美国国家科学教育标准 1996

美国国家科学教育标准

戢守志 武夷山

第一章

《国家科学教育标准》是为引导我国国民步入一个具有高度科学素养的社会而撰写的。以典型的实践和研究为依据而制定出来的这部标准,不仅对所谓的具有科学素养的人作出具体的构想,也为可使这种构想变成现实的科学教育提出具体的衡量基准。

具有科学素养何以如此重要呢?首先,懂科学能给人以惬意感和兴奋感——这是每一个人都应分享到的好处。其次,美国人在自己的生活中所遇到的需要运用科学知识和科学的思维方式作出明智抉择的那类问题越来越多。我们将如何对待我们共同拥有的资源——诸如空气、水源和国有森林等——也取决于我们的人民做出的集体判断。

懂得科学、有科学的本领还可使学生们有足够的能力胜任将来的各种重要而富有成效的工作。工商企业界所需要的新就业者是那种善于学习、善于推理、思维具有创造性、能决善断、会解决问题的人。此外,人们对经济竞争力的关注也使科学和数学教育不能不占据极端重要的中心地位,因为只有搞好我们的科学和数学教育我们才不致落后于我们在全世界的竞争对手。

为什么要有国家科学教育标准“标准”一语具有多种含义。科学教育标准是量度质量的准绳:量度的是学生们所掌握的知识和能力的质量;给学生提供学科学之机会的科学大纲的质量;科学教学的质量;支持着科学教师和科学大纲的教育系统的质量;评价的具体做法和政策的质量。科学教育标准是检验进步大小的尺度,检验的是我们向着国家给一个造就优等人才的系统所定的科学学习与科学教学目标前进了多少,因此,科学教育标准也是一面旗帜,全国的改革者们可以团结在这面旗帜下向着共同的目标而前进。

美国教育质量的高低,关键掌握在地方,因为学生们要学些什么完全是由各地的教育委员会和教师委员会来决定的。国家标准就是给各州、各地方的学校人士和社区提供的判断依据,帮助他们判断什么样的课程、什么样的教师进修活动或者什么样的评价项目才是合适的。国家标准有助于各地制定出能使科学教育的改革工作步调统一、目标一致、首尾如一地进行下去的政策:使每一个人都能向着同一个方向前进,因此就可确保,人们为改革科学教育而采取的各种颇具风险的行动会得到整个系统中的政策和实际做法的支持。

今天,即使在没有国家标准的情况下,在科学的课堂上也有一些别开生面的做法在实践,但是这只是因为有一些十分出类拔萃的教师要做些非那么做不可的事而不得不置传统的做法于不顾罢了。有许多慷慨乐施的教师因为知道学生们只有通过研究才能取得上佳的学习效果,因而不惜自己花钱来添置科学用品。这些教师不是把注意力放在充满科学术语的教科书上,而是鼓励学生们进行科学探究。这些教师在备课的时候还总是要把自己的科学课跟学生们的生活联系起来,而不是简单化地备一门学校科学课。

贯彻实施《国家科学教育标准》将会十分重视和鼓励这些优秀教师的那些十分出色的实践,将会给他们以应有的承认和支持。对那些在自己的预算中拨出部分款项来支持学生做野外科学考察的校长,对那些靠烤点心义卖来为学生购置科学设备的家长,对那些置市场看好的多项选择测试书籍于不顾而偏偏去尝试出版真实可信的评价实践的书籍的出版商,也要给他们以应有的承认和鼓励。

这部标准有助于规划我们走向未来的行动路线。基于今日的最佳实践而制定出来的这部标准,就是旨在引导我们从当前学校教育的种种束缚中解脱出来,向着优异超群这个共同的目标前进。

学校科学的目标《国家科学教育标准》所规定的学校科学的目标是培养学生能

口 由于对自然界有所了解和认识而产生充实感和兴奋感;

口 在进行个人决策之时恰当地运用科学的方法和原理;

口 理智地参与那些就与科学技术有关的各种问题举行的公众对话和辩论;口在自己的本职工作中运用一个具有良好科学素养的人所应有的知识、认识和各种技能,因而能提高自己的经济生产效率。

这些目标给我们勾画出来的是具有高度科学素养的社会的一个大致轮廓。内容标准所描述的是所谓有高度科学素养的人在经过那13年的学校科学教育之后都应该了解、认识和能做些什么。评价标准、教学标准、大纲标准和系统标准分别描述的是,所有学生要达到在内容标准中所描述的具有高度科学素养这个目标所需要的种种条件。

贯彻实施这部标准的学校将引导学生们通过积极地参加对他们既饶有趣味又十分重要的科学探究活动来学习科学。学生们通过这样的活动将可为自己探讨科学问题打下良好的知识基础。在这些学校中,教师们将有权决定学生们学什么、怎样学以及资源该如何分配等问题。教师和学生们将共同置身于一个以学科学为中心目标的集体之中,共同为一个有助于他们成长的教育系统所陶冶。

在今天的大多数学校里,学生们可能都无法达到上述标准。要把这部标准付诸实施就必须实施长期而持久的改革。

《国家科学教育标准》的成书经过确定国家目标和为达此目标而制定国家标准,是我们教育改革政策中的当前战略。各州政府对搞国家标准的支持始于1989年,全国州长协会就是在这一年赞同制定国家教育目标的。乔治·布什总统随后便组建了国家教育目标专门小组,对这项工作给予支持。威廉·克林顿当选总统后,新政府对制定国家教育标准的工作继续给予了支持。

最早的标准见之于1989年,当时,一些数学教育家和数学家在下面这两种出版物中对国家标准这个题目展开了研讨:一种出版物是全国数学教师理事会(NCTM)编定的《中小学数学的课程标准与评价标准》(Curriculum and Evaluation Standards for School Mathematics)(1989)和国家研究理事会编定的《人人都很举足重轻:写给国人的一份数学教育前景报告》(Everybody Counts:A Report to the Nation on the Future of Mathematics Education)(1989)。对制定其他的教育标准来说,全国数学教师理事会的经验很重要,它表明,制定标准的工作必须允许所有有关人员,特别是那些负责实施这些标准的人参与。

《国家科学教育标准》有若干重要的前奏。1983年,《一个处在危险中的国家》(A Nation at Risk)出版,呼吁对美国教育系统进行反思和改革。在80年代期间,美国化学学会(ACS)、生物科学课程研究会(Biological Sciences Curriculum Study)、教育促进中心(Education Development Center)、劳伦斯科学馆(Lawrence Hall of Science)、全国科学资源中心(NSRC)以及技术教育资源中心(Technical Education Resources Center)都编出了富有创新精神的科学课程。1989年,美国科学促进会(AAAS)通过他们的2061计划(Project 2061)出版了《面向全体美国人的科学》(Science for All Americans),对所有中学毕业生所应具有的科学素养做出了界定。在稍晚些时候,全国理科教师协会(NSTA)通过他们的所谓范围、次序和配合计划(Scope,Sequence & Coordination Project)出版了《内容核心》(The Content Core)。

1991年春,全国理科教师协会主席根据协会董事会的一致意见致信给国家科学院院长兼国家研究理事会主席弗兰克·普雷斯博士,希望国家研究理事会来协调国家科学教育标准的制定工作。一些重要的科学协会和科学教育协会的主席、教育部长、国家科学基金会教育与人类资源处助理主任、国家教育目标专门小组的主席都力促国家研究理事会,要他们在制定国家科学教育的内容、教学和评价标准的工作中发挥重要作用。此后没过多久,教育部和国家科学基金会就对这项计划给予了经费支持。

为了对制定标准的这项重要工作进行管理和监督,国家研究理事会建立了全国科学教育标准与评价委员会(National Committee on Science Education Standards and Assessment)(NCSESA)。先后担任这个委员会的主席的是詹姆斯·埃伯特博士和理查德·克劳斯纳博士(后者自1993年11月起担任此职)。此外,在这个委员会的下面还设立了主席的顾问委员会,顾问委员会的成员分别来自于全国理科教师协会、美国科学促进会、美国化学学会、全国科学资源中心、美国物理教师协会(American Association of Physics Teachers)、州科学视导员理事会(Council of State Science Supervisors)、地球科学教育联合会(Earth Science Education Coalition)和全国生物教师协会(National Association of Biology Teachers)。顾问委员会的这一批人的职责是帮助物色和招募各下设委员会和工作组所需的工作人员和志愿人员。

那个监理委员会亦即全国科学教育标准与评价委员会(NCSESA)于1992年5月首次举行会议,三个工作组亦即内容标准工作组、教学标准工作组和评价标准工作组在整个夏季都是在接二连三地举行工作会议。制定标准的开始阶段一直持续到1993年秋天。在这18个月中间,投入到这标准制定工作中去的一应之需都是征集自一大批科学教师、科学家、科学教育家以及对科学教育甚表关注的许许多多其他方面人士。向公众介绍有关情况的报告等活动就举行了150多次,为的是唤起公众对有关科学教育改革的种种问题以及对科学教育标准的性质和内容的讨论。

1993年年底,科学教育标准“预印稿”的定稿工作着手进行。1994年5月,这部预印稿有选择地分送到若干个专家组去,以供他们批评与审议之用。专家组是由全国科学教育标准与评价委员会主席下设的顾问委员会的代表组织再加上另外两个组织亦即全国数学教师理事会和新标准项目组(New Standards Project)的全体成员组成的。此外,国家研究理事会还曾召集完全由未曾参与此项计划有关活动的人组成的5个专家组开会,来征询他们对预印稿的各方面意见。在国家研究理事会组织的这次评议中,各个专家组分别对在预印稿中展示出来的内容标准、教学标准、评价标准、大纲标准和系统标准进行了评议。

参加起草工作的专家们对各位专家及各专家组就预印稿提出的许多改进建议进行了整理和分析之后,对这部预印稿进行了大量的修改,修改稿作为一种官方正式文献而出台。这部文稿于1994年12月发到全国,供各地讨论审查。《国家科学教育标准》的这个文本有40000余册分别散发到约18000人的手上和250个小组里。参加起草工作的专家们又对参与审查这个文本的许多个人和小组提出的各种意见再次进行了整理和分析,并据此起草出《国家科学教育标准》的最后文本,这就是展现在读者手上的这本书。

参加《国家科学教育标准》一书中内容标准部分之撰写工作的许多人,都曾不谋而合地使用和转述《面向全体美国人的科学》和《科学素养的衡量基准》(Benchmarks for Literacy)两书对所有学生都应该知道些什么和能够做些什么所作的阐述。因此国家科学院国家研究理事会以感激之情高度评价美国科学促进会的2061计划所做的这种具有开创性的工作,并且相信,各州的框架委员会、各学校和学区的课程委员会以及教学材料与评价材料的编写者们对《科学素养的衡量基准》的使用,与内容标准的精神是若合符节的。

内容安排

这部标准由八章(原文为“七章”)组成。下一章,也就是第二章,写的是要使所有学生都具有良好的科学素养就必须遵循的几条重大原则。这些原则,再加上对一些关键术语所作的定义,就是构成这部标准的思想基础。

教学和教师是科学教育改革的中心环节。所以,我们把科学教学诸标准安排到了最前面。在第三章中讨论的这些标准,讲的中心问题就是教师要知道些什么和要做些什么。紧随其后的是教师的专业进修标准,即第四章,讲的中心问题是教师们应该如何扩充自己的专业知识,应该如何提高自己的专业技能。合而观之,第三章和第四章展现给我们的是我们对科学教学所持的一种广泛而深入的看法,这种看法正是基于这样一种坚定信念:科学探究是科学与科学学习的核心。

科学教育评价标准是在第五章作为量度评价实践之质量的准绳而加以阐释的。评价标准也可以用作发展评价方法、制定评价政策的指南。这些标准也同样可以用来衡量课堂评价和学校外面的专家设计的评价,进行中的评价和总结式评价。

内容标准,按K~4,5~8和9~12各年级的程度分别加以组织,安排在第六章里。这些标准表述的是对学生在整个K~l2教育阶段发展理解和其他能力的期望。内容范围包括科学探究;物质科学、生命科学和地球与空间科学这类传统学科领域;科学与技术的联系;从个人与社会角度看的科学;科学史与科学的性质。内容标准还附有培养学生的理解力的有关知识,也包括构成各项标准之基础的一些基本观念。

第七章的内容是大纲标准,这些标准是衡量学校和学区的科学大纲质量的准绳。大纲标准集中阐释的是与学生学科学(学这部标准所描述的科学)和教师教科学(教这部标准所描述的科学)的机会有关的一些问题。

第八章中的系统标准是为检验学校和学区以外的科学教育系统诸元(包括从事教育工作的专业工作者和作为学校之支柱的广大社会)的业绩而提供的测量尺度。

在这部标准中充满了大量的实例——以真正的实践为基础的实际例子。这些实例都表明,这部标准所确立的目标是完全可以达到的。每个实例都包括对其某些特点所作的一个简单描述,每个实例都要把例子可能帮助理解的那几项标准列述出来。许多实例都只有在学生们已经实际参与了这部标准所述及的那类科学教育活动时才是适用的。例如。评价实践和举例只有在学生们已经有了获取待评价的理解力和其他能力的机会以后才适用。

《国家科学教育标准》是为全体美国人制定的标准:公正平等是这部标准的一个基本原则,因此理所当然地要渗透到科学教育的方方面面。

阅读指要《国家科学教育标准》的编制旨在提供一本可靠的指南,用以引导国人创建一个有高度科学素养的国度。因为这部标准展示给我们的是对有高度科学素养所作的一种构想,而要把这一构想变成现实,整个的教育系统就要在各方面作彻底的改变,因此,可以料想得到,不同的读者将会为了不同的目的来阅读这部标准。重要的是,所有的读者都不能不读第二章,也就是“原则与定义”这一章,因为这一章是科学教育改革之构想的基础。其后各章的阅读顺序可以因人而异,孰先孰后就全看读者的阅读目的是什么了。下面的这个便览(表1.1)给读者查找不同类型的信息指明了方向。

 

《美国国家科学教育标准》——第二章 原则与定义

编撰《国家科学教育标准》有几条指导原则。这些原则是:

□ 科学是面向所有学生的。

□ 学习科学是种能动的过程。

口 学校的科学要反映作为当代科学实践之特点的理性传统与文化传统。

□ 改进科学教育是牵一发而动全身的教育改革的一个组成部分。

将这些原则具体化到某些标准之中时难免遭到抵制。这些原则在应用于学校的科学大纲和科学课堂教学的时候,也会遭到抵制。在下面,我们要对这些原则详细地作一阐释,说明一下有关的一些困难之所在。

科学是面向所有学生的。这一原则也就是公平与优异的原则。我们学校里的科学必须面向所有的学生:所有的学生,不问其年龄、性别、文化背景或族裔背景,不论他们有何残疾、有何志向,也不管他们对学科学怀有什么兴趣、受到了什么激励,都应该有机会接受科学教育以使自己具有高度的科学素养。

这部标准认定,所有的学生都应该被赋予学习科学这样的具有挑战性的机会,因此,这部标准规定了所有的学生都应该有的认识水准和都应该具备的各种能力。这部标准在科学教育中所要防止的,主要是某些人——例如某些人口群体——学习科学的欲望受到压制、他们学习科学的机会甚至被剥夺的现象。

科学教育之优异原则体现在我们这样的理想之中:我们只要能把学习的机会毫无例外地提供给每一个学生,那么每一个学生就都能获得对科学的掌握。内容标准描述的是学生们学习的最后结果——学生们应该掌握的东西和能够做的事情,而不是学生们获取这些结果时所要采取的方式。学生们在回答有关自然界的问题时他们对自然界的理解方式和深度都会有所不同。学生们取得这些最后结果的速度也会有所不同,有些学生早一些,有些学生则要晚一些。但是,所有的学生在这些年中都应有机会通过多种学习途径达到这部标准所规定的认识水准和知识水平。

科学是面向所有学生的这样一个原则,无论是对于大纲的制定还是对于教育系统的本身,都意味着有多方面的要求。特别是,在资源的分配方面必须得确保,这部标准不能把地位优越的学生与地位不很有利的学生间在获得学习机会方面目前存在着的差别给进一步拉大。

学习科学是种能动的过程。学习科学是学生们要亲自动手做而不是要别人做给他们看的事情。在学习科学的过程中,学生们需要描述物体和作用过程,提出问题,获取知识,对自然现象作出解释,以多种不同方式对所作解释进行检验,最后是把自己的看法传递给别的人。

在《国家科学教育标准》中,“能动的过程”一语指的是体与脑的共同活动。光是动手活动还不够——学生们还必须有动脑的活动。学习科学是学生们要亲自动手做而不是要别人做给他们看的事情。教学必须让学生们参与以探究为目的的研究活动,使他们同老师和同学一起相互启发相互促进。学生们需要将他们目前所掌握的科学知识同他们从多种渠道获得的科学知识联系起来;他们要把科学内容应用于新的问题里去;他们要参与解决问题,参与做计划,参与决策,参与小组讨论;他们还要参与跟能动的学习方法在原则上是完全一致的评价活动。

学习科学是学生们要亲自动手做而不是要别人做给他们看的事情。

强调能动地学习科学就意味不再把重点放在教师传授知识、讲解科学题目这样一套传统做法上。依照传统,教师显然得把教科书里的那些题目、科学词语和各方面知识都面面俱到地讲解一遍,那样一种做法同要使学生们在理解的基础上来学习科学知识的这个中心目标是完全背道而驰的。

学校的科学要反映作为当代科学实践之特点的理性传统与文化传统。学生们要获得有关科学与自然界的丰富知识,就必须熟悉科学探究的手段、使用证据的规则、形成问题的方式和提出解释的方法。使学生了解科学与数学的关系以及科学与技术的关系、认清科学的性质也应是对学生进行科学教育的一个组成部分。

学生们应该加深对什么样的东西是科学、什么样的东西不是科学、科学能够做什么、科学不能做什么以及科学如何在文化中起作用这一系列问题的认识。

《国家科学教育标准》的一个明确目标是在美国建立一个有很高科学素养的社会。良好的科学素养的一个重要方面,是对科学主题(也就是同物质科学、生命科学和地球科学特别相关的知识)知晓得比较多,理解得比较深。良好的科学素养还包括认清科学的性质、科学事业以及科学在社会和个人生活中所起的作用。《国家科学教育标准》认为,有许许多多个人都对科学的传统作出了贡献,从历史的角度看,科学已经成为许许多多不同文化中的一种实践活动。

科学是格物致知的一种路径,其基本特点是以实证为判别尺度、以逻辑作论辩的武器、以怀疑作审视的出发点。学生们应该加深对什么样的东西是科学、什么样的东西不是科学、科学能够做什么、科学不能做什么以及科学如何在文化中起作用这一系列问题的认识。

改进科学教育是牵一发而动全身的教育改革的一个组成部分。国家的目标和国家的标准有助于州和地方发起的那类影响全局的改革,国家的改革工作和地方上的改革工作是相辅相成的。在较大的教育系统内,我们可以把科学教育视作一个子系统,其组元有的是与其他子系统的组元共用的,有的组元是它独有的。这些组元包括学生与教师;有校长、监理和校董会的学校;高等院校中的教师教育大纲;教科书和教科书出版商;家长与学生两大群体;科学家与工程师;科学博物馆;工商业界人士;立法人员。要把上述各方面都有效地调动到改进面向全体学生的科学教育这一重要工作上来,就需要统一目标、统一构想,而《国家科学教育标准》就可以把我们的目标和构想统一起来,从而可以确保这场长期的改革得以步调统一、首尾相贯。

《国家科学教育标准》中的一些观点和用语诸如“有科学素养”、“科学内容和科学课程”等等用语虽然经常见诸教育讨论和大众报刊之中而又都没有作明确的定义,但是这些用语在《国家科学教育标准》中使用的时候则都是有特定的含义的。

有科学素养所谓有科学素养是指了解和深谙进行个人决策、参与公民事务和文化事务、从事经济生产所需的科学概念和科学过程。有科学素养还包括一些特定门类的能力。在《国家科学教育标准》中,内容标准给有科学素养作过定义。

有科学素养就意味一个人对日常所见所历的各种事物能够提出、能够发现、能够回答因好奇心而引发出来的一些问题。有科学素养就意味一个人已有能力描述、解释甚至预言一些自然现象。有科学素养就意味一个人能读懂通俗报刊刊载的科学文章,能参与就有关结论是否有充分根据的问题所作的社交谈话。有科学素养就意味一个人能识别国家和地方决定所赖以为基础的科学问题,并且能提出有科学技术根据的见解来。有科学素养的公民应能根据信息源和产生此信息所用的方法来评估科学信息的可靠程度。有科学素养还意味有能力提出和评价有论据的论点,并且能恰如其分地运用从这些论点得出的结论。

不同的人会以不同的方式表现出自己的科学素养,例如能恰当地使用技术术语,或者能运用科学的概念和科学的过程等等。每一个人的这种素养在不同的领域中也会有所不同,例如对生命科学的概念和术语可能懂得多一点,而对物质科学的概念和术语可能懂得少一点。

有科学素养的程度和形式并不是一成不变的,其程度上的由低而高、修养面的由窄趋宽是发生在人的一生之中,而不是只发生在就学的年代。但是人在早期确立起的对科学的态度以及价值观念,对其成年时在科学素养方面所能达到的境界则会有决定性影响。

内容和课程学校科学的内容,广义地说,包括在科学方面具体地应该了解的知识、应该懂得的道理和应该会做的事情。内容标准并不是一种科学课程。课程是传授内容的方式:它包括课堂所讲内容的结构、组织安排、轻重处理及传授方式。

内容标准不是所要教授的科学课,不是教程,不是学习进度,也不是学校科学大纲。内容标准所描述的各部分科学内容可以依各种不同的强调点和不同的视角组织成多种不同的课程。内容标准的组织格局并不是准备作为课程来用的;科学概念、科学过程和科学题目的范围、顺序和协调都留给科学大纲的课程的设计者与编制者来自行决定。

课程常常会把来自不同的学科领域——例如生命科学和物质科学——的一些题目、来自不同的内容标准——例如生命科学和从个人角度和社会角度看的科学——的一些题目以及来自不同的学校学习科目——例如科学与数学、科学与语言艺术或科学与历史——的一些题目集于一身。

有科学素养就意味一个人能识别国家和地方决定所赖以为基础的科学问题,并且能提出有科学技术根据的见解来。

知识和领悟能力实施《国家科学教育标准》意味要获取科学知识,要培养领悟科学的能力。科学知识指的是科学事实、科学概念、科学原理、科学定律、科学理论和科学模型,科学知识是可以通过多种途径来获取的。一个人要领悟科学就得将多种多样的知识——包括科学上的各种思想观念、这种思想观念与那种思想观念之间的相互关联、存在此种相互关联的缘由、运用这些思想观念来解释和预测其他自然现象的方式以及将此类思想观念运用于许许多多事情上去的方式等——综合在一起。领悟能力包括运用知识的能力,而要能够运用知识就要能分辨什么是科学思想,什么不是科学思想。培养领悟能力的先决条件是,学生们对科学上的思想观念要有追根问底的极大欲望,对自然界要有多方面的经验。

探究科学探究指的是科学家们用以研究自然界并基于此种研究获得的证据提出种种解释的多种不同途径。科学探究也指的是学生们用以获取知识、领悟科学的思想观念、领悟科学家们研究自然界所用的方法而进行的各种活动。

探究是一种有多侧面的活动,需要做观察;需要提出问题;需要查阅书刊及其他信息源以便弄清楚什么情况已经是为人所知的东西;需要设计调研方案;需要根据实验证据来检验已经为人所知的东西;需要运用各种手段来搜集、分析和解读数据;需要提出答案、解释和预测;需要把研究结果告之于人。探究需要明确假设,需要运用判断思维和逻辑思维,需要考虑可能的其他解释。学生们在学习探知自然界的科学方法时将会参与科学探究活动中的某些方面的工作,但是学生们也应该培养自己从事完整的探究活动的能力。

这部标准虽然强调探究,但是这不能解释为我们建议科学教学只应取探究的方式。教师们应该运用不同的策略设法使学生们掌握内容标准所描述的知识,弄懂所描述的道理,学会所描述的技能。只动手不动脑的科学活动无法达到探究的目的,从书本中学习科学与科学探究也不能同日而语。要掌握第六章中所描述的那些应该弄懂的东西和应该学会的技能,靠任何单一的教学策略或学习活动都是无法办到的。

科学和技术这部标准所使用的科学和技术两语,其间的根本区别在于二者的目标有所不同:科学的目标是探知自然界,而技术的目标是对这个世界加以改造使之适应人类之需。以设计为特点的技术在这部标准中是同以探究为特点的科学相互并存的。

技术与科学是密切相关的。一个单一性的问题常常包含科学和技术这两个方面。对自然界的种种问题要作出回答的需要导致技术产品的研制;技术上的种种需要又可促进科学研究工作的开展。技术产品,从较为简单的铅笔到比较复杂的计算机,可以为我们提供一些手段和工具,推动我们对自然现象的研究工作。

在这部标准里,“技术”一语的用法不要同“教学技术”一语发生混淆,后者指的是为学生和教师们从事探究、领悟科学而提供的像计算机这样的生动手段。

对《国家科学教育标准》较为重要的一些其他用语,诸如“教学”、“评价”、“学习机会”等等,都在用到这些术语的那些章节中分别作了界定。我们自始至终都很注意,尽可能不使用对与实施这部标准有关的许多群体来说有其不同含义的那些术语。

 

国家研究理事会

《美国国家科学教育标准》——第三章——科学教学标准

科学教学是种复杂的活动,科学教学活动是《国家科学教育标淮》对科学教育所作构想的核心。科学教学标准提供给人们的是一把量尺,用以量度人们朝着那构想中的目标究竟前进了多大一段距离;科学教学标准所描述的是各级科学教师应该知道些什么,应该能够做些什么。我们把科学教学标准放在最前面就是为了突出教师在科学教育中的重要地位。然而,要实现这部标准中所描述的科学教育目标,整个系统都需要加以改变。教师是教育的核心,但是,绝不能把教师们置于令其独自担此改革重任的境地。教师们将需要在工作同人戮力同心、组织安排井然有序、方针政策稳妥适宜这样一种有助于搞好科学教学的氛围内进行工作。除此之外,学生们也必须担负起他们在自己的学习中所应担负的那份责任来。

在这部标准对科学教育所作的构想中,称职的科学教师应该善于营造一种环境,使教师和学生都能以学习者的身份积极地学习,以期教学相长。学生要积极地学习有关自然界的知识以及了解自然界所需要的科学原理,而教师则要不断与自己的工作同人相互切磋,以扩大自己有关科学教学的知识面。要教好这部标准所描述的科学,教师们就必须具备有关科学、学习和教学的理论知识、实践知识和这几方面的能力。

科学教学标准基于以下五点判断:

口这部标准所作的科学教育构想要求对整个系统进行全面改革。

口 教师的教学方法会对学生们之所学有很大影响。

口 教师对科学作为一种事业的认识以及他们对科学作为一门要教要学的课程的理解会深深地影响教师的教学行为。

口 学生们的领悟能力是通过一系列个人活动和社会活动能动地建立起来的。

口 教师对学生的了解以及教师与学生们的关系会对教师的教学行为有极大的影响。

这部标准所作的科学教育构想要求对整个系统进行全面的改革。教育系统一定要采取措施确保有效教学的进行。全系统的日常工作、奖励制度、组织结构和种种预想都必须符合这部标准所作的科学教学构想的要求。教师们必须有如大纲标准和系统标准所述,能够获得实施改革所需的财力与物力、时间和机会。他们必须在一种能激励他们努力的组织系统内工作。

教育系统为确保良好的科学教学所要进行的改革是最重要的改革。教育系统内的各个环节都将有所变化。变化的大小、快慢会有不同,而大多数变化都将是渐进的。不过,必须在教学上先开始变,然后再去解决那类牵动全局的问题。

教师的教学方法会对学生们之所学有很大影响。教师对教学内容和教学活动的选定,教师与学生的相互作用,评价办法的选择,教师所表现出的思维习惯,教师在所教学生中间的熏陶作用,以及教师在有意与无意间所表现出的态度,都会影响到学生对知识的获取,理解。

教师必须具备有关科学、学习和教学的理论知识、实践知识和这几方面的能力。

力的提高,智能的发展和种种观念的形成。

教师对科学作为一种事业的认识以及他们对科学作为一门要教要学的课程的理解会深深地影响教师的教学行为。他们只有在能够对这部标准所赖以建立的那些原则有充分的理解时,只有在有机会对他们自己的那些信念加以检验时,他们才有可能成为学生们学习科学的胜任愉快的向导。

学生们的领悟能力是通过一系列个人活动和社会活动能动地建立起来的。科学家是在寻求有关自然界的各种问题的答案的过程中积累知识,深化认识,而学生们也要像科学家们那样,在积极地参与科学探究——单独地和与他人一起的过程中逐渐对自然界有所认识。

教师对学生的了解以及教师与学生们的关系会对教师的教学行为有极大的影响。科学教学标准要求教师必须能与学生们建立起牢固而持久的关系。教师与学生间的这种关系的基础就是要对学生们的背景、经历,以及他们现在对科学的看法上的异与同能有很好的了解。今天的学生这一群体中彼此间存在的巨大差异性,以及我们对科学教育面向全体学生这一原则的信守,都要求我们有这样的坚定信念:所有的学生是都能学习科学的。

科学教学标准

若是把科学教学分成几个可以相互独立的部分,那就是把一种复杂的活动过分简单化了;不过,为了把有效的科学教学的这些衡量标准阐述清楚,把这一工作分成某几个小的方面还是很有必要的,而这样做就是允许有某种重叠。此外,这些教学标准也不可能把精于此道的教师所能有的素养和能力全都涵盖无遗。所以,科学教学标准所集中讨论的是与科学教育、与这部标准所描述的科学教育目标的联系极为密切的那些素质上。

科学教学标准从教师所作的长期计划这个焦点问题开始,然后论及促进学习、改进评价,以及改善课堂环境的问题,最后是讨论教师在教学班里的作用。科学教学标准对各个不同年级的教学都适用,但是,不同年级的教学将有所不同,以反映不同年龄段上的学生在能力和兴趣上的差异。

全国各地的教师在后面将会发现,他们目前的一些做法有的已经得到了反映。他们还会发现,有些准则将要求他们得在教学上采取新的不同的做法。因为变化需要时间,变化又都是局部地进行,所以个人的、学校的以及地区的差异,都会反映在不同的改革途径、不同

科学教师将面临的一件颇费气力的工作就是,他们要拿眼前的各种需要同其年度目标计划中的安排与构想加以权衡,使它们很好地统一起来。

的进展速度和不同的侧重点上。例如,一个初做教师的人有可能把着重点放在培养管理学习环境的技能,而不是放在长期计划的制订上;而那些比较有经验的教师则有可能会一起努力去研究评价学生成绩的新模式。要想把改革推广开来,持久地进行下去,那么能够在较长的一段时间内瞄准这里所描述的科学教学目标,脚踏实地地坚持做下去就是很重要的了。

教学标准A

科学教师要为学生制订一个以探究为基础的科学大纲。为此,教师要口为学生制订一个年度目标和短期目标的计划。

口选择科学内容,修改与设计课程,使之适应学生的兴趣、知识水平、理解力与其他能力和他们的经历。

口选择教学与评价的方案,使之有助于提高学生对知识的理解、有助于把学校变成学科学者积极参与学习的场所。

口在学科和年级内外与工作同人协力工作。

为学生制订一个年度目标和短期目标的计划。教师们都知道,制订计划是有效教学的一个关键环节,而制订计划的一个重要方面就是确定目标。在这部标准所作的科学教育构想中,科学教师有责任确定年度的目标和短期的目标。在确定这些目标的时候,他们要根据学生们的经历和兴趣(个人的和集体的)不仅对州的和国家的也对学校的和学区的大纲目标作些适当的修改。

教师们制订出了目标计划之后,其中的具体安排还是可以灵活变动的。决定下来的东西是可以根据经验加以检验和再检验的。针对理解而进行的教学,要求根据学生情况作适当变通。所以,与教学有关的活动和方案要不断地加以修改,使之更具针对性,这样就可以把学生们在探究和经验中产生的题目以及从学校、地方和国家的事件中产生的题目都纳入教学内容之中了。教师也可以改变他们根据对学生成绩的评估和分析以及学生们先前所表现出的知识水平和信念而制订出来的计划。例如,一次探究活动因为能够激起学生们的兴趣而可以把时间拉长,一堂课因为某个具体概念学生们尚未弄清楚而可以增加某项活动,或者为了促进相互交流也可以在原订计划中多加入点小组活动。摆在科学教师面前的一项艰巨工作就是,他们要对目前的需要与年度目标计划中的具体构想认真地加以权衡,把它们很好地结合起来。

在制订计划的时候,要把诸项目标转化成一门课程,也就是变成有助于学生认识他们的那部分世界、有助于他们理解科学基本观念的具体讲题、讲授单元以及按时间排序的一些活动。在教师选择具体的科学讲题时,科学内容诸标准以及州的、学区的和学校的参考准则都可以为他们提供指导。有些准则允许教师在确定讲授题目、讲授顺序、课堂活动和教学材料时有所选择。有些准则则是给教师规定目标、任务、内容和材料。无论是在哪种情况下,教师都要检查一下作为增进学生理解之手段的探究活动和直接实验在一门课程中所占的比重有多大。教师在计划和选择课程时,要尽可能求得在讲题面的宽窄与知识的深浅程度上的平衡。

选择科学内容,修改与设计课程,使之适应学生的兴趣、知识水平、理解力与其他能力和他们的经历。教师在确定具体的科学内容和教学活动——这是课程的两大组成部分——的时候要考虑准备学习这部分科学内容的学生。不论是安排准则所规定的内容和活动——从仍然沿用的活动中进行选择——还是要试用新颖独创的活动,教师们都是想要使所设计的课程能适应学生们的特殊兴趣、知识水平和现有技能,都是想要从学生们以前产生的问题和形成的理念出发来设计课程。科学内容和活动的确定主要是靠教师对学生的了解,了解他们的认识潜能发育状况、身体素质、情感发展和行为动机,以及他们是怎样学习的。教师不仅要知道学生们的文化背景和经历,以及这种背景和经历对他们的影响,还要知道一定年级的学生在科学上所共有的幼稚想法。教师也要考虑他们自己的强点和兴趣,考虑当地环境中都有些什么可资利用的资源。例如,在克利夫兰,对伊利湖、伊利湖的污染以及伊利湖污染的

对从学生们所亲历的事物中产生的一些实际问题进行探究,是科学教学所要采取的主要做法。

清除进行探究,正像在洛杉矶地区对地震进行探究一样,就是科学课程的一个重要组成部分。教师们可以与当地的有关人员,例如与当地那些和科学关系极为密切的机构和部门(博物馆、工业中心、大专院校等)中的有关人员一道协商如何对他们的那些有助于学生探究某个具体题目的展览项目和教育活动加以利用。

选择教学与评价的方案,使之有助于提高学生对知识的理解、有助于把学校变成学科学者积极参与学习的场所。在过去的若干年里,教育研究工作者们已经提出了很多与课堂科学教学有关的教学与学习模式。教师们对这些模式的强点与弱点了然于心之后就得好好裁夺一下,看看什么样的科学内容应该采用什么样的教学方法。科学教师要把有效的教学与学习模式、切实可行的活动安排以及学生们准备要学习的内容很好地组织在自己的教学方案中。

对学生们从所亲历的事物中产生的一些问题进行探究,是科学教学所要采取的主要做法。教师要把在课堂上、在户外,或者在实验室里的探究活动大都集中在现实中的一些现象上,让学生们去研究,去调查,或者引导他们去设计那种有相当难度但又不超出其能力限度的研究方案。

在探究较为复杂的题目时,学生们为求得对概念的理解不可能每一次总要回到那类基本现象上去。不过,教师在引导学生从图书馆、政府文献和计算机数据库等信息源中获取和解读信息时——或者在从工业界的、社区的和政府的专家那里收集信息时——还是可以采取探究之法的。其他一些教学方案则都是要依靠教师、课本和辅助性信息源——诸如电视、电影和计算机仿真等。在利用科学知识的信息源时,学生们有必要知道,展现在这类信息源里的这些知识都要用什么方法来获取;学生们有必要了解,这些信息源是具有权威性的,在科学界是得到大家承认的。

计划安排的另一面是关于对学生们的组织。科学常常是种协作性的活动,一切科学均取决于思想理念的最终为人们所共有以及人们对思想理念的论辩。课堂上个人和小组中间进行着的相互启发的活动,在经过教师的悉心引导,使学生们人人都能充分参与的时候,这种相互启发对于深化对科学概念的理解,对于加深对科学活动的性质的认识常常是至关重要的。至于小组的规模则取决于学生们的年龄、活动的条件和探究的性质。

科学教师必须会确定在什么时候以及为了什么目的才运用全班性教学、小组合作和个人单独工作这样一些方式。例如,开初研究简单的电路可能最好是由个人单独来进行。当学生们在进展到制作复杂电路的阶段时,小组活动可能有助于相互启发和材料共享,而随后进行的全班性讨论则可能是用来总结经验,得出结论。

教师的教学计划是为全体学生提供学科学的机会的,所以,计划的制订在很大程度上是取决于教师对全班学生的不同能力、不同兴趣和不同文化背景的了解和认识。制订计划也要考虑教学班的群体结构,以及不同的学生群体会给教学带来的具体困难。能收到良好教学效果的计划要包括对学生们的那些可能与现有的科学知识相抵触的观点所具有的针对性,要包括那些有助于对世界作出科学解释的同时也有助于支持人们用新的方式去认识世界的教学方案。

教师要设计一些活动,教师和学生们在开始一项学习活动之前用这些活动对学生们所具有的知识水准和种种能力作一评估。此外,教师还要设计出一些适当的方法,用来监测学生们在全学年完成自己学业的过程中在知识、理解和种种能力上都有什么长进。

在学科和年级内外与工作同人协力工作。个人和集体计划是科学教学的基础,是人们学习专业本领、增长专业才干的法门。在这部标准所作的科学教育构想中,一组组教师要在年级和学科的层面上作出多种教学计划决策,以便制订出在年级内和年级间能相互连贯、前后统一的教学计划来。学校如果指望教师们能够拿出协作性的教学计划来,就必须给他们提供时间,给他们提供方便,使他们有机会同他们的同事和其他能够用作资源的人一起进行研究。

教学标准B

科学教师要会引导学习,会将学习活动化难为易。为此,教师口在与学生相互促进、教学相长的同时,要把注意力集中到探究上,坚持进行探究。

口要组织好在学生中间进行的有关科学思想观念的讨论。

口要设法使学生们认识到并担负起他们在自己的学习中所应担负的那份责任。

口要认识到学生们存在的巨大差异并能采取相应的做法和措施,鼓励全体学生人人都充分参与到科学学习之中。

口不仅要鼓励和培养搞科学的一些典型性格,例如有究根问底的好奇心、乐于接受新思想与新信息以及对事物常常持怀疑态度,而且要鼓励和培养探究科学所需要的种种技能。

把教师与学生、教学计划、教学材料以及科学教学的课堂环境这样一些因素协调起来使之充分有效地发挥各自的作用,是种艰巨的、不间断的任务。这项标准所集中阐述的是教师在课堂上实施标准A的计划时所要做的工作。

科学教师要不停地做出各种决断,例如,应该在什么时候改变讨论方向,如何集中个别学生的注意力,什么时候允许学生探究他们个人感兴趣的东西,以及如何抓住机会发展科学技能、培养科学情趣。教师们必须解决好既要引导学生为达到一套既定目标而努力又要允许学生确定他们自己的目标并为之而奋斗的这个难题。教师们还要去面对的另一个类似的难题是,既要肯花时间让学生对某个有趣的题目作更深一层的探讨,也需要及时地把教学活动转移到有待学习的新内容上。此外,教师也要对在培养学生的理解和其他能力方面都有些什

在探究的各个阶段上,教师的工作都是指导学生们的学习,把注意力集中于他们的学习,激发和鼓励他们的学习。

么要求而在进行以学生为中心的深入钻研性学习方面又有些什么要求,不断地加以权衡。诸如此类的决断结果就是所制订出来的课程——这设计好的课程实际上就是由学生、教师、教材和课堂上的日常活动等诸种因素的相互关系、相互作用所决定的。

要把注意力集中到探究上,坚持进行探究。学生在课堂上进行的科学探究包括一系列的活动。有些活动是为观察事物、收集数据、发表见解和对所观察到的现象进行分析打基础。有些活动则是鼓励对辅助性信息源,包括各种媒体、书籍和图书馆的期刊杂志,进行严格的分析。

在成功的科学课堂上,教师和学生应是齐心协力,一起出主意、想办法,而学生们则多有创见,对探究活动常常会提出些很新颖的建议来。学生们不仅能提出各种问题,而且也能构想出解决这些问题的方法和途径。他们能收集数据,也知道如何解释这些数据。他们会对数据加以整理而形成认识,他们也会对所形成的这种认识的可靠性加以验证。随着学业的继续,学生们不但能够自己也能够向自己的同学解说他们自己所做的工作,说明自己何以要这么做;能够学着处理像设备的局限性这样一类问题;对教师和班里同学出的一些难题能够拿出相应的解决办法。学生们能估计自己所做的工作所达到的预期结果——他们会评价自己收集到的数据;有必要的话他们会反复检验这些数据或者再收集些数据;他们会对他们的那些发现可能具有的普遍意义作出陈述。他们不仅能在班上其他学生面前报告他们自己所做的工作,也能接受别人的建设性批评,并且能采取适当的措施改进自己的工作。

在探究的各个阶段上,教师的工作都是指导学生们的学习,把注意力集中于他们的学习,激发和鼓励他们的学习。成功的教师不仅科学知识渊博、知道科学该如何学习,而且善于观察学生。教师采取行动要适应学生们的特定要求,要善于选择指导学生的时机和方法——什么时候要求学生自己去苦钻苦研,什么时候问学生传授新知识,什么时候向他们提供具体的探究手段,以及什么时候让学生去接触其他信息源等等——都要选择得恰到好处。

在《国家科学教育标准》所构想的课堂上,称职的教师要不断地通过提问题创造机会去激发学生思考,推动科学探究活动。

学生在碰到新材料、新现象时,放开思想讨论虽然对学生很有益但教师还是要介入进去,集中他们的注意力,引导他们思考问题,否则,这种讨论可能达不到透彻理解的目的。教师介入过早会使学生失去解决问题、发现答案的机会,但介入太迟也有可能使学生因为问题难于索解而失去探究的兴趣。教师还必须选择好时机让学生去领会他们所作探究的意义:在进行这样的活动时,应该要求学生们说明和解释他们所做的工作,以挑剔的眼光审视他们的做法,再对他们的工作做出估价。

要组织好在学生中间进行的有关科学思想观念的讨论。科学探究和学生学习科学的一个重要阶段是口头和书面交流。这种交流是要使学生把注意力集中到诸如他们是如何知其所知的,他们的知识又是如何同其上位概念(larger ideas)、同其他范畴的一些概念以及同课堂以外的世界发生联系的这样一些问题点上,教师可以以下面两种方式直接主持和指导这种交流:要求学生把他们所做的工作记录下来——在适当的时候教他们些必要的技巧——并且鼓励他们运用多种不同的交流方式(例如,口头方式、书面方式、绘画方式、图表方式、数学方式和电子方式)。

利用协作性的小组形式,教师要鼓励小组成员间的互帮互助,鼓励学生共同参与小组工作,以使每一个人都能参与使用数据,都可参与写小组报告。教师也要给各个小组以机会,让他们报告其工作,让他们同班里同学一起去说明、解释和从理性上认识他们所学到的东西。教师在这类小组和大组的集体活动中的作用就是用耳去听,就是鼓励广泛参与,就是用心判断该以什么方式指导讨论——确定所要遵循的指导思想,所要提出的问题,所要提供的信息,以及所要进行的知识联系。在训练有素的教师主持之下,这种小组活动可以使学生认识到小组的不同成员在每项探究尝试中所用到的知识和技能,认识到在探究中证据和论点比个性和风格因素更显重要。

要设法使学生认识到并担负起他们在自己的学习中所应担负的那份责任。教师要让学生们明白,每个学生都必须担负起他们自己在学习中所应担负的那份责任。教师也要给学生们创造机会,使他们在自己的学习中能担负起自己作为个人和作为小组成员所应担负的责任。为此,教师要鼓励学生们出主意想办法,鼓励他们提问题,鼓励他们究根问底。教师要发挥学生们在设计和实施研究方案时,在准备和向班里同学报告他们的探究工作时,在学生们评价自己所做的探究工作时个人所能发挥的积极作用。

要认识到学生们存在的巨大差异并能采取相应的做法和措施,鼓励全体学生人人都充分参与到科学学习之中。不论从什么角度来看《国家科学教育标准》所构想的科学学习,称职的教师都要认识到班内学生中存在的巨大差异,都要对课堂善加组织,以便使全体学生都有机会充分参与活动。教师要做好每个学生须人人参与的督管工作,例如,得留心察看是合作小组的全体成员都在分析研究材料呢,还是什么事情都只是一个学生在独断专行。这种督管工作在学生的差异性甚大的教学班里会显得尤为重要,因为在这样的班里,地位和权力这样的社会问题会成为影响人人参与的重要因素。

科学教师要精心组织班里的同学,使所有的学生都有平等的机会参与学习活动。身体有残疾的学生可能需要经过改制的设备;英语能力差的学生,要鼓励他们除了使用英语也可以使用自己的母语,还要鼓励他们使用无需多少语言能力的画面和图示等表现数据的形式;

那些对科学知识之力量、之美妙不仅富于热情和兴趣而且常常津津乐道于口的教师,也不妨把这样一些看法灌输给自己的学生。

学习能力差的学生可能需要用较多的时间去完成他们的科学探究活动。

不仅要鼓励和培养搞科学的一些典型性格,例如有究根问底的好奇心、乐于接受新思想与新信息以及对事物常常持怀疑态度,而且要鼓励和培养探究科学所需要的种种技能。实施上述的这些建议需要根据对学生、对科学知识以及对全套的科学教学策略进行的认真评估而采取一系列相应的行动。教师所起的作用有一个并不那么实实在在,这就是对所教学生的为人师表作用。跟学生一起进行探究的教师要能展现出探究所需要的各种技能。那些对科学知识之力量、之美妙不仅富于热情和兴趣而且常常津津乐道于口的教师,也不妨把这样一些看法灌输给自己的学生。言行举止能表现出对不同的观点、不同的态度和不同的价值观念都有所尊重的教师,也能尊重为科学和科学课堂所必需、对许多日常情况也同样重要的个人情趣。

教师要想具备能够做教学标准B所要求做的各种事情的能力,就要对科学、学生、学习和教学有一套成熟的判断方法。为此,有希望获得成功的教师必须有机会与同事一起工作,来讨论、来分享、来增进他们的知识。在全部的学习活动中,他们关于学生和学习所抱有的基本信念如果在他们学校的上上下下都能为人们所接受,他们也很可能会取得成功。要想把有关科学教学和科学学习的这种构想成功地变成现实,也要求学校和学区能提供必要的学习资源,包括时间、科学材料、专业进修机会、教师与所教学生之数量的适当比例,以及适当的课程表。例如,上课周期必须保证足够长才能使这里所描述的这类探究教学得以成功地进行。

教学标准C

科学教师要参与对他们的教学以及对学生们的学习所进行的不断评价。为此,教师

口要使用多种方法,要系统地收集关于学生的理解与其他能力的数据。

口要分析评价数据,指导教学。

口要指导学生自我评价。

口要利用学生的数据、有关人对教学工作的评议,以及与同事间进行的交流,总结和改进教学实践。

口要利用学生的数据、有关人对教学工作的评议,以及与同事间进行的交流,向学生、教师、家长、决策人员,以及广大公众报告学生的成绩及其学习的机会。

“评价”这个词经常等同于考核测试、程度评估以及向学生和家长提供反馈这样一些意思。然而这些仅仅是评价数据的一部分用途,对学生的评价和对教学的评价——正式的和非正式的——也能为教师提供他们搞教学计划、进行科学教学时用来作各种决断的数据。评价数据还能用作教师向每位学生以及向家长、向其他教师、向行政管理人员介绍学生进步情况的信息。

要使用多种方法,要系统地收集关于学生的理解与其他能力的数据。在平常上课期间,学生们对科学领会得怎么样教师几乎是无时无刻不需要掌握的。评价工作并不是教学计划中可有可无的东西,而是必不可少的有机组成部分。因为评价详情是教师留意学生理解能力的提高程度、修改教学活动安排、促使学生自我检讨等工作赖以进行的有力凭借,所以,教学成绩卓著的科学教师都会对亦可视作学生学习情况的很好记录的待评价项目认真加以选择、加以利用。这些待评价项目主要集中在重要的内容目标和成绩目标上,它们能为学生们提供展现其理解能力与科学探究能力的机会。而且,教师还要运用多种策略对存在于那些经过认真考虑的教学活动中的大量与学生对科学的理解有关的信息加以收集和解释。

课堂上进行的评价可以采取多种形式。教师可以在学生进行个人活动和小组活动时用心去观察、用心去听。他们可以向学生当面提问,可以要求学生做正式的表演、做调查研究汇报、写书面报告、绘制图画、制作模型、搞小发明,以及要求他们做一些能创造性地表现其理解水平的其他工作。教师除了可以用以笔答卷这样的传统测试方式考核他们,也可以审看他们的代表作。每种评价方式都是用于特定的目的,针对特定的学生的。每种方式也都有其优点和不足,都是用来收集与学生们的理解和其他能力有关的不同种类的信息。科学教师选择评价形式要考虑班级的具体学习目标和学生的经历。

要分析评价数据。分析学生的评价数据可以使教师知道如何满足每个学生的具体需要。对学生的评价数据作的这种分析可以向教师显示出每个学生目前的理解水平,每个学生的思维特点,以及每个学生现有知识的具体来源。了解了这些情况就可以使教师心里明白教师自己应该如何教、每个学生又该如何学;就可以使教师能够对学习的活动安排作出修改以满足学生们的不同需要、适应学生们不同的学习进度;就可以使教师能够根据学生们的经历、文化和以前的理解水平等作出具体的学习活动安排。

要指导学生自我评价。有经验的教师会引导学生去认清自己学习的目的,引导他们去制定出自我评价的方略。教师要给学生们以机会,让他们去提高他们评价和总结思考他们自己的科学成绩的能力。学生们提高自己能力的这个过程不仅可以为教师了解学生们的学习提供新的视角,也可以深化每个学生对科学内容及其应用的理解。与评价标准有关的这种师生

有经验的教师会引导学生去认识自己学习的目的,引导他们去制定自我评价的战略。

间的相互作用不仅给学生们提供了把科学实践的准则运用到他们自己和别人的科学工作之中的经验,也有助于他们认识对他们所从事的工作应该抱有的期望。学生们将这样的一些准则熔铸于心、升华为自己的认识,对他们现在乃至以后的科学业绩都是至关重要的。

让学生们参与评价并不会使教师的责任有所减轻——教师的责任反倒因此而有所加重。学生参与评价要求教师得能创造一种学习环境,让学生们互相检查各自所做的工作,提出建议,指出在调查研究的活动中,有毛病的推理中或者缺乏论据的结论中的错误、不足和失当,帮助学生提高其自我检讨的能力。

要利用学生的数据、有关人对教学工作的评议,以及与同事间进行的交流,总结和改进教学实践。在《国家科学教育标准》所构想的科学教育中,科学教师要以探究与求索的态度对待自己的教学工作——去评价与审度、去思考与检讨自己的教学实践,从自己的教学实践中去认识与学习。他们要设法搞清楚究竟哪些计划、决策和措施能有效地帮助学生,哪些不能。“为什么这样的内容对处于这一发育阶段的这部分学生很重要?我为什么作了这样一些具体的学习活动安排?我选取的例证适合吗?我作的这些活动安排是否适合学生们的需要和兴趣?这些活动能达到诱发学生们积极思考的预期效果吗?什么样的影响是我期望能在学生们的身上见到的?”诸如此类的问题科学教师都不仅要自己问问自己,而且要自己作出回答。

教师在研究与检讨自己的教学工作时,要从课堂上、从外间对学生成绩的评价中、从同行的评议与督导人员的评价中、从自付自问中收集数据。他们要进行自我总结,要与同行进行讨论,以便可以比较深入、全面地认识课堂上出现的各种情况,进而构拟出改进课堂教学的策略。要进行教学总结教师就必须得有一种引导和鼓励将这种工作不断进行下去的机制——这种机制能使教师有机会在他们与同行以及与其他人进行的讨论中就学生们的学习和教师的科学教学实践诸问题进行正式与非正式的思想交流;能使教师有机会研读到有关科学内容和教学方法的研究文献,与其他教育专业工作者进行思想交流;能使教师有机会设计和修改用以帮助学生获取所需知识的学习活动;能使教师有机会对有效的教学模式以及实施典型战略的这种带有挑战性的工作进行实践、观摩、评论和分析;能使教师有机会发展其自我总结的能力,因为自我总结是每个教师在其整个的职业生涯中须臾不可缺的东西。

要利用学生的数据、有关人对教学工作的评议,以及与同事间进行的交流,向学生、教师、家长、决策人员,以及广大公众报告学生的成绩及其学习的机会。教师有义务向包括学生及其家长、证书颁发机关、业主、政策制定者以及纳税人在内的许许多多个人和机构报告学生们的学习成绩数据。此类报告虽然可能会包括学生的学习程度,但是教师在其报告中还是要备有学生成绩的简况介绍的。此外,学生已获得的学习科学的机会也是关于学生的科学领悟力及其他能力的成绩报告中的一个重要组成部分。

教学标准D

科学教师要营造和管理好学习环境,为学生们学习科学提供必要的时间、空间和资源。为此,教师口要安排好可以利用的时间,使学生们有机会参加扩展性研究。

口要创造一种灵活的,有助于科学探究的学生学习环境。

口要确保学习环境的安全性。

口要使可以利用的科学设备、学习材料、视听媒体,以及教学技术能够为学生们所用。

口要能鉴识和利用校外的学习资源。

口要使学生参与学习环境的设计。时间、空间和学习材料是有效的科学学习环境——有助于持续探究和认识世界的科学学习环境——中的几个极其重要的组成部分。创造良好的科学教学环境,也是每个教师应有的责任。教师在资源的安排与利用上要起主导作用,但是学校的行政管理人员、学生、家长,以及社区成员也都必须担负起他们应该担负的那份责任,确保资源能够被利用。科学调研时

科学教师需要常备的、充足的科学探究空间。

间表的编制需要学校全体员工的通力合作;购买学习材料需要筹措经费;维护科学设备是学生也是教职员工共同应尽的责任;适时使用当地的科学机构与资源的计划工作,要求学校和这些科学机构以及个人共同参与。

教学标准D阐述的是时间、空间和学习资源的课堂使用——是教师在决定如何计划和管理上述这一切以便创造出学生们学科学的最佳机会这样一个问题时所应取的方式。

要安排好可以利用的时间,使学生们有机会参加扩展性研究。科学理解力的培养靠的是日益月滋,靠的是积年累月。学校要调整时间安排,以使教师能够使用大量时间,运用跨学科战略,利用野外考察活动。为学生们提供多种机会让他们参加一些他们感兴趣的研究,这些活动应是他们的科学学习的一个有机组成部分。在考虑如何安排可利用的时间时,有经验的教师会意识到,学生们得要有时间去试验自己的新想法,得要留出出错误耽误的时间,得要有时间作沉思默想,还得有时间用来开展相互讨论。在安排时间时,教师如果有发言权他们便会给学生留出充裕的时间去安装科学设备做实验,去野外作考察,或者去思考总结个人经验,去进行相互交流。教师要给学生们留出时间让他们以不同的组合方式——或个人,或结对,或小组,或全班——去做诸如阅读、实验、思考、记述和讨论等多种多样的工作。

要创造一种灵活的,有助于科学探究的学生学习环境。教室和实验室的可用空间和设备的安排会影响到所要进行的学习活动的性质。科学教师需要常备的、充足的科学探究空间。他们要仔细考虑,这一空间的使用得要确保,学生不论如何分组也不论要完成多少样不同的工作都能安全地活动,都能把工作进行下去,都能展示自己的工作成果。教师也要给学生对如何使用学习空间和设备发表他们自己的看法的机会。

要确保学习环境的安全性。安全在所有的实验科学活动中都是极需注意的重要问题。科学教师不仅必须熟知而且必须执行学生所用材料的储存、使用和保管的一些必要的安全规定。有关安全的一些规章与准则,不论是地方和州的管理机关制定的也不论是国家机构(例如美国化学学会、职业安全与卫生管理局)制定的,他们都要遵守。他们要同学校和学区一

有效的科学教学取决于学习材料、科学设备、视听媒体以及教学技术的可以获得与组织安排。

起努力,确保他们负责贯彻的那些安全准则(例如,要配备安全设备,班级人数要适当)都能得到实施和遵守。教师还要教导学生应该如何安全地参与课堂内与课堂外的科学探究活动。

要使可以利用的科学设备、学习材料、视听媒体和教学技术为学生们所用。有效的科学教学取决于学习材料、科学设备、视听媒体以及教学技术的可以获得与组织安排。有效的学习环境不仅要求有特定的探究题目和学习活动所需的专用设备,而且要求有范围广泛的基础科学材料。教师必须能拥有这些资源,也必须被赋予权力,使自己不但能够选择出最合适的材料也能决定什么时候、什么场所以及用什么样的方式让学生们去利用这些资源。教师在作诸如此类的抉择时要拿安全、资源的适当用途和可获取性同学生们得积极参与设计实验、选择设备和制造仪器(所有这些对科学探究的理解能力的培养都至关重要)的需要加以权衡。

学生们学会如何从书刊、电视、数据库、电子通信以及有专门知识的人那里获取科学信息也是很重要的。教师还要教学生学会评价和解释他们从上述信息源获取的信息。随着学生们的科学理解力的提高教师要为学生提供运用当代技术的机会。

要能鉴识和利用校外的学习资源。课堂的环境很有限,学校的科学活动必须越出学校的围墙,使学校所在城镇的资源为其所用。我国的城镇有很多专门人才,包括运输、保健服务、通信、计算机技术、音乐、美术、烹饪、机修以及其他许多含有科学成分的领域里的专门人才。这些人常常是可以作为教学班和学生个人的可用资源加以利用的。很多城镇不仅有高等学府、国家实验室和工业企业(这些地方都是不乏科学的人才的),也有科学中心和博物馆可资利用。这些资源对于学生了解科学、对于激励学生把兴趣进一步引向校外会起很大作用。此外,学校周围的自然环境可以用作学生学习自然现象的活的实验室。学校不论是坐落在人口稠密的市区,还是坐落在民宅稀稀落落的城郊,也不论是坐落在小镇,还是坐落在农村,学校周围的自然环境不但可以而且应该用作科学学习的资源。教师要同校内的其他员工,要同当地的有关人士一起,努力把这些资源变成可以为学生们所用的财富。

学校的科学活动必须越出学校的围墙,使学校所在城镇的资源为其所用。

要使学生参与学习环境的设计。作为激发学生担负起自己学科学所应担负的那份责任这一努力的一部分,教师要促使学生参与学习环境的设计和管理。即使是年龄最小的学生不但也能而且也应该参与讨论和决定如何使用学习的时间和空间。学生们参与了这种讨论和决定因而也就有了珍惜学习空间和资源的责任。因为学生们要进行他们的探究,他们因此就会要求得到使用学习资源的机会,要求在决定什么是他们学习之所需的时候能有发言权。学生们可以获得他们学习之所需的自由度越大,他们就越能担负起自己学科学所应担负的那部分责任。在鉴识校外资源方面,学生们也有其不可估量的作用。

教学标准E

科学教师要把全班学生培养成科学探究推理严谨填密、思想方法与行为方式以及社会价值观念都有助于科学学习的科学学习者。为此,教师口不仅应表现出,而且一定要对所有学生的各种不同见解、技能和经验部有所尊重。

口要使学生们在决定应该教什么内容和应提供什么学习环境的时候都能够有真正的发言权,要使学生们都能担负起社会中每个成员都应担负的那份学习责任来。

口要在学生中间培养协作精神。

口要组织推进学生们基于对科学交流原则的共同认识而不断进行的正式与非正式的讨论。

口要使学生们知道科学探究所需要的应是什么样的技能、思想方法、行为方式和价值观念,教师应把这些作为重点加以培养。

教学标准E讨论的焦点是课堂上所必需的相处环境与学习环境,也就是,全体学生要想很好地完成他们学习科学的学业,并且有可能培养出终身学习的能力和志趣在课堂上就非有不可的那种相处环境与学习环境。教学标准E把其他标准的各项要点都集中到了一起,而突出了学习者共同参与的重要性,以及称职的教师要培养这种共同参与性都会做些什么事情。学习者共同参与可以增进学习:这有助于促进理解,有助于增强学生们的研究能力,有助于提高对探究有导向作用的所提问题的质量,也有助于学生们总结经验。

《国家科学教育标准》所设定的前提是,所有的学生都应该通过充分参与的方式来学习科学,所有的学生在科学学习的课堂上都是能做出有意义的贡献的。学生们学习科学的这种共同参与性对于把这种假定变成现实是至关重要的。

不仅应表现出,而且一定要对所有学生的各种不同见解、技能和经验都有所尊重。教师对所有学生的见解、活动和想法的尊重,不仅表现在他们在对待学生们的兴趣、见解、优势和需要等问题上所取的灵活做法上,也会表现在他们的言谈举止上。不论是鉴于个别学生的文化背景而对某项活动进行某些调整,还是为一小部分学生提供所需资源让他们去探究他们感兴趣的东西,抑或是向学生们表示,某种想法确实很好但是此刻还不能加以探究,凡此种种,无一不是教师对所谓的尊重和珍视他人的见解所作的自我示范。教师要一方面对见之于学校环境中的任何不尊重他人见解的做法、陋习和偏见都能断然予以反对,另一方面又能特别注意自己同学生之间的积极合作。

《美国国家科学教育标准》——第三章蚯蚓

F女士在准备在上一个教学单元的课。这一教学单元可使学生有机会领会K~4(幼儿园至四年级)生命科学内容标准中的那部分内容。她打算用探究的方式来上这个单元的课。在她可以选用的众多生物中,她选择的是学生们都很熟悉的一种,就是他们已在校园里见到过的蚯蚓。F女士是位任何时候都很注意学习的人,所以她就利用社区内的资源,亦即当地的一个博物馆先充实了一下自己的知识,利用它帮助她准备这个单元的课。她还使用了本校的资源——校图书馆里可以找到的科学资料,以及影视、报刊等媒体材料。通过对蚯蚓给予的护理她使学生们懂得了蚯蚓的生活习惯和所具有的科学价值。学生们写下他们对蚯蚓所作的观察,得出了观察结论。科学研究中交流技能的培养和语言艺术中表达技巧的锤炼,两方面得到了相互促进。

“这个例子要重点阐释的是教学标准A、B、D、E中,专业进修标准C中,幼儿园至四年级的科学内容标准A与C中,大纲标准B与D中以及系统标准D中的一些要点。”

F女士的几位三年级的学生在对学校附近的一块空地作实地考察的时候,对蚯蚓发生了兴趣。虽然说她此前在上科学课的时候还从未使用过蚯蚓,可是她知道,为了达到教学目的,那么多的小动物无论哪一种她都是可以拿来用的,况且她觉得,她可以借助她在课堂上用其他小动物上课所获得的经验和知识。她打电话给当地的自然史博物馆,与工作人员进行交谈,看看自己掌握的放养蚯蚓的知识够不够,看看自己的关于蚯蚓的知识是否足够用以指导学生们的探究活动。F女士从工作人员那里获知,在教室里长时间地放养蚯蚓还是比较容易的。他们告诉她,若是从生物供应公司那儿订购蚯蚓,公司会连同蚯蚓一起随送一些蚯蚓卵鞘和幼蚓的,所以,孩子们不仅能有机会观察成蚓,也能有机会观察蚯蚓卵鞘、幼蚓,以及蚯蚓这种小动物的一些生活习惯。

在为蚯蚓准备它们的生境之前,学生们在户外进行了实地考察,仔细地研究了他们发现了蚯蚓的那些地方的环境。在这次实地考察之后有一次讨论,讨论的是在教室里放养蚯蚓的重要问题:学生们怎样才能为蚯蚓创造出一种与它们的天然环境极为近似的生存场所来?从外面弄来的一条蚯蚓被放置在一个阳光直射不到的大放养箱里;学生们在箱里边放上了土、树叶和杂草,箱壁上牢牢地搭盖着黑纸。一周之后,在生物供应公司订购的蚯蚓送到了,它们就被放养到这样的生境中。

F女士已经思考过她想让学生们学到些什么,以及她需要给学生们哪些帮助和指导。她想让学生了解蚯蚓的一些基木需要,以及应该如何饲养它们。重要的是不仅要增强学生们观察事物和记录观察结果的能力,更要培养他们对生物应有的一种责任感。她还觉得,这些三年级的学生是有能力设计出一些简单的实验,来帮助他们了解蚯蚓的一些生活习性的。

在头两周中,学生们开始仔细观察这些蚯蚓,记录它们的生活习性。他们把蚯蚓长的样子,蚯蚓的爬行方式,以及他们认为蚯蚓正在干什么呢,都一一做了记录。学生们描述蚯蚓的颜色和形体,给蚯蚓称重量,给记录课堂观察数据的大图表填写数据,这些活动都引起了学生们对蚯蚓的变化过程展开了讨论。他们观察井描述了蚯蚓在土表上和在士里面都是怎样活动的。学生们约有关蚯蚓的一些问题和想法不断地提了出来。F女士把这些想法都记录在一张图表上,但她还是要学生们把注意力集中在对蚯蚓的描述上。然后,F女士把注意力转到学生们可能想发现的其他问题,以及他们可能会怎样着手这样做上。记在她的那张图表上的许多问题之申包括:蚯蚓是如何有了幼蚓的?蚯蚓是否喜欢生活在某些种类的土壤里而不喜欢生活在另几类土壤里?在土表之上的那些奇怪的东西是什么呢?蚯蚓真的喜欢黑暗冯?它们是怎么从松土里钻过的?一条蚯蚓究竟能够长多大?F女士让学生们对所有这些问题都一一进行了讨论,然后她让学生们分成小组,看他们是否能提出他们想要加以探究的问题或题目。当全班同学重新集中在一起时,每个小组都把他们打算进行探究的题目以及他们探究这个题目时可能采取的途径向大家报告一遍。各小组在报告自己打算探究的问题时全班同学都积极地参与了讨论。F女士跟学生们说,他们应该好好想一想他们的探究会以怎样的方式来进行,等下次再上课的时候他们要向全班同学报告自己的想法。

一周之后,所要进行的探究都得以顺利地进行。一个小组决定探究的是蚯蚓的生活周期,他们在土壤中发现了卵鞘。这组同学趁着等待幼蚓孵化时,查阅了从校图书馆借来的有关蚯蚓的书籍。他们还从,放养箱里取出了几条十分小的幼蚓,想看一看它们可能会以怎样的方式来保持其生长习性。

有两个小组在研究蚯蚓最喜欢的生存环境。这两个小组都是想毕其功于一役,湿度、光照、温度等好几个因素一起研究。F女士不打算现在就建议学生一次要集中研究一个因素,她是希望学生们能自己意识到这一点。

第四个小组在试图确定蚯蚓喜欢吃什么东西。这组同学为了查阅有关材料已经到校图书馆去过两次,现在正准备对它们试验一些食物。

最后两个小组的同学们都正动手组装一种四壁透明的老式养蚁箱,为的是用以盛放蚯蚓,因为他们很有兴趣观察蚯蚓在土里面到底是在干什么,它们在不同的土壤中都会有什么样的不同行为。

F女士的学生们在对蚯蚓的探究中了解了一般动物的基本需要,一种动物(即蚯蚓)的某些构造和功能,动物行为的某些特点,以及动物生活周期。学生们提出了一些问题,又对问题作出了相应的回答,相互间还交流了各自的心得与体会。他们在户外作了实地观察,也使用了科学教学设备完善的图书馆和教室。

《美国国家科学教育标准》——第三章—科学比赛

这个例子阐释的是教学与评价间的密切关系。要评价的演示项目很适合学生们的发育水平,包括评价学生们的动手能力和认知能力。这个例子里的各个标题(例如“科学内容”)是要突出评价过程的一些要素。学生们从一个演示站点到一个演示站点,展示着他们在科学方面的理解力和其他能力,社区里的有关人员随之对学生们的科学成绩作出评价,他们同时也就可以注意到学生们已经获得了学习科学的机会。任何一次比赛都需要有多方面的计划,即使在所需资源可以共享,随时都可以利用的情况下,设计和组织一项比赛也还是需要花费时间的。

[这个例子要重点阐释的是教学标准A、C、D中,评价标准A、B、C、E中,幼儿园至四年级的内容标准A与B中,大纲标准D与F中,以及系统标准D与G中的一些要点。]

科学内容:幼儿园至四年级(K~4)的内容标准(以探究为特点的科学这部分)所确定的准则是,学生应能利用简单的设备和工具来收集数据。在这一评价过程中,四个演示的项目要使用共同的器材让学生展示他们的能力。

评价的活动:学生进行观察并做记录。

评价类型:演示,当众的,真实的,单独的。

评价目的:这一评价活动可为教师提供有关学生成绩的种种情况。这些情况可能据以给学生确定其学习程度,决定其升留级。这一活动因为需要社区里的人士和家长参与,所以有助于赢得社区对小学的科学计划的了解和支持。

数据:学生在实验室记录木上的记录

教师对学生的观察社区成员对学生的观察

背景:这种一般形式的评价活动适合对一至四年级的学生们作年终评价。这种当众演示的方式是要求参与探究活动的学生在设在教室内外的几个演示站点上展示其各种技能。学生的家长、当地工商企业界人士、社区的领导,以及来自高等学府的教职人员,共同担任学生演示的评判。这项活动对学生、对学校、对学校的科学计划都是很有好处的,例如,可使家长和社区多有一些参与学校事务的机会,所以教师即使要花大量的时间和精力,这样的活动也还是应该去计划、去组织的。计划安排包括1)选择适合学生发育水平的演示项目;2)准备好必要的设备;3)制做演示项目说明卡片;4)检查设备:5)邀请和训练评判;6)准备好当众演示的学生。

 

 

评价过程

A站:测定风速

a.设备

1.电池驱动的小风扇

2.巴风速计

3.画有网格的桌子(网格的各方格内标有字母与数字)

4.带有说明的演示项目卡片

b.演示项目

1.在网格的D-4位置上安放风速计。

2.在G-6的位置面向风速计安放风扇。

3.把风扇开到中速档。

4.在实验笔记本上记下风速和风向。

B站:滚动圆筒

a.设备

1.四个干净的小塑料圆筒,一个装满砂子,一个空着,一个装1/4砂子,一个装1/2砂子。

2.可调斜面

3.各种长度的彩色纸条

4.带有说明的演示项目卡片

b.演示项目1

1.沿斜面滚动每个圆筒。

2.描述每个圆筒的运动,说明它们相互间的关系。

c.演示项目2

1.在斜面底部贴上蓝色纸条。

2.选择一个圆筒,调整斜面的角度,使圆筒能一直滚到蓝色纸条的端头。

C站:比较重量

a.设备

1.天平

2.袋子内装有一些物体(教师要选择形状不规则的,材料密度不同因而体积与质量不相关联的物体。)

3.带有说明的演示项目卡片

b.演示项目

1.把一个袋子里的物体按照重量顺序地排列起来。

2.说明你是如何排列这些物体的。

D站:测量容积和体积

a.设备

1.量筒(其刻度是以半立方厘米为一格)

2.颜色、形状、大小各异且又编上号码的石块(石块大小以能装入量筒为度。)

3.标有A、B、C、D的几个容器

4.带有说明的演示项目卡片

b.演示项目1

1.测量容器A的容积。

2.在实验笔记本上记下测量结呆。

c.演示项目2

1.测量编号为1的那一石块的体积。

2.在实验笔记本上记下测量结果。

评价学生在演示中的表现学生在演示中的几方面表现以及评价的一些准则包括:

衡量表现的标志

按照说明做

对数据的测量和记录

计划

方法的高妙

持论有据

观察的质量

遇到意外情况时的表现

根据

学生要按照说明去做。

测量的结果要符合要求,包括能正确使用测量单位。

学生要计划好要做的工作:(1)学生对滚筒的观察要按部就班,要合情入理;(2)在滚动圆筒的第二部分演示中,学生要选择其运动是最可预见的那个圆筒;(3)在按重量排列物体顺序的演示中,学生要先记录物体的重量然后再试着排顺序。

学生要以不落俗套的方式来收集、记录或报告观察数据。

学生得出观察结论的方式应表明他们是在试图寻找规律和因果关系。

所作的观察要符合要求,要完全,要准确,要有一定的经验基础和科学认识基础。

如果砂子流了出来,水溢了出来,玻璃器皿打坏了,学生应该寻求帮助,应该不惊慌失措,要把水和砂擦干扫净,要换新器皿,继续把工作做下去。

《美国国家科学教育标准》——第三章—乐器

这个例子包括对教学的说明和对一次评价活动的描述这样两部分,虽然评价工作很难同教学活动区分开来。这个例子是从作为一个参与学校改革的研究组而工作的集英学校(King School)教师谈起的。这些教师自然要借助于他们以前所作的努力,例如,技术这个教学单元就是在现有的一个教学单元的基础上修改而成的。表明集英学校正在努力成为一个学习者共同参与学习的集体的其他标志还有,高年级学生能够帮助低年级学生来做这些学生力不从心的一些工作,以及一个班决定为另一个班举行一次音乐会。R女士在她的教学计划中把声学的探究活动同发声技术结合了起来。R女士因为认识到学生们的兴趣和能力都各不相同,所以她应允许学生单独进行探究,也应允许他们分组进行活动。她拟订出了一个包括全班讨论和动手制作这样两部分内容的教学方案。她鼓励学生们认真思考自己的设计,鼓励他们将自己的设计公之于众。她对材料和时间都提出了限制。

[这个例子要重点阐释的是全部教学标准中,评价标准中,幼儿园至四年级的科学内容标准B、E、F中,以及大纲标准A、D、E中的一些要点。]集英学校正在改革其科学课程。研究组在对现有的课程材料进行了充分的研究和大量的讨论之后,决定在现行的某些科学探究教学活动中加入一点技术内容。小组中的三年级教师R女士说,她想与两三位同事一起研究三年级的科学课程。他们选择了他们知道下一年要教的三个题目:生活周期、声学和水。

R女士决定把技术引入到声学探究课中。在下个冬天,亦即在声学学习临近结束时,R女士已经把一项新的带总结性的探究活动——制作乐器–准备就绪。她问全班同学一个问题:声学学习差不多已有六周之久了,大家能不能设计和制作一些能发出美妙声音来的乐器呢?R女士把以前搜集到的各种各样的材料现在都一齐摆到了桌子上,什么箱子、管子、琴弦、铁丝、钩子,什么木片、铁钉、塑料、橡胶、织物,等等。在学习声学的那段时间里,学生们都是四个人一组、四个人一组地活动。R女士要求他们还是按原来的小组集中起来,好好想想,看看各个组都想制作什么样的乐器。R女士让学生特别要想想他们都掌握了多少有关声学的知识,他们想要自己的乐器发出什么样的声音。能发出此种声音的乐器又会是什么样的乐器,声音是怎么发出来的,声音是由什么东西造成的。她说,学生们可以看一看她所带来的那些材料,但是他们也能想出一些别的材料来。

R女士让学生们回到自己的小组里去活动。几个人一起合作是此前学生们所进行的大部分科学探究活动的基本方式。这一次她觉得,学生们还是应该合作,以便能够进行讨论,交换想法,但她提议,每个学生最后都要有一件乐器来演奏,然后把它带回家去。

学生们在自己的小组里进行讨论的时候,R女士又补充了两点意见。学生们在讨论完后只有两个星期的时间用来制作乐器,而且,他们所需要的材料,除箱子里以外的都只能是随处可以找到的便宜材料。

R女士知道,事前作计划对三年级的学生来说并不是件容易的事,所以她不是走到这个小组里去就是走到那个小组里去,不时地也参加点自己的意见。在她感到讨论已经不可能再深入的时候,她要求每个小组都给他们想要制作的乐器画出一幅图样来,先用筒短的文字说明一下他们是怎么想到要制作这种乐器的,最后再列出他们所需的材料来。R女士把大家所需要的材料列了一个单子,指出哪些孩子、哪些小组可以从彼此的想法中得到启发,并且要孩子们想一想他们各自的任务,可能的话要搜集一下材料,下个星期上学时就准备制作乐器了。

R女士邀请了几位高年级的学生到班上一起参加下星期的科学探究活动,因为她知道,三年级的学生可能需要他们帮助加工些材料。有些设计很简单,也很容易制作。例如,一个小组准备制作一个橡皮筋演奏器,那是通过把套在一个顶部被截掉的一加仑牛奶塑料瓶上的橡皮筋拉成不同的宽度和不同的长度来演奏乐曲的。另一个小组想用一些厚纸板做的圆筒和很薄的橡胶封顶材料制作一些尺寸各异的小鼓。有不少乐器,原来的设计都是没有办法变成实物的,所以改动很大,常常是改了又试,试了又改。还有一个小组打算做一个吉他,而把它的音箱设计成了一种很特别的样子,但是那音箱的箱壁用胶粘了两次都掉了下来,小组于是决定使用那只不知是谁早就放在桌子上的木箱。有几个小组都放弃了原来的设计,而新的设计都是在乐器有了点眉目时才得以产生出来。

在第二周的周末,R女士给学生留出了两天时间来作个人和全班性的学习总结。星期五那天,他们要再画一下、再写一下他们的乐器。各小组在他们制作乐器的地方,要准备一份报告。下星期一那天,各组要对他们的乐器作一简要的说明,说一说他们的乐器都能做什么,其设计是怎么搞出来的,都遇到些什么困难。作为最后的一项努力,这个班可以为其他的那几个三年级班准备一次音乐会。

在乐器制作中,学生们之所以能制作出可以发出悦耳声音的乐器来所凭借的不仅是设计的一些基本原理,更重要的是他们在声学学习期间积累起来的知识和获得的认识。最后是对这些乐器进行评价。各个标题是要突出评价过程的一些要素。

科学内容:幼儿园至四年级的科学内容标准(阐述科学与技术的那一部分)的一个基本要点是,学生应该有能力把一项设计的目的性跟别人讲清楚。幼儿园至四年级的物质科学标准的一个基本要求是要对声音(一种能量形式)的特性有个基本的了解。

评价的活动:学生向他们的同学展示自己的设计成果,总结和报告此次活动使他们在对声音性质、在对设计过程的认识方面,都学到了些什么东西。

评价类型:评价可以以公开、小组或个人形式,穿插在教学过程中进行。

评价目的:这项活动可以用以评估学生们的进步程度,看他们对设计目标和设计过程有多深的了解。教师可以借助所了解的情况来计划下一次的设计活动。这项活动还可以使教师能很好地掌握学生们对声学的有关教学内容的消化情况。

数据:对学生的表现所作的观察。

背景:三年级的学生刚刚完成了一项设计,他们要做的事情是向自己的同学展示他们的设计成品,他们还要报告一下他们在声学和设计方面都学到了什么,作为他们参加此项设计中的一点收获。三年级的学生要做好这样的事情确有一定难度,所以,在各组学生准备自己的汇报时教师一定要给他们以指导。下面这些指导性的意见只是提供了一个可以用来作参考的框架。

1.为全班同学演奏一下你的乐器。

2.把乐器的发声部件指给同学们看。

3.向全班同学描述一下乐器的其他部件所具有的功能。

4.向班里同学表演一下怎样让你的乐器发出的声音更响些。

5.向全班同学表演一下怎样控制你的乐器所发声音的高与低。

6.向全班同学报告一下你的乐器是怎样制作出来的,你要说明

a.你原来想制作的是什么样的乐器?

b.你实际制作出来的乐器跟你原来想制作的乐器相差得有多远?

c.你为什么改变了你的设计?

d.你是用的什么工具和材料来制作你的乐器的?

7.解释一下,人为什么要制作乐器。

评价学生的表现:学生对声音的了解将表现在学生们的如下几点认识上:乐器上的声音是乐器的振动部件(能快速振动)发出来的;响度(声音的高低)可以通过改变振动部件的振动速度来改变;响度(声音的大小)可以通过改变使振动部件振动所用的力量(你用多大的劲儿去拨拉、敲打或吹动振动部件)来改变。学生的一般性表现包括辨认振动源的能力,以及或者掌握向两个方向改变音调或响度(把乐器的音调调高、调低,或者把乐器的响度调大、调小)的方法,或者掌握向一个方向改变音调或响度(把音调调高,把响度调大)的方法。学生的上佳表现不仅包括有辨认振动源的能力,而且包括有向两个方向改变音调的能力也有向两个方向改变响度的能力。

学生对技术性质的了解将不仅表现在学生对如何在面对种种限制的情况下终于制作出乐器来的说明上,也就是说,不仅表现在学生是否有能力表达清楚头脑里的想法和事前的设计何以会与实际制作出的乐器有很大的不同上,而且也表现在学生对人何以要制作乐器(例如,为了改善生活质量)的思考能力上。

《美国国家科学教育标准》——第四章—科学教师专业进修标准

在《国家科学教育标准》对科学学习与科学教学所作的构想中,所有的学生都有机会成为很有科学素养的人,科学教师是有责任搞好自己的专业进修、有责任把教学工作很好地进行下去的专业工作者。本章所述的标准是为判断科学教师实施《国家科学教育标准》所需要的专业进修机会的质量如何的一些衡量准则。

教师的专业进修与其他专业人员的专业进修应该是没有什么区别的。成为胜任愉快的科学教师应该是教师从其大学时代的职前准备时期一直到职业生涯的结束须臾不可无的奋斗目标。科学是以日新月异的知识为基础的,科学与社会的一些焦点问题的联系是越来越广泛,所以,教师将无时无刻不需要机会来扩充自己的知识,来提高自己的能力。此外,教师们也必须有机会了解兴趣、能力和经历各异的学生都是如何理解科学观念的以及教师应该如何帮助和引导所有这些学生。因此,教师们也需要机会去学习和参与研究科学教学和科学学习,去跟同行与同事交流他们的研究所得。

这一章中的这些标准旨在阐释各有关人员在专业进修中都应该扮演什么样的角色。这些标准是如下一些个人和集体的衡量尺度:高等院校中以培养科学教师为己任的科学系和教育系;负责选择和设计个大专业进修活动的教师;负责设计和领导专业进修活动的其他一些人。

当前的这场科学教育改革要求科学的教授方式得作重大改变;作为这场改革的重要组成部分的各层面上的教师专业进修在做法上当然也同样需要作重大改变。

这些标准也是州和国家层面上决定重大政策和做法(例如决定教师证书颁授的一些要求,决定专业进修预算等等)的政策制定者的衡量尺度。在科学教育这一构想中,有些政策必须得作相应改变,以使接连不断的、卓有成效的专业进修活动变成教师生活中的重要组成部分。

当前的这场教育改革要求科学的教授方式得作重大改变,作为这场改革的重要组成部分的各层面上的教师专业进修在做法上当然也同样需要作重大改变。目前的专业进修大都包括以传授科学内容为目的的传统式的讲课和一直受到重视的教学技术训练。例如,大学里的科学课一般都是把科学作为由需要记忆的事实和定则构成的一个知识体系而不是作为认识自然界的一种途径加以传授;甚至在大多数的大学实验室里教师们也没有把科学当作探究活动来进行教学。此外,培养预备教师的教师预备课程,以及现职教师的有关科学教学方法的在职培训活动都常常是只重视技术技巧而不重视决策、理论和推理。如果我们要想很好地完成改革的使命,那么专业进修就必须包括那种能使预备教师和现职教师积极参与可以充实其知识,增强其认识,发展其能力的学习活动。如果连教师自己都从未参加过这样的活动,那么《国家科学教育标准》所作的关于科学以及科学应该如何学的构想就几乎没有可能由教师灌输给他们所教的学生。简而言之,培养预备教师的教师预备课程以及在职教师的专业进修活动都必须如第三章在教学标准中所述,一定要确立良好的科学教学模式。

专业进修标准是以我们关于专业进修活动的性质以及专业进修的环境的四点设想为基础的。这四点设想是:

口科学教师的专业进修是一个连续不断而持续终生的过程。

口教师的专业进修活动的进修“对象”、“知识源”和“帮助者”这三者的传统划分纯粹是人为的。

口要据弃把教师的专业进修视作对特定技能的技术培训这样的传统观点,而应把教师的专业进修视作提高与人的才智有关的专业水准的机会。

口由于学校进行的改革,教师的专业进修机会显然得同教师们在学校环境中的工作怡当地结合起来。

教师的专业进修是一个连续不断而持续终生的过程。做一个有很高素质的科学教师所要有的科学知识和能力并不是一成不变的。人类掌握的科学知识会不断增加,科学的内容也会有所变化,教师对科学的了解必须能跟上科学发展的步伐。人们对学习过程的认识也不断有新的发展,教师对这些新知识也仍然要有所了解。而且,我们是生活在一个变动不居的社会,这对学校进行的活动会有深刻的影响;社会的变化不仅会影响到步入校门学习的学生,也会影响到他们需要学得而要带着离开的知识。此外,教师们还必须参与研究和改进教学、评价和课程设置等的新方法和新途径。

科学教师的各种技能都是逐渐掌握和发展起来的。这个过程始于他们在大学读书的时代,在大学的课堂上,他们会参与科学探究活动,会获得一些教学经验。此后,他们会在学校的讲堂上度过他们教书生涯的最初岁月,他们会在真情实境中实践其所学,与其他教师一道工作,利用学校所提供的专业进修机会,从自己和同事的工作中学习新知、汲取营养。所谓的逐渐意味着有几个转变时期——从预备教师教人类掌握的科学知识会不断增加,科学的内容也会发生变化,教师对科学的了解必须能跟上科学发展的步伐。

育到现职教师教育的转变就是其一。最初几个阶段的职前教育的责任主要落在学院和大学的肩上,但是在预备教师开始其教学实习时,在学校中从事教学实践的现职教师也必须分担一部分职前教育工作。对在职教育来说,从事教学实践的现职教师肩负着主要的责任,与此同时,他们要借助于高等教育、与科学关系密切的各类中心以及各科研团体等方面的资源。连续不断的专业进修活动要求把阵地从大学校园逐步转移到中小学校,而且,不论在哪儿,参加专业进修活动的所有有关人等都要相互合作。

下面所述的标准都是把专业进修看作是一个连续不断的过程。因此,我们并没有把这些标准划分成预备教师教育的标准和现职教师专业进修的标准。确切地说,这里所述的这些标准是适用于教师的整个教学生涯中所有的专业进修活动和专业进修计划的。

教师的专业进修活动的进修“对象”、“知识源”和“帮助者”这三者的传统划分纯粹是人为的。在《国家科学教育标准》所作的科学教育构想中,现职教师——专业进修的传统对象——不仅有机会成为他人专业水准提高的帮助者,也有机会成为自身专业水准提高的知识源。预备教师必须有机会通过见习、试教学习和研究工作积极地参与学校的活动。教师们专业进修的难点所在是如何创造一种使教师们能一齐努力地学习、使良好的专门知识源能密切地结合他们的经历和目前之需的理想环境。

应该有机会与同事一起系统地总结他们的教学实践,有机会合作制订教学计划,有机会积极参加专业教学联系网和科学联系网的活动。科学教师专业进修的难点所在是如何创造一种使教师们能一齐努力地学习、使良好的专门知识源能密切地结合他们的经历和目前之需的理想环境。

校长们和合格的社区成员应该参与专业进修活动,以便增加他们对学生们的科学学习以及对教师们在学生们的科学学习中的作用和责任的了解。

要摒弃把教师的专业进修视作对特定技能的技术培训这样的传统观点,而应把教师的专业进修视作提高与人的才智有关的专业水准的机会。这一设想所要强调的是我们需要观念上的转变,需要从把教学视作一种单纯的技术活动转变为把教学视作一种既需要理论的知识与能力也需要实践的知识和能力的活动。专业进修可以以多种方式来进行,远不限于在典型的大学进修班里、在研究所内、在教师短训班上只是传授知识的那一种。科学教学的另一种进修方式是开展在课堂上进行的研究,而学习科学内容的一种有效途径则是参与科学实验室里进行的研究。无论在什么情况下,专业进修都必须是持久的,在一定环境中进行的,都是要求进修者参与和思考的。《国家科学教育标准》对专业进修可以如何进行、可以以什么样的组织方式和格局进行、可以在什么样的条件下进行等等问题都作了明确的构想。

由于学校进行的改革,教师的专业进修机会显然得同教师们在学校环境中的工作恰当地结合起来。只要有可能,教师们的专业进修就应该在教师的知识和能力都将得到充分利用的环境中来进行。虽然学习科学可以在科学实验室里来进行,但是学习教科学则必须在学生们学习科学的地方,例如教室里和学校中,通过与从事教学实践的现职教师的相互交流来进行。

科学教师专业进修标准前三项专业进修标准可以概括为学习科学、学习教科学和学习如何学习。这三项标准的每一项都是先从学什么讲起,然后讲怎样把学习的机会设计得最理想。第四项标准所阐述的是各个层次上良好的专业进修计划的种种特点。

专业进修标准A:

科学教师的专业进修要求教师通过探究的各种角度和方法来学习基本的科学内容。教师的科学学习活动必须口使教师积极参与研究可以从科学的角度加以考察的现象,解释所获结果,弄清楚与人们当前普遍接受的科学认识相一致的一些发现。

口思考和讨论在科学上很有意义的或者参与活动者很感兴趣的争论点、事件、问题或题目。

口把教师引导到科学文献、各种媒体和各类技术资源里去,因为它们可以扩充教师们的科学知识,可以增强他们获取进一步的知识的能力。

口把出发点放在教师当前的科学认识、科学能力和科学观念上。

口包括不断总结和思考通过探究来认识科学的这一过程和所得收获的活动。

口鼓励和支持教师在进修中相互合作。

科学知识与科学认识科学教育中最重要的问题之一是教师需要知晓什么样的科学。所谓的知之甚多或者知之甚少、所谓的有良好的基础以及所谓的有透彻的了解,都是什么意思?一些州、一些专业组织和一些高等学府用来规定内容要求的学分时(credit hours)标准,是不能足以作为标志以表明某门课程要学些什么内容的。因此,下面所要集中讨论的是教师所需要学习科学的机会的性质,而不是学分时。我们所设定的前提是,科学教师在其整个的教学生涯中是要不断学习科学的。

要达到《国家科学教育标准》的要求,所有的科学教师都必须具有坚实而广泛的科学知识基础。这一知识基础的坚实和广泛的程度是以使他们口认识科学探究的性质,认识科学探究在科学中的核心作用,认识如何利用科学探究的技巧和方法。

口了解主要科学学科中的基本事实,理解其基本概念。

口不仅能够在概念上同数学、同技术、同学校的其他教学科目建立联系,也能够在科学学科内和科学学科间建立此种联系。

口在处理个人间题和社会问题时能够运用科学的判断力和科学的其他能力。

除了第六章内容标准所能提供的那一坚实的基础之外,担当某个年级的学校教育之责的教师还需要多少额外知识,这是一个牵涉到知识的范围和深度的问题,着眼点应该放在前者上还是放在后者上有待于讨论,各地可以在不违背《国家科学教育标准》要求的前提下自行决定。

所谓范围是说要有个着重点,也就是要把重点放在科学的基本概念上,范围对各个年级的科学教学都是极为重要的。所谓深度指的是不仅要知晓、弄懂科学学科内的基本概念,还要知晓、弄懂某些辅助性的实验知识和理论知识。教师需要对科学内容的了解深度会因教师负责教的班级的程度之不同而有所不同。

幼儿园至四年级的教师通常都是多面手,学校所设的教学科目他们差不多样样都要教。这些教师的主要任务是通过一系列探究活动引导学生,以便在经验上、概念上、观念上为他们将来的科学学习打下基础。为此,小学的科学教师们除了至少对一个理科科目有较全面的经验外,还需要有机会使自己能够对科学内容有广泛的了解。这类全面的经验可使教师们对探究活动、对科学知识的结构及其产生的过程有预备较深入的了解。这些知识可以为教师们去指导学生探究、评价学生们当前的理解能力、深化学生们对科学思想观念的认识提供必要的准备。小学教师若能在许许多多的领域都有很丰富的科学知识当然可以大大改进他们的工作,但是比较现实点的还是希望他们能够具备做好多面手所必需的一些科学知识。

教师和现职教师都必须能上一些通过探究活动来学科学的科学课,使自己有机会像他们的学生那样来扩大自己的认识能力。

初中各年级的科学课程则有许多不同的组织方式。科学的活动较之于幼儿园至四年级在深度上有所加大,而且也比较定量化,要求的推理能力比较高,使用的仪器比较精密,使用的技术也比较复杂。正是科学课程的这些要求使初中段科学教师所需要的概念性知识的这一性质发生了改变。他们在仍然需要有一定广度的科学知识的同时也需要对科学有比他们的幼儿园至四年级的教师同事要深入些的认识。对至少一个科学学科有全面而深入的研究,将有助于他们达到教学要求,有助于他们正确理解科学知识的产生过程和科学知识的结构。

在中学里,科学教师只有具备所有学科的广博知识并且对自己所教的科学学科有深入的了解,其科学教学工作才能胜任愉快。这也就是说,科学教师对某一科学学科一定是熟悉得足能实际参与该学科内的那些研究活动才行。

教师们也必须具有指导那种基于学生所提问题而进行的探究活动所需要的种种技能。不论是哪个年级的哪位科学教师,要想知道自己对科学的了解程度是否足能胜任工作,有一个重要的检验办法,这就是看看自己有没有能力判定学生们对科学有多大程度的了解,再看看自己有没有能力运用这些数据拟定出有助于学生树立良好的科学观念的一些科学探究活动方案来。

学习科学

从事科学教学的预备教师和现职教师的大部分正规科学知识都是从大学和学院的课堂上获得的。对所有的教师而言,大学的科学课程就是确定什么样的科学内容需要学习的一个重要的判断因素。这些课程也是为教师们树立的范本,告诉他们科学课应该如何来教。对于获得了普通证书的幼儿园至四年级的教师和获得了普通证书的五至八年级的教师来说,大学里的那种概论性的科学课程常常就是他们仅能上的一些科学课程。鉴于这些课程所具有的如此举足轻重的作用,大学科学课程要在内容上和教法上进行改革可以说是绝对必要的。为现职教师设置的那些课程——即一般包括在于教师供职的学校内上的在职培训课中的那部分课程以及在大学中作为研究生课程的一部分来讲授的课程——也需要重新来设计。

科学教师就是科学界在课堂上的代表,他们所展现出的科学形象大部分是通过他们在大学里学习的那些科学课程来塑造的。如果要想让这种形象能够正确地反映上述这些标准所展示出的科学之本质,那么预备教师和现职教师都必须能上一些通过探究活动来学科学的科学课,使自己有机会像他们的学生那样来扩大自己的认识能力。因此,大学的科学系必须能设计出那种以大量的研究活动为主要内容的课程来,使现职教师和预备教师能够在参与这类研究活动的过程中直接接触各种现象,能够运用适当的技术资源去收集和解释数据,能够以小组活动方式参与研究那种尚无定论的实际问题。这类科学课程必须能使教师对己经得到公认的科学概念以及这些科学概念当初是以怎样的方式被揭示的都有深人的了解。这类课程还必须能涉及那种对科学、对社会、对教师都具有重要意义的问题、争论点、事件和话题。

通过探究来学习科学还应该使教师们有机会去利用科学文献、媒体和各种技术资源把自己的知识疆界拓展到现在尚未探究的领域去。科学课应该能使教师们学会展现在研究报告中的那种逻辑推理方法,能使教师们懂得某项具体的研究是如何丰富人类的科学知识宝库的。这类课程还应核能够鼓励教师们去使用各种技术手段,例如计算机化的数据库和专门性的实验室设备。

在《国家科学教育标准》所作的构想中,学习科学的所有预备教师和现职教师都要参与有助于他们弄懂所学的新内容(不管这新内容是通过讲授还是通过阅读而展现出来的,也不管这新内容是通过小组讨论还是通过实验室研究而展现出来的)的有指导的一些活动。科学课程和其他活动都要包括为教师们不断提供的用以总结思考他们的学习活动和收获的机会。给教师们上科学课的人在教师学习新概念和新技能的时候要帮助他们认清科学学习的性质。给教师们上科学课的人必须得留意教师们现有的一些科学观念,必须给教师们时间让他们去学习别人与之分享的经验,必须懂得能促进与鼓励思考的多种策略。

科学教师就是科学界在课堂上的代表。

大学的科学系还需要为预备教师和现职教师设计一些有意识地使他们参与科学探究中的一些合作性的活动。探究活动中有一些是要由个人单独来完成的工作,但是有许多活动则是不由个人单独来进行的,因此,教师们需要好好地体验一下合作的价值和益处,当然也需要体验一下合作所能产生的摩擦争斗和关系紧张。

专业进修标准B:

科学教师的专业进修要求对科学内容、对学习方法、对教学方法、对学生情况等各个方面都得有所了解,还要求把这些知识应用于科学教学。科学教师的学习活动必须口跟科学和科学教育中与这种学习有关的各方面问题都联系起来,统一起来。

口在科学教学可以证明是有良好效果、可以成为效仿的典范的各种地方进行,这使教师们能够面对真情实景,能够在最适宜的情境中扩充自己的知识,增强自己的技能。口适应作为学习者的教师的要求,在他们目前对科学内容、对教学、对学习之所知的基础上进行。

口通过探究、总结思考、解释研究结果、构建模型和有指导的实践来扩充科学教学的知识,提高科学教学的技能。

科学教学知识

效果良好的科学教学对教师的要求并不是他们只了解了科学内容,再知道些教学策略就行了。训练有素的科学教师都是懂许多、会许多专门的东西的,这其中就包括对科学内容、对课程设置、对学法、对教法、对学生情况等等,方方面面都弄得明明白白,搞得清清楚楚。正是因为有了这样一些知识教师们才能够设计出适应学生个人和集体需要的学习情境来,这种称作“教学内容知识”的专门知识,就是教师的科学知识区别于科学家的科学知识之所在,这也是用以定义科学专业教师的一个要素。

科学教师除了必须有充实的科学知识之外,还必须有坚实的学习理论基础——搞清楚学习活动的过程,了解促进学习的方法。学习是学生个人和集体获得理解所经由的过程。

一个能动训练有素的科学教师都是懂许多、会许多专门的东西的,这其中就包括对科学内容、对课程设置、对学法、对教法、对学生情况等等,方方面面都弄得明明白白,搞得清清楚楚。

教师要想取得良好的教学效果就必须清楚一定年龄段的学生可能知道些什么,懂得些什么,以及会做些什么;必须清楚哪些东西他们会学得很快,哪些东西他们要费些气力。科学教师不仅需要对通常会被学生们误解的地方有所预见,也需要对所教概念的难易程度是否适合学生们的发育水平作出判断。此外,科学教师还必须对背景、经历、动机、学习方式、能力和兴趣各不相同的学生都是如何学习科学的有所了解。教师们要利用所有这些知识对学习目标、教学策略、评价要求和课程材料等各方面问题作出恰当的决断。

称职的科学教师还要有能以多种方式吸引学生的多方面教学策略。他们熟悉多种多样的课程。他们有能力严格审查并选定用以帮助学生了解科学的各种活动。

对教学实践作调查对确保有效的教学至关重要。所以,教师作此项调查的机会要经常有,万不可少。教师们应该通过与同事的合作以提问的方式来调查自己的教学实践。所提的问题有如下述:

实验室日志应是怎样一种结构?

这项实验是否适合学生的知识与能力水平?

学生需要进行何种类型的研究来提高他们的理解水平?

这一课程单元是否适合这些三年级程度的学生?

教师们要利用自己所掌握的学习知识对学习目标、教学策略、评价要求和课程材料等各方面问题作出恰当的决断。

一项具体的研究是否能使学生有足够的机会来设计他们自己的实验?评价是做好教学实践的调查的重要途径。在课堂的日常活动中,经验丰富的科学教师往往是些善于观察学生们的想法、看法以及他们是如何推理的等等从而能发现问题的症结之所在的人。称职的教师应该懂得评价所要达到的各种教育目标因而知道如何运用和解释各种评价策略。

有经验的科学教师还应该懂得如何在物质方面,在学习者的相互沟通方面,以及在知识的传授方面创造并管理好一个科学学习的课堂集体所需要的适宜环境。

学习教科学科学教师要想获得科学教学内容的知识就得有机会对上面所述的知识加以综合,对教科学和学科学都要做些什么事情得有个总体观念。第三章所述的教学标准旨在为教师们在拟定科学教学的每一项复杂活动时提供决策指南。在《国家科学教育标准》所作的构想中,教师们还要树立跟同侪一起讨论科学内容、课程设置、科学教学、科学学习、评价策略以及学生情况等各类问题的观念,要培养参与此类讨论所需要的语言表达能力。

教师所有的教学内容知识反映出的是我们对学生的学习的认识,这种知识只有通过不断的教学实践才能充分获得。然而光有实践是不够的,教师还必须有机会对教学内容知识的各个组成部分——科学内容、学习方法和教学方法——进行分析,再找出它们相互间的联系来。

在这一构想中,担负着专业进修工作之责的人,在综合自己的知识和实践经验时不仅要互相合作,也要与教师们合作。例如,高等院校的科学系和教育系必须学会合作。一门大学科学课的主讲教师可以邀请科学教育系的教师来参加为帮助学生总结他们学习科学思想观念的方法而定期举行的讨论。不仅高等院校的系与系之间要进行合作,中小学校与高等院校间也必须真诚地合作。与科学密切相关的各类中心、工商企业界以及其他一些组织也必须和教师一道参与这类专业进修活动。

科学教学与科学学习之间的一些最强有力的联系是通过实地考察活动、小组协作教学、合作性研究或同侪辅导中的那种深思熟虑的做法而建立起来的。实地考察活动是在职前教育计划的早期就开始了,而持续于教师的整个教学生涯中。学习教科学的环境,只要有可能,就应该包括真实的学生、真正的学生工作和质量异常高的教材。教学工作中的勤于摸索、不断进行的精心总结、与同事和同行的相互切磋,再加上同样的科学内容反复教、反复讲,所有这些因素的共同作用就会使科学教师们的修养和造诣逐渐达到炉火纯青的地步。

我们必须得有新的合作形式来帮助提高教师们的综合专业水准。一种有希望的可能性是对师范教育机构重新进行组织,使之具有专业进修学校的形式,从事教学实践的教育工作者和从事理论研究的专家们可以根据院际关系到这里来参与教师的教育活动。另一种可能性是在中小学校、学院、当地的,商企业和与科学关系密切的一些中心之间开展广泛的合作。

许多教师都是以教科学的一些先入之见开始学习活动的。他们自身的科学学习经历至少已决定了他们自己的教学是种什么样子的教学。比较训练有素的教师都有自己的教学风格和教学策略,对科学学习和科学教学都有自己的一套看法。教师们一旦有时间、有机会来回顾他们自己对学习和教学所持的观点、来研究自己的教学实践、来比较、对照和修改他们的观点,他们就会逐渐懂得称得上典范的科学教学是种什么样性质的教学了。

预备教师和现职教师的学习活动必须包括对教师们的问题和困难所作的探究。评价工作就是一个例子。教师们必须有机会观摩和研究课堂评价工作做得好的教师们所采取的一套做法,有机会认真审视各种评价手段及其运用。他们需要一定的经过安排的机会,用以统筹规划课程与评价工作、选择和制定适当的评价策略、分析和解释从评价中收集到的信息。教师们还需要有机会与其他教师合作来评价学生的表现——制定、改进和运用评价的尺度。现职教师如能有机会参加有组织的会,从不加限制的学生评价中来评价学生们的反应,他们将会是受益无穷的。

教师们一旦有时间、有机会来回顾他们自己对学习和教学所持的观点、来研究自己的教学实践、来比较、对照和修改他们的观点,他们就会逐渐懂得称得上典范的科学教学是种什么样性质的教学了。

教师的学习过程与学生的学习过程可以说是毫无二致的:学习教科学的要求是,教师要把问题搞清楚,再寻求问题的答案,解释所获信息,提出各种应用,最后是把新学到的知识纳入到科学教学知识的大范畴之中。

对预备教师的职前专业培训和现职教师的在职专业进修所提出的这些建议并不是硬要规定出个一定的格局来。在大学的短训班里,在连续举办的在职培训班或称研究班里,在科学中心一类机构里的驻在性实习中,在为新教师举办的研讨班里,在教师研究小组或称活动研究小组中,或者在教师联系网的活动中,上述过程可能都是不免要经历的。

专业进修标准C:

科学教师的专业进修要求培养教师们的认识能力和终生学习的能力。专业进修活动必须口提供定期的、经常性的个人与集体考核的机会以及总结思考课堂内与课堂外的教学实践的机会。

口为教师提供接受有关教学情况的反馈的机会以及理解、分析和应用这种反馈来改进教学实践的机会。

口为教师提供学习和运用诸如同侪指导、个人著述集锦夹和工作日志等各种手段与方法进行自我总结和集体总结的机会。

口通过准备和使用助学教师、教师顾问、辅导教师、尖子教师和学识渊博的教师帮助他们共享教师们的专有知识,为其提供提高其专业水平的机会。

口为他们提供了解和运用现有的研究知识和经验性知识的机会。

口为其提供学习和运用研究技能以产生有关科学的新知识以及有关科学教学与科学学习的新知识的机会。

教师的主要工作是促进学生们的学习,由此可见,教师本人就得是笃志于学的人。教师得要终生学习可谓至关重要,这有好几个原因。一个显而易见的原因是要了解科学的最新发展。教师在结束其职前教育而走上教学岗位的时候不可能完全掌握他们在其整个教学生涯中所需要的全部科学知识,他们需要继续搞清楚他们所要教的一部分科学内容,深化对它们的理解。

教师们必须得有机会继续自己的学习,还有一个原因。你只要注意到将来的学生们的需要将大大不同于今日学生们的需要,注意到即便是今天的雇主也已经要求他们的雇员得能构想问题的症结之所在,得能为自己设计任务,得能作判断性思维,得能与他人一起工作,这原因也就不言而自明了。

教学工作本身就是很复杂的,因而需要不断地学习,不断地总结与思考。教学的新知识、新技能和新策略有多种多样的来源——来源于研究,来源于新教材和新手段,来源于先进教学法的报道,来源于同事,来源于督导人员,来源于对教学的自我总结,来源于对学生的课堂学习情况的思考等等。教师们要不断地考虑如何来充实自己的教与学的知识库,并且为增加这方面的知识作出不懈的努力。

终生学习的知识

科学教师自从把教书选定为自己的职业的第一天起直到他们的整个教学生涯的结束,要不断地提高自己通过自我总结和积极借助他人的反馈来分析自己的学习需要和学习风格的能力。他们必须有运用自我评价的手段和方法(诸如教学日志、研究小组和个人著述集锦夹等)的能力,必须有运用合作总结策略的手段和方法(诸如同侪指导、他人帮助、同侪建议等)的能力。科学教师应该能够根据《国家科学教育标准》和学区对教师们的期望来制定自己的个人奋斗目标并担负起提高自己的专业水准的责任。

学习是种需要时间的渐进过程,常常是很艰苦的。科学教师也和任何其他专业人员一样都会跌交摔倒,会全力拼搏,会冥思苦想,他们同时也都会认识到,失败乃是人们在掌握新技能、增强新认识的过程中的一个自然而然的组成部分。不过,称职的教师都懂得如何去利用建立在研究基础上的各种资源,也都懂得在面对某种学习的需要时如何去追寻建立在研究或有效实践的基础之上的新知识和新技能。科学教师需要培养在课堂上进行科学教学和科学学习方面的研究的能力,也需要有拿自己的研究成果让别人与你来共享的能力。

学习终生学习的各种技能

教好科学所需要的综合知识是要在长时间的日积月累中方可形成。因此,获得不断学习的技能在全部学习活动中应该是很显而易见的。

教师们既是些活到老学到老的人,他们需要总结自己的经验也就是很自然的事了,而总结经验则是既需要技巧也需要时间的。为预备教师准备的职前教育课程必须分配一定的时间为给预备教师讲总结经验的技能,而现职教师也必须获得一定的机会来提高这方面的技巧。总结实践经验有许多的方法和技巧,它们的应用而今已经变得越来越广了。工作日志、录音带或录像带以及个人著述集锦夹等自我总结的工具,不仅可以使教师能够给自己的教学实况留下记录,也可以使教师对自己的教学发展路径作长期的跟踪,还可以对自己取得的进步作出分析进而找出有待进一步学习的地方。其他的方法和技巧包括对初执教鞭的教师进行有组织安排的和无组织安排的同侪观摩、同侪辅导和同侪帮助。教师还要有机会组织研究小组或者举行不很正式的经验交流会。

活到老学到老式的不间断的学习是种积极主动的过程,它所要求的典型做法不同于现在正盛行于高等学校和中小学中的模式:所要求的是实验和冒风险的,是信赖和相互帮助的,而且多半是与科学相关联的,是一丝不苟和专心致志于探究的模式。鼓励冒风险的学校不仅会为学生也会为成人提供一种学习者共同学习的学习环境。能够提供此类条件的其他学习环境还有各种专业活动网——这是些参与学习者共同担起学习之责的团体,教师们可以在这些地方找到帮助,找到支持,找到新思想和新策略,找到解决问题的办法。这方面的例子有专业性科学教学协会、州和地方的专业性科学教学协会以及电信网络等。

教师要成为活到老学到老的终生学习者还需要有专业进修所需要的各种资源,也要有时间来使用这些资源。这种资源包括使教师能上正式或非正式的进修课(从而使教师能了解科学的最新发展)、能对见之于期刊和在专业会议上讨论的关于课程设置、教学方法和评价方法进行研究的条件,使用数据库和分析教学实践的手段和技术,以及观摩他人教学的机会。在课堂上进行的正规和非正规的研究是改进教学实践的一种强有力的手段,这类研究包括探究学生们学习科学的方式,尝试新的教学方法以及评价这些新方法在学生身上产生的效果。从事如此类的研究不仅需要时间也需要资源。

专业进修标准D:

科学教师的专业进修计划必须是前后衔接、首尾相贯、浑然一体的。高质量的职前预备教育计划和在职培训计划的特点是口根据按《国家科学教育标准》的精神对科学学习、科学教学和教师专业进修所作的构想而确立明确的共同目标。

口计划的各相关方面形成一个整体,彼此相互配合,这样,久而久之,认识和能力就可以形成,并可不断得到强化,而这种认识和能力又可以在不同的场合加以实践。

口所作的种种选择都能以如下认识为依据:经验的有无、专业知识的多寡、专业技能的熟练与生疏都各不相同的教师不仅在需要上有个由少到多的渐进过程,其专业水平的提高以及个人与集体兴趣的发展也都有一个渐进的过程。

口与教育与培训计划有关的所有人,包括教师、培养教师的人、教师联合会、科学家、行政管理人员、决策者、专业与科学组织的成员、学生家长以及工商业界人士等,都能在充分尊重他们彼此的观点和专业知识的基础上相互合作。

口承认学校环境的历史、文化和组织状况。

口对计划不断进行的评价能重视所有有关人的观点,能采用多种策略,能把评价的重点放在计划的活动与效果上,此种评价能直接为计划的改进和总体评估提供依据。

教师的专业进修是很复杂的:科学教师有许多东西需要了解,有许多东西需要学会做;学习材料要作批评性的分析,许多问题需要研究;各种各样的信息和专门知识需要获取;对专业进修负有责任的个人和机构有许多。然而对于每个教师(不论是预备教师还是现职教师)来说,专业进修经常的情形不过就是课程、会议、研究活动、研讨会、网上机会、实习与辅导等的随机大组合,它们纷至沓来,叫人难以应付。所以,相关人员要相互配合,有关活动要井然有序则是绝对需要的。

专业进修的计划和实践都要求把注意力集中放在《国家科学教育标准》对科学教育所作的构想上。在州的、学区的以及大学和中小学的各个层面上,一定要注意统盘考虑各种不同的专业进修计划,以实现一系列的共同目标。职前预备教育计划的协调需要有一套把科学课程、教学方法课程和临场试教(亦即在学校里和课堂上的试教活动)联系和统一起来的机制和策略。现职教师的培训计划也需要进行同样的协调,因为现职教师们也经常要面对学区、各个学校、专业协会、教师联合会、工商企业、地区服务中心、出版公司、当地的大学、附近的研究实验室、博物馆及联邦的机构和州属机构等所提供的大量活动安排。

为教师提供的专业进修机会必须以各个群体所展现出的不同程度和不同形式的专业知识为依据,必须以对标准A和标准B所述及的高质量进修活动的性质的认识为依据。专业进修计划一定不要设计成只传授技术技巧,而是要深化和丰富认识,要要强化和发展能力。须能持续很长一段时间,而且必须包括一系列策略来为教师提供不断完善其知识、深化其认识、强化其能力的机会。

科学教师个人应该像科学教师集体(不论是通过共同的需要和兴趣正式组织起来的还是非正式地联系起来的)一样有机会来制定专业进修计划。教师专业进修活动的许多提供者都会继续设计计划。不过,最有效的计划则是教师们、在教师专业进修中担负提高教师专业水准之责的人(例如大学的系、科学协调人和教师)以及其他可以担当此任的人(包括社区内的一些机构、与科学密切相关的各类中心、科学家、学校的行政管理人员、工商企业)之间通力合作的结果。这种合作有助于增强计划各组成部分间的良好衔接性,有助于使各种各样的专业知识和资源为实现与教师们的种种需要直接相联系的共同目标而发挥应有的作用。

现职教师专业进修的成功在很大程度上取决于学校教育中的组织促动力,例如允许标新立异和冒风险的学习氛围、学校工作人员间的融洽关系、良好的交流渠道和合理的权力分配等。因此,专业进修计划一定要有行政管理人员和学校其他员工的参与。所有人员都必须担起各自的职责,以确保那些希望把新想法付诸实践作为专业进修之一部分的预备教师、新教师和在职教师能够得到支持,使他们成为学校现实生活的一个有机组成部分。

最后,制定和执行专业进修计划的人必须不断评价教师的收获以及为他们提供的机会,以保证这些计划对教师能发挥最大作用。

专业进修重点的改变《国家科学教育标准》给我们勾画出了整个系统所要发生的变化。专业进修标准包括强调点的如下一些变化:

不大强调

以讲课方式传播教学知识和技能

通过讲课和阅读学习科学

科学与教学知识相脱离

理论与实践相脱离

前后不相联系、讲一讲完一讲的一次性授课活动

短训班和进修班

仅靠外部的专业知识

肩负提高教师专业水平之责的人只是施教者

教师只是掌握了教学技能和技巧的人

教师只是教学知识的接受者

教师只是别人怎么说自己就怎么做的人

教师只是置身于课堂中的一个人

教师只是被改变的对象

比较强调

对教学与学习加以探究

通过调查研究和探究活动学习科学

科学与教学知识相结合

在学校的环境下理论与实践相结合

前后相互联系而贯通一气的长期计划

各种不同的专业进修活动

既靠外部的专业知识又靠内部的专业知识

肩负提高教师专业水平之责的人

是他们的帮助者、出主意者和计划制订者

教师是需要才智的能思善断的教学实践者

教师是教学知识的产出源

教师是可以在荆棘中踏出新路的人

教师是一个在学习中大家共同分担责任的专业集体的一员

教师是变化源也是变化的促动者

《美国国家科学教育标准》——第四章—遗传学

J女士最近和其他一些教师一起参加了在当地大学举行的一个讲习班。她在这个讲习班上不仅从指导教师那里学到了不少东西,也从其他的参加者那里同样学到了不少东西。她还定期阅读研究报告,考察了教学资源,并且衡量了这些资源对她的科学教学所具有的价值。J女士参与了从制定一个泛泛的学期计划再转到安排每天的细节这样一项反复的计划活动。她的高中班的学生有机会构拟了一些模型,有机会利用教学技术来参加活动,有机会使用多种教学材料,有机会互教互学,也有机会来思考与科学有关的个人、社会和伦理问题。她获得了学校和学区的支持,得到了她所需要的资源。她还利用了社区的资源。

[这个例子要重点阐释的是教学标准A、B、D、E中,专业进修标准A、B、C中,9至12年级的内容标准A、C、F、G中,大纲标准C与D中,以及系统标准D与G中的一些要点。]

J女士渴望学年的开始而且特别盼望讲一学期的传递遗传学课。传递遗传学研究的是遗传性状是如何从一代遗传给下一代的。她以前曾经讲过这门课程,也阅读过大量关于学生学习传递遗传学在概念理解以及将这作为提高解决问题的能力之手段方面所遇到的困难。她还学习过讲授遗传学的一些新方法。她从所阅读的文献和在当地大学所参加的一个高中教师讲习班上了解到,有许多人一直在进行改进遗传学教学方法的实验。她还知道,有些计算机程序可以用来模拟遗传学中的一些过程。

J女士坚信,学校科学计划的许多重要学习目标都可以通过这门课程来实现。她希望为学生提供理解传递遗传学的一些基本原理的机会。她还希望学生们能认识到使用构拟的模型对于理解是多么重要。她希望学生在构拟他们的模型的过程中能够参与并且了解探究的过程。J女士还希望学生了解传递遗传学对他们的生活、对社会所能产生的影响,希望他们能够解决一个涉及科学与伦理的遗传学问题。

选择合适的计算机程序是重要的,因为模拟对于第一学季的大部分课程来说将是十分关键的。J女士已经研究了若干显著的共同特征。每种模拟都可以使学生能够选择出若干亲本表现型来进行杂交。子代是以前用所有的程序快速生成的。基因型和表现型都根据遗传模式呈现出随机分布。学生利用这样的程序可以在一个课时中模拟很多代的杂交品种。所有的程序都是没有答案的——没有提供任何用来检查答案的参考书。所有的程序都可以使学生能从数据入手来构拟某种遗传模式的诸要素和诸过程的模型。学生们将能利用这一模型来预测后代的表现型和基因型,再通过杂交可以对预测进行检验。J女士在经过认真评价并考虑了她的预算之后选中了其中的一个模拟程序。如果把学生四个人一组、四个人一组她分成小组,那么计算机也就够用了。

学生们在第一个学季将要按小组为各种遗传模式设计模型。J女士打算把孟德尔的原著复印给学生供他们在这一学季开始时读。在这篇文章中他对一种遗传模式提出了一个很好的模型,学生们在确定自己的模型的诸要素时将核验一下孟德尔的模型。除了利用模拟手段之外,J女士还想让学生用一些活的生物进行探究。她将需要订购专用的酵母菌株、果蝇和速生植物(Fast Plants)。她有使用上述每种生物的商品化遗传学实验装置,她已对这些装置进行了改造,以满足学生们的需要。每种生物在用来研究传递遗传学时都各有优点和局限,学生们将分组进行活动,每个小组都将与其他小组一起分享利用不同生物所学到的知识。

在第二学季中,学生将要着重学习人类遗传学。J女士打算与本地的大学联系,请他们从临床遗传学系派一位专题主讲人。J女士以前曾经和这位主讲人一道工作过,她知道这位主讲人在课堂上讲授人类的遗传失调、人类谱系分析、常见疾病的遗传易感性的新研究和与人类遗传学有关的许多专业讲得有多么好。设在这里的国家实验室也将来人演示核型分析,来人还将留下一些照片,让学生们试着对染色体进行分类,来感受一下做这种工作所需要的技能。让学生们演示一种染色体组型,将赋予课本中的一句话“染色体图像是按类编排的”以新的含义。

每个学生都将变成一位人类遗传失调症方面的“专家”,有关遗传的方式、各种症状、发病频率、对个人和家庭成员的影响、护理等的知识无不知晓。学生们还将向全班同学宣读自己的报告。他们还将两人一组、两人一组地分成小组,对某个与遗传失调症有关的伦理学问题作专题研究。借助几篇谈向儿童讲授伦理问题的文章,J女士自己也写了一篇这方面的文章;她在同事和临床遗传学中心的工作人员们的帮助之下己经进行了几项专题研究,学生们将根据这些研究写出自己的有关伦理问题的专题研究论文来。部分专题研究将要求学生画一个谱系。J女士正在收集各种印刷品,包括分积角累会(March of Dimes,即国家小儿麻痹基金会。称作National Foundation for Infantile Paralysis的国家小儿麻痹基金会系富兰克林·德兰诺·罗斯福总统于1938年1月所建,后来,有人造出了March of Dimes一语,分积角累会这个十分形象的名字也就变成了国家小儿麻痹基金会的代用语。——校注)散发的传单、临床遗传学方面的教科书、一些讲遗传失调症患者的长短篇小说以及通俗杂志上的文章。这是种坚持不懈的努力——J女士对这些材料的收集已达数年之久。她还从一些服务机构那里收集了一些招贴画和图片准备张贴在教室的四周,不过她得在墙壁上留出些贴学生数据图表的地方。

在研究了课程的目标和结构之后,J女士的下一步计划制订工作便是确定每周的任务了。根据她以往讲授这门课程的经验,她对不同的活动都将需要多长时间已经有了很好的考虑。做好每一周的日程安排有助于确保这些生动的材料适时地得到利用,确保要请的主讲人也能在适当的时候被请到。不过,J女士很清楚,到时候她可能还需要对这些既定的日程做些调整。J女士在第一周里将要和学生们一起制定日程和程序,此后,学生的大部分课堂活动将是在各个小组中进行。

最后,J女士开始做第一周每天的日程安排。第一天上课时学生们将要在大家面前介绍他们为什么要选修这门课程以及他们希望学到什么东西。他们可能还要介绍一下他们已有的遗传学知识和他们想要在课堂上解决的一些问题。

《美国国家科学教育标准》——第五章科学教育中的评价

本章所介绍的评价标准提供了判断全民科学素养朝着科学教育预想迈进状况的依据。本标准描述了教师、州和联邦机构用来衡量学生成绩和学生学习科学的机会的评价做法的质量。本标准理出了优秀评价工作的主要特征,可以作为编制评价任务、评价步骤和评价政策的指南。这些标准同样可以用于对学生、教师和计划的评价,用于积累性评价和构成性评价,课堂评价和由外部专家主持的大型评价。

本章开头的导言部分介绍了评价过程的构成及测度理论与实践的现代观点。导言之后是评价标准,然后讨论了教师运用评价标准的某些方法和在学区、州和国家层次上进行评价的某些特点。本章结尾部分是两个评价工作的例子,其中之一是测试学生对自然界的理解,另外一个是测试学生的探究能力。

在《国家科学教育标准》所描述的远景中,评价是科学教育体系中的一个基本反馈机制。例如,评价数据为学生提供了他们满足教师和家长期望程度的反馈;为教师提供了学生学习效果的反馈,为学区提供了其教师和教学计划有效程度的反馈;为政策制定者提供了政策效果的反馈。反馈可以促进政策调整,可以指导教师的专业发展,可以鼓励学生改善对科学的理解,从而导致整个科学教育体系的变化。

评价过程是将科学教育体系的期望传达给所有关心科学教育的人的有效工具。评价实践和评价政策对干“什么是重要的”提供了可操作的定义。例如,采用对评价任务进行不断探究的方法可以为学生该学什么、教师该怎样教和资源该怎么分配提供有用的信息。

评价是一个系统化的多步骤过程,包括教育数据的收集和解释。评价过程的四个组成部分详示于图5.1。

当科学教育工作者改变其对理想科学教育的看法的同时,教育质量的考核专家们正在相应改变观念。对评价重要作用的认识加速了数据收集新方法和数据质量鉴别新方法的研究、开发和应用。考核理论和考核实践的这些变化在评价标准中均有所反映。

按照这种新观点,评价和学习是一个事物的两个方面。收集教育数据的方法以可测度的方式定义了教师应该讲授些什么以及学生应该学习些什么。当学生参与评价活动时,他们应该从中学到一定的东西。

这种评价观点对利用多种数据收集方法对各种变量进行取样所获评价结果更加信任,而不大信任传统式的利用一种方法对一种变量进行取样。因此,要利用诸如绩效法和综合法等多种手段对科学成就的所有方面进行考核,包括探究的能力、对自然界的科学理解、对科学的本质和用途的理解等。

评价标准更加重视学习机会的考核。学生成绩只能根据他们所接受的教学计划的质量加以解释。

另一个重要的转变是强调“真实评价”。这一动向要求评价活动要尽可能接近科学教育的预期效果。真实评价活动要求学生把掌握的科学知识和推理能力运用于与现实世界中可能遇到的情况和科学家实际工作的情况很相似的情景。

对科学评价有重要影响的教育质量考核领域的另一个观念上的转变是有效性。有效性不仅要强调教育数据的质量,而且要注意数据解释的社会后果和教育后果。

 

图5.1评价过程的构成评价过程的四个组成部分可以按照不同的方式进行组合。例如,教师利用学生成绩数据来制定和修改教学方法,而商界领袖则利用人均教育费用来寻找商业机遇。用途、用户、方法和数据的多样性使得评价过程更加复杂,更加重要。

评价标准所依赖的一个重要假设是,州和学区能够建立一些机制,按照内容标准的规定考核学生的成绩,能够按照大纲标准和系统标准的规定考核学习科学的机会。如果遵循本评价标准的原则,那么各地使用的新的评价方式所产生的信息,从国家标准的角度看就可能具有普遍意义和价值,尽管在不同的地区采用了不同的评价过程和评价手段。这与传统的教育考核观点形成鲜明的对照,传统观点认为,只有在具有相同形式的同一测验基础上才可能进行比较。

科学教育评价标准

评价标准A:

评价必须与它所支持的决策一致。

口评价的设计必须审慎;

口评价的目标必须明确说明;

口决策与数据之间的关系必须清楚;

口评价过程必须具有内在一致性。

设计上乘的评价的重要特征是,用来收集和解释数据的过程要与评价的目标一致。目标与过程的吻合是通过可供公众评估的周密计划实现的。

评价的设计必须审慎。教育数据对于学生以及负责科学教育的群体和机构具有深远的影响。为了对必须根据评价结果进行决策和采取行动者以及受到这些行动和决策影响者负责,评价的概念设计一定要审慎。从评价的书面计划可以看出概念设计是否审慎。书面评价计划包括下述内容:

口有关评价目标的说明;

口所要收集的数据的性质和质量的描述;

口作为数据收集对象的学生或学校的数量参数;

口数据收集方法的描述;

口数据解释方法的描述;

口所要进行的决策的描述,包括决策者和决策过程的描述。

评价的目标必须明确说明。进行评价是一项需要大量资源的活动。课堂上的例行评价需要教师和学生付出大量的时间和精力。学区、州和联邦政府等所进行的大型评价需要投入极为可观的人力和财力资源。这些资源只有在保证后续决策和后续行动能够提高学生的科学素质的前提下才应该投入,而要做到这一点必须有明确的评价目标。

决策与数据之间的关系必须清楚。评价活动对于教育变量之间的关系假设进行检验。例如,如果评价的目标是决定某学区的管理体制是否应该继续,那么就应该收集学生成绩的数据。这一选择的基础是下面的假设关系:管理体制赋予教师以选择科学大纲的责任,教师自有积极性去有效地执行他们所选择的大纲,大纲的有效执行可改善科学成绩。这就确立了所要进行的决策和所要收集的数据之间的关系。

评价过程必须具有内在一致性。为了使评价具有内在一致性,其中的每个组成部分必须与其他组成部分一致。必须建立起推理链,将其他的合理解释排除掉。例如,在前面介绍的学区管理的例子中,如果只考核学生成绩这一个变量,那么就不可能准确测试出管理体制与学生成绩之间的关系。因此还必须考核管理体制在多大程度上增强了教师责任感从而导致科学教学大纲的改变,进而影响学生的科学成绩。

评价标准B:

必须对学习科学的成绩和机会进行评价。

口待收集的学习成绩数据要集中在对学生最重要的科学内容上。

口待收集的学习机会数据要集中在最有说服力的指标上。

口必须同样重视学习机会的评价和学生成绩的评价。

待收集的学习成绩数据要集中在对学生最重要的科学内容上。内容标准确定了所有学生需要掌握的科学内容。这些标准描述了丰富而多样性的科学教育成果,其中包括:

口探究的能力;口了解和理解科学事实、概念、原理、定律和理论;口进行科学推理的能力;口运用科学进行个人事务决策和形成对社会问题的看法的能力。

评价标准在指出收集学生科学成绩各方面数据的重要性的同时,强调了内容标准的复杂性。迄今的教育质量考核理论与实践主要是考核学生的主题知识,因此许多教育工作者和政策分析家对于用以考核学生把握科学信息多少的手段比对于用以考核学生理解自然界和进行探究的能力的手段具有更大的信心。当前许多科学成绩测验都是考核“惰性”知识的,而不是“活性”知识;惰性知识是一种支离破碎的知识,而活性知识则是一种具有良好结构的知识。包括学生所有学习成果在内的评价过程必须测试学生的知识广度和知识结构。不是检查学生记住了多少信息,而是要了解其对知识的理解、推理和应用。评价和学习是密切联系在一起的,如果不对所有的学习成果进行评价,那么教师和学生很可能会重新确定期望值,只注重那些要进行评价的内容。

待收集的学习机会数据要集中在最有说服力的指标上。系统标准大纲标准、教学标准和专业进修标准共同描述了整个科学教育体制必须具备的条件,如果要使所有的学生都有机会学习科学则必须具备这些条件。

从课堂的角度看,学习机会的某些最重要指标是教师的专业知识,包括内容方面的知识,教育学知识,对学生的了解程度,内容、教学、专业发展和评价等诸方面的相互的协调程度;用于科学教学的时间;供学生进行科学探究用的资源条件以及现有教材的质量等。教学标准和大纲标准详尽地定义了关于学习机会的上述指标和其他指标。

学习机会的某些指标来源于联邦政府、州政府和学区,在系统标准中更详细地介绍了这些指标。课堂之外的学习机会的其他重要指标包括人均教育经费、州政府制定的毕业水准要求和联邦政府拨给州政府的资金。

我们还在不断制定学习机会指标,我们正在设计收集这些指标数据的方法。测度这些指标构成了技术、理论、经济和社会方面的许多挑战,不过尽管有这些困难,我们不能推卸实现和评价学习机会的责任。评价标准要求决策层拨出必需的资源,以从事关于学习机会评价的研究开发,其中包括提高科学教育专业人员评价学习机会的技术性技能的开发,科学教育专业人员包括教师、督导员、管理者和课程制定者。

必须同样重视学习机会的评价和学生成绩的评价。如果不为学生提供学习科学的机会,那么就不可能让学生对他们的成绩负责。因此,必须同样重视学习成绩和学习机会的评价。

评价标准C:

所收集数据的技术质量必须符合在解释这些数据的基础上所进行的决策和所采取的行动的要求。

口必须切实考核事先声称要考核的指标。

口评价工作必须真实可信。

口一个学生的成绩在两次或多次目标相同的考核中应该是差不多的。

口学生必须有足够的机会来展示他们的成绩。

口评价任务和评价方法所提供的数据必须有足够的稳定性,以便在不同的时间使用时能够导致相同的决策结果。

标准C描述了所收集的数据能够保证在此基础上所做的决策和所采取的行动准确无误的程度。决策的质量和所采取的行动的合理性受制于数据质量。决策结果对学生或教师的影响越大,决策者对数据技术质量的信任度就必须越大。信任度取决于评价过程的质量和不同评价过程产生结果的一致性。对信任度的判断是以若干不同的指标为基础的,下面讨论其中的某些指标。

必须切实考核事先声称要考核的指标。评价任务的内容和形式必须适合有待考核的东西。这就是“适当性”。例如,如果一项评价声称要考核学生为进行科学探究而构造问题并设计一个探究方案去解决问题的能力,那么简短回答的方式是不妥当的。合适的做法是要求学生提出问题并且设计出方案以解答这些问题。不过,如果评价的目的是考核学生有关据以区分若干组矿物质的性质的知识,那么选择题的形式也许是恰当而有效的。

评价工作必须真实可信。当学生们所参与的评价工作与他们在课外生活中所参与的其他工作或者科学家的活动相像时,这样收集到的数据的可信程度就高。这样的评价工作就真实可信。

课堂评价可以有多种形式,包括在教学活动中观察学生的表现、面谈、正式作业、项目调查、书面报告、选择题、简要回答问题和作文考核等。有些评价工作的形式与科学教育目标之间的关系不像其他形式那样明朗。例如,让学生简要回答关于毒性废物的高质量科学信息从哪里可以找到,就可以考核学生获取和评价科学信息的能力。另外一种更可信的方法是让学生寻找这些信息,编写带有注释的文献目录并对这些信息的科学质量作出判断。

一个学生的成绩在多次目标相同的考核中应该是差不多的。这是可靠性的一个方面。假设评价目标是考核学生提出问题的能力,也许让学生在物质科学情境下进行提问。假使学生学习物质科学和生命科学的机会是相同的,那么如果学生的成绩同在生命科学的情境下相同,则可以说学生成绩和测试任务是一致的。

学生必须有足够的机会来展示他们的成绩。欲使决策者对于评价数据充分相信,就需要保证学生有机会展示其全部理解力和能力。评价工作必须设计得当,必须安排在学生熟悉的环境下进行,看懂试卷所要求的阅读能力和词汇量不能超出学生所在年级的水平,而且必须尽可能消除偏见。

评价任务和评价方法所提供的数据必须有足够的稳定性,以便在不同的时间使用时能够得出相同的决策结果。这是可靠性的另外一个方面,对于大型评价来说特别重要,大型评价的兴趣往往在于了解不同群体成绩的变化。只有通过稳定的考核结果才能够就群体成绩的变化进行有效的推论。

尽管前面讨论的可信度指标都是集中在学生的成绩数据方面,但是也可以为学习机会制定一套类似的可信度指标。例如,教师的质量就是学习机会的一个指标。如果教师质量的考核方法是聘请一些有资历的观察员对教学表现进行系统的观察,那么所得到的结论就是真实可信的。如果观察的次数大到足以使教师展示其全部教学知识和技巧,那么就可以建立起对考核的信任度。表现的一致性也是通过反复观察证实的。

必须从多个角度对评价工作进行评估,包括是否受先入之见的影响、是否采用了反映特定群体的视点和经验的假设、是否使用了有可能冒犯特定群体的言词及其他有可能分散学生对评价工作注意力的特征。

数据收集方法可以具有多种形式。每种方法都有各自的优点和缺点。数据收集方法的选择受到种种因素的限制,例如待获得的信息的类型、质量和数量之间的权衡以及每种方法所需要的时间和资源。不过,要实现预想的目标,评价形式的选择应该与想考核什么、想推断什么相一致。

断什么相一致。重要的是,数据和数据收集方法所提供的信息的可信度要与信息的使用将发生的影响相一致。公众对教育数据及其应用的信任度与技术质量有关系。教育工作者和决策者对技术质量的重视程度以及他们向公众宣传技术质量的技巧,都会影响公众的信任度。

评价标准D:

评价行为必须公正。

口必须从多个角度对评价工作进行评估,包括是否受先入之见的影响、是否采用了反映特定群体的视点和经验的假设、是否使用了有可能冒犯特定群体的言词及其他有可能分散学生对评价工作注意力的特征;

口大型评价必须采用统计学方法来识别亚群之间的潜在偏见;

口必须对评价工作进行适当的修正,以适应残疾学生、弱智学生和英语能力有限的学生的特殊情况;

口评价工作必须在不同的情境下进行,必须让具有不同兴趣和经历的学生参与,不可以采用特定性别、种族或民族群体的视点和经验。

《国家科学教育标准》的一个前提是,所有的学生都应该有机会接受高质量的科学教育,都应该有希望具备内容标准所定义的科学水准。也就是说,评价学生成绩所采用的方式对所有的学生来说必须是公正的。这不仅是一个道德要求,而且也是测评学的要求。如果评价结果与性别或族性的关系比评价结果与所接受的教育或所要评价的理解力和能力的关系还要密切,那么评价的适当性就成问题了。

必须从多个角度对评价工作进行评估,包括是否受先入之见的影响、是否采用了反映特定群体的观点和经验的假设、是否使用了有可能冒犯特定群体的言词及其他有可能分散学生对评价工作注意力的特征。规划和实施科学评价者必须格外注意公正性问题。对公正性的关注体现在确定评价任务时所采用的程序、评价工作的内容和语言、评价学生的具体过程和评价结果的分析。

大型评价必须采用统计学方法来识别亚群之间的潜在偏见。统计技术要求,在开展大规模评价时要考虑到性别差异、不同的种族和民族背景。把统计学依据和专家的判断结合起来,可以在一定程度上确定偏见的存在。例如,如果用飞轮来测试对惯性的理解,结果男女生的成绩表现出明显的差别,那么根据男女生接触飞轮的经验不同这一假设说这个评价有偏见大致不会错。

必须对评价工作进行适当的修正,以适应残疾学生、弱智学生和英语能力有限的学生的要求。不管是大规模评价还是教师进行的小范围评价,公正原则均要求,数据收集方法要允许残疾学生、弱智学生和英语水平有限的学生充分展示其科学知识和技能。

评价工作必须在不同的情境下进行,必须让具有不同兴趣和经历的学生参与,不可以采用特定性别、种族或民族群体的视点和经验。评价练习必须真实可信因而必须在一定情境下进行,这一要求增加了这样一种可能性:所有评价工作都会对某些学生不利。某些情境对男生的吸引力大一些,某些情境对女生的吸引力大一些。不过,如果通过多种任务进行评价,那么从整体上看对所有的人都“同样不公平”,这是避免偏见产生有害影响的一个途径。

评价标准E:

根据评价结果就学生成绩和学习机会所进行的推论必须坚实。

口根据评价数据对学生的学习成绩和学习机会进行推论时,需要明确说明推论所依赖的假设。

即使评价计划很完善,所得到的数据质量很高,经验证据的解释也可以导致颇为不同的结论。进行推论就是通过理论、个人信念和个人经验的棱镜对实证数据进行审视。进行客观推论是非常困难的,部分原因是人们并非始终意识到了自己的假设。因此,要相信推论的适当性就需要明确说明这些推论所依据的假设。

例如,如果对某特定群体的学生抽样进行大型评价时,其科学成绩很高,那么可能得出一系列不同的结论。这一群体的学生可能有高度的自觉性;或者由于教学出色,这一群体的学生有更多学习科学的机会;或者这次测验由于某种原因对学生有利。如果不清楚地说明假设条件,如果没有一个从证据到结论的严谨推理过程,那么就很难信任这些结论。如从事评价工作的人在利用教育评价数据进行推论方面受过良好的训练,则可提高对结论的信任程度。即便如此,广大公众及专业人员也应该要求评价者以公开和通俗易懂的方式介绍推论过程。

由任课教师进行的评价

教师在充分发挥评价数据的作用方面处在一个得天独厚的位置。在本《标准》所描述的科学教育的远景中,教师可以以多种方式使用评价数据。本节介绍教师使用这些数据的一些方法。

改进课堂教学实践

教师几乎是连续不断地收集学生理解状况的信息,然后根据对这些信息的解释来调整他们的教学。他们在课堂上观察关键的细微末节,对这些细节的原因进行假设,对学生提出问题以验证这些假设,解释学生的反应并调整他们的教学计划。

制定课程计划教师利用评价数据来制定课程计划。有些数据是教师自己收集的,有些数据是从外部得来的。他们利用这些数据来选择教学内容、活动和案例并把它们融入课程、模块、单元或一课书中。教师利用评价数据进行下述判断:

口科学内容是否适合学生的年龄段;

口学生对内容的兴趣;

口活动对获得欲达到的学习结果的有效性;

口所选择的案例的有效性;

口学生要想从所选择活动和案例中获益所必须具备的理解力和能力。

安排评价是教学的有机组成部分。纳入课程表中的评价至少有三个作用:确定学生最初的理解力和能力,跟踪记录学生的进步情况和收集信息以标定学生成绩等级。出于这些目的的评价工作可反映期望学生学习什么,判断学生的理解程度,可以在各种环境下进行,具有实用、美学和启发价值,具有超出课堂范围的意义。评价工作还可以为学生确定学习重点提供线索。

当教师将学生视作认真的学习者的时候或者是将自己视作一个教练而不是裁判的时候,学生就会逐渐理解良好科学行为的标准并加以应用。

培养自学能力

学生需要评价和思考其科学理解力和能力的机会。首先,他们需要理解学习科学的目标。自我评价理解力的能力是自我启发式学习的重要工具。学生通过反思,明确了他们应学习些什么,由此开始把学习科学这样一种外部对他们的期望化为内在的动力。培养自我评价的技能是一个贯穿学生学习生涯的连续过程。随着学生的进步,这一过程会变得越来越复杂,成为一种自觉的行动。

教师与学生关于评价工作以及教师对学生成绩的评价的对话,为学生提供了评价自身学习状况的信息。由于可以把这些信息应用于评价本人的学习和同学的学习,这些信息有助于学生培养自我评价技能。通过这些技能的培养,学生就可以对自己的学习负责了。

当学生具有下述能力时,说明教师已经把他们的评价做法、学业标准和评价准则传给了学生:

口选择一份自己的作业来证明其对科学概念、原理或定律的理解或者是进行科学探究的能力;口以口头、书面或图解的方式解释如何利用一份作业样本来证明自己的理解力;口利用教师的标准和质量准则来评判自己的一份作业样本;口对其他同学的作业提出建设性的批评意见。

让学生参与评价工作可以增强教师的责任感。科学教师是科学界在课堂上的代表,他们代表了一种对学生来说可能陌生的文化和思维方法。因此教师应该是思考的模范;应该创造一种学习环境供学生互相评估作业、提出建议,发现调研过程中的错误、欠完善的推理和缺乏根据的结论。

教师对学生学业的正式和非正式评价应该体现出判断的科学性。在专业科学活动中,对工作的重要性和创造性进行评判的标准是复杂的,但这些标准并非是随心所欲的。在课堂学习和研究这一活动中,教师就体现了科学界的行为标准。当教师将学生视作认真的学习者的时候或者是将自己视作一个教练而不是裁判的时候,学生就会逐渐理解良好科学行为的标准并加以应用。

报告学生的进步

教师的一个重要责任是向学生本人、同事、家长和政策制订者报告学生所取得的进步和获得的成绩。进展报告提供下述信息:

教师的业绩标准和评价准则;

口学生自一个评分期到下一个评分期的进步和逐年的进步;

口学生在掌握科学课程内容方面的进步;

口根据建立在标准基础上的准则考核出的学生成绩。

上述每一项都需要不同种类的信息和不同的评价方式。

对教师来说特别困难的是向家长和政策制订者通告逐步被接受的收集信息的新方法。需要使家长和政策制订者确信,这些新方法不仅不次于他们当年在学校里采用的方法,而且要更好。因此在制定评价策略以收集学生成绩的证据时,教师需要证明,收集数据和解释数据的新方法与大家熟悉的简短回答测验同样有用和同样可靠。

简短回答式测验所号称的客观性受到高度评价,使得诸如综合测验法、操作法和作文等依赖于较为主观的评分方法的新型评价方法难以受到非专业教育工作者的信任。要克服这种缺乏信任的状况,就要求教师采用跟踪记录学生进步和评分的评价计划。把评价工作和学生的学业成果与受到重视的科学教育目标联系在一起,是评价计划的一个组成部分。同样重要的是,这些计划所包括的判断学生学习质量的准则必须很明晰,能够被家长和政策制订者理解。

教学实践的研究

优秀的教师都要对自己的教学进行实际探究,以找到促进学生学习,弄懂为什么有些做法是有效的。教师以研究者的身份参与的评价活动与科学探究十分类似,因为它收集数据以回答关于有效教学实践的问题。参与课堂研究意味着,教师制定的评价计划既要收集学生学习成绩的信息,也要收集学习机会的信息。

学区、州和国家级评价学区、州和国家当局进行的科学评价具有同样的目标,它们的主要区别在于规模,即作为数据收集对象的学生、教师和学校的数量。

评价可以由校外约有关机构执行,为其以下目的:

口制定政策;

口跟踪了解政策效果;

口强制执行某些政策;

口表明责任关系;

口进行比较;

口跟踪了解趋近目标的进展情况。

除了这些目标之外,学区进行评价可能是为了判断具体计划、具体学校和具体教师的教学效果并且向纳税人报告本学区的成就。

由于外部评价的成本很高,对科学教育实践的影响很大,这就要求我们要认真计划和执行这种评价。精心筹划的大型评价在规划和执行阶段都要吸收教师参加。此外,要对收集的所有数据进行分析,样本大小的确定要合理,样本对于有关群体要有代表性。本节介绍大型评价的特征。

数据分析收集了很多教育数据但未进行多少分析或未用之于制定决策或采取行动,这是司空见惯的事情。制定大型评价计划的人应该能够说明,计划收集来的数据将如何用来改善科学教育。

教师的参与外部人员设计的、用来监督教育体制的评价活动的准备与实施,都应吸收老师积极参与。教师与学生打交道的经验使他们成为设计、开发和解释外部评价活动的必不可少的参与者。他们的参与有助于保证科学教育的课堂实践与外部评价实践的一致性。无论是在学区、州或是国家层次上,科学教师都需要与其他对评价过程作出贡献的人一道合作,例如教育研究工作者、教育考核专家、课程设置专家和教育政策分析家。

样本大小

数据收集样本的大小取决于评价的目标和评价计划所针对的学生、教师、学校、学区或州的数量。如果一个州要进行一次评价以了解本州学生的成绩并与其他州进行比较,那么采用抽样的学生样本来收集数据就足够了。然而如果评价的目标是为了给学生发放州级合格证,那么就必须收集所有学生的数据。

样本的代表性对于所有的大型评价而言,即便是学区级评价,信息的收集方式均应该把占用学生的时间减少到最低限度。对于许多责任目标来说,所采用的抽样设计可以让代表性不同的学生样本接受不同的测试任务。这种方式可以使科学教育体系的不同方面受到监督。政策制订者和纳税人既可以在国家、州和学区的范围内对学生的成绩和学习机会进行有效的推论,又不需要被抽样的每个学生付出大量的时间。

《美国国家科学教育标准》——第五章—学生科学成绩评价示例

为了说明评价标准,下面举两个例子。内容标准是利用理解力和能力来描述的,因此第一个例子是有关对自然界的理解。这个例子要求一套完整的科学知识以及利用这些信息进行推理的能力,以便进行预测、作出解释和以科学的方式行事。本例的重点是预测并给出预测的依据。第二个例子是关于探究能力的,这个例子也要求一套完整的科学知识和利用这些信息进行推理的能力,以便形成概念、制定研究计划和进行调查研究。(这些评价工作与内容标准没有一一对应的关系。)

内容标准要求对自然界的理解力。这种理解力需要学生了解物质科学、生命科学和地球科学的概念、原理、定律和理论以及各门自然科学共有的概念。这种理解力包括利用知识进行推理的能力。因为没有交流,就不可能辨别学生学到些什么和学生如何进行推理,所以说交流是理解力的第三个要素,包括口头交流和表象式交流。

根据对学生的课堂活动表现和对其学习成果的分析可以推断出学生的理解力。活动的类型包括在课堂上和公开场合下作个小报告,与同学或老师讨论科学问题以及在实验室进行试验。学生的学习成果包括考试成绩、每天的笔记、撰写的报告、图表、数据、物理模型和数学模型及收集的自然标本。对于以活动表现和成果为依据的评价来说,交流是至关重要的。

把评价工作和学生的学业成果与受到重视的科学教育目标联系在一起,是评价计划的一个组成部分。

理解具有不同的角度和不同的深度。物理学家对于呼吸的理解与化学家的理解可能会大不相同,正如生物学家对于呼吸的理解与内科医生的理解也大不相同一样。但物理学家、化学家、生物学家和内科医生都对呼吸有深入的理解。他们会列举许多相同的解释这一概念的科学原理。不过,他们都可能强调对各自的学科领域有重要意义的概念。物理学家可能会强调动能学,而不强调发生着呼吸现象的生命体。另一方面,内科医生可能会从人的角度来强调呼吸。应用环境也会造成视点上的差异,分子生物学家的理解可能会侧重细胞中呼吸的发生机制,内科医生的理解可能会侧重人的呼吸异常以及造成这种异常的物理原因和病理原因。

普通市民对呼吸的理解远不如科学家那样深。不过,即便是普通市民的理解也会有不同的视点,这反映了他们在个人经历和接触科学方面的差别。

每个学生对自然界的理解也显然存在着角度和理解深度的合理差异。对教师和其他负责评价理解力的人来说,他们所面临的一个挑战是如何将这种差异性转化为对一个或一组学生对自然界的理解程度的判断。下面的例子说明,对自然界的解释对于判断学生的理解力来说是一个多么丰富的信息源。

诱导学生进行解释并对其解释作出分析是评价科学成绩的一个有用途径。

解释是科学事业的核心;因此,诱导学生进行解释并对其解释作出分析是评价科学成绩的一个有用途径。本例说明了,精心设计的、要求学生作出解释的评价练习如何为学生提供了展示其全部科学理解力的机会。这种练习不是为了解学生是否懂得一个特定的事实或概念而设计的,而是为了了解学生的理解深度和广度。这种练习设计起来较为困难,而且往往不好打分数。下面的例子说明了这些挑战。

提示:评价工作从一个提示开始,提示包括任务的描述和说明。下面是提示的内容:

把一些潮湿的土壤放入一个洁净的玻璃广口瓶中,再把一棵健康的绿色植物种植在土壤中并将瓶盖拧紧。然后把广口瓶放置在窗口以接受阳光的照射。瓶内的温度保持在60~80华氏度。那么你认为这棵植物能够活多久呢?写下你的预测根据。请运用生命科学、物质科学和地球科学的有关知识作一个预测并且证明这一预测的合理性。如果对预测没有把握,那么就应该在证明合理性的过程中加以说明,而且要告诉我们你需要哪些信息才能更好地进行预测。你应该知道,正确答案并不是唯一的。

许多属性使“广口瓶中的植物”成为评价理解力的一个出色习题。可以通过口头方式、绘图方式和实物演示的方式向学生描述把植物种植在广口瓶中这一情景,从而避免由于读不懂题意而影响答案的情形。所有年龄的学生都可以理解这一情景,从而最大限度地减少了首先具备有关情景的知识方能答题这一可能性。对预测的解释可以有很多不同的复杂程度,解释可以是定量的也可以是定性的。可以根据经验或者理论进行解释,可以运用物质科学、生命科学、地球科学以及跨学科概念进行解释,从而使学生能够在其学习科学的不同水平上展示他们对于科学的全部理解力。

确定评分规则为学生所作的解释打分的过程需要建立一个评分规则。这个规则是用于特定群体的成绩标准。评分规则一般是由所考核的学生的教师制定的。成绩标准是通过一个叫做“社会调节”的共识过程制定的。设计评分规则的第一步是确定懂科学的成人的成绩标准,然后确定这一标准中的哪些部分适合于作为考核目标的学生群体。成绩标准草案在试用于学生成绩和作业的过程中不断得以完善。最后根据评分规则区分学生成绩。成绩分为满意、较好、欠佳三等。对评分规则的不同看法和对学生答复质量的不同判断通过一组教师进行讨论,直至就评分规则达成共识为止。

由于本文没有指定目标群体而且评分规则也需要在制定这一规则的社区试用,所以本节没有确定具体的评分规则,只介绍确定评分规则的步骤。

通晓科学的成人的成绩确定评分规则首先从描述通晓科学的成人的成绩标准开始。成人的成绩标准是由评分规则开发组确定的。开发组的每个成员都要写出一个习题的答案,说明该成员认为一个通晓科学的成人应该对这一习题如何解答。他们还要请其他成人完成这一习题。开发小组在这些答案的基础上协商出一个公认的答案作为初步标准。

开发小组的这一标准要分解成答案的若干组成部分。在“广口瓶中的植物”这一习题中,这些组成部分包括预测、用来证明预测合理性的信息、证明预测合理性的推理过程和交流的质量。

通晓科学的成人对广口瓶中的植物能够活多久的预测例子可能包括:(1)没有足够的信息进行预测;(2)植物可以永远活下去;(3)昆虫或疾病可能会害死植物。不管预测是什么,都要说明为什么这么预测。例如,如果断言提示中所提供的信息不足以进行预测,那么就应该说明需要哪些信息进行预测以及如何使用这些信息。

通晓科学的成人会依靠广泛的知识来证明其预测的合理性。开发小组的教师所制定的标准答案会包括物质科学、生命科学和地球科学中的概念以及科学中的共同概念。所有这些概念都适用于预测广口瓶中的植物能够活多久以及证明这一预测的合理性,不过由于侧重不同,可能没有一个人会应用全部概念。有些概念来自物质科学,例如蒸发、冷凝、能(包括热能、光能、化学能)、能量转换、化学反应、催化、质量守恒和动量平衡。有些概念来自生命科学,例如植物生理学、植物生长、光合作用、呼吸、植物疾病、植物与昆虫的相互作用。还有一些概念来自地球科学,例如土壤类型、大气成分、水的循环、太阳能和矿物循环。最后,我们可以运用各学科共有的概念对广口瓶中的植物作出预测并证明这一预测的合理性。这些概念包括封闭系统、开放系统和孤立系统,物理模型,变化模式,守恒和平衡。

预测广口瓶中的植物寿命所需要的知识不单单限于概念。要更深入地理解这一现象还需要包括化学物质和能量在内的一些知识。要想跟踪记录能量、糖、二氧化碳、水、氧和矿物质,就需要了解广口瓶中发生的变化,了解瓶内各个区域(土壤和大气)的平衡。广口瓶及瓶内的东西相对物质来说是一个封闭系统,而相对于能量来说却是一个开放系统。分析瓶中植物的寿命期望值还需要了解,瓶中物质改变了形态,不过其质量保持不变。此外,了解大气中的气体和土壤中的矿物质也变成了植物的一部分,对于解释十分重要。

对瓶中植物所作任何预测的出色辩护都要说明推理过程,推理的特征是在逻辑上互相衔接且中间没有漏洞的一连串陈述。

如果预测及其说明包括了光合作用和呼吸的物理化学知识,则表明理解程度更深。光合作用是把可见光的辐射能转换成特殊载体分子(例如明矾沉淀类霉素)形式的化学键能,再利用这种特殊载体分子把化学能储存在碳氢化合物中的过程。这一过程开始于叶绿素的光吸收,叶绿素是一种使植物呈现绿色的色素。在光合作用中,利用了光能来推动下述反应:

二氧化碳+水→糖+氧在呼吸过程中,化学化合物与氧发生反应,释放出能量,呼吸时,糖被分解,产生有用的化学能给反应中的作物:

糖+氧→水+二氧化碳

光合作用和呼吸是两个互补过程,因为光合作用的结果是能量的存储,而呼吸是能量的释放。光合作用从大气中吸收二氧化碳,而呼吸向大气中排放二氧化碳。

关于瓶中植物寿命预测的说明也许还包括动态平衡的知识。液态水和气态水之间存在着平衡。液态水的蒸发是一个连续的过程。在温度恒定的密闭容器中,凝结的速度等于蒸发的速度。其中的水处于动态平衡状态。

对预测的高明辩护的另一个属性是假设。辩护应该明确指出它所依赖的假设,甚至可以推测如果采用其他假设会有什么后果。

最后,对瓶中植物所作任何预测的出色辩护都要说明推理过程,推理的特征是在逻辑上互相衔接且中间没有漏洞的一连串陈述。

不同学生群体的评分规则瓶中植物评价练习是测试任何年级的学生理解植物的一个适合工具。制定不同年级学生的评分规则需要考虑学生的科学经验和发育水平。例如,我们估计,小学生的辩护主要以其植物经验为基础。学生的辩护所使用的科学术语很少,如果还有的话。四年级的学生也许以下述方式回答这一习题:

这棵植物能活。它获得了水分和阳光。如果受冻了或者虫子咬它就会死。我们在三年级的时候,种过一些植物。有些孩子忘记浇水,它们就死了。爱迪怕他的种子不发芽,就把它们放在书桌里。种子果然发芽了,但是叶子枯黄。爱迪把植物放在阳光下,它们就变绿了。小花盆中的植物竟然活了一年。

对5~8年级学生辩护的期望就不同了。他们的辩护应该含有更为抽象的知识,采用更为专业化的语言和科学概念,例如光、热、氧、二氧化碳、能和光合作用。

到了12年级,深度应该高得多。在理想的状态下,12年级的学生会把瓶中的植物看成是一个地球生态系统的物理模型,把光合作用和呼吸看成是互补过程。

为学生群体制定成绩标准取决于这一群体的发展水平和他们的科学经验。讨论一下刚学完高中生物课的两个学生的辩护,就可以说明在利用学生的答案来制定评分规则时应考虑什么。学生E对她的预测作了出色的辩护。学生S的答案不大令人满意,不过也并非不着边际。

学生E:如果广口瓶中没有害虫或者引起植物疾病的微生物,那么这棵植物就可以逐渐长高并活一段时间。我记得我们在小学的时候曾经做过这种试验。我种的植物死掉了,因为它被黑霉菌盖住了。不过其他孩子种的植物长得挺大,而且活了一年多。

植物能够生长是因为它可以从阳光中吸收能量。当阳光照在植物上的时候,就发生了光合作用。二氧化碳和水形成了碳水化合物和氧。这一反应把阳光中的能量转换成了化学能。植物能够完成这一转换是因为植物中有叶绿素。

植物生长和运动等生命过程需要碳水化合物。植物利用碳水化合物和氧产生出生长和运动等生命过程所需要的能量。此外还产生二氧化碳。

植物过一段时间也许会停止生长。我认为当土壤中所有的矿物质都用光了的时候就会发生这种现象。植物的生长需要土壤中的矿物质。当植物部分死亡的时候,构成植物的物质就会发生腐烂,矿物质就会回到土壤中去。因此我认为植物究竟能够长多大取决于土壤中的矿物质。

气体、氧、二氧化碳和水蒸气可以反复使用。我不清楚气体是否会用光。如果没有二氧化碳供光合作用,植物还能活吗?如果没有二氧化碳,植物还会呼吸和生长吗?我坚信密闭广口瓶中的植物可以活很长时间,但是我说不准植物可以活多久以及什么原因会让植物死亡。

学生S:我认为把一棵小植物在60~80华氏度下放在一个密闭的蛋黄酱瓶中是置它于死地。我相信这棵植物活不了一周(甚至是三天)。这里有许多原因。瓶中的植物在80华氏度阳光的连续照射下,土壤中的水分很可能会几乎立刻蒸发掉。这会使土壤干燥而使空气潮湿。因为植物是处在密闭的容器之中,所以水分不可能回到土壤中去(凝结)。这又会使养分无法到达植物的上部,因为没有根压!

此外,由于植物叶子中所发生的光合作用,至少在水没用光的一段时间内,空气中的二氧化碳被耗尽,氧在取代二氧化碳。没有二氧化碳和水,就不可能发生光的反应和黑暗中的反应,植物也不可能生成碳水化合物。能量需要碳水化合物。

结论是,在一个与二氧化碳和水分隔绝的瓶子中,植物会迅速消耗掉各种资源,从而妨碍了二氧化碳+水→糖+氧这一方程式所描述的反应,因此妨碍了碳水化合物转换成能量。

瓶子还相当于一种催化剂,加速了水的不完全蒸发过程。这会减小使水分(如果有的话)和营养到达叶子的根须压力。总而言之,植物不会活太久(至多三天后就会枯萎)。

判断辩护中所含信息的质量,需要对其中的信息有共同的认识,然后根据一定的标准把这些信息与评分规则中的信息加以比较。可以采用的标准包括:辩护中的信息的准确性;有关知识对于学生的年龄和经历来说是否合适;知识的深度;在这一场合下运用这些知识是否得当。

最为重要的是,对辩护中的信息质量的判断应该考虑到学生在答案中所使用的信息的准确程度。学生S在辩护中使用了一些关于水的蒸发凝结循环和封闭系统动态平衡的错误信息。我们这样说是因为这样一段话:“土壤中的水分很可能会几乎立刻蒸发掉。这会使土壤干燥而使空气潮湿。因为植物是处在密闭的容器之中,所以水分不可能回到土壤中去(凝结)。”这位学生关于“这会使土壤干燥而使空气潮湿”的说法表明他缺乏封闭系统中的平衡的知识。与学生S的错误信息形成对照的是,学生E的辩护中所运用的信息与大多数高中课本的内容相比既不特别深奥,也没有什么错误。

对信息是否恰如其分的判断比较困难。一个熟悉学生生物课的人可能会认为,学生答案中的信息没有课堂上讲授的那样深。在这种情况下,实际上是把生物课本中的内容作为判断答案质量的标准了。另外一种情况是,把内容标准中的科学概念作为判断信息是否恰如其分的标准。

根据信息的质量,学生E的答案的分数要高于学生S。学生S的辩护提供了他懂得哪些知识和不懂哪些知识的信息,提供了对学生的知识结构进行推论的依据。例如,这个学生在辩护中未考虑光合作用与呼吸的互补关系。也许该学生不了解呼吸,不知道这两个过程是互补的。另外一种可能是,这两个概念在头脑中的储存方式不利于把两者同时运用在这个习题中。要检验对学生知识结构的推论是否言之有理,需要与学生进行对话。要了解学生是否懂得呼吸,一问便知。如果学生懂得什么是呼吸但是在进行预测时不会使用这个概念,那么这就证明了该学生没有在植物生命过程的情境下理解这一概念。

学生E的答案具有良好的结构而且与预测一致。陈述也首尾相接。由于提示中缺乏一些信息而且她对光合作用和呼吸得以发生的条件的定量细节吃不准,所以她的预测是尝试性的,辩护也是尝试性的。该学生对于某些假设交待得很清楚,例如土壤中的矿物质与植物生长的关系。学生在辩护中所提出的问题可以解释为,她已考虑了其他假设。

反之,学生S在陈述他的预测时表现出的把握是没有依据的,他在辩护时只考虑到是否有足够的水。而且在辩护时也缺乏条理,从一般概念或经验证据直接过渡到了对预测的辩护。

学生S的答案表明了重要一点,即有必要把信息的评分与推理的评分区别开来。学生可以利用不正确的信息进行颇似有理的辩护。例如,如果学生进行下面的辩护,那么即使土壤干了的结论是不正确的辩护,其推理过程也无懈可击。如果学生采用下面的说法,其推理的得分应该很高:

植物的生长需要能量。植物通过光合作用的过程从阳光获得能量。植物进行光合作用需要水分。由于土壤是干燥的,所以水分无法进入叶子,植物不能进行光合作用,于是死于能量不足。

通过讨论制定评分规则,需要在这方面有经验的、掌握大量信息的教师。即使教师有充分的准备,讨论过程也需要大量的时间。内容标准提倡理解消化了的知识。因此,必须为培训教师和科学教育系统中的其他人提供足够的资源,使之能设计和评估要求学生展示理解力的评价(例如刚刚介绍的例子)。

《美国国家科学教育标准》——第五章—评价探究能力

评价的第二个例子的重点是探究。内容标准要求理解科学探究和培养探究能力。正如对自然界的理解一样,理解探究和进行探究取决于对物质科学、生命科学和地球科学的概念、原理、定律和理论的了解。探究还需要推理能力和使用实验室和野外设备的技能。正如对自然界的理解一样,推断学生的探究能力及其对这一过程的理解可以以课堂科学教学和学习成果的分析为基础。

下面的例子介绍了12年级的学生参与一项长时间探究的情况。这个练习有两个目的。它为教师提供了学生在多大程度上达到了探究标准的要求的信息。同样重要的是,它还可以作为学校科学大纲的极好经验。这项探究是在学年初期开始的。学生以个人或小组的方式对他们所选择的问题进行调查研究。

确定值得研究而且能够研究的问题。在学校的整个科学大纲中始终鼓励学生去发现他们感兴趣而且适合其研究的问题。学生把这些问题记录在他们的研究笔记本上。高中阶段的早期,学生们就要准备他们建议研究的问题的说明草稿,并且讨论为什么这个问题是合理的。这些草稿要向班里所有的学生散发。学生们要对同学们的建议写出书面评价报告,评论一下所建议研究课题的质量和研究的理由。然后学生们根据同学们的反馈信息对研究课题进行修改。最后,学生们向全班报告其经过修改的拟研究问题并进行答辩。

制定调查研究计划。教师鼓励学生组成二至四人的小组进行研究,但不作硬性要求。在向全班报告研究课题之后,学生要组成研究小组;他们对所要调查研究的问题达成一致意见之后开始制定初步的调查研究计划。小组中的每个成员都要对小组的工作做全面的记录,特别是记录从最初提出的若干问题演变到最终问题的过程。随着调查研究计划过程的推进,研究课题不断得到细化和修改,以适应课堂时间和资源条件的实际限制。每个学生在这一过程中都要记工作日记。当研究小组认为他们的研究计划已经进展到可以开始工作的程度时就向全班同学报告这一书面计划。此外还要把这一计划复印件分发给同学进行书面评估,接着是组织班级研讨会对每个研究计划进行讨论。在同学评议的基础上,每个小组都要对自己的计划进行修改,他们认识到在执行计划的过程中还需要进一步修改计划。班级中的每个学生都要对各自和其他小组的研究计划进行评估,包括一份书面评语和对计划的修改建议。

执行研究计划。学生在调查研究阶段要参与从组装和调试设备,设计和试用数据收集表格,制定和试验数据收集程序,到收集、组织和解释数据的反复过程。

起草研究报告。研究小组根据每个人的笔记准备一份介绍研究的书面报告。这份报告还包括所收集的数据和初步分析结果。根据同学们的反馈信息,各个研究小组要修改他们的工作程序并继续进行数据收集。当研究小组认为数据收集方法行之有效且数据具有相当的一致性时,他们就可以对数据进行分析并得出结论。

研究小组在研讨会上介绍自己的数据、分析和结论之后,要起草研究报告的第一稿。这一草稿要散发给全班同学供他们准备各人的批评意见。这一反馈信息可以供研究小组用来准备最终报告。

学生个人成绩的评价。在全班同学进行这项长时间调查研究的过程中,教师要观察每个学生在向全班做报告、与同学交流及使用计算机和实验室设备时的表现。此外,教师还掌握了每个学生独立进行工作或参与小组工作时的成果,包括研究课题草案、对其他同学的工作提出的批评意见及个人工作笔记等。对学生的表现和工作成果的观察为教师推测每个学生对科学概念和科学探究本质的理解提供了丰富的数据来源。例如,在制定探究计划时学生要提出进行调查研究的问题。学生关于为什么这一问题属于科学问题的解释,为教师提供了进行一系列推论的依据,例如对科学本质的理解程度和理解质量,对生命科学、物质科学和地球科学的理解,其科学知识的深度和质量以及进行科学推理的能力。

学生科学推理能力的证据来自学生对自己研究课题的理由说明,来自从所收集数据的模式到结论的推理过程。在第一个例子中,学生从与自然现象有关的科学概念中提炼出研究课题。在第二个例子中,学生根据数据得出科学信息。无论是哪个例子,都可以从下述因素推断出推理的质量:推理环节之间的联系是否严密、学生是否明确交待了所做的假设以及在多大程度上猜测了若采用其他假设将产生的后果。

这项长期性调查研究项目的写作要求和讲述要求提供了评价学生交流科学概念的能力的证据。

评价重点的改变《国家科学教育标准》预见到了整个系统将发生的变化。评价标准包含以下强调重点的变化:

不大强调

评价容易考核的内容

评价分立的知识

评价科学知识

评价目的是了解学生有哪些还不知道

只评价成绩

由教师在期末评价

只由考核专家设计外部评价

比较强调

评价具有最被重视的内容

评价具有良好结构的丰富知识

评价科学理解力和推理能力

评价目的是了解学生理解了什么

既评价成绩,又评价学习机会

学生参与对自己和他人学习成果的评价

教师参与外部评价的设计

《美国国家科学教育标准》——第五章—昆虫与蜘蛛

本例的各标题强调了评价过程的某些组成部分。在本《标准》所描述的科学教育远景中,我们往往无法把授课与评价区别开来。在本例中,M小姐为了改善学生对复杂概念的理解,利用通过观察学生学习和讨论所获得的信息来改进课堂教学实践。她具有类比、提问和举例等全部技能,并能得心应手地加以应用。学生们通过书面方式和图解方法回答类比方面的问题。校方认识到:教师们尽管制定了计划,但是他们会对计划进行调整,他们倾听了M小组解释她为何进行那些调整。

[本例强调了教育标准A和B、评价标准A、5~8年级内容标准B和大纲标准F的某些要素。]

科学内容:5~8年级物质科学的内容标准也括对运动和力的理解。基础概念之一是一个物体的运动可以描述为其位置随时间的变化。

评价活动:学生们利用不限时间的书面或图解方式回答参照系方面的问题。

评价类型:这是一种插入到授课之中的不限时间的个别式问答练习。

评价目标:教师利用在这一活动中所获得的信息来改善课堂教学。数据:学生的书面答卷和教师的观察。

情景:7年级的学生正在学习物体的运动。一位学生正在介绍他对于运动和力的看法,他指着桌子上的一本书说:“现在这本书是不动的。”另外一位女生说:“哦,它正在动。这本书在桌子上,桌子在地板上,地板是大楼的一部分,大楼是地球的一部分,地球既在自转又在绕着大阳旋转,整个太阳系在银河系中运动。”第二位学生面带得意的微笑回到了座位。讨论停顿了下来。

M小姐示意时间已到并且提出了下面的问题。假设一个昆虫和一只蜘蛛落在一片顺流而下的百合花瓣上,蜘蛛正沿绕着花瓣的边缘走动,而昆虫蹲在中央瞧着蜘蛛。那么昆虫如何描述它自己的运动呢?如何描述蜘蛛的运动呢?一只站在小溪边上的小鸟又如何描述昆虫和蜘蛛的运动呢?教师让学生就这一问题展开讨论,自己则在教室中走来走去倾听大家的讨论。M小姐让大家把问题的答案写在纸上;她提议学生画一个图作为答案的一部分。

校长当时正在教室中观摩教学,他问M小姐为什么没有按照原来的教学计划授课。M小姐解释道:那位女同学曾有两次在班上发表过类似的意见,她不是有意捣乱,而是在发表一个其他同学还没有领会的合理论点。因此M小姐认定继续讨论运动与力是无益的,除非全班同学更好地理解了参照系的概念。她设计这几个问题的目的是帮助学生理解,运动的描述都是针对某一参照点而言的。位于花瓣中央的昆虫可能会按照它的参照系(即花瓣)来描述自己和蜘蛛的运动。反之,溪边的小鸟也会利用自己的参照系即它所站立的地面来描述花瓣和花瓣上的“乘客”的运动。地面上的观鸟者会把这只小鸟描述成是静止不动的,而月亮上的观察者的答案就全然不同了。

美国国家科学教育标准(生命科学,K4

由于幼儿园至4年级的学生参与一系列活动的结果。所有的学生应该理解下述内容:
1生命体的特性;
2.生命体的生命周期;
3.生命体和环境。

培养学生的理解力

小学的孩子们是通过直接接触有生命的东西、它们的生命周期和它们的居住环境建立对生物概念的理解的。这些经历起源于孩子们的惊讶感和天生的兴趣,他们往往会提出“植物如何找到吃的东西?一共有多少种不同的动物?为什么有些动物会吃别的动物呢?最大的植物是什么?恐龙到哪里去了?”之类的问题。理解生命体的特性、生命体的生命周期和自然环境各部分之间的复杂的相互作用都始于这类问题,始于对于生命体个体如何维系和延续生命的认识。了解生命体在各自环境中生存的方式,有助于进一步了解生物多样性以及一切有生 命的有机体的生存是如何依赖于有生命和没有生命的环境。由于幼儿园至4年级的孩子们的世界与家庭、学校和直接接触的环境密切相关,因此对生命体的研究应该包括对孩子们接触到的自然界的观察和其中的相互作用。幼儿园至4年级的经历和活动为高年级阶段主要生物学概念的循序渐进的发展奠定了切实的基础,例如进化、遗传、细胞、生物圈、相互依赖性、生命体的行为、生命系统的物质和能量等。

孩子们对生命体特性的看法来自其“有生命”和“无生命”的基本概念。例如,皮亚杰注意到,幼儿采用拟人化的方法来解释生命体。小学低年级的许多孩子把“生命”与任何以某种方式活动的物体联系起来。这种生命观逐渐发展成为一种以运动为定义性特性的观点。孩子们最终会结合其他概念(例如饮食、呼吸和生殖)来定义生命。随着学生们对生命体进行广泛的接触并在后来建立起生命科学的知识基础、他们应该 逐渐抛弃拟人化生命观。在诸如分类之类的课堂活动中,小学学生一般会采用互相排斥的分类而不是层次型分类。例如,年龄小的孩子们可能会把对象分为两组,而年龄大一些的孩子们会同时采用多组分类。学生们在小学高年级之前不会采用前后一贯的分类,如生物学家所做的那样。

当学生们研究生命体的生命周期的时候。教师会注意到年龄小的孩们不理解诸如从种子到秧苗或者是从幼虫到成虫的生命的连续性。不过教师会发现,大多数学生到了小学二年级就懂得孩了与他们的父母会有某些相似之处。学生还能够区分后天获得的性状与遗传性状。不过学生可能会抱有一种幼稚的遗传观念,包括相信特性只能从双亲之一遗传,某些特性只能从父亲或母亲一方遗传,或者所有的性格只不过是双亲性格的混合物。

年龄小的孩子们习惯于对单一生命体进行具体的思考。例如,一提动物就想到宠物或动物园中的动物。年龄小的孩子还没有充分建立起生命体依赖于其环境(在某些情况下也包括其他生命体)的概念。幼儿园至4年级的重点应该是建立起生命体与环境之间的基本依存关联系和某些次级依存关系。例如生命体依赖于环境的各个方面和有助于动物生存下来的行为。小学低年级的学生能够理解两种生命体之间的食物链。

内容标准指南

构成本标准的基本概念和原理包括:

.生命体的特性

1.生命体有一定的基本需求。例如,动物需要空气、水和食物;植物需要空气、水分、养分和阳光。生命体只有当环境满足其需要时才会生存下来。世界有很多不同的环境,不同的环境支持不同类型的生命。

2.每种植物和动物都有不同的结构,这些结构服务于生长、生存和繁殖等不同功能。例如,人类具有独特的身体结构,有利于行走、握持、观看和谈话。生命体个体的行为受到内部提示(例如饥饿)和外部提示(例如环境的变化)的影响。人类和其他生命体都具有帮助他们检测内部和外部提示的感官。

.生命的生命周期

植物和动物都有生命周期,包括诞生、发育成熟、繁殖和逐渐死亡。不同的生命体的生命周期细节不同。植物和动物都与它们的亲本或双亲有许多雷同之处。生命体的许多特征是从其双亲继承而来的,但是其他特征是与环境相互影响的结果。遗传特征包括花的颜色和动物肢体的数目。其他特点(例如骑自行车的能力)是通过与环境的相互影响学来的,这些特点不能遗传给下一代。

.生命体与其环境

所有的动物均依赖于植物。有些动物以植物为食,还有一些动物是以吃植物的动物为食。 一种生命体的行为模式与这种生命体所处环境的性质有关,包括该环境中其他生命体的种类和数量、可以得到的食物和资源以及环境的物理特征等。当环境发生变化时,有些植物和动物可以幸存和繁衍,有些则死亡或迁徙到其他地方。

所有的生命体都引起它们所生存的环境的变化。有些变化对这种生命体或其他生命体是有害的,有些变化则是有利的。人类依赖于他们的自然环境和人为环境。人类改变自然环境的方式对人类本身和其他生命体来说可能是有利的,也可能是有害的。

美国国家科学教育标准(生命科学,5-8)

通过5—8年级的活动,所有的学生应该具有理解以下内容的能力:
1.生命系统的结构和功能;
2.繁殖和遗传;
3.调节和行为:
4.种群与生态系统;
5.生命体的多样化和适应性变化。
6.培养学生的理解力

在初中阶段,学生应从个别生命体的观点去研究生命科学发展到认识生态系统的模式并且建立起对生命系统细胞层次的理解。例如,学生的理解范围应该从一个物种在周围环境中的生存方式扩大到该物种的群体和社会以及它们之间和它们与环境之间的相互影响方式。学生还应该扩大对生命系统的调查研究,包括研究细胞。观察和调查研究应该越来越定量化,包括采用计算机、概念模型和数学模型。5—8年级的学生已具有细微的调节运动肌的技能,能够使用光学显微镜,能够准确解释他们看到的现象,这可以增强其在学习细胞和微生物时的准备程度并且为在高中阶段理解分子生物学奠定基础。

初中学生在某些方面的理解力值得注意。青少年这一时期的发育有助于其理解人类生物学。中学生可以逐步理解,人体具有各种器官,这些器官协同工作以维持人的生命。教师应该以人体器官系协同工作为背景。介绍结构—功能的一船概念。教师可以利用其他更为具体的特定例子(例如手)让学生具体了解生命系统中的结构—功能。到了中学阶段,多数学生会值得人体有性繁殖的基本过程。不过,学生们可能会对精子与卵子的作用以及开花植物的有性繁殖有某些错误概念。关于遗传,低年级的中学生容易把注意力集中在可观察特征上,而高年级学生可以在一定程度上理解,是遗传物质携带着信息。

到了这一阶段.学生们对于生态系统以及生命体与环境的相互影响的理解足以使教师引入营养和能量流的概念,尽管有些学生可能会被图表和流程图弄得晕头转向。如果询问一些有关生态系统的普通概念,例如生命体之间的合作与竞争,教师会发现学生的回答多半是基于日常经验,而不是科学解释。教师应该把学生现有的理解作为培养科学理解的基础。

要理解适应性变化在这一阶段可能特别困难。许多学生把适应性变化理解成个体为适应环境的变化而发生的重大变化(也就是说,如果环境发生了变化,那么个别生命体就会有意去适应它)。

内容标准指南

支持本标准的基本概念和基本原理包括:

(一)生命系统的结构和功能

1)–组织层次各异的所有的生命系统都会展示出结构和功能的互补性。对于结构和功能而言的重要组织层次包括:细胞、器官系统、整个生命体和生态系统。

2)–所有的生命体都是由细胞构成的,细胞是生命的最基本单元。大多数生命体是单细胞的,而其余的生命体(包括人)是多细胞的。

3)–细胞具有维持生命所需要的许多功能。它们生长和分裂,从而产生更多的细胞。细胞要吸收营养,利用营养产生能量以完成细胞功能。 细胞也利用营养制造细胞或生命体所需要的材料。

4)–在多细胞生命体中,特化的细胞实现特化的功能。这些特化细胞的群体共同合作形成组织.例如肌肉。不同的组织又进一步形成更大的功能单位,称为器官。各种细胞、组织和器官均具有特殊的结构和特殊的功能,为整个生命体服务。

5)–人类生命体内包含有多种系统,如:消化系统、呼吸系统、生殖系统、循环系统、排泄系统、运动系统、控制系统、协调系统和防病系统。这些系统会发生相互作用。

6)–疾病是有机体结构或功能的失常。有些疾病是系统本身失效的结果,还有一些疾病是其他生命体的感染造成损伤的结果。

(二)繁殖和遗传

1)繁殖是所有生命系统的特性;因为没有任何生命体的个体可以长生不老.繁殖对于每个物种的延续来说都是至关重要的。有些生命体通过无性方式繁殖,有些生命体则通过有性方式繁殖。

2)包括人类在内的许多物种都是雌性产生卵子,雄性产生精于。植物也属于有性繁殖,精于和卵子是在开花植物的花朵中产生的。精子与卵子结合发育成新的个体。

3)新的个体从其母亲(通过卵子)和父亲(通过精子)那里接受遗传信息。通过有性繁殖所产生的后代永远也不可能与其父亲或者母亲完全一样。

4)每个生命体都需要一组规定其特征的指令。所谓遗传就是把这些指令从—代传递给下一代。

5)遗传信息包含在基因之中,而基因位于每一细胞的染色体之中。每个基因只携带‘个信息单元。个体的某个遗传特征由一个或多个基因决定,每个基因可以影响多个特征。每个人体细胞可以含有成千上万个不同的基因。

6)生命体的特性可以利用遗传特征的组合来描述。有些特征可以遗传,有些特征是与环境相互作用的结果。

(三)调节和行为

1)–所有的生命体都必须有能力获得和利用资源、生长、繁殖,而且当他们所生活的外部环境不断变化的时候维持稳定的内部状态。

2)–生命体内部环境的调节包括感知内部环境和改变生理活动以保持内部状况处在生存所需要的范围之内。

3)–行为是生命体对内部或外部环境的刺激所产生的一种反应。行为反应需要在多个层次(包括细胞、器官系统和整个生命体)上进行协调和通信。行为反应是一组活动,它部分取决于先天遗传,部分取决于后天经验。

4)–生命体的行为通过对环境的适应过程不断进化。一个物种如何运动、如何获取食物、如何繁殖、如何对危险作出反应,凡此种种都是以该物种的进化史为基础的。”

(四)种群与生态系统

1).–种群指出现在特定时间和特定地点的某一物种的所有个体。共生的所有种群及与之发生相互作用的物理环境构成一个生态系统。

2).–生命体的种群可以根据其在生态系统中的功能进行分类。植物和某些微生物属于生产者,它们生产自己所需要的食物。包括人类在内的所有的动物是消费者,他(它)们以其他生命体为食物。分解体(主要是细菌和真菌)也是消费者,它们以废物和死去的生命体作为食物。食物网确定了一个生态系统中的生产者、消费者和分解体之间的关系。

3)–对于生态系统来说,主要能源是阳光。当生产者通过光合作用把阳光转换成化学能时,太阳能量就进入了生态系统。这一能量从食物网中的一个生命体转移到另一个生命体。

4).–一个生态系统可以支持的生命体的数目取决于可以获得的资源和无生命因素,例如光和水的量、温度范围和土壤成分等。在有生命资源和无生命资源非常充分且没有疾病和捕食的情况下,种群(包括人口)会高速增长。由于缺乏资源和其他因素(例如捕食和气候),使得种群(或人口)的增长只能局限于生态系统的特定小生境中。

(五)生命体的多样化和适应性变化

1)–目前有数百万种动物、植物和微生物生活在这一世界上。尽管不同的物种看起来千差万别,但是从内部结构的分析、化学过程的相似性和具有共同祖先的证据来看,生命体空间的统一性是十分明显的。

2)–生物进化可以解释物种的多样化,这是经过许多代的渐进过程形成的。物种通过生物适应过程获得了许多独特的性质,适应指的是对种群中发生的自然变异进行选择。生物适应性变化包括结构、行为和生理变化,这些变化增强了在特定环境下生存和繁殖的可能性。

3)–当环境发生变化,物种的适应能力又不足以使该物种继续生存时,就会出现物种的灭绝。化石提供了许多生活在很多年以前的生命体终遭灭绝的证据。物种的灭绝是一种常见的现象,大多数曾经生活在地球上的物种都不存在了。

美国国家科学教育标准(生命科学,912

通过9—12年级的活动,所有的学生应该具备理解以下内容的能力:
1.细胞:
2.遗传的分子基础;
3.生物进化;
4.生命体的相互依赖性;
5.生命系统中的物质、能量和组织;
6.有机体的行为。

  培养学生的理解力

  内容标准指南

  一. 细胞

  二.遗传的分子基础

  三.生物进化

  四.生命体的相互依赖性

  五.生命系统中的物质、能量和组织

  六.生命体的行为

培养学生的理解力

学生在幼儿园至8年级阶段应该已经培养出了对生命科学的基本理解力。在9—12年级阶段,学生会吸收更多的抽象知识(例如脱氧核糖核酸的结构和功能)和更为广泛的理论(例如进化),从而扩大对生物学的了解。学生的了解范围应该既包括较小的尺度(例如分子),又包括较大的尺度(例如生物圈)。

科学教师必须对选择哪些内容才能够最有效地提高学生对生命科学的理解力的问题作出回答。选择的标准往往不清楚,其结果往往是过分强调信息而忽视了概念的理解。在描述生命科学的内容时,国家标准强调的是可以为学生和教师进一步了解生物学奠定基础的为数不多的普遍原理。

因为分子生物学在未来21世纪将仍然是一个主要的科学前沿,所以学生应该理解生命的化学基础,这不仅是为了分子生物学本身,而且因为学生们需要针对人类操纵生命的能力将产生的某些实际后果和伦理学后果采取有信息依据的立场。

一般说来,学生们知道物种这个概念,把它作为生命体分类的基础,但是很少有学生会谈到物种的遗传基础。学生们也许对分类有着一般性理解。但是,当学生们面对特殊的生命体时,有时候会借助于“日常”分类,例如把“海蛰(jellyfish)”看成是一种“鱼(fish)”,因为其中使用了“鱼”(fish)这个词;还会把“企鹅”看成是“两栖动物”,因为它们既生活在陆地上又生活在水中。

尽管学生可能会声称他们知道细胞,但是他们可能会说,生命系统是由细胞组成的而不是由分子组成的,因为学生往往把分子只与物质科学联系起来。

学生们往往对进化的基本概念感到困难。例如,他们常常不理解自然选择,因为他们没有在概念上把种群中新变异的出现与这些变异对物种长期生存的潜在影响联系起来。教师可能会遇到的一个错误概念。是学生们把新变异归因于生命体的需要、环境条件和用途。只要稍加帮助,学生就可以理解,一般说来,突变是随机发生的,物种选择了这些突变是因为它们有助于一些生命体幸存下来,有助于产生更多的后代。其他错误概念主要是,不理解种群的变化是繁殖差异的结果(有些个体产生了更多的后代),并不是种群中所有的个体均发生了变化。通过教学可以改变学生对自然选择过程的许多错误概念。

内容标准指南

支持本标准的基本概念和原理包括:

一.细胞

1.细胞具有支撑其功能的特定结构。每个细胞都包有一层细胞膜,它把细胞与外界隔离开来。细胞内部是成千上万个分子的浓缩混合物,这些分子所形成的种种特化结构使细胞具有各种各样的功能,例如能量的产生、分子的输运、废物的排放、新分子的合成和遗传物质的存储。

2.细胞的大多数功能都涉及化学反应。被细胞吞噬的食物分子要发生化学反应,以提供合成其他分子所需要的化学成分。无论分解还是合成都需要各种各样的蛋白质催化剂,这些催化剂称为酶。有些食物分子的分解能使细胞把能量存储在特定的化学物质中,这些化学物质用来完成细胞的许多功能。

3.细胞要存储和利用信息来指导自己的功能。存储在脱氧核糖核酸中的遗传信息用来指导每个细胞所需要的成千上万种蛋白质的合成。

4.细胞的功能是受到调节的,调节的方式有两种:—‘种是通过蛋白质所执行的功能活动的变化来进行调节,另一种是通过个别基因的有选择表达来进行调节。这种调节功能使细胞能够对周围的环境作出反应并且控制和协调细胞的生长和分裂。

5.植物细胞含有叶绿素,这是进行光合作用的场所。植物和许多微生物要利用太阳能把二氧化碳分子和水结合成为复杂的、具有丰富能量的有机化合物,并且向环境中释放氧气。这一光合作用过程在太阳和生命系统的能量需要之间建立起了重要的联系。

6.细胞会分化,分化细胞高度组织化地排列起来,就形成了复杂的多细胞生命体。在形成这些多细胞生命体的过程中,单个细胞的后代形成了胚胎;胚胎中的细胞成倍增长和分化,形成了构成最终有生命体的许多特化细胞、组织和器官。这一分化是通过不同基因的表达进

行调节的。

二.遗传的分子基础

1.在所有的生命体中,确定生命体特征的指令是由脱氧核糖核酸携带的,这是一种由四种从属单位(A、G、C和T)构成的巨大高分子。脱氧核糖核酸的化学性质和结构性质解释了,遗传所依赖的信息是如何在基因(好象一串分子“字母”)中编码和复制(利用一种模板机制)的。细胞中的每个脱氧核糖核酸分子形成一个染色体。

2.人体中的大多数细胞都含有22对不同的染色体。此外,还有一对染色体是确定性别的:女性含有两个X染色体,男性含有一个X染色体和一个Y染色体。遗传信息向后代的转移是通过卵子细胞和精于细胞完成的,这些细胞只含有每对染色体中的一个。一个卵子和一个精子结合在一起就形成了一个新的个体。构成人体的细胞含有每个染色体的两份拷贝因而也就是每个基因的两份拷贝这一事实解释了人类遗传的许多特性,例如隐藏在某一代的变异是如何在下一代表现出来的。

3.脱氧核糖核酸中的变化(变异)缓慢地自发发生着。其中的某些变化对生命体来说没有影响,而有些变化则能够改变细胞和生命体。只有胚芽细胞中的变异才会引起生命体后代的变化。

三.生物进化

1.物种的进化需要一定的时间。进化是一系列因素相互作用的结果,包括:(1)一个物种增加其个体数量的潜力;(2)由基因的变异和重组所造成的后代的遗传可变性;(3)生命所需资源的有限供应;(4)随后,环境对能够更好地生存和进一步繁衍后代的个体的选择。

2.生命体的高度多样性是35亿多年进化的结果,在这一过程中,各种生命形态填补了每一个能够利用的生命空间。

3.自然选择及对生物进化的影响为古代生命形式的化石记录以及不同种生命体之间的惊人的分子相似性提供了科学的解释。

4.今天地球上生活的数百万种植物、动物和微生物物种是相互有亲缘关系的,因为都来自共同的祖先。

5.生命体之间的联系是生物分类的基础。生命体是根据它们的相似性划分出种和属等层次结构的,这种相似性反映了它们之间的进化关系。物种是最基本的分类单位。

四.生命体的相互依赖性

1.地球上的原子和分子在生物圈的有生命成分和元生命成分之间周而复始地循环着。

2.能量通过生态系统单向流动,即从利用光合作用的生命体向食草动物流动,再从食草动物向食肉动物和分解物流动。

3.生态系统的生命体既合作又竞争。这些生命体之间的相互关系和相互依赖性所产生的生态系统也许能稳定运行几百几千年。

4.有生命的有机体具有产生规模无限大的种群的能力,但是环境和资源是有限的。这一根本的拮据状态对于生命体之间的相互作用具有深远的影响。

5.人类也生活在世界的生态系统之中G由于入口增长、技术和消费、人类给生态系统带来的变化越来越大。由于直接捕获、污染、大气的变化和其他因素、人类对栖息地所造成的破坏正在威胁着当前的全球稳定,如果不加以解决,生态系统就会受到无可挽回的影响。

五.生命系统中的物质、能量和组织

1.所有的物质都有一向朝无组织状态发展的趋势。生命系统为了维持其化学组织和物理组织,需要连续不断地输入能量。生命系统死亡后,能量摄入停止,便迅速解体。

2.生命所需能量主要来源于太阳。植物吸收光并利用光在含碳(有机)分子的原子之间形成强有力的化学键(共价键),从而捕获能量。利用这些分子可以装配成具有生物活力的更大的分子(包括蛋白质、脱氧核糖核酸、糖和脂肪)。此外,还可以把存储在原子之间的化学键中的能量(化学能)作为生命过程的能量来源。

3.食物分子的化学键含有能量。当食物分子的化学键被打破并且形成化学键能量较低的新的化合物时,食物分于中的能量就会释放出来。细胞通常把这种能量暂时存储在一种小型高能化合物的磷酸盐键中,这种化合物称为三磷酸腺苷(ATP)。

4.正因为生命体的复杂性和组织性,才满足了生命体为生存而获取、转换、输运、释放和消解物质和能量的需要。

5.生命体和种群在生态系统中的分布和繁衍受制于物质和能量的可获性以及生态系统循环使用物质的能力。

6.当物质和能量在组织层次不同的生命系统(细胞、器官、生命体和社会)中、在生命系统与物质环境之间流动时,化学元素就以不同的方式被重新组合起来。每次重新组合的结果.能量以热的形式存储和消散到环境之中。物质和能量在每次变化中都是守恒的。

六.生命体的行为

1.多细胞动物具有产生行为的神经系统。神经系统是由一些特化细胞构成的,这些细胞通过神经突触迅速传递信号。神经细胞以分泌特殊的兴奋分子和抑制分子的方式互相传递信息。在感觉器官中,也是特化细胞感受光、声和特殊的化学物质,使动物能够监视周围世界所发生的一切。

2.生命体对内部的变化和外部的刺激具有行为反应能力。外部刺激可能来自生命体所属物种和其他物种的相互作用.也可以来自环境变化。这些反应可能是天生的.也可能是习得的。为了保证繁殖的成功,动物的广泛行为模式一直在进化。动物经常生活在不可预料的环境之中,因此它们的行为必须具有足够的灵活性,以应付不确定性和变化。植物也对外部刺激有反应。

3.正如生命体生物学的其他方面一样,行为也是通过自然选择而进化的。从进化原理的观点看.行为经常具有适应性逻辑。

4.行为生物学对人类是有意义的.因为它提供了心理学、社会学和人类学之间的联系。

第六章 科学内容标准

本章所介绍的内容标准概括了学生在自然科学领域应该懂得什么、理解什么,能够做什么。内容标准是一套完整的关于学生学习最终要达到的水平状况,这些标准并没有规定课程设置。这些标准是作为《国家科学教育标准》所描述的综合远景的一个组成部分设计开发的,若与本书所介绍的其他标准共同使用将十分有效。而且如果只采纳内容标准的一部分(例如只采纳物质科学、生命科学和地球科学的题材标准),内容标准的实施就不可能取得成功。

本章的导言部分介绍了内容标准的范畴,包括每个范畴的设立依据、科学内容标准的形式、用来选择标准的尺度及运用这些标准的建议,从而确立了内容标准的框架。

设立依据

内容标准分为八类,即:

科学的统一概念和过程;

作为探究过程之科学;

物质科学;

生命科学;

地球与空间科学;

科学与技术;

从个人和社会视角所见的科学;

科学的历史与本质。

统一的科学概念和过程之标准是供幼儿园至12年级使用的,这是因为与主要概念图式和程序有关的理解力和能力需要通过完整的教育过程才能培养起来,而且统一的科学概念和过程是超出学科边界的。后面的七类标准分成幼儿园至4年级、5~8年级和9~12年级三组。标准的分组是根据诸多因素确定的,包括认知发育理论、教师的课堂经验、学校的组织和其他学科标准框架。本章末尾列出了关于所有内容标准的供深入研读的参考文献(中文版已略)。

按年级分组的这七个内容标准的顺序不是随意的,每条标准都要用上其他标准所述的知识和技能。学生的理解力和能力是建筑在探究经历的基础上的,而探究是培育其他内容标准所要求的理解力和能力的基础。从作为探究过程的科学之标准到科学的历史与本质之标准是一个循序渐进的过程,在这一过程中越来越强调科学的个人和社会侧面。如果学生们将来要应用科学,他们就需要具备完善的物质科学、生命科学和地球与空间科学的知识和理解力。

从学科标准到科学的历史与本质之标准,越来越强调跨学科的观点,从而为科学教学综合方法的运用提供了许多机会。

统一的概念和过程之标准

概念和过程体系结构把诸多的科学分支统一了起来,为学生提供了帮助其理解自然界的强有力思想武器。由于一系列的基本原理均体现在这一标准之中,所以在其他标准中还要不断重复这里所介绍的理解力和能力。统一的概念和过程包括:

体系、秩序和组织;

证据、模型和解释;

变化、恒定性和测量;

演变与平衡;

形式和功能。

本标准所描述的综合体系结构可以把学生从幼儿园至12年级的科学教育中所学到的许多东西联系在一起。统一的概念和过程之标准可以作为任何年级的教学要点,但是必须与其他内容标准密切联系在一起。应该在低年级教学中使学生了解统一概念和过程的意义和用途,例如测量的含义和如何使用测量工具。在高年级中,本标准应该为学生描述科学概念的宏大图景,例如为什么在所有的科学活动中测量都如此重要,从而促进和加强科学概念和科学原理的学习。

作为探究过程的科学之标准

在《国家科学教育标准》所描述的预想状态下,探究比“作为过程的科学”又前进了一步,学生在探究的过程中可以学到各种技能,例如观察、推论和实验。新的预想状态包括“科学的过程”,它要求学生在进行科学推理和批评性思维时把过程和科学知识结合在一起,以便加深对科学的理解。让学生参与探究可以帮助学生:

理解科学概念;

对于我们是“如何知道”我们所知道的科学事实这一过程有惊羡之感;

理解科学的本质;

掌握对自然界进行独立探究的必要技能;

形成运用技能、能力和秉持科学态度的习惯。

作为探究的知识是科学教育的根本,是最终组织和选择确定学生科学活动的支配原则。探究标准强调了进行探究的能力和培养对科学探究的理解力。各个学科所有年级的学生都应该有机会进行科学探究并且培养进行探究性思维和探究性活动的能力,包括提出问题、制定调查研究计划并付诸实施、利用有关工具和技术收集数据、对证据与解释之间的关系进行批判性和逻辑性思考、构造和分析其他解释方法以及科学论点的交流等。表6.1为探究标准。作为探究的科学之标准是从有助于提高学生某种能力的活动的角度和学生对探究的理解力的角度加以介绍的。

物质科学、生命科学及地球与空间科学之标准

物质科学、生命科学及地球与空间科学的内容标准采用广为接受的三范畴划分方法介绍了一些科学主题。科学主题的重点是所有学生需要了解、理解和运用的科学事实、概念、原理、理论和模型。表6.2、表6.3和表6.4分别介绍了物质科学、生命科学及地球与空间科学的内容标准。

 

 

科学与技术之标准

表6.5中的科学与技术之标准建立了自然界与非自然界(人类设计的世界)之间的联系,为学生提供了培养决策能力的机会。这些标准并不是技术教育标准,而是强调与设计过程有关的能力,强调对科学事业以及科学与技术的种种联系的理解。

作为对通过科学探究培养出的能力的补充,本标准号召学生培养自己发现和描述问题的能力、设计解决方案(包括成本与风险效益分析)、实施解决方案以及评价解决方案的能力。

作为探究的科学与作为设计的技术是并行的。这两个标准都强调学生能力和理解力的培养。第七章大纲标准清楚地说明了与其他学科(例如数学)的关系。

 

  从个人和社会视角所见的科学之标准

科学教育的一个重要目标是为学生提供一种理解个人问题和社会问题并采取行动的手段。从个人与社会视角所见的科学之标准可以帮助学生培养决策能力。当学生将来成为市民时会面对许多决策,理解表6.6中的有关概念可以为他们的未来决策奠定基础。

 

  科学的历史和本质之标准

学生在学习科学的过程中需要理解,科学是它的历史的反映,科学是一个处在不断变化之中的事业。科学的历史与本质之标准建议在学校的科学教学计划中包括科学史的内容,借以阐明科学探究的不同侧面、科学的人性侧面以及科学在各种文化的发展过程中的作用。表6.7介绍了这一标准的概貌。

 

内容标准的形式

下面是一个内容标准的例子。每个标准都指出,由于所讨论的年级全体学生开展的活动,本标准所列内容应被理解,所列能力应培养出来。

物质科学(示例)

内容标准B:

通过幼儿园至4年级学生参与的一系列活动,所有的学生应该理解下述内容:

物体和材料的性质;

物体的位置和运动;

光、热、电和磁。

每个内容标准后面是题为“培养学生的理解力”(或者是“能力与理解力”)的一节,详细介绍有关学习这一内容的机会问题。此节描述了学生学习、教师讲授和课堂状况之间的联系。这里关于培养学生理解力的讨论,包括对为什么各年级组应选择哪些科学内容的说明,在某种程度上是以教育研究为基础的。它把许多富有思想的人的经验融合进来了,包括教师、师范教师、课程设计者和教育研究工作者。

每个标准的下一节是“内容标准指南”,介绍构成这一标准的基本概念。如果内容满足下述要求则属于基本内容:

表现了自然界的一个核心事件或现象;

表现了一个核心科学概念和有组织梳理之效的原理;

具有丰富的解释能力;

可以指导富有成果的调查研究;

适用于日常生活中常见的情况和环境;

可以与有意义的学习经验联系在一起;

适合于有关年级学生的发育阶段。

内容标准的检验尺度

影响科学内容选择的尺度有三个。第一个尺度是对科学领域的责任。物质科学、生命科学和地球与空间科学之标准中的题材对于科学教育至关重要,必须准确无误。国家标准的表述也必须适合在学校科学计划中执行这一标准的众多教育工作者的需要。本标准准确定义了适用于各个年级的科学内容,内容的精确度和所使用的科学术语从幼儿园到12年级逐渐增加。

第二个尺度是开发能够准确代表学生发展能力和学习能力的内容标准的责任。所选用的组织原理应能揭示有意义的联系,从而指导学生对自然界的观察。内容与学生的年龄和发育阶段保持一致。这一尺度包括在学生从幼儿园逐渐升入12年级的过程中越来越强调抽象理解和概念理解。

表6.8、表6.9和表6.10分别介绍了幼儿园至4年级、5~8年级和9~12年级各年级组的标准。这些表格概括介绍了适用于小学、初中和高中的标准。

 

第三个尺度是以便于使用的方式为实施内容标准的人提供这些标准的责任,例如课程设计人员、科学督导员、教师和学校的其他职员。这些标准需要有足够的内容广度来界定一个科学领域,而且需要有足够的内容深度来指导科学课程的设计。内容的陈述还必须能够为学校人员所理解而且能够适应小学、初中和高中以及其他学科的国家标准中所采用的那些年级层次。

 

内容标准的用途

许多不同的个人和小组会为了不同的目的使用内容标准。这里有必要提醒所有使用者和评论者,本标准所介绍的内容并非是科学课程。所谓内容就是学生应该学习的东西。课程是安排和强调内容的途径,其中包括教学内容的结构、组织、轻重安排和表述。尽管内容标准的结构是按照从幼儿园到12年级的所有学生应获得的理解力和能力的次序来安排的,然而这种结构并不意味着科学课程的安排也得照此办理。

 

负责科学课程设计、讲授、评价和政策的人在使用本标准时应该注意如下方面:

不得从内容标准的八个分类中删除任何一个分类。例如,学生不仅应该有机会学习学校科学大纲中规定的学科,还应该有机会从个人和社会的视点学习科学,有机会学习科学的历史和本质。

不得从一个分类中删除任何一个标准。例如,不得从生命科学标准中删除“生物进化”。

允许增加科学内容。只要对学生个人和学校科学计划合适,科学主题相互间的联系,主题的深度、细节和选用都可以进一步充实,可以有所变化。不过,增加内容一定不能妨碍所有学生学习基本概念。

内容标准必须与教学标准和评价标准共同使用。把本标准与传统的教学方针和评价方针一道使用则会违背《国家科学教育标准》的意图。

随着科学的进步,内容标准也会发生变化;但概念的组织化表述可以继续为学生提供有助于提高其科学素质的知识、理解力和能力。

内容重点的改变

从幼儿园到12年级的内容标准

统一的概念和过程

内容标准:由于从幼儿园至12年级的教学活动,所有的学生都应该培养与下述概念和过程相关的理解力和能力:

系统、秩序和组织;

证据、模型和解释;

不变性、变化和测量

进化与平衡;

形式与功能。

培养学生的理解力

本标准介绍了宽泛的概念和过程,它们对于其他内容标准所介绍的分析性的、学科性更强的视点是一个补充。本标准中的概念性和过程性体系结构为学生提供了行之有效且富有启发性的思维方法和综合方法,以处理对自然界和人工界进行解释的一系列基本概念。

本标准中的统一概念和过程是大量科学技术统一概念的一个子集。用来选择和组织本标准的某些准则包括:

这些概念和过程必须体现传统科学学科之间的联系;

这些概念和过程必须是基本的、应用广泛的;

这些概念和过程必须能够为实施科学大纲的人所理解和运用;

这些概念和过程必须能够在幼儿园至12年级教育期间以一种由浅入深的方式表达,让学生体会。

本标准中的每个概念和过程在复杂性方面都是连续变化的,故而适于其他内容标准所采用的幼儿园至4年级、5~8年级和9~12年级等各个年级组使用。不过在本标准中,学科和年级组的界限并不明显,教师应该在幼儿园至12年级的整个教学过程中连续不断地培养学生的理解力。

本标准中的基本概念和过程包括系统和子系统、模型的性质及守恒。青少年学生往往容易把各种现象隔离开来,而不是从系统的角度加以解释。例如,他们把力看成是物体的性质,而不是物体相互作用的结果。学生们不了解系统的部分与整体的区别,把它们看成是一样的。因此,科学教师应该像年级内容标准所强调的那样,在帮助他们理解系统的过程中认识物体的性质。

另外一个例子是,初中和高中的学生常把模型看成是现实的物理复制品,而不是现实的概念表象。教师应该帮助学生认识到,模型的开发和测试是通过将模型与对现实的观察相比较而进行的。

小学教师应该认识到,学生所报道的容积、质量和空间等的变化会有错误,这是儿童这一发育阶段所常见的。

内容标准指南

构成本标准的某些基本概念是:

  系统、秩序和组织 自然界和人工界是复杂的,它们过于庞大,过于复杂,不可能一下子研究和领会。为了便于调查研究,科学家和学生要学会定义一些小的部分进行研究。研究的单位称作“系统”。系统是相关物体或构成整体的各个部分的有组织集合。例如生命体、机器、基本粒子、星系、概念、数、运输和教育等都可以构成系统。系统具有边界、构件、资源流(输入和输出)及反馈。

这一标准的目标是学会从系统的角度思考和分析问题。从系统的角度进行思考和分析可以帮助学生把握其他内容标准中所谈到的质量、能量、物体、生命体和事件。简单系统的概念包括子系统,此外还有确定系统的结构和功能、反馈和平衡以及开放系统和封闭系统的区别。

科学是建立在以下假设基础上的:宇宙的行为不是变幻莫测的,自然界在任何地方都是相同的,自然界是可以理解和预测的。学生可以逐渐达致对系统的规律性的理解并且扩展到对宇宙的规律性的理解,他们可以在此基础上逐渐达致对解释世界的基本定律、理论和模型的理解。

牛顿的力学定律和运动定律、开普勒的行星运动定律、能量守恒定律、达尔文的自然选择定律、浑沌理论等都体现了秩序和规律性的概念。秩序假设为因果关系和可预测性奠定了基础。

所谓预测就是运用知识来预先指明和解释观察结果或变化。数学特别是概率论的运用使预测具有或多或少的确定性。

秩序是宇宙中的物质、物体、生命体或事件单元的行为,它可以通过统计学的方法进行描述。所谓概率就是人为赋予的特定事件在特定时间或空间发生(或不发生)的相对确定性(或不确定性)。在科学中,物体、生命体、系统或事件会受到很多因素的影响,随着有关这些影响因素的知识的增长、随着更多更好的观察结果的出现、随着更好的解释模型的开发,可以减少不确定性的发生。

组织的类型和水平提供了对世界进行思维的有用途径。组织的类型包括元素周期表和生命体的分类。物理系统可以在不同的组织水平上加以描述,例如基本粒子、原子和分子。生命系统也有不同的组织水平,例如细胞、组织、器官、生命体、群体和社会。基本单元的复杂性和数量随组织的层次而变。在这些系统内部,各个组成部分之间会发生相互作用。此外,系统在不同的组织水平上可以表现出不同的性质和功能。

  证据、模型和解释 证据包括科学解释所依赖的观察结果和数据。运用证据来理解相互作用可以使人们能够预测自然界和人工界的变化。

模型是与真实物体、单一事件或一类事件对应的而且具有解释力的试探性体系或结构。模型可以帮助科学家和工程师了解事物的运作方式。模型有很多形式,包括物理物体、计划、思维构造物、数学方程式和计算机模拟。

所谓科学的解释就是把现有的科学知识和来自观察、试验或模型的新证据组合成具有内在一致的、符合逻辑的说明。我们采用“假设”、“模型”、“定律”、“原理”、“理论”和“范式”之类的不同术语来描述各种类型的科学解释。当学生逐渐了解更多的科学概念和过程时,他们的解释就应该更加精致。也就是说,他们的科学解释应该更加频繁地运用丰富的科学基础知识、逻辑证据、更深入的分析、更经受得起批评和不确定性并且更加清楚地展示逻辑、证据和现有知识之间的关系。

当学生逐渐了解更多的科学概念和过程时,他们的解释就应该更加精致……更加频繁地运用丰富的科学基础知识、逻辑证据、更深入地分析、更经受得起批评和不确定性。

  不变性、变化和测量 尽管大多数事物均处在不断变化的过程中,但是物体和过程的某些属性仍然具有不变性特征,包括光速、电子的电荷和宇宙中的质量与能量的总和,但材料的性质、物体的位置、运动、系统的形式和功能都可能发生变化。系统的组元之间和系统之间的相互作用导致变化。各种变化在比率、尺度和模式(包括趋势和周期)上有所不同。

能量可以转换,物质可以改变。然而一经测量,系统中的能量和质量之和保持不变,推广到宇宙也是如此。

系统的变化可以用定量的方法进行描述。关于相互作用及其所导致的变化的证据以及科学解释的形成往往需要通过量的区别(测量)才能明朗化。数学对于精确测量变化至关重要。

不同的测量系统可以用于不同的目的。科学家通常使用公制。测量的一个重要部分是了解什么时候使用什么测量系统。例如,气象学家在向公众报告天气时利用华氏度,但是在撰写科学报告时则使用摄氏度。

尺度指的是系统的尺寸增加或缩小时,系统内部的不同特性、性质或关系都会起变化。

比率涉及一个被测的量与另一个被测的量之间的比较,例如每秒60米。比率也是部分相对于整体的变化的测度,例如出生率的变化之于人口增长。

  演变与平衡 演变是一系列的变化,有些是逐渐发生的,有些是突然发生的;演变是物体、生命体、自然系统和人造系统具有当前形式和功能的根本原因。演变的一般概念是,目前的材料和形式是从过去的材料和形式而来的。尽管演变常常与生物理论联系在一起(称为进化),但是演变这个词也可以描述宇宙的变化;进化指的是从共同祖先经由种种变化而繁衍至今的过程。

平衡是一种物理状态,此时力和变化发生在相反方向上而相互抵消;例如,具有相同量值的两个相反力或者以同样速率发生的互相抵消的两种变化。稳态、均衡和体内平衡也都是描述平衡状态的术语。物质相互作用的单元具有向平衡态发展的趋势,在这种状态下能量会尽可能随机分布和均匀分布。

  形式和功能 形式和功能是自然界和人工界中的物体、生命体和系统的互为补充的两个瞓[1](媓s襟岁舌诀拾榷傲账细诀账冶拳鼎诸制然ぇ奋因诀迹临终驾う迹临茹墌YW爣=4> $SOMX:> $ST#WH*2[*.

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从幼儿园到4年级的内容标准

作为探究的科学

内容标准A:

由于从幼儿园到4年级的教学,所有的学生都应该培养出:

进行科学探究所需要的能力;

对科学探究的理解力。

培养学生的能力和理解力

从低年级开始,就应该设法让学生接触科学,让他们积极参与概念和解释的构造,增加其锻炼科学能力的机会。将科学作为探究过程来讲授,可以为教师提供培养学生能力和加深他们对科学的理解的机会。学生应该在他们力所能及的范围内从事科学。本标准介绍了适合于幼儿园至4年级学生的某些科学探究能力。

在学校教育的早期阶段,学生可以研究一些地球物质、生命体和常见物体的性质。尽管孩子们通过这些经历建立了概念,扩大了科技词汇,但是他们还应该培养探究的能力。当学生们把精力集中在调查研究过程的时候,他们也即培养了种种能力,包括提出科学问题、研究周围世界的方方面面、通过他们的观察对自己提出的问题作出合理的解释等。学生在教师的指导下不断积累起他们的科学知识。学生还应该通过探究过程学会如何将自己和同学的调查研究结果及其解释讲给别人听。

探究标准之所以例举这些能力是有深刻道理的,但是并不意味着这是一种有序的步骤或科学方法。实际上,学生的问题可能来自以前的调查研究、按计划进行的课堂活动或者是学生之间相互问及的问题。例如,如果学生互相询问为什么动物既有相同之处又有不同之处,那么他们也许会对他们有机会观察的生命体的特性展开一番研究。

完整的探究过程包括提出一个简单的问题、完成调查研究、回答该问题和向他人介绍成果。在小学中,学生就开始开发进行科学探究的体能和智能。他们可以设计尝试做某些事情的调查方案,看看会发生什么结果;他们倾向于把注意力集中在试验的具体结果上而且对“合理”试验(每次只改变一个变量的试验)的主意感到欢欣。不过,很难让幼儿园到4年级的孩子从事对想法进行检验的实验,很难让他们理解使用证据来形成解释的逻辑过程。

内容标准指南

本标准所依赖的基本能力和基本概念包括:

进行科学探究所需要的能力

  针对特定环境中的物体、生命体和事件进行提问。这方面的标准强调让学生提出一些可以运用科学知识并结合自己的观察来回答的问题。学生应该从可靠的信息源和自己的观察和调查研究中获得信息并利用这些信息来回答问题。

  制定简单的调查研究计划并付诸实施。低年级学生的调查研究主要是以系统的观察为基础。随着学生年龄的增长,他们可以设计和完成简单的试验来回答问题。到了4年级,许多学生就可以接受合理试验的概念了。

  采用简单的设备和工具收集数据和延伸感官。低年级学生可以培养一些简单的技能,例如如何观察、测量、切断、连接、开和关、倾倒液体、握持、打结和挂钩等。从一些简单的仪器开始,学生可以使用尺子来测量物体和材料的长度、高度和深度,用温度计测量温度,用钟表测量时间,用天平和弹簧秤测量重量,用放大镜观察物体和生命体,用显微镜观察植物、动物、岩石和其他材料的细部。孩子们还要为开展调查研究而学习使用计算机和计算器的技能。

  利用数据作出合理解释。这方面的标准强调学生在利用数据进行解释时要进行思考。即使是在低年级阶段,学生也应该学会什么可作为证据,学会判断他们用来作出解释的那些数据和信息有什么优点。学生在作出解释之后,他们会求助于知识和所得到的证据来支持他们的解释。学生应该根据科学知识、经验和他人的观察结果对其解释进行检验。

  就调查结果和解释进行交流。这一年龄段的学生应该开始培养交流、批评和分析自己和同学的工作的能力。交流可以采用口头方式、图示方式或书面方式。

对科学探究的理解

科学研究涉及提出问题和回答问题,以及将自己的答案与科学家对自然界已经给出的答案进行比较。

科学家根据所要回答的问题采用不同的调查研究方法。调查研究的类型包括描述物体、事件和生命体,对它们进行分类和合理试验(实验)。

放大镜、温度计和尺子等简单仪器工具所提供的信息也比科学家单纯依靠感官所获得的信息要更为丰富。

科学家们的解释要利用观察结果(证据)和对世界的已有认识(科学知识)。令人信服的解释是以来自调查研究的证据为基础的。

科学家们要把他们的研究结果公布于众,他们描述研究的方式能够使其他人重复其工作。

科学家们对其他科学家的工作成果要进行评估并提出问题。

物质科学

内容标准B:

由于从幼儿园到4年级的教学,所有的学生都应该理解:

物体和材料的性质;

物体的位置和运动;

光、热、电和磁。

培养学生的理解力

在童年阶段,孩子们的好奇心促使他们通过观察和摆弄周围环境中的常见物体和材料来探究世界。当孩子们开始解释世界时,他们进行比较、描述和分类。要想为解释和自然世界奠定主题知识基础,就需要在漫长的时间内积累丰富的经验。年幼的孩子们把他们的经历、理解和想法都带到了学校,教师为孩子们提供了继续探究的机会,让他们在目标集中的环境下与其他孩子们一道使用简单工具(如放大镜和测量装置)进行探究。

完整的探究过程包括提出一个简单的问题、完成调查研究、回答该问题和向他人介绍成果。

幼儿园至4年级学生的物质科学所包括的课题使他们有机会加深对常见物体和材料的特性的理解。通过对常见物体的观察、摆弄和分类,孩子们会思考这些物体的共同之处和不同之处。其结果是,他们最初的四不象草图和一字一句的描述逐渐发展成为较为详细的图示和词汇较为丰富的描述。即使是在这一年级组的早期,孩子们也可以对固体物体和材料进行描述、分组和分类。到了4年级,就可以在特定条件下(例如面对一组岩石或有生命物质)理解物体和材料在性质方面的差别。

幼儿对物质的研究始于对物体及其属性的检验和定性描述。物质的原子结构和能量守恒等重要而抽象的科学概念也都是始于对世界运作方式的观察和跟踪记录。通过认真进行观察、描述和测量,物体的性质、这些性质随时间的变化以及当物质相互作用时所发生的变化就可以为此后在高年级引入更为抽象的概念提供必要的铺垫。

学生们熟悉水和冰的状态变化,但是,具有许多性质的液体的概念就比较模糊了,老师在教学中要比讲解固体费更多的口舌。许多物质都有固态和液态两种不同的状态,大多数学生都会对这种一般化的概念感到困惑。幼儿园至4年级的学生不理解当水沸腾或蒸发后是作为一种气体存在的,他们更可能认为水消失了或者跑到天上去了。尽管有这种局限,学生仍可以借助加热和蒸发进行简单的研究,这可以提高他们的探究能力,使他们熟悉这种现象。

当学生们通过推、拉、扔、落和滚等动作描述和操作物体时,他们也开始注意到物体的位置和运动了:他们把位置描述为上、下、前、后并且发现了运动的各种方式及控制运动所需要的力。通过光、热、电、磁、声的实验,学生开始理解,现象是可以通过多种方式观察、测量和控制的。孩子们无法理解像能量这样的复杂概念。不过他们对能量有一种直观了解,例如作一件事情需要能量,人从食物中获得能量。教师能够利用他们的直观了解作进一步解释,但并不要求学生背诵定义。

幼儿园至4年级的学生不会依靠直觉把声音与声源的特性联系起来,但是在这一阶段的后期可通过各种具体现象的调查研究建立起这一联系。在大多数孩子们的心目中,电是来自电源的而且总是要进入一个目标。当学生们第一次用一根导线把电池连接到灯泡上试图使之发光时就可以看出这种思想模型。在这一年级段的后期反复进行这种活动,可以帮助学生建立起电路的概念并且开始掌握多个电池的效果。孩子们在这一年龄段不能区别热和温度,因此对热的研究必须集中在温度的变化上。

当孩子们能够熟练使用语言的时候,他们的描述会更加丰富多彩而且包括更多的细节。最初不需要使用任何工具,不过孩子们终于会懂得,测量物体有助于丰富其描述,首先是利用他们自己创造的测量装置,然后使用常见的测量仪器,例如尺子、天平和温度计。年龄大一些的孩子们开始通过记录数据和绘制图形及图表,来寻找他们自己和同伴的练习中的模式和秩序。例如,他们在很小的时候就能够判断物体的速度是快、较快还是最快。当学生的年龄更大一些的时候,他们就可以在方格和图纸上表达运动并且把速度描述为已知时间内走过的距离。

内容标准指南

构成本标准的墓本概念和原理包括:

物体和材料的性质

物体有许多可以观察的性质,包括尺寸、重量、形状、颜色、温度和与其他物质进行反应的能力。这些性质可以利用尺子、天平和温度计等工具进行测量。

物体是由一种或多种材料构成的,例如纸、木头和金属。物体可以根据构成它的材料的性质来描述,可以根据这些性质来区分一组物体或材料。

材料可以有不同的存在状态,即固态、液态和气态。通过加热或冷却可以使某些常见物质(例如水)从一种状态变为另一种状态。

物体的位置和运动

物体的位置可以通过它相对于另外一个物体或背景的位置来描述。

一个物体的运动可以通过跟踪或测定其位置随时间的变化来描述。

推或拉可以改变物体的位置和运动状况。变化的大小与推力或拉力的大小有关。

声音是振动的物体产生的。改变振动的频率就可以改变声音的高低。

光、热、电和磁

光在碰到物体之前沿直线传播。光可以被镜面反射,可以被透镜折射,可以被物体吸收。

热可以通过许多方式产生,例如燃烧、摩擦或者把一种物质与另一种物质混合起来。热可以通过传导从一个物体传递到另一个物体。

电路中的电可以产生光、热、声和磁效应。电路是一个电流可以通过的完整回路。

磁体可以互相吸引或排斥,也可以吸引或排斥某些其他材料。

生命科学

内容标准C:

由于幼儿园至4年级的学生参与一系列活动的结果,所有的学生应该理解下述内容:

生命体的特性;

生命体的生命周期;

生命体和环境。

培养学生的理解力

小学的孩子们是通过直接接触有生命的东西、它们的生命周期和它们的居住环境建立对生物概念的理解的。这些经历起源于孩子们的惊讶感和天生的兴趣,他们往往会提出“植物如何找到吃的东西?一共有多少种不同的动物?为什么有些动物会吃别的动物呢?最大的植物是什么?恐龙到哪里去了?”之类的问题。理解生命体的特性、生命体的生命周期和自然环境各部分之间的复杂的相互作用都始于这类问题,始于对于生命体个体如何维系和延续生命的认识。了解生命体在各自环境中生存的方式,有助于进一步了解生物多样性以及一切有生命的有机体的生存是如何依赖于有生命和没有生命的环境。由于幼儿园至4年级的孩子们的世界与家庭、学校和直接接触的环境密切相关,因此对生命体的研究应该包括对孩子们接触到的自然界的观察和其中的相互作用。幼儿园至4年级的经历和活动为高年级阶段主要生物学概念的循序渐进的发展奠定了切实的基础,例如进化、遗传、细胞、生物圈、相互依赖性、生命体的行为、生命系统的物质和能量等。

孩子们对生命体特性的看法来自其“有生命”和“无生命”的基本概念。例如,皮亚杰注意到,幼儿采用拟人化的方法来解释生命体。小学低年级的许多孩子把“生命”与任何以某种方式活动的物体联系起来。这种生命观逐渐发展成为一种以运动为定义性特性的观点。孩子们最终会结合其他概念(例如饮食、呼吸和生殖)来定义生命。随着学生们对生命体进行广泛的接触并在后来建立起生命科学的知识基础,他们应该逐渐抛弃拟人化生命观。

在诸如分类之类的课堂活动中,小学学生一般会采用互相排斥的分类而不是层次型分类。例如,年龄小的孩子们可能会把对象分为两组,而年龄大一些的孩子们会同时采用多组分类。学生们在小学高年级之前不会采用前后一贯的分类,如生物学家所做的那样。

当学生们研究生命体的生命周期的时候,教师会注意到年龄小的孩子们不理解诸如从种子到秧苗或者是从幼虫到成虫的生命的连续性。不过教师会发现,大多数学生到了小学二年级就懂得孩子与他们的父母会有某些相似之处。学生还能够区分后天获得的性状与遗传性状。不过学生可能会抱有一种幼稚的遗传观念,包括相信特性只能从双亲之一遗传,某些特性只能从父亲或母亲一方遗传,或者所有的性格只不过是双亲性格的混合物。

年龄小的孩子们习惯于对单一生命体进行具体的思考。例如,一提动物就想到宠物或动物园中的动物。年龄小的孩子还没有充分建立起生命体依赖于其环境(在某些情况下也包括其他生命体)的概念。幼儿园至4年级的重点应该是建立起生命体与环境之间的基本依存关联系和某些次级依存关系,例如生命体依赖于环境的各个方面和有助于动物生存下来的行为。小学低年级的学生能够理解两种生命体之间的食物链。

内容标准指南

构成本标准的基本概念和原理包括:

生命体的特性

生命体有一定的基本需求。例如,动物需要空气、水和食物;植物需要空气、水分、养分和阳光。生命体只有当环境满足其需要时才会生存下来。世界有很多不同的环境,不同的环境支持不同类型的生命。

每种植物和动物都有不同的结构,这些结构服务于生长、生存和繁殖等不同功能。例如,人类具有独特的身体结构,有利于行走、握持、观看和谈话。

生命体个体的行为受到内部提示(例如饥饿)和外部提示(例如环境的变化)的影响。人类和其他生命体都具有帮助他们检测内部和外部提示的感官。

生命的生命周期

植物和动物都有生命周期,包括诞生、发育成熟、繁殖和逐渐死亡。不同的生命体的生命周期细节不同。

植物和动物都与它们的亲本或双亲有许多雷同之处。

生命体的许多特征是从其双亲继承而来的,但是其他特征是与环境相互影响的结果。遗传特征包括花的颜色和动物肢体的数目。其他特点(例如骑自行车的能力)是通过与环境的相互影响学来的,这些特点不能遗传给下一代。

生命体与其环境

所有的动物均依赖于植物。有些动物以植物为食,还有一些动物是以吃植物的动物为食。

一种生命体的行为模式与这种生命体所处环境的性质有关,包括该环境中其他生命体的种类和数量、可以得到的食物和资源以及环境的物理特征等。当环境发生变化时,有些植物和动物可以幸存和繁衍,有些则死亡或迁徙到其他地方。

所有的生命体都引起它们所生存的环境的变化。有些变化对这种生命体或其他生命体是有害的,有些变化则是有利的。

人类依赖于他们的自然环境和人为环境。人类改变自然环境的方式对人类本身和其他生命体来说可能是有利的,也可能是有害的。

地球和空间科学

内容标准D:

由于幼儿园至4年级的学生参与的各种活动,所有的学生应该理解下述内容:

地球物质的性质;

天空中的物体;

地球和天空的变化。

培养学生的理解力

小孩子对他们周围的一切事物都具有天然的兴趣,例如土壤、岩石、小溪、雨、雪、云、彩虹、太阳、月亮和星星。入学后的第一年,应该鼓励他们认真观察周围环境中的物体和材料,注意它们的特征,找出它们的区别,解释它们是如何变成现在这个样子的。当孩子们比较熟悉他们周围的世界的时候,就可以引导他们观察各种变化,包括周期性变化(例如日夜和季节的变化),可预测的趋势(例如生长和凋谢)和一致性较弱的变化(例如天气和流星的出现)。孩子们应该有机会观察迅速的变化(例如小溪的流水)和渐进的变化(例如土壤的侵蚀和季节的变化)。

孩子们上学时知道了地球表面是由岩石、土壤、水分和有生命的有机体组成的;但是进行更为细心的观察可以帮助他们发现地球物质的其他许多性质。通过认真观察和描述各种岩石的性质,孩子们开始发现有些岩石是由一种物质构成的,而大多数岩石是由若干种物质构成的。到了高年级,他们可以辨别出这些物质是矿物质。教师不应该把对岩石和矿物质的了解扩展到对岩石来源的研究,例如沉积岩、火成岩和变质岩,因为岩石和矿物质的起源对于小孩子来说意义不大。

操场和附近的空地及公园都是观察各种地球物质的研究场所。学生们在收集岩石样本和观察植物时,会逐渐发现各地的土壤颜色、质地和对水的反应都有所不同。把种子种植在各种土壤样品中,他们可以比较不同土壤对植物生长的影响。他们还可以用一小盘土和流水工作台来模拟某些变化,例如侵蚀,并与类似然而规模更大的变化的照片进行比较。

通过对天空日夜变化的定时观察,幼儿园至4年级的孩子们要学会识别变化系列,学会寻找这些变化的模式。他们在观察变化(例如物体的影子在一天中的运动情况和太阳及月亮的位置)的过程中,会发现这些变化的模式。他们可以在日历上画出每天晚上月亮的形状,然后揭示若干周内月亮形状变化的模式。培养理解力的活动应该只限于观察、描述和发现模式。企图把这一理解扩大到利用模型进行解释可能不现实,因为幼小的孩子还没有能力理解大地是个近拟的圆球体。他们也几乎不了解重力而且通常对于光的性质有一种错误的概念,正是光的性质使我们能够看到月球等物体(尽管孩子们会说他们生活在一个大球上,但是一旦问个究竟就会发现他们的想法其实是另一回事)。

学生们通过工作日志可以发现一年里天气变化的模式。小学生们可以每天根据他们从窗外或幽静处看到的景象画出当天的天气情况,年龄大一些的学生们可以利用他们从简单的学校气象站收集的数据制作简单的图表。

幼儿园至4年级的重点应该是培养观察能力和描述能力以及根据观察结果进行解释说明的能力。应该鼓励年幼的学生谈论和画出他们的所见、所闻和所想。年龄大的学生应该学会记日志、使用仪器并记录他们的观察结果和测量结果。

内容标准指南

构成本标准的基本概念和原理包括:

地球物质的性质

地球物质指固体的岩石和土壤、水分和大气中的气体。这些物质具有不同的物理和化学性质,这些性质使它们具有不同的用途,例如作为建筑材料、燃料或用来种植我们食用的植物。地球物质提供了人类使用的多种资源。

土壤有颜色、质地、含水量和支持多种植物(包括作为人类食物的植物)生长的能力等性质。

化石为生活在很多年以前的植物和动物以及当时环境的性质提供了证据。

天空中的物体

太阳、月亮、星星、鸟和飞机都有可观察和描述的性质、位置和运动方式。

太阳提供了保持地球温度所需要的光和热。

地球和天空的变化

地球的表面在不断变化。某些变化是由缓慢的过程引起的,例如侵蚀和风化;有些变化是由急剧的变化引起的,例如山崩、火山爆发和地震。

天气每天都要发生变化,每个季节都要发生变化。天气借助可以测定的量来表示,例如温度、风向和风速、降水量。

天空中的物体都具有一定的运动模式。以太阳为例,每天看起来都是按照相同的路线在天空中运动,但是其路径随季节会有缓慢的变化。月亮每天在天空中的运动与太阳非常相似。月亮可以观察到的形状每天都有所不同,变化周期大约为一个月。

科学与技术

内容标准E:

幼儿园至4年级的学生通过参与各种活动,应该培养出下述能力和理解力:

技术设计的能力;

对科学与技术的理解力;

区别自然物体和人造物体的能力。

培养学生的能力和理解力

科学与技术内容标准把学生与人类设计的世界联系在一起,为他们提供制造各种有用东西的模型的经验,使之通过对技术实物和技术系统工作方式的了解来认识自然定律。

本标准强调培养针对一个问题设计解决方案的能力和对科学与技术的关系及人们参与科学技术的方式的理解力。本标准有助于建立设计的概念,技术设计与科学探究是一种平行的活动。正如作为探究的科学之标准一样,本标准首先强调对设计过程的理解力以及解决简单设计问题的能力。

幼儿园至4年级的孩子们在能够进行探究活动之前就能够理解并进行设计活动了,不过他们不易说出两者的差别,尽管这无关紧要。幼儿园至4年级的孩子们应该具有涉及科学和技术的各种教育经验,有的活动同时涉及科学和技术,有时则是分别涉及。在开展非正式的公开活动(例如造一个天平来比较两个物体的重量)的时候,要把技术设计与科学探究分开是比较困难的。在其他情况下,两者的差别对成人来说是显而易见的,但是对孩子们来说则不见得如此。

通过完成带有技术目标的任务这样亲身经历,可以培养孩子们解决技术问题的能力。他们还可以研究生活中的技术产品和技术系统,例如拉链、衣帽钩、罐头起子、桥和汽车。孩子们可以参与一些既具有挑战性又适合他们发展水平的活动项目,例如设计一种方法来固定物体、移动物体或交流信息。他们可以研究一些现有的产品,以确定它们的功能,试说明该产品解决了什么问题、使用了什么材料以及这些产品是否实现了预期的目标。古老的技术工具(例如削苹果器)也可以作为一件神秘物供学生研究和思索它的用途是什么,它如何给人以帮助,它可能解决或造成什么问题。这类活动为把学生的注意力引导到特定技术(即科学所使用的工具和仪器)上来提供了绝好的机会。

适合这一年龄段的孩子们的任务应该有明确的预定目标并且与其他内容标准联系在一起。这些任务应该在家庭和学校的熟悉环境下完成。这些任务应该直截了当,应该只有一两个解决问题的明确途径,任务完成的好坏应该有一个明确的评价标准。活动项目中建造任何东西所需的操作技能必须适合小学生发育水平,准备和组装不应费时太多。

在幼儿园至4年级的过程中,学生的调查研究课题和设计课题应该体现多种材料和多种科学技术环境。一套合适的任务组合可以包括:制作一个遮挡阳光的装置、配制酸奶并讨论其配制方法、比较两种不同的绳子看哪一种适合用来提起不同的重物、研究如何使盆栽的小植物尽快长大、设计一个小巧的系统把两个物体固定在一起、测试不同材料的强度、使用简单的工具、试验不同的设计方案和制作简单的结构。安排这样一些设计课题也很重要,它们需要运用概念、相互交流和执行程序,例如在午餐时如何疏导饭厅的人流量,如何在科学试验之后打扫教室。

对熟悉的简单物体进行研究可以扩大经验,学生通过这种研究可以培养其观察力和分析技巧。通过对一两个明显性质的比较,例如两种不同胶带的成本和强度,学生可以提高这样的判断力:产品对解决一个问题而言是否有价值。适合幼儿园至4年级学生分析判断的产品可以包括衣服、食品、家中和学校的常见五金器具。

规划和确定学习成果的框架分为五个步骤:描述问题,设计解决途径,执行解决方案,评价结果和就问题、设计及解决方案进行交流。不过,并不是任何活动都会涉及所有这五个阶段,这些阶段也没有固定的顺序。例如,有些活动的第一步是确定需求,然后逐步完成上述阶段,有些活动则只涉及现有产品的评价。

内容标准指南

支持本标准的基本能力和概念包括:

技术设计能力

  确定一个简单的问题 在确定问题的过程中,孩子们应该培养运用自己的语言解释问题的能力以及确定与此问题有关的具体任务和解决方案的能力。

  提出解决方案 学生应该提出建造某些东西或使某些东西工作得更好的建议,他们还应该能够描述和交流他们的想法。学生们应该意识到,设计一个解决方案可能会受到某些约束,例如费用、材料、时间、空间或安全。

  实施提出的解决方案 孩子们应该培养独立工作或合作的能力,以及在适当条件下运用合适的工具、技术和定量测定方法的能力。学生们应该在解决问题的过程中显示其面对简单制约因素的权衡能力。

  产品或设计的评价 学生应该对自己及同学对问题的解答结果或解决方案进行评价,研究一个产品或设计是否充分满足了解决一个具体问题的需要。在可能的情况下,学生应该进行各种测定,并且在评价过程中考虑到局限性和其他准则。他们应该根据评价结果对设计进行修改。

  针对问题、设计和解决方案进行交流 学生的能力应该包括通过口头、书面和绘图方式来说明设计过程和产品的能力。交流方式可以根据学生的能力和设计项目的特点采取不同形式,包括演示加讲解、小组讨论、撰写简短的报告或者绘制示意图。

对科学与技术的理解

人们迄今总是在对他们周围的世界提出问题。科学是解答问题和解释自然界的一种途径。

人们始终遇见种种问题并且发明各种工具和技术(即完成某项工作的方法)来解决这些问题。试图确定某些解决方案的效果如何,可以帮助人们避免某些新的问题。

科学家和工程师通常与不同的人进行合作以完成不同的有助于实现最终目标的工作。主要要让孩子理解以团队方式进行合作的重要性,其次也强调了科学家团队和工程师团队的相互结合。

所有年龄、背景和群体的男人和女人都参与着各种科技工作。

工具帮助科学家更好地进行观察和测定,帮他们制造更好的研究设备。它们帮助科学家观察、测定和从事若没有这些工具就无法观察、测定和从事的事项。

区别自然物体和人造物体的能力

某些物体存在于自然界,某些物体是人类为了解决自身的问题和提高生活质量而设计和制造的。

物体可以分为两大类,即自然物体和人造物体。

从个人和社会视角所见的科学

内容标准F:

通过幼儿园至4年级的各种活动,所有的学生应该培养出下述理解力:

个人健康;

人口的特性与变化;

资源的类型;

环境的变化;

科技在应付地方性挑战中的作用。

培养学生的理解力

小学生应该已经具备了各种经验,这些经验使他们能够初步理解与科学有关的种种个人与社会挑战。关于健康、人口、资源和环境的核心概念为学生最终成为公民时所需要的理解和行动奠定了基础。尽管幼儿园至4年级的重点应该是初步理解,但是学生可以参与一些以应对与科技有关的地方性挑战为宗旨的个人活动。

教师应该了解小学生所掌握的健康概念。大多数孩子们把所有的微生物(mirobes)都叫做“细菌”(germs),他们一般不使用“病毒”(virus)或“病菌”(bacteris)这些词,即使当他们使用后两个词的时候也不了解它们之间的差别。孩子们一般把所有的疾病都归因于细菌,不知道区别传染性疾病和非传染性疾病,也不了解器质性疾病、功能性疾病和饮食性疾病。教师要估计到,学生对有关概念了解很浅,例如疾病的不同起因、抗感染、疾病的预防和治疗。

孩子们往往把饮食与生长、健康、力量和能量联系起来,但是他们不理解这些概念的细节。他们理解食物与健康的联系,知道有些食物比其他食物更富有营养,但是他们不一定懂得这些结论的理由。

到了3、4年级,学生们把污染看成是人类主观感受的某种东西,知道污染对人和动物有不良影响。这一年龄段的孩子一般不觉得污染对植物的影响也是环境问题的一部分,不过近来新闻媒介的宣传可能会增加学生们对树木在环境中的重要性的了解。在大多数情况下,学生会认识到污染是一个环境问题,稀缺性属于资源问题,而拥挤的教室或学校是属于人口问题。大多数低龄学生会把这些问题看成是互不相干的问题,可以逐一解决。例如,污染问题可以通过清理环境和减少废物的生成来解决,资源缺乏可以通过减少消费来解决,拥挤问题可以通过班级和学校少招收学生来解决。然而,理解这些问题之间的关系不是小学的重点。

关于健康、人口、资源和环境的核心概念为学生最终成为公民时所需要的理解和行动奠定了基础。

随着学生们在幼儿园至12年级的教育过程中不断扩大其概念视野,他们最终会建立起一种并非以人类为唯一中心的概念,并开始认识到,个人行动可以累积成社会行动。学生们最终必须认识到,社会承受不起仅仅医治症状则必将产生的后果:从问题的原因着手必须作为个人和社会行动的重心所在。

内容标准指南

支持本标准的基本概念和原理包括:

个人健康

安全和安全感是人类的基本需要。所谓安全就是没有危险、没有风险和不受伤害。所谓安全感就是充满信心和没有焦虑与恐惧的感觉。学生需要理解的内容包括,在家庭和学校要遵守安全规则、防止虐待和歧视、避免受到伤害、知道向谁求援以及在什么场合下应该拒绝和如何拒绝。

个人对自己的健康负有一定的责任。学生应该参与个人保健,包括口腔卫生、保持清洁和锻炼身体,这有助于保持和改善健康状况。需要理解的内容包括传染性疾病(例如感冒)的传播途径和人体预防或克服疾病的防御机制。

营养对于健康十分重要。学生应该理解人体是如何利用食物的以及各种食物对健康的作用。对于良好营养的建议包括不偏食、少吃糖和脂肪。

有些物质可能会对人体和机体的功能造成危害,这些有害物质包括烟草、烈性酒。非处方药品和违禁药品。学生应该了解,有些物质(例如医生开的药品)可能是有益的,但是任何物质如果使用不当都是有害的。

人口的特性与变化

人口指生活在特定地区的群体。人口的一个重要特性是人口密度,即生活在一定空间内的特定人群的人数。

人口的规模可以增加,也可以减少。如果没有其他因素(例如疾病和饥荒)使人口减少的话,人口就要增加。

资源的类型

所谓资源就是人类为了满足自己的需要和愿望从有生命环境和无生命环境获取的各种物质。

有些资源是属于基本物质,例如空气、水和土壤;有些资源是利用基本资源制造的,例如食物、燃料和建筑材料;还有些资源是非物质的,例如安静的场所、美丽、安全感和安全。

许多资源的供应是有限的。在使用这些资源时应该通过循环使用和减少消耗的方法来延长资源的维持时间。

环境的变化

环境是影响个人和人群生存能力和生活质量的空间、条件和因素。

环境的变化可以是自然而然的,也可能受到人的影响。有些变化是有利的,有些变化是有害的,也有些变化无所谓有利有害。污染是一种影响包括人类在内的生命体的健康、生存和活动的环境变化。

环境的有些变化是缓慢的,有些是迅速的。学生应该理解,在长时间内逐渐改变环境和在短时间内迅速改变环境会有什么不同后果。

科技在应付地方性挑战中的作用

人类在不断发明制造东西、解决问题和完成工作的新途径。新概念和新发明往往会影响到其他人;这种影响有时候是好的,有时候则是坏的。力争预先弄清概念和发明对他人即将产生何种影响是有益的。

科学技术已经大大改善了食物的质量和数量、运输、健康、环境卫生和通信。目前,并不是全世界所有的人都享用到了科学技术的益处。

科学的历史和本质

内容标准G:

通过幼儿园至4年级的各种活动,所有的学生应该培养出下述理解力:

作为人类奋斗目标的科学。

培养学生的理解力

在幼儿园至4年级的开始阶段,教师就该培养学生提出问题和研究世界的天生爱好。可以让学生分组进行调查研究,首先提出问题,然后将问题的答案交流给别人。对于低年级的学生来说,教师应该强调调查研究的经验和对解释的思考,不要过分强调科学术语和信息的记忆。学生可以通过历史学习一些科学探究方面的重要事情和著名人物,这些知识可以为接受后来将介绍的科学的历史和本质方面的复杂概念奠定基础。小学教师可以借助短篇小说、电影、录像和其他例子介绍一些对科学作出贡献的历史名人(包括男人和女人,少数民族和残疾人)的有趣例子。要求学生通过这些故事理解科学家是如何工作的,注意他们提出的问题、他们采用的研究程序和众多个人对科学技术的贡献。小学高年级的学生可以阅读体现这一标准的主题(科学是人类的奋斗目标)的故事并讲给别的同学听。

内容标准指南

支持本标准的基本概念和原理包括:

作为人类奋斗目标的科学

人类从事科学和技术已有很久很久。

男人和女人同样在科学技术史上作出了各种贡献。

尽管人类(包括男人和女人)通过科学探究已经学到了许多关于自然界中的物体、事件和现象的知识,但是仍然有更多未知的领域等待人类去了解。科学事业永远不会有终结。

许多人选择了科学作为自己的事业并且把他们的整个生命贡献给科学研究。许多人从科学研究中获得了极大的乐趣。

仓鼠威利

W小姐鼓励学生参加一项研究,这些研究起因于一个引起了学生兴趣的问题。研究情境是学生所熟悉的教室中的一个宠物。她通过种种方式讲授探究的一些重要方面:她让学生考虑其他可能的解释方法、观察证据、设计简单的研究方案来验证假设。W小姐已经精心地为科学课制定了计划,但是为了迎合学生的兴趣她对原有的计划作了一些更改,因为她懂得学校科学大纲的目标,因此安排了与这一目标一致的活动。她懂得哪些东西适应该年龄段学生的发育水平,因此有意识不对蒸发进行抽象的解释。她为教室配备了她所需要的供学生参与探究活动的物质条件。

[这个例子强调了教学标准A、B、D、E和F,幼儿园至4年级内容标准A和B,大纲标准A、C和D及系统标准D的某些要素。]

乔治很生气。当他星期五把喷水壶放在窗台上的时候里面盛满了水。现在喷水壶里面几乎什么都没有了,在上科学课之前他没有时间到洗手间打水浇植物了。科学课一开始,乔治就举手发言,抱怨水不见了。“是谁用了我的水?”,他问道。“是不是有人把它喝了?还是有人把它撒了?”班级里谁也没有碰那把喷水壶,于是W小姐问学生们他们认为水跑到那里去了。

玛丽有一个看法。如果别人没有动它,那一定是他们的宠物仓鼠威利夜里从笼子里跑了出来把水喝光了。全班同学决定检验玛丽的看法对不对,他们决定把喷水壶盖上,这样威利就不会喝到水了。孩子们执行了他们的研究计划,第二天早晨他们发现水位没有下降。孩子们现在证明了他们的解释是有道理的。W小姐让孩子们考虑一下是否有与这一观察结果一致的其他解释方法。他们能够肯定威利夜里从笼子里跑出来了吗?孩子们对此很有把握。

W小姐问,“你们凭什么肯定?”孩子们就想出了一个妙主意来让她相信,威利会从笼子里跑出来。他们把笼子放在沙盘中间,将沙抹平。过了几天几夜后,孩子们看到沙上没有脚印,水位也没有变化。此时孩子们又下结论说,威利夜里没出来。

“且慢!”,卡西纳说。“威利为什么要从笼子里跑出来呢?威利可以看见水是盖着的。”于是全班同学决定把笼子放在沙盘的中央并且把喷水壶的盖子拿掉。水位又下降了,然而砂子上却没有留下脚印。现在孩子们放弃了关于水失踪原因的最初想法。W小姐乘机给同学们更多的接触水消失现象的机会。4

按照W小姐的建议,他们把一个广口水容器放置在窗台上,同学们每天用纸条测定和记录水位。他们把这些纸条标上日期后贴在一张大纸上构成一个直方图。几天之后,孩子们察觉到了一个模式:水位一直在降低但是每天降低的高度是不一样的。经过一番对“不一样”的讨论之后,帕特里克想起,他的母亲想弄干家里的衣服时,就把它们放入烘干机中。帕特里克注意到衣服在烘干机中被加热;当他的母亲没有设定烘干机上的刻度盘时,衣服只是转来转去,干得就慢。帕特里克认为,温度较高时水就消失得较快。

基于他们利用纸条测定水位变化和寻找变化模式的经验,学生们和W小姐计划进行另外一次研究,以弄清是否温度高时水消失得快。

两项新的研究丰富了学生们对于水的消失的经验:一项研究是关于容器未覆盖部分的大小如何影响水消失的速率;另一项研究是看用一把扇子在水容器上扇动是否会使水消失得更快。

天气

H先生制定了一个为期一年的科学活动计划,作为整个学校科学大纲的一部分。学生要观察和记录每天天气的情况。H先生在活动之前首先对学生现有的知识作了估价,但他意识到学生可能会使用一些他们并不理解的术语。他根据自己的教学经验和通过对学生能力的研究所获得的知识,集中讲授了他认为适合学生发育水平的天气的某些方面,并且记录了所使用的术语,以助他在活动的进展过程中对计划进行修改。学生们在力所能及的情况下和一位家长的指导下设计了测定天气的仪器。他们运用其数学知识和技能进行测定,他们以一种有用的方式对数据进行了组织并与其他同学交流了数据。同学们在教师的指导下进行了一系列全班讨论和小组讨论。

[这个例子强调教学标准A、B、D和E,专业进修标准C,有关统一的概念和过程的内容标准,幼儿园至4年级的内容标准A、D、E和F及大纲标准A、C和D的某些要素。]

H先生的4年级班级负责学校的气象站,这是学校科学计划的一部分。在制定气象站计划的过程中,H先生回顾了他和他的同事们为这一活动确定的目标。由于年龄的原因,学生们没有研究气压、全球气流、大陆块及海洋水体的影响之类的天气变化。在为期一年的过程中,他们要辨别和观察天气的因素,设计和运用测量方针和数据收集方针,安装测试仪器,对数据进行分析以找出数据内部的模式和关系并且向全校同学交流他们的工作成果。

学校一开学,H先生就向同学们介绍了气象站的情况。在了解了同学们的气象经验和对气象的认识之后,H先生问全班同学,他们认为应该收集哪些重要信息以及如何收集这些信息。孩子们很快指出,需要记录天气的晴阴、是否有降雨、气温多高。H先生提出了一些越来越复杂的问题:哪些种类的云彩是明显的?累计降雨量是多少?一天之内的温度如何变化?风速是多少,风向又如何?一位同学说,他从天气预报中听说过,高压脊正在向我方移动。他问道:什么是高压脊?高压脊重要吗?讨论快结束的时候,有人提到湿度,有人回忆起了夏天闷热的热浪。

当H先生思索课堂上的情况、琢磨下一次课如何上法的时候,他意识到学生们所提的问题多半是可以预测的。他对后面的两项即湿度和气压没有把握。要完全理解这些概念已经大大超出了学生的能力,但他们对这些术语还比较熟悉。H先生决定继续按照他的计划进行,把重点放在最容易观察的天气情况上;至于湿度和气压,要看孩子们是否仍有兴趣。

下一周的课上,他让同学们讨论和计划是否仍有如何测定天气状况、他们需要什么样的工具以及他们准备如何收集和组织数据。各个小组分头在教室和图书馆活动,每个小组都选择了天气的某一侧面作为重点。H先生花了一些时间为各个小组出谋划策,推动他们的进展,必要时也给予具体指导。他鼓励各个小组互相合作,交换观点。一周之内全班两次集中在一起,各个小组互相切磋、分享成果。

数周之后,4年级的气象站投入了运行。在进行了大量的工作(包括反复摸索、图书馆查资料和一位有熟练机械技能的家长的帮助)之后,学生们开始每天两次利用自制的风速表和风向标记录风向和风速,利用买来的温度计记录温度(学生们曾按照一本书上的指导制作了一个温度计,但是他们认为利用市面上买来的温度计收集的数据更为准确),利用雨量器记录降雨量,此外还记录了云彩的情况。风速表的设计是极其困难的。制造一个随风旋转的东西并不难,但是要想出测定风速的方法,学生们还离不开他人的帮助。学生还利用一个自制的气压计来测定气压,这个气压计是一位家长帮助一个小组制造的。H先生对这项工作给予了支持,尽管孩子们理解气压概念的能力还十分有限。这位学生及其家长的兴趣和全班同学对这一术语的熟悉程度都使这项工作言之成理。

学生们利用两个月的时间把他们的数据记录在教室中的一张图表上。于是到了分析数据、为班级的气象簿撰写第一份报告和向全校作报告的时候了。这项工作也是以讨论开始。经过一系列的测定和记录之后,学生们对天气有哪些新的认识?他们是否观察到了什么模式?许多同学认为温度正在降低,有些同学注意到如果今天刮风那么明天就会下雨。在大家发表见解的时候,其他同学会表示赞同或者反对。H先生在同学发言的时候认真倾听大家的观点并且把这些观点记录在一个图表上。讨论会沉寂下来的时候,他把学生们的注意力集中到他刚记下的观点清单上,请他们想一想黑板上的哪些观点可以通过重新审视数据给予证实。学生们列举了一些观点并且同意把下面的问题作为起点:温度是否在降低?风向与第二天的天气的关系如何?当气压下降或上升时会出现什么现象?多云时是否气温较低?

H先生为同学们提示了一些利用数据帮助他们进行分析的方法,然后他分配了任务,同学们回到各自的小组去。几天之后,工作完全走上正轨。一个小组正在制作代表晴天、阴天、雨天总天数的直方图,另一个小组制作了一个表示每天温度波动的图,它显示出天气确实在一天天变冷,还有一个十分有趣的表格说明了当气压下降时天气一般要变坏。下一个新的挑战是要为学校准备一个有趣的报告,着重说明他们学到的东西。

这个班级要在全年内继续运行气象站。学生们在收集数据方面越来越不需要老师指导,越来越熟练。数据大约每两个月分析一次。除了继续研究基本的问题之外,也在研究某些新问题。到了年中,H先生对于学生能够掌握图表的使用感到满意,他引进了一个简单的计算机程序,学生可以利用这个程序来记录其数据。

学生不仅学会了提问题和收集、组织及展示数据,而且也学会了利用温度、风速和风向、降雨量和湿度等术语来描述每天的天气情况。

气象仪器

本例的各标题强调了评价过程的某些重要组成部分。从表面上看,这一评价任务是一个简单的比较任务,然而教师的专业判断能力是一个关键的因素。例如,“风仪”(wind gauge)是一个最合适的术语吗?是否应该使用更为专业的技术术语“风速表”(anemometer)呢?教师需要确定,这两个术语的使用是否会对某些学生不利。教师的工作计划包括收集气象仪器的图片并保证所有的学生都有机会研究这些东西。执行这一评价任务的教师意识到,所有的评价方式都有各自的长处和弱点;这种评价适合于这个目标,其他评价方式则适合于其他目标。这项评价任务预先假定学生对天气、技术、环境的变化模式以及科学技术在社会中的作用已经有一定的了解。教师为了评价各个学生的回答,要考察所有学生的回答中出现的模式。

[这个例子强调了教学标准A、C和D,评价标准A、B和D及幼儿园里4年级的内容标准D、E和F的某些要素。]

  科学内容:天气可用可测量来描述这样一个基本概念支持了幼儿园至4年级的地球科学内容标准。

  评价活动:学生把用来测定天气状况的仪器的图片与这些仪器所测定的天气状况匹配起来。

  评价类型:各个学生针对匹配项目进行简要回答。

  数据:学生的答案。

  评价目标:与其他数据配合使用时,这一评价活动可以为评分提供信息。

  评价环境:这一评价活动适合在3年级或4年级气象课单元结束时使用。

  评价练习:把下述气象仪器的图片与天气状况一一对应起来。这些仪器是:

1.各种类型的温度计,包括液体膨胀式温度计、金属膨胀式温度计和数字式电子温度计;

2.各种类型的气压计,包括空盒气压表和水银式气压计;

3.用来测定风向的风向标;

4.用来测定风速的各种风速计;

5.用来测定空气湿度的各种湿度表;

6.用来测定降雨积水深度的各种雨量器。

学生表现的评价:

  模范表现:学生能够把所有的仪器与它们的用途对应起来。

  平均表现:学生能够把他们熟悉的测量仪器与它们的用途对应起来。一位学生可能会错误地认为,温度计是用来测定热量的,或者不理解气压或湿度的概念。我们不应该指望这一年龄的学生理解气压、湿度、热、温度或速度之类的复杂概念。

5~8年级的内容标准

作为探究的科学

内容标准A:

通过5~8年级的活动,所有的学生应该培养出:

进行科学探究所需要的能力;

对科学探究的理解力。

培养学生的能力和理解力

应该为5~8年级的学生提供参与完整的和部分探究过程的机会。在完整的探究过程中,学生首先提出问题,然后设计研究方案、收集证据、构造原有问题的答案、交流探究过程和探究结果。在部分探究过程中,他们培养探究过程的某些方面所需的能力和理解力。例如,学生可以介绍他们如何设计一项调查、如何根据课堂教学活动所提供的科学信息和所收集的证据进行解释、认识到教师指导的演示中所介绍的自然现象还可有其他种解释方法并分析这些解释。

5~8年级的学生可能已经开始认识到解释和证据之间的关系。他们能够理解,背景知识和理论指导着调查研究的设计、观察的类型和数据的解释。反之,学生开展实验和调查这种体验也可以用来构成或改进其背景知识。

只要课程设置合理、教师教学有方,中学生可以培养出调查研究的能力,并且理解科学探究是在知识、观察、概念和问题的指引下进行的。中学生也许感到困难的是在试验中确定变量和控制一个以上的变量。学生在理解多个变量对一个试验的影响方面也可能力不从心,如理解不产生影响的变量、影响较小的变量和对结果有负面影响的变量。

为中学生讲授科学的教师应该注意到,学生具有这样一种倾向,即他们往往把注意力集中在肯定他们现有观念和概念(即个人的解释)的证据上,从而忽视或者根本没有注意与其现有概念不一致的证据。对于科学教师来说,重要的是向现有的观念和概念挑战,并且把科学的解释作为一种选择提供给学生。

应该突出本标准中的几个要素。科学探究的指导活动应该使学生在探究过程中能够识别问题并形成对问题的理解。学生应该知道,问题问的是什么内容,在构造这一问题时利用了哪些背景知识,以及应该如何做来回答这一问题。学生们提出的问题应该具有针对性而且这些问题对他们来说应该是有意义的。为了把精力集中在调查研究上,学生应该构造出这样一些问题,例如“我们想要查明……的什么问题呢?”“我们如何进行最精确的测定?”“这是否是我们问题的最好答案?”以及“如果我们这样做,那么设想一下会发生什么情况?”。

5~8年级的学生可能己经开始认识到解释和证据之间的关系。

科学探究的指导活动应该帮助学生确定并完善其方法、材料和待收集数据。当学生们进行调查研究和观察时,他们应该考察诸如“利用什么数据可以回答这个问题?”和“什么是最佳的观察和测量?”之类的问题。应该鼓励学生不断重复数据的收集过程,并且在小组之间实现数据共享。

在中学里,学生要通过口头报告或书面报告表述他们的探究结果。这类报告或讨论在科学计划中应该反复出现。学生们的讨论应该集中在这样的问题上,例如“要将我们对问题的解答说得最清楚,我们应该如何组织数据?”或者“要作出最有说服力的解释,我们应该如何组织证据?”通过各种想法、背景知识说明和数据的讨论,学生们就有机会就科学实践,就科学思维和科学理解的规则获得一些感觉。

课堂上的语言和实践机会是从事探究的一个重要因素。学生们需要有机会表现他们的能力和理解力,运用科学知识和语言表达其科学解释和概念。写作、为图纸制作标签、完成概念图、制作表格和设计计算机图形都应该是科学教育的组成部分。上述活动的进行方式应该使得学生接受各种建设性的反馈信息,例如如何提高思维和表达的质量和科学解释的准确程度。

我们不应该把本标准解释成为是在倡导“科学方法”。概念方面和过程方面的能力提高一个逻辑的循序渐进过程,但是这并不意味着科学探究只能采用一种刻板方法。相反,它们意味着学生获得科学知识的能力、进行高水平推理的能力、应用他们所理解的现有科学概念的能力和交流科学信息的能力的协调发展。让学生们硬性记忆这些能力和理解力是无法满足本标准的要求的。只有当学生们经常参与积极的探究活动时才能实现本标准的预期目标。

内容标准指南

本标准所支持的基本能力和概念包括:

进行科学探究所需要的能力

  确定可以通过科学探究回答的问题 学生应该培养从信手拈来的定义不清的大量问题中找出研究课题的能力。这种能力的一个重要方面,是学生要能够明确问题和探究对象,并把它们指向可以通过科学研究进行描述、解释或预测的物体和现象。学生应该培养出借助那些对科学探究具有指导意义的科学思想、概念和定量关系来确定问题的能力。

  设计和进行科学研究 学生应该培养出一些一般能力,例如进行系统的观察、进行精确测定、确定和控制变量。他们还应该培养将影响和指导着探究的想法明确化的能力,并且弄懂这些想法与当前的科学知识比较有什么差异。学生应该学会构造问题、设计调查研究、进行调查研究、解释数据、运用证据进行解释、提出其他解释方法和对解释及过程进行批评。

  利用适当的工具和技术收集、分析和解释数据 包括数学在内的工具和技术的使用,是以提出的问题和学生所设计的调查研究方法为导向的。使用计算机来收集、总结和显示证据也是本标准的一部分。学生应该能够运用为这些目标设计的硬件和软件来查询、收集、存储、检索和组织数据。

  培养运用证据进行描述、解释、预测和构建模型的能力 学生应该把他们的解释建立在观察结果的基础上;随着他们不断开发认知技能,他们应能够把解释与描述区别开来,也就是说面对结果要找出原因,要根据证据和逻辑论证确立因果关系。本标准要求有一定的学科知识基础,以便使学生能够有效地进行调查研究,因为作出解释的同时也就建立了科学内容与学生获得新知识的环境之间的联系。

  通过批判性和逻辑性思维建立证据与解释之间的关系 对证据进行批判性的思考指的是,确定应该采用什么样的证据并对零乱的数据进行解释。特别是,学生应该能够评价通过简单试验所获得的数据,对这些数据进行归纳总结并且对试验中的因果关系形成一个逻辑论点。学生应该开始根据两个或多个变量之间的关系来陈述某些解释。

  承认和分析提出的可供选择的解释和预测 学生应该培养倾听和尊重其他同学提出的解释的能力。他们对不同的观点和解释方法应该胸襟开阔地予以承认,应该能够接受其他人对自己所作解释的怀疑态度,应当考虑一下其他的解释方法。

  交流科学过程和解释 通过实践,学生应该在交流试验方法、遵循教师的指导、描述观察结果、总结其他小组的成果、向其他同学报告调查研究成果并作出解释等方面变得更加成熟起来。

  把数学运用在科学探究的各个方面 数学对于提出和回答有关自然界的问题十分重要。数学可以用来提问题,用来收集、组织和表达数据,用来构造有说服力的解释。

理解科学探究

不同性质的问题提示我们要进行不同的科学探究。有些探究要对物体、生命体和事件进行观察和描述,有些涉及到标本的收集,有些要做实验,有些要收集更多的信息,有些涉及到发现新的物体和现象,有些涉及到模型的制作。

当前的科学知识和理解可以指导科学探究。不同的科学领域采用不同的方法、核心理论和标准来推进科学知识和科学理解。

数学对于科学探究的各个方面均十分重要。

收集数据所采用的技术提高了数据的精度,使科学家能够分析研究结果并使之定量化。

科学解释强调证据,拥有符合逻辑的论据,还需要运用科学原理、模型和理论。科学界接受并采用这些解释,直到被更好的解释取代为止。取代发生之日就是科学进步之时。

合理的怀疑是科学进步的动力。提出问题和对其他科学家的解释提出质疑是科学探究的一部分。科学家在评价其他科学家所提出的解释时要检验证据、比较证据、找出错误推理、指出证据支持不足的说法并且对同样的观察结果给以不同的解释。

科学研究有时可以产生可供进一步研究的新概念和新现象,产生调查研究的新方法,或者开发出改进数据收集工作的新技术。所有这些结果都可以引发新的调查研究。

作为探究的科学

内容标准A:

通过5~8年级的活动,所有的学生应该培养出:

进行科学探究所需要的能力;

对科学探究的理解力。

培养学生的能力和理解力

应该为5~8年级的学生提供参与完整的和部分探究过程的机会。在完整的探究过程中,学生首先提出问题,然后设计研究方案、收集证据、构造原有问题的答案、交流探究过程和探究结果。在部分探究过程中,他们培养探究过程的某些方面所需的能力和理解力。例如,学生可以介绍他们如何设计一项调查、如何根据课堂教学活动所提供的科学信息和所收集的证据进行解释、认识到教师指导的演示中所介绍的自然现象还可有其他种解释方法并分析这些解释。

5~8年级的学生可能已经开始认识到解释和证据之间的关系。他们能够理解,背景知识和理论指导着调查研究的设计、观察的类型和数据的解释。反之,学生开展实验和调查这种体验也可以用来构成或改进其背景知识。

只要课程设置合理、教师教学有方,中学生可以培养出调查研究的能力,并且理解科学探究是在知识、观察、概念和问题的指引下进行的。中学生也许感到困难的是在试验中确定变量和控制一个以上的变量。学生在理解多个变量对一个试验的影响方面也可能力不从心,如理解不产生影响的变量、影响较小的变量和对结果有负面影响的变量。

为中学生讲授科学的教师应该注意到,学生具有这样一种倾向,即他们往往把注意力集中在肯定他们现有观念和概念(即个人的解释)的证据上,从而忽视或者根本没有注意与其现有概念不一致的证据。对于科学教师来说,重要的是向现有的观念和概念挑战,并且把科学的解释作为一种选择提供给学生。

应该突出本标准中的几个要素。科学探究的指导活动应该使学生在探究过程中能够识别问题并形成对问题的理解。学生应该知道,问题问的是什么内容,在构造这一问题时利用了哪些背景知识,以及应该如何做来回答这一问题。学生们提出的问题应该具有针对性而且这些问题对他们来说应该是有意义的。为了把精力集中在调查研究上,学生应该构造出这样一些问题,例如“我们想要查明……的什么问题呢?”“我们如何进行最精确的测定?”“这是否是我们问题的最好答案?”以及“如果我们这样做,那么设想一下会发生什么情况?”。

5~8年级的学生可能己经开始认识到解释和证据之间的关系。

科学探究的指导活动应该帮助学生确定并完善其方法、材料和待收集数据。当学生们进行调查研究和观察时,他们应该考察诸如“利用什么数据可以回答这个问题?”和“什么是最佳的观察和测量?”之类的问题。应该鼓励学生不断重复数据的收集过程,并且在小组之间实现数据共享。

在中学里,学生要通过口头报告或书面报告表述他们的探究结果。这类报告或讨论在科学计划中应该反复出现。学生们的讨论应该集中在这样的问题上,例如“要将我们对问题的解答说得最清楚,我们应该如何组织数据?”或者“要作出最有说服力的解释,我们应该如何组织证据?”通过各种想法、背景知识说明和数据的讨论,学生们就有机会就科学实践,就科学思维和科学理解的规则获得一些感觉。

课堂上的语言和实践机会是从事探究的一个重要因素。学生们需要有机会表现他们的能力和理解力,运用科学知识和语言表达其科学解释和概念。写作、为图纸制作标签、完成概念图、制作表格和设计计算机图形都应该是科学教育的组成部分。上述活动的进行方式应该使得学生接受各种建设性的反馈信息,例如如何提高思维和表达的质量和科学解释的准确程度。

我们不应该把本标准解释成为是在倡导“科学方法”。概念方面和过程方面的能力提高一个逻辑的循序渐进过程,但是这并不意味着科学探究只能采用一种刻板方法。相反,它们意味着学生获得科学知识的能力、进行高水平推理的能力、应用他们所理解的现有科学概念的能力和交流科学信息的能力的协调发展。让学生们硬性记忆这些能力和理解力是无法满足本标准的要求的。只有当学生们经常参与积极的探究活动时才能实现本标准的预期目标。

内容标准指南

本标准所支持的基本能力和概念包括:

进行科学探究所需要的能力

  确定可以通过科学探究回答的问题 学生应该培养从信手拈来的定义不清的大量问题中找出研究课题的能力。这种能力的一个重要方面,是学生要能够明确问题和探究对象,并把它们指向可以通过科学研究进行描述、解释或预测的物体和现象。学生应该培养出借助那些对科学探究具有指导意义的科学思想、概念和定量关系来确定问题的能力。

  设计和进行科学研究 学生应该培养出一些一般能力,例如进行系统的观察、进行精确测定、确定和控制变量。他们还应该培养将影响和指导着探究的想法明确化的能力,并且弄懂这些想法与当前的科学知识比较有什么差异。学生应该学会构造问题、设计调查研究、进行调查研究、解释数据、运用证据进行解释、提出其他解释方法和对解释及过程进行批评。

  利用适当的工具和技术收集、分析和解释数据 包括数学在内的工具和技术的使用,是以提出的问题和学生所设计的调查研究方法为导向的。使用计算机来收集、总结和显示证据也是本标准的一部分。学生应该能够运用为这些目标设计的硬件和软件来查询、收集、存储、检索和组织数据。

  培养运用证据进行描述、解释、预测和构建模型的能力 学生应该把他们的解释建立在观察结果的基础上;随着他们不断开发认知技能,他们应能够把解释与描述区别开来,也就是说面对结果要找出原因,要根据证据和逻辑论证确立因果关系。本标准要求有一定的学科知识基础,以便使学生能够有效地进行调查研究,因为作出解释的同时也就建立了科学内容与学生获得新知识的环境之间的联系。

  通过批判性和逻辑性思维建立证据与解释之间的关系 对证据进行批判性的思考指的是,确定应该采用什么样的证据并对零乱的数据进行解释。特别是,学生应该能够评价通过简单试验所获得的数据,对这些数据进行归纳总结并且对试验中的因果关系形成一个逻辑论点。学生应该开始根据两个或多个变量之间的关系来陈述某些解释。

  承认和分析提出的可供选择的解释和预测 学生应该培养倾听和尊重其他同学提出的解释的能力。他们对不同的观点和解释方法应该胸襟开阔地予以承认,应该能够接受其他人对自己所作解释的怀疑态度,应当考虑一下其他的解释方法。

  交流科学过程和解释 通过实践,学生应该在交流试验方法、遵循教师的指导、描述观察结果、总结其他小组的成果、向其他同学报告调查研究成果并作出解释等方面变得更加成熟起来。

  把数学运用在科学探究的各个方面 数学对于提出和回答有关自然界的问题十分重要。数学可以用来提问题,用来收集、组织和表达数据,用来构造有说服力的解释。

理解科学探究

不同性质的问题提示我们要进行不同的科学探究。有些探究要对物体、生命体和事件进行观察和描述,有些涉及到标本的收集,有些要做实验,有些要收集更多的信息,有些涉及到发现新的物体和现象,有些涉及到模型的制作。

当前的科学知识和理解可以指导科学探究。不同的科学领域采用不同的方法、核心理论和标准来推进科学知识和科学理解。

数学对于科学探究的各个方面均十分重要。

收集数据所采用的技术提高了数据的精度,使科学家能够分析研究结果并使之定量化。

科学解释强调证据,拥有符合逻辑的论据,还需要运用科学原理、模型和理论。科学界接受并采用这些解释,直到被更好的解释取代为止。取代发生之日就是科学进步之时。

合理的怀疑是科学进步的动力。提出问题和对其他科学家的解释提出质疑是科学探究的一部分。科学家在评价其他科学家所提出的解释时要检验证据、比较证据、找出错误推理、指出证据支持不足的说法并且对同样的观察结果给以不同的解释。

科学研究有时可以产生可供进一步研究的新概念和新现象,产生调查研究的新方法,或者开发出改进数据收集工作的新技术。所有这些结果都可以引发新的调查研究。

科学与技术

内容标准E:

通过5~8年级的活动,所有的学生应该具有:

进行技术设计的能力;

对科学与技术的理解力。

培养学生的能力和理解力

5~8年级的学生开始能够区别科学与技术,尽管在这一阶段的初期,做出这种区分已不大容易。理解科学与技术的共性、区别和它们之间关系的基础是从事设计和解决问题的经验,在此过程中学生们可以进一步发展他们在幼儿园至4年级阶段所获得的能力。要求学生设计某种东西或者研究一些技术产品和系统也可以提高学生对技术的理解力。

在初中阶段,学生的科学探究工作可以通过一系列活动加以补充,这些活动的目的是满足人类的需要、解决人类的一个问题或者开发一种产品而不是探究有关自然界的概念。所选择的工作应该涉及运用学生们已经熟悉的科学概念,或者促使学生去学习那些运用或理解这种技术所需要的新概念。还应该通过力争以最好的可行方式满足某种需要这样一种经历,使学生开始意识到,技术设计和解决具体问题涉及到许多科学问题之外的因素。在初中阶段,学生的科学探究工作可以通过一系列活动加以补充,这些活动的目的是满足人类的需要、解决人类的一个问题或者开发一种产品……

应该为这些年级的学生安排目标明确的、适当的设计任务,以防止学生对这些任务的目的感到茫然。这些任务应该以家庭、学校、邻里等学生最熟悉的环境为基础。这些活动应该直截了当,解决有关问题的方法只有那么几种。成功的标尺不要太高,设计的局限性不要太强。每个特定的任务应该只涉及一两个科学概念。所涉及的制作应该是学生容易完成的,不需要太长时间学习新的技能,不需要耗费长时间从事准备工作和组装操作。

在中学阶段,设计任务应该覆盖各种需要、各种材料和科学的各个侧面。合适的任务有:制作警报装置的电路、设计满足营养标准的食谱、选择集强度和绝缘于一身的材料、为学校的某个区域选择植物、设计一个餐馆中运送盘子的系统或者一个生产线上的系统。

这些工作应该辅之以学生对日常生活中的技术的研究。要实现这一目标,学生可以研究简单而又熟悉的物体,从而开发他们的观察能力和分析能力,例如比较互相竞争的消费品的各种特性,包括成本、方便的程度、耐用性和对不同使用方式的适合程度。不管采用什么产品,学生都需要了解隐藏在产品背后的科学。每年的活动量应该平衡,所研究的产品可取自服装、食品、结构及简单的机械装置和电气装置。技术解决方案包括系统设计,还会涉及到通信、概念和规则;选择一些不是以产品设计为目标的问题对于帮助学生获得上述认识来说是很重要的。

5~8年级的设计原理与幼儿园至4年级相比并没有改变,但是所处理问题的复杂程度以及运用这些原理的方式发生了变化。

内容标准指南

支持本标准的基本能力和基本概念包括:

技术设计能力

  确定合适的技术设计课题 学生应该通过各种途径培养自己的能力,包括识别特定的需求、从各个角度研究这种需求以及与潜在用户或受益者进行讨论等。他们应该认识到,就某些需求而言,不同群体的文化背景和信仰有可能影响一种适用产品的评价标准。

  设计一个解决方案或一种产品 学生应该提出不同的设计建议并根据他们所选择的判别尺度进行比较。他们应该考虑到各种限制(例如成本、时间、利弊的权衡和需要的材料),并且通过图纸和简单模型交流其设计。

  实现所提出的设计方案 学生应该准备材料和其他资源,制定工作计划,在可能的情况下充分发挥小组合作的优越性,选择合适的工具和技术,采用适当的测定方法以确保足够的精确度。

评价所完成的技术设计或技术产品

学生应该采用切合最初目标或需要的准则,研究可能影响产品的潜在用户或受益者接受和方便地使用这一产品的因素,并根据这些准则和因素来确定质量标准;他们还应该对同学的方案提出改进建议,对于自己的产品来说则是实施改进建议。

  交流技术设计过程 学生应该回顾并描述所完成的工作,判分出确定课题、设计解决方案、方案实施和评价等各个阶段。

理解科学与技术

科学探究和技术设计既有相同之处又有不同之处。科学家们提出了对自然界各种问题的解释,而工程师们则提出了有关人类问题、需要和抱负的解决方案。技术解决方案是暂时的;技术存在于自然界中,所以它们不能违背物理学原理和生物学原理;技术解决方案有副作用;技术总是有代价的,会构成危险,也带来益处。

许多不同文化背景的人都曾经并且继续对科学技术作出贡献。

科学与技术是互利互惠的。由于科学欲解决的问题有时需要更精巧的仪器,由于科学提出的一些原理有助于产生更好的仪器和技术,因此可以说科学驱动技术的发展。技术对于科学来说也至关重要,因为它所提供的仪器和技术使科学家们能够观察由于数量、距离、位置、大小和速度等因素而没有这些仪器和技术就无法观察的许多物体和现象。技术还提供了调查研究、探究和分析的工具。

完美无缺的设计方案是不存在的。所有的技术解决方案都是利弊权衡的结果,要考虑安全性、成本、效率和外观等。为了安全起见,工程师们常常采用备份系统。在一个技术高度发达的世界上,风险是生活的一部分。减少风险往往导致新技术的诞生。

技术设计都有一定的局限性。有些局限性是无法避免的,例如材料的性质、风化和磨损;有些局限性限制了设计的选择余地,例如环境保护、人类安全和美学考虑。

技术解决方案可以为人类带来有心谋求的益处和意想不到的后果。有些后果是可以预测的,有些则不能。

从个人和社会视角所见的科学

内容标准F:

由于5~8年级的活动,所有的学生应该逐步理解:

个人健康;

人口、资源和环境;

自然灾害;

风险与利益;

社会中的科学与技术。

培养学生的理解力

由于年龄的增长和理解力的提高,5~8年级的学生能够对个人和社会所面临的挑战进行深入的研究。学生们能够在幼儿园至4年级打下的基础上扩展对健康的认识并建立起人口、资源与环境之间的联系,他们能够逐步理解自然灾害和技术在个人和社会事务中的作用,了解风险和个人决策方面的知识。一个社会的产品、工艺、技术和发明有可能导致污染和环境的退步,可能对人类的健康或其他物种的生存带来一定程度的危害;这些知识对于学生来说是一个挑战。

了解与科学有关的个人和社会的挑战性问题,对于中学的科学教育来说是一个重要的奋斗目标。到了初中阶段,学生开始意识到各种因素都可以引起疾病,例如微生物、遗传倾向、器官和器官系统的功能失常、卫生习惯和环境条件。5~8年级的学生往往只注意身体健康而不注意心理健康。他们把健康与食物和锻炼联系起来,对于安全和酒精与药品滥用等其他因素与健康的关系则注意不够。5~8年级的很多学生都认为与健康有关的大多数因素都是他们无能为力的,教师的一个十分重要的任务就是帮助学生克服这种观念。

学生往往掌握健康诸方面的大量词汇,但是常常并不理解与这些术语有关的科学知识。建立对健康的科学理解是本标准的一个重点。健康行为和其他方面的健康教育也包括在学校计划的其他部分之中。

到了5~8年级阶段,学生们对于生态危机开始有了更为概念化的理解。例如,他们开始意识到污染的累积生态效应。学生在这一阶段可以学习大而抽象的环境问题,例如酸雨和全球臭氧层耗尽。不过教师应该纠正学生的一些重要的错误概念,例如所有自然的东西都不是污染物、海洋是一种无限资源以及人类作为一个物种是不可摧毁的。

5~8年级的学生对于一些全球性的问题都有了一定的理解,不过教师应该纠正学生的一些重要的错误概念,例如所有自然的东西都不是污染物、海洋是一种无限资源以及人类作为一个物种是不可摧毁的。

目前很少有人研究学生对科学与技术的风险与利益的认识。学生有时候把技术失效对社会造成的损害看成是不可接受的。另一方面,有些学生相信:如果个人自愿承担风险,那么它就是生活的一部分,与他人(或社会)无涉。帮助学生逐步理解健康、自然灾害和广义的科学技术领域的风险和利益是对中学教师的一个挑战。

中学生一般会通过新闻媒介意识到科学、技术和社会问题,但是这种意识中存在某些误解。教师应该通过具体例子和个人例子增强学生对这些问题的理解,那些例子不是单强调问题的一面。

内容标准指南

支持本标准的基本概念和原理包括:

个人健康

经常锻炼对于保持和改善健康状况十分重要。体育锻炼的好处包括保持适中的体重、有参与日常活动的足够精力和体力、肌肉发达、骨骼健壮、心肺系统坚强、心理健康水平提高。个人锻炼,特别是增加心血管的耐久性,是身体健康的基础。

潜在的事故和存在的灾害迫使人们去预防伤害。安全生活包括制定和采用安全防范措施及在个人决策中认识到危险的存在。伤害预防有个人防范和社会防范两个层次。

吸烟会增加患病的危险。学生应该了解导致吸烟的短期社会因素和心理因素的影响,了解吸烟和咀嚼烟丝可能产生的长期有害影响。

烈性酒和其他药品是往往被人们滥用的物品。有些毒品会改变身体的功能机制,造成对毒品的依赖性。

食物为生长发育提供能量和营养。营养需求随着体重、年龄、性别、活动量和人体功能而变化。

性驱力是一种需要理解的人类的自然功能。性也是传播疾病的一个主要途径。这些疾病可以通过各种预防措施加以防范。

自然环境也可能含有某些对人类有害的物质(例如氡和铅)。保持环境的健康包括建立和监督实施与土壤、水和空气有关的质量标准。

人口、资源和环境

当某一地区人口过多的时候,环境就会因为资源消耗的增加而退化。

环境退化的原因和资源耗尽状况在不同的地区和不同的国家是不一样的。

自然灾害

地球系统的内部和外部过程引起了自然灾害,所谓自然灾害就是改变或破坏人类和野生动物的栖息地、毁坏财产、伤害人类的事件。自然灾害包括地震、山崩、野火、火山爆发、洪水、风暴、甚至小行星的撞击。

人类的资源采集、城市扩张、土地使用决策和垃圾处理等活动也可以导致灾害。这些活动可以加速多种自然变化过程。

自然灾害对个人和社会来说都是一个挑战,因为如果错误地认定这种变化或者错误地估计了这种变化的速率和规模,就可能导致两种结果:要么是由于麻痹大意而造成人类的重大损失,要么是由于不必要的预防措施而造成浪费。

风险和利益

风险分析要考虑到灾害的类型,估算出可能受到灾害影响的人数和承受灾难后果的人数。根据这一结果作出减少或消除风险的不同抉择。

学生应该理解与自然灾害(火灾、水灾、龙卷风、飓风、地震和火山爆发)、化学灾害(空气、水、土壤和食物的污染)、生物灾害(花粉、病毒、细菌和寄生虫)、社会灾害(职业安全事故和交通事故)和个人灾害(吸烟、不良饮食习惯和饮酒)等相联系的风险。

个人可以采用系统的方法认真思考对待风险和利益。例如采用概率论的方法估算风险并且与估算出的个人和社会效益进行比较。

个人和社会的重大决策应该基于对利益和危险的认识。

社会中的科学与技术

科学通过其知识和世界观影响社会。科学知识和科学家所采用的过程影响了社会中的许多人对自己、对他人和对社会的看法。科学对社会的影响既不是完全有益的,也不是完全有害的。

社会的挑战常常引发科学研究课题,社会的优先领域常常通过研究资金的分配影响研究的优先领域安排。

技术通过其产品和工艺影响社会。技术影响着生活质量、人们的行为方式和相互影响的方式。技术的变革往往伴随社会、政治和经济变革,这些变革对于个人和社会来说可能是有利的,也可能是有害的。社会的需求、态度和价值观念影响技术的发展方向。

科学和技术通过不同文化背景的不同人士在不同历史时期的贡献得以发展。科学和技术对不同社会的经济增长、对社会内部不同群体的生产率作出了巨大的贡献。

科学家和工程师在许多不同的环境下工作,包括学院和大学、商业和工业、特殊的研究机构和政府机构。

科学家和工程师的道德准则要求,在受试对象决定参与试验之前,要将研究工作可能带来的利益和风险向他们讲清楚。这一道德准则还进一步要求,将研究对社区和财产的潜在风险讲清楚。简而言之,所有涉及人类受试者或对财产有潜在危险的研究均需要预先得到当事方的理解和同意。

科学无法回答所有的问题,技术也不能解决人类面临的所有问题或者满足人类所有的需要。学生应该理解科学问题和其他问题的区别。他们应该理解,科学和技术能为社会作出什么样的合理贡献,理解哪些是科学和技术无能为力的领域。例如,新技术在减少某些风险的同时却增加了其他风险。

科学和技术通过不同文化背景的不同人士在不同历史时期的贡献得以发展。

科学的历史和本质

内容标准G:

由于5~8年级的活动,所有的学生应该逐步理解:

作为人类奋斗目标的科学;

科学的本质;

科学史。

培养学生的理解力

学生实际参与科学研究的经验为理解科学探究的本质奠定了基础,也为理解本标准所介绍的科学史奠定了基础。

历史实例的介绍可以帮助学生看到,科学事业是富有哲理的,是社会性的活动,是充满人性的。由此,学生能够更准确地理解科学探究和科学与社会之间的相互影响。一般说来,科学教师不应该假设学生已经从现代或历史的角度掌握了科学本质的准确概念。

为了帮助理解科学的本质和历史,科学教师可以运用学生调查研究的实际经验、案例研究和生动的历史花絮。本标准的目的不是要编写一个完整的科学史概论,而是要利用某些科学史事例帮助学生理解科学探究、科学知识的本质和科学与社会之间的相互影响。

内容标准指南

支持本标准的基本概念和原理包括:

作为人类奋斗目标的科学

具有各种社会和民族背景的男人和女人怀着不同的兴趣、才能、品质和动机参与科学、工程和诸如卫生保健专业等有关领域的活动。某些科学家以小组的方式工作,有些科学家单枪匹马地工作,但是所有的科学家都必须与他人进行广泛的交流。

科学随着研究领域和探究类型等因素的不同而需要不同的能力。科学在很大程度上是一种人类的奋斗,科学工作依赖于人的一些基本素质,例如推理、启悟、精力、技能和创造性,此外还有科学的思维习惯,例如对知识的忠诚、对二义性的容忍、怀疑态度和对新概念的开阔胸怀。

科学的本质

科学家通过观察、实验、理论模型和数学模型来构造和检验对自然的解释。尽管所有的科学观念都不是最终真理,而且原则上要接受变更和改进,但是科学上的多数主要概念已经经过了大量的实验和观察的证实。这些概念在未来似乎不可能发生重大变化。当科学家们遇到与已有的解释不一致的新的实验证据时,他们的确要改变有关自然界的概念,实际上过去他们已经这样做了。

在活跃的研究领域,在缺乏大量实验性或观察性证据和了解的领域,科学家们对所研究的证据和理论作出不同的解释是一种正常现象。不同的科学家可能会公布不同的实验结果或者从同样的数据中得出不同的结论。在理想的情况下,科学家们会承认这种分歧并且努力寻找能够消除这一分歧的证据。

对科学研究成果、实验、观察、理论模型和科学家所提出的解释进行评价,是科学探究的一部分。评价包括审查实验过程、检验证据、找出错误推理、指出那些超出证据支持能力的夸大说法,以及对同样的观察结果提出另外的解释。尽管科学家们可能会在现象的解释、数据的解译或者对立理论的价值等方面出现不同意见,但是他们无疑会赞同这样一个观点,即提出问题、对批评作出回答和公开交流是科学过程的一个组成部分。随着科学知识的进步,最终可以通过科学家之间的相互切磋消除主要分歧。

学生应该理解科学问题和其他问题的区别,应该理解科学和技术能为社会作出什么样的合理贡献,应该理解哪些是科学和技术无能为力的领域。

科学史

许多个人对科学传统作出了贡献。学习其中的某些典范人物可以进一步理解科学探究,理解作为人类奋斗目标的科学,理解科学的本质及科学与社会之间的关系。

从历史的观点看来,科学是不同文化背景的不同个人的实践活动。纵观诸多民族的历史就可以发现,那些成就斐然的科学家和工程师都被看成是对本民族的文化作出最杰出贡献的人。

跟随科学史的足迹可以发现,科学创新人物要打破当时被普遍接受的观念得出我们今天认为理所当然的结论是多么的困难。

单摆

D小姐想把注意力集中在探究上。她要求学生理解探究中的变量,理解为什么每次只能改变一个变量,如何改变。这一探究过程技能是在物质科学课程的环境下传授的。这一活动目标明确,有一定的计划,而且需要教师的指导。D小姐没有告诉学生,单摆的摆动次数取决于单摆的长度,但是她组织了一项活动来唤起学生的兴趣并鼓励他们提出问题和寻求答案。D小姐鼓励学生到课堂外面去寻找这一科学知识的应用场所。学生们要记录科学活动的情况,D小姐帮助他们认识到,保留事件的记录有不同方式。这项活动需要数学知识和技能。在这项活动中学生要评价和构造一个每秒钟摆动六次的单摆。

[这个例子强调了教学标准B、C和D,评价标准B,5~8年级内容标准A和B以及大纲标准C的某些要素。]

D小姐所教的五年级学生正在学习运动、方向和速度。为学习这些内容而设计的一个实验,是为了让学生理解如何和为什么每次只改变一个变量。D小姐把学生分成四人一组并且为每个学生分配了一项任务。组内的一位学生即材料管理员到材料台上取来一段绳子、一把剪子、一卷胶带和几个尺寸及重量各不相同的垫圈。每组学生要利用这些材料完成下述工作:(1)建造一个单摆;(2)把铅笔用胶带固定在桌面上,把单摆挂在铅笔上使其能自由摆动;(3)计算单摆在15秒钟内的摆动次数。

每组的记录员把测定结果记在课堂数据表上。D小姐请同学们检查一下全班各组的数据。由于每组记录的摆动次数都不一样,所以一场关于为什么会发生这种现象的热烈讨论开始了。为了弄清他们测定的时间和次数是否准确无误,学生们决定重复这项实验。当他们把第二组数据填到课堂数据表上的时候结果就很清楚了,摆动次数的差别并不是因为次数数得不对,时间测得不准。课堂上又爆发了一场关于结果为什么不同的讨论。大家提出的原因包括:绳子的长度、垫圈的重量、垫圈的直径,以及学生们在起动单摆时把垫圈举起的高度。

每提出一个原因时,D小姐就把它写在黑板上。然后她请全班同学设计一个实验,以证实提出的哪个原因是正确的。每个组都选择了证实一种说法的实验,不过在各组继续工作之前,D小姐把第一次和第二次实验用的单摆都收了上来。各组重新开始工作时,一个小组的同学把直径不同的单摆挂在长度一样的绳子上,单摆的起动高度也一样。另一个小组的同学采用了一条绳子和一个垫圈,但是每次起动单摆的高度越来越高。第三组同学把绳子剪成不同的长度,但是采用同样的垫圈和同样的起动高度。当同学们设置单摆时有一阵热烈的讨论,但同学们数摆动次数的时候教室里又变得鸦雀无声。最后,各组又向全班介绍了他们的实验过程和所收集到的实验数据。全班同学的结论是:摆动次数的差别是由于绳子长度的不同造成的。

第二天,学生们注意到D小姐在教室前面放了一个为单摆制作的木板。木板顶部有一排挂单摆的木桩,木板底部是一排连续的数字。教师让每组的记录员把原来的单摆挂在与固定时间内的摆动次数对应的木桩上。当所有的单摆都在木桩上挂好之后,教师请全班同学解释一下他们的结果。经过一场为时不短的讨论之后,学生们得出了结论:固定时间内的摆动次数随着绳子长度的减少而有规律地增加。

D小姐注意到,大家所制作的单摆在15秒内摆动了5次和7次,但是没有一个单摆摆动6次。她请每个组制作一个在15秒内摆动6次的单摆。又经过一番测了又测、数了又数的折腾以及关于怎么才算一次“摆动’的激烈讨论之后,各个小组都宣布他们成功了。于是D小姐问学生,如何才能把这些信息表述成绳子的长度与摆动次数之间的关系,其表述方式要比方才使用的木板更为方便,并让学生在科学日志上画一个图来表达这些数据。大多数同学都画了一个带桩的木板,上面挂有长短不一的单摆;有些同学画了一个图表,少数同学画了一个图形。D小姐鼓励学生在家中和邻里找出一些单摆的例子。

接下来的一堂科学课用在了图表的讨论上,同学们从绳子长度的图画简化为图上的线和点,又简化为完全的图。最后,教师请每个同学根据自己的图制作一个摆动一定次数的单摆。

就这样,学生们描述、解释和预测了一种自然现象,他们学到了位置和运动的概念以及收集、分析和表达数据的能力。

滑稽的水

在这个例子中,B先生利用他的知识以及对科学、学生、教学和学区科学大纲的了解制定了他的大纲。他的理解力和能力是对自己多年的教学活动进行研究和思考的结果。他常常通过演示来引入新的主题,以吸引学生的注意力。他所提的问题都是为了鼓励学生开发理解力,他设计的活动则要求学生验证他们的概念并且把这些概念扩展到科学课堂之内和课堂之外去。B先生既提倡个人努力,也为各种活动组织大小不一的研究小组,鼓励学生进行观察、试验、讨论和写作。将各种概念、学生、材料和活动组织协调起来,需要出色的理解力、能力、创造力和精力,而B先生干起来却得心应手。B先生可以在一天之内将一项活动重复五次,以满足不同班级学生的需要,他还可以讲授另外四门课程。

[这个例子强调了教学标准A、B、D和E,专业进修标准C,5~8年级内容标准A和B,大纲标准A、B和D及系统标准D的某些要素。]

B先生开始讲授的单元涉及开发学生对物质特性的理解力,这些特性包括沸点、熔点、溶解度和密度等。他希望学生能够巩固他们的经验并思考一下物质的特性,以便为在高中阶段逐步理解原子理论打基础。他知道学生们已经掌握了原子论的某些术语和概念,不过他们可能一点也不知道物质粒子性的证据或者是支持这种理解的论点。B先生在这一单元的开始首先研究密度,因为这一概念非常重要,而且这一研究可以使他有机会收集学生当前对物质了解状况的数据。

和去年的做法一样,他从研究液体的密度开始。他知道在本学区的小学读过书的学生已经学习了液体的某些知识,而且所有的学生都从日常生活中获得了有关经验和知识。为了了解学生已有的知识、理解力和可能存在的模糊认识,B先生在这一单元的第一周准备了一组简短练习。

第一天他准备了两个密度量桶,他利用两个一英尺高的透明塑料量杯注入玉米糖浆、洗涤液、带有颜色的水、植物油、儿童油脂和甲醇。当学生们到齐后,教师把学生们分成两组来细察量桶并且讨论他们看到的现象。经过10分钟的交头接耳之后,B先生请学生拿出笔记本记下他们的观察结果以及他们对各种液体为什么会互相分离的想法。

当大家书写完毕时,B先生问道:“你们看到了什么?你们能够解释所看到的现象吗?你们认为正在发生什么现象?”他特意解释说:“正确答案是没有的,不发言也可以。但你们需要思考。”沉寂过后是几声评语,最后一场生动的讨论开始了。

真漂亮。你是怎么让这些颜色分开的?

似乎顶上的几种液体比较轻。

顶上的液体好像是水。

我认为底下的液体比较重,所以沉到底下去了。

之所以分成很多层是因为每种液体都有不同的密度,因此它们才一层层叠起来了。

“密度是什么意思?”B先生问道。

密度就是粒子之间的拥挤程度。

这种液体比较稠,所以沉到底下去了。上面这层是最稀的液体。

油的密度不是比水小吗?

如果我们把一种更浓的液体倒入量杯中,它就会沉底。

底部还有好多这种液体。

某些液体的原子比其他液体的原子重。

B先生意识到学生们对他们观察结果的解释真是五花八门,例如浓和稀、重和轻、多和少、不同的密度和不同的原子。这场讨论使他了解学生在想些什么。显而易见,他为今后几周制定的调查研究计划集中在密度问题上是值得的。

B先生第二天把全班同学分成七组,每组四人。每组学生的桌子上放几个小量杯。B先生警告学生不要喝量杯中的液体。每组要选出一位同学作为材料管理员,另一位同学在试验过程中作为记录员;实验的目的是尝试一下利用前一天的同样液体可以做些什么(所有的液体均放在供应台上)。只有材料管理员可以到供应台上取液体,记录员要记录所做的每一件事情。40分钟以后,B先生请同学们稍事打扫之后集中在一起交流他们的观察结果。

每个小组都鉴别出一些液体。水自然容易鉴别,植物油也是一样。有些学生认识玉米糖浆,有些学生认识洗涤剂。有几个小组把两三种液体掺合起来,发现有些液体会混合在一起,有些则不能。在哪种液体可以浮在哪种液体之上的问题上出现了分歧。B先生建议感兴趣的同学午饭后回到教室来解决这一分歧。一个小组完全重复了老师对量桶的做法,用力晃动量桶,等着观察液体是否分开。B先生请这个小组画出量桶内容现在的样子,把它挂在窗槛上供第二天检查。

B先生在第三天上课时又拿来一个很大的密度量桶。这次他给四个学生每人一件东西:一块木头、一块铝、一块塑料和一块铁。他请全班同学预测一下把每件东西放入量桶时会出现什么现象。学生们做了预测之后观察到,有些东西沉了底,有些东西会停在某一高度。

“你们认为这是怎么回事?”B先生问道。“你们如何解释这些物体的行为?我不要你们立即回答。”他继续说道:“我要你们自己多作一些试验,然后再来讨论。”于是把全班同学分成四组,给每组一个盛有多层液体的大的密度量桶。学生们分组活动了30分钟。在试验种种物体(橡皮筋、一分的硬币、5分的硬币,一支铅笔和一个曲别针)的过程中讨论很热烈。B先生在各组之间转来转去,记录了许多有趣的议论。这堂课还剩下10分钟,他把各组召集在一起,问了一些观察到的情况。

当我们把比较轻的东西放进去的时候,它就会停在靠近顶部的位置。

橡皮筋比曲别针轻。曲别针重就沉下去了。

橡皮筋有浮力,如果你懂得什么是浮力的话。

硬币一直沉到底下去了,因为它比较重;可是铅笔就不会沉入最下层,因为它太粗。铅笔是木头做的,它比较轻;硬币是银的,它比较重。

硬币比铅笔的密度大。

B先生听取了观察结果,他鼓励学生们互相切磋。偶尔他也会请学生澄清一些问题:“这是什么意思?”“你是怎么干的?”他的主要目的是倾听学生们的主意并鼓励他们互相解释。

第二天他开始进行引导性体验的最后一部分。当学生们步入教室之后,他请大家分成四个小组走到放有密度量桶的试验台旁。量杯旁边放有几块大小不同的木块。学生们要猜想并议论一下这些木块放入量杯会怎么样,然后将这些木块放进去看看,再次进行讨论并在科学笔记本上记下他们的某些想法。

过了一段时间之后,B先生把各个小组召集在一起,找出一些志愿者来宣读他们的笔记。有些学生奋力解释他们所看到的现象:

它们扎在量桶的中部不动了。这些木块的重量不同。大木块比较重。我不知道为什么所有的木块都停在中间了。

其他人似乎已经理解了。一个学生读道:

如果你把一个木块切成千百万个小块,每个小块的密度仍然与原来的密度一样。如果把一个重量为一克的木块再切成千百万个小块,每个小块的重量就变了。但是你不论切割多少次,其密度也不会发生变化。

在宣读这一笔记的时候,B先生问多少人同意这一观点。大多数同学都立刻回答“同意”。但是他们有多大把握呢?B先生拿起一个比同学们试验过的所有木块都要大的木块。“如果把这个木块丢在量桶中会出现什么情况?”有些同学立即答道:它会和小木块停在一样的位置。还有一些人拿不定主意。这个木块的确比其他木块大得多。一位同学请求试一下。有12位同学认为这个大木块会沉得比较深,还有16位同学认为它会与其他木块沉得一样深。B先生把这个木块放入量杯之中。它在其他木块停住的地方停下了。一些同学嚷道“对了!”或“天啦!”,也有人目瞪口呆。

为了检验学生的理解力,也是最后开个玩笑,B先生拿来两个装有无色液体的透明容器。他请全班同学围在一起,拿起一根蜡烛切下大小相差悬殊的两块。他请同学们预测一下把这两块蜡烛放入液体中时会发生什么现象。B先生把它们放入量桶之中,大的一块沉入液体之中,而小的一块却浮在液体上面。有些同学已经预测出这一结果,他们说大的一块比较重,因此会沉底。其他人则感到茫然。这两块东西是同一种蜡做成的,它们不应该有任何区别。一定有问题。这两种液体真的一样吗?B先生把这两块蜡烛从容器中取了出来,再把它们掉换一下。这次小的一块沉下去了,而大的一块却浮在上面。“这不公平。”大家齐声嚷道。“这两种液体是不一样的。”

原来B先生使用了水和异丙醇。不过他注意到了有几位学生想要通过这两块蜡烛的大小差别来解释为什么大块的蜡烛沉下去了而不是小块。

B先生以小结结束了这堂有趣的课。他们认识了密度量桶,亲自对液体进行了试验;他们试验了物体在液体中的漂浮;他们看到了液体中的两块蜡烛。如何来解释这些现象呢?作为当天的作业,他请同学们做两件事情。他们要想一想发生的一切并将想法记录下来,他们也要思考一下日常生活中的类似例子并把它们记在笔记上。后来,在同学们交流了课堂外面的观察结果之后,B先生让同学们观察他烧开水,因为他就要讨论沸点了。

鸡蛋的奇遇

这一内容丰富的例子既包括了对教学的描述又包括了评价任务。S先生让学生们参与一个完整的设计活动,即设计一个防止鸡蛋掉下来时被摔破的容器并加以测试。在开展这项技术设计活动之前安排了一个运动与力的科学课单元,以便学生们能够把他们对科学的理解运用到设计过程中。他认真研究了市售课本中介绍的一种让孩子设计鸡蛋防碎容器的活动方案,但是根据他本人的经验和学生的需要,他对那一方案进行了修改。他考虑到了学生的安全。播放以往学生从事这一活动的录像带不仅为这一活动创造了一个局部环境,而且使学生大致知道了哪些设计可行,哪些设计不可行。兴味盎然的一天结束后,S先生要求学生思考一下他们所学到的知识并且把它运用到新的然而有些类似的问题上。

[这个例子强调了所有教学标准、评价标准A、5~8年级的内容标准B和E、大纲标准D和系统标准D的部分要素。]

当S先生翻检今年的教学大纲时,他读到下一个单元的标题并会心地笑了。下星期一学生们要开始“摔鸡蛋”活动了,他们要分组设计一种装生鸡蛋的容器。时机正合适。从入冬到新学季这段时间,学生们着重学习了科学与技术之间的共性和区别。第二学季一开始,学生们完成了一系列的活动并参与了一系列的讨论,直到他们对力、运动、引力和加速度有了正确的理解为止。现在是把科学原理的知识运用于设计问题的时候了。这个题目是设计一个容器,把鸡蛋装在这个容器中之后即使从二楼的阳台上摔下去也不会把鸡蛋打破。

在S先生见过的几乎每种中学科学教科书中都可以找到某种形式的摔鸡蛋活动。不过多年的教学经验使他懂得了哪些方式有效,哪些方式无效,学生可能在哪些地方遇到困难,如何表述问题才不会吓住学生。他设计的这个单元的教案的某些方面对他本人和贝尔沃中学的学生来说均非同寻常。当他介绍他的想法的时候,他知道至少有一位学生可以讲述一下从商店回家的时候或者是从冰箱中取鸡蛋的时候将一盒鸡蛋掉在地上的故事。尽管把鸡蛋从阳台上摔下来并不是学生日常生活中的一部分,但是把东西掉在地上打破的事情是常有的。

星期一他要介绍这一带有挑战性的任务、限制条件和时间安排。全班学生首先要复习他们已有的关于力、加速度和引力以及设计原理的知识。他要请一位学生把这些知识写在一张大纸上挂在墙上,供学习这一单元使用。然后学生们要指出一些他们所见过的轻轻落地而没有摔坏的东西,指出它们的尺寸、形状、材料和结构。最后他要给学生规定一些限制:每个小组由3位学生组成,材料仅限制于工作台上已有的东西,每个小组在制作容器之前要给老师看一下草图,学生至少必须进行两次试验——一次用塑料蛋试验、一次用煮熟的鸡蛋试验。多年以来,他收集了不少杂七杂八的东西:绳子和塑料制品、纸巾中间的纸筒和装鸡蛋的盒子、泡沫塑料粒、棉花和其他包装材料。在学校外面的真实世界里,材料不好找是确实的限制。他很庆幸自己是在佛罗里达教书,打开房门就可以看见学生登上二楼的阳台进行试验。他知道如果是在北部教书的话,学生们就只能在体育馆阳台上进行这项试验,由于同学们必须往返于教室和体育馆之间,所以他得制定不同的计划。

星期二他得为每个班级带上几个生鸡蛋。他还要请几个学生试一试能否用手把鸡蛋捏碎。为此,他还得准备几条实验室用的围裙、护目镜和塑料手套。然后是给学生放摔鸡蛋试验的录像带。经过最初的几年教学实践之后,他学会了摔鸡蛋那一天为全班同学摄制录像带。他把一些摔鸡蛋的壮观场面(不论是成功的还是不成功的)编辑成一盘时间较短的录像带。学生们很愿意观赏大哥大姐们的表演,不管他们的名声是好是坏。然后学生们分组讨论好用的和不好用的容器的特点。他还要要求学生改进那些成功地保护了鸡蛋的容器。快结束的时候,每个小组要派一个学生向全班报告一下他们小组从录像带和讨论中学到的一件事。

星期三会是繁忙的一天:学生们要反复辩论和绘图,由教师批准他们的计划,收集材料,与其他小组换材料,试着制作他们所设计的容器原型。

星期四学生们首先要讨论一下为什么要制作原型,为什么要利用塑料鸡蛋和熟鸡蛋进行试验。他还要请学生们回答利用塑料鸡蛋和熟鸡蛋进行试验的优点和缺点。这可以使学生们有机会考虑成本和模型的特点。课堂上还要留一点儿时间让学生们忙活去,有些小组可能已经准备好进行现场试验了。他还需要准备一些垃圾袋把碎鸡蛋包起来。

在星期五上课的时候,他首先要提醒大家,这项试验所要评价的内容并不是鸡蛋是否破碎,而是看他们是否能够将在试图解决这一问题(设计一个容器,使其中的鸡蛋从15英尺(约4.5米)高处摔下来时不致破损)时的思考与大家分享。他还要提醒大家摔鸡蛋表演是安排在下星期三,不管准备好了没有。

星期一可能是连续作战的一天。星期二他们在各组讨论如何保证鸡蛋试验的成功。S先生在他的计划中注意到了,他可能需要一个服务小组把垃圾袋垫在阳台下的地面上。还要有另一个戴着塑料手套的清洁队把这些垃圾袋收集起来送到垃圾箱去。他预料学生们会希望有两个同学拿着秒表测定鸡蛋的下落时间。学生们需要确定在把鸡蛋扔下去的时候手臂应该抬多高。对于起始线应该从操作者的手臂算起还是从容器的某一点算起大家总是争论不休。他们需要有人喊“抛!”

星期三是抛鸡蛋的日子。星期四全班同学要分组讨论什么方法灵、什么方法不灵?为什么?如果他们有机会再次进行这一试验时要不要采取不同的做法?然后全班要共同讨论同样的问题。

星期五学生们要在黑板上填写良好的设计过程的特点。然后学生把这些特点记录或画在笔记本上,还要记下他们从这一活动中学到了哪些东西。根据自己的经验,他知道抛鸡蛋试验是一项很有吸引力的活动。

  科学内容:5~8年级学生的科学与技术内容标准要求学生要能够理解设计原理并用来解决具体问题。其中包括设计产品的能力、评价技术产品的能力和将技术设计过程交流给大家的能力。

  评价活动:抛鸡蛋试验之后,每个学生要准备一份报告,对本小组设计的容器提出一条改进意见,还要说明如何检验改进的效果。

  评价类型:穿插在教学活动中的个人评价。

  评价目标:教师利用这一信息来评价学生对设计过程的理解,作为评分的依据。

  数据:学生要提交一份书面报告或图示报告(两者兼而有之亦可),介绍容器的改进方案、改进方案的预期得失以及对于如何试验新容器的建议。

  环境:抛鸡蛋活动使学生有机会在培养技术技能和度过愉快时光的同时把科学原理和创造性应用到具体问题上。不过,活动本身的激动人心可能使培养对技术设计的理解力和能力这一预期目标相形见绌了。评价活动为学生提供了思考其体验的机会,并且明确表达他们学到的知识。评价活动要放在下述一系列的活动之后:最初容器的设计、容器的试验、课堂讨论(包括什么方法灵?什么方法不灵?为什么?下次试验会采取何种不同做法?)以及书写科学课个人笔记的机会。

  学生表现的评价:只要把学生在报告中的答案与以往班级的答案比较一下就可以判断学生在理解和从事设计方面的进步。精明的教师清楚地知道,学生提出的容器设计改进建议必然受到以下方面的限制:成本、时间、材料和利弊的权衡。衡量报告质量的尺度还可以包括,学生能否区别设计和设计之评价之间的差别。教师还要考虑表达是否清楚以及能否运用不同的方法(例如画图)来表达信息。

9~12年级的内容标准

作为探究对象的科学

内容标准A:

通过9~12年级的活动,所有的学生应该具备:

进行科学探究所需要的能力;

对科学探究的理解力。

培养学生的能力和理解力

为了培养学生进行科学探究的能力,他们必须积极参与科学研究,必须切实运用那些与构造科学解释有关的认知技能和操作技能。本标准介绍了科学探究的基本能力和理解力以及对自然现象进行科学研究的一种更宏观的框架。

9~12年级的学生应该进一步增强其科学探究能力和理解力。学生们要能够理解,实验是在概念的指导下进行的,进行实验的目的是为了检验概念。某些学生仍然对变量和受控实验的概念感到困惑。此外,学生们往往在处理似乎异常的数据时和根据证据和逻辑而不是对自然界的先验信念提出解释时感到困惑。

对科学教师和课程开发者的一个挑战是使科学研究富有意义。调查研究的题目应该源于学生觉得有意义的疑问和问题。时事所强调的科学课题是一个来源,而与科学和技术有关的实际问题是有意义的调查研究的另外一个来源。最后,科学教师应该牢记:有些活动开始时对学生意义不大,但是通过积极参与、不断接触和能力与理解力的增长,其意义也就越来越大了。

在9~12年级成功进行科学探究的一个关键要素,是让学生对指导探究的概念进行思考。同样重要的是,要事先为调查研究建立起足够的知识基础并且帮助学生作出科学的解释。学生们带到学校来的对于世界的概念决定了他们参与科学研究的方式,这些概念在他们解释科学现象时起着过滤器的作用。学生们未经检验的有局限的认识妨碍了他们培养自己深入理解科学的能力。因此在完整的探究过程中,科学教师应该采用小组讨论、绘图、写作和绘制概念图等教学手段来掌握学生当前的解释水平。教师在帮助学生做出符合科学知识的解释时,可以把学生的这些解释作为教学的基点,教师还可以帮助学生评价他们自己的解释和科学家所作出的解释。

学生们还需要学会如何分析证据和数据。他们所分析的证据也许来自自己的调查研究、其他学生的调查研究或数据库。数据处理和分析策略由科学教师进行设计,由学生进行实践。学生能够进行的数据分析的例子包括:确定数据的范围、数据的平均值和众数值、根据数据做图和寻找异常数据。科学教师可以提出一系列问题,例如“你估计利用这些数据可作出何种解释?”“这些数据是否有什么出乎预料的地方?”“你对数据的准确性有多大把握?”学生们应该在进行完整探究或部分探究的过程中回答这些问题。

对学生们所提出的解释进行公开讨论是一种对调查研究进行同行评议的方式,而同行评议是科学的一个重要方面。与同学讨论科学经验可以帮助学生发现意义,增强对科学内涵的理解。他们的对话可以澄清科学的概念和过程,帮助学生了解科学的内容。科学教师应该让学生参与以问问题为主的对话,例如“我们怎么知道?”“你对结果有多大把握?”“是否有更好的研究方法?”“如果你必须对一个对此一无所知的人进行解释的话,你怎么办?”“除了我们提出的解释外,是否还有其他科学解释方法?”“我们应该把这项研究重做一遍吗?”“我们需要更多的证据吗?”“我们实验误差的根源是什么?”“你如何解释一种与我们不同的解释?”等。

这些问题可以促使学生去分析数据,建立一个更丰富的知识基础,利用科学概念进行推理,建立证据与解释之间的联系,认可其他解释方法。应该在课堂上考察和讨论各种想法,使其他学生能够从反馈信息中获益。科学教师可以利用本班学生的想法、其他班学生的想法以及来自课本、数据库和其他信息源的想法,不过应该按照前面介绍的方式对科学概念和方法进行讨论。

内容标准指南

支持本标准的基本能力和概念包括:

进行科学探究所需要的能力

  确定指导着科学研究的问题和概念 学生应该提出一项可以验证的假说并展示这一假说所依赖的科学概念与实验设计之间的联系。他们应该展示恰当的程序、知识基础和对科学研究的理解。

  设计并进行科学研究 设计和进行科学研究需要以下内容:引入所研究领域的主要概念、适当的设备、安全防范措施、方法论问题的辅导、有关技术使用的建议、阐明指导着探究的概念以及从实际调查研究之外的信息源所得到的科学知识。调查研究也许还要求学生阐明问题、方法、对照组和变量,要求学生组织和展示数据,要求学生对方法和解释进行修改,要求学生公开介绍其结果供同学进行批评。不管进行什么样的科学研究,学生必须利用证据、应用逻辑并且对自己所提出的解释进行辩解。

  运用技术和数学改进调查研究和交流 各种技术(例如手动工具、测量仪器和计算器)应该是科学研究的一个组成部分。利用计算机收集、分析和显示数据也是本标准的一部分。数学在探究的各方面都具有重要的作用。例如,利用测量来提出问题、利用公式进行解释、利用各种图表交流研究结果。

  运用逻辑和证据来构造和修改科学解释和科学模型 学生的探究活动最终应该构造一种解释方案或一个模型。模型可以是物理模型、概念模型或数学模型。在回答问题的过程中,学生应该参与讨论和辩论,最后修改其解释。讨论应该以科学知识为依据并运用逻辑和调查研究中所获得的证据。

  承认并分析其他解释方案和模型 标准的这一侧面强调了分析论据这样一种重要能力,其方法是通过对当前科学理解水平的评估、对证据的权衡和对逻辑的检查来决定哪种解释和模型是最佳的。换句话说,尽管可能有若干种说得通的解释,但它们的份量并不一样。学生应该采用科学准则找出他们偏好的解释。

  科学论点的交流和辩护 学生应该在执行学校科学大纲的过程中培养准确而有效地进行交流的能力。这种能力包括编写和执行工作程序、表达概念、评估信息、总结数据、准确地运用语言、制作各种图表、解释统计分析结果、进行清楚而富有逻辑的发言、构造经得起推敲的论点以及对批评性意见作出得当反应等。

理解科学探究

科学家通常探究物理系统、生命系统和人工系统是如何发挥功能的。科学探究是在概念性原理和知识的引导下进行的。历史上的和当前的科学知识会影响到调查研究的设计和解释以及对其他科学家所提出的解释的评价。

科学家进行调查研究有多种理由。例如,他们希望发现自然界的新现象,解释最新观察到的现象,检验先前调查研究的结论或当前理论的预测结果。

科学家依靠技术加强数据的收集和处理。新技术和新工具可以提供指导探究的新证据和收集数据的新方法,从而有助于科学进步。数据的准确度和精度取决于所采用的技术,因而探究的质量也取决于这种技术。

数学对于科学探究来说十分重要。数学工具和数学模型可以指导和改进问题的提出、数据的收集、解释的构造和结果的交流。

科学解释必须坚持一定的判别标准,例如所提出的解释必须具有逻辑上的内在一致性,必须遵循证据法则,必须接受质疑和可能的修改,必须以历史的和当前的科学知识为基础。

科学探究的结果即新知识和新方法来源于不同类型的调查研究和科学家之间的公开交流。在交流和辩护科学探究结果时,论点必须符合逻辑并能够展示自然现象、调查研究和历史上形成的科学知识体系之间的关系。此外,还必须清楚地报告科学家用以获得证据的方法和过程,以便为未来的调查研究创造机会。

物质科学

内容标准B:

通过9~12年级的活动,所有的学生应该具备理解以下内容的能力:

原子结构;

物质的结构和性质;

化学反应;

运动和力;

能量守恒和紊乱度的增长;

能量与物质之间的相互作用。

培养学生的理解力

高中学生应该具备把幼儿园至8年级期间所学到的物质的宏观性质与物质的微观结构联系起来的能力。理解力的这一进步要求学生在思维的三大领域中漫游:可观察现象的宏观世界;分子、原子和亚原子微粒构成的微观世界;化学式、方程式和符号等构成的符号与数学世界。

物质的性质与物质结构之间的关系仍是9~12年级物质科学课程的一个主要学习内容。学生在小学阶段学习了物质的性质和借助容易观察的性质对物质进行分类的方法。他们在初中阶段研究了状态的变化、溶液和简单的化学反应,具备了给元素和化合物的性质下定义的足够知识和经验。当学生们观察到大量的证据(例如铜被酸溶解在溶液之中后用锌来置换铜就出现了纯铜)并对它们进行综合的时候,他们就可以理解,任何含铜物体中的铜原子都是相同的。如果我们假设粒子的数目在反应中重新排列时保持不变,那么物质的质量在这类化学反应中保持不变这一点就好解释了。关于学生对分子的理解情况的研究表明,要学生理解体积极小而数量极大的粒子是比较困难的。学生们对于粒子和代表粒子的化学式之间的关系也往往不十分清楚。

学生们自然而然要询问原子的内部结构,让他们懂得“我们是如何知道的”可能很困难,然而很重要。当原子结构存在的证据和论据被教师和课本的直接断言所取代的时候,高质量的学习和科学探究的精神和实践也就丧失殆尽了。尽管许多实验难以在学校的环境下再现,但是学生可以阅读一些实际报告并考察一下导致现代原子概念诞生的那一证据链。原子的本质远未被充分认识,科学家们仍然在继续研究原子并且已经发现了构成中子和质子的更小成分。

物质性质的实验室研究和物质的性质在一系列化学反应中的变化,为高中毕业生理解各种类型的化学反应及其应用奠定了基础,例如从矿石中提炼各种元素、制造新的药品、操纵基因的结构和合成高分子。

在实验室中体验力、运动(包括振动和波动)、光和电的宏观世界和微观世界,可以帮助学生理解物质的微结构。这些体验在初中的基础上又扩展了一步,为理解一系列事物提供了新的途径,例如肌肉的运动、透过细胞膜进行的物质输送、原子和分子的行为、通信技术以及行星和星系的运动。这一年龄段的学生可以更好地理解“力”的概念,但是对于大多数学生来说,还是难以接受静力平衡的概念,难以通过教学改变他们对于抛物运动和卫星所受力的直观概念。

在初中能量传递的经验基础上,高中学生可以通过测定温度变化和动能等变量,对能量传递进行定量研究。实验室研究和对其他实验的描述可以帮助学生理解导致能量守恒结论的证据。尽管在经过认真指导之后,学生们可以较好地理解温度和热的区别,但是对高中学生的研究表明,学生们难于理解热是随机运动和振动分子的能量这一点。

内容标准指南

支持本标准的基本概念和原理包括:

原子结构

物质是由称为原子的微小颗粒组成的,原子是由更小的成分构成的。这些成分都具有可以测定的性质,例如质量和电荷。每个原子有一个带正电的原子核,周围是带负电的电子。原子核与电子之间的静电力把它们拴在一起。

原子核由中子和质子组成,它们的质量比电子大得多。当一种元素的原子含有数目不等的中子时,我们就把这些原子称为该元素的同位素。

把原子核在核距离上固定在一起的核力,通常大于使原子核分裂的静电力。核反应把相互作用的粒子的一部分质量转换成能量,它们所释放的能量比原子反应的能量大得多。所谓裂变就是一个大原子核分裂成许多碎片的过程。所谓聚变就是两个原子核在极高的温度和压力下结合在一起的过程,也是太阳和其他恒星的能量过程。

放射性同位素是不稳定的,它们经历着自发的核反应,放射出粒子和/或波状辐射。任何一个核的衰变都是不可预测的,但是大量相同原子核的衰变速率是可以预测的。我们可以利用这种可预测性来估算含有放射性同位素的物质的年龄。

物质的结构和性质

原子通过转移或共用离原子核最远的电子进行相互作用。这些外层电子支配了该元素的化学性质。

元素是由同种类型的原子构成的。当我们把元素按照质子的数目(称为原子序数)排列成一个表时,物理和化学性质的重复模式就确定了具有类似性质的元素族。“元素周期表”就反映了最外层电子及其允许能量的重复模式。

电子在转移和共用时形成配对关系,从而形成了原子之间的键。由同一种原子组成的物质称为元素。多个原子通过键连接在一起形成分子或晶体。当两种或多种原子通过化学方法结合在一起的时候就形成了化合物。

化合物的物理性质反映了分子之间相互作用的性质。这种相互作用是由分子结构决定的,包括原子的种类及原子之间的距离和角度。

固体、液体和气体的区别在于其分子或原子之间的距离和角度不同,从而把原子固定在一起的能量不同。固体的结构几乎是刚性的,液体中的分子或原子可以互相环绕运动但是不能逃逸,气体中的分子或原子几乎互相独立,相隔很远。

碳原子可以互相结合成链、环和分支网络,形成各种结构,包括合成高分子、石油和对生命至关重要的大分子。

化学反应

在我们的周围到处都有化学反应,例如在保健、烹调、化妆品和汽车等方面。在我们人体的每一个细胞中连续发生着复杂的化学反应,这些反应所涉及的分子都是以碳为基础的。

化学反应可以释放或者消耗能量。有些反应以放热或发光的方式释放出大量的能量,例如化石燃料的燃烧。光可以引发许多化学反应,例如光合作用和城市光化学烟雾的发生。

大量重要的化学反应均涉及到电子(氧化还原反应)或氢离子(酸碱反应)在参加反应的离子、分子或原子之间的转移。在其他反应中,化学键被热或光打破,形成非常活跃的原子团,这些原子团上的电子很容易形成新的键。原子团反应控制着许多过程,例如大气中的臭氧和温室气体的存在、化石燃料的燃烧和加工、高分子的形成和爆炸。

化学反应的时间周期小到几个飞秒(10-15秒,在这段时间里原子能够移动的距离只是化学键距离的若干分之一),大到几百万年(地质学时间量纲)。反应的速率取决于参与反应的原子和分子相互碰撞的几率、温度和参与反应者的性质(包括形状)。

催化剂(例如金属表面)的作用是加速化学反应。一种称为酶的蛋白质分子就是生命系统中的化学反应的催化剂。

运动和力

只有在施加净力的时候物体才会改变其运动状态。利用运动定律可以精确计算力对物体运动的影响。运动改变的幅度可以利用F=ma的关系进行计算,这一公式与力的性质无关。只要一个物体对另一个物体作用一个力,一个大小相同、方向相反的力就会作用到第一个物体上。

引力是一种每个质量都会作用在其他任何质量上的普遍存在的力。两个质量之间的这种吸引力的强度与质量成正比,与它们之间距离的平方成反比。

静电力是任何两个带电物体之间的普遍存在的力。异性电荷互相吸引,同性电荷互相排斥。像引力一样,力的强度与电荷成正比,与它们之间的距离的平方成反比。

任何两个带电粒子之间的静电力均显著大于引力。大多数可以观察到的力都可以追踪到原子和分子之间的静电力,例如螺旋弹簧或摩擦所产生的力。

电和磁是同一电磁力的两个方面。运动的电荷产生磁力,运动的磁体产生电力。这些效应可以帮助学生理解电动机和发电机。

能量守恒与无序的增长

宇宙中的能量总和是一个常数。化学反应和核反应中的碰撞、光波和其他辐射及许多其他方法都可以传递能量。不过,能量绝不会消失。发生能量传递的时候,有关物质的有序度不断降低。

所有的能量都可以看成是下述三种形式之一:动能,即运动所产生的能量;势能,即依赖于相对位置的能量;场能(例如电磁波)所产生的能量。

热就是随机运动及原子、分子和离子的振动。温度越高,原子和分子的运动就越激烈。

任何物体都有随着时间的推移减少其组织化和有序化程度的倾向。因此,在所有的能量传递过程中,总体效应是能量分布越来越均匀。这样的例子包括:能量通过传导、辐射或对流从温度高的物体向温度低的物体传递,在燃烧燃料时周围的环境升温。

能量与物质之间的相互作用

波具有能量,波与物质相互作用时传递能量。这里所说的波包括声波、地震波、水波和光波等。

当一个带电物体被加速或被减速时就产生电磁波。电磁波包括无线电波(波长最长)、微波、红外辐射(热辐射)、可见光、紫外辐射、X射线和伽玛射线。电磁波的能量是以波包的形式传递的,其振幅与波长成反比。

每种原子或分子只能按照特定的分立量获得或失去能量,因此只能在对应于这些分立量的波长处吸收或发射光波。我们可以利用这些波长来鉴别物质。

电子在某些材料(例如金属)中很容易流动,而在绝缘材料(例如玻璃)中电子则几乎无法流动。半导体材料具有介于两者之间的性质。某些材料在低温下变成超导体,超导体对电子的流动几乎没有阻力。

生命科学

内容标准C:

通过9~12年级的活动,所有的学生应该具备理解以下内容的能力:

细胞;

遗传的分子墓础;

生物进化;

生命体的相互依赖性;

生命系统中的物质、能量和组织;

有机体的行为。

培养学生的理解力

学生在幼儿园至8年级阶段应该已经培养出了对生命科学的基本理解力。在9~12年级阶段,学生会吸收更多的抽象知识(例如脱氧核糖核酸的结构和功能)和更为广泛的理论(例如进化),从而扩大对生物学的了解。学生的了解范围应该既包括较小的尺度(例如分子),又包括较大的尺度(例如生物圈)。

科学教师必须对选择哪些内容才能够最有效地提高学生对生命科学的理解力的问题作出回答。选择的标准往往不清楚,其结果往往是过分强调信息而忽视了概念的理解。在描述生命科学的内容时,国家标准强调的是可以为学生和教师进一步了解生物学奠定基础的为数不多的普遍原理。

因为分子生物学在未来21世纪将仍然是一个主要的科学前沿,所以学生应该理解生命的化学基础,这不仅是为了分子生物学本身,而且因为学生们需要针对人类操纵生命的能力将产生的某些实际后果和伦理学后果采取有信息依据的立场。

一般说来,学生们知道物种这个概念,把它作为生命体分类的基础,但是很少有学生会谈到物种的遗传基础。学生们也许对分类有着一般性理解。但是,当学生们面对特殊的生命体时,有时候会借助于“日常”分类,例如把“海蜇(jellyfish)”看成是一种“鱼(fish)”,因为其中使用了“鱼”(fish)这个词;还会把“企鹅”看成是“两栖动物”,因为它们既生活在陆地上又生活在水中。

尽管学生可能会声称他们知道细胞,但是他们可能会说,生命系统是由细胞组成的而不是由分子组成的,因为学生往往把分子只与物质科学联系起来。

学生们往往对进化的基本概念感到困难。例如,他们常常不理解自然选择,因为他们没有在概念上把种群中新变异的出现与这些变异对物种长期生存的潜在影响联系起来。教师可能会遇到的一个错误概念,是学生们把新变异归因于生命体的需要、环境条件和用途。只要稍加帮助,学生就可以理解,一般说来,突变是随机发生的,物种选择了这些突变是因为它们有助于一些生命体幸存下来,有助于产生更多的后代。其他错误概念主要是,不理解种群的变化是繁殖差异的结果(有些个体产生了更多的后代),并不是种群中所有的个体均发生了变化。通过教学可以改变学生对自然选择过程的许多错误概念。通过教学可以改变学生对自然选择过程的许多错误概念。

内容标准指南

支持本标准的基本概念和原理包括:

细胞

细胞具有支撑其功能的特定结构。每个细胞都包有一层细胞膜,它把细胞与外界隔离开来。细胞内部是成千上万个分子的浓缩混合物,这些分子所形成的种种特化结构使细胞具有各种各样的功能,例如能量的产生、分子的输运、废物的排放、新分子的合成和遗传物质的存储。

细胞的大多数功能都涉及化学反应。被细胞吞噬的食物分子要发生化学反应,以提供合成其他分子所需要的化学成分。无论分解还是合成都需要各种各样的蛋白质催化剂,这些催化剂称为酶。有些食物分子的分解能使细胞把能量存储在特定的化学物质中,这些化学物质用来完成细胞的许多功能。

细胞要存储和利用信息来指导自己的功能。存储在脱氧核糖核酸中的遗传信息用来指导每个细胞所需要的成千上万种蛋白质的合成。

细胞的功能是受到调节的,调节的方式有两种:一种是通过蛋白质所执行的功能活动的变化来进行调节,另一种是通过个别基因的有选择表达来进行调节。这种调节功能使细胞能够对周围的环境作出反应并且控制和协调细胞的生长和分裂。

植物细胞含有叶绿素,这是进行光合作用的场所。植物和许多微生物要利用太阳能把二氧化碳分子和水结合成为复杂的、具有丰富能量的有机化合物,并且向环境中释放氧气。这一光合作用过程在太阳和生命系统的能量需要之间建立起了重要的联系。

细胞会分化,分化细胞高度组织化地排列起来,就形成了复杂的多细胞生命体。在形成这些多细胞生命体的过程中,单个细胞的后代形成了胚胎;胚胎中的细胞成倍增长和分化,形成了构成最终有生命体的许多特化细胞、组织和器官。这一分化是通过不同基因的表达进行调节的。

遗传的分子基础

在所有的生命体中,确定生命体特征的指令是由脱氧核糖核酸携带的,这是一种由四种从属单位(A、G、C和T)构成的巨大高分子。脱氧核糖核酸的化学性质和结构性质解释了,遗传所依赖的信息是如何在基因(好象一串分子“字母”)中编码和复制(利用一种模板机制)的。细胞中的每个脱氧核糖核酸分子形成一个染色体。

人体中的大多数细胞都含有22对不同的染色体。此外,还有一对染色体是确定性别的:女性含有两个X染色体,男性含有一个X染色体和一个Y染色体。遗传信息向后代的转移是通过卵子细胞和精子细胞完成的,这些细胞只含有每对染色体中的一个。一个卵子和一个精子结合在一起就形成了一个新的个体。构成人体的细胞含有每个染色体的两份拷贝因而也就是每个基因的两份拷贝这一事实解释了人类遗传的许多特性,例如隐藏在某一代的变异是如何在下一代表现出来的。

脱氧核糖核酸中的变化(变异)缓慢地自发发生着。其中的某些变化对生命体来说没有影响,而有些变化则能够改变细胞和生命体。只有胚芽细胞中的变异才会引起生命体后代的变化。

生物进化

物种的进化需要一定的时间。进化是一系列因素相互作用的结果,包括:(1)一个物种增加其个体数量的潜力;(2)由基因的变异和重组所造成的后代的遗传可变性;(3)生命所需资源的有限供应;(4)随后,环境对能够更好地生存和进一步繁衍后代的个体的选择。

生命体的高度多样性是35亿多年进化的结果,在这一过程中,各种生命形态填补了每一个能够利用的生命空间。

自然选择及对生物进化的影响为古代生命形式的化石记录以及不同种生命体之间的惊人的分子相似性提供了科学的解释。

今天地球上生活的数百万种植物、动物和微生物物种是相互有亲缘关系的,因为都来自共同的祖先。

生命体之间的联系是生物分类的基础。生命体是根据它们的相似性划分出种和属等层次结构的,这种相似性反映了它们之间的进化关系。物种是最基本的分类单位。

生命体的相互依赖性

地球上的原子和分子在生物圈的有生命成分和无生命成分之间周而复始地循环着。

能量通过生态系统单向流动,即从利用光合作用的生命体向食草动物流动,再从食草动物向食肉动物和分解物流动。

生态系统的生命体既合作又竞争。这些生命体之间的相互关系和相互依赖性所产生的生态系统也许能稳定运行几百几千年。

有生命的有机体具有产生规模无限大的种群的能力,但是环境和资源是有限的。这一根本的拮据状态对于生命体之间的相互作用具有深远的影响。

人类也生活在世界的生态系统之中。由于人口增长、技术和消费,人类给生态系统带来的变化越来越大。由于直接捕获、污染、大气的变化和其他因素,人类对栖息地所造成的破坏正在威胁着当前的全球稳定,如果不加以解决,生态系统就会受到无可挽回的影响。

生命系统中的物质、能量和组织

所有的物质都有一向朝无组织状态发展的趋势。生命系统为了维持其化学组织和物理组织,需要连续不断地输入能量。生命系统死亡后,能量摄入停止,便迅速解体。

生命所需能量主要来源于太阳。植物吸收光并利用光在含碳(有机)分子的原子之间形成强有力的化学键(共价键),从而捕获能量。利用这些分子可以装配成具有生物活力的更大的分子(包括蛋白质、脱氧核糖核酸、糖和脂肪)。此外,还可以把存储在原子之间的化学键中的能量(化学能)作为生命过程的能量来源。

食物分子的化学键含有能量。当食物分子的化学键被打破并且形成化学键能量较低的新的化合物时,食物分子中的能量就会释放出来。细胞通常把这种能量暂时存储在一种小型高能化合物的磷酸盐键中,这种化合物称为三磷酸腺苷(ATP)。

正因为生命体的复杂性和组织性,才满足了生命体为生存而获取、转换、输运、释放和消解物质和能量的需要。

生命体和种群在生态系统中的分布和繁衍受制于物质和能量的可获性以及生态系统循环使用物质的能力。

当物质和能量在组织层次不同的生命系统(细胞、器官、生命体和社会)中、在生命系统与物质环境之间流动时,化学元素就以不同的方式被重新组合起来。每次重新组合的结果,能量以热的形式存储和消散到环境之中。物质和能量在每次变化中都是守恒的。

生命体的行为

多细胞动物具有产生行为的神经系统。神经系统是由一些特化细胞构成的,这些细胞通过神经突触迅速传递信号。神经细胞以分泌特殊的兴奋分子和抑制分子的方式互相传递信息。在感觉器官中,也是特化细胞感受光、声和特殊的化学物质,使动物能够监视周围世界所发生的一切。

生命体对内部的变化和外部的刺激具有行为反应能力。外部刺激可能来自生命体所属物种和其他物种的相互作用,也可以来自环境变化。这些反应可能是天生的,也可能是习得的。为了保证繁殖的成功,动物的广泛行为模式一直在进化。动物经常生活在不可预料的环境之中,因此它们的行为必须具有足够的灵活性,以应付不确定性和变化。植物也对外部刺激有反应。

正如生命体生物学的其他方面一样,行为也是通过自然选择而进化的。从进化原理的观点看,行为经常具有适应性逻辑。

行为生物学对人类是有意义的,因为它提供了心理学、社会学和人类学之间的联系。

地球与空间科学

内容标准D:

通过9~12年级的活动,所有的学生应该具备理解以下内容的能力:

地球系统中的能量;

地球化学循环;

地球系统的起源和演变;

宇宙的起源和演变。

培养学生的理解力

在高中阶段,学生要继续学习5~8年级开始了的地球科学课程。在 9~12年级这一阶段,学生们要着重学习物质、能量、地壳动力学、循环、地球化学,还要理解地球系统的事件所需要的更大时间跨度。在阳光和地球内热的驱动下,各种循环把物质和能量联系在一起,并且通过地球系统的组元连续分配着物质和能量。这些循环共同建立了地球系统的结构并且对地球的气候进行调节。9~12年级的学生应该把水循环看成是物质的载体并加深对这一关键循环的理解,认识到它也是能量传递的一个重要动因。由于碳循环对于建立和维持地球气候以及产生许多矿物和化石燃料资源的重要作用,还应该把学生们的探究引导到碳循环上去。学生们要运用并扩展其关于辐射、对流和传导过程如何在地球系统内传递能量的知识。

在学习地球系统经过漫长地质年代而演变的过程中,学生们要加深理解5~8年级时初次接触到的关于地球历史的证据,弄清地球的活跃地壳、变动的气候和不断进化的生命形态之间的关系。学生们要通过学习建立起地球系统是以动态平衡状态存在的概念。他们还会发现,尽管地球的某些性质可能会在或长或短的时间跨度内波动,但是地球在未来的数百万年时间内一般会稳定在一个狭小的波动范围之内。通过学习行星的地球化学循环和有助于维持和调整这些循环的反馈过程,就能够理解这一长期稳定性。

作为这种长期稳定性的一个例子,学生们发现,地质记录显示了全球温度迄今在一个相当狭小的范围波动,其狭小的程度足以使生命在30多亿年中生存和进化。他们会逐步理解,某些微小的温度变化已经对地球系统产生了我们觉得是巨大的影响,例如冰川时代和整个物种的灭绝。他们探究水循环和碳循环对全球温度的调节。学生们可以利用这一背景,考察当前出现的环境变化,预测地球系统未来的温度波动。

天文学家在向外探究深层空间和深层时间时已经证明,我们生活在一个漫无边际而又古老的宇宙之中。科学家们假定,数十亿年以来物质定律在宇宙的所有部分都是一样的。因此通过实验室中的实验和对宇宙中当前事件和现象的观察,可以理解宇宙的结构和演变。

……在培养本标准所要求的理解力的过程中,会有近半数的学生需要以具体例子作为佐证并且在进行多步骤逻辑推理方面给予大力协助。

在进入9~12年级之前,所教的天文学在基本上仅限于太阳系中物体的行为。进入9~12年级以后,宇宙的研究变得更为抽象了,学生们要进一步增强其理解能力,理解很大的距离跨度、很长的时间跨度乃至核反应的性质。宇宙的年龄以及宇宙演变成星系、恒星和行星,最终在地球上形成生命的过程,都会使学生产生浓厚的兴趣,同时也对他们是一个智力挑战。

要帮助学生学习本标准的内容,就需要提供可以理解的证据,这些证据来自跨越漫长时间跨度的、从地球内部的研究到外层空间的观测结果的原始资料。许多学生能够进行这种思考,但是在培养本标准所要求的理解力的过程中,会有近半数的学生需要以具体例子作为佐证并且在进行多步骤逻辑推理方面给予大力协助。对于地球与空间科学的许多概念,一般都无法直接进行实验,所以重要的是把教学重点放在那些可以借助观察数据、科学知识基础和推理过程加以解答的问题上,从而提高学生的探究热情。

内容标准指南

支持本标准的基本概念和原理包括:

地球系统中的能量

地球系统有内部能源和外部能源,这两种能源均产生热。太阳是主要的外部能源。两个主要的内部能源是放射性同位素的衰变和来自地球原始结构的引力能。

地球内热向外部传递的过程产生了地幔内的对流循环,这一力量推动着构成地球表面的板块在地球上运动。

太阳对地球表面和大气的加热,在大气和海洋产生了对流,这种对流又产生了风和海流。

全球气候是由太阳在地球表面和靠近地球表面的能量传递决定的。这种能量传递受到云层覆盖和地球旋转等动态过程和山脉与海洋的位置等静态条件的影响。

地球化学循环

地球实际上是这样一个系统,它所包含的每种稳定的原子或元素都有一个固定的数量。每种元素可以存在于若干种不同的化学储库之中。地球上的每种元素在固体地球、海洋、大气和生命体之间转移,这种转移是地球化学循环的一部分。

物质在储库之间运动的动力是地球的内部能源和外部能源。这些运动常常伴随着物质的物理性质和化学性质的变化。例如,碳存在于石灰石之类的碳酸盐岩石内,以二氧化碳的形式存在于大气之中,作为溶解了的二氧化碳存在于水中,作为控制生命的化学过程的复杂分子存在于所有的生命体中。

重要的是把教学重点放在那些可以借助观察数据、科学知识基础和推理过程加以解答的问题上。

地球系统的起源和演变

太阳、地球和太阳系中的其他部分是46亿年以前由尘埃和气体构成的一个星云演变而成的。早期的地球与我们现今生活的地球有很大的不同。

观察岩层的顺序并利用化石把各个地点的顺序关联起来,就可以估算出地质学时间。目前采用的方法之一是利用岩石中放射性同位素的已知衰变速率来测定岩石的形成时间。

固体地球、海洋、大气和生命体之间的相互作用导致了地球系统的不断演变。我们可以观察到人类时间尺度上的某些变化,例如地震和火山爆发,但是造山运动和板块运动等许多过程则是在几亿年的时间尺度上发生的。

证据表明,单细胞形式的生命(细菌)大约35亿年前就出现了。生命的进化引起了大气成分的巨大变化,大气最初不含氧气。

宇宙的起源和演变

宇宙的起源至今仍然是科学上的一个最大难题。“大爆炸”理论认为地球起源于100至200亿年以前;根据这一理论,宇宙起始于高温稠密状态,从那时起宇宙就一直在不断膨胀。

在宇宙历史的早期,物质(主要是氢和氦等轻原子)由于引力的作用而聚集在一起,形成无数的恒星。目前的数十亿个星系形成了宇宙中的大多数可见物质,每个星系又是引力作用束缚在一起的几十亿个星团。

恒星通过核反应产生能量,主要是氢聚变成氦。恒星中的这些过程以及其他过程导致了所有其他元素的形成。

科学与技术

内容标准E:

作为9~12年级的活动,所有的学生应该具备:

进行技术设计的能力;

对科学与技术的理解力。

培养学生的能力和理解力

本标准由两个同样重要的部分组成,即开发学生技术设计的能力和开发学生对科学和技术的理解力。尽管这是科学教育标准,但是科学与技术之间的关系非常密切,如果学习科学时不培养对技术的理解力,则这种科学图景是不准确的。

学生们在解决问题时试图在一定的限制下满足一定的准则,在此过程中他们会发现,他们已经了解或能够学习到的科学概念和科学方法是一种强有力的工具。学生们还发现,他们还需要借助其他知识和技能,例如成本、风险和效益分析以及批判性思维和创造性的方方面面。与本标准有关的学习经验,应该包括依靠科学取得技术成就的例子和技术进展直接对科学的进步作出贡献的例子。

学生能够理解和运用本标准所介绍的设计模型。学生们首先接触具体的、实用的、以成果为目标的设计问题,然后才能参与许多抽象的、理论性的科学探究。一般说来,高中学生还不能够区分科学和技术的不同作用。本标准的意图就是帮助他们解决这个问题。学生们对于科学的正面看法,会使他们区别不了科学与技术的弱点显得更加突出,他们之所以持正面看法,是因为他们把科学与医学研究联系起来,因为有“科学进步”这么一个习惯说法。不过,一提到技术,他们常常就联想到环境问题和另一个习惯说法“技术问题”。至于科学与技术的关系,学生及许多成人和科学教师都相信是科学影响了技术。这种信念得到了“技术属于应用科学”这一说法的支持,这种说法虽然常见但只在一定程度上正确。很少有学生能够理解技术对科学的影响。纠正对科学与技术的错误概念,建立起科学与技术的作用、地位、局限性、可能性和两者之间关系的准确概念,是本标准面临的一个挑战。

设计任务和有关学习活动的选择是实现本标准的一个重要而困难的部分。在选择技术性学习活动的过程中,科学教师必须记住一些重要的问题。例如,让学生参与部分设计还是完整设计?让他们通过技术满足一种需要还是研究他人的技术成果?另一个问题是如何选择一项任务来展示科学与技术相互影响的各种方式,以便为学生在学习有关科学概念的同时理解技术的本质奠定基础。

9~12年级的设计任务应该接触各种各样的环境,既包括学生所熟悉的家庭、学校和社区,又包括更为广泛的地区、国家和全球环境。这些任务应该有助于学生利用不同的方法来解决相同的问题,以便使不同的学生可以实施不同的设计方案。要想成功地完成设计课题,学生必须在处理相互对立的限制因素的同时满足一定的标准。在涉及制作时,这些制作可能会依赖于在科学计划中培养的技术技能和理解力,利用在学校其他课题中培养的技术技能和手工技能,也许还需要开发新的技能。

高中阶段的设计任务应该覆盖多种需要、多种材料和科学的多个侧面。例如,合适的设计课题可以包括:装配一些电子元件去控制一系列的操作,通过对不同运动鞋的特征参数的分析来了解运动、人体解剖和材料所要求的判别准则和限制。有些任务应该运用多个科学领域的概念。这些任务可以很复杂,例如设计一台由机械系统和电气控制系统构成的机器。

尽管科学与技术的某些活动安排重视的是通过产品来解决问题和满足需要,但是还应该有另一些活动安排,它们强调系统设计、成本、风险、效益和非常重要的利弊权衡。

由于对技术的这种研究是在科学课程中进行的,所以必须对这类活动的数量有所限制。本标准所介绍的细节是用来判断少量这类活动的质量和平衡的,并不意味着要求大量进行这种活动。本标准所述的许多能力和理解力培养出来后,可以用于为其他内容标准而设计的活动。

内容标准指南

支持本标准的基本能力和概念包括:

进行技术设计的能力

  确定一个课题或设计一个机会。学生应该能够发现新的问题或需求,并依此改变和改进现行技术设计。

  提出设计建议并在各种解决方案中进行选择。学生要学会制定一项技术或工艺的周密计划。应该向学生介绍模型和模拟在这些过程中的作用。

  执行所提出的解决方案。在提出一个解决方案的过程中需要各种技能,随技术类型而异。制作人工制品可能需要具备切割、造型、处理和粘合常规材料(例如木头、金属、塑料和纺织品)的技能,也可以利用计算机执行设计方案。

  评价解决方案及其结果。学生应该根据待满足的需要和设计准则来检验设计方案。在这一阶段,可以评估当初没有考虑到的新的判别准则。

  将问题、过程和解决方案交流给大家。学生应该以多种方式(口头、书面或其他方式,包括模型、图表和演示)向同学、教师和其他人介绍他们的结果。

对科学与技术的理解力

不同领域的科学家提出不同的问题,采用不同的研究方法,运用不同类型的证据来支持他们的解释。许多科学研究需要来自不同领域(包括工程)的人的贡献,新的科学领域(例如地球物理学和生物化学)常常出现在两个古老科学领域的交界处。

科学的进步往往是引进新技术的结果。解决技术问题也往往产生新的科学知识。新技术的出现往往会提高当前的科学理解水平并产生新的研究领域。

从事科学和工程工作需要创造性、想像力和良好的知识基础。

从事科学和技术有不同的目的。科学探究受了解自然界的欲望的驱动,技术设计受到满足人类需要和解决人类问题之需求的驱动。技术从本质上说比科学对社会有更直接的影响,因为技术的目标是解决人类的问题,帮助人类适应环境和实现人类的追求。技术解决方案可能产生新的问题。科学从本质上说是回答各种问题的,这些问题可能对人类有直接影响,也可能没有直接影响。有时候科学的进步对人的信仰和有关世界各方面的实际解释提出了挑战。

技术知识往往秘而不宣,这是由于有关概念或发明有可能申请为专利,具有营利的潜力。科学知识则通过在专业会议上宣读和在科学期刊上发表等方式公布于众。

从个人和社会视角所见的科学

内容标准F:

通过9~12年级的活动,所有的学生应该具备理解下述内容的能力:

个人卫生和公共卫生;

人口增长;

自然资源;

环境质量;

自然灾害和人为灾害;

科技在应付地方、国家和全球挑战中的作用。

培养学生的理解力

本标准的体例原则并没有具体列出个人挑战和社会挑战,它们是一套针对当前众多问题的组织概念的框架,它们列出了对于这些问题应有哪些基本理解和拟议行动。体例原则适用于地方以及全球现象,列举了从短期的自然灾害到长期的全球变化的潜在影响等不同时间尺度上的挑战。

9~12年级的大多数学生对某些人体系统的总体功能有较为全面的理解,例如消化系统、呼吸系统和循环系统。他们对于其他系统不见得了解得十分清楚,例如人类的神经系统、内分泌系统和免疫系统。因此,学生们对于健康问题的某些特殊机制和过程可能觉得不好理解。

体例原则适用于地方以及全球现象。

大多数高中学生有生命体种群的概念,但是他们对于社会内部各个种群之间的关系以及种群与资源竞争等其他概念之间的联系缺乏足够的了解。很少有学生在考察种群、环境和资源之间的相互影响时能够理解和运用相互依赖性的概念。例如,如果问学生种群的规模和为什么有些种群越来越大时,他们往往只是简单地描述一下相互依赖性和能量流动,而不是对它们进行论证。

学生可能会表现出对生态系统物质循环的一般理解,但是他们可能只注意较短的循环链,甚至有这样一种错误概念,即物质是在循环的每个步骤上被创造和破坏的,而不是经历着连续的转换。利用生态系统物质流程图进行讲授并且强调整个过程所涉及的推理,可以帮助学生建立更为准确的概念。

许多高中学生抱有这样一种观点:科学应该为社会提供有关各种问题的信息,社会应该制定出政策说明哪些研究是重要的。一般说来,学生们对于科学与技术的相互作用往往抱有相当简单和幼稚的观念。有些研究支持这样一种观念,即科学、技术与社会课程有助于改善学生对于与科学技术有关的社会挑战的各方面的理解。

内容标准指南

支持本标准的基本概念和原理包括:

个人和社区健康

灾害和事故可能性始终是存在的。不管环境如何,伤害、疾病、残疾或死亡的可能是存在的。人类有各种减轻和克服灾害的机制,包括感官的、运动的、情绪的、社会的和技术的。

疾病症状的严重程度取决于许多因素,例如人体的抵抗力和致病有机体的致病性。许多疾病是可以预防、控制和治疗的。有些疾病,例如癌症,是由于特殊的人体功能失常造成的,不可能传染。

个人对健美和健康的选择包括许多因素。个人目标、同伴压力和社会压力、民族和宗教信仰以及对生理学后果的了解都会影响到个人健康实践的决定。

一个人的情绪和行为可以通过药物来调节。至于这种调节是有益还是有害则取决于动机、药物的类型、使用时间的长短、使用模式、影响的水平及短期和长期效果。学生应该理解,麻醉药品会导致人体的依赖性,会增加伤害、事故和死亡的危险。

食物的选择和饮食模式决定了营养的平衡。营养平衡对生长发育和个人健康有直接的影响。习惯、家庭收入、民族传统、体格、广告和同伴压力等个人和社会因素都会影响到营养选择。

家庭要负责满足基本的健康需要,特别是儿童的健康。尽管家庭结构有所不同,但是每个人的家庭所涉及的各种身体、心理和社会关系都影响着健康的保持和改善。

性是人的身体、心理和社会发展的基本需要。学生应该理解,人类的性涉及生理功能、心理动机及文化、民族、宗教和技术影响。性是一种对个人健康和社会有影响的基本而强大的力量。学生应该了解控制生育的各种方法,了解每种方法所具有的不同效果及不同的健康和社会后果。

人口增长

人口的增长和减少是出生与死亡、向外和向内移民等因素综合作用的结果。人口可以呈算术增长和指数增长,人口增长会影响到资源的利用和环境污染状况。

影响人口出生率和繁育率的因素有多种,例如平均富裕程度和教育水平、少年儿童在劳动力中的重要性、妇女的教育和就业、婴儿死亡率、抚养儿童的费用、计划生育手段的可获得性和可靠性以及影响个人家庭规模决策的宗教信仰和文化规范。

人口可能会达到增长的极限。承载能力是指特定环境下能够支持的最大人数。这种极限并不是指人类生存的地理空间,而是相对于地球系统支持人类的资源和能力而言的人数。技术的改变可以在很大程度上改变承载能力,可能使其增强或减弱。

自然资源

人类需要利用环境中的资源来维持和改善其生活。迄今为止人类一直在利用自然资源来维持人口生存,将来也是如此。

地球上的资源并非是无限的,增加消费会对自然过程(在此过程中,某些资源是可以再生的)造成巨大的压力,使某些无法再生的资源趋于枯竭。

人类把许多自然系统作为资源。自然系统具有重新利用废物的能力,但是这种能力是有限的。自然系统的改变达到一定的程度,就会超过生命体自然适应的极限和人类技术适应的极限。

环境质量

自然生态系统产生了一系列影响人类的过程。这些过程包括大气质量的保持、土壤的生成、水文循环的控制、垃圾的处理和营养成分的再循环。人类正在改变其中的许多基本过程,这些变化对人类可能是有害的。

人类社会所产生的物质既影响地球的物理循环,又影响地球的化学循环。

影响环境质量的因素有多种。学生可以研究的因素包括:人口的增长,资源的利用,人口的分布,过度消费,技术的解决问题能力,贫穷,经济、政治和宗教观点的作用以及人类对地球的不同看法。

自然灾害和人为灾害

地球的自然调整可能对人类带来灾害。人类生活在以太阳能为动力的大气和上层地幔之间的界面上,地幔中的对流使地球的坚硬地壳发生变化。随着人类社会的膨胀并趋于稳定,由于人们逐渐认识到环境的价值,人类越来越经受不起自然变化过程的折腾了。

人类的活动能够增加灾害的潜势。资源的获取、城市的扩张和垃圾的丢弃会加速自然变化的速率。

有些灾害是迅速而猛烈的,例如地震、火山爆发和恶劣的天气。但是也有一些对个人和社会造成问题的变化是缓慢的和渐进的。例如,河道位置的变化、桥梁基础的腐蚀、湖泊和港湾的淤积、海岸的侵蚀、土壤和景观的破坏等均对社会有负面的影响。

自然灾害和人为灾害对人类提出了评价潜在危险和风险的要求。人类活动带来的许多环境变化为社会带来了益处,同时也造成了危险。学生应该了解各种灾害的代价和如何权衡利弊,从危及少数人的轻微灾害到涉及许多人的重大灾变。重要的考虑因素是灾变事件所波及的范围和科学家与工程师对事件的预测精度。

科技在应对地方、国家和全球挑战中的作用

科学与技术是重要的社会事业,但是科学技术本身只能说明能够出现什么,而不是应该出现什么。后者涉及到人类对知识运用的决策。

在激烈争辩有关科学技术的各种挑战的经济、政策、政治和道德问题之前,首先应该了解科学技术的概念和基本原理。不过,仅仅了解科学还不足以解决地方、国家和全球所面对的挑战。

科学与技术的进步受到社会问题和挑战的影响。对特定健康问题的投资优先度就是社会问题影响科学技术的一个例子。

个人和社会必须对开展新研究和向社会引入新技术的建议作出抉择。决策内容涉及:替代方案、风险、成本和效益的评价以及谁受益、谁受害、谁出钱、谁得利、风险的具体内容是什么、谁承受风险等方面的考虑。学生应该理解这一系列基本问题的合适性和价值,例如“可能发生什么情况?”“发生的可能性如何?”“科学家和工程师对即将发生的情况了解多少?”等。

人类对于其他物种有重要影响。例如,当人类使用土地和污染环境时对其他生命体产生影响,因为土地利用会减少其他物种的可用空间;污染会改变空气、土壤和水的化学成分。

第七章 科学教育大纲标准

科学教育大纲标准是制订学校科学大纲的质量准则和前提条件。它重点解决学校和学区层次上与学生学习科学和教师讲授科学的机会相关的问题。前三项标准提供判断K~12科学大纲质量的准则。这些标准针对负责设计、开发、选用和调整科学大纲的个人和团体。有关人士包括教师、系主任、课程指导者、行政管理者、出版商和学校委员会。各学校和学区必须把这些标准转化成体现本学区实际情况和政策,并与内容、教学和评价标准一致的大纲。因为内容标准只规定了学生应该知道、理解并会运用的知识,并未涉及学习大纲的组织,所以大纲标准A、B、C重点讨论教学计划、学习过程和课程的设计准则。而标准D、E、F描述了为全体学生学习科学提供适当机会的综合大纲的必不可少的实施条件。

大纲标准A:

K~12科学大纲的全部内容必须与国家科学教育标准其他内容相一致,而且内容之间必须不矛盾,全部内容必须在各年级内和跨年级间制定,以满足一组明确规定的目标。

在一个有效的科学大纲中,必须用一组对学生的明确目标期望来指导科学大纲全部内容的设计、实施和评价。

应利用课程框架的指导作用来选择和制定学习单元和学习过程。

教学实践要与目标和课程框架一致。

评价政策与做法应符合目标、对学生的期望和课程框架。

支持系统和对教师正式、非正式的期望必须符合目标、对学生的期望和课程框架。

要为确定、支持、保持和更新科学大纲的全部内容明确职责。

在一个有效的科学大纲中,必须用一组对学生的明确目标和期望来指导科学大纲全部内容的设计、实施和评价。

科学大纲始于对学生成绩的目标和期望;它还包括选择科学内容并将科学内容纳入课程框架、教学方式和评价策略。科学大纲的目标要阐述基本原理,展望推动着大纲的前景,阐述大纲所要实现的目的。

  应利用课程框架的指导作用来选择和制定学习单元和学习过程。课程框架为实现大纲目标提出的美好前景提供指南。教师在选择和设计学校、课堂的具体教学计划时利用这个指南。该指南通过规定课程的主题顺序,确保课程之间的联系和统一。教师利用课程框架设计教学方案,教学方案以学生先前的学习经历为基础,但要避免不必要的重复。课程框架指导学生完成学校教育。

  教学实践要与目标和课程框架一致。大纲标准不规定具体的教学行为,学区政策或学校政策也不应规定具体怎么教。在坚持国家科学教育标准基本原则的同时,可以有多种方式有效地讲授科学,但这些方式都必须与学区的目标和框架一致。

  评价政策与做法应符合目标、对学生的期望和课程框架。在科学大纲中,评价必须围绕课程和教学来进行,这是科学教育改革的最关键内容之一。如果学校和学区层次的评价系统不反映标准,也不衡量人们重视的事物,那么人们投身改革的可能性就会大大减小。只评价事实信息会不可避免地导致强调事实教学——这是今天学校的普遍弊病。社区领导和家长以及学校和学区层次的决策者必须了解学校所讲授的科学的本质,了解评价学生理解力的策略。这需要摒弃一些传统责任制方法,在课堂和学区范围内制定与学区大纲目标和评价标准一致的新评价政策和做法。

  支持系统和对教师正式、非正式的期望必须符合目标、对学生的期望和课程框架。一个有效的科学大纲需要充分的支持系统,包括人力、物力、财力、时间等资源,员工发展机会,以及努力实现大纲目标的领导。这一支持系统被正式写入教师手册等政策文件,也被非正式溶入决定日常工作的不成文规范。支持系统必须按《标准》的规定支持课堂教师讲授科学。

  要为确定、支持、保持和更新科学大纲的全部内容明确职责。尽管学校全体员工都负有责任,但有效的科学大纲要求明确学校和学区的领导权。领导权可赋予各种人,包括教师、学校行政管理人员和科学协调员。谁拥有这种领导权并不太重要,重要的是确保有效地担负起支持、保持、评价、总结、修订和改进大纲的责任。

科学大纲所需的相互匹配性可以用科学调研来说明。在任何科学大纲中,理解和进行科学调研的能力是学生的一个重要目标。为实现这个目标,教师必须给学生提供许多从事并反思有关自然现象的调研的机会。学区和学校必须提供突出调研的课程框架并在物质条件和时间上给予支持,以使这种教学成为可能。评价任务应要求学生证明他们理解调研的本质并具有调研能力。

大纲标准B:

面对全体学生的科学学习大纲应该适合学生的发育水平、有趣并与学生的生活相关;强调学生通过科学调研而达致理解;并与其他教学科目相联系。

学习大纲应包括全部内容标准。

科学内容必须嵌入各种适合学生的发育水平、有趣和与学生生活相关的课程形式。

学习大纲必须强调学生通过科学调研而达致理解。

科学学习大纲应联系其他教学科目。

该标准为课程设计者和开发者(无论是学区、研究开发机构还是商业出版公司)的工作制定准则,也为选择课程者制定准则。

  学习大纲应包括全部内容标准。本书所定义的科学内容包括八个范畴:统一的科学概念与过程、作为探究过程的科学、物质科学、生命科学、地球与空间科学、科学技术、从个人与社会视角所见的科学以及科学的历史和本质。有效的科学大纲所包括的活动应使学生对所有范畴都达到理解并具备相应的能力。

  科学内容必须嵌入各种适合学生的发育水平、有趣和与学生生活相关的课程形式。课程不仅包括内容,而且包括课堂上内容的构成、组织、轻重安排和讲授方法。课程设计要考虑大纲标准和内容标准,还要考虑教学标准和评价标准。

内容向课程的嵌入,可以而且应该采取多种形式。《标准》不为学生达到内容标准规定单一课程。相反,为使学生充分体验科学并达到科学教育目标,各种课程形式、结构和重点都应包括在构成整个科学大纲的教学活动、教学单元和课程中。

无论科学大纲怎样组织,都应该加强学生对日常生活中遇到的自然现象和有关的社会问题的了解。因为对大多数自然现象的探究,以及解决与科学有关的社会问题,均涉及对多个内容标准的理解和掌握,所以科学大纲包含了为从多个内容标准中获取知识和技能而设计的教学活动、教学单元和教学过程。例如,一个有关河流水质的教学单元,也许会强调有关作为探究过程的科学这一内容标准所规定的内容。同时,该教学单元可能提高学生对从个人与社会视角所见的科学、生命科学、物质科学和地球与空间科学的了解。

如果教师的教学目的是为学生理解内容标准所述的内容,那么必须从课程中去掉大量缺乏相互联系的琐碎信息。用综合法和主题法设计课程可能是有效的;然而,设计和实施课程需要技能和理解。

有效的科学课程教材,是经验丰富的教师、科学家和科学课程专家组成的小组通过系统的研究开发过程编写出来的,这个过程包括设计、试验教学、评价和修改的反复循环。因为研究开发过程是劳动密集型的,而且需要大量科学、技术和教育专长,所以教师和学区人员通常经过反复研究外界制作的科学教材,来设计开发满足本地目标和框架的课程。为满足本学区和本学区教师的目标,并利用本地社区的资源,往往需要修改这些教材。然而,应注意的是在修改外来教材使之适合本地需要时,不能破坏原定意图和设计。

整个学区的目标、对学生成绩的期望和课程框架可以确保跨年级的统一和联系,但它们不可束缚学校教师的创造力和权变性。尽管高质量课程教材给科学教学提供重要基础,特别是对新教师和那些不熟悉《标准》所要求的科学内容的其他教师,但教师们有必要通过调整和修改课程教材使之适合他们自己和学生的实力和兴趣,以各种方式灵活地满足科学大纲的目标。

内容标准被设计得适应学生发育水平,使学生循序渐进地形成对基本概念的理解。在设计课程时,应注意在连续几个年级反复讲解概念,以便随着学生的成熟,他们有机会加深理解和增强能力。要求各年级掌握的概念和能力只有符合学生的心理、情感和体质能力,才能实现理解与能力的逐步发展。安排一些活动有促进学习之效,而一些活动可以稍稍超出学生的发展水平。然而,要求学生学习那些远远超过他们的认知和身体发育水平的术语并开展活动是不恰当的。

  学习大纲必须强调学生通过科学调研而达致理解。调研是科学家和学生提出有关自然界的问题并研究其现象的一组相互联系的过程;在此过程中,学生获得知识和对概念、原理、模型和理论的充分理解。在各年级水平和各科学领域,调研都是科学大纲的关键部分。课程和大纲的设计者必须确保,学生在掌握科学内容时是通过探究获得科学理解的,教学和评价策略也要强调探究过程。这样的话,学生就将以参与科学实际运作的方式学习科学。

  科学学习大纲应联系其他教学科目。通过协调科学大纲和其他大纲,可提高学生在科学以及社会研究、语言艺术和技术等其他科目上的成绩。此外,通过协调还可以在拥挤的课程安排中最大限度地利用时间。例如,国家地理标准中包含地形知识,地球与空间科学标准中也包含地形知识。因此将地理和科学结合在一起是自然而然的。当学生记录、总结和向班级、学校或社区报告其调研结论时,口头和书面交流能力也得到发展。通过协调活动,可使这些技能在科学大纲和语言艺术大纲中都受到注意。

大纲标准D:

K~12科学大纲必须为学生提供适当而充分的资源,包括优秀教师、时间、材料和设备、适当而安全的场所和社区。

最重要的资源是专业教师。

时间是科学大纲的重要资源。

开展科学调研要求学生可以方便、公平、经常地使用多种设备、材料、供应品及其他资源,以便对现象进行实验研究和直接调查研究。

合作调研需要适当而安全的场所。

良好的科学大纲需要步入课堂以外的世界的机会。

学习科学需要对自然现象进行主动的调研。这种调研需要适当而安全的环境和丰富多样的资源。科学学习环境的具体标准取决于学生的需要和科学大纲的特色等多种因素。熟悉某一题目的学生也许需要利用校内外的额外资源的机会;操不同语言的学生也许需要用该语言编写的材料;身体残疾的学生也许需要特殊设计的器材;没有用过电脑的学生也许需要辅导教师或辅导性程序。学区决策者和负责预算分配的人必须提供这些资源,而校级管理者和教师必须做到一旦分到资源就要很好利用。

  最重要的资源是专业教师。不用说,学生必须有熟练的专业教师。教师必须做好准备,以便能给在能力、需要、经验和学习方法各有不同的学生讲授科学。教师必须了解他们讲授的内容,理解学习的本质,并采用一系列科学教学策略。聘用教师的原则必须确保新聘的教师能够讲授科学,而且在挑选新同事时应该挑选成功的科学教师。

学区应利用专业发展标准给教师提供发展机会,提高教师进行有效的科学教学所需的能力。用于这种发展的资金和专业时间,是学区预算的一个重要部分。

重视专业科学教师并不会使学校轻视支持科学大纲的其他人员。除行政人员和教学同仁外,其他支持人员可能包括资料管理员、实验室技师或维修人员。

  时间是科学大纲的重要资源。在每日、每周和每年的教学计划中,科学教学必须被分配以充足的时间。内容标准定义了科学素养;全体学生达到科学素养标准所需的时间取决于特定大纲。必须给科学教育分配专用时间,满足以探究式教学为基础的科学大纲的需要。无论时间如何安排,教学课程表都需要提供充足灵活的时间,以适应学生和所学内容的需要。除与学生和同事在一起的时间外,科学教师还需要大量时间准备材料、设计活动、创造学习环境、组织学生实习。这些时间必须纳入日常教学安排。

  开展科学调研要求学生可以方便、公平、经常地使用多种设备、材料、供应品及其他资源,以便对现象进行实验研究和直接调查研究。有些设备是通用的,应该是各校必备的科学设备,如水平适度的放大镜或显微镜、测量工具、数据分析工具和带有支持调查研究的软件的计算机。其他设备是各主题所特有的,如一年级用的水力工作台或物理研究用的减小阻力的风动工作台;这类专门设备也应必备。许多材料是消耗品,需要定期补充。此外,决策者应记住,设备需要经常更新换代,而且需要定期检修。

假如适合以调研为基础的科学教学的物质条件,是达到《标准》所提出的教学目标的核心,那么提供物质支持基础设施应该成为任何科学大纲的组成部分,这是非常重要的。学校系统需要开发一种能够鉴别典型教学材料、保管它们并让教师及时利用它们的机制。也就是说学校提供适当的基础设施,可以使教师有更多的时间去做更适当的工作,并确保在需要时可以获得必要的教学材料。因为科学探究的范围比直接调查研究更广泛,所以还需要诸如印刷、声像、仿真及其他信息技术手段等。它们都属于物质材料支持基础设施。

教学标准始终强调对学生的兴趣作出响应与调整,这必须在反映有效的科学教学的课堂上表现出来。关于调研的内容标准设定了这么一个期望,期望学生培养出全面的调研能力。为使这种以调研为基础的教学变成现实,除学校和学区常备的材料和器材外,科学教师还需要一笔易于获得的预算,以便用于材料、设备或其他不可预见的开支。

  合作调研需要适当而安全的场所。学生必须拥有开展成组工作、安全地进行涉及各种材料的调查研究、展示工作进展和工作成果的场所。科学教学所需的材料也必须有安全方便的存储空间。在低年级,往往不需要独立的实验室,事实上,从长期学习和保持教学科目之间的联系方面考虑,把科学作为课堂环境的一个组成部分是有利的。在较高年级,实验室对于提供调研所需的场所和设备是至关重要的,也是保证教师、学生安全地进行调查研究的关键。学生做调研的所有场所必须符合相应的安全规定。

  良好的科学大纲需要步入课堂以外的世界的机会。学区和学校领导必须在经费方面为学生在课堂以外开展调查研究提供机会。这也许意味着要到附近名胜古迹去旅行做预算,如河流、考古遗址或自然保护区;还可能包括与地方科学中心、博物馆、动物园和园艺中心签订合同以组织参观和其他活动。应该与地方工商业发展关系,这有助于教师、学生接触社会,而且必须让学生接触高等院校和医疗机构中的科学家和其他专家,接触他们的专门技能和实验设备。任何人都有可能利用通信技术接触世界各地的其他人。应给学生方便地利用通信技术的机会。

这个标准的大部分被认为对中学生非常重要。然而,必须强调的是,这个标准适用于整个科学大纲和各年级学生。此外,实施这个标准需要一些高水准的资源,而有些学校或学区却缺乏这些资源,或根本无法获得这些资源。缺乏资源不能成为不教科学的借口。许多教师和学校在艰难的条件下(如教室拥挤、从其他科目挤时间、个人出钱买材料等)“勉强对付”或临时凑合。以《国家科学教育标准》为基础的科学大纲是一个不断以必要的资源代替这种临时凑合的大纲。

大纲标准E:

K~12科学大纲范围内的全体学生必须有达到全国科学教育标准的公平机会。

全体学生无论性别、文化或种族背景、无论身体或智力残疾与否,不论未来理想或科学兴趣如何,都应有获得高水平科学素养的机会。标准采用这种公平与优秀的原则,规定全体学生都有获得科学学习机会的权利,并明确规定了全体学生应达到的较高理解水平。特别是让所有人学习科学这样一种承诺,意味着要包括进来一向得不到科学学习机会的人—妇女和女孩、有色人种学生、残疾学生和英语水平有限的学生。这就意味着要注意各种学习方式和不同的动机以及为满足特殊学生的需要和不同的动机而进行调整。它还意味着为有兴趣、有能力超出基本大纲的要求做进一步学习的学生提供机会。考虑到学生的需求、经历和背景多种多样,而全体学生又要达到共同的一组标准,学校就必须支持高质量的、多样化的科学学习机会。

内容标准中规定的“理解”和“能力”代表对全体学生的要求,不代表对不同学生的不同期望。课程开发者、本地决策者和科学教师必须对此作出决策并提供适应不同学习速度所需的资源。

公平与优秀原则可用于指导学生分组。有些科学活动适合分组,有些科学活动不适合分组。分组决定是根据活动的目的和要求,以及学生的需要、能力和兴趣做出的。以《标准》为基础的科学大纲保证全体学生都能参与适合不同需要的具有挑战性的科学活动。

公平与优秀原则还影响着大纲标准A相互协调性和大纲标准B—课程。科学大纲的各方面都坚持科学面向所有人的原则。课程所选主题应支持这样一个基本看法,即不同背景的男女都能参与科学,而且科学史也表明确实如此。教学原则对不同学习者有不同做法,课堂是尊重多样性的地方。评价工作应坚持公正标准,不能不公正地采纳某一特定群体的观点或经验。也可适当修改评价方式,以适合残疾学生或其他有特殊情况的学生的需要。