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啓動一個STEM研究項目

2013-09-05中國科技教育本文被閱讀過89740次[推薦][打印][保存][大字體][中字體][小字體]

本文轉載自《中國科技教育》雜志2013.04/總第205期

  導讀:爲了讓學生在學習科學的過程中獲得更綜合的知識、創新的思維和實用的技能,更深刻地理解科學技術的本質,科技教育專家提出以科學、技術、工程和數學(STEM)項目研究的方式讓學生學習,也就是我們常說的研究性學習模式。然而,由于有的科學教師或科技輔導員自己缺少進行科技項目研究的經驗,常常會感到指導學生時缺乏信心,還導致學生的研究項目在研究方法的規範性上有很多問題。《STEM項目學生研究手冊》(STEM Student Research Handbook)是美國科學教師協會(NSTA)2011年出版的一本高中學生開展STEM項目研究的實用指南。基于多年指導學生的經驗,作者較爲系統地介紹了學生研究者應如何完整地開展一個STEM項目研究,並提出了具體而實用的建議。此書一經出版就成爲NSTA網上書店的暢銷書之一。書中闡述的項目研究框架,分享的細節和經驗可以幫助高中生讀者學習科學研究的基本方法和規範,對于新手輔導老師來說,也能從該書中得到很多有價值的信息,從而更有效地去指導學生。該書已于近日由中國科協青少年科技中心組織翻譯,科普出版社將在今年夏天出版。本期專題邀請該書中文版譯者對書中一些精彩內容進行了簡要介紹和評述,讓讀者先睹爲快。

  如何開展學生科研項目 How to Do a Student STEM Research。

  “對我來說,最大的獎勵在于我的學生們從始至終真正地參與到了激動人心的科學研究過程中,並且對于科學知識是如何發展的有了更深入的理解。這種經曆和聽一個講座、觀察一個科技工作者是如何工作的,甚至是實際操作由別人設計的實驗,都是截然不同的。”

——《STEM項目學生研究手冊》,序言

了解STEM項目研究過程

  “科學、技術、工程和數學(STEM)研究,是指在能夠使用科學研究方法驗證的領域內通過實驗手段解決問題。而科學研究方法指的是一種探究過程,用這種過程對在自然界中觀察到的現象進行系統研究、調查,並提供解釋。”

——《STEM項目學生研究手冊》,第1頁

  《STEM項目學生研究手冊》(以下簡稱《研究手冊》)開篇介紹了什麽是一個STEM研究項目。在這一對STEM研究的描述中強調了STEM研究項目所涉及的是能夠使用科學研究方法驗證、通過實驗手段解決問題的領域。而科學研究方法則是指研究的過程,在這個過程中,研究者充分運用自己已有的知識、技能、技術和資源來盡力解決問題。雖然我們常常會討論進行科學研究的步驟,但本書作者卻使用“階段”一詞替代“步驟”,因爲她希望中學生們可以意識到,科學研究過程並不一定是線性的,也不一定會按照某個秩序或方向逐步經曆研究過程的各個階段,它往往是一個循環的過程,很可能要不斷回頭去重複某些階段的工作,以便獲得更好的發現。

(圖1 STEM研究的8個階段)

  《研究手冊》將STEM研究分爲圖1中的8個階段,並在共12章的內容中對每一個階段中應進行的工作、需注意的問題和完成這些工作所要用到的方法、技術等內容進行了詳細的介紹和論述。研究的過程會大致按照這些階段來推進,但也常常會出現需要回到之前階段的情況,因爲往往在對所研究主題有了更深入了解的時候,就會産生更多的問題,而有些問題會讓研究者重返之前的階段,有時候甚至會重新開始一個對完全不同的問題的研究。這種情況對于科技工作者來說,非常正常,也是件好事。但學生研究者需要注意的是,由于能夠用于項目研究的時間往往非常有限,因此開始階段要盡可能確定一個可行的研究主題,並將其按時完成,在研究過程中出現的新的問題和感興趣的其他研究主題,可以作爲未來的研究內容。

  本篇文章將簡要介紹生成研究主題、制定研究計劃以及開展背景研究3個項目啓動階段的內容,對于其他研究階段的介紹,將在本期專題的後3篇文章中展開。

生成初步的研究主題

  選擇自己感興趣的研究主題

  學生在開始一個研究課題時,對于究竟要研究什麽,有時要麽是毫無概念,要麽就是對研究主題有了非常具體的想法。《研究手冊》的作者提醒學生們,要盡可能避免這兩種極端情況。最好是讓好奇心引導自己的研究興趣,然後對自己感興趣的主題形成一個大致的想法,但並不要限制住自己的思路,而是要通過開展廣泛的背景研究來了解與主題有關的各種信息,從中再確定一個可行的研究主題。這個研究主題可以是學生在日常生活中遇到的問題,在電視上或是讀書的時候産生的疑問,如果學生參與了一些進入大學或研究機構實驗室工作的項目,也可以是導師研究領域中的某一個問題,但無論研究主題産生于哪裏,都一定要是自己真正感興趣的領域,因爲研究項目的開展將會經曆相當長的時間,學生將會在選定的研究主題上花費大量的時間和經曆,興趣和好奇心將會支撐學生完成這個長期的研究過程。

   用合適的問題來聚焦初步的研究課題

  一個STEM研究項目,是要回答或解決一個問題。但並不是所有的問題都適合成爲一個STEM研究問題。例如,“爲什麽水藻在緩慢的水流中生成得過快?”就不是一個可行的研究課題,因爲這個問題太寬泛,也不是能夠通過測量得出答案的。但是,可以將這個問題分解成爲更小的、能夠被科學測量的問題。例如,“哪種水流能導致水藻生長得更快?”這樣的問題就是可以被測量的,也是可以通過實驗獲得結果的。

  在確定了初步的研究主題後,要通過問自己一系列問題使研究課題更加聚焦、更加具體。圖2展示了這些問題以及問題之間的聯系。《研究手冊》強調,在確定研究課題的階段,要對研究研究課題設想出盡可能多的方案組合。也就是說,在確定了研究對象之後,要對實驗中的自變量(需要控制或改變什麽)和因變量(需要測量什麽效果),以及可能使用的實驗方法(需要什麽樣的技能、知識和工具)給出盡可能多的想法,以便之後從這些想法中形成真正可行的研究課題。

(圖2 確定初步研究主題後應該自問的問題及問題之間的聯系)

  安全和倫理問題

  由于是由學生開展的研究項目,安全和倫理問題是需要在開始階段就要認真考慮的。科學研究的倫理問題,不僅是科研人員在從事科研實踐的過程中應當嚴格遵守的,也是青少年在學習科學的過程中需要了解和掌握的。很遺憾,在我國大陸,有關學生開展科研項目的安全和倫理問題並沒有得到足夠的重視,沒有特別明確的對于學生科研項目安全和倫理問題的指導文件或是規定。例如,在全國青少年科技創新大賽的《中學生科技創新成果競賽規則》部分,只是簡單提出“違反國家法律、法規和社會公德或者妨害公共利益的項目”以及“涉及食品技術、藥品類的項目”是不接受申報的。對于有關高等脊椎動物或是以人爲研究對象的項目也沒有特別的要求或是規定[1] 。然而,對于這些方面,國際上已經有了非常明確的規定。如果學生的研究項目要參加國際科學競賽或是交流活動,以及當他們進入到大學開展相關研究和學習時,都會遇到關于科研中的安全和倫理問題。因此,即使大陸並沒有明確的規定,指導老師和學生在選擇研究課題時,也要充分考慮,並謹慎選擇實驗對象和方法。

  對于安全和倫理問題的規定,英特爾國際科學與工程大獎賽(Intel ISEF)的規則給出了很好的參考。例如,在科學倫理方面,競賽規則中規定,對于以人爲研究對象的項目,需要有非常嚴格的生理和心理風險評估、審查以及受試人員知情同意程序,並要求在專業人士指導和管理下進行,從而保護接受實驗研究人的權益。對于以高等脊椎動物爲研究對象的項目,規則強調“3R”原則,即“替代(Replace)”——用無脊椎低等動物替代;“減少(Reduce)”——減少動物使用量;以及“優化(Refine)”——優化方案減少痛苦,來避免和減少科學研究中對脊椎的動物的使用和傷害,並禁止研究造成實驗動物顯著的生長抑制(15%)和高死亡率(30%)出現。在2012年,規則中增加了一個“尊重(Respect)”原則,強調科學研究要保證實驗動物的福利、合理飼養和最終妥善處置實驗動物(安樂死)等[2]。

  《研究手冊》中介紹了一些受限制的課題、參加科學競賽時可能會有的要求,以及某些研究課題的替代方案。雖然這些受限制的課題在我國大陸的許多科學競賽中可能並沒有受到嚴格的限制,但還是希望指導老師和學生們能夠給予充分的重視,盡可能地使用替代方案。

  形成初步的研究設計

  這一階段,學生要初步地構建實驗。構建實驗的過程或者實驗設置過程就是研究設計。“實驗的研究設計不僅決定了實驗是否可能成功,而且決定了實驗結果是否可靠”(第15頁)。這一階段工作的重點在于確定STEM項目實驗研究設計中的各個組成部分,包括假設、變量、實驗組和控制組,以及常量。《研究手冊》對于如何設定假設、確定變量、設置實驗組和控制組、如何將除了選定的自變量以外的所有潛在自變量變成常量的方法,以及如何使用定量數據和定性數據等方面進行了深入而全面的介紹,並給出了很多研究設計的樣例,這裏不再一一贅述,只對設定假設的作用和假設中應有的要素做一個簡要的強調。

  假設,是“對所觀察到的現象或者事件所給出的暫時的、但可檢測的建議性解釋”(第17頁)。設定假設的目的,是要將在實驗中加以檢驗的項目明確化,同時,假設也將限定實驗的範圍。在假設中,描述的是你認爲自變量和因變量之間存在的聯系,並希望能夠通過實驗加以檢驗。因此,假設中必然要包含將在實驗中測量的具體變量,同時,還需要包含測量的是什麽指標,以及對于實驗結果的預測。需要注意的是,一項實驗研究並不會最終“證明”或是“否定”假設中所建議的自變量與因變量之間的聯系,而只能得出這個實驗的結果支持或否定了假設中提出的對于變量間聯系的預測。設定假設于整個研究設計乃至整個研究項目來說都是至關重要的,但也常常會被指導老師和學生所忽視。有些學生的研究項目論文提供了完整的實驗過程,卻因爲論文中沒有明確的假設而使得整個研究項目的研究目的以及要進行這樣的實驗設置的原因變得面目模糊,而且也影響到了對于實驗結果的分析,因爲實驗結果是要對照假設進行分析的。如何用符合規範的方式來撰寫一個假設,在《研究手冊》的第4章中給予了詳細的介紹,在本期專題的《把科學研究的問題和想法變成一份規範專業的研究方案》一文中,也進了簡要的介紹。

開展背景研究

  針對研究主題開展的背景研究,應該貫穿于項目研究的整個過程。在《研究手冊》第3章中,介紹了如何通過做背景研究來徹底了解所要研究的課題。同時,也介紹了開展背景研究的過程中如何做筆記的方法,以便對于參考文獻進行管理,並在論文撰寫的過程中避免剽竊和抄襲的現象。

  帶著問題開展背景研究

  在最初確定研究主題的階段,學生在開展背景研究時,並不需要有特別具體的問題,只是要盡可能多地了解有關研究對象的相關信息。而在初步確定了研究對象、自變量和因變量之後,則需要盡早開展有針對性的背景研究,即要准備出具體的背景研究問題,以便將信息和文獻查找範圍盡可能限制在與要進行的實驗相關的範圍之內,從而能幫助學生找到真正需要了解的信息。背景研究的問題要覆蓋所有要開展實驗所必須了解的信息,但問題本身不能是特別具體,用一兩句話就能回答的。《研究手冊》提出,要對以下4個方面中的每一個至少提出1個背景研究問題:研究對象,自變量,因變量,研究對象、自變量以及因變量之間的聯系。在開展背景研究的過程中,要注意分辨哪些是可靠的信息來源。

   有條理地做研究筆記 

  在針對背景研究問題查找信息之前,需要計劃好如何做研究筆記。研究筆記上記錄下的內容,涉及到學生獲取研究信息的來源,這些來源需要在最後的研究論文或是展板中與讀者進行分享。對于信息來源的記錄,不僅要記下書目名稱、期刊或文章名稱或是網頁的網址,還要標注出這些信息出現的頁碼或是網頁上的段落。

  《研究手冊》中詳細介紹了如何使用記錄卡或是筆記本做研究筆記。無論使用哪種方法,都需要注意:① 以背景研究問題組織研究筆記。即要爲每個背景研究問題分配一個號碼,並爲每個問題來設立一張或多張記錄卡,或是爲每一個問題在筆記本上預留下足夠的空白頁。② 按照將采用的文獻標注方法收集和記錄信息。③ 不要簡單地抄寫作者的原話,要用自己的話來複述作者的觀點,但最好不要使用完整的句子,以避免無意的抄襲。

  在背景研究階段做詳細而富有條理的研究筆記是非常必要的。全國青少年科技創新大賽的項目申報階段,常常有輔導老師或是學生對如何填寫申報材料中的“項目查新報告”感到一籌莫展。其實,如果在項目開展的前期就進行了詳細的背景研究,並對查找的文獻信息做好研究筆記,那麽填寫“項目查新報告”就會變成非常簡單。

  開展背景研究所能利用的技術工具

  《研究手冊》中提供了很多能用于開展背景研究的技術工具,如在數據庫內進行搜索,使用RSS訂閱和閱讀器隨時了解互聯網上的相關信息,以及如何撰寫一封電子郵件來向科技專家咨詢問題或是得到他們的建議。

  《研究手冊》中還爲學生提供了很多開展項目能夠利用的在線工具和在線應用,如維基(Wiki)和Google文檔——一種在線創建和管理文檔的應用程序,非常適合保存項目文件或是以小組開展項目研究。遺憾的是,這些工具大多只有英文界面,或者由于某些原因無法在大陸訪問使用。不過,輔導老師和學生可以自己在網上尋找到類似的中文應用,比如有道雲筆記就包含了一些Google文檔的功能,很適合小組用來保存或是共同創建項目文件。

  “良好的開端是成功的一半。”在STEM項目啓動階段,確定了可行的研究主題,形成初步的研究設計,並且開展了具有針對性的背景研究,這些工作的完成將爲整個項目研究的順利開展打下堅實的基礎。

  [1]中學生科技創新成果競賽規則,全國青少年科技創新大賽章程,http://castic.xiaoxiaotong.org/News/View.aspx?ArticleID=6632

  [2]姜景一,英特爾國際科學與工程大競賽規則解析,《中國科技教育》2012年7月刊,第15頁。■

(作者:祝賀)
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