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第三章 美国理科高中案例

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李秀菊 教育学博士,中国科普研究所副研究员,主要从事科学教育相关研究工作,特别关注校外科学教育领域,主持中国科协调查类课题、中国科协普及部委托课题等多项课题。公开发表中英文学术论文近40篇,出版《中国科学教育发展报告(2015)》《青少年创造性想象力培养理论与实践》等多部著作。
崔鸿
赵博 杭州师范大学经亨颐教师教育学院讲师,博士,研究方向为科学大奖赛与学科竞赛、生物学教育。

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第三章 美国理科高中案例

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第三章 美国理科高中案例

美国理科高中是指专门成立的偏重于理科教育的学校。英文全称为Science,Technology,Engineering and Mathematics High School。这类学校主要培养理科方面特长的学生,以培养美国本土的科技创新人才后备力量为主。最早的理科高中——纽约史蒂文森高中成立于1904年。当时该高中成立的背景和目标并不是为了培养理科方面有特长的学生,主要为了培养具有理科方面专业技能的人,以适应科技发展培育劳动力。

在苏联发射第一颗人造地球卫星之后,美国越来越重视科技和科学教育的发展。到了20世纪80年代,越来越多的州建立了理科高中,重点培养理科方面的人才,以增强美国本土的科技人才资源,提升美国的科技竞争力。1980年,美国北卡罗来纳州建立了美国第一个州立的寄宿制理科高中——北卡罗来纳州数学与科学学校。1988年,为了更好地促进理科高中的发展,美国成立了理科高中协会,依据协会的统计,美国的理科高中,既有公立学校,也有私立学校。同时,有17个州建立了州立寄宿制高中,这些高中是为了保持或者扩大本州在科技方面的竞争优势而建的。这些州立的寄宿制高中为本州的科技后备人才培养提供了支持,同时也促进了本州的公立科学教育的发展,尤其是本州的数学与科学教育的发展。

美国理科高中最突出的特点首先就是理科教育十分突出,各有各的特色;其次是数学和科学教育学习的范围一般超出国家科学课程标准的要求,学习的范围广,内容也深;最后是教师队伍水平都比较高。本部分将呈现五个美国理科高中的案例,他们各具特色,发展的阶段也不相同,希望能够为我国的科技教育提供借鉴和启示。

第一节 案例1:托马斯·杰弗逊科技高中

一 走进托马斯·杰弗逊科技高中

托马斯·杰弗逊科技高中(Thomas Jefferson High School for Science and Technology,TJ)是一所位于美国弗吉尼亚州的科技特色高中。学校建立于1985年,最初由商界和学校合办,目的在于推动数学、科学和技术教育的提升。商界代表以及费尔法克斯郡公立学校系统(Fairfax County Public Schools)的工作人员合力建设了学校的课程体系和教职工队伍。作为弗吉尼亚州的公立学校,学校也获得弗吉尼亚州教育部门的支持。不同于其他的科技重点高中,本校为四年全日制中学。

1999年,本地商界领袖、学生家长和校友成立了托马斯·杰弗逊伙伴基金。该非营利基金项目意在为学校教学任务筹集资金,也推动学校向STEM教育领导者角色发展。该基金项目在经历革新之后增加了强化STEM外延影响以及校友参与两部分支持内容。该校不但选拔所在地费尔法克斯郡的学生并为之提供专门的教育,也面向周边其他学区开放,包括阿林顿郡、劳登郡、威廉王子郡、费尔法克斯市和福尔斯教堂市。2017年,学校完成了校舍翻修。

该校在30余年办学期间,成功打造了自身的科技教育特色。从教育理念、建设发展方式的顶层设计,到课程建设与教学活动的底层实践,学校围绕科技教育特色展开了自己的思考并累积了有效经验。

二 定位高远而切合实际的教育理念

学校希望培养出品学兼优的学生,这一点从学校简单而明确的自我定位得以体现:“为学生创设一个充满挑战性的偏重数学、科学和技术的学习环境,激发学生享受对发现未知的期待,培养一种符合伦理道德规范下为了人类共同利益而创新的文化。”它分别指出了学校坚持自身科技教育特色和品质、重视学生主动学习与探索以及关注学生的个人品格修养。

对于具体的育人目标,学校则从学生的实际出发,思考了学生在未来的毕生发展中需要具备怎样的能力。这些思考包括当今社会的发展趋势以及对于人才的具体要求,例如沟通和协作的能力、解决实际问题(特别是涉及多学科的复杂问题)的能力、评判性思维能力、终身学习的习惯等;同时这些思考也包括学生如何发展成为一个完备的人,例如学术能力的培养、精神与人格的建立等,这也是对学校自我定位的具体表征。最终,学校将这些思考以下面10条内容进行具体表述,作为学校的育人理念。

(1)批判性思维和解决问题的能力对于解决当今复杂的社会和伦理问题而言是至关重要的。

(2)学生在一个学科整合的环境中学习是最有效果的,这会培养他们了解各学科互相作用并形成一个整体的精妙所在。

(3)全球化迫使我们了解世上各类人群的语言、系统和文化。

(4)文学、音乐和艺术是必要的,它们是人类存在于世的不朽证明。

(5)科学方法为我们提供了寻找世界组成的规则。

(6)研究源于根基稳固的知识、个人创新能力和好奇心三者的结合。

(7)良好的沟通交流往往把一个好点子变成一个成功的方案。

(8)合作学习、竞技运动以及课外活动能发展学生领导力和人际交往能力。

(9)负责与正直是追求卓越过程中的核心原则。

(10)学无止境。

从学校的定位与育人理念的表述中可以看出,学校从全球化发展下的人才发展与工作需求、全人类的未来发展、学生的终生发展等角度出发对教育理念进行了阐述,体现了定位高、视野广的特点。同时,结合学科融合、批判性思维、科学探究、合作学习等主流科学教育观点对育人理念的阐述,将学校的高定位引向更为具体的学生能力培养目标,使得学校的课程建设与教学实践能够具体开展起来。

三 以实证研究方法为指导的校园建设发展方式

托马斯·杰弗逊科技高中在学校管理方面注重以实证研究为指导方法。这不是说学校将管理工作作为研究项目开展,而是学校在开展管理工作中注意收集数据等实证,通过这些数据来综合评价管理手段的有效性。表3-1是学校未来几年(自2018年起)发展规划的部分内容,其中就直接体现了上述特点。

表3-1 托马斯·杰弗逊科技高中未来几年的发展规划

表3-1 托马斯·杰弗逊科技高中未来几年的发展规划-续表

在表3-1两个目标的具体实现措施中,都涉及了评价工具的开发或调整以及收集数据的过程。这其中既包含量化的问卷调查数据,也涉及质性的个案案例(如违规案例)。这样做的目的在于判断学校管理措施的实际效果,也为调整策略、继续开展工作提供了参考依据。这样的工作范式遵循了实证研究的范式,在上述例子中则具体表现为教育评价的范式。这样的教育评价不止发生在一个班级、一个年级,而是全校范围;不止持续在一节课、一学期,而是整个学年,这样的规模与时间跨度才使得这种基于实证的工作方法真正落到实处。

此外,学校的发展规划也严格遵循学校的定位和目标。上述发展规划具体关注了学生家庭作业压力和学术道德遵守两个方面,这两个方面隶属于学生学术能力与品格培养两个大的方面,与学校的定位一致。

四 系统健全、路径分明的课程体系建设

TJ将完成独立科研项目作为所有毕业生的统一要求,实现任务引领。在此基础上设立了核心课程与选修课程,力求所有课程以支持学生开展独立科研为直接目的。为了更好地帮助学生规划学术能力发展,学校也提供了课程选择路径供学生参考,以规划合理的选课方式。这样一来,学校就建立了一个系统健全、路径分明的课程建设体系。

1.独立研究项目体现毕业生学术能力

学校要求所有毕业年级学生都在技术实验室完成一个项目,作为他们就读期间的最高成就。这一任务可以在研究实验室或者通过参加导师计划来完成,学生可以选择开展科学研究或(工程学)设计项目满足这一要求。

为了支持在校内研究实验室完成毕业项目的学生,学校开设了多个实验室。专业研究实验室是该校的特色,功能为强化课程效果,为学生提供顶尖水准技术环境下特有的学习体验。当前学校配备的实验室包括:天文学与天体物理学实验室、自动化与机器人实验室、生物技术与生命科学实验室、化学分析与纳米化学实验室、通信系统实验室、计算机系统实验室、能源系统实验室、工程学设计实验室、JUMP实验室、微电子实验室、移动及网页应用开发实验室、神经生物学实验室、海洋学及地球物理学系统实验室、量子物理及光学实验室、原型及工程学材料实验室。这些实验室不但供毕业年级学生开展项目之用,也供学校各门课程教学之用。

导师计划则帮助学生在某个领域开展研究或设计项目,配以华盛顿地区有经验的科学家、工程师以及来自科技企业、教育机构和政府的专业人士提供指导。在该过程中,学生得以在真实情景研究中满足自己的兴趣、运用自己的知识和能力,他们与所选的专家共同工作,并了解专家的深刻见解与指导意见。随着学生运用批判性思维解决有意义而令人兴奋的问题,他们变得更强、更自信、更具自我效能且具创造性。该计划的意图在于为学生提供一个可选择的路径来完成学校的毕业要求。学校的科技实验室以及项目主任共同对该项目进行监管。学生与校外机构专家共同工作,学生将工作效果向学校科技实验室主管进行反馈。该计划对于项目要求和学术目标与其他校内开展的研究有同样的设定。

2.分层次成体系的课程建设

学校的课程分为核心课程和选修课程。核心课程的任务是为学生夯实基础,不但帮学生构建学科基础知识,也引导学生掌握科学探究和工程学设计的基本方法。选修课程则进一步提升学生的学术水平,也是学生选择个人毕业研究项目之后着手准备的阶段。

表3-2 2018年TJ部分课程开设情况和师资配备情况

表3-2 2018年TJ部分课程开设情况和师资配备情况-续表1

表3-2 2018年TJ部分课程开设情况和师资配备情况-续表2

从表3-2可以看到,在以核心课程满足所在州对于所有学校理科课程统一要求的基础上,学校开设了大量学科方向的选修课程,并配备了相应的教师。尽管课程数量庞大,但每一门课程对于自身都有精准的定位。以下是计算机科学类别中部分课程的概要,通过比较这些描述内容,便能看出即便是看似隶属同一学科方向下的课程,也有具体细分的差别。

自动化与机器人微处理系统:10~12年级开设,选修课。本课程学习闭环控制系统,相比专用的电子电路,该系统由于其具有可编程的分析程序而更加灵活好用。课程将介绍到多种微控制器和传感器,它们将作为骨干应用于固定或移动的机器人平台。学生使用个性化定制部件以及现成部件解决诸如迷宫导航、物体识别、对象操纵等问题。课程内容也包括相关术语、相关职业选择发展和机器人系统安全等。对于那些想在自动化和机器人实验室实现构想和制作设备,从而完成毕业项目要求的学生,建议至少用一个学期学习本课程。

自动化与机器人系统:10~12年级开设,选修课。本课程学习自动化和机器人系统的搭建,其重点在于设计和控制。课程以问题解决活动为主,着重设计各种机器人以实现具体功能,以及创造这些设计方案本身。课程利用面包板、VEX结构构件和电子控制装置来完成各种自动化和机器人设备的模型。课程内容也包括相关术语、相关职业选择发展和机器人系统安全等。对于那些想在自动化和机器人实验室实现构想和制作设备,从而完成毕业项目要求的学生,建议至少用一个学期学习本课程。

自动化与机器人研究:11~12年级开设,选修课。学生在本课程中,将自己的工程学构想付诸自动化系统的设计和制作当中。他们探究机器人系统的搭建模块,包括传感器、分析器、制动器和驱动程序等。学生要整合自动化与机器人系统、电子学和计算机编程的相关概念去解决问题。实验室可供个人独立或以小组形式开展项目。

自动化与机器人导师计划:核心课程。被选中参与的学生有机会与华盛顿地区的相关专家共同工作,并完成自己的毕业项目。在学生计划、实施、撰写报告以及项目展示的全过程中,要同时咨询合作专家和学校的实验室。要想加入此计划,学生首先应成功申请到学校某实验室。然后学生要递交一份导师计划申请书,其中包括至少两位学校教师的推荐信(其中一位应该是学校实验室技术或科学教师,另一位则应该是学校数学教师或计算机科学教师)和一份明确陈述个人研究兴趣方向的项目概述。一旦申请成功,学生将分配到一位与其研究兴趣领域一致的专家作为导师,每周在导师处工作10~15小时,学校允许学生减少部分在校时间,用于该计划工作。学生在一个学期接受导师指导180小时,并获得1学分;两个学期接受导师指导360小时,并获得2学分。学校的技术实验室主管以及导师协调员将共同监督。在此过程中,学生需提交开题报告、每周日志、口头报告、项目总结、结题论文和海报展示。

比较这四门课程,可以发现前两门课程意在打牢根基,学生在学习该课程时主要学习相关的理论和技术、累积动手实践经验;后两门课则主要是建立项目,学生在实验室或校外开展自己关于自动化与机器人方面的毕业设计项目。而前两门课的内容又各有侧重,其中一门偏重设备结构模型的搭建,另一门则侧重控制传感器的实现功能。

3.课程建设对标课程文件,以科学教育理论为驱动

TJ在建设课程时,对课程的具体目标做出了详细的阐述,而这些具体内容与课程标准保持一致。以学校的生物学课程(IBET)为例,学校对其课程目标进行了三个层次的具体描述,内容节选如下。

设计和开展调查:

(1)在实验室和野外记录对生物的观察结果。

①收集初步观察结果,包括定性和定量结果;

②在实验室和野外记录观察结果;

③形成正确使用复式光学显微镜的技能;

④将复式显微镜与另一种放大物体的方式进行比较或对比。

(2)基于观察结果和科学文献提出假设。

①区分观察结果、推论和预测;

②基于因果关系提出假设;

③利用观察结果和科学文献支持假设;

④理解科学家针对可观察的自然现象展开调查。

(3)定义变量并设计调查以检验假设。

(4)利用图形或数据计算为工具进行数据分析。

(5)基于记录的定性或定量数据得出结论。

(6)识别并讨论实验设计中的误差来源。

(7)确定数据的有效性。

(8)安全使用化学药品和仪器。

(9)运用技术收集数据、交流结果、建模和模拟。

(10)利用科学文献开展研究。

(11)区别科学假设、理论和定律。

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章节目录

  • 第一节 案例1:托马斯·杰弗逊科技高中
    1. 一 走进托马斯·杰弗逊科技高中
    2. 二 定位高远而切合实际的教育理念
    3. 三 以实证研究方法为指导的校园建设发展方式
    4. 四 系统健全、路径分明的课程体系建设
      1. 1.独立研究项目体现毕业生学术能力
      2. 2.分层次成体系的课程建设
      3. 3.课程建设对标课程文件,以科学教育理论为驱动
      4. 4.为学生的课程学习路径提供规划建议
    5. 五 丰富多样、保障有力的科技俱乐部活动
  • 第二节 案例2:迈克尔·E.德贝基医疗卫生专业高中
    1. 一 走进迈克尔·E.德贝基医疗卫生专业高中
    2. 二 学校发展历史
    3. 三 基于独有资源开发的医疗卫生课程
  • 第三节 案例3:缅因科学与数学高中
    1. 一 走进缅因科学与数学高中
    2. 二 学校发展规划
    3. 三 学校的信息化建设
    4. 四 科学课程体系
    5. 五 课外活动组织情况
  • 第四节 案例4:肯塔基州卡罗尔马丁加顿理科高中
    1. 一 走进肯塔基州卡罗尔马丁加顿理科高中
    2. 二 招生条件
    3. 三 理科课程体系
    4. 四 学生科研项目
  • 第五节 案例5:伊利诺伊数理高中
    1. 一 学校历史及定位
    2. 二 学校理科课程体系及其特色
    3. 三 学生原创研究的开展和管理
    4. 四 领导力相关项目的开展

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