貫徹完整科學(xué)教學(xué)與學(xué)習(xí)過(guò)程的科學(xué)與工程實(shí)踐

楊元魁 葉兆寧 周建中

引言

“科學(xué)與工程實(shí)踐”是美國(guó)《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（Next Generation ScienceStandard，以下簡(jiǎn)稱NGSS）中三個(gè)維度之一，也是NGSS中從提法到理念都有所變化的部分?？茖W(xué)與工程實(shí)踐是學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程中必不可少的維度和環(huán)節(jié)，是學(xué)生構(gòu)建學(xué)科核心概念和跨學(xué)科概念的途徑和方法。該維度的重要性在《K-12年級(jí)科學(xué)教育框架》（以下簡(jiǎn)稱《框架》）中強(qiáng)調(diào)：

與框架一致的標(biāo)準(zhǔn)和表現(xiàn)預(yù)期必須考慮到：要讓學(xué)生完全理解科學(xué)與工程概念，必須讓他們參與探究實(shí)踐，以及使這些概念得以形成和完善的討論。同時(shí)，如果不能為學(xué)生提供有具體內(nèi)容的情境，學(xué)生就不能在實(shí)踐中學(xué)習(xí)或展示其能力。

《框架》和NGSS中都顯示每個(gè)預(yù)期表現(xiàn)必須結(jié)合相關(guān)的實(shí)踐，意味著學(xué)科核心概念和跨學(xué)科概念的學(xué)習(xí)是通過(guò)實(shí)踐活動(dòng)達(dá)成的，評(píng)價(jià)也不會(huì)將學(xué)生對(duì)核心概念的理解與其使用科學(xué)和工程的實(shí)踐能力分開。

通過(guò)科學(xué)實(shí)踐開展科學(xué)教學(xué)與學(xué)習(xí)符合科學(xué)的本質(zhì)，也是現(xiàn)代科學(xué)教育發(fā)生重大轉(zhuǎn)變、形成共識(shí)的教學(xué)法。但顯然NGSS中所提的科學(xué)與工程實(shí)踐不同以往，有著全新的內(nèi)涵、特征和體系。本文以此為重點(diǎn)分析內(nèi)容，以了解如何運(yùn)用NGSS中的實(shí)踐發(fā)展體系指導(dǎo)教學(xué)。

科學(xué)與工程實(shí)踐的指導(dǎo)原則

在實(shí)踐的提法上，NGSS呈現(xiàn)出兩個(gè)變化，其一是用“實(shí)踐”（practice）一詞代替以往的技能（skills）、探究（inquiry）之類的詞;其二是將工程實(shí)踐與科學(xué)實(shí)踐進(jìn)行了整合，所確定的8項(xiàng)實(shí)踐都是所有完整科學(xué)和工程活動(dòng)中包含的。這兩個(gè)變化不僅強(qiáng)調(diào)了參與科學(xué)探究需要知識(shí)與技能的共同作用，也提出了通過(guò)科學(xué)與工程實(shí)踐的整合和直接參與讓學(xué)生理解研究、建模和解釋世界、改造世界的眾多方法;幫助學(xué)生形成對(duì)科學(xué)與工程中的學(xué)科核心概念及跨學(xué)科概念的理解;此外，實(shí)踐還能使學(xué)生的知識(shí)更富有意義，更深刻地將知識(shí)嵌入他們的世界觀。為此，NGSS明確提出了對(duì)科學(xué)與工程實(shí)踐的發(fā)展過(guò)程的觀點(diǎn)，并形成了7條指導(dǎo)原則，詳見表1。

理解這些指導(dǎo)原則將更好地促進(jìn)教師學(xué)會(huì)如何幫助學(xué)生發(fā)展核心的實(shí)踐能力，同時(shí)通過(guò)這些指導(dǎo)原則所呈現(xiàn)出來(lái)的特征幫助教師提高自身對(duì)科學(xué)探究與工程實(shí)踐的理解，以發(fā)展其科學(xué)、技術(shù)、工程等各方面的專業(yè)素質(zhì)和教學(xué)水平。

NGSS中構(gòu)建的實(shí)踐發(fā)展體系

隨著時(shí)間的推移建立連貫的學(xué)習(xí)過(guò)程——學(xué)習(xí)進(jìn)程，是NGSS遵循的重要原則，為此NGSS不僅構(gòu)建了核心概念的發(fā)展體系，同時(shí)也構(gòu)建了科學(xué)與工程實(shí)踐和跨學(xué)科概念的發(fā)展體系，以實(shí)現(xiàn)三個(gè)維度共同發(fā)展的目標(biāo)。

科學(xué)與工程實(shí)踐的8項(xiàng)要點(diǎn)被合理地分配在個(gè)各年段之中，且每項(xiàng)要點(diǎn)在每個(gè)年段都呈現(xiàn)出一定的能力水平，這些能力水平通過(guò)K——12年級(jí)的持續(xù)學(xué)習(xí)而得以不斷深化和發(fā)展，形成了完整的實(shí)踐發(fā)展體系。以“分析和解讀數(shù)據(jù)”為例，NGSS給出了在K-2、3-5、6-8、9-12四個(gè)年齡段的發(fā)展進(jìn)程，并指出每個(gè)年段的發(fā)展都是建立在前一個(gè)年段的經(jīng)驗(yàn)之上，見表2。

從表2可以看到，分析和解讀數(shù)據(jù)的發(fā)展也是一步一步深入的，從簡(jiǎn)單的觀察、記錄和分享數(shù)據(jù)，直到能用細(xì)致的統(tǒng)計(jì)分析比較數(shù)據(jù)集，用模型生成和分析數(shù)據(jù)。這些進(jìn)展與學(xué)科核心概念理解和跨學(xué)科概念的深入發(fā)展，起到了一脈相承的作用。

為了能更貼近教學(xué)實(shí)際，僅僅有上述對(duì)發(fā)展進(jìn)程的概述是不夠的。NGSS的每條標(biāo)準(zhǔn)都展示出對(duì)科學(xué)與工程實(shí)踐的詳細(xì)要求。這些要求可匯總形成表3，以豐富其具體內(nèi)容，進(jìn)一步幫助教師理解該實(shí)踐發(fā)展過(guò)程的細(xì)節(jié)。如對(duì)于K2年級(jí)的“分析和解讀數(shù)據(jù)”就可以包括以下幾點(diǎn)：

·記錄信息（觀察、想法和概念）

·使用和分享觀察的圖片、圖紙和/或著作

·運(yùn)用觀測(cè)（第一手資料或從媒體中）描述自然界和人工世界的模式或關(guān)系，從而回答科學(xué)問(wèn)題并解決方案

·將預(yù)測(cè)（基于先前經(jīng)驗(yàn)）與發(fā)生的事件（可觀察事件）進(jìn)行比較

·從對(duì)對(duì)象或工具的測(cè)試中分析數(shù)據(jù)，以確定是否按預(yù)期的方式工作

實(shí)踐能力的發(fā)展是一個(gè)縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)，每種實(shí)踐能力的發(fā)展都不是獨(dú)立的，而是與其他7項(xiàng)能力共同發(fā)展、相互促進(jìn)的。只是在標(biāo)準(zhǔn)中很難描述出這樣相互交疊的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)體系。2020年美國(guó)科學(xué)教育協(xié)會(huì)發(fā)布了《NGSS的導(dǎo)航圖》一書，該書嘗試展現(xiàn)出實(shí)踐發(fā)展的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，呈現(xiàn)出拼圖式的學(xué)習(xí)進(jìn)程模式。

如何運(yùn)用NGSS中的科學(xué)與工程實(shí)踐發(fā)展體系

科學(xué)與工程實(shí)踐是NGSS三個(gè)維度中直接與行為相對(duì)應(yīng)的維度，它體現(xiàn)了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，也從行為的層面上反映了學(xué)生在學(xué)科核心概念和跨學(xué)科概念兩個(gè)維度上的理解程度。因此，科學(xué)與工程實(shí)踐的8個(gè)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了學(xué)生從理念到行為，再?gòu)男袨榈嚼砟畹慕换ミ^(guò)程，也成為實(shí)現(xiàn)NGSS實(shí)際運(yùn)用的中間橋梁。

教學(xué)目標(biāo)制訂的出發(fā)點(diǎn)

教學(xué)目標(biāo)的制訂是教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)的重要環(huán)節(jié)，如何將不同維度的目標(biāo)有機(jī)整合，NGSS中預(yù)期表現(xiàn)的設(shè)定為此給出了示范。圖1是NGSS中2年級(jí)物質(zhì)科學(xué)概念“物質(zhì)及其相互作用”的預(yù)期表現(xiàn)，共包括4個(gè)條目。

任意選出這4條表現(xiàn)中的1條，可以看出科學(xué)與工程實(shí)踐在其中起到了串聯(lián)學(xué)科核心概念的作用，如“計(jì)劃和開展研究”“獲得數(shù)據(jù)并加以分析”“觀察并證明”“用證據(jù)論證”等。再配合基礎(chǔ)框中對(duì)三個(gè)維度的具體解釋，明晰地展示出該條分解概念的學(xué)習(xí)要求和標(biāo)準(zhǔn)。可以說(shuō)，科學(xué)與工程實(shí)踐維度的具體行為描述和定位是科學(xué)教學(xué)中教學(xué)目標(biāo)制訂的出發(fā)點(diǎn)。

教學(xué)評(píng)價(jià)的依據(jù)

清晰的行為描述和定位不僅有利于教學(xué)目標(biāo)的制訂，更加有助于開展教學(xué)評(píng)價(jià)。仍以圖1為例，其中2PS1-1的預(yù)期表現(xiàn)為“計(jì)劃和開展研究，通過(guò)材料可觀察的特性對(duì)其進(jìn)行描述和分類”，該表現(xiàn)與實(shí)踐相連的行為是“計(jì)劃和開展研究”及“描述和分類”。其中“計(jì)劃和開展研究”是科學(xué)與工程實(shí)踐之一，該預(yù)期表現(xiàn)要求學(xué)生能“以合作的方式進(jìn)行計(jì)劃和實(shí)施調(diào)查，產(chǎn)生數(shù)據(jù)作為回答問(wèn)題的證據(jù)基礎(chǔ)”。因此，在教學(xué)或評(píng)價(jià)中，教師均需要考核學(xué)生是否能在小組內(nèi)參與計(jì)劃的制訂、參與調(diào)查的實(shí)施、仔細(xì)觀察材料的特征和特性、根據(jù)其特征特性進(jìn)行描述和分類。教師甚至需要根據(jù)所選擇活動(dòng)的具體內(nèi)容，詳細(xì)制訂出學(xué)生可能進(jìn)行評(píng)價(jià)的行為表現(xiàn)和表現(xiàn)程度?？梢?，NGSS中的預(yù)期表現(xiàn)也是教學(xué)評(píng)價(jià)制訂和實(shí)施的實(shí)際依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]NRC. A Framework for K-12 Science Education：Practices， Crosscutting Concepts， and Core Ideas [M].2011.

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[3] Ted Willard. The NSTA Atlas of the ThreeDimensions[M]. Nsta Press. 2020.