小学生不离开学校操场就能学习观察土壤的特性
文_Laura B. Schneider Faith Farren
翻译_张春英
当我们问“如何能够发现海滩上的沙子和学校外面土壤的区别”的时候，我们的一个学生激动地喊道：“让我们去花园，用铲子和耙子去找土壤吧！”虽然野外实地考察是一种能够吸引学生进行科学学习的令人兴奋的方式，但是可能行不通。因此，我们决定为我们的多年龄段的小学班级创建5E（引入—探究—解释—拓展—评估；Bybee，2014）户外体验，我们的学习者会研究校园的土壤样本，并将它们与当地海滩上的样本进行对比。基于对这次经历的设计和引导，在户外和野外教育的示范实践框架下，通过模拟野外实地研究，我们可以达到教授学生有关土壤特性知识的目标（Tal、Lavie Alon和Morag，2014）。
我们选择遵循“高质量的实践”，包括：
● 活动和行动：让学生参与有意义的活动讨论和调查，包含一些在户外环境中更容易理解的现象。
● 科任教师：因为科任教师了解我们的学生和标准。
● 运用环境：学习者运用感官感受户外的同时，我们重视学生的探索、观察和提问。
● 鼓励将户外体验作为一种社会学习活动：重视师生互动讨论。
当设计我们的户外体验时，我们专注于预期表现“计划并进行调查研究，以描述不同种类的材料并根据其可观察到的特性进行分类”（2-PS1-1）。由于特性的物理科学建构是通过土壤解决的，因此它具有内在的多学科性。土壤不仅是具有质地的东西，而且每个样本都是独特的，因为它有自己的历史。土壤通过生长在其中的植物和其他生物支撑我们地球上的生命（NRC，2012）。因此，我们想教授土壤的特性、土壤类型的多样性，以及它们对地球系统的重要性。
鉴于新冠病毒的大流行，我们针对学生群体、材料和社交距离进行了调整，以体现当前实践的安全性。
形成性评价
● 关于土壤，你能告诉我些什么？
● 土壤由什么组成？
● 哪里可以找到土壤？
● 所有的土壤都是一样的吗？
● 你认为科学观察意味着什么？
● 你认为“特性”这个词在科学上是什么意思？
学生的前期知识储备来源于学生在园艺或堆肥方面的经验。他们了解生物体生活在土壤中，植物需要土壤中的养分，以及“食物可以分解为植物的食物”（堆肥）。我们的学生知道土壤来自花园，但不确定哪里还能找到土壤及土壤的成分。他们了解到土壤是不同的，因为有些土壤里供给植物的“食物”（营养物质）更多。我们的研究结果与学生认为土壤是“棕色和均质的”这一普遍误解相吻合，这是不正确的，因为有各种各样外观和成分不同的土壤（Annenberg Foundation，2017）。尽管学生已经接触了这些词汇，但他们在理解“观察”和“特性”的术语时还是感到很困惑。
第1天：特性介绍和观察
引入
“神秘的袋子”活动介绍了触觉是一种重要的观察方式。用6个不透明的塑料袋（分别标记1—6）装上普通物品：羽毛（蓬松、柔软的）、融冰（滑的）、贝壳（粗糙的）、毛线球（软的）、大理石（光滑的）和乐高积木（凹凸不平的）。采用战略分组，将年龄小的学生和年长的学生配对，每组分一些袋子，让他们仅用触觉进行探索。学生可以在教室地板上或桌面上分组活动，这取决于哪种方式能让学生之间有间隔。可移除的胶带标记可以用来引导学生彼此保持合适的距离。每个孩子都能通过教师分发和拾取得到自己的一套袋子，而不是每个小组一套。学生把他们对神秘袋子的观察记录到数据表上（图1），他们通过画出他们认为每个袋子里有什么进行推断。为此还采用了一些调整，包括让一个成年人帮孩子们读出词语或帮助他们勾画字母组成单词。在与全班同学分享想法后，揭示每个袋子里装的是什么，引导学生将活动与科学家根据物体的特性对其进行分类建立联系。
探究
我们研究的问题是“沙滩上的沙子和学校外面发现的土壤有什么不同”，考察沙质土壤是解决“所有的土壤都是一样的”这一错误认识的完美方式。因为带全班学生去沙滩是不可行的，因此我们从当地海滩收集了一箱沙子，并在海滩上拍摄了植物生长的照片，然后把它们带回来让学生探究。我们没有把沙子放进大盒子里，让一群学生接触，而是通过购买干净的饮料杯子或者回收小的酸奶杯，将其装满沙子，然后给每个学生自己的样本杯进行研究。如果没办法在当地采集沙子样本，另一种选择就是买一袋操场沙土。
同组的学生用他们的感官研究沙子。他们被鼓励通过放大镜和肉眼观察沙子。安全起见，学生在与沙子接触时要带上护目镜。我们帮助指导学生观察与地质学相关的属性，如颗粒大小和颜色，因为学生通常在辨别这些相关特征上会有困难（Ford，2004）。学生首先与他们的小组分享观察结果，然后再和全班分享。观察结果记录在表格里（图2），这样我们可以与学生进行有意义的互动交流，一起探讨想法（Tal、Lavie Alon和Morag，2014）。
让学习者制订计划和进行调查研究的科学实践后，我们再次提出“沙滩上的沙子和学校外面发现的土壤有什么不同”的问题，问学生如何才能找到答案，并引导他们用如下的问题：
● 我们需要去哪里收集数据？
● 我们可以使用什么工具？
● 我们可以收集什么数据？
▲学生在不同的地方挖掘土壤样本
学生对分享想法和拥有选择在哪里采集样本的自主权而感到兴奋。这给他们提供了体验有意义地考察土壤质地的“活动和行动”的机会（Tal、Lavie Alon和Morag，2014）。我们的学生决定在挖掘前到外面找不同类型的土壤并进行研究。他们建议使用沙坑耙子、铲子“把土壤从地里挖出来”。如果样本对较小的玩具铲来说太硬，我们还有1把金属园艺铲。如果学校没有足够的铲子或耙子让学生人手1把的话，在活动之前，可以要求学生从家里带来1把并写上他们的名字装在塑料袋里。不能自带工具的学生应该被提供1把。学生确定数据收集类别：土壤颜色、土壤里的蠕虫或昆虫，以及触摸土壤时的感觉。一个学生还推荐寻找土壤中的植被，如“花或树”。
在带学生出门之前，先涂抹防晒霜和驱虫剂（出门时请遵循学校的户外探索指导方针）。2位教职员工和1位家长志愿者协助提供便利并在过程中协助监督。我们实施了战略性的学生分组。在出发之前，所有材料（铲子、耙子和空的塑料鞋盒）放在四轮玩具车里。我们请学生分享他们在户外玩耍时的安全想法。他们说，自己应该和伙伴待在一起，和小组一起行动，听朋友在说什么。我们讨论了如何正确使用铲子，并让学生戴上护目镜，以防止灰尘进入他们的眼睛。
外出时，成年人待在队伍前部、中间和最后以保证学生安全。我们努力使这项活动具有包容性，根据需要采用不同的调整方式，比如使用无障碍坡道，并为最大的学习潜力进行战略配对。我们有一个“停下来看”的手势，在户外活动中这个手势非常有用，因为在户外听教师讲解可能是个挑战。如果需要，更长的铁锹或弯铲也可以提供给那些活动受限，用短锹屈身有困难的个体，比如身体有问题或者坐轮椅的那些人。
我们的小组用在学校操场四处走动，考察土壤，让学习者尽可能“利用环境”的方式，让学生体验在大自然中所看、所感和所触摸的东西（Tal、Lavie Alon和Morag，2014）。学生倾向于从学校花园和室外一个靠近树木的自然区域采集土壤样本。每个地点都有铲子，可以用来挖土，并把土壤放入盒子里。出于疫情关系，让学生保持一定距离的可能的调整就是让他们把自己的土壤样本放进三明治包装袋里，然后只接触并观察自己袋子里的土壤。学习者观察环境并分享他们的意见，这被视为一种“社会学习事件”（Tal、Lavie Alon和Morag，2014）。当挖土看到蠕虫时，学生特别兴奋，由此引发了他们关于土壤是生物寄居地的讨论。
▲学生在探索1个“神秘的袋子”
在户外时，学生分享他们个人的经历及各种土壤的背景。我们学校周边社区有军人家庭，有来自不同国家的学生，以及很多有国外生活经历的学生。让他们分享他们生活的地方的土壤和环境，这是评估他们知识储备的一种非常好的方式。
样本被带回教室，在教室里，学生口头交流他们的意见，并将其添加到现有图表中。我们进行了1次课堂讨论，在比较和对比3个样本的同时，我们谈到了样本的跨学科概念。
土壤样本被保存并晾干备用。为了烘干土壤，样本可以放在盒子里晒干几天。黏土干了之后，可以用橡胶锤或臼和杵将其打碎。
第2天：研究土壤
解释
在开始这一部分之前，可以从网上下载或打印图片，以便学生在讨论期间看到各种土壤。学生坐在我们的“圆圈时间”（circle time，一种围坐一圈集体授课的教学方式——编者注）区讨论土壤。姓名标签或可移除的胶带用来确保学生之间的距离是合适的。我们通过让学习者叙述先前的观察激活他们已有的知识。学生讨论了对样本的感觉如何不同，这被作为定义土质的方法。我们解释了土壤是由破碎的岩石和沉积物组成的，它们的孔隙中有水和空气（Marshak，2005）。我们还讨论了它们含有对生命至关重要的营养和水分。学生被要求回忆“神秘的袋子”活动，谈论使用了什么物体，以及他们的感觉是什么。这与土壤质地和颗粒大小有关，因为我们解释过，当触摸不同尺寸的颗粒时，会有不同的感觉。定义有机材料也很重要，我们问学生哪一种土壤样本中生长的植物最多，然后讨论了灰色或黑色土壤中有机物质更丰富，这有利于植物生长（Marshak，2005）。我们将土壤的颜色定义为一种特性，并让学习者预测他们认为哪个样本中含有最多的有机物质（Marshak，2005）。为了检验学生是否理解，我们让学生用简单的图画说明土壤的重要性和土壤的成分。学生可以自己给这些画贴上标签，也可以请教师帮忙。
▲图2
拓展
这项活动的目的是让学生探索颗粒大小如何影响土壤的质地。这与尺度、比例和数量的跨学科概念有关，因为各种大小颗粒的比例决定了土壤的质地。我们问学生：“当你在沙坑里玩的时候，你会用什么把卵石和沙子分开？”这引出了一个沙筛的答案，为此我们让学生观察并比较了沙筛和土筛。我们的筛子分为10号和230号，可以将颗粒分为砾石、沙子和淤泥／黏土。如果没有筛子，可以用玩具筛子或厨房里的滤网分离颗粒，但这并不能让学生探索颗粒具体有多大。与以往的活动一样，我们采用了安全护目镜、战略分组及适当的调整等。一名学生用量杯测量了100毫升土壤，另一名学生将土壤倒入筛子顶部，然后摇晃。学生轮流摇筛子。教师可以用清洁剂在学生轮换时把筛子擦干净，也可以选择摇一摇筛子让学生观看。筛好的东西都被倒进一个透明的塑料杯里，让学生能够比较砾石、沙子和淤泥／黏土等颗粒的大小。这一过程被重复用于其他2个样本，且考虑学生最大程度的参与。
每个样本都会产生砾石、沙子和淤泥／黏土颗粒各1杯。杯子排成一排，以比较颗粒大小的相对比例。学生能够进行比较，例如海滩沙子中砾石和沙子的比例更高，而教室外面的样本中淤泥和黏土比例较高。我们还讨论了不同颗粒大小的比例，以及营养物质对植物生长能力的影响。学生回过头来回答我们最初的研究问题，把沙滩上的沙子和教室外发现的土壤联系起来，这有助于我们达到《州共同核心标准》的ELA W.2.8——从过往经历中回忆信息或从提供的原始资料中收集信息回答问题。
评估
2项总结性评价用以评估对规划的认识和有关特性的调查研究的执行。我们使用了这样一个场景：“为你的同学创建一项调查研究，在这个调查中，必须使用颜色或质地的特性进行描述并对材料进行分类。”句子开头被给出，学生可用书面或口头的方式解释他们的调查研究。学生经常提议基于颜色和共性物品，如美术用品、磁铁块和珠子／弹珠的分类活动。还有些学生则提议到户外寻找大自然中事物的不同质地，如树皮、岩石和树叶。
我们在第2次总结性评价中问学生：“如果你想了解一个新的土壤样本的特性，你会怎样设计这个调查？”学生通常建议从公园或农场收集土壤，他们能够清晰地观察颜色和质地特性，并描述如何使用筛子将样本分解成“不同大小的碎片”。很多人预测，农场土壤与花园土壤相似，因为二者都是“生长着大量植物的地方”。作为一种方法的调整，这可以作为一种行为表现评估，学生可以使用一些材料展示如何通过颗粒大小进行分类，然后描述土壤样本的颜色和质地。
结论
这种户外体验是一种引人入胜的方式，让学生设计自己的土壤质地调查研究，并在实地环境中体验科学学习。购买的材料包括1个筛子（在亚马逊网站上55美元）和9个鞋盒大小的塑料桶（10美元）。鼓励教师利用他们的教学资源和社区获取用品。例如，土壤筛是高中科学课堂中较为常用的装备，因此可以与区科学协调员或督导员合作，允许我们借用。
这种体验提高了我们班的学习水平。学生在设计户外调查研究时，积极参与《新一代科学教育标准》的所有3个维度的学习。学生从选土壤进行探索并亲自进行挖掘开始，感到自己和课程紧密相关。最后，学生能够解释什么是特性，并描述如何根据颜色和质地的特性将土壤进行分类。所有这一切都发生在走到户外进行实地探究之后。
参考文献
Bybee, R.W. 2014. Guest Editorial: The BSCS 5E Instructional Model: Personal Reflections and Contemporary Implications. Science and Children 51 (8): 10-13.
Ford, D. 2005. The Challenges of Observing Geologically: Third Graders’ Descriptions of Rock and Mineral Properties. Science Education 89 (2): 276-295.
Marshak, S. 2005. Earth: Portrait of a Planet. New York: W. W. Norton & Company.
National Research Council (NRC). 2012. A framework for K-12 science education: Practices, crosscutting concepts, and core ideas. Washington, DC: National Academies Press.
Tal, T., N.L. Alon, and O. Morag. 2014. Exemplary practices in field trips to natural environments. Journal of Research in Science Teaching 51 (4): 430-461.
在线补充材料
作者简介：
译者简介：张春英，《中国科技教育》杂志社。
原文刊载于《中 国科技教育》2022年第1期NSTA栏目，作者：Laura B. Schneider Faith Farren，翻译：张春英。原文有所删减，中国青少年科技辅导员协会会员可点击“阅读原文”登录杂志官 网免费浏览全文。
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