從NGSS解讀美國科學教育的新觀點

葉兆寧

2013年4月，美國《新一代科學教育標準》（簡稱NGSS）終于完成了修訂，公開發布于官方網站上（NGSS的正式出版物將于201 5年秋問世——作者注）。在美國第一個國家科學教育標準執行17年后，世界格局的變化、國際國內的教育形勢，以及教育理論的變革迫使美國科學教育不斷反思、向前發展，以適應社會的快速進步。1989年來美國科學教育領域的一系列研究（詳見附表1）不僅誕生了全世界第1個國家科學教育標準，也使NGSS的發布水到渠成。

正如17年前，《科學素養的基準》和《科學教育標準》的相繼問世一樣，先有《K—12年級科學教育框架》 （以下簡稱《框架》）再出臺NGSS，這是美國修訂其科學教育標準的兩個核心步驟。《框架》中以概念描述的方式明確規定了K—12年級學生應該學習的具體內容，而NGSS則以貫穿學科和年級的組織方式，給出更為具體和詳實的內容和實踐指導，兩個文獻相輔相成。

本文中“新觀點”的更準確提法應為“轉變的觀點”。仔細閱讀附表1，不難發現其中的一系列文件顯示出美國科學教育研究的連貫與繼承、變化與發展。因此在《框架》和NGSS中，都清晰地表述出當今美國在科學教育思想和方法上觀點的轉變，并在NGSS的附錄A中總結為以下7點：

（1）K—12年級的科學教育應反映出科學內在關聯的本質。

（2）NGSS的內容是學生的預期表現，而非課程。

（3）NGSS中的科學概念需要從幼兒園到12年級連貫地建構。

（4）NGSS中不僅關注對內容的深入理解，也關注對內容運用的深入理解。

（5）從幼兒園到12年級，科學和工程應集成在NGSS中。

（6）NGSS為將要升人大學、就業和成為公民的學生而設計。

（7）NGSS要與通用核心內容標準 （Common Core State Standards（English Language Arts and Mathematics）英語、藝術與數學）相對應。

本文將逐一對其進行分析，以窺美國科學教育的發展方向和趨勢。

觀點之一：K—12年級的科學教育應反映出科學內在關聯的本質

正如在真實世界中人們所實踐和經歷的科學一樣，K—12年級的科學教育應當反映出科學內在關聯的本質，這是NGSS中首要提及的需要轉變的觀點。

科學內在關聯的本質體現在《框架》和NGSS中反復強調的3個維度，即科學與工程實踐（science and engineering practice）、跨學科概念（crosscutting concepts），以及學科核心概念（disciplinary core ideas）。《框架》中曾指出：《框架》的設計是為了幫助實現一種科學與工程教育的構想，即學生通過在校期間多年的學習，積極參與科學與工程實踐、運用跨領域概念，以加深他們對這些領域核心概念的理解。并指出3個維度就像1根繩索中纏結在一起的3股，應將其看作一個有機結合的系統。

鑒于21世紀科學與工程的重要性，當學生面對科學知識時，需要能意識到要結合情境理解，如科學知識如何獲得和運用、科學如何和一系列概念聯系起來，以幫助人們深入了解周圍的世界。因此，學生的學習成果應包括學生將內容知識運用于實踐的能力。實踐成為學生聯系科學知識和實際的橋梁，也成為建構和使用核心概念的過程。《框架》和NGSS中在設計K—12年級的學習要求時都充分考慮了科學教育中如何將知識與實踐相互融合，以體現科學內在關聯的本質。反復強調3個維度的關聯，并在內容標準中著重體現出來，這點與以往的標準相比，有著非比尋常的意義和教育價值取向。

觀點之二：NGSS的內容是學生的預期表現，而非課程

不同于1995年美國課程標準中的表述，用預期表現（performance expectations，關于預期表現的詳細內容參見本期專題文章《NGSS中的新模式——預期成果》——編者注）作為NGSS的主要內容，并以貫穿學科和年級的相關主題的組織方式呈現，這是NGSS特有的表達模式，也體現了美國科學教育觀點的一種轉變。

預期表現是可評估的陳述，說明了學生應知道的和能做的。在附表1中的相關文獻中，最早提及預期表現的是由國家評估理事會（National Assessment GoverningBoard）和美國教育部（U.S.Department of Education）于2008年發布的《2009年國家教育進展評估框架——“科學”》。在這篇文獻中定義了4個科學實踐，即識別科學原理（Identifying Science Principles）、運用科學原理（Using Science Principles）、運用科學探究（Using Scientific Inquiry）、運用技術設計（Using Technological Design）。并指出這些科學實踐可以與科學內容結合起來發展學生的預期成果，而這些預期成果正式發展評測條目的基礎。因為評測更關注的是學生的理解，而非記憶，同時科學實踐也不是脫離內容的技能，因此無論是對知識、還是技能的評測都需要關注學生如何使用科學知識參與和組織科學實踐，即學生如何在科學實踐中反映他們對知識、技能的理解和運用。

NGSS不僅發展了科學實踐，而且沿用了這種方式將其強調的科學與工程實踐、學科核心概念、跨領域概念和評測結合在一起，通過“預期成果”對期望學生能知道的和能做到的進行了描述，且這些描述是可觀察、可評測的，以提高標準執行的可操作性，同時與國家評測的要求相一致。

觀點之三：NGSS中的科學概念需要從幼兒園到12年級連貫地建構

科學教育標準關注從幼兒園到高中畢業整個階段的學習（詳細內容參見本期專題文章《學習進程與NGSS》——編者注），這似乎是1995年美國科學教育標準中已經呈現的觀念和趨勢。其實，這一觀點轉變的核心并不在于年級跨度，而在于“科學概念”和“連貫建構”兩個關鍵詞上。這兩個關鍵詞的含義體現在以下兩個方面。

1 科學概念的選擇是有重點、有“優先權”的，且是少數的

從《框架》到NGSS中在學科領域上都選擇了物質科學（physical sciences）、生命科學（life sciences）、地球與空間科學（earth and space sciences），以及工程、技術和科學應用（engineering，technology，and applicationsOf science）4個主要領域組織學科概念，并在其中選擇少數最為核心的概念展開教學。國際科學院組織（國際科學院組織（InterAcademy Panel，IAP），成立于1993年，共有全世界106個國家的科學院參加，旨在通過各成員科學院間的合作與交流，研究一些重要的國際科技問題，并為決策者的政策制定提供科學依據——作者注）科學教育項目組的專著《科學教育的原則和大概念》中清晰地解釋了為何要在K—12年級的科學教育中關注核心科學概念，亦或稱為大概念（big ideas）。任何科學領域中都包括很多概念，教學應以哪些能幫助學生理解該領域的重要特征以及對學生終身學習有益的概念為主，而不是對所有科學概念面面俱到。《框架》中也持有同樣的觀點，并指出這些學科核心概念應能部分或全部滿足以下條件：

·在跨越多個科學或工程學科問明顯重要的概念或是單一學科中的關鍵性原理；

·能為理解或研究更復雜的概念和解決問題提供關鍵工具的概念；

·與學生的興趣和生活經驗相關的概念，或是與需要科學或技術知識解決的社會或個人關心的事件相聯系的概念；

·在深度和復雜度水平逐漸增長的各個年級都必須具備可教性和可學性概念。也就是說，這個概念對低年級學生來說是可以學習的，并且該概念具有能維持多年持續調查探索的廣度。

因此，NGSS中呈現的學科核心概念在數量上少于之前的《科學素養的基準》和《國家科學教育標準》中所包括的，以體現出“1英寸寬，1英里深”的教育思想。

2 K—12年級的連貫建構體現出對科學教育中對學習進程的關注、研究和運用 學習進程（1earning progression）是21世紀以來科學教育研究的熱點問題，它是基于教學經驗和研究而形成的對學生學習前進方向的可測試預設。這些預設說明了學生在掌握主要核心概念的進程中的普遍規律和路徑。

基于此，《框架》的指導性原則之一就是“理解隨著時間發展”，并指出：

要對世界的科學解釋形成透徹的理解，學生需要有數年而不是幾個星期或幾個月時間的持續的機會學習、建構基本概念以及體會這些概念之間的相互聯系。這種意義上的發展在學習進程的思路中已經被概念化。如果教育的最終目標是掌握科學學科的核心概念，那么精心設計的學習進程為達到該目標提供了一個可以采取的路線圖。這樣的學習進程不僅描述了學生對概念的認知是如何日趨成熟的，也描述了學生取得進步所需的教學支撐和經驗。

因此，NGSS中體現出的教育的連續性和一致性已不再是空洞的理念和思想，而是落實到具體學習內容、技能培養的過程和細節中。這不僅是觀念上的轉變，也是科學教育教學策略和方法的進一步變革。

觀點之四：NGSS中不僅關注對內容的深入理解，也關注對內容運用的深入理解

早在20世紀80年代，認知科學教就已發現，當學生學習深層知識（deep knowledge）并且清楚在真實世界和實際情況中如何運用這些知識時，知識會在學生頭腦中保持得更持久，他們也能夠將這些知識運用到更廣泛的情境中。同時，對眾多領域中專家與新手比較的相關研究結果表明：專家了解其領域的核心原則和理論結構，并且利用他們理解新知識或解決新問題；相反，新手傾向于將不連貫的甚至相互矛盾的知識片段視為孤立的實施，并努力尋找一種方式組織和整合它們。因此，當人們認識到知識的建構性、情境性、復雜性和默會性的時候，也認識到對知識的深入理解與了解其運用的密切相關，無法遷移的知識并不是真正掌握和理解的知識。

《框架》和NGSS中都以核心概念的方式給出了一整套各學科領域的概念，同時給出科學與工程的實踐。在NGSS的預期成果中，則將各領域的概念、實踐和跨領域的概念結合在一起，這些概念和能力需要學生在高中畢業時應能掌握和達成。因此，對于教師、課程及評測開發者而言，關注的是核心概念，關注的是與核心概念建構相關的實踐和運用、理解和遷移。也就是說，核心概念的提出，能夠提供一個獲取新知識的組織結構，理解這些核心概念并進行科學與工程實踐有助于學生今后在高中、大學及大學以后的階段培養學生更廣泛的認知和進行更深層次的科學與工程調查研究。

觀點之五：從幼兒園到12年級，科學和工程應集成在NGSS中

將技術和工程整合到科學課程標準中的思想并不是新的思想，在1989年的《為了全體美國人的科學》、1993年和2008年的《科學素養的基準》，以及1996年的《國家科學教育標準》中都包含有科學與技術的內容。盡管有這個多年的努力，在科學課程、評測及科學教師職前教育中，工程、技術與科學內容相比，仍然沒有得到同等程度的關注。

NGSS中一個完全不同的觀點是：通過在所有年級、所有領域的課堂教學中把工程設計與科學探究視為同等重要，并且在每類主題情境中，與其他學科一樣給出工程和技術的核心概念兩種方式將工程和技術有機地整合到科學教育體系和結構中。

《框架》中指出世界上主要的挑戰需要科學與工程解決，例如清潔能源的效率，預防和治療疾病，維持事物供給和水源清潔，以及解決由于全球環境變化使社會面臨的問題。與此同時，工程和技術給學生提供了通過運用他們正在發展的科學知識解決實際問題的過程深化他們對科學的理解。因此，與原有的《國家科學教育標準》相比，更加鮮明地強調了將功能與技術有機地結合到科學課程中，并指出其作用應與科學同等重要。

觀點之六：NGSS為將要升入大學、就業和成為公民的學生而設計

20世紀以來，科學技術的迅速發展帶來了社會、經濟和文化的迅速變化，新的科學發現、技術突破及重大創新不斷涌現。科學技術促進了生產力的發展，為人類在更大范圍、更深層次上認識并合理利用自然提供了可能，同時也促進了人類在生產方式、生活方式和思維方式上的變革。

毋庸置疑，科學和科學教育已成為當今所有美國人生活的中心。因為以往的世界從沒有像現在這樣復雜，這種復雜性使得科學知識對于理解整個世界至關重要。當人們需要理解當前事件、選擇和使用技術、或在衛生保健問題上做出非正式決策的時候，理解科學是關鍵所在。同時，科學也是美國持續改革、領導和創造未來工作的國家能力的中心。對于所有學生，無論他們的未來教育和職業路徑是怎樣的，都必須為將要升入大學、就業和成為公民而在K12年級階段經歷牢固的科學教育。換言之，科學教育的設計必須為他們的將來做好準備。

觀點之七：NGSS要與英語、數學通用核心內容標準相對應

NGSS發布之際正是《英語和數學通用核心內容標準》（CCSS）實施之際，這給科學成為兒童綜合教育（comprehensive education）的一部分成為可能，也是的NGSS在內容和要求上呈現出與CCSS相互對照的特點。這種對照不僅確保了所有內容領域學習的系統性，也使得它成為NGSS尤其與眾不同之處。

NGSS的附錄A中，以上述7條闡述其在科學教育觀點上的變化，包括涉及科學課程本身、科學與工程技術，以及科學與數學和語言學科等方面。NGSS不僅關注核心概念，關注實踐，關注科學、技術、工程與數學，更關注理解、運用、和各維度的整合。其實這些變化并非突變，在2007年的《將科學帶進學校》一書問世以來，美國的科學教育已經進入一個反思過去、將科學研究帶入科學教育、用實證科學研究指導教育政策和教學實施的時代。

參考文獻

[1]www.nextgenscience.org（美國新一代科學教育標準官方網站）

[2]A Framework for K—12 Science Education：Practices，Crosscutting Concepts，and Core Ideas，National Research Council，2012

[3]Science Framework for the 2009 National Assessment Of Educational Progress.National Assessment Governing Board.U.S.Department of Education，2008

[4]Wynne Harlen，Principles and big ideas of science educaUon.Association for Science EducaUon. Great Britain by Ashford Colour Press Ltd.，2010