強(qiáng)東

（福建師范大學(xué)教育學(xué)部，福建福州 350108）

美國(guó)繼2011年發(fā)布《K-12年級(jí)科學(xué)教育框架:實(shí)踐、跨學(xué)科概念和核心概念》（以下簡(jiǎn)稱《框架》）之后，于2013年4月正式發(fā)布《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（Next Generation Science Standards；For states,By States，以下簡(jiǎn)稱 NGSS）。NGSS包括生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、地球與空間科學(xué)和工程、技術(shù)與科學(xué)的應(yīng)用四個(gè)學(xué)科的內(nèi)容，聚焦于對(duì)課本更深的理解和應(yīng)用。其以表現(xiàn)期望的形式，向不同年級(jí)的學(xué)習(xí)者提出學(xué)習(xí)目標(biāo)與要求，讓學(xué)習(xí)者在多年的學(xué)校生活中，積極參與科學(xué)工程實(shí)踐、運(yùn)用跨學(xué)科概念深度理解不同領(lǐng)域的核心概念，旨在為美國(guó)科學(xué)教育提供一個(gè)新視角，不僅為科學(xué)教育也為學(xué)習(xí)者發(fā)展提供重要機(jī)會(huì)。整合在NGSS中的“科學(xué)與工程實(shí)踐”從幼兒園貫穿至高中，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者從理論上分析問(wèn)題到從實(shí)踐上解決問(wèn)題的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，要求學(xué)習(xí)者能理解科學(xué)知識(shí)、掌握科學(xué)方法、認(rèn)清科學(xué)本質(zhì)。

Science Fusion 是由全球第三大教育出版集團(tuán)霍頓米夫林哈考特集團(tuán)出版的一套頂級(jí)科學(xué)教材，除基礎(chǔ)課本外，還包括《探究活動(dòng)掛圖冊(cè)》《探究日志與迷你課程》《詞匯表》《規(guī)劃指南》與《評(píng)估指南》等一系列配套資料。除此之外,還為教師及學(xué)生提供在線學(xué)習(xí)資源，包括數(shù)字化課程、虛擬實(shí)驗(yàn)室及相關(guān)科學(xué)視頻，配套資料完善全面。

一、以表現(xiàn)期望為導(dǎo)向，融合三維概念

NGSS注重學(xué)習(xí)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(xué)和工程實(shí)踐、學(xué)科核心概念和跨學(xué)科概念，但這種融合也未預(yù)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(xué)習(xí)者自該年級(jí)結(jié)束時(shí)能了解到什么和能夠做什么。NGSS從上述三個(gè)角度入手設(shè)計(jì)能幫助學(xué)習(xí)者達(dá)到這些標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)項(xiàng)目。本文以四年級(jí)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(rèn)識(shí)，起統(tǒng)領(lǐng)作用。單元內(nèi)容圍繞六個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題展開(kāi)，每個(gè)問(wèn)題構(gòu)成一節(jié)課，是對(duì)核心問(wèn)題的具體化和細(xì)化。學(xué)習(xí)者帶著問(wèn)題進(jìn)入學(xué)習(xí)，通過(guò)閱讀文本、探究實(shí)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(shí)問(wèn)題情景，實(shí)現(xiàn)自主知識(shí)建構(gòu)

建構(gòu)主義強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)是認(rèn)知者在原有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在一定的社會(huì)文化環(huán)境中，主動(dòng)對(duì)新信息進(jìn)行加工處理、建構(gòu)知識(shí)表征的過(guò)程。①在含義多重的概念學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)者需要將概念與它們所屬的情境或領(lǐng)域相聯(lián)系，并在其中理解概念的含義。②學(xué)習(xí)者習(xí)慣以其自身的經(jīng)驗(yàn)來(lái)理解和建構(gòu)新的知識(shí)或信息，教學(xué)要讓學(xué)習(xí)者在現(xiàn)實(shí)世界感受、體驗(yàn)意義建構(gòu)。因而，教材內(nèi)容的選材應(yīng)來(lái)源于真實(shí)生活，教學(xué)應(yīng)該使學(xué)習(xí)發(fā)生在一個(gè)與真實(shí)情境相似的環(huán)境中。

該單元選取的案例與實(shí)踐性和經(jīng)驗(yàn)性的真實(shí)世界相聯(lián)系，以生活中常見(jiàn)的現(xiàn)象為切入點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者思考這些現(xiàn)象的成因，學(xué)會(huì)從生活中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題。例如第一節(jié)中以過(guò)山車和孩子玩的彈簧高蹺為例，引出動(dòng)能、勢(shì)能和機(jī)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(lái)說(shuō)明傳導(dǎo)可以使熱量在物體間轉(zhuǎn)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(gòu)造及工作原理、隔熱房屋的結(jié)構(gòu)讓學(xué)習(xí)者理解區(qū)分導(dǎo)體與絕緣體，課后讓學(xué)習(xí)者在自家廚房中尋找導(dǎo)熱性能較佳的導(dǎo)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(xí)題與《評(píng)估指南》習(xí)題的選擇也與真實(shí)生活情景相關(guān)，例如該單元的填空題以手機(jī)發(fā)燙現(xiàn)象為例展開(kāi)對(duì)話，描述現(xiàn)象，讓學(xué)生補(bǔ)充對(duì)話中缺失的術(shù)語(yǔ)，以復(fù)習(xí)相關(guān)概念；選擇題輔以漫畫式的生活情景配圖，讓學(xué)生選擇合適的選項(xiàng)來(lái)解釋現(xiàn)象成因；簡(jiǎn)答題則以日常生活中的常見(jiàn)現(xiàn)象為例，讓學(xué)習(xí)者運(yùn)用學(xué)習(xí)內(nèi)容加以解釋。這種教材內(nèi)容的設(shè)置將科學(xué)生活化，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)科學(xué)并非遙不可及。

NGSS不局限于當(dāng)前的課本知識(shí)學(xué)習(xí)，更是為學(xué)習(xí)者步入大學(xué)、未來(lái)就業(yè)、成為公民做準(zhǔn)備。與此相匹配，教材單元小節(jié)后有專題介紹相關(guān)的科學(xué)職業(yè)，Energy單元介紹的是有關(guān)地?zé)峒夹g(shù)人員的職業(yè)性質(zhì)，其中包括地?zé)崮茏鳛橐环N綠色能源的來(lái)源和相關(guān)技術(shù)人員的大致工作內(nèi)容。課后問(wèn)題指引學(xué)習(xí)者思考未來(lái)是否愿意從事相關(guān)工作。這一專題的設(shè)置讓學(xué)習(xí)者明白科學(xué)家和工程師的工作是充滿創(chuàng)造性的，他們改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)或開(kāi)發(fā)新技術(shù)能對(duì)世界產(chǎn)生深刻影響。學(xué)生也了解到科學(xué)、工程和技術(shù)對(duì)社會(huì)和自然界的影響，明白科學(xué)影響著日常生活。這不僅會(huì)加深學(xué)生對(duì)工程師的工作以及科學(xué)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(guò)對(duì)現(xiàn)實(shí)的案例研讀分析，學(xué)生發(fā)現(xiàn)學(xué)的知識(shí)是有重要的意義的，它能解決在社會(huì)中面臨的諸多困境。

三、與STEM相結(jié)合，加強(qiáng)動(dòng)手實(shí)踐能力

杜威認(rèn)為，科學(xué)教育不僅是讓學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)大量的科學(xué)知識(shí)，更重要的是讓學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)科學(xué)研究的過(guò)程和方法，他提倡“從做中學(xué)”，強(qiáng)調(diào)動(dòng)手實(shí)踐的重要性。施瓦布提出探究式教學(xué)，認(rèn)為教師應(yīng)該以探究的方式將科學(xué)呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者，學(xué)習(xí)者則應(yīng)通過(guò)科學(xué)的探究活動(dòng)學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)。布魯納也提出“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”，讓學(xué)習(xí)者依靠自己的力量去學(xué)習(xí)，變單一的“在聽(tīng)中學(xué)”為“在做中學(xué)”“在體驗(yàn)中學(xué)”。

STEM包含科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Maths），強(qiáng)調(diào)工程與實(shí)踐。NGSS相較于《框架》，要求對(duì)探究進(jìn)行突破，將科學(xué)探究轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)工程與實(shí)踐?？茖W(xué)研究的目的在于回答問(wèn)題，構(gòu)建科學(xué)解釋。而工程設(shè)計(jì)的目的在于解決問(wèn)題，設(shè)計(jì)解決方案。參與科學(xué)實(shí)踐可以幫助學(xué)習(xí)者理解科學(xué)知識(shí)是如何開(kāi)發(fā)，理解跨學(xué)科概念和科學(xué)與工程的學(xué)科概念。與Science Fusion配套的《活動(dòng)掛圖冊(cè)》中，每小節(jié)都包含至少一個(gè)STEM案例，教師根據(jù)實(shí)踐難度、儀器材料數(shù)目等實(shí)際情況將學(xué)習(xí)者分組，鼓勵(lì)學(xué)習(xí)者合作探究問(wèn)題成因，設(shè)計(jì)方案，并在實(shí)踐中不斷修改完善方案。這種方式能激發(fā)學(xué)生的探究興趣，增強(qiáng)動(dòng)手能力，實(shí)現(xiàn)從“學(xué)科學(xué)”到“做科學(xué)”的轉(zhuǎn)變，與小組成員交流互動(dòng)的過(guò)程也在提升學(xué)生的人際交往和自我表達(dá)能力。

教材的單元目錄中每一課時(shí)的標(biāo)題下方都配有《探究活動(dòng)掛畫冊(cè)》的相關(guān)實(shí)驗(yàn)頁(yè)碼及標(biāo)題，讓學(xué)習(xí)者通過(guò)課堂學(xué)習(xí)和探究實(shí)踐解答問(wèn)題。探究實(shí)驗(yàn)按操作難度分為三類：教師引導(dǎo)(directed)、教師指導(dǎo)(guided)與學(xué)生獨(dú)立完成。以Energy單元為例，教師引導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)包括：①根據(jù)課本給出的調(diào)查報(bào)告的指引探索能量的來(lái)源及使用；②制作和使用簡(jiǎn)易溫度計(jì)；③探索太陽(yáng)的能量是否可以加熱食物以及不同位置與不同材料對(duì)熱量的吸收效果的影響。教師指導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)包括：①用不同的力壓縮彈簧使小球產(chǎn)生移動(dòng)，觀察小球移動(dòng)距離與力的關(guān)系，確定能量可以引發(fā)運(yùn)動(dòng)、勢(shì)能可以轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；②探究熱是如何產(chǎn)生的，設(shè)計(jì)并制作模型，觀察熱源里物體溫度的持續(xù)上升；③通過(guò)黃油在不同材質(zhì)的物體上融化的速度來(lái)測(cè)試材質(zhì)的導(dǎo)熱性能。學(xué)生獨(dú)立完成的實(shí)驗(yàn)：根據(jù)課本內(nèi)容提示，綜合各種學(xué)習(xí)資源，研究混合動(dòng)力汽車案例。除實(shí)驗(yàn)外，該單元設(shè)有“工程與技術(shù)”一節(jié)，介紹與STEM聯(lián)系的內(nèi)容——壓電效應(yīng)，解釋能量可以被轉(zhuǎn)化、鑒別，介紹可以實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)化的產(chǎn)品及過(guò)程并描述壓電設(shè)備如何使機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。該項(xiàng)目為學(xué)習(xí)者提供機(jī)會(huì)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，小組成員根據(jù)設(shè)計(jì)過(guò)程的步驟制作太陽(yáng)能加熱器，實(shí)驗(yàn)針對(duì)設(shè)計(jì)有著嚴(yán)格的科學(xué)要求,學(xué)習(xí)者設(shè)計(jì)的模型必須有其科學(xué)性與合理性。

四、與英文數(shù)學(xué)相聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科式融合

2006年，美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)的G.Yakman在STEM教育的基礎(chǔ)上提出STEAM教育，即將藝術(shù)(Arts)融入STEM教育中，強(qiáng)化學(xué)習(xí)者的藝術(shù)熏陶和人文底蘊(yùn)。④A中包含的語(yǔ)言藝術(shù)是美國(guó)21世紀(jì)學(xué)習(xí)框架中核心學(xué)科的重要組成之一，旨在培養(yǎng)學(xué)習(xí)者對(duì)書面語(yǔ)言以及口頭語(yǔ)言的理解能力和運(yùn)用能力，包括閱讀、拼寫、溝通等內(nèi)容。NGSS對(duì)教學(xué)實(shí)踐和科學(xué)教學(xué)的轉(zhuǎn)變要求與《通用州核心標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)英語(yǔ)語(yǔ)言藝術(shù)和數(shù)學(xué)的要求的掌握程度表述相一致，教材內(nèi)容與其呼應(yīng)，圍繞“能量”這一主題展開(kāi)包括數(shù)學(xué)、寫作、語(yǔ)言藝術(shù)各門學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容。

以英語(yǔ)語(yǔ)言藝術(shù)為例，在閱讀方面，教師給出關(guān)鍵詞和提示，要求學(xué)習(xí)者進(jìn)行自主閱讀，根據(jù)教材的文本內(nèi)容的細(xì)節(jié)和例子解釋文本內(nèi)容，準(zhǔn)確提取核心概念。期望學(xué)習(xí)者能基于文本中的具體信息，解釋歷史性、科技性或技術(shù)性文本中的事件、過(guò)程、觀點(diǎn)，概括發(fā)生的事件及發(fā)生原因等相關(guān)情況。在寫作方面，鼓勵(lì)學(xué)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(kāi)始前，在“科學(xué)筆記”中寫下對(duì)于核心問(wèn)題的理解；結(jié)束后鼓勵(lì)學(xué)習(xí)者給朋友寫一封郵件，告訴他們?nèi)粘Ｉ钪心芰康膩?lái)源、轉(zhuǎn)化和使用。這種方式培養(yǎng)了學(xué)習(xí)者基于日常生活經(jīng)驗(yàn)獲取信息，從紙質(zhì)或電子資源收集信息、做筆記、進(jìn)行信息分類、提供資源列表，并且能從文本中的實(shí)際現(xiàn)象中提取證據(jù)進(jìn)行分析、反思和研究的能力。

再如數(shù)學(xué)，該單元設(shè)有“做數(shù)學(xué)”欄目，從最簡(jiǎn)單的讀數(shù)到使用四種運(yùn)算法則解決整數(shù)的多步運(yùn)算問(wèn)題，再到根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化方案，使用心算和估算評(píng)測(cè)答案的合理程度。課本與之相關(guān)的內(nèi)容包括計(jì)算閃電在一定時(shí)間穿行的距離、讀取溫度計(jì)上的華氏度和攝氏度給出房屋材料價(jià)格，計(jì)算房屋造價(jià)等。這種與文法和數(shù)學(xué)相結(jié)合的方式，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)課程的過(guò)程中提升自己的閱讀寫作能力和數(shù)學(xué)運(yùn)算水平，學(xué)習(xí)不存在學(xué)科邊界，模糊的學(xué)科界限讓學(xué)習(xí)者對(duì)知識(shí)的運(yùn)用更加游刃有余，這種跨學(xué)科的課程整合更有利于學(xué)習(xí)者認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)。

五、總結(jié)

教材內(nèi)容圍繞大概念展開(kāi)，由淺入深、逐步推進(jìn)。教師使用“5E”教學(xué)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(píng)估（Evaluate）五個(gè)階段。教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行聯(lián)系性、擴(kuò)展性活動(dòng)，從簡(jiǎn)易的、一般的到具有挑戰(zhàn)性的小型課題，學(xué)生在完成課題的過(guò)程中，不僅利用書本知識(shí)，也從社區(qū)媒介等多種渠道獲取信息，學(xué)習(xí)者獲得知識(shí)的方式更具立體性。學(xué)習(xí)者從日常生活中形成的一般觀點(diǎn)到通過(guò)課堂學(xué)習(xí)提出科學(xué)概念，將科學(xué)融入生活；通過(guò)閱讀教材習(xí)得科學(xué)詞匯術(shù)語(yǔ)、撰寫科學(xué)論文，提升寫作能力；通過(guò)制訂計(jì)劃、親身實(shí)踐提升探究技能；最后總結(jié)、交流觀點(diǎn)，提升表達(dá)能力。

小學(xué)生尚未形成穩(wěn)定的學(xué)習(xí)方式，不具備成熟的學(xué)習(xí)技能，因而教材內(nèi)容的編排應(yīng)更加多元化，便于學(xué)生進(jìn)行多元學(xué)習(xí)。Science Fusion正是專門為實(shí)現(xiàn)探究式、科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育而設(shè)計(jì)。教師采用多種教學(xué)方式，讓學(xué)習(xí)在實(shí)際生活中發(fā)生，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中進(jìn)行了獨(dú)立的腦力勞動(dòng)，也親身參與實(shí)踐，在實(shí)踐中體驗(yàn)、感悟、升華，變被動(dòng)、接受式學(xué)習(xí)為主動(dòng)參與式學(xué)習(xí)，學(xué)生能解釋常見(jiàn)的科學(xué)現(xiàn)象，熟悉并掌握科學(xué)原理，獨(dú)立解決相關(guān)科學(xué)問(wèn)題，更能科學(xué)地認(rèn)識(shí)世界。