美國科學教育中的探究與實踐

美國科學教育是科學、工程和技術(shù)這3個領(lǐng)域的科學實踐，學生在接受系統(tǒng)的科學教育后更具創(chuàng)新意識和動手能力。提出問題（科學）和明確需要解決的難題（工程）；建立和使用模型；計劃和實施調(diào)查研究；分析和解釋數(shù)據(jù)；運用數(shù)學和計算思維；建構(gòu)解釋（科學）和設(shè)計解決方案（工程）；基于證據(jù)的論證和辯論；獲取、評價和交流信息。這些“實踐”代替了“研究”，強調(diào)了“做”與“學”無法真正地分開，更廣義地體現(xiàn)了科學學習的特點。

先用氈制品、金屬片等不同材質(zhì)的物品學習和體驗絕緣體和導熱體的特點以及熱傳遞的3種方式——輻射、對流和傳導，然后學生小組合作討論和設(shè)計小屋的形狀、材質(zhì)和制作步驟，最后大家動手制作小屋。制作完成后，他們要在小屋外安裝臺燈照射小屋，觀察、測量、記錄和分析冰企鵝的變化，最后小組再重新調(diào)整設(shè)計方案，選擇最優(yōu)化的材質(zhì)和方案制作小屋。這是美國一所小學的科學課內(nèi)容。

如今，科學是人們生活的核心組成部分之一，也是持續(xù)推進一個國家經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的原動力。科學教育是促進學生思維能力的基礎(chǔ)學科。隨著科學教育標準的變化，美國的科學課程強調(diào)“探究”與“實踐”并重。

美國科學教育標準的改革

早在1996年，美國就頒布了《國家科學教育標準》。然而，20多年來，世界和美國的科技發(fā)展日新月異，因此，1996年頒布的舊標準已無法適應(yīng)科學發(fā)展的步伐，亟須制定新的課程標準來推進科學教育，確保科學教育緊跟時代的步伐。

而且，在舊版標準實施的過程中，美國科學教育中出現(xiàn)了探究性教學泛化和模式化傾向，致使科學教育無法在人才培養(yǎng)和科技創(chuàng)新方面發(fā)揮積極作用。在科技領(lǐng)域和學生科學素養(yǎng)方面，美國的表現(xiàn)乏善可陳，越來越令美國教育界和科技界的有識之士擔心。他們認為，改革美國科學教育標準的必要性有4個理由：美國競爭性優(yōu)勢不再明顯，2010年在美國本土所申請的專利中，美國人不到一半；美國高科技的出口呈現(xiàn)下降趨勢，高科技產(chǎn)品的貿(mào)易持續(xù)虧損；美國基礎(chǔ)教育階段的學生在許多測試中不盡如人意，2012年國際學生評估測試（PISA）中，美國在65個經(jīng)合組織成員國中科學排名第21名，數(shù)學第26名，閱讀素養(yǎng)第17名，缺乏優(yōu)勢；科學在未來社會發(fā)展和人們就業(yè)的地位越來越重要，科學、技術(shù)、工程和數(shù)學是經(jīng)濟社會中創(chuàng)新的源泉。

目前，需求最多的職業(yè)就是科學和數(shù)學發(fā)揮核心作用的職業(yè)。美國職業(yè)技術(shù)生涯全國委員會的調(diào)查顯示，在美國18種職業(yè)群分類中，14種職業(yè)需要4年以上系統(tǒng)的科學學習，還有2種職業(yè)需要3年。這表明，學生應(yīng)該在學校接受充滿活力的科學和數(shù)學教育。還有一個原因是今天的人類充滿了生存危機，從瘟疫爆發(fā)到能源危機，人類重大問題的解決需要科學和技術(shù)的創(chuàng)新。與此形成鮮明對比的是，2003年美國人科學素養(yǎng)調(diào)查顯示，只有不到1/3的大學畢業(yè)生能完成例如解釋和理解體育鍛煉中血壓變化的數(shù)據(jù)。

2011年美國國家研究理事會（NRC）制定了新的科學教育綱領(lǐng)性指導建議，匯集了1989年到2011年的科學技術(shù)發(fā)展和科學教育研究成果及經(jīng)驗，制定了新的綱領(lǐng)性指導建議，其中以概念描述的方式明確規(guī)定了基礎(chǔ)教育階段所有學生應(yīng)該學習的具體內(nèi)容。在指導建議的框架下，2013年4月美國發(fā)布了《下一代科學教育課程標準》（以下簡稱《標準》），對美國和全球的未來科學教育產(chǎn)生了深遠的影響。如今美國中小學正在全力推進和實施新標準，成為《共同核心課程標準》之后又一份重要的課程改革文件。

新標準注重實踐價值

培訓一開始，沙琳老師向我們介紹了科學教育課程標準的特點和變化。在綜合實踐的設(shè)計思路下，《標準》制定了科學教育的三大維度：科學實踐、學科核心概念和跨學科共同概念。這樣改變了以往科學學科知識相互獨立、科學知識與科學實踐互不相干的現(xiàn)象，而是將三者有機地融合，使得跨學科概念、科學和工程實踐進入課堂，成為科學教育的主體。

3個維度中，科學實踐處于核心地位，不是孤立存在，而是與核心概念和跨學科概念相互結(jié)合，主要體現(xiàn)為8個方面：提出問題（科學）和明確需要解決的難題（工程）；建立和使用模型；計劃和實施調(diào)查研究；分析和解釋數(shù)據(jù)；運用數(shù)學和計算思維；建構(gòu)解釋（科學）和設(shè)計解決方案（工程）；基于證據(jù)的論證和辯論；獲取、評價和交流信息。這些“實踐”代替了“研究”，強調(diào)了“做”與“學”無法真正地分開，更廣義地體現(xiàn)了科學學習的特點。

而且，《標準》提出了工程領(lǐng)域中的科學實踐，工程設(shè)計類似于科學探究，但兩者仍然存在較大的區(qū)別。例如：科學探究涉及的是幫助學生理解科學知識是如何發(fā)展的，提供機會讓他們掌握調(diào)查、建模和解釋世界的方法，通過研究回答具體問題，而工程設(shè)計包含的是通過設(shè)計來解決的問題。工程方面的內(nèi)容將幫助學生了解在日常生活中科學、技術(shù)、工程和數(shù)學方面的聯(lián)系。因此科學實踐是科學、工程和技術(shù)這3個領(lǐng)域的科學實踐，使得學生在接受系統(tǒng)的科學教育后更具創(chuàng)新意識和動手能力。

與舊標準相比，新標準還出現(xiàn)了一些觀念上的變化：基礎(chǔ)教育階段的科學教育反映出科學內(nèi)在關(guān)聯(lián)的本質(zhì)，強調(diào)科學與工程實踐、跨學科概念和學科核心概念3個維度的整合；標準的內(nèi)容是學生的預(yù)期表現(xiàn)，而非課程內(nèi)容，即希望學生在學習后達到怎樣的期望和表現(xiàn)；科學概念的建構(gòu)需要從幼兒園到十二年級連貫實施；教學不僅關(guān)注對內(nèi)容深入理解，也關(guān)注對內(nèi)容運用有效掌握；工程設(shè)計與科學探究同等重要，將科學、工程和科技融入新標準；科學教育為將要升入大學或就業(yè)的學生而設(shè)計，為他們的將來做好準備；科學課程標準與英語、數(shù)學通用核心內(nèi)容標準相對應(yīng)；保證科學與英語、數(shù)學等學科間的兼容、銜接和滲透，確保教育正向共振。

凸顯實踐的課堂教學活動

《標準》的核心是實踐，離開了實踐的科學課堂教學必然是“穿新鞋，走老路”。沙琳老師告訴我們，美國科學教育正以課程標準為導向，推進加強實踐性的課堂教學，這樣的課堂教學最大的特點是以學生為中心，設(shè)計以探究為基礎(chǔ)的調(diào)查、應(yīng)用、分析和評估的活動，并融入了深度學習、基于真實生活場景的實踐和基于項目的學習等元素。

隨后，約翰老師為我們播放了一堂美國八年級生物游戲課堂視頻。這節(jié)課的主題是生物鏈中的能量流動。教師先展示了4種生物的圖片：白鷺、大蝌蚪、蝸牛和海藻，在自然界的生物圈中，它們依次處于從最高級到最低級的生物鏈。低一級的生物是高一級的食物和能量來源。游戲前，每個學生獲得一張胸卡，代表一種生物，然后從物品箱中隨意取一些豌豆，一顆豌豆代表一個能量。然后他們隨機和代表不同生物的同學碰頭，如果遇到比自己大一級的生物，那就貢獻出5顆豌豆，遇到比自己小一級的生物的話就獲得5顆豌豆。

在游戲過程中，學生必須填寫一份記錄表，記錄原來有多少豌豆，在碰到一次同學后，將失去或得到多少豌豆的數(shù)量完整地記錄下來。如果最后哪名學生的豌豆比他原來的豌豆少了的話，那就意味著他沒有能量，會失去生命。

這樣的活動創(chuàng)設(shè)了虛擬的自然場景，將大自然中的生物鏈搬到了課堂。學生在模擬生物的關(guān)系中互動、交流，認識到生物鏈的意義以及能量流動對于生態(tài)系統(tǒng)的重要性。教師通過圖表呈現(xiàn)了知識和概念，但這些只是媒介和手段，真正的學習途徑是情景式的游戲活動，在知識驅(qū)動下，學生情景化地學習、體驗和了解生態(tài)系統(tǒng)，進行了深度學習和體驗學習，而不是教師傳授和學生記憶的淺層次學習。

而今，還有一種以綜合和實踐為特點的教育模式——“STEAM教育”受到美國科學教育界的重視，成為科學教育的主流模式，這種模式是基于數(shù)學元素，融合工程和藝術(shù)的科學科技教學。這就是一種理念，它代表著一種現(xiàn)代的教育哲學，更注重學習的過程，而不是結(jié)果。本質(zhì)上來說，是敢于讓學生們犯錯，讓他們嘗試不同的想法，讓他們聽到不同的觀點，學習的過程是綜合化和情景化解決問題的過程，并培養(yǎng)學生創(chuàng)造和動手實踐能力。這也是一種教學方式。學生在建構(gòu)、設(shè)計、制作、評估環(huán)節(jié)中，將數(shù)學、工程、藝術(shù)、科學和科技的學習及應(yīng)用融為一體。

美國未來科學教育協(xié)會，物理、化學、生物和信息技術(shù)等學科教師協(xié)會為科學教育和“STEAM教育”開發(fā)了許多案例，很多教師將它們運用在課堂中，激發(fā)學生科學興趣、培養(yǎng)創(chuàng)造能力、深度學習科學。

其中一個課題背景是地球的溫室效應(yīng)導致地球日益變暖，南極和北極的冰川融化，引起海平面上升，環(huán)境惡化。生活在地球上的人們應(yīng)該為地球創(chuàng)造良好的環(huán)境，使地球可持續(xù)發(fā)展。學生要完成的任務(wù)用不同的材質(zhì)為冰企鵝制造一個小屋，制作完工后測試冰企鵝的重量，看看怎樣的設(shè)計能保持恒溫。這里，冰企鵝代表的是地球，小屋則代表環(huán)境。

這個課題的立意是解決人類生存的重大問題，引導學生關(guān)注地球變暖的問題。在課堂教學中教師獨具匠心地將環(huán)境問題轉(zhuǎn)化為課堂中的問題，先通過比較和體驗解決知識及概念的問題，然后付諸實踐。自行設(shè)計、動手制作，實驗測試和評估調(diào)整，將科學教育中的科學實踐、跨學科教學和學科核心知識有機整合起來。這種注重動手的學習體驗，融入了科技元素和設(shè)計思維，制作樣品，不斷改進，不僅讓學生擁有自己的作品，也擁有創(chuàng)造性的學習過程，而且在制作的過程中建構(gòu)起關(guān)于科學、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學的知識，這就是科學教育真正的價值。