加州大学终身教授:美国科学启蒙教育带来了什么启示?

加州大学终身教授:美国科学启蒙教育带来了什么启示?
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科学思维的引导上,什么样的具体启蒙方法才是更好的?美国教育带来了什么启示?加州州立大学旧金山分校物理与天文系终身教授满威宁分享了自己对美国科学教育的分析。

从一个小学生科研比赛的结果谈起

2019年,我参观了一个美国的科学竞赛,小学生们做了很多原创研究。

最终,一个五年级小孩的研究得了整个学区的第一名:《WIFI辐射对植物有害吗?》,引发了很多讨论。

简单地说,这个小学生想研究无线WIFI信号对植物的影响,经过12天的实验,他声称:靠近WIFI路由器的那盆“快死了”,远离的那盆则“长得很好”。

得出结论:WIFI如他想象的一样,严重危害了植物,大家要小心辐射。

还配有一个数据图表,是他称的“植物的重量”,从第1天到第12天,单位是克。(蓝色代表的A盆,距离WIFI近;橙色代表的B盆,距离WIFI远。)

刚好我在网上开了一个物理启蒙课,于是,我把实验内容发到我的学生群里,请孩子们看看。

我说 : “首先肯定这个孩子的创造性想法和努力。但大家对这个结论有没有什么疑问?能想到哪些问题?”

群内的中小学生立刻各抒己见:

A: WiFi真的会影响植物的生长吗?对人体也有影响吗?

B:在种植过程中,泥土的重量相同吗?土质一样吗?每次浇水的克数一样吗?植物生长的温度、湿度、阳光照射一样吗?离窗户的远近都相同吗?否则会导致蒸发不一样,吸收阳光的程度也不一样。

C: 靠近机器有光源和热的话,会不会虫子比较多,适宜病虫害的温度?

我觉得很好,大家没有白上我的课,都对实验条件的一致性提出了合理的怀疑。

我于是又提醒大家,再仔细看看原作者本人的数据图表,还能发现哪些问题?

马上有同学提出来说,作者是以重量为单位的,但植物重量不好称:

D: 这个实验中是不是可以用整体植株高度的变化来当测量数据?

E: 我认为还可以观察植株的色泽。

F: 用植物叶片的数量与叶片的大小及叶片的颜色来做数据,可能会比植物的重量做数据更合适。

G: 还是量高度或根茎粗细好点。

我说:这些都是很好的想法。

不过,12天以后,确实有一盆长得没有另一盆好。用叶片的多少、植株的高低的差别,就可以得到结论说“WIFI让这株植物受害了”吗?

假设、实验、数据、结论之间的逻辑关系到底应该是怎样的?

这是一个绝佳的例子,用来真正培养孩子们的科学思维方式。

果然,很快同学们就注意到原数据图表的重大问题:

H: 植物的重量是如何称出来的呢?从第1天到第12天植物总重量呈下降趋势,这与植物生长规律是违背的!

I:如果土壤重量、浇水量都一样, 都在室内,只是离Wi-Fi的距离远近不同的话,我认为他测量数据有问题。植物吸收水分养分生长应该越来越重,可是B的重量却比A少?

是啊,大家都发现了,首先“植物的重量”怎么减少了?

其次,大家纷纷反应过来:

J: 他实验中植物的重量是如何测量的?是包含土壤的重量吗?

K: 水的蒸发是无法计算的。L: 他没有考虑到盆间土壤水分蒸发的差异。

这就是锻炼批判性思维(critical thinking)。即使老师说这是得了第一名的项目,你也一样可以质疑。

进而,又有同学提出:

M: 一次实验不足以得到结论,偶然性太大,需要多次验证。

N: 有养花经验的人知道,即使是一样的植物在一样的环境下,也可能有差别,太多偶然因素可以导致差别。

越来越清晰了。

总之,如此不严谨的实验过程和不一致的实验环境,怎么能够说明植物长得不好的原因是WIFI影响呢?

原作者可能是因为强烈的主观愿望,选择性地指向心仪的结论,把自己都骗到了。

可是,为什么这样的项目能在美国得奖?从中我们能得到什么启发或者反思?

美国科学启蒙优与劣

美国的科学启蒙教育是怎样的?

首先不要迷信美国。

来美近二十年,我了解到,美国的文科教育(语言、阅读、演讲、写作、哲学等等)很棒, 可美国的数学教育在全球排名非常靠后,科学更一言难尽。

一个现实是:在美国,直到高中毕业,物理、化学、生物都可以不是必修课。只有想上好大学的学生才选修这些课。

另一现实是:小学初中通常是一个老师教全班所有的功课。一个大学文科毕业做老师的人,或许只上过几门必修科学扫盲课,就可能担任全部学科的老师,效果可想而知。

而且美国完全没有正式的教材和课本,老师自由发挥,学生自求多福。(好的私立学校或顶尖公立学校另当别论。)

即使如此,我还是要强调一下美国科学启蒙教育有一个非常好的思路:在小学初中没有太多具体的知识点要求,更多地强调怎样做科学。

以这次的小学生科研展览比赛为例,你必须亲自研究一个属于你自己的问题。

历时几个月的流程是这样的:

1

提出你想回答的问题,尽量精准明确

比如:在水泥地上拍篮球是不是比在木板地上拍更费劲?

2

提出你对答案的假设

比如:假设“篮球与水泥地相撞比与木板地相撞会损失更多能量”;

3

做背景研究和调查

通过背景研究和调查,了解基本的名词,相关的变量,了解常识。

4

设计实验,去验证你的假设

比如:用同一个篮球,从相同高度自由落在不同质地的地板上,测量反弹高度,来比较反弹时损失的能量。

5

分析数据

根据数据来判断假设是不是成立,再得到结论。有时候还需要设计后续实验继续深入研究和验证。

6

写科研摘要,讲清楚几大问题

这个课题是什么,为什么重要,为什么需要研究它,我具体怎么研究的,得到的结果或结论是什么(what, why, how, what)。

你看,这完全是正经大学和研究所的学位论文项目或科研竞标项目的研究流程。

这里面是一套完整的训练,从提问、推理、假设、实验、比较、验证,一直到得出结论和准备后续计划。

取长补短,中西合璧

对于国内的老师和家长来说,我们应该做什么?

不要光想着国内教育太死板,要珍惜那些训练基本功和积累各科知识点的机会,楼阁不能建立在空中。

也不要光想着美国的教育太肤浅,而是要虚心学习那些培养思维方式和研究习惯的理念和方法,把探索未知的过程还给学生们。

怎样做成功的科学启蒙?我们要教“科学知识”,也要教“怎样做科学”,两者缺一不可。

科学启蒙,是让学生们通过“自己去发现”的过程,真正理解科学原理,养成勤于思考的习惯,随时提出问题,敢于尝试解决问题。

那么我们要避免做什么?

1、沦为记忆背诵知识点,满足于知道很多显渊博的名词,却不知道如何深入思考和提问;

2、习惯被动接受信息, 没有批判式思维,甚至因为没有理解而根深蒂固地留下似是而非的错误印象。

3、同时我们也不要迷信美国的STEM。理念和初衷是好的,但效果也还是要看具体老师的功力。

如果动辄强调“创造力”“新发明”,非要颠覆已知认知,但只是浮于表面,就会变成典型的花架子素质教育。

至于说,为什么在那么多优秀的作品当中,这个漏洞百出的项目得了第一呢?它没有优点吗?

当然有优点:首先,它关注了一个人人自危的问题,到底WIFI有害吗?大家都感兴趣。另外,它的版面设计视觉上做到了有吸引力。

不过,这个项目得了第一名也暴露了学区师资力量的局限。居然没有一个指导老师看出那些很明显的问题!二来,这个结果也反映了一种好大喜功,“政治正确” 的主流流行口味。

当小孩子出来宣传所谓“科学家还没发现或承认的危险”时,自带英雄主义的光环。人们好像格外欣赏小孩做出“反对权威”或“保护世界”的“壮举”。环保少女Greta Thunberg就是典型例子。

没有足够的知识储备去判断,再加上英雄主义光环影响,求是的科学精神就泯灭了。

比如一个被美国总统表彰颁奖的中学生科研项目:给非洲孩子造一种白天用来踢的足球,顺便滚着滚着发了电,夜里就用球里储存的电点灯读书。

这个项目靠噱头赚足了眼球和赞美,浪费了很多钱。每个“援助非洲发电足球”造价一百多美元,效率很低,又容易坏,效果其实远不如二十美元的足球和简单手摇发电机。

科学诚我不欺,无论有多少噱头和光环,没有什么伪科学逃得过时间的检验。不要仅仅教科学“知识”,忽略了培养如何做科学。

同样,也不能忽略基本功的培养,一味追求创新和“颠覆”,盲目追求空中楼阁而不自知。

来源 | 问对教育

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