改進(jìn)科學(xué)教育：這不是火箭科學(xué)，但這更加難！

編譯 高斯寒

“這不是火箭科學(xué)，但這更加難！”這句話改寫(xiě)自天文學(xué)研究者喬治·尼爾森（George Nelson）經(jīng)常說(shuō)的話。尼爾森當(dāng)了11年美國(guó)宇航局（NASA）宇航員，執(zhí)行過(guò)三次太空任務(wù)，其中包括“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)事故后的首個(gè)任務(wù)。離開(kāi)NASA后的幾十年里，他拓展事業(yè)版圖，橫跨科學(xué)研究、工程學(xué)和科學(xué)教育等領(lǐng)域。在眾多職務(wù)之中，他擔(dān)任了西華盛頓大學(xué)的物理學(xué)教授、美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)“2061項(xiàng)目”主管，后者是一個(gè)著眼于改善科學(xué)教育的長(zhǎng)期項(xiàng)目。尼爾森的這句話凸顯出提升科學(xué)教育體系的困難程度。

改善科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)教育的努力在最近幾十年里面臨許多挑戰(zhàn)。譬如說(shuō)，美國(guó)的《2001年不讓任何孩子落后法案》強(qiáng)調(diào)了教師測(cè)試項(xiàng)目，結(jié)果侵蝕教師和學(xué)校的自主性，進(jìn)而削弱和拖延了科學(xué)教育實(shí)踐上早該實(shí)施的改變。

本文強(qiáng)調(diào)了一些鼓勵(lì)物理學(xué)家參與改善科學(xué)教育行動(dòng)的趨勢(shì)。盡管并不新鮮，但這些趨勢(shì)再度獲得科學(xué)家和科研機(jī)構(gòu)的關(guān)注。這些努力的核心是認(rèn)識(shí)到科學(xué)教育生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，并采用更廣闊的基于系統(tǒng)的方式。以基于研究的教學(xué)方法為基礎(chǔ)，物理學(xué)家能夠在學(xué)校、校外項(xiàng)目、國(guó)際事件和旨在改善科學(xué)素養(yǎng)的其他活動(dòng)中與各方合作，發(fā)揮作用。

智利雙子星天文臺(tái)的費(fèi)爾南達(dá)·烏魯?shù)賮啠‵ernanda Urrutia）和兒童一起做濾色器實(shí)驗(yàn)。加州大學(xué)伯克利分校的勞倫斯科學(xué)展廳通過(guò)“數(shù)學(xué)和科學(xué)大探險(xiǎn)”項(xiàng)目發(fā)起這個(gè)活動(dòng)

善用最佳教學(xué)方法

我們從幾十年設(shè)計(jì)、實(shí)施和評(píng)估創(chuàng)新科學(xué)教育項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)中明白轉(zhuǎn)變科學(xué)教育的挑戰(zhàn)。我們和新手教師、經(jīng)驗(yàn)豐富的老教師、博物館教育者、教育研究者、教育開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)合作過(guò)，而受眾從學(xué)前兒童到成年人都有。我們也和各個(gè)科學(xué)、工程和教育領(lǐng)域?qū)I(yè)團(tuán)體，各國(guó)政府和全球的非政府組織共事過(guò)。我們從實(shí)踐中學(xué)到許多經(jīng)驗(yàn)，知道如何才能教得更有效果。

許多科學(xué)家對(duì)于不同環(huán)境下的教學(xué)方法并不熟悉。幸運(yùn)的是，有許多高質(zhì)量的免費(fèi)資源總結(jié)了針對(duì)不同背景下學(xué)習(xí)的研究成果。我們最近完成了一篇針對(duì)最佳教學(xué)實(shí)踐研究的綜述文章，強(qiáng)調(diào)了一些對(duì)科學(xué)家最有用的最佳實(shí)踐。盡管這篇綜述文章特定于天文學(xué)教育，但大多數(shù)建議都適用于科學(xué)和工程教育的所有領(lǐng)域。

學(xué)習(xí)要趁早

對(duì)于許多科學(xué)家來(lái)說(shuō)，與教一群小屁孩相比，教授本科生和研究生更加容易，也更為熟悉。后者已經(jīng)擁有數(shù)學(xué)和科學(xué)基礎(chǔ)，也選擇上過(guò)科學(xué)課程。教他們就好比射箭，射出一支箭，然后在箭命中之前把靶子放在著陸點(diǎn)。擊中靶心令人滿意，但也提出了一個(gè)問(wèn)題：老師對(duì)年長(zhǎng)的學(xué)生有多大影響？向更年輕的學(xué)生教授科學(xué)具有挑戰(zhàn)性，但能在他們高度成形（highly formative）和難以預(yù)測(cè)的早期發(fā)展過(guò)程中極大擴(kuò)展他們的科學(xué)視角。

20世紀(jì)60年代初，哈佛大學(xué)教授杰羅姆·布魯納（Jerome Bruner）發(fā)起多項(xiàng)科學(xué)教育改革嘗試。他的關(guān)注重心是早期學(xué)習(xí)和所謂的螺旋式課程，即每年更加詳細(xì)地探究各科目，而不是將某個(gè)科目“留給”某個(gè)特定的年齡范圍——譬如說(shuō)在十年級(jí)上化學(xué)課，十一年級(jí)上物理課。布魯納堅(jiān)信，任何科學(xué)概念都可以改造后適用于任何一個(gè)年齡層。對(duì)于年幼的學(xué)生，參與科學(xué)活動(dòng)和演示的做法會(huì)比給出言語(yǔ)性或數(shù)學(xué)性解釋更加有效。布魯納指出，人是通過(guò)嘗試騎車(chē)來(lái)學(xué)會(huì)騎腳踏車(chē)的，而不是通過(guò)看一本圖畫(huà)書(shū)或一頁(yè)指南來(lái)學(xué)會(huì)。

20世紀(jì)60年代中期，羅伯特·卡普拉斯（Robert Karplus）在加州大學(xué)伯克利分校勞倫斯科學(xué)展廳所做的工作提供了另一種改進(jìn)初等教育科學(xué)課程的方法?？ㄆ绽闺x開(kāi)理論性的量子電動(dòng)力研究事業(yè)，因?yàn)樗嘈沤逃暧讓W(xué)習(xí)者的工作和大學(xué)科研教書(shū)工作一樣具有挑戰(zhàn)性，一樣有回報(bào)。卡普拉斯發(fā)展和支持了一個(gè)已經(jīng)證明對(duì)各個(gè)年齡層學(xué)習(xí)者都有效的學(xué)習(xí)環(huán)模型。他的學(xué)習(xí)環(huán)理論假定，學(xué)習(xí)分為能夠周而復(fù)始的三個(gè)階段——探索、發(fā)明、發(fā)現(xiàn)。他的主要貢獻(xiàn)是強(qiáng)調(diào)實(shí)際動(dòng)手經(jīng)驗(yàn)，而非以教材為中心的學(xué)習(xí)方式?？ㄆ绽沟膶W(xué)習(xí)環(huán)模型得到后世其他學(xué)者的修正，反映出對(duì)科學(xué)研究過(guò)程的深層理解。

初等教育的老師通常將工作重心放在傳授基礎(chǔ)的閱讀、寫(xiě)作和數(shù)學(xué)技能上。雖然他們懂得最佳的教育手段——包括那些源自布魯納和卡普拉斯的方法，但要將他們的教書(shū)技能應(yīng)用到教授科學(xué)上卻很困難。許多初等教育的老師對(duì)于科學(xué)主題的了解程度，對(duì)于如何有效地結(jié)合科學(xué)和核心教學(xué)內(nèi)容，也缺乏自信。

科學(xué)家能與教師合作，克服這些困難?？茖W(xué)家懂得科學(xué)，而教師明白兒童們是如何學(xué)習(xí)的。更深刻地弄清年幼學(xué)生是如何學(xué)習(xí)科學(xué)的話，雙方都能從中獲益。教育者能明白學(xué)生對(duì)科學(xué)的錯(cuò)誤觀念和幼稚理論，那么在這樣的教育者指引下，學(xué)生能更加成功地探究科學(xué)概念。至于科學(xué)家方面，他們和初等教育老師的合作能帶來(lái)許多回報(bào)，極富建設(shè)性。

學(xué)校里的角色

科學(xué)家能帶給學(xué)校的，不只是親身上陣或以視頻形式做報(bào)告和演示。傳統(tǒng)上，科學(xué)家是基于他們對(duì)一群學(xué)生或?qū)W校缺少什么做出的評(píng)估來(lái)決定在學(xué)校里承擔(dān)什么角色，而評(píng)估往往是根據(jù)他們自身的兒時(shí)經(jīng)歷或在學(xué)校里的短期考察。一種更好的做法是讓科學(xué)家和教師合作，找出學(xué)生最關(guān)切的主題，提出最佳的應(yīng)對(duì)方法。科學(xué)家還可對(duì)每天工作在教育領(lǐng)域內(nèi)的教育專(zhuān)業(yè)人士的需求做出響應(yīng)。

科學(xué)教師常常表示，他們需要接受更多線上教課方法的培訓(xùn)，需要能獲取到高質(zhì)量的交互式學(xué)習(xí)材料，掌握最新科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)的更多信息。他們也希望能有一位科學(xué)家隨時(shí)待命，能在電話中向他們解釋概念和術(shù)語(yǔ)，幫助他們找到合適的活動(dòng)和演示，支援和鼓勵(lì)他們。大多數(shù)初等和中等教育層面的科學(xué)教師說(shuō)，他們的教育背景不足以有效地教授物理學(xué)。教師對(duì)于更為專(zhuān)業(yè)的準(zhǔn)備和支援工作的需求已經(jīng)存在了幾十年，從我們的角度來(lái)看，這項(xiàng)需求似乎越來(lái)越強(qiáng)烈。

要滿足教師們的需求，一個(gè)方法是科學(xué)家成為所謂的科學(xué)大使。擔(dān)任科學(xué)大使的科學(xué)家充當(dāng)科學(xué)界和教育界之間的聯(lián)絡(luò)人，幫助教師尋找教育材料和教具，幫他們聯(lián)系大學(xué)或科研群體?？茖W(xué)大使必須明白教育體系的運(yùn)作，譬如教育者如何接受培訓(xùn)，要應(yīng)付什么需求，每個(gè)年齡層的學(xué)生又是如何學(xué)習(xí)科學(xué)概念的。美國(guó)天文學(xué)會(huì)之類(lèi)的專(zhuān)業(yè)學(xué)會(huì)常常在學(xué)術(shù)會(huì)議中提供科學(xué)大使培訓(xùn)。

教室內(nèi)的主動(dòng)式科學(xué)學(xué)習(xí)

科學(xué)家常常驚訝地發(fā)現(xiàn)，學(xué)校內(nèi)的許多科學(xué)課幾乎沒(méi)有花時(shí)間給學(xué)生實(shí)際鉆研科學(xué)。初等教育的學(xué)生進(jìn)行簡(jiǎn)單的物理學(xué)實(shí)驗(yàn)的情況越來(lái)越少見(jiàn)，盡管那些活動(dòng)已被證明能有效地讓學(xué)生對(duì)學(xué)科產(chǎn)生興趣。相反地，各個(gè)年齡層的科學(xué)課常常包含學(xué)習(xí)科學(xué)術(shù)語(yǔ)，記憶科學(xué)方法，閱讀和討論科學(xué)原理、定律以及科學(xué)家。

這些科學(xué)課未能允許學(xué)生玩科學(xué)游戲，結(jié)果科學(xué)課變得枯燥乏味又迂腐。羅伯特·耶格爾（Robert Yager）是美國(guó)科學(xué)教學(xué)研究學(xué)會(huì)和美國(guó)科學(xué)教育協(xié)會(huì)的前會(huì)長(zhǎng)，他在1988年的一篇文章中指出，“做”科學(xué)更加有趣。

遺憾的是，學(xué)生們極少有機(jī)會(huì)玩科學(xué)——極少有機(jī)會(huì)進(jìn)行真正的科學(xué)探究，也就是調(diào)查一個(gè)他們自行確定的問(wèn)題，構(gòu)想可能的解釋?zhuān)槍?duì)各種解釋來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。相反地，學(xué)校的科學(xué)課意味著在小學(xué)、初中、高中的13年里學(xué)習(xí)游戲規(guī)則，做驗(yàn)證類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)他人提出的、廣為接受的解釋?zhuān)瑢W(xué)習(xí)其他人構(gòu)想和使用的特殊術(shù)語(yǔ)與步驟。

按照我們的經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，天賦異稟的學(xué)生常常最容易因?yàn)闆](méi)機(jī)會(huì)參與科學(xué)提問(wèn)和探索而感到沮喪。我們認(rèn)識(shí)的一位極有才華的學(xué)生在初中時(shí)被科學(xué)教師打上了“難教、搗蛋”的標(biāo)簽，差點(diǎn)因此而輟學(xué)。這個(gè)學(xué)生到底干了什么呢？他向教師提出質(zhì)疑，詢(xún)問(wèn)有什么證據(jù)說(shuō)明地球繞著太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)。科學(xué)家歡迎和激賞這樣的提問(wèn)和質(zhì)疑，而不會(huì)感覺(jué)受到威脅。那名學(xué)生如今是IBM公司的一位著名工程師?？茖W(xué)參與——而非教條主義的記憶背誦——激發(fā)出對(duì)于科學(xué)的熱忱。

自由選擇的教育

位于亞利桑那州圖森的薇拉·魯賓天文臺(tái)有一處少兒天文學(xué)咖啡館，里面可獲取基于電腦的工具，學(xué)生用這些工具來(lái)分析大型數(shù)據(jù)集。這家咖啡館也提供研究生、博士后的科學(xué)演講和與他們的非正式討論

諸如天文日或全國(guó)天文周之類(lèi)基于社群的教育活動(dòng)是將科學(xué)活動(dòng)帶給廣泛受眾的有效方式。2019年在夏威夷州希洛的庫(kù)希歐王子廣場(chǎng)購(gòu)物中心舉辦的這項(xiàng)活動(dòng)中，來(lái)自雙子星天文臺(tái)的一位職員和一名學(xué)生一起探究濾色器。天文臺(tái)在活動(dòng)中聯(lián)系當(dāng)?shù)厣缛海私馑麄兊慕逃枨?/p>

物理學(xué)家在選擇科學(xué)教育的角色時(shí)，常常傾向于學(xué)校與課堂。然而，在課外和校外項(xiàng)目中，仍然有其他機(jī)遇。這些非正式和自由選擇的教育場(chǎng)景包括課外俱樂(lè)部、自然博物館、科學(xué)博物館、天文館、圖書(shū)館、可實(shí)際動(dòng)手的科技中心、科研機(jī)構(gòu)的訪客中心、街頭集市、社區(qū)活動(dòng)、夏令營(yíng)、科學(xué)咖啡館、科學(xué)節(jié)日等等。

科學(xué)家在那些場(chǎng)所可以幫助設(shè)計(jì)博物館展覽，為兒童發(fā)現(xiàn)中心建立科學(xué)項(xiàng)目，在圖書(shū)館發(fā)表演講。演講最好較為簡(jiǎn)短，不要那么正式，留出足夠時(shí)間用于討論、辯論和廣泛提問(wèn)，這樣能提高聽(tīng)眾的興趣，提高參與度和滿意度。和其他領(lǐng)域相似，非正式教育領(lǐng)域在教學(xué)法背后也有著強(qiáng)勁的研究基礎(chǔ)。

打造科學(xué)資本

許多創(chuàng)新科學(xué)教育項(xiàng)目構(gòu)建在“科學(xué)資本”概念之上，這個(gè)術(shù)語(yǔ)源自2013年的一份頗具影響力的英國(guó)科學(xué)教育政策報(bào)告《抱負(fù)：年輕人的科學(xué)與事業(yè)志向（10～14歲）》。科學(xué)資本是指?jìng)€(gè)體的所有科學(xué)相關(guān)的知識(shí)、看法、體驗(yàn)和資源的總和，包括他們知道和學(xué)習(xí)的科學(xué)內(nèi)容、他們對(duì)科學(xué)的想法，以及他們?nèi)粘Ｅc科學(xué)、與對(duì)科學(xué)感興趣的人打的交道?；谫Y本的教育生態(tài)系統(tǒng)視角鼓勵(lì)各種合作關(guān)系，給兒童提供在學(xué)校和其他場(chǎng)景學(xué)習(xí)科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)（STEM）的機(jī)會(huì)，鼓勵(lì)系統(tǒng)性改變，為學(xué)習(xí)者創(chuàng)造一個(gè)支持系統(tǒng)。觸及或服務(wù)新社群的創(chuàng)造性方式已經(jīng)在全球范圍得到成功施行，常常由科學(xué)家擔(dān)任關(guān)鍵團(tuán)隊(duì)成員。譬如，科學(xué)家已經(jīng)對(duì)鼓勵(lì)科學(xué)設(shè)計(jì)和視覺(jué)思考的項(xiàng)目做出貢獻(xiàn)，這類(lèi)項(xiàng)目也被稱(chēng)為STEAM，因?yàn)樗鼈兘Y(jié)合了STEM領(lǐng)域和藝術(shù)，能激發(fā)兒童的藝術(shù)興趣和視覺(jué)思維技能，促使他們追求科學(xué)和技術(shù)相關(guān)的事業(yè)。

阿拉斯加大學(xué)費(fèi)爾班克斯分校的科學(xué)教育副教授勞拉·康納（Laura Carsten Conner）與合作者研究了女孩如何看待科學(xué)，藝術(shù)與科學(xué)的聯(lián)結(jié)在構(gòu)建她們的科學(xué)身份中的價(jià)值。她的研究構(gòu)成了“自然的色彩”和“培養(yǎng)STEAM”項(xiàng)目的基礎(chǔ)。這些項(xiàng)目結(jié)合藝術(shù)和科學(xué)，包括在科學(xué)咖啡廳舉辦與科學(xué)家互動(dòng)的活動(dòng)，培訓(xùn)教育專(zhuān)業(yè)人員如何整合藝術(shù)與科學(xué)進(jìn)入課程，在暑期學(xué)院中用分光儀、光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡等科學(xué)工具教女孩探索色彩等。

康納的項(xiàng)目證明了構(gòu)建科學(xué)資本作為創(chuàng)新科學(xué)教育核心方式的重要性和價(jià)值。藝術(shù)與科學(xué)的聯(lián)結(jié)能觸及新受眾，為開(kāi)始構(gòu)建科學(xué)資本的學(xué)生提供一個(gè)鼓勵(lì)性環(huán)境。

“自然的色彩”項(xiàng)目中對(duì)藝術(shù)有興趣的學(xué)生使用顯微鏡、攝像機(jī)和分光儀來(lái)學(xué)習(xí)熒光、動(dòng)物視覺(jué)、極化、顏料的光譜性質(zhì)、光干涉和結(jié)構(gòu)色彩的相關(guān)知識(shí)。該項(xiàng)目支持那些有興趣探索藝術(shù)和科學(xué)之間關(guān)系的學(xué)生、家庭和教育者，在亞利桑那州圖森和阿拉斯加州費(fèi)爾班克斯舉辦了多次面向女學(xué)生的暑期學(xué)院

國(guó)際和全球項(xiàng)目

許多科學(xué)家告訴過(guò)我們，一些奇特的經(jīng)歷是改變?nèi)松拇笫录?，譬如看萬(wàn)花筒、觀察月球磁場(chǎng)、用紅外照相機(jī)觀察世界，看超導(dǎo)體的磁懸浮。許多科學(xué)家想要知道他們?nèi)绾畏窒砟切┙?jīng)歷。

科學(xué)家的一種方式是參與全球的教育項(xiàng)目，譬如慶祝伽利略·伽利萊使用望遠(yuǎn)鏡作天文觀測(cè)400周年的2009國(guó)際天文年，2015國(guó)際光與光學(xué)技術(shù)年，2019年國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)成立100周年活動(dòng)，2020—2021國(guó)際聲學(xué)年。

國(guó)際項(xiàng)目大多由科學(xué)家志愿者領(lǐng)導(dǎo)，他們依賴(lài)贊助組織來(lái)鼓勵(lì)科學(xué)家成員的參與。為了在教育方面取得成功，國(guó)際年項(xiàng)目需要強(qiáng)有力的領(lǐng)導(dǎo)和籌劃。假如擁有大膽而明確的目標(biāo)，有一支科學(xué)家和教育者構(gòu)成的多樣化隊(duì)伍來(lái)負(fù)責(zé)計(jì)劃和實(shí)施，那么這些項(xiàng)目都會(huì)更加成功。

2009國(guó)際天文年中，一個(gè)叫作《從地球到宇宙》的展覽展出了眾多望遠(yuǎn)鏡獲取的天文照片，被翻譯成40種語(yǔ)言，用于70個(gè)國(guó)家的一千處展覽地點(diǎn)，包括公園、圖書(shū)館、地鐵站和機(jī)場(chǎng)?？偣灿? 000萬(wàn)人參觀過(guò)這些展覽。伽利略教師培訓(xùn)項(xiàng)目在志愿者的幫助下，在75個(gè)國(guó)家展開(kāi)，構(gòu)建了規(guī)模最大的國(guó)際天文學(xué)教師培訓(xùn)班網(wǎng)絡(luò)。在包括美國(guó)天文學(xué)會(huì)在內(nèi)的組織和個(gè)人支持下，三名美國(guó)科學(xué)家創(chuàng)造了伽利略學(xué)生望遠(yuǎn)鏡套裝。這個(gè)團(tuán)隊(duì)對(duì)于少兒缺少高質(zhì)量但價(jià)格不貴的天文望遠(yuǎn)鏡的情況感到遺憾，于是決定解決這個(gè)問(wèn)題。他們獲得一些機(jī)構(gòu)的支持和合作，設(shè)計(jì)、制造和向110個(gè)國(guó)家分發(fā)了25萬(wàn)臺(tái)的高質(zhì)量望遠(yuǎn)鏡套裝，還附帶了教育材料。伽利略學(xué)生望遠(yuǎn)鏡目前依然在生產(chǎn)，而它的教育材料能方便地免費(fèi)獲取。

依照我們的經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)家能給這些項(xiàng)目帶來(lái)巨大價(jià)值，因?yàn)榭茖W(xué)家愿意分享自身對(duì)于科學(xué)的滿腔熱情。

科學(xué)家-教育者的融合

2019年，基普·索恩（Kip Thorne）與智利拉塞勒那大學(xué)學(xué)生團(tuán)隊(duì)和美國(guó)光學(xué)紅外天文研究實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人見(jiàn)面。該年7月的日全食中，他們?cè)谕新迓迳矫乐揠H天文臺(tái)進(jìn)行天文觀測(cè)。觀測(cè)重現(xiàn)了一個(gè)世紀(jì)前的著名結(jié)果，證實(shí)了廣義相對(duì)論所預(yù)測(cè)的光的彎曲。這個(gè)項(xiàng)目是愛(ài)因斯坦學(xué)校項(xiàng)目的一部分，為慶祝國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)成立100周年，它促進(jìn)了全球各地推進(jìn)創(chuàng)意項(xiàng)目，讓學(xué)生探索引力在天文學(xué)中扮演的角色

我們作為科學(xué)家與教育者的混合體，注意到每年都有更多科學(xué)家選擇投身于兩個(gè)角色，并將它們整合進(jìn)自己的事業(yè)中。每個(gè)人給予科學(xué)家和教育者角色的份額都隨著他們的興趣、技能和事業(yè)階段而各有不同。許多科學(xué)家已經(jīng)超出教育志愿者的程度，變成全職的教育和社群參與專(zhuān)業(yè)人士；一些科學(xué)家樂(lè)于在大學(xué)、科研實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)學(xué)中心或公司的支持下，作為教育和社群參與團(tuán)隊(duì)的一分子，幫助、設(shè)計(jì)和實(shí)施新項(xiàng)目。

教育開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)中的科學(xué)家在科學(xué)調(diào)查過(guò)程之后對(duì)教育材料和項(xiàng)目進(jìn)行建模，填補(bǔ)了一個(gè)重要的、或許是獨(dú)一無(wú)二的角色。例如，1992年，西弗吉尼亞州NASA未來(lái)課堂的克雷格·布勒頓（Craig Blurton）指導(dǎo)和監(jiān)督了天文學(xué)、行星科學(xué)、生物學(xué)和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的許多前沿教育軟件項(xiàng)目。他從全國(guó)各地請(qǐng)來(lái)對(duì)科研和教育都有熱情的科學(xué)家，和手下的教育研究者、多媒體開(kāi)發(fā)人員一起合作。他們聯(lián)手創(chuàng)造出逼真的沉浸式仿真，允許學(xué)生作為團(tuán)隊(duì)成員探索前沿科學(xué)問(wèn)題。

他們的成果中，有面向高中學(xué)生、得到NASA支持的電腦程序“天文學(xué)村：探究宇宙”，面向初中學(xué)生、得到美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）支持的電腦程序“天文學(xué)村：探究太陽(yáng)系”。這些教育軟件贏得許多獎(jiǎng)項(xiàng)，包括《技術(shù)和學(xué)習(xí)》雜志頒發(fā)的年度最佳微電腦軟件殊榮。在虛擬的天文學(xué)村里，學(xué)生們以團(tuán)隊(duì)形式用仿真儀器、太空探測(cè)器、地基望遠(yuǎn)鏡做研究課題。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里做實(shí)驗(yàn)，利用圖像處理軟件分析NASA、NSF和美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）的真實(shí)圖片和數(shù)據(jù)。最后，他們?cè)谀M的新聞發(fā)布會(huì)上宣布研究結(jié)果，回答提問(wèn)。

這些項(xiàng)目捕捉到了科研合作的精髓，讓學(xué)生們沉浸在真實(shí)的、前沿的課題中，譬如系外行星、越地天體、在太陽(yáng)系搜索生命和尋找超新星等課題。它們也是最早的以中學(xué)生為對(duì)象、利用互聯(lián)網(wǎng)、電郵信息和復(fù)雜圖形處理的教學(xué)材料。

另一組科學(xué)家和教育者團(tuán)隊(duì)由天文學(xué)家伊莎貝爾·霍金斯（Isabel Hawkins）領(lǐng)導(dǎo)，她在1997年至2008年間擔(dān)任加州大學(xué)伯克利分校太空科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)教育中心主管。他們?yōu)椤皵?shù)學(xué)和科學(xué)大探險(xiǎn)”項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了創(chuàng)新的教學(xué)材料，他們推出的經(jīng)全國(guó)測(cè)試的天文學(xué)教師指南借鑒了以研究為基礎(chǔ)的教學(xué)方法，即使對(duì)數(shù)學(xué)或科學(xué)背景有限的教師來(lái)說(shuō)也很容易使用。

許多糅合了科學(xué)家與教育者的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出高質(zhì)量的教學(xué)材料，捕捉到科學(xué)探索的真諦。對(duì)創(chuàng)建教學(xué)材料感興趣的物理學(xué)家可以加入這類(lèi)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)。

眼光放長(zhǎng)遠(yuǎn)

物理學(xué)家能夠懂得滴水穿石的道理?？茖W(xué)教育生態(tài)系統(tǒng)中的問(wèn)題存在已久，頑固難治，要對(duì)付這些問(wèn)題，需要持久的努力、持續(xù)性的系統(tǒng)改變。盡管科學(xué)教育取得了許多值得矚目的成就和創(chuàng)新，但在我們看來(lái)，美國(guó)和大多數(shù)其他國(guó)家科學(xué)教育的進(jìn)步總體上飄忽不定，并不穩(wěn)定。

所有年齡層的科學(xué)教育質(zhì)量依然千差萬(wàn)別。在美國(guó)，眾多城市分為不同學(xué)區(qū)，存在公立學(xué)校、特許學(xué)校和私立學(xué)校，這種制度幾乎注定了教育資源和教學(xué)上的不均衡。對(duì)于大多數(shù)學(xué)生而言，他們家的地址或郵政編碼依然是對(duì)他們可實(shí)現(xiàn)的短期和長(zhǎng)期教育成就的最佳預(yù)示變量。好學(xué)區(qū)和差學(xué)區(qū)的學(xué)校教育質(zhì)量反差鮮明。

教師缺乏獲取高質(zhì)量教學(xué)材料的渠道，也缺少如何用好教學(xué)材料的培訓(xùn)?？晒┲鲃?dòng)式學(xué)習(xí)和基于計(jì)算機(jī)的各種活動(dòng)的實(shí)驗(yàn)室常常落得年久失修、甚少使用的命運(yùn)。針對(duì)科學(xué)教師的職業(yè)發(fā)展項(xiàng)目就算一開(kāi)始取得成功，隨著時(shí)間流逝，也會(huì)因?yàn)橘Y金匱乏而逐漸消失。新建立的項(xiàng)目和組織努力對(duì)付這些問(wèn)題，但是他們僅僅取得一點(diǎn)兒進(jìn)展后，就因?yàn)槭ジ蓜呕蛸Y金而放棄。

電腦程序使得學(xué)生能用從地基望遠(yuǎn)鏡模、太空望遠(yuǎn)鏡和行星際探測(cè)器獲取的數(shù)據(jù)模擬行星科學(xué)研究。在“天文學(xué)村：探究太陽(yáng)系”程序中，中學(xué)生可以探索太陽(yáng)系內(nèi)可能的生命棲息地。該項(xiàng)目采用以研究為基礎(chǔ)的教學(xué)法，結(jié)合了典型的研究過(guò)程，其中包括定義不明確的科學(xué)問(wèn)題，這些科學(xué)問(wèn)題沒(méi)有明顯的正確答案

想要幫助改善教育的研究組織常常最終選擇與本地?fù)碛袃?yōu)勢(shì)的市郊學(xué)校合作，而不是需求更強(qiáng)烈、能從合作中收獲更多的弱勢(shì)學(xué)校合作?？茖W(xué)家和科研組織也可能落入類(lèi)似的陷阱，選擇那些會(huì)讓他們形象顯得高大上的項(xiàng)目，而不是那些有著更多教育價(jià)值的項(xiàng)目。與多樣化的社群建立教育合作關(guān)系是一個(gè)困難的任務(wù)，于是部分科學(xué)家們選擇了更加簡(jiǎn)單的、能帶來(lái)大量宣傳的短期任務(wù)。

正式和非正式的科學(xué)教育體系都需要科學(xué)家和科研機(jī)構(gòu)更長(zhǎng)期的付出。反過(guò)來(lái)，科研機(jī)構(gòu)必須重視、支持和獎(jiǎng)勵(lì)科學(xué)家們的努力付出。遭受忽視的社群也需要額外的探索、對(duì)話和時(shí)間來(lái)與科研機(jī)構(gòu)發(fā)展出真正的伙伴關(guān)系，讓對(duì)方了解他們的需求。

下一步

許多科學(xué)家想要幫助改善科學(xué)教育生態(tài)系統(tǒng)，但是給教師買(mǎi)幾塊磁鐵很容易，每年培訓(xùn)一批新教師，讓他們懂得磁學(xué)則困難得多——容易的解決方法效果有限。假如你想要參與科學(xué)教育改善計(jì)劃，你首先需要擁有額外的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)有效地改善本地、全國(guó)乃至全球的科學(xué)教育。

你為了弄懂本地社區(qū)教育系統(tǒng)的需求而付出的投資會(huì)給你和社區(qū)帶來(lái)豐厚回報(bào)。與教育機(jī)構(gòu)合作，一起從事卓有成效的行動(dòng)，這一點(diǎn)也至關(guān)重要，會(huì)幫助你避免個(gè)人獨(dú)自工作時(shí)出現(xiàn)的挫敗感。

那么，作為物理學(xué)家的你如何開(kāi)始第一步？選擇你周?chē)囊惶庁毨У貐^(qū)，和一位教師或一名青年俱樂(lè)部領(lǐng)導(dǎo)者聊一聊，與他們建立長(zhǎng)期伙伴關(guān)系，滿足他們的需求。鼓勵(lì)你所在的組織向當(dāng)?shù)乩щy社群投入資源，解決學(xué)生和教育者的更廣泛需求?；貞?yīng)他們的召喚，為他們提供服務(wù)，齊心協(xié)力改善科學(xué)教育。

資料來(lái)源Physics Today