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如何从小培养孩子像科学家一样思考?美式科学思维很关键

原标题:如何从小培养孩子像科学家一样思考?美式科学思维很关键

看点 作为一个有反思精神的世界公民,学生应学会独立思考,应有能力去参与和科学相关的事务,这就需要他们具备“科学素养”。那么,小小年纪如何培养科学思维,让他们像科学家一样思考呢?在美国公立学校的小杨老师在下文中,向我们介绍了美国孩子是怎么做的,其实很多时候,在家就可以做到!

注:本文转载自公众号“智力圈美式学堂”(ID:Brainhoop)

文丨小杨老师 编辑丨李臻

去年,我的教室坏了好几个自动削铅笔机,琢磨了好久也不知道怎么修好。结果有一天我的学生Ethan跑过来:“杨老师,你把你坏了的削铅笔机给我吧! 我想好好研究!”

反正我也不会修,我就给了他两个坏了的削铅笔机。别说,这娃还挺会废物利用,过了半个月,他给我拿来一个修好的削铅笔机,我问他:“你怎么修好的?”

他神神秘秘地拿出一个展板,这是我的另外一个削铅笔机,他居然把它的每一个部件拆开,并且分析了每个部件的构造,整整齐齐地贴在展板上!

他得意的说:“这是我的科学发明比赛项目,我做的Reverse engineering(逆向工程),我一边做,一边就学会怎么帮你修铅笔机啦!” 哇!没想到这样的废物利用还能帮助孩子解决问题!

看看,下面是我一个学生把家里的XBOX给拆解了:

他说提到的科学发明比赛在我们学区一年举办一次,比赛一共分为六类:科学探究、逆向工程、科学发明、科学小说、环境发明、3D 打印。

不仅仅是三年级学生,我们学校幼儿园的孩子也会参加这个活动,别看他们年纪小,做出来的内容也是独具匠心!

那么,小小年纪如何培养科学思维,让他们像科学家一样思考呢?其实在家里就可以做到!这里小杨老师跟大家分享一下。

逆向思维:鼓励熊孩子“搞破坏”

逆向工程是科学发明比赛最流行的选项。它的要求是拆解一项机械制品或者电子产品,标出每一个零件,并且解释是怎么样拆解的。最好这个物品是大家所熟悉的,但是每个人都会很好奇它的运作原理。例如一个简单的闹钟,是怎么运作的呢?拆开看看里面的结构,会有大发现!

在以前,趁爸妈不注意,偷偷在家拆闹钟、拆手表、拆收音机的娃都被称为熊孩子举动,其实,这些熊孩子聪明着呢!用恰当的方式引导这些爱拆东西的孩子,不仅仅锻炼了动手能力,也能培养他们的科学思维,让孩子从小理解每一个运作的物体都是由这些细微的部件构成。

没错,有时候我们就是需要鼓励熊孩子“搞破坏”。

爱搞破坏的孩子,运气可能也不会太差。除了现在耳熟能详的在车库鼓捣东西的乔布斯和比尔盖茨,还有一个人大概不会被忘记。她发明了一个编程界著名的计算机术语——“bug”。她就是海军准将格蕾丝·霍普。

据说在1947年的时候,一只蛾子飞进了霍普当时正在研发的一台早期计算机,此后她发明了“de-bug”这个词语(译注:原意是“去掉虫子”,在计算机领域引申为“消除故障”)。

而事实上从7岁的时候她就开始了自己的工程师生涯。她把家里的七台钟——从小号的台式钟直到大号的座钟,全部给拆了个七零八落,零件摆满了房间,却无法把它们还原。然而她的父母并没有责怪她的行为,反而通过正确的鼓励和引导为她以后的事业做铺垫。

在美国小学,家长往往从小鼓励孩子去动手实践各种东西,比如下面这个是我的学生做的拆分锁的内部结构——为什么一把锁只有一把钥匙呢?他给我很详细地解释了原理。

在拆解的过程中他用到了三把锁:一把是原件外观展示,一把是拆分后的细节展示,还有一把是透明的锁!

透过这个透明的锁我可以清晰地看到里面的齿轮和结构:

家里的小玩具电动车坏了怎么办?千万别扔,你可能错过一个培养科学家的好机会!下面是我的学生把他小时候玩坏了的玩具电动车拆解后的样子:

女生也可以参与逆向工程的动手环节,例如我的一个小朋友把平时她用来吹风的小电风扇给拆了:

科学探究:让孩子自己去调查

父母还可以做出的科学引导就是:与其直接告诉孩子事实,不如让孩子敢于提问,并且为自己的问题去做假设和执行调查。科学探究分为六步,探究的步骤包括:

  1. 运用科学理论
  2. 提出问题
  3. 做调查,提出假设
  4. 设计调查、执行调查、收集数据
  5. 得出结论
  6. 展示

例如,下面这个我的小朋友Jayden做的。他一直在思考一个问题:如果把可乐罐扔到水里面去,是会浮起来还是沉下去呢?里面放的东西能决定它的沉浮吗?

于是Jayden做了假设:我猜想所有的可乐罐都会沉下去,因为可乐罐很重。然后他自己动手尝试,发现的结果是:装有糖的可乐罐沉了,没有装糖的可乐罐浮起来了。

最后他得出了结论:糖的重量会影响可乐罐的沉浮。

尽管是一个小小的实验,但是整个思考的过程让Jayden明白——遇到好奇的问题,可以自己去做假设,然后采用生活中的简单例子来证明对错,最后得出一个自己验证过的结论,意义远远比翻书找已有的事实要有意义。

下面这个展板也很有趣,这是我班上三个吃货做的小调查:西兰花配什么好吃?他们调查了各种各样的调料。

最后他们发现:西兰花加糖和肉桂都很好吃,西兰花加咖喱很难吃。当然,这美国人的口味跟我们中国人很不一样!作为湖南人,我觉得加辣椒更好吃...

除此之外,我在课堂上经常和小朋友们做分组项目式探究学习,我给他们一些工具,让他们自己去创作,解决一些问题。

例如,我给小朋友一些电线和小管子,然后把一只小熊放到瓶子的底端,让他们用电线和小管子把小熊从瓶子底端救出来。

给孩子一些木片和连接泡沫,让他们设计出一个桥,来承受尽量多的重量。一开始摸索好几次失败,最后孩子们发现——原来三角形是最稳定的!

这个活动我带着孩子们去户外做的,因为实在太脏啦!但是小朋友们说,就喜欢这种脏脏乱乱捏泥巴的感觉!

我们用泥土、木棍、石头设计一个大坝,然后往量杯里灌满水,假装是洪水来袭,活动的目的是要尽量多地阻挡住洪水,保护大坝后面的人类:

环境工程:从小培养环保思维

让孩子思考环境与人类的关系,也是科学思维的一个部分。看到街边的

垃圾、被砍伐的树木、污染气体不合理的排放,都可以问孩子他是怎么想的,如何改进这样的现状。

美国小学一个优秀的环境工程设计包括:

  1. 要提出一种办法来减少环境的污染,保护生态系统和生物的多样性
  2. 可以包括绿色建筑、节能、治理环境污染、产品管理等等项目
  3. 要准备一个执行方案,包括一个时间计划表、预算和合作伙伴
  4. 可以与小发明结合

我们班几个女生做了环境保护的设计——为何要保护森林。她们做了一个计划来最大程度保护树木避免被砍伐。在保护的过程中,他们想到了具体的执行方案,包括到几几年要种多少棵树、实现什么样的生态保护系统等等。

下面这个是我的学生做的如何保护沙滩的环保设计,这个学生还在当年的学区科学奥林匹克竞赛中获得了金牌:

科学发明:破烂变宝贝

我记得我小的时候有一个“发明罐”,罐子里都是平时我存起来的小物件——冰棒棍、果冻壳、小木板等等。我常常有一些异想天开的想法,然后我就从发明罐里面淘东西出来,组合创作成我想要的东西。

后来慢慢知道,其实鼓励孩子做这样的创作性发明,也是科学思维的一种。孩子的奇思妙想,不一定需要大工程才能完成。把家里一些零碎的小部件拼凑起来,也许就能实现孩子小小发明家的梦想。在美国小学,的一个成功的科学小发明包括:

  1. 详细的观点的描述
  2. 模型展示
  3. 书面解释:需要的材料,这个发明怎么运用,它的用处在哪里,还需要一个详细的说明来解释这个发明。

比如,下面是我学生Mark发明的水动力车,这已经是两年前的作品了,那个时候特斯拉还没有现在这么火,现在看来,Mark的设计还挺有预见性!

Mark是一个狂热的车迷,写作的时候说自己的梦想是将来要买一台法拉利,画的东西全是画各种不同造型的跑车。他详细地解释了这辆车的原理和生产计划。

他需要十亿美元的投资。在合作伙伴上他也是精挑细选——选了特斯拉的老总Musk做他的搭档。

更精确的是,Mark还给了详细的时间轴——他们计划2040年开始设计驱动系统(2040年大概是他34岁),2045年设计车身,2049年开始拍摄广告,2050年开始建立渠道商,2052年他们就开始赚钱啦!

最后Mark没有忘记写:从2052年开始,就会有水能源动力车给人类带来新鲜的空气!

科学小说:鼓励孩子讲脑洞大开的故事

孩子最会构想的就是故事了。从牙牙学语开始,孩子就有各种各样的科学奇思妙想,有的甚至看上去那么的“不切实际”。然而,这些看似“不切实际”的思想,也是科学思维的一种!美国有很多儿童科幻小说作家,给孩子们带来无穷的科学启发。电影《星球大战》也是影响了好几代美国人。

从小鼓励孩子构想科学小故事,让孩子天马行空地展开想象吧!这些科学小说可以是虚构的,但是,也是要让人是信服的(Believable Content)小说。可以写未来的小说,科技小说,时空旅行,外星人等等。

我有个学生,是个十足的科学迷。他每天都有各种各样关于科技的奇思妙想。他的这些奇思妙想大部分都来自于各种各样的科学小说——

每天吃饭、走路、甚至是有一次带他去博物馆春游,他都手上拿着厚厚的一本科技书,争分夺秒阅读!

说起未来科技的发明创造,他的理论可是一套一套的,一个完整的科幻故事,架构在一个听上去很有逻辑的虚幻背景上。后来他写了一篇十页的科学小说,顺利在科技比赛中脱颖而出。

3D打印:培养空间思维

以前,孩子们的奇思妙想只存在在画里、文字里,现在我们可以通过3D打印把它们变为可以接触的事物。

3D打印要求孩子指跳出点、线、面的限制,能从上下左右,四面八方去思考问题的思维方式,也就是要“立起来思考”。

我强烈推荐我们学校使用的是Tinkercad的3D设计软件(https://www.tinkercad.com/),界面很适合小朋友使用,设计完以后可以直接用3D打印机打印出来,而且这个软件现在也已经引入中国了。

我们学校的电脑教室有一台3D打印机。我们学校的孩子从三年级开始就学着在电脑上制作3D模型啦!

有一年,小朋友们自己在电脑上设计吉他拨片,然后用3D打印机打出来,在音乐课上用自己亲手打造的3D吉他拨片弹吉他,多么酷的一件事情!

做3D设计的高阶段要求是:孩子可以重新改造一个已经存在的产品,通过这种改进方法可以极大的提高这个产品的作用。

在美国有一些3D打印店,可以提供3D打印的服务,让孩子们打印自己的作品。

有的家长可能会觉得孩子太小,对科学的概念还不够了解,但我觉得科学的思维是可以从小培养的,这些方法完全可以运用到生活中来。最后,小杨老师总结一下可以从生活点滴来培养孩子科学思维的方法:

  1. 帮助孩子去“搞破坏”
  2. 与其告诉孩子事实,不如让他们自己提问、做假设、做验证
  3. 看到环境污染引导孩子思考人类与地球的关系
  4. 废物利用拼凑出科学小发明
  5. 带孩子讲科幻故事启发大脑
  6. 3D设计培养孩子空间思维

从现在开始吧!

美国奥林匹克数学国家队教练

卡耐基梅隆大学数学系罗博深教授,

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