美国小学科学教材《科学的维度》分析与启示

万延岚 王莹洁

摘   要：全球著名教育出版集团霍顿·米夫林·哈考特出版社于2018年初出版了美国最新小学科学教材《科学的维度》。文章从教材编写理念、课程内容组织方式等方面对其进行深入分析，以期对我国新一轮小学科学教科书的编制与修订、对科学教师的教学和学生学习提供借鉴和启示。

关键词：美国 《科学的维度》 教科书 K-5

一、引言

2013年4月，美国国家研究委员会（NRC）发布了《下一代科学教育标准》（Next Generation Science Standards，NGSS）。NGSS是在NRC发布的纲领性文件《K-12科学教育框架：科学实践、交叉概念、学科核心观念》（以下简称《框架》）的理念基础上研发的，主要由“学科核心观念”“交叉概念”“科学与工程实践”三个维度交织而成，这三个维度通过“表现预期”融合在一起，共同构成一个有机的整体。NGSS发布后，以突出科学、技术、工程、艺术、数学（STEM）之间的相互联系，以及科学技术在社会生产生活中的应用为指导的美国最新小学科学教材《科学的维度》（Science Dimensions，SD）应运而生。该书由全球著名教育出版集团霍顿·米夫林·哈考特出版社（Houghton Mifflin Harcourt，HMH）于2018年出版，是一套极具特色、专门针对NGSS全新打造的教材，反映了美国K-12科学教育最前沿的理念、方法和内容，旨在帮助教师和学生以全新的方式进行科学教学和学习。

我国于2017年颁布了最新修订的《义务教育科学课程标准》。不同版本的小学科学教材的编写和修订工作也正在如火如荼地进行。全面深入分析美国最新小学科学教科书SD的编写理念、课程内容的组织方式等，可为我国新一轮小学科学教科书的编制与修订、对科学教师的教学和学生学习提供启示。

二、SD教材概貌及编写理念

SD是一套崭新的K-12科学教材，主要根据美国最新科学教育标准NGSS编写。纵观整套教材可以看出，教材并非孤立地介绍科学知识，而是将相关知识放到社会这个宏观背景下进行呈现和组织，为提高学生在科学方面的成就、为教师进行科学工程教学提供了真实的方法。具体而言，SD教材主要基于以下核心理念编制。

（一）旨在提高所有学生的科学成就水平

SD教材设置的课程内容旨在提高所有学生的科学成就水平，更好地激发学生对科学的好奇心，为学生步入大学继续深造、步入社会求职和成为合格的公民做好准备。SD教材的课程材料与NGSS中的“学科核心观念”“交叉概念”和“科学与工程实践”三个维度内容相一致，并创造性地将基于这三个维度构成的课程体系巧妙地融合到每节课中，以使学生达到“表现预期”（performance expectations），從而更好地帮助学生取得成功。

（二）以学习活动为导向的学习

在SD教材中，学习活动不是学习的辅助手段，而是每节课的基础，同时都围绕一个主题展开。学习活动以生动的生活情境驱动学生对知识的自主探索，倡导团队合作设计解决方案，为学生提供大量的合作机会。学生进行实验与实践、建立模型、提供证据支持、得出结论、团队交流讨论，这些学习活动极大地增强了学生的逻辑推理能力，有利于学生批判性思维的形成和发展。SD教材这种以学习活动为导向的编写方式，为学生像科学家一样思考和解决问题奠定了基础。

（三）工程和STEAM是整套课程的重要组成部分

工程和STEAM是该套科学课程的重要组成部分。几乎所有的社会功能和社会活动都包含工程和设计，工程和设计在当前社会的重要性不言而喻[1]。因此，SD教材每册书均以“工程设计”主题为引领，并且后续单元均对工程设计内容有所体现和运用，这种编写理念和编排方式在目前全世界科学教科书中是很少见的。同时，SD教材的课程内容采用STEAM多学科融合的方式，将STEAM学科交叉融合成一个有机整体。需要特别指出的一点是，SD教材创造性地融入了艺术元素。例如，一年级第2单元第1课（简称G1-U2-L1，下同）讲解“音调”时，以钢琴的低音区与高音区为例，同时还介绍了贝多芬的事迹，充分将艺术与科学相融合，加深学生对音调的记忆以及对声音相关知识的理解。纵观整套教材，这种科学与艺术融合的编写内容比比皆是。

（四）提高学生在科学课堂的读写技能和数学技能

数学推理的严谨性、数学符号的简洁性、知识应用的广泛性使数学成为一切科学的核心[2]。因此，SD教材特别强调数学在科学研究中的作用，教材专门设置了“做数学”栏目，引导学生利用数学工具解决实际科学问题。同时，SD教材非常注重学生的阅读和写作素养，K-2年级强调阅读和词汇的积累，三至五年级注重语言的比较与运用。例如，G1-U3-L2首次介绍“棱镜”时，专门呈现了一篇科普小短文;G4-U2-L3要求学生“用科学的语言来解释车的重量与产生噪音的关系”，这些内容能够很好地发展学生的阅读和写作素养。

（五）基于表现的评价

SD教材力求将NGSS的三维学习和实践应用融入学生每一天的学习之中，从而提高学生的“表现预期”。教材采用可量化的评价模式，在每一单元专门设置了“表现任务”栏目，例如G4-U2的“表现任务”提出“能清晰地陈述自己的项目”“能描述你设计的程序及所使用的材料”等评价标准，让学生的表现更加直观、可测评。同时，SD教材中学习过程的每一步都包括评价策略，为教师预测和评估学生在NGSS中的“表现预期”提供了指导。

三、SD教材内容的组织

目前，SD教材只有K-5年级公开发售，同时由于我国科学课程主要在小学阶段实践，所以本文重点对SD教材K-5年级的课程内容进行分析。SD教材K-5年级的课程内容主要基于工程技术、物质科学、生命科学、地球和空间科学四个内容领域展开，每个领域在每个年级安排1～3个单元，每个单元选用2～4个与该领域有关的内容作为探究主题，将科学与社会紧密联系起来，凸显“科学是解决实际问题的核心学科”这一教育理念。SD教材K-5年级单元主题及其对应的内容领域如表1所示。

（一）横向内容组织方式

从表1可以看出，每个年级的SD教材是按照工程技术、物质科学、生命科学、地球和空间科学主题依次呈现的。“工程技术”所选内容贴近学生的生活实际，注重工程设计过程，偏重科学方法的形成;“物质科学”主要研究肉眼可以直接观察或者能够用感官感知的内容;“生命科学”涉及动植物、器官及生态系统方面的知识，具有一定的抽象性，学生理解起来有一定的难度;“地球和空间科学”内容抽象程度最高，需要学生具备较强的思维能力和丰富的想象力，因此安排在最后。这样的编排符合学生的认知发展，有助于学生的学习和理解。

具体地，每个年级的SD教材均将“工程技术”作为第一单元，统领其后的物质科学、生命科学、地球和空间科学等相关知识。“工程技术”单元提出的思想理念、思路方法及相关内容在后面几章的学习中起到引领作用。同时，后续单元也对第一单元工程技术的内容进行了应用和实践，这种编排方式对学生知识的横向积累和实践应用能力有非常重要的作用。具体体现在以下三个方面。第一，思想理念方面。例如，G2“工程设计过程”单元向学生介绍了“比较”的思想，而到了第二单元“物质”中，教材便设计了探究活动“比较材料的形状、硬度、弹性等，制订计划测试哪一种材料更适合作枕头填充物并比较测试结果”。可以看出，这个探究活动重点让学生运用“工程设计过程”单元介绍的“比较”思想去完成，同时，探究活动也让学生对“比较”思想有了更加深入的理解和体会。第二，思路方法方面。K-2年级的“工程技术”单元均非常强调“设计过程”——定义问题、计划与建模、测试与改进、重新设计、交流讨论，三至五年级的“工程技术”单元比较注重“探究活动”的基本思路——目标、步骤、记录结果、分析结果、得出结论，而这种设计过程和基本思路在后续单元的学习活动中都发挥了重要的方法引领作用。第三，具体内容方面。例如，G4“工程技术”单元介绍了设计“听力增强设备”，包括让学生观察并比较不同动物的耳朵，引导学生从自然界的动物身上获得启发和设计灵感;而到了第五单元“动物的结构及其功能”，便设置了主题“来自大自然的灵感”，让学生比较不同动物的身体部分、介绍生物仿生学等内容，进一步领悟大自然生物的神奇，以及在工程设计和问题解决过程中，从大自然中获得启发和解决问题的思路。前后章节融会贯通，一脉相承。

（二）纵向内容组织方式

SD教材各个单元主题在不同年级的知识难度和知识容量都是螺旋上升的。鉴于“工程技术”主题是SD教材有别于我国科学教材的一个重要内容，本文重点以“工程技术”主题为例，详细介绍SD教材的纵向内容呈现方式。表2详细列举了K-5年级“工程技术”单元的核心活动主题以及涉及的核心概念和内容。可以看出，K-5年级“工程技术”单元一直在围绕工程师，设计过程，定义问题，设计方案，改进方案，工程与科学、数学和社会的关系等工程设计的核心内容设置主题，内容螺旋上升，反复出现，依次递进，逐步深化。

从“工程技术”单元设置的核心活动主题看，K-2年级每课的学习活动主题涉及的内容要求较低，基本上是让学生运用“工程设计过程”的五个步骤，对所设置的主题定义问题、思考并设计方案、进行问题解决等。而从G3开始，学习活动主题的要求明显提高，涉及的工程设计系统因素更加复杂，尤其是对学生的系统设计能力、利用科学和数学建模的能力以及团队合作能力提出了更大的挑战。从涉及的核心概念和具体内容看，K-1年级主要围绕“工程师的职业”和“设计过程”的五个步骤，引导学生初步感受工程、技术和工程设计过程。在此基础上，G2开始引入比较的思想，引导学生对比设计方案。G3引入“标准”和“限制”两个新的核心概念，告诉学生在设计方案时应考虑是否满足标准、有哪些限制等，并鼓励学生运用“头脑风暴”的方式设计方案，同时初步引入对“失败的意义”和“同行的作用”等的思考。G4在巩固G3核心内容的基础上，进一步引入公平测试、失败分析、优化方案等核心概念，引导学生学会通过团队合作改善设计方案，在失败分析中优化设计方案。最后，G5从工程—技术—社会之间关系的高度，对技术的影响、工程设计过程、工程与科学、工程与数学等内容进行了详细深入的介绍，并从社会视角引出决策矩阵的概念，教会学生做出科学正确的决策。

可以看出，SD教材就“工程技术”领域，围绕工程和技术主题，从K-5年级向学生由浅入深地介绍了工程技术的相关内容，知识容量和知识难度阶梯式螺旋上升，充分考虑了小学生的认知发展水平和特点。其他三个领域的主题内容也同样遵循由浅入深、由易到难、逐步深化提升的编写规律，这使得整套SD教材在不同年级之间衔接自然，浑然一体。

四、启示与建议

SD教材作为NGSS指导下的美国全新的小学科学教材，旨在帮助教师和学生以全新的方式进行科学学习。“他山之石，可以攻玉”，本文通过对SD教材进行深入分析，对我国科学教科书的编制和科学教学提出如下启示。

（一）加强学生对核心概念的记忆和深度理解，形成学科基本观念

早在1996年，《美国国家科学教育标准》便明确提出以促进学生基本科学概念理解能力发展为重要目标的框架体系和理念[3]。《框架》和NGSS中更是提出了“学科核心观念”，并将其作为构成理念内容的三个维度之一。可见，美国教育对学科核心概念和观念的重视。SD教材很好地贯彻了这一理念的引导，从每课开头设置的“单元词汇”栏目，到文本中对核心概念的标黄或加粗，再到每册后面的“互动词汇表”板块，借助词汇游戏、画图画、网络探索等方式，强化学生对概念的记忆和深度理解，充分显示了教材对概念理解和观念建构的重视。概念的理解和观念的形成影响着学生对科学知识的学习和问题解决，因此，在教材编写和教育教学中应注重加强学生对核心概念的记忆和深度理解，促进学生形成学科基本观念。[4]

（二）重视利用工程设计过程提高学生的问题解决能力

《框架》指出，要保证全美高中生在毕业之后仍然能够感受科学的魅力，能够应用足够的科学与工程学知识，可以将所学知识应用于与日常生活相关的工程、技术情境中去。因此，SD教材将工程设计过程作为课程的组成成分，将“工程设计”作为每册教材的第一单元，鼓励学生“像科学家和工程师一样思考”，并要求学生在团队内利用头脑风暴的方式产生灵感，定义问题、计划与建模、测试与改进、重新设计、交流与讨论，从而解决现实生活中的问题，培养学生解决问题的能力。如前所述，几乎所有的社会功能和社会活动都包含工程和设计，因此，利用工程设计过程提高学生的问题解决能力将是提高学生素养的有效途径。

（三）注重激发学生对STEAM职业生涯的兴趣

SD教材非常重视激励学生在未来的STEAM事业中脱颖而出，整套教材中，STEAM课程内容占据了很大篇幅，从幼儿园开始就逐渐向学生渗透STEAM职业理念，每一单元都会介绍至少一种与STEAM相关的职业，从小培养学生对STEAM的兴趣，为其未来选择STEAM职业打下基础。我国学生对科学的总体态度是积极的，但研究表明随着年级的升高，这种对科学的积极态度和学习科学的兴趣反而有所下降[5]。因此，STEAM教育如何增加学生对STEAM学习的积极性，如何激发所有学生对STEAM职业生涯的兴趣，是需要引起关注和思考的。

（四）基于學习结果深度整合教材内容

如前所述，SD教材是基于NGSS的理念和内容编制的，从NGSS的三个维度——“学科核心观念”“交叉概念”“科学与工程实践”出发，围绕学生的“表现预期”，制定出与其相融合的课程体系，保证每节课的课程内容都与实现这三个维度的标准相关，从而更好地达成“表现预期”。这种密切围绕国家课程标准的核心维度内容，基于要求学生达成的学习结果深度整合教材内容的组织方式，能够让整套教材内容紧凑有序，浑然一体。这种组织方式值得思考和借鉴。

参考文献：

[1]JOHNSON R. Science and society： reflections on science education sustainability， and the responsibility of scientists[J]. Rendiconti Lincei， 2012（1）： 7-12.

[2]尚玉伟，李公立.数学教育对我国社会发展的重要性[J]. 继续教育研究， 2010（11）： 165-166.

[3]国家研究理事会.美国国家科学教育标准[S]. 北京： 科学技术文献出版社， 2002.

[4]毕华林，万延岚.化学基本观念： 内涵分析与教学建构[J]. 课程·教材·教法， 2014（4）：76-83.

[5]杜秀芳，高艳.中小学生对科学的态度特点研究[J]. 课程·教材·教法， 2010（9）：87-91.

编辑 朱婷婷   校对 王亭亭