利用NGSS中學(xué)科核心概念體系開發(fā)課程、實施教學(xué)

葉兆寧 周建中

美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（NextGeneration Science Standard， 以下簡稱NGSS）發(fā)布于2013年，是在2011年制定《K——12年級科學(xué)教育框架》（以下簡稱《框架勢》）的基礎(chǔ)上以標(biāo)準(zhǔn)的形式呈現(xiàn)出對學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)的明確要求和規(guī)范。二者的共同宗旨是幫助實現(xiàn)K-12年級科學(xué)與工程教育的愿景，達(dá)成2個主要目標(biāo)：①為所有學(xué)生提供科學(xué)與工程教育;②為那些會成為未來科學(xué)家、工程師和技術(shù)專家的學(xué)生提供基礎(chǔ)知識。通過這2個目標(biāo)希望學(xué)生在學(xué)校中能夠積極地參與科學(xué)與工程實踐，運(yùn)用跨學(xué)科概念，加深他們對這些領(lǐng)域的核心概念的理解。

因此，《框架》以概念描述的形式明確規(guī)定了K-12年級學(xué)生應(yīng)該學(xué)習(xí)的具體內(nèi)容，而NGSS則以貫穿學(xué)科和年級的組織方式，給出更為具體和翔實的內(nèi)容和實踐指導(dǎo)?！犊蚣堋泛蚇GSS共同呈現(xiàn)出K-12年級學(xué)生科學(xué)概念發(fā)展的完整體系。本文將重點分析NGSS中的概念發(fā)展體系，特別是在課程設(shè)計和教學(xué)實踐中的應(yīng)用，以幫助讀者更好地理解和運(yùn)用NGSS。

NGSS中對學(xué)生概念發(fā)展的觀點

學(xué)科核心概念是NGSS三個維度之一，是學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的主要載體和內(nèi)容。與1996年的科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)相比，NGSS吸收了近20年科學(xué)教育理念、模式和方法的變革，對傳統(tǒng)的知識學(xué)習(xí)提出了新的理解，以“大概念”和“發(fā)展”的視角分析學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)。NGSS中有關(guān)學(xué)科核心概念及發(fā)展主要表現(xiàn)出以下3個觀點。

→ NGSS著眼于學(xué)科核心概念中一個較小的集合，即圍繞核心概念開展教學(xué)

NGSS中關(guān)注的是一組有限的科學(xué)核心概念，即學(xué)生在高中畢業(yè)前應(yīng)該知道的內(nèi)容，并關(guān)注對這些核心概念更深層次的理解和應(yīng)用，而不僅僅是事實知識的羅列。這些核心概念所形成的集合雖小，卻能夠提供一個獲取新知識的組織結(jié)構(gòu)。理解這些核心概念并進(jìn)行科學(xué)與工程實踐有助于學(xué)生在今后發(fā)展出更廣闊的理解和更深水平的科學(xué)與工程研究，以支持學(xué)生的終身發(fā)展。

→科學(xué)概念的構(gòu)建貫穿于整個K-12年級的學(xué)習(xí)過程中

NGSS強(qiáng)調(diào)各個年級間集中而連續(xù)進(jìn)展的知識體系，允許學(xué)生在整個K-12年級科學(xué)教育過程中采用動態(tài)過程構(gòu)建知識。學(xué)習(xí)科學(xué)的研究表明：要對關(guān)于世界的科學(xué)解釋形成透徹的理解，學(xué)生需要有數(shù)年而不是數(shù)個星期或數(shù)個月的時間，持續(xù)地接觸和發(fā)展基本概念，以及體會那些概念的相互聯(lián)系。

→概念的發(fā)展與實踐、跨學(xué)科概念兩個維度交織

NGSS中的每一條內(nèi)容都包含三個維度：學(xué)科核心概念、科學(xué)與工程實踐，以及跨學(xué)科概念。這三個維度的整合為學(xué)生提供了有科學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)情境，將獲得和理解科學(xué)知識，以及各個學(xué)科間跨學(xué)科的普遍意義聯(lián)系起來。

NGSS中呈現(xiàn)出怎樣的概念發(fā)展體系

→ NGSS中的核心概念

由于科學(xué)知識不斷擴(kuò)展，教師不可能在K-12年級期間詳盡地教授與某個學(xué)科相關(guān)的所有概念。而信息時代科學(xué)教育的重要作用不是去教“所有的事實”，而是培養(yǎng)學(xué)生具備足夠的核心知識、技能和方法，以便今后他們可用這些知識、技能和方法獲得更多的信息。因此，NGSS中關(guān)注了科學(xué)與工程領(lǐng)域中有限的一組核心概念與實踐。學(xué)科核心概念的選擇是有重點、有“優(yōu)先權(quán)”的，且是少數(shù)的。

從《框架》到NGSS，在學(xué)科領(lǐng)域上都選擇了物質(zhì)科學(xué)（physical sciences），生命科學(xué)（life sciences），地球與空間科學(xué)（earthand space sciences），以及工程、技術(shù)和科學(xué)應(yīng)用（engmeering，technology，andapplications of science）4個主要領(lǐng)域組織學(xué)科概念。核心概念的遴選滿足以下4個條件。

·對多個科學(xué)學(xué)科或工程學(xué)科具有廣泛的重要性，或者是某個學(xué)科的關(guān)鍵組成部分。

·為理解或研究更復(fù)雜的概念和解決問題提供關(guān)鍵工具。

·與學(xué)生的興趣和生活經(jīng)驗相關(guān)，或者與社會或個人廣泛關(guān)注的、涉及科學(xué)與工程知識的問題相關(guān)聯(lián)。

·能在多個年級中逐漸深入地開展教與學(xué)。也就是說，這個概念既是低年級學(xué)生可以涉及的，也需要足夠時間持續(xù)多年的深入學(xué)習(xí)。

基于此，NGSS中給出了4個主要領(lǐng)域共13個核心概念45個分解概念的概念體系。

→核心概念的進(jìn)程

針對學(xué)生如何建構(gòu)對核心概念的理解所開展的教育教學(xué)研究，是21世紀(jì)以來科學(xué)教育研究的熱點問題。NGSS匯集了20多年的研究成果，發(fā)展出能體現(xiàn)核心概念連續(xù)性和一致性的教育標(biāo)準(zhǔn)。在NGSS中將K-12年級劃分為4個年段（ K-2，3-5，6-8，9-12），明確給出每個年段所涉及概念的理解程度，并在4個年段形成螺旋上升的學(xué)習(xí)進(jìn)程。例如表1中給出物質(zhì)科學(xué)的核心概念“物質(zhì)及其相互作用”中的第1條分解概念“PS1.A物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)”的學(xué)習(xí)進(jìn)程，其內(nèi)容從簡單到復(fù)雜，從單一到系統(tǒng)。

NGSS的附錄整理出45個分解概念的所有進(jìn)程，以供課程研發(fā)和教學(xué)的參考。當(dāng)然，NGSS本身并沒有將所有概念間及領(lǐng)域間的進(jìn)程關(guān)系逐一解構(gòu)。但NGSS發(fā)布之后陸續(xù)有研究者發(fā)表此方面的研究成果，例如2020年，美國科學(xué)教育協(xié)會（NSTA）出版的《三個維度目標(biāo)的導(dǎo)航圖》（Atlas of the ThreeDimensions）即對所有分解概念的發(fā)展進(jìn)程進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

→概念進(jìn)程如何與實踐、跨學(xué)科概念維度銜接

《框架》和NGSS首創(chuàng)科學(xué)教育中的三個維度，并提出在課程設(shè)計和教學(xué)實踐中需要三個維度的有機(jī)整合。整合的理念很快得到認(rèn)可和贊同，但從理念到實踐，即如何整合卻是困擾教學(xué)一線工作者由來已久的問題。為了解決這一問題，NGSS采用預(yù)期表現(xiàn)對此作出了有效的嘗試，也為課程設(shè)計和教學(xué)實踐帶來了巨大的便利。

通過預(yù)期表現(xiàn)（performance expectatioiis），NGSS將三個維度與評價整合到一起，表現(xiàn)出學(xué)生在學(xué)習(xí)具體的學(xué)科核心概念時，如何通過科學(xué)實踐進(jìn)行科學(xué)探究和工程設(shè)計，并逐步建構(gòu)跨學(xué)科概念。預(yù)期表現(xiàn)詳細(xì)說明了在不同學(xué)段的學(xué)生應(yīng)該知道什么、理解什么，以及能夠做到什么，即描述了希望學(xué)生掌握該條標(biāo)準(zhǔn)后所應(yīng)達(dá)到的能力和水平，以及對他們的表現(xiàn)進(jìn)行評測的標(biāo)準(zhǔn)。同時，預(yù)期表現(xiàn)也闡明了學(xué)生要如何參與科學(xué)實踐構(gòu)建對基本知識的更好理解。這些預(yù)期表現(xiàn)通過提供可測量和觀察的任務(wù)，為有針對性的教學(xué)和評測提供了依據(jù)。所以從某種程度上說，這些預(yù)期表現(xiàn)可以獨(dú)立地作為“標(biāo)準(zhǔn)”。

以K——2年級段的物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域的核心概念“物質(zhì)及其相互作用”為例，NGSS為其設(shè)置的預(yù)期表現(xiàn)包括4個條目（見圖1）

圖1中可見，針對這一核心概念，該年段的學(xué)生需要達(dá)成4個條目的標(biāo)準(zhǔn)。每一條標(biāo)準(zhǔn)都用含有行為動詞的學(xué)習(xí)目標(biāo)形式說明具體要求，而該條標(biāo)準(zhǔn)所闡述的三個維度的整合則明確地體現(xiàn)在下方的基礎(chǔ)框中。以第一條標(biāo)準(zhǔn)為例，可以發(fā)現(xiàn)其中涉及到科學(xué)與工程實踐中的“計劃和開展研究”，學(xué)科核心概念中的PS1.A，以及跨學(xué)科概念中的“模式”。這樣的方式巧妙地串聯(lián)起三個維度，為理解如何面向該條標(biāo)準(zhǔn)實施教學(xué)指明了方向。

再如，MS-PS-3核心概念“能量”，其三個維度整合的預(yù)期表現(xiàn)（如圖2所示）分為了5條，其綜合程度從1-5逐漸加大。其整合的內(nèi)容包括：科學(xué)與工程實踐中的“開發(fā)和使用模型”“計劃和開展研究”“分析和解讀數(shù)據(jù)”“建構(gòu)解釋和設(shè)計解決方案”和“參與基于證據(jù)的論證”;跨學(xué)科概念中的尺度、比例與數(shù)量、系統(tǒng)與系統(tǒng)模型，以及能量與物質(zhì);學(xué)科核心概念中的“能量的定義”（PS3. A），“能量守恒和能量傳遞”（PS3 .B），“能量與力的關(guān)系”（PS3. C），“定義和界定一個工程問題”（TES1.A）和“形成可能的方案”（ETS1.B）。這樣的整合對于不同學(xué)段的學(xué)生參與解釋自然界的現(xiàn)象和設(shè)計問題解決方案兩大類科學(xué)與工程實踐活動的學(xué)習(xí)和成果評價提供了可操作性強(qiáng)的依據(jù)。

由此，《框架》和NGSS通過45條分解概念、這些分解概念在K-12年級段之間的學(xué)習(xí)進(jìn)程，以及概念發(fā)展與三個維度的整合，構(gòu)建起一套完整的學(xué)生科學(xué)概念發(fā)展體系。

運(yùn)用NGSS中的概念發(fā)展體系開發(fā)系列課程

標(biāo)準(zhǔn)是教材、教學(xué)和評價的指南。NGSS明確指出標(biāo)準(zhǔn)是反映學(xué)生應(yīng)當(dāng)知道和能夠做什么的標(biāo)準(zhǔn)或目標(biāo)，而不是如何教這些標(biāo)準(zhǔn)的方式或方法。預(yù)期表現(xiàn)描述了概念和技能如何表現(xiàn)，但并不對課程作出嚴(yán)格限定，正相反，開發(fā)預(yù)期表現(xiàn)貫穿始終的宗旨便是使標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)具有一定的靈活性。

→依據(jù)NGSS中的學(xué)習(xí)進(jìn)程開發(fā)系列課程時

無論是面向課內(nèi)正式的科學(xué)課，還是面向課外的非正式科技教育活動，教材的開發(fā)、活動的選擇都需要以NGSS中提供的學(xué)科核心概念發(fā)展體系為依據(jù)，規(guī)劃教材和教學(xué)活動的結(jié)構(gòu)與組成，設(shè)立其教學(xué)目標(biāo)。

NGSS的預(yù)期表現(xiàn)的闡述方式為此將起到非常關(guān)鍵的作用。因為預(yù)期表現(xiàn)中已經(jīng)明確說明了針對這一條標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生在某一年段需要理解和達(dá)到的程度。教材開發(fā)者或教師在開展教學(xué)活動設(shè)計時，只需要根據(jù)所選擇的年段、教學(xué)主題內(nèi)容，明確所能涉及到的核心概念，以及相應(yīng)的預(yù)期表現(xiàn);再依據(jù)NGSS對上下不同年段的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行考察，就可以便捷地制訂出教學(xué)活動在科學(xué)概念發(fā)展上的教學(xué)目標(biāo)。

→教學(xué)實踐過程中

教學(xué)實踐與課程/教材并不是完全等同的關(guān)系，傳統(tǒng)的以教材或以知識為中心的教學(xué)模式，如今已被以學(xué)生為中心的教學(xué)模式所取代。教師在教學(xué)中需要根據(jù)學(xué)生已有的經(jīng)驗和基礎(chǔ)，以及課程所給出的學(xué)習(xí)內(nèi)容，衡量學(xué)生所能達(dá)成的預(yù)期表現(xiàn)。此時，NGSS就成為教師在動態(tài)發(fā)展的學(xué)生和靜態(tài)的教材之間進(jìn)行判斷和權(quán)衡的準(zhǔn)則。參照NGSS給出的核心概念發(fā)展體系，教師不僅可以對學(xué)生的整體狀況進(jìn)行判斷，還可以對教學(xué)活動、教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行修改，還可以對教學(xué)方法和策略作出合理有效的選擇。

→ 開展教學(xué)評價時

以學(xué)生為中心的教學(xué)方法促進(jìn)了形成性評價與總結(jié)性評價相結(jié)合的評價方式被廣泛地用于科學(xué)教學(xué)中。但無論是哪種評價，教師最為糾結(jié)的問題是評價的具體標(biāo)準(zhǔn)和程度。以往的標(biāo)準(zhǔn)很難在這方面給出明確的指示。NGSS努力突破這道壁壘，在預(yù)期表現(xiàn)的描述中增加了“評價邊界”，以幫助教師解決評價標(biāo)準(zhǔn)和程度的難題。例如圖1是2年級物質(zhì)科學(xué)的分解概念“物質(zhì)及其相互作用”的預(yù)期表現(xiàn)中的部分條目，可以發(fā)現(xiàn)在2-PS1-2的描述中包括有“評價邊界”，從評價邊界的描述中可以清晰地了解到在2年級的學(xué)習(xí)中哪些是不需要包括的內(nèi)容。這就為教學(xué)和評價設(shè)置了一定的界限，使教學(xué)評價有了更明確的落腳點。

參考文獻(xiàn)

[1]NRC.A Framework for K-12 Science Education：Practices. Crosscutting Concepts， and Core Ideas [M].2011.

[2]美國科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)制定委員會著，葉兆寧等譯.新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)[M].中國科學(xué)技術(shù)出版社，2020.

[3] Ted Willard. The NSTA Atlas of the ThreeDimensions[M]. Nsta Press， 2020.