Mary Colson　Russ Colson

1986年，作為一個(gè)喜歡科學(xué)和教學(xué)的年輕地質(zhì)學(xué)家，我（Mary）開始規(guī)劃如何開始我作為8年級(jí)地球科學(xué)教師的第1年教學(xué)。我決定率先開始礦物鑒定活動(dòng)。我知道在巖石中發(fā)現(xiàn)了很多了解地球過去的線索，巖石是由礦物構(gòu)成的。一個(gè)高大上的出發(fā)點(diǎn)，至少我這樣認(rèn)為。

為了追求嚴(yán)謹(jǐn)，我設(shè)計(jì)了一個(gè)相當(dāng)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案。學(xué)生們觀察了許多礦物標(biāo)本，并進(jìn)行測(cè)試，以確定每種礦物的屬性。他們采用礦物鑒定表以區(qū)分他們的每一個(gè)礦物標(biāo)本。學(xué)生們踴躍地參與到活動(dòng)中，我視其為實(shí)驗(yàn)成功的標(biāo)志。但他們似乎并不興奮，也沒有足夠的好奇心和興趣探索那些超出我給他們的任務(wù)范圍的內(nèi)容。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，由于學(xué)生缺乏好奇心，我的熱情也受到了打擊。為什么學(xué)生們提出的問題沒有超出“我的答案對(duì)嗎”之類的？原因可能是：

沒有引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)活動(dòng)背后的問題。學(xué)生們盡了最大努力學(xué)習(xí)如何區(qū)分光澤、紋理和重量，但他們并沒有真正理解這樣做的理由，這超出了我對(duì)他們的要求。

活動(dòng)更多集中在我們知道了什么，而不是我們?cè)趺粗浪?。學(xué)生們測(cè)試硬度和重量，但對(duì)我們是如何知道地球更深層次的奧秘沒有任何理解。

活動(dòng)沒有涉及洞察地球特性的內(nèi)容，只是一些關(guān)于礦物質(zhì)的信息。例如，活動(dòng)沒有提供機(jī)會(huì)讓學(xué)生深入了解礦物質(zhì)是如何告訴我們地球演變的信息，以及礦物質(zhì)形成的過程是如何造成自然資源的分布不均的。

總之，活動(dòng)沒有讓學(xué)生投入到真實(shí)的科學(xué)調(diào)查中。

那么究竟是什么構(gòu)成了真實(shí)的課堂科學(xué)經(jīng)歷呢？《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（NGSS）的一個(gè)核心觀點(diǎn)是真實(shí)課堂中的科學(xué)應(yīng)該看起來很像真實(shí)的科學(xué)研究。如果我們想要理解課堂中的科學(xué)實(shí)踐，我們應(yīng)該看一看科學(xué)家實(shí)驗(yàn)室里的科學(xué)實(shí)踐。

2015年夏天，我走訪了Keith Koper博士——一位美國(guó)猶他州從事法醫(yī)地震學(xué)研究的地球物理學(xué)家。法醫(yī)地震學(xué)家從事識(shí)別、解釋，并定位人造的地震事件，如爆炸和核武器試驗(yàn)。2000年，Koper正在研究地震和爆炸的震動(dòng)特征的差異。他聽說一艘名為庫(kù)爾斯克號(hào)的俄羅斯?jié)撏г诎蛡愔Ш＿M(jìn)行軍事演習(xí)時(shí)被嚴(yán)重?fù)p壞。在北歐的地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)到大約和庫(kù)爾斯克災(zāi)難在同一時(shí)間和地點(diǎn)發(fā)生的2個(gè)事件。Koper和他的同事們想知道他們能夠利用地震數(shù)據(jù)對(duì)這次事故了解多少。一個(gè)引人注目的問題！

他們收集數(shù)據(jù)，并與他們所了解的不同類型地震事件產(chǎn)生的地震波進(jìn)行對(duì)比。他們的重點(diǎn)不是那些已經(jīng)知道的內(nèi)容，而是科學(xué)探索如何揭示出一些新的東西。他們從2次水下爆炸產(chǎn)生的雜亂的震動(dòng)波紋可以斷定，第2次爆炸比第1次大250倍（Koper等，2001）。他們的研究表明是爆炸，而不是與美國(guó)潛艇的水下碰撞導(dǎo)致了這場(chǎng)災(zāi)難（調(diào)查員認(rèn)定發(fā)生在潛艇上的爆炸是偶然事件）。Koper和他的同事們不僅獲得了新的對(duì)自然界的基本理解——不同類型的地震事件會(huì)產(chǎn)生不同類型的地震波，而且還幫助回答了世界各地新聞?lì)^條的政治敏感問題。

當(dāng)Koper敘述他的工作時(shí)，我被他的好奇心、從混亂觀察現(xiàn)象中理清頭緒的樂觀和對(duì)自己所不知道的事件的坦率承認(rèn)，而深深打動(dòng)。他的工作始于一個(gè)引人注目的問題，通過科學(xué)探究的過程研究一些不知道的事情，進(jìn)而產(chǎn)生對(duì)于宇宙的基本性的洞察。

我們科學(xué)課上的學(xué)生是否能夠像Koper的團(tuán)隊(duì)一樣工作，從而弄清楚他們自己觀察到的現(xiàn)象和想法，并在課堂上一直充滿好奇心，并堅(jiān)持不懈呢？我認(rèn)為他們可以，學(xué)生能夠：

尋找真實(shí)的問題，一些問題源自于他們。

通過科學(xué)實(shí)踐理解他們觀察到的現(xiàn)象。

在更大的科學(xué)與工程學(xué)核心概念情境中定位他們通過努力探索而獲得的理解。

真實(shí)的問題

從第1節(jié)關(guān)于礦物的課開始，我努力讓學(xué)生們尋找更多他們自己的問題。其結(jié)果總是學(xué)生更多地參與。

2年前，當(dāng)我們?cè)趪?guó)家地質(zhì)圖上查看巖石年齡的模式時(shí)，一個(gè)學(xué)生問：“我們能否用這張地圖的標(biāo)尺測(cè)量美國(guó)有多寬？”我說可以，然后學(xué)生們帶著自發(fā)的緊迫性投入到學(xué)習(xí)中。尺度、空間思維和問題解決這些內(nèi)容和能力的學(xué)習(xí)與培養(yǎng)立即就開始了。我聽到一個(gè)學(xué)生說：“我測(cè)得美國(guó)13英里寬，但這是不可能的。我開車到我奶奶家還要75英里呢?！钡谝惶旖Y(jié)束后，一個(gè)學(xué)生問：“難道僅僅是我們班做這個(gè)？”我意識(shí)到如果其他班級(jí)也做這個(gè)活動(dòng)，它將成為又一個(gè)由教師發(fā)起的課程。

允許你自己和你的學(xué)生去尋找學(xué)生們感興趣的想法。讓引導(dǎo)性問題來自于學(xué)生，即使它們不完全符合你的課程目標(biāo)。然后，抓住機(jī)會(huì)加入到學(xué)生中，加入到學(xué)生理解他們的測(cè)量、觀察和嘗試進(jìn)行解釋的過程中。

參與到科學(xué)實(shí)踐中

吸引學(xué)生參與到科學(xué)與工程的實(shí)踐中需要時(shí)間。我曾聽到各個(gè)年級(jí)的教師都說過“如果我給學(xué)生時(shí)間去搞清楚這些事情，我就沒有時(shí)間涉及所有的材料?！薄禟-12科學(xué)教育框架》的作者認(rèn)識(shí)這個(gè)兩難困境。他們寫道：“減少需要掌握的細(xì)節(jié)的絕對(duì)數(shù)量是為了給學(xué)生從事科學(xué)調(diào)查和論證的時(shí)間，并達(dá)到對(duì)核心概念的深刻理解。”（NRC，2012）。

因此，我們說要允許你自己不去覆蓋所有的材料。那么，如何將你的教學(xué)從依賴驗(yàn)證概念確定會(huì)成功的教學(xué)活動(dòng)，轉(zhuǎn)變?yōu)槭箤W(xué)生真正參與到科學(xué)實(shí)踐中去的活動(dòng)呢？我建議先從小的活動(dòng)開始，將你熟悉的一個(gè)菜單式調(diào)查活動(dòng)修改成符合NGSS的活動(dòng)。

多年來，我一直在做一個(gè)研究太陽對(duì)土壤和水加熱差異的實(shí)驗(yàn)。在最初的幾年里，我認(rèn)真完善了實(shí)驗(yàn)程序，想盡辦法防止學(xué)生引入會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤答案的變量。這確保了學(xué)生們可以得到好的數(shù)據(jù)，用來解釋諸如舊金山和圣路易斯之間的氣候差異。為了不斷完善實(shí)驗(yàn)程序，我嘗試了各種方法，解釋最初不太容易理解的結(jié)果，測(cè)試結(jié)果的可重復(fù)性。我真正地投入到科學(xué)實(shí)踐中了。但是，我的學(xué)生并沒有！他們沒有機(jī)會(huì)弄清楚是否正確地識(shí)別和控制了變量，與同學(xué)們比較結(jié)果，或解釋那些意外的數(shù)據(jù)意味著什么。

最近，為了按照NGSS改造這個(gè)實(shí)驗(yàn)，我提出了一個(gè)問題：“我們的教科書上說，土壤升溫比水快5倍。我們可以測(cè)試這個(gè)嗎？”我列出了材料，并讓學(xué)生們選擇自己的實(shí)驗(yàn)裝置。我給他們時(shí)間進(jìn)行初步測(cè)量，并相互提問。學(xué)生們分享了初步的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并討論了數(shù)據(jù)含義和是否有效。在對(duì)“為什么我們的黑土升溫速度僅是水的2倍”進(jìn)行了更多的討論后，學(xué)生進(jìn)行了新的實(shí)驗(yàn)。

我在這個(gè)按照NGSS要求修改的活動(dòng)中的作用，有時(shí)是一個(gè)管理者（確保每個(gè)學(xué)生的安全，促進(jìn)討論），有時(shí)是一個(gè)教練（鼓勵(lì)大家并引導(dǎo)方向），有時(shí)又作為一個(gè)科學(xué)導(dǎo)師（提出這樣的問題：你有沒有想過這個(gè)重要的想法可以如何應(yīng)用？）。我真正參與到了他們當(dāng)中，因?yàn)槲也⒉豢偸怯鞋F(xiàn)成的答案，而且必須實(shí)時(shí)弄清楚那些令人費(fèi)解的結(jié)果。

我們一起實(shí)踐，做科學(xué)！

解釋性的大概念

Koper不僅提出了一個(gè)有趣的問題，并通過科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)回答了它，而且他將他的新發(fā)現(xiàn)放到了更廣泛地理解地震和地質(zhì)過程的情境中?！禟-12科學(xué)教育框架》強(qiáng)調(diào)把課堂學(xué)習(xí)投射到更大的范圍內(nèi)，模仿專家的思維活動(dòng)，“核心概念也可以提供一個(gè)獲取新知識(shí)的組織結(jié)構(gòu)。這種方法（圍繞核心概念組織內(nèi)容）也有助于學(xué)生發(fā)展更靈活和連貫的理解科學(xué)的能力。對(duì)于學(xué)習(xí)的研究表明，支持這種認(rèn)識(shí)的發(fā)展是具有挑戰(zhàn)性的，但能通過明確的教學(xué)支持得到幫助，這些教學(xué)支持強(qiáng)調(diào)不同活動(dòng)和學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)間的聯(lián)系?！保∟RC，2012）

當(dāng)你開發(fā)自己的教學(xué)單元時(shí)，需要熟悉《K-12科學(xué)教育框架》中所描述的核心概念。核心概念要么在多個(gè)學(xué)科中有廣泛的重要性，要么是單一學(xué)科中起框架作用的重要原理。還需要注意每個(gè)核心概念的組成部分所涉及的問題；這些問題給出了用核心概念解釋世界的良好提示。

基于這個(gè)基礎(chǔ)，圍繞著你組織的課程，確定一些核心概念的陳述，或者基本問題。使用學(xué)生可以理解的單詞和短語。使用這些陳述或問題建立一個(gè)教學(xué)的整體結(jié)構(gòu)，并且作為提示，反映學(xué)生們正在努力解釋的世界的不同側(cè)面。將這些陳述或問題張貼在教室里，并經(jīng)常提到它們。

作為地平線中學(xué)教學(xué)規(guī)劃的一部分，我和同事們確定了課程中6個(gè)重要的陳述。在我們和學(xué)生實(shí)施一個(gè)單元的活動(dòng)和課程時(shí)，這些大概念有助于樹立大局觀。例如，我可能會(huì)上一節(jié)識(shí)別常見巖石的課，但我們關(guān)注巖石的原因是最終要明白：地球和地球上的生物都有一個(gè)變化的歷史，理解這些變化的線索就在巖石中。請(qǐng)注意，這個(gè)大概念的陳述位于學(xué)科核心概念“行星地球的歷史（ESSl.C）”，它解釋了人們是如何重建和追溯地球作為行星的歷史事件的。（NRC，2012）

結(jié)論

在設(shè)計(jì)吸引學(xué)生參與的科學(xué)實(shí)踐時(shí)，我不得不每周提醒自己：真正的學(xué)習(xí)需要時(shí)間。吸引學(xué)生參與實(shí)踐需要大量的時(shí)間。不可能面面俱到，這沒關(guān)系。嘗試新的東西遇到失敗，也沒關(guān)系。在采用NGSS的課堂教學(xué)中最有力的教學(xué)指導(dǎo)語是：“我不知道；讓我們來探究一下?！?/p>