美國科學教育中的探究與實踐

美國科學教育是科學、工程和技術這3個領域的科學實踐，學生在接受系統(tǒng)的科學教育后更具創(chuàng)新意識和動手能力。提出問題（科學）和明確需要解決的難題（工程）；建立和使用模型；計劃和實施調查研究；分析和解釋數據；運用數學和計算思維；建構解釋（科學）和設計解決方案（工程）；基于證據的論證和辯論；獲取、評價和交流信息。這些“實踐”代替了“研究”，強調了“做”與“學”無法真正地分開，更廣義地體現了科學學習的特點。

先用氈制品、金屬片等不同材質的物品學習和體驗絕緣體和導熱體的特點以及熱傳遞的3種方式——輻射、對流和傳導，然后學生小組合作討論和設計小屋的形狀、材質和制作步驟，最后大家動手制作小屋。制作完成后，他們要在小屋外安裝臺燈照射小屋，觀察、測量、記錄和分析冰企鵝的變化，最后小組再重新調整設計方案，選擇最優(yōu)化的材質和方案制作小屋。這是美國一所小學的科學課內容。

如今，科學是人們生活的核心組成部分之一，也是持續(xù)推進一個國家經濟發(fā)展和社會進步的原動力。科學教育是促進學生思維能力的基礎學科。隨著科學教育標準的變化，美國的科學課程強調“探究”與“實踐”并重。

美國科學教育標準的改革

早在1996年，美國就頒布了《國家科學教育標準》。然而，20多年來，世界和美國的科技發(fā)展日新月異，因此，1996年頒布的舊標準已無法適應科學發(fā)展的步伐，亟須制定新的課程標準來推進科學教育，確保科學教育緊跟時代的步伐。

而且，在舊版標準實施的過程中，美國科學教育中出現了探究性教學泛化和模式化傾向，致使科學教育無法在人才培養(yǎng)和科技創(chuàng)新方面發(fā)揮積極作用。在科技領域和學生科學素養(yǎng)方面，美國的表現乏善可陳，越來越令美國教育界和科技界的有識之士擔心。他們認為，改革美國科學教育標準的必要性有4個理由：美國競爭性優(yōu)勢不再明顯，2010年在美國本土所申請的專利中，美國人不到一半；美國高科技的出口呈現下降趨勢，高科技產品的貿易持續(xù)虧損；美國基礎教育階段的學生在許多測試中不盡如人意，2012年國際學生評估測試（PISA）中，美國在65個經合組織成員國中科學排名第21名，數學第26名，閱讀素養(yǎng)第17名，缺乏優(yōu)勢；科學在未來社會發(fā)展和人們就業(yè)的地位越來越重要，科學、技術、工程和數學是經濟社會中創(chuàng)新的源泉。

目前，需求最多的職業(yè)就是科學和數學發(fā)揮核心作用的職業(yè)。美國職業(yè)技術生涯全國委員會的調查顯示，在美國18種職業(yè)群分類中，14種職業(yè)需要4年以上系統(tǒng)的科學學習，還有2種職業(yè)需要3年。這表明，學生應該在學校接受充滿活力的科學和數學教育。還有一個原因是今天的人類充滿了生存危機，從瘟疫爆發(fā)到能源危機，人類重大問題的解決需要科學和技術的創(chuàng)新。與此形成鮮明對比的是，2003年美國人科學素養(yǎng)調查顯示，只有不到1/3的大學畢業(yè)生能完成例如解釋和理解體育鍛煉中血壓變化的數據。

2011年美國國家研究理事會（NRC）制定了新的科學教育綱領性指導建議，匯集了1989年到2011年的科學技術發(fā)展和科學教育研究成果及經驗，制定了新的綱領性指導建議，其中以概念描述的方式明確規(guī)定了基礎教育階段所有學生應該學習的具體內容。在指導建議的框架下，2013年4月美國發(fā)布了《下一代科學教育課程標準》（以下簡稱《標準》），對美國和全球的未來科學教育產生了深遠的影響。如今美國中小學正在全力推進和實施新標準，成為《共同核心課程標準》之后又一份重要的課程改革文件。

新標準注重實踐價值

培訓一開始，沙琳老師向我們介紹了科學教育課程標準的特點和變化。在綜合實踐的設計思路下，《標準》制定了科學教育的三大維度：科學實踐、學科核心概念和跨學科共同概念。這樣改變了以往科學學科知識相互獨立、科學知識與科學實踐互不相干的現象，而是將三者有機地融合，使得跨學科概念、科學和工程實踐進入課堂，成為科學教育的主體。

3個維度中，科學實踐處于核心地位，不是孤立存在，而是與核心概念和跨學科概念相互結合，主要體現為8個方面：提出問題（科學）和明確需要解決的難題（工程）；建立和使用模型；計劃和實施調查研究；分析和解釋數據；運用數學和計算思維；建構解釋（科學）和設計解決方案（工程）；基于證據的論證和辯論；獲取、評價和交流信息。這些“實踐”代替了“研究”，強調了“做”與“學”無法真正地分開，更廣義地體現了科學學習的特點。

而且，《標準》提出了工程領域中的科學實踐，工程設計類似于科學探究，但兩者仍然存在較大的區(qū)別。例如：科學探究涉及的是幫助學生理解科學知識是如何發(fā)展的，提供機會讓他們掌握調查、建模和解釋世界的方法，通過研究回答具體問題，而工程設計包含的是通過設計來解決的問題。工程方面的內容將幫助學生了解在日常生活中科學、技術、工程和數學方面的聯(lián)系。因此科學實踐是科學、工程和技術這3個領域的科學實踐，使得學生在接受系統(tǒng)的科學教育后更具創(chuàng)新意識和動手能力。

與舊標準相比，新標準還出現了一些觀念上的變化：基礎教育階段的科學教育反映出科學內在關聯(lián)的本質，強調科學與工程實踐、跨學科概念和學科核心概念3個維度的整合；標準的內容是學生的預期表現，而非課程內容，即希望學生在學習后達到怎樣的期望和表現；科學概念的建構需要從幼兒園到十二年級連貫實施；教學不僅關注對內容深入理解，也關注對內容運用有效掌握；工程設計與科學探究同等重要，將科學、工程和科技融入新標準；科學教育為將要升入大學或就業(yè)的學生而設計，為他們的將來做好準備；科學課程標準與英語、數學通用核心內容標準相對應；保證科學與英語、數學等學科間的兼容、銜接和滲透，確保教育正向共振。

凸顯實踐的課堂教學活動

《標準》的核心是實踐，離開了實踐的科學課堂教學必然是“穿新鞋，走老路”。沙琳老師告訴我們，美國科學教育正以課程標準為導向，推進加強實踐性的課堂教學，這樣的課堂教學最大的特點是以學生為中心，設計以探究為基礎的調查、應用、分析和評估的活動，并融入了深度學習、基于真實生活場景的實踐和基于項目的學習等元素。

隨后，約翰老師為我們播放了一堂美國八年級生物游戲課堂視頻。這節(jié)課的主題是生物鏈中的能量流動。教師先展示了4種生物的圖片：白鷺、大蝌蚪、蝸牛和海藻，在自然界的生物圈中，它們依次處于從最高級到最低級的生物鏈。低一級的生物是高一級的食物和能量來源。游戲前，每個學生獲得一張胸卡，代表一種生物，然后從物品箱中隨意取一些豌豆，一顆豌豆代表一個能量。然后他們隨機和代表不同生物的同學碰頭，如果遇到比自己大一級的生物，那就貢獻出5顆豌豆，遇到比自己小一級的生物的話就獲得5顆豌豆。

在游戲過程中，學生必須填寫一份記錄表，記錄原來有多少豌豆，在碰到一次同學后，將失去或得到多少豌豆的數量完整地記錄下來。如果最后哪名學生的豌豆比他原來的豌豆少了的話，那就意味著他沒有能量，會失去生命。

這樣的活動創(chuàng)設了虛擬的自然場景，將大自然中的生物鏈搬到了課堂。學生在模擬生物的關系中互動、交流，認識到生物鏈的意義以及能量流動對于生態(tài)系統(tǒng)的重要性。教師通過圖表呈現了知識和概念，但這些只是媒介和手段，真正的學習途徑是情景式的游戲活動，在知識驅動下，學生情景化地學習、體驗和了解生態(tài)系統(tǒng)，進行了深度學習和體驗學習，而不是教師傳授和學生記憶的淺層次學習。

而今，還有一種以綜合和實踐為特點的教育模式——“STEAM教育”受到美國科學教育界的重視，成為科學教育的主流模式，這種模式是基于數學元素，融合工程和藝術的科學科技教學。這就是一種理念，它代表著一種現代的教育哲學，更注重學習的過程，而不是結果。本質上來說，是敢于讓學生們犯錯，讓他們嘗試不同的想法，讓他們聽到不同的觀點，學習的過程是綜合化和情景化解決問題的過程，并培養(yǎng)學生創(chuàng)造和動手實踐能力。這也是一種教學方式。學生在建構、設計、制作、評估環(huán)節(jié)中，將數學、工程、藝術、科學和科技的學習及應用融為一體。

美國未來科學教育協(xié)會，物理、化學、生物和信息技術等學科教師協(xié)會為科學教育和“STEAM教育”開發(fā)了許多案例，很多教師將它們運用在課堂中，激發(fā)學生科學興趣、培養(yǎng)創(chuàng)造能力、深度學習科學。

其中一個課題背景是地球的溫室效應導致地球日益變暖，南極和北極的冰川融化，引起海平面上升，環(huán)境惡化。生活在地球上的人們應該為地球創(chuàng)造良好的環(huán)境，使地球可持續(xù)發(fā)展。學生要完成的任務用不同的材質為冰企鵝制造一個小屋，制作完工后測試冰企鵝的重量，看看怎樣的設計能保持恒溫。這里，冰企鵝代表的是地球，小屋則代表環(huán)境。

這個課題的立意是解決人類生存的重大問題，引導學生關注地球變暖的問題。在課堂教學中教師獨具匠心地將環(huán)境問題轉化為課堂中的問題，先通過比較和體驗解決知識及概念的問題，然后付諸實踐。自行設計、動手制作，實驗測試和評估調整，將科學教育中的科學實踐、跨學科教學和學科核心知識有機整合起來。這種注重動手的學習體驗，融入了科技元素和設計思維，制作樣品，不斷改進，不僅讓學生擁有自己的作品，也擁有創(chuàng)造性的學習過程，而且在制作的過程中建構起關于科學、技術、工程、藝術和數學的知識，這就是科學教育真正的價值。