NGSS对我国中学物理课程改革的影响及启示研究

作者简介：邓磊（1977-），教育学博士，西南大学科学教育研究中心副教授，硕士生导师。《物理教学探讨》期刊编辑，华东师大、美国俄亥俄州立大学访问学者。参与“司南版”中学物理教材、教参的编写工作，主要研究方向为物理课程与教学论。

摘   要：美国《新一代科学教育标准》（NGSS）作为科学教育领域具有里程碑意义的文件，对我国当前正在进行的中学物理课程改革具有重要的参考价值。文章在对NGSS沿革述评的基础上分析了NGSS“物理科学”的内容与特点，并从物理科学内容的构成与衔接、科学&技术&工程和数学（STEM）的融合、物理课程框架的设置等方面对我国中学物理课程改革提出了具体建议。

关键词：核心概念;科学&工程实践;跨学科概念;表现期望;课程改革

中图分类号：G633.7  文献标识码：A   文章编号：1003-6148（2019）12-0001-4

美国《新一代科学教育标准》（NGSS）作为科学教育领域具有里程碑意义的文件[1]，对我国当前正在进行的基础教育物理课程改革具有重要的参考价值。本文拟通过对NGSS中“物理科学”（6-8年级）内容的研究，为我国中学物理课程改革提出建议。

1    NGSS的沿革及述评

美国在上世纪90年代以前一直没有由国家统一设置的基础教育课程，从而导致各州的教育水平参差不齐。为了改善由此导致的“危机”，1996年美国国家科学院颁布了第一部国家层面的科学教育标准（简称《标准》）。该《标准》包括科学领域的内容标准、教学标准、职业发展标准和评价标准等，旨在提升学生的科学素养。经过十五年的实施，美国学生从幼儿园到12年级（K-12）在科学及科学学习领域都取得了相当显著的进展[1]。但由于该《标准》下的科学课程依旧未能面向全体学生，且课程内容“求宽不求深”，致使越来越多的学生毕业后不能够从事科学工作。这促使美国科学教育研究者开始重新审视基础科学教育的课程是否需要改革。

在21世纪的第一个十年末，美国启动了新一轮的科学教育改革[2]，并于2011年正式颁布了《K-12年级科学教育框架》（简称《框架》）。《框架》的颁布标志着美国新一轮全国性科学教育改革的开始。与《标准》相比，《框架》在主体结构、学科内容、评价这三个方面存在较大的差异[3]。

2013年美国正式发布了《新一代科学教育标准》（NGSS），NGSS的出台标志着从2010年开始的新一轮科学教育改革的基本完成。NGSS实现了科学教育从“学科学”到“做科学”的变革[4]，并开创性地提出了学科核心概念、跨学科概念和科学&工程实践。此外，NGSS还将学习进阶、科学本质、课程地图模型等最新研究成果融入改革后的科学课程中，以表现期望来整合不同学段全体学生的学习目标和要求[5]。

2    NGSS“物理科学”（6-8年级）的内容简述

NGSS包括生命科学、物质科学、地球与空间科学及工程&技术与科学应用四个学科领域，共16个主题，以K-2年级、3-5年级、6-8年级、9-12年级四个学段来设置表现期望（即课程目标）。因为本研究是对我国初中物理课程改革的建议，所以对NGSS的探索聚焦在6-8年级这个学段，在课程内容上选择“物理科学”部分。

NGSS在初中阶段（MS）对学生在物理科学上的表现期望是建立在对其K-5的概念和能力要求的基础上，期望学生能够用在该学段所形成的概念和能力来解释真实世界。

首先，NGSS提出了4个核心概念：《PS1：物质及其相互作用》《PS2：运动和稳定性：力和相互作用》《PS3：能量》《PS4：波及其在信息传输技术中的应用》。然后，对PS1—PS4进行了表现期望上的总体描述。

紧接着表现期望的是基础盒子（foundation boxes），盒子中的内容是达成表现期望的基础。现以《PS2：运动和稳定性：力和相互作用》的基础盒子为例（表1），来具体说明。该盒子包括三列内容，左列提出了学习者学习PS2时需要重点培养的科学&工程实践技能和与科学本质相关的内容，中列描述了PS2所蘊含的具体概念，右列陈述了跨学科概念和与工程、技术和科学应用的联系（ETS）相关联的内容。

3   NGSS对我国中学物理课程改革的启示

在知识跨越式发展的时代背景下，我国当前的初中物理课程已不能完整体现新世纪物理教育的最新成果，所以新一轮的初中物理课程改革被放上了日程，而NGSS对我国初中物理课程改革具有较强的启示。

3.1    对科学内容构成的建议——以大概念建构科学内容，选取体现物理原理机制的内容

NGSS认为，物理课程的内容可用大概念来进行组织。其实，我国当前初中物理课程的内容也是以类似大概念的主题来组织的，如表2所示。

首先，与NGSS相比，在核心概念上，我国没有PS4，而这一条也是在2013年NGSS新增加的核心概念。PS4的增加体现了NGSS在物理科学领域应用性和时代性上的更新，强化了科学与技术、工程的相互影响，同时PS4与PS3也形成关联，让NGSS物理科学领域的核心概念在体系上更完整。

其次， NGSS在子核心概念的选择上避免了对从属概念的列举，使整个子核心概念更具层次性。例如，NGSS在PS2中是以“力与运动”及“相互作用的类型”两条子核心概念来划分的，概念间的区分度更强，逻辑性更好。

第三，NGSS在核心概念上更聚焦，这种减少细节概念的做法可以帮助学生有机会参与更多的科学实践，从而获得对物理科学更深入的理解。同时，减少每个学段核心概念的做法还有助于让教授者和学习者理清最值得花时间教与学的内容，减少在没有概念背景下对细节的关注。

3.2    对科学内容衔接的建议——设置跨学科概念，培养整合科学问题解决的思路

NGSS创设了跨学科概念——在所有科学领域中都能使用，具有在不同科学领域的统一思维方式。跨学科概念能够提供有利于学生将不同科学领域知识进行有效组织并理解世界的认识，所以对学习者的物理学习非常重要。NGSS强调学习者在物理学习中需要明确7个方面的跨学科概念——模型、因果关系、规模&比例和数量、系统与系统模型、能量与物质、结构与功能、稳定与变化。

建议在义务教育物理课程改革时能对跨学科概念进行专门介绍，然后将其与学科核心概念进行衔接，让学生不仅能将物理科学与其他科学的知识有效整合，同时也能理解物理科学的研究方法、思维方法并实施到其他科学领域，从而实现真正意义的“形而上学”。

3.3    对STEM融合的建议——重组科学&工程实践，优化科学、技术与工程内容

科学探究几乎是贯穿我国基础教育物理课程改革的整个过程，近20年科学探究的实施对提升我国中学生的科学素养功不可没，但是对科学探究实践性重视的不足也让中学物理教学过程中出现了一些“伪”探究。NGSS删除了“作为探究的科学”主题，取而代之的是科学&工程实践。科学&工程实践的出现强调了对学生在物理科学领域的学习过程中动手做、动脑思、动笔写、动嘴辩[6]等方面能力的培养。科学&工程实践将学生在物理学习过程中应该掌握并充分使用的8个实践要素进行了分解和学习进阶，如表3所示。科学&工程实践的出现一方面丰富了科学探究的内涵，另一方面也具体化了实践中的表现评价。

表3   科学探究与科学实践的差异

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在NGSS中用科学&工程实践替代科学探究，除了可以实现帮助学生理解物理知识如何发展，提供多种机会让学生了解世界是如何运作的目的以外，还可以让学生了解工程师的工作，以及工程和物理世界之间的联系。具体来说，科学探究与科学&工程实践在具体的要素上也不一致，科学&工程实践在开发和使用模型、运用数学和计算思维、设计方案上相较于科学探究更直接，更具有前瞻性。特别是计算思维和数学思维，既体现了问题解决所采用的一般数学方法，又体现了运用计算机科学的基础概念进行问题解决的特殊科学思维要求，具有较为整合的科学、技术和工程意义。其实，这也是科学&工程实践较科学探究更丰富的缩影。

3.4    对课程框架的建议——划分课程表现的学習进阶，强调课程维度的连贯、完整

NGSS以表现期望为统领，将科学&工程实践、跨学科概念与物理科学核心概念三个维度进行了有机的整合，从而形成了NGSS新颖而独特的立体架构。表现期望阐述了6-8年级物理科学4个核心概念的内涵及教学要点与目标，并与三维具体目标一一对应：以“学科核心概念”促进科学知识学习的连贯性和纵深发展，以“跨学科概念”促进科学学习实现整体一致性，以“科学&工程实践”促进科学知识学习与实践能力培养的双向达成及基于科学本质的理解[7]。

NGSS通过表现期望来判断哪些学生的行为符合标准要求，从而实现课程、教学和评估统一的目标。同时，详细描述和评估边界也让师生在进行教与学的时候能对表现期望理解得更深刻，需要说明的是“详细描述”不仅是举例，还有对每条表现期望的详细解释。此外，NGSS还对表现期望设置了具有连贯性的学习进阶，这使物理课程更严谨，学生学习也更有效。

建议我国初中物理课程改革时，能对课程框架进行更具整合性的设计，这种设计不仅限于科学内容设计的一贯性，还应该包括学生学习能力进阶的一贯性，从而最终实现物理课程的一贯性。

参考文献：

[1]王唯真.NGSS三维学习理念下我国小学科学内容标准刍议[D].重庆：西南大学硕士学位论文，2016.

[2]吴文静，王威，何瑞.美国NGSS对我国修订生物学课程标准的启示[J].现代交际，2017（16）：152.

[3]王磊，黄鸣春，刘恩山.对美国新一代《科学教育标准》的前瞻性分析——基于2011年美国《科学教育的框架》和1996年《国家科学教育标准》的对比[J].全球教育展望，2012（6）：41.

[4]谢艳琳.美国《科学教育框架》与我国《初中科学课标》的比较研究[J].基础教育研究，2014（7）：28-30.

[5]陈峰.义务教育物理课程标准实施十年回顾与展望[J].中学物理教与学，2011（12）：20-24.

[6]郭祥堆.2011版义务教育物理课程标准的变化[J].物理通报，2014（7）：11-17.

[7]刘德春.关于《全日制义务教育物理课程标准》的认识与思考[J].中学物理，2003，21（12）：1-3.

（栏目编辑   廖伯琴）