周鵬琴，徐 唱，張 韻，李 芒

(北京師范大學(xué) 教育技術(shù)學(xué)院，北京 100875)

STEM視角下的美國科學(xué)課程教材分析
——以FOSS K-5年級科學(xué)教材為例

周鵬琴，徐 唱，張 韻，李 芒

(北京師范大學(xué) 教育技術(shù)學(xué)院，北京 100875)

為探究美國科學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容特點，從而了解美國科學(xué)教育的發(fā)展?fàn)顩r，該文以STEM教育為視角，應(yīng)用定量與質(zhì)性相結(jié)合的研究方法，對美國FOSS K-5年級加利福尼亞2007年版的科學(xué)教材SCIENCE RESOURCES知識點和教學(xué)活動等內(nèi)容進(jìn)行分析。從教材知識點的整體分布，物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球科學(xué)三大主題知識點分布以及教學(xué)活動等其他內(nèi)容三個方面獲得研究結(jié)果。結(jié)合已有研究，得出結(jié)論：教材注重學(xué)科間的相互滲透與干涉，強調(diào)STEM教育視野下綜合性的科學(xué)素養(yǎng)，體現(xiàn)STEM教育對生活的價值。最后獲得啟示：我國科學(xué)教育發(fā)展應(yīng)樹立正確的科學(xué)教育理念、提高學(xué)科地位、建立完備的課程體系、充分發(fā)揮教師的作用、實現(xiàn)從知識到實踐的跨越、加強實證研究。

STEM教育；科學(xué)教育；FOSS；科學(xué)教材

一、引言

美國國家科學(xué)委員會(NSB)在1986年發(fā)表了報告：《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》，它被視為STEM教育的開端，并且也對科學(xué)教育改革戰(zhàn)略具有重大意義[1]。自此，STEM受到教育領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，STEM課程建設(shè)與開發(fā)在社會上引起高度重視。例如，據(jù)英國《衛(wèi)報》2013年3月26日報道，來自31個歐盟國家的55所大學(xué)聯(lián)合發(fā)起了“開放教育”運動，并制定STEM開放課程計劃，以培養(yǎng)歐洲學(xué)生的STEM素養(yǎng)[2]；澳大利亞雖然在STEM課程上沒有提出國家統(tǒng)一的政策和要求，但是一些州根據(jù)其自身的STEM教育發(fā)展特點，提出了具體可行的改革措施，開展了系列有效活動[3]?！翱茖W(xué)和數(shù)學(xué)學(xué)校”，一所來自美國北卡羅來納州的STEM精英學(xué)校，其STEM學(xué)科建設(shè)比較全面，并且在工程和技術(shù)、數(shù)學(xué)和科學(xué)方面均有涉及[4]。在我國，STEM教育理念大多體現(xiàn)在軟件編程課、信息技術(shù)課和綜合應(yīng)用課中，吳俊杰將Ledong Scratch互動教學(xué)平臺作為開展STEM 教育的載體[5]；吳秀鳳在STEM理念指導(dǎo)下，對基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的Arduino 機器人教學(xué)模式進(jìn)行了探索[6]。

STEM由Science(科學(xué))、Technology(技術(shù))、Engineering(工程)和Mathematics(數(shù)學(xué))的首字母組成，它融合了科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)的學(xué)科知識，并將知識的獲取、方法與工具的利用以及創(chuàng)新生產(chǎn)的過程進(jìn)行了有機統(tǒng)一[7]。如今，STEM已經(jīng)成為科學(xué)教育的發(fā)展趨勢，主導(dǎo)著許多國家科學(xué)教育的研究方向與相關(guān)政策，促進(jìn)了各國科學(xué)課程的改革。美國在20世紀(jì)80年代就實現(xiàn)了自然課向科學(xué)課的轉(zhuǎn)變，融入先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)內(nèi)容，注重探究和實驗教學(xué)。1995年，由國家研究理事會(NRC)制定的美國第一部《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》，為科學(xué)教材的編寫提供了重要依據(jù)。美國《2061計劃》規(guī)劃了K12階段學(xué)生應(yīng)學(xué)習(xí)和掌握的科學(xué)、數(shù)學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的知識內(nèi)容，在該計劃的推動下，美國組織了相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜遥纬闪隧椖垦芯繄F(tuán)隊，開發(fā)了FOSS、STC、INSIGHTS教材，并且成為了美國最流行的科學(xué)教材，這些教材都具有以科學(xué)探究為中心、注重跨領(lǐng)域知識融合等特點。其中，F(xiàn)OSS教材開發(fā)最早，它具有最豐富的教學(xué)資源和最完整的教材體系[8]。我國從2002年將小學(xué)自然課正式改名為科學(xué)課以來，國家對如何培養(yǎng)和提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的研究給予了高度重視。我國《科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》的宗旨是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，并且提倡他們能夠積極參與實踐探究活動，以科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆绞浇鉀Q問題，從而使他們能夠認(rèn)識科學(xué)的本質(zhì)，學(xué)會問題解決的方法，提升解決問題的能力[9]。相對于美國的科學(xué)課程，我國的科學(xué)課程改革較晚，在課程設(shè)計方面經(jīng)驗不足，開發(fā)團(tuán)隊成員專業(yè)背景單一。本文從STEM教育的視角對美國科學(xué)課程教材進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和質(zhì)性分析，希望能發(fā)現(xiàn)其中的精華，從而為我國科學(xué)課程建設(shè)提供有益的啟示。

二、研究設(shè)計

將Arts(藝術(shù))學(xué)科與STEM原有四個學(xué)科融合，形成STEAM，它由G.Yakman在2006年首次提出。本研究以STEM教育為理論基礎(chǔ)，基于Yakman提出的STΣ@M金字塔結(jié)構(gòu)框架中確定的S、T、E、M各學(xué)科包含的特定學(xué)科內(nèi)容，對教材進(jìn)行研究，圖1為STΣ@M金字塔結(jié)構(gòu)框架。研究的教材為美國FOSS K-5年級加利福尼亞2007年版的科學(xué)教材SCIENCE RESOURCES。該教材主要有三部分內(nèi)容：物質(zhì)科學(xué)(Physical Sciences)的混合物和溶液(Mixtures and Solutions)、生命科學(xué)(Life Sciences)的生態(tài)系統(tǒng)(Living Systems)以及地球科學(xué)(Earth Sciences)的水世界(Water Planet)。具體研究設(shè)計與過程如下：

(一)研究問題

STEM的本質(zhì)是發(fā)現(xiàn)學(xué)科知識間的內(nèi)在聯(lián)系[11]，本研究基于STEM結(jié)構(gòu)框架對科學(xué)教材的知識點按具體學(xué)科編碼，將學(xué)科知識量化，結(jié)合對教材的質(zhì)性分析，探討以下問題：

1.美國的科學(xué)教材如何整合不同學(xué)科的知識內(nèi)容？

2.科學(xué)教材最重視的教育培養(yǎng)目標(biāo)是什么？

3.教材設(shè)計所體現(xiàn)的教學(xué)理念是什么？

(二)研究方法

因為本研究需要將教材文本內(nèi)容分解為其所要傳播的知識點，將其量化，并加以解釋和分析，因此研究者運用內(nèi)容分析法，采用定量與定性相結(jié)合的研究范式，分析K-5年級科學(xué)教材SCIENCE RESOURCES的教學(xué)內(nèi)容，劃分每個章節(jié)的知識點，并按照一定的編碼方式對各個知識點進(jìn)行學(xué)科編碼，將教材內(nèi)容量化，并利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件對知識點數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得出STEM各學(xué)科(S、T、E、M)的知識點在教材中的分布情況。同時，還對教材的整體結(jié)構(gòu)、教學(xué)活動、目標(biāo)陳述、知識總結(jié)和練習(xí)題等內(nèi)容進(jìn)行質(zhì)性分析，以期對教材有更加深入的理解。

(三)研究工具

STΣ@M金字塔結(jié)構(gòu)框架以STEM教育為基礎(chǔ)，解釋了如何整合傳統(tǒng)的科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)學(xué)科，以此制定課程計劃。G.Yakman首先對這些學(xué)科進(jìn)行了研究，并對它們做出了界定：科學(xué)解釋了什么是自然存在的，以及其如何影響人類生活；技術(shù)是指人類制造的；工程是以數(shù)學(xué)和科學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用創(chuàng)造力和邏輯，通過技術(shù)為世界做貢獻(xiàn)；數(shù)學(xué)是理解其他學(xué)科的基礎(chǔ)；藝術(shù)是指，在過去、現(xiàn)在和將來，社會是如何發(fā)展的，社會是如何影響它的態(tài)度與習(xí)慣的，社會如何與它的態(tài)度和習(xí)慣進(jìn)行聯(lián)系，如何理解或解釋它的態(tài)度和習(xí)慣。然后G.Yakman確定了S、T、E、M、A五個元學(xué)科(Meta-discipline)分別包含的具體學(xué)科，并將其作為框架的一部分。本研究舍棄Art部分，形成STEM編碼表，下頁表1為STEM編碼表及其具體樣例。G.Yakman通過對文獻(xiàn)進(jìn)行調(diào)查和總結(jié)，對科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)和藝術(shù)等元學(xué)科的概念進(jìn)行了界定，并將各具體學(xué)科按照以上五種學(xué)科進(jìn)行分類，其研究的理論基礎(chǔ)扎實，由此得出的STEM編碼表具有較好的內(nèi)在信度。

表1 STEM編碼表及樣例

(四)研究過程

為了保證本研究的外在信度，兩位編碼者共同使用STEM編碼表進(jìn)行預(yù)編碼，并將結(jié)果經(jīng)過一致性Kappa檢驗，得k指為0.938，屬于幾乎完全一致(Almost Perfect)，具有較高的外在信度。確定外在一致性后，編碼者再對教材的知識點進(jìn)行劃分，并按照STEM編碼表編碼。編碼結(jié)束后，從教材知識點分布的整體情況，物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)和地球科學(xué)三部分內(nèi)容的STEM知識點分布情況等兩方面進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析。除將知識點量化以外，本研究還對教材內(nèi)容進(jìn)行質(zhì)性分析，包括分析教材內(nèi)容的編排和各部分內(nèi)容的特點，如活動類型、目標(biāo)陳述、知識總結(jié)與課后練習(xí)等。最后結(jié)合研究結(jié)果，在已往研究的基礎(chǔ)上，得出研究結(jié)論，并根據(jù)研究結(jié)論思考其對中國STEM教育的啟示，以期為國家創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供借鑒和參考。

三、研究結(jié)果

(一)知識點分布的整體情況

經(jīng)過編碼統(tǒng)計，該教材的S、T、E、M知識點總數(shù)為406個，學(xué)習(xí)內(nèi)容十分豐富。其中，以S類知識點最多，總數(shù)為256個，所占比例為63%，超過了總體知識點的六成。其次是T類知識點，為71個，所占比例為18%。E和M類知識點個數(shù)分別為45和34，比例分別占11%和8%，比較相近。且在具體學(xué)科知識點中，S類的S-3(化學(xué))、S-2(生物)、S-4(地理)知識點個數(shù)最多，分別為90、53、51，其他學(xué)科知識點個數(shù)均在30以下?？梢娊滩木o緊圍繞科學(xué)知識的學(xué)習(xí)內(nèi)容而展開，數(shù)學(xué)知識點相對而言十分欠缺。如圖2所示，為S、T、E、M各學(xué)科的知識點統(tǒng)計分析。

圖2 S、T、E、M知識點統(tǒng)計分析

(二)教材三大主題的知識點分布情況

研究者根據(jù)教材中的物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)和地球科學(xué)三大主題，進(jìn)行STEM框架的編碼分析，并統(tǒng)計各主題中STEM知識的分布比例。

如下頁圖3所示，物質(zhì)、生命和地球科學(xué)三大主題中S類知識點的分布存在顯著的差異。物質(zhì)科學(xué)重點呈現(xiàn)化學(xué)領(lǐng)域的知識點，其余如物理、生物的知識比例很低，知識覆蓋面集中。在生命科學(xué)主題中，物理學(xué)的比重最大，其次是生物化學(xué)的綜合知識，體現(xiàn)了一定的學(xué)科融合特性。在地球科學(xué)部分，則以地理科學(xué)的所占比例最大，其次是空間科學(xué)和物理學(xué)。

圖3 物質(zhì)、生命、地球三大主題中S知識點的分布

對T類知識點的分布進(jìn)行分析，從圖4可以發(fā)現(xiàn)，三大主題呈現(xiàn)一定相似的分布維度，均以醫(yī)學(xué)知識為主要內(nèi)容，操作性技術(shù)的知識次之。尤其是生命科學(xué)主題，醫(yī)學(xué)內(nèi)容占有的比例遠(yuǎn)大于其他方面知識?？梢?，在T技術(shù)知識方面，三大主題的內(nèi)容分布一致性較高。

圖4 物質(zhì)、生命、地球三大主題中T知識點的分布

從E類知識點的分布來看，三個主題存在較為明顯的差異情況，如圖5所示。在物質(zhì)科學(xué)主題中，各方面的E工程知識均有涉及，其中以航天工程和材料科學(xué)兩方面的內(nèi)容為主，其次是化學(xué)制品和計算機的相關(guān)內(nèi)容，分布較均勻。而在生命科學(xué)主題中，E知識的數(shù)量非常少，只涉及計算機和化學(xué)制品的內(nèi)容，其余方面并沒呈現(xiàn)。地球科學(xué)主題則以航天工程和計算機的知識內(nèi)容為主。

圖5 物質(zhì)、生命、地球三大主題中E知識點的分布

在對三大主題的M數(shù)學(xué)知識統(tǒng)計中可以發(fā)現(xiàn)，各主題的分布具有一定共性，從數(shù)量上看數(shù)學(xué)知識大量呈現(xiàn)在地球科學(xué)主題，其余兩個主題所涵蓋的數(shù)學(xué)知識點較少，均以基本數(shù)學(xué)運算的知識為主。在地球科學(xué)主題中，數(shù)及其運算的相關(guān)知識最多，其次是數(shù)據(jù)分析和概率知識，也有涉及問題求解、量度等其他性質(zhì)的數(shù)學(xué)問題(如圖6所示)。

圖6 物質(zhì)、生命、地球三大主題中M知識點的分布

(三)教材其他內(nèi)容數(shù)據(jù)分析

研究者通過統(tǒng)計教材中的活動類型及數(shù)量發(fā)現(xiàn)，美國教材中涉及課堂討論、調(diào)查研究、發(fā)明制作、動手操作、實驗分析和展示匯報六類，圖7為教材的活動內(nèi)容分布。教材中共有82個活動，其中動手操作、實驗分析、調(diào)查研究類活動數(shù)量遠(yuǎn)大于其他活動數(shù)量，均在20個以上，所占比例分別為34%、29%和24%，總比例超過85%。這說明美國科學(xué)教材重視對學(xué)生自主學(xué)習(xí)與實踐能力的培養(yǎng)，有利于形成學(xué)生的探究性思維。如利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行調(diào)研、設(shè)定假設(shè)和變量進(jìn)行實驗等，更多的是課外延伸活動和家庭學(xué)習(xí)活動。這些活動往往具有很強的個性化特性，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣，從課堂延伸到課外進(jìn)行，即使沒有教師的指導(dǎo)學(xué)生也可以根據(jù)教材內(nèi)容的操作提示自主完成。

圖7 教材的活動內(nèi)容分布

在教材中，每一單元都會呈現(xiàn)這節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)，提示學(xué)生去自查是否已掌握關(guān)鍵的學(xué)習(xí)內(nèi)容。此外，每一章后都會附上本章的專業(yè)詞匯表，對整章的關(guān)鍵知識點進(jìn)行梳理、回顧和總結(jié)，并提出3至5道題目給學(xué)生課后思考完成。

四、結(jié)論與討論

根據(jù)研究結(jié)果，以研究問題為出發(fā)點，發(fā)現(xiàn)美國科學(xué)課程注重各學(xué)科間的相互滲透與干預(yù)，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合科學(xué)素養(yǎng)為目標(biāo)，體現(xiàn)了STEM教育理念。結(jié)合已有研究，主要從以下三方面展開討論：

(一)注重學(xué)科間的相互滲透與干預(yù)

整合性與學(xué)科間性是科學(xué)課程區(qū)別于生物、化學(xué)、物理等分科課程的特點之一，該教材也充分體現(xiàn)了學(xué)科間的相互滲透與干預(yù)。從數(shù)據(jù)上看，教材包含了科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識點，且除科學(xué)外，其他三類知識點數(shù)量相差不大，說明教材對知識的整合，同時又突出科學(xué)知識，體現(xiàn)學(xué)科的差異性。物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球科學(xué)三大主題由于教學(xué)內(nèi)容不同，S、T、E、M知識點分布情況差別顯著。物質(zhì)科學(xué)主題部分以化學(xué)、醫(yī)學(xué)和操作知識點為主，生命科學(xué)主題部分以生物學(xué)、生物化學(xué)和醫(yī)學(xué)知識點為主，地球科學(xué)主題部分以地理科學(xué)、空間科學(xué)和物理學(xué)知識點為主，說明對學(xué)科進(jìn)行整合時，由于各學(xué)科特點和學(xué)習(xí)需求不同，整合的形式與內(nèi)容的結(jié)構(gòu)組成也有所不同，從而突出了學(xué)科間的差異性?？茖W(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科彼此間相互交融和影響，STEM教育的價值在于既保存了每一門學(xué)科具備的特殊性，又將其可以相互滲透和融合的部分結(jié)合在一起，從而促進(jìn)了各學(xué)科的發(fā)展[11]。例如地球科學(xué)部分的表面積實驗，其教學(xué)目標(biāo)是：學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)表面積如何影響水等液體蒸發(fā)的原理。液體蒸發(fā)是物理學(xué)知識，而在教材中呈現(xiàn)了實驗操作過程，利用方格計算盛水盒子表面積的方法以及利用圖像和表呈現(xiàn)數(shù)據(jù)幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)規(guī)律。通過實驗，學(xué)生不僅可以學(xué)習(xí)水的蒸發(fā)和表面積關(guān)系的物理科學(xué)知識，還可以學(xué)習(xí)表面積計算方法的數(shù)學(xué)知識以及如何設(shè)計實驗和操作。且在實驗過程中，數(shù)學(xué)知識是獲取科學(xué)知識的基礎(chǔ)，規(guī)范的實驗設(shè)計和操作等技術(shù)知識是完成實驗的保障，三者相互干預(yù)，數(shù)學(xué)知識和技術(shù)知識滲透與物理知識當(dāng)中。在地球的水單元中，有一小節(jié)的內(nèi)容為用水量，其教學(xué)目標(biāo)是學(xué)生能夠從數(shù)據(jù)分析出國家的用水情況，懂得水的重要性和掌握保護(hù)水資源的具體措施，包括數(shù)據(jù)分析、地理科學(xué)和環(huán)境工程知識點。任何工程都需要借助數(shù)學(xué)和技術(shù)來完成，且不能違背科學(xué)和自然規(guī)律。

(二)強調(diào)STEM教育視野下的綜合性科學(xué)素養(yǎng)

STEM教育視野下的綜合性的科學(xué)素養(yǎng)，在一定程度上融合滲透了技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)素養(yǎng)的要求，強調(diào)將STEM領(lǐng)域綜合知識與技能遷移到新情境中的應(yīng)用能力，是一種綜合性的理解和解決現(xiàn)實事件的能力[12]。研究者發(fā)現(xiàn)教材中有大量的動手操作、實驗分析、調(diào)查研究活動。例如在學(xué)習(xí)生命細(xì)胞時，要求學(xué)生按照給定的材料和方法制作聽筒器，聽自己身體各器官運作的聲音。為探索液體表面積與蒸發(fā)速度的關(guān)系，設(shè)計實驗，進(jìn)行實驗操作和數(shù)據(jù)分析。在學(xué)習(xí)太陽系時，指導(dǎo)學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)查太陽系和其他行星的信息，且教材給定了網(wǎng)址并提出問題，避免了學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)搜查時因無關(guān)信息干擾而浪費時間的現(xiàn)象，體現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)給學(xué)習(xí)帶來的便捷性與干擾性，提高了學(xué)生的信息素養(yǎng)。這些活動，學(xué)生都可以在家中完成，使得學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識應(yīng)用于生活情境中，解決問題。教材注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神，在實驗中強調(diào)實驗設(shè)計的嚴(yán)謹(jǐn)性，重視數(shù)據(jù)或現(xiàn)象背后的科學(xué)原理。根據(jù)美國教育部領(lǐng)導(dǎo)下的學(xué)術(shù)競爭力委員會(ACC)構(gòu)建的STEM 教育的詳細(xì)目標(biāo)可知，美國STEM教育在K-12階段的培養(yǎng)目標(biāo)之一為“培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)技能，為其在21世紀(jì)科技經(jīng)濟(jì)中獲得成功做準(zhǔn)備”[13]。美國科學(xué)教育的目標(biāo)，就是使他們的學(xué)生能夠用科學(xué)的思維、態(tài)度、精神和習(xí)慣去解決將來在學(xué)習(xí)、工作與生活中遇到的問題[14]。

(三)體現(xiàn)STEM教育對生活的價值

美國STEM教育在K-12的另一個培養(yǎng)目標(biāo)為：提高學(xué)生在STEM 教育中的參與度，使學(xué)生認(rèn)識到STEM教育對生活的價值。該教材的內(nèi)容包括物質(zhì)科學(xué)主題的混合物與溶液部分、生命科學(xué)的生態(tài)系統(tǒng)部分、地球科學(xué)主題的水世界部分，這些都與學(xué)生的生活世界息息相關(guān)，學(xué)生可以將知識應(yīng)用到生活中，對周圍的事物能夠有更加深刻和全面的認(rèn)識。STEM教育對生活的價值在教材中主要體現(xiàn)在以下幾點：(1)注重人與人的溝通以及知識與生活的聯(lián)系，例如在生命科學(xué)主題的第三章“糖類和細(xì)胞”，有一節(jié)介紹糖尿病，教材用近三頁篇幅呈現(xiàn)了一位大學(xué)生與糖尿病人的對話。通過學(xué)習(xí)此段對話，學(xué)生進(jìn)行遷移，以類似的方式去調(diào)查了解生活中的其他疾病，體會到健康生活的重要性，并愿意幫助這些病人，體現(xiàn)了高度的人文關(guān)懷。(2)注重培養(yǎng)學(xué)生的責(zé)任感，例如用數(shù)據(jù)說明地球水資源短缺，使學(xué)生明白水資源的重要性，具有保護(hù)水資源的意識。(3)知識點以故事方式呈現(xiàn)，以問題為線索，以生活情境為依托。例如，在介紹水蒸發(fā)時，通過狗身上的毛弄濕后很快干，將濕的泳裝放在密閉的塑料袋中，當(dāng)將其打開時泳裝依然是濕的等真實的生活情境，設(shè)計問題，學(xué)生能夠在家中體驗并解答問題。同時，它以故事性的語氣將內(nèi)容展開，激發(fā)了學(xué)生的興趣和積極性。(4) 教材中具有豐富的圖片，圖片不僅能幫助學(xué)生理解知識，而且能形象真實地反映生活。例如在第一節(jié)“混合物”中，就有沙、胡蘿卜葡萄干沙拉、混合的堅果、不同形態(tài)容器里花生、不同形態(tài)容器里的水、洛杉磯上空的霧等19個圖片，幫助學(xué)生理解混合物的定義，辨識生活中的混合物，并能制作一些混合物。教學(xué)內(nèi)容在生活中體現(xiàn)價值，不但能激發(fā)學(xué)生對生活的熱情，使他們能夠積極樂觀地面對生活中的問題。

五、對中國科學(xué)教育的啟示

基于以上研究結(jié)果與結(jié)論，結(jié)合我國的科學(xué)教育發(fā)展和研究現(xiàn)狀，參考美國有關(guān)科學(xué)教育的實踐與研究經(jīng)驗，研究者總結(jié)出以下六條啟示：

(一)應(yīng)樹立正確的科學(xué)教育理念

受美國《2061計劃》的啟示，在一批科技專家的主張下，2003年我國啟動了《2049行動計劃》。雖然它們的出發(fā)點相同，即都是致力于國家的科學(xué)教育發(fā)展，但是它們的側(cè)重對象與具體目標(biāo)卻有所不同。《2061計劃》的目的在于從小培養(yǎng)學(xué)生形成自覺的科學(xué)思維習(xí)慣，并將科學(xué)精神用在生活和工作中，而《2049行動計劃》的目標(biāo)是使我國每一名公民具備基本的科學(xué)素質(zhì)?？梢姡绹浅Ｗ⒅豄-12基礎(chǔ)教育階段的科學(xué)教育，而我國更關(guān)注于全體公民的整體科學(xué)素質(zhì)。因此，我國在普及科學(xué)知識與實施科學(xué)教育的同時，應(yīng)關(guān)注對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，而不僅僅是具備科學(xué)素質(zhì)的簡單要求，應(yīng)提倡學(xué)生“像科學(xué)家”一樣思考和探究。要相信我們的孩子都是天生的發(fā)明家和創(chuàng)造者，他們能通過自己的思考、探究，對科學(xué)知識進(jìn)行主動建構(gòu)。

(二)應(yīng)提高科學(xué)課程的學(xué)科地位

美國從1995年制定第一個《科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》，到2011年制定《K-12科學(xué)教育框架：實踐、跨學(xué)科概念、學(xué)科核心思想》，再到2013年的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》，都體現(xiàn)了美國在不同發(fā)展階段對K-12科學(xué)教育的重視與支持。雖然我國早在2001年就制定了科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)，但是科學(xué)教育的地位一直不容樂觀。首先就科學(xué)課程的學(xué)科地位而言，相比于語文、數(shù)學(xué)、英語等學(xué)科，科學(xué)課程一直處于邊緣地帶，甚至?xí)霈F(xiàn)其課時被其他學(xué)科所占用的現(xiàn)象。其次，科學(xué)教師的師資隊伍也遠(yuǎn)不如其他學(xué)科，這使得學(xué)校的科學(xué)教研氛圍難以形成。然后是科學(xué)課程欠缺成熟的考核評價體系，要想讓科學(xué)教育得以發(fā)展，必須建立系統(tǒng)的評價體系。最后，教育資源的分配不均，尤其是農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)實驗器材缺乏、師資力量不足等問題，都是科學(xué)教育面臨的巨大挑戰(zhàn)。國家應(yīng)出臺相應(yīng)的政策，號召全社會的力量，尤其是科學(xué)與教育領(lǐng)域?qū)＜业闹С?，致力科學(xué)教育在中小學(xué)的發(fā)展，提高其學(xué)科地位。

(三)應(yīng)建立完備的科學(xué)課程體系

研究發(fā)現(xiàn)，美國科學(xué)課程具有較強的結(jié)構(gòu)性和系統(tǒng)性。例如，F(xiàn)OSS 是一套涵蓋從幼兒園到八年級的科學(xué)課程，其教學(xué)資源豐富全面，包括FOSS網(wǎng)站、FOSS科學(xué)故事、工具包、教師指導(dǎo)手冊、備用錄像帶和閱讀材料等。與美國科學(xué)課程相比，中國的科學(xué)課程雖然也有相關(guān)網(wǎng)站和資源以及針對教師和學(xué)生的教材等，但其各類資源缺乏結(jié)構(gòu)性和系統(tǒng)性。而且，美國的課程開發(fā)人員由科學(xué)研究、教育教學(xué)、技術(shù)支持等多個相關(guān)領(lǐng)域的專家組成，課程開發(fā)的過程就是研究的過程。而中國的課程改革則是以政策為推動，參與改革與開發(fā)的人員組成較單一，缺少科學(xué)教育研究領(lǐng)域的專家，從而不能為成體系的課程提供科學(xué)保障。只有當(dāng)課程資源與教材配套使用時，學(xué)生才能夠在課外，通過查閱和學(xué)習(xí)已有資源，進(jìn)行自主探究，拓展學(xué)習(xí)。

(四)應(yīng)充分發(fā)揮科學(xué)教師的作用

科學(xué)教育的發(fā)展離不開科學(xué)教師，因此不能忽視科學(xué)教師的作用。隨著國家對教師培訓(xùn)的重視，各種形式的教師培訓(xùn)在全國各地開展，但這些培訓(xùn)主要面向語文、英語、數(shù)學(xué)等所謂“主要學(xué)科”的教師，而對科學(xué)教師的培訓(xùn)卻很少。所以，國家與學(xué)校應(yīng)加強對科學(xué)教師的培訓(xùn)，培訓(xùn)內(nèi)容不僅包括專業(yè)知識，還應(yīng)包括先進(jìn)的科學(xué)教育理念、教學(xué)方法等?？茖W(xué)課程的跨學(xué)科性要求科學(xué)教師具有豐富的科學(xué)知識以及扎實的專業(yè)基礎(chǔ)，科學(xué)實踐的復(fù)雜性和嚴(yán)謹(jǐn)性要求科學(xué)教師必須具備良好的科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新實踐能力。學(xué)校應(yīng)為科學(xué)教師提空足夠的教學(xué)空間，盡可能地支持教師組織教學(xué)活動，尤其是教室外的科學(xué)實踐活動。科學(xué)教師應(yīng)加強與數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、信息技術(shù)等學(xué)科教師的合作，為學(xué)生設(shè)計多學(xué)科的實踐活動，由于中小學(xué)沒有設(shè)置工程學(xué)課程，所以教師更要重視設(shè)計科學(xué)與工程學(xué)的結(jié)合。此外，科學(xué)教師的教育教學(xué)方法直接影響著學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，教師應(yīng)以學(xué)生為中心，鼓勵學(xué)生實踐，并給予學(xué)生必要的指導(dǎo)。學(xué)生在學(xué)校接觸最多的就是教師，科學(xué)教師對學(xué)生的科學(xué)觀和科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)至關(guān)重要。

(五)應(yīng)實現(xiàn)從知識到實踐的跨越

《全日制義務(wù)教育(3-6年級)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(實驗稿)》指出課程是為了培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，應(yīng)為學(xué)生提供充分的科學(xué)探究的機會，使他們在實踐過程中不僅能夠獲取科學(xué)知識，還能體驗科學(xué)探究的樂趣，提升實踐能力?？茖W(xué)素養(yǎng)不僅體現(xiàn)在科學(xué)理論知識的儲備上，還體現(xiàn)在解決實際問題的能力上。因此，科學(xué)教育應(yīng)實現(xiàn)從知識到實踐的跨越，為學(xué)生參與科學(xué)實踐提供支持。閆蒙鋼等研究者發(fā)現(xiàn)，我國小學(xué)科學(xué)教材的課程設(shè)計多采用“主題一活動”模式，主要是以問題的形式直接進(jìn)入探究活動，缺少了與實踐主題相關(guān)的引導(dǎo)性材料和提示，忽略了對學(xué)生的先行組織者的關(guān)注，雖然活動內(nèi)容設(shè)計得比較豐富，但還是需要加強內(nèi)容的深度[15]。因此在教材內(nèi)容上，應(yīng)設(shè)計綜合性的實踐活動，加深活動內(nèi)容的層次性，為活動開展提供必要的指導(dǎo)，使得學(xué)生能夠整合應(yīng)用多學(xué)科知識自主完成實踐，提升綜合應(yīng)用能力。此外，實踐應(yīng)加強與社會生活的聯(lián)系，教育的根本就是人的發(fā)展，人作為社會人，必須具備在現(xiàn)實世界生活的能力與競爭力，以及正確的價值觀念和積極的生活態(tài)度，教材對環(huán)境、資源、人、生態(tài)系統(tǒng)等的關(guān)注，將有助于學(xué)生的發(fā)展，加強他們對社會各領(lǐng)域的認(rèn)識，深化他們對國家和社會的責(zé)任意識。

(六)應(yīng)加強科學(xué)教育的實證研究

美國在制定任何教育標(biāo)準(zhǔn)時，都是在堅實的教育研究成果上制定的，而我國在科學(xué)教育方面的實證研究非常欠缺，導(dǎo)致改革很難進(jìn)行[16]。中國的科學(xué)教育變革需要向國際先進(jìn)經(jīng)驗學(xué)習(xí)，特別是科學(xué)教育的實證研究范式和實踐[17]。相對于美國，我國科學(xué)教育領(lǐng)域人才較少，研究隊伍相對薄弱，研究者們對科學(xué)教育的研究偏于理論，而關(guān)于科學(xué)教育的實踐卻非常少，尤其是在科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)制定與科學(xué)課程建設(shè)方面缺少研究數(shù)據(jù)支撐。因此，我們應(yīng)加強人力與物力，壯大科學(xué)教育的研究團(tuán)隊，支持科學(xué)教育研究項目，大力開展科學(xué)教育的實證研究。尤其是在科學(xué)與技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的整合策略，如何制定科學(xué)合理的課程標(biāo)準(zhǔn)，如何建立科學(xué)課程評價體系，以及如何使課程內(nèi)容能滿足學(xué)生的需求等方面，都缺少研究數(shù)據(jù)，同時這些也是科學(xué)教育的重要研究方向。本研究對美國科學(xué)教材知識點進(jìn)行量化，即希望為科學(xué)與各學(xué)科的融合策略提供數(shù)據(jù)支撐。近年來，隨著STEM課程和有關(guān)項目的大力發(fā)展，STEM和科學(xué)教育成為了研究熱點和重要趨勢。我國應(yīng)充分利用這種趨勢的影響，提高研究者們的研究熱情，充分發(fā)揮研究者們對科學(xué)教育政策制定、教材編寫和教學(xué)實施的作用。

科學(xué)教育的發(fā)展離不開國家、地區(qū)、學(xué)校的支持，同時學(xué)科專家、研究者、教師等社會各界人士的作用也不能忽視，它不僅需要理論的指導(dǎo)，更需要實踐數(shù)據(jù)的支撐。標(biāo)準(zhǔn)制定、教材編寫、課程建設(shè)、資源配置、人才培養(yǎng)等各個環(huán)節(jié)都不容忽視。本研究通過對美國教材的量化與質(zhì)性分析，得出了研究結(jié)論和以上啟示，以期對我國科學(xué)教育發(fā)展能有所貢獻(xiàn)，為研究者們提供研究的思路與方向。

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An Analysis Study of American Science Textbooks from STEM Perspective—Taking the FOSS K-5 Edition as an Example

Zhou Pengqin, Xu Chang, Zhang Yun, Li Mang
(School of Educational Technology, Beijing Normal University, Beijing 100875)

In order to explore the teaching content characteristics of American Science Curriculum and understand the development of Science Education in the United States, this study analyzed the knowledge points and teaching activities of FOSS Grades K-5 California Edition ? 2007 “SCIENCE RESOURCES” from STEM perspective, combining quantitative and qualitative research methods. The knowledge points of the three main themes (Physical Sciences, Life Sciences and Earth Sciences) and teaching activities in the textbooks were coded and counted. The result shows that: American science textbook focus on the mutual penetration and interference between subjects, the comprehensive scientific literacy, and the value of STEM education to life. Finally, attain the enlightenment about developing the Science Education: we should establish correct science educational concept, improve the subject status, establish a comprehensive curriculum system, give full play to the role of teachers, realize the leap from knowledge to practice and reinforce the empirical research.

STEM Education; Science Education; FOSS; Science Textbooks

G434

：A

周鵬琴：在讀碩士，研究方向為信息化教學(xué)應(yīng)用、教師專業(yè)發(fā)展和移動學(xué)習(xí)等(zhoupengqin@126.com)。

徐唱：在讀碩士，研究方向為教育技術(shù)基本理論、計算機支持的協(xié)作學(xué)習(xí)等(merryxc_1991@163.com)。

張韻：在讀碩士，研究方向為教學(xué)設(shè)計、科學(xué)教育(zyun@mail.bnu.edu.cn)。

李芒：博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為教學(xué)行為研究(leemang@bnu.edu.cn)。

2016年1月20日

責(zé)任編輯：李馨 趙云建

1006—9860(2016)05—0025—08