美國新一代科學教育標準解讀

摘 要：培養學生的工程實踐能力是美國基礎教育科學課程改革的新舉措。基于社會發展、國家安全，以及科學、技術、工程、數學（Science，Technology，Engineering，Mathematics，STEM）教育現狀，重視工程實踐旨在為優化大學教育和培養未來勞動力做準備。工程實踐與科學實踐相輔相成、同中存異，其主要內容是工程與實踐的協調配置，是工程與科學并存、由探究向實踐轉變、重視學習進階等理念的恰當融合。

關鍵詞：美國；科學教育標準；課程改革；工程實踐

2011年7月，美國國家研究理事會發布了《K-12科學教育框架：實踐、跨學科概念和核心概念》。該框架是美國制定《新一代科學教育標準》（Next Generation Science Standard，NGSS）的基礎?？蚣艽_定后，美國阿契夫公司（Achieve Inc.）牽頭研發最終的《新一代科學教育標準》。2013年1月，阿契夫公司公開發布了《新一代科學教育標準（第二草案）》。該草案的內容框架主要來源于《K-12科學教育框架：實踐、跨學科概念和核心概念》?！翱茖W與工程實踐”作為框架中的三大核心內容之一，在草案中得到了詳細的體現。工程在獲得與科學同等重要地位的前提下，關于其實踐能力的培養也得到了相應的重視。

一、背景

工程實踐作為NGSS中的重要內容，是“工程”與“實踐”的合理融合，把工程提升到與科學同等的地位，又強調實踐相對于探究的優越性。工程實踐能力的培養之所以得到美國基礎教育科學課程改革的重視，主要是基于宏觀和微觀現實狀況的考量。

首先，社會發展所面臨的挑戰要求重視工程實踐。隨著人口的增長和經濟的高速發展，流行疾病、自然災害、能源危機、環境危機等人類生存問題隨之而生，嚴重威脅著社會的可持續發展。美國國家工程院（NAE）的相關研究認為，21世紀全人類主要面臨創造清潔能源、提供潔凈水源、循環利用資源、防止核恐怖危機、推進醫療信息化、改善城市基礎設施建設等多重嚴峻挑戰[1]。工程實踐在解決方案的研發中起主導作用。雖然工程實踐不能單獨解決所有的問題，但是缺少工程實踐便無法應對以上挑戰。因此，基于人類發展和國家安全保障的需要，工程實踐必不可少。

其次，美國基礎工程教育現狀要求重視學生工程實踐能力的培養。STEM教育的出現表面上凸顯了美國對科學、技術、工程和數學的重視，但實際上卻是注重發展科學和數學教育，忽略技術和工程教育，尤其是工程教育近年來才逐漸面向K-12課堂。據美國國家科學理事會和國家工程院統計，1990～2009年，K-12階段接受正規工程教育的學生人數約500萬，僅占K-12階段年均入學人數的10%[2]。學生接受正規工程教育的機會較少，加之工程教育標準、州評價體系、工程教師培訓項目的匱乏，使工程實踐能力的培養只是紙上談兵。此外，工程教育并非孤立存在，它的發展與數學、科學和技術能力的培養緊密相連。因此，重視工程教育，培養學生的工程實踐能力是美國K-12階段STEM教育發展的必然要求。

二、主要內容

工程實踐作為NGSS“科學與工程實踐”的重要組成部分，其主要內容與科學實踐既相互聯系又有所區別。

（一）工程實踐的目的

1.提高基礎教育階段學生的科學素養

培養K-12階段學生工程實踐能力有助于提高其科學素養。自20世紀50年代末以來，科學素養便作為科學教育的核心目標被廣泛提及，但其涵義在學界并沒有達成共識。1996年的《美國國家科學教育標準》將科學素養界定為關于科學原則和過程的理解及運用，該原則和過程的理解與運用能力主要用于個人決策和科學探討，包括批判思維、創新能力、合作能力、技術的有效運用、終身學習能力培養[3]。隨著科學的進步和社會更迭對能力要求的轉變，科學素養的內涵隨之得到豐富和發展。強調學生工程實踐能力的培養便是科學素養在新世紀的新要求。K-12階段學生的工程實踐能力直接影響著大學的科學教育成效，把工程實踐能力的培養提上改革日程可以為大學的科學教育做準備。

2.增強未來勞動力的實踐能力

培養K-12階段學生的工程實踐能力有助于增強未來勞動力的實踐能力。對中學后直接參與工作的學生來說，K-12階段的工程實踐能力培養是提高未來勞動力工作效率的重要途徑。首先，工程實踐與科學知識和探究緊密相連，因此，理解和運用工程實踐有助于增強學生對社會的整體性認識。其次，掌握工程實踐知識有助于提升未來勞動力對基礎技能的敏感度和認知度，明確工程實踐指向。最后，工程實踐能力的培養關系著表達能力、交流能力、合作能力等一系列工作中必備的素質，不僅是解決專業領域問題的必備條件，也是解決非工程領域問題的基礎。因此，增強未來勞動力的實踐能力是工程實踐的主要目的之一。

（二）工程實踐的內涵

工程實踐集“工程”和“實踐”為一體，與科學實踐并行于NGSS中。工程實踐與科學實踐既存在共同要素，又各有特殊性。

1.工程實踐與科學實踐的共同要素

工程實踐與科學實踐的共同要素主要體現在三個方面：首先，調查和基于經驗的探究；其次，展開邏輯推理、創造性分析，并建構解釋、開發模型；最后，分析評估模型與理論解釋的合理性和規范化（見圖1）。

調查和基于經驗探究的過程主要進行“提問和問題定義”“開發和使用模型”“規劃和開展調查”等實踐。無論在科學研究還是在工程設計中，提出一個準確并且清晰的問題尤為關鍵。因此，具備提問的能力是進一步研究和學習的基礎。模型的使用和調查的開展也建立在一定的問題之上。

在展開邏輯推理、創造性分析，并建構解釋、開發模型的過程中，主要進行“分析和解釋數據”“運用數學和計算思維”“構造解釋和設計解決方案”“進行證據論證”等實踐。理論建構和方案設計階段的實踐首先基于調查分析和對數據的闡釋，在解釋數據的過程中必定會運用數學統計、計算機模擬等實證性研究工具，因此，數學和計算思維的運用貫穿于整個研究過程。之后，在調查、計算和預測的基礎上形成理論建構和方案設計，并基于論據論證該理論和方案的合理性。

在分析、評估模型和理論解釋兩方面的合理性以及規范化的過程中，評估作為每一步實踐的必要因素貫穿于研究過程的始終。無論在創建、完善理論和模型的過程中，還是在問題的調查中，批判性思維指導下的評估都必不可少。K-12階段工程與科學實踐主要表現為“獲取、評估和交流信息”。

2.工程實踐與科學實踐的區別

雖然以下八項實踐是工程設計與科學研究的共同要素，但是工程與科學始終擁有各自不同的研究對象、研究方法、研究目的、理論基礎等。基于不同的研究范式和領域，工程與科學體現在實踐中也各有側重。因此，二者是在“和”的基礎上而有所不同（見表1）。

（三）工程實踐的原則

工程實踐的提出強調工程在STEM教育中的重要作用，在實施中則主要關注實踐的中心地位。因此，NGSS中的工程實踐主要遵循以下四個原則。

1.面向K-12階段全體學生的實踐

工程實踐強調實踐是面向全體學生的實踐。NGSS中的工程實踐標準為不同的年級段設計了不同的預期目標，并對標準進行了詳細闡釋和舉例。標準也對幼兒園的孩子提出了適合的水平標準，逐漸增強幼兒的實踐能力。需要指出的是，該標準并沒有闡明每個年級的預期標準，各州以及各學區可根據年級段標準設計每個年級的具體標準。但是，無論如何，工程實踐必須是面向K-12階段全體學生的實踐。

2.實踐隨著年級的升高愈加復雜

工程實踐標準應隨著學生生理和心理的成長而改變。例如，八項實踐之一的“規劃和開展調查”強調幼兒園階段的調查在已規劃好的情境中進行，并在孩子明確調查對象、觀察、測量、記錄結果的過程中給予幫助；小學階段，學生需要自己規劃和開展調查，并隨著年級的升高而提高所調查問題的復雜性；中學階段，學生要能夠盡量減少調查中發生的錯誤?？傊こ虒嵺`標準從幼兒園到12年級都有其學習進階（Learning Progressions，LPs），并隨著年級的升高而愈加復雜。

3.實踐是工程和科學的共同要素

工程設計和科學研究皆在此八項實踐的基礎上展開，并進行反復探討和驗證，使設計和理論達到最優化。即便實踐是工程和科學的共同要素，也因實踐目的的不同而有所側重。在一定程度上，用于界定和解決問題的實踐即為工程設計，用于解答問題的實踐即為科學研究。

4.實踐相互關聯、重疊

八項實踐并非是相互獨立的個體，而是緊密相連的集體。它們之間既可以依次展開，也可以部分重疊、同時進行。例如，“提問”這一實踐后可緊隨著“開發和使用模型”，也可隨之進行“規劃和開展調查”，然后是“分析和解釋數據”；“運用數學和計算思維”這一實踐通常包含于“分析和解釋數據”中。因此，八項實踐在學習中并非按照嚴格的順序依次進行，而是根據設計和研究需要進行靈活調整。相對于幫助學生合理運用每一項實踐，使之理解八項實踐之間的相互聯系更為重要。

三、評價

美國此次科學教育改革強調培養學生的工程實踐能力，是對STEM教育和社會發展需要的回應，其目的、內容和原則均體現出工程與科學并行、探究向實踐轉變、重視學習進階等重要科學教育理念的融合。

（一）工程教育與科學教育并行

把工程教育融入科學標準并非初次倡導，早在美國“2061計劃”系列叢書中就有所體現。但是，工程教育沒有在科學課程、評價以及科學教師教育中獲得與科學教育同等的地位。NGSS工程實踐最突出的特點是把工程教育融入科學教育結構中，把工程設計和科學研究置于課堂教學中的同等高度，把工程的核心概念置于與其他主要科學核心概念的同等地位，使人們能夠在學習和目標評價中對工程和科學一視同仁。K-12科學教育中科學與工程并行有一定的合理性，主要體現在兩個方面：其一，面對全球性問題的挑戰，激勵學生主動、積極地從事工程和科學研究是整個社會發展的需要；其二，工程與科學并行有助于學生把所學的科學知識運用于實際問題的解決，從而更加深入地理解科學的本質[4]。因此，NGSS中工程實踐能力的培養強調工程與科學并行，有助于社會問題和教育問題的解決。

（二）探究向實踐轉變

工程實踐能力的培養強調探究向實踐的轉變，這是科學本質和科學素養豐富、發展的必然產物。20世紀60年代的科學教育改革中，“科學過程”（Progresses of Science ）被廣泛使用，并替代了60年代前科學教育所強調的“科學方法”（Methods of Science）。“科學過程”的提出改變了科學教育引導學生“觀察”“闡述”“測量”“推理”和“預測”五步法，轉而強調學生參與實驗、調查等活動，在活動過程中獲得體驗并基于體驗理解科學本質。20世紀60年代至90年代，“科學探究”（Scientific Inquiry）替代了“科學過程”。“科學探究”的觀點認為，科學概念的學習必不可少，并且應基于概念的掌握逐漸培養學生的科學探究能力?；凇疤骄俊钡膶W習有助于豐富學生對科學的認識，適應學生認知發展水平，并提高教學效率。即便如此，“科學探究”也沒有如預期般被廣泛運用。21世紀初，美國學者認為學校中的科學教育是一系列內容和實踐的組合，實踐對探究的替代主要基于實踐的包容性：科學實踐代表教育中的“做”和“學”，二者密不可分；實踐內涵則更為豐富，包括“反復做以至熟練精通”、“徹底學習以理解本質”、“知識在現實中的運用”等釋義[5]。因此，探究只是實踐中的一種方式，探究到實踐的轉變并非是對探究的完全舍棄，而是在原有基礎上的豐富和擴展。

（三）重視學習進階

提高科學教育中K-12年級或年級段之間的關聯度，是貫穿NGSS的重要原則和思想，并滲透于工程實踐之中。傳統科學教育的缺陷之一便是教育學生掌握一系列不直接相關或者相互獨立的科學事實，忽視科學知識和實踐之間的關聯和承接。學習進階關注學生已經掌握的知識和實踐與亟需掌握的知識和實踐之間的順承關系，強調更高水平的標準建立在前一水平的目標之上，有助于從整體上提高學生的科學素養。工程實踐中的學習進階建立在學生原有的知識和能力基礎之上，基于學生對周圍現象的好奇心，用更科學的方式指導學生認識科學和工程的本質。學習進階還強調工程設計中知識和實踐的融合，各年級段的知識水平和實踐水平的對應，使學生能夠合理地基于知識的掌握進行工程實踐[6]?？偠灾?，“學習進階”是NGSS根據學生生理、心理等發展的基本規律而提出的，把它融入工程實踐能力培養過程，不僅是學生學習的現實需要，也是基于“為了每一個學生的發展”的教育目標而提出的重要教育理念。

四、結語

《新一代科學教育標準》的制定體現了美國基于中小學科學教育現存的學業成績落后、求寬不求深等問題的解決方法和理念，工程實踐作為主要內容之一被視為科學教育改革的重要路徑。基礎教育階段工程與科學并行、探究向實踐轉變、學習進階思想的合理融入可為我國科學教育改革提供一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]National Academic of Engineering. Grand Challenges for Engineering[EB/OL].http：//www.engineering challenges.org/cms/8996.aspx，2013-04-02.

[2]Committee on Standards for K-12 Engineering Education， National Acadey of Engineering. Standards for K-12 Engineering Education[M]. Washington，DC： The National Academies Press，2010：6.

[3]National Committee on Science Education Standards and Assessment， National Research Council. National Science Education Standards[M]. Washington， DC： The National Academies Press，1996： 4.

[4]NGSS Public Release.Conceptual Shifts in the Next Generation Science Standards[EB/OL]. http：//www.nextgenscience.org/sites/ngss/files/Appendix%20A%20- %20Conceptual%20Shifts%20in%20the%20Next%20Generation%20Science%20 Standards%20-%20FINAL.pdf，2013-01-16.

[5]Rodger W. Bybe. Scientific and Engineering Practices in K-12 Classrooms—Understanding A Framework for K-12 Science Education[J]. NSTA’s journals， 2011（12）.

[6]NGSS Public Release. Progressions Within The Next Generation Science Standards[EB/OL]. http：//www.nextgenscience.org/sites/ngss/files/Appendix%20 E%20-%20Progressions%20within%20NGSS%20-%20FINAL.pdf， 2013-01-17.

編輯 朱婷婷 李廣平