科学工程实践、跨学科概念与学科核心知识的整合*——从《下一代科学教育标准》视角看WISE项目

陈钱钱 赵国庆 王晓静

（北京师范大学 教育学部，北京 100875）

一、引言

为应对科技人才减少和科技竞争力下降带来的危机，美国于2012年发布了《21世纪K-12阶段科学教育框架》（A Framework for K-12 Science Education：Practices，Crosscutting Concepts，and Core Ideas，以下简称《框架》）。针对以往美国科学教育标准中存在的“知识琐碎、逻辑不连贯，科学课程广而不深”、“忽视学生参与科学工程实践的需求”等问题，并结合数年来科学教育领域的研究及重大发现，《框架》将科学学习划分为科学工程实践（Science and Engineering Practices）、跨学科概念（Crosscutting Concepts）和学科核心知识（Disciplinary Core Ideas）三个同等重要但又明显不同的维度（如图1所示）。[1]在以往的科学教育标准中，科学实践与科学知识、学科内与学科间知识总是被看成独立的部分，其关系被人为割裂，这不利于科学教育目标的实现。[2-3]《框架》强调不能将三者分开来看，应将其进行整合并体现在课程标准、课程内容、教学过程和评价中。为了达成《框架》所描绘的愿景，给学生学习提供更好的支持，美国于2013年4月发布了《下一代科学教育标准》（The Next Generation Science Standards，以下简称NGSS）。NGSS的基本内容充分体现了 《框架》的要求，三大维度整合在一起形成具体的标准（或表现期望），帮助学生随着年龄增长逐步建构日益连贯的科学理解（Cohesive Understanding）。[4]

图1 科学学习的三维模型

NGSS一经发布，就吸引了包括美国在内的世界各国科学教育工作者和研究者的关注，围绕NGSS的教材、教学、评价及教师专业能力培养研究日益热络，俨然已成为科学教育改革进程中新的里程碑。

加州大学伯克利分校Marcia C.Linn教授从上世纪80年代起，就致力于科学教学与学习方面的研究，系统提出了用于指导科学教与学的教学理论——知识整合教学理论（Knowledge Integration Instructional Theory）。该理论认为，与主要聚焦于新想法（知识）相比，尊重学生的已有想法（知识）并将新旧想法（知识）进行对比时，学生能够取得更大的成就。[5]Linn在大量实证研究的基础上，提出了知识整合的四大核心原则 （让科学触手可及、让思维看得见、帮助学生向他人学习和促进自主学习）和四大关键步骤——诱出想法、添加想法、辨分想法（Distinguish Ideas）、反思与整理想法。[6-7]

在知识整合理论的指导下，Linn团队开发了“基于网络的科学探究环境”（Web-based Inquiry Science Environment，WISE），并依托 WISE 研发了 50 余个科学探究学习项目（以下简称WISE项目）。这些项目覆盖了物理科学、生命科学、地球科学、工程等领域。[8-9]文献表明，依托WISE项目开展的大量研究依然处于国际科学学习领域甚至学习科学领域的前沿。[10]

那么，作为科学教育领域研究前沿的WISE项目与代表科学教育改革新里程碑的NGSS之间的吻合度如何？这种吻合体现了科学教育的什么思想？为此，本文对以上问题作出探讨，并分析WISE和NGSS给我国科学教育带来一些启示。

二、科学学习的三个维度及其整合

（一）科学学习的三个维度

《框架》将科学学习划分为科学工程实践、跨学科概念和学科核心知识三个维度。科学工程实践对科学家研究自然界以及工程师设计、构造系统时所进行的工作加以描述。参与科学工程实践，可以帮助学生建构、深化和应用学科核心知识和跨学科概念，促进意义学习的发生和科学世界观的建立。基于此，《框架》共定义了八大科学工程实践，它们分别是：（1）提出（科学）问题，定义（工程）问题；（2）开发与使用模型；（3）规划与开展研究；（4）分析和解释数据；（5）应用数学思维和计算思维；（6）建构（科学问题的）解释，设计（工程问题的）解决方案；（7）参与基于证据的论证；（8）获取、评估和交流信息。[11]

科学实践与工程实践既有共同的要素，也有各自不同的侧重点。科学实践致力于从自然现象中发现问题，然后通过科学方法收集数据，利用数学知识或计算机处理数据并形成模型或理论，以回答“是什么”或“为什么”的问题；工程实践侧重于解决实际生产中的问题，设计解决方案并加以实施，回答“怎么办”的问题。[12]科学工程实践的总目标是让学生有意愿、有能力去做这些实践活动，并通过单一或多项实践活动支持学习或者证明他们对科学和工程的理解。[13]

跨学科概念帮助学生探索科学四大领域 （物理科学、生命科学、地球与空间科学以及工程设计）之间的联系。当这些概念（如“因果关系”）被清晰地告知学生时，可以帮助学生形成对身边世界连贯的、科学的理解。跨学科概念之所以有价值，是因为它们为学生提供了跨越不同学科领域的连接及思考工具（intellectual tools），可以丰富他们的应用实践以及对核心知识的理解。然而，在以往的课堂教学中，教师并不会直接教授这些跨学科概念。[14]为了强调跨学科概念在科学课程标准、课程内容、教学过程和评价中的重要性，《框架》将其作为独立维度提出来，并定义了七大跨学科概念：模式；因果关系；大小、比例和数量；系统和系统模型；能量与物质；结构与功能；稳定与变化。

学科核心知识是指在多个科学与工程学科内有着广泛重要性的核心知识点。在科学领域中存在着大量的知识，但学生的学习能力和学习时间都很有限。借鉴整合理念总结出科学领域中的核心知识，为解决有限的学习时间与无限的科学知识间的矛盾提供了可能。通过对核心知识的学习，逐渐掌握科学领域中其他的知识和技能。随着学生年级的增长，这些核心知识相互作为基础并被分到物理科学、生命科学、地球与太空科学以及工程四大领域 （如表1所示）。为了便于学生对学科核心知识的学习和理解，每个核心知识下又划分出一些较为具体的知识点，并对这些知识点进行了详细的说明，以帮助学生更加深入地理解核心知识。NGSS参照《框架》中提出的学科核心知识进行编排，大大减少了科学知识的数量，但也对学习的深度提出了更高的要求。

表1 学科核心知识

（二）NGSS对三个维度的整合

“整合与发展”是21世纪以来科学教育改革的核心理念。“整合”是指科学课程的学习，应通过少量的大概念来构建知识内容，避免科学知识的分离与碎片化，并在此基础上组织科学工程实践活动，做到知行合一，将所学科学知识用于科学工程实践，并在实践中加深对科学知识的理解；“发展”强调科学工程领域的知识学习与实践不是一蹴而就，需要根据学生的认知水平进行合理的设计，采用螺旋上升的方式设计不同阶段的学生应该达到的水平，使学生随着学习阶段的提升，对科学知识及实践形成连贯性理解。[15]

《框架》中提出的三大维度将以往零散的、互不相关的科学、工程、技术领域的知识进行了有效的整合。NGSS需要将《框架》中提出的三大维度加以整合，并且将这三者的整合体现在课程、教学和评价中。为满足这一需求，NGSS将 “表现期望”作为其主要内容，以呈现某个年级阶段结束后学生在科学工程实践、学科核心知识及跨学科概念三大维度应达到的目标。NGSS主要有两种编排形式，一种是按照“学科核心知识”（Grouped by Discipline Core Ideas，DCI）；另一种是按照“主题”形式（Grouped by Topic）。两种编排形式都以年级为主线，先以“故事线”概括说明某一阶段需要达到的目标，然后通过 “表现期望（PerformanceExpectation）+基础框（Foundation Boxes）+联系框（Connections Boxes）”的形式，组成前后一致、逐渐深入、螺旋上升的框架结构（如表2所示）。

表2 NGSS文本内容框架

在表现期望中，除了对学生可表现出的行为加以具体描述外，还会对表现期望进行举例说明以及对评测界限进行规定。举例说明可以为教师在设计课程活动时提供参考；评测界限则表明了对于不同年级的学生有不同的要求，进一步规范了表现期望范围。基础框中是对表现期望中涉及到的科学工程实践、学科核心知识和跨学科概念三大维度进行具体描述。联系框中给出的是该表现期望与同年级、跨年级学科核心知识及 《通用核心州标准》（Common Core State Standards，美国全国性的文学艺术及数学的教育标准）的联系。这方便了教师或学生从整体上了解同一学科知识在不同年级阶段的分布情况，以及与其他领域核心概念的相关性，有利于教师在设计课程时了解学生已有知识及现有知识应该达到的程度，促进有意义学习的发生。

和以往标准中 “学生应该知道或理解某一科学知识”这一学习目标的描述不同，表现期望说明在某一年级阶段，学生在学习具体学科知识时，能够通过特定科学工程实践进行科学研究和工程设计，运用跨学科概念，进而加深对学科知识的理解。[16]由于学生对特定科学知识的理解不同，表达方式也不同，因此，较难提出一致的评估标准来准确评估所有学生的理解水平。而表现期望则是通过一系列可测的行为，来判断学生科学知识理解程度和工程实践能力是否达到要求，能够为课程、教学和评估提供具体的目标参考。[17]

因此，NGSS的主要内容侧重于明确规定学生学习的预期成效，而不是一系列教学策略或测评任务；不是对科学课堂做出了限制，而是给教师在目标和测评方面提供了参考，教师有很大的自主权决定课程如何实施、评价如何开展。[18]然而，这种自主权也给教师带来了巨大的挑战，他们将面临不知如何设计课程以满足NGSS要求的挑战，以及不知如何对学生的学习成果进行有效评价等困难。所以，能够在一定程度上体现NGSS要求的课程资源，对于科学教师来说至关重要。

三、基于NGSS的WISE项目分析

（一）案例一：“牛顿小车”项目

1.项目简介

自驱动牛顿小车挑战项目（Self-Propelled Vehicles Challenge，以下简称牛顿小车项目；http：//wise.bnu.edu.cn/project/7#/vle/node1），属于NGSS中物理科学领域，主要供八年级（初三）学生使用。项目的学习目标是学习者通过建构物理模型和虚拟仿真模型，探索在自驱动小车运动过程中的能量转化与守恒的现象。项目的主要内容如表3所示。

表3 牛顿小车项目活动介绍

2.“牛顿小车”项目对NGSS的体现

“牛顿小车”项目中所涉及的科学知识属于中学（Middle School）物理科学（Physical Science）中的能量模块（MS-PS3）。下面我们将从NGSS中能量概念相关的标准出发，分析“牛顿小车”项目是如何支持NGSS中表现期望的实现（见表4）。

表4 牛顿小车项目分析

从NGSS的内容框架来看，关于初中生需要达到的物理领域能量的表现期望共有5条：其中1、2、5是关于动能和势能相关概念的理解；3、4是关于热传递、温度与热能之间关系的理解。在牛顿小车项目中主要涉及到了表现期望中的1、2和5，而3和4在 “太阳能灶项目”（http：//wise.berkeley.edu/project/19409） 和 “热平衡项目”（http：//wise.berkeley.edu/previewproject.html?projectId=7840）中均有所涉及。

关于“能量”这一学科核心知识，牛顿小车项目主要涉及到动能、势能的定义及其转换，较少地涉及了热能，对热传递没有体现。学生通过计算机仿真软件可以直观地观察在小车运动过程中，势能、动能和热能间的转换（如图2）。在NGSS“科学工程实践”维度下，中学生还需分析并解释数据，能够建构并解释图表中的数据，找出其中的线性和非线性关系。在牛顿小车项目中所呈现的柱状图只体现了能量之间的变化，并没有要求学生找出其他因素（如，质量、摩擦系数等）与能量之间的关系。在NGSS关于能量的“跨学科概念”中，学生还需掌握“规模、比例、数量”这一概念。在牛顿小车项目中，对于学生计算能力的训练较少，更加关注学生的设计、制作能力。

图2 小车运动过程中，能量转化的探索

整体而言，牛顿小车项目以让学生设计制作小车等一系列科学工程实践活动为载体，帮助学生理解物理科学领域的动能、势能及能量守恒和转换等学科核心知识，并帮助学生理解模型、能量与物质等跨学科概念，这能够很大程度上实现NGSS中提到的相关表现期望，从而实现三维度的整合。

（二）案例二：“光合作用”项目

1.项目简介

“光合作用” 项目（http：//wise.berkeley.edu/previewproject.html?projectId=7709）是为了让学生理解光合作用概念及其原理而开发的科学探究项目，对应生命科学领域中 “生物体和生态系统中的物质和能量”话题中的知识。该项目共有四个学习活动组成，具体内容如表5所示。

表5 光合作用项目活动介绍

2.“光合作用”项目对NGSS的体现

光合作用主要出现在生命科学领域 “从分子到有机体：结构和过程”核心知识下的第三个知识点“有机体中的物质组织与能量流动 （Organization for Matter and Energy Flow in Organism）”，以及“生态系统中的物质循环与能量流动”核心知识下。表6是依据NGSS中关于光合作用中学生应达到的相关标准，对WISE中已有“光合作用”项目的分析。

表6 光合作用项目分析

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图3 光合作用过程中光能转化为化学能交互可视化动画

NGSS中还有光合作用与呼吸作用相结合学习应达到的表现期望（HS-LS2-5），由于本项目主要讲解光合作用，故没有考虑HS-LS2-5。结合表6中的分析可以看出，光合作用项目通过一系列交互式可视化动画、模型和模拟实验的形式，让学生学习到光合作用所需物质、过程、发生场所、能量流动与转换等学科核心知识与跨学科概念。同时结合做出科学解释或设计解决方案等科学工程实践，让学生运用所学学科核心知识等相关证据进行解释并加深对知识的理解。在光合作用项目中，没有让学生自己构建模型，而采取为学生提供模型的做法，以便于学生观察难以直接观察的现象或化学反应机制；对于能进行光合作用的其他生物，本项目并未涉及；对物质循环也没有较为明显的体现。

综上所述，光合作用项目能够通过丰富的问题情境、技术化的科学知识探索与学习、总结性的挑战问题等学习活动，极大程度地支持与光合作用相关的表现期望的实现，从而达到三维度的整合。

图4 分子模型表示的光合作用中的物质变化

四、结论

NGSS以表现期望的形式，实现了科学工程实践、跨学科概念和学科核心知识的整合。WISE项目由教学专家、科学家、科学教师和技术人员等基于知识整合理论共同设计开发而成[19]，属于科学教育领域的前沿性实践项目。我们通过对“牛顿小车”和“光合作用”两个WISE项目进行分析发现，WISE项目与NGSS具有较高的吻合度，主要体现在：

（一）在理论体系上，作为WISE理论基础的知识整合理论与NGSS蕴含的整合思想具有较高的一致性

WISE的基本目标是通过诱出、添加、辨分和整理想法促进学生的知识整合，从而帮助学生将碎片化、不规范的知识或想法转变为连贯的科学理解；NGSS强调科学学习三个维度间的整合。二者在对核心知识进行深度加工，并在碎片间建立联系从而实现整合的理念上是非常一致的。

（二）在整合手段上，WISE和NGSS都强调以科学工程实践作为整合的主要依托

每一个WISE项目都可以看作是若干科学工程实践活动的整合，例如，“牛顿小车”项目是“开发和使用模型”、“计划与实施调查”、“建构解释与设计方案”和“基于证据的论证”等科学工程实践活动的集合，这与NGSS中所要求的“应根据知识特点，选择一个或几个科学工程实践活动迭代进行”是一致的。

（三）在技术实现上，WISE项目和NGSS都高度突出模型的使用

在科学世界中，有很多难以直接观察的科学现象以及难以大规模进行的科学实验，而模型、可视化技术的使用，使得难以观察到的科学现象变得直观生动，计算机仿真技术、虚拟实验的存在，使得学生人人都可进行科学实验。在光合作用项目中，难以观察到的光合作用发生过程、发生场所叶绿体的形态都通过交互式可视化动画和模型的形式展现在学生面前，让学生能够更为直观地学习光合作用。学生还可以通过虚拟实验，探索不同量的光能、二氧化碳和水对植物进行光合作用会产生什么影响。在WISE项目中，丰富的技术手段促进了科学工程实践活动的开展，例如，“开发和使用模型”、“分析和解释数据”等科学工程实践活动；同时，还可以帮助学生更好地理解模型、能量和物质等跨学科概念，使学生能够在科学工程实践活动中，运用跨学科概念，加深对学科核心知识的理解，实现三者的整合。

（四）在评价方式上，WISE项目以过程性评价和总结性评价相结合的方式，逐步考察学生能够达到相应NGSS要求

WISE项目针对重要的科学知识都设计了相关的嵌入式评价问题，从而考察学生的理解程度，在每个项目结束时，也会引导学生对整个项目中所学到的知识与技能进行总结和反思。例如，在“牛顿小车”项目中，学生利用所学科学知识修改完善小车的设计，用于考察学生在工程实践中能否合理有效地利用科学知识；学生通过对比小车修改前后的状态，总结所学科学知识在其中的作用，从而在实践中加深了对学科核心知识的理解。在“光合作用”项目中，嵌入了选择题及开放解释题来考察学生对科学知识的理解，最后让学生撰写能量故事，考察学生对整个探究项目中所学知识的理解程度，并再次促进学生不断反思。WISE项目中的嵌入式评价问题，也是在引导学生通过 “构建解释并设计解决方案”、“参与基于证据的论证”、“获取、评估和交流信息”等科学工程实践活动，进一步运用学科核心知识和跨学科概念。

总体而言，WISE项目具有支持学生进行科学工程实践的优势，能够让学生在实践中运用跨学科概念，逐步学习及运用学科核心知识，从而实现三大维度的整合，达到NGSS中的表现期望要求。

五、对我国科学教育的启示

（一）教学理念上要转向知识整合取向

当前，多数科学教学的做法采用的是知识吸入取向，即在讲授教科书以及“照方抓药”的科学活动中传递知识。这种做法期望学生“把知识吸入进来”，但结果是非常不理想的，大部分学生在课程结束时就忘记了课上所学的大部分知识。WISE项目倡导知识整合取向的教学观，让学生基于自己的已有想法（特别是已有的错误想法），通过探究增加和辨别想法，并进一步通过整理和反思想法，实现碎片化信息向连贯性理解的转变。[20]

我国于2017年颁布了新的《义务教育小学科学课程标准》。在教学内容上，新课标强调科学是一门综合性学科，从物质科学、生命科学、地球和宇宙科学、技术与工程四个领域呈现科学知识，各领域间应相互渗透与联系，注重自然界的整体性。[21]然而，目前我国科学教育中，科学知识的整合程度仍然有限，在很多地区，初中和高中阶段的科学还是采用分科形式进行教学，学科之间的壁垒造成学生学习的碎片化和浅层化。在科学教学中，为了使学生能够像科学家一样思考，应注重科学知识与科学方法的整合，在科学实践中学习和运用科学知识。在具体学习任务中，应注重将若干低挑战性任务整合为高挑战性任务，力求“一英寸宽一英尺深”，使学生对科学的认识更加深入。“整合”的思想不仅应体现在科学教育标准中，更应该融和到具体科学学习过程中。

（二）要充分发挥可视化及仿真模型在科学探究学习中的支撑性作用

科学探究的主要特点是以证据为基础，运用各种信息分析和逻辑推理得出结论，并在交流中不断完善。[22]科学证据的获得并非易事，尤其对于难以实施的科学实验及难以观察的科学现象，而科学可视化为学生收集科学证据、得出可靠结论提供了有力的支撑。WISE项目通过创建模型、仿真、数据图形等方式，实现了科学现象可视化，使学生能够直观地看到诸如光合作用过程中物质变化等难以直接观察到的科学现象；同时，这些模型、仿真等也可以帮助学生展现他们的想法。[23]

（三）要充分发挥网络学习平台对科学探究学习的整合作用

在传统教学条件下，科学探究学习受到资源和空间等因素的限制而无法有效开展。学生在探究学习过程中的表现不易记录，教师也无法了解学生的探究情况，而计算机网络技术的发展，则为解决上述问题提供了技术支持。[24]WISE作为基于网络的科学探究学习平台，对科学探究学习起到了很好的支撑作用。首先，WISE能够整合优质科学教育资源，作为开放性平台，任何教师都可以参与到WISE项目的修改、设计与开发中；任何学生都可以通过WISE平台进行科学探究学习。其次，WISE为科学探究活动提供技术支持，可帮助学生顺利开展虚拟实验，观测难以观察到的科学现象，为学生的学习提供个性化反馈，促进学生的自主学习与协作学习。再者，WISE能够记录学生在科学探究学习过程中的学习情况，为教师提供学习评价及课程改进的依据。我国科学教育工作者也可借助WISE或开发类似平台，以支持科学探究学习的有效开展。

（四）要为科学探究学习设计适度的脚手架支持

无论是美国的NGSS还是我国的 《义务教育小学科学课程标准》都强调科学是一门实践性学科，应以探究式学习为主，学生应通过参与科学探究过程，逐步培养“科学精神”这一核心素养。然而，开展自主探究对学生来说是非常困难的，在探究学习中，教师经常把大量时间花费在回答 “学生下一步该做什么？”这样的步骤性问题上，而提供脚手架的探究又可能偏离初衷，使得探究看起来像“照方抓药”。因此，探究式学习既不能是完全的自主摸索，也不能是学生按照教师设计好的步骤逐步执行，而是要在为学生提供探究脚手架的同时，留足发挥学生自主探究的空间。

我们通过上述对WISE项目的分析发现：WISE项目通过探究路线图，规定了学生探究学习的大方向和大步骤，让学生明白每一个阶段应做些什么。但是，每一个步骤中的具体活动（如，设计对比实验时确定哪些变量为自变量、因变量或控制变量）则由学生自己思考后确定。这样的脚手架，一方面能保证科学探究学习的顺利开展；另一方面也能够促进学生自主探究能力的提升。

六、结语

总之，NGSS是时代的产物，它的出台将对美国甚至全球的科学教育产生重要的影响。WISE项目与NGSS具有较高的吻合度，是其相互学习借鉴的必然结果。考虑到WISE项目的研发早于NGSS近30年，这充分说明了其在设计理念上的前瞻性，同时，也体现出NGSS对学术研究前沿成果的充分吸纳。这种学术研究、政策制订间的相互学习、相互促进的机制，为科学教育的变革提供了强大的理论支持和政策保障。所以，无论是在科学教育标准的制定，还是科学探究课程的开发上，我国都可借鉴美国已有的经验，逐步改善我国的科学教育。

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