中美基础科学教育的差异
摘要：通过赴美考察和比较研究发现，中美两国学校在科学教育的观念及其体制、科学课堂教学方式、科学课程与教学资源、科学教科书及其使用等方面都存在明显差异。认识和理解中美两国科学教育上存在的这些差异，并通过科学教育改革力求达到和而不同，对普及和发展我国基础科学教育、提高科学教育质量不无启发与借鉴作用。
关键词：科学教育；中美基础教育
Abstract: By the visit to some American schools，the observation on science classrooms and a comparative study on the Chinese and American educational system, we find sone big differences in school science education between two the countries, that is the differences of ideas and system of science education, classroom teaching methods of science, science curriculum and teaching resources, science teaching materials and its usage. Knowing and understanding these differences will be helpful for the popularixation and development of basic science education and the improvement of science teaching quality. Key words: science education ; China and the US; basic education in China and the USA
一、科学教育观念及其体制上的差异
近几年，虽然科学教育的观念在我国随着新一轮基础教育课程改革开始流行起来，但由于长期实行分科教学，人们的意识里缺少整体的科学教育的观念。有些人认为，只有现在小学和初中设立的综合科学课才算是科学教育，这种认识在我国几乎是一个普遍的误解。
美国从19世纪开始，科学就成为中小学课程的重要组成部分。20世纪初期以来，小学和初中（或中间学校）大都采用综合科学课程，高中虽分生物、物理、化学和地球科学等学科，但也有一些主题是跨学科的，因此人们的意识里都具有科学教育的观念。进步教育运动时期，美国初中和高中一年级普遍开设“普通科学”（general science）课，内容涉及学生日常生活中常见的科技现象及其原理。该门课程尤其重视科学方法的训练，目的是使中学生受到基本的科学教育。［1］为推进普通科学的教学，美国早在1916年就创办了世界上第一个科学教育学术期刊《普通科学教育》（现更名为《科学教育》）。20世纪50年代末期至60年代是美国科学教育课程现代化时期，当时流行的学科结构课程理论倡导分科教学，反对综合科学教育，但分科的科学课程仍然保留了一些跨学科的性质。例如，生物学统合了动物学、植物学和生理学；物质科学在很大程度上整合了物理与化学；生命科学则在更高的程度上整合了生物学、环境科学与生态学。20世纪70年代以后，美国科学教育改革的钟摆再次偏向综合科学课程，一些高中在9年级或10年级开设综合科学（integrated science），至今亦然。综合科学反映了当代科技发展的跨学科性，体现了科学本质的一个重要方面，因为无论是物质科学（理、化等）还是生命科学，都要强调科学素质、科学探究及科学技术与社会的联系。美国1996年颁布的《国家科学教育标准》，从幼儿园到高中13年义务教育期间，科学教育的内容标准涉及生命科学、物质科学和地球科学等不同学科，是把科学教育当做一个整体来对待。
美国中小学每个学校建立一个科学组（science department）。尽管美国高中的科学教学一般也是分科的，但是物理、化学、生物、地球科学等学科的教师都在同一个科学组里，其教研活动和教师专业发展活动也都在一起进行。2006年3月20—22日，笔者有幸参加了美国科学促进协会（AAAS）“2061计划”举办的“使用科学素养导航图”的科学教育工作者专业发展工作坊（workshop）。在除我之外的45名学员中，有3名大学科学教育副教授，17名中小学科学教师，其余的人或者是科学课程开发人员和教科书作者，或者是学区的科学教育协调人员，或者是科学测验（考试）的编制人员。这些来自各州、身份各异的科学教育工作者聚集一堂，进行为期3天的研讨《科学素养导航图》（2001年出版）的专业发展活动。这里，既没有不同学科的分野，也不存在大学科学教育教授与中小学科学教师的分别，大家在研讨中从彼此不同的视角和经验中相互学习，取长补短。
同样，在大学教育学院里，从培养学前与小学教师（这个阶段美国没有专门的科学教育专业）到培养中学各阶段的科学教师，全部由课程与教学系（或教师教育系）负责。如我所访问的威斯康星—麦迪逊大学教育学院，其课程与教学系既培养学前和小学的教师，也培养中学科学教师。不仅如此，科学教师的在职教育和专业发展同样由大学教育学院承担。美国许多州的教育法规定，在职教师每5年必须在大学教育学院修满6个学分的课程（即两门3个学分的课程），以保证他们的知识更新和专业发展。美国科学教师教育的高起点和一体化为科学教育改革的成功提供了必要的师资保障。
美国科学教育在教学体制和科学教师培养上这种制度安排，是与其科学教育观念一致的。从20世纪60年代开始，美国科学教育开始从整体上考虑中小学科学课程与教学的统一性问题。无论是小学和初中（或中间学校）的综合课程还是高中的分科课程，虽然内容有别，但都具有内在的统一性和连贯性，即都注重科学素质、科学探究、科学本质、科学的思维方式、科学与技术及社会的关系。
二、科学课堂教学方式上的差异
在美国中小学科学课堂里听课，给我印象最为深刻的是美国科学课堂的教学方式。概括地说，美国中小学科学教学的总体特征是强调师生之间及学生相互之间的合作—探究，这与我国科学课堂注重科学知识的传授形成了巨大差异。长期以来，我国中小学科学教学基本上是传统的授受式教学方式，教师注重备教材和面向全班讲解，强调按部就班地学习和通过做习题反复训练；学生则主要是听教师讲解，注重个人领悟和记忆，缺乏学生之间的互动、合作与交流。新课程改革虽然强调学习方式的变革，倡导探究、合作与互动的教学方式，但短期内传统的教学方式恐怕难以从根本上有所改变。
美国无论在幼儿园、小学的科学课堂上，还是在中学科学课堂上，小组合作—探究学习是普遍采用的教学方式。我所参观和听课的学校中，只有一所教会学校的科学教学方式显得比较传统，即基本上仍是教师讲授、学生静听，其他学校普遍采用小组合作—探究的学习方式。
2006年2、3月间，笔者每星期到麦迪逊市林肯小学听半天科学课。这是一所规模比较大的3—5年级小学，有20个教学班。担任所有科学课教学的专任教师是年轻的、具有科学教育硕士学位的克莱尔?瑟坤（Clare Sequin）女士。在她的科学课堂上，学生4人一组，围着一个长方形实验桌而坐。上课时大部分时间用在动手做的探究、实验活动上。比如，2006年2月1日上午听的两节科学课，第一节是4年级学生科学课，有20名学生。学习的课题是关于力学方面的内容。每个小组的桌上都有一个小天平，一边放着两小片圆形磁铁（一块在塑料盒子里，另一块放在盒子底下面），另一边放一些圆形空心铁垫圈。当学生不断往一边盒子里加圆形空心铁垫圈时，另一边的两块小磁铁分开了。教师要求学生在课堂笔记本里记录每次实验操作的结果。最后教师把每组的结果写在白板上。下课前，教师发给每个学生一张作业单，上面有一个表格，要求学生把实验结果用图表的形式表现出来。但这节课的任务没有完成，等待下节课继续。第二节课是5年级科学课。学习的内容是混合液、溶解、饱和等概念性知识。上课开始，教师把这些概念及其定义写在白板上，并向学生解释这些概念的含义。然后发给每个小组一个工具盒，里面有注射器、漏斗、瓶子、支架、食盐等。接着要求学生先把实验的步骤写在笔记本里，她让学生用注射器把水（一定量）装进瓶子里，然后要求学生把食盐一小勺一小勺地通过漏斗放进瓶子里，盖上盖子使劲摇晃，让其溶解，直到饱和为止。最后要求学生计算出盐水的重量。方法是把溶液倒进一个杯子里，把同样量的水倒进另一个杯子里，放在天平上，天平因盐水重不平衡而倾斜。然后要求学生把塑料块（每个1克重）放进水杯子里，直到平衡。学生每个人都要记录每次实验的结果。实验结束后，师生一起讨论实验过程和结果，结合一开始教给学生的那些概念，深化对它们的理解。这两节课给我总的感觉是学生合作学习、动手操作的活动比较多，时间比较充分。小组成员之间一边活动、一边交流是很自然的学习形式，似乎也没有特别的分工。小组合作—探究以后，教师注重组织课堂讨论，讨论中教师重视引出学生自己的观点，帮助他们修正和发展自己的观点，体现了学习科学时合作—建构的特征。另外比较突出的一点是，每个学生都有一个课堂听课笔记本，上面记录着实验的结果。由此可见，这节课上观察、提问、交流、推理等科学过程技能使用得比较多，而学生通过合作—探究，关于力的概念也在形成和发展中。
2005年12月21日（星期三）上午，我和另外两位中国访问学者到麦迪逊市著名的威斯特高中（West High School）听了两节科学课。一节是开设一个学期的跨年级的生物技术课（biotechnology），有20多名11年级和12年级的学生选修；另一节是9年级的必修课生物Ⅰ。在生物技术课堂上，授课教师贝翠?巴纳德（Betsy Barnard）女士首先进行简要的陈述，提出任务与要求，并给每个学生三页的实验操作指南，然后就让学生自由组合分4人一组进行实验。实验的任务是找出实验的样本DNA来自哪种动物。具体的实验过程是，学生先提出假设，进行探索，记录实验数据，最后写出简要的实验报告。在此过程中，教师不断为学生提供需要的材料和仪器，在各个小组之间穿梭进行个别指导和答疑。整个一节课教师讲授的时间大约不到10分钟，大部分时间留给学生进行合作—探究。从另外一个角度看，这堂课也可以说是基于项目的探究学习，因为学生始终是围绕一个核心问题而进行开放式探索。
在9年级的生物Ⅰ课上，我们发现20多名学生分4人一组围桌而坐。年轻的授课教师克里斯?黑格（Chris Hager）首先检查了前一次上课（星期一）留的作业，其内容是关于细胞及其环境的一项练习，一共17题，印在一张作业纸上，要求学生把右边每一个描述与左边的术语一一对应起来。在检查作业时，学生的回答时有出错，但教师并不批评或直接纠正，而是解释错在哪里，然后从学生中引出正确答案。接着教师使用投影仪讲解了动、植物细胞不同的特点和结构。这是一个大约5分钟的简短讲授。我们注意到，教师在讲解时很强调与学生的互动，学生不仅在听，也在教师讲解过程中主动提问。显然，这是为下面的实验做准备。紧接着，学生离开座位到教室的另一端进行观察实验。学生4人一组围着放着显微镜的实验台，从教师提供的放在清水中浸泡的植物细胞与在盐水中浸泡的植物细胞标本中提取样本，观察它们的颜色、排列和结构有何不同。课后教师克里斯?黑格告诉我们，生物学Ⅰ每星期有一次实验，实验时间占这门课教学总课时的40%。这堂课实验结束后，我们发现教师给每个学生布置了课后的探究作业，作业的要求打印在两张作业单上，上面的标题是“咸味的马铃薯”。探究的任务是“找出浸泡在两种不同的溶液里的马铃薯片对其质量和硬度的影响”。这个两页纸的作业单给我印象深刻的是，教师对每个学生的要求非常具体，如要求写出问题的情境、需要的材料、对探究的规划、进行探究的步骤、交流的结果以及评价的规则等等。可以看出，这项探究任务留给学生创造性探究的空间很大，比如，在学生对探究进行规划时，要求他们“给它（实验）一个标题，包括自变量和因变量……作一个可以检验的假设，并与问题（如果──，那么──）相关联。给出理由，解释为什么认为你的假设是真的。”总之，这是一项要求严谨而又需要学生发挥想象力和创造力的科学探究活动，而不是我印象中的那种刻板的、例行公事式的、按步骤完成任务的课后练习。
与其他学科不同，科学学习尤其需要采用小组合作—探究的方式来教学，因为科学探究不是学生一个人独自就能有效进行的活动，而是需要小组成员共同学习才能很好地完成教学任务。例如在进行一项实验时，不可能也没有必要让每个学生都有一套实验仪器和材料，因此小组合作—探究学习成为必然的选择。美国从20世纪60年代开始，一些教学理论学者（如约翰?霍普金斯大学的罗伯特?斯莱文教授、明尼苏达大学的罗杰?约翰生教授等等）大力倡导合作学习。经过40多年的努力，合作学习成为从幼儿园到大学普遍采用的主要的学习方式。也是从20世纪60年代开始，科学课程与教学改革大力倡导探究学习。20世纪80年代以来，建构式学习（constructivist learning）、基于项目的学习（project-based learning）、概念图（concept map）、学习环（learning circle）、情境学习（situated learning）、真实学习（authentic learning）、学习性评价（assessment for learning）等教学策略成为当今美国中小学科学课堂上的主要的探究式教与学的方法。
在美国科学课堂上，合作—探究学习如今已经成为美国公立学校普遍的科学教学方式。合作—探究学习的含义是多方面的，有不同的表现形式，并不是固定不变的模式。在美国中小学科学课堂上合作—探究学习的基本特征是：小组成员之间克服不良竞争的心理，彼此尊重、友好；学生愿意与他人分享自己的经验与观点，耐心倾听同学的发言；教师在课堂上给学生比较长的时间动手做实验、做科学，并在动手做之后引导学生通过互动、交流、讨论、甚至辩论，注重对科学概念或原理的深度理解；重视学生在小组合作学习过程中建构对重要科学概念的理解，促进学生的原有观念向公认的科学概念转化；重视课堂评价或学习性评价在教学中促进学生理解的作用；等等。合作—探究学习是当代科学文化和科学精神在基础科学教育中的体现，其价值不仅体现在科学学习本身，亦有助于学生终身学习和终身发展。
当前我国科学教育改革的一个重要目标是，改变教与学的方式，提倡合作学习、自主学习和探究学习。但是，在我国科学教育改革中由于教师教育和教师专业发展远远适应不了科学课程与教学改革的需求，合作、自主、探究的学习方式恐怕还需要相当长的时间才能成为普遍的教学方式。当前，我国师范院校在培养新科学教师过程中，传统的科学教育观念、课程观念、教学观念和评价观念等还在根深蒂固地影响着教师教育实践，合作、探究、反思、建构的科学教学思想和方法还没有得到普遍认同与制度化；另一方面，在职科学教师的专业发展主要限于少数骨干教师，多数科学教师仍然受传统的授受式教学观念和考试指挥棒的影响，缺乏主动改革科学教学方式的制度环境、经验和能力。由于我国缺少科学教育专家和研究人员，中小学科学教师在课程与教学改革中也很少像美国科学教师那样得到必要的专业支持。这种状况应当引起我国教育决策部门及科学教育界的高度重视，应当重视科学教育研究和培养高层次的科学教育研究、开发与教学人才。
三、科学课程与教学资源上的差异
我国学校（也包括社会和家庭）为学生提供了大量以应试为目的的练习资料：试题汇编，教研员及重点中学骨干教师编写的课外辅导材料，与课程标准和教材配套的同步练习，等等。相反，美国学校首先是为科学教师提供大量的科学教学参考书籍（包括科学教学理论与方法的书籍、科学教科书的教师用书、科学课堂探究的实用手册等）和可用于课堂的科学探究活动的材料和资料，为学生提供了科学探究的仪器和设备、科学探究的材料、科学普及的图书，等等。例如，在威斯特高中克里斯?黑格老师9年级生物 Ⅰ 课堂上，我们看到了学生在课外自己进行探究的活页指导材料。在林肯小学，我们看到课堂上几乎每节课都有供学生实验使用的仪器和材料。克莱尔?瑟坤老师告诉我，这些器材是由学校提供需求单报给学区，由学区统一购置免费提供给每所学校的。在威斯康星—麦迪逊大学教育学院的图书馆的书架上，关于科学教师专业发展的图书资料和音像资料比比皆是。
近年来，随着信息技术和互联网的发展，美国社会和学校提供的网络课程与教学资源给人留下深刻的印象。在这方面，中美两国学校存在的差异也十分突出。笔者在北京几个名牌中学网站上搜索过，几乎找不到关于科学课程与教学的网络资源，而我国成千上万的县级中小学和农村中小学连校园网都没有建立起来。而在美国威斯康星州麦迪逊市著名的威斯特高中网站（https://www.madison.k12.wi.us/west/science/index.htm）上，有包括科学在内的各学科丰富的课程与教学网络资源为师生服务。如该校科学组的网上资源有：麦迪逊南部地区物理教学资源共享网页，上面有该地区物理教师1990年以来专业发展会议的简报，许多物理学的网络链接，物理教学活动的通知，等等。在科学组的生物学网页上，有关于生物教师的详细资料，有给学生提供的非常详细的网络链接，以及其他引起学生学习兴趣的资源。在科学组生物技术学科的网页上，有该门课程的概述、实验记录的要求、期末考试的不同选择形式、科学论文报告表、研究项目和作业要求、生物技术的专门术语、上课演示时常用的动画、提供给学生的生物技术的大量网络链接、教师情况介绍、实验规则等10项内容。此外，科学组网页上还有对各门科学课程的详细介绍，以及所有科学教师的简介等信息。
我所访问的其他中小学，如詹姆斯?麦迪逊高中、詹姆斯?赖特中间学校和林肯小学等，都为学生提供了许多学习科学的网络链接。而麦迪逊都市学区的网站上（https://www.mmsd.org）提供的科学课程与教学资源更是丰富多采。无论是学校校园网还是学区网站，它们提供的科学课程与教学资源为激发学生学习科学的兴趣，进行自主学习和独立探究，培养从事科学研究的能力，创造了良好的资源条件。
特别值得一提的是，美国从20世纪90年代以来，不仅政府与教育界推动科学教育改革，民间机构与科学教育界的密切合作也为科学课程与教学改革提供了大量丰富有用的资源。例如，爱林伯格基金会（Annenberg Foundation）与史密桑宁研究院（Smithsonian Institution）及许多著名大学的科学教育教授以及中小学科学教师合作，10多年来制作和发行了34套科学课程与教学改革的录像带（以及许多其他学科的录像带），并在其网站（www.learner.org）每天24小时不间断地免费播放。例如，有关于建构—探究式教学案例的录像，有关于学习性评价案例的录像，也有关于K—12年级（即幼儿园到高中）科学教师专业发展的录像。这些科学教育的录像无论对提高中小学科学教师自身的科学素质还是提高他们的科学教学水平，都发挥着较大的作用。
中美两国学校科学教育在课程教学资源上的差异，既有两国科学教育人员观念上的不同，也存在科学教育人员数量和素质上的差异。在课程与教学观上，我国科学教育界仍然受教师教学即是“教书”（教科学教材）、学生上学即是“读书”（读科学教材）的传统观念影响。因此，科学教学实际上主要是让学生学习书本上的科学知识，主要目的是为了应付升学考试。从学校、社会到教师、家长和学生都具有这种根深蒂固的意识。从科学教育人员（科学教育研究者、教研员、教师、教材编辑、辅导材料编写人员等）的数量与素质来看，我国近百年来师范院校培养出来的从事科学教育的人员除理、化、生各科教师外，鲜有辅助课程开发和提供科学教学器材研制的人员，尤其缺少进行科学教育研究的人才。而在美国，仅获得科学教育博士学位的科学教育研究人员、科学教师教育者（science teacher educator）就有数千人，近年来参与科学课程与教学网络资源开发的公司不计其数。
此外，中美两国科学课程与教学资源上的差异也反映了两国学校科学教育不同的社会生态环境。我国学生从小学开始就面临着严峻的竞争和升学压力，因此，各种考试题汇编和辅导资料，以及各种课外强化班应运而生，并盲目地受到许多家长和学生的欢迎。相反，在美国中小学，一般看不到这样严峻的竞争和升学压力，学生成长的社会生态环境要优越得多。
四、科学教科书及其使用上的差异
我国中小学每个学生都有自己的科学教科书，科学教学实际上主要就是教师教教材、学生读教材。而在美国课堂上，公立学校学生接受义务教育，教科书并非每个学生人手一册，上科学课时，教师和学生也很少使用教科书。当然，教科书每个班级教室里都有，是学校的公共财产，每届学生循环使用，既节省了资源，提高了使用效率，又节约了经费。在科学课堂上，教科书只是师生的参考书籍之一，或者说是可以利用的课程资源。教师在课堂上教学并不依赖某一本教材，他们可能参考几种教材，以及各种各样的其他资料。过去，美国小学教师上科学课时教科书也曾经是教师使用的唯一的信息源。但这种状况从20世纪60年代以来，尤其是从90年代以来已经发生了根本的改变。根据1998年《科学与儿童》期刊第5期的一项调查显示，28%被调查的小学教师报告说，他们使用教科书只作为参考资料；33%的教师说他们很少使用或从来不用教科书；只有28%的教师说他们在使用一种教科书。 ［2］笔者在几所中小学的观察也发现：课堂上使用的书面资料很多，除了教科书以外，还有各种教学参考资料、活动资料、网络上下载的资料、音像资料等等。由于美国科学教育为教学服务的非教学机构和人员很多，他们为师生提供了大量可用于课堂教学的科学器材和多种媒体资料。以小学和中间学校使用的FOSS科学教材为例，这是由一系列配套的教师指导书与供学生阅读的科学故事、DVD录像、实验器材和材料（即工具箱）、FOSS网站等组成的系列科学课程，远远不是我们所想象的单一的科学教科书。
中美科学教育课程上的这种差异，实际上反映了两国科学教育工作者的科学课程和科学教学观念的差异。美国新一轮科学教育改革比我国至少早15年，科学教师的课程观念已经发生并将继续发生深刻变化。就科学课程而言，不仅有科学教科书、国家和各州乃至各学区自己的科学课程标准、科学教学资料和材料、多媒体资源、网络资源等多种显性课程，更有科学文化、教师的科学态度和体现在他们身上的科学精神等隐性课程。因此，科学课程对于美国科学教师来说是丰富的、复杂的概念，科学课程的开发是每个科学教师自己需要做的事情。从学生的角度看，科学课程又是影响学生科学探究和科学学习的因素的总和。这其中还包括非常重要的、但传统的课程观排除在外的一种课程资源，即教师同行和学生相互之间的影响。当教师在一起探讨教学问题或进行专业发展活动时，他们得到的信息是“活”的科学课程资源；当学生在课堂上进行小组探究活动时，他们之间交流的信息、表现出来的或正确或错误的观念等等，对师生来说也都是不可忽视的、“活”的科学课程资源。因此，美国科学课程的概念很宽泛，除了教科书以外，它既包括科学教育改革文献（如《科学素养的基准》和《国家科学教育标准》等）、科学课程项目及其资源、各州和各学区自己制订的科学课程标准，也包括学校和教师自己设计的科学课程计划等等。所以，教师不是教教科书，而是自己根据国家、州、学区和学校的课程标准和指南设计和实施自己的科学课程，可见美国科学教师有实实在在的课程开发和实施的权力和责任。
中国科学教师的课程观念主要限于学科和教科书上，习惯于教科学教科书。现在随着科学课程改革的深入，我国科学教师的课程意识已开始形成，开发课程资源的观念也开始流行起来。
参考文献：
［1］Rudolph J L.Turning Science to Account:Chicago and the General Science Movement in Secondary Education,1905—1920.Isis,2005, 96:353389.
［2］Cain S E Sciencing(4th edition),Upper Saddle River. NJ:Merrill Prentice Hall.2002.46.
