克里斯蒂娜·坎宁安:美国如何重视工程教育?要从娃娃抓起

来源:《基于项目的小学工程教育》

2022-07-05 07:50

克里斯蒂娜·坎宁安

克里斯蒂娜·坎宁安作者

美国波士顿科学博物馆副馆长

【文/ 克里斯蒂娜·坎宁安】

我们的社会越来越依赖工程和技术,所有美国公民都需要对这些领域有基本的了解,这样他们才能在权衡新技术的好处、后果和成本时,做出明智的决定。

为了了解所处的世界,孩子们应该意识到,工程师创造了他们周围几乎所有的东西,他们应该了解这些技术是如何产生的。

孩子们会理所当然地认为,未受污染的食物会出现在超市货架的盒子里,打开开关灯就会亮,冲马桶时排泄物就会消失。孩子们需要了解,工程使得这些技术和现象得以实现。

工程教育有多重要,为何要在小学开展?

学习工程正可以帮助学生准确理解工程师和技术人员的工作类型,及其在塑造我们周围世界中所起的作用。

参与工程项目可以建立起学生对其工程能力的信心,发展他们作为工程师的自主性和身份认同,并让他们接触可能成为职业选择的工程学科。通过将学生所做的工作称为“工程”,将学生称为“工程师”, 教师可以向他们介绍这些职业选项,并支持学生称自己是“工程师”。

研究表明,许多科学家和工程师在小学时就开始对这些职业产生兴趣。在学校教育的早期就向所有学生介绍工程,可以使他们在对STEM(科学、技术、工程、数学)或谁“擅长”这些科目产生成见之前,就将其视为一种可能的职业选择。

当他们积极地参与工程项目并感到自己与工程紧密相连时,他们就可以将工程视为一种可能的未来。让所有学生都接触工程,可以使他们意识到未来的可能性,并激励他们将其作为职业。

也要注意到,科学、数学和工程这些学科有不同的学术目标,而且在学校里往往是单独教授的,但在真实世界中,这些学科紧密相连。

许多科学家和工程师工作时游走于这些领域。通常情况下,科学家使用仪器来测量或研究物理现象,有时他们可能需要设计和制作适合其研究的新仪器。例如,地球物理学家研究海底的地震活动以便更好地预测地震和海啸,他们可能需要设计探测器,新技术可能会得到更准确的数据,并推动相关科学理论的发展。

而且,未来会有新的通信方式、交通方式以及疾病诊断和治疗技术,可用的内容和信息量正在以爆炸式的速度增长,使得掌握所有相关事实成为不可能。因此,为了让学生为未来做好准备,我们应当确保他们掌握解决问题的流程,发展相关技能,如创造力、合作和沟通能力。

小学工程教育在美国

1994年,时任塔夫茨大学工程学院院长的米亚奥利斯(Ioannis Miaoulis)和罗杰斯(Chris Rogers)教授成立了工程教育和推广中心(CEEO)。2001 年,马萨诸塞州成为第一个对工程进行测试的州,作为5年级、8年级和10年级州科学测试的一部分。

米亚奥利斯后来还建立了美国国家技术素养中心(NCTL),任务是通过宣传、课程开发和教师专业培训,将工程教育引入K-12学校和非正式教育中。

NCTL的活动展示,图片来源:NCTL

由于NCTL的持续倡导,国家和许多州的标准、立法和评价中,现在都包含了工程,如《K-12 科学教育框架:实践、跨学科概念和核心概念》、《新一代科学教育标准》和《国家教育进展评估》。

我们团队的目标则是开发可以在全国范围内使用的课程。在美国,我们没有国家统一的课程设置。但STEM教育这个词现在正掀起一股流行浪潮。

新的STEM学校如雨后春笋般出现,而现有的学校也在重新命名,将STEM纳入校名。学校网站宣传着STEM项目,以STEM为主题的课后俱乐部和夏令营也很受欢迎。

行业和企业领袖们都在强调对具有STEM素养的员工的需求,政治家们则呼吁需要改变教育体系。

全国各地的教师在不同的年级教授数学和科学,课程配置也是多样的。我们的工程课程高度依赖科学,这意味着我们希望教师根据他们所教的科学主题来选择相应的工程单元。

当然,工程和技术教育对小学来说依然是相当新鲜的,即使在今天,大多数学校仍然忽视这些学科。但积极开展工程教育的学校,已经产生了明显的变化。

北卡罗来纳州的布伦特伍德小学,60%是西语裔,40%英语不是母语。2008年,只有20%-30%的学生在州测试中达到“熟练”,成为所在县最差的学校之一。

变成专注工程教育的小学后,学生的科学成绩提高了200%——“熟练”率从19%提高到了60%,成为当地最好的10所学校之一,2015年被评为STEM示范学校。

布伦特伍德小学的工程教育

三、四年级的工程教育案例

多年来,造太阳能烤箱一直是科学课的一项热门活动。我们决定将工程和传统活动混合,让学生使用铝箔和黑色表面来建造一个烤箱。

我们为学生提供一个标准的基础烤箱设计,挑战是他们要为太阳能烤箱设计隔热层,从而引入绿色环保工程的相关概念。根据烤箱的保温能力以及保温材料的环保性,对学生的设计进行评估。

故事书先向学生介绍了工程设计挑战的背景。在开始这一设计挑战之前,学生还会探索工程师用于评估技术对环境影响的工具——生命周期评估。学生学习使用这一工具,并对纸这种天天打交道的产品进行简单的生命周期评估。

在设计太阳能烤箱的隔热材料时,他们将利用从这个活动中学到的材料如何影响环境的知识,以及科学课上学到的能量知识。

本课从提示学生思考太阳能烤箱的设计开始。教师问学生设计太阳能烤箱的目的(或目标)是什么,并回顾太阳能烤箱的4个组成部分——反射器、箱体、窗口和烤盘。在此基础上,她会提示学生思考,为什么示例中太阳能烤箱这样设计,她会问:“你觉得为什么反射器可用铝箔制作?”和“为什么烤箱顶部的孔用透明塑料覆盖?”

然后,教师会引导学生将他们的思路与能量,特别是热能,联系起来。她会进一步提示学生思考烤箱中能量的来源,以及它是如何工作的。

她还要帮助学生认识到,在设计产品的各个部分时要考虑热量保存,这是非常重要的。例如,烤箱顶部的窗口用塑料覆盖,以保存烤箱中的热量,隔热材料也可以保存热量。

设计活动的第一步是收集“科学”数据,为工程决策和设计提供参考依据——学生们将开展对照实验,测试现有材料(铝箔、泡沫塑料、毛毡、塑料和报纸)作为隔热材料的性能。

首先,学生们仔细研究了热的不良导体和良导体,确定每种材料的特性,并对其作为不良导体的隔热能力进行预测。他们建立仅有一个变量的对照实验,以测试每种材料的隔热性能。他们对每种材料都进行两次测试——一次使用“完整”材料,一次使用“碎屑”材料。

学生会做出预测,哪种材料是他们认为最好的隔热材料,然后以小组为单位测试 10 种材料。他们将材料放入杯中后再将杯子放入冰浴,在此之前,教师会向学生提问,杯中的空气温度会怎样变化及其原因。这促使学生思考这个系统中的能量是如何流动的——热能从较热的杯子流向较冷的冰浴。

学生每30秒记录一次杯中空气的温度来收集数据。数据收集完成后,学生通过计算每种材料的温度变化来分析数据。

在课堂上,学生描述观察到的温度变化,教师再以“热能到哪里去了?你为什么这么认为?”等科学问题让学生思考系统中的热运动情况。

学生在分析数据时会继续反思。全班同学会建立一个从热的不良导体到热的良导体的隔热量表,并根据测量的温度变化,找到每一种测试材料(复合或完整/碎屑)在量表上的位置。在对材料进行排名后,学生就可以生成柱状图以比较这5种材料在完整或碎屑状态下的温度变化,并将它们与没有隔热材料的对照组比较。

借助这些数据,学生需要从热能和空气流动的角度,对碎屑材料的隔热性能比完整材料好这一现象进行观察并解释。学生在反思材料的哪些特性能很好地起到隔热作用后,再继续思考每种材料对环境的影响。

在材料探索的最后阶段,学生会考虑材料对环境的影响。他们要确定每种材料是天然的还是加工过的以及需要多少量(能减少材料的使用量吗?),材料是否曾用于其他的目的(是否循环使用过),或者可否回收利用。学生将建立第二个量表即环境影响量表,按照对环境影响从小到大的顺序,将每种材料放在对应的位置。

在教师的指导下,学生会仔细考虑这两个材料性质量表(隔热性和环境影响)。他们权衡材料的优劣,并仔细考虑在设计中可能使用哪种材料。

当收集到更多的信息以应用于设计选择时,学生会提出问题并开展相关实验,这也强化了对能量相关科学概念的理解。他们还运用数学工具来理解和比较这些结果。

当学生围绕隔热设计进行头脑风暴时,他们就会(或应该)应用所学的知识。然后,学生设计太阳能烤箱的隔热材料,需要平衡隔热性能以及对环境的影响。他们要规划整个设计并制作样品。

学生将太阳能烤箱放在阳光或强光下进行测试,每隔5分钟记录烤箱内温度,持续30分钟。然后,再将烤箱放到阴凉处,记录下烤箱内温度每分钟下降的情况,持续10分钟。

学生用以下分值评估设计:

• 热度得分(将烤箱达到的最高温度与对照组进行比较);

• 时间得分(将烤箱放在阴凉处时,用了多长时间恢复到原来的温度);

• 环境影响得分(所用材料对环境的影响)。

根据这些单项指标,学生算出一个总分。他们要观察自己和同学们的烤箱及其性能,每个小组都要反思设计中哪些地方做得好,以及应该如何改进。然后,他们需要至少再重新设计和测试一次。

基于真实世界的背景,他们得以拓展与解决当前问题有关的知识,同时也加深了对热传递和隔热材料的理解。这使得他们在完成工程挑战的过程中能够应用这些知识。

太阳能烤箱隔热工程挑战要求学生运用并进一步强化与能量、能量传递和隔热材料相关的科学概念。通过实践应用,学生对一些科学概念有了更深的理解,包括以下几个方面:

• 某些材料比其他材料更容易传递热能(如热的不良导体和热的良导体)。

• 热是能量的一种形式。

• 能量可以从一个物体或材料转移到另一个物体或材料上。

• 热能总是从温度较高的地方转移到温度较低的地方。

我们的研究表明,与仅学习科学且不学习任何工程的学生相比,参与此整合工程单元的学生科学学科的学习效果确实更好。不出所料,通过在相互关联和有意义的情境中应用所学的科学概念,通过精心的项目设计将科学和工程整合在一起,可以加强学生对工程和科学的理解。

此外,设计太阳能烤箱活动为学生提供了一个机会,让他们了解到数学是多么有用和重要。学生在工作时收集数据、创建表格并计算,以根据规定的标准,最大限度地发挥产品的设计功能。

对于许多学生来说,这些数学主题可能不是他们目前在数学课上学习的内容。然而,计算能力(如测量、计算差值和变化率),以及创建图表来展示和分析数据,需要在整个学校教育中不断加强。

(本文摘编自《基于项目的小学工程教育》)

责任编辑:陈轩甫
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