以實踐為核心的美國新一輪科學(xué)教育改革及啟示

來鑫

摘 要：提高全民科學(xué)素養(yǎng)是提升國家核心競爭力的關(guān)鍵，美國于2011年和2013年相繼出臺《K-12科學(xué)教育框架：實踐、跨學(xué)科概念、核心概念》及《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》兩部科學(xué)教育改革方案，“科學(xué)實踐”代替“科學(xué)探究”成為美國科學(xué)教育改革的核心理念。文章對此次美國以實踐為核心的科學(xué)教育改革的背景及美國科學(xué)教育本質(zhì)的變革歷程進行闡述，對改革中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實踐能力的總目標(biāo)和三維科學(xué)實踐活動教育內(nèi)容進行深入分析與解讀，進而得出對我國科學(xué)教育的啟示：厘清科學(xué)實踐的內(nèi)涵，避免科學(xué)探究模式化；重視科學(xué)探究活動中學(xué)生的理論性探究；重視科學(xué)探究活動中學(xué)生的社會交互及科學(xué)學(xué)術(shù)語言。

關(guān)鍵詞：美國；科學(xué)教育；科學(xué)實踐；三維科學(xué)實踐活動

培養(yǎng)科技創(chuàng)新型人才，提高全民科學(xué)素養(yǎng)是每個國家提升核心競爭力的關(guān)鍵，同樣，科學(xué)教育作為加強學(xué)生對科學(xué)概念的理解及發(fā)展學(xué)生思維、實踐、創(chuàng)新能力的關(guān)鍵課程，其改革成為各國提升基礎(chǔ)教育質(zhì)量所面臨的熱點議題之一。為促進學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的全面提高，美國政府投入了大量的資金和精力并組織科學(xué)及教育專家對科學(xué)教育進行長時間的研究。隨著對科學(xué)教育研究的深入以及對科學(xué)教育在實踐中出現(xiàn)的一系列問題的反思，美國國家研究理事會（NRC）于2011年發(fā)布了《K-12 科學(xué)教育框架：實踐、跨學(xué)科概念、核心概念》（下文簡稱《框架》），提出“科學(xué)實踐”的概念，并確立該概念在科學(xué)教育中的首要地位。2013年4月，NRC依據(jù)《框架》發(fā)布了《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（下文簡稱《標(biāo)準(zhǔn)（2013）》），將“科學(xué)實踐”作為首要關(guān)鍵詞列入該標(biāo)準(zhǔn)，取代了之前的“科學(xué)探究”。從此，美國的科學(xué)教育進入了新階段。

一、改革背景與歷程

（一）新一輪科學(xué)教育改革的現(xiàn)實背景

綜合時代改變所帶來的影響及科學(xué)教育理念與實踐的發(fā)展歷程來看，美國新一輪的科學(xué)教育改革由多種因素促成。

首先，推動此次改革的外部因素主要有三個：其一，美國就業(yè)形勢嚴峻，大量的工作需要高質(zhì)量的科技人才，在國際考試中美國學(xué)生的成績遠沒有達到人們對于美國科技強國的預(yù)期；其二，美國人進行了細致的國際間課程標(biāo)準(zhǔn)的比較研究，從中找出國際化科學(xué)教育的標(biāo)準(zhǔn)走向；其三，美國許多州興起了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)運動。

其次，透過1996年《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（下文簡稱《標(biāo)準(zhǔn)（1996）》）實施20年來的成效分析，美國科學(xué)教育中的一些弊端影響著美國科學(xué)教育的質(zhì)量。一方面，《標(biāo)準(zhǔn)（1996）》中列出大量詳細卻缺乏聯(lián)系的碎片化的科學(xué)知識，從而導(dǎo)致學(xué)生對科學(xué)知識理解難以深入；另一方面，對科學(xué)探究步驟的僵化認識，使得科學(xué)教育中的探究活動淪為學(xué)生對幾個固定“探究步驟”忠實地執(zhí)行，而學(xué)生在“動手”的同時卻缺少相應(yīng)的科學(xué)概念解釋、推理、理解等理性思維過程，“動手”與“動腦”產(chǎn)生了分離。為此，美國科學(xué)教育研究者迫切期望改變科學(xué)探究僵化的現(xiàn)狀。

（二）科學(xué)教育本質(zhì)的變革歷程

科學(xué)教育的內(nèi)涵隨著科學(xué)技術(shù)及人們對科技理解的深入不斷發(fā)生著變化，20世紀初，美國的科學(xué)教育普遍將科學(xué)等同于科學(xué)知識，在“學(xué)科中心”的影響下，科學(xué)教育關(guān)注“是什么”，強調(diào)學(xué)生對科學(xué)知識的掌握?！白鳛檫^程的科學(xué)”受到了經(jīng)驗主義科學(xué)哲學(xué)影響，當(dāng)時所謂的“科學(xué)方法”主要指科學(xué)實驗方法，即通過量化實驗歸納得出確定結(jié)論。此時的科學(xué)教育淪為教授一套模式化的試驗方法，缺少對學(xué)生思考的引導(dǎo)。“作為探究的科學(xué)”在杜威經(jīng)驗主義哲學(xué)的影響下形成。由于“作為過程的科學(xué)”缺少對學(xué)生思維的引導(dǎo)，杜威提出“思維五步”，目的是通過模仿科學(xué)家的探究歷程，使學(xué)生獲取科學(xué)知識，領(lǐng)悟科學(xué)的方法及本質(zhì)。但受到教學(xué)時間、教學(xué)材料、教師教學(xué)能力等限制，“科學(xué)探究”在科學(xué)課堂中被等同于固定的“探究程序”，學(xué)生在探究過程中對科學(xué)概念的理解及理論性思維被“探究步驟”的執(zhí)行所掩蓋。為了扭轉(zhuǎn)這種模式化的傾向，同時為應(yīng)對時代發(fā)展對學(xué)生實踐能力提出的更高要求，《標(biāo)準(zhǔn)（2013）》提出美國科學(xué)教育本質(zhì)將走向“作為實踐”的階段。

二、改革目標(biāo)及內(nèi)容

（一）科學(xué)教育改革的目標(biāo)——培養(yǎng)實踐能力

美國小學(xué)科學(xué)課程將K-12科學(xué)教育分為K-2年級段、3～5年級段、6～8年級段、9～12年級段四個階段，《標(biāo)準(zhǔn)（2013）》延續(xù)了1996年標(biāo)準(zhǔn)中對科學(xué)教育年級段的劃分，并描述各個年級段的學(xué)生在學(xué)科核心概念、跨學(xué)科概念、科學(xué)與工程實踐三個維度中的預(yù)期表現(xiàn)。美國新一輪科學(xué)教育的總目標(biāo)在于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，提高科學(xué)素養(yǎng)?！稑?biāo)準(zhǔn)（2013）》的藍本——《框架》提出，科學(xué)教育要使全體學(xué)生在以下四個方面取得長足發(fā)展：一是能夠運用科學(xué)知識解釋自然界的現(xiàn)象，二是能夠收集科學(xué)證據(jù)，正確評價科學(xué)解釋，三是能夠理解科學(xué)知識的本質(zhì)和科學(xué)的發(fā)展，四是能有成效地參與科學(xué)實踐和對科學(xué)問題的討論。對比《標(biāo)準(zhǔn)（1996）》注重學(xué)生對科學(xué)概念的理解，《標(biāo)準(zhǔn)（2013）》更加關(guān)注學(xué)生在實踐中的表現(xiàn)，具體實例可見2年級生態(tài)系統(tǒng)單元相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（見表1）。

通過對比兩個標(biāo)準(zhǔn)可以看出，目標(biāo)的表述存在差異，《標(biāo)準(zhǔn)（1996）》列舉出學(xué)生應(yīng)理解的生態(tài)系統(tǒng)單元中的關(guān)鍵概念，《標(biāo)準(zhǔn)（2013）》則是通過列舉學(xué)生的具體實踐體現(xiàn)對關(guān)鍵概念的理解，如將“學(xué)生能夠設(shè)計實驗并能夠通過實驗證明植物的生長需要陽光和水”作為學(xué)生是否理解“生命體只有當(dāng)環(huán)境滿足其需要時才能存活下來”的標(biāo)準(zhǔn)。這種重視實踐的標(biāo)準(zhǔn)既避免了由于學(xué)生理解不同所造成的偏差，又使得標(biāo)準(zhǔn)易于檢測。

（二）科學(xué)教育改革的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)——三維科學(xué)實踐活動

《框架》圍繞“科學(xué)與工程實踐”“跨學(xué)科概念”“學(xué)科核心概念”三個維度的內(nèi)容展開科學(xué)教育，其中，學(xué)科核心概念是科學(xué)學(xué)習(xí)的主要載體及脈絡(luò)，跨學(xué)科概念作為學(xué)科核心概念的輔助延伸方式，加強各學(xué)科知識之間的聯(lián)系?？茖W(xué)與工程實踐是科學(xué)學(xué)習(xí)的主要方法，同時是學(xué)生進一步理解和架構(gòu)科學(xué)理論的基礎(chǔ)?？茖W(xué)與工程實踐依據(jù)包含的要素分解為三個環(huán)節(jié)：其一，調(diào)查研究部分，學(xué)生與真實科學(xué)現(xiàn)實交流，包括觀察自然現(xiàn)象，根據(jù)觀察提出有價值的研究問題，提出假設(shè)后設(shè)計見證假設(shè)的實驗步驟，進行實驗且對實驗數(shù)據(jù)進行收集，從而為假設(shè)提供依據(jù)；其二，理論建構(gòu)（科學(xué)）或制定設(shè)計方案（工程）部分，學(xué)生需要對收集到的實驗數(shù)據(jù)進行思維的加工，通過想象、推理、數(shù)學(xué)計算、預(yù)測等思維步驟理解實驗中所展示的科學(xué)原理、建構(gòu)科學(xué)模型；其三，評估部分，運用科學(xué)及工程的思維工具對前兩個環(huán)節(jié)進行分析評估（見圖1）。

社會交互性、運用科學(xué)語言、科學(xué)代表作和工具的使用是科學(xué)實踐的三個主要特征。在《框架》中，科學(xué)實踐活動被分為三個環(huán)節(jié)，其中學(xué)生的科學(xué)操作活動主要發(fā)生于調(diào)查環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)偏重使學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)知識產(chǎn)生的過程；建構(gòu)與解釋的環(huán)節(jié)偏向于學(xué)生將收集到的證據(jù)與科學(xué)理論建構(gòu)相結(jié)合，通過想象、推理、計算等理性思維活動，達到對科學(xué)理論的理解與理論模型的建構(gòu)；評價則是將前兩個環(huán)節(jié)的過程與結(jié)果用科學(xué)的語言表達出來，與他人交流、討論的過程。因此，在科學(xué)實踐的活動中，學(xué)生從單一的實驗探究調(diào)查活動轉(zhuǎn)變?yōu)榘皠幽X”“動手”“動嘴”在內(nèi)的多維活動。

1.科學(xué)與工程綜合的科學(xué)實踐活動

《標(biāo)準(zhǔn)（2013）》首次在科學(xué)教育領(lǐng)域的國家層面把工程教育整合到科學(xué)課程中，用“科學(xué)、工程和技術(shù)”取代了《標(biāo)準(zhǔn)（1996）》中的“科學(xué)與技術(shù)”，《標(biāo)準(zhǔn)（2013）》將科學(xué)實踐活動及工程實踐活動整合到科學(xué)探究的范圍中，以工作任務(wù)單的形式呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)生在科學(xué)實踐活動中形成和發(fā)展對核心概念的理解。對工程實踐的重視使得教師更加全面地理解科學(xué)素養(yǎng)的本質(zhì)，從而使學(xué)生獲得運用科學(xué)知識認識、解決實際生活中問題的機會。

《標(biāo)準(zhǔn)（2013）》在指出科學(xué)與工程的共同關(guān)鍵性特征的同時對科學(xué)與工程實踐進行了區(qū)分，科學(xué)實踐側(cè)重在自然條件下發(fā)現(xiàn)問題，然后通過觀察、實驗收集數(shù)據(jù)，通過理論性論證形成理論或解釋。而工程實踐側(cè)重解決生活中的實際問題，強調(diào)的是運用數(shù)據(jù)來進行設(shè)計，最終指向解決實際問題。

2.理論性探究在科學(xué)實踐活動中的重要地位

《標(biāo)準(zhǔn)（2013）》將培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思考能力作為重要目標(biāo)，突出學(xué)生建構(gòu)自身科學(xué)理論及科學(xué)模型的能力?？茖W(xué)實踐重視幫助學(xué)生建構(gòu)并不斷改進自己的科學(xué)理論，運用科學(xué)的語言、科學(xué)代表物和工具來想象、推理、計算、預(yù)測合理的科學(xué)理論和模型，學(xué)生科學(xué)思維的建立同樣需要不斷運用語言和工具并達致熟練。

3.社會交互能力在科學(xué)實踐中得以發(fā)展

隨著科學(xué)的深入發(fā)展，科學(xué)探索和工程建立活動越來越需要團隊合作才能順利進行，社會性是科學(xué)家進行科學(xué)工作的一個重要特征。學(xué)生在課堂科學(xué)實踐活動中同樣需要社會交互。學(xué)生在科學(xué)實踐的各個環(huán)節(jié)都需要與他人進行思想碰撞，如在經(jīng)驗調(diào)查環(huán)節(jié)，提出的問題需要聽取他人的意見。學(xué)生提出一個科學(xué)探究的問題不僅需要對這一問題產(chǎn)生已有觀念，聽取同伴對這一問題的觀念也使其不斷修正、豐富已有觀念，從而提出具有價值的探究問題。在科學(xué)學(xué)習(xí)的共同體中，學(xué)生不僅需要與已有材料對話，還需要與同伴對話，同伴的知識、技能、動機和態(tài)度都會影響學(xué)生自身觀念的建構(gòu)。

三、啟示

從2001年起，我國開始了新一輪的教育改革，經(jīng)過十多年基礎(chǔ)科學(xué)教育的探索和實踐，科學(xué)探究已成為教師在設(shè)計、實施科學(xué)教育課程時所要考慮的重要因素，但真正以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)為目標(biāo)的科學(xué)教育還難成常態(tài)?？茖W(xué)教育在我國受到應(yīng)試教育的影響，重知識、輕實踐。大班化的課堂使得科學(xué)探究活動難以深入進行。在基礎(chǔ)教育階段所進行的科學(xué)教育，有些雖然已從科學(xué)方法的傳授轉(zhuǎn)向科學(xué)探究，但探究活動模式化傾向嚴重，學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)難以界定，使得我國的科學(xué)教育困難重重。我國基礎(chǔ)教育階段的科學(xué)教育課程改革正處于關(guān)鍵時期， 美國科學(xué)教育改革的“科學(xué)實踐”理念將對我國科學(xué)教育改革帶來新的啟示。

（一）厘清科學(xué)實踐的內(nèi)涵，避免科學(xué)探究模式化

目前，我國基礎(chǔ)教育階段的科學(xué)教育課程在實施中形成了探究式教學(xué)的主要教學(xué)方法，強調(diào)“做科學(xué)”在科學(xué)學(xué)習(xí)過程中重要地位，使學(xué)生的參與體驗和“動手”“動腦”有機結(jié)合在一起。但受到傳統(tǒng)教學(xué)模式及教育背景的影響，科學(xué)教育仍難免受到模式化及應(yīng)試化的影響，教師迫使學(xué)生背誦科學(xué)探究的步驟以應(yīng)對考試，學(xué)生按教師設(shè)定的步驟進行試驗，探究過程缺乏學(xué)生對探究的思考與設(shè)計，脫離了科學(xué)探究的多樣性。教師在科學(xué)教學(xué)活動的設(shè)計時應(yīng)考慮科學(xué)實踐的三個維度，重點考慮學(xué)生科學(xué)證據(jù)與理論的協(xié)調(diào)能力、建模能力等科學(xué)學(xué)習(xí)能力，使科學(xué)實踐的進行與科學(xué)知識的掌握緊密結(jié)合。

（二）重視科學(xué)探究活動中學(xué)生的理論探究

我國課堂科學(xué)教育所進行的科學(xué)探究活動大多強調(diào)學(xué)生在探究過程中的知識產(chǎn)生或驗證的過程，強調(diào)對最終科學(xué)理論的理解和記憶。然而，學(xué)生在科學(xué)探究活動中對科學(xué)理論的理解程度及批判、論證等科學(xué)思維能力的發(fā)展卻受到了忽視。因此，可借鑒美國科學(xué)實踐內(nèi)容在各個學(xué)段的學(xué)習(xí)進階目標(biāo)，發(fā)展學(xué)生的證據(jù)與理論的協(xié)調(diào)能力、運用科學(xué)語言表達的能力以及建構(gòu)科學(xué)模型的能力，發(fā)展學(xué)生的推理、批判性思維等科學(xué)素質(zhì)。

（三）重視科學(xué)探究活動中學(xué)生的社會交互及科學(xué)學(xué)術(shù)語言

科學(xué)探究活動中學(xué)生的社會交互和對科學(xué)語言的運用是必不可少的組成部分。在科學(xué)教育課堂中，教師要努力營造科學(xué)學(xué)習(xí)共同體，使學(xué)生在學(xué)習(xí)共同體中體驗科學(xué)探究的過程，同時，在與同伴和材料的交互中修正和豐富科學(xué)概念。學(xué)生在科學(xué)探究中不僅需要科學(xué)語言進行交流，而且需要借助語言、文字、圖像等工具建構(gòu)科學(xué)理論，教師應(yīng)該密切關(guān)注學(xué)生在描述科學(xué)現(xiàn)象和論述觀點時正確運用科學(xué)語言，用證據(jù)支撐自己的觀點。同時，鼓勵學(xué)生借助圖表、圖像等工具構(gòu)建簡單的科學(xué)理論模型，引導(dǎo)學(xué)生用語言或文字清楚、準(zhǔn)確地與同伴進行科學(xué)論證、辯論，學(xué)會發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有理論及同伴科學(xué)推論中的漏洞及不足。

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編輯 朱婷婷 校對 李廣平