一、儿童的科学和技术(STC)项目

    Science and Technology for Children(儿童的科学和技术)简称STC，是由美国国家科学资源中心发起，国家科学院和工程学院运作实施的一项以探究为中心的革新性科学教育项目。学校可以把全部的STC课程作为其学生的科学课教材，也可以选取其中的某几个单元渗透到现有的科学课程当中去。

（1）项目内容简介

STC项目包括24个单元，这24个单元覆盖了4个大的主题领域:生命科学、地球科学、物质科学和技术设计。

    每个年级进行四个单元课题，用以提供所有学生关于生命、地球及物质科学技术等方面的经验，同时发展学生的批判性思维和问题解决能力。STC单元给学生提供机会学习与其年龄相当的概念、技能，以获得科学的态度和思维方法。STC课程学习目标是以年级段而不是以年级安排，课程设置也为年级提供了最大的灵活性。所有STC单元可以按上图所示上下浮动一个年级。一年级的单元可以用于幼儿园。这种灵活性在四、五年级的交界变得至关重要，它们跨越了美国国家科学教育标准所规定的年级段。这样的安排，也可以使教师按照本地区或本校的具体情况做出适当的选择，有利于给学生创造轻松的学习环境，充分发挥学生学习的积极性。

(2) STC项目的特点

    ①以探究为中心

    科学探究代表一种新的科学教育方法，探究活动主要包括观察、猜测、收集信息、调查、评估实验数据；用工具收集、分析、解释信息；设计答案；解释、预测和交流实验结果。而且在《美国国家科学教育标准》中对小学、初中、高中各阶段的探究活动要求各不相同。

STC项目设计的学习流程充分体现了探究学习的思想。学习流程的步骤如下：A.聚焦：探索、查明学生对主题已经具备的相关知识。B.探索：学生能够从事对物体、组织及科学现象的探索。C.思考：鼓励学生讨论他们观察到的现象，并达成一致意见。D.应用：帮助学生讨论和应用他们在新情境中所产生的新想法。

    这些阶段是建立在对儿童研究基础上的，研究结果表明：知识是由每个学习者积极建构的，儿童只有在他们可以有自己的发现和亲自参与的实验环境中学习科学，效果才能达到最好。关注阶段主要是为了了解学生对某个主题知道了些什么，他们还想学些什么。换句话说，学习要从学生己有的知识和经验开始，即了解学生己有的认知结构，使新学的知识与学生认知结构中的知识建立起某种联系，这样才能取得最佳学习效果。探索阶段是通过一系列的活动，探究一个科学概念或科学现象。如观察、记录、制作、测量。课堂探索通常分小组进行，两个人或四个人为一组。思考阶段主要是学生们思考他们在活动中的观察结果，并把思考的结果记录在科学日记上，与同学一起进行讨论。应用阶段主要是让他们有机会将所学的新知识应用到真实生活和课程的其他领域。STC中的24个单元都是按这四个阶段来设计的。而且单元中的每一课也都设有四个学习周期。

例如，在“运动和设计”这个单元的第五课一一什么使我们的车子变慢和变快。

首先是“想一想”，让学生思考如何使车子变快或变慢，对此你还想知道些什么问题，让学生把想法记录下来；

接着“自我发现”，根据学生的需要提供给学生一些材料，如小车、木板、棉线、秒表等，给学生提供足够的自我探索的机会；

在“探究建议”中向学生提出进一步思考问题的要求；

最后把思考的结果记录在科学日记上，供同学们一起讨论.

    ②采用大量辅助教学的工具、材料和技术，鼓励学生亲自动手操作

    许多教育者发现学生通过“做”可以学得更好，尤其是在科学课程上。STC课程贯彻了这一思想，学生将使用日常生活的材料参与各种各样的令人兴奋的活动，同时学会使用基本的科学仪器。每个STC单元都附有一个大塑料袋，里面装有：

教师指导手册：为教师提供了具备一定深度和细节的教学指导；

学生活动手册：指导学生按课程要求进行操作、实验；

材料和工具：由专门的课程资源公司设计制作，为活动的开展提供保障。

…

    此外，还有多种类型的技术、工具在教学中使用。例如，用来表明概念应用到现实生活的模型；帮助学生使用科学知识的探究和实践的工具；以及因特网共享社区提供的在线学习资料；还有用以信息查询的光盘和网站；用来促进学生科学思维的问题解决工具；鼓励学生进行创造性活动所使用的工具；以及一系列数字化和电子化的工具等。

    ③科学课程与其他科目内容相互渗透

    STC项目鼓励多领域的课程学习，如学生用写作来记录其实验结果，这也是发展其语言技巧的一种有效方式。课程也注意学生技术设计能力的培养。作为对通过科学探究培养出的能力的补充，STC课程设计了一些既有挑战性又适合学生发展水平的活动来培养技术设计的能力，包括发现和描述问题的能力，设计解决方案、实施解决方案并评价解决方案的能力，针对问题、设计和解决方案进行交流的能力。

二、.充分选择自由的科学系统(FOSS)项目

    FOSS是Full Option Science System(充分选择自由的科学系统)的缩写形式。它是在美国国家科学基金会(简称NSF)支持下，由Lawrence基金会(简称LHS)开发的一个初级科学课程项目。该项目以多感觉学习和儿童是怎样思维的学习理论为指导。它结合了过去一些成功的研究成果，例如，动手探究和现代的一些科学方法〔如多感官观察和合作学习等)。

（1）项目内容简介

  (2) FOSS课程的特点

    ①具有科学的理论基础

    FOSS项目是建立在当今一些合理的科学研究基础之上的：脑是如何工作的？人是如何进行思维和学习的？知识与我们对周围世界的理解有什么关系？FOSS将这些理论研究结果运用到适当的课程中，并对学习活动进行了精心的安排，以便使学生很容易的就掌握了新的概念。每一发展阶段都有典型的例证说明学生能够学什么和喜欢学什么。

    例如，地形模式这一单元，研究者研究了不同年级水平的学生画熟悉地区(例如教室、操场)俯视图的能力。研究表明三年级小学生经常画物体的侧面图(从他们的观点来说的)而不能容易的把侧面图转化成俯视图或用符号表示。辅导之后，学生仍然保持侧面描述而不是俯视图。四年级学生经常用一个混合的描述方式来画图，一些是俯视的，一些是侧面图。五年级学生很容易地从俯视的角度想象出和描述出某一区域，即用符号描述物体。这一基础研究为FOSS地形活动的设计提供了支持。

    FOSS明确了在什么时期或年龄阶段使教学内容得到最佳的传授。在每一节课或每一次指导中，学生不是要学习到什么重要的概念和观点。在学生能够理解进化论、板块构造论、元素周期表、经济理论、DNA、数学证明等重要概念之前，他们需要逐年积累一些相应的经验。重要的是学习迁移的顺序，而不是年级或年龄水平。FOSS不是“加速”学生的发展或“加深”对先前概念的理解，而是使学生学习变得更加有意义、更加高效、更加有趣。使学生能够通过将依次学习到的知识与先前的知识联系起来，逐级的建构对某一事物的有关概念的理解。

    ②以完全开放的活动为主，突出科学探究

    FOSS活动是一个多感官共同参与的活动。每个活动都是多种感觉(视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉)共同作用的结果。不仅让学生去动手做而且鼓励学生用耳听，用眼睛观察等，把所有感官调动起来，增加儿童大脑信息获取的途径。另外，FOSS活动没有统一的模式，每一活动也不遵循统一的步骤，可以说每一个探究活动都是“特别”的、“唯一”的。

    对学生来说，每一个活动都是不同的经历。这样就保持了学生的新奇性和参加活动的积极性。活动的设计也注重了学生的兴趣和主动参与。学生在探索活动中积极地去发现问题，寻找原因，查阅资料和解决问题等。自始至终学生是活动真正的主体。

    在活动中，教师同学生一起进行探究，成为学生中的一分子，师生处于同等地位，有利于促进师生之间的交流。教师主要起“穿针引线”的作用。

    FOSS活动一般以3-4人为一组，提倡科学探究活动的团队精神。每个结论都要得到小组成员的一致同意，作为小组共同的成果。学生通过探究活动取得成果时也往往有很大的满足感和成功感。这样也有利于培养学生的集体观念，同时学生在小组中又能获得同伴的认同感和自己的存在价值，以及从其他同伴那里学到许多东西。FOSS正是以这种完全开放、积极动手做科学的形式，给学生更大、更自由的科学探究空间。

    ③内容安排的灵活性和与其他学科的兼容性

    FOSS课程的设计是相当灵活的。每个FOSS单元都可按图表所示上下浮动一个年级。这样教师可以根据本地区或本校的实际情况安排教学内容。学生在学习内容选择上也获得更多自由。

    此外，FOSS是非常注意科学与其他学科(如语言、数学、社会研究、艺术、音乐等)的联系。体现在单元探究活动中的反思活动、词汇解释、数学发展、延伸与应用、科学故事阅读等部分。上述部分并不一定都包含在活动中，它们是逐次出现的，每个年级的学生发展不同的技能。1-2年级只出现科学拓展部分，3-4年级才出现反思活动、词汇解释、语言发展、数学发展、延伸与应用，5-6年级开始出现科学故事阅读。下面是一个具体事例。

    例如，在“模型与设计”单元活动3一一“奇特的玩具车”中，学科拓展部分是这样进行的：让学生研究汽车发展史上的一次技术进步，看一下是谁在什么时候对汽车进行改进的；让学生为全班做一次报告或者让学生在报纸上刊登一则广告，讲述一下该玩具车的造型和特征，并销售他们的玩具车，或从汽车经销商那里拿一些宣传的小册子，让学生阅读并比较各汽车模型的特征来进行语言拓展。

    “3名学生得到了一些制作玩具车的较大的轮子，轮子的周长为150cm(直径为48cm ),轮子通过4个齿的齿轮与轴毅结合在一起。他们使用8个齿的齿轮来驱动玩具车，8个齿的齿轮转动一周，轮子能行走多远？”这样的“本周问题”来进行数学拓展；另外还有让学生设计精美的演讲海报来拓展艺术等等。

    ④广阔的科学领域

    FOSS K-8年级共有36个单元涉及到生命科学、物质科学、地球科学、地球与宇宙科学及物质科学与技术6个科学领域。FOSS不仅包含的内容广泛而且注意了内容的深度，有别于美国以往内容广泛但浅显的科学课程。

    ⑤注重家庭与学校的联系

    在“新植物”单元活动4鳞茎和根中，让学生种植一些鳞茎来美化教室并建议学生在家中与父母一起种植一些鳞茎植物，把它们作为情人节或母亲节的礼物。还让学生把讲解提纲带回家，让家长帮助他们进行班级讲解练习，或者家长为学生提供一些探究活动必要的材料，帮助学生在家里制作海报等。

    此外，学校还请家长到学校来一起参加科学探究活动，让家长了解他们的孩子是如何学习科学的。这些活动促进了学校与家长的沟通和理解，有利于课程的实施得到家长的支持和

配合等。

    ⑥渗透人文关怀

    FOSS为教师配备了《教师指导用书》，为教师提供科学背景知识、详细的课程计划、评价方法及资料列表等等。工具箱为教师和学生准备了实验仪器、参考书、光盘、图表、地图等等，还有供学生单独或小组共同观看的多媒体CD-ROM，以及给学生提供阅读、想象和数据参考的活动指导用书等等。以期让教师和学生更好的发挥出他们的能力。

另外，FOSS为不同情况的学生(如身体有残疾的、视力受损害的、具有文化差异的)做了详尽的考虑，使他们也能正常地学习。此外，FOSS还通过自己的网站为教师和学生提供网络服务，如免费下载教学课件或直接进行网上学习等。

三、美国科学探究教学对我国的启示

1探究活动的设计要有科学的理论作指导

    从上面两个典型的以科学探究为主的项目来看，一个成功的探究活动设计要有科学的理论为指导。例如STC项目探究活动的设计就是以对儿童的研究和美国国家科学课程标准为指导。FOSS项目探究活动的设计建立在现代脑科学研究新成果之上：

    ●脑是如何工作的?

    ●人是如何进行思维和学习的?

    ●知识与我们对周围世界的理解有什么关系?

    FOSS将这些理论研究结果运用到适当的课程中，并对学习活动进行了精心的安排，以便使学生很容易地就掌握了新的概念。每一发展阶段都有典型的例证说明学生能够学什么和喜欢学什么。只有依据科学理论才可以使学生在有限的时间里高效地学习知识，学会应用知识。脱离科学的理论指导，盲目的设计探究活动或进行其他教学活动，只能费力费时，而得不到预想的效果或适得其反，也不利于学生的成长。因此，教师在设计科学探究活动时应该在科学的理论指导下，结合其他相关研究成果科学的设计教学活动。

2.科学探究是硬道理

    科学探究教学已越来越成为科学课程的重要组成部分，科学探究的理念也己经深入人心。而物理学习的主要目的不仅仅是掌握物理知识，更重要的是让学生通过学习物理知识，学会学习，学会探究，培养科学素养。学生在进行科学探究时不仅能产生浓厚的学习兴趣，而且还能感受到自己的失败与错误。通过纠正错误，逐步走向正确，真正体会到成功的喜悦，感到自己的存在价值。意义不能给予，只能发现，富有探索性的物理学习实践是发现物理现象背后意义的关键，亦是科学素养形成的过程。当然，科学探究并不是唯一的学习方式，教师可以根据自身、学校、学生的实际情况选择适合的学习方式。但通过世界各国科学课程改革的实践，科学探究确实是学生学习科学知识的最有效途径之一。

3.注重培养学生的各种能力

    不论STC项目还是FOSS项目，都非常注重在科学探究活动中综合地培养学生的各种能力。例如STC项目在探究活动中就注意培养学生的语言、艺术、社会研究的能力等等。FOSS通常围绕一个主题整合了语言、数学、社会等各领域的学习。FOSS项目在科学探究活动中通过一系列的拓展活动来综合地发展学生的能力。每个探究活动主题之后都有一篇阅读材料，让学生了解相关的背景知识，发展学生的阅读能力；有的探究活动通过让学生为自己的“产品”设计海报或宣传画来发展学生的语言和艺术能力等等。

    例如，在“树”这个主题单元中，让学生观察春天、夏天、秋天、冬天的树，口头或书面表达树在不同的季节的变化(发展语言能力)，画出不同季节的树(发展艺术能力)，和测量不同季节树干的周长〔发展数学能力)等等。

    科学探究活动的设计实际上是一个综合的“工程”。要从学生成长的长远目标来宏观地考虑，突破学科的界限，立足本学科，综合地发展学生的各种能力。

4.充足的课程资源作支持

    设计的科学探究活动能不能得到有效的实施，其中关键的一条就是有没有充足的课程资源作支持。STC、FOSS项目都为教师提供了很好的后备支持。例如，每个STC单元都附有教师指导手册、学生活动手册、材料和工具，为教师和学生解决后顾之忧。教师指导用书是FOSS教材中最重要的部分，是上百个教育者的聪明才智和经验的集中体现。工具箱为班级提供了整理好的高质量的材料。教师备课所需的录像展示了经验丰富的教师怎样为每一个活动做准备的情况，为教师备课提供了参考。科学故事、阅读材料可以丰富学生的科学体验，提升学生对科学概念和观点的理解。网站则为教师、学生和家长建立了联系和交流的纽带。科学探究活动在设计时要考虑到现有的课程资源，使课程资源得到充分的利用。同时我国也应大力开发课程资源，使教师和学生在开展科学探究活动时减少后顾之忧。

初步实践研究表明科学探究活动在设计时主要有以下几个问题：

1.怎样设计科学探究活动的情景假设

    假设的类型包括预测性假设、相关性假设与因果性假设。预测性假设是对事物或者现象存在的某些情况，特别是与众不同的情况或者差异情况进行的推测判断。相关性假设主要是对事物或现象之间的相互关系进行推测，一般情况下，如果事物或现象之间的关系不够明确，可以用相关性假设。这里的关系主要是相互影响的方向(正面影响，还是负面影响)、程度(影响的程度大小)。因果性假设是对事物或现象之间的相关关系中，比较突出的因果关系进行的推理判断。如“轨道的设计对小球下落速度的分析”等等。当然，有些科学探究活动涉及到的研究具有综合性，可能包括上面的两种或三种假设。

2.科学探究活动研究方法的设计

    研究方法主要是指：你需要找到相应的证据，来证明假设的各种方法。证据就是能够在不同方面确定事实或现象的资料，很多研究方法就是帮助你收集资料(证据)的手段，如观察、考察、访谈、文献研究、问卷调查、模拟实验与实验等等。研究方法的设计主要是依据不同科学探究活动的特点，选定适当的研究方式与资料收集方法，如观察法、问卷法、访谈法等。

3.进行科学探究活动的条件

●物质条件

包括实验设备、考察或调查的工具（如放大镜、望远镜、标本盒）、研究记录本或录音机、照相机、外出交通工具等等。

●人力条件

包括研究者与合作伙伴的已有知识、技能和经验，还包括访谈或调查对象、研究者的时间与精力、能够找到这一领域的专家担任顾问等等。

●财力与信息

研究需要的费用（购买实验器材、印制卡片或问卷等）、计算机互联网、图书资料中心等等。

    最佳的设计方案应该用最少的时间、最少的费用，设计的探究活动最有成效。这需要教师发挥创造力，尽可能优化探究活动的设计，创造条件来完成科学探究。

4.科学探究活动的“作业”形式

“作业”的形式一般包括:观察报告、小论文、制作PowerPoint幻灯片报告自己的发现、制作网页或者用传统的方法，制作板报、手抄报等。

4.1科学探究活动设计的定议

1.注意灵活性

2.注意调动学生的多种感官

3.加强有挑战性的提问和相互之间的交流

4.让学生自己去“发现”

5.注意探究活动的新奇性

6.发展学生的综合能力

7.注意科学探究活动的循序渐进

4.2科学探究活动设计的原则

1.符合学生认知特点

2.手、脑并用，突出科学探究

3.强调学生自主性

4.简便易行

注：本文节选自南京师范大学杨欣硕士毕业论文第一部分，原论文题目为《科学探究活动设计的初步研究》