为什么我们创新不如美国人？他们的科学课是这样上的……
美国的科学教育是从幼儿园就开始的，每个年级都有这样一本厚厚的教材，可见美国对孩子科学教育的重视。这是2017最新版的美国小学科学教科书，叫Science Dimensions。
要知道，我们小学时的自然课不是学校和老师特别重视的课。而进了中学真正开始学数理化，一上来就是大量的概念、公式、习题，会有多少人喜欢呢？大多数都是硬着头皮学；好像大多数时间我们都在做习题、掌握套路，目的就是应付考试。
美国的科学教育要学习四个方面的内容：
科学方法 （Scientific Methods）：科学、科技、工程 ...
生命科学（Life Science）：动物、植物、生态环境 ...
地球和空间科学（Earth and Space）：资源、气候、宇宙 ...
物理科学（Physical Science）：物质、能量 ...
而翻阅美国小学科学课本，感触良多：当我们的孩子在花大量时间做习题、练套路的时候，他们在学习用科学方法去解决实际生活中的问题。美国小学科学课本编写思路其实也很简单: 从问问题开始，试着去解释你周边的世界 ...
以书中的案例为例，和大家一起分析下老美的科学教学法，比如，他们是怎么让少不更事的小学生理解高大上的 Design Process 并动手实践的 ... 这是Dimensions五年级的一节课，What is a Design Process（怎么做工程设计？）
1、从生活现象出发，看看我们要解决什么问题
Defining a Problem
一节科学课，往往是从一个生活中常能遇见的现象开始的。比如，这节课从一个孩子极可能遇到的现象开始：你去爬山，发现靠近山顶的山道经过大自然的风吹雨打，发生了严重的侵蚀（erosion），成了一条深深浅浅的沟，很难安全通过，需要修复。
这就是一个从生活中来的真实问题。事实上，大量的发明创造，就是从生活中一个需求、一个需要解决的问题起步的 ... ...
2、做背景研究
Background Research
这该怎么解决问题呢？我们很多人遇到问题，或接到任务，往往就直接一头扎进去。做着做着就发现越做越糊涂，不知道为什么而做，不知道这个问题是怎么来的，更不知道需要了解哪些相关知识，以及是否有前人经验可以借鉴。一句话，缺乏研究，没有研究能力。
研究能力主要是在做项目（Project）过程中逐渐形成的。我们的孩子从小学甚至到研究生毕业都没有机会做很多像样的projects，整个学习生涯都在做题，想想也很悲哀。而美国小学科学课，从小就开始做研究 ...
比如，在这个山道修复问题中，提出问题后，第一步就是要做背景研究。
首先，要了解这个地区的天气、地理特征，老师也会给一张等比例地形图，带孩子们读图，让孩子搞明白这个问题是在什么样的情况下发生的，最大程度地靠近现实。
研究过程中，需要做 Criteria- Constraint 分析，这是一个通用的分析方法。解决任何问题，我们都需要考虑两个重要方面：
1、我们希望达到的标准（Criteria）是什么？比如，你认为这个山道侵蚀问题要解决好，要达到这三项要求：通行安全、能减缓降水对山地的侵蚀、修复过程中尽量少用建筑材料。
2、我们面临的限制（Constraint）有哪些？比如，实施这项工程，资金、材料、空间、时间 ... 有哪些约束条件？
老师会让孩子做点简单练习，理解这个问题中的 Criteria 和 Constraint 分别有哪些？
这个分析方法几乎可以应用在我们生活和工作的方方面面。什么是对我们重要的，什么是我们的局限所在，对两个方面进行综合考虑，我们才能做出合理的决策。
这个道理，很多人要经历很多年才能明白 ... 而美国的小学科学课，一个小小的案例，就能让年幼的孩子开始领悟这层道理。
3、头脑风暴，碰撞解决方案
Brainstorming
发现问题，经过研究，有些初步想法后，就可以来个“头脑风暴”了。头脑风暴的关键是：要心态开放，学会倾听不同意见 ......
课本上先提供了一些方案建议，老师让孩子们讨论每个方案的优缺点。比如，可以在山道边上放一些大石块，石块可以防止水土流失，降低对山道的侵蚀 ...
在周边的泥土上放一层山草覆盖物。这样，土壤会比较湿润，湿润的泥土比干燥的会少一些侵蚀 ...
还可以在周围山坡上放一些障碍物，比如建一个木头或混凝土的矮墙，这样能减弱山上下来的水流，降低对土壤的侵蚀 ...
这些方案有一个特点：都是真实的，让孩子真切感受到解决实际问题的“现场感”。满足所有要求的完美方案一般不会有，每个方案都有人赞成，有人反对 ... 接下来怎么办呢？
4、用决策矩阵来确定方案取舍
Decision Matrix
这节科学课上，面对前面说的各种方案，到底该如何取舍呢？这时候，老师会引导孩子用一个矩阵框架，做决策分析。这个矩阵框架一般会用思维导图来做，把思维可视化，常见的工具有Thinking Maps, Mind Maps, Anchor Chart, Graphic Organizers等等。在欧美中小学教科书里，Graphic Organizer 是用得最多的。
针对每个标准（Criteria），给每个方案打分，再参考每个Criteria的优先级；如果一个方案的总分比较高，而且在优先级高的Criteria上得分比较高，那么就可能成为最后被选中的方案。
选好了方案，下面进入制作模型和测试阶段了 ...
5、动手做模型，测试自己的方案
Hands on Activity
科学课里，一大部分是跟着课本、跟着老师亲手做实验。但有些很难去实地做实验，比如这个案例，不可能带着孩子去山上做实验。那怎么办呢？老师会要求五年级的孩子做一个山地的 Scale Model（按比例缩小的立体模型），去测试自己的解决方案。
比如，模拟降水情况，看看这个方案是否可行 ...
即使是做这么一个实验，也是分四部分12个步骤一步步走下来的，这四个部分是确定实验目标（Objectives），设定实验步骤（Procedures），分析实验结果（Analyze Results），得出结论（Draw Conclusions）。非常详细，满满的方法论。
做完实验，也许结果并不完美，这时，就要不断改进解决方案，通过数次尝试，逐渐靠近目标，让孩子体会到 Design Process 其实也是一个 trial and error process（试错过程）。有句话孩子听到耳朵都能起老茧：
If at first you do not succeed, try, and try again.
一次不能成功，那就继续尝试吧！
而亲自去解决一个实际问题，就能让他理解这句老话的真实含义，并去做到这一点。
6、体验完整的设计过程
It's a Process
走了这么一大段路，现在，和孩子总结一下什么叫 Design Process，就水到渠成了 ...
做研究
精确定义问题所在
共同讨论解决方案
做方案评价，选择最优
做测试模型（model, prototype）
评价测试结果
说起来，真的不难；但做起来，并不容易。这种从小养成的思维习惯和技能，对于未来从事任何“和发明创造、解决问题有关的工作”，都是非常宝贵的财富。
7、放宽眼界，相信自己可以改变世界
Take it Further
美国科学课本和中国一样，也会用一些科学家的事例鼓励孩子们进行科学研究。但不同的是选择案例的视角。我们课本上的科学家不是牛顿，就是爱因斯坦，感觉离我们好遥远 ... 即便我们被同一个苹果砸中，都不会让我对研究物理多一分兴趣。
但是，美国小学科学课本里介绍的这些生活在当代、平凡的科学家却让我感到亲切和动容。比如这节课里提到的是一位黑人女性科学家，叫 Wangari Maathai，她出生在肯尼亚，在美国和德国接受过教育。她的专业领域是地质侵蚀（erosion）和森林流失（deforestation），这正是肯尼亚目前面临的两大问题，也是这位女科学家正在努力研究和解决的问题。
解决这么大的一个问题，原理和方法与解决课本里的“山道修复”也差不多，也是在限制条件下（Constraint）寻求最优解的过程。老师还告诉孩子，可以把大问题分解成小问题，一个个去解决。
所以，站在更高处看科学，科学不是冷冰的公式和定律，科学更不是一大串习题，科学是有趣的，也是有意义的，我们可以用它去改变世界——这是我们可以引导孩子去拥有的格局。
必须说，中国孩子在数理化基本功上其实很不错，如果能借鉴一些国外科学学习方法，真的会“如虎添翼”，成为一个真正热爱科学的人；因为只有热爱，才能找到发明创造之路。
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