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继一、二年级教材送审之后，根据教育部《小学科学教材修订送审工作有关要求的通知》（以下简称通知），我们对3～6年级的科学教材进行了全面修订。
根据通知要求，这次修订的目的是为了使教材的质量得到提升，具体要求是加强整体设计，遵循儿童发展规律。遵照这一目的和要求，我们此次修订的重点是以课程标准为核心，调整现行教材的框架结构和相关内容，提升和改进教学活动的原有设计。
教材框架结构和内容的调整
1.调整情况
2017年颁布的小学科学课程标准的一个重要变化，是在内容标准部分进行了学段划分，突出了大概念在学生发展中的作用，强调了学习进阶理论在设计中的地位。我们清醒地意识到，虽然我们编写的教材已经采取了以概念为核心的框架结构，但如何将大单元的结构方式与课程标准的目标体系更加完美地融合，仍然有许多工作要做。
我们首先将现行3～6年级教材的教学目标与课程标准4个领域的207项学段目标逐一核对，结果显示，两者的吻合度还是比较高的，但也发现了与学段目标不够吻合的部分。例如，地球与宇宙科学领域的13.1-3目标，现行教材是在高年段实现的，为此，我们采取了在三年级下册增设《太阳、地球和月球》单元的措施。对个别学段目标的错位，我们进行了单元的拆解或合并，例如，在《新的生命》中分别植入“植物的生长”和“动物的一生”，而将“温度和水的变化”与“溶解”合并为《水》，从而将呼吸和消化器官的教学集中在一个单元。对于现行教材中存在个别超出学段目标的部分，则做了删除，例如，《沉与浮》单元不再进行浮力的比较，而是指向工程与技术，更名为《船的研究》，《我们的身体》单元主题明确为“健康生活”。
经过这样的调整，我们达到了如下效果：
将原3～6年级32个单元减少为28个（三、四年级每册3个单元共计24学时，五、六年级每册4个单元共计28学时），降低了教材难度，减少了课程容量。
对大部分主题和内容进行了改进，使修订后的教材既具有延续性，又提高了质量。
修订后的教材覆盖了课程标准18个主要概念及下属的207个学段目标，落实了课程标准规定的4个领域的各项要求，同时保持了教材大单元设计的原有特色。
2.对调整后的框架、结构和内容说明
我们编写的这套教材是按照课程标准4个方面的目标和以概念为核心的课程内容构建体系的。在整体的结构中，突出了科学概念和科学探究的双螺旋协同发展，科学态度和科学技术与社会的目标作为隐性目标蕴含其中。根据课程标准中课程设计思路明确的“小学科学课程的设计遵循国家的教育方针，充分考虑小学生的年龄特点与认知规律，反映国际科学教育的最新成果，兼顾我国小学科学教育的实际情况”的思想，在这次送审的教材修订稿中，我们继续采取了大单元的呈现方式。这样做的依据是基于学习科学的研究成果，围绕大概念运用学习进阶理论编制教材已成为越来越多的国家所采取的课程建设策略。其中，用模块（大单元）的形式将孤立的、碎片化的事实性知识与科学实践活动和思维技巧联系到一起，被证明是非常有效的。因为这可以使教學聚焦于科学与技术的核心概念，避免肤浅地覆盖大量主题，让学生能够有更多的时间更深入地探索，获得对学习内容的深入理解。另一个重要依据是，根据国际科学课程建设的发展趋势，我们从2007年起，已经在目前使用的教材中采取了这种方式。为了适应我国科学教育的现状，我们把单元的规模（课时数）缩减为6～8课。10年来的教学实践证明，这种呈现方式已被科学教师和学生所理解和接受。我们的具体做法是：
（1）严格按照课程标准的学段目标选择教学内容并界定学业水平
修订版的3～6年级教材一共设计了28个单元，物质科学单元10个，生命科学单元7个，地球与宇宙科学单元7个，技术与工程单元4个。每个单元与相应领域的学段目标对接，通过聚焦、探索和研讨板块描述了各阶段学生应该达到的学习水平。
学习进阶理论对我们的最大启发是，学生要经过多年连续不断地学习关于科学学科的核心思想，才能发展对这些核心思想的理解，而一个设计良好的学习进程，一端需要始于学生的前概念和推理能力，另一端需要对学生学习期望（可评价的学业水平）进行准确描述，两端之间则需要提供合理而连续的思想脉络和实践活动。这就决定了教材编写者必须思考各个年级的主题应如何呈现，才能够互为基础、相互支撑。
我们意识到，修订后的课程标准实际上已为我们描述了学习进程的两端，我们的工作重点应该是解决中间的设计。我们采取的策略是：分析学科知识对核心思想的贡献，并在此基础上确定这些思想所依赖的思想脉络和实践活动。例如，地球与宇宙科学领域，从一年级的“我们的地球家园”到三年级的“太阳、地球和月球”再到六年级的“地球的运动”和“宇宙”，逐步扩大的是儿童认识世界的视野。从三年级的“水”“空气”“天气”到四年级的“岩石和土壤”、五年级的“地表的变化”及“环境与我们”，是从地球物质、4个圈层相互作用的角度引导学生理解发生在身边的自然现象，两条线索共同帮助学生逐步建立人与自然和谐相处的核心概念。物质科学1～6年级的编写思路是：从物体、材料到物质;从常见的力到认识力的作用，再到描述物体的运动;从了解声、光、电等不同形式的能量到发现能量的转换现象。生命科学的编写思路是从观察生物的生命特征，到了解生物的发育和繁殖，再到认识生物与环境之间的关系，最后建立生物多样性的核心概念。
学生科学探究能力的发展是与知识的获得、概念的构建密不可分的。我们希望从一年级开始，学生就能够在观察实验获得大量事实的基础上发展科学推理和论证的能力。借鉴美国STC课程的设计，教材修订版三个年段的发展途径分别是：一、二年级侧重观察、测量和确定物体的属性;三、四年级深入地认识某一事物（如空气和水），发现事物的变化规律（如植物的一生、动物的生命周期）;五、六年级设计并实现有控制的对比实验（如生物与环境、能量）。我们相信，这一系列有序的探索活动，能够逐步发展学生的科学探究能力。 （2）利用大单元的灵活、包容和综合特质，对学段内的目标进行交叉和整合
我们注意到，课程标准中的18个主要概念、75个学习内容，被分解到4个领域3个学段形成的学段目标是比较丰富的。例如，3～4年级物质科学有37个、生命科学有23个、地球与宇宙科学有21个、技术与工程有11个，需要加以组织和编排。科学教育大力提倡在不同的概念间建立联系，以促进儿童形成对世界的完整认识。因此，我们利用大单元的方式对学段目标进行了一定的排列和组合。例如，《水》单元从水是一种物质的角度整合了主要概念1、2、6的10个学段目标;《环境和我们》单元从建立人与自然和谐相处的角度整合了主要概念10、12、15和16;《微小世界》单元进行了生命科学、物质科学和技术与工程领域的概念交叉;《物体的运动》《力和运动》单元加强了物质科学和技术与工程领域内容的联系;《太阳、地球和月球》单元则做了地球与宇宙、物质科学和技术与工程领域内容融合的尝试。我们相信，这些措施将有利于学生概念的发展并建立概念间的联系，促进他们对世界的深入理解。
（3）根据不同学段儿童的认知特点，采取不同的目标达成方式
技术与工程领域是修订后的课程标准新增设的一部分内容。仔细研究标准的这一部分目标之后，我们决定采取的方法是，在低中年段主要将学段目标融入相关单元的教学内容之中，表现为与主题相关的课。例如，二年级《材料》单元的第6课是《做一顶帽子》，三年级《物体的运动》单元的第7、8课是《我们的过山车》，《运动和力》单元的第8课是《做一辆小车》，《声音》单元的第8课是《自制一件小乐器》等。到了高年段，我们以把技术与工程的相关内容设计成完整的一个大单元的形式为主，让学生充分了解技术与工程的特点与要素，并有足够的时间进行活动体验。另外，五年级的技术与工程单元偏重于一个具体问题的解决过程，如“计量时间”“船的研究”。六年级的内容侧重于从宏观上、整体上了解什么是技术、什么是工程，以及技术与工程在推动社会发展方面所发挥的作用。为此，我们设计的两个大单元是《工具与技术》和《小小工程师》。
（4）與相关学科建立协同发展的关系
由于科学课程中会涉及数学等学科的相关内容，与小学其他学科的目标进行匹配，是我们教材编写时需要关注的。我们要求编者在活动设计时一定要做相关的调研和确认，以保证概念发展的一致性。例如，《物体的运动》单元中“描述自己所在的位置”是建立在二年级数学“方向与位置”的基础上的;“船的研究”中船的载重量的探索活动，建立在五年级数学“体积”的概念之后;《天气》单元二十四节气的内容和对四季植物的观察与部编小学语文三年级的课文形成了同步;《健康生活》单元从科学的角度解释了保护身体器官的必要性，为道德与法治的“健康、安全地生活”目标达成提供了依据。
（5）让小学生了解更多的科学家，学习像科学家那样思考
在科学教材中体现科学的本质，一直是我们的追求。为了增进学生对科学的理解，我们在这次修订版的每一册起始都设置了《科学家这样做》专篇。3～6年级的8册教材中，根据每一册的主要内容，我们选择了竺可桢、童第周、牛顿、达尔文等8位中外科学家，分别以适合小学生阅读的语言，介绍了他们在科学领域的主要贡献，描述了他们进行科学研究的主要方法及其过程。我们相信，这会使科学和科学家的形象在孩子们的心目中鲜活起来，促进他们对科学家和科学实践活动的理解。对中国科学家群体的介绍，更会增进他们对我国科学技术发展的了解，增强民族自信心和自豪感。
提升和改进教学活动的原有设计
课程标准要求小学科学教材应体现探究过程，符合儿童的年龄特点和认知规律，密切联系学生生活，注意引发学生兴趣。在修订中，我们借鉴了国际科学教育近年来的理论研究成果，吸纳了教材使用过程中来自教学层面的各种信息，根据课程标准培养科学素养的总目标，对3～6年级各册的活动设计进行了提升和改进。
1.关于体现探究过程
我们注意到，科学教育界对科学探究的认识在不断深入。2013年发表的新一代美国科学教育标准（NGSS）中已明确用科学实践的概念代替了科学探究，这意味着我们需要更全面和准确地体现学生在科学学习中的探索活动。这和我们在教材使用过程中发现的问题十分吻合。目前，我国的部分科学教师对科学探究的理解还停留在动手做的阶段，对教材中设计的探究活动的过程和目的还缺乏深入的认识和理解。为此，在这次修订中，我们特别关注了两个方面：
（1）增强对科学思想和观念的理解
探究是源于学生自身的认识未知世界的活动，如果仅仅为了获得某一问题的答案，这只是目的的一部分，并不是科学素养追求的更高目标。学生在校学习科学的时间是有限的，教材承载的内容也是有限的。教材中设计的探究活动应当更加有效地帮助学生发展对各个领域重大科学思想和观念的理解，同时渗透科学的方法和精神，这一切如果在科学教材中能够具体化和活动化，就可以广泛地影响目前的教学实践。
基于这一认识，我们在教材修订时组建了由中国科学院从事不同领域研究的青年科学家参与的团队，对原教材探究内容的选择和过程设计进行了全面研究，并在多轮讨论的基础上，对教材活动的原设计进行了改进和提升。
①从一个个具体的现象中跳出来
从与科学家团队的讨论中，我们深切感受到，小学生对自然界的认识的确是从一个个现象开始的，不能让他们停留在这些具体事物上，需要引导他们发现与更大概念间的联系。
例如，“天气”部分不是为了记录气温而记录气温，为了观察风而观察风，而是要有意识地引导孩子建立天气现象与空气、水等地球物质以及太阳的联系，认识到观察和预报天气是人类的一项科学活动。
再如，“环境与我们”的内容，不能仅局限于垃圾、节水、节能这一类具体话题上，要让孩子们知道这些问题来自地球的特殊构造和人类不适当的活动，知道环境与资源保护的重要性，形成健康和积极的生活方式。 ②在不同学段和不同主题间建立起联系
科学的思想和观念对学生而言是要靠经验和认识的积累逐步完成的，因此教材的探究过程设计需要具有延续性和发展性，我们有意识地做了这方面的探索。
例如，我们在一年级上册编写了《比较与测量》单元，通过重演人类对长度的认识历史，促进学生理解长度测量的规则和工具。在三年级下册的《太阳、地球和月球》单元，用数方格的方法比较陆地和海洋面积的大小，使测量的方法和视角从一维扩展到二维。
又如，三年级上册沿用了一年级下册“我们周围的物体”在比较中认识事物的方法，而在研究地球物质“水”和“空气”的过程中，在比较的基础上，又增加了猜测和证实。这样，从“我们的地球家园”“天气”“太阳、地球和月球”“地表的变化”到“环境和我们”，既保持了探究方法上的一致，又逐步深入，使学生认识事物的经验不断丰富，获得的不仅仅是有关地球的知识，更深化了对地球与宇宙科学领域核心概念的理解。
（2）促进理论与证据的协调
科学思维的本质是理论和证据的协调，探究活动最终要促进的是儿童在事实和解释之间的协调能力和协调愿望，包括尊重他们亲眼所看到的，“意识”到自己的想法，愿意通过尝试和实验来判断一个想法是不是正确。这一过程需要从幼儿阶段就开始有所经历，是科学教材设计的一项十分重要的任务。我们着重从以下方面进行了努力：
①强调探究过程之间的关系
针对在教材使用中观察到的只重视事实收集和班级汇报，忽视讨论和论证的现象，我们借鉴学习循环理论，将教材的呈现方式设计为“聚焦”“探索”“研讨”“拓展”四个板块。“聚焦”在于明确探究的问题究竟是什么，“探索”提供了获取事实、呈现事实及初步形成解释的过程性活动，“研讨”列出了集体论证和辩论的关键问题，“拓展”提出了延伸学习的相关建议。四个板块设计的目的不仅在于帮助教师明确每个阶段的教学任务，更重要的是在于促进学生理解过程间的关系，即解决科学问题的过程是一个获得证据，合理使用证据建立解释，并通过与同伴的讨论，修正自己看法的完整的科学思维过程，学生在这一过程中经历的是他们的理论与证据的相互协调，而这恰恰与科学家们的研究工作极为相似。
②让探究与知识、技能的获得更好地融为一体
在教材使用中我们也观察到，科学教育的各项目标是需要精心设计、落实到课堂教学的各个活动中才能实现的，缺乏指导的探究往往是低效且肤浅的。在这次修订中，我们要求编者对探究活动的关键步骤和基本操作要做到具体、清晰和规范，用实拍照片呈现观察和实验的相关细节，将探究的关键步骤、基本操作与学生的认知框架结合起来，与我们想培养的科学思维方法结合起来，以促进学生原有认知与新的信息之间积极的相互作用。
例如，《生物与环境》单元对种子发芽、绿豆苗生長所进行的观察和实验，教材对什么条件改变了、什么没有变、如何控制变量都做了明确的要求和指导，这一做法在《电路》《声音》《能量》等单元中也都有明显的体现。
2.关于尊重儿童和他们的认知规律
为了使修订后的教材能够更好地适合我国儿童的年龄特点和认知规律，我们采取的一项重要措施是，从2018年春季起，分别在9个省的51所小学，对修订后教材的28个单元全部进行了试教（有部分单元试教了两次）。我们对试教过程也做了明确的要求，包括观察的内容和重点、需要收集的资料以及如何进行前后评测。所有的试教学校都按时完成了试教任务，并撰写了试教报告，对于我们改进和完善教材，使教材进一步贴近儿童的需要，发挥了十分重要的作用。在教材修订中，我们采取的具体措施是：
（1）给儿童充分陈述、交流他们观点的机会
儿童是带着他们的认识来到教室的，不是一块白板等待我们去涂抹，他们面对各种现象时也会产生自己的解释和预测，只有儿童意识到自己的想法与获得的新的信息之间存在矛盾的时候，他们才会产生探索的欲望并修正自己的观点。因此，我们在教材中十分注意提供专门的时间和机会让儿童陈述和交流自己的认识、观点和看法。比如，我们设计的每个单元的第一课都几乎与调动和测查学生的科学前概念有关，即就单元的探究主题启发学生陈述自己已经知道了什么，还想知道什么，同时用班级记录单的形式认真地记录下来，在后续的学习中引导他们不断地补充和修正，在单元的最后一课进行整体回顾。
在探索部分，我们同样积极鼓励儿童陈述和交流他们的理论。继“聚焦”部分提出问题之后，我们设计的第一个活动很多是“说一说、画一画我们对这个问题的看法”。在教材设计的探究过程之后还要反复追问“你还可以有什么方法”，并告诉儿童“你还可以想到更多”。
（2）基于儿童的生活和经验，同时对它们进行挑战
这是教材教学内容选择和探究活动设计的一项重要原则。我们在审视现行教材之后，在这方面进一步做了改进。例如，《工具与技术》单元对工具与技术的理解，选择了儿童所熟悉的砸核桃;《小小工程师》单元对工程系统性的认识是从“了解我们的住房”开始的;在《能量》单元，对多种多样能量形式的了解，是通过引导儿童分析公园的场景，讨论设施带来的变化，同时调查家里使用的能量展开的;《化学变化》单元的切入点则是“厨房中的化学变化”。
我们设计的一些活动，能够挑战儿童的已有经验。比如，在《环境与我们》单元的最后一课，我们就设置了一个真实的环境治理问题，并选择了角色扮演的形式，让儿童逐步理解环境问题是复杂的，需要从不同的角度加以平衡和协调。
（3）构建符合儿童心理发展特点的教学活动体系
在这次修订中，为了尊重儿童的心理发展特点，我们对一些单元的内在结构几易其稿，经历了反复修改的过程，最突出的例子是《物体的运动》单元。原设计是按运动和位置、直线运动和曲线运动、速度、斜面上的运动、多种多样的运动形式和我们的过山车的顺序安排的。经过两轮试教，教研员和试教教师提出还是应该将多种多样的运动形式前置，因为这更符合在课堂教学中观察到的儿童的心理需求。《工具与技术》单元也是一个经过实践检验后再确认的例子。开始，关于杠杆、斜面和轮轴这三种简单机械，编者都设计为通过收集数据，在对比中进行认识和了解。通过试教，我们意识到，必须让儿童经历亲身体验的过程，因此，在轮轴部分就设计了儿童直接参与的体验活动。
（4）展现儿童在科学活动中的思想过程
儿童在科学活动中的思想过程包括理论概括、实验设计、假设验证、数据解释、科学发现等认知过程，这也是促进儿童科学思维发展的基本要素。作为科学教材，关注儿童是如何设计实验的，是如何将事实和解释联系在一起的，是如何描述科学理论的十分重要。我们必须通过精心设计的活动给儿童提供支持，促进他们认知能力的发展。
在这次教材修订中，我们努力运用大单元的方式，从连贯的视角出发，让儿童不断经历上述思想过程，并积累属于自己的认知经验。例如，用“你认为物体是怎样发出声音的”“有哪些证据可以支持你的想法”等问题，将儿童对声音的探索形成一个有机的“链条”;用“如果不停地给杯子里的水加热，会出现什么情况”使预测成为理论与证据之间的纽带;通过“空气有质量吗”的提问，让儿童做出猜测，并用自己的实验进行证实。
与此同时，我们还努力为儿童经历的思想过程赋予鲜明的儿童特点。如对空气有质量的验证，设计为用垫圈作为计数标准;在描述地球的运动特点时，用橡皮泥和橙子做地球模型;在解释日食的发生原因时，仅通过3张纸片进行相关的模拟和发现。
我们还注意到，儿童的思想过程具有与年龄相称的一些弱点。例如，他们在利用证据建立解释的时候，能力还比较弱，表现为匹配度不够高。针对这一特点，我们在教材的“研讨”板块，注意引导儿童关注其他小组是怎么想的，其他同学是怎么想的，以便在不同意见的基础上进行比较，并使用班级记录单的形式呈现各种意见和观点，让儿童意识到，对同一问题会有不同的视角和解释，每个人都需要在社会化的学习中，促进自己科学思维的发展。
根据通知要求，这次修订的目的是为了使教材的质量得到提升，具体要求是加强整体设计，遵循儿童发展规律。遵照这一目的和要求，我们此次修订的重点是以课程标准为核心，调整现行教材的框架结构和相关内容，提升和改进教学活动的原有设计。
教材框架结构和内容的调整
1.调整情况
2017年颁布的小学科学课程标准的一个重要变化，是在内容标准部分进行了学段划分，突出了大概念在学生发展中的作用，强调了学习进阶理论在设计中的地位。我们清醒地意识到，虽然我们编写的教材已经采取了以概念为核心的框架结构，但如何将大单元的结构方式与课程标准的目标体系更加完美地融合，仍然有许多工作要做。
我们首先将现行3～6年级教材的教学目标与课程标准4个领域的207项学段目标逐一核对，结果显示，两者的吻合度还是比较高的，但也发现了与学段目标不够吻合的部分。例如，地球与宇宙科学领域的13.1-3目标，现行教材是在高年段实现的，为此，我们采取了在三年级下册增设《太阳、地球和月球》单元的措施。对个别学段目标的错位，我们进行了单元的拆解或合并，例如，在《新的生命》中分别植入“植物的生长”和“动物的一生”，而将“温度和水的变化”与“溶解”合并为《水》，从而将呼吸和消化器官的教学集中在一个单元。对于现行教材中存在个别超出学段目标的部分，则做了删除，例如，《沉与浮》单元不再进行浮力的比较，而是指向工程与技术，更名为《船的研究》，《我们的身体》单元主题明确为“健康生活”。
经过这样的调整，我们达到了如下效果：
将原3～6年级32个单元减少为28个（三、四年级每册3个单元共计24学时，五、六年级每册4个单元共计28学时），降低了教材难度，减少了课程容量。
对大部分主题和内容进行了改进，使修订后的教材既具有延续性，又提高了质量。
修订后的教材覆盖了课程标准18个主要概念及下属的207个学段目标，落实了课程标准规定的4个领域的各项要求，同时保持了教材大单元设计的原有特色。
2.对调整后的框架、结构和内容说明
我们编写的这套教材是按照课程标准4个方面的目标和以概念为核心的课程内容构建体系的。在整体的结构中，突出了科学概念和科学探究的双螺旋协同发展，科学态度和科学技术与社会的目标作为隐性目标蕴含其中。根据课程标准中课程设计思路明确的“小学科学课程的设计遵循国家的教育方针，充分考虑小学生的年龄特点与认知规律，反映国际科学教育的最新成果，兼顾我国小学科学教育的实际情况”的思想，在这次送审的教材修订稿中，我们继续采取了大单元的呈现方式。这样做的依据是基于学习科学的研究成果，围绕大概念运用学习进阶理论编制教材已成为越来越多的国家所采取的课程建设策略。其中，用模块（大单元）的形式将孤立的、碎片化的事实性知识与科学实践活动和思维技巧联系到一起，被证明是非常有效的。因为这可以使教學聚焦于科学与技术的核心概念，避免肤浅地覆盖大量主题，让学生能够有更多的时间更深入地探索，获得对学习内容的深入理解。另一个重要依据是，根据国际科学课程建设的发展趋势，我们从2007年起，已经在目前使用的教材中采取了这种方式。为了适应我国科学教育的现状，我们把单元的规模（课时数）缩减为6～8课。10年来的教学实践证明，这种呈现方式已被科学教师和学生所理解和接受。我们的具体做法是：
（1）严格按照课程标准的学段目标选择教学内容并界定学业水平
修订版的3～6年级教材一共设计了28个单元，物质科学单元10个，生命科学单元7个，地球与宇宙科学单元7个，技术与工程单元4个。每个单元与相应领域的学段目标对接，通过聚焦、探索和研讨板块描述了各阶段学生应该达到的学习水平。
学习进阶理论对我们的最大启发是，学生要经过多年连续不断地学习关于科学学科的核心思想，才能发展对这些核心思想的理解，而一个设计良好的学习进程，一端需要始于学生的前概念和推理能力，另一端需要对学生学习期望（可评价的学业水平）进行准确描述，两端之间则需要提供合理而连续的思想脉络和实践活动。这就决定了教材编写者必须思考各个年级的主题应如何呈现，才能够互为基础、相互支撑。
我们意识到，修订后的课程标准实际上已为我们描述了学习进程的两端，我们的工作重点应该是解决中间的设计。我们采取的策略是：分析学科知识对核心思想的贡献，并在此基础上确定这些思想所依赖的思想脉络和实践活动。例如，地球与宇宙科学领域，从一年级的“我们的地球家园”到三年级的“太阳、地球和月球”再到六年级的“地球的运动”和“宇宙”，逐步扩大的是儿童认识世界的视野。从三年级的“水”“空气”“天气”到四年级的“岩石和土壤”、五年级的“地表的变化”及“环境与我们”，是从地球物质、4个圈层相互作用的角度引导学生理解发生在身边的自然现象，两条线索共同帮助学生逐步建立人与自然和谐相处的核心概念。物质科学1～6年级的编写思路是：从物体、材料到物质;从常见的力到认识力的作用，再到描述物体的运动;从了解声、光、电等不同形式的能量到发现能量的转换现象。生命科学的编写思路是从观察生物的生命特征，到了解生物的发育和繁殖，再到认识生物与环境之间的关系，最后建立生物多样性的核心概念。
学生科学探究能力的发展是与知识的获得、概念的构建密不可分的。我们希望从一年级开始，学生就能够在观察实验获得大量事实的基础上发展科学推理和论证的能力。借鉴美国STC课程的设计，教材修订版三个年段的发展途径分别是：一、二年级侧重观察、测量和确定物体的属性;三、四年级深入地认识某一事物（如空气和水），发现事物的变化规律（如植物的一生、动物的生命周期）;五、六年级设计并实现有控制的对比实验（如生物与环境、能量）。我们相信，这一系列有序的探索活动，能够逐步发展学生的科学探究能力。 （2）利用大单元的灵活、包容和综合特质，对学段内的目标进行交叉和整合
我们注意到，课程标准中的18个主要概念、75个学习内容，被分解到4个领域3个学段形成的学段目标是比较丰富的。例如，3～4年级物质科学有37个、生命科学有23个、地球与宇宙科学有21个、技术与工程有11个，需要加以组织和编排。科学教育大力提倡在不同的概念间建立联系，以促进儿童形成对世界的完整认识。因此，我们利用大单元的方式对学段目标进行了一定的排列和组合。例如，《水》单元从水是一种物质的角度整合了主要概念1、2、6的10个学段目标;《环境和我们》单元从建立人与自然和谐相处的角度整合了主要概念10、12、15和16;《微小世界》单元进行了生命科学、物质科学和技术与工程领域的概念交叉;《物体的运动》《力和运动》单元加强了物质科学和技术与工程领域内容的联系;《太阳、地球和月球》单元则做了地球与宇宙、物质科学和技术与工程领域内容融合的尝试。我们相信，这些措施将有利于学生概念的发展并建立概念间的联系，促进他们对世界的深入理解。
（3）根据不同学段儿童的认知特点，采取不同的目标达成方式
技术与工程领域是修订后的课程标准新增设的一部分内容。仔细研究标准的这一部分目标之后，我们决定采取的方法是，在低中年段主要将学段目标融入相关单元的教学内容之中，表现为与主题相关的课。例如，二年级《材料》单元的第6课是《做一顶帽子》，三年级《物体的运动》单元的第7、8课是《我们的过山车》，《运动和力》单元的第8课是《做一辆小车》，《声音》单元的第8课是《自制一件小乐器》等。到了高年段，我们以把技术与工程的相关内容设计成完整的一个大单元的形式为主，让学生充分了解技术与工程的特点与要素，并有足够的时间进行活动体验。另外，五年级的技术与工程单元偏重于一个具体问题的解决过程，如“计量时间”“船的研究”。六年级的内容侧重于从宏观上、整体上了解什么是技术、什么是工程，以及技术与工程在推动社会发展方面所发挥的作用。为此，我们设计的两个大单元是《工具与技术》和《小小工程师》。
（4）與相关学科建立协同发展的关系
由于科学课程中会涉及数学等学科的相关内容，与小学其他学科的目标进行匹配，是我们教材编写时需要关注的。我们要求编者在活动设计时一定要做相关的调研和确认，以保证概念发展的一致性。例如，《物体的运动》单元中“描述自己所在的位置”是建立在二年级数学“方向与位置”的基础上的;“船的研究”中船的载重量的探索活动，建立在五年级数学“体积”的概念之后;《天气》单元二十四节气的内容和对四季植物的观察与部编小学语文三年级的课文形成了同步;《健康生活》单元从科学的角度解释了保护身体器官的必要性，为道德与法治的“健康、安全地生活”目标达成提供了依据。
（5）让小学生了解更多的科学家，学习像科学家那样思考
在科学教材中体现科学的本质，一直是我们的追求。为了增进学生对科学的理解，我们在这次修订版的每一册起始都设置了《科学家这样做》专篇。3～6年级的8册教材中，根据每一册的主要内容，我们选择了竺可桢、童第周、牛顿、达尔文等8位中外科学家，分别以适合小学生阅读的语言，介绍了他们在科学领域的主要贡献，描述了他们进行科学研究的主要方法及其过程。我们相信，这会使科学和科学家的形象在孩子们的心目中鲜活起来，促进他们对科学家和科学实践活动的理解。对中国科学家群体的介绍，更会增进他们对我国科学技术发展的了解，增强民族自信心和自豪感。
提升和改进教学活动的原有设计
课程标准要求小学科学教材应体现探究过程，符合儿童的年龄特点和认知规律，密切联系学生生活，注意引发学生兴趣。在修订中，我们借鉴了国际科学教育近年来的理论研究成果，吸纳了教材使用过程中来自教学层面的各种信息，根据课程标准培养科学素养的总目标，对3～6年级各册的活动设计进行了提升和改进。
1.关于体现探究过程
我们注意到，科学教育界对科学探究的认识在不断深入。2013年发表的新一代美国科学教育标准（NGSS）中已明确用科学实践的概念代替了科学探究，这意味着我们需要更全面和准确地体现学生在科学学习中的探索活动。这和我们在教材使用过程中发现的问题十分吻合。目前，我国的部分科学教师对科学探究的理解还停留在动手做的阶段，对教材中设计的探究活动的过程和目的还缺乏深入的认识和理解。为此，在这次修订中，我们特别关注了两个方面：
（1）增强对科学思想和观念的理解
探究是源于学生自身的认识未知世界的活动，如果仅仅为了获得某一问题的答案，这只是目的的一部分，并不是科学素养追求的更高目标。学生在校学习科学的时间是有限的，教材承载的内容也是有限的。教材中设计的探究活动应当更加有效地帮助学生发展对各个领域重大科学思想和观念的理解，同时渗透科学的方法和精神，这一切如果在科学教材中能够具体化和活动化，就可以广泛地影响目前的教学实践。
基于这一认识，我们在教材修订时组建了由中国科学院从事不同领域研究的青年科学家参与的团队，对原教材探究内容的选择和过程设计进行了全面研究，并在多轮讨论的基础上，对教材活动的原设计进行了改进和提升。
①从一个个具体的现象中跳出来
从与科学家团队的讨论中，我们深切感受到，小学生对自然界的认识的确是从一个个现象开始的，不能让他们停留在这些具体事物上，需要引导他们发现与更大概念间的联系。
例如，“天气”部分不是为了记录气温而记录气温，为了观察风而观察风，而是要有意识地引导孩子建立天气现象与空气、水等地球物质以及太阳的联系，认识到观察和预报天气是人类的一项科学活动。
再如，“环境与我们”的内容，不能仅局限于垃圾、节水、节能这一类具体话题上，要让孩子们知道这些问题来自地球的特殊构造和人类不适当的活动，知道环境与资源保护的重要性，形成健康和积极的生活方式。 ②在不同学段和不同主题间建立起联系
科学的思想和观念对学生而言是要靠经验和认识的积累逐步完成的，因此教材的探究过程设计需要具有延续性和发展性，我们有意识地做了这方面的探索。
例如，我们在一年级上册编写了《比较与测量》单元，通过重演人类对长度的认识历史，促进学生理解长度测量的规则和工具。在三年级下册的《太阳、地球和月球》单元，用数方格的方法比较陆地和海洋面积的大小，使测量的方法和视角从一维扩展到二维。
又如，三年级上册沿用了一年级下册“我们周围的物体”在比较中认识事物的方法，而在研究地球物质“水”和“空气”的过程中，在比较的基础上，又增加了猜测和证实。这样，从“我们的地球家园”“天气”“太阳、地球和月球”“地表的变化”到“环境和我们”，既保持了探究方法上的一致，又逐步深入，使学生认识事物的经验不断丰富，获得的不仅仅是有关地球的知识，更深化了对地球与宇宙科学领域核心概念的理解。
（2）促进理论与证据的协调
科学思维的本质是理论和证据的协调，探究活动最终要促进的是儿童在事实和解释之间的协调能力和协调愿望，包括尊重他们亲眼所看到的，“意识”到自己的想法，愿意通过尝试和实验来判断一个想法是不是正确。这一过程需要从幼儿阶段就开始有所经历，是科学教材设计的一项十分重要的任务。我们着重从以下方面进行了努力：
①强调探究过程之间的关系
针对在教材使用中观察到的只重视事实收集和班级汇报，忽视讨论和论证的现象，我们借鉴学习循环理论，将教材的呈现方式设计为“聚焦”“探索”“研讨”“拓展”四个板块。“聚焦”在于明确探究的问题究竟是什么，“探索”提供了获取事实、呈现事实及初步形成解释的过程性活动，“研讨”列出了集体论证和辩论的关键问题，“拓展”提出了延伸学习的相关建议。四个板块设计的目的不仅在于帮助教师明确每个阶段的教学任务，更重要的是在于促进学生理解过程间的关系，即解决科学问题的过程是一个获得证据，合理使用证据建立解释，并通过与同伴的讨论，修正自己看法的完整的科学思维过程，学生在这一过程中经历的是他们的理论与证据的相互协调，而这恰恰与科学家们的研究工作极为相似。
②让探究与知识、技能的获得更好地融为一体
在教材使用中我们也观察到，科学教育的各项目标是需要精心设计、落实到课堂教学的各个活动中才能实现的，缺乏指导的探究往往是低效且肤浅的。在这次修订中，我们要求编者对探究活动的关键步骤和基本操作要做到具体、清晰和规范，用实拍照片呈现观察和实验的相关细节，将探究的关键步骤、基本操作与学生的认知框架结合起来，与我们想培养的科学思维方法结合起来，以促进学生原有认知与新的信息之间积极的相互作用。
例如，《生物与环境》单元对种子发芽、绿豆苗生長所进行的观察和实验，教材对什么条件改变了、什么没有变、如何控制变量都做了明确的要求和指导，这一做法在《电路》《声音》《能量》等单元中也都有明显的体现。
2.关于尊重儿童和他们的认知规律
为了使修订后的教材能够更好地适合我国儿童的年龄特点和认知规律，我们采取的一项重要措施是，从2018年春季起，分别在9个省的51所小学，对修订后教材的28个单元全部进行了试教（有部分单元试教了两次）。我们对试教过程也做了明确的要求，包括观察的内容和重点、需要收集的资料以及如何进行前后评测。所有的试教学校都按时完成了试教任务，并撰写了试教报告，对于我们改进和完善教材，使教材进一步贴近儿童的需要，发挥了十分重要的作用。在教材修订中，我们采取的具体措施是：
（1）给儿童充分陈述、交流他们观点的机会
儿童是带着他们的认识来到教室的，不是一块白板等待我们去涂抹，他们面对各种现象时也会产生自己的解释和预测，只有儿童意识到自己的想法与获得的新的信息之间存在矛盾的时候，他们才会产生探索的欲望并修正自己的观点。因此，我们在教材中十分注意提供专门的时间和机会让儿童陈述和交流自己的认识、观点和看法。比如，我们设计的每个单元的第一课都几乎与调动和测查学生的科学前概念有关，即就单元的探究主题启发学生陈述自己已经知道了什么，还想知道什么，同时用班级记录单的形式认真地记录下来，在后续的学习中引导他们不断地补充和修正，在单元的最后一课进行整体回顾。
在探索部分，我们同样积极鼓励儿童陈述和交流他们的理论。继“聚焦”部分提出问题之后，我们设计的第一个活动很多是“说一说、画一画我们对这个问题的看法”。在教材设计的探究过程之后还要反复追问“你还可以有什么方法”，并告诉儿童“你还可以想到更多”。
（2）基于儿童的生活和经验，同时对它们进行挑战
这是教材教学内容选择和探究活动设计的一项重要原则。我们在审视现行教材之后，在这方面进一步做了改进。例如，《工具与技术》单元对工具与技术的理解，选择了儿童所熟悉的砸核桃;《小小工程师》单元对工程系统性的认识是从“了解我们的住房”开始的;在《能量》单元，对多种多样能量形式的了解，是通过引导儿童分析公园的场景，讨论设施带来的变化，同时调查家里使用的能量展开的;《化学变化》单元的切入点则是“厨房中的化学变化”。
我们设计的一些活动，能够挑战儿童的已有经验。比如，在《环境与我们》单元的最后一课，我们就设置了一个真实的环境治理问题，并选择了角色扮演的形式，让儿童逐步理解环境问题是复杂的，需要从不同的角度加以平衡和协调。
（3）构建符合儿童心理发展特点的教学活动体系
在这次修订中，为了尊重儿童的心理发展特点，我们对一些单元的内在结构几易其稿，经历了反复修改的过程，最突出的例子是《物体的运动》单元。原设计是按运动和位置、直线运动和曲线运动、速度、斜面上的运动、多种多样的运动形式和我们的过山车的顺序安排的。经过两轮试教，教研员和试教教师提出还是应该将多种多样的运动形式前置，因为这更符合在课堂教学中观察到的儿童的心理需求。《工具与技术》单元也是一个经过实践检验后再确认的例子。开始，关于杠杆、斜面和轮轴这三种简单机械，编者都设计为通过收集数据，在对比中进行认识和了解。通过试教，我们意识到，必须让儿童经历亲身体验的过程，因此，在轮轴部分就设计了儿童直接参与的体验活动。
（4）展现儿童在科学活动中的思想过程
儿童在科学活动中的思想过程包括理论概括、实验设计、假设验证、数据解释、科学发现等认知过程，这也是促进儿童科学思维发展的基本要素。作为科学教材，关注儿童是如何设计实验的，是如何将事实和解释联系在一起的，是如何描述科学理论的十分重要。我们必须通过精心设计的活动给儿童提供支持，促进他们认知能力的发展。
在这次教材修订中，我们努力运用大单元的方式，从连贯的视角出发，让儿童不断经历上述思想过程，并积累属于自己的认知经验。例如，用“你认为物体是怎样发出声音的”“有哪些证据可以支持你的想法”等问题，将儿童对声音的探索形成一个有机的“链条”;用“如果不停地给杯子里的水加热，会出现什么情况”使预测成为理论与证据之间的纽带;通过“空气有质量吗”的提问，让儿童做出猜测，并用自己的实验进行证实。
与此同时，我们还努力为儿童经历的思想过程赋予鲜明的儿童特点。如对空气有质量的验证，设计为用垫圈作为计数标准;在描述地球的运动特点时，用橡皮泥和橙子做地球模型;在解释日食的发生原因时，仅通过3张纸片进行相关的模拟和发现。
我们还注意到，儿童的思想过程具有与年龄相称的一些弱点。例如，他们在利用证据建立解释的时候，能力还比较弱，表现为匹配度不够高。针对这一特点，我们在教材的“研讨”板块，注意引导儿童关注其他小组是怎么想的，其他同学是怎么想的，以便在不同意见的基础上进行比较，并使用班级记录单的形式呈现各种意见和观点，让儿童意识到，对同一问题会有不同的视角和解释，每个人都需要在社会化的学习中，促进自己科学思维的发展。