《美国新一代科学教育标准》的分析及其启示

摘 要:《美国新一代科学教育标准》提出了三维整合的框架体系,即将科学与工程学实践、学科核心概念和跨学科共同概念进行有效整合。学科核心概念是三维目标的核心,科学与工程学实践和跨学科共同概念一方面强化了学科核心概念,增强了学生的理解能力,另一方面也加强了学生的实践能力。这些理念对于我国高中生物学课程标准的修订、制定,生物学课程的设计和教师的教学都具有重要的参考价值。

关键词:美国新一代科学教育标准;学科核心概念;跨学科共同概念;科学与工程学实践

《美国新一代科学教育标准》是由美国国家科学院(NAS)委托国家研究理事会(NRC)牵头,组织科学家、科学教育研究人员和教育标准与政策制定者合作编制的(以下简称《新标准》)。1《新标准》草案于2010年公布,经过公开评议和修改后,于201349日正式颁布;到2013年底,美国有一半以上的州已在实施或承诺实施该课程标准。

  《新标准》制定的背景分析

  1.1 美国新世纪的人才观

《新标准》的制定是基于美国经济发展停滞、国际评价测试(PISA国际评估项目)表现差、就业形势的变化及公民素养的期望这“四大外因”;科学教育研究的进展、国际课程标准比较研究以及统一标准的运动是其“三大内因”。2但根本的原因是美国人才观的变化及其反思精神。

在全球经济和贸易自由化的背景下,美国对人才的培养提出了越来越高的要求,认为学生应具备丰富的科学知识和适应当代社会的能力,而不是某一项专业的学科知识和能力。例如,适应新工作和工作环境的能力;与人沟通、协商并达成建设性成果的能力;有效解决问题的能力;自我主动管理及发展的能力;用系统的观点来分析和判断的思维能力。《新标准》正是为了确保美国国际竞争力所需要的科学和工程学方面的人才需求,同时让每个美国公民都获得必要的对科学和工程学的理解而进行的课程设计。基于教育目标分析,美国颁布实行的《新标准》具有极其重要的国家战略意义。

要实现《新标准》制定的战略目标,就必须对科学教育课程进行非常规变革,同时考虑到大多数学生未来不从事科学研究的现实,《新标准》不走增加学科专业知识的老路,而是以跨学科的思维来整合学科知识,以跨学科的能力要求来培养学生,建立起人才培养的战略观,摒弃狭隘人才培养的专业观。

美国人的反思精神也是这次科学教育标准修订的重要原因。上一代科学教育标准已颁布实施17年了,科学在不断地发展,给人们的观念带来巨大的冲击,人们对科学的本质、科学精神和科学素养有了新的认识。与此同时,科学教育在实践过程中也收获了很多经验,得到了不少的教训,其中最重要的一条是,现行的科学教育内容不够聚焦和连贯,忽视了学生参与实践的重要性3。这些都是《新标准》制定的时代背景。

  1.2 课程内容多与教学时间短之间的矛盾

科学教育课程面临着内容多而教学时间有限的困难。随着科技的进步、社会的发展,人类积累的知识特别是自然科学知识越来越多且日益精深。有限的科学教育课程容量和“无限”的自然科学知识这一矛盾越发凸显。为解决这一矛盾,《新标准》提出的解决方案,即科学教育课程内容的整合与发展:基础教育阶段科学教育课程的学习应力求通过少数“大概念”来整合学科知识,促进学生参与实践,实现对重要原理的深入探索及概念理解的逐级发展,并在其中渗透科学本质教育和STSE(科学、技术、社会与环境)教育。4

这里的整合首先是科学课程概念体系的建构,即通过围绕“大概念”组织知识内容,达成对以往科学教育课程中零散概念的整合。在此基础上组织科学实践活动,使学生的“学”与“做”融为一体,在实践中理解和建构科学概念。

发展是在概念体系的基础上,通过学习进阶的研究与设计提出适合不同阶段学生认知发展的表现期望,使学生的科学素养随着学习阶段的延伸实现连贯一致的进阶发展。

  《新标准》的框架体系

《新标准》要求科学教育课程应帮助学生在如下四个方面得到长足的发展:能懂得对自然界的科学解释,并会运用和阐释这些解释;能收集和评估科学证据和解释;能理解科学的本质和发展;能有成效地参与科学实践和讨论。为实现这些能力发展的要求,新一代科学教育标准首次提出了三维整合的框架体系,即科学与工程学实践、学科核心概念和跨学科共同概念三者有效地整合。

 

1 《新标准》的三个维度

维度序号

维度名称

与生物学相关的内容

维度1

科学与工程学实践

1)提出问题(科学)和界定问题(工程)

2)开发和使用模型

3)规划和实施调查

4)分析和解释数据

5)使用数学和计算思维

6)形成解释(科学)和设计解决方案(工程)

7)参与基于证据的讨论

8)获取、评价和交流信息

维度2

学科核心概念

1)从分子到生命体:结构和功能

2)生态系统:相互作用、能量和动力

3)遗传:性状的传递和变异

4)生物进化:统一性和多样性

维度3

跨学科共同概念

1)模式(规律)

2)因果关系:机制与解释

3)系统与系统模型

4)物质与能量

5)结构与功能

6)尺度、比率和数量

7)稳定与变化

 

每个维度列出了67个重要概念或内容,科学与工程学实践和跨学科共同概念是科学领域中共有的概念或内容,涉及生物学科领域一共列出了4个核心概念或内容。

《新标准》通过三个维度的整合发展学生的知识与能力,即通过科学实践发展学生研究自然世界的能力,通过工程设计解决实际的问题;通过聚焦于核心概念来掌握四个科学领域(物质科学,生命科学,地球与空间科学,工程、技术和应用科学)的重要知识;通过跨学科共同概念进一步理解和联系科学知识。三维目标的核心是学科核心概念。科学与工程学实践和跨学科共同概念一方面强化了学科核心概念,增强学生的理解能力,另一方面也加强了学生的实践能力。

  《新标准》中的关键内容及其分析

  3.1 学科核心概念

学科核心概念也称大概念,是指本学科内处于重要位置的概念,这些概念应该具有如下标准中的235:(1)对科学或工程学的不同学科领域都有重要的价值,或者可以作为单一学科的组织性概念;(2)可作为理解和探究更为复杂的概念以及解决问题的重要工具;(3)与学生的兴趣和生活经验有关,或者联系到需要科学或工程学知识的社会性或个人问题;(4)可以在不同的年级进行教学,并呈现出深度和复杂性上的不同水平。按照这些标准,《新标准》筛选出12个学科核心概念,其中涉及生物学科的核心概念一共有4个(见表1)。

生物学初中阶段的核心概念与高中阶段的4个核心概念基本相同,但具体的内涵是不一样的,即下位概念的具体内容是有区别的,同样的概念,初中概念是高中概念的基础,这就需要安排“学习进阶”来帮助学生系统地学习和理解。

  3.2 学习进阶和表现期望

学习进阶是对学生连贯且逐渐深入的思维方式的描述。如在较大的时间跨度内(如6~8年级),学生学习和研究某一主题时,思维力度应该逐步深入,思维方式依次进阶。依据学习进阶的定义,《新标准》有序地安排了不同概念的呈现顺序,并逐级安排了同一概念在不同学习阶段的深层次理解。

依据认知心理学原理,学生对科学概念的理解,是不可能一步到位的;同一概念,不同的年级阶段学习的具体内涵也是不相同的。因此,科学而又系统地安排核心概念的一些下位概念的学习,最终达到对上位概念的理解与应用,就显得尤为重要,这也是学习进阶的重要体现。学习进阶可以有系统有计划地帮助学生学习核心概念的不同内涵,从而最终为学生比较全面、系统而深入地理解核心概念打下扎实的基础。

在《新标准》中,不同的下位概念是用“表现期望”来具体实现的。即准确呈现概念的内涵,同时明确测评界限。通过调查提供的证据证明,生物都是由细胞组成的,或者是由一个细胞构成的或者是由多种类型的细胞构成的。[测评界限:重点测评是构成活的生物体的细胞,不包括生物和非生物之间的区别。不同的年级涉及同一概念的“表现期望”是各不相同的,并有逐级发展和逐步深入的安排,表现为概念的进阶发展。

  3.3 跨学科共同概念

《面向全体美国人的科学》一书中对跨学科共同概念有这样的描述:在科学、数学和技术领域中反复出现一些重要的概念,这些概念超出学科的界限,在说明事物、创造理论以及观察和设计时发挥着重要的作用。6在各不相同的领域,因这些领域的需要而强调某些重要概念的一些局部的内涵,这些概念就是跨学科共同概念。例如,“能量”这一重要概念,在物理、化学和生物学科中各有不同的内涵。如何全面系统地理解这些重要概念,需要各个学科之间的交叉渗透,也需要各个学科反复强化并建立有效的联系。另一方面,反复使用这些概念进行教学可以强化学生对学科核心概念的理解。

《新标准》列出了7个重要的跨学科共同概念(见表1),这些概念中的大多数在目前的高中生物学课程中都有呈现,部分概念还是学习的重点内容。例如, 系统与模型;物质与能量;结构与功能,等等。这充分说明强调跨学科共同概念的重要性。

  3.4 科学与工程学实践

《新标准》中提出了科学与工程学实践的8个方面的概念或内容(见表1),并对科学实践与工程学实践进行了区分。科学与工程学实践作为三维中的“一维”,前所未有地突出了“实践”的地位,尤其是工程学实践的地位。

《新标准》用“科学实践”替代了“科学探究”。这是基于科学教师在利用上一代科学教育标准时对于科学探究所产生的认知偏差:一是科学探究的步骤程序化;二是教学过程中过于强调动脑思维的探究,而忽视了动手实践的探究。将“科学探究”改为“科学实践”,正是强调科学活动既是动脑的活动,也是动手操作的活动。这种改变并不意味着科学探究不再重要,而是扩展了科学探究的学生活动范围,强调从实践的层面上理解科学的知识、方法和本质。

强调科学实践,不仅仅因为科学实践包含了科学探究的全部内容,更为重要的是强调了动手实践的重要意义。科学实践能够反映社会对科学教育课程的真实要求,为学生进一步学习与适应社会打下基础。《新标准》是这样解释科学实践的重要性的:在以科学探究为取向的科学教育课程教学实践中,学生应该亲自参与到各种实际操作中去,而不是仅仅经由教师传授知识,没有直接的实践,无论是对科学本质的理解,还是对操作性技能的掌握,都往往流于肤浅。可见,科学实践要求学生除了学习科学家的思维方法外,更要强调的是实际操作能力的培养。

工程学实践与科学实践有很多共同之处,但它们的侧重点各不相同,科学实践侧重于从自然现象中发现问题,然后采取一定的科学方法收集数据等证据来形成模型或理论,并解决先前提出的问题。而工程学实践则侧重于解决实际生产中遇到的问题,工程学的一切方法和设计都是为了更好地解决实际问题,因此,可以这样理解,工程学实践是为解决具体的问题而进行的科学活动。

强调科学实践和工程学实践,可以把重要概念与科学探究和工程设计的实践融合起来,从而通过多年的学校教育养成学生的科学理解能力以及对科学精神的赞赏。5

  对我国高中生物学课程的设计及教学的启示

美国作为世界上最发达的科技强国,颁布的新一代科学教育课程标准势必影响到世界各国的科学教育观念,新标准提出的三维框架体系,非常值得我们认真学习和借鉴。

  4.1 凸显学科重要概念

历次课程改革都存在学习内容是“少而精”还是“泛而浅”的争议,如果生物学新课程要凸显学科的重要概念,就应该适当减少学习内容,将有限的学习时间放在一些重要概念的学习和理解上,而这应该成为高中生物学课程改革的一个重要方向。正如《科学教育的原则和大概念》序言中所述:“科学教育不应该传授给孩子支离破碎、脱离生活的抽象理论和事实,而是应当慎重选择一些重要的科学观念,用恰当、生动的方法,帮助孩子们建立一个完整的对世界的理解。”7

生物学科的重要概念处于学科的中心位置,是学生学习的重要内容。新修订的高中生物学课程标准要延续义务教育生物学课程标准的理念,凸显重要概念的地位和教学,明确以重要概念为中心建立起相应的生物学学科框架体系,并要求教师在组织教学时要注意围绕着这些重要概念的教学而开展。

要做到这些,首先是研究和分析高中阶段要求学生理解和掌握生物学的哪些重要概念。《新标准》确定了4个核心概念,这4个核心概念可以细分为哪些下位概念?下位概念还可以再细分为哪些更下位的具体概念?这些具体概念的内涵如何界定?要求学生达到什么样的“表现期望”?只有研究、分析准确到位,并与现行的高中生物学教学内容和要求相适应,才能真正帮助教师和学生理解和掌握这些重要概念。

  4.2 强调跨学科共同概念

我国高中科学课程实行的是分科教学,各门学科体系严密,学科知识专业性强,但学科之间缺乏交流,一些共同概念在各个学科中的侧重点各不相同,有些共同概念存在重复教学的现象,因此,加强跨学科共同概念的研究,整合这些概念并使之系统化,既有利于强化学生对这些概念的理解,也可以培养学生形成多角度的思维方式和方法。

《新标准》列出的7个重要的跨学科共同概念在高中生物学课程中经常用到。以模型为例,目前的高中生物学课程涉及三种模型:物理模型、数学模型和概念模型,这些模型都能在现行的生物学教材中找到具体的对应内容。

高中生物学课程中的模型类型及其具体的对应内容举例

模型类型

具体内容举例

说明

 

 

物理模型

 

动物细胞结构模型

植物细胞结构模型

细胞膜流动镶嵌模型

DNA分子双螺旋结构模型

减数分裂和有丝分裂中染色体的行为变化模型

 

有些模型既是物理模型也是概念模型,有些模型可能是三种模型的结合

 

数学模型

减数分裂和有丝分裂中染色体的数量变化模型

生物进化中的种群基因频率变化模型

生态系统中的种群数量增长模型

 

概念模型

光合作用的过程模型

呼吸作用的过程模型

神经体液调节模型

生态系统的结构模型

 

跨学科共同概念在不同的科学领域中有各自不同的具体含义,也就是说,概念的术语是相同的,但概念的内涵各有不同。因此,将跨学科共同概念引入科学课程,需要各个科学领域的课程专家、教材编者和一线教师进行研究和探讨:科学课程中涉及哪些跨学科共同概念?哪些跨学科概念需要在各学科课程中强调?这些需要强调的概念在各个学科课程中如何具体呈现?如何界定这些概念的定义及其在各个学科课程中的具体要求?如何整合各个学科课程中的共同概念,以帮助学生全面而又系统地理解这些概念?

跨学科共同概念不仅可以提升学生的理解能力,更为重要的是可以教会学生用多维和系统的观点来看待一些核心的学习内容,从而更好地提升其科学素养。

4.3 以“科学实践”替代“科学探究”,强调实践能力的培养

“科学不仅是对世界理解的一系列知识,也是用来建构、拓展、修正知识的一系列实践”,5因此,科学就是知识和实践的统一体。“科学探究”容易给人造成一种偏重于动脑的科学活动,以“科学实践”替代“科学探究”,强调实践能力的培养,目前可以起到纠偏的作用,尤其对于那些只讲授科学知识,不重视科学实践和实验活动的教师来说,则显得更为重要和迫切。

重视科学实践就意味着重视科学探究、验证性实验、设计、制作和调查等与实践有关的学生活动,建立起从这些活动中建构重要概念的理念。这就要求教师要改变观念,通过设计更多与重要概念相适应的实践活动,而不是单纯通过讲解来理解这些重要概念。

4.4 适当引入工程学实践

工程学实践的学习要求比科学实践要高,涉及更高层次的动手操作及设计活动,是培养学生解决实际问题能力的重要途径,更是培养未来工程学专才的重要推手。

在生物学课程中引入工程学实践是一件新鲜事物,在目前的生物学课程中有两种可供参考的设计方案。

一是在必修模块中少量引入工程学实践。即对必修模块中的实验、制作等活动进行分析,在保持对重要概念理解的基础上,增加一些工程设计方面的内容。

二是在选修模块中强调工程学实践。现行的高中生物选修模块《生物技术实践》和《现代生物科技专题》就是两个很好的平台,前者可在强调技术操作的层面上,后者则在保证基本原理学习的基础上,都可以适当增加一些工程设计和工程评估方面的内容。

《新标准》中还有很多内容值得学习、研究和借鉴。例如,如何利用“故事线”整合同一年级或不同年级的学习内容;如何通过“表现期望”界定同一主题下不同概念的学习目标和测评目标等。但在这里需要强调指出:只有真正将《新标准》的课程理念与中国的具体国情结合起来,形成有中国特色的科学教育课程,才能发挥科学教育的最大功效。

 

参考文献:

1National Research Council. Next Generation Science Standards[EB/OL].

2]王磊,黄鸣春,刘恩山.对美国新一代《科学教育标准》的前瞻性分析[J. 全球教育展望,20126):83.

3]冯翠典.美国新一代《K-12年级科学教育框架》简介[J.比较教育研究,20135):97.

4]郭玉英,姚建,等. 整合与发展——科学课程中概念体系的建构及其学习进阶[J. 课程·教材·教法, 20132):44-45.

5National Research Council (NRC). A Framework for K-12 Science Education: Practices, Crosscutting Concepts, and Core IdeasM.Washington, DC: National Academy Press,201210,31,23,14.

6][美]美国科学促进协会.面向全体美国人的科学[M.中国教学技术协会,译.北京:科学普及出版社,20014):139.

7[]温·哈伦. 科学教育的原则和大概念[M.韦钰,译.北京:科学普及出版社,2011:序言.

本文发表于2014年《中学生物教学》杂志的第12合期,并被人大复印报刊资料《中学政治及其他各科教与学》杂志于2014年第4期全文转载。

 


[1]本文系国家社会科学基金重大项目“中国百年教科书整理与研究”的研究成果(课题编号10ZD095)


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