美國俄亥俄州小學科學教材的特色分析及其啟示

摘要 美國俄亥俄州小學科學教材設計以符合學生認知水平的建構主義理論為基礎，注重科學思維方法與實驗探究技能的培養，設計多元化的科學課程評價方式。該教材對我國基礎教育科學課程改革的啟示是：促進學生科學學習基本規律的研究，構建匹配學生認知水平的科學課程，加強科學思維方法與實驗探究技能學習的系統性，提供實施教學評價的可操作性指導。

關? 鍵? 詞 美國俄亥俄州小學科學 科學教育 思維方法 探究技能 教學評價 科學教材

引用格式 王晨光.美國俄亥俄州小學科學教材的特色分析及其啟示[J].教學與管理，2023（17）：72-76.

《美國俄亥俄州小學科學》（Science Ohio Edition，簡稱SOE）是美國俄亥俄州為小學階段學生學習科學課程設計和開發的一套教材，基于認知心理學、建構主義理論，通過“做中學”引導學生主動汲取相關科學概念，促進科學學科核心素養的形成。美國自20世紀80年代提出“2061計劃”，到90年代《美國國家科學教育標準》（National Science Education Standards），再到邁入21世紀頒布的《美國下一代科學標準》（Next Generation Science Standards，簡稱NGSS），SOE整套教材體現了美國基礎教育科學課程改革的走向，同時結合俄亥俄州本地特點，使得其在研究與實踐進程中不斷提升改進[1]。本文從教材的結構與內容入手，剖析其建構特點，同時結合我國基礎教育階段科學課程現狀進行探討，期望為我國科學教育提供借鑒參考。

一、SOE教材概述

1. SOE教材的內容與結構

SOE教材“做中學”的重要觀念是圍繞對科學本質的理解展開的，學生不僅要知道“是什么（科學事實、一般概念）”，而且要理解“怎么做（科學思維、探究技能）”。SOE教材共有37個主題章節（見表1），在涵蓋三大基本科學領域以及相關知識內容系統的同時，每一主題章節也滲透了對于科學思維方法與實驗探究技能的培養。

SOE科學教材還配有教師用書、實驗工具箱、活動手冊、科學讀本、視頻錄像等一系列豐富的教學資源。教師用書作為SOE教材重要的組成部分，體現了教材編寫團隊的設計理念與教育智慧，其為教師提供了每冊教材的主題章節概要介紹、實驗探究活動指導、背景知識擴展、課程安排計劃、評價實施細則等詳盡的教學指導與內容參考；實驗工具箱囊括了學生在學習活動中所需要的全部實驗材料；活動手冊不僅包括實驗記錄單，而且配有科學重要概念與詞匯卡、科學透視圖等內容，幫助學生加深對科學規律與本質的理解；科學讀本、視頻錄像等資源作為教材內容的補充，給予學生更多體驗科學魅力、拓展科學視野的機會，也為今后的學習活動做好準備。

2. SOE教材的教學活動組織

SOE教材通過主題章節的形式展現教學內容，各章節均圍繞核心概念指導學生有序開展科學探究。同時貫徹5E教育理念，即參與（Engage）、探索（Explore）、解釋（Explain）、評估（Evaluate）、拓展（Extend），把控教學活動各個環節，進而為科學知識的學習，科學思維方法與實驗探究技能的培養保駕護航。SOE教材相信“少而精”的教學內容是有效的，每冊教學內容均安排了10～12周的教學時長，以便讓學生有充分的時間開展科學探究活動。

以四年級“生命王國”為例，此主題章節共有“細胞”“生物分類”“植物王國”“種子植物如何繁殖”四課。開篇以位于俄亥俄州的庫雅荷加谷國家公園作為導入，介紹了本地的典型植物。其中第一課“細胞”，圍繞“細胞是所有生物的基本組成單位”這一核心概念，通過一條聯系緊密的問題鏈引導學生參與討論，激發他們的學習興趣。學生在探究活動中通過分析、比較、概括等思維過程逐漸形成“細胞”“氧氣”“有機體”“組織”“器官”等分解概念，進而對細胞的特點進行解釋，在評估環節鼓勵學生歸納植物與動物細胞的相同點與不同點，最后通過拓展實驗“植物如何運輸水分”強化探究技能——觀察[2]。

二、SOE教材的建構特點

1.重視教學過程的針對性和有效性

SOE教材的突出特點是充分考慮到了教材與學生認知發展水平的契合度，在教材內容的選取及對思維技能的訓練上，都伴隨著學生年齡的增長而在難度要求上有所提高，這為他們提供了與其認知發展水平相匹配的學習活動，進而確保SOE教材在教學實施過程中的針對性與有效性。

例如，在生命科學領域（見表2），其教材內容由一、二年級主要圍繞植物與動物等較為常見且具體的科學事實，發展到三、四年級探索關于生態系統、能量金字塔等一般規律，再到五、六年級提升到對于細胞、出芽生殖等更為抽象的概念學習。在實驗探究方面，一、二年級主要為觀察生活中常見的動植物，通過對其典型特征的描述進行相關科學概念的學習；升入三、四年級，隨著內容的深入，實驗活動在基于對一般現象的觀察、描述基礎上，融入了分類，測量，制作圖表、模型等較為復雜的操作技能，側重對記錄收集到的信息進行分析、比較等認知思維的培養，進而加深對相關概念的理解；進入五、六年級，隨著學生認知水平的提升，學習活動也逐漸向推斷與預測、識別與變量控制、形成與驗證假設、實驗實施與結果分析等操作技能方面傾斜，重在加強綜合、概括、歸納等高階思維方法的培養，有助于增進學生理解更為抽象的科學概念[3]。盡管各年級在組織科學探究活動時都會經歷觀察、提問、假設等環節，但在不同階段所側重培養的思維方法與操作技能是有所區別的，SOE教材在設計上旨在幫助學生逐步掌握觀察、測量、分類等科學方法，促進具體形象思維向抽象邏輯思維發展，以不斷提升科學素養水平，進而為今后更高層次的學習奠定良好基礎。

2. 注重科學思維方法與實驗探究技能的培養

SOE教材關注學生對于科學概念的理解，相信科學思維方法與實驗探究技能是學習科學的基礎。因此，教材特別注重對于學生的思維品質與科學能力的培養。

首先，SOE教材不僅在實驗活動中指導學生學習形成假設、建立模型等科學方法，而且專門設置了“像科學家一樣”欄目板塊，旨在幫助學生從整體上系統理解并掌握探究過程中所必須具備的一些最基本的思維方法與操作技能。例如，在該欄目板塊下設置的四年級學習內容“洪水對環境的影響”。河水可以把大量的物質從一個地方搬運到另一個地方，這些物質包括一些礦產和巖石碎片。當洪水侵蝕河岸時，這些物質將去向何處？學生根據這一情境，結合之前學習的內容，形成假設：“如果洪水泛濫，那么水中的物質可能會沉積?！痹隍炞C假設環節，制作模擬河流兩岸土地的模型，將混有土壤和砂礫的“洪水”倒入中間的“河流”中，觀察“洪水”流向，并繪制出“受澇”區域。隔日，再次觀察并記錄“受澇”區域的變化，并描述土地上的沉積物。學生在這一過程中會認識到在科學研究中，經常會通過建立模型來演示現象或闡述原理。其間也會不斷對模型進行修改完善，這有助于引導學生理解科學家在科學研究過程中，需要不斷對模型進行修正調整，使之更接近于真實情況。在得出結論環節回答：“當洪水泛濫時，你的土地發生了什么變化？”推理思考“洪水對于土地周圍的植物、動物以及農民產生了怎樣的影響？”學生經歷了“提出問題（觀察分析）—形成假設（推斷預測）—驗證假設（建立模型）—得出結論（交流表達）”的科學過程，思維方法與探究技能將得到鞏固提升，同時對于模型思想在科學研究中的作用也會有更為深刻的理解。

其次，SOE教材希望為學生的思維發展提供更多幫助。教材提供了形式多樣的實驗活動記錄單以及教師在教學過程中所需分發的相關內容反饋文檔。而學生想要解決的問題一定不會局限于教材之中，自主探尋解決方案是必經之路[4]。當他們置身于自身感興趣的科學領域進行深度學習時，那些鮮活生動且更具創新性的想法也會躍然紙上。盡管這種超出教材范疇的學習活動會讓一線教師難以把控，但也為學生在接觸和探索未知科學問題方面提供了更多可能。另外，為引導學生提升解決問題的能力，SOE教材還專門設置了“技能拓展”欄目，其穿插于不同章節之中，旨在幫助學生如何設計并開展實驗研究，同時提供了“觀察”“預測”“分類”“測量”等一系列專項訓練，以促使學生能更好地掌握相關思維方法與操作技能，有助于理解其對于推動科學研究發展所產生的重要意義[5]。

最后，SOE教材關注思維培養的關鍵點以提升學生元認知水平。元認知是個體對自身認知活動的組織和調控。有研究表明，元認知水平的高低對于個體思維能力的發展起著重要作用，將思維訓練與元認知訓練相結合，有利于產生良好的遷移效果[6]。鑒于此，SOE教材十分關注培養學生元認知發展的機會，進而促使他們對于自身思維過程的組織與調控。教材在多個章節中都設置了反思活動，鼓勵學生在科學探究活動中思考遇到的問題或挑戰，導致這些阻礙的因素有哪些，以往的活動中是否遇到過相似的困難等，讓學生對自身的思考過程進行自主整理、控制和調節，并循序漸進形成為一種優良的思維品質。

3. 強調科學課程評價方式的系統性與豐富性

《美國下一代科學標準》提出：“評價不是單一檢測學生對所學具體科學事實的記憶量，而是考查學生是否具備解決科學問題的能力。例如，利用模型計劃并展開調查、分析和闡述數據、建立解釋并設計解決方案、獲取并交流信息等?！币虼?，SOE教材提供了系統且豐富的評價方式，以便更為客觀地了解學生在科學思維與探究技能方面得到了哪些提升。

SOE教材認為系統性的評價方式有助于全面、真實地體現學生學業水平。為此，教材以學生學習的視角對其進行了劃分：第一類是直觀摘要，包括某個科學主題下的知識、概念、原理等內容，要求學生制作一張可折疊的學習指導卡片，歸納概括其對這一科學主題的理解；第二類是實驗研究與調查能力，包括實驗設計、操作實施、信息收集、數據處理等方面，要求學生用一句完整的陳述句回答實驗活動中出現的問題，并解釋是如何解決的；第三類是基準實踐，包括觀察判斷、特征分類、篩選排序、描述推斷等方面，要求學生運用所積累的科學經驗以及掌握的科學方法解決相關問題，并能在新情境中進行遷移運用。

考慮到學生思維方式和認知水平在不同年齡階段會有所差異，SOE教材在評價體系的設計上也力圖與學生的認知能力發展相契合。在小學一、二年級，評價主要采用教師觀察和提問相結合的形式，同時引導學生開展一些簡單的科學概念繪畫或描述等；三至六年級的評價方式則更為豐富，包括學習反饋單、表現性評價項目、自我評價、文檔包以及終結評價任務等。這種分學段的評價設計策略能夠更具針對性地匹配不同年級學生的認知特點以及學習需求。其中，表現性評價（Performance Assessment）側重考查學生在真實情境中動手操作或解釋問題的能力[7]。以四年級“生命王國”為例，為評價學生對細胞的掌握情況，教師會讓學生利用食物制作植物葉片細胞模型，并要求學生對每個結構進行標識。教師通過觀察學生的制作過程以及完成情況，了解學生是否掌握細胞的形態、功能等相關內容。而在某一特定科學內容學習任務完成以后，學生需要填寫“學習反饋單”，目的是考查學生針對某一科學問題的分析解釋能力，進而評價學生的知識應用、問題解析、語言表達等技能水平。

三、SOE教材對我國基礎教育科學課程改革的啟示

1.構建符合學生認知特點的科學課程

SOE教材的設計思想是在持續科學研究基礎上，經過悉心編排使其合理應用于課程之中。例如，一年級學生往往以自己實際看到的現象來形容物體的運動，而難以進行量化描述；三年級學生會運用測量與對比相結合的方式描述物體的相對位置；五年級學生則可以利用圖表與模型來理解物體的運動變化，并能用符號加以表示。SOE教材依據兒童認知發展理論，利用學習進階將“運動與能量”主題融入各個學段，確保了學生學習該主題的合理性。

通過對SOE教材的分析可以看出，科學課程的構建要符合學生的認知發展水平。我國義務教育科學課程應持續深入推進有關科學教育教學的實證研究，掌握學生在科學課程學習中的發展規律，針對不同學段特點選取適宜的學習內容，構建與學生核心素養發展相契合的科學課程，進而有效落實各學段學生核心素養的培養目標。

2.強化科學思維方法與實驗探究技能學習的系統性

SOE教材不僅要求學生理解科學基本概念與原理，而且要求其掌握一系列的科學思維方法以及實驗探究技能。當前，我國《義務教育科學課程標準（2022年版）》明確提出：“科學課程要將科學觀念、科學思維、探究實踐、態度責任等核心素養的培養有機融入學科核心概念的學習過程中。”并且在學科核心概念分解成若干學習內容中有所體現，例如，在學科核心概念“宇宙中的地球”學習內容下設計了制作月球表面模型，構建由八顆行星組成的太陽系模型等學習活動，加深學生對于建模思想的理解與應用[8]。

我國義務教育科學課程中的這些精心設計，都為學生思維品質的培養與實踐技能的訓練提供了良好的機會，但這一學習過程通常依托于特定科學事實的教學，容易引起重知識、輕方法的問題，對于科學思維方法與實驗探究技能的學習缺乏系統性，導致學生難以將其遷移到新情境或運用于實際生活中。與此同時，學生科學創新精神應該怎樣培養，也是課程改革一直重視和強調的關鍵問題。但創新也要基于相關的思維方法與實踐能力，而當前我國義務教育階段的科學課程，對于這部分內容的系統性學習還有待完善。因此，在中小學科學課程中加強科學思維方法與實驗探究技能的系統設計，有助于增進學生在學習過程中對科學本質的理解。

3.提供實施教學評價的可操作性指導

SOE教材希望教師只要按照指導組織教學，就可以實現預期的教學效果。因此，無論對于教學還是評價，SOE教材都為教師提供了詳盡且有針對性的指導幫助。例如，在教學評價的理論層面，SOE教材參照了美國國家科學教育標準中關于評價的要求，以及美國國家教育進展評價（National Assessment of Education Progress，簡稱NAEP）的經驗，結合俄亥俄州本地教育特色，選取適宜的評價維度與方式，同時制定詳細的評價標準，進而搭建了更為合理的教學評價體系。在實踐層面，SOE教材配有教師用書，對一線教師在實施教學評價的過程中給予可操作性指導，包括何時進行評價、采取何種方式實施評價、依據什么標準展開評價等多方面內容。教師可根據評價指導直接在課堂教學中應用，以便及時獲取課程學習中學生的真實反饋。

在教學評價方面，我國科學教育與SOE教材有諸多相通的評價理念，旨在以課程目標與學業質量標準為依據，建構素養導向的綜合評價體系，實現以評價改進和優化教學的目標。但實際情況是仍有很多一線教師對于如何把課程評價有效落實到教學中存在困惑。因此，我國應更具針對性地對科學教師在實施教學評價的過程中提供可操作性指導，逐步搭建并改進教學評價體系，以推進科學課程評價在基礎教育階段的有效落實。

SOE教材利用先進教育理論與大量實證研究作為理論依據，圍繞科學核心概念搭建內容框架，以科學探究為主線進行教學活動設計，通過詳盡的課程指導與豐富的配套資源，為探究活動的順利開展提供保障。我國基礎教育科學課程可以學習借鑒SOE教材在科學思維方法的培養、實驗探究技能的訓練、科學教育評價體系的建構等方面的經驗，不斷改進課程實施過程中出現的不足，進而為發展學生核心素養提供有力支持。

參考文獻

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［責任編輯：郭振玲］