幼儿教科书的科学启蒙探析——基于美国“Science Fusion”项目K学段学生用书的考察

龚 兵，李慧萍

（湖南师范大学 教育科学学院，湖南 长沙 410081）

科学教科书是针对儿童实施科学启蒙的重要工具和载体。进一步完善科学教科书的科学启蒙功能，提升儿童的科学素养，是各国科学教育界都高度关注的话题。“ScienceFusion”是全球最大的教育出版集团之一的霍顿·米夫林·哈考特集团（Houghton Mifflin Harcourt）于21 世纪初推出的一个科学教育项目。该项目包含K-8年级学生的系列科学教材，为每个学段设计了纸质的教师用书、学生用书，还有数字教材、学习卡片等丰富的线上和线下的学习资源，力求为学生提供一种有意义的科学学习方式。K 学段是“Science Fusion”项目的起始阶段，也是美国学制的起点。K学段的学生用书旨在为K学段（5～6岁）幼儿的自主学习服务，从科学情感、科学知识和科学方法三个维度构建了一个内容丰富、形象生动的纸媒环境，针对学前儿童开展科学启蒙教育。这本教科书的编撰思路和理念可以为我国的儿童科学启蒙教育提供重要的启示。

一、情感的启蒙：激发幼儿“做科学”的兴趣

著名的科学史家萨顿曾经说过：“无论科学活动的成果会是多么抽象，它本质上是人的活动，是人的满怀激情的活动。”[1]38这句话既道出了科学活动的本质，也指出了科学教育的一个重要使命——激发和培养人类对科学活动的激情。科学教育必须有情感的参与。科学启蒙首先应该是科学情感的启蒙，应该让儿童充分感受科学世界的神奇和魅力，激发他们探索科学世界的情感和意趣。科学教科书作为儿童学习科学的重要载体，在编撰设计上必须基于儿童的天性，渗透科学启蒙的意蕴。“Science Fusion”项目的K 学段学生用书在设计上非常重视这一点。这本教科书从封面设计、插图选择与排版，以及色彩的运用等多种要素入手，全方位地激发儿童对于科学活动的热情。

（一）封面设计

书籍封面的职责是让人第一眼看到就被吸引，从而翻开书籍[2]1。这是当代著名的平面设计师奇普·基德（Chip Kiod）对书籍封面职责的阐述。这个阐述同样也适用于儿童书籍。“Science Fusion”项目的K 学段学生用书采用了教科书封面设计中非常少见的16 开横开本，封面的上半部分是一幅以企鹅为主的大幅彩图，下半部分是几张与全书内容相关的小幅插图，整体看上去很像一本儿童绘本。这种版式设计对于教科书来说非常新颖。书籍开本的不同样式可以表达不同的情绪。横开本的教科书更容易给人以开阔的感觉，其隐喻科学课程和科学世界的丰富多样。这种大规格的横开本设计也为教科书嵌入更多插图留下了空间。当儿童看到这种版式的书籍时，很难不被吸引。

（二）插图选择

“Science Fusion”项目的K 学段学生用书的每一页都有多幅插图，图片占据该书的大部分篇幅。根据儿童的学习心理，对符号和图片的阅读是儿童吸收知识、发展能力的一个重要手段[3]。该书为了配合各个学习单元引入的科学概念，插入了很多高清写实的摄影图片。这些图片以正面和平摄的拍摄视角居多，能够客观、清晰地呈现事物的原貌。这些来源于真实世界的高清摄影插图让儿童有身临其境的感觉，极大地满足了儿童对于科学世界的好奇心，激发了他们探索科学世界的兴趣与热情。这些图片为儿童在个体生活与科学世界之间搭建起一座桥梁。

教科书在插图的设计上试图体现“以儿童为中心，以学习者的学习为中心”的设计理念[4]。插图中的人物也以儿童为主，只有极少数的成人出现在某些活动的场景中，且这些成人都是以儿童从事科学活动时的引导者和辅助者的角色出现。插图中的儿童的年龄与教材使用者的年龄相仿，男女儿童的性别比例基本一致，有着不同的种族背景。插图中的儿童或独立或协作，都自由且专注地开展着科学探究和实践。他们的着装都非常生活化，表情和神态真实逼真。

（三）色彩呈现

色彩的呈现也是儿童教科书的编撰者需要重点考虑的一大要素。这本教科书的服务对象是5～6 岁的K 学段儿童，这个年龄段的儿童大都偏爱绚丽的色彩。教科书采用了大量饱和度和明度都很高的颜色，如橙色、绿色、蓝色、红色、紫色等，并根据不同学习内容的特点，对这些颜色进行巧妙的运用和搭配，从而也满足了儿童的色彩心理和审美需要。教科书的每一课都确定了一个主色调，背景颜色、标题颜色、文字与插图加框的颜色都与主色调保持一致。这样既保证了每个版面的鲜艳醒目，同时又能避免颜色过于驳杂会干扰或影响儿童的阅读和学习。这些颜色的呈现及色彩的搭配并非仅仅考虑美学和设计的需要，也反映了大自然中各种真实场景的色彩呈现。儿童接触这些色彩的同时也会被大自然及科学世界的美与壮观所打动和震撼。

教科书力求通过颜色的对比来突出核心概念。每一课的大标题都采用了统一的主色调，课中引入的概念和词汇则采用黑色粗体字并配上白色背景，同时用彩色边框予以突出，边框颜色与这一课的主色调保持一致。这种处理方式既突出了科学概念的严肃性，又保留了儿童读物应有的活泼与趣味。

版式、色彩、插图等都是教科书外观设计中的重要元素。这本教科书中将这几个元素以不同的形式分别作用于儿童的感官。当儿童阅读教科书的时候，这些元素得以串联在一起构成一个丰富的科学世界。多种元素的叠加与融合赋予这本教科书原本静态的纸媒空间以灵性和动感，为儿童的科学学习提供了极佳的情绪背景。儿童使用这样的教科书能够使他们的感知觉、思维、情感、意志、价值观等全面参与到科学课程的学习中，从而轻松地实现科学情感的启蒙。经由这种启蒙，儿童被塑造成具体的、鲜活的、有温度的科学学习者，而不是无感情的、抽象的、被动学习的个体[5]。儿童接触和阅读这样的教科书，能够受到科学情感的启蒙，内心被激发出探索科学问题的乐趣，有助于提高他们在后续的科学学习中的具体表现[6]。

二、知识的启蒙：构建“做科学”的学习单元

学校开展的系统科学教育肩负着满足学生高认知要求，使学生能为未来的学习和职业生涯做好充分准备的任务。这本科学教科书通过十个富有挑战性的学习单元，实现对儿童的科学知识启蒙，促使儿童初步感知科学知识的魅力。表1 显示的是这本教科书所包含的学习单元，也凸显出该书的内容和框架。

表1 显示，该书的十个“学习单元”可以分为三个部分。第一部分为第一、二单元，涉及科学探究和科学实践的具体方法和工具；第二部分为第三到第十单元，包含物质、能源、运动、地球资源、天气和季节、白天和夜晚、动物、植物等多个主题；第三部分则是三个STEM活动，分别穿插于第五、第八和第十单元之后，体现出教科书对于STEM教育的渗透。

表1 Science Fusion K 学段学生用书的单元与课

（一）《新框架》和《新标准》对教科书内容的影响

根据2011—2013 年美国出台的《K-12 核心概念、跨学科概念、工程实践框架》（以下简称《新框架》）和《新一代科学教育标准》（以下简称《新标准》）的要求，K-5 年级需要认识和学习的核心概念基本一致，只是针对不同年级的学生要体现学习进阶的要求。K 学段与低年级主要侧重于识别概念[7]2。这本教科书对K学段的设计注重该学段未来与其他学段的接轨。因而，这本K 学段的教科书所引入的科学概念和原理同样也覆盖了四个领域：物质科学、生命科学、地球和空间科学及过程、技术和科学的应用[7]14。这说明这本教科书的内容受到《新框架》及《新标准》这两个政策文本的直接影响。尽管这两个政策文件对于各州的科学教育及科学教科书的编写并不具有强制性，但在客观上，两者对于美国科学教育领域的权威影响却是不可忽略的。

本文考察的这本教科书是在美国得克萨斯州发行和使用的。根据得克萨斯州的法令，教科书的内容必须严格遵循该州的相关政策——得克萨斯州的教育法规及科学课程的知识和技能标准，也就是通常所说的TEKS（全称为Texas Essential Knowledge and Skills for Science）。TEKS 对于得克萨斯州的教科书具有法律效应，是所有在该州发行和使用的科学教科书都必须严格遵循的标准。这本K 学段的教科书在每一课首页的页脚处都标注了“TEKS”字样，同时每一课的内容所对应的TEKS 中的具体条款也标注在“TEKS”字样之后。表1 最右边的两栏充分体现出州标准在课程领域中的绝对权威性。

（二）TEKS 的强制要求

TEKS 是关于“学生应该知道和能够做什么的州标准”[8]。针对K 学段幼儿应该了解的概念及需要具备的能力，TEKS 有如下描述：儿童的学习主题涉及物质和能量、力、运动和能量、地球和空间生物体和环境；儿童应学会提出问题，创建适当的方法解决问题，用科学工具进行探索，如科学调查和推理部分，强调实践安全程序，可引导儿童提出有关自然世界的问题，并通过描述性调查中使用的简单观察来寻求这些问题的答案[8]。

从TEKS 对于K 学段学生需要具备的能力的描述中可以发现，TEKS 与《新标准》有着诸多的共通性。且TEKS 曾多次修订，不断吸收新的科学教育理念，确保标准的内容能够与时俱进。TEKS 与《新标准》《新框架》在理念上趋同，都注重在学前儿童教科书中引入基本的科学概念，重视对学前儿童的科学认知提出明确的要求，认为儿童学习科学概念不能仅仅停留于识记层面，而需要通过科学实践培养儿童的科学精神及运用科学方法的能力。州标准和国家标准突破了幼儿只能用游戏的方式接触科学的传统观念，促使幼儿“学科学”“做科学”，以此实现科学启蒙。这一理念在学习单元内部每一课的内容设计中体现得尤为明显。

这本教科书的每个学习单元都包含2～3课。每一“课”都引入了明确的概念及多项学习任务。教科书并不要求儿童单纯地记忆这些科学概念或主题，而是尽力将核心概念加工或转化成儿童能够理解的现象或问题，以此激发儿童学科学、做科学的兴趣和动力[9]40，提升儿童的科学探究和实践能力。

以第二单元为例。该单元的主题为“科学与技术”，分为两课。第一课的主题是“解决问题”。“解决问题”对于儿童来说是一个较为宽泛和抽象的主题。为此，教科书将“解决问题”分解和转化成儿童更容易理解的问题——工程师如何解决问题？这使得儿童摆脱了宽泛和模糊的学习任务和实践要求，得以将学习任务与现实生活中特定职业群体所面对的“解决问题”联系起来，更便于儿童的理解。由此，儿童得以将知识与现实生活联系起来，也赋予科学知识更强的现实意义，增强儿童发现、认识、面对和解决问题的能力。

（三）“课”与深度学习

这本教科书中的每一“课”都是基于核心概念的深度加工，意在使抽象的学习主题与儿童的认知水平与生活经验发生关联，充分关照到幼儿的心理特点，促使幼儿从自身的经验出发进行积极思考，同时也帮助儿童将既有的经验打破和重构，接受科学思维的训练。这符合美国教育界所重视的深度学习的要求。深度学习将知识的掌握视为学习的手段，学习的最终目的在于学生能够作为主体“参与”（虽然只是简约地、模拟地参与）人类的生活实践[5]。根据迈克尔·富兰（Michael Fullan）的理解，深度学习通常体现在知识运用、解决现实问题的过程之中[10]。这本K 学段的教科书力求培养幼儿的“问题意识”与“实践意识”，促使幼儿在“做科学”的过程中体验深度学习。这本教科书虽然引入了若干科学概念和原理，但却没有让儿童将其学习经验和学习结果锁定为对概念的识记，而是通过情境和问题的设计体现对幼儿的问题解决、合作、创造性、批判性思维等各方面能力的提升[10]。这实际上就是《新标准》中所强调的预期表现，也就是希望通过学习促使幼儿能够在学习活动的终点“表现出对科学的精通”[7]11，这包含培养幼儿具有与其年龄相符的科学能力与素质，具体包括：提出问题；开发和使用模型；计划和开展研究；分析和解读数据；设计解决方案；参与基于论据的论证；获取、评价和交流信息[7]3。

整体而言，这本教科书的内容体系既严格遵循了TEKS 的要求，也全面渗透了《新标准》和《新框架》的理念。这本K 学段的学生用书通过设置若干“具有挑战性的学习单元”，实现了对儿童的科学知识启蒙。这种学习单元的设计形式使得这本教科书的知识体系超越了传统设计中常见的孤立、平列、散在的知识点的形式，有助于儿童形成对自然世界、科学世界的全方位的认知和体验，最终在促使儿童理解科学与日常生活的联系的基础上，实现对其科学知识的启蒙[11]。

三、方法的启蒙：引入“做科学”的学习策略

科学通常被认为由科学知识、科学方法及科学精神三个部分构成。科学启蒙也可以从这三个方面进行考虑。这本教科书除了重视儿童的科学情感和科学知识的启蒙，也非常注重儿童运用科学方法的启蒙，具体则是通过在教科书中引入学习策略来实现的。

这本K 学段的学生用书非常重视引导儿童掌握科学方法——既包含科学课程的学习方法，也有科学活动的实践和探究方法。这本书围绕书中的科学概念设计了诸多练习。这些练习既能够加深儿童对概念的认知，也能使儿童在阅读教科书、学习科学概念的同时有机会开展科学实践。这本书所设计的练习也并非要求学生围绕概念的掌握而进行机械训练，而是力图让儿童亲历科学实践的真实过程，具体做法是通过引入多种学习策略而实现对科学概念的理解（见表2）。这些学习策略既是培养个体学习能力的重要手段，也是影响学习效果的主要因素[12]。为了让这些学习策略与科学概念融为一体，设计者将这些策略隐含在每一课的练习中。这意味着只要儿童参与练习就有机会接触并运用这些策略，习得科学方法，进而增强科学探究和实践的能力。

表2 Science Fusion K 学段学生用书引入的学习策略

（一）学习策略的基本类型

所谓学习策略通常指的是一些能够促进学习者有效学习的规则、方法和技巧等[12]。学习策略大体可以分为：认知策略、元认知策略和资源管理策略等几种类型[13]。其中，认知策略最为常见，通常又可以分为复述策略、图解策略和组织加工策略[13]。

这本教科书基于K 学段幼儿的身心特点，强化了对幼儿认知策略的引导。表2 中出现的描述、讨论、解释等都可以归为复述策略；绘画、画圈、涂色则可以归为图解策略或者表现加工策略；观察、信息收集、分类、比较、排序、示范、预测、设想、展示等则可以归为组织策略。这些学习策略分布于每个学习单元，通常出现在每一课的练习和小结中。这种处理和设计意味着这本教科书引入学习策略的目的不仅仅是“教”，更侧重于“学”——促使儿童自主思考，并运用特定的学习策略解决问题，同时通过多次练习、反复体验，达到巩固和掌握学习策略的目的。由此，儿童做练习的过程也成为认识、实践和掌握学习策略的过程，也就是学会学习的过程。

复述是幼儿认知活动尤其是记忆中非常重要的一种储存策略。幼儿最主要的复述方式是出声复述。这本教科书设计了若干要求学生针对特定问题进行描述、讨论或解释的练习，促使学生反复运用复述策略。例如，第五单元“运动”的第二课“物体在哪里”中，教科书要求学生描述一个物体与另一个物体所处位置的关系。这个练习明确要求学生采用“描述”的策略，检验和锻炼了儿童的语言表达；另外，这个学习任务要求儿童判断物体所处的方位，这样不但培养了儿童的观察能力，还促进了儿童积极主动的思维。

学前幼儿的思维基本处于前运算阶段，刚刚能够运用符号来表征事物和从事简单的思考活动。图画是一种特殊的符号。这本教科书有很多练习都要求儿童用图画的形式表达对问题的看法，这实际上是在引导学生运用和实践图解策略。这本教科书设计了很多类似的练习，要求儿童根据特定的要求进行绘画。图画不但形象直观，而且有高度浓缩信息的功能，不仅能帮助儿童思考和把握物体的特点、形状等，还能促使儿童加深记忆和理解。教科书引入图解策略使得儿童必须将问题以图画的形式展示出来，有助于幼儿理解题意并思考解题的思路。

组织策略也是一种常见的学习策略，旨在对学习材料进行一定的归类与整理，减少认知资源的耗费，提高学习效果[14]。分类是一种最常见的组织策略。研究表明：幼儿在形成概念、发展思维的过程中，归类能力已得到了较好的发展，幼儿完全可以学习并实践分类策略。这本教科书中出现了很多有关分类策略的练习：有的是连线，如让儿童将属性一致的物体划线连接；有的是涂色、画圈，如给同类物体涂上同一种颜色、针对选中的物体画圈等。这些分类练习既培养了儿童的思维，同时也将组织策略与图画策略有机地联系起来。

（二）学习策略的反复出现

这本教科书中的学习策略都不是单独出现，而是蕴含在每一课的练习与实践活动的操作要求之中。这本教科书会根据新的学习内容设计对应的练习，与此同时也会围绕这个练习提出相应的行动要求与学习策略，使儿童形成对特定策略的初次印象。这本教科书中学习策略的引入力图与特定的学习内容及学习要求相配合。由于这些策略会在教科书中反复出现，这就使儿童能够在不同的情境中反复实践这些策略，因而可以把握学习策略与环境的关系，了解在具体情境中如何有针对性地选择合适的策略，解决相应的问题。在这个过程中，儿童不但发展了科学思维，而且实践能力也得到提升。

多种学习策略在这本K 学段学生用书中反复出现，非常符合幼儿学习的及时强化原则。这本书在每一课的小结部分设计了若干有针对性的练习，旨在使学生进一步熟悉和巩固策略，形成对学习策略的情感认同，最终学会熟练运用策略。考虑到幼儿的理解能力与学习心理，这本书没有对特定策略进行理论性的说明或解释，而是结合具体的操作过程以明确和规范的方式予以说明，促使儿童将特定问题与适切的学习策略建立联系。这种设计充分考虑到了学前儿童的认知特点，避免儿童生硬地掌握学习策略，防止教科书设计中忽略对幼儿学习意识及学习能力的启蒙。

这本书对于学习策略的隐性设计有助于儿童知识的结构化，从而使得儿童不再碎片化、孤立化地保有知识[15]。学习策略的引入促使幼儿围绕与科学概念相关的现象展开深层次思考，有助于知识在幼儿的头脑中保持长久，最终促进策略的迁移[16]322-324。当儿童反复实践学习策略并将其理解为一种认识外部世界的习惯和方式，就能在认识并实践学习策略的过程中主动建构知识。幼儿使用这样的教科书，有机会以整合、组织、阐释、迁移、反思等多种方式开展对知识的运用和反思，从而解决真实问题，胜任对复杂情境的挑战，获得一种深度学习的体验[17]。

四、结语与思考

根据“Science Fusion”项目官网的介绍，此项目的主要编写团队由三位在科学教育、儿童教育、教材研究领域极富经验的资深专家组成，分别是玛乔丽·弗兰肯（Marjorie Frank）、迈克·迪斯拜齐奥（Michael DiSpezio）及迈克·海特豪森（Mike Heithaus）[18]。其中，K-2 年级的教材编撰由玛乔丽·弗兰肯负责。她是一位受过训练的教育者和语音学家，被人们视为一位天生的作家和诗人，同时她也为儿童杂志撰写科学期刊文章，从事过基于游戏的数字评估。玛乔丽·弗兰力图在科学教科书的编写中将《新标准》与州的知识技能标准有机地联系起来。当儿童阅读教科书时，可以受到科学教育、文化教育、艺术教育。可见，学前儿童的科学启蒙不仅仅是被动地“学科学”，还可以成为一段生动、有趣并极富意义的旅程。这也意味着科学教科书的编撰必须突破传统的藩篱。

“Science Fusion”是一个线上线下融合的教育项目，包含K-8 学段多种形式的学习资源，旨在全方位地为学生的学习服务。这种设计思路符合世界范围内教材功能转变的趋势——从教的方面向学的方面转化[19]。因而，这个项目推出的教科书无论是编制理念、编写过程、编制方法的确定，还是教材内容的选择,都将重点置于学生学习的能力、兴趣和需要,把促进学生的发展放在首要位置。

师生共用的教科书的编撰必须兼顾师生双方的需要，容易出现忽略师生在教学活动中的角色差异及师生使用教科书的需求差异的现象。而这本K 学段的教科书分别编撰教师用书和学生用书，有助于儿童的自主探究和学习，也便于在学生用书中渗透深度学习理念，为K学段儿童学习品质的提升提供有效的支持。

长期以来，我国科学教育界对于如何开展幼儿的科学启蒙教育关注较少。美国的这本K学段教科书为我们提供了一个参考和学习的模板。学前儿童科学教育必须突破传统思维，摆脱单纯的以游戏与活动为主的浅层学习的模式，渗透更多的科学意识与科学精神的培养。推动儿童科学启蒙教育的意义不仅在于儿童本身，更多的是基于对社群及这个社会的健康和福祉的考虑[20]6。

在美国，学前儿童科学教育是K-12 科学教育体系的起始阶段和基础环节[21]4。近年来，伴随STEM 教育的蓬勃兴起和发展，美国又加强了从幼儿园（pre-kindergarten）到大学后的STEM教育计划和项目（即P-16/P-20①P 指的是preschool，一般面向3 岁以上的幼儿，相当于我国幼儿园的小班和中班阶段。的STEM教育）。美国教育界对于科学技术教育的系统发展与长远规划，均建立在对科学启蒙教育的高度重视的基础之上。目前，我国的科学教育体系正处于不断完善之中，科学启蒙教育应该受到更多的关注。如何以学前儿童的科学教育为基础，构筑适合我国儿童的系统化科学教育体系，是我们需要面对和解决的一个重要问题。