面向青少年的跨学科STEM教育实践：一项结合气象学与工程学的模块及其成效评估

作者与期刊信息

本研究由美国海军学院（United States Naval Academy, USNA）的两名教职员主导完成。主要作者为Bradford S. Barrett（所属院系：海洋学系）和Angela L. Moran（所属院系：机械工程系），共同作者还包括John E. Woods（海洋学系）。该研究成果以题为《Meteorology meets engineering: an interdisciplinary STEM module for middle and early secondary school students》的论文形式发表，刊登于2014年的 International Journal of STEM Education 期刊。

研究的学术背景与目标

本研究的科学领域属于科学、技术、工程和数学（STEM）教育，特别是聚焦于跨学科（Interdisciplinary）教育模块的设计与评估。具体而言，该研究创造性地将气象学（Meteorology） 与工程学（Engineering） 这两个通常独立的学科进行融合。

研究的发起基于以下深刻的现实与学术背景：首先，公众对于龙卷风等强风天气带来的气象与工程双重危害认知不足。尽管已有的教育和公众宣传项目在提升对恶劣天气危害的认识方面有一定效果，但将气象灾害知识与工程结构设计原理结合起来的跨学科宣传活动仍然非常缺乏。研究指出，美国龙卷风伤亡率最高的地区并非公众通常认为的“龙卷风走廊”（如德克萨斯、俄克拉荷马州），而是美国南部地区。这一现象部分归因于工程设计的缺陷和公众整体认知的不足。因此，亟需开展能够同时涵盖气象学和工程学的公众宣传活动。

其次，在学术领域，尽管大学层面的STEM拓展活动日益增多，但其目标多集中于激发学生对STEM领域的兴趣、提升参与度或进行职业引导，相对较少聚焦于量化评估学生在具体学科知识内容上的学习成效。许多项目仍是单一学科的，关于跨学科STEM教育的最佳实践研究尚不充分。美国教育部2010年的报告也呼吁支持开发跨学科STEM活动。因此，评估此类跨学科活动在提升学生核心学科知识内容方面的有效性，成为一个重要的研究需求。

基于上述背景，本研究设定了明确的目标：1. 详细描述一个由美国海军学院海洋学系与机械工程系教师联合开发的、面向12-16岁中学生的跨学科STEM教育模块（该模块结合了龙卷风气象学与抗风结构工程学）；2. 报告学生参与该模块后，在基础气象学和工程学知识内容上发生的即时变化，并对这种学习成效进行量化评估。本研究的核心价值在于，它不仅设计了一个新颖的跨学科实践案例，更将评估重点放在了常被忽视的“知识内容学习”上，为衡量跨学科STEM活动的有效性提供了新的视角和方法。

详细的研究流程

本研究本质上是一项教育干预研究，其核心流程包括跨学科STEM教育模块的设计与实施，以及针对模块学习成效的评估工具设计与数据分析。整个过程逻辑清晰，可分为以下几个步骤：

第一步：教育模块的设计与目标设定 模块由气象学（海洋学系）和工程学（机械工程系）的教师合作设计。主题围绕当前热点——龙卷风高风速环境下结构的行为。模块的教育目标明确为三点：(1) 增加学生对龙卷风相关气象因素（特别是气候学和地理分布）的知识；(2) 增进学生对龙卷风高风速环境下结构行为背后工程原理的理解；(3) 通过互动实践吸引学生参与以巩固学习。评估目标则是量化学生在与目标(1)和(2)相关的核心知识内容上的即时变化。

第二步：教育模块的具体实施 模块在美国海军学院2012年夏季STEM营中开展，总时长约1小时，在两周内共进行了8次，每次有20-25名学生参与，总计160名学生。学生年龄在12-16岁之间，具有多样化的族裔背景。模块分为两个连续部分： 1. 课堂讲授部分（20-25分钟）：采用高度互动的方式。 * 气象学环节（10-15分钟）：讲师首先以学生的家乡和个人经历为切入点，提出一系列互动问题。核心内容包括：对比全球雷暴（热带陆地最多）与龙卷风（美国落基山脉以东最多）发生频率的差异，并引导学生理解垂直风切变在形成旋转雷暴中的关键作用。通过展示美国国家海洋和大气管理局（NOAA）以及Ashley (2007)的图表，与学生讨论龙卷风发生频率最高区（俄克拉荷马中部至科罗拉多东北部）与龙卷风伤亡率最高区（美国中南部，包括阿肯色州东部、田纳西州西部、密西西比州北部和阿拉巴马州北部）的不匹配现象。展示龙卷风破坏的照片，引导学生思考建筑中最脆弱的部分。 * 工程学环节（10-15分钟）：讨论自然过渡到工程学概念，如荷载（Load）和节点加固（Joint Reinforcement），及其在减轻龙卷风结构损坏中的应用。最后，布置实践任务：学生需以4-5人为一组，使用有限数量的轻木片和遮蔽胶带，在预先制好的底座上设计并建造一个能承受150英里/小时（约241公里/小时）风力的“房屋”模型，并要求其具备墙、屋顶、门和窗户等基本结构特征，以模拟现实中的经济和美观约束。

1. 动手实践部分（30-35分钟）：在工程实验室进行。
   • 设计与建造（10-15分钟）：各小组获得材料（15-20块切割成不同形状的轻木、1.5英尺遮蔽胶带、一个预制底座），开始设计并建造房屋模型。讲师和本科生助手在各组间巡视，提出问题并鼓励他们应用课堂上学到的节点加固等概念，同时思考建筑高度对其抗风性能的影响。
   • 风洞测试与讨论：每个小组完成后，将模型固定在风洞的金属底座上进行测试。风洞由电机和风扇构成，出口处收窄以加速气流并导向模型（文中提供了示意图）。使用校准过的压力计估算风速，最高可达150英里/小时。测试时风速约每5秒增加30英里/小时，在25-30秒内达到最大。在测试过程中及之后，讲师会询问学生认为其结构最薄弱的部分及原因，促进学生进行工程思考。大约50%的结构在测试中幸存，另一半则发生破坏，某些“灾难性”的失败尤其能引发学生关于“为何几乎成功却最终失败”的深入讨论。若有剩余时间，学生可以修改并重新测试他们的模型。

第三步：评估工具的设计与实施 为量化学生在气象学和工程学知识上的学习效果，研究团队设计并实施了一项前后测评估。 * 评估工具：采用了一份快速、易于管理的四题测验。两名气象学相关题目为开放式问题（例如：“世界上哪些地区通常雷暴最多？”“世界上哪些地区通常龙卷风最多？”），旨在评估学生对气候地理知识的掌握。两名工程学相关题目为选择题，聚焦于结构脆弱性和抗风加固措施（例如：“你认为房屋的哪个部分在龙卷风强风中结构上最脆弱？”“可以采取什么措施使房屋结构更能抵抗龙卷风破坏？”）。题目设计对应于布鲁姆教育目标分类学中的“记忆”和“理解”层次。 * 实施方式：在学生进入课堂部分前，给予5分钟完成前测；在课堂部分结束后、动手实践开始前，立即进行后测。评估以匿名和自愿方式进行，但要求学生写下名字以便匹配前后测数据。在160名参与者中，共收到146份有效配对回答。开放式问题的评分由两名讲师独立完成（分值0-3），然后取平均分，部分正确答案可获部分分数。选择题则客观计分。

第四步：数据分析流程 数据分析相对直接，主要采用定量统计方法： 1. 分别计算四个问题在前测和后测中的平均得分（以百分比表示）。 2. 对每个问题，使用学生t检验（Student’s t test）比较前测和后测平均分的差异，并在95%的置信水平上检验其统计显著性。样本量n为146。 3. 进行配对样本分析，追踪每个学生在所有四个问题上的总分变化，计算平均提高百分比，并同样检验其统计显著性。

主要研究成果

评估数据清晰地表明，参与这个1小时的跨学科模块后，学生在基础气象学和工程学知识上取得了显著的即时性进步。

在气象学知识方面： * 对于“雷暴最多地区”的问题，学生平均得分从前测的36.3%大幅提升至后测的84.2%。 * 对于“龙卷风最多地区”的问题，平均得分从前测的41.8%提升至后测的80.1%。 * 这两个问题的前后测平均分差异，在95%置信水平上均具有统计学显著性。这表明模块成功实现了其第一个教育目标，有效增加了学生对龙卷风气候学和地理学的了解。

在工程学知识方面： * 对于识别结构最脆弱部分的问题（选择题），平均得分从前测的68.5%提升至后测的83.6%。 * 对于选择正确抗风加固措施的问题（选择题），平均得分从前测的30.8%大幅提升至后测的90.4%。 * 这两个工程学问题的前后测平均分差异，同样在95%置信水平上具有统计学显著性。特别是第二题成绩的飞跃，直接支持了模块的第二个教育目标，表明学生显著增强了对通过“捆绑墙体和节点以减少荷载”来增强结构抗风性的理解。

从整体来看，对配对样本的分析显示，学生在所有四个问题上的总平均分提高了40.2%，这一整体提升也具有统计学显著性。这些结果共同证明，该跨学科STEM模块在短期内有效地同时提升了学生在气象学和工程学两个领域的核心知识水平。

研究也坦诚地指出了评估结果的局限性：首先，为了不占用过多教学时间，评估工具仅有四题，无法深入考察更高阶的思维能力（如应用、分析）。其次，评估是在课堂讲授后立即进行的，只能衡量短期学习效果，而非长期知识保留。

研究的结论与价值

本研究得出结论：所开发的跨学科STEM教育模块成功整合了气象学与工程学材料，并在促进学生学习方面取得了可量化的成功。模块通过课堂互动讨论和动手设计-建造-测试的实践循环，有效实现了其设定的教育目标。

该研究的价值体现在多个层面： 1. 科学/学术价值：它回应了跨学科STEM教育实践及其有效性评估研究相对不足的现状。研究不仅提供了一个详细的、可复制的跨学科模块范本（涵盖了从设计理念、具体内容到实施方法的完整细节），更重要的是，它示范了如何将评估焦点从常见的“兴趣与态度”转向“知识内容学习”，并提供了相应的评估工具设计思路和数据分析方法。这对丰富STEM教育研究的方法论具有重要意义。 2. 应用与实践价值：该模块本身具有很高的推广价值。它基于当前社会关注的灾害议题（龙卷风），将抽象的科学工程原理与直观有趣的动手实验相结合，能有效吸引中学生。研究鼓励其他教育机构考虑开发类似的跨学科STEM活动，特别是与当前事件相关的活动，以提升教育的社会相关性。 3. 重要的观点与建议：论文提出了对未来实践和研究的建议：例如，可以更正式地融入基于风洞测试的预测与假设环节，以考察更高阶的思维；可以在动手实践后再增加一次评估，以衡量该环节对学习的贡献；评估也可在模块结束后更晚一些进行，以了解知识的保留情况。作者强调，在评估STEM拓展活动时，应考虑纳入类似的内容聚焦型评估工具，作为衡量活动有效性的另一种重要方式。

研究的亮点

1. 新颖的学科组合：将气象学与工程学，特别是龙卷风科学与抗风结构工程相结合，在当时（2014年）的STEM拓展活动中被视为一种创新尝试，填补了特定跨学科教育实践的空白。
2. 评估焦点的独特性：在众多关注学生兴趣、态度或职业抱负的STEM活动评估中，本研究坚定地将“内容知识学习”的量化评估作为核心研究目的，并证实了跨学科活动在此方面的显著效果，为领域提供了新的评估视角和证据。
3. 详尽的模块描述与可复制性：论文对教育模块的背景、目标、具体实施步骤（包括课堂互动问题、使用的图表、动手实践的材料规格、风洞设置甚至安全措施）都进行了细致描述，使得其他教育者能够据此复现该模块，体现了研究的实用性和共享精神。
4. 严谨的评估设计：尽管评估工具简短，但其设计针对模块的具体学习目标，结合了开放式和选择题型，并采用了双人评分以减少主观性，数据分析也遵循了规范的统计检验流程，保证了研究结果的可信度。

其他有价值的细节

研究还提及了该STEM营更广泛的背景（为期一周的住宿营，学生参与24个不同的模块），以及学生群体的人口统计学特征（年龄、性别、族裔比例），这有助于读者理解研究样本的构成和研究实施的具体情境。文中对风洞测试中学生观察到结构“灾难性失败”时表现出的高涨热情进行了描述，并建议未来迭代可以利用这种热情设计更深层次的探究性问题，这体现了研究者对教学动态和学生反应的细致观察，对教育实践者具有启发意义。