补团 | 美国K-12科学教材“SD”：探索未知、解决问题，科学教育应该这么做！

前阵子我们介绍过的美国最新科学教材-- Science Dimensions （《科学的维度》）也来了！

[本文来自：www.11jj.com]

这是美国最新的科学和工程教科书，由美国著名教科书出版社 Houghton Mifflin Harcourt （霍顿米夫林哈考特出版社 "HMH"）根据美国最新科学教育大纲NGSS编写，反映了美国K-12科学教育最前沿的理念、方法和内容。

虽然这是最先进的进口原版教材，Science Dimensions 却十分亲民，特别体现在两点：

第一，比起正版加州语文 Wonders ，好似白菜价！即使你把幼儿园到5年级都一并收齐，也只有2000元出头！这个价格还包括了3年的配套电子资源订阅费用。

第二，配套的电子资源，好似一位随时在线的“外教”老师，给孩子提供讲解音频和视频、练习资源、实验指导，在家带孩子用，变得切实可行！

Science Dimensions是一个体系，由教科书和在线教育资源共同组成

这次，我们在花生团推出 Science Dimensions G2-G5（2年级到5年级）部分，G2到G3（2年级到3年级），每个年级一册；G4，G5（4-5年级），每个年级分别有上下两册（GK-G1暂时缺货；6-8年级也已经出版，我们今后会考虑推出）。

这是一套有“划时代”意义的科学教材，不光对美国孩子如此，对于全世界孩子的科学教育都有很大的启发。它强调了科学实践的核心地位，带孩子通过一系列探究式学习去理解科学概念；同时，它体现了STEM教育的精神，将工程设计、科学应用与科学学习进行了深度融合。

我们认为，Science Dimensions 能给中国孩子带来全新的科学教育，让孩子明白：科学绝不仅仅是记定义、背公式、做习题，而是包含一整套探索未知、解决问题、发明创造的方法。跟着这套书学1-2年，孩子能在“科学方法论”上获得巨大的提升，获得认知的飞跃；不夸张地说，这会影响孩子一生。

一小段来自HMH的官方视频，大家可以感受到 Science Dimensions 所体现的科学教育风貌 ... 

点击播放视频

决心开始带孩子用 Science Dimensions（缩写“SD”），会是一次经过认真考虑的选择。所以今天的介绍，会比较长，有六大部分，读下来需要一点耐心，建议仔细阅读后再做购买决定：

1、教材理念 - 我们到底应该怎样学科学？

2、内容特色 - 这样的科学教材，我们从来没见过

3、电子资源 - 给孩子配了“在线外教”，随时可以跟着学

4、英文原版 - 对孩子的英语学习有什么意义？

5、年级对应 - 怎么给孩子选适合的年级？

6、购买说明 - 价格怎样，电子资源如何开通、使用？

要理解 Science Dimensions，一定要知道美国科学新课标 （Next Generations Science Standards，下一代科学标准，简称“NGSS”）。2013年，美国发布了NGSS，定义了从幼儿园、小学到初高中的科学教育标准。

Science Dimensions 就是根据这个标准来编写的，主要体现了NGSS下美国科学教育的三个维度：科学和工程实践（Scientific and Engineering Practices, 学生要做什么）、跨学科共同概念（Crosscutting Concepts, 学生要思考什么）、学科核心概念（Disciplinary Core Ideas, 学生要知道什么）。

科学教育的三个维度，美国科学新课标NGSS之核心理念

为什么学科学不单是学知识，而是同时包含三个维度的学习呢？编写教纲的科学家们是这么说的：

如果我们只教孩子前人已经总结出来的知识，而忽视这些知识是怎么建立的、怎么应用的，这样的教育既不能体现科学的内涵，而且忽视了现代工程技术的价值，意义十分有限。

关于NGSS，周二和大家做过详细分享（戳这里可复习）。这里，简单概括一下NGSS的三个维度，也就是Science Dimensions 所体现的教育理念：

维度一：科学和工程实践

Scientific and Engineering Practices

这三个维度中，占据第一位的是科学和工程实践，具体来说，就是，学科学，学工程，要“动起来”，学会做八件事。这里的“做”，比起我们通常说的“动手做实验”，涵义要深刻、广泛的多，极度逼近长大后真实世界里科学家、工程师的工作方式。这八件事，分别是：

1、要会问问题（asking questions），搞明白自己到底要解决什么问题（defining problems）

2、要会建模型（developing and using models）

3、要会做调查研究（planning and carryng out investigations）

4、要会分析数据（analyzing and interpreting data）

5、要有数学和算法思维 （using math and computational thinking）

6、要能解释科学现象（construct explanations），设计解决方案（designing solutions）

7、擅于用证据阐明自己观点（engaing argument from evidence）

8、擅于获取信息，分析表达 （obtaining, evaluating and communicating information）

这些行为之间的关系，可以通过下图去理解 （点开可看大图） ... 

维度二：跨学科共同概念

Crosscutting Concept

指我们在各个科学学科里都会碰到的概念。具体来说，在物理、化学、生物、工程这些学科里，孩子们都会常常接触到这7个方面的“共同”概念，用这些概念去引导自己的思考，探索未知、解决问题：

1、要善于发现事物的模式和规律（pattern）

2、要搞清楚事物之间的因果关系、因果机制（cause and effect）

3、谈任何事，要有量的概念，如规模、比例和数量（scale, proportion and quantity）

4、要有系统和系统模型概念 （system and system models）

5、要明白能量和物质的流动、循环和储存，贯穿各个学科（energy and matter: flows, cycles and conservation）

6、研究事物、解决问题，一定要理解结构和功能的关系（structure and function）

7、万事万物的变化，都可以从两个状态去理解：均衡和变动（stability and change）

比如第一个概念 Pattern，在各个学科里都有大量体现 ... 

维度三：学科核心概念

Disciplinary Core Ideas

这个维度，学习的是物理、化学、生物方面的基本概念。在基础教育阶段， 美国的科学教育是四个领域同时进行的：物质科学、生命科学、地球和太空科学、工程技术。 Science Dimensions 每个年级的书里，都同时包括这四方面的内容，层层递进、螺旋上升。

1、物质科学 （physical sciences）：包括我们通常讲的物理和化学，核心概念有物质、动力、能量和波这四大方面。

2、生命科学（life sciences）：包括动物、植物、进化、遗传、生态系统这些核心概念。

3、地球和太空科学（earth and space sciences）：包括宇宙、地球、地球系统，地球和人的关系等。

4、工程、科技和科学的应用（energy, technology and application of science）：包括工程设计，以及工程、科技、科学、社会这四者之间的关系。

比如，一年级的Physical Science课开始学“声音” 的概念 ...

总之，Science Dimensions 全面反映了美国科学新课标，在科学学习过程中，三个维度紧密结合、共同进行，也就是让孩子通过8项科学和工程实践，用7个跨学科共同概念引导思考，建立在4个学科领域的基本认知；在这个过程中，逐步掌握科学探索、解决问题、创造发明的方法。

下面，我以 Science Dimensions 的部分内容为例，和大家一起感受一下这套美国最新科学教材的三大特色：探究式学习、学习内容螺旋上升、STEM教育理念的深度融入。

1、没有公式、没有做题，全面的“探究式学习”

我们小时候学物理、化学、生物这些课，学法大致是这样的。一上来一堆概念、定义，然后是公式，接着就是做题，算、算、算 ... 

这样的学习，对大多数学生来说，是非常困难，也是缺乏意义的。最根本的，学生往往不理解为什么要学这些？而且，因为缺乏和生活的联系，学生往往觉得这些概念非常抽象、好难理解。于是，只能跟着老师多做题，在做题中掌握套路，学会应对考试，考完即忘；真正的知识，其实没学到多少。

这样的学习，和 Science Dimensions 这类书所体现的现代科学教育理念，大相径庭：

孩子们必须懂得，科学不是一个个孤立的知识点（a body of isolated facts），而是一开始就要进行科学实践，形成科学的思维习惯（scientific habits of mind），学会做科学探究（scientific inquiry），善于做科学探讨（ reason in a scientific context ）。

也就是说，孩子们要在探究过程中理解、掌握知识。

举个例子，三年级的第一个单元，是让孩子解决一个工程设计问题：很多幼儿园或小学教室里，都有一个植物角。可是为期两周的假期就要来了，学校要关门，没有人来浇水，植物会干死，怎么办？

分三个关键步骤把孩子带入这个问题解决的过程：

第一步就是清楚定义问题。学生们需要设计一个方案，做一个灌溉装置，解决这个问题。为此，需要在两个方面想清楚：

1、这个装置要达到哪些性能要求（criteria），比如，不光能给植物自动供水，而且还能控制水流量。

2、你面临什么样的约束条件（constraint） ，比如，能持续工作两周，不会破坏教室环境。

这样，面临的问题就能被定义得更加精确：

我们需要设计一个灌溉装置，能在未来两周内以安全可靠的方式给植物输送适量的水，让植物不干死、也不溺死。

我们常说“问对问题，问题就解决了一半”，在科学探索和工程设计上，这都是极为重要的环节。

那么，怎么解决这个问题？这就要做调查研究了。

第一个要研究的问题：现实生活中常用的灌溉方式，有哪些？

经过调查，发现至少可以考虑四种方式（这张图右上角有 Explore Online 标记，说明学生此时可以登录“在线课堂”，利用视频资源，了解这些生活中常见的灌溉系统）

然后，根据 Criteria 和 Constraint（要求和限制），衡量每一种方式的利弊；会用图表进行整理归纳，是必须的！

第二个要研究的问题，就是植物角里的每种植物，在未来两周内，要浇几次水？每种植物，对水的需求量不一样啊，浇多了，植物也会烂死的！这就是调查研究，了解各种植物的习性 ...  经过研究、分析，总结出每种植物的浇水需求次数，一目了然列出来。

好，下面开始构建灌溉模型了 （modeling irrigation）