史永悅　杜　欣　蘇玉成

(中央民族大學理學院，北京 100081)

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外國教育

從科學與工程教育看美國新科學教育標準

史永悅1杜欣2蘇玉成2

(中央民族大學理學院，北京 100081)

[摘要]美國《新一代科學教育標準》將科學與工程學實踐、學科核心概念和跨學科共同概念進行了有效整合，組成了由學習進階貫穿始終的三維框架體系。從科學與工程學實踐的角度來看新標準的實施，使我們看到了美國科學教育的轉(zhuǎn)變。其中最大的改變是提升了對于工程學概念的理解，將工程設(shè)計與科學探究放在同等重要的位置，通過工程設(shè)計與技術(shù)應(yīng)用來強調(diào)核心概念的學習。其設(shè)計理念為我國理科實踐類課程的開展提供了重要啟示：凸顯物理學科核心概念；加強跨學科概念間的聯(lián)系；滲透科學與工程學實踐。

[關(guān)鍵詞]科學教育；新一代科學教育標準；科學與工程學實踐；美國

2013年4月9日頒布了美國《新一代科學教育標準》(Next Generation Science Standards,以下簡稱《新標準》)。新一代科學教育標準，將科學與工程學實踐納入其中，與學科核心概念和跨學科共同概念進行有效整合，形成了三維框架體系。科學與工程學實踐成為三維中的“一維”，前所未有地突出了“實踐”，尤其是工程實踐在K-12教育中的重要地位。使得學生在現(xiàn)代信息技術(shù)社會中，能夠更好地應(yīng)對當前和未來的挑戰(zhàn)。

一、《新標準》制定的背景分析與基本理念

1.科學教育本質(zhì)觀的轉(zhuǎn)變

1996 年，美國發(fā)布了第一套《國家科學教育標準》(National Science Education Standards， NSES，以下簡稱《科學教育標準》)。在實施17年后，頒布了《新標準》。隨著科技的發(fā)展和教育科學的不斷完善，人們對于科學本質(zhì)、科學精神和科學素養(yǎng)有了新的認識。強調(diào)科學活動既是動腦的思維活動，也是動手的操作活動?？茖W實踐包含了科學探究的全部內(nèi)容，強調(diào)了動手實踐的重要意義。如何在信息大爆炸的時代背景下給予學生必要的科學與工程學知識，使他們更好地面對生活和未來職業(yè)成為美國科學教育面臨的問題?！缎聵藴省返闹贫ㄊ腔诿绹A(chǔ)教育階段科學教育的現(xiàn)狀，如在國際評價測試(PISA國際評估項目)中的表現(xiàn)較差，中小學課程內(nèi)容過于寬泛、結(jié)構(gòu)松散、內(nèi)容不夠聚焦和連貫，忽視了學生參與實踐的重要性等。而且當前美國學生的知識結(jié)構(gòu)和實踐技能跟不上時代的需要，畢業(yè)后從事科學工程領(lǐng)域工作的學生比例過低，難以滿足國家對科技人才的需求。加之美國聯(lián)邦政府越來越重視科學、技術(shù)、工程和數(shù)學教育(STEM)。

正是在這樣的背景下，美國于2010年初開始了新一輪科學教育標準的研制工作，2011年7月頒布了《K-12年級科學教育的框架：實踐、交叉概念以及核心觀念》(以下簡稱《框架》)。從《框架》到《新標準》的制定一共經(jīng)歷了兩次修訂。2012年5月11日至2012年6月1日，2013年1月8日至2013年1月29日，《新標準》的草案發(fā)布到網(wǎng)上公開征求社會大眾的意見。每一份草案都獲得了超過10 000人次的評論和建議，包括一些學校和學區(qū)的討論組、科學社會團體和各個州的審閱小組。[1]

2.科學與工程實踐整合學科知識

《框架》[2]最基本的理念在于使學生經(jīng)過K-12科學學習后，能夠積極參與到科學和工程實踐中,能夠運用跨學科的概念來加深對科學和工程領(lǐng)域核心概念的理解。通過科學與工程實踐對各學科的知識與能力兩方面進行整合，使得學生具備更加豐富的科學知識和適應(yīng)現(xiàn)代社會的能力。《新標準》的設(shè)計基于《框架》的六個基本原則[2]：(1)孩子是天生的研究者；(2)學生對科學的理解是持續(xù)發(fā)展的；(3)聯(lián)系學生的興趣和經(jīng)驗；(4)促進公平；(5)聚焦于核心概念和實踐；(6)科學和工程既需要知識也需要實踐。在這些基本原則的指導(dǎo)下，《新標準》的設(shè)計理念也從如下7個方面發(fā)生了重大的轉(zhuǎn)變：K-12科學教育應(yīng)該體現(xiàn)出科學本質(zhì)的相互貫通及在現(xiàn)實世界中的實踐和經(jīng)驗；下一代科學教育標準是學生的表現(xiàn)期望而不是課程；科學概念的建立在K-12教育各階段是一致的；聚焦更深層次內(nèi)容的理解和應(yīng)用；科學和工程都被整合進入下一代科學標準中，從幼兒園貫穿到12年級；為學生更好地進入大學深造、未來職業(yè)發(fā)展和成為公民做準備；與《共同核心州立標準》英語語言藝術(shù)和數(shù)學相聯(lián)系。[1]這都體現(xiàn)了美國新的人才培養(yǎng)戰(zhàn)略觀。

二、《新標準》的框架體系與示例

《新標準》提出了由科學與工程實踐、學科核心概念和跨學科共同概念三維整合的框架體系。每一個維度都列出了6~7個重要的概念和內(nèi)涵?！缎聵藴省钒ㄎ镔|(zhì)科學、生命科學、地球與空間科學及工程技術(shù)與科學應(yīng)用四大學科領(lǐng)域。涉及物質(zhì)科學領(lǐng)域共列出了4個學科核心概念，如表1所示。三維目標的核心是學科核心概念，通過科學與工程實踐的縱向深入，不斷地加深學生對于科學知識的理解。通過跨學科共同概念的橫向聯(lián)系，加強各學科知識間的交叉滲透，并反復(fù)強化建立有效聯(lián)系，加深學生對于學科核心概念的理解從而幫助學生形成對科學的更廣泛、更靈活、更連貫的理解，為日后學習打下基礎(chǔ)。

表1　《新標準》的主題框架和三個維度

標準的內(nèi)容呈現(xiàn)由三個部分構(gòu)成：表現(xiàn)期望、基礎(chǔ)框、聯(lián)系框?！氨憩F(xiàn)期望”呈現(xiàn)的是理解該部分的內(nèi)容所應(yīng)達到的期望，包括闡釋性陳述及評價界限；“基礎(chǔ)框”是組成表現(xiàn)期望的基礎(chǔ)，回答了每一表現(xiàn)期望應(yīng)該如何達到的問題，包括三個方面：科學和工程實踐、學科核心概念、跨學科概念。底端的聯(lián)系框會展示每一表現(xiàn)期望與同一年級的其他學科核心概念、不同年級對應(yīng)學科核心概念及《共同核心州立標準》英語語言藝術(shù)和數(shù)學的聯(lián)系。標準中每一學科的主體部分都圍繞著對應(yīng)的核心概念，對學生的表現(xiàn)期望，構(gòu)成表現(xiàn)期望所對應(yīng)的科學和工程實踐、學科核心概念及學科共同概念、不同年級各相應(yīng)學科的核心概念都進行了詳細描述。

以物質(zhì)科學為例說明,4個核心概念(物質(zhì)和相互作用；力和穩(wěn)定性；能量；波及其在信息技術(shù)中的應(yīng)用)的呈現(xiàn)方式相同，都是以問題的形式引入。首先展示相應(yīng)核心概念所能解釋的自然現(xiàn)象，再對核心概念進行描述，并進一步呈現(xiàn)這一核心概念所包含的子概念。每個子概念同樣是以問題的形式引入，再進行詳細描述，并按照概念由淺入深逐步構(gòu)建這一認知發(fā)展特征。[3]這樣學習進階螺旋式的課程符合學生的學習路徑，通過前后知識間的聯(lián)系，建立循環(huán)往復(fù)的知識循環(huán)并不斷升華。

《新標準》在每一學段的開篇部分都對學生的表現(xiàn)性期望進行總體概括。分別陳述了學生在2年級、5年級、8年級、12年級結(jié)束時關(guān)于該子概念需要達到的學段目標(即需要達到的理解程度)。不同年級所涉及的同一概念“表現(xiàn)期望”是不同的，隨著年級上升逐級深入和逐級發(fā)展，表現(xiàn)為概念的進階發(fā)展。例如初中物質(zhì)科學部分對于核心概念運動和穩(wěn)定(力和相互作用)的表現(xiàn)性期待的總體概述[4]，如表2所示。

表2　初中物質(zhì)科學部分PS2表現(xiàn)性期待總體概述

三、《新標準》中的科學與工程實踐

如表1所示的維度一列出了科學與工程實踐的8個方面的概念或內(nèi)容。三維整合的框架體系通過對科學的核心概念的深入掌握、跨學科共通概念的橫向鉚接，使學生在實踐層面上對科學的思想、方法、知識加以應(yīng)用，最終在科學與工程實踐的操作中變得更加嫻熟和富有創(chuàng)造力。讓學生積極參與實踐和討論，更加強調(diào)動手實踐的探究而不是拘泥于經(jīng)過加工后的科學問題。將科學與工程實踐的內(nèi)容整合進入K-12教育的課堂，將更有益于學生的學習。研究者們認為工程學思維的形成是21世紀學生應(yīng)該掌握的一項技能；工程學教育有潛力增加學生在數(shù)學與科學上的成就；工程學內(nèi)容會潛在地增加學生對于STEM(科學、技術(shù)、工程和數(shù)學)學科和未來職業(yè)方面的興趣。而工程實踐的核心是以思考解決問題為目的，這與學習科學的理論之一PBL(Problem-Based Learning，基于問題學習)是十分切合的，通過良好的課程設(shè)計與實驗探究將有利于提高學生的創(chuàng)新能力并促進知識的理解與學習。

工程學的思想中包括了工程設(shè)計的過程、工程的思維習慣，包括系統(tǒng)的思考、創(chuàng)造力、樂觀、合作、交流和注意道德方面的考慮。工程學概念整合進入科學課程，幫助學生更好地適應(yīng)各學科間一些復(fù)雜的問題，為課堂提供更加真實和有現(xiàn)實意義的案例。工程學教育的滲透使受教育的公民獲得許多種類不同的知識與技巧，使人們能夠更好地理解和使用STEM知識以來解決一些現(xiàn)實的問題。就目前關(guān)于科學與工程實踐的類型和內(nèi)容而言，《新標準》中共有208條表現(xiàn)性期待，其中有42條標記有“*”，這些被標記的標準是通過實踐或?qū)W科核心概念整合了的傳統(tǒng)的科學與工程內(nèi)容。除了這些明確標記出的42條，還有7條的內(nèi)容也符合研究者的對于工程內(nèi)容的標準，所以涉及工程相關(guān)的一共有49條表現(xiàn)性期待，占總數(shù)的23.6%，足以說明編寫者們對于科學與工程教育的重視。[5]另外這些涉及科學與工程實踐的表現(xiàn)性目標所涉及的知識條目會鏈接指向框架所組成的三個維度，指向基礎(chǔ)框當中具體的學習目標，從而相互連接、縱橫交錯、螺旋式上升。所以，一共有76條具體的學習目標與這49條工程相關(guān)的表現(xiàn)性期待所連接，依次分布在《新標準》的四個學段中，如表3所示。

表3　各學段與工程相關(guān)的表現(xiàn)性期待和學習目標頻次表

分析發(fā)現(xiàn)工程所涉及的表現(xiàn)性期待很好地分布在每一個學段中，幾乎相同比例的表現(xiàn)性期待和具體的學習目標,分別呈現(xiàn)在這四個學段中，《新標準》中各學段涉及工程的PE、LG所占比如圖1所示。再次說明了科學與工程實踐對于不同學段學生學習都很重要，這也是《新標準》從“科學實踐”替代“科學探究”的重大轉(zhuǎn)變。體現(xiàn)了社會對于科學基礎(chǔ)教育課程的真實呼聲，不僅僅要為學生的進一步學習建構(gòu)起重要學科核心概念的知識基礎(chǔ)，更應(yīng)該為學生適應(yīng)社會成為21世紀的公民做好充足的準備。只有讓學生參與到實際的科學實踐中，才能加深對于科學本質(zhì)的理解，將知識與實踐技能融合起來，才能更好地解決實際問題。

圖1　《新標準》中各學段涉及工程的PE、LG所占總數(shù)百分比

通過真實的科學與工程實踐能夠激發(fā)學生的好奇心，培養(yǎng)他們對于科學的興趣，激發(fā)他們持續(xù)學習的動力。最重要的是讓他們能夠意識到科學與工程的作用是具有創(chuàng)造性的，已經(jīng)深深地影響著他們生活的世界。《新標準》的附錄F中對維度一當中科學和工程實踐的8個主題進行了詳細的介紹，各個學段以學習進階的形式做了具體的闡釋。這8個實踐內(nèi)容并不是割裂開的，他們的呈現(xiàn)是循序漸進、相互重疊和相互連接的，例如“提問與界定問題”如表4所示。

表4　提問與界定問題

四、對我國物理課程的啟示

1.凸顯物理學科核心概念

在基礎(chǔ)教育階段，更應(yīng)該重視學生對學科核心概念的掌握，通過橫向知識的整合，鼓勵學生參與科學與工程實踐，滲透對于科學本質(zhì)的理解和STSE(科學、技術(shù)、社會、環(huán)境)的教育，實現(xiàn)對本學科內(nèi)重要概念的深入理解與探索。通過學習進階的縱向知識整合，設(shè)計適合各個階段學生認知水平的課程內(nèi)容。如在物理學科中要凸顯學科的重要概念就需要對已有的學習內(nèi)容做以調(diào)整，著力凸顯學科中反復(fù)出現(xiàn)的核心概念，這應(yīng)該成為今后物理課程改革的一個方向。

2.加強跨學科概念間的聯(lián)系

雖然我國實行的是分科教學，各門課程體系都很完整，但缺乏各個學科之間知識的貫通，缺乏必要的交流。高考理科綜合卷也只是人為地將題目放在一張卷子上，缺少題目之間一些學科共同概念的聯(lián)系。共同概念在不同的學科中側(cè)重點不同，所以全面系統(tǒng)地理解這些重要概念需要各學科間交叉滲透，反復(fù)強化建立有效聯(lián)系。培養(yǎng)學生對這些共同概念的理解能啟發(fā)學生多角度思考問題的意識，所以我國需要加大對跨學科間共同概念課程資源的開發(fā)和設(shè)計，更加注重物理課程與其他學科課程的協(xié)調(diào)、整合和發(fā)展。

3.滲透科學與工程學實踐

重視科學與工程實踐在物理課程中的滲透，提升工程實踐在我國初、高中物理課程標準中的地位。物理和技術(shù)、工程有著密不可分的聯(lián)系，在教學中不但要介紹物理知識的技術(shù)應(yīng)用，還應(yīng)當讓學生親自體驗實踐，完成工程及一些技術(shù)項目活動。設(shè)計更多切合于真實物理情境下的工程實踐活動，而不只是通過文本與圖片的形式講解一些較為抽象的物理概念。在現(xiàn)有教學資源的基礎(chǔ)上，挖掘一些能讓學生體驗工程設(shè)計和技術(shù)應(yīng)用的學生活動，可以在現(xiàn)行教材的基礎(chǔ)上對課本中的“實驗”、“做一做”、“說一說”、“思考與討論”等欄目進行分析，在保持對原有概念的理解上增加些工程實踐方面的內(nèi)容。

雖然中美的教學體制不同，但經(jīng)過多次評議和修改的《新標準》體現(xiàn)了全球經(jīng)濟和貿(mào)易自由化背景下科學教育的新方向。以跨學科思維來整合各學科的核心概念，建立起科學與工程實踐相結(jié)合的、新的人才培養(yǎng)觀。從科學與工程教育看美國新一代科學標準，將新的課程理念與我國的國情相結(jié)合，無疑會為我國的課程改革和科學教育提供一定的借鑒和參考。

[參 考 文 獻]

[1] NATIONAL RESEARCH COUNCIL. Next generation science standards[EB/OL].[2013-04-16].http://www.nextgenscience.org/next-generation-science-standards.pdf.

[2] NATIONAL RESEARCH COUNCIL. A framework for K-12 science education: practices，cross-cuting concept，and core ideas[M]. Washington,DC:National Academy Press，2012.

[3] 楊文源，劉恩山.美國K-12科學教育框架中對生物學核心概念的關(guān)注及其啟示[J].生物學通報,2013(8):51.

[4] NATIONAL RESEARCH COUNCIL. Next generation science standards[EB/OL].[2013-04-16].http://www.nextgenscience.org/sites/ngss/files/PS_MiddleSchool_DCIs%20051413.pdf.

[5] TAMARA J MOORE，KRISTINZ M TANK,ARAN W，et al.NGSS and the landscape of engineering in K-12 state science standards[J]. Journal of Research in Science Teaching，2015(52):296-318.

[責任編輯：江桂珍]

[文獻標志碼]A

[文章編號]1002-1477(2016)02-0113-05

[中圖分類號]G511

[作者簡介]史永悅(1989-)，女，山東德州人，碩士研究生；杜欣(1989-)，男，陜西西安人，碩士研究生；蘇玉成(1955-)，男，河北順平人，教授， 碩士生導(dǎo)師。

[基金項目]教育部人文社會科學研究規(guī)劃基金項目(11YJA880092)；中央民族大學2015年研究生科研項目(10301-01502004)

[收稿日期]2015-11-06

[DOI]10.16165/j.cnki.22-1096/g4.2016.02.028