美國《下一代科學標準》中生命科學“學科核心概念”教育目標設計

熊國勇

（1.南昌師范學院生物系，江西 南昌 330032；2.江西基礎教育研究中心，江西 南昌 330032）

美國于2011年發布了《K—12年級科學教育的框架：實踐，跨學科概念和核心概念》（A Framework for K-12 Science Education:Practices，Crosscutting Concepts and Core Ideas，簡稱《框架》）。[1]以《框架》作為指導性文件，由美國國家研究理事會（National Re?search Council，NRC）等諸多官方與民間機構共同參與研究并聯合來自26個州的40余位科學專業及相關人士共同參與編寫，于2013年4月完成《下一代科學標準》（Next Generation Science Standards，以下簡稱NGSS）的定稿，并正式面向全球發布。

NGSS內容豐富，涉及“生命科學”（Life Sciences,LS）、“物質科學”（Physical Sciences,PS）、“地球與空間科學”（Earth and Space Sciences,ESS）和“工程、技術及科學的應用”（Engineering,Technology and the Applications of Science,ETS）四大學科領域，對全美幼兒園到12年級的科學教育進行頂層設計，引領著全美基礎教育階段科學教育新的實踐方向。本文以“生命科學”領域為討論對象，考察其學科核心概念教育目標設計特征及對我國中小學生命科學教育的影響和啟示。

一、NGSS中的生命科學“學科核心概念”

NGSS主要包含同一內容的兩種組織形式的文本，一種是以“學科核心概念”形式組織（Arranged by Disciplinary Core Ideas，DCIs），另一種是以“主題”形式組織（Arranged by Topics），本文只討論前者。NGSS對所涉的包含“生命科學”在內四大學科領域遴選出了13個核心概念，并分解出44個相應的次級概念（Sub-ideas)，圍繞這些學科核心概念的科學教育標準開展目標設計。

1.學科核心概念遴選標準

“學科核心概念”指的是本學科內非常重要的概念，反映該學科內最受關注的知識模塊。NGSS制定者提出了4條遴選標準，符合下列2條及以上標準的概念才能被定為核心概念：（1）對科學或工程學的多學科領域都有重要的價值，或者是單一學科重要的組織性概念；（2）可作為理解和探究更復雜的概念及解決問題的重要工具；（3）與學生的興趣和生活經驗相關，或者聯系到需要科學或工程學知識的社會性或個人關注的問題；（4）能在不同的年級進行教與學，并呈現出深度和復雜性上的增加水平。[2]基于此標準，NGSS制定者在標準文本對上述四大學科領域提煉出13個核心概念，并衍生出若干次級概念。

2.生命科學學科核心概念的設計與分布

基于上述學科核心概念的遴選標準，NGSS中共遴選設計了4個生命科學學科核心概念，分別以LS1-LS4編碼，并在每個核心概念下衍生開發了4個以下的“次級概念”（Sub-ideas），分別以A、B、C、D為代碼，總共14個（參見表1）。

上述4大核心概念和14個次級概念貫穿了K—12整個基礎教育學段，并在多個年級學段反復出現，構成了NGSS對生命科學學科教育的完整學科概念要求。

表1 NGSS生命科學學科核心概念及次級概念設計

二、生命科學“學科核心概念”教育目標設計

通觀整個NGSS中生命科學學科文本，我們可以較為清晰地看到其學科核心概念教育目標設計中的“縱橫”交錯特征。

1.特征之“縱”：貫穿全程，不斷進階

“縱”指的是貫穿整個K—12年級的不斷進階的教育目標設計。生命科學學科核心概念下的次級概念貫穿了幼兒園、小學、初中和高中的整個基礎教育年級段，這也是NGSS其他學科領域教育目標的統一特色。NGSS設計者將整個基礎教育階段視作一個整體，將各科學學科核心概念教育目標分布到每個學年段。

考察NGSS中不同年級同一生命科學核心概念下教育目標文本可知，隨著年級的增長、學習進程的推進，相同核心概念在知識理解與實踐能力上不斷豐富、提高“學習進階”要求。“學習進階”是近年來國際科學教育界重視的教育實踐理論，其被描述為“學生對于某個主題連續的、更加熟練的思考方式，這些思考方式能隨著學生對這個主題的學習和探究依次連續發展”[3]。NGSS正是基于“學習進階”理念開展全基礎教育階段各學科核心概念的教育期望目標設計的。以核心概念“LS3.遺傳：性狀的遺傳與變異”及其次級概念“性狀的變異”為例，考察其在知識與實踐能力進階不同框架結構文本中的要求（參見表2）。

由表2我們可以看到，對于“遺傳：性狀的遺傳與變異”這一核心概念的實踐能力目標要求，由一年級的“通過觀察來構建一個基于證據的解釋，子代的植物和動物與他們的父代相像，但不完全一樣”現象發現描述要求發展到高中階段“來澄清DNA和染色體在特定性狀從父代傳遞到子代編碼指令的過程中的角色關系”和“運用統計和概率的觀念，來解釋種群內性狀表達的變異和分布”的理性說明階段。而對于“性狀的變異”次級概念知識理解要求，從文本篇幅和內容來看，NGSS對“性狀的變異”這一概念認識的形成與理解上提出了“外觀—環境—染色體—基因突變”模式的由表象到本質，從1年級到高中不斷加深、拓展、提高的進階要求。

2.特征之“橫”：凸顯實踐，三維整合

“橫”則是對具體學科核心概念教育期望中的三個維度整合要求的描述。“表現期望”描述了各年級段對生命科學核心概念理解與實踐應用的行為要求，這個描述則高度融合了基礎框中由“科學與工程實踐”“學科核心概念”和“跨學科概念”三個維度的具體要求。仍然以核心概念“LS3.遺傳：性狀的遺傳與變異”為例子，考察其在一年級的目標要求（參見表3）。

由表3可知，“遺傳：性狀的遺傳與變異”核心概念在一年級的教育目標，即表現期望表述為：“通過觀察來構建一個富于證據的說明——子代的植物和動物與其親代非常相像，但不完全一樣。”這個文本是一個典型的“實踐（觀察和構建、說明）+科學概念（子代的植物和動物與其親代非常相像，但不完全一樣，即遺傳和變異）”的模式。這樣的目標表述，具體而微，為“遺傳與變異”相關課程教學資源開發與課堂設計提供了開放性的選擇，同時也為科學教育目標評估給出了具體的標準。科學實踐聯合具體的科學核心概念內容為教育教學提供了現實場景，實踐和知識記憶割裂的傳統也被摒棄，其影響下科學教學也必將變得豐富生動且更具效率。

綜合表2、3的文本內容，“表現預期”文本中大量使用“觀察”“分析”“構建”“解釋”“設計”“使用”等實踐性詞匯，那些動詞所涵蓋的是科學工程實踐維度的重要內容。NGSS制定者從專業的科學家和工程師的操作實踐中提煉出“提出問題并定義問題”“開發和使用模型”等8個實踐內容，作為各學科核心概念教育目標維度之一，分布在各個學科標準文本中。[4]此外，作為單獨學科領域的“工程、技術及科學的應用”的一個核心概念“工程設計”，被NGSS設計在K—2、3—5、初中和高中四個學段獨立存在，對這四個年級段的“工程設計”實踐目標提出了專門的要求。這些實踐內容將在各年級（年級段）與相應的生命科學學科核心概念一起被設計成各核心概念教學的整體目標，清晰地凸顯“科學與工程實踐”在美國NGSS中的重要地位。

此外，“模型”作為跨學科概念，在生命科學之外的物質科學等其他科學學科中也存在。在表3中，“子代與親代之間的相似性和差異”作為一個自然界生物存在的一種模式（型），要求一年級學生在“遺傳與變異”概念學習階段形成初步觀念并理解它。NGSS設立開發了“模型”“原因和結果”等7個“跨學科概念”[5]，基于“大科學”的理念，淡化學科分界，作為一個維度設計在各學科核心概念的教育目標文本中，通過具體的科學與工程設計實踐橫向整合各科學學科核心概念教育目標。

表2 “LS3.B性狀的變異”在K—12年級的“表現預期”與“學科核心概念”中進階要求

三、NGSS對我國中小學生命科學教育的啟示

NGSS的出爐是作為科技強國的美國科學教育歷史上的顛覆性變革，是美國科學教育發展的歷史必然，影響著美國K—12年級科學教育未來至少十年甚至更長，同時也為其他國家科學教育的變革提供借鑒實踐方向。[5]在全球科技大發展的時代背景下，世界各國科學教育領域都在醞釀著變革。2016年9月，我國教育部發布《中國學生發展核心素養》，提出了我國學生包括“科學精神”素養在內的六大核心素養培育目標。基于核心素養培育的教育改革從高中率先突破，最新的高中生物學課程標準也正式發布在即。2017年2月，我國教育部發布了新的《義務教育小學科學課程標準》，對小學學段科學教育做了全新的設計。略觀其文本結構，我們可以清晰地看到該標準將課程內容分為“物質科學領域”“生命科學領域”“地球與宇宙科學領域”及“技術與工程領域”，這樣的內容設計昭示著NGSS對該課程標準研制的影響。對于我國生物學科教育工作和研究者來說，要以跟蹤研究NGSS為契機，為我國正在進行的生物學課程與教學改革實施覓得可借鑒的實踐思路。

1.重視生物學核心概念，開發全程連貫的中小學生物學教育（課程）標準

眾所周知，各學段、各科學學科課程標準制定與教學實施的各自為政、相互割裂、銜接不暢是我國當下基礎教育的現實。僅涉及生物學科的標準就存在不同學段（義務教育和高中階段）的課程標準，且有些標準還存在跨學段重疊，但內容不一的現象，全國不同省份各學段實際開設的課程也是千差萬別。這種現實下也必然導致學生在生命科學等科學學科概念認知的不完善性，經過長期的積累就會形成對相關概念的錯誤認識，積重難返，影響深遠。美國1996年雖有發布《國家科學教育標準》，但各州（區）教育高度自治的自主性削弱了其作為國家標準的普適性，應用實施效果多有限制。美國教育研究者也充分意識到這一痼疾，在全民參與、充分調研論證的基礎上開發NGSS，在教育目標期望上果斷明確了K—12年級全基礎教育階段的貫穿要求，精心設計不同學科領域的核心概念形成，深入、隨學習進程不斷進階的目標要求。對于我國生命科學教育研究實踐、教育管理者來說，重視生命科學學科概念教育，在現階段構建從低年級開始延續至高中三年級全程的生命科學教育（課程）標準，鼓勵開發中小學全程覆蓋的多種版本多學科交叉的教材或課程資源平臺，建立學生對自然世界完整的正確認識。

表3 “LS3.遺傳：性狀的遺傳與變異”核心概念在一年級的標準文本

2.推行生物學科學與工程實踐教育，注重核心概念知識的獲取過程

我國中小學科學教育改革一度提倡“科學探究”教學，實施以來的成績雖說不容忽視，但“假”探究、“偽”探究、照本宣科的復制式探究依然普遍存在。NGSS凸顯“科學和工程實踐”，大力提倡學生基于自然現象（或日常生活現象）、工程建設，關注現實生活，發現問題、提出問題、解決問題，以介入現實問題為背景實現各學科核心概念的形成、理解和掌握。NGSS期望通過科學及工程實踐教育教學把單個的知識即“學科核心概念”和“跨學科概念”聯系起來——學生處于不同情境中能參與科學和工程實踐來解釋現象和解決問題，形成了知識與實踐的統一體。重視科學工程實踐是NGSS及其要求下課程構建實施中的重要理念。

在我國目前基礎教育現實背景下，我們的生物學教育改革實施者，亟待更新觀念，改變教學與評價的內容和方式，在“科學探究”的基礎上更進一步，關注現實生命科學及相關問題，鼓勵和支持不斷開發基于生命科學相關的科學工程實踐教學資源，豐富教學案例，積極實踐將學生的生物學概念形成與理解融入具體的科學、工程實踐教育教學當中去，扎實地提升生物學教育教學質量。

[1]National Research Coucil.A Framework for K—12 Science Education：Practice，Crosscutting Concepts and Core Ideas[M].Washington D.C.：The National Academies Press，2011.

[2]NGSS Lead States.Next Generation Science Standards,Vol?ume 1:The Standards——Arranged by Disciplinary Core Ideas and by Topics[M].Washington D.C.:The National Academies Press,2014.

[3]National Research Council.Taking science to school:Learning and teaching science in grades K-8[M].Washington D.C.:Na?tional Academies Press,2007.

[4]Bybee R W.The Next Generation of Science Standards:Impli?cations for Biology Education[J].The American Biology Teacher，2012,74(8):542-549.

[5]Bybee R W.The Next Generation of Science Standards and the Life Science[J].Science Teachers，2013（80）:25-32.