面向21世纪的科学教育

周建中 叶兆宁

美国《新一代科学教育标准》（NextGeneration Science Standard，以下简称NGSS）由美国国家研究委员会（NRC）、美国国家科学教学协会（NSTA）、美国科学促进会（AAAS）和Achieve，Inc.共同协作完成，于2013年正式发布。其中文版于2020年由科学普及出版社正式出版。《新一代科学教育标准》描述了一种基于科学实证的科学教育新理念，以标准的形式呈现出对学生的科学学习的明确要求和规范。正如在NGSS的序言中所说，单单这些标准本身将不会为所有学生提供高质量的学习机会。为了使这些标准在提高科学教学和学习上发挥作用，服务于中国基础教育阶段的科学教育改革和实践，需要在中国开展各个层级的研究和实践，包括对课程、教学、评估、教师的职前培养和职后专业发展等。

◎NGSS愿景中核心的教学转变

美国《K-12年级科学教育框架》和《新一代科学教育标准》的共同宗旨是帮助实现K——12年级科学与工程教育的愿景，其核心是3个教学转变：①解释现象和设计问题的解决方案，②参与三个维度目标的学习，以及③随着时间的推移建立连贯的学习过程。通过学生像科学家和工程师那样在学习中理解现象和解决问题，希望每个学生都能够在学校中积极地参与科学与工程实践，以加深他们对特定学科领域的核心概念的理解，逐渐建构并运用跨学科概念解释和预测自然界中的现象，解决遇到的实际问题。

这样的教学转变反映了传统科学教学方法和NGSS倡导的现代科学教学和学习方法之间的区别。传统的科学教育侧重于单个学习者对科学内容的离散元素的掌握，而現代的方法则强调学生像科学家和工程师那样在工作中理解现象和解决问题。由于现代方法涉及到针对特定目标使用和应用知识，因此它们强调应用中的知识或知识能干什么，而不是传统方法所指的知识本身。

在强调教育公平性和面向每一个学生的教育方针引领下，强调理解现象和解决问题在科学教育中变得更加重要。学生将科学与工程应用于家庭和社区的日常生活中，这将帮助他们理解现象和问题。通过真实的学习情境的创设，传统方法被“翻转”为采用现代方法。在传统方法中，科学家和科学教师定义了科学学科的规范知识，呈现在科学教科书中。这种传统的简单主题对专家有意义，而对学习者的激励作用并不能涵盖所有学生，部分立志将来从事科技工作的学生学到了科学，但对许多学生来说科学没有意义。在现代方法中，所有学生都像科学家和工程师在他们的工作中所做的那样，解释自然界的现象，解决日常生活中的问题。

让学生理解现象、解决问题是围绕三个维度目标开展教学的重点。通过学生在真实情境中发现的问题驱动学习，这个过程需要仔细地设计和推进。围绕三个维度目标开展教学的课堂是活跃的，充满了讨论，因为在小组和全班中进行的学术讨论对于学生理解重要科学观点是必需的，也是重要的。学生通过参与科学与工程实践并使用跨学科概念解释现象是如何发生或为什么发生，共同建构对科学概念的理解。从科学角度看，通过项目化的学习，学生研究驱动问题以解释现象，并使用工程学设计问题的解决方案，同时也可以整合各科学学科。

《新一代科学教育标准》中的学习预期表现是评测的目标，也是课堂教学的有机组成部分。学生要达到这样的目标，需要从幼儿园至高中有定期的机会参与到科学学习中，将标准的三个维度融合起来贯穿课堂学习体验。当教师的教学与NGSS 一致时，学生将在多个核心概念的背景下积极参与到全面的科学与工程实践中。学生的学习将由自然界的现象或工程设计中的困难所产生的问题所驱动，这将支持学生跨越单元和课程，学习核心科学概念和跨学科概念。他们将有机会运用他们发展中的科学知识解释现象或为现实世界的问题设计解决方案。

○解释现象和设计问题的解决方案

实现《新一代科学教育标准》规划的科学教育愿景的第一个教学转变是教学活动要达成解释自然界的现象和设计问题的解决方案，希望在这个过程中使科学学习对每一个学生都具有意义，达成标准所规划的学生科学学习的三个维度的目标，更侧重于深入理解和内容运用。要实现这个转变，需要创设学生熟悉或身边真实的情境，只有这样才能激发学生的学习兴趣和动机。通过参与以科学与工程实践为主线的活动，既可以帮助学生理解科学知识是如何建立和发展的，并让他们了解科学家用于调查、建模和解释自然界和工程系统中的现象的各种方法;同时还可以帮助学生发展工程设计能力，包括定义和解决问题。这样，解释现象和设计问题的解决方案的学习过程就成为一个有意义的综合性学习。

在这个过程中，学生可以学习并掌握解释现象和设计问题解决方案的方法。学生得到很多机会进行提问、调查，并努力解释现象，还可以将他们的理解应用于实际工程问题的设计。这个过程如果发生在对学生有意义的情境中，学生所建构和学习的概念就会进一步深入，走向深度学习和活学活用，同时可以保留更长时间。例如“物体间的相互作用”这个核心概念和模型，既可用于解释气团在天气现象中的行为（分子水平），也可以解释随时间的积累而产生的生态系统中的物种数量的变化现象。学生在持续参与这些实践活动时，反复使用和完善这些模型，解释发生的事情或为现实世界的问题设计解决方案，可以提高对科学核心概念和跨学科概念的理解。

教学中引入的现象或设计问题必须是精挑细选的，可以帮助解释发生的现象，这样学生可以参与其中并且促进对所学习的科学概念的理解。当然，教学过程中，学生需要学习基本科学概念和术语，以便能够发展对现象的解释和模型的使用。用这种方式学习和运用科学概念，可以将概念深入整合进他们的日常生活中，达到这些概念运用于解决新情境中的问题，达到学习的最高目标知识和任务迁移。

在这样的教学中，科学与工程实践是交织在一起的，要避免将它们彼此孤立地学习，这也就是为什么在NGSS中给出了发生在每一个真实的科学研究和工程设计中的8种科学与工程实践，而不是简单的科学探究或工程设计的流程。例如，当学生分析数据时，他们可能会使用一些数学和数字技术，对真实数据、现象和证据进行分析，有目的地推进特定的学习目标。当学生模拟物理现象，或者模拟在不同条件下测试工程设计，模拟进行数据挖掘或使用计算机辅助设计软件设计问题的解决方案时，都需要用到计算思维。当学生形成、讨论和评判解释时，他们将依靠建构的模型和收集的证据进行归纳、论证和推理。

因此，科学与工程实践在这样基于真实情境、对真实问题的解决过程中，不是一个过程中的一套步骤，而是科学研究和工程设计中的要素，是根据需要多次使用的工具。传统的科学学习强调学生记忆事实、公式和定义的能力，不能满足所有学生参与实践的需要。而NGSS提出这样的教学轉变：通过发展模型和解释，参与论证，完善和改进解释，并形成问题的解决方案，可以让所有学生理解科学概念和方法的价值和意义。

《新一代科学教育标准》的核心内容分成了三个维度：科学与工程实践、跨学科概念和学科核心概念。在教学活动中，并不是指教师要提供给学生所有的内容和信息;相反，希望教师在课堂上组织的一系列活动和经历，以便学生学习和建构NGSS中所期待达成的三个维度目标中的内容。这些活动的范围和顺序应该体现在课程计划中，并以此为指导，匹配相应的课程资源，对学生的学习提供支持;而教学则由持续作出最大满足学生需求决定的教师实施，沿着一条学习路径，使学生能够达成《新一代科学教育标准》中体现的内容和目标。

在现实世界中，让学生参与解释现象和设计问题解决方案的实践活动的目的并不是让学生自己发现科学概念。通过参与科学与工程实践探究概念，K——12年级学生可以理解越来越复杂的NGSS中的科学与工程的核心概念。通过指向少而精的核心概念的课程和教学设计与实施，课堂教学依然能够在12年以上的科学学习过程中建构核心的知识、技能和方法体系。所以，达成《新一代科学教育标准》愿景的第二个教学转变是帮助学生参与到围绕三个维度目标的学习中。

《新一代科学教育标准》中的跨学科概念与各科学学科都密切相关，可以帮助学生建立跨主题、课程和学科的联系。例如，系统和系统模型这个跨学科概念，为了达到描绘和定义一个系统而进行系统模拟，在不同学科学习中反复使用。在围绕这个概念形成的一系列问题所驱动的科学学习过程中，学生不仅获得了解释现象或设计问题解决方案的有用工具，而且还形成了一个跨越不同科学学科的共同观点。参与工程实践，通过运用它们解决工程问题，可以培养学生对科学概念的理解，这些经验有助于学生理解科学通过工程与技术影响他们的生活与社会的方式。工程设计本身就是一个核心概念，它明确了参与工程实践所需的知识，学生需要学习一些重要的工程概念，如设计。因此，运用和反思科学与工程实践及跨学科概念是深入理解科学的本质和工程学作用的重要元素，以及这些实践在科学与工程中的使用方式的异同。

◎随着时间的推移建立连贯的学习过程——学习进程

为了开展以学生为中心的科学教学，就需要了解学生是如何建构核心概念的，这也是21世纪以来科学教育研究的热点问题。在《新一代科学教育标准》制定过程中，充分收集了20多年的研究成果，发展出能体现核心概念连续性和一致性的教育标准。在《新一代科学教育标准》中将K——12年级划分为4个年段（K2，3-5，6-8，9-12），并明确给出了每个年段所涉及的科学与工程实践、跨学科概念和学科核心概念的理解程度，并在4个年段形成螺旋上升的、符合儿童认知和知识建构规律的学习进程。

《新一代科学教育标准》中，整12年教学阶段的科学概念是连贯一致的，标准中阐述了学科核心概念如何在多个年级之间建立连贯性，并将生命科学、物质科学、地球与空间科学和工程学之间联系起来。例如，对于物质及其属性的呈现是跨年级的。在低年级阶段，要求能够根据物质的特征和特性进行鉴别并分类。在随后几年的学习中，发展对于物质的相互作用、变化的类别与条件等内容的认识，不断细化使其更加明确，逐渐理解。对于物质粒子构成的理解和形成模型，以及利用这些模型解释三态变化和物质的许多特性，要到初中阶段才逐渐发展起来，初中、高中的一些科学理论就建立在这些模型上。同样，1个学年内的学习顺序也有其连贯性，在教学中需要为学生提供多种适合其年级水平复杂程度的机会，引导学生深入探究学科核心概念。

《新一代科学教育标准》强调各个年级间集中而连续进展的知识体系，允许学生在整个K——12年级科学教育过程中采用动态过程构建知识。课程单元需要精心设计，以便提供连贯的调查或工程问题，使之通过问题和现象激发学生的学习，达到构建和使用跨学科概念与学科核心概念的学习目标。在这些学习过程中，问题或挑战、模型中的差距及新现象，促进探究更深层次的学科核心概念和跨学科概念。

美国《K——12年级科学教育框架》和《新一代科学教育标准》的发布与实施，描述了一种基于科学实证的科学教育新理念，其愿景带来了科学教学的三大转变。在NGSS中文版正式出版之际，本专题从课程开发和教学实践的视角对NGSS重新作了解读，期待帮助中国的广大校内科学教师和校外科技教育工作者在教育教学实践中理解其呈现的学生科学学习的明确要求和规范，在各个层级的教学研究和实践中更好地开展以学生为中心、面向所有学生的科学教育。在以解释自然界的现象和设计问题的解决方案为大目标的活动中，参与到随着时间的推移建立连贯的学习过程中，既帮助学生掌握科学探究和工程设计的方法，也逐渐建构起实践、跨学科概念和学科核心概念的三个维度目标所搭建起来的少而精的科学知识体系。