面向21世紀的科學教育

周建中 葉兆寧

美國《新一代科學教育標準》（NextGeneration Science Standard，以下簡稱NGSS）由美國國家研究委員會（NRC）、美國國家科學教學協(xié)會（NSTA）、美國科學促進會（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年由科學普及出版社正式出版?！缎乱淮茖W教育標準》描述了一種基于科學實證的科學教育新理念，以標準的形式呈現(xiàn)出對學生的科學學習的明確要求和規(guī)范。正如在NGSS的序言中所說，單單這些標準本身將不會為所有學生提供高質(zhì)量的學習機會。為了使這些標準在提高科學教學和學習上發(fā)揮作用，服務(wù)于中國基礎(chǔ)教育階段的科學教育改革和實踐，需要在中國開展各個層級的研究和實踐，包括對課程、教學、評估、教師的職前培養(yǎng)和職后專業(yè)發(fā)展等。

◎NGSS愿景中核心的教學轉(zhuǎn)變

美國《K-12年級科學教育框架》和《新一代科學教育標準》的共同宗旨是幫助實現(xiàn)K——12年級科學與工程教育的愿景，其核心是3個教學轉(zhuǎn)變：①解釋現(xiàn)象和設(shè)計問題的解決方案，②參與三個維度目標的學習，以及③隨著時間的推移建立連貫的學習過程。通過學生像科學家和工程師那樣在學習中理解現(xiàn)象和解決問題，希望每個學生都能夠在學校中積極地參與科學與工程實踐，以加深他們對特定學科領(lǐng)域的核心概念的理解，逐漸建構(gòu)并運用跨學科概念解釋和預測自然界中的現(xiàn)象，解決遇到的實際問題。

這樣的教學轉(zhuǎn)變反映了傳統(tǒng)科學教學方法和NGSS倡導的現(xiàn)代科學教學和學習方法之間的區(qū)別。傳統(tǒng)的科學教育側(cè)重于單個學習者對科學內(nèi)容的離散元素的掌握，而現(xiàn)代的方法則強調(diào)學生像科學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)代方法涉及到針對特定目標使用和應(yīng)用知識，因此它們強調(diào)應(yīng)用中的知識或知識能干什么，而不是傳統(tǒng)方法所指的知識本身。

在強調(diào)教育公平性和面向每一個學生的教育方針引領(lǐng)下，強調(diào)理解現(xiàn)象和解決問題在科學教育中變得更加重要。學生將科學與工程應(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。通過真實的學習情境的創(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，科學家和科學教師定義了科學學科的規(guī)范知識，呈現(xiàn)在科學教科書中。這種傳統(tǒng)的簡單主題對專家有意義，而對學習者的激勵作用并不能涵蓋所有學生，部分立志將來從事科技工作的學生學到了科學，但對許多學生來說科學沒有意義。在現(xiàn)代方法中，所有學生都像科學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。

讓學生理解現(xiàn)象、解決問題是圍繞三個維度目標開展教學的重點。通過學生在真實情境中發(fā)現(xiàn)的問題驅(qū)動學習，這個過程需要仔細地設(shè)計和推進。圍繞三個維度目標開展教學的課堂是活躍的，充滿了討論，因為在小組和全班中進行的學術(shù)討論對于學生理解重要科學觀點是必需的，也是重要的。學生通過參與科學與工程實踐并使用跨學科概念解釋現(xiàn)象是如何發(fā)生或為什么發(fā)生，共同建構(gòu)對科學概念的理解。從科學角度看，通過項目化的學習，學生研究驅(qū)動問題以解釋現(xiàn)象，并使用工程學設(shè)計問題的解決方案，同時也可以整合各科學學科。

《新一代科學教育標準》中的學習預期表現(xiàn)是評測的目標，也是課堂教學的有機組成部分。學生要達到這樣的目標，需要從幼兒園至高中有定期的機會參與到科學學習中，將標準的三個維度融合起來貫穿課堂學習體驗。當教師的教學與NGSS 一致時，學生將在多個核心概念的背景下積極參與到全面的科學與工程實踐中。學生的學習將由自然界的現(xiàn)象或工程設(shè)計中的困難所產(chǎn)生的問題所驅(qū)動，這將支持學生跨越單元和課程，學習核心科學概念和跨學科概念。他們將有機會運用他們發(fā)展中的科學知識解釋現(xiàn)象或為現(xiàn)實世界的問題設(shè)計解決方案。

○解釋現(xiàn)象和設(shè)計問題的解決方案

實現(xiàn)《新一代科學教育標準》規(guī)劃的科學教育愿景的第一個教學轉(zhuǎn)變是教學活動要達成解釋自然界的現(xiàn)象和設(shè)計問題的解決方案，希望在這個過程中使科學學習對每一個學生都具有意義，達成標準所規(guī)劃的學生科學學習的三個維度的目標，更側(cè)重于深入理解和內(nèi)容運用。要實現(xiàn)這個轉(zhuǎn)變，需要創(chuàng)設(shè)學生熟悉或身邊真實的情境，只有這樣才能激發(fā)學生的學習興趣和動機。通過參與以科學與工程實踐為主線的活動，既可以幫助學生理解科學知識是如何建立和發(fā)展的，并讓他們了解科學家用于調(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;同時還可以幫助學生發(fā)展工程設(shè)計能力，包括定義和解決問題。這樣，解釋現(xiàn)象和設(shè)計問題的解決方案的學習過程就成為一個有意義的綜合性學習。

在這個過程中，學生可以學習并掌握解釋現(xiàn)象和設(shè)計問題解決方案的方法。學生得到很多機會進行提問、調(diào)查，并努力解釋現(xiàn)象，還可以將他們的理解應(yīng)用于實際工程問題的設(shè)計。這個過程如果發(fā)生在對學生有意義的情境中，學生所建構(gòu)和學習的概念就會進一步深入，走向深度學習和活學活用，同時可以保留更長時間。例如“物體間的相互作用”這個核心概念和模型，既可用于解釋氣團在天氣現(xiàn)象中的行為（分子水平），也可以解釋隨時間的積累而產(chǎn)生的生態(tài)系統(tǒng)中的物種數(shù)量的變化現(xiàn)象。學生在持續(xù)參與這些實踐活動時，反復使用和完善這些模型，解釋發(fā)生的事情或為現(xiàn)實世界的問題設(shè)計解決方案，可以提高對科學核心概念和跨學科概念的理解。

教學中引入的現(xiàn)象或設(shè)計問題必須是精挑細選的，可以幫助解釋發(fā)生的現(xiàn)象，這樣學生可以參與其中并且促進對所學習的科學概念的理解。當然，教學過程中，學生需要學習基本科學概念和術(shù)語，以便能夠發(fā)展對現(xiàn)象的解釋和模型的使用。用這種方式學習和運用科學概念，可以將概念深入整合進他們的日常生活中，達到這些概念運用于解決新情境中的問題，達到學習的最高目標知識和任務(wù)遷移。

在這樣的教學中，科學與工程實踐是交織在一起的，要避免將它們彼此孤立地學習，這也就是為什么在NGSS中給出了發(fā)生在每一個真實的科學研究和工程設(shè)計中的8種科學與工程實踐，而不是簡單的科學探究或工程設(shè)計的流程。例如，當學生分析數(shù)據(jù)時，他們可能會使用一些數(shù)學和數(shù)字技術(shù)，對真實數(shù)據(jù)、現(xiàn)象和證據(jù)進行分析，有目的地推進特定的學習目標。當學生模擬物理現(xiàn)象，或者模擬在不同條件下測試工程設(shè)計，模擬進行數(shù)據(jù)挖掘或使用計算機輔助設(shè)計軟件設(shè)計問題的解決方案時，都需要用到計算思維。當學生形成、討論和評判解釋時，他們將依靠建構(gòu)的模型和收集的證據(jù)進行歸納、論證和推理。

因此，科學與工程實踐在這樣基于真實情境、對真實問題的解決過程中，不是一個過程中的一套步驟，而是科學研究和工程設(shè)計中的要素，是根據(jù)需要多次使用的工具。傳統(tǒng)的科學學習強調(diào)學生記憶事實、公式和定義的能力，不能滿足所有學生參與實踐的需要。而NGSS提出這樣的教學轉(zhuǎn)變：通過發(fā)展模型和解釋，參與論證，完善和改進解釋，并形成問題的解決方案，可以讓所有學生理解科學概念和方法的價值和意義。

《新一代科學教育標準》的核心內(nèi)容分成了三個維度：科學與工程實踐、跨學科概念和學科核心概念。在教學活動中，并不是指教師要提供給學生所有的內(nèi)容和信息;相反，希望教師在課堂上組織的一系列活動和經(jīng)歷，以便學生學習和建構(gòu)NGSS中所期待達成的三個維度目標中的內(nèi)容。這些活動的范圍和順序應(yīng)該體現(xiàn)在課程計劃中，并以此為指導，匹配相應(yīng)的課程資源，對學生的學習提供支持;而教學則由持續(xù)作出最大滿足學生需求決定的教師實施，沿著一條學習路徑，使學生能夠達成《新一代科學教育標準》中體現(xiàn)的內(nèi)容和目標。

在現(xiàn)實世界中，讓學生參與解釋現(xiàn)象和設(shè)計問題解決方案的實踐活動的目的并不是讓學生自己發(fā)現(xiàn)科學概念。通過參與科學與工程實踐探究概念，K——12年級學生可以理解越來越復雜的NGSS中的科學與工程的核心概念。通過指向少而精的核心概念的課程和教學設(shè)計與實施，課堂教學依然能夠在12年以上的科學學習過程中建構(gòu)核心的知識、技能和方法體系。所以，達成《新一代科學教育標準》愿景的第二個教學轉(zhuǎn)變是幫助學生參與到圍繞三個維度目標的學習中。

《新一代科學教育標準》中的跨學科概念與各科學學科都密切相關(guān)，可以幫助學生建立跨主題、課程和學科的聯(lián)系。例如，系統(tǒng)和系統(tǒng)模型這個跨學科概念，為了達到描繪和定義一個系統(tǒng)而進行系統(tǒng)模擬，在不同學科學習中反復使用。在圍繞這個概念形成的一系列問題所驅(qū)動的科學學習過程中，學生不僅獲得了解釋現(xiàn)象或設(shè)計問題解決方案的有用工具，而且還形成了一個跨越不同科學學科的共同觀點。參與工程實踐，通過運用它們解決工程問題，可以培養(yǎng)學生對科學概念的理解，這些經(jīng)驗有助于學生理解科學通過工程與技術(shù)影響他們的生活與社會的方式。工程設(shè)計本身就是一個核心概念，它明確了參與工程實踐所需的知識，學生需要學習一些重要的工程概念，如設(shè)計。因此，運用和反思科學與工程實踐及跨學科概念是深入理解科學的本質(zhì)和工程學作用的重要元素，以及這些實踐在科學與工程中的使用方式的異同。

◎隨著時間的推移建立連貫的學習過程——學習進程

為了開展以學生為中心的科學教學，就需要了解學生是如何建構(gòu)核心概念的，這也是21世紀以來科學教育研究的熱點問題。在《新一代科學教育標準》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準。在《新一代科學教育標準》中將K——12年級劃分為4個年段（K2，3-5，6-8，9-12），并明確給出了每個年段所涉及的科學與工程實踐、跨學科概念和學科核心概念的理解程度，并在4個年段形成螺旋上升的、符合兒童認知和知識建構(gòu)規(guī)律的學習進程。

《新一代科學教育標準》中，整12年教學階段的科學概念是連貫一致的，標準中闡述了學科核心概念如何在多個年級之間建立連貫性，并將生命科學、物質(zhì)科學、地球與空間科學和工程學之間聯(lián)系起來。例如，對于物質(zhì)及其屬性的呈現(xiàn)是跨年級的。在低年級階段，要求能夠根據(jù)物質(zhì)的特征和特性進行鑒別并分類。在隨后幾年的學習中，發(fā)展對于物質(zhì)的相互作用、變化的類別與條件等內(nèi)容的認識，不斷細化使其更加明確，逐漸理解。對于物質(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、高中的一些科學理論就建立在這些模型上。同樣，1個學年內(nèi)的學習順序也有其連貫性，在教學中需要為學生提供多種適合其年級水平復雜程度的機會，引導學生深入探究學科核心概念。

《新一代科學教育標準》強調(diào)各個年級間集中而連續(xù)進展的知識體系，允許學生在整個K——12年級科學教育過程中采用動態(tài)過程構(gòu)建知識。課程單元需要精心設(shè)計，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)學生的學習，達到構(gòu)建和使用跨學科概念與學科核心概念的學習目標。在這些學習過程中，問題或挑戰(zhàn)、模型中的差距及新現(xiàn)象，促進探究更深層次的學科核心概念和跨學科概念。

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