美国加州中小学科学课中的六个主要专题

美国加州中小学科学课中的六个主要专题

常初芳

一、引入科学专题的意义

专题是较高的科学观点，概括事实和概念。一个科学事实只是基于可靠的观测与推论的一个陈述，例如铁原子中有几个电子、氦发现的日期、恐龙以蛋繁殖等等。一个概念经常包括几个事实，例如大陆漂移这个概念，就需要集结在构造科学中的可重复的观测结果及磁场怎样起作用等事实。专题高于事实和概念，它汇集科学的共通概念成为一门课程，以一种有利于科学内容的阐释和传授的方式，联接各门科学学科的理论结构。与学科理论不同，学科理论只包含和联接与某种具体的自然现象相关的科学数据和事实，而专题则是一种横跨学科的教学手段。

在这本大纲中，有六个专题被阐释，它们是：①能量；②进化；③变化模式；④规模和结构；⑤稳定性；⑤系统和相互作用。这些专题在科学课中一再出现，不管一个人是研究生态学、板块构造学、气象学、还是有机化学。

专题的这种安排不是唯一的，另一种安排可能起同样好的作用，例如差异与统一的专题。重要之点在于一些专题结构的引入至少将会改进目前流行于许多课程和教材中的分散的、不统一的科学事例的死记硬背的状况。

专题在科学的教学中是必需的，因为它在科学的研究中是必需的。为了使科学成为一门有哲理的学科，而不仅仅是事实的堆砌，就必须要有理论的联结和抽象。科学是由事实构成的，正像房子是由砖石构成的一样，但事实的集结不是科学，就像一堆砖石不是房子一样。事实只有与自然界的较大的理论问题（如它是怎样起作用的和它的各部分是怎样集合为整体的等）有机地结合起来才是有用处的。科学和技术的发展是如此之快，所以在学生的科学学习中引入专题就不仅仅是有用的，而是必需的。科学的每一分支已经积累了巨大数量的详尽知识，如果一个领域的基本概念能够由连接和类比转移到另一个领域，学生就会意识到在这个系统中有明确的目标和内在的逻辑性。

专题提供一个框架来指导教师研究教学手段。如果课程和指导教师在使学生运用这些专题来联接和汇集科学的概念和事实方面是成功的，那么这种良好的习惯将会贯穿于并促进其他领域和学科的研究。这样，专题的运用不仅帮助学生在对科学的理解上建立有意义的框架，而且能解决其他领域中的问题，以及解决他们作为公民、消费者、工作者在日常生活中遇到的问题。

二、科学课的专题

（一）能量

能量是物理学的中心概念，也渗透于生物科学和地质科学之中，因为它是任何相互作用系统的基础。能量可以被说成是连接各门科学学科的纽带。用物理术语来说，能量是作功的本领或者使物体运动的能力；用化学术语来说，它为化合物间的相互作用提供基础；而用生物术语来说，它是提供给生物系统使它们得以维持、生长和繁殖的能力。

在物理学中，能量可以在热、光、声、电等各种表现形式中以及从一种形式到另一种形式的转化中被探测到。对于物理学来说，能量大概是最重要的专题，因为所有的物理现象和相互作用中都包含能量。不管一个人讨论热能、光能、声能、磁能或电能，还是讨论从动能到势能的转化或从电能到热能或声能的变化，甚至是讨论由酸和减结合形成的产物，都要涉及到能量。

在地球科学中，地球能量的流动有两个来源：第一是在地球内部存在的应力，是由地慢和地芯中的核反应所产生并由地壳来传送的。立异驱动造山运动。大陆漂移、火山爆发和地震等过程的起因；第二是在地球表面存在的力，如风、降水、物理和化学变化，以及生物有机体的活动（大部分是由太阳能驱动的），改变了地球的表面，并且是许多地质过程的起

因。

在生物学中，能量通过在生物个体中的流动，支持着新陈代谢、生长和发育。能量在生态系统中的流动，决定有机体怎样与生物群的营养水平相互作用。因为所有的生命需要能量，所以生物学正是研究能量怎样推动生化反应，使生物体合成生化分子，构成生长的基础。

从伦理道德行为和科学技术对社会的责任的角度来考虑问题，能量也是很重要的。地球上的能源包括太阳能、风能、水能、地热能、核能和矿物燃料能。有些能源实际上是取之不尽的，例如太阳能、风能、水能和核能。还有一些是再生能源，如水力发电可以循环和重新使用。而不可再生的能源，如矿物燃料则不能被恢复。学生应该意识到这种差别，意识到某些能源的有限性，保护或避免使用它们的必要性。

（二）进化

进化一般可描述为随时间的变化，实际上所有的自然事件和系统都随时间变化。但进化不仅仅是自然事物的历史，它也是对形成这种历史的模式和过程的研究。这些模式和历史可以是天体物理的、地质学的、生物学的或生物化学的。如我们所知，所有这些对宇宙的进化都作有贡献。

进化不只是简单的变化，它是有方向的变化：这方向是时间。通过时间，生命从简单的形式进化到今天地球上各种各样的生物有机体。通过时间，地球也从它原先的形式进化：海洋出现了；山峦升起和下降；大陆和海洋被形成、分割和再形成；过去的海洋和地表（构造板块作用造成的陆地部分）已在地质层中留下了它们的痕迹。进化不仅局限于地球和它的系统，也扩展到整个宇宙。时间的推进看到星系划过长空，天体间的相互作用由它们的相对位置和彼此间的重力吸引所影响，太阳系兴盛和衰亡，宇宙以变化的速率膨胀等等。那句老话“甚至星星也有历史”确如其字面上的含义，这些历史我们现在已知道得相当详细。

进化体现了历史，因此进化是历史在其中有一定地位的每一门学科的组成部分。现有证据表明，宇宙至少存在了160亿年，太阳系在大约50亿年前收缩成它现在的样子。地球生成了大约46亿年，已知最老的岩石已存在了接近40亿年，最早的海洋在大约38亿年前出现，而生命的最早形式大约出现在35亿年以前。在生命科学、地球科学或天文学的教学中，进化应该是一个基本的、中心的概念。

进化论，达尔文描述为“改进的遗传”，是生命科学的核心的组织原理。T．Dobzhansky 说，没有进化，生物学就没有任何意义。进化论在所有的生命形式中解释了内在的相似性和多样化的固有性，为解剖学，结构学，适应性，生物化学和生态学提供了坚实的研究基础。进化论是生物分类和手术原理的基础，而生物医学研究正是奠基于手术原理之上。

历史照亮了自然界中所有的事件和模式的研究，因为这些事件在其产物中留下了它们的标记。从遥远的星星发出的光线的光谱可以告诉天文学家这些星星系统的存在年限和在它的生命周期中的位置。带有自然地质特征的沉积物，例如美国的大峡谷，留有历史的痕迹，可以像一本历史教科书一样来阅读，告诉我们一个特定的地方在时间的长河里曾存在于什么样的环境之中，以及这个地方是怎样变化的。化石当然更是生命历史和进化的标记。生物本身也显示了历史的标记，由它们祖先遗传保留下来的特征，但却是改进了的特征来标记（一个例子是哺乳动物中耳的骨头，是由最早的哺乳动物的下颌骨遗传和变异而来的）。根据有关遗传特征的证据，科学家们把生物分类为自然进化群。

在进化这一专题内，还有一些子课题可被编入教科书。一个这样的子课题是“方向”，如在前面关于进化的定义中所提到的，时间为进化提供方向。在大部分自然系统中，“什么将要发生”在很大程度上依赖于“此前发生过什么”。在生态系统中，一个生物链看来更像有一个可预测的方向，该方向基于这个生物前面连续的各个环节，而不是随机的，因为一个连续的生物链为它的下一个生物设置环节。地球上生命的进化为大气层的进化所推动，随着时间的流逝地球上的有机体发生了实质性的变化。这是一个相互作用的过程（看系统和相互