美國小學(xué)科學(xué)教材《科學(xué)的維度》分析與啟示

萬延嵐 王瑩潔

摘 ? 要：全球著名教育出版集團(tuán)霍頓·米夫林·哈考特出版社于2018年初出版了美國最新小學(xué)科學(xué)教材《科學(xué)的維度》。文章從教材編寫理念、課程內(nèi)容組織方式等方面對其進(jìn)行深入分析，以期對我國新一輪小學(xué)科學(xué)教科書的編制與修訂、對科學(xué)教師的教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)提供借鑒和啟示。

關(guān)鍵詞：美國 《科學(xué)的維度》 教科書 K-5

一、引言

2013年4月，美國國家研究委員會（NRC）發(fā)布了《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（Next Generation Science Standards，NGSS）。NGSS是在NRC發(fā)布的綱領(lǐng)性文件《K-12科學(xué)教育框架：科學(xué)實踐、交叉概念、學(xué)科核心觀念》（以下簡稱《框架》）的理念基礎(chǔ)上研發(fā)的，主要由“學(xué)科核心觀念”“交叉概念”“科學(xué)與工程實踐”三個維度交織而成，這三個維度通過“表現(xiàn)預(yù)期”融合在一起，共同構(gòu)成一個有機的整體。NGSS發(fā)布后，以突出科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)（STEM）之間的相互聯(lián)系，以及科學(xué)技術(shù)在社會生產(chǎn)生活中的應(yīng)用為指導(dǎo)的美國最新小學(xué)科學(xué)教材《科學(xué)的維度》（Science Dimensions，SD）應(yīng)運而生。該書由全球著名教育出版集團(tuán)霍頓·米夫林·哈考特出版社（Houghton Mifflin Harcourt，HMH）于2018年出版，是一套極具特色、專門針對NGSS全新打造的教材，反映了美國K-12科學(xué)教育最前沿的理念、方法和內(nèi)容，旨在幫助教師和學(xué)生以全新的方式進(jìn)行科學(xué)教學(xué)和學(xué)習(xí)。

我國于2017年頒布了最新修訂的《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》。不同版本的小學(xué)科學(xué)教材的編寫和修訂工作也正在如火如荼地進(jìn)行。全面深入分析美國最新小學(xué)科學(xué)教科書SD的編寫理念、課程內(nèi)容的組織方式等，可為我國新一輪小學(xué)科學(xué)教科書的編制與修訂、對科學(xué)教師的教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)提供啟示。

二、SD教材概貌及編寫理念

SD是一套嶄新的K-12科學(xué)教材，主要根據(jù)美國最新科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)NGSS編寫?？v觀整套教材可以看出，教材并非孤立地介紹科學(xué)知識，而是將相關(guān)知識放到社會這個宏觀背景下進(jìn)行呈現(xiàn)和組織，為提高學(xué)生在科學(xué)方面的成就、為教師進(jìn)行科學(xué)工程教學(xué)提供了真實的方法。具體而言，SD教材主要基于以下核心理念編制。

（一）旨在提高所有學(xué)生的科學(xué)成就水平

SD教材設(shè)置的課程內(nèi)容旨在提高所有學(xué)生的科學(xué)成就水平，更好地激發(fā)學(xué)生對科學(xué)的好奇心，為學(xué)生步入大學(xué)繼續(xù)深造、步入社會求職和成為合格的公民做好準(zhǔn)備。SD教材的課程材料與NGSS中的“學(xué)科核心觀念”“交叉概念”和“科學(xué)與工程實踐”三個維度內(nèi)容相一致，并創(chuàng)造性地將基于這三個維度構(gòu)成的課程體系巧妙地融合到每節(jié)課中，以使學(xué)生達(dá)到“表現(xiàn)預(yù)期”（performance expectations），從而更好地幫助學(xué)生取得成功。

（二）以學(xué)習(xí)活動為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)

在SD教材中，學(xué)習(xí)活動不是學(xué)習(xí)的輔助手段，而是每節(jié)課的基礎(chǔ)，同時都圍繞一個主題展開。學(xué)習(xí)活動以生動的生活情境驅(qū)動學(xué)生對知識的自主探索，倡導(dǎo)團(tuán)隊合作設(shè)計解決方案，為學(xué)生提供大量的合作機會。學(xué)生進(jìn)行實驗與實踐、建立模型、提供證據(jù)支持、得出結(jié)論、團(tuán)隊交流討論，這些學(xué)習(xí)活動極大地增強了學(xué)生的邏輯推理能力，有利于學(xué)生批判性思維的形成和發(fā)展。SD教材這種以學(xué)習(xí)活動為導(dǎo)向的編寫方式，為學(xué)生像科學(xué)家一樣思考和解決問題奠定了基礎(chǔ)。

（三）工程和STEAM是整套課程的重要組成部分

工程和STEAM是該套科學(xué)課程的重要組成部分。幾乎所有的社會功能和社會活動都包含工程和設(shè)計，工程和設(shè)計在當(dāng)前社會的重要性不言而喻[1]。因此，SD教材每冊書均以“工程設(shè)計”主題為引領(lǐng)，并且后續(xù)單元均對工程設(shè)計內(nèi)容有所體現(xiàn)和運用，這種編寫理念和編排方式在目前全世界科學(xué)教科書中是很少見的。同時，SD教材的課程內(nèi)容采用STEAM多學(xué)科融合的方式，將STEAM學(xué)科交叉融合成一個有機整體。需要特別指出的一點是，SD教材創(chuàng)造性地融入了藝術(shù)元素。例如，一年級第2單元第1課（簡稱G1-U2-L1，下同）講解“音調(diào)”時，以鋼琴的低音區(qū)與高音區(qū)為例，同時還介紹了貝多芬的事跡，充分將藝術(shù)與科學(xué)相融合，加深學(xué)生對音調(diào)的記憶以及對聲音相關(guān)知識的理解。縱觀整套教材，這種科學(xué)與藝術(shù)融合的編寫內(nèi)容比比皆是。

（四）提高學(xué)生在科學(xué)課堂的讀寫技能和數(shù)學(xué)技能

數(shù)學(xué)推理的嚴(yán)謹(jǐn)性、數(shù)學(xué)符號的簡潔性、知識應(yīng)用的廣泛性使數(shù)學(xué)成為一切科學(xué)的核心[2]。因此，SD教材特別強調(diào)數(shù)學(xué)在科學(xué)研究中的作用，教材專門設(shè)置了“做數(shù)學(xué)”欄目，引導(dǎo)學(xué)生利用數(shù)學(xué)工具解決實際科學(xué)問題。同時，SD教材非常注重學(xué)生的閱讀和寫作素養(yǎng)，K-2年級強調(diào)閱讀和詞匯的積累，三至五年級注重語言的比較與運用。例如，G1-U3-L2首次介紹“棱鏡”時，專門呈現(xiàn)了一篇科普小短文;G4-U2-L3要求學(xué)生“用科學(xué)的語言來解釋車的重量與產(chǎn)生噪音的關(guān)系”，這些內(nèi)容能夠很好地發(fā)展學(xué)生的閱讀和寫作素養(yǎng)。

（五）基于表現(xiàn)的評價

SD教材力求將NGSS的三維學(xué)習(xí)和實踐應(yīng)用融入學(xué)生每一天的學(xué)習(xí)之中，從而提高學(xué)生的“表現(xiàn)預(yù)期”。教材采用可量化的評價模式，在每一單元專門設(shè)置了“表現(xiàn)任務(wù)”欄目，例如G4-U2的“表現(xiàn)任務(wù)”提出“能清晰地陳述自己的項目”“能描述你設(shè)計的程序及所使用的材料”等評價標(biāo)準(zhǔn)，讓學(xué)生的表現(xiàn)更加直觀、可測評。同時，SD教材中學(xué)習(xí)過程的每一步都包括評價策略，為教師預(yù)測和評估學(xué)生在NGSS中的“表現(xiàn)預(yù)期”提供了指導(dǎo)。

三、SD教材內(nèi)容的組織

目前，SD教材只有K-5年級公開發(fā)售，同時由于我國科學(xué)課程主要在小學(xué)階段實踐，所以本文重點對SD教材K-5年級的課程內(nèi)容進(jìn)行分析。SD教材K-5年級的課程內(nèi)容主要基于工程技術(shù)、物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球和空間科學(xué)四個內(nèi)容領(lǐng)域展開，每個領(lǐng)域在每個年級安排1～3個單元，每個單元選用2～4個與該領(lǐng)域有關(guān)的內(nèi)容作為探究主題，將科學(xué)與社會緊密聯(lián)系起來，凸顯“科學(xué)是解決實際問題的核心學(xué)科”這一教育理念。SD教材K-5年級單元主題及其對應(yīng)的內(nèi)容領(lǐng)域如表1所示。

（一）橫向內(nèi)容組織方式

從表1可以看出，每個年級的SD教材是按照工程技術(shù)、物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球和空間科學(xué)主題依次呈現(xiàn)的?！肮こ碳夹g(shù)”所選內(nèi)容貼近學(xué)生的生活實際，注重工程設(shè)計過程，偏重科學(xué)方法的形成;“物質(zhì)科學(xué)”主要研究肉眼可以直接觀察或者能夠用感官感知的內(nèi)容;“生命科學(xué)”涉及動植物、器官及生態(tài)系統(tǒng)方面的知識，具有一定的抽象性，學(xué)生理解起來有一定的難度;“地球和空間科學(xué)”內(nèi)容抽象程度最高，需要學(xué)生具備較強的思維能力和豐富的想象力，因此安排在最后。這樣的編排符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展，有助于學(xué)生的學(xué)習(xí)和理解。

具體地，每個年級的SD教材均將“工程技術(shù)”作為第一單元，統(tǒng)領(lǐng)其后的物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球和空間科學(xué)等相關(guān)知識?！肮こ碳夹g(shù)”單元提出的思想理念、思路方法及相關(guān)內(nèi)容在后面幾章的學(xué)習(xí)中起到引領(lǐng)作用。同時，后續(xù)單元也對第一單元工程技術(shù)的內(nèi)容進(jìn)行了應(yīng)用和實踐，這種編排方式對學(xué)生知識的橫向積累和實踐應(yīng)用能力有非常重要的作用。具體體現(xiàn)在以下三個方面。第一，思想理念方面。例如，G2“工程設(shè)計過程”單元向?qū)W生介紹了“比較”的思想，而到了第二單元“物質(zhì)”中，教材便設(shè)計了探究活動“比較材料的形狀、硬度、彈性等，制訂計劃測試哪一種材料更適合作枕頭填充物并比較測試結(jié)果”。可以看出，這個探究活動重點讓學(xué)生運用“工程設(shè)計過程”單元介紹的“比較”思想去完成，同時，探究活動也讓學(xué)生對“比較”思想有了更加深入的理解和體會。第二，思路方法方面。K-2年級的“工程技術(shù)”單元均非常強調(diào)“設(shè)計過程”——定義問題、計劃與建模、測試與改進(jìn)、重新設(shè)計、交流討論，三至五年級的“工程技術(shù)”單元比較注重“探究活動”的基本思路——目標(biāo)、步驟、記錄結(jié)果、分析結(jié)果、得出結(jié)論，而這種設(shè)計過程和基本思路在后續(xù)單元的學(xué)習(xí)活動中都發(fā)揮了重要的方法引領(lǐng)作用。第三，具體內(nèi)容方面。例如，G4“工程技術(shù)”單元介紹了設(shè)計“聽力增強設(shè)備”，包括讓學(xué)生觀察并比較不同動物的耳朵，引導(dǎo)學(xué)生從自然界的動物身上獲得啟發(fā)和設(shè)計靈感;而到了第五單元“動物的結(jié)構(gòu)及其功能”，便設(shè)置了主題“來自大自然的靈感”，讓學(xué)生比較不同動物的身體部分、介紹生物仿生學(xué)等內(nèi)容，進(jìn)一步領(lǐng)悟大自然生物的神奇，以及在工程設(shè)計和問題解決過程中，從大自然中獲得啟發(fā)和解決問題的思路。前后章節(jié)融會貫通，一脈相承。

（二）縱向內(nèi)容組織方式

SD教材各個單元主題在不同年級的知識難度和知識容量都是螺旋上升的。鑒于“工程技術(shù)”主題是SD教材有別于我國科學(xué)教材的一個重要內(nèi)容，本文重點以“工程技術(shù)”主題為例，詳細(xì)介紹SD教材的縱向內(nèi)容呈現(xiàn)方式。表2詳細(xì)列舉了K-5年級“工程技術(shù)”單元的核心活動主題以及涉及的核心概念和內(nèi)容?？梢钥闯?，K-5年級“工程技術(shù)”單元一直在圍繞工程師，設(shè)計過程，定義問題，設(shè)計方案，改進(jìn)方案，工程與科學(xué)、數(shù)學(xué)和社會的關(guān)系等工程設(shè)計的核心內(nèi)容設(shè)置主題，內(nèi)容螺旋上升，反復(fù)出現(xiàn)，依次遞進(jìn)，逐步深化。

從“工程技術(shù)”單元設(shè)置的核心活動主題看，K-2年級每課的學(xué)習(xí)活動主題涉及的內(nèi)容要求較低，基本上是讓學(xué)生運用“工程設(shè)計過程”的五個步驟，對所設(shè)置的主題定義問題、思考并設(shè)計方案、進(jìn)行問題解決等。而從G3開始，學(xué)習(xí)活動主題的要求明顯提高，涉及的工程設(shè)計系統(tǒng)因素更加復(fù)雜，尤其是對學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計能力、利用科學(xué)和數(shù)學(xué)建模的能力以及團(tuán)隊合作能力提出了更大的挑戰(zhàn)。從涉及的核心概念和具體內(nèi)容看，K-1年級主要圍繞“工程師的職業(yè)”和“設(shè)計過程”的五個步驟，引導(dǎo)學(xué)生初步感受工程、技術(shù)和工程設(shè)計過程。在此基礎(chǔ)上，G2開始引入比較的思想，引導(dǎo)學(xué)生對比設(shè)計方案。G3引入“標(biāo)準(zhǔn)”和“限制”兩個新的核心概念，告訴學(xué)生在設(shè)計方案時應(yīng)考慮是否滿足標(biāo)準(zhǔn)、有哪些限制等，并鼓勵學(xué)生運用“頭腦風(fēng)暴”的方式設(shè)計方案，同時初步引入對“失敗的意義”和“同行的作用”等的思考。G4在鞏固G3核心內(nèi)容的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引入公平測試、失敗分析、優(yōu)化方案等核心概念，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會通過團(tuán)隊合作改善設(shè)計方案，在失敗分析中優(yōu)化設(shè)計方案。最后，G5從工程—技術(shù)—社會之間關(guān)系的高度，對技術(shù)的影響、工程設(shè)計過程、工程與科學(xué)、工程與數(shù)學(xué)等內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)深入的介紹，并從社會視角引出決策矩陣的概念，教會學(xué)生做出科學(xué)正確的決策。

可以看出，SD教材就“工程技術(shù)”領(lǐng)域，圍繞工程和技術(shù)主題，從K-5年級向?qū)W生由淺入深地介紹了工程技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容，知識容量和知識難度階梯式螺旋上升，充分考慮了小學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平和特點。其他三個領(lǐng)域的主題內(nèi)容也同樣遵循由淺入深、由易到難、逐步深化提升的編寫規(guī)律，這使得整套SD教材在不同年級之間銜接自然，渾然一體。

四、啟示與建議

SD教材作為NGSS指導(dǎo)下的美國全新的小學(xué)科學(xué)教材，旨在幫助教師和學(xué)生以全新的方式進(jìn)行科學(xué)學(xué)習(xí)?！八街梢怨ビ瘛?，本文通過對SD教材進(jìn)行深入分析，對我國科學(xué)教科書的編制和科學(xué)教學(xué)提出如下啟示。

（一）加強學(xué)生對核心概念的記憶和深度理解，形成學(xué)科基本觀念

早在1996年，《美國國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》便明確提出以促進(jìn)學(xué)生基本科學(xué)概念理解能力發(fā)展為重要目標(biāo)的框架體系和理念[3]?！犊蚣堋泛蚇GSS中更是提出了“學(xué)科核心觀念”，并將其作為構(gòu)成理念內(nèi)容的三個維度之一?？梢?，美國教育對學(xué)科核心概念和觀念的重視。SD教材很好地貫徹了這一理念的引導(dǎo)，從每課開頭設(shè)置的“單元詞匯”欄目，到文本中對核心概念的標(biāo)黃或加粗，再到每冊后面的“互動詞匯表”板塊，借助詞匯游戲、畫圖畫、網(wǎng)絡(luò)探索等方式，強化學(xué)生對概念的記憶和深度理解，充分顯示了教材對概念理解和觀念建構(gòu)的重視。概念的理解和觀念的形成影響著學(xué)生對科學(xué)知識的學(xué)習(xí)和問題解決，因此，在教材編寫和教育教學(xué)中應(yīng)注重加強學(xué)生對核心概念的記憶和深度理解，促進(jìn)學(xué)生形成學(xué)科基本觀念。[4]

（二）重視利用工程設(shè)計過程提高學(xué)生的問題解決能力

《框架》指出，要保證全美高中生在畢業(yè)之后仍然能夠感受科學(xué)的魅力，能夠應(yīng)用足夠的科學(xué)與工程學(xué)知識，可以將所學(xué)知識應(yīng)用于與日常生活相關(guān)的工程、技術(shù)情境中去。因此，SD教材將工程設(shè)計過程作為課程的組成成分，將“工程設(shè)計”作為每冊教材的第一單元，鼓勵學(xué)生“像科學(xué)家和工程師一樣思考”，并要求學(xué)生在團(tuán)隊內(nèi)利用頭腦風(fēng)暴的方式產(chǎn)生靈感，定義問題、計劃與建模、測試與改進(jìn)、重新設(shè)計、交流與討論，從而解決現(xiàn)實生活中的問題，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。如前所述，幾乎所有的社會功能和社會活動都包含工程和設(shè)計，因此，利用工程設(shè)計過程提高學(xué)生的問題解決能力將是提高學(xué)生素養(yǎng)的有效途徑。

（三）注重激發(fā)學(xué)生對STEAM職業(yè)生涯的興趣

SD教材非常重視激勵學(xué)生在未來的STEAM事業(yè)中脫穎而出，整套教材中，STEAM課程內(nèi)容占據(jù)了很大篇幅，從幼兒園開始就逐漸向?qū)W生滲透STEAM職業(yè)理念，每一單元都會介紹至少一種與STEAM相關(guān)的職業(yè)，從小培養(yǎng)學(xué)生對STEAM的興趣，為其未來選擇STEAM職業(yè)打下基礎(chǔ)。我國學(xué)生對科學(xué)的總體態(tài)度是積極的，但研究表明隨著年級的升高，這種對科學(xué)的積極態(tài)度和學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣反而有所下降[5]。因此，STEAM教育如何增加學(xué)生對STEAM學(xué)習(xí)的積極性，如何激發(fā)所有學(xué)生對STEAM職業(yè)生涯的興趣，是需要引起關(guān)注和思考的。

（四）基于學(xué)習(xí)結(jié)果深度整合教材內(nèi)容

如前所述，SD教材是基于NGSS的理念和內(nèi)容編制的，從NGSS的三個維度——“學(xué)科核心觀念”“交叉概念”“科學(xué)與工程實踐”出發(fā)，圍繞學(xué)生的“表現(xiàn)預(yù)期”，制定出與其相融合的課程體系，保證每節(jié)課的課程內(nèi)容都與實現(xiàn)這三個維度的標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)，從而更好地達(dá)成“表現(xiàn)預(yù)期”。這種密切圍繞國家課程標(biāo)準(zhǔn)的核心維度內(nèi)容，基于要求學(xué)生達(dá)成的學(xué)習(xí)結(jié)果深度整合教材內(nèi)容的組織方式，能夠讓整套教材內(nèi)容緊湊有序，渾然一體。這種組織方式值得思考和借鑒。

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編輯 朱婷婷 ? 校對 王亭亭