通過閱讀本書，讀者不僅能在“教科學”方面獲得啟示，亦能對自己“學科學”有所裨益。知識整合取向的教學尊重、接納並充分利用學習者帶到科學課堂上的多種多樣的觀念，通過動手實驗、虛擬實驗、探究模擬以及同伴協作等豐富多彩的學習活動，幫助學習者在各種觀念的往復對質中發展出對科學概念的一致性理解，並由此培養終身學習力。知識整合取向的教學賦權給每一個人，讓我們能夠充分利用對於大自然天生的好奇心與求知欲，探索科學的奧秘。

人人都可以學科學。科學課程如何通過將科學主題與學習者的日常生活相聯繫來幫助他們改進對科學的理解？《學科學和教科學：利用技術促進知識整合》描述了科學學習與教學的知識整合取向，並與常規教學中的信息吸入取向進行了對比。
◆《學科學和教科學：利用技術促進知識整合》是知識整合教學模式研究領域所取得的大量成果的集大成之作；
◆《學科學和教科學：利用技術促進知識整合》論述並例示了知識整合取向在講授、實驗、動態交互可視化軟件、協作學習及教師專業發展中的運用及其優勢；
◆《學科學和教科學：利用技術促進知識整合》詮釋了學習者是如何學科學的，澄明了為什麼學習者的觀念對於教科學和學科學至關重要；
◆《學科學和教科學：利用技術促進知識整合》為教師描述了指導學生成為自主學習者的方法：
◆《學科學和教科學：利用技術促進知識整合》為課程研發者呈現了利用技術促進科學探究和達成科學理解的途徑。

馬西婭·C·林（Marcia C. Linn）：美國加州大學伯克利分校教育研究生院認知與發展心理學教授，專攻科學與信息技術教育研究。曾當選美國科學促進會（AAAS）教育分會主席、國際學習科學學會（ISLS）主席。她目前領銜由美國國家科學基金會（NSF）支持成立的美國技術支持的科學學習中心（TELS），並在美國多家教育及心理學領域的重要學術組織擔任要職（包括全美教育學會，美國國家科學促進學會、美國心理學會、美國心理科學協會、美國教育考試服務中心GRE委員會和美國高級行為科學研究中心等）。此外，她還是美國科學基金會人力資源與教育理事和麥克唐納教育認知研究基金委員會委員，曾獲富布賴特教授和Bellagio學術獎資助。Linn教授因其在科學學習與教學領域的傑出貢獻獲得多項嘉獎，包括全美科學教育研究會頒發的“科學教育終身傑出成就獎”、全美教育研究會（AERA）頒發的“Willystine Goodsell 獎”和美國科學學會理事會（CSS）頒發的“優秀教育研究總統獎”等。

巴特-舍瓦·艾倫（Bat-Sheva Eylon）：以色列魏茲曼科學研究所首席科學教學教授。因為在教育領域的傑出貢獻，2015年她榮獲“EMET藝術、科學和文化獎”，該獎及其百萬美金獎金隻授予那些“追求卓越，挖掘自身潛力，造福下一代”的個人。她曾被授予 Dewey Stone and Harry Levine職業發展主席席位。曾獲富布賴特教授和Bellagio學術獎資助，當選為美國科學促進會成員。她擔任Ilse Katz科學教學中心主任、Rothschild-Weizmann卓越科學教學計劃主任及物理專家組組長。此外，她還兼任國家物理教師中心學術顧問和科學教學部負責人。她的研究關注知識整合框架如何指導課程設計、教師專業發展和學生學習。

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中文版序 / 1
前言 / 11
致謝 / 19
第1章 引論與概覽 /
第2章 典型教學模式 /
第3章 用技術變革科學教學——熱力學案例研究 /
第4章 物質的粒子結構——案例研究 /
第5章 知識整合的原則與模式 /
第6章 講授法與技術 /
第7章 實驗教學與知識整合 /
第8章 創造可視化的價值 /
第9章 為知識整合而協作 /
第10章 促進知識整合的教師專業發展 /
第11章 知識整合的案例詳解 /
參考文獻 /
索引 /
譯者後記 /

人人都可以學科學。年幼的孩童探索諸如河流改道、建塔造橋之類的復雜任務。他們觀察並預言貓和蝴蝶的行為；他們搜集和整理樹枝、石頭和貝殼；他們驗證自己的想法，比如怎樣使醋和蘇打粉達到最佳混合便可把塑料容器的蓋子頂開、吹掉；他們也會比較諸如將球投進籃中或者讓自己站在平衡木上保持平衡的各種技巧。當學生詢問為什麼某個話題是重要的，或者抱怨他們永遠都不會在生活中運用所學的時候，科學教師應該注意去關注上面所談到的這些天生的好奇。兒童渴望探明世界的意義。科學課程可以把科學與學生的日常生活建立關聯，並藉此使兒童的這份熱情得以利用和蓄積。
證據表明兒童在努力理解科學現像，他們會發展出直覺觀念，用之解釋自然界。憑借在教室裡對金屬物體的觸覺，很多兒童認為金屬天然是冷的——因此金屬可以用來冷藏野餐需要的東西。還有的兒童把雙胞胎解釋為長得很像的孩子。歷史上人們曾經認為地球是扁平的並且太陽是圍繞地球旋轉的。這些觀點均源自對自然界合法的觀察。學生可以通過質問觀點產生的境脈或者使用更為復雜的工具來完善他們的觀念。這種形成直覺並通過搜集證據來完善它們的過程對於理解科學來說是必要的——並且人人都是這樣做的。科學課程可以利用這種推理過程來幫助學習者改進他們對於教學主題的理解。
在本書中，我們描述了科學學習與教學的知識整合取向，並與典型的知識吸入取向進行對比。這本書是專為在職教師以及職前教師學習科學教學方法而設計的，也是為課程設計者、軟件設計者、研究小組、學習科學家、教學評價者，以及那些想要成為終身科學學習者的個人而寫的。x分別來自美國和以色列的二位作者，嘗試在一個廣闊的語境中呈現該領域的最新進展。
讀者可以從本書中找到用於提升科學教學水平的方法，這些方法同樣也適用於促進他們自己的科學學習。我們的目標是使每個人都具備利用他們對於世界的天生好奇心來探索科學奧秘的能力。
知識整合取向利用了每個人試圖理解與個體相關的科學困惑的渴望，比如，如何做出節能選擇，如何解讀那些聽起來很有說服力的關乎健康決策的信息，或者如何研究那些有關自己醫保問題的其他方法。這一取向利用了人人都具有的搜集和解釋有關科學現像的證據的能力。知識整合教學的目標在於提升科學理解的一致性和準確性。
知識整合取向是如何發揮作用的
為了展現知識整合的過程，我們首先研究一個很多學生都持有的觀點——金屬天然是冷的。走向一致性理解的第一步是析出學生所持有的觀念。這些觀念即是需要被整合的觀念。

我們在本書中每隔一定篇幅插入一些楷體字的問題來讓讀者思考。這些問題是特意用來幫助讀者投入到觀念整合中去的。
花幾分鐘時間來思考一下一般意義上的熱和溫度的概念，同時特別考慮一下金屬的溫度問題。把你的想法簡要地寫下來。熱和溫度是一回事嗎？它們有區別嗎？你能否舉出一些可以幫助你回答上述問題的例子？
當學生探索自然世界的時候他們會產生很多有關科學的想法。對於任何科學問題，學習者都具有多種觀念。他們也許會認為熱和溫度是一回事——因為這兩個詞在很多句子裡可以互換使用；他們也許會認為熱和溫度是不同的，並解釋說當你生病時你會發熱並且用溫度計來測量這個熱的程度。所有這些觀點或想法，都來自我們所指稱的“觀念庫”（a repertoire of ideas）。
知識整合正是建立在這個由學習者發展出來的用於解釋他們所觀察到的事物的“觀念庫”之上的，這種取向充分利用學生們所持有的各種各樣的觀念。通常，反映獨特文化或個人經驗的觀念能夠幫助其他學生思考某個話題。例如，具備野外生存經驗的學生會描述他們所學來的用於防治凍傷的方法；有的學生會演示用於食物保溫的家庭烹飪經驗。科學教學的知識整合取向尊重學生們帶到科學課堂中的所有觀念，同時，激勵每一位學生切實地分析他們所觀察到的和所經歷過的事物的意義。
xi當所有學生都基於他們自己的想法去做時，他們就能夠發展出自己作為科學學習者的身份。通過保障學生已經建立起的觀念和科學課堂上所展現的新觀念之間的連續性，知識整合強化了學生對於其科學學習能力的自信。為了提升這種連續性，基於知識整合的教學為學生補充新觀念並鼓勵他們將這些新觀念與他們的已有觀念相整合。

思考一下學生認為“金屬天然是冷的”這個例子。教師會如何幫助學生去理解他們所感受到的“金屬是冷的”這一經驗？教師會進行一次授課？會做實驗？還是會給學生一個觀點讓其去探究？
設計這些用於加入到學生“觀念庫”裡的觀念是一件復雜的事情。如果新增觀念是令人困惑的或者晦澀的，那麼這些觀念要麼被忽略，要麼被學生死記硬背下來以應付考試。這樣的觀念不會成為對科學問題的一致性理解的一部分。教學人員添加的觀念必須能夠讓學生將之與自己的想法建立關聯。最終，學生需要在新增觀念與其自己的觀念之間進行辨別。
這些能夠幫助學生搞清楚自己各種觀念含義的新增觀念，經常來自於對學生潛在觀念的測試或者對優秀教師的觀察。在本書中，我們將報告我們檢測這些觀念的方式，通過這些方式我們來判斷哪些觀念能夠真正地幫助學生建立起更加一致性的科學觀念。
例如，對於那些持有“金屬天然是冷的”觀念的學生，我們請他們想一想他們對於大熱天海灘上的金屬的感覺或者是夏天坐在操場滑梯上的感覺。通過給出在這樣一些環境中金屬摸起來的確很熱的觀點，往往可以幫助學生們改善他們關於“金屬天然是冷的”的觀念。例如，他們會注意到，金屬在有些情況下摸上去冷得驚人，而另一些情況下則相當熱。這樣的想法會激發學生去探究為什麼金屬摸上去的感覺與其他物質不同。
進一步擴展這個例子，教師通常會發現他們可以成功地鼓勵學生去對比在炎熱天氣下和在一個涼爽的屋子裡觸摸金屬和木頭的不同感覺；學生們也可以通過用溫度計去測量同一房間中不同物體的溫度來檢驗自己的想法；比較其他不同觀點能夠激勵學生重新解釋其關於“金屬摸起來是冷的”的體驗，這種方法具有幫助學生將他們關於熱和溫度的一些觀念結合起來的潛力。

在很多課堂中，教師不是引入一個關於金屬和木頭在大熱天的操場上和教室裡給人不同感覺的例子，而是講授熱平衡理論。辨別一下這兩種方式。它們之間有什麼不同？采用講授法的教師是如何看待學生的？讓學生去探究新觀點含義的教師又是如何看待學生的？
幫助學生辨分他們關於科學的觀念需要為其添加新觀念，但這僅僅是個開始。學生需要在新觀念、自己的想法，或許還有他們遇到的其他想法之間做出辨別。為了做出明智的選擇，他們需要科學的證據。在金屬和木頭的案例中，學生們可能會通過可視化研究熱量在不同材料中的傳導速率。xii他們也可能會通過實驗來測量摸起來冷熱不同的物體的溫度。

反思一下知識整合的過程。你如何辨分你原有的想法以及那些通過閱讀本文而新增的觀念？學生們如何辨分各種觀念？你怎樣纔能知道這些觀念已經變得更加一致？
當學生通過收集證據來理解他們“觀念庫”中的想法以及辨分新增觀念時，他們就在各種觀念之間建立起了聯繫和連接。為了整合這些觀念，學生需要反思他們的經驗並進行綜合推理。他們可能會寫一篇條理分明的論文，制作一張解釋現像的海報，或者寫一封有說服力的信給那些認為“金屬天然是冷的”的人。
知識整合的評價抓住了這一過程。評價中會問學生這樣的問題，熱和溫度的區別是什麼？這需要學生給出證據來支持自己的回答。若學生在知識整合的評價中獲得高分，表明其能夠用證據來支持自己觀念之間的聯繫並且能夠表達一致性的觀點。
知識吸入取向是如何發揮作用的
本書對科學學習的知識整合取向和吸入取向進行了比較。很多科學教學過程不是建立在學習者的好奇心和直覺觀念之上，而是包含閱讀教科書、聽講以及按照一繫列指導步驟進行探究等。這些活動的依據是認為學生可以吸納所傳授的信息。這一觀點“短路”了知識整合過程。
在本書中，我們將展現吸入取向的這一情形，即很多教學設計者積極擁護吸入取向是因為一個看似有理的直覺：科學家們花了幾百年的時間建立起今天的知識體繫，所以他們（教學設計者）應該加快這一過程。本書將給出證據來說明吸入取向遍及教科書設計、授課、實驗、可視化材料以及合作學習；本書認為這套方法基本上是失敗的，學生從為傳遞信息而設計的材料中幾乎學不到什麼。
當吸入取向失敗時，教學設計者通常會假設學生需要更強的學習動機。這導致教學設計者會增加一些刺激性的要素來激發學習者，比如用食人植物的照片、令人驚奇的探險或者是幽默軼事等。這些激發動機的要素通常可以引起學習者的注意，並且可能會吸引他們來上課，但我們將說明這些做法不僅不能幫助學生學好科學，還會干擾一致性理解的形成。
教學人員還經常憑直覺認為積極主動的學習（active learning）對學生是有益的，於是他們在科學教學中加入交互性特征，以便在激發學習動機的同時也讓學生能夠投入到科學方法的運用過程中去。這些交互性特征也許可以、也許不能促進一致性理解，但它們確實會使學習者在科學問題推理過程中分心。xiii有些實驗能夠使學生積極地依照一繫列步驟進行操作，但是無法在“觀念庫”中添加新觀念。
吸入觀將信息置於比一致性理解更為重要的地位，它與用繁多的主題來堆砌科學課程標準的做法是一致的，它常常被用於證明那些主要測量回憶的多項選擇測驗是合理的。
科學學習與教學的目標
在本書中，我們對吸入取向和知識整合取向進行了辨析。我們提供了支持知識整合模式的證據，展示了如何在多種不同的教學場合（包括在課堂講授、實驗、可視化教學以及合作學習等）中運用這種模式。我們說明了知識整合對教師專業發展項目設計的啟示，評述了知識整合教學模式的四個過程，並且闡明了如何在不同的學科中應用這些過程。
我們通過對課堂活動、教師角色以及評價實踐加以比較來闡釋兩種方法間的區別。我們描述了針對很多科學課題的具體的教學方案。在研究中所使用的大多數科學課程都是免費的，可以在“基於網絡的科學探究環境”（WISE，參見WISE.berkeley.edu）的形式訪問。
技術與知識整合
知識整合取向源自於兩位作者幾十年的研究工作。我們所從事的研究項目得益於對技術的創新應用。WISE學習環境使教師以多樣化的方式運用實驗、可視化、協作活動以及評價方法，並以此來探究最有效的教學。WISE為教師和研究者提供了連續的評價信息，還提供了與學習者交互的多種途徑。在這一研究中，我們不僅識別出了關於技術的極具前景的運用，而且突出強調了可用於所有科學教學方面的見解。
我們在本書中舉例說明了技術帶來的一些激動人心的可能性。正如最近美國國家科學基金會所倡導的賽博學習一樣，我們展現了新的網絡和通信技術改進科學學習結果的途徑。
終身科學學習
聽到成年人說他們已經把科學課上學到的東西忘光了，真是一件令人灰心喪氣的事情。讓我們更為沮喪的是，有些人一旦發覺自己在同科學教育工作者 交談，便立馬找個理由逃走。有些時候，他們會說一句“什麼也別問我”就趕快離開了。xiv我們發展的這一科學教學的知識整合取向就是要讓每個人都成為一個終身的科學學習者，並且樂於同科學教育工作者對話。
為了促進終身學習，我們在每一章末尾都設計了一個“反思活動”，目的在於鼓勵個人反思，這些活動也可用作課堂或研討會的引子，借用本書來改進科學教學和學習。
使用知識整合的做法任何人都可以學科學——即便所使用的是按照吸入取向而設計的教材。我們展現了科學教學如何為學生成為終身科學學習者做準備；我們希望激勵每個人去探究充滿魅力和神奇的科學思想；我們的目標是幫助每個人因獲得了科學思想而能夠享受令人滿意的生活。