Sally女士在中美小学科学教育座谈会上的专题报告

我是美国国家科学资源中心的创建者之一。从中心成立时就在那里,了解中心的整个发展过程。自中心成立之后的15年时间里我一直担任中心副主任的职务。职责主要是为中心承办的项目活动筹集资金,编写课程教材,将教材推广到学校。中心开发的第一个项目就是STC教材。

 

我们是从1987年开始具体进行有关STC教材的调查研究工作。在这里我简单介绍一下这个研究项目所涉及到的领域:人如何学习、教师如何有效地进行教学、如何进行有效的学习评价、学校及学校系统的文化与环境、教学设备(价格低廉、经久耐用)、如何拓展市场推广教材并与传统教材进行竞争。

 

在美国,STC教材是带有创新性的。教材编写的目的是改变学生学习的模式,同时改变老师的教学模式。这是一项非常困难的工作,因为在美国一半以上的学校采取的是传统的教材和教学模式,推广STC教材确实还有很长的路要走,要做很多艰苦的工作。与我们合作的企业在很长一个时期内没有盈利,与我们合作的出版社在合作的前五年一直不盈利,直到第六年才开始收回成本。教材从开始只有0.5%的学校使用增长到现在有15%-20%的学校在使用。这一过程用了12年的时间,差不多每年增长1%。但在今年达到了一个高增长点,我们的教材现在已经很知名了。

 

下面我向大家介绍一下STC课程的编写的基本思想与情况

 

1-6年级的STC教材的编写共花了8年时间(1988-1996),大约8-9百万美元,其中4百万元来自美国国家积金会,其余资金来自私人积金会和企业,要获得这些资金要提供项目的建议,经过评价后才能得到拨款。当国家科学教育标准在1996年公布的时候,我们已经完成了一半的课程单元。项目包括32个单元,如下表。

 

年级

生命、地球科学

物质科学

1

生物

天气

固体与液体

比较与测量

2

蝴蝶生命周期

土壤

变化

平衡与称重

3

植物生长与发育

岩石与矿物

化学实验

声音

4

动物研究

陆地和水

电路

运动与设计

5

微观世界

生态系统

食品化学

浮与沉

6

植物的实验

测量时间

磁铁和马达

纸的技术

7/8

人体

灾难事件

物质特性

能、机械与运动

7/8

有机体从微观到宏观

太空地球

电能与电路设计

在初中,学生对于生命科学的理解力强于对物质科学的理解力,这是因为在孩子周围有许多动物和植物,孩子在生活当中与动物、植物接触比较多,所以他们对生物科学要比对物质科学的理解能力要强。这就是为什么在课程安排上只有一半的内容是有关物质科学的。当我们获得第三次国际教育与数学评价报告时,我们发现小学生对生命和地球科学做得非常好,但对物质科学的学习做得较差。原因是教授物质科学的教师本身就没有受过这方面专门的培训。在美国,科学教育所遇到的困难与中国不同,因为美国采取的是教育分权体制。

 

我们所开发的教材即可以在8周内独立完成,也可以与其他课程配合使用。教师可以在学年中的任何时间来教授这些内容。在教学过程中所涉及到的动、植物是安全和干净的,也不存在污染环境的问题。例如我们在四年级动物内容的学习中涉及到以蜗牛作为研究对象。在上个月我们了解到美国禁止蜗牛跨越州境进行运输,原因是它们会大量繁殖,可迅速传播某些病虫害。为了防止病虫害的传播,所以禁止州与州之间蜗牛的运输,那么我们就要对这一部分教学内容进行修改。寻找教学单元中能在教室内容易存活动植物非常困难。每个课程单元即要有相对的独立性,可以独立进行教学,同时为了适应在学校系统中推广这套教材,每个单元之间也需要有机的联系,形成完整科学的教学体系。这里我们要考虑课程纵向的衔接,在科学内容上逐渐加深,第二年学习的概念要建立在第一年概念的基础之上。要求学生掌握的技术也随课程的深入而变得更加复杂。

 

我们查阅了大量的调查资料,也在学校做一些测试,发现在五年级以下的学生对变量掌握得不好,在五年级以后掌握得越来越好。我们曾在五年级以下的课程内容中设计一些有关的变量,但学生不能独立完成,必须要有一些指导。所以在五年级以前课程内容主要是探索,五年级以后则可以支配实验了。例如《沉与浮》单元我们曾在4年级的学生中安排进行实验,他们的概念是重的东西会沉下去,而轻的东西会浮起来。而在5年级做这个实验时,学生能够很好地理解有关浮力的概念,能够更好掌握变量的关系,这跟大脑的发育过程是一致的,在少年时期大脑发育是由后至前发育,在13岁以后,大脑前部开始发育。12岁的孩子大脑前部尚未发育,对于需要推理和归纳的概念无法掌握。在教师在给低年级的学生讲述有关科学概念时,如太阳系的关系时,在使用太阳系模型介绍行星之间的关系时,在介绍概念、距离、尺寸大小等会给予学生不正确的理解,这种不正确的理解是会在学生的脑海中存在很长的时间,由于一开始就形成了概念,这种概念就很难改变。所以在给低年级学生进行模型教学时,他们会产生错误的理解,因为他们不能进行抽象的推理。所以模型教学应放在高一些年级进行。在13年级,主要为学生大量提供与自然界有关的物质,让他们进行比较观察,发现物质之间的关系和区别,培养观察事物的能力。例如用花做的实验就是很好的例子,让学生掌握观察自然界物质的能力、观察的技巧和技能。

下面我来谈一下有关生物科学的课程。一年级的学生花费8周的时间学习并了解自然界的动植物。在2年级教学中,学生要对昆虫进行观察,如蝴蝶在自然界世界各地都可以找到,从蝴蝶生命周期循环的各个阶段掌握有关知识,学生可使用学习到蝴蝶生命周期与其他动物甚至人类的生命周期进行比较。通过让学生进行比较,发现不同生物生命周期中的共同的生命循环模式。在3年级的时候,我们安排了植物生长的课程内容,是植物完整的生命过程,从种子种下到发芽、开花、结果,在开花与结果之间,由蜜蜂完成授粉过程,这一环节与其他生命过程不同。在4年级时,我们安排了有关动物的课程,包括水生动物和陆地上的动物,观察它们的行为,生存条件等。到5年级的时候,学生们就要借助放大镜和显微境研究微生物世界。在6年级的时候又重新回到对植物的研究上,不同的是在植物的生长过程中加入其他的变量,如施肥、浇水等,比较不同变量作用在植物生长过程当中所产生结果的不同。

 

从这里可以看出编写这套教材的复杂性,每个单元既要单独成立,能够单独进行教学,在纵向上又要形成一个难度和知识点不断增加的体系,在横向上也要有一定的联系,形成一个完整、协调、统一的科学教材体系。大家可以注意到,我们课程的题目都非常的简单,这是为了能够引起孩子们的兴趣,例如我们把课程的名字定为电路,如果我们把题目改为能量,那么孩子们就不会那么感兴趣了。

 

我刚才用生命科学对这套科学教材的编写进行了详细讲解,其他单元的课程也是根据这种思想设计编写的。因时间有限,我们就再展开讲解其他内容了。我们编写科学教育教材的指导思想、目标和原则有3个。第一个就是使涉及到的自然科学的概念要适合学生认知发展的程度和能力。课程内容应与学生的生活和周围环境密切相关。你会发现生命科学、地球科学还是物质科学课程是一个比较协调和平衡的安排。生命科学、地球科学、物质科学还要与技术建立一种协调平衡关系。第二个是我们对技术的定义不是使用计算机,它的定义是对科学的应用。以电路这个单元作为例子,我们为学生提供一个有4个房间的房子,如何在这4个房间设计并布置线路就是我们所说的技术。我想说明的是我们也使用计算机,但计算机只是作为工具在使用。我们也要求学生使用计算机,在学生动手完成线路设计和布置之后再使用,在计算机上进行一些模拟设计。我要强调的是老师让学生做的实验,老师必须首先必须做。要发展儿童的科学推理技能,这里涉及到英国纳塞尔德的教材。这套教材最成功的地方就是教孩子们如何去观察、测量、分析和推理等一系列的技能。这种教学模式往往是四个孩子坐在一起,而这四个孩子又分成两个组进行实验,在桌子上有许多实验器材。我们第三个目标是发展学生的科学态度和科学的思维习惯,如好奇心、对证据尊重以及批判性的反思、对所学知识灵活性的运用,对现实生活的各种现象敏锐的观察力。这就是我们编写课程的步骤。

下面我借用生命科学中有关昆虫的课程内容来进行讲解,因为昆虫很容易被带到课堂上来,而且学生对这种课程非常感兴趣。我们有一个组专门搜集不同国家一年级有关生物的教材,如加拿大、英国、澳大利亚、美国的教材,成立研究小组对这些教材进行专门的研究,这个小组成员包括有经验的小学教师,生物科学家、评估专家等。小组根据我们所提出教学内容、教学目的、教学过程的要求编写出第一版试用教材。我们请外部专家,如哈佛大学的评估专门对它进行评价。使用教材在选定的学校进行实验教学。编写组的成员要到学校实地使用教材进行教学。其他成员对他的教学进行观察。在不同条件学校对教材的试用结束之后,各个组回到中心后对有关信息、数据、教学结果进行汇总、研究之后,对教材进行修改。之后,在全国范围内试用教材。

 

现在这一版是试用教材的第二版,要在全国不同地区的学校进行试用,包括农村的学校、城市的学校、城乡结合部的学校进行实验教学。在此期间,教材编写组的成员到全国各个使用实验教材的学校中去与教师及有关相人员进行交流,外部评估专家也与教师交流,并将他们的教案、教学笔记和有关材料、数据收集起来带回来进行评价。我们还把第二版试验教材送给史密桑宁国家学院的科学家查阅,确保教材科学内容的正确和准确性。完成之后,我们项目有关的所有小组,实验组、评价组、编写组有关人员花一周时间集中在一起,将有关信息进行汇总交流。在此基础之上,编写组花6周时间对教材进行再次修订,形成最终的定稿。在出版之前,还有一个重要步骤,就是把最后已定稿的教材送到科学家和有经验的教师手里,对科学内容和教学方法进行再次审定,确保教材的准确无误。

 

比较困难步骤的是进行全国地区的教材试用过程中选择了两类不同的学区。一类学区是教学和师资能力很强的学校,向他们提供指导,如何获得有关的材料,如何指导学生等,向他们提供有关的指导意见。另一类学校是从来没有接触过这类教材,第一次使用这种教材和模式教学。这套教材的使用对象不仅仅是优秀的教师,而是要面对所有的教师,不论你有没有科学知识背景,有没有这类教学经验,他们都应该是我们教材的使用对象。比如过去3-4天当中,我发现在这里参加培训的这些老师都是教学当中的精英,高水平的教师,有强的动机、在科学教育方面受过良好的训练,有实际教学经验。在美国,有许多老师从来就没有接触科学教学的内容。如同培养厨师的烹饪课,大家是否听说过法国著名的厨师朱利叶,他曾经写过一本烹饪专家级的菜谱,如果你是不会做饭的人,即使把这本菜谱给你也没有任何意义。培训厨师要从最简单的书籍开始,一本本书不断地增加,在专业上不断提出更高的要求,最后到达名厨的标准,但很少有人能够达到这个水平。教材也是这样,如果开始使用的第一本教材非常复杂,与老师的教学经验和教学条件相关太远的话,他们对教材就不会感兴趣。所以我们花费了时间和金钱编制的STC教材分为三个版本,第一版最容易,是为没有经验的教师准备的,第二版是为团队教师准备的,第三版则为那些高级教师准备的。书中对教师要求的指导性步骤非常多,没有这方面教学经验的教师在指导之下,就知道如何组织学生进行实验,完成课程内容。在这之后,他们还会把学到的东西应用其他课程当中去。

 

我们有专门的小组修订这套教材,在过去的18个月已花费了200多万美金对它进行修订,在今后5年内还需要600万元的资金不断修订这套教材使它变得更好。我还有一个坏消息,我们资金的主要来源是美国国家科学基金会的教育部门,这个部门即将被关闭,我们的资金来源将主要依靠私人的基金会和企业。一旦科学教材编写完成,要进行不间断的修订。

 

每个单元的教材需要教授8周的时间,每周1-2次,每次40分钟。