國外地球科學教育發(fā)展趨勢研究

國土資源部咨詢研究中心(100035） 樊笑英

北京師范大學地理學與遙感科學學院（100875） 王 民

一、地球科學的發(fā)展趨勢

科學的發(fā)展是以“綜合—分化—綜合”的形式不斷發(fā)展。產(chǎn)業(yè)革命以前，科學以綜合的形式存在。之后出現(xiàn)了哲學、社會科學和自然科學三分趨勢。地球科學是從自然科學中分化出來的一門基礎學科。傳統(tǒng)地球科學以學科分化研究為主，主要分為兩大主干學科，即地理學與地質(zhì)學。地理學研究的對象是地球表層空間系統(tǒng)，包括人類活動和地理環(huán)境兩大部分，其核心是人地關系地域系統(tǒng)。地質(zhì)學主要是以固體地球為研究對象，研究地球內(nèi)部物質(zhì)組成及結構、地殼運動及其所產(chǎn)生的各種構造變動和發(fā)展規(guī)律、地殼的發(fā)展歷史及生物演化規(guī)律，以及地質(zhì)學在生產(chǎn)實踐方面的應用等。隨著科學技術的進步和社會發(fā)展的需要，傳統(tǒng)的地球科學各分支學科發(fā)展日趨成熟，各自分化出一系列獨立的學科知識體系。

20世紀后半葉，全球變化趨勢愈加明顯，面對全球性的資源、環(huán)境與發(fā)展問題，地球科學的各分支學科已經(jīng)不足以獨立完成對整體的人類與地球關系的揭示及預測全球變化的趨勢，因而需要各學科間的交叉與綜合，需要科際間的聯(lián)系。20世紀80年代中期，科學家們普遍認識到必須把地球作為一個由相互作用著的各個組元或子系統(tǒng)組成的統(tǒng)一系統(tǒng)，即地球系統(tǒng)來研究。美國國家航空與宇航管理局(NASA)顧問理事會于1983年成立“地球系統(tǒng)科學委員會(Earth system Science Committee)”，在主席Brether-ton博士的領導下，集中了一大批國際知名科學家，詳細評述了地學、生物學的現(xiàn)狀及存在問題，并于1987年出版了《地球系統(tǒng)科學》報告，提出了“地球系統(tǒng)科學”（ESS）的概念，即把地球看成一個由地核、地幔、巖石圈、大氣圈、水圈、生物圈等各子系統(tǒng)相互作用而組成的一個統(tǒng)一體。地球系統(tǒng)科學是以系統(tǒng)方法來研究地球各組成部分之間相互作用，以解釋地球的動力學、地球的演化、人地關系和全球變化。其目標是了解整個地球系統(tǒng)的過去、現(xiàn)今及未來的行為[1]。該報告已由陳泮勤等翻譯，于1992年出版。另外，由w．A．Nierenberg主編了長達1800多頁的《地球系統(tǒng)科學百科全書》，已于1992年在國內(nèi)出版。

二、加強地球科學教育的時代意義

我們的生活每天被環(huán)境污染、氣候變化、水資源短缺、土地退化等全球性環(huán)境問題所困擾，保護環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展從沒有像今天這樣引起全世界的關注。從科學角度看，這些問題實質(zhì)是組成地球系統(tǒng)的巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈和人類圈之間相互作用、相互影響產(chǎn)生的。處理好人與自然的關系，首先要認識自己生存的地球，認識地球系統(tǒng)發(fā)展變化的規(guī)律，找到人與自然和諧相處的途徑，社會的發(fā)展才能持續(xù)，這正是地球科學研究的對象。

長期以來，由于人們對地球科學作用的認識不足，地球科學始終處于曲高和寡的境地，對自然世界奧秘探索的科學成果也多停留在高等教育和高層次的學術領域，在基礎教育階段一直處于不受重視的地位?？茖W教育對地球科學的忽視，直接的結果是使得我們的政治家、經(jīng)濟學家、企業(yè)管理人員、公民等都沒有機會在學校教育階段接受合適的、充分的地球科學教育，這種知識的缺乏應該對過去出現(xiàn)的人類與環(huán)境矛盾的激化負有責任。如果這種狀況繼續(xù)，那么對現(xiàn)在和將來在決定有關技術發(fā)展、資源利用、環(huán)境質(zhì)量等方面的國家政策時將會有很大的負面作用。地球科學教育最重要的作用在于首先讓我們知道世界是什么和世界是怎樣運行的，可以讓我們正確認識人在宇宙中的地位、消除人類中心的錯誤觀念而形成正確的人地協(xié)調(diào)共生的觀念，當我們的領導者和公民需要應用諸如物理的、化學的和生物的科學成果時，地球科學能夠提供獨特的視角和知識幫助他們做出明智的、符合環(huán)境、經(jīng)濟和社會發(fā)展規(guī)律的決定。公民需要了解地球系統(tǒng)，能夠在參與資源利用、避免自然災害、環(huán)境保護、社會持續(xù)發(fā)展等公共事物方面做出負責任的決策。

近年，在全球變化、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略背景下，地球科學因其在解決人地關系問題上的獨特作用，已經(jīng)成為當前社會可持續(xù)發(fā)展的理論基礎[2]，地球科學素養(yǎng)應是公民科學素養(yǎng)的重要組成部分。因而世界范圍內(nèi)要求加強基礎教育階段學生地球科學教育的呼聲也越來越高。在世界新一輪的基礎教育科學課程改革中，地球科學已經(jīng)成為科學教育重要的內(nèi)容之一。中國科學院地學部由院士們組成的咨詢研究組，在深入調(diào)查和研究的基礎上，形成了“關于落實科學發(fā)展觀，加強全社會地球科學素養(yǎng)的建議”咨詢報告，明確提出要加強青少年地球科學素養(yǎng)教育[2]。

三、基礎教育中地球科學教育的歷史與現(xiàn)狀

（一） 地球科學教育的歷史

學校科學課程的發(fā)展已有100多年的歷史，20世紀60年代以前，科學課程多是以分科的形式設置，地球科學內(nèi)容多數(shù)體現(xiàn)在地理課程中。但是通過課程比較可以明顯發(fā)現(xiàn)，相對于物理、化學、生物學科來說，地球科學內(nèi)容在科學課程中的比重明顯偏低[3]。20世紀60年代之后，隨著科學發(fā)展的多元化和由分化走向綜合的趨向，學校也出現(xiàn)了綜合科學課程的形式，但早期開設的綜合科學課程中只有物理、化學、生物三門學科而很少有地球科學內(nèi)容，通常只在各學科的相關內(nèi)容中涉及部分有關宇宙構成、太陽系、地球物質(zhì)組成的知識。地球科學不受重視的狀況可以從20世紀70~80年代兩項國際教育評價的內(nèi)容中得到驗證。兩項研究都是由“國際教育成就評價協(xié)會”（International Association for Assessment of Educational Achievement）組織的。第一項在1973年完成，另一項研究是在1983~84年，都沒有對地球知識進行評價，因為研究組織者查明世界各地學校的地球科學教學不足，無益于測量。在1973年的研究報告中，作者是這樣陳述的：

“可能各國間最顯著的差異在地球科學領域……在高中調(diào)查人群里只有比利時、芬蘭和日本地球科學有所提及（Comber, & Keeves,1973,PP25~26）?！?/p>

由于這個原因，高中組的測試中地球科學條目被撤去。

在1983~84的研究中，狀況有所改變，有些地球科學領域的內(nèi)容被加進來，但也只是在初中階段的測試中體現(xiàn)，57個科學內(nèi)容領域中地球科學只占6個，在高中組測試中仍然沒有。這是因為“當檢查這些領域內(nèi)容在不同國家科學課程中的情況時，發(fā)現(xiàn)它們僅僅是在很少數(shù)的國家受到重視加入到科學課程中。并沒有足夠多的國家在課程中有這些內(nèi)容以保證能在1983~84測試項目中體現(xiàn)”(IAEA,1988，pp,18-20)

這兩項評價都是在對世界各國科學教育進行總體調(diào)查之后進行的，具有足夠的權威反映出在20世紀90年代之前，世界范圍內(nèi)地球科學教育的地位偏低。

(二) 新一輪科學課程改革中地球科學地位的轉(zhuǎn)變

1． 地理課程的地位提高

早期的科學教育主要是分科形式進行的，地球科學教育是通過地理課程來完成，但是長期以來地理課程不受重視，而且人們對地理的認識往往停留在地名加物產(chǎn)的誤解上，并且多數(shù)國家將地理劃歸社會學科。

美國在60年代后期，針對地理不受重視、學生地理知識缺失的問題，在美國地理學會、全美地理教育委員會的協(xié)助下，組成了地理教育委員會，由各級教師、專家、心理學家組成“中學地理設計”小組（HSGP），制定以問題為中心的教學大綱。80年代以后，來自聯(lián)邦政府、商界和州政府等對“地理盲”問題關注的呼聲越來越高，引起美國政府對地理學重要性的重新認識。美國在近年的有關教學改革的一系列政策陳述與立法提案中，把地理學定為學校核心課程，和自然科學與數(shù)學同等重要。并于2001年出臺了《生活中的地理》課程標準。

同樣，20世紀70年代以來，英國地理協(xié)會、英國皇家地理學會、大不列顛地理學家研究會等地理學術團體以及地理學家、教師等積極倡導加強地理教育，也力爭使地理課程成為中小學生必須學習的課程，最終促成英國在1988年的教育改革法中，將地理課程定為三門核心課程之外的七門基礎課程之一。

為促進地理教育，國際地理聯(lián)合會于1992年出臺了地理教育國際憲章，對地理教育的內(nèi)容進行了詳細的規(guī)定，地理課程地位的提高，使得地球科學教育內(nèi)容得到了一定程度的落實。

表1 地理教育國際憲章中地理教育的內(nèi)容

人文系統(tǒng)：農(nóng)業(yè)系統(tǒng)、工業(yè)和服務系統(tǒng)、聚落系統(tǒng)、運輸和貿(mào)易系統(tǒng)、社會系統(tǒng)；

生態(tài)系統(tǒng)：當代對持續(xù)發(fā)展的關注，可以通過學習生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)人文系統(tǒng)和自然系統(tǒng)的綜合進行探索。

2．綜合科學課程中地球科學教育內(nèi)容

20世紀60年代以來，科學教育目標從培養(yǎng)科學家轉(zhuǎn)向提高公眾科學素養(yǎng)的方向發(fā)展，80年代以后科學課程更是成為各國核心課程之一。但是傳統(tǒng)上綜合科學課程內(nèi)容中主要包括物理、化學和生物三門學科，地球科學內(nèi)容只在各學科相關內(nèi)容中有所涉及，比重極低。

美國的地球科學團體在推進地球科學教育方面做過很多努力，但在80年代之前境況并沒有明顯改觀。1984年美國2061計劃提出面向全體美國人的科學教育理念，重新建構科學課程。當發(fā)現(xiàn)很有可能在課程重建時再次忽視地球科學時，美國的地球科學家和教育家們于1988年4月在華盛頓組織了一次討論會，40多名科學家和教育家，經(jīng)過了5天多的討論，提出了他們認為公民應知道的地球科學內(nèi)容，建立了由四項目標和十個概念構成的初步的框架。1990年春，國家科學基金會教師促進計劃授權俄亥俄大學籌備地球系統(tǒng)教育領導小組領導地球系統(tǒng)教育項目(the Program for Leadership in Earth System Education(PLESE))。該項目的主要目標是將更多地球系統(tǒng)的最新認識內(nèi)容注入國家K-12科學課程。1990年5月再次在俄亥俄大學召開會議，結合2061計劃中地球科學的概念和1988年的研討會內(nèi)容,開發(fā)了“地球系統(tǒng)教育框架”，由七部分理解構成[4](見表2)，這一框架為PLESE小組構建地球領域的課程和選擇現(xiàn)有的材料來實施課程提供了指導。

表2 地球系統(tǒng)教育框架

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在地球科學家們的共同努力下，1995年頒布的美國《國家科學教育標準》中，各學科領域的學習主題數(shù)量相差不多：物質(zhì)科學領域11個，生命科學領域14個，地球與空間科學有10個。另外在“從個人和社會視角所見的科學”主題中，資源類型、自然災害等8個主題也涉及到地球科學，足見已經(jīng)將地球與空間科學放在了與生物、物理、化學同等重要的地位[5]，并且將地球科學發(fā)展的最新趨勢——地球系統(tǒng)科學的理念融入內(nèi)容的組織和設計中（見表3）。

表3 美國科學教育標準中地球科學內(nèi)容的設計（1995）[6]

20世紀90年代以來，世界上許多國家也都進行了大規(guī)模的科學課程改革，科學課程中都加強了地球科學內(nèi)容。

（三） 國際科學素養(yǎng)評價項目中地球科學的地位

20世紀70~80年代的國際教育評價反映了地球科學教育不受重視的歷史，但是今天可以幸運地看到國際教育評價項目中地球科學的地位已經(jīng)明顯提高了。由世界經(jīng)合組織（OECD）發(fā)起的國際學生評價項目（The Program for International Student Assessment，簡稱PISA），是一項對15歲在校生的國際性學生學習質(zhì)量比較研究項目，主要評價學生的閱讀素養(yǎng)、數(shù)學素養(yǎng)和科學素養(yǎng)?？茖W素養(yǎng)中的科學知識包括了四個部分：物理系統(tǒng)、生命系統(tǒng)、地球與空間系統(tǒng)和基于科學的技術系統(tǒng)?！暗厍蚺c空間科學”已成為21世紀學生科學素養(yǎng)構成的重要組成部分（見表4）。PISA2006側重科學素養(yǎng)測試，103道題目中有20多道涉及地球與空間科學內(nèi)容。

表4 PISA2006科學素養(yǎng)評價中科學知識的類別[7]

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四、基礎教育中地球科學教育的發(fā)展趨勢

由上面的分析中我們可以看出，當前在基礎教育領域地球科學教育的發(fā)展特點與趨勢：

(一) 地球科學教育成為基礎教育階段科學教育的重要任務

從科學課程的設置和國際教育評價內(nèi)容的變化都反映出基礎教育中的地球科學教育在經(jīng)歷了長期的低谷之后，終于在20世紀90年代得到振興，地球科學教育已成為21世紀科學素養(yǎng)教育的重要組成部分。

（二）地球科學課程形式多樣——分科與綜合、必修與選修并存

地球科學課程在學校以多種形式存在，有傳統(tǒng)的分科課程形式，也有新興的綜合科學課程，有必修也有選修。如日本、英國獨立開設的地質(zhì)學、地球科學課程等，瑞典高中的環(huán)境課程和科學課程。我國義務階段開設綜合科學課，高中地理必修和選修并存。既保證了所有學生基本地球科學素養(yǎng)，也滿足部分學生對地球科學的興趣和需要，為高校傳送高質(zhì)量的地球科學研究后備人才奠定基礎。

（三）地球科學教育內(nèi)容的組織反映地球科學發(fā)展最新趨勢

地球系統(tǒng)科學用系統(tǒng)論的方法，空間上把地球作為宇宙中太陽系中的一個子系統(tǒng)來認識，將行星地球視為由地核、地幔、巖石圈、大氣圈、水圈、生物圈等各子系統(tǒng)相互作用而組成的統(tǒng)一的系統(tǒng)，并從不同時間尺度對地球的發(fā)展變化進行研究。美、加等國科學課程以及最新國際科學素養(yǎng)測試中地球科學內(nèi)容的組織都體現(xiàn)了地球系統(tǒng)科學的思想和方法，從地球系統(tǒng)的結構、組成、能量等主題入手，通過對地球系統(tǒng)演化歷史的學習，幫助學生建立整體的、宏觀的時空概念，形成獨特的地球科學思維方式，有助于學生在未來社會經(jīng)濟生活中做出明智的決策。

（四）地球科學家參與科學課程的設計和實施

英美等國的地球科學團體和地球科學家在推進地球科學教育方面發(fā)揮了重要作用。他們不僅促進了地球科學進入科學課程這樣的歷史性轉(zhuǎn)變，也為教學內(nèi)容的組織和教學材料的選擇和教師培訓開展了大量工作。如美國國家航空航天局（NASA）已在進行的8~12年級地球科學教育項目，通過開發(fā)各種學術水平的活動對教師進行培訓，而且?guī)椭鷮W校配備所需的儀器和設備來適應課程的變化。美國國家地質(zhì)調(diào)查局還成立了學習網(wǎng)站，http://www.usgs.gov/education/,網(wǎng)站上綜合了生物學、地質(zhì)學、水文學、地理學等學科的材料，以幫助教師和學生理解地球是怎么變化的。地球科學家的參與可以保證最新的地球科學研究成果能夠在課程中體現(xiàn)并通過培訓教師使教學得到落實。

五、我國科學課程中的地球科學教育現(xiàn)狀與問題

我國地球科學教育發(fā)展軌跡大體上與國際趨勢相同，但起步較晚。傳統(tǒng)上，義務教育階段的地球科學教育主要滲透在小學的自然和初中的區(qū)域地理課程中，高中系統(tǒng)地理中自然地理部分主要是地球及宇宙環(huán)境的內(nèi)容。但是地理課程在學校不受重視的狀況一直持續(xù)到90年代中期。新世紀課程改革，高中地理課程結構發(fā)生了重大變化，由必修和選修兩部分構成，必修一的自然地理和選修的宇宙與地球、海洋地理、災害地理、環(huán)境保護等都屬于地球科學領域的內(nèi)容。義務教育階段在小學3~6年級和7~9年級分別開設綜合科學課程，小學科學課程以綜合的主題形式進行，7~9年級科學課程則包括五大學習領域：科學探究(過程、方法與能力) ；生命科學；物質(zhì)科學；地球、宇宙與空間科學；科學、技術與社會的關系。其中“地球、宇宙和空間科學”的比重與生物科學、物質(zhì)科學基本相同。

從課程設置來看，目前我國地球科學教育分了三個階段，在內(nèi)容上自成體系，初中科學與高中地理中地球科學內(nèi)容缺乏協(xié)調(diào)，內(nèi)容重復但學習要求缺少遞進性與連貫性。而且目前我國綜合科學課程和選修課開課的范圍都很有限，課程設計中雖然樹立了地球科學的地位，但是真正在課程實施中落實還存在問題。

加強地球科學素養(yǎng)教育是全球變化、可持續(xù)發(fā)展背景下的需要，我們需要構建小學、初中、高中一體化的地球科學教育內(nèi)容體系，將地球科學知識根據(jù)學生認知水平轉(zhuǎn)化不同階段的學習內(nèi)容，并且需要對教師進行專業(yè)知識和技能的培訓。目前我國在課程標準的制定方面已經(jīng)有大量地球科學家參與進來，但是在課程的實施、教學資源的開發(fā)與教師培訓方面，科學團體和科學家還參與的比較少。科學教育是一項系統(tǒng)工程，需要科學家、教育家以及政府、社會的共同支持和努力。

[1]美國國家航空和宇航管理局地球系統(tǒng)科學委員會編，地球系統(tǒng)科學[M]，北京：地震出版社，1992

[2]中國科學院學部“落實科學發(fā)展觀，加強全社會地球科學素養(yǎng)”咨詢組，關于落實科學發(fā)展觀加強全社會地球科學素養(yǎng)的建議，中國科學院院刊, 2004年,l9卷,第5期,328-329

[3][5]Dorothy L. Stout, The Earth in Technological Balance, Computers & Geosciences[J],1998,Vol.24, No.7, 623-625

[4]Mayer, Victor J Earth-Systems Science The Science Teacher, Jan 1991,Vol.58, No.1,101-105

[6]National Research Council ,The National Science Standards[S], National Research Council, Washington,D.C.1995

[7]OECD. Assessing Scientific, Reading and Mathematical Literacy: A Framework for PISA 2006[M].Paris: OECD，2006