【人才】科技创新人才培养的新路径:美国科技高中的探索与启示

2019-11-26

      摘要:美国科技创新人才培养重心的下移为美国保持世界科学中心地位提供了坚实基础。本文以美国表现突出的7所科技特色高中为例,分析比较这类学校如何通过课程结构、课程内容和教学方法的变革支持科技创新人才培养。研究发现,“共同基础的低平”和“选择领域的精深”相结合的课程设计,支持了学生的广度学习和在兴趣/特长领域的深度学习;充分注重学生的研究、研讨、设计,采用问题解决和项目式学习的教学创新,支持了学生科技创新关键能力的发展。此外,适切的评价系统、课程教学决策的情境化和专业化有助于系统推动创新人才的培养。

      

      在信息社会和全球化时代,各国空前重视提升科技发展水平和培养科技创新人才,世界各国对STEM(科学、技术、工程和数学)的探索方兴未艾,如美国的科学教育课程框架和《下一代科学教育标准》为未来科学教育发展提出了新的方向和理念,[1]日韩等国建立了超级理科高中和科学高中,欧盟在科技教育方面关注“提升公民科学素养、增强公民科学技术能力”。[2]我国自实行改革开放政策以来,“科学技术是第一生产力”的理念得到普遍认可,党的十九大报告明确提出,要“培养一大批具有国际水平的战略科技人才、科技领军人才、青年科技人才和高水平创新团队”,表明党和国家对于科技人才培养的高度重视。我国素来有重视理科教育的传统,最近几年,教育界和企业界开始积极开发面向中小学的跨学科的注重实验研究和项目式学习的STEM课程。同时,以科技为特色的学校和教育项目也日渐增多,以“科学”、“科技”命名的学校也开始出现。可以说,科技创新人才培养不仅是高等教育阶段的任务,而且基础教育阶段的科技教育在新的历史时期也受到前所未有的关注。在这一背景下,探讨科技人才培养和科技特色学校发展具有鲜明的现实意义。

一、科技创新人才培养与
科技特色学校的发展

      科技发展日新月异,科技教育也经历着鲜明的转型:在内容上,从注重学科的系统知识、基本概念、基本原理,到兼顾跨学科概念、前沿主题以及社会中的科学议题;在方法上,更为注重科学探究、科学实验与项目实践,以及现代信息技术在教学中的应用。我国的科技教育虽然一直受到重视,但在内容和方法上相对比较陈旧。[3]为此,要因应时代发展的新要求,利用新条件革新教育方式,实现科技教育的转型发展。在科技创新人才培养重心下移的背景下,科技特色学校创建和相应的课程教学、学习方式变革也成为科技创新人才培养的新路径。科技特色学校聚焦于科技创新人才培养,着力于打造良好的师资队伍和资源基础,探索教育实践的创新路径,形成具有示范性、引领性的教育实践模式。当前,建设科技特色学校面临着课程教学设计与实践的问题,最为直接也最为重要的包括以下三个方面:(1)在学校中开设哪些课程、如何开设,也就是课程结构问题。在我国现行课程政策背景下,学校要探索如何将体现科技特色的课程与现有的国家课程相融合,以及构建适应不同学生发展需求和水平的课程。(2)各种类型课程的内容如何设计以及如何处理知识的广度和深度间的平衡问题。(3)采用什么教学方法促进学生科技创新能力的发展、如何促进学生科学素养的提升、如何为培养科技创新人才奠定基础。此外,从系统观的角度还要考虑如何使学校的课程教学探索能应对我国的考试和招生制度。


      自20世纪20年代至今,美国作为第五个世界科学中心的地位未曾改变,其科技力量领先世界。除了其经济、政治等因素外,先进的教育制度尤其是完善的研究型大学体系及人才引进策略,为美国短时间内成为世界科学研究强国助力良多。[4]然而,需要注意的是,美国科技的持续领先地位,不仅取决于高等教育的贡献,也与基础教育的诸多探索和尝试密不可分。根据美国国家教育统计中心的数据,自1982 年以来,修读数学和科学类课程的美国高中学生比例持续增加,高中阶段的科技特色学校通过其独特的课程教学设计为科技创新人才的成长奠定了良好基础。在美国新闻与世界报道的学校排名中,有专门的STEM高中排行榜,其中,科技特色高中和整个基础教育阶段的科技教育在近几年一直是教育政策和实践创新的重点关注对象,2018 年2 月,国会两院还一致通过了推动STEM 教育公平发展的法案。鉴于此,本文将选取若干所在科技教育方面富有特色又卓有成效的高中学校,对其课程结构、课程内容和教学方法进行考察,并以此为鉴,探索我国科技特色学校的发展之路。所考察的学校主要包括:纽约市选拔性高中学校中的三所科技特色高中,分别是布朗克斯科学高中(Bronx High School of Science)、布鲁克林技术高中(Brooklyn Technical High School)、斯岱文森高中(Stuyvesant High School);新泽西州高技术高中(High Techology High School in New Jersey);美国数理特色高中联盟的创始学校北卡罗来纳数学和科学高中(North Carolina School of Science &Mathematics)、伊利诺伊数学和科学高中(Illinois Mathematics and Science Academy)。此外,本文还选取在US News 高中排行榜中表现出色的知名高中学校(主要是在科技教育方面较为突出的),如托马斯·杰弗逊高中(Thomas Jefferson School)。上述学校整体实力较强,在科技人才培养方面成效显著,如布朗克斯科学高中就培养了8 位诺贝尔科学奖获得者和一大批科学技术杰出人才。
二、课程结构与内容:“共同基础的低平”
和“选择领域的精深”相结合
      学校课程结构主要研究学校开设哪些课程、这些课程之间的关系如何、课程结构设置的理论基础和设计取向等。在教育实践中,学校日常课程教学工作首先要考虑的问题之一就是课程结构。不同国家的课程决策权分布不同,不同学校课程结构的一致性也不同。美国高中学校在符合相关法规、政策和标准———其中最主要、最直接的是各州的高中课程标准和毕业要求———的前提下,在课程教学方面有较高的自主权。通常而言,州的课程标准和毕业要求规定了基本水平,如纽约州规定学生高中毕业的最低课程要求是修读22 个学分,包括英语4 学分、社会研究4 学分、科学3 学分、数学3 学分、外语1 学分、艺术1 学分、体育2 学分、健康0.5 学分、选修课3.5学分,并通过纽约州组织的考试即可毕业。[5]在此标准和要求之外,学校有安排课程结构和内容的自主权。科技特色高中通常因其办学宗旨、使命和条件的不同,形成独具一格的课程结构与内容安排。下表呈现了纽约州布朗克斯科学高中的主要课程安排,在纽约州的基本规定之外有大量课程是学校自主选定的。
      通过对案例学校的考察显示,这些学校虽然在具体的课程设置上各不相同,但在课程结构和内容上有着很高的相似度。具体表现在以下几个方面:

纽约布朗克斯科学高中的课程结构和毕业要求[6]
图片来源于刊物原文


      

      (一)开设基础层次的核心课程作为共同必修课

       这些高中学校的核心课程主要包括:英语、数学、科学/ 科技、社会研究/ 历史、外语、艺术、体育。其中,英语和数学的学分要求各占总学分的1/6 左右;科技类课程(物理、化学、生物、地理、计算机、工程、技术等)一般占总学分的1/8~1/6;社会研究/历史类的课程(美国历史、世界历史、地理、社会研究、美国政府、经济、政策等)占总学分的1/8 左右。这些课程都以分科形式开设。单从开设课程的门类来看与很多国家(包括我国)大致相同。这一层次课程开设的门类、修读时间和毕业要求一般都按照所在州的课程标准确定。这些课程都是必修课程,学生在经过学校的特许之后,可以用高一级的课程代替相应学习领域的课程。如表1 中高一、高二的全球历史课,经过特许后可以用AP 世界历史、AP 欧洲历史课代替。

      

      (二)开设精深型课程以深化核心课程的学习


       案例学校的核心课程在基础层次之上都开设了同科目或类似科目的AP 课程、荣誉课程等内容高深的课程。其中,AP 课程内容是由美国大学理事会以相应课程的大学水平为基准开发的,有统一的内容范围、标准和评价方式。也有学校采用自己开发的高层次课程,如伊利诺伊数学和科学高中在数学领域开设了多门后微积分选修课程,其内容以学术领域的内在知识结构为依据。大部分学校将这部分课程和专题课程共同作为选修课程,由学生根据自身兴趣、基础和未来发展规划进行选择。从上表可见,布朗克斯科学高中在英语、社会研究、数学、科技、外语和艺术门类的课程中都开设有AP 课程。又如,托马斯·杰弗逊中学、斯岱文森高中在英语、数学、科学、社会研究领域都开设有AP 课程。这些科技高中对于AP 课程的重视可见一斑,学校的宣传资料中也会注明其开设的AP 课程门类和学生近年的AP课程成绩,这是因为AP 课程在课程设计、教材开发和评价等方面都日臻成熟,社会认可度高,其成绩是很多大学招生和高中学校排行的重要依据。

      

      (三)开设大量与核心课程相关联的选修课程


       这些高中学校无一例外地开设了大量的选修课程,除了AP 课程外,还有一些是围绕核心课程内容中的若干主题开发的,作为具体主题的扩展和深化,与核心课程之间存在紧密关联。各核心课程科目的基础性课程与相应的选修课程纵向组合,成为内容不断深化的整体板块。例如,伊利诺伊数学和科学高中的核心科学课程包括:科学研究方法、科学探究-生物、科学探究- 化学、科学探究- 物理,选修课程则是这些课程在具体领域的延伸和深化,其中生物相关的选修课程有:进化、生物多样性和生态,细菌与疾病,分子与细胞生物学,生理学与疾病学,生物研究课:动物行为学。这种选修课程帮助学生在所选学科的特定主题上进行深入学习,链接了大学的专业门类,客观上起到大学阶段专业学习的预备性、导论性课程的作用。

      

      (四)注重特色课程的集聚化开发


       这些高中学校都有自己的特色课程群,其中一种常见模式是学校在一个或几个领域集中开发实施广度和深度并重的选修课程,从而形成自己的办学特色。如北卡罗来纳科学和数学高中利用其毗邻科技中心的地理优势和资源便利条件,开设了大量的工程技术类课程,包括建筑、生物医学工程、生物医学仪器、电路、土木工程和环境工程、电器工程、工程制图、现代工程、工程基本原理、工程和技术史、机器人、机械工程等,以让学生探索不同的工程领域,学到基本的问题解决技能,便于选择大学专业和未来职业。
       另一种模式是学校开设多组特色课程,学生从中选择一组。如上表中的自然科学类课程,鼓励学生从5 个领域中选择一组。又如,纽约布鲁克林技术高中的课程涵盖18 个专业领域:宇航工程、建筑工程、生物医药工程、化学工程、环境工程、机械工程、土木工程、电子工程、软件工程、金融、大学预备课程、机电一体化和机器人、工业设计、生物科学、数学、媒体传播学、社会科学、法律与社会,学生根据自己的兴趣选择专业领域和相应的课程模块。
       通常前者是在一个(或少数)领域开发一系列课程,其内容从入门一直到高级阶段,课程被细分为若干等级,学生在选修较高层级的课程前要求修完某些规定的课程,这一模式更为普遍;后者则在多个领域内开发多门课程,其内容以入门性的基础内容为主。
       由此可见,美国科技特色高中的课程结构呈现出“共同基础的低平”和“选择领域的精深”相结合的特征。对学校来说,提供的基础性课程整体要求较低,而提供的选择性课程则在各个学习领域、学科或专题上有内容的深度和要求的高度,课程趋向于精深性和专业化。可见,一所学校的课程就像高山和其上的群峰,分别是基础性和选择性的课程,学生在攀登到山中的共同基础高度之后,不同的人选择其中某一座或者几座高峰继续攀登,最后选择的方向和达到的高度是个性化的。
三、教学方法:以真实性实践培养
科技创新能力
       从笔者在现场考察获得的信息和对相关资料的分析来看,美国科技特色高中在教学方法上存在着很大共性,即教学过程充分注重学生的自主学习、合作、互动,研究、探究、研讨、实作式的问题解决和项目式学习是最主要的学习方式。

      

      (一)科学课程中的实验室探究

       学生进行实验室研究是科学课程的常态。学生通过真实性的科学探究理解科学概念和原理、掌握科学研究方法、锻炼科学思维、发展科学精神,从而全面提升科学素养。例如,布朗克斯科学高中的基础物理课程,一个学期有多达17 项物理实验,设计和进行实验、撰写和交流实验报告是学生最主要的学习任务。在教学过程中,教师还注重通过科学知识的实践应用来深化学生对科学知识的理解,培养学生用科学知识解决问题的实践能力,发展创新能力。例如,在伊利诺伊数学和科学高中,物理课程的“声学”这一主题教学除了实验室研究之外,还有一项任务是让学生运用振动弦或者振动管谐波的模型设计和制作一个乐器,这是典型的实践应用任务,有很强的趣味性和创新性。

      

      (二)工程和技术类课程中的项目式学习

       对于工程和技术类课程而言,最为普遍的方式是项目式学习,要求学生在学习过程中完成一个或几个大项目,将工程和技术的原理、方法融入完成项目的整个过程中。如在布鲁克林技术高中的工程入门课程中,学生通过建筑设计的实作项目理解工程学的基本思想和方法,动手进行建筑设计、绘制设计图、制作模型,同时学习项目规划方法、项目文件编制、项目过程监控、项目结果报告等,同时也发展了合作技能、时间和任务管理技能、沟通交流技能以及领导力等通用能力。


      (三)学习方式变革

       除了上述科学课程中的实验室研究、工程和技术课程中的项目式学习外,其他学科的教学方法和学习方式也是各有特色,如英语课程中多进行经典作品的阅读和讨论;社会研究课程多围绕具体主题或问题进行项目研究和班级讨论;历史课程多由学生挖掘和利用历史资料进行历史问题探讨和专题研究。简言之,不同的学习领域采用不同的教学方式,但几乎所有案例学校的领域教学均强调以学生为中心,在真实性实践中学习。
在这一取向教学中,学生的学习是模拟专业实践,注重产品指向。这是一种通过研究、实践与应用进行学习(而不是学习知识之后进行实践应用)的方式,要求学生完成一个大任务,包括进行研究、完成工程技术项目、解决真实性问题等,并形成产品,产品的形式包括科学实验报告/ 研究报告、论文、设计方案和作品等。学生的学业成绩在很大程度上取决于他们完成这些任务的质量。这种取向是当代学习科学研究关注和倡导的重要方向。正如Sawyer 在《剑桥学习科学手册》中论及学习研究时所指出的:“当学生参与到与该学科专业人士的日常活动相似的活动中时,他们学习到更深的知识,这是学习科学的中心主题之一。......在科学学科中,《国家科学教育标准》号召学生参与到科学探究的真实性实践中:建构解释、提出论点与别人交流、论证自己的解释。”[7]注重科学实践是美国《下一代科学教育标准》关注的核心之一,[8]也是Sawyer 所说的通过真实性实践进行学习。
      这种“学生中心”的学习活动,是学生深入学习学科知识和研习理论、方法的有效途径,它将科学知识和领域一般能力的发展结合到一起,使学生在学习目标和结果上远远超越了具体知识的获得。在“21世纪技能框架”中,创造力和批判思维、问题解决能力、沟通交流能力和合作能力被统称为“学习与创新能力”而被置于21 世纪技能结构图的顶端,[9]这是典型的领域一般能力。从世界范围来看,创造力培养的主要实践途径,如建立知识建构的学习共同体、围绕解决真实问题的学习、学科知识的拓展和深化、灵活多样的英才教育体系、基于互联网的个人化定制化学习等,[10]都将学科领域或跨学科的真实问题解决作为主要的学习方式,从而支撑起学科知识和一般能力的协同发展。为此,在课程设计上需将拓展性、选择性课程与基础核心课程相联系,如在学科大概念和领域一般能力的基础上建立联系。[11]在教学设计方面,有效的基于探究的学习离不开清晰界定的目标、设计良好的脚手架、合理有效的形成性评价和丰富的信息资源。[12]
       当然,这种教学方法的应用离不开系统的支持。在学校内部,办学方向选择和教学方法要求、资源条件、教师专业能力等必须成为支持性力量;在学校外部,需要得到家长和社会的认可,还需要大学系统对这种学习方式及相应学习成果的接受。美国大学在招生中具有很高的自主权,能根据社会长远发展需要和学生潜能并基于更多信息(如在校期间的多方面表现) 来选择学生,高水平大学自然青睐在关注21 世纪能力发展的学习环境中成长的学生。对于探究式学习的综合研究表明,在常规的纸笔测验中,运用问题解决和项目式学习与常规的教学方法相比,学生的成绩相近,学生探究并不会影响学生的考试成绩,而在问题解决能力、高阶思维能力等方面,基于探究的学习成效显著较高。[13]

四、美国科技高中培养科技创新人才的
经验与启示
       美国科技特色高中的课程结构和内容安排,体现了科技特色,解决了知识广度和深度之间的平衡问题。学校课程门类众多,为学生提供了广阔的选择空间,解决了课程的广度问题。学校又进一步将核心基础课程中的具体内容/ 主题进行开发,支持学生对这些内容/ 主题的深度学习和研究,并通过不同层级和类型课程之间的内在关联,保证各领域学习的连贯性和统一性。教学方式注重学生的自主、探究、合作,发展了学生的高阶能力。其启发如下:
      (一)开发多类型、多层级、相互关联的科技类课程,支持学生科技特长发展
       长期以来,我国高中采用较为统一的课程结构,基础教育课程改革推进了地方课程和校本课程的开发与实施,但由于教育传统、教育资源和教育评价等条件的限制,学校在国家统一课程之外开设的可选课程不足,学生在完成课程标准和考试大纲规定的内容之后主要将精力投入各种类型的习题操练之中,在兴趣或特长领域进一步学习和研究的机会非常有限。尽管不少学校开发了一些校本选修课程,为学生的个性化发展提供了一定机会,但也存在一些非常普遍的问题,如这些课程往往处于边缘化地位,教师和学生投入不够;部分课程是出于教师本人的兴趣或者学校的硬性要求开发的,对学生发展需求考虑不够;课程内容设计的系统性不强等。
       借鉴美国科技高中课程“共同基础的低平”和“选择领域的精深”的特点,我国的科技特色学校需要为学生提供更多在科技领域拓展的机会,学校应引进或者开发多个类型、多个层级的科技类课程,以丰富、精深、系统化、可选择的系列课程,支持学生的科技特长发展。具体而言,可以将国家课程作为基础性核心课程,并以其中的若干学科和主题为基础开发科技类特色课程,再在内容上加以深化,在要求上加以提升,使之成为学生发展科技兴趣和专长的空间。在构建适应不同学生发展需求和水平的课程方面,可以重点在一个或几个领域开发具有丰富性和层级化的课程体系以供学生选择,这既有利于解决教育资源相对不足的问题,也有利于形成学校的特色和特长。在普通高中学校,也需要根据资源条件和学生状况,聚焦于少数领域开发此类课程。
       同时要重点处理好两个关系:一是课程广度和课程深度的关系。要通过具有广度的课程让学生找到自己的兴趣和适应自己的课程,通过具有深度的课程发展学生的特长;二是拓展课程和原有常规课程(主要是国家课程)之间的关系。美国科技特色高中的普遍做法是在常规课程的主题领域中开设高深内容的课程,特别是AP 课程,两者之间既有内在联系又在程度上不断加深,我国高中也可以适当借鉴。

      

      (二)提倡探究方法,内化科学精神,发展学生领域一般能力,平衡创新与考评的张力

       变革传统教学方法,支持学生实践能力和创新能力培养,是我国教育发展面临的迫切任务。美国科技高中普遍采用的教学方法是我们在教育改革进程中所倡导的,目前,我国中学所做的类似实践探索不胜枚举。但不同的是,我们在教育实践中仅仅将这些方法作为一小部分课程(如研究性学习)的教学方法在探索性地使用,而没有将其作为常规性的方法,因而实效有限。
       变革教学方法的真正挑战来自我国的考试和招生制度。理想地看,考试和招生制度应围绕着如何更加有效地评价学生发展水平和选拔人才进行设计并逐步完善,但这一制度的改进在我国尚需时日。高中学校关注的问题是,以这种方式培养出来的学生能否在高等学校招生中胜出(至少不因此失去优势);同样,初中学校则关心在高中招生制度下学生的升学前景。我国高等学校的招生自主权越来越大,也愈加注重评价学生的综合能力、创新能力和特色发展。但从短期看,如果整个课程结构发生巨大变化,是否会对学生的升学考试成绩有不利影响,目前尚不得而知,学校的探索也因此更具有冒险性。考试和招生制度对于课程教学实践选择的影响可见一斑,这也说明教育评价和招生考试制度改革的迫切性。
       短期内能否化解科技特色学校课程教学方案与现行考试和招生体制之间的张力,应对上述种种挑战,取决于这种课程设计和教学方法是否能通过提升学生的领域一般能力和深化学科知识理解而使学生在传统评价体系中胜出,至少不因此而显著影响学生的升学前景。
       鉴于此,科技特色学校在教学方法上的变革重点,首先要在科技特色课程中不断探索和坚持应用科学探究、项目学习、真实问题解决等方法,提升学生的科学素养,培养其科技创新能力,进而逐步扩展到越来越多的常规课程的教学过程之中。在教学中,教师不但要关注科技项目的研究与实践问题的解决,更要关注学生在领域一般能力上的发展和对于学科知识的理解与应用,应在提升科技专长的同时有效应对来自考试和招生制度的挑战。

      

      (三)提升学校课程教学设计的情境化与专业性,系统改善育人环境

       在培养学生科学素养的同时着力培育科技创新人才,是我国建设教育强国、促进科技进步和社会发展的重大任务,而基础教育阶段科技特色学校的建设将为此奠定基础。美国科技特色高中通过课程结构、课程内容和教学方法设计为科技领域具有特长和兴趣的学生提供了完整而有领域深度的学习经验。这些经验特别值得我们学习。在我国,学校在开设选修课程以满足不同学生的个性化发展需求方面已经迈出了可贵一步,为学生实现基于志趣的发展提供了可能,但这些课程在促进学生兴趣领的深度学习和研究方面还是远远不够的。为此,科技特色学校要对课程结构进行整体性和系统化的设计,应加强不同类型课程的关联并推进教学方法的变革。
       科技特色学校需要有较大的课程自主权才能提供多样化、高选择性的课程,其中,课程决策是学校的“情境化”事件,也即只有在“此境”中才能做出决策的事件。即便是公立学校,外在规制约束也主要只是规定了基本要求的课程标准,大部分课程决策权掌握在学校和教师手中。与之关联,课程教学决策被认为是教师的“专业性”行为,学校和教师享有专业人员在其工作中通常享有的专业权利。同时,高等院校的招生也被看作是一个“情境化”事件和“专业性”行为。两个学段的情境化和专业性实践,让其中的行动者成为有自主权且负责任的决策者,这是在推进教育变革时不可或缺的系统条件,也是我国在建构适应新时代发展需求的教育体系时需要解决的问题。唯有这样,包括科技特色学校建设在内的各种教育变革才会有系统支持和体制保障,从而有效培养各类创新人才。