本文授权转载自外滩教育（ID：TBEducation），作者郑钢
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美国的初中科学是不分物理或化学学科，而是以科学课的课程形式将几门学科整合起来，包含了物理、化学、生物和地理，课表上只有科学课，内容却是五花八门。美国2013年颁布的《未来一代科学课程标准》提出了科学教育的三大维度：科学实践、学科核心概念和跨学科共同概念，为他们的科学课指明了方向。在格伦初中的一节八年级科学课堂，老师带领学生正在制作一座塔。教师拿出一个车模，问学生如果要制造一辆车，应该如何根据车模去衡量确定尺寸大小。很快学生开始了热烈的讨论，有的说根据车模量一量，有的说根据商店量一量。教师一边倾听学生讨论，然后一边引导他们如何将车模的大小及变化结合起来，用同比例放大的方法去确定。教师通过“小变大”的方法去帮助学生建立测量和制图中同比例放大或缩小的概念。之后，教师将一个垃圾桶放在讲台上，然后提供给学生带有格子的绘图纸，要求学生上台测量，并绘制横切面。
这是一个“大变小”的过程，有的学生很快理解老师的要求和意图，完成的很好，而有的学生无法理解同比列增加的概念，画出来的图像不符合要求，也不成比例。教师就要求他们上台去比较和分析，直到符合要求。同比例分析、演算，并设计和绘制图纸是制造塔重要的知识基础，教师并没有直接告诉学生将垃圾桶测量，然后按照一定的比例将其缩小。她却从举例来分析，引导学生建立同比例的概念，然后通过现场事件应用，将垃圾桶同比例画图。一节课的容量其实很少，只是掌握数学上同比例大小变化的概念，但是教师通过两个案例的学习，让学生充分思考、分析和推理，强调地是学生概念自主建构和思维有效激发。很多美国课堂不强调知识落实，强调探究的过程，把更多的时间放在学生的主动动手探究上。课堂不是强调零碎的知识片段和细枝末技内容的记忆，而是围绕核心概念进行教学，聚焦主干知识的理解和掌握，使得学生可以用概念去解释现象并应用于动手实践之中。知识固然重要，但在当今的社会，知识不是太少而是太多了。并且，随着社会发展，科技进步，知识会越来越多。一个人应该学会的是方法和思维，面对最多知识，也能成为知识的主人，而不是奴隶。这节课已经是单元的第三节课，是美国科学教育课堂模式（EEEASR）的第三“E”，也就是“解释（Explain）”，在这个环节里，学生还自学词汇单有关建塔的词汇，如：力、压缩、张力、重力、负荷、波束、地基、比例、比例项间的比率、坐标方格、地面波、抗力等二十个词汇。他们从网上去找寻解释，了解这些专门名词的意思。这节课就是给学生实践经验，使得学生在现场测绘和制作中理解这些概念。
科学教育课堂模式（EEEASR）的前两个教学环节是：“激发兴趣（Engage）”和“探索Explore”，激发兴趣环节是组织一个绘画埃菲尔特塔的比赛，看谁将铁塔画的最好，第二个环节是探索影响塔制作的重要要素。
教师组织学生阅读两篇关于地震的材料，讨论和分析如果要建造塔的话，如何考虑地震因素以及防震。这节课后是应用（Apply）环节，也就是制作环节，教师提供四张大报纸、一米的粘带、剪刀以及几根细棒等材料，然后发给学生一张学习单“如果我是设计师”，单子列出了五道题目：确定问题；
提供一个网站，必须要有学生能够理解的、关于防震的有关信息和知识；在你自己的设计图纸上有何特征使得你的塔具有抗震功能，并解释如何用报纸和粘带制作。
这些任务帮助学生梳理设计和制作的思路及整个过程，学生在完成和交流后，就开始动手制作了，而在接下来的环节就是展示和分享(Share)，学生会将做好的塔向全班展示，并解释设计的要素，如高度、比例和抗震等。而老师则会将纸塔放在桌子上，以切变的运动和水平的方向移动，模拟地面波，测验纸塔的抗震能力。完成展示和测验后，就是反馈和评估（Reflect）环节，教师会根据量规评价表，对学生的作品进行评分，同时对学生提出修改或完善建议。这一成绩也就是他们这个单元的学习成绩。
制作纸塔是一节科学课，其实也是当今美国教育非常重视的STEM教育，运用了地理、数学和物理等学科知识，并最终以工程设计的形式完成任务。这节课并不高大上，也不深奥或者尖端，材料来源很简单，只是一些废旧报纸和粘带而已，然而将知识学习融合起来，将各学科知识糅合起来，并应用于实践制作之中。如今在国内Stem教育正在引起人们的关注，不少学校尝试推进这一全新模式。然而也出现了诸多问题影响着STEM深入推进。如传统课堂如何转型去迎接Steam教育，学科知识如何整合和渗透，低成本轻获取的材料如何开发，主题如何选择和确定等等。纸塔制作单元的EEEASR教学模式以及如何充分挖掘现成的制作材料，或许对于开展科学教育和STEM教育是一种启发。在格伦初中，几乎每个年级科学课每学期都会安排主题式科学制作，时间跨度较长，常常会持续两三周，教师设计不同的任务，从易到难，从简单到复杂，在原来的基础上会有升级版，越到后面对学生的挑战越大。就在我们研修的一段时间，有的年级在制作过山车、有的在制作机器人、有的在用饼干和奶油制作模型展示地壳运动，有的在制作多米诺骨牌等等，所有的科学课堂俨然是制作工场，学生们设计、制作、展示和交流。美国的科技全世界领先，重要的一个原因在于大力推进科学教育，课堂教学重视学生创新能力和动手能力培养。像制作“会飞”的飞机、过山车、可以在上面行走的桥梁、机器人和各种形状的塔是美国学生在学校里必须做的项目，是美国科学课堂的基本配置，是每个学生必须有的学习经历。这些学习活动是在《美国未来一代科学标准》后新动态和方向，体现了科学教育的三大维度：科学实践、学科核心概念和跨学科共同概念。这样改变了以往科学学科知识相互独立，科学知识与科学实践互不相干的想象，而是将三者有机的融合使得过去鲜被关注的跨学科概念、科学和工程实践进入课堂，成为科学教育的主体。
三个维度中，科学实践处于核心的地位，不是孤立存在，而是与核心概念和跨学科概念相互结合，主要体现为8个方面：这些“实践”代替了“研究”，强调了做”与“学”无法真正的分开 ，更广义地体现科学学习的特点。除了EEEASR科学教育模式之外，如今美国科学教育协会正在推进科学课堂教学设计的“5E”（Engage、Explore、Explain、Elaborate和Evaluate）模式，这与EEEASR模式异曲同工。第一“E”是学生参与，教师设计开放性的活动，将以前学到的知识能紧密地联系起来，激发学生的兴趣和参与，生成问题；
在第二“E”（探索）中，分发所需的材料，解释问题；第三个“E”是解释，组织学生解释和理解概念，并确定核心词汇；第四个“E”是详尽阐述，主要体现在运用和延伸，将所学的知识动手实践，制作作品；最后的“E”是评价，根据评价标准形成基于问题和讨论的形成评价和基于项目、报告和测试的总结性评价。
还有一种模式在美国科学实验课堂也很为流行，那就是“POE”模式，加州大学洛杉矶分校教育学院的教授在培训时让我们体验了“Predict（预测）、Observe（观察）、Explain（解释）”的教学模式。在“WATER WONDERS”的实验中，我们先猜测三种不同的材料，蓝沙、白色粉末、彩色珠子在水中可能发生什么呢？大家动用了全部的感官，发挥了所有的想象，可是结果与我们猜测的南辕北辙，蓝沙结果浮在水面上，聚集在一起；白色粉末也不是我们所想象的人工雪，会溶解在水里，而是遇水会迅速膨大，变成了小粒的晶体；还有彩色珠子原来是我们常见的“水精灵”，在水中会慢慢变大，而且变得富有弹性。
这个模式启示我们，科学学习或研究首先需要学生根据已知的科学事实和科学原理，对所研究的自然现象及规律提出一种假定性的推测与说明，这是很重要的科学方法，鼓励学生大胆地创新。而且在动手实践中，要学会观察，分析现象与假设之间的关系，当然学生还要学会解释现象的原理，解释为什么会出现这样或那样的现象，这就是科学教育强调的创新素养。无论是EEEASR模式，还是5E模式，或是POE模式，都鼓励学生动手实践，启发学生积极思考和提出问题，注重学生创造性思维、解决问题及发现问题能力的培养，努力使学生像科学家一样思考和像工程师一样实践。
