基于NGSS的教學規劃

Mary Colson　Russ Colson

1986年，作為一個喜歡科學和教學的年輕地質學家，我（Mary）開始規劃如何開始我作為8年級地球科學教師的第1年教學。我決定率先開始礦物鑒定活動。我知道在巖石中發現了很多了解地球過去的線索，巖石是由礦物構成的。一個高大上的出發點，至少我這樣認為。

為了追求嚴謹，我設計了一個相當詳細的實驗方案。學生們觀察了許多礦物標本，并進行測試，以確定每種礦物的屬性。他們采用礦物鑒定表以區分他們的每一個礦物標本。學生們踴躍地參與到活動中，我視其為實驗成功的標志。但他們似乎并不興奮，也沒有足夠的好奇心和興趣探索那些超出我給他們的任務范圍的內容。

實驗結束時，由于學生缺乏好奇心，我的熱情也受到了打擊。為什么學生們提出的問題沒有超出“我的答案對嗎”之類的？原因可能是：

沒有引導學生發現活動背后的問題。學生們盡了最大努力學習如何區分光澤、紋理和重量，但他們并沒有真正理解這樣做的理由，這超出了我對他們的要求。

活動更多集中在我們知道了什么，而不是我們怎么知道它的。學生們測試硬度和重量，但對我們是如何知道地球更深層次的奧秘沒有任何理解。

活動沒有涉及洞察地球特性的內容，只是一些關于礦物質的信息。例如，活動沒有提供機會讓學生深入了解礦物質是如何告訴我們地球演變的信息，以及礦物質形成的過程是如何造成自然資源的分布不均的。

總之，活動沒有讓學生投入到真實的科學調查中。

那么究竟是什么構成了真實的課堂科學經歷呢？《新一代科學教育標準》（NGSS）的一個核心觀點是真實課堂中的科學應該看起來很像真實的科學研究。如果我們想要理解課堂中的科學實踐，我們應該看一看科學家實驗室里的科學實踐。

2015年夏天，我走訪了Keith Koper博士——一位美國猶他州從事法醫地震學研究的地球物理學家。法醫地震學家從事識別、解釋，并定位人造的地震事件，如爆炸和核武器試驗。2000年，Koper正在研究地震和爆炸的震動特征的差異。他聽說一艘名為庫爾斯克號的俄羅斯潛艇在巴倫支海進行軍事演習時被嚴重損壞。在北歐的地震臺網監測到大約和庫爾斯克災難在同一時間和地點發生的2個事件。Koper和他的同事們想知道他們能夠利用地震數據對這次事故了解多少。一個引人注目的問題！

他們收集數據，并與他們所了解的不同類型地震事件產生的地震波進行對比。他們的重點不是那些已經知道的內容，而是科學探索如何揭示出一些新的東西。他們從2次水下爆炸產生的雜亂的震動波紋可以斷定，第2次爆炸比第1次大250倍（Koper等，2001）。他們的研究表明是爆炸，而不是與美國潛艇的水下碰撞導致了這場災難（調查員認定發生在潛艇上的爆炸是偶然事件）。Koper和他的同事們不僅獲得了新的對自然界的基本理解——不同類型的地震事件會產生不同類型的地震波，而且還幫助回答了世界各地新聞頭條的政治敏感問題。

當Koper敘述他的工作時，我被他的好奇心、從混亂觀察現象中理清頭緒的樂觀和對自己所不知道的事件的坦率承認，而深深打動。他的工作始于一個引人注目的問題，通過科學探究的過程研究一些不知道的事情，進而產生對于宇宙的基本性的洞察。

我們科學課上的學生是否能夠像Koper的團隊一樣工作，從而弄清楚他們自己觀察到的現象和想法，并在課堂上一直充滿好奇心，并堅持不懈呢？我認為他們可以，學生能夠：

尋找真實的問題，一些問題源自于他們。

通過科學實踐理解他們觀察到的現象。

在更大的科學與工程學核心概念情境中定位他們通過努力探索而獲得的理解。

真實的問題

從第1節關于礦物的課開始，我努力讓學生們尋找更多他們自己的問題。其結果總是學生更多地參與。

2年前，當我們在國家地質圖上查看巖石年齡的模式時，一個學生問：“我們能否用這張地圖的標尺測量美國有多寬？”我說可以，然后學生們帶著自發的緊迫性投入到學習中。尺度、空間思維和問題解決這些內容和能力的學習與培養立即就開始了。我聽到一個學生說：“我測得美國13英里寬，但這是不可能的。我開車到我奶奶家還要75英里呢。”第一天結束后，一個學生問：“難道僅僅是我們班做這個？”我意識到如果其他班級也做這個活動，它將成為又一個由教師發起的課程。

允許你自己和你的學生去尋找學生們感興趣的想法。讓引導性問題來自于學生，即使它們不完全符合你的課程目標。然后，抓住機會加入到學生中，加入到學生理解他們的測量、觀察和嘗試進行解釋的過程中。

參與到科學實踐中

吸引學生參與到科學與工程的實踐中需要時間。我曾聽到各個年級的教師都說過“如果我給學生時間去搞清楚這些事情，我就沒有時間涉及所有的材料?！薄禟-12科學教育框架》的作者認識這個兩難困境。他們寫道：“減少需要掌握的細節的絕對數量是為了給學生從事科學調查和論證的時間，并達到對核心概念的深刻理解?！保∟RC，2012）。

因此，我們說要允許你自己不去覆蓋所有的材料。那么，如何將你的教學從依賴驗證概念確定會成功的教學活動，轉變為使學生真正參與到科學實踐中去的活動呢？我建議先從小的活動開始，將你熟悉的一個菜單式調查活動修改成符合NGSS的活動。

多年來，我一直在做一個研究太陽對土壤和水加熱差異的實驗。在最初的幾年里，我認真完善了實驗程序，想盡辦法防止學生引入會產生錯誤答案的變量。這確保了學生們可以得到好的數據，用來解釋諸如舊金山和圣路易斯之間的氣候差異。為了不斷完善實驗程序，我嘗試了各種方法，解釋最初不太容易理解的結果，測試結果的可重復性。我真正地投入到科學實踐中了。但是，我的學生并沒有！他們沒有機會弄清楚是否正確地識別和控制了變量，與同學們比較結果，或解釋那些意外的數據意味著什么。

最近，為了按照NGSS改造這個實驗，我提出了一個問題：“我們的教科書上說，土壤升溫比水快5倍。我們可以測試這個嗎？”我列出了材料，并讓學生們選擇自己的實驗裝置。我給他們時間進行初步測量，并相互提問。學生們分享了初步的實驗數據，并討論了數據含義和是否有效。在對“為什么我們的黑土升溫速度僅是水的2倍”進行了更多的討論后，學生進行了新的實驗。

我在這個按照NGSS要求修改的活動中的作用，有時是一個管理者（確保每個學生的安全，促進討論），有時是一個教練（鼓勵大家并引導方向），有時又作為一個科學導師（提出這樣的問題：你有沒有想過這個重要的想法可以如何應用？）。我真正參與到了他們當中，因為我并不總是有現成的答案，而且必須實時弄清楚那些令人費解的結果。

我們一起實踐，做科學！

解釋性的大概念

Koper不僅提出了一個有趣的問題，并通過科學實踐活動回答了它，而且他將他的新發現放到了更廣泛地理解地震和地質過程的情境中?！禟-12科學教育框架》強調把課堂學習投射到更大的范圍內，模仿專家的思維活動，“核心概念也可以提供一個獲取新知識的組織結構。這種方法（圍繞核心概念組織內容）也有助于學生發展更靈活和連貫的理解科學的能力。對于學習的研究表明，支持這種認識的發展是具有挑戰性的，但能通過明確的教學支持得到幫助，這些教學支持強調不同活動和學習經驗間的聯系?！保∟RC，2012）

當你開發自己的教學單元時，需要熟悉《K-12科學教育框架》中所描述的核心概念。核心概念要么在多個學科中有廣泛的重要性，要么是單一學科中起框架作用的重要原理。還需要注意每個核心概念的組成部分所涉及的問題；這些問題給出了用核心概念解釋世界的良好提示。

基于這個基礎，圍繞著你組織的課程，確定一些核心概念的陳述，或者基本問題。使用學生可以理解的單詞和短語。使用這些陳述或問題建立一個教學的整體結構，并且作為提示，反映學生們正在努力解釋的世界的不同側面。將這些陳述或問題張貼在教室里，并經常提到它們。

作為地平線中學教學規劃的一部分，我和同事們確定了課程中6個重要的陳述。在我們和學生實施一個單元的活動和課程時，這些大概念有助于樹立大局觀。例如，我可能會上一節識別常見巖石的課，但我們關注巖石的原因是最終要明白：地球和地球上的生物都有一個變化的歷史，理解這些變化的線索就在巖石中。請注意，這個大概念的陳述位于學科核心概念“行星地球的歷史（ESSl.C）”，它解釋了人們是如何重建和追溯地球作為行星的歷史事件的。（NRC，2012）

結論

在設計吸引學生參與的科學實踐時，我不得不每周提醒自己：真正的學習需要時間。吸引學生參與實踐需要大量的時間。不可能面面俱到，這沒關系。嘗試新的東西遇到失敗，也沒關系。在采用NGSS的課堂教學中最有力的教學指導語是：“我不知道；讓我們來探究一下。”