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科学课的本质:让学生像科学家一样实践和创造
作者:郑钢 来源:外滩教育 点击:421次 评论:0

看点    科学教育是当下教育中备受关注的一个领域。2013年,美国提出了科学教育的三大维度:科学实践、学科核心概念和跨学科共同概念,为美国的科学课指明了方向。下文中,上海市进才中学东校校长郑钢,以美国格伦中学的科学课为例,介绍了美国科学课堂注重实践、思维培养及跨学科共同概念等特点,或可为我们发展科学教育提供借鉴。

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美国的初中科学是不分物理或化学学科,而是以科学课的课程形式将几门学科整合起来,包含了物理、化学、生物和地理,课表上只有科学课,内容却是五花八门。

美国2013年颁布的《未来一代科学课程标准》提出了科学教育的三大维度:科学实践、学科核心概念和跨学科共同概念,为他们的科学课指明了方向。

在真实的物体测量中建模

在格伦初中的一节八年级科学课堂,老师带领学生正在制作一座塔。教师拿出一个车模,问学生如果要制造一辆车,应该如何根据车模去衡量确定尺寸大小。

很快学生开始了热烈的讨论,有的说根据车模量一量,有的说根据商店量一量。教师一边倾听学生讨论,然后一边引导他们如何将车模的大小及变化结合起来,用同比例放大的方法去确定。

教师通过“小变大”的方法去帮助学生建立测量和制图中同比例放大或缩小的概念。

之后,教师将一个垃圾桶放在讲台上,然后提供给学生带有格子的绘图纸,要求学生上台测量,并绘制横切面。

这是一个“大变小”的过程,有的学生很快理解老师的要求和意图,完成的很好,而有的学生无法理解同比列增加的概念,画出来的图像不符合要求,也不成比例。教师就要求他们上台去比较和分析,直到符合要求。

同比例分析、演算,并设计和绘制图纸是制造塔重要的知识基础,教师并没有直接告诉学生将垃圾桶测量,然后按照一定的比例将其缩小。

她却从举例来分析,引导学生建立同比例的概念,然后通过现场事件应用,将垃圾桶同比例画图。

一节课的容量其实很少,只是掌握数学上同比例大小变化的概念,但是教师通过两个案例的学习,让学生充分思考、分析和推理,强调地是学生概念自主建构和思维有效激发。

很多美国课堂不强调知识落实,强调探究的过程,把更多的时间放在学生的主动动手探究上。

课堂不是强调零碎的知识片段和细枝末技内容的记忆,而是围绕核心概念进行教学,聚焦主干知识的理解和掌握,使得学生可以用概念去解释现象并应用于动手实践之中。

知识固然重要,但在当今的社会,知识不是太少而是太多了。并且,随着社会发展,科技进步,知识会越来越多。一个人应该学会的是方法和思维,面对最多知识,也能成为知识的主人,而不是奴隶。

这节课已经是单元的第三节课,是美国科学教育课堂模式(EEEASR)的第三“E”,也就是“解释(Explain)”,在这个环节里,学生还自学词汇单有关建塔的词汇,如:力、压缩、张力、重力、负荷、波束、地基、比例、比例项间的比率、坐标方格、地面波、抗力等二十个词汇。

他们从网上去找寻解释,了解这些专门名词的意思。这节课就是给学生实践经验,使得学生在现场测绘和制作中理解这些概念。

在设计和制作中应用、创造  

科学教育课堂模式(EEEASR)的前两个教学环节是:“激发兴趣(Engage)”和“探索Explore”,激发兴趣环节是组织一个绘画埃菲尔特塔的比赛,看谁将铁塔画的最好,第二个环节是探索影响塔制作的重要要素。

教师组织学生阅读两篇关于地震的材料,讨论和分析如果要建造塔的话,如何考虑地震因素以及防震。

这节课后是应用(Apply)环节,也就是制作环节,教师提供四张大报纸、一米的粘带、剪刀以及几根细棒等材料,然后发给学生一张学习单“如果我是设计师”,单子列出了五道题目:

确定问题;

写出两个满足建塔的基本条件;

网上调查并写出防震建筑要考虑的因素;

提供一个网站,必须要有学生能够理解的、关于防震的有关信息和知识;

写出五个工程师在建造时的特征;

在你自己的设计图纸上有何特征使得你的塔具有抗震功能,并解释如何用报纸和粘带制作。

这些任务帮助学生梳理设计和制作的思路及整个过程,学生在完成和交流后,就开始动手制作了,而在接下来的环节就是展示和分享(Share),学生会将做好的塔向全班展示,并解释设计的要素,如高度、比例和抗震等。

而老师则会将纸塔放在桌子上,以切变的运动和水平的方向移动,模拟地面波,测验纸塔的抗震能力。

完成展示和测验后,就是反馈和评估(Reflect)环节,教师会根据量规评价表,对学生的作品进行评分,同时对学生提出修改或完善建议。这一成绩也就是他们这个单元的学习成绩。

制作纸塔是一节科学课,其实也是当今美国教育非常重视的STEM教育,运用了地理、数学和物理等学科知识,并最终以工程设计的形式完成任务。

这节课并不高大上,也不深奥或者尖端,材料来源很简单,只是一些废旧报纸和粘带而已,然而将知识学习融合起来,将各学科知识糅合起来,并应用于实践制作之中。

美国课堂中常见的科学实践项目

如今在国内Stem教育正在引起人们的关注,不少学校尝试推进这一全新模式。然而也出现了诸多问题影响着STEM深入推进。

如传统课堂如何转型去迎接Steam教育,学科知识如何整合和渗透,低成本轻获取的材料如何开发,主题如何选择和确定等等。

纸塔制作单元的EEEASR教学模式以及如何充分挖掘现成的制作材料,或许对于开展科学教育和STEM教育是一种启发。

在格伦初中,几乎每个年级科学课每学期都会安排主题式科学制作,时间跨度较长,常常会持续两三周,教师设计不同的任务,从易到难,从简单到复杂,在原来的基础上会有升级版,越到后面对学生的挑战越大。

就在我们研修的一段时间,有的年级在制作过山车、有的在制作机器人、有的在用饼干和奶油制作模型展示地壳运动,有的在制作多米诺骨牌等等,所有的科学课堂俨然是制作工场,学生们设计、制作、展示和交流。

美国的科技全世界领先,重要的一个原因在于大力推进科学教育,课堂教学重视学生创新能力和动手能力培养。

像制作“会飞”的飞机、过山车、可以在上面行走的桥梁、机器人和各种形状的塔是美国学生在学校里必须做的项目,是美国科学课堂的基本配置,是每个学生必须有的学习经历。

这些学习活动是在《美国未来一代科学标准》后新动态和方向,体现了科学教育的三大维度:科学实践、学科核心概念和跨学科共同概念。

这样改变了以往科学学科知识相互独立,科学知识与科学实践互不相干的想象,而是将三者有机的融合使得过去鲜被关注的跨学科概念、科学和工程实践进入课堂,成为科学教育的主体。

三个维度中,科学实践处于核心的地位,不是孤立存在,而是与核心概念和跨学科概念相互结合,主要体现为8个方面:

提出问题(科学)和明确需解决的难题(工程);

建立和使用模型;

计划和实施调查研究;

分析和解释数据;

运用数学和计算思维;

建构解释(科学)和设计解决方案(工程);

基于证据的论证和辩论;获取、评价和交流信息。

这些“实践”代替了“研究”,强调了做”与“学”无法真正的分开 ,更广义地体现科学学习的特点。

 更多的科学教育实践模式

除了EEEASR科学教育模式之外,如今美国科学教育协会正在推进科学课堂教学设计的“5E”(Engage、Explore、Explain、Elaborate和Evaluate)模式,这与EEEASR模式异曲同工。

第一“E”是学生参与,教师设计开放性的活动,将以前学到的知识能紧密地联系起来,激发学生的兴趣和参与,生成问题。

在第二“E”(探索)中,分发所需的材料,解释问题;第三个“E”是解释,组织学生解释和理解概念,并确定核心词汇;第四个“E”是详尽阐述,主要体现在运用和延伸,将所学的知识动手实践,制作作品;

最后的“E”是评价,根据评价标准形成基于问题和讨论的形成评价和基于项目、报告和测试的总结性评价。

还有一种模式在美国科学实验课堂也很为流行,那就是“POE”模式,加州大学洛杉矶分校教育学院的教授在培训时让我们体验了“Predict(预测)、Observe(观察)、Explain(解释)”的教学模式。

在“WATER WONDERS”的实验中,我们先猜测三种不同的材料,蓝沙、白色粉末、彩色珠子在水中可能发生什么呢?


大家动用了全部的感官,发挥了所有的想象,可是结果与我们猜测的南辕北辙,蓝沙结果浮在水面上,聚集在一起;白色粉末也不是我们所想象的人工雪,会溶解在水里,而是遇水会迅速膨大,变成了小粒的晶体;


还有彩色珠子原来是我们常见的“水精灵”,在水中会慢慢变大,而且变得富有弹性。


这个模式启示我们,科学学习或研究首先需要学生根据已知的科学事实和科学原理,对所研究的自然现象及规律提出一种假定性的推测与说明,这是很重要的科学方法,鼓励学生大胆地创新。


而且在动手实践中,要学会观察,分析现象与假设之间的关系,当然学生还要学会解释现象的原理,解释为什么会出现这样或那样的现象,这就是科学教育强调的创新素养。


无论是EEEASR模式,还是5E模式,或是POE模式,都鼓励学生动手实践,启发学生积极思考和提出问题,注重学生创造性思维、解决问题及发现问题能力的培养,努力使学生像科学家一样思考和像工程师一样实践。

更新:2021/7/25 7:45:47 编辑:fengyefy
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