革命性的变化：美国确立新一代科学教育框架，本文主要内容关键词为：新一代论文,革命性论文,美国论文,框架论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、为什么要制定《K-12科学教育框架》
作为一种文化财富，科学技术应该为所有人所共享。在现代社会，科学技术已经渗透到社会生活的方方面面。如果缺乏对科学的很好理解，一个人就不能参与公共政策并做出正确的决定。所以，一个孩子，无论身处世界何地，都必须了解科学技术的最新进展。另一方面，对于国际社会来说，有许多问题需要借助科学来解决。例如，生物灭绝的问题。现在生物正在以前所未有的速度灭绝，这到底是因为全球变暖，还是其他原因？如何减缓生物灭绝的速度？解决这些问题，需要汇集全球的聪明才智。从这个角度讲，加强科学教育是世界各国的共同需要。
1996年，美国颁布了第一部国家科学教育标准。从那时到现在的十几年间，科学技术发生了翻天覆地的变化。在1996年基因测序还是一个非常狂妄的想法，但现在我们已经可以进行人类基因的测序。不仅如此，在这16年里，对于孩子们是如何学习科学的、对于应该如何教授孩子们科学，相关研究也取得了长足的进步。所以，是时候重新审视我们的科学教育框架了。
二、关于学科核心思想和跨学科概念
《K-12科学教育框架》确定了科学教育的三个维度：学科核心思想、跨学科概念以及科学与工程实践。
之前，美国的科学教育标准是由很多零散的科学事实组成的，学生接受科学教育后，并不能把这些知识有效地运用到实际生活中。美国国家研究委员会(NRC)2009年的报告中指出：“美国现行的国家、州、地方的标准和评价方案，以及正在使用的课程中，包含了太多彼此之间缺乏联系且重要性相当的主题。”如果只关注几个核心的概念，而不是眉毛胡子一把抓，那么学习就会有一个颠覆性的变化。因此在框架中，我们建议标准和课程应该聚焦于有限的核心思想，使学生能够运用对知识的理解去解决实际生活中的问题，所以我们提出要“更精，更清晰，更高要求(Fewer,clearer,higher)”——但是“更精”在美国是很困难的，人们接受起来还是有难度。
如果去粗取精的话，每一门学科中都有一些核心的思想。那么如何确定核心思想呢？有五个基本的原则。(1)具有学科意义：它具有跨越多个学科领域的广泛的重要性，或者是某个学科中组织相关知识的关键概念。(2)具有解释力：能够用来解释许多现象。(3)具有生成性(Generative)：能够为理解和探究更为复杂的概念和解决问题提供关键的工具。(4)与人们的生活相关：它与社会和个人关注的问题有紧密的联系，并与学生的生活体验和兴趣相关。(5)能够从幼儿园贯穿到高中：它可以在多个年级教与学，并不断提升深度和复杂性。
我们发现，科学家和技术专家在工作中都会建立一个框架，在框架中去演绎自己的想法，去分析数据，去梳理信息，去解决问题。同样，框架也可以为所有的学习者和探索者奠定一个基础——这是他们深入学习的平台和前提。对于学生来说，只有在小时候建立起这样一个基础的、坚实的平台，才可能在以后科学知识的学习中取得更大的成就。
比如，在物理科学中我们需要了解物质及物质之间的关系、运动与静止的关系。这些都是具体的需要解决的问题或者知识要点，但这些要点之间是有联系的，这个联系就是物质的本质——分子。其他所有的具体问题都要在这个基础上来加以了解。所以，虽然8年级、9年级和12年级的学生要了解的具体物理知识是不同的，但是它们都是基于对物质和分子的认识，这就是一个核心思想。
如何才能更好地使用这些核心思想呢？首先，我们需要了解核心思想的价值。核心思想可以让我们更深入地探索更为重要的观点和规律，了解更为复杂的观念。如果做到了这些，我们就能够把各门科目的不同知识相互整合——实际上，如果没有核心思想，我们在各个学科中所获得的知识片断是不能够相互连接起来的。
知识之间存在着联系，有一些概念在不同的学科中都需要应用。例如：模式——解决问题的模式，物质形成的模式；因果关系——了解某一件事情的产生受到其他事情的影响，分析这个影响是什么；规模、比例、数量；系统和系统模型；物质与能量——物质和能量对于物理学来说非常重要，在各个学科中也都有所涉及；结构和功能——这在各个学科中都会应用到，比如在生物学科，你需要了解某一个结构和功能之间的关系，某一个结构促使了某一个功能的形成等等。
在教学过程中我们有这样的经验，比如很多学生理解“比例”有一定的困难，有的学生很难解释宏观系统和微观系统的差异，等等。但这些概念又渗透在我们的生活以及各个科学科目中。为此，学校需要花更多的时间帮助学生了解这些概念。
三、关于学习进阶(Learning Progression)
在教学的整个过程中，需要贯彻一些最主要的原则。首先，学习是一个循序渐进的过程。所有的专业知识都需要在既定的框架中花一定的时间、经过一定的过程，才能够很好地掌握。在学习那些比较难理解的概念的时候，更需要时间。教师要有耐心，要给学生足够的时间去解决问题。其次，我们还要帮助学生在理解的基础上去实践，实践也能够帮助学生理解。教师要给予学生正确的指导和帮助，使学生更好地了解和学习。同时，学科思想和概念的恰当组织可以帮助我们了解学生在一段时间后学习的效果、对知识的理解程度，以及对概念的掌握情况。
图1 核心概念——物质结构的学习进阶图
图1反映了学生从2年级到12年级对核心思想——物质结构的理解程度。在小学2年级，学生需要对物质世界和宏观结构有一个了解，需要了解物质是什么，了解物质状态的变化。在5、6年级的时候，他们需要了解分子的概念，以及物质是由分子所组成的。教师需要告诉他们，所有的物质都是由微小的分子组成的。如果它们紧密地结合在一起，就是固态的；如果以比较松散的状态结合在一起，就是液态或者是气态的，而液态和气态的流动性会更强。到了8年级，他们可以从分子的结构进一步了解原子的结构，了解到在原子中还有更小的粒子，世界上的物质都是由原子组成的，原子的变化可以导致分子的变化，分子的变化可以导致物质的变化，而新的物质可以通过原子和分子结构的变化产生。这是对于物质更深的理解阶段。到了12年级，他们应该去了解原子的结构、原子结构的模型。
通过这个例子可以让大家认识到，学生可以从最简单的物质形成模式一直了解到物质的微观结构。
四、必须把科学教育的三个维度有效地整合起来
仅仅有好的内容还不能够帮助孩子们真正学到科学，还需要一个途径去帮助他们理解内容。在学习科学的过程中，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，还包含了另一个维度——科学与工程实践。
我们所要做的就是按照这些步骤一步步来做。第一步是提出问题。第二步是设计并且使用某一个模型——在设计和使用模型的时候，教师需要考虑的是：学生是如何理解的；如何让学生更好地应用这个模型，并且在以后的学习中受益；要从孩子学习的过程中获得足够的证据，证明这个模型是适合教学需要的。
想象一下爬山的过程，或者是拉一辆车，我们必须把使用的多条绳子拧成一股才能非常安全。要让学生攀上科学的山峰，我们也需要将核心思想、跨学科概念以及科学与工程实践这三条绳子拧成一股绳。过去我们也知道，学生可以通过知识的积累了解自然的物质构成、了解能量，但是我们没有一个框架可以使核心思想、跨学科概念和科学与工程实践有机地结合在一起。在新一代的科学教育标准中，我们必须明确地把这三者有效地整合在一起。这也是我希望大家了解的最重要的内容。
五、结语
《K-12科学教育框架》是我们制定下一代科学教育标准的基石。它有一个连贯性的架构，能够很好地解释学生如何能够从事科学，进行科学研究，能够指导教师科学教育的方法，并且以教促学、以学促教，当然，它也会随着时间的发展不断地积累和完善。新框架更为关注的是学生的知识是如何运用的，而不是学生是如何理解的或者知道些什么。我们希望能够借助核心思想和跨学科概念，帮助学生运用证据解释相关的现象，让学生自己生成对核心思想比较有价值、有意义的理解，而科学与工程实践可以让孩子获得更深层次的理解，能够解释问题、解决问题，为他们进一步的学习打下坚实的基础。
从传统的科学教育标准到《下一代科学教育标准》是一个颠覆式的革命而不是循序渐进式的变化。落实它是很困难的，很多人都不知道该怎么做，我们真的需要假以时日才可以能够实现设定的目标。