美国FOSS科学教育项目介绍

FOSS(Full Option Science System)是由美国国家科学基金会资助,旨在推进国家科学教育的三大科学教育项目——Insights、STC(Science and Technology for Children)、 FOSS ——之一,由加洲大学劳伦斯科学馆(Lawrence Hall of Science)开发。它是一套涵盖了从幼儿园到八年级的科学课程(本文只涉及它的幼儿园到六年级部分),提供了总计36个(本文所涉及的幼儿园以及小学部分共有27个)供研究的科学主题单元(module),人们可以根据当地的课程标准从中选择使用所需要的内容。它吸收了脑科学、认知科学以及人工智能研究等的科学成果,建立在建构主义关于学习本质的认识基础上。这种课程设计强调经验、强调探究、强调教师与学生共同参与,注重提供给学生通过自主探索以及分析、交流来建构科学概念的机会。这些思想与我国的新课程改革的思想有着诸多相通之处。本文将从FOSS的目标、FOSS的基本设计思想、它的组成结构以及各个单元的基本框架结构等方面对这一套教材作一比较详细的介绍。
一、 FOSS教材的基本特点
(一) 密切联系脑科学、认知科学的研究成果,使课程设计与学生的认知发展水平保持一致。这一点表现在其宏观的基本框架结构安排与具体的教学活动设计两个方面。
脑科学与认知科学的研究表明:人的认知发展要经历有序的几个阶段:感觉运动阶段、直觉阶段、前运算阶段、具体运算阶段、前形式阶段、形式运算阶段与辨证思维阶段。FOSS教材为处于不同认知发展阶段的学生,设计了不同的主题单元作为其学习内容,培养其不同层次的思维技能。例如:在幼儿园安排了《两两成对的动物》与《树》两个比较贴近学生生活的主题单元。而在5—6年级设计了《杠杆与滑轮》《模型与设计》等相对抽象的主题单元。而且,对于低年级的小学生,主要培养其观察、比较以及简单组织观察结果的能力;如在《两两成对的动物》单元,FOSS教材要求学生“观察古比鱼与金鱼,比较其结构以及活动方式,
并交流观察结果”。而对于高年级的学生,要求其通过比较、分类、推断、实验等方式获得对高级概念的理解。如《模型与设计》单元的“黑匣子”游戏,学生通过感觉黑匣子内的物体运动方式来对黑匣子的内部结构作出推断,进而理解“模式”这一抽象概念。
具体教学中的活动设计也体现出FOSS教材与脑科学以及认知科学的密切联系。科学家依据学习者所使用学习材料的具体与抽象程度将学习分成第一手经验、第二手经验与最后一手经验。对于小学生来说,学习需要从第一手经验开始,即运用对实际材料进行操作的“动手做”学习形式;然后过渡到第二手经验,即运用图片、音像资料等进行学习;最后才是最后一手经验,即通过语言文字进行学习。如在《地形》单元学习地图的活动。老师先给学生一个拆开的“山”的模型,让学生运用自己关于“山”的知识(下面大、上面小)将它们拼到一起。然后在带有一个中线的图纸上将这个山的模型画出来(将模型拆开,一个部分一个部分地
进行)。这时,学生自己将实物变成了图形。第三步,让学生根据画出的图形说出“从哪里上山最近但最困难(因为它很陡)?从哪里上山最远但比较容易(因为它的坡度比较大)?”这时,教师引出了“等高线”概念。第四步,老师将准备好的地图拿出来(模型是依据美国一座非常著名的山,按照同样的比例尺制作的),让学生将模型放到地图上,他们便会发现,模型和地图的一部分完全重合,这时教师再根据模型讲解地图上的各种地形的形成以及特点等。这样的活动设计既确保了科学性(模型与真实地图的比例尺相同),又实现了趣味
性。它通过让学生经历一个自己来组织模型、自己来画出地图的过程,将一些原本抽象的概念形象化、具体化,学生便可以在具体体验中清楚地理解这些原本抽象的概念。
与传统的教材宽泛而又表面化地涉及到许多的主题不同,FOSS采取的是大单元的形式。从生命科学、物质科学、地球科学以及科学推理与技术几大领域精选了少数几个但是对学生发展比较有意义的主题。每个学期只学习一到两个主题,但学的深入、学的透彻。各个年级的教学内容也是按照学生认知发展水平来组织安排[具体安排见本文第四部分FOSS内容范围和结构安排]。
(二) 通过“动手做”的方式,促进学生的积极学习(Handson Active Leaning)。“做中学”是FOSS教材设计的一个基本理念,“动手做”即是其主要教学形式。
脑科学的研究表明:大脑获取信息的惟一途径就是身体的五种感官,所获取的不同信息由大脑的不同部位来储存。当学习者回忆某一经验时,一种联系组织(树突/突触)可以将相关部位联系起来,这时相关的储存系统和路径都被激活而形成一个图象,学习过的知识得以再现出来,人的思维能力在不断的激活中也得到不断的提高。所以,只有当学习者处于一个有着多种多样的联系与刺激的环境中时,学习者才能更好地建构自己有价值的知识并迅速发展其思维能力。与传统的讲演、演示等教学方法只能激活少量的大脑通路,也就只能片面而又慢速地发展其思维能力相比,“动手做”的方式是一种积极的学习方式,它给学生提供了对物体进行实际动手操作的机会。“动手做”对学生是有很强的刺激作用的,它可以很容易地激起学生的好奇心与创造力,使学生能够积极参与。学生通过“动手做”的积极学习形式,可以自己来观察、实验、收集材料、整理结果,并试着作出结论。 
比如,在《人体》这一单元对于“骨骼”的学习中,FOSS设计了一系列的活动让学生通过“动手做”的形式来学习。首先,让学生自己来摸一下身上某个部位有多少块骨头,然后小组讨论。他们发现他们得到了不同的答案。这一活动将学生的好奇心激发了起来,他们发现自己并不真正了解自己的骨骼。然后出示各个部分的人体骨骼图,学生便会非常认真、仔细地观察人体骨骼图,数出各个部分有多少块。第三步,让学生试着将拆开的人体骨骼模型按照自己的想法组装起来。最后再出示整个人体的骨骼图,让学生仔细观察后再去组装一次。通过这样的活动,学生对人体骨骼的认识是不是要比传统的“告诉”深刻得多,也有意义得多呢?“听会忘记,看能记住,做才能理解”。“动手做”的教学方法已经在全世界的科学教育中得到了认可。
(三) 有效运用“设疑法”,推动探究活动的层层深入。有效提问是FOSS教材教学中运用的一项有效策略。教师设计一定的问题情景,刺激学生提出一些问题。或者教师提出一些有意义又可以进行探究的问题来鼓励学生进行探究。在探究的过程中,也通过“设疑法”引导探究一步一步进行下去。“问题是思维的开始”,学生在面对一系列富有挑战性的问题时,好奇心得到激发,思维得以活跃起来。
我们以《磁铁》单元的一个教学活动为例来看一下FOSS教学中“设疑法”的运用。在学生对磁铁的吸引与排斥探究完之后,老师便提出“我们可以如何运用天平来测一下磁力的大小?”这一问题。在老师出示了测量中用到的小铁片后,让学生预测“放多少个可以打破天平的平衡?”。师生一起来验证他们的假设,并让学生自己来做实验验证。学生得到了不同的答案,“为什么各个小组需要不同的铁片呢”?学生便可以根据自己的实际操作经验做出影响测量结果因素的总结。“如果我在两个磁铁之间放上一个塑料垫片把两块磁铁隔开,需要的铁片会多,还是会少呢?”“两个、三个、四个,然后更多呢?”通过这样一步步设疑,学生将探究活动逐步深入,并且可以使学生始终保持对探究活动的兴趣。
(四) 鼓励合作学习。培养学生的合作能力是教育的一项重要目标,合作也是科学事业的核心。FOSS教材将3—6年级的学生每4个人分成一个小组,每个小组成员分别负责管理、资料收集、资料分析与结果汇报等工作。而且在活动的进行中,个体学生的观察结果与想法最后需要在小组内进行交流,最后形成小组决议的一部分。活动的规划、操作以及信息处理,都要通过他们相互合作来进行。通过这样的合作活动,他们可以获得对彼此观点的深层次理解,他们的合作能力也可以得到较快的提高。FOSS教材给学生提供的合作形式是多种多样的。有小组内的问题讨论、全班性的“头脑风暴”,也有操作过程中的交流与协作,等等。
(五) 鼓励学生不断进行记录与反思(Reflective Thinking)。将想法与实验结果随时记录下来是一件复杂的事情,但对学生的思维发展是极有意义的。因为一个想法必须从数不清的点点滴滴的信息中合成起来,然后再通过语言加工成我们称之为“词”的一串符号,最后再有序地将信息输出来。除了传统的文字记录以外,FOSS教材还鼓励学生使用绘画的形式进行记录。绘画的形式生动、形象而又直观,对于小学生,特别是低年级的文字掌握不多的小学生来说是比较适宜的。而且它也有助于训练学生的空间思维能力。学生的想法往往是瞬间即逝的,将它们记录下来,学生可以对他们的想法进行逐步的实验验证,还可以将想法与实验结果进行对比。这样,学生便逐步学会了反思,这是教育所力图培养的一种重要能力。仅仅对一些材料进行操作是不够的,学生需要反思一下操作经历使他们了解到了哪些信息,以及在操作中,哪些地方出现了问题或者可以有所改进,这也是真正的科学研究所必备的基本素质之一。
(六) 强调学生的阅读与拓展性研究。FOSS强调除了“做中学”的基本形式之外,阅读与拓展性研究也是学生所必不可少的学习形式。通过阅读与自主调查,学生可以将他们的经历从教室以及工具箱的限制中拓展出来。他们可以通过阅读与拓展性研究来增强对所学主题的理解。比如,可以从阅读中了解一些对科学做出杰出贡献的科学家,通过拓展性研究,将自己感兴趣而课堂上又无法进行的活动进行下去。FOSS为每一个单元设计了配套的《科学故事》,为学生选择了一些相关的阅读材料,在每一个单元的每一个活动之后设计了拓展性研究”版块,为学生的拓展性研究提供一些建议。
但是,Lowery教授认为:在小学科学学习中,阅读不应当是科学信息的最主要的来源,最重要的应是学生个人的经历。阅读材料需要精选,并且要在探究活动进行之后再提供,这样比较有利于学生的积极学习。
(七) 多元化的评价方式。FOSS的评价方式也是比较有特色的,它采用了多元化的评价方式。有激励学生不断进步的单元中形成性评价,也有对学生表现、教学效果进行最后检验的总结性评价;有在学生进行操作实验的过程中,教师对学生进行的一些非正式观察评价,也有严格设计出的考试评价方案。它们都对学生评价起着一定的作用。
1. 三个方面的评价内容以及相应的评价方式。  FOSS教材的评价内容包括三个方面。一个是知识(Content Knowledge)。即对于所研究的主题,学生了解到了一些什么?他们能说出多少关于某一主题的具体知识性信息?对这一方面的评价,多采用的是问答以及试卷测试的形式来进行的。第二个是调查研究的能力onducting Investigation)。对于这一能力的测量,FOSS项目采用了一种表现性评价方式(Performance-essment),即对学生的实际操作进行评价。第三个是进行解释迁移的能力(Building Explanation)评价。理解各种经历并
将其溶入到更高、更深的知识与运用到相关情景中去是FOSS期望小学生能达到的最高水平的发展。学生对其操作以及实验结果进行解释的过程对思维是有较好的训练意义的。FOSS项目的评价也涉及到这一层面的问题。
例如:在小龙虾的学习中,学生通过学习可以了解到小龙虾生长在比较凉爽并且容易得到食物的小溪与池塘里面。这是内容知识。学生可以在教室里为小龙虾创造一个生存环境,并为它提供房子式的遮蔽物,记录下一周内每一个小龙虾在其中的活动资料,并进行分析。这是调查研究的能力。学生依据他们的观察结果以及收集到的其他资料,来解释小龙虾在自然栖息地中的生活方式以及运动方式,则是解释迁移的能力。
2. 在各个年级中使用不同的评价方式。根据学生的年龄特点,FOSS为各个年级的学生设计了不同的评价方式。例如:FOSS幼儿园评价采用的是非正式的教师观察与教师提问的评价方式。《教师指导书》中为教师提供了如何在学生探究活动中进行观察以及提问的一些建议。
1—2年级的学生已经开始做大量的与其科学探究相关的工作了。评价以教师观察、学生访谈以及学生书面作业的形式进行。教师收集到的一些学生的简单语句,以及学生绘画也都可以被用来作为对学生在本单元获得知识与技能情况的评价。还有一个小型的总结性测试与文件夹评价(portfolio assessment)。3—6年级的评价形式除了教师观察学生操作、研究学生记录纸,以及访谈之外,还增加了学生表现性评价任务(Performance—assessment tasks)。总结性评价运用了两种基本形式:单元末评价测试(the endofmodule assessment)与积累性文件夹评价(the portfolio of accumulated work)。《教师指导书》中的评价部分对所有的评价方式以及资料收集等都提供了指导性建议,对如何将评价转化为学生成绩等级提供了较为细致的参考意见。
二、 FOSS项目的目标
(一) 提高学生的科学素养(Science Literacy)。FOSS要为所有的孩子提供适合于他们认知发展阶段,并能够为更高阶段作好基础准备的科学经验,以提高其基本科学素养,适应21世纪世界新发展对儿童提出的新的要求。
美国2061计划描述了基本科学素养的内涵:熟悉大自然,包括它的多样性以及它的内部相关性;理解科学中的一些重要概念,如:能量、模式变换、变量、系统与相互作用、比例以及结构等;意识到科学、技术,以及数学是相互联系着的人类事业,例如它们都包含着力量与极限;科学思维的能力;运用科学知识与思维技能来实现个人的以及社会的目的等。
FOSS在小学科学课程部分设计了关于地球科学、生命科学、物质科学、科学推理与技术四大版块36个主题单元的内容,并通过设计适合不同发展阶段学生操作的、有利于积极学习发生的各种活动来逐步培养学生的基本科学素养。
(二) 促进有效教学(Instructional Efficiency)。FOSS为教师提供的是一个完整的、灵活的、容易操作的科学课程。这些课程设计反映了许多最新的关于学习的研究成果。而且使用一些有效的教学方法,包括动手做积极学习、质疑法、鼓励反思,以及合作学习等来促进有效教学的进行。
FOSS项目特别注意让教师获得充分的帮助信息。FOSS提供的一系列有效材料使得大多数教师都可以成为能够胜任的优秀的科学教师。这些帮助材料包括:完整的器材工具箱、科学背景信息、教师易于遵循操作并适合于多种教学模式的课堂布置、给父母的一封信(号召家长积极配合教学)、用到的数学问题解释,以及家庭学校拓展问题建议等。
其他的辅助有效教学的形式还有:教学嵌入式评价(embedded assessments)、1—6年级的单元后评价(End of module assessments)(包括表演性评价performance assessments)、FOOS科学故事(与1—6年级的各个单元活动相匹配)、跨学科的活动:包括数学以及语言拓展部分、在家里可以进行的具体活动、阅读材料、录像带、FOSS网站提供一些拓展性建议、关于教育方法以及管理策略的专题讨论,以及演示大量的课堂教学活动实例的教学录像等。
(三) 推进系统性改革(Systmetic Reform)。美国正在进行一场对传统课程设计的系统性改革。它力图实现从学生对科学概念的被动的接受学习向学生通过真实体验进行积极探究学习的转变。美国目前的国家科学教育标准已经将这一转变作为其中的一项重要内容。国家发动了一些科学技术公司与学校系统一起合作开发。由科学家、教育家、心理学家以及教师一起组成的FOSS项目组,力图以国家的科学教育标准为依据,推动国家的系统性改革。
三、 FOSS项目的组成结构
(一)  FOSS《教师指导书》(Teacher Guid)。
《教师指导书》是FOSS项目最重要的组成部分。每一单元的全部内容、如何对这一科目进行教学,以及一些教学辅助性资源在此都有所呈现。单元中的所有思想及概念都在此汇集。每一个主题单元都有一本《教师指导书》,书中包含了以下几个方面的内容:FOSS介绍、本单元概要、所需材料、探究活动、学生记录纸复印模本、评价(1—6年级)、科学故事页(1—6年级)、参考资源页,以及FOSS网站介绍。
(二) 工具箱(Equipment Kits)。积极学习科学需要的材料。FOSS项目用高质量的抽拉式箱子为教学提供了所需的材料。每个箱子里面的材料可以供一个班32个学生使用。消耗性材料可供使用两次。工具箱里包含了除活的物体、食物以及教师需要提供的少量的普通办公用品,如胶带、记号笔或者剪刀等以外的全部材料。这些齐备的高质量的工具为教师教学提供了方便,也为学生的自主探索活动提供了材料,是动手做学习所必不可少的一个组成部分。
(三) 录像带(Videos)。每个单元的工具箱里面都有本单元的录像带。录像带是对本单元的介绍,并不能替代《教师指导书》。27盘录像带中,每一盘都由一个FOSS项目成员或者一位有经验的老师来演示如何为每一个活动准备器材,以及课堂上教师与学生一起使用FOSS教材学习的片段。
(四) FOSS科学故事(Science Stories)。FOSS科学故事是与1—6年级FOSS的各个单元主题相配套设计的。1—2年级的故事书中充满了教学图片,文章与图片直接相关,不断提醒学生注意一些细节,多进行比较并对一些图片进行批判性思考。3—6年级的科学故事是一些与本单元内容直接相关的文章收集。其中包括有各种体裁的文章,记叙文、说明文、传记、技术材料等。FOSS科学故事也被放在它的工具箱里面。分别用英语和西班牙语书写。这些科学故事可以大大拓展学生对某一问题的认识,扩展学生的视野。
(五) FOSS网站(www.fossweb.com)。FOSS网站为教师、学生以及家长打开了新的视野
每个年级的3—6个单元中都有一个对应的交互性网点。在那里,学生可以找到一些教学游戏以及各种交互性模拟活动。有兴趣的还可以访问与各个单元相关的网站,对某一主题进行更深层次的探索。教师也可以在此与其他教师建立联系,讨论教学问题并交流教学经验。
(六) 在FOSS项目中学生没有教材,只有一些活动记录纸以及教师临时分发的一些反馈材料,这也是FOSS的一大特色。Lowery教授认为,真实的生活是没有教材的。我们需要培养学生自主探索与创新的意识,需要给儿童自我建构知识的机会。
四、 FOSS教材内容简介
(一)FOSS内容范围和结构安排





(三) 各个单元主题的内容安排。
27个主题单元是FOSS教材的最重要内容。单元主题的内容安排集中体现了FOSS课程设计所遵循的基本原则与思想。每个单元主题的学习前,FOSS的《教师指导书》都要给出一系列的帮助信息:首先是概述,介绍本单元的主要内容;然后是背景知识,帮助教师从科学知识方面为胜任本单元的教学做好准备;随后是学生需要了解的一些重要信息,这里提出了一些在本单元的学习中,学生需要掌握的一些重要概念以及思想发展要求等;随后有语言发展、学生组织以及空间安排等建议;还有教学过程建议,对于本单元的时间分配安排给出一些建议;最后还有材料的组织建议以及如何为本单元的教学做好准备等。每个单元主题中有3—6个探
究活动(多为4个,幼儿园除外),每个活动中,分别有教学目标、概述、供教师使用的背景信息、儿童应具有的重要思想等,然后是将活动分成各个部分来具体展开活动。在各个部分的具体活动中,首先是材料,列出本部分所需要的材料,然后是教师需要做的准备工作(包括活动规划、材料准备等),随后是具体操作部分,本部分对教师如何进行教学提供了具体性的安排建议,最后是家庭与学校拓展部分,为学生在家里以及学校里进行拓展研究作好准备。
                                                      南京师范大学教科院 郝京华 岳凤敏