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围绕学生概念发展的探究式科学教育周建中教育部儿童发展与学习科学重点实验室（东南大学）中国科协“做中学”科学教育改革实验项目教学中心（东南大学）江苏汉博教育培训中心jzzhou0001@yahoo.com.cn2011-09-30苏州科学教师应具备的知识和技能•儿童发展心理学和神经科学知识•基础的自然科学知识•人文科学知识•所有主题的教学法知识（包括科学研究的方法）•听课、评课（课堂观察与记录）•教学实习教师专业发展需要什么•科学概念和知识内容–领域的最新进展–领域之外的教学内容•教学法知识–探究–人类学习规律（人是如何学习的）•针对内容的教学法知识（前概念、学习序列）地球与太阳系:–内容：太阳系只是宇宙中很小很小的部分，太阳系中的星球按一定的规律运动，地球是太阳系中的一颗行星；地球自转并围绕太阳运动，因此形成了昼夜和季节。–教学法：如何教（探究、社会建构），如何评测（形成性评测和总结性评测）–具体内容的教学法：学生的前概念、科学概念的学习序列国际科学教育的发展趋势《将科学带入学校：K-8年级科学学习和教学》（TakingSciencetoSchool:LearningandTeachingScienceinGradesK-8）科学内容和科学过程：•科学内容被视作为科学成果的积累——即期望学生学到的观察结果、事实以及理论知识。•科学过程被视作期望学生掌握的科学技能，如设计实验、测量或汇报结果。基于对科学的双重理解，即一方面将科学看作是一种知识体系，另一方面将科学理解为以实证为基础，对已有知识不断扩展、完善、修正和建构模型的过程。在科学领域，科学内容与科学过程之间是密切相关、不可分割的。学生掌握科学的四个方面方面一：知道、使用和诠释自然世界的科学解释•需要了解、使用并且诠释对自然世界的科学解释，理解核心科学概念及其之间的联系，去建立和评论科学论断。•更注重概念和概念之间的相互联系，而不是那些互不相关的事实和知识片断，还包括了运用知识的能力。方面二：产生和评估科学证据和解释•建立和完善模型和解释，设计和分析科学研究，用证据建立和捍卫论断时所需的知识和技能。•掌握在构建和评价知识论断时所需运用的概念、数学、物理和计算工具。•很大范围的涉及设计和实施科学研究的实践活动。包括提问、决定测量什么、设计测量方法、从测量中收集数据、整理数据、解释和评估数据、使用结果来发展和完善论断、模型和理论。科学学习的四个方面方面三：理解科学知识的本质和发展•了解科学知识可以随着新证据的出现而得以修正。•关注科学知识是如何建构的，证据和基于证据的论断是如何产生的•学生反思他们知识状态的能力。（元认知的发展）方面四：富有成效地参与科学实践和讨论•需要灵活参与课堂中的科学团体，并掌握表述观点、使用科学工具和与同伴交流科学问题的有效方式。•学习科学的动机和态度，为让学生积极和富有成效的参与科学课堂提供了基础。科学教育的原则和大概念小学科学教育的原则•一、在义务教育的所有年级，学校都应该设置科学教育项目，以系统地发展和持续保持学习者对周围世界的好奇心，对科学活动的热爱，以及对如何阐明自然现象的理解。学生学习科学应以活动的方式进行，一种包括了学生本人参与的实践活动。“科学”具有多方面的内涵，即包含了有关世界的知识，也包含了知识和理论赖以发展和改变的过程，这个过程包括观察、提问、调研和对实证进行推理。并不主张在早期教育中引入和要求理解所有的概念。小学科学教育的原则•二、科学教育的主要目的应该是为了使每个人能够参与有依据的决策和采取适当的行为，这对保证他们个人、社会以及环境的健康和协调发展是重要的。“面向全体学生的科学教育”意味着这种教育对所有的学习者都是重要的。科学教育为个人和社会提供服务。科学教育帮助学生发展理解能力、推理能力和科学态度，以及引导学生拥有一个身心健康和有价值的人生。学习科学的方法有利于理解力的提高，就能帮助学生发展学习的能力。小学科学教育的原则•三、科学教育具有多方面的目标，科学教育应该致力于：•理解一些科学上有关的大概念，包括科学概念以及关于科学本身和科学在社会中所起作用的概念•收集和运用实证的科学能力•科学态度小学科学教育的原则•概念（Ideas）——对所观察到的相互关系或特性进行解释后的抽象•日常概念——不需要基于实证的某种想法•大概念（bigideas）——可以适用于一定范围中物体和现象的概念•小概念（smallideas）——只运用于特定观察和实验的概念•知识、能力、态度各方面的大概念•这些多方面的目标并不是相互孤立的。在学习过程中它们之间的相互促进是很重要的，真正的理解需要依靠能力。小学科学教育的原则•四、基于对概念的审慎分析，以及基于当前对学习是如何发生的之研究和理解，应该给出为了达到科学教育各个方面目标的清晰进程，指出在不同阶段需要掌握的概念。通过在日常生活中的活动、观察和思索，儿童在进入学校时已经形成了有关世界的一些概念，这就是科学教育要达到的知识理解、能力和态度方面目标的起点。为了促进学生逐步发展到最终的目标，了解进程的方向和特性是很重要的。小学科学教育的原则•为了确定概念的进展过程，一方面需要逻辑分析，另一方面需要来自思维发展的研究实证。这两种方法不是孤立的。•科学的概念经常是复杂的，理解它的进展过程取决于多种因素，不同学生的概念进展会因学生在校内和校外遇到的情况的不同而各不相同。•要想得到一个适用于所有学生的进展的精确描述是不现实地，但可以对一些共同的趋势进行大致的描述。小学科学教育的原则•五、应该从学生感兴趣并与他们生活相关的课题开始，逐步进展到掌握大概念。关键是要能保证从学习特定的课题出发建立的小概念能逐步发展成较大的概念。一种解决的方法是分析建立每个大概念需要的前提，以得到一系列的训练。教和学得项目应该具有足够的灵活性，考虑到学生经验和特点的学习背景，促进学生产生兴趣和提出问题。小学科学教育的原则•六、学习的经验应该明晰地反应出既包含科学知识，也包含科学探究的理念，并且符合当前科学和教育方面的见解。科学并不是静止的，理论是与支持它的实证有关的，因而到新的证据出现时，理论可以改变。反复得到实证支持的概念被接受为“事实”，但是它们要得到稳固的确立还需要广泛的实证支持。不把科学视为一组机械的程序和已经确立起来的“正确的答案”，而把科学看做是对世界理解的创新，更能吸引和激励学习者。小学科学教育的原则•七、所有科学课程活动都应该致力于深化学生对科学概念的理解，同时应该考虑其他可能的目的。例如，科学态度和能力的培养。能力的培养必须与某个具体的问题相联系，必须有对“实际对象”的观察和数据。如果“实际对象”与理解物质世界及生命世界无关，所发展的能力知识一般泛指的能力，而不是特指的科学能力。大概念必然更适于较年长的中学生来掌握，但是教师的思维里应该清楚地意识到如何沿着一定的思路来组织活动，最终能聚焦到一起。要使教师认识到帮助学生从早期经验开始获得较小的概念再逐步进展到大概念的重要性。小学科学教育的原则•八、为学生设置的学习项目以及教师的职前教育和专业发展，都应该与为达到原则3中所设目标需要的教与学的方法保持一致。需要的教学方法应该是能够让学生自己建构对概念的理解，包括基于可能的想法提出预测，用不同的方法收集数据、解释数据，对比他们的预测来评价得到的结果，以及讨论这些概念如何运用。关键之处不在于实际的操作，而在于动脑，学生需要带着思考获取和使用实证，以及相互之间对证据进行讨论。对教师的教育课程应该认识到教师作为学习者时也需要有适合他们水平的科学活动和科学辩论的经验。小学科学教育的原则•九、评测在科学教育中具有关键的作用。无论是对学生学习过程的形成性评测，还是对学生学习进展的总结性评测，都必须考虑到所有的学习目标。有助于学习的评测应该是在学习过程中进行的，而不是在学习之后发生的某种事情，所以应该嵌入到教学项目和教学指导中。小学科学教育的原则•十、为了达到科学教育的目标，学校的科学项目应该促进教师之间的合作，并需要社会其他力量包括科学家的参与。如果能够安排一些活动，使教师以不同方式分享彼此的专长，咨询科学家，从当地工业界得到有关科学应用的知识，或者参与社区中与科学有关的活动，所有的教师将能从中受益。学习科学对学习已达成的基本共识更深刻理解概念的重要性注重教、也注重学创设学习环境建立在学习者已有知识上的重要性反思的重要性给教育什么启示?(教育改革的新阶段)•学什么?核心概念和模型•怎么学?基于探究的学习方法•如何有效的学习?探究、神经发展科学和社会建构主义、形成性评测•遵循学生脑的发展规律•采用个体化的形成性评测和干预围绕一个核心概念开展科学教育•科学教育的目的就是帮助孩子们持续性的建构和完善他们的知识和能力，从他们对周边环境的兴趣和他们对世界运行的最初想法开始。---AFrameworkforK-12ScienceEducation--Practices,CrosscuttingConcepts,andCoreIdeas核心概念是经过充分实证检验的学科中最基本最主要的一些科学概念1．对于多个科学或工程学科来说都是非常重要的或者是某一学科的关键组成成分；2．为理解和研究更为复杂的概念和解决问题提供重要工具；3．结合学生的兴趣和生活经验，或者结合需要利用科学或技术知识来理解的社会或个人关注的内容；4．在深度和复杂度水平日趋增长的各个年级都能够开展的教和学的内容。就是说，这些概念对于年幼的学生来说也可以学习，但在广度上也足够在各个年级不断进行探究。科学大概念1.宇宙中所有的物质都是有很小的微粒构成的2.物体可以对一定距离以外的其他物体产生作用3.改变一个物体的运动状态需要净力作用于其上4.当事物发生变化或被改变时，会发生能量的转化，但是在宇宙中能量的总量总是不变的物质科学领域科学大概念5.地球的构造和它的大气圈以及在其中发生的过程，影响着地球表面的状况和气候6.宇宙中有无数个星系，太阳系只是其中一个星系——银河系中很小的一部分地球与空间科学领域科学大概念7.生物体是由细胞组成的8.生物需要能量和物质的供给，为此它们经常需要依赖其他生物或与其他生物竞争9.遗传信息会在生物体中一代代地传递下去10.生物的多样性、存活和灭绝都是进化的结果生命科学领域关于科学的大概念1.科学认为每一种现象都具有一个或多个原因。2.科学上给出的解释、理论和模型都是在特定的时期内与事实最为吻合的。3.科学发现的知识可以用于开发技术和产品，为人类服务。4.科学的应用经常会对伦理、社会、经济和政治产生影响。新的美国K-12科学教育框架框架制定的几个指导性原则：•儿童是天生的研究者；•关注核心概念和实践；•学生对科学的理解随时间而加深；•科学和工程既需要知识，也需要实践；•科学教育与学生兴趣和经验的结合；•提升教育公平性。---AFrameworkforK-12ScienceEducation--Practices,CrosscuttingConcepts,andCoreIdeas框架的主要内容具体内容分为三个维度：•科学与工程的实践（从事科学探究和工程设计的实践）；•跨领域的概念（在科学与工程领域中通用的、统一的跨领域的概念）；•科学学科内的核心概念（物质科学、生命科学、地球与空间科学，以及工程、技术和科学的应用）。跨领域的概念1．模式；2．因果关系；3．尺度、比例和数量；4．系统和系统模型；5．能量和物质；6．结构和功能；7．稳定性和变化。•贯穿科学与工程学科的7个跨领域的概念，可以帮助学生将很多学科知识与一个统一的、科学的世界联系起来。•学生通过对各个领域内的核心概念的反复学习，来加深对这些跨领域的概念的理解。物质科学的核心概念•物质和物质的相互作用•运动和稳定：力和相互作用•能量•波以及它在信息转换中的技术应用核心概念的主要成分PS1：物质和物质的相互作用PS2：运动和稳定PS1.A：物质的结构和特性PS1.B：化学反应LS1.C：原子核反应过程PS2.A：力和运动PS2.B：相互作用的类型PS2.C：物