利用NGSS進行教學和活動設計

吳可會

美國《新一代科學教育標準》（ NextGeneration Science Standard，以下簡稱NGSS）的發布為科學教育工作者提供了一個美好藍圖，學生能夠通過實踐充分理解核心概念及跨學科概念。“學習是知識與實踐的結合，而不是將內容和應用分離”，這是NGSS強調的重要觀點。在傳統教學中，工程設計類活動中常見的做法是直接提出一個工程挑戰，由教師引導學生從自身經驗出發討論工程限制條件，隨后就進行模型設計與制作，而較少深入討論為什么要做，以及有哪些真實的工程需求，使學生跳過了系統思考，直接進入了模型設計階段。當遇到真實問題時，如何從錯綜復雜的環境中提煉有效的信息，明確工程任務的核心要求，對學生來說仍然是較難跨越的障礙。

NGSS強調的是發展學生對科學與工程如何實現預期目標的認識，同時強調增強他們的相關實踐能力。當學生參與真正的實踐任務時，他們會獲得更多思考和決策的機會，理解問題產生到問題解決之間的科學過程。與校外的專業人員合作是創造真實任務的一種方法，這種真實任務可以向學生展示科學與工程之間的關聯，理解科學家和工程師是怎樣工作的。下面，我們將通過一個教學案例，分析讓學生參與真正的工程任務的教學設計策略。

○策略一、基于工程任務需求的科學探究實現科學與工程的整合

“科學家和工程師如何合作研究深海熱液噴口處的生命”[1]是美國馬薩諸塞州福克斯波羅的Sage學校的中學科學教師Lisa R. Troy和來自伍茲霍爾海洋學研究所的科學家共同開發的1個工程設計項目，面向中學6-8年級的學生展開。項目圍繞探究潛水器和生活在深海的奇異生物展開，將研究問題聚焦為設計、建造和測試一個深海火山口微生物取樣室。這項工程挑戰和研究大約需要3周時間，學生通過包括3次分組形成的3個環節（如圖1）完成整個學習。

→環節1——背景研究：進入真實情境

第1個環節也是第1次分組，教師通過邀請科學家來訪或是播放科學家訪談視頻2種方式，引入有關熱液噴口和能量的話題，組織學生對熱液噴口課題進行背景研究，主題涉及了非生物、生物、工程技術和研究方法等多個維度。這時的研究內容較為開放，主要幫助學生對課程主題的相關內容（即熱液噴口）建立初步認識，旨在促進學生正確認識后面的工程設計挑戰任務。學生可以自己查閱專題網站資源，也可以向團隊伙伴中的海洋學研究所專家咨詢這些問題。背景研究的環節創設了一個真實的情境，有助于學生形成對真實問題的理解。通過背景研究，學生對表1中工程設計問題的具體內容和限制條件有了明晰的認識。

→環節2——專題研究：明確并研究工程問題

第1次的分組在環節2中被打亂，重新進行的第2次分組使學生可以在新建立的小組中帶入在背景研究環節中獲得的不同經驗。因為僅僅靠背景研究并不能理解獲得解決問題的思路，需要深入明確并開展有關的科學探究式的重要任務。在這個環節中，每個學生都變成“熱”“浮力與壓力”“物質對細菌的影響”3個領域中的一方面專家。表2詳細列出了在該案例的工程設計任務下，各個領域專題需要深入開展科學探究的問題。

通過環節1的背景研究自然引出環節2中的3個領域主題，而這些主題又恰好與NGSS中相關的核心概念相對應。也就是說，環節2中出現的科學研究問題是基于其工程任務的，呈現出為解決該工程任務自然而然形成的科學探究的需求，這有助于學生理解真實情況下科學研究與工程實踐的關聯。

→環節3——工程設計：親歷工程過程

在第3個環節中，學生再次重建小組進行工程設計。這次的重組非常重要，它使得具有不同背景的“專家”被分配到每個工程小組中，他們帶來了在環節2中對各自專題問題進行探究的結果。學生帶來不同的認知和經驗，共同研究并解決工程問題。

這樣的教學過程設計，通過科學家的真實研究問題，引發學生的探究興趣，并為學生創設了一個真實具體的工程問題。在傳統熱傳遞話題基礎上增加了浮力、壓力、材料對微生物的影響等話題，將生命科學、物質科學與工程設計進行了有效融合，再現了科學家在科學研究中面臨問題的真實狀態，讓學生親歷一次學科間相互作用形成解決方案的真實工程過程。而環節2中的設計更是體現了通過基于工程任務需求的科學探究實現科學與工程整合的教學設計策略。

○策略二、通過三個維度、預期表現和學習進程的分析制訂教學目標與要求

在課程開發中，基于NGSS的教學設計可能存在一個常見的難點：在圍繞某個特定學科核心概念的課時或單元中，應著重引入哪些實踐和跨學科概念，以使所有實踐和概念在整個課程中都能得到足夠的關注[2]。在教學設計中，需要對該工程任務中涉及的三個維度、預期表現和學習進程進行分析。

→ 明確學科核心概念

每個科學單元或工程設計項目必須把發展學生對至少一個學科核心概念的理解作為它的目標之一。本案例通過與校外的專業人員合作、組建工程合作伙伴的形式，將兩大學科領域的核心概念學習作為其主要目標，分別是物質科學領域中的第3個核心概念：能量（MS-PS3）;工程、技術及科學的應用領域的第1個核心概念：工程設計（MS-ETS1）。圍繞核心概念的實際教學會落腳在更為具體的分解概念上。本案例的落腳點就是“能量”的第2個分解概念：能量守恒和能量傳遞（PS3. B）;“工程設計”的第2個分解概念：形成可能的方案（ETS1.B）。

→分析學習進程

由于案例中的教學對象為6-8年級學生，根據《K-12年級科學教育框架》中對各核心概念在不同年段學習進程的指導建議，案例中面向學科核心概念的教學目標包括：

·旨在讓學生對PS3.B這一子概念達到8年級末的學習進程水平，即理解“能量自發地從較熱的區域或物體轉移到較冷的區域” （見表3）。

·旨在讓學生對TES1.B這一子概念達到8年級末的學習進程水平，即理解“一個方案需要進行測試，然后在測試結果的基礎上進行修改以得到完善” （見表4）。

→解讀預期表現

依據上述的學科核心概念與學習進程，參照NGSS，不難找出其中對應的預期表現，即“MS-PS3-3.應用科學原理設計、制造和檢驗一個最小化或最大化熱傳遞的裝置”[2]（見圖2）。在案例的教學中，可以通過“學生分別測量并記錄取樣室被放入冷水前、在冷水中浸沒10分鐘后的溫度，以確定他們選擇的材料在防止熱量損失方面的有效性”，反映學生對能量守恒和能量傳遞的理解。

同理，對“工程設計”的第2個分解概念，學生應達到8年級末的學習進程水平，即“一個解決方案需要被測試，然后根據測試結果改進解決方案”，在NGSS中對應的預期表現為“MS-ETS1-4.開發一個模型，用模型生成數據，用數據反復檢驗和改進一個被提出的物體、工具或過程，以實現最優化的設計”[3]。“學生扮演工程師的角色，創建和測試1個取樣室模型，它可以用于培養深海火山口生態系統中的細菌”這一過程，反映了學生對工程設計的分解概念“形成可能的方案”的直接表現（見圖3）。

→整合跨學科概念和科學與工程實踐

跨學科概念能幫助學生更好地理解科學和工程學的核心概念、科學與工程學實踐。各個學科和年級將在各種情境中明確而頻繁地重復涉及每個跨學科概念。這些概念需要成為學生在構建問題或開發觀察、描述和解釋世界的方法時所用到的科學語言的一部分[3]。在本案例中，學生創建了能減少熱損失的取樣室模型，體現了對“系統與系統模型”這一跨學科概念的理解;而學生計算取樣室模型的熱量損失，則體現了對“能量與物質”這一跨學科概念的理解。

科學教育的主要目標之一是培養學生科學的思維習慣，發展他們參與科學探究的能力，以及教會他們如何在科學情境下推理[2]。在本案例中，通過與海洋研究所建立合作伙伴關系，創設了一個現實的問題情境，為學生自主思考、開展實踐提供了良好的機會。過程中，學生建造了熱量損失最小的取樣室，體現了“開發與使用模型”的實踐能力;學生通過數學公式計算隔熱裝置的熱量損失，體現了“運用數學和計算思維”的實踐能力;學生使用證據支持他們的論點，表明選擇一種特定材料或設計方案能減少熱傳遞，體現了“基于證據進行論證”的實踐能力。

通過以上對三個維度、預期表現和學習進程的分析，更加明晰了學生在完成該工程任務工程中的學習表現，再據此即可制訂出更合理、更符合學生學習需求的教學目標與要求。

參考文獻

[1] Lisa R.Troy. Nitzan Resnick， Stefan M. Sievert，張亞楠翻譯，工程合作伙伴[J].中國科技教育，2018 （12）.

[2]美國科學教育標準制定委員會著，葉兆寧等譯，新一代科學教育標準[M].中國科學技術出版社，2020.

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