基于課程的公民科學項目及其STEM學習效果研究

王麗慧

（中國科普研究所，北京100081）

公民科學（Citizen Science）也譯作公眾科學，是指普通公眾與科學家合作，為專業(yè)的科學研究收集資料和數(shù)據(jù)的行為。歐美國家有歷史悠久的公眾參與傳統(tǒng)，史密森學會1848年開始的氣候觀測項目是比較早的有組織的公民科學項目，促成了氣象學學科的發(fā)展[1]。最近20多年，隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，以及科研工作對大量非專業(yè)人員參與的需求，公民科學逐漸發(fā)展起來并成為重要的研究趨勢。公民科學還被稱為公眾參與科研（Public Participation in Scientific Research）、眾包（Crowdsourcing）等，相對而言，公民科學這一術語更具普遍性，既包括非專業(yè)人員參與科研項目以幫助科學家收集資料完成研究任務[2]，也包括公民參與社區(qū)環(huán)保等與科學決策民主化相關的內容[3]。本文主要從公眾參與科學研究的角度來探討相關問題。

目前，歐美國家有很多大規(guī)模志愿者參與的科學研究項目，如eBird、Galaxy Zoo等。美國國家科學基金會（NSF）早在1992年就開始資助康奈爾大學鳥類學實驗室（CLO）以及自然地圖等以青少年為主的公眾參與科研項目，這些項目既為科學家解決了收集大范圍資料的問題，也為參與者提供了科學學習的機會。公民科學項目發(fā)展迅速，目前已形成了有專門的協(xié)會、學術期刊以及眾多志愿者參與的狀況。歐盟、澳大利亞等國家和地區(qū)也逐漸建立了相應的公民科學項目平臺，例如Zooniverse作為世界最大的公民科學平臺，聚集了大量項目，吸引了超過100萬的志愿者參與。歐盟、德國還發(fā)布白皮書和綠皮書，呼吁各國系統(tǒng)地開展公民科學研究。我國也有公眾超新星搜尋、中國自然觀察等公民科學項目。

公民科學對科學、教育和社會發(fā)展等方面都有不可忽視的影響，提升參與者的STEM教育也是其功能之一。公民科學項目一方面注重志愿者對科學研究的數(shù)據(jù)貢獻，另一方面也關注志愿者的科學學習和社會教育。公民科學可以為STEM教育提供良好的非正式科學學習環(huán)境，從STEM教育的目標和效果來看，學生也需要接受除了課堂教育外的多角度學習[4]。

1 公民科學的類型和特點

1.1 公民科學項目的類型

依靠志愿者收集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，從而推進科學研究是公民科學的首要目標，在這個過程中非專業(yè)人士可以學習處理與科學研究相關的社會問題，提升自身的科學素質以及對科學研究的理解。同時，公民科學也為公眾提供了參與科學研究和科技事務的機會，讓他們在與科學相關的領域有一些話語權。

從項目的具體操作過程來看，國外公民科學項目已經形成一整套非常完善的程序，包括項目的啟動、運行和評估，以及項目產出成果的集成和使用。一般來說，整個項目包括以下步驟：選擇或定義研究問題，收集信息和資源，開發(fā)關于可能的問題答案的解釋（假設），設計數(shù)據(jù)收集方法（實驗和觀測），收集數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，解釋數(shù)據(jù)并得出結論，傳播結論，討論結果并提出新問題。這樣的一套項目流程對于參與者非常有效，他們除了收集數(shù)據(jù)，還可以在參與互動的過程中通過自己的觀察來促進科學研究的進展，或者關注那些能激發(fā)好奇心的主題。

公民科學項目具有多樣性和異質性，可以根據(jù)不同方法進行分類，根據(jù)志愿者參與項目的程度和方式，公民科學項目可以概括為貢獻型、合作型、共創(chuàng)型、契約型和學院型等形式[5]。 而從更廣泛的公眾參與科學角度來看，可大致歸為下述幾類：數(shù)據(jù)收集項目、數(shù)據(jù)處理項目、基于課程的項目和社區(qū)科學項目（見表 1）[6]。

表1 公民科學項目的類型

1.2 公民科學項目的特點

隨著公民科學的發(fā)展，其展現(xiàn)出覆蓋范圍廣、參與者眾多、國際合作趨勢明顯等特點。公民科學覆蓋到大范圍的學科，包括生物學、醫(yī)學、天文學、生態(tài)學、環(huán)境科學等，這些學科需要大量非專業(yè)人員參與資料收集與整理，其中很多項目是在全球范圍內開展的。公民科學項目數(shù)量和參與者規(guī)模呈跨越式增長，例如Zooniverse項目的志愿者已超過百萬，為公眾提供了參與科學研究的重要途徑。

從上表各類項目的特征看，數(shù)據(jù)收集項目中，參與者需要按照項目組織者的要求完成基本數(shù)據(jù)的收集，早期的公民科學項目如史密森學會的氣象觀察項目、全美奧杜邦學會的圣誕鳥類調查都屬于此類。數(shù)據(jù)處理項目則更多體現(xiàn)出公民科學與互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的關聯(lián)，項目需要參與者熟練地使用計算機進行數(shù)據(jù)分類或者處理，參與者需要具備一定的科學知識。而社區(qū)科學項目從性質上看，屬于科學決策民主化范疇的內容，項目涉及公民權利、公民參與等，內容與日常的公共衛(wèi)生、環(huán)境健康等問題息息相關。

基于課程的項目對象是學生，因此在STEM學習上更有針對性，對參與者的相關知識和態(tài)度的影響也更明顯。而且這一類型的項目通常負載著更重要的非正式科學教育功能，對學生的資料收集要求并沒有成人那么高。與此同時，這類項目大部分還為學生配備了支持調查的培訓活動、方案和材料等。項目對學生富有吸引力，并與他們的生活環(huán)境緊密相連，提供了良好的學習機會，是推進校外STEM教育的重要途徑。

2 公民科學項目的STEM學習效果評估

2.1 STEM教育

1986年，美國提出STEM教育的理念，并一直致力于培養(yǎng)學生的STEM素養(yǎng)。隨著STEM教育的發(fā)展，以科學教育為核心、注重培養(yǎng)學生的科學知識和實踐技能的教育理念也不斷演進，更加關注培養(yǎng)學生的綜合性多學科思維能力。2018年12月，美國發(fā)布了“北極星戰(zhàn)略”[7]，該戰(zhàn)略回顧了美國STEM教育的進展，提出新的5年戰(zhàn)略愿景：所有美國人都將終身受益于高質量的STEM教育，美國將成為STEM素養(yǎng)、創(chuàng)新和職業(yè)領域的全球領導者。為此，需要通過建立堅實的STEM素養(yǎng)，增強STEM教育的多樣性、公平性和包容性，儲備未來的STEM勞動力來實現(xiàn)上述的愿景。

STEM教育越來越受到重視，為提升科學技術能力的學習方式提供了契機。除了學校課堂之外，非正式場所的科學學習也在營造整個STEM教育生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)越來越重要的地位，提升STEM素養(yǎng)需要加強學校、企業(yè)、科研機構等各組織之間的聯(lián)系，提供專業(yè)的資源，這也意味著鼓勵學習者參與到科研項目的實踐中，進行實際操作的學習體驗，讓學生真正融入并理解各門學科的內涵。在這一點上，公民科學項目與STEM教育的目標一致。

基于此，根據(jù)課程設計的公民科學項目在培養(yǎng)學生各種能力的同時，也需要對STEM學習效果進行評價和定位。從現(xiàn)有的公民科學項目的評估框架來看，評估和參與者當前的乃至終生的STEM學習密切關聯(lián)。根據(jù)NSF非正式科學教育效果評估的框架，評估非正式科學教育的指標主要包括知識、態(tài)度、行為、技能、參與和動機?？梢姡窨茖W項目可以成為課堂科學教育目標和學生興趣之間的重要聯(lián)系橋梁和紐帶，學習效果也是顯示公民科學項目成績的重要指標。

2.2 公民科學項目的科學學習效果評估

從目前公民科學項目的評估目標上看，大多數(shù)研究都比較關注項目的科學產出和個體學習效果這兩個主要方面[8-9]。 這也是與STEM教育效果聯(lián)系最為緊密的部分。博尼等認為，項目的評估應該是有針對性的雙向評估，需要同時評估項目科學貢獻和教育效果，他們建議采用不同的評估方法，對項目參與者進行全方位的跟蹤調查，可以同時使用前置評估、過程評估和總結性評估，以便充分了解項目的整體過程。美國NSF資助的公民科學項目，對科學教育目標也提出了要求，在NSF關于公民科學項目的報告中，博尼等將對個體教育效果的評價細化為：認識或理解、參與或興趣、技能、態(tài)度、行為。具體內容涉及以下多個角度：項目參與者的參與時長、參與者訪問網(wǎng)站的次數(shù)、參與者對科學內容的理解、參與者對科學過程的理解、參與者對科學有更好的態(tài)度、參與者的科學技能、參與者對科學的職業(yè)興趣[10]。

菲利普斯等的研究則更關注參與者的科學學習效果，這與非正式STEM教育的目標相契合。在為CLO項目撰寫的評估指南中，他們認為，評估框架需要考慮學習效果和產出，并詳細列出了評價學習效果的標準和具體內容，指出與STEM學習相關的諸如面向學生的公民科學項目是否成功、學生參與公民科學項目的動機、什么影響學生對科學的態(tài)度等都是需要評估的[9]。 CLO的公民科學項目評估框架關注到個體學習產出、結果和影響的評價，注重考查對參與項目的志愿者是否獲得知識、增長興趣和改變態(tài)度，框架參考了弗里德曼關于非正式科學學習的框架[11]，包含認識、情感和行為等角度的改變，這就與學生進行科學學習的目的結合起來。

基于課程的公民科學項目的目標人群是幼兒園到高中階段的青少年，一般由教師和父母指導學生們收集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)提供給總項目，項目通常與學?？茖W課程保持一致。這類項目是STEM教育的重要組成部分，已經有大量實踐，部分項目也進行了跟蹤性評估。例如，康奈 爾 大 學 TBN（The Birdhouse Network） 項目的前后調查顯示，參與者關于鳥類學的知識獲得明顯提升；但是參與者對科學過程的理解則沒有表現(xiàn)出提高，同樣調查也沒有發(fā)現(xiàn)參與者對科學態(tài)度有明顯改變[12]。對美國、印度和哥斯達黎加三個國家公民科學志愿者的調查研究指出，參與項目的志愿者高度依賴于興趣，但是參與意愿和實際行為之間存在差距，尤其是項目對參與者有個人價值和利益時參與度更高[13]。

3 公民科學項目為STEM教育提供實踐機會

3.1 公民科學項目提供科學實踐的環(huán)境

公民科學為STEM教育提供了進行科學學習的資源和平臺，為參與科學實踐提供了良好的環(huán)境。公民科學為學生和教師提供了觀察和探索世界的機會，并通過這些活動積累了研究經驗，提升了對科學的興趣，這些是有效增強STEM學習的核心因素。STEM學習在中小學科技教育中越來越重要，相關的訓練能夠增進學生的知識和技能，而公民科學項目恰好為他們提供了觀察、交流和數(shù)據(jù)處理等技能，并且還能促進他們積極參與科學研究，鍛煉了應對未來挑戰(zhàn)的能力。另外，當代科技的迅速發(fā)展也表明，未來社會的發(fā)展，需要青少年能夠進行批判性和創(chuàng)造性的思考，而這種批判和創(chuàng)新精神需要同時在校內外教育中慢慢滲透。

以青少年為主的公民科學項目，能夠激發(fā)學生的興趣，又能在一定程度上迎合他們的生活經歷和文化習俗，因此無論是進行學術研究還是從情感上都能夠吸引青少年，讓他們在家庭和社會環(huán)境中進行STEM學習。作為STEM學習系統(tǒng)中不可或缺的一部分，與學校相比，校外活動能夠提供不一樣的體驗，這種體驗相比于課堂教育而言，更具吸引力，能夠快速將課堂知識與對應的知識點聯(lián)系起來。

提高STEM學習不能只依靠課堂知識，學生還需要通過深入?yún)⑴c科學研究來學習科學。但是，學生在校內參與到這種以學生為中心的沉浸式STEM主題體驗的機會并不多，更缺少能將真實的科學實踐與自己的生活、興趣和學習環(huán)境聯(lián)系起來的機會。公民科學項目為學生和教師都提供了既能聯(lián)系生活又能深層次參與處理實際數(shù)據(jù)和科學問題的方法。同時，也讓學生或者教師能夠參與現(xiàn)實的科學研究，達到一種更廣泛意義上的參與，這種參與既可以是基礎的數(shù)據(jù)采集，也可以是深入的科學實踐，讓學生潛移默化地把生活和玩耍的地方利用起來。對于教師來說，公民科學同樣提供了優(yōu)異的環(huán)境，讓教師可以更輕松地幫助學生學習，通過共同合作來增強學生的學習效果。

3.2 案例分析

“院中的自然——面向學校的公民科學”（Nature in Your Back Yard—Citizen Science with Schools）是維也納自然資源和生命科學大學的保護科學學家與奧地利16所學校合作的項目，目的是記錄城市和農村中的生物多樣性，研究園林管理與特定生物種群之間的相互關系。參與項目的學生可以訪談園林主人，觀察刺猬、蝴蝶、鳥類和蜜蜂的覓食行為，并使用科學家提供的工具對花園進行探查。項目中科學教師的身份也很重要，他們是學生和科學家之間的中間人，教師在指導學生按照科學家的要求收集資料時，也需要衡量自身課程的教育目標。項目既為學生提供了實踐機會，也提升了學生的興趣。有研究[14]根據(jù)菲利普斯的評估框架對428名8～18歲參與項目的青少年進行評估，對參與者的興趣、自我效能、動機、行為、態(tài)度進行評價。評估顯示，大多數(shù)學生都對此項目感興趣，學生的興趣和動力以及對知識的掌握程度都有所提高。參與者明顯對野生動物、自然環(huán)境和生物多樣性有顯著的興趣，其中小學生的興趣最高，而且也為項目貢獻了最多的數(shù)據(jù)。項目的前測和后測對比發(fā)現(xiàn)，參加項目后，參與學生對野生動物、自然環(huán)境和生物多樣性的態(tài)度有所改進，參與者有未來繼續(xù)參與項目的意愿。

依托E-Mammal的學生參與項目評估也體現(xiàn)出科學學習環(huán)境的重要性。E-Mammal項目中，參與者上傳自己利用隱形相機拍攝的野生動物照片，作為數(shù)據(jù)進行管理和存檔，從而幫助科學家了解哺乳動物的狀況并進行動物保護。基于這個平臺，北卡羅拉多州自然科學博物館設計了學生、教師和科學家均能有所收獲的課程，首先教師于2014—2016年接受為期三周的培訓課程，由項目科學家教授器械操作和使用課程，然后教師將相關知識教授給學生，學生隨后可以自主參與項目。美國、印度、墨西哥和肯尼亞共28所學校的學生參與這個項目，經過專家對學生收集的資料進行鑒定，確定分別發(fā)現(xiàn)了13～37種野生哺乳動物。這表明小學生在自然實踐環(huán)境中所獲得的數(shù)據(jù)，可以為科學家提供幫助。參與項目的教師反饋，學生對參與項目非常有興趣，激發(fā)了他們學習科學的好奇心，通過鑒定所拍攝到的圖片，學生了解到當?shù)匾吧鷦游锏臍v史，對生物多樣性也有了更深入的認識。同時，學生參與項目的體驗也間接地影響到社區(qū)的動物保護[15]。

4 公民科學項目促進青少年的科學學習

4.1 公民科學項目利于全方位的學習

從公民科學項目對參與者科學學習的影響來看，參與者除了通過參與項目明顯增長了事實性科學知識外，也在經歷著不同方式的學習。傳統(tǒng)課堂科學教育更注重傳達知識，在體驗和理解研究過程方面則相對較弱，因此非正式科學教育注重參與者對活動的直觀體驗，而公民科學正是促進非正式科學教育的良好途徑。從科學學習的角度來說，參與科研項目對學習效果有多方面的影響，從而達到參與式學習、反應式學習和關聯(lián)式學習[16]。

（1）參與式學習。公民科學的基礎是觀察科學現(xiàn)象，收集和共享科學數(shù)據(jù)。參與者可以在這個過程中開展基礎的研究工作，并將數(shù)據(jù)上傳到APP上，讓數(shù)據(jù)收集工作變得非常簡單，很多觀察可以在短時間內就完成。在這個過程中，參與者可以掌握科學技能和術語，同時可以形成對科學的新的理解。這種開放的科學活動，讓參與的學生、教師與科學家共同體直接交流，這一提出科學問題、獲得解答的科學過程，是重要的參與式學習。

（2）反應式學習。除了收集數(shù)據(jù)之外，提出問題也是公民科學的一個部分。雖然在參與過程中，大部分工作要按照科學家事先提供的方案，但是在這樣的過程中，學生也會被激起好奇心并開始尋找問題的答案，這也是他們開始“探究”的起點。公民科學項目提供了一個優(yōu)質的環(huán)境，讓學生和教師都可以一步步地學習如何進行科學研究。

（3）關聯(lián)式學習。STEM學習通常都是發(fā)生在校外的環(huán)境中，如社區(qū)、博物館、科學中心等，與學校所組織的科學活動不同的是，公民科學項目的參與者范圍更大，學生可以與對同樣問題有興趣的其他人共同交流研究。這可以讓學生的STEM實踐更為直接，反過來也提高了學生在觀察、技術用法等實踐方面的技能。同時，由于能夠近距離地了解科學家的行為，這種參與會潛在地影響學生的職業(yè)傾向。

4.2 案例分析

“丟失的瓢蟲”（The Lost Ladybug）項目是美國NSF資助康奈爾大學昆蟲學系組織實施的保護本土瓢蟲生物多樣性的公民科學項目。全美的成人和青少年均可參與，他們在社區(qū)附近尋找瓢蟲物種，拍照并提交給項目組的科學家進行鑒別，同時也提交瓢蟲的發(fā)現(xiàn)區(qū)域和習性等相關資料。該項目從2008年啟動至2019年10月14日，共收集到38 563個瓢蟲標本。項目隨著持續(xù)時間的推移也會及時調整和轉變策略，成人的參與程度逐漸增加，但青少年的科學教育仍是項目關注的重點。

該項目對成人和青少年參與者都進行了評估[17]，主要考察了以下幾個方面：①項目在多大程度上實現(xiàn)了其預期的科學學習影響？②不同類型參與者的學習效果有何不同？（包括成人參與者、5～7歲兒童、8～12歲兒童）③持續(xù)多年參與項目者有什么相關的結果、態(tài)度和動機？④什么策略能支持和激勵參與者持續(xù)參與？

項目發(fā)現(xiàn)，項目在知識、技能和態(tài)度幾個方面都明顯對科學學習有影響。①從兒童的科學知識的學習效果來看，所有年齡段（5～12歲）的兒童在項目結束后都對瓢蟲的生物學詞匯和概念有深刻的了解，很多學生的知識涉及生物學知識的多個方面。②受年齡限制，兒童沒有報告自己的技能學習情況。但與孩子一同工作的父母和老師都報告孩子們的技能有很大程度的提高，其中8～12歲年齡組兒童的科學技能維度更廣。相對而言，與資料收集和理解研究目的相關的技能更強，而關于資料分析和推理的知識則相對較弱。③從科學態(tài)度和認同上看，兒童清楚地了解自己在科學過程中的作用，并知道自己的工作對科學家非常有幫助，同時也在一定程度上能幫助瓢蟲。他們非常愿意搜索、查找、檢查和處理瓢蟲，也愿意在未來繼續(xù)參與項目。

5 結語

公民科學代表一種新的方法，科學家和志愿者能夠在合作中創(chuàng)造相互學習的機會，尤其是能夠促進參與者進行全方位的科學學習?；仡櫧陙砉窨茖W和STEM教育的發(fā)展，二者的聯(lián)系極為密切，尤其是在美國，當然這也與美國的公民科學項目率先通過非正式科學教育得到NSF的資助不無關系。從STEM教育角度來看，校內的課程傳授給學生專業(yè)的知識體系，為他們未來進行相關科學研究打下了基礎。而非正式的STEM學習則是終身的學習,對于學習者在態(tài)度、興趣和行為上的影響更加深遠，也是能夠最終影響個人職業(yè)選擇和興趣的關鍵。《新一代科學教育標準》提出：“科學學習不僅在于科學事實知識和概念的積累，還在于發(fā)展了對作為能夠勝任的科學學習者的身份認同?！泵嫦驅W生的公民科學項目，對于激發(fā)學生學習生涯早期的科學興趣，建立學生對科學的認同尤為重要。公民科學項目對青少年的STEM學習有積極的推動作用，而公民科學所代表的趨勢和方法對科學研究、科學傳播和公民參與的影響則更為顯著。在科學傳播從缺失模型到公眾理解科學，再到公眾參與科學的路徑演變中，公民科學項目為參與者提供了豐富的教育機會，提供了在更大范圍的學科領域內的研究經驗和產出科學研究成果，以及進行科學檢驗的機會。與此同時，公民科學為公眾參與科學政策制定提供了機會和方法，也為科學研究、科學傳播和科學民主化帶來了新的思考切入點。

公民科學在科學研究和科學教育中發(fā)揮了重要的作用，國外公民科學項目發(fā)展的經驗可以為提升我國公民科學學習能力提供借鑒。隨著我國人口受教育程度的提高，對科學研究感興趣的公眾越來越多，因此政府和科研部門可以在科研項目設計階段加入公眾參與的內容，組織和開展相關公共活動和對話。在以青少年為主的科學教育活動和項目中，可以設計直接讓學生或者教師能夠參與的實地研究，采取廣泛意義上的參與方式，既可以是基礎的數(shù)據(jù)采集，也可以是深入的科學實踐，從而讓學生潛移默化地強化科學實踐訓練。在公共治理方面，公眾參與科學事務的領域和成果也不斷擴展，尤其是在環(huán)境管理領域，可以在環(huán)境保護、衛(wèi)生健康、生物安全等與公眾自身發(fā)展更為相關的領域，充分借鑒國外的做法，進一步拓展公眾參與的深度和廣度，通過深入?yún)⑴c促進公民科學素質的提升。總之，公民科學作為一種快速發(fā)展的新興趨勢，在對科學學習效果和社會影響的探索中，還有非常多值得期待的地方。