美国新一代科学教育标准中的物理核心概念及其启示_科学教育论文

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      一、美国新一代科学教育标准发展起源与进程

      自1996年美国国家研究理事会（National Research Council）颁布《国家科学教育标准》以来，美国各州展开了科学课程改革的热潮，然而10多年过去了，逐渐暴露出科学教育标准存在一些弊端：内容庞杂，广而不深，知识之间缺乏连贯性、一致性等，导致学生无法拓展和加深对核心科学概念的理解。随着社会变革，知识经济冲击美国科学教育，美国学生在国际性比赛中表现不佳，以及新一轮课程标准改革热潮的兴起等，美国科学教育标准亟待改革。

      基于对科学教育标准的研制，在经历起草—反馈—评审3阶段后，美国于2011年7月正式出版《K-12科学教育框架：实践、跨领域概念和核心概念》（A Framework for K-12 Science Education：Practices，Crosscutting Concepts，and Core Ideas，以下简称《框架》），标志美国新一轮科学教育改革已初步完成。新《框架》由自然科学领域、教育学、认知心理学领域及负责科学教育标准和政策制定的10多位专家共同制定，同时参与制定的还有4个学科设计团队，分别来自物质学科、生命学科、地球和空间学科及工程技术学科。

      经过近两年的研制，美国于2013年5月正式颁布《新一代K-12科学教育标准》（Next Generation Science Standards，NGSS，以下简称新《标准》），该《标准》拥有丰富的内容和实践指导，以贯穿学科和年级的方式组织，为所有学生提供了具有国际化基准的科学教育。新《标准》的出台，是美国新一轮教育改革的标志性成果。

      二、关于新《标准》

      1.新《标准》内容

      无论是《框架》还是新《标准》，都强调科学教育中的3个维度，即科学与工程实践（Science and Engineering Practices）、跨领域概念（Crosscutting Concepts）、学科核心概念（Disciplinary Core Ideas），每个维度又细划分为若干个支撑该维度内容的核心概念。科学与工程实践是对科学探究和工程设计实践的整合，强调科学探究不仅需要技能，而且需要有针对性的特定知识；跨领域概念将不同科学领域中相互关联的知识连贯起来，在所有科学领域中都可应用；学科核心概念涉及4个领域：物质学科、生命学科、地球和空间科学以及工程、技术与科学的应用，从这4个方面提出学科核心概念。

      新《标准》提出科学教育要聚焦于有限的核心概念，以学科核心概念的学习进阶为主线，整合实践与跨领域概念，实现3个维度的整合以呈现出相辅相成的关系，而3个维度又结合在每一条标准中，并且所有标准之间又建立了有意义的连接。每条标准都通过表格的形式呈现，主要包括3个部分，即预期成果（performance expectation）、基础框（the foundation boxes）和联系框（the connection boxes）。预期成果为标准的第一部分，通过预期成果的方式描述学生在掌握该标准之后应达到的能力和水平；基础框则主要分为3个维度，即科学与工程实践、跨领域概念和学科核心概念，每个维度的内容都是源自《框架》；联系框有3个部分，即“同年级段中其他学科核心概念的联系”、“跨年级段间学科核心概念的关联”和“与通用核心国家标准的联系”。

      新《标准》以概念描述的方式明确规定了K-12年级所有学生应该学习的具体内容，3个维度具体内容如表1所示。

      

      2.新《标准》中的物质科学核心概念

      新《标准》强调核心概念学习的重要性，这是因为在现今信息时代，科学知识与日俱增，教师不可能做到面面俱到，更加不可能在K-12年级有限教学时间内将所有知识传授给学生，因此，需要聚焦于有限的核心概念，让学生通过对核心概念的持续和深入的理解，激发学生的积极思维，为新知识的获取提供组织结构，使学生达到融会贯通、举一反三的效果。

      基于以上认识，新《标准》给出确定核心概念的标准：[2]

      （1）对于多个学科来说都是非常重要的或者在某一学科中有关键性的作用。

      （2）为理解和研究更为复杂的概念和解决问题提供重要工具。

      （3）与学生的兴趣、生活经验相关，或者关系到社会和个人的需要利用科学或技术知识来理解的利害关系。

      （4）在各个年级都可以进行不同水平的教与学，概念的深度和复杂度随着年级的增长也日趋增长。

      物质科学，致力于研究自然界物质的微观结构、运动及其相互作用的一般规律。它主要包括物理学和化学两大领域。这一学科课程由4个核心概念支撑，而这4个核心概念又分别由次一级的概念支撑，如表2所示。

      

      从表2中可以看出，物理学的核心概念主要集中在PS2、PS3和PS4中，占据了物质科学这一学科大部分内容，由此可见，学习物理学尤其是对其核心概念的学习对这一学科有着举足轻重的作用。

      3.以学习进阶方式统整的科学课程

      学习进阶（Learning Progressions，简称LPs），是对学生各学段学习同一主题概念时所遵循的连贯的、典型的学习路径的描述，一般呈现为围绕核心概念展开的一系列由简单到复杂、相互关联的概念序列。[3]学习进阶是当前国际物理教育领域最热门的研究课题之一。[4]

      《框架》以学习进阶的形式呈现学科核心概念，并将之运用到评价领域，新《标准》贯穿着学习进阶的思想和研究成果。对每一个次级核心概念都建立了相应的学习进阶，以表2中核心概念PS2下的子概念“力的相互作用类型”为例，陈述该概念下的学习进阶（表3）。

      由表3可以看出进阶的起点与终点，进阶的维度（核心概念）。每个子概念的进阶都是随着年级的增加而逐渐由简单到复杂，由具体到抽象，层层递进的，因此学生的理解程度也是随着年级的增加而逐渐丰富、深刻的。例如，2年级结束时，学生知道物体间发生碰撞时，物体运动状态会发生改变，这是形象直观的；在5年级结束时，学生知道两个物体不接触也可以改变其运动状态，这就需要学生对电场力、万有引力等知识有一定的理解。每一个学段的知识都是下一个学段的前概念，学生必须掌握前概念，才能更好地学习后一学段内容。例如，2年级结束时，学生掌握发生形变是由于力的作用，而学生建构“力”这一概念正是5年级时学生学习各种力的前概念。因此，要想了解学生对每个学段知识的掌握程度，可以依据每个学段的知识来编制相应的试题，测试学生对该学段知识的掌握程度及所处的思维水平。

      三、新《标准》给物理学带来的启示

      1.我国中学物理学核心概念的界定

      

      核心概念是一种教师希望学生理解、记忆后，在忘掉其非本质信息后，仍能应用的概念性知识，是某一知识领域的中心，是位于各学科中心位置的科学观念且经过反复的检验。[6]每个核心概念都能使本学科的概念、原理、理论等联系起来，指导新的研究，并且将不同的学科又有可能联系起来。

      美国新一代科学教育标准明确提出了核心概念，并且确立了核心概念选择的4条标准，而我国《全日制义务教育小学科学课程标准（实验稿）》首次出现这一提法，该课程从物质科学、生命科学、地球科学等领域选取了24个核心概念作为学习的科学知识。根据学生的年龄特点，采用螺旋建构的方式，由简单到复杂，将每个核心概念分解为若干个分级的具体概念。[7]我国初中义务教育物理课程标准的科学内容是通过主题划分的，分为3个一级主题和14个二级主题，例如，一级主题有物质、运动和相互作用、能量；二级主题有物质的形态和变化、物质的属性、多种多样的运动形式、能量的转化和转移等。[8]我国高中物理课程内容标准是通过模块划分的，由12个模块组成，2个必修模块和10个选修模块，每个模块下又分为若干二级主题和内容标准。例如，必修1模块下分两个二级主题：运动的描述、相互作用与运动规律。

      由上可以看出中美教育专家在认识上具有一定共识，但是我国中学生普遍反映物理学习繁杂，内容晦涩难懂，课程衔接略显不足，从而影响了学生的思维发展与解决问题的能力提升。因此，界定我国初高中物理学科核心概念，对于学生的学习与发展、教师的教学具有重要意义。

      2.课堂围绕有效问题建构核心概念

      一堂课的教学过程是由若干个问题组合起来的，是以问题为主线来组织和调控课堂教学。有效问题，则是教师提出的问题能引起学生的回应。[9]一个优秀的教师，不只在于会讲，更在于会问。教师所提的问题，既要符合学生的认知发展规律，又要针对本节课的中心内容，让学生在回答问题的同时建构本知识点的核心概念。

      有效提问，既是一门科学，又是一门艺术，对于学生理解知识点、调动学生积极思维具有重要作用，所以教师在课堂上提出的问题要具有一定难度、深度和角度。首先是问题的难度，教师要根据学生的认知水平和思维发展来设计问题，要认真解读新课程标准，从简单到逐步复杂，使设计的问题符合学生的“最近发展区”，让学生的思维有一定的跳跃性，从而激发学生的学习兴趣和潜能；其次是问题的广度和深度，教师设计的问题要突出重点，分清主次，切忌面面俱到，要让学生深入地、透彻地理解问题，领会问题所反映的本质问题；最后是问题的角度，教师要有丰富的知识和深厚的文化底蕴，如果教师在一节课上一直提问对不对，学生容易产生疲劳，注意力不集中，而适当变化角度，或幽默或渲染或新颖，学生就会跟随教师的思维，能激发学生的求知欲望。

      3.从核心问题出发，开发教学设计

      “以问题为中心”的教学模式是当前新课改比较提倡的一种教学模式，就是在课堂教学中，以“解决问题”的方式统领整个教学过程。[10]首先是教师设置情境，学生发现问题；其次是学生分析问题，提出猜想；接着学生合作探究，解决问题；最后是教师精讲点拨，师生总结归纳。这一教学模式，改变了传统的教师讲、学生听，以呈现真实的情境性问题为中心，让学生通过小组合作、互动交流等方式解决问题，突出新课标强调学生在学习中的主体地位，从而培养学生自主学习的能力，创造性地掌握知识和发展学生的思维能力。

      新《标准》中，每个核心概念与子概念之间都是通过问题连接起来的，问题的答案指向核心概念，课堂的重点就是回答核心问题，所有的教学活动都是为了帮助学生回答核心问题的，当学生回答了这些核心问题，就能对核心概念有相对良好的理解。因此，从核心问题出发，开发教学设计显得尤为重要。

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