美國(guó)科學(xué)教育中的探究與實(shí)踐

美國(guó)科學(xué)教育是科學(xué)、工程和技術(shù)這3個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)實(shí)踐，學(xué)生在接受系統(tǒng)的科學(xué)教育后更具創(chuàng)新意識(shí)和動(dòng)手能力。提出問(wèn)題（科學(xué)）和明確需要解決的難題（工程）；建立和使用模型；計(jì)劃和實(shí)施調(diào)查研究；分析和解釋數(shù)據(jù)；運(yùn)用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維；建構(gòu)解釋（科學(xué)）和設(shè)計(jì)解決方案（工程）；基于證據(jù)的論證和辯論；獲取、評(píng)價(jià)和交流信息。這些“實(shí)踐”代替了“研究”，強(qiáng)調(diào)了“做”與“學(xué)”無(wú)法真正地分開，更廣義地體現(xiàn)了科學(xué)學(xué)習(xí)的特點(diǎn)。

先用氈制品、金屬片等不同材質(zhì)的物品學(xué)習(xí)和體驗(yàn)絕緣體和導(dǎo)熱體的特點(diǎn)以及熱傳遞的3種方式——輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)，然后學(xué)生小組合作討論和設(shè)計(jì)小屋的形狀、材質(zhì)和制作步驟，最后大家動(dòng)手制作小屋。制作完成后，他們要在小屋外安裝臺(tái)燈照射小屋，觀察、測(cè)量、記錄和分析冰企鵝的變化，最后小組再重新調(diào)整設(shè)計(jì)方案，選擇最優(yōu)化的材質(zhì)和方案制作小屋。這是美國(guó)一所小學(xué)的科學(xué)課內(nèi)容。

如今，科學(xué)是人們生活的核心組成部分之一，也是持續(xù)推進(jìn)一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的原動(dòng)力?？茖W(xué)教育是促進(jìn)學(xué)生思維能力的基礎(chǔ)學(xué)科。隨著科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)的變化，美國(guó)的科學(xué)課程強(qiáng)調(diào)“探究”與“實(shí)踐”并重。

美國(guó)科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)的改革

早在1996年，美國(guó)就頒布了《國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》。然而，20多年來(lái)，世界和美國(guó)的科技發(fā)展日新月異，因此，1996年頒布的舊標(biāo)準(zhǔn)已無(wú)法適應(yīng)科學(xué)發(fā)展的步伐，亟須制定新的課程標(biāo)準(zhǔn)來(lái)推進(jìn)科學(xué)教育，確?？茖W(xué)教育緊跟時(shí)代的步伐。

而且，在舊版標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施的過(guò)程中，美國(guó)科學(xué)教育中出現(xiàn)了探究性教學(xué)泛化和模式化傾向，致使科學(xué)教育無(wú)法在人才培養(yǎng)和科技創(chuàng)新方面發(fā)揮積極作用。在科技領(lǐng)域和學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)方面，美國(guó)的表現(xiàn)乏善可陳，越來(lái)越令美國(guó)教育界和科技界的有識(shí)之士擔(dān)心。他們認(rèn)為，改革美國(guó)科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)的必要性有4個(gè)理由：美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)性優(yōu)勢(shì)不再明顯，2010年在美國(guó)本土所申請(qǐng)的專利中，美國(guó)人不到一半；美國(guó)高科技的出口呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，高科技產(chǎn)品的貿(mào)易持續(xù)虧損；美國(guó)基礎(chǔ)教育階段的學(xué)生在許多測(cè)試中不盡如人意，2012年國(guó)際學(xué)生評(píng)估測(cè)試（PISA）中，美國(guó)在65個(gè)經(jīng)合組織成員國(guó)中科學(xué)排名第21名，數(shù)學(xué)第26名，閱讀素養(yǎng)第17名，缺乏優(yōu)勢(shì)；科學(xué)在未來(lái)社會(huì)發(fā)展和人們就業(yè)的地位越來(lái)越重要，科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)是經(jīng)濟(jì)社會(huì)中創(chuàng)新的源泉。

目前，需求最多的職業(yè)就是科學(xué)和數(shù)學(xué)發(fā)揮核心作用的職業(yè)。美國(guó)職業(yè)技術(shù)生涯全國(guó)委員會(huì)的調(diào)查顯示，在美國(guó)18種職業(yè)群分類中，14種職業(yè)需要4年以上系統(tǒng)的科學(xué)學(xué)習(xí)，還有2種職業(yè)需要3年。這表明，學(xué)生應(yīng)該在學(xué)校接受充滿活力的科學(xué)和數(shù)學(xué)教育。還有一個(gè)原因是今天的人類充滿了生存危機(jī)，從瘟疫爆發(fā)到能源危機(jī)，人類重大問(wèn)題的解決需要科學(xué)和技術(shù)的創(chuàng)新。與此形成鮮明對(duì)比的是，2003年美國(guó)人科學(xué)素養(yǎng)調(diào)查顯示，只有不到1/3的大學(xué)畢業(yè)生能完成例如解釋和理解體育鍛煉中血壓變化的數(shù)據(jù)。

2011年美國(guó)國(guó)家研究理事會(huì)（NRC）制定了新的科學(xué)教育綱領(lǐng)性指導(dǎo)建議，匯集了1989年到2011年的科學(xué)技術(shù)發(fā)展和科學(xué)教育研究成果及經(jīng)驗(yàn)，制定了新的綱領(lǐng)性指導(dǎo)建議，其中以概念描述的方式明確規(guī)定了基礎(chǔ)教育階段所有學(xué)生應(yīng)該學(xué)習(xí)的具體內(nèi)容。在指導(dǎo)建議的框架下，2013年4月美國(guó)發(fā)布了《下一代科學(xué)教育課程標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》），對(duì)美國(guó)和全球的未來(lái)科學(xué)教育產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。如今美國(guó)中小學(xué)正在全力推進(jìn)和實(shí)施新標(biāo)準(zhǔn)，成為《共同核心課程標(biāo)準(zhǔn)》之后又一份重要的課程改革文件。

新標(biāo)準(zhǔn)注重實(shí)踐價(jià)值

培訓(xùn)一開始，沙琳老師向我們介紹了科學(xué)教育課程標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)和變化。在綜合實(shí)踐的設(shè)計(jì)思路下，《標(biāo)準(zhǔn)》制定了科學(xué)教育的三大維度：科學(xué)實(shí)踐、學(xué)科核心概念和跨學(xué)科共同概念。這樣改變了以往科學(xué)學(xué)科知識(shí)相互獨(dú)立、科學(xué)知識(shí)與科學(xué)實(shí)踐互不相干的現(xiàn)象，而是將三者有機(jī)地融合，使得跨學(xué)科概念、科學(xué)和工程實(shí)踐進(jìn)入課堂，成為科學(xué)教育的主體。

3個(gè)維度中，科學(xué)實(shí)踐處于核心地位，不是孤立存在，而是與核心概念和跨學(xué)科概念相互結(jié)合，主要體現(xiàn)為8個(gè)方面：提出問(wèn)題（科學(xué)）和明確需要解決的難題（工程）；建立和使用模型；計(jì)劃和實(shí)施調(diào)查研究；分析和解釋數(shù)據(jù)；運(yùn)用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維；建構(gòu)解釋（科學(xué)）和設(shè)計(jì)解決方案（工程）；基于證據(jù)的論證和辯論；獲取、評(píng)價(jià)和交流信息。這些“實(shí)踐”代替了“研究”，強(qiáng)調(diào)了“做”與“學(xué)”無(wú)法真正地分開，更廣義地體現(xiàn)了科學(xué)學(xué)習(xí)的特點(diǎn)。

而且，《標(biāo)準(zhǔn)》提出了工程領(lǐng)域中的科學(xué)實(shí)踐，工程設(shè)計(jì)類似于科學(xué)探究，但兩者仍然存在較大的區(qū)別。例如：科學(xué)探究涉及的是幫助學(xué)生理解科學(xué)知識(shí)是如何發(fā)展的，提供機(jī)會(huì)讓他們掌握調(diào)查、建模和解釋世界的方法，通過(guò)研究回答具體問(wèn)題，而工程設(shè)計(jì)包含的是通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)解決的問(wèn)題。工程方面的內(nèi)容將幫助學(xué)生了解在日常生活中科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)方面的聯(lián)系。因此科學(xué)實(shí)踐是科學(xué)、工程和技術(shù)這3個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)實(shí)踐，使得學(xué)生在接受系統(tǒng)的科學(xué)教育后更具創(chuàng)新意識(shí)和動(dòng)手能力。

與舊標(biāo)準(zhǔn)相比，新標(biāo)準(zhǔn)還出現(xiàn)了一些觀念上的變化：基礎(chǔ)教育階段的科學(xué)教育反映出科學(xué)內(nèi)在關(guān)聯(lián)的本質(zhì)，強(qiáng)調(diào)科學(xué)與工程實(shí)踐、跨學(xué)科概念和學(xué)科核心概念3個(gè)維度的整合；標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容是學(xué)生的預(yù)期表現(xiàn)，而非課程內(nèi)容，即希望學(xué)生在學(xué)習(xí)后達(dá)到怎樣的期望和表現(xiàn)；科學(xué)概念的建構(gòu)需要從幼兒園到十二年級(jí)連貫實(shí)施；教學(xué)不僅關(guān)注對(duì)內(nèi)容深入理解，也關(guān)注對(duì)內(nèi)容運(yùn)用有效掌握；工程設(shè)計(jì)與科學(xué)探究同等重要，將科學(xué)、工程和科技融入新標(biāo)準(zhǔn)；科學(xué)教育為將要升入大學(xué)或就業(yè)的學(xué)生而設(shè)計(jì)，為他們的將來(lái)做好準(zhǔn)備；科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)與英語(yǔ)、數(shù)學(xué)通用核心內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)；保證科學(xué)與英語(yǔ)、數(shù)學(xué)等學(xué)科間的兼容、銜接和滲透，確保教育正向共振。

凸顯實(shí)踐的課堂教學(xué)活動(dòng)

《標(biāo)準(zhǔn)》的核心是實(shí)踐，離開了實(shí)踐的科學(xué)課堂教學(xué)必然是“穿新鞋，走老路”。沙琳老師告訴我們，美國(guó)科學(xué)教育正以課程標(biāo)準(zhǔn)為導(dǎo)向，推進(jìn)加強(qiáng)實(shí)踐性的課堂教學(xué)，這樣的課堂教學(xué)最大的特點(diǎn)是以學(xué)生為中心，設(shè)計(jì)以探究為基礎(chǔ)的調(diào)查、應(yīng)用、分析和評(píng)估的活動(dòng)，并融入了深度學(xué)習(xí)、基于真實(shí)生活場(chǎng)景的實(shí)踐和基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)等元素。

隨后，約翰老師為我們播放了一堂美國(guó)八年級(jí)生物游戲課堂視頻。這節(jié)課的主題是生物鏈中的能量流動(dòng)。教師先展示了4種生物的圖片：白鷺、大蝌蚪、蝸牛和海藻，在自然界的生物圈中，它們依次處于從最高級(jí)到最低級(jí)的生物鏈。低一級(jí)的生物是高一級(jí)的食物和能量來(lái)源。游戲前，每個(gè)學(xué)生獲得一張胸卡，代表一種生物，然后從物品箱中隨意取一些豌豆，一顆豌豆代表一個(gè)能量。然后他們隨機(jī)和代表不同生物的同學(xué)碰頭，如果遇到比自己大一級(jí)的生物，那就貢獻(xiàn)出5顆豌豆，遇到比自己小一級(jí)的生物的話就獲得5顆豌豆。

在游戲過(guò)程中，學(xué)生必須填寫一份記錄表，記錄原來(lái)有多少豌豆，在碰到一次同學(xué)后，將失去或得到多少豌豆的數(shù)量完整地記錄下來(lái)。如果最后哪名學(xué)生的豌豆比他原來(lái)的豌豆少了的話，那就意味著他沒(méi)有能量，會(huì)失去生命。

這樣的活動(dòng)創(chuàng)設(shè)了虛擬的自然場(chǎng)景，將大自然中的生物鏈搬到了課堂。學(xué)生在模擬生物的關(guān)系中互動(dòng)、交流，認(rèn)識(shí)到生物鏈的意義以及能量流動(dòng)對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)的重要性。教師通過(guò)圖表呈現(xiàn)了知識(shí)和概念，但這些只是媒介和手段，真正的學(xué)習(xí)途徑是情景式的游戲活動(dòng)，在知識(shí)驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生情景化地學(xué)習(xí)、體驗(yàn)和了解生態(tài)系統(tǒng)，進(jìn)行了深度學(xué)習(xí)和體驗(yàn)學(xué)習(xí)，而不是教師傳授和學(xué)生記憶的淺層次學(xué)習(xí)。

而今，還有一種以綜合和實(shí)踐為特點(diǎn)的教育模式——“STEAM教育”受到美國(guó)科學(xué)教育界的重視，成為科學(xué)教育的主流模式，這種模式是基于數(shù)學(xué)元素，融合工程和藝術(shù)的科學(xué)科技教學(xué)。這就是一種理念，它代表著一種現(xiàn)代的教育哲學(xué)，更注重學(xué)習(xí)的過(guò)程，而不是結(jié)果。本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，是敢于讓學(xué)生們犯錯(cuò)，讓他們嘗試不同的想法，讓他們聽到不同的觀點(diǎn)，學(xué)習(xí)的過(guò)程是綜合化和情景化解決問(wèn)題的過(guò)程，并培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造和動(dòng)手實(shí)踐能力。這也是一種教學(xué)方式。學(xué)生在建構(gòu)、設(shè)計(jì)、制作、評(píng)估環(huán)節(jié)中，將數(shù)學(xué)、工程、藝術(shù)、科學(xué)和科技的學(xué)習(xí)及應(yīng)用融為一體。

美國(guó)未來(lái)科學(xué)教育協(xié)會(huì)，物理、化學(xué)、生物和信息技術(shù)等學(xué)科教師協(xié)會(huì)為科學(xué)教育和“STEAM教育”開發(fā)了許多案例，很多教師將它們運(yùn)用在課堂中，激發(fā)學(xué)生科學(xué)興趣、培養(yǎng)創(chuàng)造能力、深度學(xué)習(xí)科學(xué)。

其中一個(gè)課題背景是地球的溫室效應(yīng)導(dǎo)致地球日益變暖，南極和北極的冰川融化，引起海平面上升，環(huán)境惡化。生活在地球上的人們應(yīng)該為地球創(chuàng)造良好的環(huán)境，使地球可持續(xù)發(fā)展。學(xué)生要完成的任務(wù)用不同的材質(zhì)為冰企鵝制造一個(gè)小屋，制作完工后測(cè)試冰企鵝的重量，看看怎樣的設(shè)計(jì)能保持恒溫。這里，冰企鵝代表的是地球，小屋則代表環(huán)境。

這個(gè)課題的立意是解決人類生存的重大問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注地球變暖的問(wèn)題。在課堂教學(xué)中教師獨(dú)具匠心地將環(huán)境問(wèn)題轉(zhuǎn)化為課堂中的問(wèn)題，先通過(guò)比較和體驗(yàn)解決知識(shí)及概念的問(wèn)題，然后付諸實(shí)踐。自行設(shè)計(jì)、動(dòng)手制作，實(shí)驗(yàn)測(cè)試和評(píng)估調(diào)整，將科學(xué)教育中的科學(xué)實(shí)踐、跨學(xué)科教學(xué)和學(xué)科核心知識(shí)有機(jī)整合起來(lái)。這種注重動(dòng)手的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，融入了科技元素和設(shè)計(jì)思維，制作樣品，不斷改進(jìn)，不僅讓學(xué)生擁有自己的作品，也擁有創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)過(guò)程，而且在制作的過(guò)程中建構(gòu)起關(guān)于科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)的知識(shí)，這就是科學(xué)教育真正的價(jià)值。