察世界，看超导体的磁悬浮。许多科学家想要知道他们如何分享那些经历。

科学家的一种方式是参与全球的教育项目，譬如庆祝伽利略·伽利莱使用望远镜作天文观测400周年的2009国际天文年，2015国际光与光学技术年，2019年国际天文学联合会成立100周年活动，2020—2021国际声学年。

国际项目大多由科学家志愿者领导，他们依赖赞助组织来鼓励科学家成员的参与。为了在教育方面取得成功，国际年项目需要强有力的领导和筹划。假如拥有大胆而明确的目标，有一支科学家和教育者构成的多样化队伍来负责计划和实施，那么这些项目都会更加成功。

2009国际天文年中，一个叫作《从地球到宇宙》的展览展出了众多望远镜获取的天文照片，被翻译成40种语言，用于70个国家的一千处展览地点，包括公园、图书馆、地铁站和机场。总共有1 000万人参观过这些展览。伽利略教师培训项目在志愿者的帮助下，在75个国家展开，构建了规模最大的国际天文学教师培训班网络。在包括美国天文学会在内的组织和个人支持下，三名美国科学家创造了伽利略学生望远镜套装。这个团队对于少儿缺少高质量但价格不贵的天文望远镜的情况感到遗憾，于是决定解决这个问题。他们获得一些机构的支持和合作，设计、制造和向110个国家分发了25万台的高质量望远镜套装，还附带了教育材料。伽利略学生望远镜目前依然在生产，而它的教育材料能方便地免费获取。

依照我们的经验，科学家能给这些项目带来巨大价值，因为科学家愿意分享自身对于科学的满腔热情。

科学家-教育者的融合

2019年，基普·索恩（Kip Thorne）与智利拉塞勒那大学学生团队和美国光学红外天文研究实验室项目的负责人见面。该年7月的日全食中，他们在托洛洛山美洲际天文台进行天文观测。观测重现了一个世纪前的著名结果，证实了广义相对论所预测的光的弯曲。这个项目是爱因斯坦学校项目的一部分，为庆祝国际天文学联合会成立100周年，它促进了全球各地推进创意项目，让学生探索引力在天文学中扮演的角色

我们作为科学家与教育者的混合体，注意到每年都有更多科学家选择投身于两个角色，并将它们整合进自己的事业中。每个人给予科学家和教育者角色的份额都随着他们的兴趣、技能和事业阶段而各有不同。许多科学家已经超出教育志愿者的程度，变成全职的教育和社群参与专业人士；一些科学家乐于在大学、科研实验室、医学中心或公司的支持下，作为教育和社群参与团队的一分子，帮助、设计和实施新项目。

教育开发团队中的科学家在科学调查过程之后对教育材料和项目进行建模，填补了一个重要的、或许是独一无二的角色。例如，1992年，西弗吉尼亚州NASA未来课堂的克雷格·布勒顿（Craig Blurton）指导和监督了天文学、行星科学、生物学和环境科学领域的许多前沿教育软件项目。他从全国各地请来对科研和教育都有热情的科学家，和手下的教育研究者、多媒体开发人员一起合作。他们联手创造出逼真的沉浸式仿真，允许学生作为团队成员探索前沿科学问题。

他们的成果中，有面向高中学生、得到NASA支持的电脑程序“天文学村：探究宇宙”，面向初中学生、得到美国国家科学基金会（NSF）支持的电脑程序“天文学村：探究太阳系”。这些教育软件赢得许多奖项，包括《技术和学习》杂志颁发的年度最佳微电脑软件殊荣。在虚拟的天文学村里，学生们以团队形式用仿真仪器、太空探测器、地基望远镜做研究课题。他们在实验室里做实验，利用图像处理软件分析NASA、NSF和美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的真实图片和数据。最后，他们在模拟的新闻发布会上宣布研究结果，回答提问。

这些项目捕捉到了科研合作的精髓，让学生们沉浸在真实的、前沿的课题中，譬如系外行星、越地天体、在太阳系搜索生命和寻找超新星等课题。它们也是最早的以中学生为对象、利用互联网、电邮信息和复杂图形处理的教学材料。

另一组科学家和教育者团队由天文学家伊莎贝尔·霍金斯（Isabel Hawkins）领导，她在1997年至2008年间担任加州大学伯克利分校太空科学实验室的科学教育中心主管。他们为“数学和科学大探险”项目开发了创新的教学材料，他们推出的经全国测试的天文学教师指南借鉴了以研究为基础的教学方法，即使对数学或科学背景有限的教师来说也很容易使用。

许多糅合了科学家与教育者的团队已经开发出高质量的教学材料，捕捉到科学探索的真谛。对创建教学材料感兴趣的物理学家可以加入这类开发团队。

眼光放长远

物理学家能够懂得滴水穿石的道理。科学教育生态系统中的问题存在已久，顽固难治，要对付这些问题，需要持久的努力、持续性的系统改变。尽管科学教育取得了许多值得瞩目的成就和创新，但在我们看来，美国和大多数其他国家科学教育的进步总体上飘忽不定，并不稳定。

所有年龄层的科学教育质量依然千差万别。在美国，众多城市分为不同学区，存在公立学校、特许学校和私立学校，这种制度几乎注定了教育资源和教学上的不均衡。对于大多数学生而言，他们家的地址或邮政编码依然是对他们可实现的短期和长期教育成就的最佳预示变量。好学区和差学区的学校教育质量反差鲜明。

教师缺乏获取高质量教学材料的渠道，也缺少如何用好教学材料的培训。可供主动式学习和基于计算机的各种活动的实验室常常落得年久失修、甚少使用的命运。针对科学教师的职业发展项目就算一开始取得成功，随着时间流逝，也会因为资金匮乏而逐渐消失。新建立的项目和组织努力对付这些问题，但是他们仅仅取得一点儿进展后，就因为失去干劲或资金而放弃。

电脑程序使得学生能用从地基望远镜模、太空望远镜和行星际探测器获取的数据模拟行星科学研究。在“天文学村：探究太阳系”程序中，中学生可以探索太阳系内可能的生命栖息地。该项目采用以研究为基础的教学法，结合了典型的研究过程，其中包括定义不明确的科学问题，这些科学问题没有明显的正确答案

想要帮助改善教育的研究组织常常最终选择与本地拥有优势的市郊学校合作，而不是需求更强烈、能从合作中收获更多的弱势学校合作。科学家和科研组织也可能落入类似的陷阱，选择那些会让他们形象显得高大上的项目，而不是那些有着更多教育价值的项目。与多样化的社群建立教育合作关系是一个困难的任务，于是部分科学家们选择了更加简单的、能带来大量宣传的短期任务。

正式和非正式的科学教育体系都需要科学家和科研机构更长期的付出。反过来，科研机构必须重视、支持和奖励科学家们的努力付出。遭受忽视的社群也需要额外的探索、对话和时间来与科研机构发展出真正的伙伴关系，让对方了解他们的需求。

下一步

许多科学家想要帮助改善科学教育生态系统，但是给教师买几块磁铁很容易，每年培训一批新教师，让他们懂得磁学则困难得多——容易的解决方法效果有限。假如你想要参与科学教育改善计划，你首先需要拥有额外的知识和经验来有效地改善本地、全国乃至全球的科学教育。

你为了弄懂本地社区教育系统的需求而付出的投资会给你和社区带来丰厚回报。与教育机构合作，一起从事卓有成效的行动，这一点也至关重要，会帮助你避免个人独自工作时出现的挫败感。

那么，作为物理学家的你如何开始第一步？选择你周围的一处贫困地区，和一位教师或一名青年俱乐部领导者聊一聊，与他们建立长期伙伴关系，满足他们的需求。鼓励你所在的组织向当地困难社群投入资源，解决学生和教育者的更广泛需求。回应他们的召唤，为他们提供服务，齐心协力改善科学教育。

资料来源Physics Today