单元设计概览

二年级物理科学与工程单元设计《调查材料特性》，是一份结构清晰、以探究为核心、强调实践应用的课程计划。其最显著的特征是从知识学习到工程应用的完整闭环设计。

单元开篇引导学生通过观察、分类和描述等基本科学实践，建立对“材料”及其“属性”（如颜色、硬度、柔韧性等）的基础认知。课程内容循序渐进，从第1、2课的探索与分类，过渡到第3课设立多个“调查站”进行系统性地动手测试，再到第4课将所学知识应用于解决“哪种购物袋最适合搬运食品”这类与生活紧密相关的具体问题。这种设计不仅让学生逐步深化对材料科学概念的理解，也持续培养了他们进行科学调查和数据分析的能力。

本单元设计的顶点是一个名为“课程嵌入式表现评估”（CEPA）的总结性项目。在这个项目中，学生扮演“工程师”的角色，需要综合运用整个单元所学的材料属性知识，为解决一个真实情境问题（为建筑工地移动物品）而设计、制作并测试一个工具。这一任务不仅是对学生知识掌握程度的有效评估，更是对其知识迁移与应用、解决问题、工程设计思维等高阶能力的全面锻炼。整个单元通过“学习知识 -> 应用知识 -> 创造性解决问题”的路径，体现了现代科学教育中探究式学习和基于项目式学习（PBL）的先进理念，旨在培养学生的核心素养。

高质量教学材料关键特征分享

1 与课程标准的对齐程度（超越知识点的深度对标）：高度对齐

本单元设计明确列出了其旨在达成的三个核心标准（2-PS1-1, 2-PS1-2, 2.K-2-ETS1-3），并且每一课及最终的CEPA项目都清晰地指向这些标准。例如，前三课的分类和属性测试活动直接对应“描述、分类和测试材料”的标准，而第四课和CEPA项目中的设计与比较则紧密围绕“分析数据以确定材料是否适合预期用途”及“比较不同设计优缺点”的工程标准。

2 以研究为基础的教学设计（源于研究，归于实践）：鲜明体现

本单元设计遵循了探究式学习模式，学生通过亲身参与调查、动手实验来构建知识，而非被动接受。CEPA项目的设计更是项目式学习（PBL）和工程设计循环（Design Cycle）的典型应用，强调在真实情境中应用知识解决问题，这些都是被广泛研究和验证的有效教学模式。

3 促进深度学习（实现从X到Y的深刻转变）：有效促进

本单元设计超越了对材料属性的简单记忆。通过要求学生分析数据、比较不同材料的优劣、并最终在CEPA项目中进行权衡与决策来设计工具，该单元促使学生进行知识的综合、应用与创造。学生需要解释“为什么”选择某种材料，这种对知识的迁移和应用是深度学习的核心体现。

4 内容准确和概念严谨（坚如磐石的专业严谨性）：准确且严谨

单元内容符合二年级学生的认知水平，所涉及的科学概念（如柔韧性、硬度、吸水性等）定义清晰、准确。教学活动的设计也体现了科学的严谨性，例如在第4课测试购物袋时，设计稿提示教师“每次测试使用相同类型的袋子和‘重’材料，以保持一致性”，这正是在向低龄学生渗透“控制变量”这一重要的科学探究思想。

课时简介

第1课：探索材料。学生按材料对日常物品进行排序和分类。然后，他们描述常用于制造日常物品的材料的相似性和差异，并列出这些材料的特性。

第2课：探索材料特性。学生回顾在上一节课中分类和排序的物品。学生根据常见的可观察特性对材料进行分类和排序。他们在科学笔记本中描述这些材料的相似性和差异。

第3课：测试和评估材料。在一系列调查站点中，学生测试和评估材料的可观察特性（颜色、纹理、硬度、强度、柔韧性和吸水性）。他们使用测试结果来确定哪些材料最适合特定用途，并将发现记录在科学笔记本中。

第4课：为特定目的测试材料和物体。学生测试不同类型的购物袋，以确定哪种材料最适合用于搬运食品。他们测试材料及其特性，分析数据，并比较每种材料的优点和缺点。随后，学生撰写一段信息性文章，利用调查中的证据，说明哪种材料最适合用于承载食品。

CEPA：设计和测试一个工具以移动各种物品。学生通过将材料的可观察特性应用于设计任务来展示他们对这些特性的理解。他们设计并制造一个工具（基于对材料特性的知识），以在标准距离内移动两个不同的物体。他们测试工具的功能和效率。然后，他们展示他们的发现，并撰写一段信息性文章，描述并说明他们的设计选择。

单元设计评估

整体评估情况：

总分：8 / 9

等级：E (典范)

各评估维度和评估项情况

维度 I: NGSS 3D 设计

本维度总分：2 (满分3分)
该单元在三维设计方面表现良好，尤其是在现象/问题驱动和单元连贯性方面。设计核心突出，逻辑清晰。然而，在横贯性概念（CCCs）的显性整合以及与数学等其他学科的连接上存在不足，导致其未能获得最高评分。

维度 II: NGSS 教学支持

本维度总分：3 (满分3分)
该单元为教师和学生提供了卓越的教学支持。从情境创设、学习进阶到科学准确性，单元的设计都非常出色，能够有效地支持所有学生参与到三维学习中。

维度 III: 监测NGSS学生进步

本维度总分：3 (满分3分)
该单元建立了一个连贯且有效的评估系统。特别是其课程嵌入式的表现性评估（CEPA）及配套的评分标准，能够非常有效地衡量学生在三维学习上的进步。

总结性意见

优点:

• 设计精良的顶点项目： 课程嵌入式表现评估（CEPA）是本单元的最大亮点。它提供了一个真实、有趣且富有挑战性的情境，能够真实地评估学生综合运用科学知识和工程实践解决问题的能力。
• 高度连贯的教学流程： 单元的课程逻辑清晰，层层递进，从知识的引入、探究、应用到最后的综合创造，为学生搭建了稳固的学习阶梯。
• 强大的教学与评估支持： 单元为教师提供了详尽的教学过程指导和明确、可操作的评估工具（CEPA评分标准），大大降低了实施高质量探究式教学的门槛。

改进建议:

1. 显性化整合横贯性概念:

   • 问题： 单元内容隐含了“结构与功能”、“因果关系”等CCCs，但没有明确提出。
   • 建议： 在教学语言和学生活动中明确引入这些概念。例如，在第3课的测试后，可以引导学生讨论：“材料的结构（例如，它是光滑的还是粗糙的）是如何影响它的功能（例如，它是否适合做握把）的？” 将这些概念明确纳入学习目标、教学活动和评估标准中，帮助学生建立更高阶的思维联系。

2. 加强与数学的跨学科联系：

   • 问题： 单元与数学学科的联系较弱。
   • 建议： 在第3课“测试和评估材料”中，可以引入简单的非标准或标准单位测量。例如，在测试吸水性时，学生可以测量吸收了多少“滴管”的水；在测试强度时，可以记录承受了多少个“标准积木”的重量。这不仅能加强与数学的联系，也能增加科学探究的严谨性。

3. 丰富差异化教学策略：

   • 问题： 针对不同层次学生的差异化指导不足。
   • 建议： 为学习超前的学生设计一些延伸性挑战，例如，在CEPA项目中，要求他们使用至少三种材料，并解释其组合的优势。为需要额外支持的学生提供更具体的脚手架，如提供带有图示和句子框架的实验记录单。

注：本单元设计评估基于EQuIP（Educators Evaluating the Quality of Instructional Products，教育工作者教学材料质量评估框架），它主要由 Achieve牵头开发，并联合了教育官员、教师、以及学术团体共同研制，逐渐发展为全美普遍使用的教学设计与材料质量评估框架，旨在识别符合共同核心州立标准（CCSS）或下一代科学标准（NGSS）的高质量教学材料，包括EQuIP Rubric for ELA（英语），EQuIP Rubric for Mathematics（数学），EQuIP Rubric for Science（科学）。

跨学科学习判断与分析

总体结论：本单元是跨学科学习。

本单元的设计在结构、目标、评估和教学活动等层面，系统性地满足了跨学科学习需要具备的全部5个要素。它并非简单地将不同学科内容并置，而是实现了物理科学、工程与英语语言艺术（写作）的深度整合。

包含的学科及其相关内容

本单元明确包含了两个有界限、可识别的知识领域。

物理科学与工程：

• 核心内容：识别、分类和测试材料的物理特性，如颜色、柔韧性、硬度、纹理、强度和吸水性（P1, 单元概览）；应用材料特性知识，通过工程设计流程（设计、建造、测试、分析）来解决具体问题（P6, 表现任务；P35, CEPA概述）。
• 文本证据：单元标题明确标示为“物理科学与工程，2年级”（P1）。课程标准主要依据科学与工程标准，如2-PS1-1, 2-PS1-2, 2.K-2-ETS1-3（P1, P5）。

英语：

• 核心内容：撰写信息性/解释性文本，要求引入主题、使用事实和定义来展开观点，并提供结论性陈述（P5, 英语标准W-2.2）。
• 文本证据：单元规划的“预期成果”中明确列出了英语写作标准W-2.2（P5）。课程的多个环节，特别是第4课和最终的表现评估（CEPA），都要求学生产出书面报告或信息性文章（P8, P27, P35）。

跨学科学习要素分析

要素1：学科知识的整合与理解的综合。

• 分析结论：满足此要素。该课程成功地将科学探究与信息性写作进行了有机的整合，并最终导向一个综合性的、更高阶的理解。
• 分析依据：
  • 整合 (Integration)：课程设计的核心任务并非孤立。学生不是先学科学知识，再另外写一篇作文。相反，写作的内容必须严格基于科学探究的证据。例如，在第4课中，学生测试购物袋后，“撰写一段信息性文章，利用调查中的证据，说明哪种材料最适合用于承载食品”（P8）。在这里，科学调查（获取证据）和写作（组织证据并论证）被紧密地连接在一起。
  • 综合 (Synthesis)：最终的“课程嵌入式表现评估”（CEPA）要求学生扮演“工程师”，为“工头”设计、建造、测试一个工具，并“撰写一份关于工具有效性的报告”（P6）。学生最终形成的成果——一份有理有据的设计报告——是一个综合性的产物。它既不是一份纯粹的实验数据记录，也不是一篇凭空想象的说明文，而是一个综合了“材料科学原理”、“工程设计思维”和“书面沟通能力”的全新成果，体现了“如何通过科学论证来为一个工程决策辩护”的综合性理解。

要素2：这种综合的主体必须来自多个有界限、可识别的不同知识领域。

• 分析结论：满足此要素。该课程清晰地建立在“物理科学与工程”和“英语语言艺术”这两个公认的、有明确边界的学科之上。
• 分析依据：
  • 有界限、可识别的知识领域：文件在“单元规划”的“既定目标”部分，明确列出了分属不同领域的课程标准：科学标准2-PS1-1, 2-PS1-2等，以及英语写作标准W-2.2（P5）。这表明设计者清晰地意识到了所跨越的学科边界。
  • 尊重学科专业性：课程前半部分（第1-3课）专注于建立必要的科学学科“积木”——让学生通过动手实验，深入探索和理解材料的各种属性（P7）。在学生对科学概念有了扎实理解后，才在第4课和CEPA中引入并整合高要求的写作任务。这体现了先掌握单一学科核心知识，再进行跨学科整合的设计思路。

要素3：几乎所有关于跨学科性的概念定义都包含某种效用的观念——需要明确追求这种综合的理由。

• 分析结论：满足此要素。该课程的跨学科设计具有非常明确且真实的效用目标，即解决一个模拟的现实世界问题。
• 分析依据：
  • 效用观念：课程的顶峰设计——CEPA（课程嵌入式表现评估），为跨学科整合提供了一个极具说服力的理由。它设置了一个真实情境：“工人需要将两个不同的物体从建筑工地的一个区域移动到另一个区域”（P6）。在这个情境中，仅仅懂得材料特性（科学）或仅仅会制造工具（工程）是不够的，学生还必须能够以书面形式（英语写作）向“工头”（听众）清晰地论证其设计选择的合理性。
  • 追求的理由：这种整合的理由是“解决复杂的现实问题”。在现实世界的工程项目中，技术解决方案与有效的沟通报告同等重要。该课程通过模拟这一真实场景，让学生理解到，将科学知识和沟通技能结合起来，是为了完成一项单一学科无法独立完成的复杂任务：既要“做出好东西”，又要“说明白它为什么好”。

要素4：从学生的角度来看，跨学科学习必须有一个明确的目的，以构建学生的 "学习空间"。

• 分析结论：满足此要素。该课程通过“理解为先”（UbD）的框架进行设计，从一开始就为学生构建了一个目标明确、路径清晰的学习空间。
• 分析依据：
  • 明确的目的：在单元规划的“阶段1：预期成果”中，设计者就确立了“基本问题”（EQ），如“材料的属性如何与其在设计世界中的用途相关？”（P5）。在最终评估任务（CEPA）的介绍中，学生的“角色（工程师）”、“听众（工头）”、“情境”和最终“产品（工具+报告）”都被清晰地告知（P6, P35）。学生从一开始就知道他们学习材料特性的最终目标是为了解决一个具体的设计和沟通挑战。
  • 构建“学习空间”：
    • 起点（学科知识的贡献）：学生清楚地知道他们需要在第1-3课中学习和测试材料的物理属性（科学知识）。
    • 过程（实现的综合）：学生清楚地知道他们将在CEPA任务中，利用这些属性知识来选择材料、设计工具，并基于测试数据撰写报告（过程）。
    • 终点（形成的跨学科理解）：学生清楚地知道，最终他们需要提交一个能工作的工具，并附上一份有说服力的书面报告，来证明他们达成了“工程师”的目标。整个单元的学习路径对学生是透明的、可预期的。

要素5：跨学科教学和学习以单个学科组和学科为基础，但以综合和有目的的方式扩展对学科的理解。

• 分析结论：满足此要素。课程教学根植于科学探究和信息文写作的常规实践，但通过巧妙的任务设计，引导学生将两者结合，从而超越了单一学科的教学范畴。
• 分析依据：
  • 以学科为基础：课程活动大量运用了科学学科的探究方法（如第3课中的站点式测试，P16）和交流模式（如使用数据表记录观察结果，P45）。同时，也运用了英语学科的交流模式（如信息性写作的结构，P33教师备注）。
  • 扩展与超越：该课程的精髓在于“结合”。它要求学生将“科学探究的成果（数据和观察）”作为“信息性写作的论据”，用“英语语言的交流模式”来呈现“工程设计的决策过程”。这催生了新的视角：学生不再仅仅是科学知识的发现者或文章的写作者，而是成为了一个“科学的沟通者”和“有据可依的设计者”。

教学评一致性评估

本单元设计的“教学评”一致性非常高。

一致性分析：

1. 预期结果 (目标): 单元目标（第5页）非常明确，即学生能够根据可观察属性（颜色、柔韧性、硬度等）来描述、分类和测试材料，并能分析数据，确定哪种材料最适合特定用途，最终应用这些知识解决一个设计问题。

2. 证据 (评估): 单元的评估设计（第6页）与目标直接挂钩。核心的评估证据是“课程嵌入式表现评估”（CEPA）。在这个任务中，学生必须设计、建造和测试一个能移动物体的工具。要成功完成此任务，学生必须展示其对材料属性的理解（对应目标2-PS1-1），并能根据任务需求选择合适的材料（对应目标2-PS1-2），同时还需要比较和评估设计方案（对应目标2.K-2-ETS1-3）。CEPA评分标准（第54页）进一步确保了评估的焦点与目标完全对齐。

3. 学习计划 (教学活动): 单元的学习计划（第7-8页）为学生达到目标并能在评估中成功表现提供了系统的路径。

   • 第1、2课的探索和分类活动，直接建立了达成目标所需的基础知识。
   • 第3课的“调查站”测试活动，让学生亲身实践了“测试不同材料”的核心技能。
   • 第4课对购物袋的测试，则是一个将“属性”与“用途”进行关联应用的完美演练。
   • 整个学习计划的每一步都在为最终的CEPA表现性评估任务做准备，确保学生在面对评估时已经具备了所需的全部知识和技能。

结论： 该课程设计稿是“向后设计”理念的一个优秀范例，其目标、评估和教学活动三者环环相扣，形成了一个逻辑严密且高效的教学闭环。

改进建议及理论依据：

尽管一致性很高，但仍可从深化学习和提升学生能动性的角度提出以下建议：

建议一：在学习计划中增加“元认知反思”环节。

• 改进内容： 在每次核心活动（如第3课的调查站和第4课的购物袋测试）之后，增加一个简短的书面或口头反思环节。可以设计一些引导性问题，如：“在这次测试中，我最确信的发现是什么？我还感到困惑的是什么？” “这次的发现，如何改变了我最初对这些材料的想法？”
• 学习科学理论基础： 此建议基于元认知理论。元认知是“对思考的思考”，它能显著促进深度学习和知识迁移。当学生有意识地监控和调节自己的认知过程时，他们会成为更主动、更高效的学习者。实证研究表明，引导学生进行元认知反思的教学干预，能够有效提升他们解决问题的能力和概念理解水平。
• 参考文献：
  • Flavell, J. H. (1979). Metacognition and cognitive monitoring: A new area of cognitive–developmental inquiry. American Psychologist, 34(10), 906–911.
  • National Research Council. (2000). How People Learn: Brain, Mind, Experience, and School: Expanded Edition. The National Academies Press. (Chapter 4 specifically discusses the role of metacognition in expert learning).

建议二：在评估中引入更多“学生自主设计调查”的元素。

• 改进内容： 在第3课中，除了预设的调查站，可以增加一个“开放调查站”。在这个站点，提供多种材料和工具，让学生小组根据自己的好奇心，提出一个想要研究的材料属性问题，并自行设计简单的测试方案去验证。例如，“我们想知道，纸和布，哪个更容易被撕破？”
• 学习科学理论基础： 此建议基于建构主义学习理论和探究式学习。该理论强调，学习是学习者主动建构知识的过程，而非被动接收。当学生被赋予更多自主权，能够提出自己的问题并设计探究路径时，他们的内在动机和学习投入度会显著提高。这不仅能深化他们对科学内容的理解，更能培养他们的科学实践能力和批判性思维。
• 参考文献：
  • Bruner, J. S. (1961). The act of discovery. Harvard Educational Review, 31(1), 21-32.
  • Crawford, B. A. (2014). From inquiry to scientific practices in the science classroom. In N. G. Lederman & S. K. Abell (Eds.), Handbook of research on science education (Vol. 2, pp. 515-541). Routledge.

科学

2-PS1-1. 根据颜色、柔韧性、硬度、纹理和吸湿性等可观察的属性描述和分类不同种类的材料。

2-PS1-2. 测试不同材料并分析获得的数据，以确定哪些材料具有最适合预期用途的属性。*澄清说明：属性示例包括颜色、柔韧性、硬度、纹理和吸湿性。数据应侧重于定性和相对观察。

2.K-2-ETS1-3. 分析测试两个旨在解决相同设计问题的物体的数据，以比较每个物体的优缺点。*澄清说明：数据可以包括观察结果，并且可以是定量或定性的。示例包括不同物体如何隔热冷水或不同类型的购物袋的表现。

英语

W-2.2. 撰写信息性/解释性文本，引入一个主题，使用事实和定义来展开观点，并提供一个结论性陈述或部分。

教学实施过程中的困难与建议

一线教师在按照《调查材料特性》这份设计稿进行教学时，尽管设计稿本身非常优秀，但由于其高度依赖动手探究和学生活动，在实际操作中可能会遇到以下几个关键的困难。

可能遇到的困难及实施建议

困难一：课堂管理与组织

• 问题描述： 尤其是第3课的“调查站”轮换活动，涉及到多个小组同时操作不同的材料和工具。对于二年级的学生来说，这极易演变为混乱的“自由玩耍”，而非有组织的科学探究。教师需要同时关注多个小组的进度、安全和纪律，管理难度极大。
• 实施建议：建立清晰的结构化流程
  • 具体做法： 在活动开始前，与学生共同制定并演练清晰的规则。例如：使用计时器明确每个站点的停留时间；设定一个安静的信号（如铃声）用于提醒轮换；为每个小组的成员分配具体角色（如“材料管理员”、“记录员”、“发言人”），让每个学生都有明确的职责。
  • 理论与研究基础： 该建议基于协作学习理论 和 行为主义管理策略。研究表明，结构化的协作（即有明确的角色和规则）远比非结构化的协作更有效。为学生提供清晰的行为预期和即时反馈，能够显著减少混乱，将学生的注意力集中在学习任务本身。
  • 参考文献：
    • Johnson, D. W., & Johnson, R. T. (2009). An Educational Psychology Success Story: Social Interdependence Theory and Cooperative Learning. Educational Researcher, 38(5), 365–379.
    • Kounin, J. S. (1970). Discipline and group management in classrooms. Holt, Rinehart & Winston.

困难二：引导深度的科学讨论

• 问题描述： 设计稿要求进行大量的小组和大组讨论。然而，引导二年级学生进行有意义的科学对话非常具有挑战性。讨论可能停留在表面，学生可能只会说“这个硬，那个软”，却无法深入解释他们的观察和思考过程，也难以在同伴的观点之上构建自己的理解。
• 实施建议：使用“学术性谈话”工具
  • 具体做法： 教师可以引入并示范一些简单的“谈话模板”（Talk Moves）。例如，在教室里张贴海报，鼓励学生使用这样的句式：“我同意/不同意...的观点，因为我观察到...”；“你能再说一遍你的意思吗？”；“是什么让你那样想的？” 教师在讨论中要刻意使用这些模板，并鼓励学生效仿。
  • 理论与研究基础： 该建议基于社会文化学习理论。维果茨基（Vygotsky）认为，语言是思维发展的重要工具，高层次的思维能力是在社会互动中通过语言内化而来的。“学术性谈话”框架正是一种脚手架，它为学生提供了参与严谨科学对话的工具，帮助他们将零散的想法组织成有逻辑的论证。
  • 参考文献：
    • Resnick, L. B., Michaels, S., & O'Connor, C. (2010). How (well-structured) talk builds the mind. In D. Preiss & R. Sternberg (Eds.), Innovations in educational psychology: Perspectives on learning, teaching, and human development (pp. 163-194). Springer Publishing Company.

困难三：处理学生的前概念和错误概念

• 问题描述： 设计稿中已预见到学生可能存在的误解，例如将物体的“大小/形状”与材料的“属性”相混淆。在实际教学中，这些顽固的错误概念很难仅通过一次活动就纠正过来。教师需要有效的方法来识别并应对这些问题。
• 实施建议：采用“激活-冲突-解决”的教学序列
  • 具体做法：
    • 激活 (Activate): 在课程开始时，通过提问（如“你们认为让一个东西变得坚固的特性是什么？”）让学生充分暴露他们的初始想法。
    • 冲突 (Conflict): 设计一个能产生“认知冲突”的活动。例如，给学生两个大小形状完全不同，但都是由钢铁制成的物体，再给他们一个大小形状与其中一个钢铁物体相似，但由塑料制成的物体。让他们去测试硬度，他们会发现，尽管形状不同，但同种材料的硬度相似，而形状相似、材料不同的物体硬度却差异巨大。
    • 解决 (Resolve): 在认知冲突之后，立即组织讨论，帮助学生清晰地辨析“物体”和“材料”的区别，并构建起科学的概念。
  • 理论与研究基础： 该建议基于概念变化理论。该理论认为，有意义的学习通常发生在学习者认识到自己原有概念的不足，并发现新概念能更好地解释现象时。简单地告知正确答案效果甚微，而创造认知冲突是促进概念转变的关键。
  • 参考文献：
    • Posner, G. J., Strike, K. A., Hewson, P. W., & Gertzog, W. A. (1982). Accommodation of a scientific conception: Toward a theory of conceptual change. Science Education, 66(2), 211-227.

教学实施中的5个关键问题与建议

一线教师在实施《调查材料特性》单元时，应不断反思以下5个关键问题，以确保教学的深度和有效性。

关键问题一：如何确保学生的“动手”真正转化为“动脑”？

• 问题阐述： 探究活动很容易变成学生单纯的感官体验，而缺乏深层次的思考。教师需要思考如何设计教学环节，引导学生从操作中提炼出科学概念和思维模式。
• 建议： 强调**“预测-观察-解释”（POE）的探究循环。在每个测试活动前，要求学生先在科学笔记本上写下或画出他们的预测**（Prediction）以及理由。在活动中，他们要仔细观察并记录下发生了什么。活动结束后，必须有一个环节让他们对比预测与观察结果，并尝试解释（Explanation）其中的异同。
• 理论与研究基础： POE策略是建构主义学习理论 的一个经典应用。它迫使学生在探究前激活已有的知识图式，并在探究后根据新的证据对原有图式进行审视和重构。这个过程使得动手操作服务于认知建构，从而实现“动脑”。
• 参考文献：
  • White, R., & Gunstone, R. (1992). Probing understanding. Falmer Press.

关键问题二：我如何将“结构与功能”这一重要的横贯性概念（CCC）显性化？

• 问题阐述： 这是本单元的核心思想，但设计稿中并未明确提出。如果教师不能有意识地将这个概念贯穿始终，学生可能会学到零散的属性知识，但无法建立起关键的科学思维。
• 建议： 将“结构与功能”作为口头禅和分析工具。在每一次讨论中都反复使用这个词对。例如：“我们看到海绵的结构是有很多小孔，这个结构决定了它有什么功能？（吸水）”“我们想要一个能防水的工具，那我们应该寻找具有什么样结构的材料？” 始终将讨论引向“结构决定功能”这一核心关系上。
• 理论与研究基础： 该建议强调了横贯性概念（Crosscutting Concepts）在NGSS框架中的重要性。CCCs是帮助学生组织零散知识、在不同学科领域之间建立联系的思维工具。有意识地、反复地使用这些概念，可以帮助学生构建更强大、更灵活的知识体系。
• 参考文献：
  • National Research Council. (2012). A framework for K-12 science education: Practices, crosscutting concepts, and core ideas. The National Academies Press.

关键问题三：在快节奏的活动中，我如何进行有效的形成性评估？

• 问题阐述： 当学生在不同站点间轮换时，教师很难全面了解每个学生的真实理解水平。如何快速、准确地捕捉评估信息，并据此调整教学，是一个巨大的挑战。
• 建议： 采用**“有焦点的观察”和“随堂测验” (Exit Ticket)** 策略。在每个站点活动开始前，教师为自己设定一个明确的观察焦点，例如：“在硬度测试站，我今天只关注学生是否能正确执行划痕测试，以及他们如何描述‘硬’”。在一天活动结束时，使用“出口票”，让每个学生完成一个简单的任务，如“今天你发现的最令人惊讶的材料特性是什么？为什么？”这能为教师提供关于全班理解情况的快速快照。
• 理论与研究基础： 该建议基于形成性评估 的核心理念，即评估是为了改进教学和促进学习。有效的形成性评估需要教师有目的、有计划地收集学生学习的证据。焦点观察和出口票都是被证实能够高效收集此类证据的实用工具。
• 参考文献：
  • Black, P., & Wiliam, D. (2009). Developing the theory of formative assessment. Educational Assessment, Evaluation and Accountability, 21(1), 5-31.

关键问题四：我如何帮助学生建立“公平测试”的初步概念？

• 问题阐述： 设计稿中提到了测试一致性的重要性，但二年级学生很难自发地理解和执行“控制变量”的原则。他们可能会用不同的力气去弯折材料，或者用不同体积的水去测试吸水性，从而得出错误的结论。
• 建议： 将“公平测试”这个抽象概念故事化和角色化。教师可以引入一个“科学法官”的角色，并提出问题：“如果我们是法官，要判断哪个材料最强壮，我们的比赛必须是公平的。怎样才算公平？”引导学生讨论出“每次都用同样的东西去测试”、“每次都用同样的方法”等规则。在测试时，不断地以“法官”的身份提问：“这样做对所有材料都公平吗？”
• 理论与研究基础： 该建议基于儿童认知发展理论，特别是皮亚杰（Piaget）关于前运算和具体运算阶段儿童的思维特点。对于低龄儿童，将抽象规则（控制变量）转化为具体的、与社会经验（公平）相关的叙事和角色扮演，可以极大地帮助他们理解和内化这些科学探究的基本原则。
• 参考文献：
  • Kuhn, D. (2002). What is scientific thinking and how does it develop? In U. Goswami (Ed.), Blackwell handbook of childhood cognitive development (pp. 371-393). Blackwell Publishing.

关键问题五：如何让最终的CEPA项目成为一个真正的“评估”，而不仅仅是“活动”？

• 问题阐述： CEPA项目是本单元的亮点，但也存在风险，即学生可能仅仅把它当作一个手工制作活动，而忽略了其中蕴含的科学论证和设计思维。
• 建议： 强化CEPA项目中的“论证” 和 “反思” 环节。在学生展示他们的工具时，重点提问：“你为什么选择这种材料而不是那种？请用你在第3课测试中的证据来支持你的选择。” 在所有小组展示后，引导他们完成“小组工具比较表”（第52页）和“最终反思”（第51页），要求他们书面说明“你会选择哪种工具来移动建筑工地上的物品？为什么？”
• 理论与研究基础： 该建议基于科学论证 和 真实性评估 的理念。真实性评估的核心不仅在于任务情境的真实，更在于它能评估学生的高阶思维能力。通过强调基于证据的论证，教师将评估的重心从“做了什么”转向了“如何思考”和“为何如此设计”，从而使CEPA成为一个真正有深度的评估工具。
• 参考文献：
  • McNeill, K. L., & Krajcik, J. (2011). Supporting grade 5-8 students in constructing explanations in science: The claim, evidence, and reasoning framework for talk and writing. Pearson.

学生学习建议

当学生学习《调查材料特性》这个单元时，会像真正的科学家和工程师一样去探究和创造。下面是一些建议，可以帮助你们更好地学习，并攻克一些可能遇到的难点。

关键内容一：分清“物体”和“材料”

• 可能会遇到的困难： 你可能会觉得一个“铅笔”和一个“木头”是差不多的东西，但科学家会把它们分得很清楚。铅笔是一个物体，而木头是制造它的材料。搞清楚这个区别是本单元的第一步。
• 给你的学习建议：成为一名“材料侦探”！
  • 具体做法： 拿到任何一个东西，都问自己两个问题：“它是什么（物体）？”和“它是由什么做的（材料）？” 比如，看到一把椅子，你会说：“这是一个物体叫椅子，它是由材料木头和金属做的。” 并且，试着在教室里找一找，还有哪些不同的物体也是由木头这种材料做的？这会帮助你的大脑建立起“材料”这个“大家族”的概念。
  • 理论与研究基础： 这个建议利用了分类 和 多重范例 的学习原理。通过提供同一材料的多种物体范例（木制椅子、木制铅笔、木制积木），可以帮助儿童大脑形成关于“木头”这个材料的更抽象、更稳定的概念，从而将其与具体的“物体”区分开来。
  • 参考文献：
    • Vygotsky, L. S. (1986). Thought and language. MIT Press. (Discusses how concepts are formed through categorization and generalization).

关键内容二：用“证据”来说话，而不仅仅是“感觉”

• 可能会遇到的困难： 当被问到为什么你认为纸袋不如塑料袋结实时，你可能会说：“我感觉纸袋容易破。” 这是一个好的开始，但科学家和工程师需要用证据来让别人信服。
• 给你的学习建议：使用你的“证据魔法句”！
  • 具体做法： 在你的科学笔记本里，或者和同学讨论时，试着使用这个神奇的句子：“我认为……，因为我观察到（或者我的测试表明）……”。例如，不说“我感觉纸袋不结实”，而是说：“我认为塑料袋比纸袋更结实，因为在我们的测试中，塑料袋装了5本书才破，而纸袋只装了2本。” 你的科学笔记本就是你的“证据之书”，随时准备翻开它来支持你的想法！
  • 理论与研究基础： 这个建议是科学论证 的简化版入门训练。著名的“主张-证据-推理”（Claim-Evidence-Reasoning, CER）框架是科学家思考和交流的方式。这个“魔法句”将“主张”（我认为）和“证据”（我观察到）直接联系起来，是培养学生基于证据进行思考和表达的关键第一步。
  • 参考文献：
    • Zembal-Saul, C. (2009). Learning to teach elementary school science as argument. Science and Children, 47(1), 52-54.

关键内容三：进行“公平的测试”

• 可能会遇到的困难： 在测试哪种材料更吸水时，你可能会给海绵滴很多水，却只给纸巾滴一点点水，这样得出的结论就是不准确的。如何保证你的测试是公平的，对每一种材料都“一视同仁”，这是一个挑战。
• 给你的学习建议：扮演“科学比赛的裁判”！
  • 具体做法： 在开始测试前，和你的小组讨论一下：“要让这场比赛变得公平，我们的规则应该是什么？” 比如，在测试强度时，规则就是“每次都用完全一样的书，一本一本地加进去”。在测试时，你要像个严格的裁判一样，确保每一步都严格遵守规则。如果发现有人的操作“犯规”了，要及时指出来。
  • 理论与研究基础： 这个建议旨在帮助学生内化控制变量 这一科学探究的核心思想。研究表明，儿童并非不能理解“公平性”的原则，关键在于如何将科学探究中的“控制变量”与他们生活中已有的“公平”概念联系起来。通过角色扮演和规则制定，学生能更主动、更有意义地去实践这一重要的科学方法。
  • 参考文献：
    • Chen, Z., & Klahr, D. (1999). All other things being equal: Acquisition and transfer of the control of variables strategy. Child Development, 70(5), 1098-1120.