理解和使用《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（NGSS）之旅

Karen Mesmer　周建中

我走進(jìn)威斯康星大學(xué)奧斯哥斯校區(qū)的教室，準(zhǔn)備參加一個(gè)由美國(guó)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（NSTA）資助的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》初始版本的審閱工作，這個(gè)版本是提交公眾審閱之前的版本。我已經(jīng)閱讀了《K—12科學(xué)教育框架》的大部分內(nèi)容，并且對(duì)于將框架如何轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)用于指導(dǎo)課堂教學(xué)很好奇。掃了一眼“生命科學(xué)”部分的第1頁(yè)，我被頁(yè)面的擁擠程度嚇了一跳。正如頁(yè)面布局向我們展示的，它開(kāi)始讓我明白這些標(biāo)準(zhǔn)之間的錯(cuò)綜復(fù)雜和相關(guān)程度。框架和標(biāo)準(zhǔn)的作者將科學(xué)的大概念聯(lián)系起來(lái)，并且顯示了它們?cè)谡鎸?shí)世界中是如何工作的。

隨著我對(duì)標(biāo)準(zhǔn)閱讀的加深，開(kāi)始理解他們將科學(xué)與工程實(shí)踐、學(xué)科核心概念和跨學(xué)科概念融合在一起促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的觀點(diǎn)，“精妙”這個(gè)詞不停地出現(xiàn)在我腦海中。它們讓我想起了在研究生期間所學(xué)的湖泊學(xué)課程，課上我們學(xué)習(xí)了由地球變化所形成的湖泊中的食物鏈上的生物是如何受光波的物理特性和水的化學(xué)性質(zhì)所影響的。通過(guò)建立這一系列聯(lián)系，我突然意識(shí)到這是現(xiàn)實(shí)世界中的科學(xué)。我當(dāng)時(shí)沒(méi)有意識(shí)到課程的不足在哪里：它沒(méi)有幫助我理解基本的科學(xué)實(shí)踐是如何促進(jìn)我形成那些正在學(xué)習(xí)的知識(shí)，比如說(shuō)能量依然是能量，不管它是以生物有機(jī)體、物理波或化學(xué)品的形式存在。然而，《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》希望為我的學(xué)生們構(gòu)建這些缺失的聯(lián)系。

熟悉標(biāo)準(zhǔn)

完成對(duì)《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》的初次審閱后，我非常激動(dòng)，想要盡可能多地學(xué)習(xí)它。為了深入了解學(xué)科核心概念、科學(xué)與工程實(shí)踐和跨領(lǐng)域概念，我參加了美國(guó)科學(xué)教師協(xié)會(huì)的網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)，重點(diǎn)深入了解這3個(gè)關(guān)鍵維度，以及它們?nèi)绾卧谡n堂上結(jié)合。《關(guān)于新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)的NSTA讀者指南》和《為課堂教學(xué)解讀新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》，這些NSTA出版的書籍，在幫助我設(shè)想教學(xué)需要發(fā)生的變化、理解學(xué)生在課堂中的角色和收集對(duì)于課程的想法方面也非常有價(jià)值。NSTA期刊中的許多文章增加了我的知識(shí)，他們的想法已經(jīng)被納入到學(xué)區(qū)的科學(xué)課程中。隨后，我有機(jī)會(huì)成為NGSS@NSTA的管理者，這給我提供了接受培訓(xùn)的機(jī)會(huì)，采用由Achieve和NSTA共同開(kāi)發(fā)的EQUIP（教育工作者對(duì)教學(xué)產(chǎn)品質(zhì)量的評(píng)價(jià)）評(píng)價(jià)量規(guī)表進(jìn)行資源評(píng)估。這些經(jīng)歷帶給我審閱資源的技能，判斷它是否符合NGSS的要求，提出建議使其更能涵蓋3個(gè)維度的內(nèi)容。

傳播標(biāo)準(zhǔn)

威斯康星州還沒(méi)有采用《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》，但我們的學(xué)區(qū)遵循本地管理的原則可以選用自己的標(biāo)準(zhǔn)。我向?qū)W校董事會(huì)成員宣講，在“扶輪社”的集會(huì)上向公眾展示，并在城市的報(bào)紙上發(fā)表文章。我求助于本地的科學(xué)專業(yè)人士，如工程師、野生動(dòng)物學(xué)家、醫(yī)生、大學(xué)科學(xué)教授和生態(tài)環(huán)境保護(hù)主義者等，共同努力達(dá)成使用NGSS的目標(biāo)。當(dāng)學(xué)校董事會(huì)開(kāi)會(huì)討論采用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，投票結(jié)果是一致的：官方采用NGSS。所以當(dāng)我們采用了NGSS后，我發(fā)現(xiàn)我需要對(duì)以下事情負(fù)責(zé)：將我們的課程與NGSS匹配；尋找并撰寫符合NGSS要求的課程；開(kāi)展教師培訓(xùn)工作，幫助他們理解3個(gè)維度內(nèi)容的學(xué)習(xí)；聽(tīng)課，提供建議，規(guī)范教學(xué)策略，共同開(kāi)展教學(xué)。

從哪里開(kāi)始？

我們學(xué)區(qū)決定在初中和高中階段率先開(kāi)始實(shí)施NGSS，使用標(biāo)準(zhǔn)附錄K中所列的概念。在初中，我們選擇了在7年級(jí)的“生命科學(xué)”，以及6年級(jí)、8年級(jí)的“物理與地球科學(xué)”混合課程中采用NGSS。我們完成了對(duì)當(dāng)前在課堂上如何教授學(xué)科核心概念的梳理，并將之與NGSS進(jìn)行了對(duì)照。當(dāng)然，結(jié)果是我們必須進(jìn)行一些重新組合。例如，我們?cè)瓉?lái)進(jìn)行單獨(dú)教學(xué)的關(guān)于細(xì)菌、原生生物、真菌、植物和動(dòng)物分類的單元，現(xiàn)在我們讓學(xué)生開(kāi)發(fā)和使用模型描述生命體的結(jié)構(gòu)和多細(xì)胞生物體如何由系統(tǒng)構(gòu)成。我們的細(xì)胞實(shí)驗(yàn)室不再僅僅讓學(xué)生進(jìn)行簡(jiǎn)單的顯微鏡觀察，而讓他們開(kāi)展活動(dòng)，設(shè)計(jì)和開(kāi)展調(diào)查研究，用收集到的數(shù)據(jù)形成一個(gè)科學(xué)解釋，用于支持“生命體是由細(xì)胞構(gòu)成的”這一論斷。遺傳學(xué)單元?jiǎng)t要求學(xué)生用紙質(zhì)的染色體開(kāi)發(fā)一個(gè)模擬減數(shù)分裂和受精過(guò)程的模型，然后分析和解釋孟德?tīng)柾愣箤?shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，并將他們的模型推廣到顯性和隱性遺傳基因。所有這些活動(dòng)都是采用NGSS所提出的3個(gè)維度的學(xué)習(xí)所產(chǎn)生的結(jié)果。

為什么3個(gè)維度的學(xué)習(xí)如此重要

將3個(gè)維度的學(xué)習(xí)納入到課程中使學(xué)生可以用科學(xué)與工程實(shí)踐做科學(xué)研究，學(xué)習(xí)某些特定概念，如能量和模式是如何在所有科學(xué)學(xué)科中體現(xiàn)的。這給了學(xué)生一個(gè)更為真實(shí)的世界的圖景，學(xué)生可以把世界看成一個(gè)單一的、相互關(guān)聯(lián)的實(shí)體。

“進(jìn)化”是我個(gè)人喜歡的一個(gè)主題，它可以將來(lái)自古生物學(xué)、遺傳學(xué)、化學(xué)、種群生態(tài)學(xué)，以及多個(gè)其他科學(xué)學(xué)科的多條證據(jù)鏈聯(lián)系在一起。針對(duì)這個(gè)概念將3個(gè)維度整合在一起可以讓學(xué)生們發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中存在的模式，并建立模型解釋地球上生命的多樣性。這3個(gè)維度中的任何單一內(nèi)容都無(wú)法充分幫助學(xué)生理解科學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)。而3個(gè)維度的內(nèi)容整合在一起就提供了一個(gè)更為廣闊的圖景，幫助學(xué)生了解過(guò)去，理解它與現(xiàn)在的關(guān)系。

教學(xué)時(shí)，我喜歡采用學(xué)科核心概念，而不是科目。學(xué)科核心概念可以讓我將重點(diǎn)放在聯(lián)系多個(gè)學(xué)科的一個(gè)主要概念上，把它作為一個(gè)組織好的工具使用。學(xué)生們可以使用所學(xué)的一個(gè)學(xué)科核心概念解決他們感興趣的和與他們生活經(jīng)驗(yàn)相關(guān)的問(wèn)題。他們可以在低年級(jí)就開(kāi)始學(xué)習(xí)一個(gè)概念，并且隨著學(xué)業(yè)的增長(zhǎng)不斷建構(gòu)他們的理解。這就在教學(xué)與學(xué)習(xí)的過(guò)程中提供了一種能力，讓學(xué)生們體驗(yàn)世界是一個(gè)連貫的整體，而不僅僅是一系列無(wú)關(guān)的事實(shí)。用前面的例子，進(jìn)化能夠用來(lái)解釋為什么犰狳與巨型雕齒獸看上去相似，但又不完全相同；或者為什么馬、鯨、蝙蝠和人類肢體都由相似的骨骼組成，以及為什么任何物種的早期胚胎都幾乎完全相同。

研究充分顯示如果學(xué)生們被要求建立模型解釋自然界的現(xiàn)象，并且與同伴討論他們的觀點(diǎn)，他們將會(huì)更為有效地學(xué)習(xí)和使用科學(xué)概念。如提出問(wèn)題、分析和解釋數(shù)據(jù)、形成解釋，都可以納入到建立模型和進(jìn)行論證的實(shí)踐中。學(xué)生們動(dòng)手做科學(xué)，而不僅僅是學(xué)習(xí)科學(xué)研究的最終結(jié)論。

最困難的改變是納入跨學(xué)科概念。我們不得不直接幫助學(xué)生們領(lǐng)會(huì)他們正在發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的模式，結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，在他們調(diào)查的許多地區(qū)都可以找到系統(tǒng)等這些內(nèi)容。對(duì)于進(jìn)化，學(xué)生們被要求找到數(shù)據(jù)中的模式，解釋古生物學(xué)、遺傳學(xué)、生物化學(xué)、種群生態(tài)學(xué)和大量支持進(jìn)化的證據(jù)。我敢肯定將來(lái)會(huì)建立更多的聯(lián)系。

學(xué)習(xí)進(jìn)程

隨著我們將NGSS的實(shí)施拓展到整個(gè)年級(jí)段，我更加意識(shí)到每個(gè)學(xué)科的核心概念、科學(xué)與工程實(shí)踐和跨學(xué)科概念學(xué)習(xí)進(jìn)程的重要性。這就使我們很容易理解：K—2年級(jí)的學(xué)生可以明白加熱和冷卻可以導(dǎo)致物態(tài)的變化；3—5年級(jí)的學(xué)生能夠理解化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生將會(huì)產(chǎn)生一種具有不同特性的新物質(zhì)；6—8年級(jí)的學(xué)生將會(huì)建立一個(gè)原子和分子的模型，用來(lái)解釋化學(xué)反應(yīng)是如何發(fā)生的；9—12年級(jí)的學(xué)生將能夠理解這個(gè)過(guò)程中包含的分子碰撞、原子重排和能量變化。根據(jù)最新的關(guān)于學(xué)生在不同年齡段能夠理解和動(dòng)手實(shí)踐的內(nèi)容的研究，每個(gè)實(shí)踐和跨領(lǐng)域的概念也有相應(yīng)的學(xué)習(xí)進(jìn)程。如果學(xué)生們?cè)谟變簣@階段就按照NGSS開(kāi)始學(xué)習(xí)科學(xué)，我們的下一代就可以以這樣一種方式理解物質(zhì)世界：他們可以參與對(duì)科學(xué)問(wèn)題的公眾討論，能夠評(píng)估與他們生活相關(guān)的科學(xué)論斷，在中學(xué)之后依然具有好奇心和學(xué)習(xí)科學(xué)的渴望。

結(jié)論

我期待著下一個(gè)10年可以看到NGSS在全國(guó)的課堂上被采用。到目前為止，一直令人興奮地看到科學(xué)教育已經(jīng)發(fā)生的變化，即使我知道我們還有很長(zhǎng)的路要走，幫助我們的下一代真正理解自然界。