史永悅 杜 欣 蘇玉成
(中央民族大學(xué)理學(xué)院,北京 100081)
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外國(guó)教育
從科學(xué)與工程教育看美國(guó)新科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)
史永悅1杜欣2蘇玉成2
(中央民族大學(xué)理學(xué)院,北京 100081)
[摘要]美國(guó)《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》將科學(xué)與工程學(xué)實(shí)踐、學(xué)科核心概念和跨學(xué)科共同概念進(jìn)行了有效整合,組成了由學(xué)習(xí)進(jìn)階貫穿始終的三維框架體系。從科學(xué)與工程學(xué)實(shí)踐的角度來看新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施,使我們看到了美國(guó)科學(xué)教育的轉(zhuǎn)變。其中最大的改變是提升了對(duì)于工程學(xué)概念的理解,將工程設(shè)計(jì)與科學(xué)探究放在同等重要的位置,通過工程設(shè)計(jì)與技術(shù)應(yīng)用來強(qiáng)調(diào)核心概念的學(xué)習(xí)。其設(shè)計(jì)理念為我國(guó)理科實(shí)踐類課程的開展提供了重要啟示:凸顯物理學(xué)科核心概念;加強(qiáng)跨學(xué)科概念間的聯(lián)系;滲透科學(xué)與工程學(xué)實(shí)踐。
[關(guān)鍵詞]科學(xué)教育;新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn);科學(xué)與工程學(xué)實(shí)踐;美國(guó)
2013年4月9日頒布了美國(guó)《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》(Next Generation Science Standards,以下簡(jiǎn)稱《新標(biāo)準(zhǔn)》)。新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn),將科學(xué)與工程學(xué)實(shí)踐納入其中,與學(xué)科核心概念和跨學(xué)科共同概念進(jìn)行有效整合,形成了三維框架體系??茖W(xué)與工程學(xué)實(shí)踐成為三維中的“一維”,前所未有地突出了“實(shí)踐”,尤其是工程實(shí)踐在K-12教育中的重要地位。使得學(xué)生在現(xiàn)代信息技術(shù)社會(huì)中,能夠更好地應(yīng)對(duì)當(dāng)前和未來的挑戰(zhàn)。
一、《新標(biāo)準(zhǔn)》制定的背景分析與基本理念
1.科學(xué)教育本質(zhì)觀的轉(zhuǎn)變
1996 年,美國(guó)發(fā)布了第一套《國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》(National Science Education Standards, NSES,以下簡(jiǎn)稱《科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》)。在實(shí)施17年后,頒布了《新標(biāo)準(zhǔn)》。隨著科技的發(fā)展和教育科學(xué)的不斷完善,人們對(duì)于科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)精神和科學(xué)素養(yǎng)有了新的認(rèn)識(shí)。強(qiáng)調(diào)科學(xué)活動(dòng)既是動(dòng)腦的思維活動(dòng),也是動(dòng)手的操作活動(dòng)??茖W(xué)實(shí)踐包含了科學(xué)探究的全部?jī)?nèi)容,強(qiáng)調(diào)了動(dòng)手實(shí)踐的重要意義。如何在信息大爆炸的時(shí)代背景下給予學(xué)生必要的科學(xué)與工程學(xué)知識(shí),使他們更好地面對(duì)生活和未來職業(yè)成為美國(guó)科學(xué)教育面臨的問題?!缎聵?biāo)準(zhǔn)》的制定是基于美國(guó)基礎(chǔ)教育階段科學(xué)教育的現(xiàn)狀,如在國(guó)際評(píng)價(jià)測(cè)試(PISA國(guó)際評(píng)估項(xiàng)目)中的表現(xiàn)較差,中小學(xué)課程內(nèi)容過于寬泛、結(jié)構(gòu)松散、內(nèi)容不夠聚焦和連貫,忽視了學(xué)生參與實(shí)踐的重要性等。而且當(dāng)前美國(guó)學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)和實(shí)踐技能跟不上時(shí)代的需要,畢業(yè)后從事科學(xué)工程領(lǐng)域工作的學(xué)生比例過低,難以滿足國(guó)家對(duì)科技人才的需求。加之美國(guó)聯(lián)邦政府越來越重視科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育(STEM)。
正是在這樣的背景下,美國(guó)于2010年初開始了新一輪科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)的研制工作,2011年7月頒布了《K-12年級(jí)科學(xué)教育的框架:實(shí)踐、交叉概念以及核心觀念》(以下簡(jiǎn)稱《框架》)。從《框架》到《新標(biāo)準(zhǔn)》的制定一共經(jīng)歷了兩次修訂。2012年5月11日至2012年6月1日,2013年1月8日至2013年1月29日,《新標(biāo)準(zhǔn)》的草案發(fā)布到網(wǎng)上公開征求社會(huì)大眾的意見。每一份草案都獲得了超過10 000人次的評(píng)論和建議,包括一些學(xué)校和學(xué)區(qū)的討論組、科學(xué)社會(huì)團(tuán)體和各個(gè)州的審閱小組。[1]
2.科學(xué)與工程實(shí)踐整合學(xué)科知識(shí)
《框架》[2]最基本的理念在于使學(xué)生經(jīng)過K-12科學(xué)學(xué)習(xí)后,能夠積極參與到科學(xué)和工程實(shí)踐中,能夠運(yùn)用跨學(xué)科的概念來加深對(duì)科學(xué)和工程領(lǐng)域核心概念的理解。通過科學(xué)與工程實(shí)踐對(duì)各學(xué)科的知識(shí)與能力兩方面進(jìn)行整合,使得學(xué)生具備更加豐富的科學(xué)知識(shí)和適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)的能力?!缎聵?biāo)準(zhǔn)》的設(shè)計(jì)基于《框架》的六個(gè)基本原則[2]:(1)孩子是天生的研究者;(2)學(xué)生對(duì)科學(xué)的理解是持續(xù)發(fā)展的;(3)聯(lián)系學(xué)生的興趣和經(jīng)驗(yàn);(4)促進(jìn)公平;(5)聚焦于核心概念和實(shí)踐;(6)科學(xué)和工程既需要知識(shí)也需要實(shí)踐。在這些基本原則的指導(dǎo)下,《新標(biāo)準(zhǔn)》的設(shè)計(jì)理念也從如下7個(gè)方面發(fā)生了重大的轉(zhuǎn)變:K-12科學(xué)教育應(yīng)該體現(xiàn)出科學(xué)本質(zhì)的相互貫通及在現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn);下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)是學(xué)生的表現(xiàn)期望而不是課程;科學(xué)概念的建立在K-12教育各階段是一致的;聚焦更深層次內(nèi)容的理解和應(yīng)用;科學(xué)和工程都被整合進(jìn)入下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)中,從幼兒園貫穿到12年級(jí);為學(xué)生更好地進(jìn)入大學(xué)深造、未來職業(yè)發(fā)展和成為公民做準(zhǔn)備;與《共同核心州立標(biāo)準(zhǔn)》英語(yǔ)語(yǔ)言藝術(shù)和數(shù)學(xué)相聯(lián)系。[1]這都體現(xiàn)了美國(guó)新的人才培養(yǎng)戰(zhàn)略觀。
二、《新標(biāo)準(zhǔn)》的框架體系與示例
《新標(biāo)準(zhǔn)》提出了由科學(xué)與工程實(shí)踐、學(xué)科核心概念和跨學(xué)科共同概念三維整合的框架體系。每一個(gè)維度都列出了6~7個(gè)重要的概念和內(nèi)涵?!缎聵?biāo)準(zhǔn)》包括物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與空間科學(xué)及工程技術(shù)與科學(xué)應(yīng)用四大學(xué)科領(lǐng)域。涉及物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域共列出了4個(gè)學(xué)科核心概念,如表1所示。三維目標(biāo)的核心是學(xué)科核心概念,通過科學(xué)與工程實(shí)踐的縱向深入,不斷地加深學(xué)生對(duì)于科學(xué)知識(shí)的理解。通過跨學(xué)科共同概念的橫向聯(lián)系,加強(qiáng)各學(xué)科知識(shí)間的交叉滲透,并反復(fù)強(qiáng)化建立有效聯(lián)系,加深學(xué)生對(duì)于學(xué)科核心概念的理解從而幫助學(xué)生形成對(duì)科學(xué)的更廣泛、更靈活、更連貫的理解,為日后學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。
表1 《新標(biāo)準(zhǔn)》的主題框架和三個(gè)維度
標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容呈現(xiàn)由三個(gè)部分構(gòu)成:表現(xiàn)期望、基礎(chǔ)框、聯(lián)系框。“表現(xiàn)期望”呈現(xiàn)的是理解該部分的內(nèi)容所應(yīng)達(dá)到的期望,包括闡釋性陳述及評(píng)價(jià)界限;“基礎(chǔ)框”是組成表現(xiàn)期望的基礎(chǔ),回答了每一表現(xiàn)期望應(yīng)該如何達(dá)到的問題,包括三個(gè)方面:科學(xué)和工程實(shí)踐、學(xué)科核心概念、跨學(xué)科概念。底端的聯(lián)系框會(huì)展示每一表現(xiàn)期望與同一年級(jí)的其他學(xué)科核心概念、不同年級(jí)對(duì)應(yīng)學(xué)科核心概念及《共同核心州立標(biāo)準(zhǔn)》英語(yǔ)語(yǔ)言藝術(shù)和數(shù)學(xué)的聯(lián)系。標(biāo)準(zhǔn)中每一學(xué)科的主體部分都圍繞著對(duì)應(yīng)的核心概念,對(duì)學(xué)生的表現(xiàn)期望,構(gòu)成表現(xiàn)期望所對(duì)應(yīng)的科學(xué)和工程實(shí)踐、學(xué)科核心概念及學(xué)科共同概念、不同年級(jí)各相應(yīng)學(xué)科的核心概念都進(jìn)行了詳細(xì)描述。
以物質(zhì)科學(xué)為例說明,4個(gè)核心概念(物質(zhì)和相互作用;力和穩(wěn)定性;能量;波及其在信息技術(shù)中的應(yīng)用)的呈現(xiàn)方式相同,都是以問題的形式引入。首先展示相應(yīng)核心概念所能解釋的自然現(xiàn)象,再對(duì)核心概念進(jìn)行描述,并進(jìn)一步呈現(xiàn)這一核心概念所包含的子概念。每個(gè)子概念同樣是以問題的形式引入,再進(jìn)行詳細(xì)描述,并按照概念由淺入深逐步構(gòu)建這一認(rèn)知發(fā)展特征。[3]這樣學(xué)習(xí)進(jìn)階螺旋式的課程符合學(xué)生的學(xué)習(xí)路徑,通過前后知識(shí)間的聯(lián)系,建立循環(huán)往復(fù)的知識(shí)循環(huán)并不斷升華。
《新標(biāo)準(zhǔn)》在每一學(xué)段的開篇部分都對(duì)學(xué)生的表現(xiàn)性期望進(jìn)行總體概括。分別陳述了學(xué)生在2年級(jí)、5年級(jí)、8年級(jí)、12年級(jí)結(jié)束時(shí)關(guān)于該子概念需要達(dá)到的學(xué)段目標(biāo)(即需要達(dá)到的理解程度)。不同年級(jí)所涉及的同一概念“表現(xiàn)期望”是不同的,隨著年級(jí)上升逐級(jí)深入和逐級(jí)發(fā)展,表現(xiàn)為概念的進(jìn)階發(fā)展。例如初中物質(zhì)科學(xué)部分對(duì)于核心概念運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)定(力和相互作用)的表現(xiàn)性期待的總體概述[4],如表2所示。
表2 初中物質(zhì)科學(xué)部分PS2表現(xiàn)性期待總體概述
三、《新標(biāo)準(zhǔn)》中的科學(xué)與工程實(shí)踐
如表1所示的維度一列出了科學(xué)與工程實(shí)踐的8個(gè)方面的概念或內(nèi)容。三維整合的框架體系通過對(duì)科學(xué)的核心概念的深入掌握、跨學(xué)科共通概念的橫向鉚接,使學(xué)生在實(shí)踐層面上對(duì)科學(xué)的思想、方法、知識(shí)加以應(yīng)用,最終在科學(xué)與工程實(shí)踐的操作中變得更加?jì)故旌透挥袆?chuàng)造力。讓學(xué)生積極參與實(shí)踐和討論,更加強(qiáng)調(diào)動(dòng)手實(shí)踐的探究而不是拘泥于經(jīng)過加工后的科學(xué)問題。將科學(xué)與工程實(shí)踐的內(nèi)容整合進(jìn)入K-12教育的課堂,將更有益于學(xué)生的學(xué)習(xí)。研究者們認(rèn)為工程學(xué)思維的形成是21世紀(jì)學(xué)生應(yīng)該掌握的一項(xiàng)技能;工程學(xué)教育有潛力增加學(xué)生在數(shù)學(xué)與科學(xué)上的成就;工程學(xué)內(nèi)容會(huì)潛在地增加學(xué)生對(duì)于STEM(科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué))學(xué)科和未來職業(yè)方面的興趣。而工程實(shí)踐的核心是以思考解決問題為目的,這與學(xué)習(xí)科學(xué)的理論之一PBL(Problem-Based Learning,基于問題學(xué)習(xí))是十分切合的,通過良好的課程設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)探究將有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力并促進(jìn)知識(shí)的理解與學(xué)習(xí)。
工程學(xué)的思想中包括了工程設(shè)計(jì)的過程、工程的思維習(xí)慣,包括系統(tǒng)的思考、創(chuàng)造力、樂觀、合作、交流和注意道德方面的考慮。工程學(xué)概念整合進(jìn)入科學(xué)課程,幫助學(xué)生更好地適應(yīng)各學(xué)科間一些復(fù)雜的問題,為課堂提供更加真實(shí)和有現(xiàn)實(shí)意義的案例。工程學(xué)教育的滲透使受教育的公民獲得許多種類不同的知識(shí)與技巧,使人們能夠更好地理解和使用STEM知識(shí)以來解決一些現(xiàn)實(shí)的問題。就目前關(guān)于科學(xué)與工程實(shí)踐的類型和內(nèi)容而言,《新標(biāo)準(zhǔn)》中共有208條表現(xiàn)性期待,其中有42條標(biāo)記有“*”,這些被標(biāo)記的標(biāo)準(zhǔn)是通過實(shí)踐或?qū)W科核心概念整合了的傳統(tǒng)的科學(xué)與工程內(nèi)容。除了這些明確標(biāo)記出的42條,還有7條的內(nèi)容也符合研究者的對(duì)于工程內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn),所以涉及工程相關(guān)的一共有49條表現(xiàn)性期待,占總數(shù)的23.6%,足以說明編寫者們對(duì)于科學(xué)與工程教育的重視。[5]另外這些涉及科學(xué)與工程實(shí)踐的表現(xiàn)性目標(biāo)所涉及的知識(shí)條目會(huì)鏈接指向框架所組成的三個(gè)維度,指向基礎(chǔ)框當(dāng)中具體的學(xué)習(xí)目標(biāo),從而相互連接、縱橫交錯(cuò)、螺旋式上升。所以,一共有76條具體的學(xué)習(xí)目標(biāo)與這49條工程相關(guān)的表現(xiàn)性期待所連接,依次分布在《新標(biāo)準(zhǔn)》的四個(gè)學(xué)段中,如表3所示。
表3 各學(xué)段與工程相關(guān)的表現(xiàn)性期待和學(xué)習(xí)目標(biāo)頻次表
分析發(fā)現(xiàn)工程所涉及的表現(xiàn)性期待很好地分布在每一個(gè)學(xué)段中,幾乎相同比例的表現(xiàn)性期待和具體的學(xué)習(xí)目標(biāo),分別呈現(xiàn)在這四個(gè)學(xué)段中,《新標(biāo)準(zhǔn)》中各學(xué)段涉及工程的PE、LG所占比如圖1所示。再次說明了科學(xué)與工程實(shí)踐對(duì)于不同學(xué)段學(xué)生學(xué)習(xí)都很重要,這也是《新標(biāo)準(zhǔn)》從“科學(xué)實(shí)踐”替代“科學(xué)探究”的重大轉(zhuǎn)變。體現(xiàn)了社會(huì)對(duì)于科學(xué)基礎(chǔ)教育課程的真實(shí)呼聲,不僅僅要為學(xué)生的進(jìn)一步學(xué)習(xí)建構(gòu)起重要學(xué)科核心概念的知識(shí)基礎(chǔ),更應(yīng)該為學(xué)生適應(yīng)社會(huì)成為21世紀(jì)的公民做好充足的準(zhǔn)備。只有讓學(xué)生參與到實(shí)際的科學(xué)實(shí)踐中,才能加深對(duì)于科學(xué)本質(zhì)的理解,將知識(shí)與實(shí)踐技能融合起來,才能更好地解決實(shí)際問題。
圖1 《新標(biāo)準(zhǔn)》中各學(xué)段涉及工程的PE、LG所占總數(shù)百分比
通過真實(shí)的科學(xué)與工程實(shí)踐能夠激發(fā)學(xué)生的好奇心,培養(yǎng)他們對(duì)于科學(xué)的興趣,激發(fā)他們持續(xù)學(xué)習(xí)的動(dòng)力。最重要的是讓他們能夠意識(shí)到科學(xué)與工程的作用是具有創(chuàng)造性的,已經(jīng)深深地影響著他們生活的世界?!缎聵?biāo)準(zhǔn)》的附錄F中對(duì)維度一當(dāng)中科學(xué)和工程實(shí)踐的8個(gè)主題進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,各個(gè)學(xué)段以學(xué)習(xí)進(jìn)階的形式做了具體的闡釋。這8個(gè)實(shí)踐內(nèi)容并不是割裂開的,他們的呈現(xiàn)是循序漸進(jìn)、相互重疊和相互連接的,例如“提問與界定問題”如表4所示。
表4 提問與界定問題
四、對(duì)我國(guó)物理課程的啟示
1.凸顯物理學(xué)科核心概念
在基礎(chǔ)教育階段,更應(yīng)該重視學(xué)生對(duì)學(xué)科核心概念的掌握,通過橫向知識(shí)的整合,鼓勵(lì)學(xué)生參與科學(xué)與工程實(shí)踐,滲透對(duì)于科學(xué)本質(zhì)的理解和STSE(科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境)的教育,實(shí)現(xiàn)對(duì)本學(xué)科內(nèi)重要概念的深入理解與探索。通過學(xué)習(xí)進(jìn)階的縱向知識(shí)整合,設(shè)計(jì)適合各個(gè)階段學(xué)生認(rèn)知水平的課程內(nèi)容。如在物理學(xué)科中要凸顯學(xué)科的重要概念就需要對(duì)已有的學(xué)習(xí)內(nèi)容做以調(diào)整,著力凸顯學(xué)科中反復(fù)出現(xiàn)的核心概念,這應(yīng)該成為今后物理課程改革的一個(gè)方向。
2.加強(qiáng)跨學(xué)科概念間的聯(lián)系
雖然我國(guó)實(shí)行的是分科教學(xué),各門課程體系都很完整,但缺乏各個(gè)學(xué)科之間知識(shí)的貫通,缺乏必要的交流。高考理科綜合卷也只是人為地將題目放在一張卷子上,缺少題目之間一些學(xué)科共同概念的聯(lián)系。共同概念在不同的學(xué)科中側(cè)重點(diǎn)不同,所以全面系統(tǒng)地理解這些重要概念需要各學(xué)科間交叉滲透,反復(fù)強(qiáng)化建立有效聯(lián)系。培養(yǎng)學(xué)生對(duì)這些共同概念的理解能啟發(fā)學(xué)生多角度思考問題的意識(shí),所以我國(guó)需要加大對(duì)跨學(xué)科間共同概念課程資源的開發(fā)和設(shè)計(jì),更加注重物理課程與其他學(xué)科課程的協(xié)調(diào)、整合和發(fā)展。
3.滲透科學(xué)與工程學(xué)實(shí)踐
重視科學(xué)與工程實(shí)踐在物理課程中的滲透,提升工程實(shí)踐在我國(guó)初、高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中的地位。物理和技術(shù)、工程有著密不可分的聯(lián)系,在教學(xué)中不但要介紹物理知識(shí)的技術(shù)應(yīng)用,還應(yīng)當(dāng)讓學(xué)生親自體驗(yàn)實(shí)踐,完成工程及一些技術(shù)項(xiàng)目活動(dòng)。設(shè)計(jì)更多切合于真實(shí)物理情境下的工程實(shí)踐活動(dòng),而不只是通過文本與圖片的形式講解一些較為抽象的物理概念。在現(xiàn)有教學(xué)資源的基礎(chǔ)上,挖掘一些能讓學(xué)生體驗(yàn)工程設(shè)計(jì)和技術(shù)應(yīng)用的學(xué)生活動(dòng),可以在現(xiàn)行教材的基礎(chǔ)上對(duì)課本中的“實(shí)驗(yàn)”、“做一做”、“說一說”、“思考與討論”等欄目進(jìn)行分析,在保持對(duì)原有概念的理解上增加些工程實(shí)踐方面的內(nèi)容。
雖然中美的教學(xué)體制不同,但經(jīng)過多次評(píng)議和修改的《新標(biāo)準(zhǔn)》體現(xiàn)了全球經(jīng)濟(jì)和貿(mào)易自由化背景下科學(xué)教育的新方向。以跨學(xué)科思維來整合各學(xué)科的核心概念,建立起科學(xué)與工程實(shí)踐相結(jié)合的、新的人才培養(yǎng)觀。從科學(xué)與工程教育看美國(guó)新一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn),將新的課程理念與我國(guó)的國(guó)情相結(jié)合,無疑會(huì)為我國(guó)的課程改革和科學(xué)教育提供一定的借鑒和參考。
[參 考 文 獻(xiàn)]
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[4] NATIONAL RESEARCH COUNCIL. Next generation science standards[EB/OL].[2013-04-16].http://www.nextgenscience.org/sites/ngss/files/PS_MiddleSchool_DCIs%20051413.pdf.
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[責(zé)任編輯:江桂珍]
[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A
[文章編號(hào)]1002-1477(2016)02-0113-05
[中圖分類號(hào)]G511
[作者簡(jiǎn)介]史永悅(1989-),女,山東德州人,碩士研究生;杜欣(1989-),男,陜西西安人,碩士研究生;蘇玉成(1955-),男,河北順平人,教授, 碩士生導(dǎo)師。
[基金項(xiàng)目]教育部人文社會(huì)科學(xué)研究規(guī)劃基金項(xiàng)目(11YJA880092);中央民族大學(xué)2015年研究生科研項(xiàng)目(10301-01502004)
[收稿日期]2015-11-06
[DOI]10.16165/j.cnki.22-1096/g4.2016.02.028