美國《下一代科學教育標準》的出臺背景及其對科學教育的導向

● 楊文源 劉欣顏 劉恩山

面對日益激烈的國際競爭，美國各界始終秉持強烈的危機意識，并長期將公民的科學教育置于決定國家競爭力的戰略高度。[1][2][3]《下一代科學教育標準》（Next Generation Science Standards，NGSS）的研制和出臺更是美國積極應對未來挑戰的一項劃時代工程。

一、《下一代科學教育標準》是時代發展的產物

20世紀80年代，美國的教育政策由精英教育向全民教育轉型，學校的入學人數迅速增加，但教育系統并沒有做好充足的準備，缺乏規范的學校課程標準和有效的學業水平評價機制，教育質量顯著下降。在這種情況下，美國國內掀起了學校教育的標準化運動，從聯邦政府到各州政府以及學術機構甚至是學區和學校都著手制定教育標準。[4]然而，美國各州、各學區在教育決策上有很強的自主權，使得各地區教育質量參差不齊。為此，聯邦政府通過頒布法令、建立問責機制以及制定國家層面的教育標準來增強對學校教育的管理力度。[5]1996年，美國國家研究理事會（National Research Council，NRC）發布《國家科學教育標準》（National Science Education Standards，NSES），這是美國歷史上第一部全國性質的科學教育標準，也是當時美國科學教育改革的核心指導文件。[6][7]

到2010年，NSES已經在美國施行了15年，時代的發展給科學教育標準帶來了改進的空間：[8]一是科學、工程學、技術幾乎滲透到現代生活的各個方面，未來公民需要具備這些領域的基本知識和技能，專業技術人員更是需要具備這些領域扎實的功底；二是科學教育領域積累了豐富的認知學、心理學、教育學理論和實踐研究成果；三是標準化運動帶給公眾追求學業標準的緊迫感，社會教育觀被考試成績所左右，學校課程內容寬泛而不求深入理解，引發了科學教育領域期待“少而精（less is more）”的思考。與此同時，其他國家的發展和崛起又一次加劇了美國人的民族危機感：[9]一是美國在世界經濟領域的領先地位正在被其他競爭國家趕超；二是美國學生在國際測評項目（Programme forInternationalStudentAssessment，PISA; Trends in International Mathematics and Science Study，TIMSS）中的成績排名落后于多個國家，在本國的學業成就評測項目（National Assessment of Educational Progress，NAEP）中的成績呈下降趨勢；三是決定未來國家經濟實力的支柱產業需要更多的科學、技術、工程學、數學專業的人才；四是知識經濟時代的公民需要通過接受科學教育來獲取應對能源短缺、流行病傳播等社會問題的科學和技術素養。

時代的發展促使美國再次籌劃科學教育改革。美國國家研究理事會 （NRC）聯合全美科學教師學會（National Science Teachers Association，NSTA）、美國科學促進會（American Association for the Advancement of Science，AAAS）、達成公司（Achieve Inc）召集相關學科領域科學家、認知科學家、科學教育研究者、科學教育標準和政策專家、諾貝爾獎獲得者組成專家委員會，共同啟動了下一代科學教育標準的研發工作。2010年9月，達成公司對10個國家的科學教育標準進行了國際比較研究，為新課標的研發提供了國際視角的借鑒和準備。[10]2011年7月，組委會完成新課標研發第一階段的工作，發布 《K-12科學教育框架：實踐、跨學科概念、核心概念》（A Framework for K-12 Science Education:Practices， Crosscutting Concepts， and Core Ideas;以下簡稱《框架》）。 之后，組委會以 《框架》為藍本展開第二階段的工作，于2013年4月發布《下一代科學教育標準》，新課標研發工作正式完成。NGSS以表現標準（Performance Expectations，PEs）來陳述學生學習以后應達到的水平，并通過工作單的形式將《框架》中論述的科學與工程學實踐、學科核心概念、跨學科概念3個維度對應整合在一起，同時還標明了與其他學科、本學科前后的核心概念、語言藝術和數學通用標準的聯系（見圖1）。伴隨著NGSS的出臺，組委會先后發布了一系列相關附件，以指導和輔助對NGSS的理解和使用。[11]

圖1 NGSS的呈現形式

二、《下一代科學教育標準》引領未來科學教育方向

NGSS的出臺不僅標志著美國新一輪科學教育改革正式拉開帷幕，而且還在世界科學教育領域掀起了關注熱潮，引領了國際科學教育的研究方向。截至目前，NGSS發布一年的時間里已經有多本關于NGSS配套資源、評價設計、實施方案的圖書出版，在國際學術年會中也已經出現一系列關于NGSS和《框架》的研究。[12][13]可以預見的是，未來相當長的時期內會不斷涌現更多關于NGSS的研究，世界各國的科學教育改革也會以NGSS作為重要參考。

NGSS以培養21世紀有競爭力的人才為出發點，融合了社會發展對人才的需求、近15年來科學教育領域的研究成果以及NSES的實施經驗和教訓，最終形成了以學生表現為特點的科學教育標準。這套標準不僅規定了學生的學習目標，實質上也反映了21世紀對人才的需求，為未來科學教育的發展指示了方向。

（一）科學教育應適應社會對STEM人才的需求

隨著科學、技術的迅猛發展，STEM（Science，Technology， Engineering， and Mathematics） 人才逐漸成為決定國家創新力和競爭力的主導群體，職業崗位對STEM人才的需求量也越來越大。美國商務部（U.S.Department of Commerce）報告顯示，2000—2010年美國STEM崗位數量增加了7.6%，是同期非STEM崗位數量增長速度的3倍；截至2010年，美國每18名在職人員中就有1名從事STEM工作；預測到2018年，STEM崗位數量將比2008年增長17%。[14]但是，由于人才的缺乏，STEM職位出現了很大的空缺。[15][16]因此，社會發展需要學校教育培養出更多能夠勝任STEM職位的人才。美國聯邦政府在2015年的財政預算中再次強調STEM是面向21世紀的重要素養，美國需要更多的STEM人才，所以對STEM教育的預算較2014年提升3.7%，進一步加大學校STEM教育的支持力度。[17]

促進STEM教育的發展以及科學（S）、技術（T）、工程學（E）、數學（M）四個方面在K-12年級學校教育的結合成為STEM人才培養的重要環節。[18]NGSS將工程學融入科學教育當中，把工程學設計（Engineering Design）和科學探究（Science Inquiry）融合為 “科學和工程學實踐 （Science and Engineering Practices）”，作為科學教育標準的一個維度，并在這個維度中滲透技術的相關內容。以實踐活動（Practices）替代并擴展了NSES中科學探究活動（Inquiry）的內涵，界定了8個類別的重要實踐活動，這一方面能夠更加恰當地將工程學融入到科學課堂的學生活動中，另一方面有助于強化、擴展“科學探究”在理科課程中的地位。另外，NGSS在 “學科核心概念（Disciplinary Core Ideas）”這一維度中，除了梳理物質科學（包含物理和化學）、生命科學、地球和空間科學這3門傳統科學學科的核心概念外，還新增了“工程學、技術和科學應用 （Engineering， Technology， and Applications of Science）”的學科核心概念，這就進一步實現了STEM教育中的科學、技術、工程學在科學教育中的融合和滲透。此外，NGSS的附件L中還專門陳述了該科學教育標準與通用數學教育標準的一致性和聯系性，體現了與數學教育的結合。

NGSS在標準的制定上力求科學與技術、工程學、數學的融合，以適應社會對STEM人才的需求，為世界其他國家通過學校科學教育來加強STEM人才的培養展示了良好的范例，也為科學教育領域關于STEM人才培養的研究和實踐開拓了方向。

（二）課程知識的選取和構建需要考慮學科本身的藍圖

伴隨著20世紀50、60年代歐美各國對行為主義教育思想的反思，以轉變傳統的注重機械式記憶的教學模式為目標的基礎教育改革浪潮風靡全球，科學教育領域興起了以學生為中心的尊重學生學習主體地位的教學思潮。但是，關于知識中心 （Knowledge-Centered）、學生中心（Learner-Centered）、評價中心（Assessment-Centered）的爭議也隨之而來。[19]

就課程知識的選取和組織而言，NGSS在其第一階段的成果《框架》中給出了明確的觀點：每個學科都存在一些關鍵的、基本的普適性原理，對這些原理的理解將有助于構建起良好的學科知識架構，從而有助于理解更加復雜、深奧的概念以及解決實際生活中的問題，這些普適性原理就是學生在學習過程中應當深入理解的學科核心概念。[20]比如，物質科學需要學生深入理解的核心概念包含4個方面，“物質及其相互作用”、“運動和穩定： 力和相互作用”、“能量”、“波及其在信息傳遞技術中的應用”；生命科學需要學生深入理解的核心概念也包含4個方面，“從分子到生命體：結構和過程”、“生態系統：相互關系、能量、動態”、“傳代：性狀的遺傳和變異”、“生物進化：統一性和多樣性”；地球和空間科學需要學生深入理解的核心概念包含3個方面，“地球在宇宙中的地位”、“地球系統”、“地球和人類活動”；工程學、技術、科學應用需要學生深入理解的核心概念包含2個方面，“工程學設計”、“工程學、技術、科學、社會之間的聯系”。這些核心概念既反映了相應學科的整體藍圖，又是學生進一步學習的基礎和重要工具。

綜上所述，NGSS告訴我們，在制定標準時，知識內容的選取和構建需要重視學科本身的藍圖和架構，從知識內容出發規定學生應當深入理解的核心概念。

（三）知識與實踐的結合應當貫穿科學教育的各個環節

在20世紀60年代對行為主義教育思想的反思中，科學探究被引入到科學教育領域并受到高度重視，眾多科學教育研究者圍繞探究式的教和學展開研究。美國第一部全國性的科學教育標準NSES還將科學探究作為內容標準中的一個獨立主題，明確規定各個年級階段學生應當達到的水平。但是，在大力推行科學探究的過程中，在有些課堂出現了誤區，一些教師甚至是學者認為實施科學探究就是完成一系列的操作過程，可以將探究過程和科學知識分割開來，先學習探究過程，再將之應用于學科主題上，這樣的誤區大量出現在教師的實際教學中。[21][22]我國一線教師在教學過程中也存在將科學探究和知識內容分割開來的情況，并導致科學探究相對于知識內容而言成為額外的教學負擔。[23]

NGSS融入了工程學內容，將探究活動擴展為整合了科學探究和工程學設計的實踐活動，并以工作單的形式來呈現標準，把科學和工程學實踐與學科核心概念對應整合在一起，強調學生應當通過科學和工程學實踐來深化對學科核心概念的理解以及對重要實踐技能的鍛煉。此外，NGSS對知識和實踐相結合的高度重視還體現在以表現標準來陳述學生的學習目標，改變了過去將知識目標和能力目標分開陳述的方式，通過表現標準融合了知識和技能的陳述方式來說明學生學習之后應當能夠理解什么知識以及能夠做到什么事情。

知識和實踐結合才能為學生提供深入理解核心概念和發展重要技能的機會，否則對知識的教學就容易停留在單純的背誦記憶的水平，而“動手”則變成為了活動而活動的無意義行為。要想真正實現知識和實踐的結合，必須在標準制定、課程設置、實際教學、評價設計等科學教育的各個環節都貫穿知識和實踐結合的思想。如何落實科學知識和科學實踐相結合的思想，也是值得課程、教學、評價等各方面學者關注和探討的議題。

（四）通過學習進階來構建核心知識和發展重要實踐技能

20世紀末期，過度追求考試成績而導致學校課程內容寬泛不求深入理解的現象，引發了科學教育領域關于學生所需知識的深度和廣度的討論，最終，強調應當幫助學生深入理解核心概念的“少而精”觀點得到廣泛認同。NGSS在其內容選取上充分地體現了少而精的觀點：“學科核心概念”維度，每個學科聚焦2-4個本學科最核心的概念；“科學和工程學實踐”維度，界定了8類對所有學生都非常重要的實踐活動；“跨學科概念”維度，界定了7個打通學科界限的、對科學和工程學的很多領域都有很強解釋力的概念。

近年來，“學生需要持續的學習機會才能構建起對世界的深入認識”這一觀點在科學教育領域盛行，并發展形成了學習進階 （Learning Progression，LP）理論。[24]NGSS在標準內容的組織上，通過學習進階的方式，按照年級的增長逐步深化對學生表現標準、學科核心概念、科學和工程學實踐、跨學科概念的要求，充分反映了打造K-12年級連貫一致的學生培養體系的改革意圖。

綜上所述，NGSS在標準內容的選取和組織上突出了少而精觀點和學習進階理論的結合，強調通過學習進階來幫助學生構建起對核心知識的理解和發展重要的實踐技能。如何在課程、教學、評價當中落實少而精觀點和學習進階理論，也是未來科學教育領域值得關注的研究議題。

NGSS吸納了科學教育領域的重要研究成果，反映了科學教育領域的普遍共識，不僅是美國各州教育質量均衡發展的保障，同時也為世界各國科學教育改革提供了新的參照。作為教育標準，NGSS規定了學生學習之后應當能夠達到的表現預期，強調對學生學習目標的要求，但它并不是課程（curriculum）或教學方法（teaching and learning approach），也不是評價手段（assessment approach）。因此，圍繞NGSS展開課程開發、教學方法、評價手段的研究將會成為未來科學教育領域的熱點議題。

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