STC课程实验——基于实践的课程研究 [复制链接]

       为克服原有科学教育广而不深，评价不注重核心知识、技能和能力纵深发展的缺陷，为帮助学生进行知识的整合，促进学生知识的迁移、实际问题的解决以及科学参与和决策，美国等多个国家对学习进程的研究日益受到重视。学习进程可以理解为“学生关于某一核心知识及相关技能、能力、实践活动在一段时间内进步发展的历程”。它揭示了学生在相当长一段时间内（如6-8年）是如何一步步从简单到复杂、从低水平到高水平地理解某一核心思想的。学习进程思想认为，学生对科学概念的理解存在多个不同的中间水平，学生需要经历这些水平方能实现不断进步。在一定时间跨度内（如一个单元），借助恰当的教学方式，学生对某一核心思想的理解和运用会逐渐发展、日趋成熟；这种发展不是单一线性的，而是多种因素相互联系、相互作用的结果。学习进程的起点是学生原有的知识经验（即学生的前概念），终点是社会期望（即人们期望学生达到进程顶点时应该知道什么和能橄些什么），两点之间的多个水平是在大量研究基础上总结出来的。

       STC 课程基于大量对核心思想和学习进程的研究，帮助学生逐步任事实间建构联系，发现模式，从而找到规律。它关注学生的概念友展的不同水平，把每节课发现的科学事实通过各层级概念联系起来，在长期学习过程中逐步构建核心思想统领下的复杂的科学概念网络，从而帮助学生真正地理解科学。

      1．从日常概念出发
     儿童的概念主要有两类：一是不经过专门的教学，在日常生活中通讨积累经验而获得的概念，这类概念称为日常概念；二是在教学过程中，通过揭示概念的内涵而形成的概念，这类概念属于科学概念。

       STC 各单元第1课的内容通常是对这个单元话题的一次头脑风暴，例如在2年级“蝴蝶的生命周期”单元第1课，教师宣布毛毛虫将来到教室后，就引导学生讨论“对于毛毛虫我们知道些什么”“我们将要探索毛毛虫的什么”这两个话题，并让学生画下心中毛毛虫的样子和其一生发展的过程。这就是学生呈现自己日常概念的过程。在这个单元随后的学习过程中，学生对毛毛虫的身体特点和生命历程进行观察，对毛毛虫的认识越来越丰富，以前错误的认识逐渐得到纠正，并形成对动物生命周期的完整理解。而这一系列过程的起点，就是学生开始第1课学习时的原有概念。

     人是如何学习的一一大脑、心理、经验及学校》一书指出，对事物新的理解是在原有理解与经验的基础上建立起来的。学生带着日常概念走进课堂，如果他们对事物的最初理解没有与课堂学习结合起来，那么他们可能不能领会新的概念和知识，或者如果他们学习这些概念和知识只是为了应付考试，那当他们走出课堂时，他们的理解又回到原有水平。因此，学生在开始一个单元的学习时，以头脑风暴等方式激活自己相关的日常概念，并在随后的学习中不断地把原有想法与新的发现相比较，才能真正理解科学概念。

        在3年级“声音”单元第1课的头脑风暴中，学生认为声音产生的途径有“喉咙发出、和地面碰撞、发动机、自然产生、翅膀颤抖、怕机按钮、音箱等”，这些都和日常生活中接触到的声音紧密联系，说明学生对声音有很丰富的认识，同时也说明这时学生头脑中对声音产王的途径的想法是零散而杂乱的。通过随后十几节课的学习，他们关首义、钉子、尺子等物体发声时的特点，不断总结这些发声物体的共问特征，他们关于声音产生途径的日常概念不断地和他们的新发现相联系、相比较，最终形成“声音由物体振动产生”这一科学概念。

        在5年级“漂浮与下沉”单元第1课，班级记录单上记下了当时学生们对沉浮的认识：空心浮，实心沉；重的沉，轻的浮；人全身放松，自然会浮在水面；物体因为重力而下沉；之所以上浮因为浮力较大；装有空气的物体一定会浮；片状或球状物体更容易浮起来；咸水的浮力更大……他们对日常经验的总结，有些是正确的，有些是片面甚至是错误的。这张班级记录单一直挂在教室里，当他们发现空心的鱼漂确实浮起来了，可实心的木块也是漂浮的，他们只好对“空心浮，实心沉”这一看法进行修正；当他们称量了漂浮的鱼漂和下沉的小丙烯块的重量后，发现鱼漂竟然比小丙烯块重很多，看来“重的沉，轻的浮”也不成立；当他们比较了沉或浮的物体受到的重力与浮力的大小后，他们发现“当物体所受浮力大于重力的时候会上浮，反之则下沉”这样的说法比单纯说“物体因为重力而下沉；之所以上浮因为浮力较大”更为完整和科学。

        可见，日常概念在学习之初被激活，通过适当方式与新的学习相连接时，向科学概念的转变更容易发生。因此，为了帮助学生真正理解科学概念，需要以他们的日常概念（前概念）为起点，根据认知规律，帮助学生丰富、整理和重构科学经验。

      2．在不同学习情境中逐级构建概念模型
      STC 课程中学生不是通过一两次探究就获得对学科核心思想的理解的，而是建立在参与一个个相互关联的科学实践活动，在活动中反复实验和讨论，并形成一个个对具体科学概念理解的基础上的。在 STC 课程中，各个子概念彼此衔接，并推动学生对单元概念的理解，使学生在这些具体知识的基础上逐渐领悟学科核心思想。相似的，通常学生也不是一节课就形成一个子概念，学生一个具体概念形成的基础是获取丰富的、有说服力的证据，这些证据在不同的学习情境中呈现。

       在经历了第1课的头脑风暴后，学生开始以14种常见材料为样本身找物体沉浮与它们的大小、形状、重量等性质之间的关系。他们发现，单独的一个性质（如重量）并不能决定一个物体的沉浮，但对于同样大小、同样形状的5个圆柱体而言，确实是轻的更容易浮而重的更容易沉。之后，学生们又设法使橡皮泥浮起来，他们进一步发现当重量不变的橡皮泥被捏成碗形、饺子形等形状的时候就能够浮起来，是橡皮泥的体积变了吗？可是当碗形橡皮泥倒扣在水中的时候它也会下沉。在此基础上，学生又设法用铝箔纸折成各种形状，让它装载尽可能多的垫圈，重量和体积对物体沉浮的影响看似很复杂。

        在经历了大量对物体重量、体积等性质与沉浮关系的研究后，学生继续使用自制弹簧测力计测量物体在水中和在空气中的重量，发现在水中物体会变轻，这是因为水对物体有浮力的作用。之后，学生继续测量大小不同的鱼漂受到的浮力，并计算鱼漂在水中不同状态（一半浸人水中、全浸人水中等状态）时受到的浮力。学生发现，物体浸人水中的体积越大，受到的浮力也就越大。当浮力大于或等于空气中的重力时，物体会浮起来，反之则下沉。对不同材料的物体进行各种研究后，学生能够把重量、体积等因素和浮力、重力等进行联系，形成具体概念（子概念2)。在理解了浮力、重力与沉浮的关系后，学生不但达成了本单元的阶段性概念目标，在2年级和4年级学习的基础上，他们又一次加深了对“运动与平衡：力与相互作用”这一核心思想的理解。

      浮力的大小仅和物体浸人水中的体积有关吗？本单元对沉浮的探究在继续深人。学生计算了各圆柱体浸人水中的排水量，发现排开液体的重量竟然等于它们受到的浮力，而且无论在清水中还是在盐水中都有这样的规律。排开同体积盐水的重量越大，物体在盐水中受到的浮力也越大。原来，物体在液体中的沉浮取决于相对密度（同体积的物体比同体积的水重，则沉；同体积的物体比同体积的水轻，则浮）。

       关于浮力的概念，“漂浮与下沉”单元是把它作为学生理解“物质父其相互作用”“运动与平衡：力与相互作用”这两个物质科学领域的慢心思想的中间一步来处理的。经过该单元的学习，学生对这两个核心概念都有了更具体和更深人的认识。

      从“漂浮与下沉”单元的安排中，可以发现一个有趣的现象各课在按照子概念间的逻辑推进的同时，并不完全按照子概念本身的友展逻辑直线进行，而是在几个子概念间跳跃和反复。为什么这样
故呢？

        美国《国家科学教育标准》指出：“学习科学是能动的过程。学习科学是学生们要亲自动手做而不是要别人做给他们看的事情。在学习科学的过程中，学生们需要描述物体和作用过程，提出问题，获取知识，对自然现象作出解释，以多种不同方式对所作解释进行检验，最后是把自己的看法传递给别的人。”这种能动的学习过程强调学生对科学的理解。而从日常生活经验（如“重的沉，轻的浮”）到真正理解一个科学概念（如“同体积的物体重于同体积的液体时，该物体在该液体中沉；同体积的物体轻于同体积的液体时，该物体在该液体中浮”）不是一蹴而就的事情。儿童头脑中的前概念是异常顽固的，在概念转变过程中，儿童需要在新旧认知之间进行艰难的抉择。只有证据足够有说服力、足够充分并且符合认知逻辑，儿童才会放弃原有认知而选择新认知。这个过程需要充足的时间，并要给学  生反复思考的机会。也只有确保充足的时间和反复思考，学生对科学的理解才会达到“一英里深”的要求。

       所以，科学学习不能对所有知识点都浅尝辄止，科学教育决策者需要选择最重要的那些内容，也就是科学各领域的核心思想。这些核心思想可以说是人类科学探索的精华和核心，它们能够很好地组织起许多相关的知识。

      学生学习科学的核心思想最好的方式之一是在数年时间内持续以越来越复杂的方法思考这些核心思想，这样的过程被称为“学习进程”。学习进程可以从幼儿园一直持续到12年级以上，人们可以终身持续学习科学核心思想。如果说掌握科学的核思想是科学教育的目标，那么学习进程就是抵达目标的可行路线。

STC 课程“漂浮与下沉”单元的设计就是建立在对学生浮力概念发展和变化的大量研究基础上的。肯尼迪和威尔逊对沉浮概念的学习进程进行了研究。他们发现，绝大多数学生在形成核心思想之前要经历一系列的概念变化过程。

对比 STC 课程“漂浮与下沉”单元的安排 ，学生的概念发展依次经历了表3中的各阶段。但本单元各课并不是完全按照表3的层次顺序排列的。巧妙之处在于， STC 课程的“漂浮与下沉”单元的概念发展线是本单元的知识中心视角，而学生的概念进程则是学习者中心视角。本单元的顺序则恰如其分地把这两种视角巧妙结合了起来。

       学生的原有概念是相当顽固的，在学习进程中，学生一方面不断获取新知，一方面不断调解新旧知识的冲突，这个过程需要长期反复进行才能够帮助学生将原有片面、零散，甚至错误的前概念，真正转化为科学概念。因此，在本单元实际学习过程中， STC 课程帮助学生形成对沉和浮的理解过程不是一蹴而就的，而是一个连续的过程。先是根据一个个具体现象找出影响沉浮的因素，以及这些因素和沉浮的关系，然后把这些因素综合，分析出沉浮规律，也就是在众多相关的具体概念基础上形成更大的概念。

       可以看出，在 STC 课程中，学生对“物质的特性与变化”及“物质间的相互作用”或其他核心思想的学习，从1年级到6年级，物质科学领域、地球与空间科学领域、生命科学领域和技术领域都在持续、反复进行。所以说， STC 课程的核心思想是在丰富的具体学科知识的基础上，以逐级发展的方式在不同学习情境中反复建构的。

3．注重让学生在学习过程中监控学习
      元认知的教学法通过确立学习目标以及了解达成目标过程中取得的进步的方式来帮助学生监控自己的学习。 STC 课程强调学生在学习过程中主动监控自己的学习，及时评判与修正原有认识，并重视对新知识的应用。

    学生在 STC 课程中经历了丰富的元认知体验。 STC 课程设计者有意通过提问、讨论等方式凸显元认知。例如4年级“运动和设计”单元第2课的讨论与分析。
    ●学生比较自己完成的小车绘图和书上的标准技术图有什么相似和不同。
    ●技术图上的二维视图有什么相似和不同。
    ●技术图哪些部分使建造小车比较容易，哪些部分使建造小车比较困难。
    ●色彩在绘图中的帮助。
    ●建造100辆相同的小车模型，哪种绘图比较方便，自己画的还是标准技术图，原因是什么。

    经过这一系列问题指引下的讨论，学生体会到与标准技术图相比，自己绘图的不足之处和标准技术图的优势所在，元认知的体验得以建立。
    类似的元认知体验在该单元每节课都有。
    在第5课“根据需要设计小车”中，让学生思考：“在测试后你改装了你的小车或重力作用下的物体下落装置吗？你如何改装的？你为什么要这样改装？”这样的思考有助于学生比较自己在测试前后的想法，修正原有的错误想法，把在测试小车过程中的新发现及时纳人学习体系中。

    第7课“测试橡皮筋的能量有什么效果”中，向学生提问：“为什力每个人冼杼同样的开始和结束的标准是重要的？”“为什么保持全班各个小组橡皮筋的圈数相等很重要？”这样的问题启发学生认识到只有制订公平的规则，才能够进行比较。
    第10课“测试空气阻力对小车运动的影响”中，向学生提问．“为什么每次实验，橡皮筋缠绕的圈数要相同？回忆第4课为什么木块重量是一个重要因素？为什么帆的重量是一个重要因素？为什么要较各小组的结果是很困难的？”这一连串的“为什么”，不但帮助学生对实验进行反思与讨论，还能帮助教师从学生的回答中了解学生认识和思维的发展。

    第11课“建造一辆用螺旋桨驱动的小车”中，要求学生在实验前思考螺旋桨驱动小车需要哪些设计特征，实验后进行增加或修订，并讨论：“根据三维设计图组装小车所遇到的困难和体会；本课中根据图样怎样组装小车会比第2课更容易？怎样组装会更困难？”这些问题都给了学生在交流中整理思维的时间和机会，学生在表达与分享中对自己的学习状况进行评估，并能够调整原有认识。
    第12课“分析螺旋桨驱动小车的运动与设计”中，让学生关注第11课的表格，对螺旋桨驱动小车的设计特征进行改变或增加，并讨论本课中哪些研究支持了他们的想法。这又是学生调整及巩固自己认知的活动。

    第13课“考虑小车制作成本”中，让学生分析，减少成本是否影响到小车的效果或外表，并说说自己的感受。教师帮助学生从多个角度进行综合评估，这样做还能够让学生学会全局思考，体验取舍和权衡，这都是培养学生科学素养的重要方面。
    不 断丰富的元认知体验，为学生元认知水平的提高奠定了坚实的基础。在一个个指向元认知问题的思考和讨论过程中，学生的元认知得到教师的关注，同时在潜移默化中得到提高。

此外， STC 课程还非常有意识地提示和帮助学生进行元认知监控。
第1课“设计小车”，建造小车后让学生思考：“在建造小车的过程中，小组碰到了哪些问题，你们是怎样解决的？”
第8课“评价小车的设计：观察摩擦力”中，让学生整理“对于摩擦力已经知道什么？还想知道什么？”

     第9课“设计并建造一辆带帆的小车”中，讨论“是如何完成议地战的？成功之处在哪里？遇到了什么问题？如何解决的？到目前为止学到了什么？”
     第14课“计划我们最终的富有挑战性的设计”中，学生阅读班级录单，分析“记录単上哪些东西现在看起来是正确的？是否存在需要更正或更新的内容？

      第16课“展示我们最终富有挑战性的设计”中，让学生描述：你怎样驱动小车运动，并且你习惯于使用哪些方法。在最后3节课里以及设计过程中，同学们设计方案的相同和不同。”
      这些指向元认知监控问题的讨论中，学生既是学习参与者，又是学习调控者。他们不但要在课堂上学习知识和技能，还要不断整理和评价对这些知识和技能的学习过程。因而，他们很清楚自己在学习过程有哪些新发现、新认识，并把这些新认识纳人自己原有的知识网络，或对原有知识网络进行调整，也因为对这些指向元认知监控问题的讨论，他们能够自觉、及时地根据自已的学习情况来调整学习策略，以更好地推动自己的学习。