围绕学生概念发展的探究式科学教育

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@2011-09-30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。科学大概念宇宙中所有的物质都是有很小的微粒构成的物体可以对一定距离以外的其他物体产生作用改变一个物体的运动状态需要净力作用于其上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生物体是由细胞组成的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遗传信息会在生物体中一代代地传递下去生物的多样性、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科学认为每一种现象都具有一个或多个原因。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。科学发现的知识可以用于开发技术和产品，为人类服务。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：物质系统的稳定与不稳定PS3：能量PS4：波及应用PS3.A：能量的定义PS3.B：能量守恒和能量转换PS3.C：能量与力之间的关系PS3.D：化学反应过程中和日常生活中的能量PS4.A：波的特征

PS4.B：电磁辐射PS4.C：信息技术和仪器核心概念主要成分的概念分解PS1：物质和物质的相互作用如何解释物质的结构、特征和相互作用？PS1.A：物质的结构和特性粒子是如何组成我们能够看到的各种物质的？到2年级末：物质以不同的状态存在（如，木头、金属、水），很多物质要么是固态，要么是液态，这取决于它们所处的温度。由物质可观察到的特性（如视觉的、听觉的、构造的）可对物质进行描述和分类。不同的特性适合于不同的使用目标。一个巨大的物体可由很小的部件组成。一种物质的物体和样品可被测量，他们的尺寸大小可以被描述和测量。（界限：体积被引入仅仅为了液体测量）核心概念主要成分的概念分解PS1：物质和物质的相互作用如何解释物质的结构、特征和相互作用？PS1.A：物质的结构和特性粒子是如何组成我们能够看到的各种物质的？到5年级末：任何类型的物质都可以被分割为很小的看不见的粒子，但是即便如此物质仍然存在，也可以用其他方法探究到（如通称重量或者对其他物体的作用）。物质状态变化时质量守恒。甚至在看起来消失的变化中，如（溶解中的糖，在密闭容器中的蒸发）。各种不同特性的测量（如硬度、反射率）可被用来识别具体的物质。界限：在这个年级阶段，质量和重量是不区分的，也不试图定义看不见的粒子或者解释蒸发或者凝结的原子尺度机制。PS1：物质和物质的相互作用如何解释物质的结构、特征和相互作用？PS1.A：物质的结构和特性粒子是如何组成我们能够看到的各种物质的？到8年级末：所有的物质都是由大约100种不同类型的原子组成的，原子与原子之间以不同的方式结合。不同的分子中的原子数目差异很大，从两个到上千不等。

纯净的物质由一种类型的原子或者分子组成；每种纯净物质都具有典型的物理和化学特性（在给定条件下对于任意的大小）可被用来识别它。气体和液体由彼此相对运动的分子或者惰性的原子组成。在液体中，分子之间总是相互接触；在气体中，它们广泛分散占据空间，仅会碰巧撞到一起。在固体中，原子紧密排列，可能在位置上振动，但不会改变相对位置。固体可能由分子组成，或者由重复的子单元延伸结构形成，如（晶体）。

随着温度或者压力变化而变化的状态可以用这些物质的模型来描述和预测。（界限：这里的预测是定性的，而不是定量的。）PS1：物质和物质的相互作用如何解释物质的结构、特征和相互作用？PS1.A：物质的结构和特性粒子是如何组成我们能够看到的各种物质的？到12年级末：每一个原子都有一个带电的原子核结构，原子核由质子和中子组成，被电子环绕。

元素依原子量从小到大横向排列，依化学性质相似性纵向排列。元素周期表的这种重复模式反应了外层的电子模式。在大尺度下，物质的结构和相互作用是由原子内部和原子之间的电子力决定的。稳定的物质状态内部电场和磁场能量是最小的。一个稳定的分子比它分开的原子具有少的能量，分子的这个能量称为束缚能量，人们必须至少提供这个能量来分开分子。PS1：物质和物质的相互作用25812PS1.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：运动和稳定PS2.A：力和运动PS2.B：相互作用的类型PS2.C：物质系统的稳定与不稳定√√√√√√√√√√√√PS3：能量PS3.A：能量的定义PS3.B：能量守恒和能量转换PS3.C：能量与力之间的关系PS3.D：化学反应过程中和日常生活中的能量√√√√√√√√√√√√√√√PS4：波及应用PS4.A：波的特征

PS4.B：电磁辐射PS4.C：信息技术和仪器√√√√√√√√√√√√主题词描述性的语句生命科学的核心概念从分子到生物体：结构和生命活动生态系统：相互作用、能量和动态发展遗传：性状的遗传与变异生物进化：统一性和多样性核心概念的主要成分LS1：从分子到生物体LS2：生态系统LS1.A：结构与功能LS1.B：生物体的生长与发育LS1.C：生物体内物质与能量的流动LS1.D：信息加工处理LS2.A：生态系统中相互依赖的关系LS2.B：生态系统中物质与能量传递的周期LS2.C：动态生态系统，功能和自我恢复的能力LS2.D：生物的社会和群居行为核心概念的主要成分LS3：遗传LS4：生物进化LS3.A：性状的遗传LS3.B：性状的变异LS4.A：生物的共同祖先和生物多样性的证据LS4.B：自然选择LS4.C：适应LS4.D：生物多样性与人类LS1：从分子到生物体：结构和生命活动25812LS1.A：结构与功能LS1.B：生物体的生长和发育LS1.C：生物体内物质与能量的流动LS1.D：信息加工处理√√√√√√√√√√√√√√√√LS2：生态系统：相互作用、能量和动态LS2.A：生态系统中相互依赖的关系LS2.B：生态系统中物质与能量传递的周期LS2.C：动态生态系统，功能和自我恢复能力LS2.D：生物的社会和群居行为√√√√√√√√√√√√√√√√LS3：遗传LS3.A：性状的遗传LS3.B：性状的变异√√√√√√√√LS4：生物进化：统一性和多样性LS4.A：生物的共同祖先和生物多样性的证据LS4.B：自然选择LS4.C：适应LS4.D：生物多样性与人类√√√√√√√√√√√√√√√地球与空间科学核心概念地球在宇宙中的位置地球系统地球和人类活动核心概念的主要成分ESS1：地球在宇宙中的位置ESS2：地球系统ESS1.A：宇宙和宇宙中的恒星ESS1.B：地球和太阳系ESS1.C：地球的历史ESS2.A：地球上的物质和圈层ESS2.B：板块构造论和圈层的大规模相互作用ESS2.C：地球表面水循环过程中的作用ESS2.D：天气和气候ESS2.E：生物地质ESS3：地球和人类活动ESS3.A：自然资源ESS3.B：自然灾害ESS3.C：人类对地球圈层的影响ESS4.D：全球气候变化ESS1：地球在宇宙中的位置25812ESS1.A:宇宙和宇宙中的恒星ESS1.B:地球和太阳系ESS1.C:地球的历史LS1.D:信息加工处理√√√√√√√√√√√√√√√√ESS2：地球的圈层ESS2.A:地球上的物质与圈层ESS2.B:板块构造和圈层的大规模相互作用ESS2.C:水在地球表面过程中的作用ESS2.D:天气和气候ESS2.E:生物地质√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√ESS3：地球与人类活动ESS3.A:自然资源ESS3.B:自然灾害ESS3.C:人类对地球圈层的影响ESS3.D:全球气候变化√√√√√√√√√√√√√√√工程、技术和科学的应用工程设计

设计是工程实践的核心工程、技术、科学和社会的关系核心概念的主要成分ETS1：工程设计ETS2：工程、技术、科学和社会的联系ETS1.A：定义和界定工程问题ETS1.B：不断发展的解决方案ETS1.C：优化设计方案ETS2.A：科学、工程和技术的相互依存ETS2.B：工程、技术、科学、社会与自然界的相互影响2010年国家科学院工程报告中K—12年级的工程教育标准得出结论，目前还不适合开发独立的K—12年级的工程学标准。与这些结论和建议一致，框架中所涉及的目标和内容，并不是要取代目前的K—12年级的工程与技术课程。无论是标准的开发还是课程的开发，都是通过建立与工程学、技术和科学应用之间的联系，加强K—12年级学生的科学教育。我们希望确保所有学生，不论他们经历怎样的K—12年级的教育过程，都能对这些关系有一个清楚的认识。ETS1：工程设计25812ETS1.A：工程问题的定义和界限ETS1.B：不断发展的解决方案ETS1.C：优化设计方案√√√√√√√√√√√√ETS2：工程、技术、科学和社会之间的联系ETS2.A：相互依存的科学、工程和技术ETS2.B：工程、技术和科学对社会和自然界的影响√√√√√√√√为什么需要大概念在学习科学的进程中，需要逐渐掌握一些应用更为广泛的概念，必然会更为抽象。如果这些概念的建立不能追溯和连接到更为具体的经验，对这些概念的理解会发生困难。科学教育的目标不是去获得一堆由事实和理论堆砌的知识，而应是实现一个趋向于核心概念的进展过程，这样做有助于学生理解与他们生活相关的事件和现象。为什么需要大概念实现基于探究的教学法，对教师能力和教学时间的要求都是很高的。基于探究的教学会大大增加理解的深度，但是需要花费更多的时间，内容的广度必须要减少。因此，在推进基于探究的科学教育的同时，必然需要选定一些大概念。学生的概念进展楼梯式：这种方式是认为进展类似一个爬梯子的过程processofclimbingaladder.前一步完成以后，才能进入下一步。拼图式：认为进展是是横向的，而不是纵向的，较大的概念是从较小的概念逐步扩展而形成的，并不需要以步进的方式来进展。局部的过程可以看成类似拼图游戏的方式。虽然每个小片可以以任何顺序拼接，但是将几个有关的部分配在一起来组成较大的组件，可以更容易看出是一个整体的某部分。学生的概念进展提出的另一种方式是“训练”的方式，在这种方式里，学习就像训练马拉松赛跑。跑完全程的能力是逐渐建立的，先能跑一小段距离，然后逐渐能跑更长的距离。这种“螺旋式的课程”比较类似这种情况。某个领域的一些概念在一段时间以后再重复学习，希望每一次的回顾都能更为深入。理想的情况是能过给予以前已经达到的情况来决定每一次训练能前进多远（即与概念进展有关的课题选择）。围绕科学概念设计探究活动探究应有结构，应考虑教学策略学生主动的学习要和教师有准备地指导相结合，和学习者之间的共同学习活动结合学习者需要在持续地、有支持和引导的环境下学习，以逐渐掌握一些重要的知识和模型，培养学习的能力以大概念的理念进行教学使学生愉快和充满好奇，但同时也能发展他们对概念的理解与儿童的生活和健康有关也有助于发展对科学本身的理解、探究技能、以及收发寻求与重视实证的意愿建立在已有的概念、技能和意愿之上，并能促进它们的进一步发展能使学生获得的科学活动的经验符合当前科学的发展通过形成性评测提高学生的理解力和对自己学习的责任感活动应该以大概念的理念进行教学教师应安排更多的时间让学生深入地研究某些物体、过程或现象。这些课题应该是经过挑选的，以便教师能清楚地看出这些课题与一个或多个大概念之间的关系，它们能够促进学生在大概念发展过程中某个阶段上的理解。能否真正起作用还取决于教师能否帮助学生建立概念之间的联系，并基于这些联系生成更大、更抽象的概念。使概念向更抽象的方向发展，是科学教学中主要的困难之一。以大概念的理念进行教学教师应帮助学生认识到新经验与原有经验、新概念和原有概念之间的联系。同时还应该发展有关科学的概念，关键是需要有意识地认识到实证对于支持学生发展科学概念的重要性，引导学生认识到大概念的实证基础。儿童的概念转变前概念的发展——错误概念到正确概念，模糊概念到清晰概念。要打破学生的错误概念，教师必须首先确认有哪些错误概念，并为学生提供讨论的机会去面对它们，然后再帮助学生在科学模型的基础上重建和内化他们的认知。神经教育学的研究揭示了前概念对后续概念学习的影响：当数据和原有概念一致时，学习和记忆的区域激活（尾核和副海马区）——发展当数据和原有概念不一致时，前扣带回激活，同时背外侧前额皮层、和契形区激活增加——纠正即使是学生的概念发生变化，原有的概念并没有消失，新的概念并没有在原有概念基础上内化，而是形成了新的记忆，抑制了原有的记忆——建立概念转变教学的神经基础帮助学生克服错误概念的策略预计到与学习材料有关的最常见的错误概念，并关注其他情况。鼓励学生通过与其他学生讨论、考虑证据和合适的方法来测试他们的概念框架。思考如何通过演示和实验来处理常见的错误概念。尽可能地经常回顾常见错误概念。评测学生概念建立的正确性尽管你知道许多常见的科学方面的错误概念，但这只是第一步。我们还必须识别每个学生的错误概念。每个学生都是一个独立的学习者，有其自身的错误理解。通过仔细倾听学生的回答，分析他们的想法，寻求明确的说明，要求学生进行解释和讨论，这样我们就可以判断出学生们的理解是肤浅的还是深层的。帮助学生认识到自身错误概念的策略我们还需要理解学生是怎样把分散的信息综合在一起以促进学习的，并鼓励学生表达观点、个人反思、对自我认知的评价和接受不同观点。了解学生如何处理信息是非常重要的。帮助学生认识到自身错误概念的策略要求给出说明，即请学生进一步解释、改述、阐明和演示要求给出证据，即请学生为其主张寻求实证要求给出评价，即请学生用收集的数据进行推测等待一段时间，即非语言引导策略，延长他们的回应时间，鼓励学生间的讨论和学生抬杠，用辩论的方法，即给学生机会让他们展示和说明他们基于数据的判断不要去寻找“正确答案”，即对不同的解决方法和步骤保持认可科学与工程实践用“实践”这个词代替“技能”，是为了强调进行科学研究不仅需要每个实践中特有的技能而且也需要相关的知识，避免将科学实践简化为一套单一的程序，如：识别和控制变量、实体分类等，这将不利于发展学生进一步理解概念和科学的方法。对实践（如模仿，形成解释，参与辩论与评价）的反复强调是为了形成这样一种观点：应该通过探究过程来学习科学。实践内容的选择来自于：(a)当科学家研究和建构有关世界的概念、模型和理论时使用的主要实践方法；(b)当工程师设计和构建系统时使用的重要的工程技术实践。八种基本实践提出科学问题，明确工程难题；建立和使用模型；设计和实施调查研究；分析和解释数据；利用数学、信息与计算机技术和计算思维能力；建构科学的解释，设计工程解决方案；基于证据的辩论；获得、评估和交流信息。AskingQuestion提出问题开始的Beginning初显的Emerging能胜任的Competent精通的Proficient能对物质世界提出问题。能区别科学的非科学的问题。能提出可以通过科学探究找出答案的问题（科学的或工程的），并能运用这些问题设计探究活动并建构一个实事求是的解决方案。能提出关键问题，以确定争论的前提，找出解释数据组的更多的挑战和深入探究学生在任何一个年级都可能提出与课本、观察现象、根据数据得出的结论和模型等提出问题，但随着年级的增加，学生提出的问题会越来越切题、聚焦和熟练。要想学生得到这样的发展，就比较提供一个尊重问题、能体现好问题价值的课堂环境和氛围。DevelopingandUsingModels

建立和使用模型模型在最低的年级就开始出现学生关于模型的进程从具体的“图画“或比例模型开始，逐渐到高年级比较抽象的关系表征图应该鼓励比较小的学生设计图画或简单的图表来表述他们在调查过程中的发现，并且利用这些图画或图表来解释发生了什么DevelopingandUsingModels

建立和使用模型随着年级的增高，都应该利用更加复杂的模型，使得学生在科学教育中不断进步学生绘制模型的质量依赖于以前所学的知识和技能以及学生对模型系统的理解，所以应该要求学生根据自己理解的不断深入，不断完善自己的模型课程需要明确地强调模型的作用，并为学生提供模型制作工具（如，信息技术模型，智能模型，如NetLogo，电子数据表格），以便学生评价该实践的核心，并且发展相应的技能以及应用合适的模型。PlanningandCarryingOutInvestigations设计和实施调查研究学生需要有设计调查研究的机会从一年级开始，应该为学生提供机会进行细致的、系统的调查，根据先前的经验发展他们的观察和测量的能力，使用合适的工具和仪器来收集数据的能力在K-12各年级中，应该给学生提供机会去计划和执行不同类型的调查应该要求年龄较大的学生提出可以验证的假设，解释他们的推论和为他们的选择辩护。对于高中生来讲，任何假设都应该基于一个成熟的模型或理论。PlanningandCarryingOutInvestigations设计和实施调查研究假设开始的Beginning初显的Emerging能胜任的Competent精通的Proficient为回答一个问题提出可能的解释，并给出理由在问题中使用一个简单的系统模型，并引用它建构一个假设来说明系统将要出现的行为以及隐藏在预测背后的原因能建构一个说明模型是如何变化或能回答问题的假设，并给出能测试假设的活动建议运用科学知识和模型灵活地建构可测试的假设，并能给出恰当的测试活动建议。AnalyzingandInterpretingData

分析和解释数据在小学阶段，要支持学生认识到需要利用会话、文字或数字等进行观察记录，来与其他人分享。当学生进一步深入参与科学探究时，应该鼓励学生开始按照表格和图表等呈现形式来收集某个范围或某些数值的数据，从而有助于解释。AnalyzingandInterpretingData

分析和解释数据对测量的理解开始的Beginning初显的Emerging能胜任的Competent精通的Proficient能认识到观察、记录和测量的必要性能使用简单的工具，如直尺、放大镜能选择适合的工具测量所需要的数据能选择和使用恰当的工具来获得一个数据集，并能说明理由能从多个工具中区分出测量一个特点量值的恰当的工具，并能精确的使用该工具UsingMathematics,InformationandComputerTechnology,andComputationalThinking

利用数学、信息与计算机技术和计算思维能力在适当的情况下，学生应该学习使用如尺子、圆规、温度计等工具来测量变量，并且最好通过一个连续的数值来表示应该为学生提供机会去探索怎样利用这样的符号表达式来表达数据，预测的结果，甚至利用数学来获得进一步的关系在低年级中，应该鼓励学生探索利用计算机分析数据，使用简单的数据集合。之后，应该介绍他们使用数学关系表达式来建构简单的电脑模型，使用合适的支持程序或信息技术工具。在学生理解数学和计算的进程中，应该在每个年级的科学课堂逐渐开发这些工具。ConstructingExplanationandDesigningSolutions

建构解释，设计解决方案解释的进程：在科学教育早期，应该给学生提供机会参与建构和批判解释。当学生为了得到一致的证据，进行自主调查和评估自己和他人的解释时，应该鼓励学生根据自己所观察到的，形成解释。随着学生知识的发展，他们开始能够识别和分离变量，并将观察结果纳入他们对现象的解释。利用他们对某个因素到底影不影响另外一个因素的测量，他们能够根据所观察的形成一个因果说明。ConstructingExplanationandDesigningSolutions

建构解释，设计解决方案设计的进程：普通小学的活动要求学生使用班级提供的工具和材料来解决一个具体的挑战设计活动不应该仅仅局限于结构工程，而且还应该包括其他工程领域的项目，如交通、校园环境等应该为中学生提供计划和执行整个工程设计项目的机会，从而根据标准和规范来明确问题，根据相关知识进一步研究问题，形成并验证可能的解决方案，通过不断设计修改解决方案EngaginginArgumentfromEvidence参与基于证据的辩论低年级的学生可以先从自己观察的现象所作出的解释以及收集的数据形成一个论点开始，从为自己的观点寻找证据开始随着他们建构科学的论点能力的提高，学生可以形成更广泛的理由或证据，这样他们的论据就会变得更加复杂学生应该从自己的发现和他人的发现中提出问题来开始学习批判。之后，应该希望他们认识到数据或论点的不足，以及解释他们为自己评论辩解的原因。当他们变得更加擅长辩论和批判时，应该给他们介绍辩论时所需的语言EngaginginArgumentfromEvidence参与基于证据的辩论应该鼓励他们确认判断新知识的标准以及通过目前评论的哪个科学观点得出的意义。特别是，他们应该看到同行评论的实践和独立的确实实验结果，有助于在科学中保持客观性和信任。Obtaining,Evaluating,andCommunicatingInformation

获取、评价和交流信息在低年级时，学生要仔细的描述自己所观察的现象，清楚的表达自己的观点，根据回答修正自己的结论，通过提问来明白他人的想法。低年级的阅读科学文献应该包括详细的说明和解释实践的表格、图表，并且通过写作来传达信息。小学高年级和中学，解释文献材料的能力更加重要。Obtaining,Evaluating,andCommunicatingInformation

获取、评价和交流信息应该鼓励学生创建图表来表征数据，通过绘图与表格来记录观察和写作文章。同时应该要求他们从写作报告或展板开始，将自己的工作呈现给他人。Reflecting

onthePractices

实践的反思参与模型、批判和基于证据的辩论，会促进和鼓励学生将自己所学知识的情况和对科学工作的理解反映出来。当他们参与科学实践或理解自然的基础时，他们对实践在科学事业的贡献的复杂理解，会一直贯穿在各个年级中。科学课程有效教学法的特征探究式的教学方法（Inquiry-basedteaching）基于神经发展科学(NeurodevelopmentScience)和社会建构主义形成性评测（Formativeassessment）的运用探究学生是通过他们亲自参加探查来发展自己的理解，他们收集和运用数据来检验想法，并找到能最好解释他们所发现的现象的概念。数据可以是来自直接动手操作材料，观察现象，也可以是运用第二手的资源，包括书籍、互联网和向别人询问。在解释数据以提供实证来检测想法时，应包含学生之间、学生与教师之间的辩论，以及查证专家的意见。建构主义有意识地发掘学生与所研究的现象和事件有关的、已有的概念、技能和态度，运用这些信息来帮助进行进一步学习。学生是发展和改变他们概念的参与者，帮助学生获得不同的想法比他们自发去解释周围的世界更为有效。获得不同想法的最好来源是对其他不同的想法进行讨论，而不是期待学生个别的去独自发展他们的概念（个体的建构）。鼓励讨论和辩论，以社会交往的形式来发展概念将更富有成效。对想法的交流和辩论过程将有助于学生在重构他们自己的概念时考虑到其他人的意见。形成性评测是一个周期性连续的过程，它不断将有关学生想法和技能的信息即时地提供给教学过程，并促进学生主动参与学习。它涉及在学习过程中收集有关学习情况的实证，根据对课程设置目标进展的要求来解读这些实证，确定适当的下一步的步骤，以及做出如何实现它的策略。向教师和学生提供反馈信息，可以在教学和学习过程中保证学习进展是伴随着理解而进行的。能使学生获得他们自己学习的主动权也是很关键的。是科学教育中的探究式学习归纳式的教学方式以学生为中心科学知识发现的过程提出和聚焦问题预测设计研究方案收集和获取证据从实证中得出结论交流讨论和结论有效的学习培养综合心智培养社会情绪能力科学家真正的工作方式和内容分离的过程自我学习过程无引导过程有利于不是模拟基本要素科学家在科学共同体内进行科学研究工作，这个共同体里的成员有着相同的思维方式、文化氛围、自律机制和行为规范。科学家的工作方式是多种多样的，他们的研究课题并不是直接从观察周围的现象开始的，也不是简单的五段式。科学家在好奇心方面就像长大了的孩子，但是科研的历程是艰苦的。就如王国维先生描述的“古今之成大事者，大学问者，必须经过三种之境界。运用探究方法认识自然时需要首先提出和聚焦问题

能保持好奇心，从兴趣和经验出发，对自然界中的物体和现象提出问题根据已有经验和知识，借助查阅资料、咨询他人和讨论等手段获取信息，聚焦和确定可研究的问题需要经过尝试和预测设计研究方案

根据已有的经验和知识对已确定的研究问题提出预测能设计合适的观察研究方案能设计规范的基于变量和模型的实验方案科学探究过程中需要收集和获取证据

通过观察、实验收集实证进行实验和收集数据时能和其他人进行集体合作科学探究过程中能够对所获得的实证进行分析，得出结论

能运用多次观察和测量的方法反复验证信息的可靠性能运用包括表格、图表在内的不同方式呈现数据能将所获得的实证与之前的预测相比较，并在实证和已有的理论或模型之间建立某些联系能从这种联系中做出判断，得出结论通过表达与交流公开和讨论研究过程、方法和结论

以适当的方式，准确如实地公开自己的研究过程与结果能够接受他人对研究过程和结果的检验和质疑，在交流中吸收他人合理的意见和建议，反思和改进自己的研究方案从探究活动的过程和结果出发，提出新的适合探究的问题不同层次的探究不同层次的探究

按照探究的开放程度，科学探究可以分为不同的层次，分别是验证性探究、结构化探究、引导性探究和开放式探究。学生需要掌握的科学方法技能包括：提出问题、制定研究计划、使用工具和收集数据的方法、形成基于实证的结论（NRC1996）。每个更高一级的探究层次都要求学生更多地提高和掌握这些技能。（KimberlyLott，2011）探究层次问题过程解答验证性探究：

学生验证已经学过或被告知的内容。√√√结构化探究：

为学生提供问题和过程，学生通过自己收集数据得出结论。√√引导性探究：

为学生提供问题，但要求学生自己制定研究计划，收集组织数据，得出基于实证的结论。√开放式探究：

学生自己提出问题，制定研究计划，收集和组织数据，并得出基于实证的结论。探究层次表

按照探究的开放程度，科学探究可以分为不同的层次，分别是验证性探究、结构化探究、引导性探究和开放式探究。

学生需要掌握的科学方法技能包括：提出问题、制定研究计划、使用工具和收集数据的方法、形成基于实证的结论（NRC1996）。每个更高一级的探究层次都要求学生更多地提高和掌握这些技能。（KimberlyLott，2011）活动案例：房子为什么隔热？

验证性探究活动

背景知识：大部分房子有里墙和外墙。两层墙体之间是隔热层。隔热层中的隔热材料常用来减缓热传导，因此房间内可以保温。实验目标：隔热材料可以减缓热传导，所以房子可以保温。实验材料：两个塑料瓶、热水、两个密闭塑料容器、棉絮、温度计实验过程：将两个塑料瓶灌满热水，盖紧盖子。一个塑料瓶外边包裹棉絮，放在密闭塑料容器中，盖好盖子。将另一塑料瓶放在另一密闭塑料容器中，盖好盖子。20分钟之后，打开密闭塑料容器和塑料瓶盖子，用温度计测量水的温度。数据表格：塑料瓶温度包裹棉絮的塑料瓶没有包裹棉絮的塑料瓶问题讨论：1、20分钟后，哪个塑料瓶中的水更热一点？2、解释为什么隔离的塑料瓶中的水更热一点。从验证性探究活动到结构化探究活动1、将活动题目变成一个可以激发学生好奇心的问题。2、删掉所有能够提供解答线索的内容，如活动目标。3、设置情境或实例以引入主题之后，让学生通过调查研究来建构相关科学概念。4、教师介绍相关概念的细节，如结论和词汇的科学解释。5、要求学生根据自己收集的数据得出结论：要求学生从自己收集的数据中总结出结论，代替原来直接提供明确的知识目标。引导学生最终发现预定的知识目标。背景信息：大部分房子有里墙和外墙。两层墙体之间是隔热层。隔热层中的隔热材料常用来减缓热传导，因此房间内可以保温。实验目标：学生能够解释：因为隔热材料可以减缓热传导，所以房子可以保温。实验材料：两个塑料瓶、热水、两个密闭塑料容器、棉絮、温度计实验过程：将两个塑料瓶灌满热水，盖紧盖子。一个塑料瓶外边包裹棉絮，放在密闭塑料容器中，盖好盖子。将另一塑料瓶放在另一密闭塑料容器中，盖好盖子。20分钟之后，打开密闭塑料容器和塑料瓶盖子，用温度计测量水的温度。数据表格：塑料瓶温度没有隔离的塑料瓶隔离的塑料瓶问题讨论：1、20分钟后，哪个塑料瓶中的水更热一点？2、解释为什么隔离的塑料瓶中的水更热一点。为什么我们的房子能隔热？实验材料：两个塑料瓶、热水、两个密闭塑料容器、棉絮、温度计实验过程：将两个塑料瓶灌满热水，盖紧盖子。一个塑料瓶外边包裹棉絮，放在密闭塑料容器中，盖好盖子。将另一塑料瓶放在另一密闭塑料容器中，盖好盖子。20分钟之后，打开密闭塑料容器和塑料瓶盖子，用温度计测量水的温度。数据表格：塑料瓶温度没有隔离的塑料瓶隔离的塑料瓶问题讨论：1、20分钟之后两个塑料瓶中的水温有什么不同？2、你觉得为什么会出现这种现象？从验证性探究活动到结构化探究活动结构化探究活动为什么我们的房子能隔热？实验材料：两个塑料瓶、热水、两个密闭塑料容器、棉絮、温度计实验过程：将两个塑料瓶灌满热水，盖紧盖子。一个塑料瓶外边包裹棉絮，放在密闭塑料容器中，盖好盖子。将另一塑料瓶放在另一密闭塑料容器中，盖好盖子。20分钟之后，打开密闭塑料容器和塑料瓶盖子，用温度计测量水的温度。数据表格：塑料瓶温度没有隔离的塑料瓶隔离的塑料瓶问题讨论：1、20分钟之后两个塑料瓶中的水温有什么不同？2、你觉得为什么会出现这种现象？1、教师将删掉学生实验手册中的实验过程、所有数据表格和图表。2、教师给学生提供探究的问题和可能用到的实验材料清单。3、教师引导学生考虑哪些变量是相关的，并如何测量它们。4、给学生提供充分的时间设计研究方案5、教师在学生实验的过程中，巡视学生的实验过程，给予相关的指导。从结构化探究到引导性探究从结构化探究到引导性探究为什么我们的房子能隔热？实验材料：两个塑料瓶、热水、两个密闭塑料容器、棉絮、温度计实验过程：将两个塑料瓶灌满热水，盖紧盖子。一个塑料瓶外边包裹棉絮，放在密闭塑料容器中，盖好盖子。将另一塑料瓶放在另一密闭塑料容器中，盖好盖子。20分钟之后，打开密闭塑料容器和塑料瓶盖子，用温度计测量水的温度。数据表格：塑料瓶温度没有隔离的塑料瓶隔离的塑料瓶问题讨论：1、20分钟之后两个塑料瓶中的水温有什么不同？2、你觉得为什么会出现这种现象？什么样的材料保温效果最好？你怎样知道哪种材料保温最好？你需要什么实验材料？你需要哪些步骤来研究不同的隔热材料？问题讨论：哪种材料保温效果最好？为什么？引导性探究引导性问题：什么样的材料保温效果最好？你怎样知道哪种材料保温最好？你需要什么实验材料？你需要哪些步骤来研究