萬延嵐 王瑩潔

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

關鍵詞：美國 《科學的維度》 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《下一代科學教育標準》（Next Generation Science Standards，NGSS）。NGSS是在NRC發(fā)布的綱領性文件《K-12科學教育框架：科學實踐、交叉概念、學科核心觀念》（以下簡稱《框架》）的理念基礎上研發(fā)的，主要由“學科核心觀念”“交叉概念”“科學與工程實踐”三個維度交織而成，這三個維度通過“表現(xiàn)預期”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、技術、工程、藝術、數(shù)學（STEM）之間的相互聯(lián)系，以及科學技術在社會生產(chǎn)生活中的應用為指導的美國最新小學科學教材《科學的維度》（Science Dimensions，SD）應運而生。該書由全球著名教育出版集團霍頓·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科學教育最前沿的理念、方法和內(nèi)容，旨在幫助教師和學生以全新的方式進行科學教學和學習。

我國于2017年頒布了最新修訂的《義務教育科學課程標準》。不同版本的小學科學教材的編寫和修訂工作也正在如火如荼地進行。全面深入分析美國最新小學科學教科書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科學教科書的編制與修訂、對科學教師的教學和學生學習提供啟示。

二、SD教材概貌及編寫理念

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

（一）旨在提高所有學生的科學成就水平

SD教材設置的課程內(nèi)容旨在提高所有學生的科學成就水平，更好地激發(fā)學生對科學的好奇心，為學生步入大學繼續(xù)深造、步入社會求職和成為合格的公民做好準備。SD教材的課程材料與NGSS中的“學科核心觀念”“交叉概念”和“科學與工程實踐”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，以使學生達到“表現(xiàn)預期”（performance expectations），從而更好地幫助學生取得成功。

（二）以學習活動為導向的學習

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

（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計，工程和設計在當前社會的重要性不言而喻[1]。因此，SD教材每冊書均以“工程設計”主題為引領，并且后續(xù)單元均對工程設計內(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多學科融合的方式，將STEAM學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，充分將藝術與科學相融合，加深學生對音調(diào)的記憶以及對聲音相關知識的理解?？v觀整套教材，這種科學與藝術融合的編寫內(nèi)容比比皆是。

（四）提高學生在科學課堂的讀寫技能和數(shù)學技能

數(shù)學推理的嚴謹性、數(shù)學符號的簡潔性、知識應用的廣泛性使數(shù)學成為一切科學的核心[2]。因此，SD教材特別強調(diào)數(shù)學在科學研究中的作用，教材專門設置了“做數(shù)學”欄目，引導學生利用數(shù)學工具解決實際科學問題。同時，SD教材非常注重學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要求學生“用科學的語言來解釋車的重量與產(chǎn)生噪音的關系”，這些內(nèi)容能夠很好地發(fā)展學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的三維學習和實踐應用融入學生每一天的學習之中，從而提高學生的“表現(xiàn)預期”。教材采用可量化的評價模式，在每一單元專門設置了“表現(xiàn)任務”欄目，例如G4-U2的“表現(xiàn)任務”提出“能清晰地陳述自己的項目”“能描述你設計的程序及所使用的材料”等評價標準，讓學生的表現(xiàn)更加直觀、可測評。同時，SD教材中學習過程的每一步都包括評價策略，為教師預測和評估學生在NGSS中的“表現(xiàn)預期”提供了指導。

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，同時由于我國科學課程主要在小學階段實踐，所以本文重點對SD教材K-5年級的課程內(nèi)容進行分析。SD教材K-5年級的課程內(nèi)容主要基于工程技術、物質(zhì)科學、生命科學、地球和空間科學四個內(nèi)容領域展開，每個領域在每個年級安排1～3個單元，每個單元選用2～4個與該領域有關的內(nèi)容作為探究主題，將科學與社會緊密聯(lián)系起來，凸顯“科學是解決實際問題的核心學科”這一教育理念。SD教材K-5年級單元主題及其對應的內(nèi)容領域如表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、物質(zhì)科學、生命科學、地球和空間科學主題依次呈現(xiàn)的?！肮こ碳夹g”所選內(nèi)容貼近學生的生活實際，注重工程設計過程，偏重科學方法的形成;“物質(zhì)科學”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”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，學生理解起來有一定的難度;“地球和空間科學”內(nèi)容抽象程度最高，需要學生具備較強的思維能力和豐富的想象力，因此安排在最后。這樣的編排符合學生的認知發(fā)展，有助于學生的學習和理解。

具體地，每個年級的SD教材均將“工程技術”作為第一單元，統(tǒng)領其后的物質(zhì)科學、生命科學、地球和空間科學等相關知識。“工程技術”單元提出的思想理念、思路方法及相關內(nèi)容在后面幾章的學習中起到引領作用。同時，后續(xù)單元也對第一單元工程技術的內(nèi)容進行了應用和實踐，這種編排方式對學生知識的橫向積累和實踐應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”?？梢钥闯觯@個探究活動重點讓學生運用“工程設計過程”單元介紹的“比較”思想去完成，同時，探究活動也讓學生對“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”單元均非常強調(diào)“設計過程”——定義問題、計劃與建模、測試與改進、重新設計、交流討論，三至五年級的“工程技術”單元比較注重“探究活動”的基本思路——目標、步驟、記錄結(jié)果、分析結(jié)果、得出結(jié)論，而這種設計過程和基本思路在后續(xù)單元的學習活動中都發(fā)揮了重要的方法引領作用。第三，具體內(nèi)容方面。例如，G4“工程技術”單元介紹了設計“聽力增強設備”，包括讓學生觀察并比較不同動物的耳朵，引導學生從自然界的動物身上獲得啟發(fā)和設計靈感;而到了第五單元“動物的結(jié)構(gòu)及其功能”，便設置了主題“來自大自然的靈感”，讓學生比較不同動物的身體部分、介紹生物仿生學等內(nèi)容，進一步領悟大自然生物的神奇，以及在工程設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”主題是SD教材有別于我國科學教材的一個重要內(nèi)容，本文重點以“工程技術”主題為例，詳細介紹SD教材的縱向內(nèi)容呈現(xiàn)方式。表2詳細列舉了K-5年級“工程技術”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”單元一直在圍繞工程師，設計過程，定義問題，設計方案，改進方案，工程與科學、數(shù)學和社會的關系等工程設計的核心內(nèi)容設置主題，內(nèi)容螺旋上升，反復出現(xiàn)，依次遞進，逐步深化。

從“工程技術”單元設置的核心活動主題看，K-2年級每課的學習活動主題涉及的內(nèi)容要求較低，基本上是讓學生運用“工程設計過程”的五個步驟，對所設置的主題定義問題、思考并設計方案、進行問題解決等。而從G3開始，學習活動主題的要求明顯提高，涉及的工程設計系統(tǒng)因素更加復雜，尤其是對學生的系統(tǒng)設計能力、利用科學和數(shù)學建模的能力以及團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“設計過程”的五個步驟，引導學生初步感受工程、技術和工程設計過程。在此基礎上，G2開始引入比較的思想，引導學生對比設計方案。G3引入“標準”和“限制”兩個新的核心概念，告訴學生在設計方案時應考慮是否滿足標準、有哪些限制等，并鼓勵學生運用“頭腦風暴”的方式設計方案，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)容的基礎上，進一步引入公平測試、失敗分析、優(yōu)化方案等核心概念，引導學生學會通過團隊合作改善設計方案，在失敗分析中優(yōu)化設計方案。最后，G5從工程—技術—社會之間關系的高度，對技術的影響、工程設計過程、工程與科學、工程與數(shù)學等內(nèi)容進行了詳細深入的介紹，并從社會視角引出決策矩陣的概念，教會學生做出科學正確的決策。

可以看出，SD教材就“工程技術”領域，圍繞工程和技術主題，從K-5年級向?qū)W生由淺入深地介紹了工程技術的相關內(nèi)容，知識容量和知識難度階梯式螺旋上升，充分考慮了小學生的認知發(fā)展水平和特點。其他三個領域的主題內(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指導下的美國全新的小學科學教材，旨在幫助教師和學生以全新的方式進行科學學習?！八街?，可以攻玉”，本文通過對SD教材進行深入分析，對我國科學教科書的編制和科學教學提出如下啟示。

（一）加強學生對核心概念的記憶和深度理解，形成學科基本觀念

早在1996年，《美國國家科學教育標準》便明確提出以促進學生基本科學概念理解能力發(fā)展為重要目標的框架體系和理念[3]?！犊蚣堋泛蚇GSS中更是提出了“學科核心觀念”，并將其作為構(gòu)成理念內(nèi)容的三個維度之一。可見，美國教育對學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，從每課開頭設置的“單元詞匯”欄目，到文本中對核心概念的標黃或加粗，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)絡探索等方式，強化學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生對科學知識的學習和問題解決，因此，在教材編寫和教育教學中應注重加強學生對核心概念的記憶和深度理解，促進學生形成學科基本觀念。[4]

（二）重視利用工程設計過程提高學生的問題解決能力

《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的魅力，能夠應用足夠的科學與工程學知識，可以將所學知識應用于與日常生活相關的工程、技術情境中去。因此，SD教材將工程設計過程作為課程的組成成分，將“工程設計”作為每冊教材的第一單元，鼓勵學生“像科學家和工程師一樣思考”，并要求學生在團隊內(nèi)利用頭腦風暴的方式產(chǎn)生靈感，定義問題、計劃與建模、測試與改進、重新設計、交流與討論，從而解決現(xiàn)實生活中的問題，培養(yǎng)學生解決問題的能力。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計，因此，利用工程設計過程提高學生的問題解決能力將是提高學生素養(yǎng)的有效途徑。

（三）注重激發(fā)學生對STEAM職業(yè)生涯的興趣

SD教材非常重視激勵學生在未來的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相關的職業(yè)，從小培養(yǎng)學生對STEAM的興趣，為其未來選擇STEAM職業(yè)打下基礎。我國學生對科學的總體態(tài)度是積極的，但研究表明隨著年級的升高，這種對科學的積極態(tài)度和學習科學的興趣反而有所下降[5]。因此，STEAM教育如何增加學生對STEAM學習的積極性，如何激發(fā)所有學生對STEAM職業(yè)生涯的興趣，是需要引起關注和思考的。

（四）基于學習結(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——“學科核心觀念”“交叉概念”“科學與工程實踐”出發(fā)，圍繞學生的“表現(xiàn)預期”，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)這三個維度的標準相關，從而更好地達成“表現(xiàn)預期”。這種密切圍繞國家課程標準的核心維度內(nèi)容，基于要求學生達成的學習結(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。

參考文獻：

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[3]國家研究理事會.美國國家科學教育標準[S]. 北京： 科學技術文獻出版社， 2002.

[4]畢華林，萬延嵐.化學基本觀念： 內(nèi)涵分析與教學建構(gòu)[J]. 課程·教材·教法， 2014（4）：76-83.

[5]杜秀芳，高艷.中小學生對科學的態(tài)度特點研究[J]. 課程·教材·教法， 2010（9）：87-91.

編輯 朱婷婷 ? 校對 王亭亭