基于NGSS的美国小学科学教材分析——以Science Fusion中“能量”单元为例

强东

（福建师范大学教育学部，福建福州 350108）

美国继2011年发布《K-12年级科学教育框架:实践、跨学科概念和核心概念》（以下简称《框架》）之后，于2013年4月正式发布《新一代科学教育标准》（Next Generation Science Standards；For states,By States，以下简称 NGSS）。NGSS包括生命科学、物质科学、地球与空间科学和工程、技术与科学的应用四个学科的内容，聚焦于对课本更深的理解和应用。其以表现期望的形式，向不同年级的学习者提出学习目标与要求，让学习者在多年的学校生活中，积极参与科学工程实践、运用跨学科概念深度理解不同领域的核心概念，旨在为美国科学教育提供一个新视角，不仅为科学教育也为学习者发展提供重要机会。整合在NGSS中的“科学与工程实践”从幼儿园贯穿至高中，强调学习者从理论上分析问题到从实践上解决问题的进一步转化，要求学习者能理解科学知识、掌握科学方法、认清科学本质。

Science Fusion 是由全球第三大教育出版集团霍顿米夫林哈考特集团出版的一套顶级科学教材，除基础课本外，还包括《探究活动挂图册》《探究日志与迷你课程》《词汇表》《规划指南》与《评估指南》等一系列配套资料。除此之外,还为教师及学生提供在线学习资源，包括数字化课程、虚拟实验室及相关科学视频，配套资料完善全面。

一、以表现期望为导向，融合三维概念

NGSS注重学习者的表现期望而非课程，即便每种表现期望中都包含科学和工程实践、学科核心概念和跨学科概念，但这种融合也未预先决定三者如何在课程、单元和课堂相联系。表现期望仅阐述了学习者自该年级结束时能了解到什么和能够做什么。NGSS从上述三个角度入手设计能帮助学习者达到这些标准的教学项目。本文以四年级第九单元Energy为例，分析其表现期望和三维概念，如表2.1所示。

表1 Energy单元的表现期望

本单元以冲浪现象引出“能量”这一主题，直接给出大概念——热量是一种可以在物体间传递的能量形式，这是更为宏观和概括性的认识，起统领作用。单元内容围绕六个关键问题展开，每个问题构成一节课，是对核心问题的具体化和细化。学习者带着问题进入学习，通过阅读文本、探究实践掌握该单元的核心概念，如表2所示。

表2 Energy单元的核心概念

续表

二、基于真实问题情景，实现自主知识建构

建构主义强调学习是认知者在原有知识经验的基础上，在一定的社会文化环境中，主动对新信息进行加工处理、建构知识表征的过程。①在含义多重的概念学习中，学习者需要将概念与它们所属的情境或领域相联系，并在其中理解概念的含义。②学习者习惯以其自身的经验来理解和建构新的知识或信息，教学要让学习者在现实世界感受、体验意义建构。因而，教材内容的选材应来源于真实生活，教学应该使学习发生在一个与真实情境相似的环境中。

该单元选取的案例与实践性和经验性的真实世界相联系，以生活中常见的现象为切入点，引导学习者思考这些现象的成因，学会从生活中发现问题、解决问题。例如第一节中以过山车和孩子玩的弹簧高跷为例，引出动能、势能和机械能的概念，以闪电现象引出光能、声能的概念；第三节以手掌中雪球的融化、热汤中汤勺温度的变化及烧水水温的变化来说明传导可以使热量在物体间转移，以感受到篝火的热量为例引出辐射的概念；第五节介绍暖水瓶的构造及工作原理、隔热房屋的结构让学习者理解区分导体与绝缘体，课后让学习者在自家厨房中寻找导热性能较佳的导体和绝热性能较佳的绝缘体，带到课堂上做展示介绍。教材课后习题与《评估指南》习题的选择也与真实生活情景相关，例如该单元的填空题以手机发烫现象为例展开对话，描述现象，让学生补充对话中缺失的术语，以复习相关概念；选择题辅以漫画式的生活情景配图，让学生选择合适的选项来解释现象成因；简答题则以日常生活中的常见现象为例，让学习者运用学习内容加以解释。这种教材内容的设置将科学生活化，让学生发现科学并非遥不可及。

NGSS不局限于当前的课本知识学习，更是为学习者步入大学、未来就业、成为公民做准备。与此相匹配，教材单元小节后有专题介绍相关的科学职业，Energy单元介绍的是有关地热技术人员的职业性质，其中包括地热能作为一种绿色能源的来源和相关技术人员的大致工作内容。课后问题指引学习者思考未来是否愿意从事相关工作。这一专题的设置让学习者明白科学家和工程师的工作是充满创造性的，他们改进现有技术或开发新技术能对世界产生深刻影响。学生也了解到科学、工程和技术对社会和自然界的影响，明白科学影响着日常生活。这不仅会加深学生对工程师的工作以及科学与工程之间的联系的理解，也丰富了他们的志趣和理想，引发他们思考自己的职业规划。通过对现实的案例研读分析，学生发现学的知识是有重要的意义的，它能解决在社会中面临的诸多困境。

三、与STEM相结合，加强动手实践能力

杜威认为，科学教育不仅是让学习者学习大量的科学知识，更重要的是让学习者学习科学研究的过程和方法，他提倡“从做中学”，强调动手实践的重要性。施瓦布提出探究式教学，认为教师应该以探究的方式将科学呈现给学习者，学习者则应通过科学的探究活动学习科学知识。布鲁纳也提出“发现学习”，让学习者依靠自己的力量去学习，变单一的“在听中学”为“在做中学”“在体验中学”。

STEM包含科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Maths），强调工程与实践。NGSS相较于《框架》，要求对探究进行突破，将科学探究转变为科学工程与实践。科学研究的目的在于回答问题，构建科学解释。而工程设计的目的在于解决问题，设计解决方案。参与科学实践可以帮助学习者理解科学知识是如何开发，理解跨学科概念和科学与工程的学科概念。与Science Fusion配套的《活动挂图册》中，每小节都包含至少一个STEM案例，教师根据实践难度、仪器材料数目等实际情况将学习者分组，鼓励学习者合作探究问题成因，设计方案，并在实践中不断修改完善方案。这种方式能激发学生的探究兴趣，增强动手能力，实现从“学科学”到“做科学”的转变，与小组成员交流互动的过程也在提升学生的人际交往和自我表达能力。

教材的单元目录中每一课时的标题下方都配有《探究活动挂画册》的相关实验页码及标题，让学习者通过课堂学习和探究实践解答问题。探究实验按操作难度分为三类：教师引导(directed)、教师指导(guided)与学生独立完成。以Energy单元为例，教师引导的实验包括：①根据课本给出的调查报告的指引探索能量的来源及使用；②制作和使用简易温度计；③探索太阳的能量是否可以加热食物以及不同位置与不同材料对热量的吸收效果的影响。教师指导的实验包括：①用不同的力压缩弹簧使小球产生移动，观察小球移动距离与力的关系，确定能量可以引发运动、势能可以转化为动能；②探究热是如何产生的，设计并制作模型，观察热源里物体温度的持续上升；③通过黄油在不同材质的物体上融化的速度来测试材质的导热性能。学生独立完成的实验：根据课本内容提示，综合各种学习资源，研究混合动力汽车案例。除实验外，该单元设有“工程与技术”一节，介绍与STEM联系的内容——压电效应，解释能量可以被转化、鉴别，介绍可以实现能源转化的产品及过程并描述压电设备如何使机械能转化成电能。该项目为学习者提供机会进行工程设计，小组成员根据设计过程的步骤制作太阳能加热器，实验针对设计有着严格的科学要求,学习者设计的模型必须有其科学性与合理性。

四、与英文数学相联系，实现跨学科式融合

2006年，美国弗吉尼亚理工大学的G.Yakman在STEM教育的基础上提出STEAM教育，即将艺术(Arts)融入STEM教育中，强化学习者的艺术熏陶和人文底蕴。④A中包含的语言艺术是美国21世纪学习框架中核心学科的重要组成之一，旨在培养学习者对书面语言以及口头语言的理解能力和运用能力，包括阅读、拼写、沟通等内容。NGSS对教学实践和科学教学的转变要求与《通用州核心标准》中对英语语言艺术和数学的要求的掌握程度表述相一致，教材内容与其呼应，围绕“能量”这一主题展开包括数学、写作、语言艺术各门学科的教学内容。

以英语语言艺术为例，在阅读方面，教师给出关键词和提示，要求学习者进行自主阅读，根据教材的文本内容的细节和例子解释文本内容，准确提取核心概念。期望学习者能基于文本中的具体信息，解释历史性、科技性或技术性文本中的事件、过程、观点，概括发生的事件及发生原因等相关情况。在写作方面，鼓励学生写“热量日记”，观察记录日常生活中热能的特性、使用情况和影响；每小节内容开始前，在“科学笔记”中写下对于核心问题的理解；结束后鼓励学习者给朋友写一封邮件，告诉他们日常生活中能量的来源、转化和使用。这种方式培养了学习者基于日常生活经验获取信息，从纸质或电子资源收集信息、做笔记、进行信息分类、提供资源列表，并且能从文本中的实际现象中提取证据进行分析、反思和研究的能力。

再如数学，该单元设有“做数学”栏目，从最简单的读数到使用四种运算法则解决整数的多步运算问题，再到根据实际情况优化方案，使用心算和估算评测答案的合理程度。课本与之相关的内容包括计算闪电在一定时间穿行的距离、读取温度计上的华氏度和摄氏度给出房屋材料价格，计算房屋造价等。这种与文法和数学相结合的方式，让学生在学习科学课程的过程中提升自己的阅读写作能力和数学运算水平，学习不存在学科边界，模糊的学科界限让学习者对知识的运用更加游刃有余，这种跨学科的课程整合更有利于学习者认识事物本质。

五、总结

教材内容围绕大概念展开，由浅入深、逐步推进。教师使用“5E”教学模式，将每小节的课程内容划分为引入（Engage）、探索（Explore）、解释（Explain）、延伸（Extend）和评估（Evaluate）五个阶段。教师带领学生进行联系性、扩展性活动，从简易的、一般的到具有挑战性的小型课题，学生在完成课题的过程中，不仅利用书本知识，也从社区媒介等多种渠道获取信息，学习者获得知识的方式更具立体性。学习者从日常生活中形成的一般观点到通过课堂学习提出科学概念，将科学融入生活；通过阅读教材习得科学词汇术语、撰写科学论文，提升写作能力；通过制订计划、亲身实践提升探究技能；最后总结、交流观点，提升表达能力。

小学生尚未形成稳定的学习方式，不具备成熟的学习技能，因而教材内容的编排应更加多元化，便于学生进行多元学习。Science Fusion正是专门为实现探究式、科学、技术、工程和数学教育而设计。教师采用多种教学方式，让学习在实际生活中发生，学生在学习过程中进行了独立的脑力劳动，也亲身参与实践，在实践中体验、感悟、升华，变被动、接受式学习为主动参与式学习，学生能解释常见的科学现象，熟悉并掌握科学原理，独立解决相关科学问题，更能科学地认识世界。