美国呼吁加强科学教育：愿景、现实基础与行动建议

2023年5月，教育部等十八部门发布《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》，要求在教育“双减”中做好科学教育加法，使科学教育在促进学生健康成长、全面发展和推进社会主义现代化教育强国建设中发挥重大作用。这是我国全面贯彻落实党的二十大精神和《全民科学素质行动规划纲要（2021—2035年）》等政策的行动部署，也是我国应对新一轮科技和产业革命、提升国民科学素养的重要举措。加强科学教育、重视科技人才培养已经成为全球主要发达国家关注的重要议题。2021年，美国国家科学院、工程院和医学院发布了一份研究报告《呼吁为科学教育行动：为未来创造机会》（Call to Action for Science Education： Building Opportunity for the Future，以下简称《报告》），呼吁将更好、更公平的科学教育作为国家的优先事项，以期让K-16的所有学生都拥有广泛的、一致的、连贯的高质量科学学习机会，并且欢迎各种背景的人进入科学学习环境，从事STEM职业，从而成为国家的贡献者和决策者。[1]本研究从愿景、现实基础和行动建议三个方面对《报告》的内容进行分析，以期对我国加强科学教育提供启示。

一、美国科学教育的愿景

《报告》指出，要加强科学教育，使每个学生都能感受到科学的乐趣、魅力和力量，学习如何利用科学来解决地方和全球的问题，并在未来走上科学相关职业的道路。更好、更公平的科学教育包括三个方面。

1.提供高质量的科学教学

高质量的科学教学主要体现在两方面。一方面，学生要像科学家一样学习科学：无论是在小学、中学或中学后的教育中，学生都有机会做科学家所做的事情（提出问题、开展调查、分析数据、基于证据得出结论），并通过各种方式交流研究结果。另一方面，科学教学对于学生来说应是具有意义和相关性的，有意义即科学学习体验能为学生提供机会去探索他们感兴趣的问题，以促进他们批判性思维和科学技能的发展，并激励他们将科学相关领域视为自己的职业道路；相关性即学生能够将他们在生活中的经历与所学的科学知识联系起来，理解科学与生活的关系。

2.拥有准备充分、多样化的科学教学队伍

拥有准备充分、多样化的科学教学队伍是实现高质量、积极主动和以学生为中心的学习愿景的关键。所谓准备充分，科学教师需要精通他们教授的学科内容，并熟练掌握有效开展科学教学的方法，理解自己作为“学生科学家小组”的推动者，在指导学生开展调查、搜集证据、和组员进行讨论、基于结果进行辩论等方面的作用。所谓多样化，就是要认同各级科学教师都是专家，让他们感受到来自组织领导人的支持，同时支持代表少数群体的教师发展，如拉丁裔和原住民教师以及女性教师，这样才能够保证学生有机会接触到与他们文化、肤色或性别相同的教师。

3.提供支持科学学习的途径

高质量的科学教育应该支持学生通过各种途径来学习科学，通过“做科学”来学习科学的机会需要从小学持续到进入大学，学生进入高中和大学后，他们可以通过实习、当学徒和基础研究的方式来扩大学习科学的机会。这些明确的途径，可以让有志于从事科学或STEM相关职业的学生在不同院校之间过渡时几乎不面临阻碍。将扩大那些在STEM专业中代表性不足的学生群体的机会作为高等教育的优先事项，并为各个种族和民族培养科学和工程专业的毕业生，可以确保其比例至少要与他们在美国人口中所占的比例相当。

二、美国加强科学教育的现实基础

虽然在美国各地有许多高质量的科学教育实例，但仍然有许多地区的学生无法得到足够的科学指导。不仅如此，地区内部和地区之间以及州内部和州之间，在获得高质量的学习经验、准备充分的教师、高质量的课程和基于课程的专业学习、教学材料和评估等方面存在巨大的差异。

1.基础教育阶段的科学教育

（1）教学时间不足，教学方式有待改进

《报告》指出，美国基础教育阶段的科学教育存在教学时间不足、教学方式落后的问题。教学时间不足是相对于语言和数学而言，小学课堂平均每天用于科学的时间不到20分钟，但用于语言的时间接近90分钟，用于数学的时间接近60分钟。[2]另有调查表明，只有22％的美国高中毕业生能够熟练掌握科学相关知识。[3]教学方式落后主要体现在一些教师没有让学生经历“开展调查、分析数据、基于证据得出结论、交流结果”的科学探究过程，科学教学缺失实践机会等。

（2）课程资源缺乏且分布不均

《报告》指出，美国科学课程资源存在明显缺乏和分布不均的情况。首先，仍有许多学生使用着过时的教科书，他们的实验室或探究工作由于缺乏相应的材料、用品和设施而受到限制，贫困生所占比重较大的学校中，中小学生进行探究的空间较少，而且不太可能有足够的材料来支持他们的探究。其次，新冠病毒感染期间，低收入家庭和农村地区在获得支持学习的技术方面存在巨大差距，包括缺乏足够的宽带服务。最后，在高度贫困的中学和农村学校，理科学生不太可能参加大学预科课程，这是因为学校很少开设或没有足够的资源支持开设相应的科学课程。调查表明，高度贫困学校缺少科学课程的可能性至少是低度贫困学校的1.5倍，农村高中高年级学生至少有机会参加一门STEM先修课程的比例（62%）明显低于城市高中（88%）和郊区高中（93%）。[4]这些差异对学生的大学入学和工作等会产生一定影响。

（3）教师准备不足，缺乏多样化

《报告》指出，美国科学教师对自己教授的内容没有做好充分的准备，且科学教师队伍缺乏多样化。在一项全国调查中，大多数小学教师（69%）表示他们没有为教授科学做好充分的准备。[2]即使在资源充足的学校，情况也是如此。例如，在这些学校中，有36%的生物教师表示他们没有做好教授细胞生物学的准备；63%的物理教师表示他们没有做好教授波的性质的准备。[2]在有色人种和贫困学生比例较高的学校，教师缺乏教授科学知识的准备的问题更为严重。

2.高中毕业后的科学教育

（1）学生在高中毕业后进一步接受教育的机会不均等

《报告》指出，经历过贫困的学生更有可能改变他的高中毕业后的教育计划，这被称为“夏季融化”现象，即已注册的学生没有在秋季入学。对于经历过贫困的学生和那些在大城市学区就读的学生以及那些最初计划上社区大学的学生来说，这种现象更为普遍，这些群体的比率可高达40%，而其他的比例为10%～20%。[5]除此之外，学院和大学的地理分布不均意味着在美国的一些地区，学生没有机会选择公立大学，也没有机会选择与他们的学历水平相匹配的大学。

（2）高等教育的教学方式传统，教学质量低下

《报告》指出，高等教育的科学教学质量同样存在很大问题。高等教育教师的培训侧重于研究而不是教学，许多激励措施促使他们将更多的精力投入研究中，而不是提高他们的教学技能和教学策略，这就导致了传统教学方法的继续使用。一项研究报告称，教师平均75%的时间在使用讲授的教学方式，学生平均87%的时间在听教师讲课。[6]虽然教师可以利用一些课堂时间让学生进行小组合作、提出问题和写作，但即使是灵活的课堂布局和小规模的课程也不一定促使课堂以学生为中心。

（3）学生的STEM相关学位获得遇到多种障碍

《报告》指出，学生获得STEM相关学位的道路依然存在很多障碍。一方面，学生不止在一个机构学习科学课程，这使得他们学习科学的途径变得复杂，加之相关部门和国家政策的一些障碍，让他们获得相应学位可能会遇到各种困难。另一方面，种族差异会影响学生接受STEM教育或从事STEM相关工作，有色人种必须面对个人和机构的偏见，这些偏见包括认为他们能力较弱、注定从事低工资职业等。研究表明，教育工作者有一种轻微的“反黑人、亲白人”的偏见。[7]这些因素导致有色人种学生与他们的白人同学相比有较少的学习经历和机会，这反过来意味着他们在科学领域继续发展的能力受到限制，从而影响了当前的就业模式。

三、美国加强科学教育的行动建议

《报告》指出，美国的教育系统是高度分散的，这一现实为全国性的科学教育行动带来了挑战和机遇。这意味着可以灵活地满足当地社区的需求，但也意味着没有中央驱动力来维持质量和确保公平。因此，在获得高质量的学习经验、准备充分的科学教师等方面，往往存在着巨大的差异。认识到这一现实，美国呼吁采取一种全国性的做法，既要激励联邦和州两级的行动者，又要尊重地方社区，承认他们在解决问题方面所发挥的巨大作用。因此，《报告》提出了社区在努力改善科学教育和扩大该学科机会时需要解决的五个优先事项，同时从联邦和州政策制订者以及STEM教育国家利益相关者的层面，提出了相关行动建议。

1.社区需要解决五个优先事项

在努力改善科学教育和扩大科学学习机会时，社区需要解决五个优先事项：提供必要的时间、材料和资源，为K-16教育系统的所有学生提供高质量的科学学习体验；建立一支高素质、多元化的教师队伍来教授K-16科学课程；为6～16年级的学生提供明确的、支持性的途径；确保科学评估和问责制度与高质量科学教学的愿景保持一致；使用证据记录科学教育进展，并告知正在进行的改进工作。其中，提供必要的时间、材料和资源包括：从幼儿园开始，确保学生每周花足够的时间学习科学知识，提供高质量的教学材料、技术和充足的空间来支持他们开展科学探究活动，开设丰富的各类科学课程以适应学生的发展需要。建立教师队伍包括：从职前教育开始，让师范生和在职教师积极参与科学计划，参加教师成长计划，提升专业能力，同时制订激励措施和计划，吸引拉丁裔和原住民教师并确保他们感受到被重视。提供支持途径包括：指导学生学习什么样的课程顺序，决定是否追求STEM学位和职业、是否要上大学，如何在当地雇主那里寻找研究机会和成为学徒等。确保科学评估和问责制度与愿景保持一致强调，通过多样的评估，检查学生对科学概念的理解和对科学实践的熟练程度，从而为课堂教学、学校和地区教育部门提供科学教育进展信息。使用证据记录科学教育进展强调，利用学校系统和机构收集的数据揭示哪里存在机会差距，如缺乏资源、缺乏获得高级课程的机会、缺乏有经验的科学教师等，并提供一种方法来跟踪解决这些差距的进展。

2.联邦和州政策制订者需要通过多种途径提升科学教育的地位

《报告》建议，在科技政策办公室（OSTP）的领导下，采取行动提高科学教育的地位，并提高K-16年级所有学生获得高质量科学学习的机会。具体而言，科技政策办公室应鼓励国家利益相关者，包括联邦机构，以及教育、商业、科学和慈善部门的利益相关者，集中资源来提高K-16科学教育的质量和可获得性。同时，国会在下次批准《初等和中等教育法》时，应将科学作为学术成就的一个指标。对科学的问责应该侧重于学生对科学概念的理解，而不应该以单一的测试为基础。它应该包括一个评估和指标体系，共同提供相互补充的结果，并提供有关学校、地区和各州的进展信息。州教育部门层面应立即采取行动，将科学纳入K-12教育的问责制。一个州的科学问责制需要包括支持课堂教学的评估、更广泛地监测科学学习的评估（在学校、地区和州一级）以及跟踪高质量科学学习机会可用性的指标。

3.联邦和州政策制订者需要建立促进STEM教育机会的地方和区域联盟

《报告》建议，地方和区域基础教育系统和高等教育机构的领导人应共同组建STEM机会联盟，让STEM教育的主要利益相关者参与进来，如非正式教育组织、课后和暑期项目、商业和工业以及慈善部门等。每个联盟应制订一个基于证据的愿景和计划以改进STEM教育，其中包括对高质量科学学习机会的具体关注，并解决学习机会上的差异。同时，联邦政府、慈善组织以及工商界应提供资金，支持地方和区域STEM机会联盟的工作以改善科学教育。资金应首先针对有大量生活贫困学生的社区，以及支持联盟的协调和管理、规划工作以及研究和评估。

联盟可以成为推动社区内更好、更公平的科学教育的关键。联盟的成员可以共同确定最合适的优先事项，再确定哪些科学教育方法最符合当地利益。他们可以召集利益相关者提高科学教育的重要性、制订计划、确定优先事项、收集和综合数据以衡量进展、根据证据调整战略并对合作伙伴进行问责。联盟的成员可以利用他们最擅长的方式来实现一个共同的愿景。例如，一些联盟成员可能提供方案，而其他成员收集或传播数据、动员家长，提供高中或大学咨询或宣传，所有这些都是为了服务于联盟成员共同制定的目标和战略。

4.联邦和州政策制订者需要收集和分析科学教育发展的相关数据，为决策提供信息

《报告》建议，各州应制订和实施以数据为导向的州级计划，以提供公平的K-16 STEM教育，并特别关注科学。这些计划应包括“STEM机会图谱”，记录并跟踪哪些地方有机会、哪些地方存在机会上的差异，以及在消除差异和实现州STEM教育计划的目标方面取得了多大进展。“STEM机会图谱”应包含来自地方和区域STEM机会联盟的文件。同时，联邦政府应制订年度“各州STEM机会”报告卡，记录各州和地区的K-16 STEM教育的状况，并跟踪学生在科学和其他STEM相关学科方面的机会均等情况。收集并评估科学学习经验分布情况及质量数据，可以为决策者提供参考信息，利用这些信息来确定差异，追踪改善工作，并将资源导向最需要帮助的地方。

（作者：谢颖，重庆师范大学初等教育学院研究生；王俊民，重庆师范大学初等教育学院副教授）

参考文献

[1]National Academies of Sciences， Engineering， and Medicine. Call to Action for Science Education： Building Opportunity for the Future[M].Washington：The National Academies Press. 2021.

[2]Horizon Research， Inc.. Highlights from the 2018 NSSME+[EB/OL].http：//www.horizonresearch.com/highlights-from-the-2018-nssme.

[3]National Center for Education Statistics， U.S. Department of Education. The Nation’s Report Card： 2015 Science at Grades 4， 8 and 12[EB/OL]. https：//nces.ed.gov/pubsearch/pubsinfo.asp？pubid=2016162.

[4]Sponsler， B. A.， et al. \"Advanced Placement access and success： How do rural schools stack up.\" Education Commission of the States[EB/OL].https：//www. ecs. org/advanced-placement-access-and-success-how-do-rural-schools-stack-up.

[5]Castleman， B.， and Page， L. A trickle or a torrent？ Understanding the extent of summer “melt” among college-intending high school graduates[J]. Social Science Quarterly， 95（1）， 202–220.

[6]M. Stains， et al. Anatomy of STEM teaching in North American universities[J]. Science，2018，359（6383），1468–1470.

[7]Chin， M.J.， Quinn， D.M.， and Dhaliwal， T.K. Bias in the air： A Nationwide exploration of teachers’ implicit racial attitudes， aggregate bias， and student outcomes. Educational Researcher， 2020，49（8）， 566–578.