美国费米国家实验室中小学教育项目详解

导读：学生的成长，离不开社会资源的充分利用。美国费米国家实验室提供的中小学教育项目，鼓励年轻人从事科学和工程领域的职业，促进更广泛的公众科技方面的意识和对科学的理解，值得学习与借鉴。

2018年10月11日，笔者随上海市“教育信息化国际视野与创新发展”考察团一行前往位于芝加哥以西的美国费米国家实验室（美国的粒子物理和加速器实验室）考察。费米国家实验室创建于1967年，1974年建成，以美国物理学家、诺贝尔物理学奖获得者费米名字命名。致力于探索自然界最微小的部分——存在于原子中的世界，了解宇宙是如何形成和运转的，提高人类对物质和能量的基本属性的理解，进行粒子物理学、加速器科学与技术、深层地下中微子实验、量子科学等方面的研究。既是美国最大的高能物理研究实验室，也是人类历史上最大的物理实验装置之一。

该国家实验室带给我们震撼的除了拥有那些“高精尖”的实验设备以及领先的科技创新成果外，更让我们感慨的是该国家实验室专门成立费米教育联络办公室（Contact the Fermilab Education Office），致力于提高公立和私立学校学生进入大学前的科学教育质量，鼓励年轻人从事科学和工程领域的职业，促进更广泛的公众科技方面的意识和对科学的理解。目前，已有近10万人参与该实验室开展的教育项目。其开展的教育项目既有针对中小学校学生的，也有针对中小学校教师培训的，还有针对家庭的亲子科技探究活动的。

在此仅解读其2018—2019年针对中小学生及教师专门开展的教育项目，以期让我国的“高精尖”实验室或科研机构，能主动地思考有利于提升我国中小学生科技素养的教育服务项目，进一步提升我国基础教育阶段的科技教育质量。该实验室专门邀请教师参加实验室开展的教育项目，成立教师工作坊，让教师提升对科学方面的认识，开发教师的科学教育潜力，让教师成为最优秀的教育者，带来科技教育质的变化，帮助学生更好地认识科学。

1.美丽与魅力（Beauty and Charm）

该项目针对6—9年级，旨在让学生体验科学家探究的美与科学的魅力，学习科学家是如何进行思考、提出科学探究计划、用科学与工程的手段实施计划以及科学家之间是如何相互交流的。学生会了解科学家的工作方式，以及如何了解我们看不到的物质（如粒子物理世界），并将科学概念作为持续不断学习的过程。包括一个教学单元、一个专业发展研讨会、费米实验室实地讲解与现场体验等内容。凡参与此计划的教师工作坊的中小学教师，可以带领自己的学生进入费米实验室进行实地考察，进入该实验室专门成立的莱德曼科学教育中心进行模拟实验体验。

2.课堂演示（Classroom Presentations）

该项目针对2—12年级。任何一所中小学，如果距离费米实验室在90分钟的车程内，可以与费米教育联络办公室联系，邀请该实验室的科学家进入学校课堂，让科学家进入课堂进行物理科学方面的互动演示，为学生提供与科学家或工程师零距离会面。他们进入课堂后会向学生进行物理科学方面的演示，可以让学生更清晰地明确美国颁布的《下一代科学标准》中的学科核心概念。例如，针对3—8年级学生的“电学与磁学”，针对2—8年级的“低温学”，针对K-12的“力与运动”，针对1—8年级的“光与色”，针对4—12年级的“现实世界中的物理”“体育物理”，针对5—12年级的“时间、空间与宇宙”等。

3.能源与生态系统：草原、水与森林（Energy and Ecosystems：Prairie，Water and Woods）

该项目针对6—8年级。学生可以进入费米实验室周边的自然生态环境，调查自然运行的动力系统，包括能量循环、生态与生物的多样性，可揭示草原、水与植被、森林之间的相互关系与生态系统。让学生用科学的方法去调查、搜集数据与分析，了解植物、动物与生态环境。学会通过运用系统的方法去设计解决当前遇到的环境问题。将生物多样性，生态系统教育与有机分子结构、运行，能量与动力系统，陆地系统，地球与人类活动，工程设计等紧密地联系在一起。

4.高中生游学（High School Tours）

该项目针对9—12年级。费米实验室为高中学生提供旅游学习服务，为来访的小群体学生提供专业向导解说，限定全年的周三10：00—11：30，不需要注册；夏季周日下午1：00—3：00来访游学，需要提前注册预约。高中学生来访游学者需提前15分钟到达现场，在威尔逊大厅中庭会面，然后由专人带领参观实验室等。凡前往莱德曼科学教育中心（为该实验室建立的实践教育基地，提供10岁以上的学生或科普爱好者模拟动手实验以及作为K-12教师资源中心）学习的，安排在每个月的第一个星期六上午10：00至中午举行，可以体验费米实验室中开展的模拟实验展品。询问科学家之旅，一般安排在每月的第一个星期日，费米实验室都会在演讲结束后提供游学和问答。西班牙语的询问科学家之旅，每年提供两次。每月的第一个星期二下午1：30，实验室将为14岁及以上的人提供粒子加速器有关的探测实验体验活动。

5.昆虫在我们的世界里活动（Insects at Work in Our World）

该项目针对1—12年级。属于跨学科单元，允许学生探索昆虫世界，了解昆虫在我们生活中的重要性，提供科学家在该领域中的科学数据。该计划包括一个教学单元，一个专业发展研讨会、费米实验室免费讲解、实地现场体验。参加该项目教师工作坊（安排时间为2019年6月17日至18日）的教师可以扩展他们对昆虫在我们生活和自然中重要性的认识，教师可以把昆虫带到教室里使用。学生在该项目的课堂教学中可以了解伊利诺伊州最常见的昆虫，也可以自己去找昆虫。参加研讨会的教师可以每年将学生带到费米实验室进行免费实地考察。学生可以在草原、林地、湿地三个栖息地进行实地研究。凡参加培训的教师可以带领学生使用简单的科学工具捕获无脊椎动物，获取数据并评估栖息地的质量。

6.系列讲座（Lecture Series）

该项目针对9—12年级。费米实验室为公众提供一个学科领域十分宽广的系列科学讲座，每一位演讲者都是由从事不同领域研究的专家，主要向学生及公众讲解当前科学领域的发展情况以及科学家正在从事的科学研究，开阔学生的科学探究视野以及激发他们对科学探究的兴趣与潜能。专家科普系列讲座属于该实验室文化建设的重要组成部分。有些演讲是公益免费的，有些演讲需要收取一定费用，可通过费米实验室的专门购票办公室购票入场。(www.xing528.com)

7.注入物理科学计划（Phriendly Physics）

该项目针对K-5年级。旨在贯穿美国颁布的《下一代科学标准》中注入物理科学计划而实施，期望及早向学生介绍物理科学方面的知识，包括为小学生提供到莱德曼科学教育中心实地考察的机会，以及为教师提供专业发展计划。有关该计划的教师工作坊安排在2019年7月22日至26日，费米实验室会安排一系列研讨会、开放式实验等，让小学教师与科学家通过讨论和思考，帮助K-5教师理解和感受物理科学概念，然后引领学生理解这些概念。参加此项目的教师可以带领自己的学生来实验室考察，引导学生学习像科学家一样思考，学习如何构建和探索自己感兴趣的问题，如通过简单的实验仪器体验有关“电和磁”的知识，学生可设计和构建一个独特的磁铁，研究不同类型的电路，并发现创造天然电池的原因，在每次探索中记录数据；有关“力与运动”的知识，可使用一系列简单的机器工作探索，在比对数据的同时，感悟牛顿第一定律（惯性）和第二定律（加速度）的有关知识。至于“热和热能”的探索，学生可分析传导、对流、辐射以及产生热量的不同方式的概念；有关“光与色”知识，通过探索光的迷人属性，并与周围的世界建立联系，学生可使用日常工具观察白光、色光、阴影、折射和反射……

8.草原——我们的心脏地带（The Prairie—Our Heartland）

该项目针对3—5年级。作为跨学科单元，该项目将传达伊利诺伊州草原及其社区的案例，学习如何吸引学生成为生态学家，获得草原和林地生物多样性的知识。该计划包括一个教学单元，一个专业发展研讨会、费米实验室免费讲解、实地考察以取得现场经验。有关该计划的教师工作坊安排在2019年6月19日至21日，先让教师获得草原、历史和生态学的知识，许多课程和活动包括语言艺术、数学、自然科学、社会科学和艺术等方面的知识融合。参加研讨会的教师可以每年将学生带到费米实验室进行免费实地考察。学生将在观察野牛群时探索草原和林地生态系统，包括土壤、植物和昆虫。在安排实地考察时，人性化地考虑选择合适的季节作草原研究，如秋季时的费米实验室附近的草原能提供多样化的成熟植物，而春季研究可能围绕林地野花和草原展开。

9.夸克（Quark犖et）

该项目针对9—12年级。项目是与国家能源部与自然科学基金共同推进的，期望能引领高中教师与他们的学生进入物理科学领域（尤其是粒子物理学）探究。项目会引领教师与科学家一起工作与研究，探索宇宙物质的变化，认识物理学家通过寻找意外来寻找新的科学。为了探测标准模型外的边界，粒子物理学家转而使用能打破能量、精度和强度的仪器来探索粒子物理学的新领域。什么是暗物质？什么是反物质？中微子告诉我们什么？……这些研究也会带领学生认识夸克世界，让学生学会分析真实的数据，以及学会与来自世界各国的学生进行合作，跟随物理学家解开粒子物理学的奥秘。

10.夏季中学科学研究院（Summer Secondary Science Institutes）

该项目针对9—12年级。为学生提供有关生物学、物理学、化学相关主题的1—2周工作坊式学习。主要为高中教师提供科学技术与课堂实验方面的知识与技能培训，使受训教师能指导学生科学地学习有关生物学、物理学与化学的知识。在生物学方面，将引导参与培训的教师研究组织相关内容的课堂教学，包括围绕生物学主题进行课堂教学提问的技巧以及更新传统实验室活动等。在物理学方面，通过将物理教室连接到费米实验室，创建真实的科学体验，科学家使用传统的实验室设备和基于计算机的数据采集设备协同讨论各种物理学主题。在化学方面，则让教师学会在化学教学中与美国颁布的《下一代科学标准》的要求保持一致。接受培训的教师不仅可以将所学内容回到中学课堂进行传授，以提高培育学生有关学科的知识与技能，还可以带领学生参观费米实验室，以及与费米实验室的科学家和工程师进行讨论。

11.教师资源中心（Teacher Resource Center）

该项目针对K-12年级。主要提供与STEM教育相关的教师学习资源。教师资源中心位于费米实验室莱德曼科学教育中心，开放时间为周一至周五上午8：30至下午5：00，也可以预约在周六上午9：00至下午2：00。该中心为学区管理人员、教师、学校图书馆员、大学教师、职前学生、家庭教育工作者等人员服务，能提供K-12有关STEM教育教学材料以及专业开发资源。教育工作者可以获得相关核心和补充课程材料、书籍、数字资源、教育检索目录、期刊和新闻通讯，还包括有关科学和数学教育的标准、评估和其他主题的报告。中心工作人员还可以为科学、数学和技术教育工作者提供课程和教学方面的帮助。

12.教师研究支持（Teacher Research Associates）

该项目针对7—12年级。为这些年级段杰出的科学、数学、计算机科学和技术教师提供专业的科学、工程或技术研究服务与支持，以提高教师对尖端科学技术的认识和理解，然后将其转移到课堂上。教师通过申请，可以进入费米实验室跟随科学家导师进行相关研究，项目完成后可以抵学区的教师培训时间或大学学历申请的学分。研究工作时间和日程安排相当灵活，从技术上讲是一个“随意”工作者，只要导师认可，可以自己设置研究的时间表。教师可以获得工作时间的报酬，唯一的限制是在任何一周都不能工作超过40小时。教师除了处理研究项目外，还可以参加每周一次的教师研究支持计划会议，与科学家就特定的学科主题进行问答。

13.高中生实习计划（High School Students Internship Program）

该项目针对10—12年级。此阶段的高中生可以申请进入费米实验室进行项目实习。鼓励拥有编程计算机或使用机械或电气系统经验的学生申请，尤其是那些对科学和数学表现出浓厚兴趣和能力的学生。为他们提供科学和技术方面的夏季研究机会。费米实验室提供与科学家研究项目有关的实习项目，获准的学生可与科学家共同工作六周，时间为2019年6月10日至7月19日。

上述教育项目的介绍主要源自美国费米国家实验室教育与公共宣传办公室的宣传资料以及费米官方网站，也有一部分是根据我们现场考察时对工作人员介绍的笔记。该实验室每年开展的教育项目会根据费米实验室的实验任务与工作安排进行调整与补充。美国费米国家实验室专门成立相应的教育联络办公室以及教育科学中心、教师资源中心长期，主动地为中小学教师、学生服务，切实承担推进中小学科技教育的社会责任。其开展的教育项目，非常注重将教师科学方面的培训与学生科技方面的学习结合起来，以增强教师的科技教育能力，促进中小学科技教育质量的提升。^[9]