美国科学教育中的探究与实践

　　海外见闻·走进美国教师培训

　　美国科学教育是科学、工程和技术这3个领域的科学实践，学生在接受系统的科学教育后更具创新意识和动手能力。提出问题（科学）和明确需要解决的难题（工程）；建立和使用模型；计划和实施调查研究；分析和解释数据；运用数学和计算思维；建构解释（科学）和设计解决方案（工程）；基于证据的论证和辩论；获取、评价和交流信息。这些“实践”代替了“研究”，强调了“做”与“学”无法真正地分开，更广义地体现了科学学习的特点。

　　先用毡制品、金属片等不同材质的物品学习和体验绝缘体和导热体的特点以及热传递的3种方式——辐射、对流和传导，然后学生小组合作讨论和设计小屋的形状、材质和制作步骤，最后大家动手制作小屋。制作完成后，他们要在小屋外安装台灯照射小屋，观察、测量、记录和分析冰企鹅的变化，最后小组再重新调整设计方案，选择最优化的材质和方案制作小屋。这是美国一所小学的科学课内容。

　　如今，科学是人们生活的核心组成部分之一，也是持续推进一个国家经济发展和社会进步的原动力。科学教育是促进学生思维能力的基础学科。随着科学教育标准的变化，美国的科学课程强调“探究”与“实践”并重。

　　美国科学教育标准的改革

　　早在1996年，美国就颁布了《国家科学教育标准》。然而，20多年来，世界和美国的科技发展日新月异，因此，1996年颁布的旧标准已无法适应科学发展的步伐，亟须制定新的课程标准来推进科学教育，确保科学教育紧跟时代的步伐。

　　而且，在旧版标准实施的过程中，美国科学教育中出现了探究性教学泛化和模式化倾向，致使科学教育无法在人才培养和科技创新方面发挥积极作用。在科技领域和学生科学素养方面，美国的表现乏善可陈，越来越令美国教育界和科技界的有识之士担心。他们认为，改革美国科学教育标准的必要性有4个理由：美国竞争性优势不再明显，2010年在美国本土所申请的专利中，美国人不到一半；美国高科技的出口呈现下降趋势，高科技产品的贸易持续亏损；美国基础教育阶段的学生在许多测试中不尽如人意，2012年国际学生评估测试（PISA）中，美国在65个经合组织成员国中科学排名第21名，数学第26名，阅读素养第17名，缺乏优势；科学在未来社会发展和人们就业的地位越来越重要，科学、技术、工程和数学是经济社会中创新的源泉。

　　目前，需求最多的职业就是科学和数学发挥核心作用的职业。美国职业技术生涯全国委员会的调查显示，在美国18种职业群分类中，14种职业需要4年以上系统的科学学习，还有2种职业需要3年。这表明，学生应该在学校接受充满活力的科学和数学教育。还有一个原因是今天的人类充满了生存危机，从瘟疫爆发到能源危机，人类重大问题的解决需要科学和技术的创新。与此形成鲜明对比的是，2003年美国人科学素养调查显示，只有不到1/3的大学毕业生能完成例如解释和理解体育锻炼中血压变化的数据。

　　2011年美国国家研究理事会（NRC）制定了新的科学教育纲领性指导建议，汇集了1989年到2011年的科学技术发展和科学教育研究成果及经验，制定了新的纲领性指导建议，其中以概念描述的方式明确规定了基础教育阶段所有学生应该学习的具体内容。在指导建议的框架下，2013年4月美国发布了《下一代科学教育课程标准》（以下简称《标准》），对美国和全球的未来科学教育产生了深远的影响。如今美国中小学正在全力推进和实施新标准，成为《共同核心课程标准》之后又一份重要的课程改革文件。

　　新标准注重实践价值

　　培训一开始，沙琳老师向我们介绍了科学教育课程标准的特点和变化。在综合实践的设计思路下，《标准》制定了科学教育的三大维度：科学实践、学科核心概念和跨学科共同概念。这样改变了以往科学学科知识相互独立、科学知识与科学实践互不相干的现象，而是将三者有机地融合，使得跨学科概念、科学和工程实践进入课堂，成为科学教育的主体。

　　3个维度中，科学实践处于核心地位，不是孤立存在，而是与核心概念和跨学科概念相互结合，主要体现为8个方面：提出问题（科学）和明确需要解决的难题（工程）；建立和使用模型；计划和实施调查研究；分析和解释数据；运用数学和计算思维；建构解释（科学）和设计解决方案（工程）；基于证据的论证和辩论；获取、评价和交流信息。这些“实践”代替了“研究”，强调了“做”与“学”无法真正地分开，更广义地体现了科学学习的特点。

　　而且，《标准》提出了工程领域中的科学实践，工程设计类似于科学探究，但两者仍然存在较大的区别。例如：科学探究涉及的是帮助学生理解科学知识是如何发展的，提供机会让他们掌握调查、建模和解释世界的方法，通过研究回答具体问题，而工程设计包含的是通过设计来解决的问题。工程方面的内容将帮助学生了解在日常生活中科学、技术、工程和数学方面的联系。因此科学实践是科学、工程和技术这3个领域的科学实践，使得学生在接受系统的科学教育后更具创新意识和动手能力。

　　与旧标准相比，新标准还出现了一些观念上的变化：基础教育阶段的科学教育反映出科学内在关联的本质，强调科学与工程实践、跨学科概念和学科核心概念3个维度的整合；标准的内容是学生的预期表现，而非课程内容，即希望学生在学习后达到怎样的期望和表现；科学概念的建构需要从幼儿园到十二年级连贯实施；教学不仅关注对内容深入理解，也关注对内容运用有效掌握；工程设计与科学探究同等重要，将科学、工程和科技融入新标准；科学教育为将要升入大学或就业的学生而设计，为他们的将来做好准备；科学课程标准与英语、数学通用核心内容标准相对应；保证科学与英语、数学等学科间的兼容、衔接和渗透，确保教育正向共振。

　　凸显实践的课堂教学活动

　　《标准》的核心是实践，离开了实践的科学课堂教学必然是“穿新鞋，走老路”。沙琳老师告诉我们，美国科学教育正以课程标准为导向，推进加强实践性的课堂教学，这样的课堂教学最大的特点是以学生为中心，设计以探究为基础的调查、应用、分析和评估的活动，并融入了深度学习、基于真实生活场景的实践和基于项目的学习等元素。

　　随后，约翰老师为我们播放了一堂美国八年级生物游戏课堂视频。这节课的主题是生物链中的能量流动。教师先展示了4种生物的图片：白鹭、大蝌蚪、蜗牛和海藻，在自然界的生物圈中，它们依次处于从最高级到最低级的生物链。低一级的生物是高一级的食物和能量来源。游戏前，每个学生获得一张胸卡，代表一种生物，然后从物品箱中随意取一些豌豆，一颗豌豆代表一个能量。然后他们随机和代表不同生物的同学碰头，如果遇到比自己大一级的生物，那就贡献出5颗豌豆，遇到比自己小一级的生物的话就获得5颗豌豆。

　　在游戏过程中，学生必须填写一份记录表，记录原来有多少豌豆，在碰到一次同学后，将失去或得到多少豌豆的数量完整地记录下来。如果最后哪名学生的豌豆比他原来的豌豆少了的话，那就意味着他没有能量，会失去生命。

　　这样的活动创设了虚拟的自然场景，将大自然中的生物链搬到了课堂。学生在模拟生物的关系中互动、交流，认识到生物链的意义以及能量流动对于生态系统的重要性。教师通过图表呈现了知识和概念，但这些只是媒介和手段，真正的学习途径是情景式的游戏活动，在知识驱动下，学生情景化地学习、体验和了解生态系统，进行了深度学习和体验学习，而不是教师传授和学生记忆的浅层次学习。

　　而今，还有一种以综合和实践为特点的教育模式——“STEAM教育”受到美国科学教育界的重视，成为科学教育的主流模式，这种模式是基于数学元素，融合工程和艺术的科学科技教学。这就是一种理念，它代表着一种现代的教育哲学，更注重学习的过程，而不是结果。本质上来说，是敢于让学生们犯错，让他们尝试不同的想法，让他们听到不同的观点，学习的过程是综合化和情景化解决问题的过程，并培养学生创造和动手实践能力。这也是一种教学方式。学生在建构、设计、制作、评估环节中，将数学、工程、艺术、科学和科技的学习及应用融为一体。

　　美国未来科学教育协会，物理、化学、生物和信息技术等学科教师协会为科学教育和“STEAM教育”开发了许多案例，很多教师将它们运用在课堂中，激发学生科学兴趣、培养创造能力、深度学习科学。

　　其中一个课题背景是地球的温室效应导致地球日益变暖，南极和北极的冰川融化，引起海平面上升，环境恶化。生活在地球上的人们应该为地球创造良好的环境，使地球可持续发展。学生要完成的任务用不同的材质为冰企鹅制造一个小屋，制作完工后测试冰企鹅的重量，看看怎样的设计能保持恒温。这里，冰企鹅代表的是地球，小屋则代表环境。

　　这个课题的立意是解决人类生存的重大问题，引导学生关注地球变暖的问题。在课堂教学中教师独具匠心地将环境问题转化为课堂中的问题，先通过比较和体验解决知识及概念的问题，然后付诸实践。自行设计、动手制作，实验测试和评估调整，将科学教育中的科学实践、跨学科教学和学科核心知识有机整合起来。这种注重动手的学习体验，融入了科技元素和设计思维，制作样品，不断改进，不仅让学生拥有自己的作品，也拥有创造性的学习过程，而且在制作的过程中建构起关于科学、技术、工程、艺术和数学的知识,这就是科学教育真正的价值。

　　（作者:郑钢,单位：上海市高东中学）