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沉重的书本,简单的学习

美国科学促进会“2061计划”初中科学教科书评估

文/乔•埃伦•罗斯曼,索菲亚•科斯德,鲁丽•斯特恩,安•考德威尔

  

  2061计划负责人乔治D.尼尔森,和2061计划课程负责人乔·埃伦·罗斯曼,在华盛顿特区举行的新闻发布会上发表2061计划初中科学教科书评估结果。

“2061计划”负责人乔治.尼尔森博士最近公布了对初中科学教科书的深入评估结果。与该计划早些时候对数学教科书的评估(《科学书籍与电影》,Vol. 35, No. 4)类似,这次活动的重点是找出哪些教科书有可能帮助学生学到关键的科学概念。但“2061计划”此次评估的结果与数学教科书评估结果不同,所评估的初中科学教科书均未达到“令人满意的”结果。

  这次评估依据美国科学促进会的《科学素养基准》和国家研究理事会的《国家科学教育标准》,审查了初中科学教科书是否有助于帮助学生学习地球科学、生命科学和物理科学中的关键概念。这项研究比通常那种肤浅地罗列标题式的研究要深入得多,工作人员基于现有的关于学生学习的最佳研究成果制定了评估标准,并根据这些标准评估了教材针对关键概念在引导教学方面的质量。(关于此次评估选用的概念和标准的更多细节可查看244页的补充信息栏)。此次评估由美国国家科学基金会出资,经百名以上科学家、数学家、教育工作者和教材编写人员共同努力完成,从研发到测试的整个评估过程历时超过三年。

  由中学老师,课程专家,和科学教育方面的教授组成的分析人员,审查了9种科学教科书,其中包括已经广泛使用的教材和刚刚投入使用的新教材。研究发现,大多数教材涵盖内容广泛但不够深入。所有这些教材中都介绍了许多课堂活动,但这些活动既与所学的关键科学概念无关,又不能帮助学生将所学概念与课堂活动联系起来。

  研究中还评估了三个不属于任一本教材的独立的教学单元:《物质和分子》、《食物,能量和增长》和《化学应用》。这三个单元的课程是密歇根州立大学和密歇根州教育局在研究学生如何学习的项目中开发的。对这三个独立单元的评价远远高于那些教材。这个令人鼓舞的结果表明,我们还是可以开发出好的科学教材来的。

  聚焦学生的学习

  但是,令人满意的教科书应该是怎样的呢?下面的例子描述了分析人员期望在被评估的教科书中看到的一些教学特征。这些特征可以看做是评定教科书教学的部分标准。虽然下面的例子偏重于物理学概念,但是在生命与地球科学方面也有相似的例子。针对教科书应该具备的众多重要特征,令人满意的教科书设计应该在以下方面对教学起到引导和支持作用:


  教材应该帮助教师全盘掌握学生理解力

  在针对这一标准的评估中,只有物理学的独立教学单元《物质和分子》被评为优秀。《物质和分子》中列出了学生学习过程中容易误解的所有概念,给出了学生对概念的误解并作了说明,还解释了学生为什么会误解,以及需要改变学生的哪些观念才能使学生理解和相信“分子永动”这一科学概念。

  与此相反,有些教材的教师用书上虽然注出了“易误解”或“易受过去知识影响”的概念,但所提供的信息用处不大。例如,一本教科书仅指出,“学生可能会混淆原子和元素这两个术语。”甚至没有提到很多文献中已经公布的学生易误解的其它概念(如物质是连续的或分子是在物质里面的等)。而老师需要这些见解来规划有效的教学。

  教材应提供大量科学现象作为案例

  科学现象是指可以用科学来解释的事件。科学在很大程度上就是用很少的原理或概念来解释现象。要让学生认识到科学的解释力,首先要让他们对什么是科学可以解释的现象有所认识。《物质与分子》这个独立教学单元和其它三本被评估的教材中提供了令人满意的大量与分子运动理论相关的物理学现象。

  遗憾的是,没有一本教材提供了帮助学生理解(更难理解的)关于固体内粒子永动概念的现象作为案例。例如,只要花上一段比较长的时间,就可以观察到类似金与铅之类的固体物质之间的相互渗透。

  但是,仅让学生观察现象还不够!还要帮助学生理解和体会现象与科学概念之间的联系。

  教材应该引导学生进行解释和推理

  在所有被评估的教材中,只有《物质和分子》在引导学生解释相关现象并进行推理方面给出了很好的引导。例如,当学生看到空气可以被压缩到一个塑料注射器内,同时又在书中读到“大量的空气可以压缩在一个小小的容器内”之后,教材会以提问的方式引导学生去思考所见到的现象。下面这个问题就是引导学生对他们通常认为的“分子不会永动”这一错误概念深入思考:

  “我朋友说给单车轮胎打气时,在单车轮胎阀门附近会有更多的空气。你同意吗?为什么?”

  《物质和分子》中还给学生提出了下面的问题,以便在正式讲解概念之前,了解他们关于分子运动通常会有什么样的误解(如认为分子不是永动的,只有分子构成的物质运动时分子才运动):

  “如果将这杯糖茶放一个晚上,糖是会浮到杯子的顶端,还是沉到杯底,或者是在水中均匀分布?请试着用分子的理论来解释。”

  任何其他教材都没有《物质和分子》一书中这种特点的提问,因此在这方面的评估结果都不太好。

  当学生开始理解某个概念时,要为他们提供各种各样的机会来应用所学的概念。

  教材应该提供各种实践让学生运用科学概念

  针对绝大部分被评估的物理学概念,在提供充足的且多样化的实践活动方面,《物质和分子》教学单元在所有教材中获得了最高的评价。其中包括要求学生描述并解释身边各种现象的这种比较新颖的实践活动。要解释现实生活中的现象往往需要不止一个科学概念,这就在复杂性上增加了学生解释现象的难度。例如下面这些(从该单元中各处摘出的)问题就要求学生从主要运用“分子运动理论”这一个概念,扩展到同时运用这一概念及相关概念。

  •  画图证明水分子是如何运动的。
  • 冰里面的水分子会不会运动速度减慢直至静止?
  • 如果希望一种物质溶解得更快,,应该把它混进热水还是冷水?为什么?
  • 请解释:你在房间的另一头,为什么仍能闻到房间这头开口瓶内的醋味?进入你鼻子里的到底是什么?醋分子是怎样进入空气并进入你的鼻子的?
  • 食物用塑料薄膜包装后放入冰箱(或盛汤的砂锅在炉子上煮热——未煮沸,砂锅盖着锅盖)时,水会蒸发然后凝结。水蒸汽从哪里来,又在哪里凝结呢?水分子如何从蒸发的地方到凝结的地方呢?

  相比之下,其他教材没有提供或是只提供了很少的相关实践活动,而且提供的通常也只是如下例所示的类型:

   “随着温度的增加,物质粒子的平均_______增加。
  (A)动能(B)势能(C)比热(D)质量”

  类似的所谓实践活动还出现在这本教材的前几页上。这种填空只需抄抄课本就行。唯一一本提供了几个还算不错的实践活动的教材中,也没有将这些实践活动贯穿于一系列科学概念中,而这种连贯性正是物理学分析的基础。

  但如果学生不了解实践的目的,实践又有何益处?(设想一下在你从来没有看过正确的蛙泳姿势时要你练习蛙泳!)因此,“2061计划”中有一项标准,检测教材是否向学生讲解了如何应用科学概念,而不是让学生自己去勾勒关于科学概念的正确解释。

  教材应该说明如何应用知识进行实践

  在这个方面,只有《物质和分子》获得了“优秀”的评价。教学单元中首先向学生展示如何解释科学现象,然后,在学生们天马行空地解释整个世界之前,用简短的科学阐释对他们进行指导。

  蒸发是怎样发生的呢?让我们试着用分子理论来解释。你知道分子在液态水中是不断运动的,同时水分子间的引力使分子聚集在一起。但是你可能不知道,分子们在水中移动速度各不相同。一些分子运动得非常快,而其他分子移动速度要慢得多。

  当一个快速移动的分子到达水的表面时会发生什么?逃逸!它将摆脱其它分子对它的强大吸引力,从而在空气中变为一个水蒸气分子。如果所有的水分子都这样逃逸,那么这些水就会“干涸”。液态水变成水蒸气浮在空中,使空气更加潮湿。

  学生在该教学单元前面部分读到的很好的科学解释有两个特点,教师应把这两个特点作为衡量自己和他人进行科学解释的标准。当学生刚刚开始练习解释科学现象时,就要提醒他们注意科学解释的相关标准,并询问他们认为自己的解释是否达到这些标准的要求。随着学生对这个单元的学习逐步深入,就可以减少提醒他们注意标准的次数,这样一直到学生能够自己完成对相关现象的科学解释。在这一方面,没有任何其他教材像这个教学单元一样令人满意。

  改进教材

  “2061计划”虽然不撰写教材,但其目标是为那些撰写教材的人士提供指导。“2061计划”希望此次评估中的详细信息不仅能够指导未来教科书的发展,而且对当今中学教师亦能有所裨益。可以理解,评估中对某些教材的负面评价可能会使正在使用这些教材的学校感到不安。但老师们应该能够从完整的评估报告中寻找出弥补这些教材不足之处的各种方法。例如,在开发出更好的教材之前,学校可以考虑维持他们当前的教材不动,将资金花费在对教师的职业培训上,以便帮助老师弥补这些教材的不足。

  此次评估是“2061计划”教材评估系列工作中的第二项,由纽约卡内基公司赞助。2061计划关于中学数学教科书评估的分析结果(参见www.project2061.org),发布于1999年1月,正在影响着全国范围内各学校对数学教材的选择。想要了解更多信息,请登陆www.project2061.org。明年年初每种教材的评估报告全文将会公布。


“2061计划”初中科学教科书评估中采用的关键概念

  物理学方面:分子运动理论

  用作分析基础的观点摘自《科学素养的基准》第四章D部分以及《国家科学教育标准》中的物理科学内容标准:

所有的物质由称为原子和分子的微粒组成(而不是连续的或仅包含微粒)。

  • 这些微粒非常小——小到无法直接通过显微镜看见。
  • 原子和分子处于永恒运动之中。
  • 温度的升高意味着分子运动的程度越加剧烈,因此多数物质受热时体积扩张。
  • 原子/分子在固态、液态和气态时分布和运动存在差异:

o 在固态时,微粒(i) 紧密的压缩,(ii) [往往]规则地排列,(iii)朝各个方向振动,(iv) 彼此间互相吸引和黏着。
o 在液态时,微粒(i) 紧密的压缩,(ii) 不规则地排列,(iii) 彼此间可以变换位置, (iv) 彼此间互相吸引,连接松散。
o 在气态时,微粒(i) 相距遥远,(ii) 随机分布,(iii) 均匀的分布于它们占据的空间,(iv) 朝各个方向运动,(v)除了在相互碰撞时,彼此间没有作用力。

  • 解释状态改变时——熔解、凝固、蒸发、冷凝和溶解,物质在原子/分子的排列、相互作用以及运动方面的变化
  • 温度升高和能量增加之间的关系:温度升高,意味着运功平均能量的增加,因而多数物质受热时,体积扩张。


  生命科学主题:物质与能量的转化和转移

  用作分析基础的观点摘自《科学素养的基准》第五章E部分以及《国家科学教育标准》中生命科学内容标准:

  • 食物(例如,糖分)为所有的有机物提供(以分子形式)燃料和建筑材料
  • 植物自己制造食物,而动物通过食用其他有机物来获取食物。
  • 物质在生态系统中转化:

o 植物用空气和水中的二氧化碳制造糖分。
o 植物将他们合成的一些糖分分解为简单物质——二氧化碳和水,另外聚集一些糖分进入植物的身体组织中(包括一些能量储存)。
o 其他的有机物将储存的糖分或者他们食用的植物的身体组织(或者他们食用的动物)分解为简单的物质;再重新聚集这些进入它们自己的身体组织(包括一些能量储存)。
o 腐生菌将死去的有机物分解为简单的物质,可供其他有机物再使用。

  • 能量在生态系统中转化:

o 植物吸收光中的能量来制造“能源丰富”的糖分。
o 植物通过分解糖分,再将一些能量作为热能释放来获取能量。
o 其他的有机物为了自身的生长和活动而获取能量,他们分解摄入的身体组织为糖分,然后再分解糖分,将其中一些能量作为热能释放到周围环境中去。

  • 物质和能量在有机物和他们所在的自然环境间不断重复地从一个有机物转移到另一个有机物。

  地球科学主题:地球形成的过程

  用作分析基础的观点摘自《科学素养的基准》第四章C部分以及《国家科学教育标准》中地球和空间科学内容标准:

  • (看似坚固的)地球在不断改变(不仅在过去是如此,现在仍是如此)。
  • 一些过程促成地球表面的隆起与削平。
  • 今日地球的形成过程与过去地球的形成过程类似(不比较速率)。
  • 其中的一些过程是突发的,比如地震和火山,而另一些过程则非常缓慢,比如大陆漂移和侵蚀。
  • 缓慢但是持续不断的过程历经相当长的时间,能够在地球表面引起显著的变化(比如在水的运动下火山的削平以及沉淀物的堆积)。
  • 相比海岸线以及岩石和化石的相似性表明,今日的陆地是很久以前一个单一广阔的大陆的分离的部分。
  • 坚固的地壳由独立的板块组成,这些板块移动非常缓慢,它们在某些地方互相挤压,而在另一些地方又分裂开来。
  • 重大地质事件的成因,比如地震,火山爆发以及造山运动,均源自这些板块运动。

 


教学指导能力的评估标准

  第一类. 明确目的性

  传递单元目的。教材是否传递了一个对学生来说既可懂又具备激励性的总体目的和方向?

  传递课文目的。教材是否传递了每篇课文的目的以及这些课文之间的联系?

  活动的顺序正当。教材中学生参与的活动是否合乎逻辑或者符合策略的顺序(而不是一些活动的集合)?

  第二类. 考虑学生的观点

  注重必备的知识和技能。教材是否详细说明了学习基准所必备的知识和技能?

  提醒老师关注学生普遍持有的观点。教材是否提醒老师关注学生普遍持有的观点(包括棘手的和有益的)?例如《基准》第15章“研究基础?”里描述的那些内容。

  帮助老师识别学生的观点。教材是否包括一些对老师的建议,来帮助他们在引入科学观点前,发现学生怎样思考这个与基准相关的常见现象?

  处理普遍观点。教材是否试图解决学生普遍持有的观点?

  第三类. 使学生参与相关的现象

  提供多样的现象。教材是否提供各种各样的现象来支持基准的观点?

  提供生动的体验。教材是否包括各种活动,在学生练习时能提供现象的第一手经验,或者在没有练习时提供给学生一种现象的代入感?

  第四类. 发展和运用科学观点

  有目的地引入术语。教材是否仅在下列情况下引入术语,即结合观点或步骤的体验来介绍术语,以及需要术语来便于思考和促进有效的交流?

  有效的表述观点。教材是否包括正确且易懂的科学观点的表述?

  示范知识的用处。教材是否示范/模拟技能或知识的运用,或者包含一些对老师关于如何示范/模拟技能或者知识的运用的建议?

  提供练习。教材是否提供各种情境下的任务/问题让学生练习技能或者运用知识?

  第五类. 促进学生思考现象、体验和知识

  鼓励学生解释他们的想法。教材是否常规的给出一些建议,让每个学生表达、阐明、证明以及表述他/她的想法?此外,教材是否包括一些建议,指出学生何时以及怎样可以从同学和老师那得到反馈?

  指导学生解释和推理。教材是否包含任务和/或问题序列来指导学生对现象和阅读材料的体验进行解释和推理?

  鼓励学生思考他们所学的内容。教材是否建议了一些方法,让学生检查他们自己的进步?

  第六类. 评估进度

  根据目标进行评估。假设课程材料和这一基准在内容上匹配,教材是否包含符合同样基准的评估项?

  为了理解而测验。教材是否包含这样的评估任务,即学生需要运用观点并避免他们以一种没有价值的方式通过考试,比如使用公式或者无需理解地重复一个死记硬背的术语?

  使用评估为教学提供信息。课程是否从始至终包含一些评估,这些评估指导老师如何使用评估结果来选择或者调整活动?

  第七类.强化科学的学习环境

  向老师提供内容支持。教材会帮助老师提高他们对科学、数学以及授课时必要的技术的理解吗?

  鼓励好奇心和提问。教材是否帮助老师创造这样一个课堂氛围,即欢迎学生的好奇心,奖励创造力,鼓励有益的提问精神,以及避免教条主义?

  支持所有的学生。教材是否帮助老师创造这样一个课堂,即鼓励对所有学生持有高的期望,使所有学生能够体验成功,以及在科学课堂上使所有的学生有一种归属感?

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关于作者:2061计划课程负责人乔•埃伦•罗斯曼,在高级研究员索菲亚•科斯德和研究员路里•斯特恩、安•考德威尔的协助下领导此次中等年级科学教科书评估。


罗斯曼, J. E., 科斯德, S., 斯特恩, L., 考德威尔, A. 1999. 沉重乏味的教材——置于学习之上:美国科学促进会2061计划中等年级科学教科书评估.
《科学书籍与电影》,35 (6).

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