“科學與工程實踐”視角下美國各州科學課程標準比較研究

曾雅婷，王祖浩

（華東師范大學教育學部，上海 200062）

一、研究對象及研究方法

（一）研究對象

本研究收集了自2013—2020年間，美國50個州教育主管部門官方發布的最新的科學課程標準文本。為了便于比較研究，由此探討各類標準的特征，我們以NGSS作為參照標準，按這50個州的科學課程標準與NGSS的差異大小將其分為四種類型。其中，第一類州的科學課程標準直接使用NGSS，或只對NGSS中的內容標準進行簡化或補充描述，包括加利福尼亞州、紐約州和華盛頓州等25州。第二類州的科學課程標準以NGSS為基礎，增減少量的內容標準條目，本質上不改變NGSS的基本框架，包括科羅拉多州、馬薩諸塞州和猶他州等12州。第三類州的科學課程標準與NGSS差別較大，有的完全拋棄NGSS框架自主編寫，有的大量刪改NGSS中的內容標準，包括亞利桑那州、佐治亞州和明尼蘇達州等10州。第四類州從2013年起至今，尚未公布其最新的科學課程標準，分別為佛羅里達州、北卡羅來納州和賓夕法尼亞州。第四類州的科學課程標準并未涉及“科學與工程實踐”主題，因此本文將研究對象集中在前三種類型共47個州的科學課程標準上。

（二）研究方法

本研究主要采用內容分析法，即以各類科學課程標準文本作為研究對象，以詞頻統計、語義分析等多種手段對其進行定性和定量的描述，以達到對文本更深刻、更精確的認識，實現對文本信息數據的深度挖掘。在確定研究的各州科學課程標準后，首先檢索“科學與工程實踐”（science and engineering practice）這一關鍵詞，摘錄出相關的內容，提煉出“科學與工程實踐”的理論形態，厘清其實質內涵和功能定位。其次，根據各州對“科學與工程實踐”的要素劃分，以各要素名稱作為關鍵詞進行二次檢索，全面定位和記錄相關文本內容，并對所屬學段及內容領域進行標記和編碼。最后，對所有的編碼數據進行分類和統一量化處理，并從不同視角進行分析解讀。

二、“科學與工程實踐”的內涵比較

美國在科學教育領域首次提出“科學與工程實踐”這一全新概念，它的出現必然引發人們不同的理解和討論。各州科學課程標準對其內涵的闡述，則直接反映了美國地方教育部門對“科學與工程實踐”的解讀。

（一）對教育價值的認同

目前，已有43個州在標準文本中明確提出“科學與工程實踐”對學生科學學習、未來發展的重要性，強調新時代科學教育要以“科學與工程實踐”為中心，并將其與“學科核心觀念”（disciplinary core ideas）、“跨學科概念”（crosscutting concepts）相提并論，突出其在科學教育中的關鍵地位。

大多數州還對“科學與工程實踐”的教育價值進行了重點闡述。例如，弗吉尼亞州將“科學與工程實踐”作為實現科學素養的六大關鍵因素之一；[3]亞拉巴馬州認為“科學與工程實踐”有助于培育學生的“科學與工程素養”（scientific and engineering literacy），使學生成為具有批判思維的思考者和充滿智慧的決策者；[4]馬薩諸塞州認為“科學與工程實踐”可以為大學學習和職業發展作準備；[5]科羅拉多州逐一列舉了11條好處，詳細說明“科學與工程實踐”可以用來理解自然現象和解決諸多問題。[6]

對于各州而言，“科學與工程實踐”理念并不是泛泛而談的口號主張，45個州已在標準文本中將“科學與工程實踐”與內容標準進行了深度融合，將實踐活動與具體學習內容緊密連接，規定了學生將以“科學與工程實踐”作為科學學習的主要途徑，教師也將以“科學與工程實踐”作為科學教學的方法手段，以此幫助學生達成預期的表現期望，最終自上而下地實現美國科學教育的實踐轉型。可以看到，“科學與工程實踐”已得到美國絕大多數州的普遍重視和一致認可。

（二）基本內涵及其發展

《K-12科學教育框架》最早提出“科學與工程實踐”這一概念，但卻未明確解釋其含義。此后頒布的NGSS率先將“科學與工程實踐”一分為二進行解讀：“它一方面指的是科學家在進行研究和建構理論與模型時的主要實踐活動；另一方面是指工程師在設計和建構系統時的關鍵工程活動。”[7]NGSS認為，“科學與工程實踐”是“科學實踐”與“工程實踐”的二元復合體，是對科學家與工程師的能力和思想的整合，并映射在學生身上的教育期望。

這天是葉之容的生日，葉曉曉給他買了幾件汗衫，幾包零食，還買了一只飛利浦的電動剃須刀，網購的，也花了490元。剃須刀被摔了出來，摔破了，葉之容還嫌不解氣，一腳踏在上面，踏了個粉碎。

縱觀各州的科學課程標準，除直接使用NGSS的25個州以外，較少有對“科學與工程實踐”內涵進行詳細解析的。即便有少數州在標準文本中對其進行界定說明，其描述也與第一類州大抵相似，如猶他州、亞利桑那州和密西西比州。

特別的是，有幾個州對“科學與工程實踐”的表征與第一類州的二元活動論差異較大。如在《2015年亞拉巴馬州科學學習課程》中，“科學與工程實踐”是一個整體性的概念，“它是學生用于研究和構建模型、設計和構建系統、發展理論的一系列技術與工具”[8]。《2016年馬薩諸塞州科學和技術/工程課程框架》則認為“科學與工程實踐”是一類技能（skills）的集合，“它是讓學生分析自然現象或是設計系統，以及確定內在機理和因果關系的技能”[9]。 《蒙大拿州科學內容標準》和《田納西州科學學業標準》則將“科學與工程實踐”看作一種方法，前者視其為“發展思想、完善思想的探究方法”[10]，后者視其為“通過動手做來學習科學的方法”[11]。在上述表達中，“科學與工程實踐”的活動特性被減弱了，突出了其作為學習工具、學習方法的教育功能。同時，“科學與工程實踐”的二元性也被淡化了，顯示出“科學實踐”與“工程實踐”互相融合的整體性。

通過各州對“科學與工程實踐”的描述，其內涵得到了一定程度的拓展和延伸。“科學與工程實踐”的功能和屬性從簡單的二元活動觀到支撐學習的技術觀、工具觀、方法觀；對實踐活動的刻畫從以科學家、工程師為主體到以學生為中心，體現出美國各州對“科學與工程實踐”內涵理解的進一步深化。

三、“科學與工程實踐”的要素比較

“科學與工程實踐”是指科學課程教學實踐活動的總稱，它可以被細分為多種具體的實踐活動類目或要素。通過分析各州在科學課程標準中所劃分出的“科學與工程實踐”要素，將能從微觀層面具體挖掘出“科學與工程實踐”的特點，更深入地找尋各州共同推崇的實踐教育指向。

（一）要素的種類劃分

《K-12科學教育框架》提出“科學與工程實踐”時，就將其分為八大要素，并詳細解釋了每一要素在科學領域和工程領域中的表現形式。此后，NGSS沿襲了這八個要素，并根據每個要素的內涵對學生的表現期望進行具體闡述（見表1）[12]。

表1 NGSS中的“科學與工程實踐”要素及其表現期望

考察各州的科學課程標準，“科學與工程實踐”的要素種類與NGSS提出的并無明顯差異。比較表1可知，42個州在科學課程標準中使用了與NGSS完全相同的八大實踐要素；其余5州，部分要素名稱雖有所不同，但其內涵實質相近。如《2016年印第安納州科學學業標準》[13]中“構建與進行研究”（constructing and performing investigations）的內涵實質與“計劃與進行研究”并無根本區別；《密蘇里州科學期望學習標準》[14]和《佐治亞州卓越科學標準》[15]雖然沒有直接對“科學與工程實踐”進行要素劃分，但依據文本中的內容描述，其實踐活動仍可歸為與NGSS相同的八大要素。必須指出的是，《弗吉尼亞州公立學校科學學習標準》[16]只包含六個實踐要素，不僅未采用“使用數學與計算思維”“參與基于證據的論證”兩要素，還用“解釋、分析與評估數據”替代“分析與解釋數據”，“構建與批判結論和解釋”替代“構建解釋與設計解決方案”，突出了該州對批判性思維的關注。

通過上述比較發現，美國絕大多數州在“科學與工程實踐”的要素種類上基本達成一致意見，并最終形成了由開展研究、設計方案、數理分析、證據推理、問題解決、評價交流等多個維度構成的“科學與工程實踐”認識體系。這些要素并不是彼此割裂的，而是相輔相成的，共同構建出一個可以不斷循環迭代的科學實踐系統。各要素提煉于科學家與工程師的基本工作活動，賦予了“科學與工程實踐”的學科性和實用性，各要素的表現期望充分考慮了學生的認知特點和心理發展水平，體現了“科學與工程實踐”的基礎性。通過對“科學與工程實踐”的深度解構，并將其具體化為一系列的行為表現，增加了“科學與工程實踐”的可理解性和可操作性，為實踐導向的科學教學提供了明確的方向和指引。

（二）不同要素活動的比重

在42個州的科學課程標準中，“科學與工程實踐”各要素齊備，種類和名稱都完全相同，但這些要素活動在科學課程中所占比重卻有明顯差異，由此呈現出美國科學教育的實踐特征。在各州的標準文本中，“表現期望”部分規定了學生必須達到的能力表現，因此逐一統計三類標準中，在“表現期望”部分不同要素活動出現的頻次，再計算不同要素活動出現的次數占所有要素活動出現總次數的比例（如A要素活動比例=A要素活動次數/所有要素活動次數），結果如圖1所示。

圖1 三類科學課程標準中不同“科學與工程實踐”要素活動的占比

對于第一類州的科學課程標準，“構建解釋與設計解決方案”“開發與使用模型”兩種要素活動占比最大。第二類州的各要素活動比例與第一類州較為相似，但更為突出“計劃與進行研究”要素活動，弱化了“參與基于證據的論證”和“提出問題與確定問題”要素活動。第三類州的各要素活動比例與前兩類州差別較大，尤其體現在大幅增加了“計劃與進行研究”“獲取、評估與交流信息”這兩種要素活動的比例，以及減少了“參與基于證據的論證”要素活動的比例。

不同的“科學與工程實踐”要素活動在課程標準中出現的頻率不同，反映出美國科學教育對學生在不同方面的實踐能力有著不同的期待和要求。總體而言，這42個州的“科學與工程實踐”都將問題解決能力和科學建模能力擺在至關重要的位置，而對數學與計算思維、提出問題與確定問題這類科學學科特征不太明顯的實踐能力要求較少；第二類州和第三類州共17個州，還額外增加對學生開展科學研究、收集信息和表達交流等實踐能力的要求，說明在科學教育中培養學生研究、信息加工、溝通交流方面的能力也不容忽視。如《弗吉尼亞州公立學校科學學習標準》提出：“科學教育的目標之一是使學生擁有豐富的科學知識，使學生成為一個明智的消費者，能夠在日常生活中交流和使用科學，并參與公眾討論。”[17]由此可知，在美國科學課程中，各實踐要素活動并不是平均分配的，“科學與工程實踐”是根據本州科學教育的目標、科學學科自身的特點以及所學的具體知識內容，有所側重地進行系統設計的活動。

四、“科學與工程實踐”的進階比較

為了讓學生能夠深度參與到“科學與工程實踐”中，同時能從“科學與工程實踐”中逐步理解學科的核心觀念，建立起跨學科解決問題的思維，“科學與工程實踐”的設計需要符合學生的心理邏輯，反映出進階發展的過程，才能促進學生能力的發展。而“科學與工程實踐”活動在不同學段的分布及難度變化，可以直接體現各州對于“科學與工程實踐”的進階設計考量。

（一）學段分布比較

美國的學制主要分為四個學段：K-2年級、3-5年級、6-8年級以及9-12年級。隨著學段的提升，學生的知識和能力也在不斷地擴充與加強，因此對不同學段而言，“科學與工程實踐”活動并非是平均分布的。以本研究中的47個州的科學課程標準為對象，逐一統計課程標準中“表現期望”部分“科學與工程實踐”活動在不同學段出現的頻次，并計算三類科學課程標準中不同學段“科學與工程實踐”活動出現的平均次數及相應比例，結果如表2所示。

表2 三類科學課程標準中“科學與工程實踐”出現的平均次數及比例

如表2所示，隨著學段的升高，三類科學課程標準中“科學與工程實踐”活動比例都在顯著增加。對于第一類25個州而言，實踐活動頻次在4個學段中的增長較為均衡，即每上升一個學段，實踐活動的頻次增長5%～7%。而在第二類和第三類科學課程標準中，實踐活動頻次在前三個學段（即K-2年級、3-5年級、6-8年級）增長較緩，但在最后一學段（即9-12年級）則呈突躍之勢，其次數分別達到了全學段實踐活動總次數的40%與51%。

由于每個學段的學習時長均為3年，“科學與工程實踐”的活動次數隨著學段升高持續增多，表明學生在科學學習中參與實踐活動的機會在不斷增加，側面說明隨著年級的增長，學生將更多也更密集地通過實踐活動來學習科學課程。從另一方面看，各州在科學課程標準中安排的學習內容也是隨著學段遞增的，因此以“科學與工程實踐”作為主要學習方法或教學手段出現的次數也理應增多。

（二）進階發展比較

隨著學段的提升，“科學與工程實踐”并非只是在活動次數上發生了變化，實踐的難度、復雜性、抽象性等方面也在逐步提高。第一類25個州在附錄部分將八項實踐要素的進階進行了詳細的介紹（見表3）[18]，從而為學生實踐能力的發展提供了較為明晰和具體的指導。

除上述25個州外，《2016年馬薩諸塞州科學和技術/工程課程框架》《威斯康星州科學標準》規劃的實踐能力發展路徑也與表3相同。但遺憾的是，除上述27個州外，其余各州的科學課程標準文本對“科學與工程實踐”的進階發展軌跡較少提及。

表3 25個州“科學與工程實踐”的進階設計

盡管部分州未對“科學與工程實踐”在不同學段的發展水平予以充分闡述，但從已有文本中仍可總結出美國在科學教育中的實踐進階特點。首先，K-12階段中的“科學與工程實踐”是對科學現象或問題進行宏觀描述到定性分析，再到定量研究的發展過程。例如，對于“提出問題與確定問題”要素而言，學生最初能提出簡單的描述性問題，此后能提出涉及定性關系的問題，最后發展為能提出涉及變量關系的問題和實證問題。K-12階段中的“科學與工程實踐”是對科學概念、原理或現象進行具象表達到抽象表征的發展過程。例如，對于“開發與使用模型”要素而言，學生最初能使用模型來表達具體事件，此后能使用模型來描述、測試和預測更抽象的現象與變量之間的關系。K-12階段中的“科學與工程實踐”是對科學問題進行被動探索到自主研究的發展過程。例如，對于“計劃與進行研究”要素而言，學生最初是在教師的指導下、同伴的合作下進行研究，此后發展為能獨立地設計和進行科學研究。K-12階段中的“科學與工程實踐”是從簡單交流到批判論證的發展過程。例如，對于“獲取、評估與交流信息”要素而言，學生最初能簡單地交流新信息，此后發展為能對觀點和方法的優缺點、有效性與可靠性進行評價。

五、結語

20世紀70年代以來，科學探究被視為提高中學生科學素養水平的重要途徑和科學課堂教學的重要策略之一，但隨著科學探究在美國課堂中的實施，逐漸顯現出與當代科學教育發展不相適應的狀況。例如，科學探究至今仍未形成統一概念，教師對科學探究的理解狹義化，往往關注操作性的內容，忽視思維的本質；科學探究實施按固有的程序進行，難以呈現真實科學技術現象的復雜性；科學探究未能及時跟進現代技術應用潮流，無法揭示技術發展對學生能力的影響；科學探究并未在實踐層面上對學生提出明確要求，較少提及技術和工程領域的思想方法，以及證據推理等高階思維能力的培養。為走出科學探究教學的困境，美國使用“科學與工程實踐”取而代之。這種變革強調“學習”與“實踐”的緊密結合，包含的內容更為廣泛，除傳統意義上的科學探究之外，將工程領域的實踐活動納入科學教育，涉及計算思維、建模、論證等新的能力要素，充分體現時代發展對學生科學能力發展的新要求，并通過對多種實踐活動要素的闡明，使科學教育中的實踐活動目標更加明確，任務更加具體，能力的指向也更有針對性。

通過對美國50個州的科學課程標準進行比較研究，我們發現，“科學與工程實踐”這一概念一經提出，便掀起了美國科學教育的重大變革。如今，43個州已對“科學與工程實踐”的教育價值達成基本共識。對于“科學與工程實踐”這一全新概念，各州也有不同的解讀，有遵循大流的二元活動觀，也有技術觀、工具觀、方法觀等方面的獨特理解，體現著各州對“科學與工程實踐”內涵的發展和深化。在對“科學與工程實踐”的要素解構上，42個州采用了完全相同的八大要素，以此構建了以科學思維、溝通合作、問題解決為核心的學生能力培養框架。盡管各要素都不可或缺，但各要素所對應的活動在科學課程中的比例卻有所不同。25個州形成了以“構建解釋與設計解決方案”“開發與使用模型”為主的實踐活動體系，其余17個州還突出了“計劃與進行研究”“獲取、評估與交流信息”要素活動，弱化了“參與基于證據的論證”“提出問題與確定問題”要素活動，體現了各州對學生不同維度的實踐能力有著不同層面的要求。各州還對“科學與工程實踐”進行進階設計，使學生隨著學段的增長，參與實踐活動的次數和難度也能持續、穩定地增加，逐步實現學生從宏觀分析到定量研究、從具象表達到抽象表征、從被動探索到自主研究實踐能力的發展。

在科學課堂中，“重理論輕實踐”“理論脫離實踐”等諸多問題仍然屢見不鮮。要讓實踐活動在科學課堂中得以真正落實，應從以下幾個方面入手。首先，應從課程標準的上位層面對實踐活動予以功能定位，闡明實踐活動的重要性，使教學工作者理解其意義。其次，實踐活動不應是泛泛而談、模糊不清的抽象概念，更不是一個包含所有活動的大籮筐，課程標準要對能提升學生實踐能力的關鍵實踐活動進行細化和歸類，建立起實踐能力的培養框架，才能幫助一線教育工作者理解和操作。最后，實踐能力的發展是一個循序漸進的過程，學生需要不斷參與實踐活動才能得以養成。因此，課程標準要對每一學段的實踐活動進行編排設計，充分考慮到課程內容、學生的認知和心理發展水平，乃至當代社會的現實需求，從而建立起學生實踐能力的系統培養路徑。