基于NGSS的美國小學科學教材分析——以Science Fusion中“能量”單元為例

強東

（福建師范大學教育學部，福建福州 350108）

美國繼2011年發(fā)布《K-12年級科學教育框架:實踐、跨學科概念和核心概念》（以下簡稱《框架》）之后，于2013年4月正式發(fā)布《新一代科學教育標準》（Next Generation Science Standards；For states,By States，以下簡稱 NGSS）。NGSS包括生命科學、物質科學、地球與空間科學和工程、技術與科學的應用四個學科的內(nèi)容，聚焦于對課本更深的理解和應用。其以表現(xiàn)期望的形式，向不同年級的學習者提出學習目標與要求，讓學習者在多年的學校生活中，積極參與科學工程實踐、運用跨學科概念深度理解不同領域的核心概念，旨在為美國科學教育提供一個新視角，不僅為科學教育也為學習者發(fā)展提供重要機會。整合在NGSS中的“科學與工程實踐”從幼兒園貫穿至高中，強調學習者從理論上分析問題到從實踐上解決問題的進一步轉化，要求學習者能理解科學知識、掌握科學方法、認清科學本質。

Science Fusion 是由全球第三大教育出版集團霍頓米夫林哈考特集團出版的一套頂級科學教材，除基礎課本外，還包括《探究活動掛圖冊》《探究日志與迷你課程》《詞匯表》《規(guī)劃指南》與《評估指南》等一系列配套資料。除此之外,還為教師及學生提供在線學習資源，包括數(shù)字化課程、虛擬實驗室及相關科學視頻，配套資料完善全面。

一、以表現(xiàn)期望為導向，融合三維概念

NGSS注重學習者的表現(xiàn)期望而非課程，即便每種表現(xiàn)期望中都包含科學和工程實踐、學科核心概念和跨學科概念，但這種融合也未預先決定三者如何在課程、單元和課堂相聯(lián)系。表現(xiàn)期望僅闡述了學習者自該年級結束時能了解到什么和能夠做什么。NGSS從上述三個角度入手設計能幫助學習者達到這些標準的教學項目。本文以四年級第九單元Energy為例，分析其表現(xiàn)期望和三維概念，如表2.1所示。

表1 Energy單元的表現(xiàn)期望

本單元以沖浪現(xiàn)象引出“能量”這一主題，直接給出大概念——熱量是一種可以在物體間傳遞的能量形式，這是更為宏觀和概括性的認識，起統(tǒng)領作用。單元內(nèi)容圍繞六個關鍵問題展開，每個問題構成一節(jié)課，是對核心問題的具體化和細化。學習者帶著問題進入學習，通過閱讀文本、探究實踐掌握該單元的核心概念，如表2所示。

表2 Energy單元的核心概念

續(xù)表

二、基于真實問題情景，實現(xiàn)自主知識建構

建構主義強調學習是認知者在原有知識經(jīng)驗的基礎上，在一定的社會文化環(huán)境中，主動對新信息進行加工處理、建構知識表征的過程。①在含義多重的概念學習中，學習者需要將概念與它們所屬的情境或領域相聯(lián)系，并在其中理解概念的含義。②學習者習慣以其自身的經(jīng)驗來理解和建構新的知識或信息，教學要讓學習者在現(xiàn)實世界感受、體驗意義建構。因而，教材內(nèi)容的選材應來源于真實生活，教學應該使學習發(fā)生在一個與真實情境相似的環(huán)境中。

該單元選取的案例與實踐性和經(jīng)驗性的真實世界相聯(lián)系，以生活中常見的現(xiàn)象為切入點，引導學習者思考這些現(xiàn)象的成因，學會從生活中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。例如第一節(jié)中以過山車和孩子玩的彈簧高蹺為例，引出動能、勢能和機械能的概念，以閃電現(xiàn)象引出光能、聲能的概念；第三節(jié)以手掌中雪球的融化、熱湯中湯勺溫度的變化及燒水水溫的變化來說明傳導可以使熱量在物體間轉移，以感受到篝火的熱量為例引出輻射的概念；第五節(jié)介紹暖水瓶的構造及工作原理、隔熱房屋的結構讓學習者理解區(qū)分導體與絕緣體，課后讓學習者在自家廚房中尋找導熱性能較佳的導體和絕熱性能較佳的絕緣體，帶到課堂上做展示介紹。教材課后習題與《評估指南》習題的選擇也與真實生活情景相關，例如該單元的填空題以手機發(fā)燙現(xiàn)象為例展開對話，描述現(xiàn)象，讓學生補充對話中缺失的術語，以復習相關概念；選擇題輔以漫畫式的生活情景配圖，讓學生選擇合適的選項來解釋現(xiàn)象成因；簡答題則以日常生活中的常見現(xiàn)象為例，讓學習者運用學習內(nèi)容加以解釋。這種教材內(nèi)容的設置將科學生活化，讓學生發(fā)現(xiàn)科學并非遙不可及。

NGSS不局限于當前的課本知識學習，更是為學習者步入大學、未來就業(yè)、成為公民做準備。與此相匹配，教材單元小節(jié)后有專題介紹相關的科學職業(yè)，Energy單元介紹的是有關地熱技術人員的職業(yè)性質，其中包括地熱能作為一種綠色能源的來源和相關技術人員的大致工作內(nèi)容。課后問題指引學習者思考未來是否愿意從事相關工作。這一專題的設置讓學習者明白科學家和工程師的工作是充滿創(chuàng)造性的，他們改進現(xiàn)有技術或開發(fā)新技術能對世界產(chǎn)生深刻影響。學生也了解到科學、工程和技術對社會和自然界的影響，明白科學影響著日常生活。這不僅會加深學生對工程師的工作以及科學與工程之間的聯(lián)系的理解，也豐富了他們的志趣和理想，引發(fā)他們思考自己的職業(yè)規(guī)劃。通過對現(xiàn)實的案例研讀分析，學生發(fā)現(xiàn)學的知識是有重要的意義的，它能解決在社會中面臨的諸多困境。

三、與STEM相結合，加強動手實踐能力

杜威認為，科學教育不僅是讓學習者學習大量的科學知識，更重要的是讓學習者學習科學研究的過程和方法，他提倡“從做中學”，強調動手實踐的重要性。施瓦布提出探究式教學，認為教師應該以探究的方式將科學呈現(xiàn)給學習者，學習者則應通過科學的探究活動學習科學知識。布魯納也提出“發(fā)現(xiàn)學習”，讓學習者依靠自己的力量去學習，變單一的“在聽中學”為“在做中學”“在體驗中學”。

STEM包含科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學（Maths），強調工程與實踐。NGSS相較于《框架》，要求對探究進行突破，將科學探究轉變?yōu)榭茖W工程與實踐?？茖W研究的目的在于回答問題，構建科學解釋。而工程設計的目的在于解決問題，設計解決方案。參與科學實踐可以幫助學習者理解科學知識是如何開發(fā)，理解跨學科概念和科學與工程的學科概念。與Science Fusion配套的《活動掛圖冊》中，每小節(jié)都包含至少一個STEM案例，教師根據(jù)實踐難度、儀器材料數(shù)目等實際情況將學習者分組，鼓勵學習者合作探究問題成因，設計方案，并在實踐中不斷修改完善方案。這種方式能激發(fā)學生的探究興趣，增強動手能力，實現(xiàn)從“學科學”到“做科學”的轉變，與小組成員交流互動的過程也在提升學生的人際交往和自我表達能力。

教材的單元目錄中每一課時的標題下方都配有《探究活動掛畫冊》的相關實驗頁碼及標題，讓學習者通過課堂學習和探究實踐解答問題。探究實驗按操作難度分為三類：教師引導(directed)、教師指導(guided)與學生獨立完成。以Energy單元為例，教師引導的實驗包括：①根據(jù)課本給出的調查報告的指引探索能量的來源及使用；②制作和使用簡易溫度計；③探索太陽的能量是否可以加熱食物以及不同位置與不同材料對熱量的吸收效果的影響。教師指導的實驗包括：①用不同的力壓縮彈簧使小球產(chǎn)生移動，觀察小球移動距離與力的關系，確定能量可以引發(fā)運動、勢能可以轉化為動能；②探究熱是如何產(chǎn)生的，設計并制作模型，觀察熱源里物體溫度的持續(xù)上升；③通過黃油在不同材質的物體上融化的速度來測試材質的導熱性能。學生獨立完成的實驗：根據(jù)課本內(nèi)容提示，綜合各種學習資源，研究混合動力汽車案例。除實驗外，該單元設有“工程與技術”一節(jié)，介紹與STEM聯(lián)系的內(nèi)容——壓電效應，解釋能量可以被轉化、鑒別，介紹可以實現(xiàn)能源轉化的產(chǎn)品及過程并描述壓電設備如何使機械能轉化成電能。該項目為學習者提供機會進行工程設計，小組成員根據(jù)設計過程的步驟制作太陽能加熱器，實驗針對設計有著嚴格的科學要求,學習者設計的模型必須有其科學性與合理性。

四、與英文數(shù)學相聯(lián)系，實現(xiàn)跨學科式融合

2006年，美國弗吉尼亞理工大學的G.Yakman在STEM教育的基礎上提出STEAM教育，即將藝術(Arts)融入STEM教育中，強化學習者的藝術熏陶和人文底蘊。④A中包含的語言藝術是美國21世紀學習框架中核心學科的重要組成之一，旨在培養(yǎng)學習者對書面語言以及口頭語言的理解能力和運用能力，包括閱讀、拼寫、溝通等內(nèi)容。NGSS對教學實踐和科學教學的轉變要求與《通用州核心標準》中對英語語言藝術和數(shù)學的要求的掌握程度表述相一致，教材內(nèi)容與其呼應，圍繞“能量”這一主題展開包括數(shù)學、寫作、語言藝術各門學科的教學內(nèi)容。

以英語語言藝術為例，在閱讀方面，教師給出關鍵詞和提示，要求學習者進行自主閱讀，根據(jù)教材的文本內(nèi)容的細節(jié)和例子解釋文本內(nèi)容，準確提取核心概念。期望學習者能基于文本中的具體信息，解釋歷史性、科技性或技術性文本中的事件、過程、觀點，概括發(fā)生的事件及發(fā)生原因等相關情況。在寫作方面，鼓勵學生寫“熱量日記”，觀察記錄日常生活中熱能的特性、使用情況和影響；每小節(jié)內(nèi)容開始前，在“科學筆記”中寫下對于核心問題的理解；結束后鼓勵學習者給朋友寫一封郵件，告訴他們?nèi)粘Ｉ钪心芰康膩碓?、轉化和使用。這種方式培養(yǎng)了學習者基于日常生活經(jīng)驗獲取信息，從紙質或電子資源收集信息、做筆記、進行信息分類、提供資源列表，并且能從文本中的實際現(xiàn)象中提取證據(jù)進行分析、反思和研究的能力。

再如數(shù)學，該單元設有“做數(shù)學”欄目，從最簡單的讀數(shù)到使用四種運算法則解決整數(shù)的多步運算問題，再到根據(jù)實際情況優(yōu)化方案，使用心算和估算評測答案的合理程度。課本與之相關的內(nèi)容包括計算閃電在一定時間穿行的距離、讀取溫度計上的華氏度和攝氏度給出房屋材料價格，計算房屋造價等。這種與文法和數(shù)學相結合的方式，讓學生在學習科學課程的過程中提升自己的閱讀寫作能力和數(shù)學運算水平，學習不存在學科邊界，模糊的學科界限讓學習者對知識的運用更加游刃有余，這種跨學科的課程整合更有利于學習者認識事物本質。

五、總結

教材內(nèi)容圍繞大概念展開，由淺入深、逐步推進。教師使用“5E”教學模式，將每小節(jié)的課程內(nèi)容劃分為引入（Engage）、探索（Explore）、解釋（Explain）、延伸（Extend）和評估（Evaluate）五個階段。教師帶領學生進行聯(lián)系性、擴展性活動，從簡易的、一般的到具有挑戰(zhàn)性的小型課題，學生在完成課題的過程中，不僅利用書本知識，也從社區(qū)媒介等多種渠道獲取信息，學習者獲得知識的方式更具立體性。學習者從日常生活中形成的一般觀點到通過課堂學習提出科學概念，將科學融入生活；通過閱讀教材習得科學詞匯術語、撰寫科學論文，提升寫作能力；通過制訂計劃、親身實踐提升探究技能；最后總結、交流觀點，提升表達能力。

小學生尚未形成穩(wěn)定的學習方式，不具備成熟的學習技能，因而教材內(nèi)容的編排應更加多元化，便于學生進行多元學習。Science Fusion正是專門為實現(xiàn)探究式、科學、技術、工程和數(shù)學教育而設計。教師采用多種教學方式，讓學習在實際生活中發(fā)生，學生在學習過程中進行了獨立的腦力勞動，也親身參與實踐，在實踐中體驗、感悟、升華，變被動、接受式學習為主動參與式學習，學生能解釋常見的科學現(xiàn)象，熟悉并掌握科學原理，獨立解決相關科學問題，更能科學地認識世界。