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摘要：为探究美国科学课程的教学内容特点，从而了解美国科学教育的发展状况，该文以STEM教育为视角，应用定量与质性相结合的研究方法，对美国FOSS K-5年级加利福尼亚2007年版的科学教材SCIENCE RESOURCES知识点和教学活动等内容进行分析。从教材知识点的整体分布，物质科学、生命科学、地球科学三大主题知识点分布以及教学活动等其他内容三个方面获得研究结果。结合已有研究，得出结论：教材注重学科间的相互渗透与干涉，强调STEM教育视野下综合性的科学素养，体现STEM教育对生活的价值。最后获得启示：我国科学教育发展应树立正确的科学教育理念、提高学科地位、建立完备的课程体系、充分发挥教师的作用、实现从知识到实践的跨越、加强实证研究。
关键词：STEM教育；科学教育；FOSS；科学教材
中图分类号：G434 文献标识码：A
一、引言
美国国家科学委员会（NSB）在1986年发表了报告：《本科的科学、数学和工程教育》，它被视为STEM教育的开端，并且也对科学教育改革战略具有重大意义。自此，STEM受到教育领域的广泛关注，STEM课程建设与开发在社会上引起高度重视。例如，据英国《卫报》2013年3月26日报道，来自31个欧盟国家的55所大学联合发起了“开放教育”运动，并制定STEM开放课程计划，以培养欧洲学生的STEM素养；澳大利亚虽然在STEM课程上没有提出国家统一的政策和要求，但是一些州根据其自身的STEM教育发展特点，提出了具体可行的改革措施，开展了系列有效活动。“科学和数学学校”，一所来自美国北卡罗来纳州的STEM精英学校，其STEM学科建设比较全面，并且在工程和技术、数学和科学方面均有涉及。在我国，STEM教育理念大多体现在软件编程课、信息技术课和综合应用课中，吴俊杰将Ledong Scratch互动教学平台作为开展STEM教育的载体；吴秀凤在STEM理念指导下，对基础教育领域的Arduino机器人教学模式进行了探索。
STEM由Science（科学）、Technology（技术）、Engineering（工程）和Mathematics（数学）的首字母组成，它融合了科学、技术、工程与数学的学科知识，并将知识的获取、方法与工具的利用以及创新生产的过程进行了有机统一。如今，STEM已经成为科学教育的发展趋势，主导着许多国家科学教育的研究方向与相关政策，促进了各国科学课程的改革。美国在20世纪80年代就实现了自然课向科学课的转变，融入先进的科学技术内容，注重探究和实验教学。1995年，由国家研究理事会（NRC）制定的美国第一部《国家科学教育标准》，为科学教材的编写提供了重要依据。美国《2061计划》规划了K12阶段学生应学习和掌握的科学、数学和技术领域的知识内容，在该计划的推动下，美国组织了相关领域专家，形成了项目研究团队，开发了FOSS、STC、INSIGHTS教材，并且成为了美国最流行的科学教材，这些教材都具有以科学探究为中心、注重跨领域知识融合等特点。其中，FOSS教材开发最早，它具有最丰富的教学资源和最完整的教材体系。我国从2002年将小学自然课正式改名为科学课以来，国家对如何培养和提升学生科学素养的研究给予了高度重视。我国《科学课程标准》的宗旨是培养学生的科学素养，并且提倡他们能够积极参与实践探究活动，以科学严谨的方式解决问题，从而使他们能够认识科学的本质，学会问题解决的方法，提升解决问题的能力。相对于美国的科学课程，我国的科学课程改革较晚，在课程设计方面经验不足，开发团队成员专业背景单一。本文从STEM教育的视角对美国科学课程教材进行数据统计和质性分析，希望能发现其中的精华，从而为我国科学课程建设提供有益的启示。
二、研究设计
将Arts（艺术）学科与STEM原有四个学科融合，形成STEAM，它由G.Yakman在2006年首次提出。本研究以STEM教育为理论基础，基于Yakman提出的ST∑@M金字塔结构框架中确定的S、T、E、M各学科包含的特定学科内容，对教材进行研究，图1为ST∑@M金字塔结构框架。研究的教材为美国FOSS K-5年级加利福尼亚2007年版的科学教材SCIENCE RESOURCES。该教材主要有三部分内容：物质科学（Physical Sciences）的混合物和溶液（Mixtures and Solutions）、生命科学（Life Sciences）的生态系统（Living Systems）以及地球科学（Earth Sciences）的水世界（Water Planet）。具体研究设计与过程如下：
（一）研究问题
STEM的本质是发现学科知识间的内在联系，本研究基于STEM结构框架对科学教材的知识点按具体学科编码，将学科知识量化，结合对教材的质性分析，探讨以下问题：
1.美国的科学教材如何整合不同学科的知识内容？
2.科学教材最重视的教育培养目标是什么？
3.教材设计所体现的教学理念是什么？
（二）研究方法
因为本研究需要将教材文本内容分解为其所要传播的知识点，将其量化，并加以解释和分析，因此研究者运用内容分析法，采用定量与定性相结合的研究范式，分析K-5年级科学教材SCIENCE RESOURCES的教学内容，划分每个章节的知识点，并按照一定的编码方式对各个知识点进行学科编码，将教材内容量化，并利用数据统计软件对知识点数据进行分析，从而得出STEM各学科（S、T、E、M）的知识点在教材中的分布情况。同时，还对教材的整体结构、教学活动、目标陈述、知识总结和练习题等内容进行质性分析，以期对教材有更加深入的理解。
（三）研究工具
ST∑@M金字塔结构框架以STEM教育为基础，解释了如何整合传统的科学、技术、工程、艺术和数学学科，以此制定课程计划。G.Yakman首先对这些学科进行了研究，并对它们做出了界定：科学解释了什么是自然存在的，以及其如何影响人类生活；技术是指人类制造的；工程是以数学和科学为基础，应用创造力和逻辑，通过技术为世界做贡献；数学是理解其他学科的基础；艺术是指，在过去、现在和将来，社会是如何发展的，社会是如何影响它的态度与习惯的，社会如何与它的态度和习惯进行联系，如何理解或解释它的态度和习惯。然后G.Yakman确定了S、T、E、M、A五个元学科（Meta-discipline）分别包含的具体学科，并将其作为框架的一部分。本研究舍弃Art部分，形成STEM编码表，下页表1为STEM编码表及其具体样例。G.Yakman通过对文献进行调查和总结，对科学、技术、工程、数学和艺术等元学科的概念进行了界定，并将各具体学科按照以上五种学科进行分类，其研究的理论基础扎实，由此得出的STEM编码表具有较好的内在信度。 （四）研究过程
为了保证本研究的外在信度，两位编码者共同使用STEM编码表进行预编码，并将结果经过一致性Kappa检验，得k指为0.938，属于几乎完全一致（Almost Perfect），具有较高的外在信度。确定外在一致性后，编码者再对教材的知识点进行划分，并按照STEM编码表编码。编码结束后，从教材知识点分布的整体情况，物质科学、生命科学和地球科学三部分内容的STEM知识点分布情况等两方面进行数据统计和分析。除将知识点量化以外，本研究还对教材内容进行质性分析，包括分析教材内容的编排和各部分内容的特点，如活动类型、目标陈述、知识总结与课后练习等。最后结合研究结果，在已往研究的基础上，得出研究结论，并根据研究结论思考其对中国STEM教育的启示，以期为国家创新人才培养提供借鉴和参考。
三、研究结果
（一）知识点分布的整体情况
经过编码统计，该教材的S、T、E、M知识点总数为406个，学习内容十分丰富。其中，以S类知识点最多，总数为256个，所占比例为63%，超过了总体知识点的六成。其次是T类知识点，为71个，所占比例为18%。E和M类知识点个数分别为45和34，比例分别占11%和8%，比较相近。且在具体学科知识点中，S类的S-3（化学）、S-2（生物）、S-4（地理）知识点个数最多，分别为90、53、51，其他学科知识点个数均在30以下。可见教材紧紧围绕科学知识的学习内容而展开，数学知识点相对而言十分欠缺。如图2所示，为S、T、E、M各学科的知识点统计分析。
（二）教材三大主题的知识点分布情况
研究者根据教材中的物质科学、生命科学和地球科学三大主题，进行STEM框架的编码分析，并统计各主题中STEM知识的分布比例。
如下页图3所示，物质、生命和地球科学三大主题中S类知识点的分布存在显著的差异。物质科学重点呈现化学领域的知识点，其余如物理、生物的知识比例很低，知识覆盖面集中。在生命科学主题中，物理学的比重最大，其次是生物化学的综合知识，体现了一定的学科融合特性。在地球科学部分，则以地理科学的所占比例最大，其次是空间科学和物理学。
对T类知识点的分布进行分析，从图4可以发现，三大主题呈现一定相似的分布维度，均以医学知识为主要内容，操作性技术的知识次之。尤其是生命科学主题，医学内容占有的比例远大于其他方面知识。可见，在T技术知识方面，三大主题的内容分布一致性较高。
从E类知识点的分布来看，三个主题存在较为明显的差异情况，如图5所示。在物质科学主题中，各方面的E工程知识均有涉及，其中以航天工程和材料科学两方面的内容为主，其次是化学制品和计算机的相关内容，分布较均匀。而在生命科学主题中，E知识的数量非常少，只涉及计算机和化学制品的内容，其余方面并没呈现。地球科学主题则以航天工程和计算机的知识内容为主。
在对三大主题的M数学知识统计中可以发现，各主题的分布具有一定共性，从数量上看数学知识大量呈现在地球科学主题，其余两个主题所涵盖的数学知识点较少，均以基本数学运算的知识为主。在地球科学主题中，数及其运算的相关知识最多，其次是数据分析和概率知识，也有涉及问题求解、量度等其他性质的数学问题（如图6所示）。
（三）教材其他内容数据分析
研究者通过统计教材中的活动类型及数量发现，美国教材中涉及课堂讨论、调查研究、发明制作、动手操作、实验分析和展示汇报六类，图7为教材的活动内容分布。教材中共有82个活动，其中动手操作、实验分析、调查研究类活动数量远大于其他活动数量，均在20个以上，所占比例分别为34%、29%和24%，总比例超过85%。这说明美国科学教材重视对学生自主学习与实践能力的培养，有利于形成学生的探究性思维。如利用互联网进行调研、设定假设和变量进行实验等，更多的是课外延伸活动和家庭学习活动。这些活动往往具有很强的个性化特性，学生可以根据自己的兴趣，从课堂延伸到课外进行，即使没有教师的指导学生也可以根据教材内容的操作提示自主完成。
在教材中，每一单元都会呈现这节课的学习目标，提示学生去自查是否已掌握关键的学习内容。此外，每一章后都会附上本章的专业词汇表，对整章的关键知识点进行梳理、回顾和总结，并提出3至5道题目给学生课后思考完成。
四、结论与讨论
根据研究结果，以研究问题为出发点，发现美国科学课程注重各学科间的相互渗透与干预，以培养学生的综合科学素养为目标，体现了STEM教育理念。结合已有研究，主要从以下三方面展开讨论：
（一）注重学科间的相互渗透与干预
整合性与学科间性是科学课程区别于生物、化学、物理等分科课程的特点之一，该教材也充分体现了学科间的相互渗透与干预。从数据上看，教材包含了科学、技术、工程和数学知识点，且除科学外，其他三类知识点数量相差不大，说明教材对知识的整合，同时又突出科学知识，体现学科的差异性。物质科学、生命科学、地球科学三大主题由于教学内容不同，S、T、E、M知识点分布情况差别显著。物质科学主题部分以化学、医学和操作知识点为主，生命科学主题部分以生物学、生物化学和医学知识点为主，地球科学主题部分以地理科学、空间科学和物理学知识点为主，说明对学科进行整合时，由于各学科特点和学习需求不同，整合的形式与内容的结构组成也有所不同，从而突出了学科间的差异性。科学、技术、工程、数学等学科彼此间相互交融和影响，STEM教育的价值在于既保存了每一门学科具备的特殊性，又将其可以相互渗透和融合的部分结合在一起，从而促进了各学科的发展。例如地球科学部分的表面积实验，其教学目标是：学生能够发现表面积如何影响水等液体蒸发的原理。液体蒸发是物理学知识，而在教材中呈现了实验操作过程，利用方格计算盛水盒子表面积的方法以及利用图像和表呈现数据帮助学生发现规律。通过实验，学生不仅可以学习水的蒸发和表面积关系的物理科学知识，还可以学习表面积计算方法的数学知识以及如何设计实验和操作。且在实验过程中，数学知识是获取科学知识的基础，规范的实验设计和操作等技术知识是完成实验的保障，三者相互干预，数学知识和技术知识渗透与物理知识当中。在地球的水单元中，有一小节的内容为用水量，其教学目标是学生能够从数据分析出国家的用水情况，懂得水的重要性和掌握保护水资源的具体措施，包括数据分析、地理科学和环境工程知识点。任何工程都需要借助数学和技术来完成，且不能违背科学和自然规律。 （二）强调STEM教育视野下的综合性科学素养
STEM教育视野下的综合性的科学素养，在一定程度上融合渗透了技术、工程和数学素养的要求，强调将STEM领域综合知识与技能迁移到新情境中的应用能力，是一种综合性的理解和解决现实事件的能力。研究者发现教材中有大量的动手操作、实验分析、调查研究活动。例如在学习生命细胞时，要求学生按照给定的材料和方法制作听筒器，听自己身体各器官运作的声音。为探索液体表面积与蒸发速度的关系，设计实验，进行实验操作和数据分析。在学习太阳系时，指导学生通过网络调查太阳系和其他行星的信息，且教材给定了网址并提出问题，避免了学生在网络搜查时因无关信息干扰而浪费时间的现象，体现了互联网给学习带来的便捷性与干扰性，提高了学生的信息素养。这些活动，学生都可以在家中完成，使得学生能够将所学知识应用于生活情境中，解决问题。教材注重培养学生的科学探究精神，在实验中强调实验设计的严谨性，重视数据或现象背后的科学原理。根据美国教育部领导下的学术竞争力委员会（ACC）构建的STEM教育的详细目标可知，美国STEM教育在K-12阶段的培养目标之一为“培养学生的科学、技术、工程和数学技能，为其在21世纪科技经济中获得成功做准备”。美国科学教育的目标，就是使他们的学生能够用科学的思维、态度、精神和习惯去解决将来在学习、工作与生活中遇到的问题。
（三）体现STEM教育对生活的价值
美国STEM教育在K-12的另一个培养目标为：提高学生在STEM教育中的参与度，使学生认识到STEM教育对生活的价值。该教材的内容包括物质科学主题的混合物与溶液部分、生命科学的生态系统部分、地球科学主题的水世界部分，这些都与学生的生活世界息息相关，学生可以将知识应用到生活中，对周围的事物能够有更加深刻和全面的认识。STEM教育对生活的价值在教材中主要体现在以下几点：（1）注重人与人的沟通以及知识与生活的联系，例如在生命科学主题的第三章“糖类和细胞”，有一节介绍糖尿病，教材用近三页篇幅呈现了一位大学生与糖尿病人的对话。通过学习此段对话，学生进行迁移，以类似的方式去调查了解生活中的其他疾病，体会到健康生活的重要性，并愿意帮助这些病人，体现了高度的人文关怀。（2）注重培养学生的责任感，例如用数据说明地球水资源短缺，使学生明白水资源的重要性，具有保护水资源的意识。（3）知识点以故事方式呈现，以问题为线索，以生活情境为依托。例如，在介绍水蒸发时，通过狗身上的毛弄湿后很快干，将湿的泳装放在密闭的塑料袋中，当将其打开时泳装依然是湿的等真实的生活情境，设计问题，学生能够在家中体验并解答问题。同时，它以故事性的语气将内容展开，激发了学生的兴趣和积极性。（4）教材中具有丰富的图片，图片不仅能帮助学生理解知识，而且能形象真实地反映生活。例如在第一节“混合物”中，就有沙、胡萝卜葡萄干沙拉、混合的坚果、不同形态容器里花生、不同形态容器里的水、洛杉矶上空的雾等19个图片，帮助学生理解混合物的定义，辨识生活中的混合物，并能制作一些混合物。教学内容在生活中体现价值，不但能激发学生对生活的热情，使他们能够积极乐观地面对生活中的问题。
五、对中国科学教育的启示
基于以上研究结果与结论，结合我国的科学教育发展和研究现状，参考美国有关科学教育的实践与研究经验，研究者总结出以下六条启示：
（一）应树立正确的科学教育理念
受美国《2061计划》的启示，在一批科技专家的主张下，2003年我国启动了《2049行动计划》。虽然它们的出发点相同，即都是致力于国家的科学教育发展，但是它们的侧重对象与具体目标却有所不同。《2061计划》的目的在于从小培养学生形成自觉的科学思维习惯，并将科学精神用在生活和工作中，而《2049行动计划》的目标是使我国每一名公民具备基本的科学素质。可见，美国非常注重K-12基础教育阶段的科学教育，而我国更关注于全体公民的整体科学素质。因此，我国在普及科学知识与实施科学教育的同时，应关注对学生科学素养的培养，而不仅仅是具备科学素质的简单要求，应提倡学生“像科学家”一样思考和探究。要相信我们的孩子都是天生的发明家和创造者，他们能通过自己的思考、探究，对科学知识进行主动建构。
（二）应提高科学课程的学科地位
美国从1995年制定第一个《科学教育标准》，到2011年制定《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念、学科核心思想》，再到2013年的《新一代科学教育标准》，都体现了美国在不同发展阶段对K-12科学教育的重视与支持。虽然我国早在2001年就制定了科学课程标准，但是科学教育的地位一直不容乐观。首先就科学课程的学科地位而言，相比于语文、数学、英语等学科，科学课程一直处于边缘地带，甚至会出现其课时被其他学科所占用的现象。其次，科学教师的师资队伍也远不如其他学科，这使得学校的科学教研氛围难以形成。然后是科学课程欠缺成熟的考核评价体系，要想让科学教育得以发展，必须建立系统的评价体系。最后，教育资源的分配不均，尤其是农村偏远地区实验器材缺乏、师资力量不足等问题，都是科学教育面临的巨大挑战。国家应出台相应的政策，号召全社会的力量，尤其是科学与教育领域专家的支持，致力科学教育在中小学的发展，提高其学科地位。
（三）应建立完备的科学课程体系
研究发现，美国科学课程具有较强的结构性和系统性。例如，FOSS是一套涵盖从幼儿园到八年级的科学课程，其教学资源丰富全面，包括FOSS网站、FOSS科学故事、工具包、教师指导手册、备用录像带和阅读材料等。与美国科学课程相比，中国的科学课程虽然也有相关网站和资源以及针对教师和学生的教材等，但其各类资源缺乏结构性和系统性。而且，美国的课程开发人员由科学研究、教育教学、技术支持等多个相关领域的专家组成，课程开发的过程就是研究的过程。而中国的课程改革则是以政策为推动，参与改革与开发的人员组成较单一，缺少科学教育研究领域的专家，从而不能为成体系的课程提供科学保障。只有当课程资源与教材配套使用时，学生才能够在课外，通过查阅和学习已有资源，进行自主探究，拓展学习。 （四）应充分发挥科学教师的作用
科学教育的发展离不开科学教师，因此不能忽视科学教师的作用。随着国家对教师培训的重视，各种形式的教师培训在全国各地开展，但这些培训主要面向语文、英语、数学等所谓“主要学科”的教师，而对科学教师的培训却很少。所以，国家与学校应加强对科学教师的培训，培训内容不仅包括专业知识，还应包括先进的科学教育理念、教学方法等。科学课程的跨学科性要求科学教师具有丰富的科学知识以及扎实的专业基础，科学实践的复杂性和严谨性要求科学教师必须具备良好的科学素养、创新实践能力。学校应为科学教师提空足够的教学空间，尽可能地支持教师组织教学活动，尤其是教室外的科学实践活动。科学教师应加强与数学、物理、化学、生物、信息技术等学科教师的合作，为学生设计多学科的实践活动，由于中小学没有设置工程学课程，所以教师更要重视设计科学与工程学的结合。此外，科学教师的教育教学方法直接影响着学生的学习效果，教师应以学生为中心，鼓励学生实践，并给予学生必要的指导。学生在学校接触最多的就是教师，科学教师对学生的科学观和科学素养的培养至关重要。
（五）应实现从知识到实践的跨越
《全日制义务教育（3-6年级）科学课程标准（实验稿）》指出课程是为了培养学生的科学素养，应为学生提供充分的科学探究的机会，使他们在实践过程中不仅能够获取科学知识，还能体验科学探究的乐趣，提升实践能力。科学素养不仅体现在科学理论知识的储备上，还体现在解决实际问题的能力上。因此，科学教育应实现从知识到实践的跨越，为学生参与科学实践提供支持。闫蒙钢等研究者发现，我国小学科学教材的课程设计多采用“主题一活动”模式，主要是以问题的形式直接进入探究活动，缺少了与实践主题相关的引导性材料和提示，忽略了对学生的先行组织者的关注，虽然活动内容设计得比较丰富，但还是需要加强内容的深度。因此在教材内容上，应设计综合性的实践活动，加深活动内容的层次性，为活动开展提供必要的指导，使得学生能够整合应用多学科知识自主完成实践，提升综合应用能力。此外，实践应加强与社会生活的联系，教育的根本就是人的发展，人作为社会人，必须具备在现实世界生活的能力与竞争力，以及正确的价值观念和积极的生活态度，教材对环境、资源、人、生态系统等的关注，将有助于学生的发展，加强他们对社会各领域的认识，深化他们对国家和社会的责任意识。
（六）应加强科学教育的实证研究
美国在制定任何教育标准时，都是在坚实的教育研究成果上制定的，而我国在科学教育方面的实证研究非常欠缺，导致改革很难进行。中国的科学教育变革需要向国际先进经验学习，特别是科学教育的实证研究范式和实践。相对于美国，我国科学教育领域人才较少，研究队伍相对薄弱，研究者们对科学教育的研究偏于理论，而关于科学教育的实践却非常少，尤其是在科学课程标准制定与科学课程建设方面缺少研究数据支撑。因此，我们应加强人力与物力，壮大科学教育的研究团队，支持科学教育研究项目，大力开展科学教育的实证研究。尤其是在科学与技术、工程和数学的整合策略，如何制定科学合理的课程标准，如何建立科学课程评价体系，以及如何使课程内容能满足学生的需求等方面，都缺少研究数据，同时这些也是科学教育的重要研究方向。本研究对美国科学教材知识点进行量化，即希望为科学与各学科的融合策略提供数据支撑。近年来，随着STEM课程和有关项目的大力发展，STEM和科学教育成为了研究热点和重要趋势。我国应充分利用这种趋势的影响，提高研究者们的研究热情，充分发挥研究者们对科学教育政策制定、教材编写和教学实施的作用。
科学教育的发展离不开国家、地区、学校的支持，同时学科专家、研究者、教师等社会各界人士的作用也不能忽视，它不仅需要理论的指导，更需要实践数据的支撑。标准制定、教材编写、课程建设、资源配置、人才培养等各个环节都不容忽视。本研究通过对美国教材的量化与质性分析，得出了研究结论和以上启示，以期对我国科学教育发展能有所贡献，为研究者们提供研究的思路与方向。
关键词：STEM教育；科学教育；FOSS；科学教材
中图分类号：G434 文献标识码：A
一、引言
美国国家科学委员会（NSB）在1986年发表了报告：《本科的科学、数学和工程教育》，它被视为STEM教育的开端，并且也对科学教育改革战略具有重大意义。自此，STEM受到教育领域的广泛关注，STEM课程建设与开发在社会上引起高度重视。例如，据英国《卫报》2013年3月26日报道，来自31个欧盟国家的55所大学联合发起了“开放教育”运动，并制定STEM开放课程计划，以培养欧洲学生的STEM素养；澳大利亚虽然在STEM课程上没有提出国家统一的政策和要求，但是一些州根据其自身的STEM教育发展特点，提出了具体可行的改革措施，开展了系列有效活动。“科学和数学学校”，一所来自美国北卡罗来纳州的STEM精英学校，其STEM学科建设比较全面，并且在工程和技术、数学和科学方面均有涉及。在我国，STEM教育理念大多体现在软件编程课、信息技术课和综合应用课中，吴俊杰将Ledong Scratch互动教学平台作为开展STEM教育的载体；吴秀凤在STEM理念指导下，对基础教育领域的Arduino机器人教学模式进行了探索。
STEM由Science（科学）、Technology（技术）、Engineering（工程）和Mathematics（数学）的首字母组成，它融合了科学、技术、工程与数学的学科知识，并将知识的获取、方法与工具的利用以及创新生产的过程进行了有机统一。如今，STEM已经成为科学教育的发展趋势，主导着许多国家科学教育的研究方向与相关政策，促进了各国科学课程的改革。美国在20世纪80年代就实现了自然课向科学课的转变，融入先进的科学技术内容，注重探究和实验教学。1995年，由国家研究理事会（NRC）制定的美国第一部《国家科学教育标准》，为科学教材的编写提供了重要依据。美国《2061计划》规划了K12阶段学生应学习和掌握的科学、数学和技术领域的知识内容，在该计划的推动下，美国组织了相关领域专家，形成了项目研究团队，开发了FOSS、STC、INSIGHTS教材，并且成为了美国最流行的科学教材，这些教材都具有以科学探究为中心、注重跨领域知识融合等特点。其中，FOSS教材开发最早，它具有最丰富的教学资源和最完整的教材体系。我国从2002年将小学自然课正式改名为科学课以来，国家对如何培养和提升学生科学素养的研究给予了高度重视。我国《科学课程标准》的宗旨是培养学生的科学素养，并且提倡他们能够积极参与实践探究活动，以科学严谨的方式解决问题，从而使他们能够认识科学的本质，学会问题解决的方法，提升解决问题的能力。相对于美国的科学课程，我国的科学课程改革较晚，在课程设计方面经验不足，开发团队成员专业背景单一。本文从STEM教育的视角对美国科学课程教材进行数据统计和质性分析，希望能发现其中的精华，从而为我国科学课程建设提供有益的启示。
二、研究设计
将Arts（艺术）学科与STEM原有四个学科融合，形成STEAM，它由G.Yakman在2006年首次提出。本研究以STEM教育为理论基础，基于Yakman提出的ST∑@M金字塔结构框架中确定的S、T、E、M各学科包含的特定学科内容，对教材进行研究，图1为ST∑@M金字塔结构框架。研究的教材为美国FOSS K-5年级加利福尼亚2007年版的科学教材SCIENCE RESOURCES。该教材主要有三部分内容：物质科学（Physical Sciences）的混合物和溶液（Mixtures and Solutions）、生命科学（Life Sciences）的生态系统（Living Systems）以及地球科学（Earth Sciences）的水世界（Water Planet）。具体研究设计与过程如下：
（一）研究问题
STEM的本质是发现学科知识间的内在联系，本研究基于STEM结构框架对科学教材的知识点按具体学科编码，将学科知识量化，结合对教材的质性分析，探讨以下问题：
1.美国的科学教材如何整合不同学科的知识内容？
2.科学教材最重视的教育培养目标是什么？
3.教材设计所体现的教学理念是什么？
（二）研究方法
因为本研究需要将教材文本内容分解为其所要传播的知识点，将其量化，并加以解释和分析，因此研究者运用内容分析法，采用定量与定性相结合的研究范式，分析K-5年级科学教材SCIENCE RESOURCES的教学内容，划分每个章节的知识点，并按照一定的编码方式对各个知识点进行学科编码，将教材内容量化，并利用数据统计软件对知识点数据进行分析，从而得出STEM各学科（S、T、E、M）的知识点在教材中的分布情况。同时，还对教材的整体结构、教学活动、目标陈述、知识总结和练习题等内容进行质性分析，以期对教材有更加深入的理解。
（三）研究工具
ST∑@M金字塔结构框架以STEM教育为基础，解释了如何整合传统的科学、技术、工程、艺术和数学学科，以此制定课程计划。G.Yakman首先对这些学科进行了研究，并对它们做出了界定：科学解释了什么是自然存在的，以及其如何影响人类生活；技术是指人类制造的；工程是以数学和科学为基础，应用创造力和逻辑，通过技术为世界做贡献；数学是理解其他学科的基础；艺术是指，在过去、现在和将来，社会是如何发展的，社会是如何影响它的态度与习惯的，社会如何与它的态度和习惯进行联系，如何理解或解释它的态度和习惯。然后G.Yakman确定了S、T、E、M、A五个元学科（Meta-discipline）分别包含的具体学科，并将其作为框架的一部分。本研究舍弃Art部分，形成STEM编码表，下页表1为STEM编码表及其具体样例。G.Yakman通过对文献进行调查和总结，对科学、技术、工程、数学和艺术等元学科的概念进行了界定，并将各具体学科按照以上五种学科进行分类，其研究的理论基础扎实，由此得出的STEM编码表具有较好的内在信度。 （四）研究过程
为了保证本研究的外在信度，两位编码者共同使用STEM编码表进行预编码，并将结果经过一致性Kappa检验，得k指为0.938，属于几乎完全一致（Almost Perfect），具有较高的外在信度。确定外在一致性后，编码者再对教材的知识点进行划分，并按照STEM编码表编码。编码结束后，从教材知识点分布的整体情况，物质科学、生命科学和地球科学三部分内容的STEM知识点分布情况等两方面进行数据统计和分析。除将知识点量化以外，本研究还对教材内容进行质性分析，包括分析教材内容的编排和各部分内容的特点，如活动类型、目标陈述、知识总结与课后练习等。最后结合研究结果，在已往研究的基础上，得出研究结论，并根据研究结论思考其对中国STEM教育的启示，以期为国家创新人才培养提供借鉴和参考。
三、研究结果
（一）知识点分布的整体情况
经过编码统计，该教材的S、T、E、M知识点总数为406个，学习内容十分丰富。其中，以S类知识点最多，总数为256个，所占比例为63%，超过了总体知识点的六成。其次是T类知识点，为71个，所占比例为18%。E和M类知识点个数分别为45和34，比例分别占11%和8%，比较相近。且在具体学科知识点中，S类的S-3（化学）、S-2（生物）、S-4（地理）知识点个数最多，分别为90、53、51，其他学科知识点个数均在30以下。可见教材紧紧围绕科学知识的学习内容而展开，数学知识点相对而言十分欠缺。如图2所示，为S、T、E、M各学科的知识点统计分析。
（二）教材三大主题的知识点分布情况
研究者根据教材中的物质科学、生命科学和地球科学三大主题，进行STEM框架的编码分析，并统计各主题中STEM知识的分布比例。
如下页图3所示，物质、生命和地球科学三大主题中S类知识点的分布存在显著的差异。物质科学重点呈现化学领域的知识点，其余如物理、生物的知识比例很低，知识覆盖面集中。在生命科学主题中，物理学的比重最大，其次是生物化学的综合知识，体现了一定的学科融合特性。在地球科学部分，则以地理科学的所占比例最大，其次是空间科学和物理学。
对T类知识点的分布进行分析，从图4可以发现，三大主题呈现一定相似的分布维度，均以医学知识为主要内容，操作性技术的知识次之。尤其是生命科学主题，医学内容占有的比例远大于其他方面知识。可见，在T技术知识方面，三大主题的内容分布一致性较高。
从E类知识点的分布来看，三个主题存在较为明显的差异情况，如图5所示。在物质科学主题中，各方面的E工程知识均有涉及，其中以航天工程和材料科学两方面的内容为主，其次是化学制品和计算机的相关内容，分布较均匀。而在生命科学主题中，E知识的数量非常少，只涉及计算机和化学制品的内容，其余方面并没呈现。地球科学主题则以航天工程和计算机的知识内容为主。
在对三大主题的M数学知识统计中可以发现，各主题的分布具有一定共性，从数量上看数学知识大量呈现在地球科学主题，其余两个主题所涵盖的数学知识点较少，均以基本数学运算的知识为主。在地球科学主题中，数及其运算的相关知识最多，其次是数据分析和概率知识，也有涉及问题求解、量度等其他性质的数学问题（如图6所示）。
（三）教材其他内容数据分析
研究者通过统计教材中的活动类型及数量发现，美国教材中涉及课堂讨论、调查研究、发明制作、动手操作、实验分析和展示汇报六类，图7为教材的活动内容分布。教材中共有82个活动，其中动手操作、实验分析、调查研究类活动数量远大于其他活动数量，均在20个以上，所占比例分别为34%、29%和24%，总比例超过85%。这说明美国科学教材重视对学生自主学习与实践能力的培养，有利于形成学生的探究性思维。如利用互联网进行调研、设定假设和变量进行实验等，更多的是课外延伸活动和家庭学习活动。这些活动往往具有很强的个性化特性，学生可以根据自己的兴趣，从课堂延伸到课外进行，即使没有教师的指导学生也可以根据教材内容的操作提示自主完成。
在教材中，每一单元都会呈现这节课的学习目标，提示学生去自查是否已掌握关键的学习内容。此外，每一章后都会附上本章的专业词汇表，对整章的关键知识点进行梳理、回顾和总结，并提出3至5道题目给学生课后思考完成。
四、结论与讨论
根据研究结果，以研究问题为出发点，发现美国科学课程注重各学科间的相互渗透与干预，以培养学生的综合科学素养为目标，体现了STEM教育理念。结合已有研究，主要从以下三方面展开讨论：
（一）注重学科间的相互渗透与干预
整合性与学科间性是科学课程区别于生物、化学、物理等分科课程的特点之一，该教材也充分体现了学科间的相互渗透与干预。从数据上看，教材包含了科学、技术、工程和数学知识点，且除科学外，其他三类知识点数量相差不大，说明教材对知识的整合，同时又突出科学知识，体现学科的差异性。物质科学、生命科学、地球科学三大主题由于教学内容不同，S、T、E、M知识点分布情况差别显著。物质科学主题部分以化学、医学和操作知识点为主，生命科学主题部分以生物学、生物化学和医学知识点为主，地球科学主题部分以地理科学、空间科学和物理学知识点为主，说明对学科进行整合时，由于各学科特点和学习需求不同，整合的形式与内容的结构组成也有所不同，从而突出了学科间的差异性。科学、技术、工程、数学等学科彼此间相互交融和影响，STEM教育的价值在于既保存了每一门学科具备的特殊性，又将其可以相互渗透和融合的部分结合在一起，从而促进了各学科的发展。例如地球科学部分的表面积实验，其教学目标是：学生能够发现表面积如何影响水等液体蒸发的原理。液体蒸发是物理学知识，而在教材中呈现了实验操作过程，利用方格计算盛水盒子表面积的方法以及利用图像和表呈现数据帮助学生发现规律。通过实验，学生不仅可以学习水的蒸发和表面积关系的物理科学知识，还可以学习表面积计算方法的数学知识以及如何设计实验和操作。且在实验过程中，数学知识是获取科学知识的基础，规范的实验设计和操作等技术知识是完成实验的保障，三者相互干预，数学知识和技术知识渗透与物理知识当中。在地球的水单元中，有一小节的内容为用水量，其教学目标是学生能够从数据分析出国家的用水情况，懂得水的重要性和掌握保护水资源的具体措施，包括数据分析、地理科学和环境工程知识点。任何工程都需要借助数学和技术来完成，且不能违背科学和自然规律。 （二）强调STEM教育视野下的综合性科学素养
STEM教育视野下的综合性的科学素养，在一定程度上融合渗透了技术、工程和数学素养的要求，强调将STEM领域综合知识与技能迁移到新情境中的应用能力，是一种综合性的理解和解决现实事件的能力。研究者发现教材中有大量的动手操作、实验分析、调查研究活动。例如在学习生命细胞时，要求学生按照给定的材料和方法制作听筒器，听自己身体各器官运作的声音。为探索液体表面积与蒸发速度的关系，设计实验，进行实验操作和数据分析。在学习太阳系时，指导学生通过网络调查太阳系和其他行星的信息，且教材给定了网址并提出问题，避免了学生在网络搜查时因无关信息干扰而浪费时间的现象，体现了互联网给学习带来的便捷性与干扰性，提高了学生的信息素养。这些活动，学生都可以在家中完成，使得学生能够将所学知识应用于生活情境中，解决问题。教材注重培养学生的科学探究精神，在实验中强调实验设计的严谨性，重视数据或现象背后的科学原理。根据美国教育部领导下的学术竞争力委员会（ACC）构建的STEM教育的详细目标可知，美国STEM教育在K-12阶段的培养目标之一为“培养学生的科学、技术、工程和数学技能，为其在21世纪科技经济中获得成功做准备”。美国科学教育的目标，就是使他们的学生能够用科学的思维、态度、精神和习惯去解决将来在学习、工作与生活中遇到的问题。
（三）体现STEM教育对生活的价值
美国STEM教育在K-12的另一个培养目标为：提高学生在STEM教育中的参与度，使学生认识到STEM教育对生活的价值。该教材的内容包括物质科学主题的混合物与溶液部分、生命科学的生态系统部分、地球科学主题的水世界部分，这些都与学生的生活世界息息相关，学生可以将知识应用到生活中，对周围的事物能够有更加深刻和全面的认识。STEM教育对生活的价值在教材中主要体现在以下几点：（1）注重人与人的沟通以及知识与生活的联系，例如在生命科学主题的第三章“糖类和细胞”，有一节介绍糖尿病，教材用近三页篇幅呈现了一位大学生与糖尿病人的对话。通过学习此段对话，学生进行迁移，以类似的方式去调查了解生活中的其他疾病，体会到健康生活的重要性，并愿意帮助这些病人，体现了高度的人文关怀。（2）注重培养学生的责任感，例如用数据说明地球水资源短缺，使学生明白水资源的重要性，具有保护水资源的意识。（3）知识点以故事方式呈现，以问题为线索，以生活情境为依托。例如，在介绍水蒸发时，通过狗身上的毛弄湿后很快干，将湿的泳装放在密闭的塑料袋中，当将其打开时泳装依然是湿的等真实的生活情境，设计问题，学生能够在家中体验并解答问题。同时，它以故事性的语气将内容展开，激发了学生的兴趣和积极性。（4）教材中具有丰富的图片，图片不仅能帮助学生理解知识，而且能形象真实地反映生活。例如在第一节“混合物”中，就有沙、胡萝卜葡萄干沙拉、混合的坚果、不同形态容器里花生、不同形态容器里的水、洛杉矶上空的雾等19个图片，帮助学生理解混合物的定义，辨识生活中的混合物，并能制作一些混合物。教学内容在生活中体现价值，不但能激发学生对生活的热情，使他们能够积极乐观地面对生活中的问题。
五、对中国科学教育的启示
基于以上研究结果与结论，结合我国的科学教育发展和研究现状，参考美国有关科学教育的实践与研究经验，研究者总结出以下六条启示：
（一）应树立正确的科学教育理念
受美国《2061计划》的启示，在一批科技专家的主张下，2003年我国启动了《2049行动计划》。虽然它们的出发点相同，即都是致力于国家的科学教育发展，但是它们的侧重对象与具体目标却有所不同。《2061计划》的目的在于从小培养学生形成自觉的科学思维习惯，并将科学精神用在生活和工作中，而《2049行动计划》的目标是使我国每一名公民具备基本的科学素质。可见，美国非常注重K-12基础教育阶段的科学教育，而我国更关注于全体公民的整体科学素质。因此，我国在普及科学知识与实施科学教育的同时，应关注对学生科学素养的培养，而不仅仅是具备科学素质的简单要求，应提倡学生“像科学家”一样思考和探究。要相信我们的孩子都是天生的发明家和创造者，他们能通过自己的思考、探究，对科学知识进行主动建构。
（二）应提高科学课程的学科地位
美国从1995年制定第一个《科学教育标准》，到2011年制定《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念、学科核心思想》，再到2013年的《新一代科学教育标准》，都体现了美国在不同发展阶段对K-12科学教育的重视与支持。虽然我国早在2001年就制定了科学课程标准，但是科学教育的地位一直不容乐观。首先就科学课程的学科地位而言，相比于语文、数学、英语等学科，科学课程一直处于边缘地带，甚至会出现其课时被其他学科所占用的现象。其次，科学教师的师资队伍也远不如其他学科，这使得学校的科学教研氛围难以形成。然后是科学课程欠缺成熟的考核评价体系，要想让科学教育得以发展，必须建立系统的评价体系。最后，教育资源的分配不均，尤其是农村偏远地区实验器材缺乏、师资力量不足等问题，都是科学教育面临的巨大挑战。国家应出台相应的政策，号召全社会的力量，尤其是科学与教育领域专家的支持，致力科学教育在中小学的发展，提高其学科地位。
（三）应建立完备的科学课程体系
研究发现，美国科学课程具有较强的结构性和系统性。例如，FOSS是一套涵盖从幼儿园到八年级的科学课程，其教学资源丰富全面，包括FOSS网站、FOSS科学故事、工具包、教师指导手册、备用录像带和阅读材料等。与美国科学课程相比，中国的科学课程虽然也有相关网站和资源以及针对教师和学生的教材等，但其各类资源缺乏结构性和系统性。而且，美国的课程开发人员由科学研究、教育教学、技术支持等多个相关领域的专家组成，课程开发的过程就是研究的过程。而中国的课程改革则是以政策为推动，参与改革与开发的人员组成较单一，缺少科学教育研究领域的专家，从而不能为成体系的课程提供科学保障。只有当课程资源与教材配套使用时，学生才能够在课外，通过查阅和学习已有资源，进行自主探究，拓展学习。 （四）应充分发挥科学教师的作用
科学教育的发展离不开科学教师，因此不能忽视科学教师的作用。随着国家对教师培训的重视，各种形式的教师培训在全国各地开展，但这些培训主要面向语文、英语、数学等所谓“主要学科”的教师，而对科学教师的培训却很少。所以，国家与学校应加强对科学教师的培训，培训内容不仅包括专业知识，还应包括先进的科学教育理念、教学方法等。科学课程的跨学科性要求科学教师具有丰富的科学知识以及扎实的专业基础，科学实践的复杂性和严谨性要求科学教师必须具备良好的科学素养、创新实践能力。学校应为科学教师提空足够的教学空间，尽可能地支持教师组织教学活动，尤其是教室外的科学实践活动。科学教师应加强与数学、物理、化学、生物、信息技术等学科教师的合作，为学生设计多学科的实践活动，由于中小学没有设置工程学课程，所以教师更要重视设计科学与工程学的结合。此外，科学教师的教育教学方法直接影响着学生的学习效果，教师应以学生为中心，鼓励学生实践，并给予学生必要的指导。学生在学校接触最多的就是教师，科学教师对学生的科学观和科学素养的培养至关重要。
（五）应实现从知识到实践的跨越
《全日制义务教育（3-6年级）科学课程标准（实验稿）》指出课程是为了培养学生的科学素养，应为学生提供充分的科学探究的机会，使他们在实践过程中不仅能够获取科学知识，还能体验科学探究的乐趣，提升实践能力。科学素养不仅体现在科学理论知识的储备上，还体现在解决实际问题的能力上。因此，科学教育应实现从知识到实践的跨越，为学生参与科学实践提供支持。闫蒙钢等研究者发现，我国小学科学教材的课程设计多采用“主题一活动”模式，主要是以问题的形式直接进入探究活动，缺少了与实践主题相关的引导性材料和提示，忽略了对学生的先行组织者的关注，虽然活动内容设计得比较丰富，但还是需要加强内容的深度。因此在教材内容上，应设计综合性的实践活动，加深活动内容的层次性，为活动开展提供必要的指导，使得学生能够整合应用多学科知识自主完成实践，提升综合应用能力。此外，实践应加强与社会生活的联系，教育的根本就是人的发展，人作为社会人，必须具备在现实世界生活的能力与竞争力，以及正确的价值观念和积极的生活态度，教材对环境、资源、人、生态系统等的关注，将有助于学生的发展，加强他们对社会各领域的认识，深化他们对国家和社会的责任意识。
（六）应加强科学教育的实证研究
美国在制定任何教育标准时，都是在坚实的教育研究成果上制定的，而我国在科学教育方面的实证研究非常欠缺，导致改革很难进行。中国的科学教育变革需要向国际先进经验学习，特别是科学教育的实证研究范式和实践。相对于美国，我国科学教育领域人才较少，研究队伍相对薄弱，研究者们对科学教育的研究偏于理论，而关于科学教育的实践却非常少，尤其是在科学课程标准制定与科学课程建设方面缺少研究数据支撑。因此，我们应加强人力与物力，壮大科学教育的研究团队，支持科学教育研究项目，大力开展科学教育的实证研究。尤其是在科学与技术、工程和数学的整合策略，如何制定科学合理的课程标准，如何建立科学课程评价体系，以及如何使课程内容能满足学生的需求等方面，都缺少研究数据，同时这些也是科学教育的重要研究方向。本研究对美国科学教材知识点进行量化，即希望为科学与各学科的融合策略提供数据支撑。近年来，随着STEM课程和有关项目的大力发展，STEM和科学教育成为了研究热点和重要趋势。我国应充分利用这种趋势的影响，提高研究者们的研究热情，充分发挥研究者们对科学教育政策制定、教材编写和教学实施的作用。
科学教育的发展离不开国家、地区、学校的支持，同时学科专家、研究者、教师等社会各界人士的作用也不能忽视，它不仅需要理论的指导，更需要实践数据的支撑。标准制定、教材编写、课程建设、资源配置、人才培养等各个环节都不容忽视。本研究通过对美国教材的量化与质性分析，得出了研究结论和以上启示，以期对我国科学教育发展能有所贡献，为研究者们提供研究的思路与方向。