美國農村青少年校外科學教育活動研究

魏曉東 于海波

（1 杭州師范大學教育學院;2 教育部人文社會科學重點研究基地東北師范大學中國農村教育發展研究院）

科學教育是基礎教育中不可或缺的重要組成部分，影響著一個國家科學技術的發展水平和國際競爭力。科學教育在美國的基礎教育中占據著重要的地位，長期被視為美國在國際經濟和軍事上核心地位的重要保障。美國有大約1140 萬名兒童在農村地區長大，而城市地區的兒童約1460 萬，農村兒童占了較大的比例[1]。由于農村學校地域偏僻，基礎教育階段科學教育的發展面臨著諸多問題，因此美國對農村校外科學教育格外關注。

一、美國農村校外科學教育的發展動因

進入21 世紀，美國學生對科學的學習興趣逐漸下降，越來越少的學生在高等教育階段選擇STEM 相關專業，這些問題使得美國越來越重視基礎教育階段科學教育的發展。美國農村地區學校正規科學教育存在以下三點問題：

（1）科學學科教師匱乏、教師專業發展受限

在美國，農村學校面臨著科學學科教師匱乏和專業發展受限的問題。農村學校的科學學科常常因為缺少專業的科學教師而由其它學科教師兼任，一名科學教師往往同時教授多個學科。2002 年美國政府頒布的《不讓一個孩子掉隊》法案對教師資格認證提出了較高的要求[2]，這進一步加劇了教師匱乏的情況，雖然有些州允許科學教師在獲得一般科學領域資格認證的情況下就可以任教，但另一些州則需要獲得具體的學科資格認證（例如物理學、化學或者生物學）[3]，不能獲得認證的教師不得任教。這些措施進一步加劇了當地科學學科教師匱乏的問題。此外，農村學校科學教師的專業發展機會有限。美國國家教育統計中心（National Center for Education Statistics，NCES）通過對農村教師和城市教師的比較研究發現，城市教師參與教師專業發展培訓的時間明顯多于農村[4]。農村學校在為教師提供專業發展機會方面面臨巨大挑戰，從而進一步降低了科學類教師就職于農村學校的意愿。

（2）農村社區地理位置偏僻、科學教育資源薄弱

地理位置偏僻是農村學校科學教育發展的主要障礙。盡管在奧巴馬政府時期頒布的《改革藍圖—對＜初等與中等教育法＞的重新授權》法案提出，聯邦政府要對農村薄弱地區的學生給予必要的教育補償，但由于農村學校通常位于人口稀少的偏遠地區，信息封閉，因此科學教育資源仍然較薄弱。首先，實驗室儀器設備陳舊過時。由于每所學校的學生較少，資金有限，教學設備往往出現老化失修的問題，在一些偏遠的農村中學，甚至沒有實驗室。其次，課程資源落后。在美國，大部分農村學校的科學教學活動仍主要依賴于傳統的課堂講授，獲得其他相關資源的機會較少。最后，農村學生接觸科技前沿的機會有限。學生們訪問大學實驗室的機會較少，也很少有機會參觀科技館、博物館、文化館等場所[5]。

（3）農村經濟發展落后、學生輟學率較高

在美國，農村地區的經濟發展落后，貧困率較高。例如，佐治亞州的貧困率為19%，貧困兒童的比例則高達27%，在多爾蒂縣，幾乎1/3 的居民處于貧困狀態，貧困現象不僅普遍而且持久[6]。自1980 年以來，美國有超過300 個郊縣的貧困率高于20%[7]。調查發現，貧困農村地區學生的輟學率較高[8]。

原因主要有以下兩點，一是貧困農村位置偏僻、生活條件艱苦、交通閉塞、出行困難，學生就學困難；二是在這些經濟落后的地區，教育未能受到足夠的重視，學生基礎較差。大部分學生對自己的學習能力缺少信心，學習動機較弱，厭學情緒嚴重。同時，學生接觸優質科學課程的機會較少，對科學學科的興趣較低。

為緩解美國農村地區科學教育面臨的問題，開展校外科學教育活動成為學校正規教育不足的重要舉措。例如，農村學生在參與科學探究訓練和科學實踐等校外科學活動中，能夠得到專業人員的指導，這在一定程度上彌補了農村學校科學專業教師不足的問題；遠程教育項目則能夠解決農村學校地理位置偏僻的問題，為偏遠地區的農村學生輸送優質的學習資源；暑期科學夏令營活動、青少年4-H 俱樂部等校外科學活動為農村學生提供了前沿科學課程，有利于激發學生的學習興趣。校外活動不僅堅持以學生為中心，為滿足學生的興趣和愛好設置項目，而且在活動設備、師資、經費上都優于校內活動，有利于將學生的興趣升華為志趣。

二、美國農村校外科學教育活動

在過去的很長一段時間，美國農村學校的學生對科學的認識還只限于教材，科學教育質量較低。近年來，農村學校逐漸克服變革阻力，另辟蹊徑，開展了多種校外科學教育活動，較好的彌補了校內科學教育的不足，并且成效顯著。

美國農村地區開展的校外科學教育活動不受具體課標以及教材的限制，具有自主性、實踐性、創造性的特點。活動的主題可以來源于農村青少年的日常生活，以當地鄉土文化資源為素材，在真實情境中解決科學問題，這類選題不僅能夠促進科學知識的遷移和應用，還可以培養其實際的問題解決能力。學生通過遠程科學學習項目和暑期科學夏令營活動開拓了科學視野，接觸了更深層次的科學課程，并能夠獲得專業人員的指導。

本文選擇美國農村校外科學教育中比較典型且效果較好的六個活動案例進行探索與分析，以期為我國農村校外科學教育的發展提供有益的借鑒。

1.遠程科學學習項目

為了讓處于偏僻地區的農村學生能夠獲得優質的科學教育資源，美國為農村學校提供了遠程科學學習項目。遠程科學學習項目主要利用網絡技術將優質的科學教育資源與偏遠農村連接起來。早在2006 年，美國農業部農村發展中心（USDA Rural Development）就曾為38 個州的農村地區提供了46 個遠程學習項目（distance learning projects）服務[9]。調查發現，這些遠程學習項目具有良好的教育效果[10]。

本科課程預備項目（Gaining Early Awareness and Readiness for Undergraduate Programs，GEAR UP)是由美國聯邦政府于2009 年出資設立的，這項資助旨在為農村困難家庭的學生提供大學預備課程。聯邦政府為受到GEAR UP 項目資助的各州貧困農村中學生提供從2009 年到2015 年共六年的資金資助。從七年級開始直至高中畢業，學生都可以提出申請，通過考核并且成績優異的學生能夠成為GEAR UP 受助者。在每周的固定時間，專家會在網絡上進行相關科技項目的介紹與講解，受資助的學生還可以和專家進行交流。除此之外，該項目還提供大學預備科學課程和相關報考咨詢服務。相關咨詢服務主要以網絡研討會的形式進行，會議的主題包括如何選擇合適的大學和感興趣的專業，如何申請大學等等，幫助學生了解高等教育并且報考合適的大學。

這種基于互聯網的遠程教育方式可以極大地激發農村學生對科技的興趣和學習熱情。2014 年，兩名GEAR UP 受助學生將科學技術與他們對時尚行業的興趣結合起來，共同為當地社區的科學博覽會項目開發了一個叫做“時尚SOS”的APP，這款軟件在博覽會上受到了廣泛的關注和好評。

作為校外科學教育活動的一種，遠程科學學習項目以信息化教學手段為載體，展現了現代遠程教育的先進性特征，彰顯了現代遠程教育所蘊含的學習理念。其一，這種校外活動方式使得師生角色發生了轉變，學生成為了學習的主體；其二，學習環境發生了變化，在沒有學習地點限制的情況下，學生可以根據自己的興趣和認知需求進行自主學習。可以說，美國農村地區開展的遠程科學學習項目滿足了青少年自主學習科學的需求。

2.青少年4-H 俱樂部

4-H 活動于20 世紀初發源于美國俄亥俄州克拉克縣，經過100 余年的發展，逐漸成為遍及全美各個地區和學校的青少年課外教育項目，形成了一套完備的教育體系，為青少年素質和技能的發展起到了積極而卓有成效的作用[11]。

4-H 組織—男孩女孩俱樂部（4-H and Boys &Girls Clubs）是一個校外教育組織形式，4-H 是4 個英文單詞（head，heart，hands and health）的首字母，代表人的4 個部位的發展，分別是腦、心、手、身。早期4-H 俱樂部開展的活動主要與農業生產技能有關，如農作物生產、畜牧養殖、食品加工等。目前，它已經從農業相關項目擴展到了現代科技類項目，如汽車保養、計算機應用、無人機等。4-H 俱樂部重點依托環境科學、植物學、動物學領域培養青少年的科學素養。美國國家4-H 理事會（National 4-H Council）是負責4-H 俱樂部組織管理的專門機構，它通過招募和培訓志愿者來組織活動，4-H 俱樂部把5-19 歲的青少年作為目標會員，鼓勵所有農村青少年參加俱樂部[12]。

青少年4-H 俱樂部擺脫了學校教育形式單一、學習環境封閉的限制，通過科學試驗培養了青少年在開放、多樣、真實的情境中運用所學的科學知識與技能解決實際科學問題的能力，并有利于激發學生未來從事科學職業的興趣。

3.科學探究訓練項目

為了培養農村青少年的科學探究能力，美國國家農村教育研究中心（The National Center for Research on Rural Education，R2Ed）開展了科學探究訓練項目。R2Ed 主要通過師資水平調查研究(The Teachers Speak Survey Study)、閱讀者計劃（Project READERS）、科學探究訓練（Coaching Science Inquiry）三個項目開展農村教育研究，并從2009 年到2014 年連續五年獲得了美國教育部教育科學研究所（Department of Education's Institute of Education Sciences）的資助[13]。科學探究訓練項目旨在幫助農村學校的學生學習科學方法，進而培養其科學探究能力。

科學探究訓練項目的設計與美國《下一代科學教育標準》（Next Generation Science Standards，NGSS)中科學與工程實踐維度的八個步驟相一致，分別是：（1）提出并定義問題；（2）開發和使用模型；（3）計劃和實施調查；（4）分析和解釋數據；（5）運用數據和計算式思維；（6）提出解釋并設計解決方案；（7）參與基于事實的討論；（8）評估與交流信息。活動主要由R2Ed 的科學探究訓練項目研究人員設計，并先行對農村學校的科學教師進行相關培訓。培訓的內容包含探究活動的設計和活動器材的選擇等。此外，還有針對學生的培訓，主要包括暑期的短期課程培訓和后期的遠程跟蹤指導。每一輪的科學探究訓練活動結束后，科學探究訓練項目研究人員會對訓練的效果進行評估，結果發現經過培訓的學生在參與科學問題討論、利用證據解決問題、評估和交流等能力方面得到了顯著提升[14]。

青少年通過參與科學探究訓練項目，能夠學習到如何像科學家一樣在真實復雜的情境中觀察實驗現象、收集實驗數據、分析實驗結果、得出研究結論，從而加強各方面能力的綜合發展。

4.暑期科學夏令營活動

為了開拓農村青少年的科學視野，認識和了解前沿科學發展，康奈爾大學（Cornell University）和紐約州立大學奧尼昂塔學院（SUNY Oneonta）聯合舉行每年一次的農村中學生暑期科學夏令營活動。為期兩天的康奈爾大學暑期科學采樣項目（Cornell Summer Science Sampler program）就是其中的一個，它旨在幫助中學生了解聲音的相關科學內容，輔以參觀實驗室和參與其他小游戲活動[15]。

參與暑期夏令營活動的學生被分成兩組，每組由一個老師帶隊，以合作的形式開展基于項目的學習活動，內容主要從基礎工程（Engineering is Elementary，EiE）課程中選擇。EiE 課程是由波士頓科學博物館秉承工程技術和基礎科學相結合的理念開發的。學生們從中選擇出與聲音有關的主題，并運用科學和數學知識，制造或改進相關設備。在項目展示環節，學生們將他們的成果展示在教室里，學生的家長、朋友、教師以及實驗室的科學家們也被邀請來參觀，每個項目小組的成員代表通過PPT 的形式向參觀者介紹他們的設計思路。在此期間，學生們還能夠參觀O 旋轉實驗室（the Lab of O.rotating）、威爾遜實驗室（Wilson Synchrotron Laboratory）、康奈爾大學放射物理和空間科學中心（the Cornell Center for Radiophysics and Space Science）、粒子加速設施，并觀看“火星探測漫游者”從發射到著陸的動畫視頻。項目結束后，每個參與項目的學生都會得到康奈爾大學暑期科學項目的證書[16]。

暑期科學夏令營活動為農村學生提供了認識與了解高等教育的機會，有利于激發他們進入高等學府繼續深造的愿望。

5.結合鄉土知識的STEM 活動

該活動的目的是基于農村青少年的日常生活，將多學科的核心知識進行綜合拓展，從而培養農村青少年解決現實問題的能力。結合鄉土知識的STEM 活動最初發源于基于本土的教育理念。基于本土的教育（Place-based education，PBE）是指以本土環境為出發點來教授知識，著重構建基于當地歷史的、文化的、經濟的知識體系，強調動手實踐和與真實世界結合的學習經驗[17]。Olsson 和Folke 認為，當地生態知識是由科學的知識、個體對自然的通識性知識、當地的特定風俗背景知識混合構成的。[18]Avery和Kassam 在基于本土的教育的基礎上提出了結合鄉土知識（local rural knowledge，LRK)的STEM 活動。[19]

該活動倡導教育者關注農村背景，認為農村環境能夠為開展STEM活動提供獨特的資源。農村學生應該在生活中尋找與科學有關的事物，例如，農村學生在使用撒肥機幫助家里干農活的時候，通過撒肥機中的齒輪和杠桿，能夠更好地理解簡單的機械知識。在紐約北部的農村，科學教師幫助兒童在生活中收集科學、技術與工程的知識，收集的場所包括家里、社區活動場所和其他自然環境中。收集的方法主要有兩種，一是傾聽學生們講故事，將學生的生活經驗與科學知識聯系起來；二是調查當地社區的科學資源。由此可以看出，結合鄉土知識的STEM 活動需要教師、學生、當地社區三個主體共同完成。教師將當地鄉土知識與國家科學課程標準以及州科學課程標準聯系起來，利用當地環境設計STEM（科學、技術、工程、數學）活動，主題種類多且趣味性強，極大地激發了學生學習科學的興趣，創造了有意義的科學教育。[20]

結合鄉土知識的STEM 活動以鄉土特色文化為基礎，讓學生參與決策和解決現實問題的過程，加強了學生與本土文化的聯系。

6.基于社區的科學實踐活動

為了幫助11-14 歲的農村青少年利用課外時間學習科學，鼓勵學習者開發和利用其所在社區豐富的傳統生態學知識，美國國家科學基金會批準資助了“支持和促進農村青少年學習科學”（Supporting and Promoting Indigenous and Rural Adolesen-ts’ Learning of Science，SPIRALS）項目[5]。SPIRALS 項目依托一個高度情境化、基于探究的學習模型來吸引農村青少年參與科學實踐活動，并將他們的研究成果分享給其它社區。基于本社區的特點，該項目將學習主題縮小為多個小規模實踐活動，例如：紙張與塑料的回收再利用、垃圾堆肥等。活動主題的選擇主要依據是否有利于資源與環境可持續發展的標準。

通常情況下，農村居民所在社區的傳統生態學知識（Traditional Ecological Knowledge，TEK）與課堂教學中所呈現的科學知識有所區別。傳統生態學知識是指幫助人類延續生活的知識，例如茶葉種植與加工、楓糖與面包制作等知識經驗。這些知識主要通過書面記載、口述、民謠等媒介一代一代傳承下去。SPIRALS 活動的設計旨在加強美國《下一代科學教育標準》、州科學課程標準以及學生所在社區的傳統生態學知識之間的聯系。依托學生所在社區，該項目一方面向學生展示科學是如何存在于他們的日常生活中的，另一方面幫助學生了解傳統的生態學知識是如何演變成科學知識的。

學員互動在線網站（Custom interactive online site，eSPIRALS) 是SPIRALS 項目為學生提供的在線交流平臺，學生和他們的指導老師可以在eSPIRALS 平臺上分享習成果和經驗。SPIRALS 的活動時間較為靈活，包括課后活動（afterschool programs）、課間活動(school break intiatives)、課堂體驗(school immersion experiences)、暑期活動計劃(summer enrichment programs)等。參與SPIRALS 項目的老師可以注冊賬號進入eSPIRALS 平臺的課程頁面，并根據學生的年齡、興趣和學習能力調整和修訂活動內容。SPIRALS 項目還會定期為參與該項目的注冊教師提供現場培訓、網絡課程培訓、網絡研討會，從而幫助教師順利完成SPIRALS 課程活動的設計[21]。

SPIRALS 項目是一種基于社區的科學實踐活動。不同于學校教育的整齊劃一，SPIRALS 項目將科學實踐活動和網絡在線交流相結合，自由性更強，能夠為學生的自主發展提供良好的環境。

三、美國農村青少年校外科學教育活動的啟示

與學校正規科學教育相比，校外科學教育對于培養農村青少年的科學興趣、問題解決能力、科技創新意識以及自主意識等都有著一定的優勢。目前我國農村校外科學教育還沒有得到足夠地重視，存在著運行經費不足、缺少專門管理機構等問題，嚴重制約了活動的正常開展和校外科學教育的長足發展。

從農村科學教育現狀來看，我國同美國一樣，也存在著農村科學教師匱乏、唯教材本位、講授法主導等問題。但是美國通過大力發展校外科學教育，在一定程度上彌補了校內科學教育的不足，因此，美國在農村校外科學教育活動方面的經驗值得我國借鑒。

1.構建大學-政府-社會-中小學多元主體協同培養的教育模式

美國發展農村校外科學教育，整合了大學、政府、社會和中小學校等多元力量，形成了多主體協同培養的教育模式。大學能夠及時把握科技前沿與發展動態，為農村中小學校發展校外科學教育提供理念引領與技術支持。一方面，農村中小學生可以在課余時間走進高校，參觀科學實驗室、聆聽科學前沿講座，這些活動不僅有利于開拓學生的科學視野，還能夠培養其未來從事科學事業的興趣；另一方面，大學可以為農村中小學的師資培訓提供科學指導。政府是國家的領導者，各級政府能夠為農村地區發展校外科學教育提供政策支持、行政資源和資金保障。社會力量也是發展農村校外科學教育不可缺少的重要組成部分，美國大部分農村校外科學教育活動的資金不僅依靠政府，還依賴于私人基金的捐贈。同時，美國農村校外教育的組織主體不僅包括科學教師，還包括從社會上招募的志愿者，如家長、大學生、高校教師、政府職員等等。

當前，我國農村大部分地區的校外科學教育仍主要依靠中小學科學教師，這種模式具有極大的局限性，應將大學、政府、社會、中小學等多元主體相結合，多種培養模式相結合，拓展大學的辦學空間，突出政府的服務職能，發揮志愿者的社會效應，走出孤立單一的教育模式，構建開放融合與互動發展的教育新模式[22]。

2.遠程教育應適應農村學校的教學需求

美國的遠程教育能夠為農村學生提供優質的校外教育資源，有利于促進城鄉基礎教育的均衡發展。基于互聯網的遠程教育彌補了距離給面授帶來的不便，創新了教育組織模式和教學模式，為農村偏遠地區發展科學教育帶來了重要的改變，構建了網絡時代的新型教育體系，也為學生和授課教師的交流搭建了平臺。也就是說，遠程教育的數字化學習資源可以覆蓋更廣的范圍，為美國偏遠農村的學生提供了學習和交流科學的機會。此外，遠程教育課程的內容以鄉土文化為背景，符合農村學生的認知需求。

美國遠程教育顯現出的特點和優勢，對提升我國農村科學教育質量具有重要的借鑒意義。當前我國的遠程教育存在一些問題，一方面，遠程教育的相關服務不夠完善，農村學生缺少與授課教師交流的機會與平臺；另一方面，針對中小學生開發的遠程教育資源具有較重的城市化痕跡，其目標主體仍然以城市學生為主，難以滿足農村學生的認知需求。基于美國的經驗，我國應該進一步開發遠程教育的交流功能，改變過去單一講授型的教育方式，并鼓勵企業開發符合農村中小學生認知需求的遠程科學教育資源。

3.依托外部資源開展科技活動

在美國，暑期科技夏令營的活動形式多樣，更有針對農村學生舉辦的科技夏令營活動。依托外部資源，學生可以走進高校，親自體驗科學研究和科研人員的生活，這類活動極大地激發了農村學生接受高等教育的興趣和愿望。同類活動在我國城市的一些學校已經開始逐漸萌發，但是在農村學校中仍然十分稀少，不利于擴展和培養農村青少年的科學視野和從事科學事業的熱情。

在我國農村地區開展科技活動，不能只依靠學校內部的資源，還應依托外部資源。因地制宜、因時制宜，拓展校外科技活動空間，充分開發和利用校外的各種科學教育資源，包括區域資源、高校資源、家庭資源等。

4.挖掘基于鄉土文化的科學學習素材

和美國城市青少年相比，美國農村青少年參觀科技館、博物館和文化館等青少年活動中心的機會雖然少，但卻可以接觸到最天然的科學素材。農村地區自然地理特征的多樣性蘊含著天然的學習素材，從花、草、樹中體現的生態學，到魚、鳥、蟲中體現的動物學，再到摩擦、平衡、簡單機械中體現的物理學，農村地區為生活在其中的青少年們提供了獨特而直觀的科學學習素材。美國的校外科學教育活動非常關注農村背景所提供的學習素材，將鄉土文化融入科學教育，充分利用當地的鄉土資源設計STEM 活動，幫助農村學生利用課外時間學習基于鄉土文化背景的科學與工程知識。

當前我國的農村教育鮮少與當地環境和文化產生聯系。農村教育的城市化傾向使得農村基礎教育失去了鄉土文化的特色，農村教育與城市教育的過度同質化并不一定有利于實現農村地區基礎科學教育的目標。

青少年是國家的未來和民族的希望。農村青少年的成長關系到未來中國新農村的建設和發展。提升農村學生的科學素養，僅僅依靠農村學校薄弱的正規科學教育顯然難以完成。因此，我國可以借鑒美國的做法，構建大學-政府-社會-中小學多元主體協同培養的教育模式，注重遠程教育，依托外部資源，結合鄉土文化中的科學素材，充分發揮校外科學教育在提升農村科學教育質量上的獨特優勢。