作者：道格拉斯·海霍（Douglas Hayhoe） （原题：关于土壤，学生和教师的惊人事实！教育研究与资源调查） 英文题目：Surprising Facts About Soils，Students and Teachers! A Survey of Educational Research and Resources 摘要 土壤是维持地球生命的关键资源之一，它不仅是我们几乎所有食物供应的基础，它在过滤水、支持生物多样性，甚至减缓全球气候的方式也同样重要。然而，世界上的土壤在许多方面承受着越来越大的压力。他们面临着前所未有的威胁，包括侵蚀、森林砍伐、沙漠化、盐碱化、封存（铺路）、污染、生物多样性丧失和气候变化。但是，土壤的重要性和免受这些威胁的必要性，不仅对于科学家和公众，而且对于大多数国家的教育系统的也还少有引起关注。虽然生物多样性丧失、气候变化、毁林、淡水供应和世界海洋等其他重要环境议题日益受到重视，但迄今为止，对土壤的关注很少。 少数国家已经提出应对这一挑战的方法，就是将土壤科学，例如其概念、关切和保护，作为国家科学课程的核心主题，以便从小学生学习关键土壤科学的概念，以及人们如何以及为什么应该以可持续的方式保护土壤。本文所调查的研究表明，学龄前儿童对土壤的深度及其在支持植物生长中的用途有初步认识，但对土壤的组成、形成或起源知之甚少。10-12岁的中学生在一些领域的话题，如土壤层的厚薄有了更多的了解，但对它的年龄和起源仍然一无所知。经过几个星期的动手活动，加上'动脑筋'讨论，5-6岁的学生能够做到'心中有土壤'，研学前后的图表表明了这一点，而10-12岁的学生则能够了解土壤的三维性质，并开始了解土壤的形成过程和年龄。 小学教师比他们的学生对土壤概念有更多专业理解。超过80%的人知道土壤是由岩石的风化形成的，蚯蚓能混合土壤，让更多的空气和水进入，降解过程为植物的生长提供土壤养分。然而，他们中很少有人知道在一把土中有多少生命形式，土壤形成需要多少年，土壤空气和水各占多少空间，土壤的哪个成分颗粒最，或者腐殖质扮演什么角色。经过两到三课程密集的动手活动，他们也能在理解上取得实质性进展，对土壤概念的理解所缺乏的知识下降了33％，与其他环境挑战相比，还对土壤需求保护的这一态度得到了提高。 对中学生（secondary students）所做的少量研究表明，他们对土壤的最初想法以及通过课堂活动加深对土壤的理解的能力，与中学生相似（middle school students）。中学理科教师对土壤的了解方面尚无研究报道。对中学农业教师的两项研究表明，他们对土壤科学教学的准备程度参差不齐。本文最后简要说明可用于土壤教育的资源，包括小学设备套件和单元手册，以及所有年级的期刊文章、网站和电子资源。鉴于现有的土壤教育研究和资源，本工作表明，关注土壤教育的人们可以做的最重要的事情是提倡将土壤科学作为一个单独的主题纳入其国家基础科学课程（如果尚未设置）。 关键词：土壤概念；可持续发展；教育；动手活动；初步想法；理解的收获 1引言 土壤是地球上最重要和必不可少的资源之一。了解土壤是正确维持土壤的关键。鉴于需要养活一个不断增长的世界，因此有大量研究着重于土壤在农业中的作用（Banwart 2011）。然而，健康的土壤不仅对粮食和森林至关重要；它们还可以过滤水，转化营养并维持世界生物多样性。此外，根据土壤研究人员约翰·扎克（John Zak）的说法，他们还可能在气候变化预测中发挥重要的反馈作用（个人通讯，2012年4月24日）。然而，在世界上最基本的资源中，土壤仍然是科学家和公众中研究最少和了解最少的，尽管最近欧洲土壤科学家最近对土壤认识和教育的关注表明，从幼儿开始，各个年龄段的人都有能力学习有关土壤科学的主要概念（图1）。 图1. 在“土壤行动周”期间（County Steinfurt德国斯坦富特县，2010年），年幼的孩子调查了德国格雷芬的土壤剖面。欧洲土壤意识网络帮助在不同国家不同地点组织土壤意识公共活动（Broll，2011 ） 科学教育研究——学生对科学概念的初步理解、最有效的教学策略等——已经蓬勃发展了三十年，每年有一千多篇会议论文和同行评议期刊文章发表。然而，关于中小学土壤科学教育的研究很少。例如，至少有50篇文章关注了小学生或他们的老师对光的最初理解和误解，以及在帮助学生学习光方面最有效的教学策略。类似的信息也可用于许多其他学校科学主题，例如力、运动、电、物质（matter）、某些物质（substances）、化学反应、动植物、生态系统、细胞和生殖。即使在科学课程的“地球与太空”部分中，与土壤科学相比，地震和火山、岩石和矿物、月相（phases of the moon）、恒星和行星等对我们的生存来说不那么重要的课题被提及得更频繁。相比之下，关于中小学土壤教育的文章每年只有发表一两篇。 土壤科学在大多数教育系统中并不突出，至少在美国是这样。例如，在佛罗里达大学，一个有近50，000名学生的校园，农业和生命科学学院有大约4，500名学生;但其中只有10人就读于水土保持专业（Collins，2008）。Collins的这项研究记录了全国范围内进入土壤科学专业的本科生人数呈下降趋势，并指出，根据与世界各地同事的轶事交流，这一趋势似乎是国际性的。 表1与某些其他地球和空间主题相比，土壤在一些英语国家和地区的中小学科学课程文件中的作用 中小学土壤科学教育的频率与大学一级相似。表1总结了各英语国家和地区课件中对土壤的引用。在加拿大、南非、美国及其省和州都明确提到土壤科学，尽管地质学和天文学等其他地球和空间主题出现的频率更高。相反，土壤科学在大多数国家课件中根本不是一个独特的内容主题，尽管如上所述，欧洲的土壤教育工作者在课堂以外的活动中积极促进对成人和儿童的土壤教育（例如Blum和Kvarda 2006；Broll 2006、2009；Creamer 2009；Hallett 2009；Houskova 2009；Towers et al。2010）。在非洲，许多家庭居住在靠近土地的地区，信息有限，现有情况好坏参半。在尼日利亚科学课程（Oludipe 2011）中土壤科学似乎并不突出。然而，在埃塞俄比亚的部分地区，土壤肥力和水土问题是学校环境俱乐部工作的重要组成部分，学生在学校大院和家庭土地上实施环境保护（Edwards et al，2010年）。 本文回顾了在小学和中学教学中对土壤科学的现有研究，并总结了可用于增强对土壤的了解以及对土壤在维持地球生命中所起的重要作用的认识的英语资源。 2 土壤中小学教学研究的结果 在本节中，将按级别（小学或中学）和科目（学生或教师）对学生和教师对土壤的初步了解以及有效帮助他们更好地了解土壤的课程进行研究。 2.1小学生对土壤的认识 2.1.1朴素认识 本节讨论四项研究，报告小学生对土壤概念的初步理解（表2）。其他几项研究报告在研学前后对土壤概念的理解后的收获（表3），但没有报告学生的初步理解，如在研学前所示。 Geyer等（2003，2004）在德国的小学与150名4-11岁的儿童一起工作。研究的目的是确定可以向不同年龄的儿童传授的土壤和农业生态方面的知识，儿童是否可以理解土壤的三维性及其与生态系统的相互作用，以及土壤科学如何学习。向孩子们介绍了该计划，并提出了以下问题：'为什么土壤会让您感兴趣？' 最小的孩子把土壤称为游乐场，而年龄较大的孩子对土壤的三维性有所了解，并提到种子，植物、树木和虫子，它们都生活在土壤中（图2）。 研究人员还让150名儿童画一幅画，表达他们对土壤的看法。这些研学前的图片揭示了以下对土壤的初步理解： 4-7岁：孩子将地平线（地面）放在图片的最底部。他们在图表中或头脑中没有'土壤'的任何位置； 7到9岁：有些图纸留有土壤的空间，但没有进一步画出来； 9-11岁：他们已经对土壤的外观、发生过程以及某种程度上的物理特性有点了解 Happs（1981，1984）采访了新西兰怀卡托（Waikato）的40名学生，从7年生到大学水平。该研究关注的是学生对土壤的性质、起源、年龄和深度的看法，以及土壤中可能发生的变化。 表2 各国小学生对土壤的初步了解 表3各国小学生土壤理解的前期进展 图2儿童以前对土壤的认识的思维导图（Geyer et al，2004） 首先向学生派发各种与土壤相关的熟悉材料（表土的松散部分，草皮，带有根系的草，粘土，锯末，盆栽混合料，卵石），并要求他们确定所看到的东西，以帮助他们从中得出他们关于土壤和土壤发育的概念。卡片上还写有各种刺激词，以进一步帮助提问：土壤，颜色，淤泥，岩石，砂粒，黏土，稠度，质地，结构，剖面，生物，植被，水，母体材料等。在面聊的基础上进行了选择调查，并向另外221名中学生进行了多项选择调查。 尽管几乎每个人都将土壤描述为生命的支撑，但许多人也将其称为“泥巴”。几乎一半的人认为土壤是与地球同时形成的，即具有100，000，000年(1亿年)的历史，尽管少数人认为土壤可能只有20年。有些人认为土壤是腐烂的植物和动物的产物，而有些人则说是源自火山灰。一些高中和大学生认识到土壤发育是一种“多源机制”。大多数人认识到土壤会随着时间而不断变化，但无法描述如何变化。只有在他们对土壤深度的估计中，学生的答案比较接近科学：三分之一的人认为土壤的深度小于1 米，另三分之一的人认为深度在1至10 米之间。 Russell等（1993年）与58名5至11岁的儿童合作。他们首先让学生参与探索活动，例如用放大镜察看土壤，思考哪些土壤最适合植物生长，然后到室外向下看一个洞，思考如果您可以按需要挖到最深的土壤，土壤会走多深。他们遵循这个探索阶段，进行了研学前面聊，以征求学生对土壤的看法。面聊侧重于以下主题： 1. 土壤的功能：一半以上的学生不知道或没有反应。大约三分之一的人认为土壤是用于种植植物。 2. 土壤的性质：几乎一半的学生没有提到土壤成分； 12名学生（大多是高年级）称土壤为混合物；最年轻的学生中有8个将土壤称为泥土或砂粒。 3. 土壤性质的变化：大约三分之一的学生提到土壤含水量或湿度的变化。 4. 土壤的起源：很少有学生提出土壤从何而来。一些人提到数百万年来土壤的形成，来自腐烂的植被，以及沙子或砾石。 还要求学生对他们认为的地下物体进行详细绘图。与上面Geyer等（2003，2004）报告的附图相比，它们可能已得到了更多的指导。因为结果一致，但也更具体： 1. 年幼的孩子倾向于画“无层”图 2. 其他学生在地下画了不同的层次，包括土壤、粘土、沙土、熔岩，或者他们发现蠕虫、管道、骨头、焦油、石头、老鼠和地球核心的地方。 3. 一些年龄较大的学生在他们的绘图中清楚地划出了一层土壤（图3）。 这四篇文章所总结的研究具有广泛的性质，涵盖5至12年。它包括学生讨论和面聊，以及分析标记的图表和学生绘制的图片。学生对土壤性质和功能的看法、土壤的变化以及土壤的起源和年龄也出现了类似的结果。在教学前，所有年龄段的学生： 1. 不清楚土壤的性质和组成 2. 对地下一层土壤有所了解 3. 倾向于将土壤视为支持植物生长和其他生活形式的家园 4. 对土壤的年龄一无所知，通常认为它已经有几百万年的历史了 5. 几乎不了解土壤如何因风化和侵蚀而形成，而侵蚀和侵蚀是造成土壤中沙，淤泥，粘土和腐殖质组成的原因 6. 对土壤的深度有所了解，比其他属性更接近实际。 这项工作应注意若干限定条件。首先，参与研究的学生似乎全部来自城市学校。在农村社区长大的学生，尤其是生活在农场的学生，可能给出了更明智的答案。其次，这三份报告中的学生来自相似的西欧文化。来自其他城市学校的学生会有不同的反应吗？第三，如果对北美各省和州的学生进行了同样的研究，这些州的土壤已经作为小学的正式主题进行了研究，如加利福尼亚、安大略省或得克萨斯州（见表1），那么来自初中生的数据是否为和我们在这里看到的完全不同吗？我不知道关于这个问题的任何数据，因为土壤通常不是国际科学评估中包括的议题之一。第四，这三项研究是在10、20和30年前进行的。例如，在20世纪90年代中期（Sharp 1996）对英国6年生的天文观念进行调查时，发现这些学生对天文学的了解比10年前被调查的6名英国学生要多得多(Baxter，1989 )。这一进展归因于在这十年中，电视上出现的天文学和空间节目的数量和质量有了很大的提高。过去二三十年的土壤科学情况是否也是如此？2008-2009年，美国史密森尼土壤展在18个月的展览中，有数百万人参看(Collins 2008; Megonigal et al. 2010 )。在芝加哥的菲尔德博物馆举办的更加永久性的'地下冒险'土壤展览也有许多人参加。在欧洲土壤意识网络（Broll，2011）以及许多国家的土壤教育网站（见下文）的协调下，在欧洲各地开展了越来越多的高质量土壤教育推广活动。然而，一般而言，没有迹象表明学生可获得的土壤科学信息发生了广泛变化，而且最有可能的假设是，今天大多数学生的初步理解没有改变。 图3英格兰一名初中学生在研学前的原始图，显示了提到了非常多矿物（Russell等，1993）。 2.1.2 研学活动的效果 五项研究试图量化各种'干预'或'研学'计划的效果，以提高小学生对土壤概念的理解，为不同年龄的教学策略提供信息（表3）。Gulay等（2010）评估了土耳其人对土壤五个方面的理解：土壤的特征、生活在土壤中或土壤之下的生物、其重要性、土壤保护以及土壤侵蚀的原因和影响。受试者被分成对照组和实验组，两组都接受了研学前、研学后和推延的研学后测试（2周后），但只有实验组接触到了9天的研学活动。儿童是根据两个标准挑选的：（1） 社会经济背景低，（2） 以前没有接触过任何关于土壤、侵蚀和环境的教育。研学活动包括故事、游戏、戏剧、歌曲、实地考察、实验、艺术和在教室的一角使用土壤。节目聚焦于木偶Tipitop，被称为'我们与蒂皮托普（Tipitop）和他的朋友一起了解土壤。实验组和对照组在测试前得分上无显著差异。实验组在研学后测试得分和推延的研学后测试分数上的表现明显高于对照组或他们自己的研学前分数。不幸的是，没有提供哪些土壤概念最初最清楚，或在研学过程中最有效地学习哪些土壤概念的细节。 Geyer等（2003，2004）也为4至11岁的儿童工作。教师课程和田野探索涉及学生检查土坑、各种土壤层和生活在土壤中的动物。在野外作业前后进行面聊，学生在课前、之后、几周和一年后提交标记的图表。野外作业后提交的图表包括更逼真的颜色和确定已挖掘土壤的层次。几个星期和几个月后，学生们记住了土壤层次。图 4 显示了一个9岁学生在现场工作前的、几周后、以及一年后的图表。在课前，只认为土壤只是一个游戏场地。实地工作后，学生记录土壤各个层次。6周后，土壤成了他生活的一部分，一年后，他仍然记得土壤层。现在，这是他“正常生活”的一部分。在分析了150名4-11岁学生在田间探索课程前后绘制的数百张图表后，作者得出结论： 1. 4-7岁的学生可能会记得土壤层，野外工作，但对土壤动物特别感兴趣，他们“经常且非常精确地画出来” 2. 7-8岁的学生记得土壤的颜色和发生过程 3. 9岁以上的学生对土壤的科学和生态很感兴趣，对发生过程和一些物理特性非常感兴趣。动物和植物不那么重要。他们了解森林生态系统和农业管理生态系统的差异。他们还能够对自己的研究作出自己的结论。 图4由9岁的学生在进行土壤田野探索之前（左）、之后、6周后和一年后制作的土壤图，显示了在学习土壤层方面的进步和持久性（Geyer，2004）。注意上图中绘制的各层中地下土壤特征的数量惊人。 Russell等（1993）的工作也涉及5-11岁的学生。在初次面谈后，学生在5周内接触研学策略（即课堂活动）。Russell等人的研学阶段采用了一些策略，包括鼓励儿童将他们的想法与'正确'想法并列着来评估，为土壤相关词汇制定更具体的定义，在概念中进行概括，以及使用辅助信息来源。具体的土壤研学活动包括教导孩子们仔细观察土壤，比较不同的土壤以及展开想象土壤地下有什么东西。 几周后，从学生那里获得了一组与研学前测试数据互补的数据（日志，图画，讨论，研学后面聊），并进行了分析以揭示： 1. 土壤的性质：年龄较小的孩子（7-9岁）最初很难理解土壤是由各种材料组成的，例如砂粒、粘土和生物材料。当石头相互摩擦产生灰尘时，孩子们仍然不知道这与土壤的起源有关。但是，当他们开始通过布料拉紧土壤时，他们开始发现土壤由几种不同的成分组成。最终，他们能够将土壤概念化为由几种有机和无机成分组成，尽管他们都没有提到空气是土壤的一个组分。 2.土壤比较：尽管有些孩子往往只从外观上就开始判断土壤的“好”，但他们很快学会了使用更好的标准（即公平测试），包括土壤对植物生长的支持程度。 3. 考虑地下情况：虽然一些动手实践与此主题相关的活动（例如，在1 米深的花园中挖洞），但几乎没有时间考虑次要资源。但是，许多孩子开始认识到在土壤下面我们会接触到岩石。（岩石是这个研学阶段中在土壤之后的下一个活动。） 研学后的面聊可以看出研学与不研学对土壤的性质和土壤中所含物质的理解大相径庭，包括： 1. 生物：研学后，将生物作为土壤成分之一的学生比以前多了（57％对27％），其中生物可以是植物、根、种子、微生物或小生物。 2. 土壤成分：虽然年轻学生在研学后提到土壤成分比以前少，也许是因为他们没有学到一些他们以前认为是成分的东西，但年长的学生在研学后提到土壤成更比以前多！ 3. 有机物（死的，不是活的）：研学后提到有机物的学生人数与以前一样（61％比60％）。 4. 无机物质：研学后所提到的学生人数大致相同 5. 颗粒大小：研学后提到土壤中不同大小的颗粒的学生比研学前多（74%对31%）。 6. 土壤的起源：在研学之前，有28名学生提到了土壤从一个地方到另一个地方的易位，而有8名学生提到了易位和转化。只有8名学生提到土壤正在转化。经过研学，有27名学生提到了土壤的转化，而只有18名学生提到了土壤的迁移。（通常，学生认为土壤的易地来自人类带来的花园、花园中心等）。 7. 土壤转化的性质：研学之后，更多的学生认为土壤是无机来源（26％比12％），一些学生提到火山喷发的熔岩，碎石，海砂，东西碰撞等。。 8. 土壤类型：当向学生展示5个土壤样品并要求将其分类为土壤或非土壤时，关于三个样品的前后结果混合在一起，表明在各种情况下，了解土壤真正是什么的持续微妙土壤的视角。（这三个样本包括沙质表层土，白垩土和潮湿的泥炭。） Lippert ( 2006 )使用基于网络的基本土壤模块，带有弹出式测试和音频文件，作为南卡罗来纳州97名7年生的研学内容。学生在课堂上回答了研学前测试的多项选择题，然后用2-3天在计算机实验室中学习了基于Web的模块，再在课堂上回答了研学后的试题。一个月后，他们再次对研学后的试题进行答题。研究的目的是了解基于网络的模块是否能有效地指导学生了解土壤。结论是肯定的，其中研学前测试的所有问题中的21个涨幅超过30%。3个问题涨幅中等为20-29%，只有2个问题涨幅微小为10-19%。同样的模块对150名大学生进行测试时，结果只是稍好一些。推延的研后测试显示比模块学习之后立即测试所获得的知识衰减了，但仍比研学前测试仍有显著进步（表4）。 没有足够的资料可以就特定项目的学习收获得出结论。此外，在26个问题中，学生在2-3天期间内，就取得了相当可观的成绩。这与Russell等（1993）在幼儿园至6年级的研究中采用的5周密集研学策略形成鲜明对比，其研学收获似乎没有那么显著。最后，这26个问题中的大多数似乎都与事实性、技术细节有关，而不是理解土壤科学的核心概念，这些概念可以通过动手调查，动脑讨论和提问，可以深深地扎根于学生的思维中。研学后学习收获（一个月后）远低于研学刚结束时的学习收获或这些问题的许多方面似乎都证明了这一点。 在Randler和Hulde（2007）报道的另一项德国研究中，某德国中学有123名学生报名参加了两个年级班，2个5年级和2个6年级。6个班级进行了5个开放式问题的研学前测试，其研学方案包括涉及土壤生态学的三个不同的生态实验：（1）研究苔藓的持水量，（2 ）研究草地对农田的侵蚀，以及（3）确定土壤的水净化能力。测试的主要变量是以学习者为中心的课堂与以教师为中心的课堂的影响。1个5年级和1个6年级接受了以学习者为中心的研学，其他两个班级则接受了以老师为中心的研学。在以教师为中心的课程中，老师进行了实验并与学生讨论了结果；在以学习者为中心的课程中，学生进行了实验。研学前测试是在研学之前完成的，第一次研学后测试是在研学之后进行的，而推延的研学后测试则在4周后进行。 研学后测试用了研学前测试中使用的同一五个问题，但又增加了两个问题。以下是研学前后测试的示例问题： 1. 哪些特定特征与青苔特别相关？（水保持能力）？日常生活中哪些具体器具具有类似的特征？（海绵） 2. 地上的水经常是脏的，地下水几乎清澈。请解释。（植物和土壤材料过滤脏水）。 3. 陡坡上的黑刺李经常种上杂草。有什么好处？（防止土壤侵蚀） 4. 如果土壤是裸露的（没有植物）会发生什么（侵蚀会带走土壤） 表4. 在26个有关土壤的知识问题上的学习收获（Lippert，2006）。七年生学习了一个基于网络的土壤模块，为期2-3天，并回答了以下问题。
表5. 推延1个月后保留下来的学习收获显著（Randler和Hulde 2007）。5-6年级的学生研究了苔藓的保水特性，与农业用地相比的草地水土流失以及土壤的水净化能力，并在以教师为中心与以学习者为中心的环境中测试了研学前后的理解。 两个研学组的平均分数在统计学上均相同（表5）。但是，对于研后推延的测试，以教师为中心的组的平均得分比教学后立即的研后测试的得分有所下降，而以学习者为中心的组的平均得分却保持不变，因此两组之间的差异。由此得出的主要结论很简单：以学习者为中心的教室，使学生可以进行动手实验，而不仅仅是看着和听老师在做和讨论实验，这可以显着改善长期学习效果。这一结论与关于学生理科学习的广泛研究一致。 2.1.3 总结 尽管他们通常知道土壤以某种方式支持植物生长，但最初他们对土壤的性质，组成和功能尚不清楚。他们对土壤的起源，年龄或形成几乎一无所知，尽管他们中的许多人，尤其是中学生，都知道土壤并不那么深，并且常常位于岩石之上（Happs 1984；Russell et al，1993）。 尽管如此，从学龄前到中学的所有年龄段的学生都可以开展有效的教育计划。虽然以教师为中心的短期项目可以使学生初步了解土壤的一些事实和细节（Lippert 2006），但对于小学生而言，要永久改变学生对关键土壤概念的理解，需要一个扩展的、4-5周的动手实践与“动脑”讨论相结合的项目（Geyer et al，2003；2004；Russell et al，1993；Randler and Hulde 2007）。 2.2小学教师对土壤的认识 小学教师对土壤的理解可能和学生一样重要，尤其是在土壤作为课堂学科教学的国家。然而，关于这个问题的研究很少。 2.2.1朴素认识 在对内布拉斯加州的108名中小学教师进行的研究中，38个项目中只有一个涉及土壤(Gosselin和Macklem-Hurst，2002)，该项目的得分最低。虽然38个项目的研学前测试的平均分数为55％，但只有16％的学生正确地不同意“土壤堆积为天然岩石层”这一说法。 在另外一项针对纽约州87名职前小学教师的研究中，进行了一项研学前测试，包括撰写粘土的定义、列出由粘土制成的产品以及解释粘土的起源（Rule，2007）。只有少数职前教师认为粘土是地球上的一种天然物质（表6）。最自然地想到的是模拟粘土，而不把粘土和地球的天然物质联系起来。就粘土的起源而言，11项建议中只有3项可以被认为是科学的：粘土在地下形成（9个回答），它形成于化学风化（5个回答），粘土矿物在土壤中发现（4个回答）。 土壤科学是安大略省三年级的一个专题，因此对职前小学教师对一套完整的土壤概念的初步理解进行了研究（Hayhoe等，印刷中）。在多伦多附近的一所中等规模的公立大学学习的125名中小学教师（K-6）中，有74名教师自愿回答了32个项目的多项选择问卷。职前教师代表了大多伦多地区的文化多样性，他们都拥有大学学位，但理科出身的很少。教师在问卷中的平均得分为55%，而随机得分为25%（表7）。 在进一步的研究中，在32个项目中，有25个被分配给同一机构的第二组98名职前小学教师，以及当地一所私立基督教大学的41名职前小学教师。结果都非常相似（Hayhoe等，印刷中）。表7中的结果表明，尽管这些加拿大教师了解很多重要的土壤概念，但他们对许多其他知识有误解或知识不足，很可能需要一些土壤方面的指导才能胜任教3年级学生。（必须指出的是，这些安大略省的大多数教师在他们自己的3年级学校中没有接受土壤科学教育；直到1999-2000年才进入课程）。 2.2.2 研学活动的效果 当土壤等地球科学主题被包括在职前小学教师学习的科学方法课程中时，他们的研学前成绩是否显著提高？在Gosselin and Macklem-Hurst ( 2002 )的研究中，学生们每周见面两次，总共4.5小时。课程内容'主要通过使用动手和思维方法，包括基于查询的活动来呈现。该课程由两个合作项目完成，一个与天气现象有关，另一个与溪流数据有关。然后收集研学后测试分数。关于土壤的单一项目的研后测试升值为16%（16-32%），这与38个项目的平均值（55-80%）相比没什么进步。经过研学指导，大多数学生仍然认为土壤是作为天然岩层沉积的。
表6 纽约州87名教前小学教师所理解的粘土的性质和起源（Rule 2007）。研学前测试包括编写粘土的定义、列出由粘土制成的产品，并解释粘土的起源 在Hayhoe等（已提交出版）的后续研究中，一所私立基督教大学的19位老师参加了一次课堂讲习班，包括两节3小时与土壤相关的动手活动和讨论，以及一些课后作业（Hayhoe等，2011）。课堂活动涉及多达十个动手实验，即学生学习三年级土壤单元通常在几个星期内进行的实验，以及小组和班级的讨论和阅读（图5）。在土壤活动5个月后和课程结束后4个月后，向老师们发放了相同的研学后测试调查问卷，以便可以分析研学前后对土壤概念理解上长时间的收获。 还开展了“环境态度”调查，并与土壤概念调查表同时进行。职前教师回答了20项李克特量表调查，以测试他们对五个环境主题的态度：气候变化，能源使用，水，核能和土壤。研究人员希望了解对土壤的关注是否与对土壤概念的初步理解有关，以及参与土壤活动的研学是否增加了对土壤的关注（与其他四个环境主题对照）以及对土壤概念的理解。这份32项土壤调查问卷和20项环境调查问卷分别发给了私立基督教大学（Tyndale）的19名学生进行研学前后测试以及之前提到的74名中型公立大学的学生（UOIT），（仅进行研学前测试） （来自中型公立大学的74名学生中，只有67名完成了土壤调查表和环境调查。）
表7. 74名职前教师的研学前测试土壤选择题（Hayhoe等，已提交出版）。测试了加拿大某中型公立大学的职前小学教师对不同土壤概念的初步理解
图5. 研究土壤的职前小学教师观察土壤的不同成分，从岩石侵蚀中注意到土壤的形成，并思考在土壤中蚯蚓虫的作用（Hayhoe等，2011）。 对于研学前测试的问卷和调查，两所大学的分数均值相同，32项MC测验土壤概念的平均值为57％，20项指标李克特量表环境调查的平均值为75-77％，这两个指标衡量了他们对土壤态度（图6）。对于研学后的调查，规模较小的大学的19名教师的土壤概念从57％上升到78％，土壤态度从75％上升到88％（图7）。这项研究表明，科学方法课程中10％的上课时间可以显着影响环境关注和教师对土壤的概念理解，尽管其中一个的增加与另一个没有相关性（即，在对土壤的环境关注增加最多的教师不一定就对重要的土壤科学概念的理解程度提高最大）。 在这项研究的第二年，32项的土壤调查被缩减为25个项目，删除了教师在以前的研学前测试中最初得分达到90%左右的项目，以及一些差异指数较差的项目（Hayhoe等，提交出版）。当将这25项的土壤概念调查应用于私立和公立大学的新一批职前教师，并重新分析前几年的结果时，这两年的数据非常相似（表8）。 这些结果的一致性表明，任何影响都不是某一群体或大学所特有的。唯一的显著效果是职前研学收获：教师对这些土壤概念的理解方面提高了37% [67.1−48.1]/ [100−48.1])。将表9与表7进行比较，在一些项目上，职前教师取得了很大的成绩：了解在一小把土壤中有多少生命形式，土壤形成需要多少年，腐烂的有机物那一部分被称为（腐殖质），以及它的作用，土壤的哪个成分首先在水（砂）中沉降，以及如何通过质地区分干土和干粘土。
图6. 教师对土壤概念和对土壤的态度的理解（Hayhoe等，2011）。加拿大一所小型私立基督教大学（Tyndale）的职前小学教师在土壤概念和土壤态度的研学前测试中的表现与中等规模的公立大学（UOIT）的教师相同。
图7. 教师对土壤的理解和态度的职前学习收获（Hayhoe等，2011）。加拿大一所小型私立基督教大学（Tyndale）的职前小学教师在土壤观念和土壤态度上都有所提高，尽管个别教师的学习收获之间没有显着相关性 在其他一些项目上，他们取得了适度但显著的学习收益——好土壤是50%的空间是空气和水；土壤中最小的颗粒是黏粒；土壤真菌太小，无法用放大镜看到；土壤可以滤我们水中的杂质——尽管在推迟的研后测试的成绩中，仍然只有少数职前教师正确回答了这些问题。
表8. 两所大学的职前小学教师在2年内对25项与特定土壤概念有关的项目的研学前测试成绩和收获（Hayhoe等人，提交出版稿）。 a四个研学前测（两个机构历时两年）之间的差异不显着 b两年前的研学后期测试之间的差异是很大的（p <.001）
表9. 有41名职前小学教师的选定土壤项目在2年内的研学前平均项目得分（Hayhoe等人，已提交出版）。此表中的研学前测试方式适用于41名Tyndale职前教师，而表7中的研学前测试方式适用于74名UOIT职前教师 2.2.3总结 在关于小学教师了解土壤的三项研究中，第一项研究只涉及一个概念（土壤不像岩石层一样沉积）。第二个只涉及与粘土有关的概念，虽然非常深入。只有第三组研究报告了各种土壤科学概念。他们发现，虽然大多数职前小学教师没有在中学后学习过科学，可能从未学习过土壤科学，但最初却了解许多关于土壤的重要概念。同时，他们有许多误解或无知的领域。在他们的科学方法课程中虽然只有2-3节课，却获得了长期的学习收获 将他们对土壤科学概念的知识和理解上的缺乏减少了三分之一。在一个涵盖许多土壤科学概念的研学计划中，在适度的课时和阅读中，这个效果是可以预料到的。 2.3 中学生对土壤的认识 只有两项研究报告了中学生对土壤的初步了解（表10）。Happs（1981，1984）的调查结果已经报告（第2.1.1节）。Drieling（2006，2008）通过面聊和绘画的方式研究了德国15-16岁高中生的想法。一位学生认为，在地下存在着均匀的物质，动物生活在那里，也许在下面有水。另一名学生设想“从不同材料（例如土壤、砂砾、砾石或岩石）划分的地质层的意义上，来确定的土壤层”。第三位学生记得在树林里挖一个洞，在地下的土壤中看到了许多不同的颜色和成分。Drieling得出结论，对土壤层次和剖面的接近科学理解的程度方面，学生之间存在很大差异。 三项研究报告了在中学阶段对土壤认识的有效研学活动（表11）。Cattle等（1995）介绍了计算机的使用，向高中和大学生教授土壤科学的详细过程。由于在过去的几年中技术发展迅猛，因此该程序的详细信息现在可能用处不大。Drieling（2008）提议使用一种建构主义的活动模式，与一群11年级的学生合作，以了解德国土壤科学的指向。这一周期的活动包括引出先入为主的观念，在活动中通过与原始观念进行比较来重新构造学生的观念，进行澄清和交流、新思想的构建和评估，最后应用和综述新观念。在此周期中，她使用了五个具体步骤（Drieling，个人交流）： 1. 学生想象脚下的泥土，并创建一个贴有标签的草图。 2.接下来想象，他们铲出一些泥土，并记下他们发现的东西。 3. 然后，使用铲子或螺旋钻来剖开土壤剖面，在每个土壤层次进行适当的检查 4. 从不同土壤层收集样品并进行实验室测试，例如pH值。 5. 汇总他们的结果并得出结论。 6. 将他们的发现与最初的想法进行了比较和对比。
表10. 三个国家的中学生对土壤的初步了解
表11. 三个国家中学生土壤研学活动 Moebius和Elsevier（2008）和Moebius-Clune等人的工作（2011）包括48名中学生，参加了14次有关水径流和土壤渗透的动手探究课程。学生们提出了自己的研究问题，其中包括“评估压实度，植被，岩石含量，粒径，坡度和先前含水量等对径流和入渗分配的影响的问题”。学生们完成了一系列的工作表来指导他们的探究，写日记，回答一系列针对实验的问题，并与现实世界的问题相关联。（有关单位的网站，请参见Moebius和Elsevier 2008）。研学前测试由以前州统考的多项选择题（纽约）中挑选的13个多项选择题以及四个简答题组成。由于学生来自农业地区，因此他们中的许多人在研学前测试中表现都很好。 除了回答研学前测试外，学生团队还介绍了与他们自己的径流和渗透调查研究相关的最终项目。最后项目分数的分布是双峰的。在峰的高端，一群八名学生投入了额外的努力，超越了大多数。在低端，一些项目显然努力很少。有趣的是，测试分数（13 个多选和 4 个简答题）与最终项目分数之间没有相关性，尽管测试分数的增益和最终项目分数之间存在负相关关系，这表明两种评价方法评估了不同的技能。学生还完成了11个项目的调查，以评估他们对该项目的兴趣。在大多数项目上得分很高（表现出他们的热情和兴趣），在两个项目上，得分都很高。 绝大多数学生说，比起平常的中学实验室的实验更喜欢这种研究，并且他们学会了像研究科学家一样在团队中工作。 Happs（1981，1984）的研究表明，中学生无疑比小学生对土壤有了更深刻的初步理解。Drieling （ 2008 ） 的工作说明了如何将建构主义学习模式与实际土壤剖面调查成功结合，使高中生能够从根本上改变他们的土壤观念。Moebius-Cline等（2011年）的工作表明，学生确实可以从关于水径流和渗透等特定土壤主题的深入探究活动中受益。除了这两项研究之外，总得来说，中学生的（土壤研学）工作研究得很少。（见下文中学专业农业课程的学生）。 2.4中学教师对土壤的了解和舒适度 据我所知，尚无有论文发表研究关于中学科学教师对土壤科学的初步理解，一些研究报告了中学教师（农业、社会研究、科学）对土壤知识的准备程度和舒适度。这里总结了其中的四个。 首先，Puk和Behm（2003）研究了中学科学教师准备讲授包括土壤在内的环境主题的准备情况。他们向全省的中学科学和地理老师发送了500份调查问卷，并收到了226份完整的调查问卷。结果表明，教师往往没有教授已融入主流科学和地理课程的环境成分。原因包括教师缺乏时间和缺乏知识。多数教师没有特别讲授土壤概念。 Van Meter和Santucci（1990年）关注印第安纳州（一个以农业为重点的州）的中学农业和地理教师对印第安纳州进行土壤调查（用于种植、土地管理和环保主义者）的频率。他向所有中学发送了184份调查，并收到了145份已完成的调查。调查分析表明，虽然农业中学教师熟悉土壤调查，而且大多数教师在课堂上都使用了这些调查，但只有少数地理老师对此有所了解，而很少有地理老师在课堂上充分利用这些土壤调查。有趣的是，城市和农村地区的结果是相同的。研究人员得出结论，土壤调查主要与农业和农场规划需求有关。 Wingenbach（2007年）研究了德克萨斯州职前农业教师的知识和舒适度，涉及农业力学、就业能力特征、农业与环境、动物科学、植物和土壤、农业企业管理，土壤与土壤形成以及食品等内容。他们发现，除了土壤之外，这些水平对其他主题被是足够的。虽然在德克萨斯州，土壤的确在课程中有所体现，但鉴于我们对小学教育和中等教育中的土壤和土壤教育缺乏兴趣的知识，这不足为奇，（表1）。 最后，Houck and Kitchel（2010）研究了肯塔基州的职前农业教师的内容知识。与Wingenbach（2007）等的先前发现相反，这项研究表明，与动物科学、农业工程、农业经济学和其他农业社会科学相比，教师在植物和土壤科学方面的得分最高。但是，他们指出，与其他任何主题相比，这群学生在植物和土壤科学方面的课程准备更多。 总之，一小部分的研究表明，中学地理和科学教师很少关注土壤科学，尽管它可能与他们的一些课程主题有关。具体到职前农业教师，在肯塔基州和德克萨斯州进行的研究结果表明，他们在中学阶段教授土壤科学的准备程度如何，与课程中的其他主题（如动物科学、食品科学、农业管理和工程）给出矛盾的结果。 3 可用于中小学土壤教育的资源 在小学课程中，有许多优秀的英语资源可用于土壤教学。其中包括完整的设备套件、广泛的课程手册、教师期刊的文章以及带有活动的网站。在中学和中学一级，资源主要有期刊文章和网站。 3.1 用于教授初级土壤单元的设备套件和资源手册 3.1.1 成套设备套件 北美许多文教区都有'科学资料袋分发系统'，能够为小学教师 （K-4） 提供一个月或更长时间的完整土壤科学工具包。工具包用过之后，技术人员会将其翻新并发送给另一位教师继续使用。设备完整的工具包的成本在 500 到 1，000 美元之间，但每次的个人使用的价格相对较低。它包含研学所有需要的道具（砂粒、粘土、粉粒、壤土、放大镜、过滤器、种子、托盘、纸巾等），可以让教师带领研学班开展一系列引人入胜的动手活动。大多数工具包还附带教师培训 CD、详细的课堂课程手册、活动卡或可用于每个实验的'优质专业教材'以及评估策略和活动。下面依我个人经验介绍的两个工具包（STC、FOSS），并能够证明其质量不差。 STC Soils。国家科学资源中心 （NSRC）的 STC 单元套件提供英语、西班牙语和瑞典语版本，费用为 480 美元。该套件面向2年级学生，它已成功在多伦多的3年生教室中使用。该单元包括 16 个详细的动手课程，供学生使用个人练习簿进行练习，并附带教师指南、教师工具 CD、16 个可重复使用的学生指南和 32 名学生的班级的材料。（请参阅http://www./STC/Elementary/Soils/index.asp，2012 年 4 月 15 日访问）。可下载示例课程。NSRC网站上的描述是准确的：'土壤，一个为二年级学生提供16课的单元，加深了孩子们对土壤的认识和鉴赏。通过简单的测试，学生学会识别土壤中的砂粒、粘土和腐殖质。他们还研究水如何影响不同类型的土壤。通过长期试验，探索根系和植物在各种土壤中的生长方式，以及在蠕虫的帮助下，衰老的植物如何被分解并成为土壤的一部分。然后，运用他们所学到的知识，调查他们当地土壤。” FOSS Pebbles，Sand and Silt（FOSS砾石，砂粒和粉粒）。FOSS（the Full Option Science System）是劳伦斯科学馆的一部分。与 NSRC 一样，FOSS 套件涵盖幼儿园到六年级的所有年级的学习。售价为924美元（delta-education.com/fossgallery.aspx?menuID=2http://www，2012年4月15日）。与 STC 土壤一样，该套件针对2年级，但也适用于1-3年级。除了完整的设备，该套件还包括学生视频和一个最新的网站，为家长、教师和学生提供页面（http:///modulesK-2/ Pebbles SandandSilt/index.html，2012 年 4 月 15 日访问）。与STC土壤不同，FOSS套件让学生调查岩石和矿物，引导他们看到砂粒和黏粒来自哪里，然后使用它们来构建和建造物体，最后开展土壤探索，学生可以将土壤进行拼凑和分开，将腐殖质作为土壤的成分加入土壤，并比较自制土壤和本地土壤的差别。 3.1.2 教师资源手册 《环境中的土壤》（Andrews等人，2009年修订版）。这份长达75页的三年生资源手册，有25张夹层学生活动表，包括23节课，几乎包括适合小学生的土壤科学的各个方面。主题包括土壤、土壤和水的组成、土壤成分的特征、渗透、径流和水的沉积、土壤剖面、生活在土壤中的生物、土壤中植物根系的生长以及使用堆肥机。（可从www.bill-andrew.com联系作者获得，访问2012年4月15日）。 挖吧！动手土壤调查（NSTA，2001年）（Dig in! Hands-on Soil Investigations (NSTA 2001 )）。国家资源保护服务局（NRCS）和国家科学教师协会（NSTA）为小学科学教师和管理人员创建了这份长达129页的综合资源。它的目标是幼儿园到4年生。每节课遵循五步学习周期 - 感知（30 分钟）、探索（30 分钟）、应用（30 分钟）、评估（15-30 分钟）和可选扩展（每个 30 分钟）-并包括一个或多个学生活动表（优质专业教材）。12课讨论的题目包括土壤成分（砂粒、黏粒和粉粒）、土壤的形成、土壤层次、生活在土壤中的植物和动物、地球上的土壤数量及其在粮食生产中的用途、土壤中生长植物的需要、生活在土壤中的微生物，食物链，蠕虫，水和风侵蚀对土壤的影响，土壤科学家，创建一个学校花园。该书以印刷版（22美元）或电子版本（16美元）形式提供NSTA（http://www./recommends/ViewProduct.aspx?ProductID=12309，2012年4月15日访问）。 成套设备套件是能够将一门科学教学重点放在土壤上的小学教师的理想选择。由于它们价格昂贵且需要不断翻新，因此必须有一个中央系统才能在学校，地区或区域级别维护科学工具包。在这里讨论的两个工具包中，STC Soils更侧重于土壤，并且对于仅涉及土壤的课程单元非常有效。FOSS Pebbles，Sand and Silt更适合于1-3年级的集成岩石-土壤课程单元。 完整的教师资源手册，包括一系列全面的土壤科学课程，也可以是宝贵的资源。在这里介绍的两个手册中，安德鲁斯的《环境中的土壤》包含更多的土壤科学。虽然针对3年级，但它也适合初中（4-6年级）。NSTA's Dig in! Hands-on Soil Investigations是一份广泛的资源，但更适合小学程度较低的学生。它很好地利用了5-E学习周期，并且老师不需要较多的背景知识。 其他优秀的书籍包括《土壤：获取内幕消息》（美国土壤科学学会，2011年），以及布朗和迪金森的《地球科学：土壤的多方面研究》。（泽菲尔，1994年）。 3.2 小学、中学和中学教师的土壤短文 在非同行评审的教师期刊和其他科学活动期刊上发表了许多出色的文章，其中对小学（幼儿园至六年级），中学（7-9年级）或中学（10-12年级）学生的土壤科学概念的教学提出了有益的想法或观点。这些通常可以从订阅期刊的图书馆的网站上下载（表12）。这些文章应被认为是对单元资源进行土壤教学的补充，尤其是对小学这一水平。对于中学和中学的老师以及土壤教育者（包括推广人员），文章提供了许多好的想法。 3.3用于土壤教育的网站和其他电子资源 表13列出了欧洲和美国有关土壤教育的网站。欧洲的许多链接都位于欧洲土壤数据中心的教育材料清单中（2012年4月1日访问http://eusoils.jrc.ec./Awareness/inventory.cfm）。美国的许多链接都位于美国农业部土壤教育网站上（2012年4月15日访问http://soils./education/）。
表12 小学、中学（7-9年级）和中学（10-12年级）教师的土壤文章
表13 土壤教育资源网站* 4 结论 针对不同年龄段，年份和国家/地区的学生进行的研究得出的结论是，尽管各个年龄段的学生都对生命，特别是植物生命的必要性表示欣赏，但他们往往开始对土壤的组成，形成和起源知之甚少。但是，通过使用一系列持续数周的有效动手活动，年龄在5-6岁的儿童能够对土壤的观念产生持久的改变，如面聊，图表，活动结束后几个月进行客观测试。9岁以上的学生可以对土壤的三维性质有更深入的了解，并开始了解土壤的形成过程和年龄。中学生能够走得更远，并且经常在中学生态系统单元中学习一些土壤知识。像学生一样，小学老师在对土壤的研究中已经有了一定的了解。职前科学方法课程中的深入课程可以大大提高其概念理解。中学教师对土壤的了解很少。仅在这一级别的特定农业课程中讲授。 尽管土壤很重要，而且学生甚至年轻的学生都有学习土壤的能力，但是大多数国家的科学课程并没有将一个常规单位用于土壤，尽管这个问题经常在课程中的的生态系统单元中有所涉及。加拿大和美国的某些地区除外，在这些地区，学生在2年级或3年级详细研究这个主题，并且有许多优秀的设备套件，教师资源手册和教师文章。关于土壤教育的网站在整个欧洲随处可见。 尽管对小学和中学土壤教育的研究有限，但结果始终表明，学生接触与土壤科学有关的信息和动手实验可以鼓励学生长期提高对土壤科学的认识。在有可用资源的情况下，关注土壤教育的人们可以做的最有效的事情之一就是确保该主题在其国家的国家课程（通常是科学，但在某些情况下是地理）中找到永久的位置，并确保课堂老师是在各国土壤科学学会给予必要的培训、资源和支持后，可以有效地进行教学。 References ACARA (2012) The Australian curriculum online, Australian curriculum assessment and reporting authority. Accessed at http://www./ on 5 Apr 2012 Andrews WA, Young VAF, McEwan SJ (2009 rev.) Grade 3 Earth and Space systems strand: soils in the environment: unit plan and student activity sheets. 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