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中文版序 科學(xué)教育不應(yīng)該傳授給孩子支離破碎、脫離生活的抽象理論和事實(shí)，而應(yīng)當(dāng)慎重選擇一些重要的科學(xué)觀念，用適當(dāng)?shù)?、生動的教育方法，幫助孩子們建立一個完整的對世界的理解，初步形成科學(xué)態(tài)度，掌握科學(xué)方法，了解科學(xué)精神，構(gòu)建一個人健康協(xié)調(diào)發(fā)展的基礎(chǔ)。 引言 科學(xué)教育的目標(biāo)不是去獲得一堆由事實(shí)和理論堆砌的知識，而應(yīng)是實(shí)現(xiàn)一個趨向于核心概念的進(jìn)展過程，這樣做有助于學(xué)生理解與他們生活相關(guān)的事件和現(xiàn)象。核心概念及進(jìn)展過程可以幫助學(xué)生理解與他們在校以及離開學(xué)校以后的生活有關(guān)的一些事件和現(xiàn)象，我們把這些核心概念稱為科學(xué)上的大概念。科學(xué)活動一般是從周圍的事物和事件開始的，小學(xué)階段應(yīng)注意，所教內(nèi)容使學(xué)生感興趣，選擇適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)內(nèi)容是這些內(nèi)容不僅對學(xué)生在中學(xué)的學(xué)習(xí)有用，而且對他們一生都有用。
第一章 1.在義務(wù)教育的所有年級，學(xué)校都應(yīng)該設(shè)置科學(xué)教育項(xiàng)目，以系統(tǒng)的發(fā)展和持續(xù)保持學(xué)習(xí)者對周圍世界的好奇心，對科學(xué)活動的熱愛以及對如何闡明自然現(xiàn)象的理解。
“科學(xué)”既包含了有關(guān)世界的知識，也包含了知識和理論賴以發(fā)展和改變的過程，這個過程包括觀察、提問、調(diào)研和對實(shí)證進(jìn)行推理。
從事科學(xué)探究可以使學(xué)生欣賞自身并開始認(rèn)識到科學(xué)的威力和局限性。
科學(xué)的理解源于在好奇心激勵下進(jìn)行的對事物和現(xiàn)象的探究，而這種好奇心是出自于對我們周圍事物尋求理解的愿望。正如在下面原則4將要進(jìn)一步指出的那樣，理解并不是簡單的有或無，而是隨著經(jīng)驗(yàn)的增長，不斷增加復(fù)雜性的過程。
科學(xué)應(yīng)該成為小學(xué)教育的一部分，這個原則的提出，基于它來自正面的有力證據(jù)。小學(xué)科學(xué)教育會使兒童的一些由直覺形成的非科學(xué)的想法受到挑戰(zhàn)，如果這些想法不被遏制，會干擾他們以后對世界的理解。
從事科學(xué)探究可以使學(xué)生體驗(yàn)親歷發(fā)現(xiàn)的快樂，并開始了解科學(xué)活動的本質(zhì)、科學(xué)的權(quán)威和局限性。學(xué)習(xí)科學(xué)人物和科學(xué)史有助于了解科學(xué)是一項(xiàng)人類的重要事業(yè)，在其中人們通過系統(tǒng)的收集數(shù)據(jù)和運(yùn)用實(shí)際的證據(jù)來發(fā)現(xiàn)可信的知識。 2.科學(xué)教育的主要目的應(yīng)該是為了使每個人都能夠參與有依據(jù)的決策和采取適當(dāng)?shù)男袆?，這對保證他們個人、社會以及環(huán)境的健康和協(xié)調(diào)發(fā)展是重要的。 科學(xué)教育幫助他們發(fā)展理解能力，推理能力和科學(xué)態(tài)度，以及引導(dǎo)學(xué)生擁有一個身心健康和有價值的人生。
學(xué)習(xí)科學(xué)的方法有利于理解力的提高，能幫助學(xué)生發(fā)展學(xué)習(xí)的能力。在一個變化迅速的世界，為了能有效地工作，這些能力是一生都需要的。 3.科學(xué)教育具有多方面的目標(biāo)，科學(xué)教育應(yīng)該致力于: · 理解一些科學(xué)上有關(guān)的大概念，包括科學(xué)概念以及關(guān)于科學(xué)本身和科學(xué)在社會中所起作用的概念 · 收集和運(yùn)用實(shí)證的科學(xué)能力 · 科學(xué)態(tài)度。
大概念是指可以適用于一定范圍內(nèi)物體和現(xiàn)象的概念，能夠用于解釋和預(yù)測較大范圍自然界現(xiàn)象的概念。
科學(xué)教育的目標(biāo)也包括科學(xué)能力的發(fā)展和科學(xué)態(tài)度的培養(yǎng)……學(xué)生也會在書寫和口頭語言，以及數(shù)學(xué)方面獲得進(jìn)步。 4.基于對概念的審慎分析以及基于當(dāng)前對學(xué)習(xí)是如何發(fā)生的有關(guān)研究和理解，應(yīng)該給出為了達(dá)到科學(xué)教育各個方面目標(biāo)的清晰過程，指出在不同階段需要掌握的概念。
從發(fā)現(xiàn)學(xué)生是如何使經(jīng)驗(yàn)獲得意義的，我們可以提供在表征趨向目標(biāo)進(jìn)展中思維變化的豐富描述。
學(xué)生從學(xué)前教育，經(jīng)過小學(xué)到中學(xué)，我們對他們在不同教育階段中進(jìn)展的預(yù)期: · 逐步提高闡明物體特性的能力，能考慮到用不直接觀察到的特征來闡明物體的特性； · 較高的認(rèn)知能力，能認(rèn)識到闡明某些現(xiàn)象時需要考慮多個因素； · 較好的定量觀察能力，能用數(shù)學(xué)來完善和加深理解； · 能更有效的運(yùn)用物理、心理和數(shù)學(xué)模型。 5.應(yīng)該從學(xué)生感興趣并與它們生活相關(guān)的課題開始，逐步進(jìn)展到掌握大概念。
教和學(xué)的項(xiàng)目應(yīng)該具有足夠的靈活性，考慮到學(xué)生經(jīng)驗(yàn)和特定學(xué)習(xí)背景的不同，活動應(yīng)該能使學(xué)習(xí)者有機(jī)會接觸到真實(shí)的物體和真實(shí)的問題，這樣做可以使學(xué)生產(chǎn)生興趣并提出問題，這些問題可以做為達(dá)到目標(biāo)的學(xué)習(xí)起點(diǎn)。這樣的活動通常不像結(jié)構(gòu)化的項(xiàng)目那樣，一次只面對一個概念，學(xué)生感興趣的有意義的活動往往會包含數(shù)個有關(guān)概念的發(fā)展。 6.學(xué)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)該明晰的反應(yīng)出既包含科學(xué)知識，也包含科學(xué)探究的理念，并且符合當(dāng)前科學(xué)和教育方面的見解。 科學(xué)活動和科學(xué)思維的目的都是為了理解世界。把科學(xué)看做是對世界的理解和創(chuàng)新，更能吸引和激勵學(xué)習(xí)者。 7.所有科學(xué)課程的活動都應(yīng)該致力于深化學(xué)生對科學(xué)概念的理解，同時應(yīng)該考慮其他可能的目標(biāo)。例如，科學(xué)態(tài)度和能力的培養(yǎng)。 對小學(xué)教師來說，特別要注意確保兒童的活動不僅僅是停留在興趣的狀態(tài)，而是要引導(dǎo)他們加深對他們周圍事件的理解。 8.為學(xué)生設(shè)置的學(xué)習(xí)項(xiàng)目以及教師的職前教育和專業(yè)發(fā)展，都應(yīng)該與為達(dá)到原則3中所設(shè)置的目標(biāo)需要的教與學(xué)的方法保持一致。 我們需要的教學(xué)方法應(yīng)該是能夠讓學(xué)生自己構(gòu)建他們對概念的理解，包括基于可能的想法提出預(yù)設(shè)，用不同的方法收集數(shù)據(jù)、解釋數(shù)據(jù)，對比他們的預(yù)測來評價得到的結(jié)果以及討論這些概念如何運(yùn)用。 關(guān)鍵之處不在于有多少實(shí)際的操作，而在于動腦，并讓學(xué)生需要帶著思考獲取和使用實(shí)證，以及相互之間對證據(jù)進(jìn)行討論。 9.評測在科學(xué)教育中具有關(guān)鍵的作用，無論是對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的形成性評測，還是對學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)展的總結(jié)性評測，都必須考慮所有的學(xué)習(xí)目標(biāo)。
形成性評測是指用于幫助學(xué)生學(xué)習(xí)而整合與教學(xué)活動中的評測。
總結(jié)性評測用來在特定的時間點(diǎn)對學(xué)習(xí)者達(dá)到的水平做一個總結(jié)，以便向父母和監(jiān)護(hù)人、新教師或新接手的教師，以及學(xué)生本人報(bào)告。
有助于學(xué)習(xí)的評測應(yīng)該是在學(xué)習(xí)過程中進(jìn)行的，而不是在學(xué)習(xí)之后發(fā)生的某種事情，所以應(yīng)該嵌入到教學(xué)項(xiàng)目和教學(xué)指導(dǎo)中。 10.為了達(dá)到科學(xué)教育的目標(biāo)，學(xué)校的科學(xué)項(xiàng)目應(yīng)該促進(jìn)教師之間的合作，并需要社會其他力量包括科學(xué)家的參與。
第二章 科學(xué)概念 1 宇宙中所有的物質(zhì)都是由很小的微粒構(gòu)成的。
原子是構(gòu)成所有物質(zhì)(有生命和無生命)的基本單元。可以用原子的行為來解釋不同的物質(zhì)的特性?；瘜W(xué)反應(yīng)使材料中的原子重新排列，以生成新的物質(zhì)，每個原子都有一個原子核，原子核中包含了中子和質(zhì)子，并由電子圍繞。質(zhì)子和電子攜帶著相反的電荷，相互吸引，以使原子維系在一起和形成一些化合物。 2 物體可以對一定距離以外的其他物體產(chǎn)生作用。 某些物體能夠?qū)σ欢ň嚯x以外的其他物體產(chǎn)生影響。在有些情況下，例如聲和光，通過由產(chǎn)生源到接收物的輻射起作用；在另外一些情況下，一定距離間產(chǎn)生的作用是用物體之間存在的場來解釋的，例如磁場或萬有引力場。 3 改變一個物體的運(yùn)動狀態(tài)需要有凈力作用于其上。 只有在力的綜合作用以后所剩凈力的作用下，物體的運(yùn)動速度才會改變。所有的物體，不論大小，它們之間都存在萬有引力。依靠萬有引力，行星維持在圍繞太陽的軌道上運(yùn)行，并使地球上的物體向地球中心下落。 4 當(dāng)事物發(fā)生變化或被改變時，會發(fā)生能量的轉(zhuǎn)化，但是在宇宙中能量的總量總是不變的。 許多過程和事件總在變化，產(chǎn)生變化需要能量。能量可以通過多種方式從一個主體向另一個主體轉(zhuǎn)移。在這個過程中，部分能量會轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰桌玫男螒B(tài)。能量既不能產(chǎn)生，也不會消失。從化石燃料獲取的能量不再容易獲得了。 5 地球的構(gòu)造和它的大氣圈以及在其中發(fā)生的過程，影響著地球表面的狀況和氣候。 來自太陽的輻射加熱地球的表面，并使空氣和海洋中產(chǎn)生對流，因之形成不同的氣候。在地表之下，來自地球內(nèi)部的熱量導(dǎo)致了巖漿的運(yùn)動。地球的固體表面由于巖石的形成和風(fēng)化而不斷風(fēng)在變化。 6 宇宙中存在著數(shù)量極大的星系，太陽系只是其中一個星系---銀河系中很小的一部分。 太陽、八大行星以及其它一些按一定軌道運(yùn)轉(zhuǎn)的較小的星體共同組成了我們的太陽系。根據(jù)地球圍繞太陽的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和取向，可以解釋白晝和黑夜的更替，以及四季的形成。太陽系是銀河系的一部分，銀河系又是宇宙中數(shù)以百計(jì)的類似星系中的一個。那些星系離我們非常遙遠(yuǎn)，許多星系中也包含行星。 7 生物體是由細(xì)胞組成的。 所有的生物體都是由一個或多個細(xì)胞構(gòu)成的。多細(xì)胞生物包含功能不同的多個細(xì)胞。所有生命的基本功能都取決于構(gòu)成生物體的各個細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的過程，生長是細(xì)胞分裂倍增的結(jié)果。 8 生物需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)，為此它們經(jīng)常需要依賴其他生物或與其他生物競爭。 食物為生物體提供物質(zhì)和能量，使其能實(shí)現(xiàn)生命的基本功能和生長。某些植物和細(xì)菌能夠利用太陽能生成復(fù)雜的食物分子。動物依靠消化這些復(fù)雜的食物分子來獲取能量，它們歸根結(jié)底都是依靠綠色植物來獲取能量。在任何生態(tài)系統(tǒng)中，都會存在物種之間為獲取能量和物質(zhì)而產(chǎn)生的競爭，因?yàn)槟芰亢臀镔|(zhì)是生存和繁衍后代所必需的。 9 生物體的遺傳信息會一代代地傳遞下去。 細(xì)胞中的遺傳物質(zhì)儲存在化學(xué)分子DNA中,DNA序列可以用四個字母的編碼來表示?；驔Q定了生物體的發(fā)育和結(jié)構(gòu)。在無性繁殖中，后代具有的全部基因都來自于一個母體。在有性繁殖中，基因中的各一半分別來自父方和母方。 10 生物的多樣性、存活和滅絕都是進(jìn)化的結(jié)果。
今日存在的所有的生命都可以溯源于一個全體共同的祖先，它是一個簡單的單細(xì)胞有機(jī)體。源于物種內(nèi)天然的差異，經(jīng)過無數(shù)代的演變，能最好的適應(yīng)一定條件的個體將有可能被選擇而存活，不能有效適應(yīng)生存環(huán)境改變的生物將會滅絕。 關(guān)于科學(xué)的概念 11 科學(xué)認(rèn)為每一種現(xiàn)象都具有一個或多個原因。 科學(xué)致力于尋求對自然界現(xiàn)象產(chǎn)生原因的解釋和理解。所提出的解釋應(yīng)該基于來自觀察和實(shí)驗(yàn)的證劇。產(chǎn)生和檢驗(yàn)科學(xué)上的解釋不存在單一的科學(xué)方法。 12 科學(xué)上給出的解釋、理論和模型都是在特定的時期內(nèi)與事實(shí)最為吻合的。 科學(xué)理論和模型代表了變量之間或某個系統(tǒng)中分量之間的關(guān)系。這些理論和模型必須與當(dāng)時能獲得的觀察結(jié)果相吻合，并能提說可以被檢測的預(yù)期。任何理論和模型都只在一定范圍內(nèi)有效，隨著新的數(shù)據(jù)的獲得，將會被修正，即使根據(jù)新的數(shù)據(jù)所得到的預(yù)期與根據(jù)過去獲得的數(shù)據(jù)得出的預(yù)期一致。對觀察到的現(xiàn)象的解釋會各有所好，因此每一種模型都有他的強(qiáng)處和局限性。 13 科學(xué)發(fā)現(xiàn)的知識可以用于開發(fā)技術(shù)和產(chǎn)品，為人類服務(wù)。 科學(xué)概念運(yùn)用與技術(shù)可以使人類生活的各個方面產(chǎn)生顯著的變化。技術(shù)上的進(jìn)步又能進(jìn)一步促進(jìn)科學(xué)活動，幫助滿足人類對自然界的好奇，增進(jìn)對自然界的了解。在人類活動的某些領(lǐng)域里，技術(shù)會超前于科學(xué)概念的獲得；而在另一些領(lǐng)域里，科學(xué)概念出現(xiàn)在技術(shù)應(yīng)用之前。 14 科學(xué)的應(yīng)用經(jīng)常會對倫理、社會、經(jīng)濟(jì)和政治產(chǎn)生影響。 科學(xué)知識應(yīng)用與技術(shù)會產(chǎn)生許多創(chuàng)新?？茖W(xué)的特定應(yīng)用是否與我們的愿望相符不是科學(xué)本身獨(dú)自可以決定的，需要在倫理和道德上做出判斷，例如，基于對人類安全以及人和環(huán)境的影響作出判斷。
第三章 本節(jié)的目的是從小的起始的概念出發(fā)，接著發(fā)展到較大的，能夠包含較廣泛經(jīng)驗(yàn)的概念，再前進(jìn)到能理解自然界物體、現(xiàn)象和相互聯(lián)系的，更概括的、更為抽象的概念。 1 宇宙中所有的物質(zhì)都是由很小的微粒構(gòu)成的 (物質(zhì)、融化、蒸發(fā)、物質(zhì)的量、微粒、原子、元素、化學(xué)反應(yīng)、電流、磁力、放射、輻射) 微粒并不是存在于物體之中，他們就是物質(zhì)。 微粒之間的吸力越強(qiáng)，要將微粒分開所需要的能量就越大，這就是為什么物質(zhì)具有不同熔點(diǎn)和沸點(diǎn)的原因。 電子在物質(zhì)中快速地移動，形成電流并產(chǎn)生磁力。 有些原子核不穩(wěn)定，可以發(fā)射出某種粒子，這個過程稱為放射和輻射。 2 物體可以對一定距離外的另一些物體產(chǎn)生作用 (光、聲音、萬有引力、磁力、電荷、反射、吸收、散射、場) 可見光是一種射線，它的傳輸類似于水中波的傳輸。 無線電波、微波、紅外線、紫外線、x射線和伽馬射線。它們之間的差別在于具有不同的波長。這些射線可以通過真空傳播。 聲音的傳播類似于波，但是聲音不能在真空中傳播。 當(dāng)射線被一個鏡面反射或通過一個透明的物體傳輸時，射線保持不變；而當(dāng)射線被物體吸收時，它會發(fā)生變化，并且通常會導(dǎo)致該物體溫度上升。 在所有物體之間都存在萬有引力，它的大小和兩個物體所具有的質(zhì)量以及相距的距離有關(guān)。
場是一個物體在它的周圍產(chǎn)生影響的區(qū)域。 3 改變一個物體的運(yùn)動狀態(tài)需要有凈力作用于其上 物體拉地球的力和地球拉物體的力是相等的，但是地球的質(zhì)量遠(yuǎn)比物體的大，所以我們觀察到發(fā)生運(yùn)動的是物體，而不是地球。在月球上，物體所受到的往下拉的萬有引力要比地球上所受到的小，因?yàn)樵虑虻馁|(zhì)量比地球小。地球?qū)υ虑虻睦κ乖虑蚰芫S持在軌道上運(yùn)行，而由于月球?qū)Φ厍虍a(chǎn)生的拉力引發(fā)了潮汐。 4 當(dāng)事物發(fā)生變化或被改變時，會發(fā)生能量的轉(zhuǎn)化，但是在宇宙中能量的總量總是不變的 使得物體發(fā)生改變必須要有能量。將能量轉(zhuǎn)給其他物體的稱為能源。 原子的質(zhì)量是存儲能量的一種方式，被稱為核能。 5 地球的構(gòu)造和它的大氣圈以及在其中發(fā)生的過程影響著地球表面的狀況和氣候 (大氣層溫度，壓力，運(yùn)動的速度、水蒸氣、土壤，外部能源、地球內(nèi)部能量、溫室效應(yīng)) 紅外線不能通過大氣層，而是被大氣層吸收，使地球變暖，這就是溫室效應(yīng)。 在大氣層的高層，紫外線和氧氣作用會產(chǎn)生臭氧，從而吸收有害的射線。 地幔的運(yùn)動會帶動這些板塊之間產(chǎn)生相對移動。在板塊相互對撞時，形成了山脈和沿著板塊邊緣的一些裂紋地帶。這些地區(qū)可能會發(fā)生地震，也可能是活火山的地區(qū)。地球的表面會隨著時間而緩慢的變化，山脈會被水侵蝕；當(dāng)?shù)貧な芰ι仙龝r會形成新的山脈。 6 宇宙中有數(shù)量極大的星系，太陽系只是其中一個星系，銀河系中很小的一部分
地球大約一年沿軌道繞太陽旋轉(zhuǎn)一周，月亮大約四個星期繞地球旋轉(zhuǎn)一周。 月亮反射來自太陽的光。 地球的地軸相對于它繞太陽旋轉(zhuǎn)的軌道平面是傾斜的，所以在地球的不同位置和處于一年中的不同時間，白晝的時間會變化。地球旋轉(zhuǎn)軸的傾斜導(dǎo)致了四季的形成。 7 生物體是由細(xì)胞組成的 (生物體繁殖、細(xì)胞分裂、呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)，排泄系統(tǒng)、體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)、血夜循環(huán)系統(tǒng)、酶、激素，電信號、酸堿度) 8 生物需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)，為此他們經(jīng)常需要依賴其他生物或與其他生物競爭 (食物鏈，食物網(wǎng)，生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)者，消費(fèi)者，分解者，種群) 含有葉綠素的植物可以利用太陽光制造他們需要的食物。 分解者主要是細(xì)菌和真菌。 9 生物體的遺傳信息會一代代地傳遞下去 (細(xì)胞分裂、變異、性細(xì)胞、無性繁殖、克隆) 一個基因是一定長度的長長DNA。在單個染色體中包含了數(shù)百個或數(shù)千個基因。在人體中，大多數(shù)的細(xì)胞含有23對染色體。 10 生物的多樣性、存活和滅絕都是進(jìn)化的結(jié)果 (化石，自然選擇) 11 科學(xué)認(rèn)為每一種現(xiàn)象都具有一個或多個原因 (觀察、預(yù)期、假說、解釋、實(shí)際證據(jù))
如果所有的假說與所有已知事實(shí)和科學(xué)原理相吻合，它就是最好的可能性解釋。 12 科學(xué)上給出的解釋、理論和模型都是在特定的時期內(nèi)和事實(shí)最為吻合的 13 科學(xué)發(fā)現(xiàn)的知識可以用于開發(fā)技術(shù)和產(chǎn)品，以為人類服務(wù)
14 科學(xué)的應(yīng)用經(jīng)常會對倫理、社會、經(jīng)濟(jì)和政治產(chǎn)生影響 科學(xué)研究可以幫助我們了解某些應(yīng)用可能產(chǎn)生的影響。但是，有關(guān)他們是否應(yīng)該予以實(shí)施的決策需要進(jìn)行倫理和道德方面的判斷，這不是科學(xué)所能提供的。
第四章
支持發(fā)展大概念的教學(xué)法，必須也能促進(jìn)探究能力的發(fā)展。 將原則應(yīng)用到科學(xué)教育的學(xué)生活動中去，活動應(yīng):使學(xué)生愉快和充滿好奇的，但同時也能發(fā)展他們對概念的理解。和兒童的生活與健康有關(guān)。也有助于發(fā)展對科學(xué)本身的理解，探究性技能，以設(shè)法尋求與重視實(shí)證的意愿。建立在已有概念，技能和意愿之上，并能激勵學(xué)生的進(jìn)一步發(fā)展。能使學(xué)生獲得科學(xué)活動的經(jīng)驗(yàn)，符合當(dāng)前科學(xué)的發(fā)展。通過形成性評評測提高學(xué)生的理解能力和對自己學(xué)習(xí)的責(zé)任感。 組成教學(xué)法的原則包含了目前被廣泛認(rèn)可的、能促進(jìn)達(dá)到有效學(xué)習(xí)的一些主要特征:探究、個體和社會建構(gòu)主義以及形成性評測的運(yùn)用。
“探究”
“建構(gòu)主義”
“形成性評測”
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