基于科创竞赛的科学教育：学习环境、学习过程与培养效果

宋 娴 朱雯文

近年来,《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》等重磅文件频频出台,着力在教育“双减”中做好科学教育加法,加速完善全社会协同育人的科学教育体系。对比之下,我国科学教育现状还不容乐观。根据2021年底教育部基础教育质量监测中心发布的《2020年国家义务教育科学学习质量检测结果报告》,我国中小学生科学学习兴趣已较高,但科学学习自信心有待提高,科学学习方法有待改进。[1]

教育竞赛被认为是青少年科创人才成长的重要平台,是探索创新人才选拔培养长效机制的重要抓手。其中基于项目化学习(Project-based Learning,简称PBL)框架的科创类赛事尤为特殊,可通过提供完整、真实的科学探究过程来促进科学教育。[2]但目前对其人才培养效果还停留在比较片面的理解,亦不乏对于竞赛功利性、公平性的争议。本文将以我国最知名的科创竞赛——青少年科技创新大赛的上海赛区情况为案例,深入观察其形成的人才培养模式,理解其激发了何种学习环境和学习过程。

一、 文献综述与分析框架

(一) 科创竞赛的性质与教育效果

科创竞赛不同于传统基于标准化考试的教育竞赛,其经典形制多为半竞赛半展会的“科学赛会”(Science Fair),在国际上已有80余年历史。[3]知名赛事诸如国际科学与工程大赛(International Science and Engineering Fair,简称ISEF)、科学人才选拔赛(Science Talent Search,简称STS)等,滥觞于20世纪中期的大国教育竞赛,以“发现天才”为初衷,后逐渐成为推动科学流行的教育活动[4]。许多跟踪研究显示,科技竞赛在发现科研后备人才上确有积极价值。[5][6][7]1982年,我国成立全国青少年科技创新大赛(China Adolescents Science &Technology Innovation Contest,简称CASTIC),弥补了国内相关赛事的空白,大赛亦成为推广STEM教育的重要平台。

科创竞赛一般作为一种学习活动发挥其教育目的,模拟知识生产流程是其重要特征。[8]赛会竞赛为没有科研经历的参赛者提供了提前扮演科学家的机会,他们在赛程中将熟悉知识生产的方法论,建构知识而非仅仅编码知识——参赛者需要经历发现实际问题、制订研究计划、文献搜集、实验设计及实地调查、模型与展板制作、成果答辩等标准的科学研究环节,并学会团队合作以及与学术共同体进行交流。

这打破了传统课堂基于“习得隐喻”的学习方式,而无意中更加靠近了基于“参与隐喻”的学习方式[9]。一方面,通过主动的探究式学习,激发学生的学习动机,加速既有的认知结构发生交互与融合,产生“有意义学习”的过程[10];另一方面,通过“合法的边缘性参与”到学术共同体的生产中,帮助学生获取大量情感和社交经验,加深与科学的联结,亦在传统课堂陈述性和程序性的知识之外,获得关于如何执行任务、解决复杂问题的技能,帮助其“有能力来对待他的外部世界”[11]。

换言之,科创赛事激发的学习有复杂的过程性特征,这决定了对其教育效果不光需要进行结果性评估,还需要进行形成性评估,以了解学生在参与阶段前后的转变。戴鑫等从参赛者的心理行为机制层面考察大学生参加科技竞赛的效果,认为大学生参赛一般同时具有追求乐趣、提高自我的“内源性动机”(intrinsic motivation)和为获得外部酬劳、分数、奖赏的“外源性动机”(extrinsic motivation)。前者会驱使学生全心投入,激发其更大的创造性,而当后者被过分强调时,解决难题的努力程度反而会降低。在竞赛过程中,他们发现,许多参赛者的行为控制会从受外源性动机支配转变为受内源性动机支配,这反映了参赛者的自我发展过程。这种行为控制的变化,往往来源于竞赛的培训过程激励。与之对应,他们也发现,与竞赛结果相比,竞赛过程体验对学生的心智影响更深,对自身形成性绩效感受更为明显,如“获得一段不寻常的经历”“满足自己对于研究的兴趣”“见到值得仰望的学术前辈”等等。[12]

洪荣昭则从活动理论来考察台湾的科学竞赛,同样强调活动目的之于竞赛结果的重要性。[13]他借用恩格斯托姆(Engeström)的个人层次活动架构理论[14],认为活动总被目的(object)所引导,主体为达成目的借用工具,与目的产生交互作用,经过转换过程,产生结果(outcome)。

不论从宏观还是微观的角度看,竞赛人才的培养都要经过目的(即动机)的充分转化,才能够产生培养结果,而动机的充分转化,又极大程度依靠培训的形式和内容。因此在考察科创竞赛的教育作用时,应当对培养者的培养流程设计与学生的“动机—绩效”过程加以综合检视,如图1所示。

图1 青少年科创竞赛的培养模型

此外,科创竞赛的教育作用可能会还会从参赛者辐射到参赛者周围的群体和环境中。研究者发现,让学生参与科创类竞赛,不仅有助于学生自身科技知识的提升,同时也会间接影响未参与竞赛的学生社群、家长社群等对科技的认知、态度与价值判断。[15]而这些又可能反过来为学生营造良好的竞赛氛围。

(二) 科创竞赛人才培养的分析框架

从图1模型可见,不论学生初始动机为何,在竞赛的培训过程中,通过与教育环境、制度环境和社会环境充分的互动,能够帮助其激发更多的内源性动机,产生相应的形成性绩效。换言之,科技竞赛能否发挥教育作用,与其中的教育者如何实施培养流程、提供何种互动条件有较大关联,背后又与其教育理念密切关联。

已有研究者提出,当下的科创竞赛不乏教育理念上的认知误区[16],比如存在重视技术和知识学习但忽视社会人培养的现象,较少提及和促成学生与社会的互动、理解,而后者恰恰是研究性学习发挥其作用的重要前提。基于克努兹·伊列雷斯(Knud Illeris)的学习三角模型[17],戴鑫等学者提出了大学生科创竞赛的全人教育系统模型,强调社会性情境对参赛者学习行为的影响,赋予“社会人”培养在科创竞赛教育目标中的重要位置[18]。

从这种视角来看,赛事活动本身更类似于教育平台,而学校、家庭、社会都是其运行的外部场景,这些要素共同构成了完整的、以科创教育为核心的科创竞赛运行系统。换言之,参赛者在竞赛中的行为不仅仅是一种封闭的个体学习行为,也是不断与外部环境进行互动、塑造和调整认知结构的社会行为。同时参赛者能够获取何种社会支持,对其能够产生何种创新行为至关重要。[19]受这一模型启发,本文构建出一般性的基于环境互动的青少年科创竞赛系统(见图2)。

图2 基于环境互动的青少年科创竞赛系统

图3 受访中学备赛流程示例

(三) 研究方法

基于上述分析框架,本文选取上海地区在CASTIC全国赛及ISEF中表现较活跃的学校及其师生为样本进行多案例研究,以了解竞赛人才培养的实际落地过程。在访谈样本的寻找上,先对2010—2019年上海市CASTIC及后续赛事中所有获奖名单进行完善统计,形成大赛基础数据库,通过统计分析找到历年参赛/获奖率最高的单位,联系其科技辅导老师(均带队竞赛五年以上),再通过互相推荐的方式,结合地域、师资、整体教育实力等情况进行滚雪球抽样,最终选取7例样本进行访谈。将受访对象按访谈顺序编号为T1—T7(见表1),其中每位受访者的访谈时间在60—120分钟间,得到访谈文本127318字,并辅以相关的文献资料、参赛手记,对案例信息进行多方检验。

表1 本研究选取的访谈案例及其基本信息

使用Nvivo 11.0对访谈文本进行开放式编码,再逐级整理、合并不同主题节点进行关联式编码,归纳受访者关于大赛实施过程、筛选机制、人才培养情况以及相关发展建议等核心观点。最后进行选择式编码,得到围绕CASTIC展开的科创人才培养四大维度：问题发掘、学习辅助、组织支持、社会交往,如表2所示。

表2 基于编码的CASTIC人才培养维度

表3 CASTIC中参赛者的参赛动机统计

二、 全国青少年科技创新大赛的学习环境

从上海地区青少年科创竞赛的现行培训情况来看,由“学校—科学社—大赛”构成的科学教育实践共同体共同生产了科创竞赛学习发生的社会和认知环境。

(一) 沉浸式的教育环境

学校和科学社是选拔和培训的先行场景,尤其是学校中朝夕相处的老师和同侪水平对参赛选手影响极大,可以说提供了沉浸式的教育环境。而学校与学校之间,在师资力量、硬件条件、制度保障等方面差异较大。一些能够在CASTIC中脱颖而出的学校,往往有独特的资源优势。以T1所在的某上海市重点中学为例,该中学为高校附属中学,并设有专门的科技辅导员来带竞赛,其背后是独特的制度保障：“我们学校因为比较特殊,如果是一般的中学,没有科学老师的编制,老师也不可能分出精力来做这样的事情。我们整个编制跟的是高校,不受基础教育编制的限制……每带一个项目算教师的一个工作量。”(T1)竞赛所需的实验经费、设施也能得到充分保障：“基本上只要不违反国家政策、安全条件许可的情况下,我们都能给到实验条件的支持,保障学生独立做课题。经费上相当于我们正常的业务开支一样。”(T1)

非传统名校虽然没有顶尖生源和高校支持,但愿意在顶层设计方面支持科研学习,加上对教师个人资源、科学社等社会资源的充分挖掘,一定程度上弥补了资源条件上的不足,同样可以营造良好的竞赛氛围。尽管如此,其备赛需要付出的努力在性质上不同于前者,如果不在竞赛上加大投入,很难做到与前者一样的成果产出,如有教师表示学生需要每天晚上6—9点都专门去做研究性学习,才能跟每周的科学社专家辅导配套起来。

不过,不论是传统名校还是创赛中的“后起之秀”,都存在一样的风险偏好,即在保障升学率的前提下再来备赛。参加科创赛事在受访者中被普遍认为是“学有余力”的结果,是基础教育之外教育特色的“比拼”。有教师称：“我们比的是,学生的‘业余生活’是怎么过的。”(T3)这在一定程度上也导致大部分学校都把主要的备赛精力放在竞赛的第一阶段,即每年五月“小高考”前的上海市赛准备阶段,后期没有足够竞赛条件和氛围支持的学校则更易倾向于退出需要“长跑”的多阶段竞赛。

(二) 学徒制的训练场地

近年来,带有社会性质的科学社团/俱乐部成了国内外科创竞赛中流行的竞赛训练场景,是在学校教育之外另一大重要的科创学习环境[20]。在上海,这类环境主要由上海青少年科学社及其分社提供,报名学生可在其中进行集中的训练,并和专家进行规律性的接触,在为期四个月左右的时间内接受高强度的学术训练。中国福利会(以下简称“中福会”)少年宫、少年科学技术站(以下简称“少科站”)等分社则以科学社团的形式为竞赛提供全程的指导：“我们有科学老师,本身也是双休日都上课的。我们也有自己的生源。所以结合我们自身的工作,就要求我们的科技教师带这些学生能够来参加比赛,同时锻炼我们自己的队伍。”(T5)和专家的交流提供了一种和“学术偶像”交流的机会,尽管时间不长,但为学生提供了不可或缺的精神激励作用：“专家还帮忙我们联系高架支队(做这个实验),来看这个数据是不是得到专家的认可。”(T3)

值得注意的是,尽管科学社及其分社在经费方面有较好的支持,拥有的高校资源也充足,但也会受到应试教育环境的影响：一方面,科学社及其分社缺少类似学校的集体动员机制,“校内的老师每天可以抓到这个学生,我们可能只有一周一次,或者竞赛前才能集中一点”(T7),诸如少科站等区级分社及中福会少年宫这样的社会分社主要依靠学生主动报名,经过会员选拔才能进入培训,每年最后申报市赛的项目仅在四五十个左右。另一方面,学生能为竞赛付出的努力依然极大受限,“集中培养有压力,学生只能周末参与,学生越到后面学业压力越大”(T6),这在一定程度上决定了“来的学生大多是小学、初中生”(T6)。

(三) 自我实现的竞赛舞台

在赛场中亲身体验科研过程、展示自己的科研成果和科学性思考,这是一种“登上舞台”的效果。“展示”提供了一种仪式,学生在与外界的互动中完成了自我确证。有受访者特别提到了参赛的社会交往对学生独立人格培养的重要性：“参赛的学生回来是完全不一样的：要自己动手搭展板,找地方打印海报……要学着跟科学家交往……”(T4)其中,在赛场上与科学评委的交流,提供了“学术偶像”的在场效果：“上海市终评的时候,评委都要在场馆里,学生找评委会比较容易一点,展示自己的机会会比较多。”(T1)评委对科研问题的思考、对科研细节的严谨把握,会对学生产生榜样效应,也促进学生对知识生产的过程有更深入的理解：“评委对他们表示认可,让学生受到了很大鼓舞,还对他们提出了很多问题。”(T2)而在赛场上参赛者之间的互相交流,则提供一种互相激励、同频共振的同侪效应,加深学生对参赛动机的发展和对社会的理解：“学生在现场,有机会可以和其他课题组同学交流,回来说大开眼界。”(T3)

三、 全国青少年科技创新大赛的学习过程

在上述学习环境的影响下,结合各校师生的资源禀赋差异和竞赛偏好,又会激发不同的学习过程。

(一) 产生学习动机

不同的学习环境会刺激参赛者产生不同的学习动机。[21]在CASTIC中,参赛单位的初始动机往往是出于升学激励、提升学校排名、对接高校资源等工具性动机,这一定程度上来源于竞赛平台的搭建和科学社释放出来的资源红利;另一方面则是出于参赛单位实践本身教育理念的内在愿望,如有老师认为创新竞赛的平台能够实践在传统教育中难以展开的部分,“让学生感受到自己的知识是能够改变社会,是能够学以致用的”(T7)。

而对于大多数参赛学生而言,能够借由这次比赛得到一个暂时离开紧张的基础学习、充分探索自我兴趣的“正当性理由”,获得一段不同寻常的经历,满足自己对于研究的兴趣,则是另一种激励形式。这种参赛动机的产生同样有赖于竞赛氛围的保障,即所在的参赛单位有足够的竞赛传统或竞赛条件。

(二) 产生学习行为

但同样的学习动机不一定会产生一致的学习行为。激发何种学习行为既受到竞赛结构和规则的约束,也受到参赛者自身资源禀赋等条件的影响。比如在努力程度上,受访者多半倾向于选择每周开展1—2次竞赛相关的课程,以兼顾基础教育学习和竞赛培训,但是也有如T3这样每天晚上会花三个小时左右进行备赛,投入较多时间精力的。

这就涉及参赛者对竞赛价值的把握,以及对基础教育阶段整体目标的衡量。如有受访者直言：“学生受到最终任务(高考)的驱动,那为竞赛所做的这些工作在高考招生中会怎么衡量?”(T1)参赛者的努力程度差异还可以体现在投入师资、备赛期长度等选择上,如有教师表示参赛学生的培训时间至少要保证在一年以上,因为“几个月的培养是不行的,比赛结果只是把课题做好了,自然获得的”(T4)。

通过访谈总结,本研究发现上海地区的参赛者主要形成了三种培养模式：

1. 项目式管理

该模式强调老师对项目的管理和模块化的生产,有明确的培养目标、时间规划等,保障带出的项目都保持在一定水平：“我们主要是做辅助和支持工作。一个是指导他的课题,二是指导论文写作,也指导答辩,指导一整个流程……”(T1)“老师分工是按学科分的,学生报到你这个方向,你就指导他。”(T3)

该模式的优势在于标准化与规模化。一是参赛资料的档案化,一些学校会将每届学生的参赛项目积累成相应的资料库,以供后来者参考学习;二是设立一整套“模块化学习的流程”,如每天晚上6—9点是专门进行研究性学习的时间,以与每周科学社的培训充分对接,保证每次和专家讨论能有内容上的新推进;三是在培养安排上做了详尽的时间规划,在入学时就会开展相关的竞赛动员,鼓励学生尽早开展研究性学习,并给出了非常具体的时间安排表,发到每个学生手中。除了带教老师的培训外,部分学校也会请参加过科创赛事的高年级学生指导低年级学生,在一定程度上弥补了老师的角色,与学生达成了充分、多层次的沟通交流。

2. 学徒制学习

该模式强调师徒制的学习,主张手把手、强沟通的培养方式。老师对学生进行全面、个性化的培养,而不仅仅局限在竞赛内容上。在该模式中,带教老师的话语权极大,个人的科研资源也往往较多,而受限于教师的精力,带教的规模则不会很大：“校长聘我的时候我就说了几个要求：一是给我一个办公室;二是要有实验室,能跟大学接轨起来;三个哪个学生怎么搞,我说了算,不是校长、局长说了算。这样效率就高了……”

其中,老师会对学生的个人习惯、生活做更细致的观察,因材施教。除了科研能力外,该模式还强调对学生的独立人格、行为习惯进行培养,这也要求老师对每个学生付出巨大的心力和沟通成本：“(学生)主动来找我说,想到我社团里学习,那么我要考察考察。那时我们做苔藓植物,要去天目山考察,采集标本,我就说你要不要跟我去,采标本跟你做的项目没关系,但我说你要锻炼锻炼,因为家里很宝贝,做事也慢悠悠的,我说这可不行……回来以后他自己也想了一个项目,自己也认可就做这个。”“去(学生)家里三趟,对我触动最大的就是他的文史哲水平很好,围棋下得很好。当时我们的老师、学生不清楚情况……我对事不对人,学生好我就带他。”(T4)

3. 平台式培训

该模式以科学社为主,教师和学生的交流相对较少,其主要作用是负责对接资源和把控流程,为学生解决竞赛条件等问题：“学生的科技创新要在院所实验室等等一系列的环境下开展,所以我们主要的工作还是在于帮助他们找到合适的专家,然后由专家牵引到后面的一系列的实验过程。”(T5)该模式往往对接多样的外在资源,使得学生能够获得更多“走出去”的机会,如提前体验高校的实验室、接触高校的科研环境等等,出于研究需要,还可能会涉及各式各样的社会实验。这对学生来说都是一些新鲜的体验。

不过目前来看,科学社的培训是一种“后期的培训”(T5),强调学生在前期先进行自我思考,以防止对其原创性进行过多干预。因此科学社的培训一般从市赛前一年的八月份开始,为期四个月左右,针对的多是一些已经初步成型的项目,因此其主要培训策略是对接资源以提升项目的成熟度。

总的来说,一个参赛单位里可能同时融合了多种培养模式,但这些模式基本都重视了选题寻找、教师责任、培训时间、内容与形式以及与学生沟通交流等维度。

其中选题的来源反映出了教育者不同的干预程度和背后不同的教育理念。有些参赛单位注重学生自己提出选题,尤其是提出一些符合年龄、生活化的选题,有些则喜欢从课堂讨论的角度进行深入,也有学生的课题可能借助了外部条件,如由家长直接提供。在教师职责上,不同带教老师对自己的定位也不相同。有些老师认为自己主要做流程性的辅助和支持作用,有专业背景的老师可能对科研过程有更深入的指导,而有些老师则倾向于将竞赛培训作为实施人格教育的重要机会,认为自己有一定的非正式筛选、激励义务。不同的教育目标也会带来不同的培训形式,教师的教学重心、沟通方式都会有所差异。

四、 全国青少年科技创新大赛的培养效果与问题

从整体调研结果看,受访者普遍认为当下的CASTIC基本起到了一个良好的平台作用,即“学校能适应、学生会喜欢、大家会认可”(T3)。科创赛事带来了相当大的形成性绩效,即专业的科研体验、与“学术偶像”的接触机会、与社会生活的充分互动,这些体验可能是远远超出学生日常经验的,并在相当程度上实现甚至超过了学生的自我效能预期,帮助其将外源性动机逐渐转换为不求结果的内源性动机。所有受访者基本都认同,科创赛事极大发掘和提高了学生的各方面能力,其中尤其是学生的自我管理能力、主动学习能力等等,如有受访者认为,学生学会了“如何调用资源”而不是“埋头苦干”。

同时,科学社的出现和开放在一定程度上弥补了学校之间、学生个体之间竞赛资源不均衡的情况。但能否和科学社提供的资源相配套,还是考验着学校的制度设计、竞赛条件等问题,涉及竞赛培训能否课程化、能否纳入教师考核量、能否给出相应的加班补贴、能否为科技教师提供相应的编制支持等等现实问题。

在绩效持续性上,竞赛培养的长期效果还有待增强。从调研结果来看,科学社的培训是相对更加“事务性”的,有一定专业价值,但较难与选手形成更深入的情感性联结,“一轮培训完基本就要着手下一届比赛的准备工作”(T5)。竞赛的后续跟踪培养关键还是在学校层面,即使如此,大多数受访者依然表示较难与参赛学生保持长期联系,进行成长跟踪。整体来说,竞赛沉浸程度更高、绩效认可度更大的学生更容易获得跟踪,而参赛时间越短、外源性动机更强的学生与竞赛的情感联结更弱。

不过,随着平台资源的积累和模式的成熟,越来越多的学校认可并有组织地参与到科创赛事中,并因此为契机,推动了研究性学习课程的开展,在一定程度上也发挥了“以赛促教”的价值。

但当下的青少年科创竞赛还存在着一系列基于竞赛环境的深层问题(见表4),概言之,由科创教育资源总量缺乏导致的结构性分布问题。其中最核心的待解决问题是,在教育资源还有限、不平衡的当下,要如何明确其教育目标,并基于此分配和平衡竞赛开展的教育条件,开掘更多的学习资源,以激发更加普惠的科学学习效果。[22]

表4 青少年科创竞赛人才培育模式问题总结

五、 未来建议

从目前CASTIC的变革趋势来看,未来以科创竞赛为平台的科学教育改革示范功能还会越来越明显。其创造了一种更具实验性的科学学习环境,通过项目化的竞赛框架,重新弥合了传统课堂上被剥离的学习环境与知识应用环境,并激发了充满社会交互的复杂学习过程,将对学生的学习方式、心智成长以及对科学的情感联结产生更加深远的影响。但要使科创竞赛发挥更大的教育作用,还需要继续围绕科创竞赛的定位、学习环境的搭建、培养机制的建立作进一步的设计完善,让科创教育的红利向更大范围释放。

具体来说,一是要更加清晰地明确此类竞赛平台的教育功能,弱化竞赛的功利性目标,加入更多的过程性目标监测,明确大赛对“研究性学习”和基于项目的教学方式的普及与考察,明确其对于科学教育的示范功能。二是要加快完善科创学习环境的搭建,基于科创学习过程尽快完善所需的一系列空间、师资、资源配套,通过竞赛平台接入来自科研院所、科普场馆、高新技术企业等更加多样的教育资源,建立更加广泛的社会参与机制[23],提高社会对于科创竞赛的认可度。三是进一步完善基于科创竞赛的人才培养机制,围绕问题发掘、学习辅助、组织支持、社会交往四大核心维度对科创人才的培养模式进行机制化设计,并通过逐步改变大学选才政策、定期开展科技辅导员培训沙龙等方式,制度化地扩大兴趣型的参赛群体[24]。

总体来看,能否通过系列化的课程改革和制度建设,将当前的科创竞赛逐步由一种特殊的创新人才选拔渠道,转变为依托于基础科学教育、与科学课程设计环环相扣的科创人才常规培养平台,将是科创竞赛未来能否进一步激发科学教育范式变革、融入完整科学教育体系的重要变量。