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！(2)

在科学和工程中，模型往往是现实世界事物关系的简化体现（最常见的是数学模型），在工程里，很多时候体现为原型 prototype；这个概念很重要，，我们很多人平时遇到问题，不太明白要从简单入手的道理，往往被一个问题牵扯到的很多因素搞得晕头转向。而做原型，就是一个化繁为简，从简单情况入手，找出基本解决方案，然后再攻克复杂问题的有效方式。 [本文来自：www.11jj.com]

这个思想方法，也是做小朋友时就该培养起来的。 [本文来自：www.11jj.com]

在这个例子中，就同作文打草稿一样，让孩子用材料先搭建一个简化版的试验模型，比如先暂时不考虑多种植物不同的浇水需求，只解决某一种植物的浇水问题。搭原型之前，还要学会画草图 ....  这样的动手操作，Science Dimensions 每节课里都有。告诉孩子用什么材料，按照什么步骤，从实践中理解科学概念、完成工程制作。

做好原型后，下面就是实际测试了（Engineering Test），看看它能不能像你设想的一样的去工作？如果原型测试结果不错，下面就可以着手，解决更复杂的问题了：要把所有植物都考虑进来，在原型基础上完成这个浇水系统的整体设计。

这种从需求出发提问题、做原型、再完成整体设计的思路，在现代的工业设计里比比皆是。Science Dimensions 这样最新的教科书，就是让孩子从小接触这样的思路和方法，把科学学习从被动的接受已有知识，变成一个亲身参与、积极创造的过程。

完成整个设计和制作后，还要完成10个步骤，才能交付你的“作品”，虽然是孩子的project，但十分严谨，和真实的工程设计，没有本质区别。比如，孩子们需要明白，这几个步骤很关键：

1、再次审视，是不是这个装置达到了性能要求，而且能满足各种约束条件？（强调性能要求和限制条件，几乎贯穿所有工程问题）

2、能用文字清楚描述自己的思路和步骤，别人能按照这个步骤复制和测试你的作品（做程序员的爸爸妈妈应该很熟悉这个要求）

3、做详细测试（engineering test），比如测试3次，每次记录结果，对结果进行分析，决定哪些需要改进；改进后再测试，有必要测试后再改进 ... 

4、最后，得出结论，告诉大家你的设计思路、产品结果，用实证数据去证明你的作品是可行的。

这就是这套书典型的一个学习流程，不管是学物理，还是学生物、地球科学，每节课的基本结构都是相似的：从问题出发，用生活中的现象把孩子带入学习场景，然后做相关探索（explorations），观察现象、学习概念、动手操作（hands on activity）。

所以，就 Science Dimensions 这样的科学教材来说，比起具体的知识，它包含的这些探索未知、解决问题的科学方法论，才是最大的精华所在。说实话，如果我们中国人从小按照这样的思路学科学、搞发明，诺贝尔奖都已经拿到手软了！！！

2、学习内容螺旋上升，为孩子打下牢固的认知基础

从幼儿园到5年级，随着年级上升，Science Dimensions 是怎样安排学习进度的呢？下面，我以Physical Science （物理、化学）为例，和大家一起感受下 ... 

记得小时候我们是从初中开始学物理的。物理课是一门很多学生“害怕”的课，抽象、烧脑；最要命的是，没学好，就会被打上“笨”的标签，不少女生被这门课搞得默默流泪，自信心备受打击。

来看看 Science Dimensions 吧，从幼儿园到5年级，另一种学法 ... 没有理由学不懂，被人当做“笨”小孩！

孩子们接触物理的概念，是从幼儿园就开始的。最初，是 Forces and motion （力和运动）... 

对这个年龄的孩子来说，去观察生活中的各种力学现象，如推（push），拉（pull），就是学习的开始；通过很多实际例子，让孩子直观理解什么叫 motion（运动），speed（速度），direction（方向）和force（作用力）... 也向孩子介绍了牛顿，但并没有直接引入“牛顿三定律”的概念。

一年级，开始学习两个相对抽象一些的概念：Sound（声音）, Light（光）。像 vibrate（振动）, volume（音量）, pitch（音调）, communicate（通讯）, shadow（光影）, reflect（折射） ，这些有关声音和光的基本概念，都通过一个个现象观察、动手操作，帮孩子建立初步而生动的理解。

比起幼儿园阶段，学的方式上，更加强调通过动手实验（Hands-on-activity）去理解相关知识。比如，通过小实验，测试光对不同物质的穿透能力。

二年级，学习 Matter（物质）的概念。物理学的两大问题：事物是怎么构成的 - What is everything made of？ 事情为什么会发生 - Why do things happen？这里孩子就会开始建立认知。

学习方式上，除了从生活现象出发，让孩子动手之外，还会让孩子注重分析思考，比如观察到很多“物质状态可逆转与不可逆转”现象后，做 Cause and Effect （因果关系）表，归纳、整理自己的发现：

到了三年级，再次回到 Forces（力）和Motion（运动）的概念，学习层次比在幼儿园（GK）级别明显提高。比如，引入了 balanced forces （力的平衡），electricity（电力）， gravity（重力），magnet（磁力），static electricity（静电），frame of reference（参照系）, position（方位）等概念 ... 

四年级，继续提升对 Matter（物质）的学习。探讨物质结构，让孩子对现代科技中极为重要的“材料科学”开始有基本认识。同时，首次引入chemical change（化学变化）的概念，从化学现象，而不是从化学元素周期表去引导孩子对这门学科产生基本认知。

到了5年级（美国小学一般只有5个年级，6年级算middle-school了），开始学习两个比较复杂的概念：Energy（能量），Waves and Information Transfer （波和信息传送）。即使到了这个年级，给孩子的讲解和练习也是形象化的。

其它三门科目：生命科学、地球和太空、工程技术，每个年级的层层递进，也是差不多的。总结下来，这个特点很突出：

会问孩子很多问题，会让孩子做很多动手实践，会让孩子做很多调查研究、数据分析，甚至会让孩子做很多口头、文字表述，但并没有让他们去记公式、做复杂的计算题。

这么做的目的，是因为对这个阶段的孩子来说，科学教育重点还是从现实世界出发，理解自己为什么要“学科学”，学习怎么去“学科学”，在这个过程中获取基本的科学概念，培养对科学的兴趣，为进入中学后更高层次的科学学习打下坚实的认知基础。

没有这个基础，像我们小时候一样，上中学后直接去学复杂而抽象的定律、做绕圈子的题，会很片面、很无效。对此，相信我们都深有体会。

3、全面融入Engineering，符合时代潮流

由于STEM教育在美国越来越受重视，Science Dimension 做的一项很大的努力就是把 Engineering（工程）深度融入了整个学习过程中。

STEM，是science, techonology, engineering 和 mathematics的缩写，体现了这四门学科的交叉融合概念。

首先，从幼儿园开始，每个年级的第一单元，主题都是 Engineering and Technology  比如这一课，让幼儿园的孩子探索，棒球场里，灯光应该怎么设置，才能达到满意的照明效果？

其次，每个学科单元里，都会包含 Engineering的成分，引导孩子理解，把这里学到的科学概念在实际生活中用起来，会是什么样。比如，在这节生命科学课上，让孩子看看现实世界里，河坝如何设计，才能不对三文鱼产卵路线形成障碍？

Engineering 在 Science Dimensions 体系里，占的比例相当高。这里的一个基本思想就是，现代科学技术发展中，大多数学生长大后会致力于用科学和数学去解决人类的各种实际问题。所以，孩子们从小时候开始，就应该不断加强这方面的认知：怎么用科学知识、数学技能和设计思维，去满足需求、解决问题？

Science Dimensions 通过探究式学习，让孩子动手、动脑去理解科学概念。你也许会想，这样的学习方式是很好，但是我怎么带孩子去完成实际操作呢？虽然说追求标准答案已经out了，但是我们总得有个基本方向啊，给我教案，给我答案，最好，给我老师！！！

别急，别急，你的痛，我懂！所以这一次，我们不只带大家买书，更为孩子配备了一位随时随地可以跟着学的“在线外教”老师！

什么意思呢？Science Dimensions是一个体系，由教科书和在线教育服务共同组成。经过跟出版社长达一年的沟通协商，终于，我们独家引进了Science Dimensions 的全套配套电子资源（如同一个“在线课堂”）！

教科书上的概念、实验，在线资源中都有丰富的讲解和拓展，通过视频和互动练习，让孩子充分参与其中；课文，变成了有声动画、视频、音频；书上的那些“开放”的问题、练习、实验，这里都提供了可以参考的思路、答案。

五年级电子资源教学小视频截图

一句话，这套在线电子资源就好像一位可以随时随地跟着学的在线“外教老师”，一个在线自学课堂，让孩子跟着这套书学下来，变得现实可操作。

当然，这个过程中，爸爸妈妈作为“中教老师”的角色，也是必不可少的存在，需要付出一定的时间和努力，才能更好地发挥这套书的价值。

这位“外教老师”起到了什么样的作用？总结下来，有三点

1、书本上的学习内容，“在线课堂”里都有音频或视频讲解，还有配套的互动练习

比如2年级“物质”这一课，讲到物质的状态 ... 页面右上角有“Explore Online”的标记，说明此时孩子可以去“在线课堂”看配套的视频资源、做一些互动练习。

教材内页

线上课堂里，有小视频讲解液体是怎么回事儿 ... 

视频截图

还用视频，对书上的内容做拓展，引导孩子思考，自然界中的物质，人们为什么要改变它的状态?