摘 要 如何设计馆校结合特色课程是馆校结合科学教育的重要主题之一。“科学笔记本”课程是美国加州科学院最具特色的馆校结合系列课程，该课程基于美国《新一代科学教育标准》开发和设计流程，适用于K-12年级学生，课程内容包括设计专属的笔记本、训练科学素描技巧、学习做笔记的策略等，引导学生通过科学制图寻找原因，基于焦点问题调查探究并反思科学，致力于开发科学笔记本作为培养科学思维的辅助型学习工具。
关键词 馆校结合 科学教育 科学笔记本 科学课程
加州科学院是位于美国加利福尼亚州旧金山的科学研究和教育机构，同时也是世界上最大、最具有创新性和最环保的自然历史博物馆之一。基于美国《新一代科学教育标准》（Next Generation Science Standard, 简称NGSS），加州科学院设计开发了一系列馆校结合的科学课程[1]，包括理解跨学科概念的课程，理解学科概念的教育视频，以及远程课程计划等，其中最具特色的是“科学笔记本” 系列课程，针对K-12年级学生，旨在帮助学生理解课堂内容、激发学生对科学学习的兴趣、培养学生的批判性思维，同时帮助学生了解科学家如何使用笔记本，并学习制作自己的笔记本，该系列课程致力于开发笔记本作为培养科学思维的辅助型学习工具。这为国内科普场馆开发本土特色馆校结合科学课程提供参考和借鉴。
1 加州科学院“科学笔记本”课程内容分析
1.1 设计专属的科学笔记本
“科学笔记本”系列课程的开发设计，引导学生熟悉科学笔记本的使用目的、要求，同时了解现实中科学家的工作。开发设计环节主要通过三个活动来帮助学生了解和熟悉笔记本的价值和用途。
（1）设计科学笔记本的封面
对于学生而言，可以从装饰属于自己的独一无二的科学笔记本入手，设计出自己的专属笔记本，能够激发学生的主人公意识，提高学生对做笔记的兴趣，引导学生将科学笔记本当成自己的“小故事集”，并开始熟悉和使用科学笔记本。教师可以提前准备空白科学笔记本、彩色铅笔、可选的装饰品、标签、胶水等简易材料，鼓励学生发挥创造性和主动性，以自己喜欢的方式装饰科学笔记本。在此过程中需要注意的是，教师不应该将关注点放在笔记本是否美观、是否格式工整上面，而是应该关注学生自己的感受，倾听他们设计笔记本的思路和想法，允许“独特”的存在。
学习观察他人的笔记本是该课程非常重要的一个环节。通过引导学生仔细阅读许多不同科学家笔记本中的内容，观察了解科学家在科学探索和研究过程中是如何记录科学笔记，找寻科学家记录他们想法的策略。示例案例的作者来源可以是科学家、科学教师、生物学教授等。在观察的过程中，学生思考焦点问题：科学家如何使用科学笔记本？笔记内容有什么共同特征？在总结之后，学生选择希望纳入自己科学笔记本的内容和形式。通过此活动，学生不仅学习到科学笔记本中需要有哪些内容，例如标题、时间、图示、疑问、特征点、思考等，并且能以最直观的方式告诉学生，科学笔记本没有统一的格式和标准，不必拘泥于某中特定的格式。
（3）绘制科学家活动[2]
在绘制科学家活动环节中，科学教师引入问题：你认为科学家是做什么的？并邀请学生画出“我心目中的科学家”，给与学生充足的时间进行绘画，当绘画完成后，请学生在班级中四处走动，观察其他同学心目中科学家的形象，并思考：同学们画的科学家有什么共同特点？缺少了什么？学生以小组的形式进行讨论和分享。通过绘制科学家的活动，学生能根据自己的经验表达对科学家的认识和科学家的工作的看法。了解有关“科学家是谁”和“谁可以成为科学家”的不同观点。通过绘制科学家的活动，学生能根据自己的经验表达对科学家的认识和科学家的工作的看法，了解有关“科学家是谁”和“谁可以成为科学家”的不同观点，打破原始的对科学家身份和形象的刻板印象。学生对科学家的长相以及他们如何从事科学的看法，往往是狭隘和排他的，这也反映了几十年来美国社会对科学和科学家的刻板印象。刻板科学家的特征包括白人、男性、在实验室独立工作，并且通常使用烧杯、试管等器皿[3]。不幸的是，坚持这些科学家以这种方式从事科学工作的形象会使学生难以将自己视为科学家，并使他们将科学与日常生活分开。
素描能为学生创造空间来描述他们的观察、问题和解释，有助于引导学生有针对性地观察与主题相关的事物，而学生的想法能通过素描技巧在纸上呈现的更加丰富和饱满。无论是大人还是孩子，都容易会把素描和画一幅漂亮的画联系在一起。这种联想会限制学生对问题的表达，尤其是当学生觉得自己不擅长画画的时候。科学家画草图是为了记录和交流信息，而不是为了创作艺术。除了图纸，科学草图通常还包括标签和图表、问题和解释。科学教师要善于引导学生，只需要花时间，仔细观察，并记录所看到的。然而，科学教师需要强调的一点是，记录所看到的和在脑海中画出所看到的画面是不同的，当学生开始描绘一件真实的东西时，重要的是要把注意力集中在面前的单个标本上，而不是脑海中泛化的图像。
教师选择一个物品作为素描样本，引导学生在白纸上画出物品的轮廓，在此活动进行前，教师给学生提出要求，绘图的过程中不要低头看画纸，在结束绘画前也不要将铅笔从图纸上拿走。轮廓盲画的活动目的在于引导学生画出实际看到的，而非想象中的物品，告诉学生科学素描的目的不是为了画出漂亮的图画，而是研究真实的观察对象，对观察对象进行详细且真实的描绘。
将素描样本分解成基本形状，例如椭圆、矩形、三角形，鼓励学生看物体，然后模糊他们的视线，突出素描样本的基本形状。学生学习拆解素描样本，再借用简单的图形组合成基本的物品形状，引导学生关注形状而非绘画细节或轮廓。形状分解的目的是为了使绘制图形变得更容易，增强学生的自信心，与此同时，形状拆解的方法也能加快学生的绘画速度，缩短课堂中绘画的时间。
当科学家在自然界中研究动物时，尤其是在观察动物活动的过程中，通常只有几秒钟瞥一眼。因此，科学家们必须学习如何进行快速观察，然后凭记忆画出草图。在此活动中，科学教师在课堂上展示三张目标图片，每张图片单独出现五秒钟，一共仅显示15秒的图片，当图片消失后，让学生进行快速素描，引导学生将绘画重心放在基本形状、形式和周围的标志事物上。此练习的目的在于训练学生捕捉瞬间信息的能力，提高学生思维的敏捷度。
1.3 学习高效笔记整理方法
“科学笔记本”课程教授学生高效的做笔记策略。引导学生了解到做科学笔记的关键在于，如何从绘制概念图到解开复杂的词汇的过程中表达自己的想法，而不是机械地抄写知识点。做笔记策略总共分为三部分的内容，即记录策略、调查策略和反思策略。
记录策略主要通过介绍一些常见的做科学笔记的框架图，帮助学生梳理在调查、实验、观察过程中所记录的数据，产生的想法。记录策略能引导学生更加规范地使用科学笔记本，避免学生将科学笔记本当成普通的“绘画书”或“日记本”。常见的做笔记的图示包括比较法、词汇策略、科学制图、搭建线路图、头脑风暴法、主动阅读策略等形式。这些记录形式不管是在课堂还是在室外开展活动和记录观察时，操作性和可行性较强，学生较容易理解。
在科学探究活动中，调查策略显得尤为重要，包括规划调查、以焦点问题为框架、收集分析数据、构建解释、学会分享。当许多教师想到科学调查时，他们会想到实验室报告或科学方法，这也是学生为完成作业而坚持的一组严格步骤。事实上，真正的科学家们会跟随问题和好奇心，通常不会遵循这样的规定路径，这可能会引发科学家们进一度深入阅读、研究或实验，这也可能会导致他们提出更多问题。“科学笔记本”课程可以反映真正的科学家的工作，帮助学生了解科学笔记本如何支持计划和进行动手调查，从收集数据到构建解释，如何通过科学笔记本激发和加深思考。值得注意的是，该课程帮助学生了解到，科学笔记本既强调个人想法和思路的记录，也强调在整个过程中与他人之间的交流、分享和互动，具有很强的包容性、共享性、开放性。
反思策略通常出现在整个调查任务中或结束后，让学生反思到自己学习的知识的正确性。科学笔记本则为学生提供了一个安全的空间来反思他们作为科学家或团队成员的工作。学生在反思的过程中，了解到不论是科学家还是老师、同学都可能会犯错，学习到错误的知识，但这是不可避免的一件事，学生要学会直面错误，敢于质询。与此同时，反思的过程告诉学生，科学家获得成就的过程也是一个漫长而不断试错的过程，只有坚定不放弃才可以获得成功，因此也有助于培养学生坚持不懈的精神。例如，可以灵活运用“321”反思策略，“我从这节课学到了3个知识，我有2个问题，我还想知道1件事。”类似的反思策略可以帮助学生了解他们在科学课后学到了什么知识，并有机会修改自己最初的想法。或者，陈述在某一节科学课程结束后使用句子表达：“我学到了什么？我还想知道什么？我有什么疑问？”让学生通过文字把口头语言和内心想法进行转述，在帮助学生理清思路的同时，也是在提高学生的表达能力。
2. “科学笔记本”课程设计特点分析
2.1 通过科学制图寻找原因
科学制图法是指以“溯源”的方式去推导某个现象发生的原因，可以根据课程要求进行正向推导和逆向推导，这一过程的精细步骤有很多，需要耐心讲解，带领学生进行详细推导，剖析事物深层的联系。科学制图可以帮助学生将抽象概念变得生动，例如岩石循环或复杂的食物网。科学制图还可以帮助学生命名系统的各个部分及其相互作用，例如人体消化系统的不同部分，或者电力如何从发电厂到家中的插座。这些过程在纸张上的呈现可以帮助学生表达他们的想法，并使难以观察的现象变得有意义。在此过程中，学生尝试用箭头、图片、色彩来描述和解释某个现象，科学制图可以作为预先作业完成，及时了解学生的知识基础。此方法也可以在单元进行的中间进行，在介绍了一些内容之后进行，或者可以在单元结束时作为评估来完成，以把握学生的学习情况。
2.2 基于焦点问题调查探究
寻找焦点问题是“科学笔记本”课程笔记策略的核心步骤。焦点问题描述了学生想要弄清楚的内容。科学调查可以为科学课堂提供非常不同的东西，这取决于集中注意力的问题。对于学生而言，了解什么是好的焦点问题是非常重要的，需要思考：（1）在制定焦点问题时，需要注意什么？；（2）在参与学习活动时，希望他们想到什么问题？；（3）什么问题会鼓励学生对这些概念感到好奇？什么问题会导致期望的理解？；（4）焦点问题是否鼓励在正确答案之上进行推理？（5）能否就这个问题进行激烈的讨论？；（6）是否允许与先前的知识和/或课程建立联系？；（7）是否促进探究并激发思考？。调查策略的使用对于学生学习科学知识起到重要作用，能培养学生善于从不同的角度发现和分析问题，追求真理，学会主动思考和提问，促进学生批判性思维的形成。在调查的过程中，学生能了解什么问题才是有意义的，并根据要求制定调查计划，明晰调查过程中收集数据的流程和顺序，这会助推学生养成独立思考问题的习惯。
2.3 反思科学
“科学笔记本”课程引导学生反思科学的领域、反思科学家形象以及职业，扩展他们对谁可以成为科学家的概念，并帮助学生想象自己扮演的科学家角色。这有助于学生理解科学，并为公众理解科学以及参与科学打下基础。首先，反思科学的领域，将科学学习与学生自己的兴趣和经验联系起来。例如，如果学生在学校花园里完成了一个植物单元的学习，他们可以通过写作提示进行反思，“我想从事植物学的职业吗？”在不同的课程中找到学生的兴趣所在。其次，反思科学家的形象，与“绘制科学家”的活动类似，只不过实现的时间有所差异。在科学笔记本的设置初始，学生已经画出他们认为科学家的形象。因此，学生可以通过查看“绘制科学家清单”来评估他们最初的想法，其中包含一些他们可能没有考虑过的科学家的描述。反思科学的身份一般用于课程结束之时，来帮助学生修正和扩展他们对谁可以成为科学家的概念理解。
3. 科学笔记本的功能与应用分析
科学笔记本是针对学生科学学习的一种辅助型教学工具，由自然笔记衍生和发展而来，20世纪初，美国加州大学伯克利分校的约瑟夫·格林内尔（Joseph Grinnell）设计了一套科学调查记录方法，名为格林内尔法（Grinnell System），这种科学调查方法能够提高科学家在日常工作中的效率，并且能保证数据的真实性和准确性，这套调查方法要求每次的笔记都要记录具体时间、日期、位置、前往路线、天气和环境，以及观察到的物种、动物行为等其它现象[4]。随后，格林内尔法的广泛使用和传播，奠定了自然笔记的前身。 2001年，谢弗尔森（Shavelson）将科学笔记本定义为记录学生某段时期内的学习经历的汇编，通过写作的形式，学生在进行调查时展现了真正的科学思维[5]。巴克斯特和格拉泽（Baxter&Glaser）等人认为科学笔记写作是记录观察、概括、假设和理论化的重要工作，使用科学笔记本可以鼓励和表现出学生探究和发展知识的本质。他们将笔记本的内容板块分为：单元介绍、组织调查、标题、日期、目的、流程、观察/结果、结论、单元总结、评估活动、科学教师反馈、学生自我反思和自我评价[6]。
3.1 科学笔记本的调查辅助功能
科学笔记本作为一种实验调查的辅助工具，能帮助学生以书面形式处理信息并记录调查。NGSS强调科学和工程实践的重要性，而非统一的科学方法[7]，NGSS实践包括调查工具、分析数据和制定解释，这些科学实践涉及调查过程及科学笔记本的使用。科学笔记本作为辅助调查的工具，在指引学生聚焦科学课堂中的焦点问题的同时，也将学生对知识和调查研究的理解程度及时反馈给科学教师。由于笔记本是课堂的嵌入式部分，因此它们是科学教师现成的数据来源，科学教师可以随时了解学生疑惑的信息，而无需额外的时间去设计测验来进行反馈[8] 。
3.2 科学笔记本的表达反思功能
科学笔记本是学生融合写作技能和科学过程技能的有效工具。科学笔记本促进学生的科学学习，并让学生有机会提高其写作水平。例如，当一群孩子第一次遇到蜗牛。“我看到它从壳里出来了！它的头可以伸多长？它头上有趣的的东西——那是它的眼睛吗？它的外壳周围卷曲——所有的蜗牛都有相同种类的外壳吗？”随着学生在笔记本上的写作和绘画，他们会与主题进行更深的互动，在学生绘制的观察图中，越来越多地使用细节，这表示学生思考的深度加强[9]。同时，使用科学笔记本的使用帮助学生回忆起正确的概念。对于学业成就较低的学生，写作是科学笔记使用过程中最困难的一部分，思考和组织文字过程让这些学生受益。这些学生必须组织他们学到的东西，并想出一种可行的办法将知识以绘画或文字等的形式在纸上展现，这些被加工过的信息更容易储存在学生的大脑中。
此外，使用科学笔记本能够培养学生的批判性思维。作为一种工具，科学笔记本允许学生写作、绘画和反思他们的思维过程，促进他们对科学概念的理解。小学科学课中的每一小节都有可能应用到科学笔记本，科学笔记本涉及一个完整且系统的学习过程，学生在使用科学笔记本学习时也记录了自己的想法或观点。当结束了整个单元的学习时，学生通过翻阅自己的科学笔记本能够分辨和判断自己原先的观点的正确性，以及在学习过程中自己遇到的问题是否得到了解决。
3.3 科学笔记本的评估功能
科学笔记本可以作为有效的形成性评估工具。形成性评估内容包括：（1）学生明白了什么？学生能用自己的文字和图片解释清楚什么内容？；（2）学生不明白什么？在学生的科学笔记本中是否出现错误的科学概念？；（3）学生对什么内容和话题感兴趣？这种好奇心可以在课堂上得到进一步的拓展和延伸吗？；（4）学生作业缺少什么内容？怎样才能帮助学生创建更全面和有用的框架？基于上述评估要点，教师可以在每次课程学习后挑选若干本科学笔记本进行分析，找出学生（不）理解的事情、好奇的问题、作业存在的缺陷，并且在科学课堂中进行适当选择来开展教学。
同时，科学笔记本可以帮助学生进行自我评估与同伴反馈评估。首先，在科学笔记本中，学生在感兴趣的页面和需要改进的页面贴上便利贴，并且在便利贴上解释，“我为什么对这一页感兴趣？”“可以如何改进？”“怎么才能让自己的笔记更加清晰、容易看懂呢？”这可以引发学生反思自己的笔记产生自我评估。其次，学生之间通过科学笔记本进行同伴反馈评估。例如，学生与他人分享自己的绘画，来自同伴的反馈可能会让学生感到启发，产生新的灵感。同伴反馈也是提高学生的合作和交流能力的有效策略。教师可以在学生完成一章完整的科学笔记后，在教室内划分出一个“笔记本走廊”，将所有学生的科学笔记本匿名排列。每个学生拿着笔和便签自由走动，检查、赏析其他同学的科学笔记本。教师可以提供一系列的评估问题，供学生进行相互评估及反馈。例如，当学生们在观看制定调查计划的页面时，科学教师可以引导学生提问：焦点问题是什么？调查步骤有没有不清楚的地方？在调查中首先应该做什么？学生根据科学教师的问题去思考其他同学的科学笔记，与此同时可以用便签写下对自己喜欢的科学笔记的赞美，贴在对应的笔记本上。
4. 结语
“科学笔记本”课程是美国加州科学院最具特色的馆校结合课程，基于NGSS开发设计课程体系和内容，通过帮助学生设计专属的笔记本、训练科学素描技巧、学习做笔记的策略，运用科学制图寻找原因，并基于焦点问题调查探究，充分发挥科学笔记本的调查辅助、表达反思与评估功能，成为培养学生科学思维的有效辅助学习工具，这为我国科普场馆开发设计馆校结合特色科学课程提供重要参考和借鉴价值，也进一步推动馆校结合科学教育高质量发展。
[1] California Academy of Sciences，https://www.calacademy.org/science-at-home
[2] Finson K D. Drawing a Scientist: What We Do and Do Not Know After Fifty Years of Drawings[J].School ence and Mathematics, 2010, 102(7).DOI:10.1111/j.1949-8594.20 02.tb18217.x.
[3] Barman, C. R. (1996). How do students really view science and scientists? Sci. Child. 34, 30–33.
[4] Herman S G, Grinnell J , Grinnell J .naturalist's field journal[J]. 1986.
[5] Ruiz-Primo, M., Li, M. & Shavelson, R. J., (2002). Looking into Students' Science Notebooks: What Do Teachers Do with Them? CSE Technical Report. Center for the Study of Evaluation, National Center for Research on Evaluation, Standards, and Student Testing, UCLA. (ED465806)
[6] Glaser, Robert.An Analysis of Notebook Writing in Elementary Science Classrooms. CSE Technical Report[J]. Elementary School Students, 2000:35.
[7] Sparks, B. M. (2016). The effect of inquiry with science notebooks on student engagement and achievement. (Doctoral dissertation). Retrieved from Montana State University.
[8] Aschbacher P , Alonzo A .Examining the Utility of Elementary Science Notebooks for Formative Assessment Purposes[J].Educational Assessment, 2006, 11(3):179-203.DOI:10.1080/10627197.2006.9652989.
[9] Gilbert, Joan, Kotelman, Marleen.Five Good Reasons to Use Science Notebooks[J]. Science & Children, 2005, 43:28-32.
作者简介：
刘益宇，华南师范大学科学技术与社会研究院副教授；研究方向为系统科学哲学与系统方法论，HPS与科学教育原理；E-mail: liuyiyu66@126.com；卢巧钰，华南师范大学科学技术与社会研究院科学与技术教育硕士；研究方向为HPS与科学教育原理；E-mail: 1141764477@qq.com
基金项目：
国家社会科学基金一般项目：社会生态系统的临界效应及方法论研究（19BZX042）；
广东省教育厅人文社科项目：可持续发展的临界动力学问题及其方法论研究（2018WTSCX018）。