以實踐為核心的美國新一輪科學教育改革及啟示

來鑫

摘 要：提高全民科學素養是提升國家核心競爭力的關鍵，美國于2011年和2013年相繼出臺《K-12科學教育框架：實踐、跨學科概念、核心概念》及《新一代科學教育標準》兩部科學教育改革方案，“科學實踐”代替“科學探究”成為美國科學教育改革的核心理念。文章對此次美國以實踐為核心的科學教育改革的背景及美國科學教育本質的變革歷程進行闡述，對改革中培養學生科學實踐能力的總目標和三維科學實踐活動教育內容進行深入分析與解讀，進而得出對我國科學教育的啟示：厘清科學實踐的內涵，避免科學探究模式化；重視科學探究活動中學生的理論性探究；重視科學探究活動中學生的社會交互及科學學術語言。

關鍵詞：美國；科學教育；科學實踐；三維科學實踐活動

培養科技創新型人才，提高全民科學素養是每個國家提升核心競爭力的關鍵，同樣，科學教育作為加強學生對科學概念的理解及發展學生思維、實踐、創新能力的關鍵課程，其改革成為各國提升基礎教育質量所面臨的熱點議題之一。為促進學生科學素養的全面提高，美國政府投入了大量的資金和精力并組織科學及教育專家對科學教育進行長時間的研究。隨著對科學教育研究的深入以及對科學教育在實踐中出現的一系列問題的反思，美國國家研究理事會（NRC）于2011年發布了《K-12 科學教育框架：實踐、跨學科概念、核心概念》（下文簡稱《框架》），提出“科學實踐”的概念，并確立該概念在科學教育中的首要地位。2013年4月，NRC依據《框架》發布了《新一代科學教育標準》（下文簡稱《標準（2013）》），將“科學實踐”作為首要關鍵詞列入該標準，取代了之前的“科學探究”。從此，美國的科學教育進入了新階段。

一、改革背景與歷程

（一）新一輪科學教育改革的現實背景

綜合時代改變所帶來的影響及科學教育理念與實踐的發展歷程來看，美國新一輪的科學教育改革由多種因素促成。

首先，推動此次改革的外部因素主要有三個：其一，美國就業形勢嚴峻，大量的工作需要高質量的科技人才，在國際考試中美國學生的成績遠沒有達到人們對于美國科技強國的預期；其二，美國人進行了細致的國際間課程標準的比較研究，從中找出國際化科學教育的標準走向；其三，美國許多州興起了統一標準運動。

其次，透過1996年《國家科學教育標準》（下文簡稱《標準（1996）》）實施20年來的成效分析，美國科學教育中的一些弊端影響著美國科學教育的質量。一方面，《標準（1996）》中列出大量詳細卻缺乏聯系的碎片化的科學知識，從而導致學生對科學知識理解難以深入；另一方面，對科學探究步驟的僵化認識，使得科學教育中的探究活動淪為學生對幾個固定“探究步驟”忠實地執行，而學生在“動手”的同時卻缺少相應的科學概念解釋、推理、理解等理性思維過程，“動手”與“動腦”產生了分離。為此，美國科學教育研究者迫切期望改變科學探究僵化的現狀。

（二）科學教育本質的變革歷程

科學教育的內涵隨著科學技術及人們對科技理解的深入不斷發生著變化，20世紀初，美國的科學教育普遍將科學等同于科學知識，在“學科中心”的影響下，科學教育關注“是什么”，強調學生對科學知識的掌握。“作為過程的科學”受到了經驗主義科學哲學影響，當時所謂的“科學方法”主要指科學實驗方法，即通過量化實驗歸納得出確定結論。此時的科學教育淪為教授一套模式化的試驗方法，缺少對學生思考的引導。“作為探究的科學”在杜威經驗主義哲學的影響下形成。由于“作為過程的科學”缺少對學生思維的引導，杜威提出“思維五步”，目的是通過模仿科學家的探究歷程，使學生獲取科學知識，領悟科學的方法及本質。但受到教學時間、教學材料、教師教學能力等限制，“科學探究”在科學課堂中被等同于固定的“探究程序”，學生在探究過程中對科學概念的理解及理論性思維被“探究步驟”的執行所掩蓋。為了扭轉這種模式化的傾向，同時為應對時代發展對學生實踐能力提出的更高要求，《標準（2013）》提出美國科學教育本質將走向“作為實踐”的階段。

二、改革目標及內容

（一）科學教育改革的目標——培養實踐能力

美國小學科學課程將K-12科學教育分為K-2年級段、3～5年級段、6～8年級段、9～12年級段四個階段，《標準（2013）》延續了1996年標準中對科學教育年級段的劃分，并描述各個年級段的學生在學科核心概念、跨學科概念、科學與工程實踐三個維度中的預期表現。美國新一輪科學教育的總目標在于培養學生的實踐能力，提高科學素養。《標準（2013）》的藍本——《框架》提出，科學教育要使全體學生在以下四個方面取得長足發展：一是能夠運用科學知識解釋自然界的現象，二是能夠收集科學證據，正確評價科學解釋，三是能夠理解科學知識的本質和科學的發展，四是能有成效地參與科學實踐和對科學問題的討論。對比《標準（1996）》注重學生對科學概念的理解，《標準（2013）》更加關注學生在實踐中的表現，具體實例可見2年級生態系統單元相關標準（見表1）。

通過對比兩個標準可以看出，目標的表述存在差異，《標準（1996）》列舉出學生應理解的生態系統單元中的關鍵概念，《標準（2013）》則是通過列舉學生的具體實踐體現對關鍵概念的理解，如將“學生能夠設計實驗并能夠通過實驗證明植物的生長需要陽光和水”作為學生是否理解“生命體只有當環境滿足其需要時才能存活下來”的標準。這種重視實踐的標準既避免了由于學生理解不同所造成的偏差，又使得標準易于檢測。

（二）科學教育改革的內容標準——三維科學實踐活動

《框架》圍繞“科學與工程實踐”“跨學科概念”“學科核心概念”三個維度的內容展開科學教育，其中，學科核心概念是科學學習的主要載體及脈絡，跨學科概念作為學科核心概念的輔助延伸方式，加強各學科知識之間的聯系。科學與工程實踐是科學學習的主要方法，同時是學生進一步理解和架構科學理論的基礎。科學與工程實踐依據包含的要素分解為三個環節：其一，調查研究部分，學生與真實科學現實交流，包括觀察自然現象，根據觀察提出有價值的研究問題，提出假設后設計見證假設的實驗步驟，進行實驗且對實驗數據進行收集，從而為假設提供依據；其二，理論建構（科學）或制定設計方案（工程）部分，學生需要對收集到的實驗數據進行思維的加工，通過想象、推理、數學計算、預測等思維步驟理解實驗中所展示的科學原理、建構科學模型；其三，評估部分，運用科學及工程的思維工具對前兩個環節進行分析評估（見圖1）。

社會交互性、運用科學語言、科學代表作和工具的使用是科學實踐的三個主要特征。在《框架》中，科學實踐活動被分為三個環節，其中學生的科學操作活動主要發生于調查環節，此環節偏重使學生經歷科學知識產生的過程；建構與解釋的環節偏向于學生將收集到的證據與科學理論建構相結合，通過想象、推理、計算等理性思維活動，達到對科學理論的理解與理論模型的建構；評價則是將前兩個環節的過程與結果用科學的語言表達出來，與他人交流、討論的過程。因此，在科學實踐的活動中，學生從單一的實驗探究調查活動轉變為包含“動腦”“動手”“動嘴”在內的多維活動。

1.科學與工程綜合的科學實踐活動

《標準（2013）》首次在科學教育領域的國家層面把工程教育整合到科學課程中，用“科學、工程和技術”取代了《標準（1996）》中的“科學與技術”，《標準（2013）》將科學實踐活動及工程實踐活動整合到科學探究的范圍中，以工作任務單的形式呈現標準。學生在科學實踐活動中形成和發展對核心概念的理解。對工程實踐的重視使得教師更加全面地理解科學素養的本質，從而使學生獲得運用科學知識認識、解決實際生活中問題的機會。

《標準（2013）》在指出科學與工程的共同關鍵性特征的同時對科學與工程實踐進行了區分，科學實踐側重在自然條件下發現問題，然后通過觀察、實驗收集數據，通過理論性論證形成理論或解釋。而工程實踐側重解決生活中的實際問題，強調的是運用數據來進行設計，最終指向解決實際問題。

2.理論性探究在科學實踐活動中的重要地位

《標準（2013）》將培養學生的科學思考能力作為重要目標，突出學生建構自身科學理論及科學模型的能力。科學實踐重視幫助學生建構并不斷改進自己的科學理論，運用科學的語言、科學代表物和工具來想象、推理、計算、預測合理的科學理論和模型，學生科學思維的建立同樣需要不斷運用語言和工具并達致熟練。

3.社會交互能力在科學實踐中得以發展

隨著科學的深入發展，科學探索和工程建立活動越來越需要團隊合作才能順利進行，社會性是科學家進行科學工作的一個重要特征。學生在課堂科學實踐活動中同樣需要社會交互。學生在科學實踐的各個環節都需要與他人進行思想碰撞，如在經驗調查環節，提出的問題需要聽取他人的意見。學生提出一個科學探究的問題不僅需要對這一問題產生已有觀念，聽取同伴對這一問題的觀念也使其不斷修正、豐富已有觀念，從而提出具有價值的探究問題。在科學學習的共同體中，學生不僅需要與已有材料對話，還需要與同伴對話，同伴的知識、技能、動機和態度都會影響學生自身觀念的建構。

三、啟示

從2001年起，我國開始了新一輪的教育改革，經過十多年基礎科學教育的探索和實踐，科學探究已成為教師在設計、實施科學教育課程時所要考慮的重要因素，但真正以培養學生科學素養為目標的科學教育還難成常態。科學教育在我國受到應試教育的影響，重知識、輕實踐。大班化的課堂使得科學探究活動難以深入進行。在基礎教育階段所進行的科學教育，有些雖然已從科學方法的傳授轉向科學探究，但探究活動模式化傾向嚴重，學生的科學素養難以界定，使得我國的科學教育困難重重。我國基礎教育階段的科學教育課程改革正處于關鍵時期， 美國科學教育改革的“科學實踐”理念將對我國科學教育改革帶來新的啟示。

（一）厘清科學實踐的內涵，避免科學探究模式化

目前，我國基礎教育階段的科學教育課程在實施中形成了探究式教學的主要教學方法，強調“做科學”在科學學習過程中重要地位，使學生的參與體驗和“動手”“動腦”有機結合在一起。但受到傳統教學模式及教育背景的影響，科學教育仍難免受到模式化及應試化的影響，教師迫使學生背誦科學探究的步驟以應對考試，學生按教師設定的步驟進行試驗，探究過程缺乏學生對探究的思考與設計，脫離了科學探究的多樣性。教師在科學教學活動的設計時應考慮科學實踐的三個維度，重點考慮學生科學證據與理論的協調能力、建模能力等科學學習能力，使科學實踐的進行與科學知識的掌握緊密結合。

（二）重視科學探究活動中學生的理論探究

我國課堂科學教育所進行的科學探究活動大多強調學生在探究過程中的知識產生或驗證的過程，強調對最終科學理論的理解和記憶。然而，學生在科學探究活動中對科學理論的理解程度及批判、論證等科學思維能力的發展卻受到了忽視。因此，可借鑒美國科學實踐內容在各個學段的學習進階目標，發展學生的證據與理論的協調能力、運用科學語言表達的能力以及建構科學模型的能力，發展學生的推理、批判性思維等科學素質。

（三）重視科學探究活動中學生的社會交互及科學學術語言

科學探究活動中學生的社會交互和對科學語言的運用是必不可少的組成部分。在科學教育課堂中，教師要努力營造科學學習共同體，使學生在學習共同體中體驗科學探究的過程，同時，在與同伴和材料的交互中修正和豐富科學概念。學生在科學探究中不僅需要科學語言進行交流，而且需要借助語言、文字、圖像等工具建構科學理論，教師應該密切關注學生在描述科學現象和論述觀點時正確運用科學語言，用證據支撐自己的觀點。同時，鼓勵學生借助圖表、圖像等工具構建簡單的科學理論模型，引導學生用語言或文字清楚、準確地與同伴進行科學論證、辯論，學會發現現有理論及同伴科學推論中的漏洞及不足。

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編輯 朱婷婷 校對 李廣平