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1、基于STEM框架的中美科学课程教材比较研究以美国FOSS和中国人教版小学五年级教材为例-国际教育论文基于STEM框架的中美科学课程教材比较研究以美国FOSS和中国人教版小学五年级教材为例 张韵 顿卜双 徐唱 李芒 摘要：本文以美国和中国现行的小学五年级科学课程教材为研究对象，基于科学、技术、工程和数学( STEM)的教育结构框架对两国科学教材内容进行编码比较分析，数据结果反映：两国教材内容的重合度低；美国科学课程知识点数量多，难度大，覆盖面广，重视自主实验调研；中国科学课程知识点数量少，内容浅显，以课堂操作和探究为主，学科综合性弱，缺乏知识陈述与总结。 关键词：STEM教育；科学教材；教材比较
2、；编码 作者简介：张韵北京师范大学教育技术学院硕士研究生（北京100875） 顿卜双北京师范大学教育技术学院硕士研究生（北京100875） 徐唱北京师范大学教育技术学院硕士研究生（北京100875） 李芒北京师范大学教授，博士，博士生导师，教师发展中心主任（北京100875） 一、问题的提出 素质教育是如今教育改革发展的战略主题。2010年，我国通过国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年），强调培养学生创新精神和实践能力的重要性，这与当代科学教育发展所呈现的国际新趋势不谋而合。科学、技术、工程和数学教育(Science、Technology、Engineering and Ma
3、thematics)的学科集成和教育融合，简称科技工数(STEM)。为了进一步深化STEM教育，美国国家研究理事会于2011年发布了K-12科学教育的框架：实践、跨学科概念与核心概念，首次将工程教育加入科学教育体系中；2013年又紧接发布了与此相辅相成的新一代科学教育标准，重点强调了整合STEM学科发展科学教育的内容；2015年地平线报告：K12版指出STEM学习是未来1-3年驱动K12教育技术的趋势之一，STEM强调跨学科的学习环境，将逐渐打破传统的科学教育界限。 面对STEM浪潮下的新一轮科教改革序幕，我国科学教育教材的发展是否符合国际先进科学教育理念，教材内容是否与时俱进，符合具备科学素
4、养的创新人才培养需求，值得深入分析和反思。因此，选择基于STEM教育框架对中美两国小学科学课程教材进行比较研究，对进一步深化我国新一轮科学教育课程改革，指导小学科学教材的编写和小学科学教学，具有十分重要的意义。 二、研究现状 （一）STEM教育的发展和结构框架 STEM教育起源于美国，可追溯到20世纪80年代，其宗旨是“以设计和探索为目的，并对技术问题解决进行科学的探索”，课程目标中包含了科学素养、技术素养、工程素养和数学素养等方面，这一教育理念如今己影响着世界各国教育改革的政策，聚焦点也逐步从高等教育倾斜到基础教育学科。早在1986年，美国国家科学委员会(NSB)发表报告本科的科学、数学和工
5、程教育中提出了美国STEM学科集成战略，旨在大力培养创新人才和具备科学素养的美国公民。2007年，美国国家科学委员会(NSB)发表国家行动计划：应对美国科学、技术、工程和数学教育系统的紧急需要报告，要求增强国家层面对K-12和本科阶段的STEM教育的主导作用，表明STEM教育从本科阶段延伸到中小学教育阶段。2008年，美国弗吉尼亚理工大学学者G.Yakman提出STM教育模式，解释了如何将传统的科学、技术、工程、艺术和数学学科整合在一个结构化框架中，以此制定整合的课程计划。GYakman在前人研究的基础上对科学、技术、工程、艺术和数学学科进行界定，其中“科学”解释了自然存在以及其如何影响人类生
6、活，主要包括物理学、生物学、化学、地理科学、空间科学等；“技术”指向人类制造领域，主要学科有医学、农业、建造、通讯、运输、电力、能源等；“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，涉及航空航天、建筑设计、农业机械、化学制品、土木工程、计算机等学科；“数学”则包含数及其运算、代数、几何、量度、数据分析和概率等方面，如下图所示。 在国外，STEM教育已具有比较完善的课程项目体系、社会公共教育服务，以及以STEM学校为主体构建的人才培养模式。如美国项目引路机构( PLTW)致力于为K-12学生提供严谨且具有创新性的STEM课程，鼓励学生参与基于活动的、基于项目的和基于问题解
7、决的学习；美国多位企业CFO创建的“变革方程”公益机构，以其投资、独特资源和影响力来推动优秀的STEM教育项目在学校和社区中的使用；美国北卡罗来纳州科学和数学学校作为STEM精英学校，为学生提供广度与深度并重、强调学习情境的生活性和真实性、注重实践性以及培养高阶思维的研究性STEM课程，包括导师制项目、科学研究（含物理、生物和化学）、计算机科学研宄和数学研究等。在国内，STEM教育研究主要集中在理论探索、课程建设、创客与STEM的结合以及教育软件的开发等方面，并未结合具体学科分析，STEM教育与科学教育融合的相关研究十分匮乏。 （二）中美科学教材的相关比较研究 从教材分析的研究视角来看，美国教
8、材的发展一直受到国内研究者的关注，在科学教育领域已有不少分析美国科学教材的研究成果。杨庆余等人从内容涉及面、单元教学目标、探究能力培养、巩固和复习等方面对美国现行的一门小学科学教材Science Explore的特点进行了详细的介绍。刘思研等人对FOSS、STC、INSIGHTS这三套教材的出台背景做了简要介绍，并通过对三套教材的课程内容、教学资源、特点等进行对比，透视美国科学教育的特点及整体发展趋势。汪甜等人以2000年出版的科学（加利福尼亚版）第三册为研究对象分析其设计特点，发现教材不仅内容丰富、结构合理、语言生动，而且对教材内容的呈现方式做了精心设计，并合理安排了具有各种功能的栏目，颇具
9、特色。光霞等人分析了美国小学科学主流教材之一的科学，发现该教材图文并茂，以问题和故事方式呈现，关注儿童的身心和思维特点及发展需求，具有很强的可读性；以科学为中心将生物、地理与物理学等相关学科知识和谐融合，亦有很强的科学性。 从中美教材比较的研究角度来看，国内鲜有中美科学教材的比较研究，其中具代表性的研究包括：闫蒙钢等人选取我国教科版、苏教版和粤教版小学科学教材与STC教材进行比较，指出中美两国小学科学教材表现出宏观层面上的一致性和微观层面上的差异性，提出将思维导图融入教材，注重合作学习的理念渗透及关注教材的二次开发等建议。周小燕等人比较了中美地理教材中科学活动设计的内容特点和开放性，表明中美教
10、材科学活动对科学技能和探究能力的训练各有侧重，对科学活动的呈现形式、内容广度和开放程度不同。周文波等人选择大陆科学（浙教版）与美国主流教材科学探究者，以地球、宇宙与空间科学内容中的“地球、月球和太阳”主题为例，对课程广度、课程深度、课程时间与课程难度系数的定量计算与比较，提出浙教版科学教材在该部分的难度相对较适宜，科学探究者较之具更多知识点，更关注学生探究活动的设计，切实贯彻了“探究”理念。 总体而言，我国介绍美国小学科学教材的研究较多，以中美比较视角分析的研究较少；对初中科学教材的研究较多，对小学科学教材的研究较少；研究以思辨性的对比和阐述较多，定量研究较少；研究内容多以对比教材的内容设置（
11、数量和难度）、组织结构、活动设置等，很少结合先进的科学教育思想理论来分析。 三、研究设计 本研究基于STEM教育结构框架设计和编制小学五年级科学教材内容分析编码表，通过编码分析深入对比中美两国科学教材中S（科学）、T（技术）、E（工程）和M（数学）知识点的整体分布情况、各领域的知识点数量、覆盖面的广度和重合度、学习活动的属性等内容，具体研究设计如下： （一）研究问题 本研究采用STEM教育框架比较中国和美国小学五年级科学教材的内容，进而探讨以下问题：两国教材中STEM知识点的数量和分布如何？两国教材分别在S、T、E、M四大领域的知识点数量和覆盖面分布如何？两国教材的活动内容倾向如何？根据以上问
12、题的结果，探讨两国教材中的知识内容是否具有趋同性或差异性，以及对科学教育成效的影响。 （二）研究对象 本研究采用美国FOSS版本K-5科学教材和我国人教版小学五年级科学教材为研究对象。由于FOSS最早开发并投入使用，全覆盖了从幼儿园到8年级的科学课程，旨在培养学生的科学素养，是美国现行的、使用范围较为广泛的小学科学教育课程教材，本研究采用FOSS版本作为美国科学教材的研究对象。我国科学课程教材版本则有林林总总十多种，其中人教版小学科学教材使用范围最为广泛，分布河北、河南、山西等多个省份，因而为本研究所采用。 （三）研究方法 本研究以美国弗吉尼亚理工大学学者GYakman提出的STEAM结构化框
13、架为理论基础编制STEM教材内容分析编码表，根据其中的内容主题进行教材内容编码分析，对教材中各个章节的知识点进行编码和统计，再对统计结果进行描述性统计、可视化分析与讨论。 1编码表的主要维度和编码实例 2编码的信效度 编码表的编制基于已有的、国际上得到公认的STEM教育结构体系，根据STEM结构框架制定一级、二级编码项目，具有较高的效度。由于教材内容的划分较为明确，容易辨析，本研究经过预编码后，两位编码者的编码结果经过一致性Kappa检验，中美两国教材的编码k值分别为0.893和0.938，属于几乎完全一致(Almost Perfect)，具有较高的信效度，在可以接受的范围内。 四、数据分析
14、（一）整体STEM知识点分布的情况 1美国知识点总数远多于中国，以科学知识点为主体。经过编码统计，美国的知识点总数为406个，中国知识点总数为193个，不到美国的一半。同样是小学五年级一个学年的教材，美国教材中的知识点更多，学习内容更丰富。其中，美国的知识点以S（科学）的维度最多，超过了总体知识点的六成(63%)，中国S知识点仅占33%。两国教材中大部分呈现的是生物、化学、地理、物理等科学教育的核心知识，但在STEM上的侧重点分布存在明显不同，美国教材在S知识点数量是拉开两国知识点数量差距的关键部分。 中国教材中技术、工程知识点所占比例更大，数学方面不足。从STEM各部分知识点的比较来看，美国
15、的情况是STEM，中国则是TSEM。从图2可得，中国教材中的T（技术）知识点占40%，E（工程）知识点占25%，而美国教材中的T只占18%，E仅有约1成，可见中国更重视技术和工程知识的相关学习内容。但在M（数学）知识点上，两国的数学知识点均低于1成，其中中国只有2%的数学知识点，相对而言十分欠缺(见图3)。 2两国具体知识点的重合度低，内容各有不同。中美两国的重复知识点仅占两国总知识点数量的3%，也就是说，美国教材的内容绝大部分和中国教材不一样，两国的知识内容存在着显著的差别。图4显示，美国教材知识点比例前十位中，中国只有五个领域和美国稍有重合，除了T-ll操作知识外，其它内容的知识点数量均比美国要少。同样地，在中国教材知识点比例前十位中，美国与其重合的知识点数量也极少。可见两国在具体的知识领域中，侧重点存在较大差异。 （二）S、T、E、M各部分知识点分布的异同 1S（科学）知识点的覆盖面对比：美国化学知识面丰富，中国对生物和化学的综合知识以及空间科学关注不足。 由图5、6可以看出中美在S知识点的分布上都很关注地理、化学
