看點(diǎn) 科學(xué)教育是當(dāng)下教育中備受關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域。2013年，美國(guó)提出了科學(xué)教育的三大維度：科學(xué)實(shí)踐、學(xué)科核心概念和跨學(xué)科共同概念，為美國(guó)的科學(xué)課指明了方向。下文中，上海市進(jìn)才中學(xué)東校校長(zhǎng)鄭鋼，以美國(guó)格倫中學(xué)的科學(xué)課為例，介紹了美國(guó)科學(xué)課堂注重實(shí)踐、思維培養(yǎng)及跨學(xué)科共同概念等特點(diǎn)，或可為我們發(fā)展科學(xué)教育提供借鑒。
支持外灘君，請(qǐng)進(jìn)入公眾號(hào)主頁(yè)面“星標(biāo)”我們，從此“不失聯(lián)”。
文丨鄭鋼 編丨喀戎
美國(guó)的初中科學(xué)是不分物理或化學(xué)學(xué)科，而是以科學(xué)課的課程形式將幾門學(xué)科整合起來(lái)，包含了物理、化學(xué)、生物和地理，課表上只有科學(xué)課，內(nèi)容卻是五花八門。
美國(guó)2013年頒布的《未來(lái)一代科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》提出了科學(xué)教育的三大維度：科學(xué)實(shí)踐、學(xué)科核心概念和跨學(xué)科共同概念，為他們的科學(xué)課指明了方向。
在真實(shí)的物體測(cè)量中建模
在格倫初中的一節(jié)八年級(jí)科學(xué)課堂，老師帶領(lǐng)學(xué)生正在制作一座塔。教師拿出一個(gè)車模，問(wèn)學(xué)生如果要制造一輛車，應(yīng)該如何根據(jù)車模去衡量確定尺寸大小。
很快學(xué)生開(kāi)始了熱烈的討論，有的說(shuō)根據(jù)車模量一量，有的說(shuō)根據(jù)商店量一量。教師一邊傾聽(tīng)學(xué)生討論，然后一邊引導(dǎo)他們?nèi)绾螌④嚹５拇笮〖白兓Y(jié)合起來(lái)，用同比例放大的方法去確定。
教師通過(guò)“小變大”的方法去幫助學(xué)生建立測(cè)量和制圖中同比例放大或縮小的概念。
之后，教師將一個(gè)垃圾桶放在講臺(tái)上，然后提供給學(xué)生帶有格子的繪圖紙，要求學(xué)生上臺(tái)測(cè)量，并繪制橫切面。
這是一個(gè)“大變小”的過(guò)程，有的學(xué)生很快理解老師的要求和意圖，完成的很好，而有的學(xué)生無(wú)法理解同比列增加的概念，畫(huà)出來(lái)的圖像不符合要求，也不成比例。教師就要求他們上臺(tái)去比較和分析，直到符合要求。
同比例分析、演算，并設(shè)計(jì)和繪制圖紙是制造塔重要的知識(shí)基礎(chǔ)，教師并沒(méi)有直接告訴學(xué)生將垃圾桶測(cè)量，然后按照一定的比例將其縮小。
她卻從舉例來(lái)分析，引導(dǎo)學(xué)生建立同比例的概念，然后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)事件應(yīng)用，將垃圾桶同比例畫(huà)圖。
一節(jié)課的容量其實(shí)很少，只是掌握數(shù)學(xué)上同比例大小變化的概念，但是教師通過(guò)兩個(gè)案例的學(xué)習(xí)， 讓學(xué)生充分思考、分析和推理，強(qiáng)調(diào)地是學(xué)生概念自主建構(gòu)和思維有效激發(fā)。
很多美國(guó)課堂不強(qiáng)調(diào)知識(shí)落實(shí)，強(qiáng)調(diào)探究的過(guò)程，把更多的時(shí)間放在學(xué)生的主動(dòng)動(dòng)手探究上。
課堂不是強(qiáng)調(diào)零碎的知識(shí)片段和細(xì)枝末技內(nèi)容的記憶，而是圍繞核心概念進(jìn)行教學(xué)，聚焦主干知識(shí)的理解和掌握，使得學(xué)生可以用概念去解釋現(xiàn)象并應(yīng)用于動(dòng)手實(shí)踐之中。
知識(shí)固然重要，但在當(dāng)今的社會(huì)，知識(shí)不是太少而是太多了。并且，隨著社會(huì)發(fā)展，科技進(jìn)步，知識(shí)會(huì)越來(lái)越多。 一個(gè)人應(yīng)該學(xué)會(huì)的是方法和思維，面對(duì)最多知識(shí)，也能成為知識(shí)的主人，而不是奴隸。
這節(jié)課已經(jīng)是單元的第三節(jié)課，是美國(guó)科學(xué)教育課堂模式（EEEASR）的第三“E”，也就是“解釋（Explain）”，在這個(gè)環(huán)節(jié)里，學(xué)生還自學(xué)詞匯單有關(guān)建塔的詞匯，如：力、壓縮、張力、重力、負(fù)荷、波束、地基、比例、比例項(xiàng)間的比率、坐標(biāo)方格、地面波、抗力等二十個(gè)詞匯。
他們從網(wǎng)上去找尋解釋，了解這些專門名詞的意思。這節(jié)課就是給學(xué)生實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，使得學(xué)生在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪和制作中理解這些概念。
在設(shè)計(jì)和制作中應(yīng)用、創(chuàng)造
科學(xué)教育課堂模式（EEEASR）的前兩個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)是： “激發(fā)興趣（Engage）”和“探索Explore”，激發(fā)興趣環(huán)節(jié)是組織一個(gè)繪畫(huà)埃菲爾特塔的比賽，看誰(shuí)將鐵塔畫(huà)的最好，第二個(gè)環(huán)節(jié)是探索影響塔制作的重要要素。
教師組織學(xué)生閱讀兩篇關(guān)于地震的材料，討論和分析如果要建造塔的話，如何考慮地震因素以及防震。
這節(jié)課后是應(yīng)用（Apply）環(huán)節(jié)，也就是制作環(huán)節(jié)，教師提供四張大報(bào)紙、一米的粘帶、剪刀以及幾根細(xì)棒等材料，然后發(fā)給學(xué)生一張學(xué)習(xí)單“如果我是設(shè)計(jì)師”，單子列出了五道題目：
確定問(wèn)題；
寫出兩個(gè)滿足建塔的基本條件；
網(wǎng)上調(diào)查并寫出防震建筑要考慮的因素；
提供一個(gè)網(wǎng)站，必須要有學(xué)生能夠理解的、關(guān)于防震的有關(guān)信息和知識(shí)；
寫出五個(gè)工程師在建造時(shí)的特征；
在你自己的設(shè)計(jì)圖紙上有何特征使得你的塔具有抗震功能，并解釋如何用報(bào)紙和粘帶制作。
這些任務(wù)幫助學(xué)生梳理設(shè)計(jì)和制作的思路及整個(gè)過(guò)程，學(xué)生在完成和交流后，就開(kāi)始動(dòng)手制作了，而在接下來(lái)的環(huán)節(jié)就是展示和分享(Share)，學(xué)生會(huì)將做好的塔向全班展示，并解釋設(shè)計(jì)的要素，如高度、比例和抗震等。
而老師則會(huì)將紙塔放在桌子上，以切變的運(yùn)動(dòng)和水平的方向移動(dòng)，模擬地面波，測(cè)驗(yàn)紙塔的抗震能力。
完成展示和測(cè)驗(yàn)后，就是反饋和評(píng)估（Reflect）環(huán)節(jié)， 教師會(huì)根據(jù)量規(guī)評(píng)價(jià)表，對(duì)學(xué)生的作品進(jìn)行評(píng)分，同時(shí)對(duì)學(xué)生提出修改或完善建議。這一成績(jī)也就是他們這個(gè)單元的學(xué)習(xí)成績(jī)。
制作紙塔是一節(jié)科學(xué)課，其實(shí)也是當(dāng)今美國(guó)教育非常重視的STEM教育，運(yùn)用了地理、數(shù)學(xué)和物理等學(xué)科知識(shí)，并最終以工程設(shè)計(jì)的形式完成任務(wù)。
這節(jié)課并不高大上，也不深?yuàn)W或者尖端，材料來(lái)源很簡(jiǎn)單，只是一些廢舊報(bào)紙和粘帶而已，然而將知識(shí)學(xué)習(xí)融合起來(lái)，將各學(xué)科知識(shí)糅合起來(lái)，并應(yīng)用于實(shí)踐制作之中。
美國(guó)課堂中常見(jiàn)的科學(xué)實(shí)踐項(xiàng)目
如今在國(guó)內(nèi)Stem教育正在引起人們的關(guān)注，不少學(xué)校嘗試推進(jìn)這一全新模式。然而也出現(xiàn)了諸多問(wèn)題影響著STEM深入推進(jìn)。
如傳統(tǒng)課堂如何轉(zhuǎn)型去迎接Steam教育，學(xué)科知識(shí)如何整合和滲透，低成本輕獲取的材料如何開(kāi)發(fā)，主題如何選擇和確定等等。
紙塔制作單元的EEEASR教學(xué)模式以及如何充分挖掘現(xiàn)成的制作材料，或許對(duì)于開(kāi)展科學(xué)教育和STEM教育是一種啟發(fā)。
在格倫初中，幾乎每個(gè)年級(jí)科學(xué)課每學(xué)期都會(huì)安排主題式科學(xué)制作，時(shí)間跨度較長(zhǎng)，常常會(huì)持續(xù)兩三周，教師設(shè)計(jì)不同的任務(wù)，從易到難，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，在原來(lái)的基礎(chǔ)上會(huì)有升級(jí)版，越到后面對(duì)學(xué)生的挑戰(zhàn)越大。
就在我們研修的一段時(shí)間，有的年級(jí)在制作過(guò)山車、有的在制作機(jī)器人、有的在用餅干和奶油制作模型展示地殼運(yùn)動(dòng)，有的在制作多米諾骨牌等等，所有的科學(xué)課堂儼然是制作工場(chǎng)，學(xué)生們?cè)O(shè)計(jì)、制作、展示和交流。
美國(guó)的科技全世界領(lǐng)先，重要的一個(gè)原因在于 大力推進(jìn)科學(xué)教育，課堂教學(xué)重視學(xué)生創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力培養(yǎng)。
像制作“會(huì)飛”的飛機(jī)、過(guò)山車、可以在上面行走的橋梁、機(jī)器人和各種形狀的塔是美國(guó)學(xué)生在學(xué)校里必須做的項(xiàng)目，是美國(guó)科學(xué)課堂的基本配置，是每個(gè)學(xué)生必須有的學(xué)習(xí)經(jīng)歷。
這些學(xué)習(xí)活動(dòng)是在《美國(guó)未來(lái)一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》后新動(dòng)態(tài)和方向，體現(xiàn)了 科學(xué)教育的三大維度：科學(xué)實(shí)踐、學(xué)科核心概念和跨學(xué)科共同概念。
這樣改變了以往科學(xué)學(xué)科知識(shí)相互獨(dú)立，科學(xué)知識(shí)與科學(xué)實(shí)踐互不相干的想象，而是將三者有機(jī)的融合使得過(guò)去鮮被關(guān)注的跨學(xué)科概念、科學(xué)和工程實(shí)踐進(jìn)入課堂，成為科學(xué)教育的主體。
三個(gè)維度中，科學(xué)實(shí)踐處于核心的地位，不是孤立存在，而是與核心概念和跨學(xué)科概念相互結(jié)合，主要體現(xiàn)為8個(gè)方面：
提出問(wèn)題（科學(xué)）和明確需解決的難題（工程）；
建立和使用模型；
計(jì)劃和實(shí)施調(diào)查研究；
分析和解釋數(shù)據(jù)；
運(yùn)用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維；
建構(gòu)解釋（科學(xué)）和設(shè)計(jì)解決方案（工程）；
基于證據(jù)的論證和辯論；獲取、評(píng)價(jià)和交流信息。
這些“實(shí)踐”代替了“研究”，強(qiáng)調(diào)了做”與“學(xué)”無(wú)法真正的分開(kāi) ，更廣義地體現(xiàn)科學(xué)學(xué)習(xí)的特點(diǎn)。
更多的科學(xué)教育實(shí)踐模式
除了EEEASR科學(xué)教育模式之外，如今美國(guó)科學(xué)教育協(xié)會(huì)正在推進(jìn)科學(xué)課堂 教學(xué)設(shè)計(jì)的“5E”（Engage、Explore、Explain、Elaborate和Evaluate）模式，這與EEEASR模式異曲同工。
第一“E”是 學(xué)生參與，教師設(shè)計(jì)開(kāi)放性的活動(dòng)，將以前學(xué)到的知識(shí)能緊密地聯(lián)系起來(lái)，激發(fā)學(xué)生的興趣和參與，生成問(wèn)題。
在第二“E”（探索）中， 分發(fā)所需的材料，解釋問(wèn)題；第三個(gè)“E”是 解釋，組織學(xué)生解釋和理解概念，并確定核心詞匯；第四個(gè)“E”是 詳盡闡述，主要體現(xiàn)在運(yùn)用和延伸，將所學(xué)的知識(shí)動(dòng)手實(shí)踐，制作作品；
最后的“E”是 評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)形成基于問(wèn)題和討論的形成評(píng)價(jià)和基于項(xiàng)目、報(bào)告和測(cè)試的總結(jié)性評(píng)價(jià)。
還有一種模式在美國(guó)科學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂也很為流行，那就是“POE”模式，加州大學(xué)洛杉磯分校教育學(xué)院的教授在培訓(xùn)時(shí)讓我們體驗(yàn)了 “Predict（預(yù)測(cè)）、Observe（觀察）、Explain（解釋）”的教學(xué)模式。
在“WATER WONDERS”的實(shí)驗(yàn)中，我們先猜測(cè)三種不同的材料，藍(lán)沙、白色粉末、彩色珠子在水中可能發(fā)生什么呢？
大家動(dòng)用了全部的感官，發(fā)揮了所有的想象，可是結(jié)果與我們猜測(cè)的南轅北轍，藍(lán)沙結(jié)果浮在水面上，聚集在一起；白色粉末也不是我們所想象的人工雪，會(huì)溶解在水里，而是遇水會(huì)迅速膨大，變成了小粒的晶體；
還有彩色珠子原來(lái)是我們常見(jiàn)的“水精靈”，在水中會(huì)慢慢變大，而且變得富有彈性。
這個(gè)模式啟示我們， 科學(xué)學(xué)習(xí)或研究首先需要學(xué)生根據(jù)已知的科學(xué)事實(shí)和科學(xué)原理，對(duì)所研究的自然現(xiàn)象及規(guī)律提出一種假定性的推測(cè)與說(shuō)明，這是很重要的科學(xué)方法，鼓勵(lì)學(xué)生大膽地創(chuàng)新。
而且在動(dòng)手實(shí)踐中，要 學(xué)會(huì)觀察，分析現(xiàn)象與假設(shè)之間的關(guān)系，當(dāng)然學(xué)生還要學(xué)會(huì)解釋現(xiàn)象的原理，解釋為什么會(huì)出現(xiàn)這樣或那樣的現(xiàn)象，這就是科學(xué)教育強(qiáng)調(diào)的創(chuàng)新素養(yǎng)。
無(wú)論是EEEASR模式，還是5E模式，或是POE模式，都鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，啟發(fā)學(xué)生積極思考和提出問(wèn)題，注重學(xué)生創(chuàng)造性思維、解決問(wèn)題及發(fā)現(xiàn)問(wèn)題能力的培養(yǎng)，努力使學(xué)生像科學(xué)家一樣思考和像工程師一樣實(shí)踐。
