周建中 葉兆寧

美國(guó)《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（NextGeneration Science Standard，以下簡(jiǎn)稱NGSS）由美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)（NRC）、美國(guó)國(guó)家科學(xué)教學(xué)協(xié)會(huì)（NSTA）、美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）和Achieve，Inc.共同協(xié)作完成，于2013年正式發(fā)布。其中文版于2020年由科學(xué)普及出版社正式出版?！缎乱淮茖W(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》描述了一種基于科學(xué)實(shí)證的科學(xué)教育新理念，以標(biāo)準(zhǔn)的形式呈現(xiàn)出對(duì)學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)的明確要求和規(guī)范。正如在NGSS的序言中所說，單單這些標(biāo)準(zhǔn)本身將不會(huì)為所有學(xué)生提供高質(zhì)量的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。為了使這些標(biāo)準(zhǔn)在提高科學(xué)教學(xué)和學(xué)習(xí)上發(fā)揮作用，服務(wù)于中國(guó)基礎(chǔ)教育階段的科學(xué)教育改革和實(shí)踐，需要在中國(guó)開展各個(gè)層級(jí)的研究和實(shí)踐，包括對(duì)課程、教學(xué)、評(píng)估、教師的職前培養(yǎng)和職后專業(yè)發(fā)展等。

◎NGSS愿景中核心的教學(xué)轉(zhuǎn)變

美國(guó)《K-12年級(jí)科學(xué)教育框架》和《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》的共同宗旨是幫助實(shí)現(xiàn)K——12年級(jí)科學(xué)與工程教育的愿景，其核心是3個(gè)教學(xué)轉(zhuǎn)變：①解釋現(xiàn)象和設(shè)計(jì)問題的解決方案，②參與三個(gè)維度目標(biāo)的學(xué)習(xí)，以及③隨著時(shí)間的推移建立連貫的學(xué)習(xí)過程。通過學(xué)生像科學(xué)家和工程師那樣在學(xué)習(xí)中理解現(xiàn)象和解決問題，希望每個(gè)學(xué)生都能夠在學(xué)校中積極地參與科學(xué)與工程實(shí)踐，以加深他們對(duì)特定學(xué)科領(lǐng)域的核心概念的理解，逐漸建構(gòu)并運(yùn)用跨學(xué)科概念解釋和預(yù)測(cè)自然界中的現(xiàn)象，解決遇到的實(shí)際問題。

這樣的教學(xué)轉(zhuǎn)變反映了傳統(tǒng)科學(xué)教學(xué)方法和NGSS倡導(dǎo)的現(xiàn)代科學(xué)教學(xué)和學(xué)習(xí)方法之間的區(qū)別。傳統(tǒng)的科學(xué)教育側(cè)重于單個(gè)學(xué)習(xí)者對(duì)科學(xué)內(nèi)容的離散元素的掌握，而現(xiàn)代的方法則強(qiáng)調(diào)學(xué)生像科學(xué)家和工程師那樣在工作中理解現(xiàn)象和解決問題。由于現(xiàn)代方法涉及到針對(duì)特定目標(biāo)使用和應(yīng)用知識(shí)，因此它們強(qiáng)調(diào)應(yīng)用中的知識(shí)或知識(shí)能干什么，而不是傳統(tǒng)方法所指的知識(shí)本身。

在強(qiáng)調(diào)教育公平性和面向每一個(gè)學(xué)生的教育方針引領(lǐng)下，強(qiáng)調(diào)理解現(xiàn)象和解決問題在科學(xué)教育中變得更加重要。學(xué)生將科學(xué)與工程應(yīng)用于家庭和社區(qū)的日常生活中，這將幫助他們理解現(xiàn)象和問題。通過真實(shí)的學(xué)習(xí)情境的創(chuàng)設(shè)，傳統(tǒng)方法被“翻轉(zhuǎn)”為采用現(xiàn)代方法。在傳統(tǒng)方法中，科學(xué)家和科學(xué)教師定義了科學(xué)學(xué)科的規(guī)范知識(shí)，呈現(xiàn)在科學(xué)教科書中。這種傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單主題對(duì)專家有意義，而對(duì)學(xué)習(xí)者的激勵(lì)作用并不能涵蓋所有學(xué)生，部分立志將來從事科技工作的學(xué)生學(xué)到了科學(xué)，但對(duì)許多學(xué)生來說科學(xué)沒有意義。在現(xiàn)代方法中，所有學(xué)生都像科學(xué)家和工程師在他們的工作中所做的那樣，解釋自然界的現(xiàn)象，解決日常生活中的問題。

讓學(xué)生理解現(xiàn)象、解決問題是圍繞三個(gè)維度目標(biāo)開展教學(xué)的重點(diǎn)。通過學(xué)生在真實(shí)情境中發(fā)現(xiàn)的問題驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)，這個(gè)過程需要仔細(xì)地設(shè)計(jì)和推進(jìn)。圍繞三個(gè)維度目標(biāo)開展教學(xué)的課堂是活躍的，充滿了討論，因?yàn)樵谛〗M和全班中進(jìn)行的學(xué)術(shù)討論對(duì)于學(xué)生理解重要科學(xué)觀點(diǎn)是必需的，也是重要的。學(xué)生通過參與科學(xué)與工程實(shí)踐并使用跨學(xué)科概念解釋現(xiàn)象是如何發(fā)生或?yàn)槭裁窗l(fā)生，共同建構(gòu)對(duì)科學(xué)概念的理解。從科學(xué)角度看，通過項(xiàng)目化的學(xué)習(xí)，學(xué)生研究驅(qū)動(dòng)問題以解釋現(xiàn)象，并使用工程學(xué)設(shè)計(jì)問題的解決方案，同時(shí)也可以整合各科學(xué)學(xué)科。

《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中的學(xué)習(xí)預(yù)期表現(xiàn)是評(píng)測(cè)的目標(biāo)，也是課堂教學(xué)的有機(jī)組成部分。學(xué)生要達(dá)到這樣的目標(biāo)，需要從幼兒園至高中有定期的機(jī)會(huì)參與到科學(xué)學(xué)習(xí)中，將標(biāo)準(zhǔn)的三個(gè)維度融合起來貫穿課堂學(xué)習(xí)體驗(yàn)。當(dāng)教師的教學(xué)與NGSS 一致時(shí)，學(xué)生將在多個(gè)核心概念的背景下積極參與到全面的科學(xué)與工程實(shí)踐中。學(xué)生的學(xué)習(xí)將由自然界的現(xiàn)象或工程設(shè)計(jì)中的困難所產(chǎn)生的問題所驅(qū)動(dòng)，這將支持學(xué)生跨越單元和課程，學(xué)習(xí)核心科學(xué)概念和跨學(xué)科概念。他們將有機(jī)會(huì)運(yùn)用他們發(fā)展中的科學(xué)知識(shí)解釋現(xiàn)象或?yàn)楝F(xiàn)實(shí)世界的問題設(shè)計(jì)解決方案。

○解釋現(xiàn)象和設(shè)計(jì)問題的解決方案

實(shí)現(xiàn)《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)劃的科學(xué)教育愿景的第一個(gè)教學(xué)轉(zhuǎn)變是教學(xué)活動(dòng)要達(dá)成解釋自然界的現(xiàn)象和設(shè)計(jì)問題的解決方案，希望在這個(gè)過程中使科學(xué)學(xué)習(xí)對(duì)每一個(gè)學(xué)生都具有意義，達(dá)成標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)劃的學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的三個(gè)維度的目標(biāo)，更側(cè)重于深入理解和內(nèi)容運(yùn)用。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)轉(zhuǎn)變，需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)學(xué)生熟悉或身邊真實(shí)的情境，只有這樣才能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)機(jī)。通過參與以科學(xué)與工程實(shí)踐為主線的活動(dòng)，既可以幫助學(xué)生理解科學(xué)知識(shí)是如何建立和發(fā)展的，并讓他們了解科學(xué)家用于調(diào)查、建模和解釋自然界和工程系統(tǒng)中的現(xiàn)象的各種方法;同時(shí)還可以幫助學(xué)生發(fā)展工程設(shè)計(jì)能力，包括定義和解決問題。這樣，解釋現(xiàn)象和設(shè)計(jì)問題的解決方案的學(xué)習(xí)過程就成為一個(gè)有意義的綜合性學(xué)習(xí)。

在這個(gè)過程中，學(xué)生可以學(xué)習(xí)并掌握解釋現(xiàn)象和設(shè)計(jì)問題解決方案的方法。學(xué)生得到很多機(jī)會(huì)進(jìn)行提問、調(diào)查，并努力解釋現(xiàn)象，還可以將他們的理解應(yīng)用于實(shí)際工程問題的設(shè)計(jì)。這個(gè)過程如果發(fā)生在對(duì)學(xué)生有意義的情境中，學(xué)生所建構(gòu)和學(xué)習(xí)的概念就會(huì)進(jìn)一步深入，走向深度學(xué)習(xí)和活學(xué)活用，同時(shí)可以保留更長(zhǎng)時(shí)間。例如“物體間的相互作用”這個(gè)核心概念和模型，既可用于解釋氣團(tuán)在天氣現(xiàn)象中的行為（分子水平），也可以解釋隨時(shí)間的積累而產(chǎn)生的生態(tài)系統(tǒng)中的物種數(shù)量的變化現(xiàn)象。學(xué)生在持續(xù)參與這些實(shí)踐活動(dòng)時(shí)，反復(fù)使用和完善這些模型，解釋發(fā)生的事情或?yàn)楝F(xiàn)實(shí)世界的問題設(shè)計(jì)解決方案，可以提高對(duì)科學(xué)核心概念和跨學(xué)科概念的理解。

教學(xué)中引入的現(xiàn)象或設(shè)計(jì)問題必須是精挑細(xì)選的，可以幫助解釋發(fā)生的現(xiàn)象，這樣學(xué)生可以參與其中并且促進(jìn)對(duì)所學(xué)習(xí)的科學(xué)概念的理解。當(dāng)然，教學(xué)過程中，學(xué)生需要學(xué)習(xí)基本科學(xué)概念和術(shù)語，以便能夠發(fā)展對(duì)現(xiàn)象的解釋和模型的使用。用這種方式學(xué)習(xí)和運(yùn)用科學(xué)概念，可以將概念深入整合進(jìn)他們的日常生活中，達(dá)到這些概念運(yùn)用于解決新情境中的問題，達(dá)到學(xué)習(xí)的最高目標(biāo)知識(shí)和任務(wù)遷移。

在這樣的教學(xué)中，科學(xué)與工程實(shí)踐是交織在一起的，要避免將它們彼此孤立地學(xué)習(xí)，這也就是為什么在NGSS中給出了發(fā)生在每一個(gè)真實(shí)的科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)中的8種科學(xué)與工程實(shí)踐，而不是簡(jiǎn)單的科學(xué)探究或工程設(shè)計(jì)的流程。例如，當(dāng)學(xué)生分析數(shù)據(jù)時(shí)，他們可能會(huì)使用一些數(shù)學(xué)和數(shù)字技術(shù)，對(duì)真實(shí)數(shù)據(jù)、現(xiàn)象和證據(jù)進(jìn)行分析，有目的地推進(jìn)特定的學(xué)習(xí)目標(biāo)。當(dāng)學(xué)生模擬物理現(xiàn)象，或者模擬在不同條件下測(cè)試工程設(shè)計(jì)，模擬進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘或使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)問題的解決方案時(shí)，都需要用到計(jì)算思維。當(dāng)學(xué)生形成、討論和評(píng)判解釋時(shí)，他們將依靠建構(gòu)的模型和收集的證據(jù)進(jìn)行歸納、論證和推理。

因此，科學(xué)與工程實(shí)踐在這樣基于真實(shí)情境、對(duì)真實(shí)問題的解決過程中，不是一個(gè)過程中的一套步驟，而是科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)中的要素，是根據(jù)需要多次使用的工具。傳統(tǒng)的科學(xué)學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)學(xué)生記憶事實(shí)、公式和定義的能力，不能滿足所有學(xué)生參與實(shí)踐的需要。而NGSS提出這樣的教學(xué)轉(zhuǎn)變：通過發(fā)展模型和解釋，參與論證，完善和改進(jìn)解釋，并形成問題的解決方案，可以讓所有學(xué)生理解科學(xué)概念和方法的價(jià)值和意義。

《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》的核心內(nèi)容分成了三個(gè)維度：科學(xué)與工程實(shí)踐、跨學(xué)科概念和學(xué)科核心概念。在教學(xué)活動(dòng)中，并不是指教師要提供給學(xué)生所有的內(nèi)容和信息;相反，希望教師在課堂上組織的一系列活動(dòng)和經(jīng)歷，以便學(xué)生學(xué)習(xí)和建構(gòu)NGSS中所期待達(dá)成的三個(gè)維度目標(biāo)中的內(nèi)容。這些活動(dòng)的范圍和順序應(yīng)該體現(xiàn)在課程計(jì)劃中，并以此為指導(dǎo)，匹配相應(yīng)的課程資源，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)提供支持;而教學(xué)則由持續(xù)作出最大滿足學(xué)生需求決定的教師實(shí)施，沿著一條學(xué)習(xí)路徑，使學(xué)生能夠達(dá)成《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中體現(xiàn)的內(nèi)容和目標(biāo)。

在現(xiàn)實(shí)世界中，讓學(xué)生參與解釋現(xiàn)象和設(shè)計(jì)問題解決方案的實(shí)踐活動(dòng)的目的并不是讓學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)科學(xué)概念。通過參與科學(xué)與工程實(shí)踐探究概念，K——12年級(jí)學(xué)生可以理解越來越復(fù)雜的NGSS中的科學(xué)與工程的核心概念。通過指向少而精的核心概念的課程和教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施，課堂教學(xué)依然能夠在12年以上的科學(xué)學(xué)習(xí)過程中建構(gòu)核心的知識(shí)、技能和方法體系。所以，達(dá)成《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》愿景的第二個(gè)教學(xué)轉(zhuǎn)變是幫助學(xué)生參與到圍繞三個(gè)維度目標(biāo)的學(xué)習(xí)中。

《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中的跨學(xué)科概念與各科學(xué)學(xué)科都密切相關(guān)，可以幫助學(xué)生建立跨主題、課程和學(xué)科的聯(lián)系。例如，系統(tǒng)和系統(tǒng)模型這個(gè)跨學(xué)科概念，為了達(dá)到描繪和定義一個(gè)系統(tǒng)而進(jìn)行系統(tǒng)模擬，在不同學(xué)科學(xué)習(xí)中反復(fù)使用。在圍繞這個(gè)概念形成的一系列問題所驅(qū)動(dòng)的科學(xué)學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生不僅獲得了解釋現(xiàn)象或設(shè)計(jì)問題解決方案的有用工具，而且還形成了一個(gè)跨越不同科學(xué)學(xué)科的共同觀點(diǎn)。參與工程實(shí)踐，通過運(yùn)用它們解決工程問題，可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的理解，這些經(jīng)驗(yàn)有助于學(xué)生理解科學(xué)通過工程與技術(shù)影響他們的生活與社會(huì)的方式。工程設(shè)計(jì)本身就是一個(gè)核心概念，它明確了參與工程實(shí)踐所需的知識(shí)，學(xué)生需要學(xué)習(xí)一些重要的工程概念，如設(shè)計(jì)。因此，運(yùn)用和反思科學(xué)與工程實(shí)踐及跨學(xué)科概念是深入理解科學(xué)的本質(zhì)和工程學(xué)作用的重要元素，以及這些實(shí)踐在科學(xué)與工程中的使用方式的異同。

◎隨著時(shí)間的推移建立連貫的學(xué)習(xí)過程——學(xué)習(xí)進(jìn)程

為了開展以學(xué)生為中心的科學(xué)教學(xué)，就需要了解學(xué)生是如何建構(gòu)核心概念的，這也是21世紀(jì)以來科學(xué)教育研究的熱點(diǎn)問題。在《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》制定過程中，充分收集了20多年的研究成果，發(fā)展出能體現(xiàn)核心概念連續(xù)性和一致性的教育標(biāo)準(zhǔn)。在《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中將K——12年級(jí)劃分為4個(gè)年段（K2，3-5，6-8，9-12），并明確給出了每個(gè)年段所涉及的科學(xué)與工程實(shí)踐、跨學(xué)科概念和學(xué)科核心概念的理解程度，并在4個(gè)年段形成螺旋上升的、符合兒童認(rèn)知和知識(shí)建構(gòu)規(guī)律的學(xué)習(xí)進(jìn)程。

《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中，整12年教學(xué)階段的科學(xué)概念是連貫一致的，標(biāo)準(zhǔn)中闡述了學(xué)科核心概念如何在多個(gè)年級(jí)之間建立連貫性，并將生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、地球與空間科學(xué)和工程學(xué)之間聯(lián)系起來。例如，對(duì)于物質(zhì)及其屬性的呈現(xiàn)是跨年級(jí)的。在低年級(jí)階段，要求能夠根據(jù)物質(zhì)的特征和特性進(jìn)行鑒別并分類。在隨后幾年的學(xué)習(xí)中，發(fā)展對(duì)于物質(zhì)的相互作用、變化的類別與條件等內(nèi)容的認(rèn)識(shí)，不斷細(xì)化使其更加明確，逐漸理解。對(duì)于物質(zhì)粒子構(gòu)成的理解和形成模型，以及利用這些模型解釋三態(tài)變化和物質(zhì)的許多特性，要到初中階段才逐漸發(fā)展起來，初中、高中的一些科學(xué)理論就建立在這些模型上。同樣，1個(gè)學(xué)年內(nèi)的學(xué)習(xí)順序也有其連貫性，在教學(xué)中需要為學(xué)生提供多種適合其年級(jí)水平復(fù)雜程度的機(jī)會(huì)，引導(dǎo)學(xué)生深入探究學(xué)科核心概念。

《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》強(qiáng)調(diào)各個(gè)年級(jí)間集中而連續(xù)進(jìn)展的知識(shí)體系，允許學(xué)生在整個(gè)K——12年級(jí)科學(xué)教育過程中采用動(dòng)態(tài)過程構(gòu)建知識(shí)。課程單元需要精心設(shè)計(jì)，以便提供連貫的調(diào)查或工程問題，使之通過問題和現(xiàn)象激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)，達(dá)到構(gòu)建和使用跨學(xué)科概念與學(xué)科核心概念的學(xué)習(xí)目標(biāo)。在這些學(xué)習(xí)過程中，問題或挑戰(zhàn)、模型中的差距及新現(xiàn)象，促進(jìn)探究更深層次的學(xué)科核心概念和跨學(xué)科概念。

美國(guó)《K——12年級(jí)科學(xué)教育框架》和《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》的發(fā)布與實(shí)施，描述了一種基于科學(xué)實(shí)證的科學(xué)教育新理念，其愿景帶來了科學(xué)教學(xué)的三大轉(zhuǎn)變。在NGSS中文版正式出版之際，本專題從課程開發(fā)和教學(xué)實(shí)踐的視角對(duì)NGSS重新作了解讀，期待幫助中國(guó)的廣大校內(nèi)科學(xué)教師和校外科技教育工作者在教育教學(xué)實(shí)踐中理解其呈現(xiàn)的學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的明確要求和規(guī)范，在各個(gè)層級(jí)的教學(xué)研究和實(shí)踐中更好地開展以學(xué)生為中心、面向所有學(xué)生的科學(xué)教育。在以解釋自然界的現(xiàn)象和設(shè)計(jì)問題的解決方案為大目標(biāo)的活動(dòng)中，參與到隨著時(shí)間的推移建立連貫的學(xué)習(xí)過程中，既幫助學(xué)生掌握科學(xué)探究和工程設(shè)計(jì)的方法，也逐漸建構(gòu)起實(shí)踐、跨學(xué)科概念和學(xué)科核心概念的三個(gè)維度目標(biāo)所搭建起來的少而精的科學(xué)知識(shí)體系。