檩子：下周，我们就要开团美国最新的科学和工程教科书 Science Dimensions（《科学的维度》，简称“SD"）；这是美国著名教科书出版社 Houghton Mifflin Harcourt （霍顿米夫林哈考特出版社"HMH"）根据美国最新科学教育大纲（NGSS - Next Generations Science Standards）编写的科学教材，反映了美国K-12科学教育最前沿的理念、方法和内容。
这是一套有“划时代”意义的科学书，不光对美国孩子如此，对于全世界孩子的科学教育都有很大的启发。为此，过去一个月，我们一直在学习、消化这方面的内容，力图能把这套教材所反映的美国K-12科学教育的精髓，清楚又简单地表达出来。
说起科学教育，我们还是会回想起百年前胡适先生的话：启蒙中国，需要两位先生来帮忙，“德先生”、“赛先生”。“德先生”，这事儿有点复杂，咱们不深入。
今天，我想说的是“赛先生（Science）”。百年来这方面咱们还是有不少进步的。比如，我小时候，爸爸妈妈常说：学好数理化，走遍全天下。所以整个中小学阶段，大多数精力都是花在学数理化上的。不过印象里，主要是在做越来越难的题...
这些年，很多人在探讨“钱学森之问”- 为什么我们的学校总是培养不出杰出人才（拿不到诺贝尔奖）？其实，我们对拿不拿奖并不关心，我猜钱先生的一个想法也许是：我们的科学教育，注重“形”（知识、公式、计算），而少了“神”（科学的精神、科学的思维和方法）：我们只是重视数理化学科里的具体知识，但是科学本质上是什么，其实我们从来没有真正被教育过。
而 Science Dimensions 所呈现的现代科学教育，和我们的传统大相径庭。
Science Dimensions是一个体系，由教科书和在线教育资源共同组成
理解 Science Dimension 这样的科学教材，必须理解美国最新的科学教育大纲NGSS
一般来说，大纲是很无趣的一样东西，没人爱看。但是这份2013年出版的美国科学教育大纲（400页），对科学是什么、怎么学科学，在理念和方法上的阐述，是非常清晰的。我自己仔细读了，觉得真可谓“醍醐灌顶”，终于搞明白，原来我们小时候的学法，有多片面！
大家看到，这套教材的名称叫 Science Dimensions-《科学的维度》。这个称法，大有讲究，因为这其实就反映了NGSS大纲的精髓：从幼儿园开始到高中毕业的科学教育，要建立在三个维度上：科学实践、跨学科共同概念、学科核心概念（听起来有点抽象？不着急，咱们会一个个讲）。
为什么科学不单是知识，而是有三个维度呢？编写教纲的科学家大牛们是这么说的：
Any education that focuses predominantly on the detailed products of scientific labor—the facts of science—without developing an understanding of how those facts were established or that ignores the many important applications of science in the world misrepresents science and marginalizes the importance of engineering.
如果我们只教孩子前人已经总结出来的知识，而忽视这些知识是怎么建立的、怎么应用的，这样的教育既不能体现科学的内涵，而且忽视了现代工程技术的价值，意义十分有限。
下面，咱们就一个一个维度说...不好意思，今天这篇文章有点长，不过要了解美国（也是当今世界）最新的科学教育方法，要给孩子带来更“科学”的科学教育，还是很值得看看。尤其，建议家里那位本职工作和科学技术比较靠近的爸爸或妈妈，仔细看看...
维度一：科学和工程实践
Scientific and Engineering Practices
这三个概念中，占据第一位的是科学实践（Scientific and Engineering Practices）。为什么？教纲是这么解释的：
孩子们必须懂得，科学不是一个个孤立的知识点（ a body of isolated facts），而是一开始就要进行科学实践，从而形成科学的思维习惯（scientific habits of mind），学会做科学探究（scientific inquiry），善于做科学探讨（ reason in a scientific context ）。
而科学实践，具体来说，就是，学科学，学工程，要“动起来”，学会做八件事。这里的“做”，比起我们通常说的“动手做实验”，涵义要深刻、广泛的多，极度逼近长大后真实世界里科学家、工程师的工作方式。这八件事，分别是：
1、要会问问题（asking questions），搞明白自己到底要解决什么问题（defining problems）
2、要会建模型（developing and using models）
3、要会做调查研究（planning and carryng out investigations）
4、要会分析数据（analyzing and interpreting data）
5、要有数学和算法思维（using math and computational thinking）
6、要能解释科学现象（construct explanations），设计解决方案（designing solutions）
7、擅于用证据阐明自己观点（engaing argument from evidence）
8、擅于获取信息，分析表达（obtaining, evaluating and communicating information）
这个维度的内容，应该说咱们的中小学科学教育，基本是缺失的。
下面，我举个三年级的例子，大家切身感受一下。
三年级的第一个单元，是 Engineering，让孩子解决一个工程设计问题，分三个关键步骤把孩子带入这个问题解决的过程：
清楚定义问题：How do we define a problem?
设计解决方案：How do we design a solution?
测试和改进解决方案：How do we test and improve a solution?
第一步就是清楚定义问题。
很多幼儿园或小学教室里，都有一个植物角。可是为期两周的假期就要来了，学校要关门，没有人来浇水，植物会干死，怎么办？
学生们需要设计一个方案，用简单的材料做一个灌溉装置，解决这个问题。为了清楚定义问题，需要在两个方面想清楚：
1、这个装置要达到哪些性能要求（criteria），比如，不光能给植物自动供水，而且还能控制水流量。
2、你面临什么样的约束条件（constraint），比如，能持续工作两周，不会破坏教室环境。
这样，面临的问题就能被定义得更加精确：
我们需要设计一个灌溉装置，能在未来两周内以安全可靠的方式给植物输送适量的水，让植物不干死、也不溺死。
我们常说“问对问题，问题就解决了一半”，在科学探索和工程设计上，这都是极为重要的环节。
那么，怎么解决这个问题？这就要做调查研究了。
第一个要研究的问题：现实生活中常用的灌溉方式，有哪些？
经过调查，发现至少可以考虑四种方式（这张图右上角有 Explore Online 标记，说明学生可以登录配套的线上资源，利用视频资源，了解这些生活中常见的灌溉系统）
然后，根据 Criteria 和 Constraint（要求和限制），衡量每一种方式的利弊；会用图表进行整理归纳，是必须的！
第二个要研究的问题，就是植物角里的每种植物，在未来两周内，要浇几次水？每种植物，对水的需求量不一样啊，浇多了水，植物也会烂死的！这就是调查研究，了解各种植物的习性...
然后归纳总结。经过研究、分析，总结出每种植物的浇水需求次数，一目了然列出来。
好，下面开始构建灌溉模型了（modeling irrigation）
在科学和工程中，模型往往是现实世界事物关系的简化体现（最常见的是数学模型），在工程里，很多时候体现为原型 prototype；这个概念很重要，我们很多人平时遇到问题，不太明白要从简单入手的道理，往往被一个问题牵扯到的很多因素搞得晕头转向。而做原型，就是一个化繁为简，从简单情况入手，找出基本解决方案，然后再攻克复杂问题的有效方式。这个思想方法，也是做小朋友时就该培养起来的。
在这个例子中，就同作文打草稿一样，让孩子用材料先搭建一个简化版的试验模型，比如先暂时不考虑多种植物不同的浇水需求，只解决某一种植物的浇水问题。搭原型之前，还要学会画草图....这样的动手操作，Science Dimensions 每节课里都有。告诉孩子用什么材料，按照什么步骤，从实践中理解科学概念、完成工程制作。
做好原型后，下面就是实际测试了，看看它能不能像你设想的一样的去工作？性能要求达到了么？会不会突破约束条件？测试也是一个很严谨的过程，需要详细记录每次的测试结果，并对这些数据进行分析。现实世界中，工程师们制作产品原型，测试方案，方法也是和这个差不多的哟！
如果原型测试结果不错，下面就可以着手，解决更复杂的问题了：要把所有植物都考虑进来，在原型基础上完成这个浇水系统的整体设计。
这种从需求出发提问题、做原型、再完成整体设计的思路，在现代的工业设计里比比皆是。Science Dimensions 这样最新的教科书，就是让孩子从小接触这样的思路和方法，把科学学习的过程从被动的接受已有知识，变成一个亲身参与、积极创造的过程。
完成整个设计和制作后，还要完成10个步骤，才能交付你的“作品”，虽然是孩子的project，但十分严谨，和真实的工程设计，没有本质区别。比如，孩子们需要明白，这几个步骤很关键：
1、再次审视，是不是这个装置不光性能很好，而且能满足各种约束条件？（强调性能要求和限制条件，几乎贯穿所有工程问题）
2、能用文字清楚描述自己的思路和步骤，别人能按照这个步骤复制和测试你的作品（做程序员的爸爸妈妈应该很熟悉这个要求）
3、做详细测试，比如测试3次，每次记录结果，对结果进行分析，决定哪些需要改进；改进后再测试，有必要测试后再改进...
4、最后，得出结论，告诉大家你的设计思路、产品结果，用实证数据去证明你的作品是可行的。
这是一个3年级的例子，已经用到了“科学实践"中大多数的方法。从另一个角度来看，这虽然是个工程问题，我们平时遇到的大多数复杂一些的问题，解决思路不也是一样么？
所以，就 Science Dimensions 这样的科学教材来说，比起具体的知识，它包含的这些探索未知、解决问题的科学方法论，才是最大的精华所在。说实话，如果我们中国人从小按照这样的思路学科学、搞发明，诺贝尔奖都已经拿到手软了！！！
维度二：跨学科共同概念
Crosscutting Concept
这第2个维度的内容，估计我们就更陌生。所谓跨学科共同概念，是指我们在各个科学学科里都会碰到的概念。具体来说，在物理、化学、生物、工程这些学科里，孩子们都会常常接触到这7个方面的“共同”概念，用这些概念去理解现象、解决问题：
1、要善于发现事物的模式和规律（patterns）
科学探索，往往从观察到某种现象规律开始：为什么会有这样的现象，为什么会呈现这样的规律？
因此，从幼儿园开始，美国的科学教育就引导孩子对patterns的认知，比如这节课：让孩子从经常看到的动作中（上下、左右、前后、旋转）感受到 Patterns 无处不在...
一年中地球绕转太阳、月亮绕转地球，你能观察到的现象规律是什么？这是5年级对pattern的继续探讨...
事实上，孩子是天生的规律辨别者，通过科学教育加强孩子这方面的意识和技能，往往就是培养科学家、发明家、探索者的最好开始。
2、要搞清楚事物之间的因果关系、因果机制（cause and effect）
美国的科学教育里，孩子们对因果关系的学习从简单到复杂，贯穿几乎在每节课里。比如，1年级时候，孩子们通过多种实验，体会到声音是由震动引起的这个“因果关系”
到了高年级，孩子们的因果关系探索，要从简单的“为什么这件事发生？”，“这件事是怎么发生的？”，进阶到“是什么机制导致这件事发生？”，“要满足什么重要条件这件事才会发生？”，或者“有多大概率这件事会发生？”，等等，研究和论证层次，步步升高。
3、谈任何事儿，要有量的概念，如规模，比例和数量（scale, proportion and quantity）
比如，3年级学 What is motion？让孩子们开始做实验数据记录，对事物的理解从定性走到定量
4年级时，学到“次声波”这个概念（infrasonic）。次声波，大象能感受到，所以它们之间能进行长距离的沟通以帮助彼此规避风险。而人的声音，声波要短很多。
这些数据记录、数据对比，让孩子在探索科学问题、解决工程设计问题时，能有数量概念，能在宏观层面（比如太阳系），也能在微观层面（比如分子）理解一件事的大小、比例、相对性等。这跟咱们的“不错、差不多”的东方式思维，有很大差异。
4、要有系统和系统模型概念（system and system models）
系统是形成体系、彼此关联的一组事物，比如整个宇宙就是一个系统。幼儿园的孩子，就开始有系统概念，比如去观察一棵植物的组成，了解每个部位起到什么作用，彼此如何“互动”，就是在理解一个系统。
从大的方面来说，知道整个地球是由四个系统组成的：the geosphere, the atmosphere，the hydrosphere,和 biosphere （地层，大气层，水层，生物层）
低年级时，系统模型可能就是像前面这张植物图，而随着年级增长，系统模型里要体现系统内事物之间的互动、能量流、以及物质状态的变化等，甚至用数学模型来体现各种变量之间的数学关系。到了高中，模型做得就很有真实科学研究的模样了。
5、能量和物质的流动、循环和储存，贯穿各个学科（energy and matter: flows, cycles and conservation）
我们一般理解中，能量和物质主要只是物理概念。而这其实是个真正的跨学科概念。比如，生物机体中，就会有能量的流动、物质的转化，比如光合作用...
孩子们对各个科学领域的学习，都会涉及到能量和物质的流动、循环问题。我们以前也学过，但没有明确意识到这个概念是理解很多系统、生命体、工程设计的关键。
6、研究事物、解决问题，一定要理解结构和功能的关系（structure and function）
结构和功能，也是一个跨领域的概念，让孩子在学习中认识到：事物的结构和功能是相辅相成的。比如2年级时，去理解一辆自行车的结构和功能。普通自行车的结构和功能是比较清晰的（框架、轮胎、踩踏板等）...改变彼此的比例，机械结构，就能调整自行车的性能。
但是如果要让自行车重量大大降低，那么就要引入新的结构概念，比如深入到原子结构层面去理解、选择合适的材料。
7、万事万物的变化，都可以从两个状态去理解：均衡和变动（stability and change）
大多数科学，从自然科学到社会科学，很大程度上都在试图理解一件事：变化，是怎么发生的（自然变化、社会变化、技术变化）？系统处于均衡状态（stability）是怎样的？系统如何从均衡转向不均衡（disequilibrium），又达到新的均衡（就像咱们说的GDP增长“新常态”）...
3年级的力学课，就会带孩子探讨一系列力、运动、平衡的概念，让孩子理解均衡和变动，怎么在生活中处处有体现。
对这些跨学科概念的认识、理解和应用，贯穿在全套书各个年级、各个学科单元中。任何科学技术领域的学习，都会要求学生对这些概念了然于心，不光理解到各个科学领域的共通点，而且学会去应用。
我感觉任何一个长期从事科学技术工作的人（甚至做经济学、社会学研究的人），都能体会到这7个概念在实际工作中有多么重要。而这些概念，在我们的中小学科学教育中，几乎全部缺失，即使有涉及，也是零散的，不清晰的，没有体系的。
这就带来很大的问题，我们往往要等到大学毕业后，才能慢慢感受到这些概念和方法是怎么回事，认知过程特别缓慢、漫长，等到真正明白的那一天，机会已经流失大半。真的应该让下一代人少交些学费啦！
维度三：学科核心概念
Disciplinary Core Ideas
这个维度的内容，相对来说，比较靠近我们熟悉的科学教育，也就是物理、化学、生物方面的基本概念。不过和咱们通常的学科划分不太一样，在基础教育阶段，美国的科学教育是四个领域同时进行的：物质科学、生命科学、地球和太空科学、工程技术,每个年级的科学教科书都同时包括这四方面的内容。
在学的方式上，每个领域的内容都是和前面两个维度结合起来，一起进行的，也就是通过亲身的科学实践（8类），运用跨学科共同概念（7个），让孩子建立在4个学科领域的基本认知。限于篇幅，具体怎么学的，咱们本周四还会有专门的介绍。今天，先和大家简单说说这四个学科，主要学点啥。
1、物质科学（physical sciences）
包括我们通常讲的物理和化学，核心概念有物质、动力、能量和波这四大方面，每个年级层层递进地学习这些知识。
Matter and its interactions （物质的结构和属性、化学反应、核反应）
Motion and stability: forces and interactions（力和运动的概念，它们之间的交互，系统之稳定和不稳定，等等）
Energy（能量的储存和传播，能量和动力的关系，能量和化学反应等）
Waves and their application in technologies for information transfer（波的属性，电磁辐射，信息传输等）
本质上，重点探讨两个问题：事物是怎么构成的- What is everything made of？事情为什么会发生- Why do things happen？没想到对物理、化学的理解，可以简化到这种程度。
2、生命科学（life sciences）
包括动物、植物、进化和生态系统这些核心概念，也是四大方面：
From molecures to organisms （从分子到生物体，结构、功能、生长，演变、能量和物质流转等）
Ecosystems: interactions, energy and dynamics （生态系统互相依赖的关系，物质和能量在生态系统里的循环，动态变化等）
Heredity：inheritance and variation of traits （遗传和遗传变异）
Biological evolution：unity and diversity （生物演变，自然选择，环境适应等）
3、地球和太空科学（earth and space sciences）
包括宇宙、地球、地球系统等，主要有三大方面的学习：
Earth's place in the universe （宇宙中地球所处的位置，宇宙和星系，地球和太阳系，地球演变史等）
Earth‘s systems（地球的物质组成和系统，地壳运动，水系统，天气和气候，生物地理等）
Earth and human activity（地球和人类的关系，自然资源，自然灾害，全球气候变化等）
4、工程、科技和科学的应用（energy, technology and application of science）
包括工程设计，以及工程、科技、科学、社会这四者之间的关系。
Engineering design（工程设计，学会定义问题，设计和优化解决方案等）
Links among engineering, technology, science and society （理解工程，技术，科学和社会这四者之间的各种关系）
由于STEM教育在美国越来越受重视，Science Dimension做的一项很大的努力就是把 Engineering（工程）深度融入了整个学习过程中。
首先，每个年级开头，都有专门的 Engineering and Technology 的单元课程；比如这一课，让孩子探索，棒球场里，灯光应该怎么设置，才能达到满意的照明效果？
其次，每个学科单元里，都会包含 Engineering的成分，引导孩子理解，把这里学到的科学概念在实际生活中用起来，会是什么样。比如，在这节生命科学课上，让孩子看看现实世界里，河坝如何设计，才能不对三文鱼产卵路线形成障碍？
这是目前全世界科学教科书里都很少见的，可以说非常符合时代潮流，非常新锐。
在我看来，Science Dimension 真的能把胡适说的“赛先生”带给中国孩子，在“知行合一”的科学教育中，培养科学的精神，学会科学的方法，具备科学的素养，给自己带来认知的飞跃，长大后还能为人类的发展贡献自己的力量。
说起科学教育，我们还是会回想起百年前胡适先生的话：启蒙中国，需要两位先生来帮忙，“德先生”、“赛先生”。“德先生”，这事儿有点复杂，咱们不深入。