摘要：美国新一代科学教育标准中，科学与工程实践是三维之一。实践包括提出(科学)问题，描述(工程)问题等8个方面。实践的类型不多，但覆盖了从幼儿园到12年级，在4个学科领域各主题内结合学科核心概念的阐述反复出现，每个实践活动都明确了每个学习阶段结束时应达到的目标，目标要求按照学习进阶的方式循序渐进。科学实践与工程实践既有相同点，也有区别。

关键词：美国 科学教育标准 实践

美国《新一代科学教育标准》（Next Generation Science Standards，以下简称“新标准”）于2013年4月9日发布^[1]。新标准在原美国《国家科学教育标准》的基础上有了较大的改进。新标准是在2011年7月正式发布的美国《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念和核心概念》（以下简称“框架”）^[2]的基础上制定的。

1. 新标准的特点略述

新标准覆盖幼儿园到高中12年级科学课程的学习内容。小学阶段的每个年级，初中高中阶段的每个学科都是通过“故事线(storyline)”来串联该部分内容。故事线阐述了以下三个方面内容之间的关系：生活中的相关问题与社会议题；解答这些问题所需达成的表现期望（Performance Expectation）； 达成这些表现期望所需要的对学科核心概念、跨学科共通概念的理解和科学与工程实践能力。

新标准以表格形式来呈现具体内容。最上一行为“表现期望”，中间一行为“基础框”，下面一行为“联系框”。表现期望阐明了学生在完成该阶段学习后应该知道的和能够做到的。基础框中的内容是依据“框架”制定的，分为三个维度：科学与工程实践、学科核心概念（idea）、跨学科概念（concept）。科学与工程实践、跨学科概念都是围绕学科核心概念设计的。这是按照“框架”提出的将科学与工程实践、跨学科概念、学科核心概念三维有效整合的思路，在阐述具体内容标准时分三个维度列出。联系框中的内容旨在通过连接到其他科学领域中的内容或者通用国家核心课程，以支持“表现期望” 中的每一项预期。

新标准注重围绕学科核心概念展开。例如，在生物学里，从幼儿园到高中都围绕4个生物学核心概念展开，即从分子到有机体：结构和过程；生态系统：互动、能量和动力学；遗传：遗传和变异；生物进化：同一性和多样性。同时，新标准重视跨学科共通概念的学习，重视科学与工程实践。上述内容均体现了学习进阶，连贯地表征从幼儿园到12年级各学段应达成的学习目标。

2. 新标准中科学与工程实践的主要内容

重视科学与工程实践，是新标准的显著特点之一。以下就新标准中的科学与工程实践的内容做简要介绍。

（1）科学与工程实践的主要内容

新标准中的科学与工程实践的内容包括8个方面：提出(科学)问题，描述(工程)问题；创设和使用模型；计划和实施研究；分析和解释数据；运用数学和计算思维；建构(科学)解释和设计(工程)解决方案；依据证据进行辩论；信息的获取、评估和交流。

这8个实践内容是从专业的科学家和工程师的操作实践中提炼出来的。虽然实践的种类形式不多，但是对每一个年级段都作出了要求。具体的实践活动都结合学科核心概念的学习展开。例如，在初中生命科学学科领域，结合“共同祖先的证据和多样性”这一核心概念的具体内容，设计了2个分析和解释数据的实践，1个运用数学和计算思维的实践，2个建构(科学)解释和设计(工程)解决方案的实践。又如，在初中生命科学学科领域，结合“结构与功能”这一核心概念的具体内容，设计了1个创设和使用模型的实践，1个计划和实施研究的实践，1个依据证据进行辩论的实践，1个信息的获取、评估和交流的实践。

新标准在结合学科核心概念阐述科学与工程实践时，还注意与科学本质的联系，结合具体的学习内容，强调了科学本质的教育。例如，在初中阶段结合“共同祖先的证据和多样性”主题内“自然选择”这一内容，提出了与科学本质的联系“科学知识是基于经验证据的”。

（2）以“创设和使用模型”为例看新标准对实践活动的要求

下面我们以8个实践中的“创设和使用模型”为例，来看一下其内容和设计方式。

在“框架”中，阐述了“创设和使用模型”的主要含义：科学家经常创建关于现象的思想模型与概念模型。思想模型是内在的、个人的、独特的、不完善的、不稳定的，起本质作用的，是做出预期、获得直接经验的思考工具。概念模型是思想模型的对立面，是清晰陈述的。科学家和工程师在进行科学研究或者在提出某一设计难题的解决方案时，常运用概念模型以更好地观察、理解某一现象。概念模型可以是结构、功能或者过程简化的类似物（同型物），它包括图表、物理复制品、数学形式、类比以及计算机模拟。《框架》和《标准》中，没有明确区分的，指的都是概念模型。可见，在“框架”中所指的概念模型，包括我们现在经常说到的物理模型、数学模型和概念模型。

“框架”还阐述了学生到12年级时应该在创设和使用模型方面达到的水平。

?建构描述事件或事实的图、表。例如，画出一只标示了特征的昆虫，描述由于阳光照射而温暖起来的小水塘的变化，描绘一个真实世界里的物体模型并以它为基础对系统在特定条件下的反应作出解释或预测。

?用多种类型的模型描述并解释现象。例如，用3-D模型（或用化学键的图解）来描述分子，并能根据不同的目的来选择最适合的模型类型。

?讨论某个模型在表示某系统、过程、设计时的局限性和精确性，提出改进方案以使模型更好地与获得的证据拟合，或更好地反映某设计的独特之处。根据经验证据或批评意见将模型精细化，以提高模型的质量或解释力。

④用（提供的）计算机模拟或用简便的工具模拟，以理解或研究某个系统的特性，尤其是那些难以用肉眼观察到的系统。

⑤制作并运用模型来检测某个设计（或某些特性、方面），比较不同设计方案的有效性。

“框架”提出的上述目标是总体要求，新标准中则予以具体落实。在新标准中，“创设和使用模型”在幼儿园、小学、初中、高中各个学段都结合具体内容予以设计。例如，在高中生命科学领域，结合“生物体中的物质与能量流动”的细胞呼吸的过程，“生物体的生长和发育”的细胞分裂的具体内容，都设计了“基于证据创设并使用模型，来说明系统之间和系统内部要素之间的关系”的实践活动。

实践活动的具体内容，在不同阶段有不同的要求，从幼儿园到高中12年级有一个明显的梯度安排，体现了“学习进阶”的思想。其他7个方面的科学与工程实践的内容，也按照类似的思路设计。

（3）科学实践与工程实践的区别

科学与工程实践是新标准三维的一维，其中的工程实践是第一次在美国国家一级的科学课程标准中出现。科学实践与工程实践这二者之间既有共同点，也有差异。在“框架”中，首先，阐明了科学与工程的不同：在“K-12”教育的语境中，科学专指传统的自然科学，如物理、化学、生物和新兴的地球、太空和环境学；工程的含义比较宽泛，意指所有以系统性的设计工作解决特定问题的实践。然后，还较明确地阐述了二者在8个方面的实践内容上的差异。

表1 科学与工程实践的区别

3. 新标准中的科学与工程实践的特点

首先，从名称来看，新标准采用了“科学与工程实践”。为什么“舍”原《科学教育标准》中的探究而“取”实践？实际上，新标准并没有否定探究。标准制定者之一拜比（Rodger W. Bybee）说：科学探究是科学实践的形式之一^[3]。“实践”不但包含原科学探究的全部内容，而且容纳了工程方面的活动内容。“实践”实际上是探究的进一步扩展^[4]，是在原探究的基础上增加了工程方面的实践。可以说，在新标准中，前所未有地突出了工程实践的地位。不过，在制定“框架”与新标准的过程中，美国的科学教育界也注意到了以往的“探究”已在实践中异化为“动手做”，异化为科学方法的学习，因此需要用一个新的词汇“实践”来纠偏，以便于今后的教学中教师更全面地理解“探究”的本质含义，从而实现实践过程中的动手与动脑的结合。这凸显了融合社会、认知、行为三个维度的实践观^[5]。

强调科学与工程实践对于学生的学习具有重要意义。正如“框架”中提到的：“在以科学探究为取向的科学课程教学实践中, 学生应该亲自参与到各种实际操作中去, 而不是仅仅经由教师充当二传手学到‘二手知识’ 。没有直接的实践, 无论是对科学知识本质的理解, 还是对操作性技能的掌握, 都往往流于肤浅。”新标准期待在学生学习科学的过程中，让他们“真正学到科学”，正如新标准设计者之一约瑟夫·科瑞柴科说的：仅仅让学生阅读课文是没有用的，他可以记住一个概念、背出某段文字，但是概念和文字并不能帮助他解决实际问题，所以《K-12科学教育框架》中不仅包含了核心思想、跨学科概念，还包含了科学与工程实践维度^[6]。

其次，从实践的类型来看，实践类型不多（8种），但提炼自科学与工程研究的实践，着力于训练科学与工程学方面通用的实践技能。需要说明的是，这些实践既是实践活动，如建立和使用模型，同时它们也是如何进行实践的知识，如对于尚无法直接观察的事物，在科学上可以通过模型来揭示其特征和本质，在工程上可以通过模型的模拟来发现设计是否具有缺陷等，可以认为，新“框架”的实践强调的是“知行合一”^[7]。

第三，实践活动设计贯穿于所有学科、所有主题，结合学科核心概念的学习安排实践活动。“框架”对“实践”含义的阐述，是“重复行为以使其熟练；深入彻底地学习以使其成为习惯；运用知识以使其达成目标。”可见，实践类型不多，但在自然科学4个学科各主题内反复出现，期望通过促使学生熟练掌握技能，形成习惯，同时有助于知识的运用。

第四，关注科学本质的理解。

第五，关注实践的学习进阶设计。在科学与工程实践方面，同样体现了“框架”和新标准的特色——以“学习进阶”方式统整科学教育课程。

参考文献