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2004年5月——全新科学教材的设计与开发

开发提升学生科学素养的教材资源
 

  考虑到教材和其他教学资源在科学教学中的重要作用,提高它们的质量迫在眉睫。为了解决这个问题,2061计划开发并测试了一系列标准和程序来分析科学课程教材与学生学习目标的契合度以及他们对学生和老师的支持质量。在大规模使用这些标准和程序的过程中,2061计划对部分使用最广泛的初、高中教材进行了一系列的评价研究(美国科学促进会,2002年)。这些研究结果表明,现在所使用的教材,要达到各州的内容标准以及诸如2061计划的《科学素养的基准》(科学促进会,1993年)和国家研究理事会的国家科学教育标准(1996年)等国家文件所要求的对知识与技能的教学支持,还要很长的路要走。

  研究发现:课本中最常见的缺点与不足有以下几点(1)对多数学生在学习关键科学概念中可能遇到的已经被证明的或者可以预见的困难重视不足;(2)插图和其他图形过于抽象、复杂,或没有充分的解释;(3)缺少关于自然现象的第一手资料,而这些资料能够给学生提供探索自然世界和培养科学观念的机会;(4)即使存在一些自然现象的介绍,也缺乏对于学生理解这些现象的引导。
 

  为了开发一套新的科学教材来弥补这些不足,2061计划正在寻找、设计并搜集尽可能多的资源来开发有关主要科学概念的课程材料。借助美国国家科学基金会的资助,项目顺利进行,收集到大量的资源,这些资源包括教材开发者和教师的工作成果中提到的参考工具(例如,关于学生对自然现象与科学概念的理解的调研总结),以及一些可以引入到实际课堂、教材或者其他类型的教学材料中的活动或教具(例如,活动、图片、图标、系列问题或者能解释特定科学概念的自然现象的例子等)

  扩大知识库
  之所以我们努力收集这些资源,是基于一种想法——教材是帮助老师更好教导学生的工具(保尔,科恩,1996年)。具体来说,我们认为教材是一个重要的媒介,通过它,老师可以了解到科学教育的知识基础。我们的工作也按照舒尔曼的学科教育法知识的概念进行,它包括类比、图解、举例、解释和演示这些能使一个主题被其他人理解的方法(舒尔曼,1986年)。我们正在寻找或开发一些能够体现这种思想的教材。随着时间的推移,我们希望我们的研究能成为未来工作的催化剂,使包括这个知识库在内的,对这个领域集体技能有贡献的教材能够得到推广使用。

材料合集中涉及的主题包括:
   太阳系
   地表的变化
   物质的状态
   物质守恒
   化学反应
   运动定律
   波动
   生态系统中的物质流动
   生态系统中的能量流动
   遗传——遗传变异的特征
   细胞功能
   生物进化
   自然选择

  在和相关知识领域或科学教育界的专家一起工作的过程中,2061计划的工作人员收获很多,我们正在考虑将大量的纸质或者电子资源进行整理,然后放到在线的集合中。为了界定需要涉及的课题领域(见边栏),我们使用了13个导航图(根据2061计划普受欢迎的《科学素养导航图》绘制)的集合作为选择和开发资源的重点。导航图用图表的形式来组织关键的科学概念以及前提条件和相关概念,在可视化的网页中把他们连结起来,以显示他们从幼儿园到12年级的相互依存和序列关系(美国科学促进会,2001年)。通过使用内容导航来组织这些资源(而不是按照独立的科学想法),用户能更方便地查找自己所需要的学习资源。在网络上,在线的集合会使用导航图谱作为主界面,用户可以点击图中所示的每个概念的文本来访问链接到它的各种资源。这样广泛的超链接将会把资源彼此联系起来。
 

  2061计划组织教师、课程开发者以及教育工作者在国家科学教师区域会议,国家科学教育研究协会以及科学教师教育协会的会议中展开了一系列的小组讨论会,从整体上指导资源与集合的设计和内容。

  课程材料开发需要的资源
 

  2061计划的工作人员正在整理集合中的一部分资源,例如基准想法的清晰表述和不同概念之间概念性衔接的说明。还有一部分资源会通过其它来源进行收集。例如,我们正在总结一些研究文章,许多学习者有具体的科学概念或方法来帮助学习者从他们自己的想法转到科学上可接受的想法。我们通过对教育资源信息中心的数据库和学生学习特定主题领域的书目的搜索,来确定研究的文章(德赖弗,斯奎尔斯,拉什沃斯和伍德-罗宾逊,1994年;杜伊特,2002年)。我们还搜索了现存的课程材料,以及被美国或其他国家研究者开发出来的教学材料(例如电脑模拟),寻找有效的现象或者事例 (例如,构建科学概念,2001年., Building Science Concepts, 2001; 纳菲尔德基础科学,1995年; PENNlincs, 2000年)。根据2061计划的课本评价研究中使用的标准,要从内容和教学质量等方面对各组件进行筛选(美国科学促进会,2002年;科斯多,罗斯曼,2002年)。

  资源集合包括以下几种类型:
 

  说明。了解特定学习目标的意图并不像看起来那么简单。根据自己的经验,教育者可能高估或者低估目标指定知识的复杂程度。

  对集合中13个导航图的每个基准,一个“说明”就能详细解释它构成的关键想法,并讨论为基准设计的复杂水平(在同一主题中把它与早期或后期的基准区分开)。此外,还要识别出并不是具体的学习目标指定的周边的概念或术语。

  连接。为了充分把握学习目标指定的核心思想,学生往往需要先了解一些“前提条件”。例如,让学生学习地球是球形的时候,重要的是让他们事先了解重力的概念,知道为什么在地球“底下”的人不会掉下去。同样的,我们知道,人类拥有的有价值的知识都是相互紧密联系的,学生也需要理解这些概念之间的关系。为帮助教育者、研究人员和课程开发者推进这些理解,“连接”工具明确了知识与技能的先决条件和科学素养导航图相关的图集中指出的每个学习目标相互之间适当的联系(美国科学促进会。2001年)。这个“连接”工具也考虑到了在科学素养(美国科学促进会, 1993年)和全美科学(美国科学促进会, 1989年)的基准,以及认知研究文献中描述的那些概念联系。

  学生的想法。研究表明,学生们通常在接受正式的科学教育之前就有关于这个世界是如何运转的疑问。他们的一些想法与科学家的意见基本一致,也存在一些与目前被接受的科学理论有所不同甚至冲突的想法。由于学生的一些错误思想在熟悉的环境中也能解释得通,因此他们都非常抵制改变自己的想法。有些研究阐明学生普遍持有的想法以及这些根深蒂固的想法的可能来源,“学生的思想”就是对那些研究的总结。这些参考工具能够使教育者、研究人员以及课程开发者更全面的了解到学生的想法在学习中的效用。如果可能,这个总结不仅包含了概念的解释,还包括了对可能影响学生学习的相关文化、认识论、本体论的先验知识等的描述。
 

  诊断性的问题。一些对学生普遍持有的观念进行研究的文献指出,有些问题或任务可以用来诱探学生的想法并追踪他们的理解。我们选择了一些问题和任务,这些问题对于那些没有学习过特定主题并不熟悉科学术语的学生可能会有意义。例如,问那些没有学过重力的学生 “你认为我放开这个小球会发生什么,为什么会这样?”可能比问他“重力对这个小球产生了什么作用”更容易让他理解。在“问题”这类资源里,典型的问题是要求学生预测,描述或者解释熟悉的现象;阐明他们对图标的理解;利用关键概念解读相关信息;以及描述概念间的重要关系。

  现象/活动。科学家们建造和运用科学知识来描述、解释、预测和设计现实世界的对象、系统或事件。因此,为学生提供机会把科学的概念与现实世界的现象联系起来,能让他们觉得这些平时很抽象的知识更可信,或者加强他们对知识的有用性的认识。在“现象/活动”一类资源中包括各种现象的注解列表,材料开发者在开发新产品时能够利用, 教师在教学中也可以当做目前材料的补充。这些相关现象的列表对学校教师设计老师的或者非科学专业学生的课程也很有价值。为了补充现象的注释清单,我们还对提供的例子进行了全面的详细描述:
 

  • 可以吸引学生动手或吸引学生作出其他活动的程序。
  • 逐步解释世界核心概念的现象。
  • 认真调整问题的序列,使学生从一种理解到另一种理解,领悟到现象的意义。
  • 对在科学教室中广泛使用但是与科学素养的中心想法不完全一致的现象的评论。
  • 对学生可能怎样回应各种各样的现象的洞察力,指出哪些因素可以促进学生的学习,哪些不能。

  希望这些例子对教师发展和课程发展都能起到正面作用。
 

  表现形式/活动。材料开发者和教师也需要各种各样的表现形式来帮助有不同背景/不同兴趣和不同学习方式的学生理解抽象概念。不同的表现形式(例如,图纸、图表、图形、图像、类比和比喻、模型和模拟、类比和角色扮演)可以强调知识的不同方面,提供多种机会让学生把知识互相联系起来,并把这些概念嵌入到自己的知识体系中。这一类的资源中包括表现形式的列表,还有对所选取的表现形式的特定属性或应用得更详细的描述。

 

  资源集合的使用
  确保这些资源集合能够比较容易的从网上获得,我们的目的是快速启动课程教材开发程序,使教材与科学教学的知识库相结合。此外,我们的工作可以为判断标准提供新知识,通过这个判断标准能够判断帮助学生学习关键科学概念的特定资源的适当性和价值。对研究员和开发者来说,这些资源集合为有潜力进行教材改善与课堂实践的调研提供了一个起点。对那些负责教师教育或专业发展的人来说,这些资源可以被用来加强教师对科学学习目标的理解,提升选择、调整、使用现实世界中的科学现象和表述技巧的能力。

  看一个在线界面的原型以及集合中的一些例子。

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  这篇文章是基于国家科学教学研究协会最近一次年会的论文(卡尔德威尔,科斯多,威尔逊,2004年;科斯多,2004年;库尔斯,威拉德,科斯多,2004年)。需要文件的副本或了解更多信息,请联系:

  首席研究员:乔埃伦罗斯曼博士,(202)326-6752

  项目总监:索菲亚•凯思多博士

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