美國《（K-12）科學教育框架》及對我國科學課程改革的啟示

蔡志凌

一、美國新《框架》研究的目的與價值

現代科學技術迅猛發展，科學教育的理論研究與實踐也在與時俱進，如何提高科學教育質量成了當務之急。 美國國家理事會于1996 年頒布了《國家科學教育標準》，雖然此標準對科學教育改革起到了良好的引導和深遠的影響， 但卻跟不上時代的步伐，很難適應新形勢對科技教育的要求。時隔15 年后他們再度對現行課程文件和教育實踐進行反思，于2011 年7 月頒布了美國《（K-12）科學教育框架》（以下簡稱新《框架》，這里的K-12是指學生從幼兒園到高中的受教育階段，是美國、澳大利亞等國家免費教育的年段）。 新《框架》廣泛征求了科學家、科學教育工作者、教育研究人員和其他科學教育相關人員的意見，并“由美國國家科學院(National Academy of Science，NAS)、全美科學教師協會 (National Science Teachers Association，NSTA)、美國科學促進會(American Association for Advancement of Science，AAAS)、 美 國 成 就 公 司(Achi eve lnc.)等單位共同完成”[1]。 在研制新《框架》過程中，研究理事會認為K-12 科學教育將焦點放在了一定數量的學科核心概念和跨學科概念上， 這樣的設計可以使學生在今后學習中不斷鞏固和修改自己的知識和能力， 并能夠將這些知識和能力與需要從事的科學探究和工程設計的實踐進行整合。 同時，新《框架》強調12 個等級的科學教育要圍繞三個維度展開，即科學及工程實踐、跨學科概念和學科內的核心概念，并闡明了將工程和技術編入自然科學（物理科學、生命科學和地球與空間科學）的理由：一是反映和理解人類建造世界的重要性；二是更好地整合科學、工程和技術的教和學的過程所具有的價值。 因此，強調將科學和工程教育在整個連貫一體的K-12 年級的科學教育中予以呈現， 即學生在通過多年的學校教育，積極投入到科學和工程實踐、應用跨學科概念去加深對各領域的學科核心概念的理解。用新角度的科學和工程教育為科學課程標準的發展提供了建議。

新《框架》研究理事會還認為：“現行《國家科學教育標準》詳細列出了瑣碎的、互相之間沒有聯系的知識清單，導致我們學習的科學課程是‘一英里長，一英寸深’，忽視了科學知識之間的內在邏輯性和一致性。 ”[2]學生學習科學并不是為了記住一些零散的、毫無內在邏輯關系的知識點。 同時，將科學與生活脫離，既降低了學生對科學的學習興趣，也使科學學習一直收效甚微。 因此，新《框架》中明確指出，“本《框架》目的是：引導課程標準開發的人、課程設計人員、課程評估人員、國家和地區的科學管理員，專業科學教師教育的人，在非正式環境中工作的科學教育工作者”。 新《框架》預期目的是指導美國《國家科學教育標準》的發展，以指導修訂與科學相關的課程、教學、評估，幫助發展職業教育工作者。 總體目標是確保在12 年級結束時，所有學生能鑒別美和質疑科學，擁有關于科學和工程的足夠認識去參與討論與公眾有關的問題，了解日常生活中科學和技術相關信息，能夠在校外繼續學習科學，并有能力選擇自己的職業，包括在科學、工程、技術方面的職業。

二、新《框架》的主要內容與特點

（一）新《框架》的主要內容

新《框架》圍繞著“科學與工程實踐”“跨學科概念”和“學科核心概念”三個維度的內容對科學教育進行展開，三者相互獨立而又緊密聯系。 學習的主要載體是核心概念，穿插著跨學科概念以及科學與工程實踐的內容，以形成完整的知識體系，向學生展示知識的形成，觀念與能力循序發展的過程。 同時，將“學習進階”貫穿于12 年級的科學教育中，不斷地引導并監控著科學學習過程。

1.科學與工程實踐：科學學習的基礎

科學與工程實踐是新《框架》第一維度的內容。 當前，科學教育雖然已提出將科學探究作為科學課程的核心，但在教學過程中仍然不夠注重實踐過程，而僅僅關注到學生對科學知識的掌握，以便應付各種考試。 學生們很少能夠理解他們所學的知識究竟是如何得到的，也使得他們對科學實踐的本質更加難以把握。因此，新《框架》用“科學與工程實踐”代替了原有的“科學實踐”，真正實現了在做中學。新《框架》中確定了8 種科學與工程領域實踐的內容：分析和解釋數據；建立和使用模型；設計和實施調查；分析和解釋數據；使用數學與計算的思維；構建（科學）解釋和設計（工程）解決方案；從事基于證據的辯論；獲取、評價和交流信息[3]。

科學與工程實踐是科學學習主要的學習方法。在參與有關工程內容的實踐過程中，學生能夠檢查自己所學到的科學知識是否完善，培養運用所學知識去解決實際問題的能力，并對科學以及工程之間關系有進一步的理解，提高了實踐能力和創造能力，也激發了學習科學與工程的興趣。并且，經歷了與科學家相似的工作， 將所學運用到生活實際中，更激發了學生持續學習科學與工程的動機。

2.跨學科概念：學科聯系的橋梁

跨學科概念是新《框架》第二維度的內容，主要指一些被普遍用在科學與工程實踐中的概念，有加強知識之間聯系的作用。 跨學科概念作為學習核心概念的輔助延伸方式，能夠有效促進對后者的理解、認知及掌握。 同時，它也鞏固了各個學科之間的聯系，使學生能夠對科學有一個整體、連貫的認識。 細分為模式，原因和結果（機理和解釋），尺度、比例和數量，系統和系統模型，能量和物質（流動、循環和守恒），結構和功能，穩定和變化7 個跨學科概念[4]（詳見表1）。 跨學科概念的意義是伴隨著年級慢慢提高，以學生的“做”科學作為評測的重點。

新《框架》中明確提出科學的學習應該以生成性的概念為中心，在實踐中展開。 跨學科概念是工程學、 生物學、 生命科學和地球與空間之間的橋梁，科學教師在進行核心概念的教學中，將跨學科概念融入課程中，與各學科的知識有效地融合，體現了科學課程的綜合性及內在聯系，而不是單獨進行跨學科概念的教學。

表1 跨學科概念及其價值[5]

（續表1）

3.學科核心概念：科學學習的脈絡

學科核心概念是新《框架》第三維度的內容，指的是學科中若干重要的概念，是學科學習的基礎，是復雜概念理解與研究的基礎。 與原有知識內容相比，新《框架》增加了工程方面的內容，提出了相應的核心概念（見表2）。

核心概念的學習幫助學生對知識建構有意義的理解，形成對科學更靈活、廣泛而深入的理解，也將新知識間建立了框架，為之后的學習打下基礎。 各個核心概念的目標隨著年紀的增長而逐漸加深，使學習進程更豐富、深刻。

表2 學科核心概念[6]

4.學習進階：科學教育的動力

面對科學教育實踐中發現的現行科學課程標準中存在的“廣而不深”、知識點龐雜、評價體系不規范等現象，科學教育研究院不斷積極探索，試圖尋找新的方法或途徑，幫助學生掌握科學知識、提高能力。 不過，目前尚無對學習進階的統一定義，有文獻將它定義為： 學生關于某一核心知識及其相關方法、技能、實踐活動在一段時間內進步發展的歷程[7]。 揭示了學生在學習或者研究某項內容時，對該內容的理解與思考。

學習進階是從學生對科學的好奇心與求知欲以及在生活或學習中所獲得的前概念出發， 將主要學習的內容定為學科核心概念的相關知識，加之以跨學科概念的整合和科學與工程實踐的協助，使學生思維、能力逐步發展。 用一個核心理念貫穿于4 個學段，從簡單到復雜，從樸素到科學，從生活到學科，從宏觀到微觀，使學生的知識形成一系列流暢的鏈條，學習能力逐漸提高，逐步形成本質性的理解。 表3 列舉了“生物的結構和功能”學習進階的課程內容。

表3 “生物的結構和功能”學習進階的課程內容[8]

（二）新《框架》的特點

通過對美國新《框架》的研究目的及內容等的深入分析，不難發現其具有以下三個特點：

1.整合四大學科

新《框架》整合物質科學、生命科學、地球與宇宙科學和工程技術實踐四個領域的內容來幫助改變當代學生知識體系零亂、浮于表面的現狀。 核心概念的精簡為學生節約了更多的時間去探索發現，也有助于系統的科學概念體系的建立。

特別是工程技術的首次引入，為科學教育奠定了良好的基礎。 美國的STEM 項目，充分證明了國家實力的增強與科學、工程、技術有著密不可分的聯系。 正如新《框架》中所說的：“科學教育主要關注勞動的成果——科學事實，而不注重這些科學事實是如何獲取的，或者忽略科學在真實世界中的應用。 這樣的科學教育錯誤地表征了科學，同時使得工程的重要性被邊緣化。 ”[9]可見，增加工程技術這部分學習內容后， 學生能夠回到真實的世界中，應用和鞏固所學知識，解決實際的問題。

2.突出科學實踐

“科學學習以探究為核心”“做科學”等觀念，都顯示了各個國家重視科學實踐，希望學生的科學素養能通過有效的實踐活動來得以提高，是眾人所努力的方向。 新《框架》便找到了一條有效途徑：將實踐與工程技術進行結合。 科學實踐是學生理解所學知識并進行實際運用的有效方法，將工程學知識加入其中，使學生更能了解工程師的工作內容及科學與工程間的關系，加深他們對學科核心概念和跨學科概念的理解，也使他們所學習的知識更加富有現實意義。

3.學習進階的統整

學習進階貫穿于科學教育的整個K-12 年級，在不同的階段都會有相應水平的學習內容，并隨年級逐步提高，以“鏈條”的形式統整科學學習體系。 從表3 我們可以看出，學習進階將許多相關的知識進行了有機的串聯； 學生在逐級學習的過程中所學習和掌握的知識也有著循序漸進的過程，從基礎知識到科學悖論，從生活實際到科學學科，從表面到內部，逐步形成了深入的、系統的、更接近本質的科學知識體系。 新《框架》確定了各個學段對科學概念和實踐的學習目標要求，這些學習目標的難度隨著年級的遞增而逐步提高，這很好地體現了學習進階的理念。

三、我國新《科學課程標準》與新《框架》的比較

《課程標準》引領著課程設計，為此有必要將我國新《科學課程標準》與美國的新《框架》進行比較。 由于當前我國初中科學教育（除浙江省之外）為分科教育，所以這里將選取我國小學的《科學課程標準》（3-6 年級）。 具體見表4。

表4 我國小學科學課程標準（3-6 年級）與美國新《框架》的內容結構比較

從內容比較來看，新《框架》比我國的課標中 多了“工程、技術與科學應用”模塊的內容，新《框架》將科學分為“物質科學”“生命科學”“地球與空間科學”“工程、技術與科學應用”四個領域。 而且每部分內容下都細分了若干個學科的核心概念，知識在下設的核心概念中展開，在跨學科概念中聯結。

從結構的比較可以看出，我國的科學課程標準較新《框架》更為基礎，但缺乏體系，而新《框架》則較為延續和生成。 我國科學課程中核心概念間較獨立，單元之間聯系不強，學生建構的知識體系也較為凌亂，難以層層深入地思考問題的科學本質。 而新《框架》則是整個12 年的教學體系（從幼兒園到高中）。 以學習進階作為線索，學生在接受12 年的科學學習的過程中，緊緊圍繞著核心概念展開，慢慢細化與深入，將新知識整合到已有的知識體系中，有助于加深對知識、學科的理解，激發進一步的學習興趣。 并且，我國的科學課程標準中明確指出：“科學教材內容的整合應力求體現科學整體的思想”，“科學教材整合時，并不要完全打破分支領域的界限，但在內容上，應注意不同學科的知識和技能間的貫通和連接”。

從學科間的橫向聯系看，我國的科學課程內容雖然分為“物質科學”“生命科學”“地球與空間科學”，內容間關聯度不高，科學知識之間的聯系與滲透作用不強。 學生仍是按不同教師所講授的幾個方向的內容進行理解，學生實際運用知識的能力也有待進步。 而新《框架》中著重提出了跨學科概念這一維度的內容，它與核心概念的結合，在很大程度上增強了各知識點之間的聯系，使學生能夠理解科學學習的思路，其主動性和自主學習的欲望得到激發，開拓了更深、更廣的科學。

同時，在我國科學課程標準中明確科學學習方式以“科學探究”為核心。 通常分以下幾個環節：觀察事物；發現問題；猜想與假設；制定研究計劃；實驗并整理有用信息；得出結論；分享交流。 但由于課程時長等問題，學生在實際探究的過程中，只能執行以上的幾個部分，而且探究的內容是老師事先設計好的科學問題，而缺少學生自己感興趣及應用知識解決實際問題類的課題。 新《框架》在一定教學條件和基礎上提出，科學學習的主要方法是“科學與工程實踐”，它不僅向學生展示了知識的來源，也讓學生理解了實踐的意義，將知識與生活實際相結合。 同時，強調學生要親自參與和體驗各種活動，以從中深刻理解核心概念，探究僅僅是實踐的形式之一。 因此，新《框架》增加科學與工程實踐具有較高的價值。

四、新《框架》對我國科學課程改革的啟示

從我國科學教育發展歷史來看，國內有大量教育工作者圍繞科學課程改革面臨的問題、 對策等進行了各種調查、分析與討論，也取得了一定的成就。 但是，不同學科如何實現內在統一，小學、中學的科學概念如何循序漸進，形成階梯型的體系等問題還需進一步解決。 對美國新《框架》的研究給逆境中的我國科學課程改革提供如下啟示：

（一）加強核心概念的引領作用

分析與比較我國科學課程（3-6 年級）、科學課程（7-9 年級）和高中的分科內容，不難發現：有一些內容簡單重復，有一些內容跨度大，甚至部分小學內容的要求比中學還高。 究其原因有二：一是中小學課標的研制者各自為陣， 互不參與， 互不借鑒； 二是無論小學還是中學的課標都沒有對各階段學習的科學核心概念加以界定和論證。 科學教育的內容理應先建立核心概念，再由核心概念分解出主要概念，再根據主要概念確定和選擇教學內容，這是一種合理的通整方法，很好地避免了以上出現的問題。 當然我國科學課程的核心概念不一定與美國新《框架》中所建構的一樣，因為我國科學教育的課程與美國不同，更加復雜，小學階段是科學課程，而初中階段只有浙江省開設綜合科學課程，其他省市又是分學科教學，高中階段都是分學科。 所以，要在中小學科學教育中建立核心概念，首先，應該考慮小學、初中和高中分科課程之間的承接與延續性，使得初中內容是小學內容的補充，高中分科內容是初中內容的提高和深化。 所以小學、 初中和高中的核心概念從難易程度上應形成階梯，層層提高。 其次，學科核心概念不必多，須精而少。 過多的核心概念既增加學生負擔又破壞知識的連貫性，不利于學生的學習掌握。 最后，建立在科學的核心概念下面的主要概念之間要充分體現內在聯系，教學的內容應呈現螺旋上升。 讓學生通過不斷的學習對知識點進行補充與完善。知識的教學內容適合并促進著學生的發展， 讓他們可以用已經學過的知識經驗去解決生活中的實際問題，產生學習科學的興趣。 當然，不同的學科之間相同的知識也要保持一致性，學生可以在不同的情境中對學習的知識進行運用，加深理解。

（二）以“學習進階”貫穿知識體系

新《框架》中最新提出的學習方式是“學習進階”， 用來使學生12 個年級的科學知識形成一個統一、連貫、深入的結構。 傳統教學中普遍存在課程內容涉獵廣泛而知識間連續不足的現象，學生對知識的理解與掌握都是亦步亦趨，流于表面，識記凌亂的知識以應付各類考試。 而“學習進階”可以讓學生持續、逐步地對核心概念進行理解，通過慢慢深入的思考、探索、實踐與應用，以避免傳統科學教學中的弊病。

貫穿核心概念的學習進階方式，可以時刻提醒著教育工作者盡量避免讓學生記憶一些零散的信息或是知識，應幫助孩子們在大量的生活實例中理解和概括出核心概念，重視將前概念或課上掌握的知識應用、遷移到新的問題情境中。同時，也是給教育研究者們探索新的學習方法提供了一定的指導。學習進階比較符合現代學生的認知發展規律，可以幫助學生形成較為完整、順暢的知識結構體系。

（三）在科學課程中增加知識應用的內容

我國科學課程存在重視科學知識的學習，忽視科學知識的應用，導致培養的人才缺少創新能力，無法適應現代科學技術的發展。 科學知識的應用屬于工程技術領域的層面，兩者相互依存，科學理論知識體系指導著工程技術的創新與進步，而工程技術的進步推動生產力的發展的同時又促進科學理論的完善。 在21 世紀科技飛速發展的今天， 幾乎每一個公民都需要使用工程技術來解決問題，如大型設備、網絡、手機等一些工程領域的項目， 而工程技術進步也決定了一個國家的綜合實力。 我國科學課程教育基礎階段研究的三大內容是物質世界、生命世界和地球與宇宙，關于工程實踐卻涉及甚少。 到了中學階段，增加了“通用技術”課程，其中也包含了部分工程設計的內容，如自制小板凳的活動等。 但該課處于選修課的邊緣位置，往往不會引起學生們高度重視。 為了改變這一現狀，我們可以借鑒新《框架》中的科學教育理念，將工程技術教育提上日程，與科學核心知識結合，共同提高學生的工程技術學素養和科學素養。

（四）把實踐和跨學科概念融入科學課程

科學課程是一種綜合課程， 包含著生物、物理、化學、天文學及工程技術等多學科，而我國現行的科學教育的中學階段采取分科教育為主（7-9年級除浙江省外），把本應屬于綜合課程的學科知識相互割裂，導致現在的學生對科學知識的內在本質聯系認知不足，缺乏對各學科知識的融會貫通，特別是在應用科學知識解決實際問題、需要技術創新等方面顯得能力低下，后勁不足。

新《框架》中的核心概念與我國科學課程中的基礎知識相當，將工程實踐和跨學科概念融入其中，可以為我國科學課程建設過程中存在的這些問題提供可借鑒的思路。 以跨學科概念加強分科后的科學知識之間的聯系， 實現科學本質的內在統一。 跨學科概念比較詳細地提出了學生對知識的理解要求與規范，也在很大程度上為學科之間搭起了橋梁，幫助學生逐步培養分科和綜合科學素養，更容易找到不同學科之間的共性。 但是，跨學科概念的成功要建立在知識與實踐相結合的基礎上，通過實踐能夠讓學生親身體驗各種活動，體會科學學習的特點和樂趣， 從而深刻理解科學概念。 當然，在融入新的內容之前，我國的科學基礎知識應該有所精簡，將與學生生活息息相關的、發展科學素養所必須具備的核心概念重點提出。

[1] 張穎之.美國科學教育改革的前沿圖景——透視美國K-12 科學教育的新框架[ J].比較教育，2012，（3）.

[2] National Research Council. A Framework for K -12 Science Education： Practice, Crosscutting Concepts, and Core Ideas[M].Washington, D.C.：the National Academies Press，2011.

[3] Weil, Patrick David. Professional Development Experiences of Indiana K-12 Public School Teachers： Evidence from the SASS 2007-2008 [D]. Kalamazoo： Western Michigan University，2011.

[4] 馬勇軍，吳俊明.科學教育概念辨析[ J].天津教科院學報，2006，（8）.

[5] 謝紹平，董秀紅.美國新《K-12 科學教育框架》解讀[ J].外國中小學教育，2013，（3）.

[6] 楊文源，劉恩山.美國K-12 科學教育框架中對生物學核心概念的關注及其啟示[ J].生物學通報，2013，（48）.

[7] 李佳濤，王靜，崔鴻.以“學習進階”方式統整的美國科學教育課程——基于《K-12 科學課程教育框架》的分析[ J].外國教育研究，2013，（20）.

[8] 吳穎，吳畏.工程技術教育：美國K-12 科學教育框架中的新元素[ J].上海教育科研，2013，（1）.

[9] 胡愷巖，王祖浩.開啟新一代的科學教育——美國《K-12年級科學教育框架》評述[ J].化學教育，2012，（9）.

[10] 中華人民共和國教育部. 初中科學課程標準 （9-12 年級）[S].北京：北京師范大學出版社，2001.