美国《（K-12）科学教育框架》及对我国科学课程改革的启示

蔡志凌

一、美国新《框架》研究的目的与价值

现代科学技术迅猛发展，科学教育的理论研究与实践也在与时俱进，如何提高科学教育质量成了当务之急。 美国国家理事会于1996 年颁布了《国家科学教育标准》，虽然此标准对科学教育改革起到了良好的引导和深远的影响， 但却跟不上时代的步伐，很难适应新形势对科技教育的要求。时隔15 年后他们再度对现行课程文件和教育实践进行反思，于2011 年7 月颁布了美国《（K-12）科学教育框架》（以下简称新《框架》，这里的K-12是指学生从幼儿园到高中的受教育阶段，是美国、澳大利亚等国家免费教育的年段）。 新《框架》广泛征求了科学家、科学教育工作者、教育研究人员和其他科学教育相关人员的意见，并“由美国国家科学院(National Academy of Science，NAS)、全美科学教师协会 (National Science Teachers Association，NSTA)、美国科学促进会(American Association for Advancement of Science，AAAS)、 美 国 成 就 公 司(Achi eve lnc.)等单位共同完成”[1]。 在研制新《框架》过程中，研究理事会认为K-12 科学教育将焦点放在了一定数量的学科核心概念和跨学科概念上， 这样的设计可以使学生在今后学习中不断巩固和修改自己的知识和能力， 并能够将这些知识和能力与需要从事的科学探究和工程设计的实践进行整合。 同时，新《框架》强调12 个等级的科学教育要围绕三个维度展开，即科学及工程实践、跨学科概念和学科内的核心概念，并阐明了将工程和技术编入自然科学（物理科学、生命科学和地球与空间科学）的理由：一是反映和理解人类建造世界的重要性；二是更好地整合科学、工程和技术的教和学的过程所具有的价值。 因此，强调将科学和工程教育在整个连贯一体的K-12 年级的科学教育中予以呈现， 即学生在通过多年的学校教育，积极投入到科学和工程实践、应用跨学科概念去加深对各领域的学科核心概念的理解。用新角度的科学和工程教育为科学课程标准的发展提供了建议。

新《框架》研究理事会还认为：“现行《国家科学教育标准》详细列出了琐碎的、互相之间没有联系的知识清单，导致我们学习的科学课程是‘一英里长，一英寸深’，忽视了科学知识之间的内在逻辑性和一致性。 ”[2]学生学习科学并不是为了记住一些零散的、毫无内在逻辑关系的知识点。 同时，将科学与生活脱离，既降低了学生对科学的学习兴趣，也使科学学习一直收效甚微。 因此，新《框架》中明确指出，“本《框架》目的是：引导课程标准开发的人、课程设计人员、课程评估人员、国家和地区的科学管理员，专业科学教师教育的人，在非正式环境中工作的科学教育工作者”。 新《框架》预期目的是指导美国《国家科学教育标准》的发展，以指导修订与科学相关的课程、教学、评估，帮助发展职业教育工作者。 总体目标是确保在12 年级结束时，所有学生能鉴别美和质疑科学，拥有关于科学和工程的足够认识去参与讨论与公众有关的问题，了解日常生活中科学和技术相关信息，能够在校外继续学习科学，并有能力选择自己的职业，包括在科学、工程、技术方面的职业。

二、新《框架》的主要内容与特点

（一）新《框架》的主要内容

新《框架》围绕着“科学与工程实践”“跨学科概念”和“学科核心概念”三个维度的内容对科学教育进行展开，三者相互独立而又紧密联系。 学习的主要载体是核心概念，穿插着跨学科概念以及科学与工程实践的内容，以形成完整的知识体系，向学生展示知识的形成，观念与能力循序发展的过程。 同时，将“学习进阶”贯穿于12 年级的科学教育中，不断地引导并监控着科学学习过程。

1.科学与工程实践：科学学习的基础

科学与工程实践是新《框架》第一维度的内容。 当前，科学教育虽然已提出将科学探究作为科学课程的核心，但在教学过程中仍然不够注重实践过程，而仅仅关注到学生对科学知识的掌握，以便应付各种考试。 学生们很少能够理解他们所学的知识究竟是如何得到的，也使得他们对科学实践的本质更加难以把握。因此，新《框架》用“科学与工程实践”代替了原有的“科学实践”，真正实现了在做中学。新《框架》中确定了8 种科学与工程领域实践的内容：分析和解释数据；建立和使用模型；设计和实施调查；分析和解释数据；使用数学与计算的思维；构建（科学）解释和设计（工程）解决方案；从事基于证据的辩论；获取、评价和交流信息[3]。

科学与工程实践是科学学习主要的学习方法。在参与有关工程内容的实践过程中，学生能够检查自己所学到的科学知识是否完善，培养运用所学知识去解决实际问题的能力，并对科学以及工程之间关系有进一步的理解，提高了实践能力和创造能力，也激发了学习科学与工程的兴趣。并且，经历了与科学家相似的工作， 将所学运用到生活实际中，更激发了学生持续学习科学与工程的动机。

2.跨学科概念：学科联系的桥梁

跨学科概念是新《框架》第二维度的内容，主要指一些被普遍用在科学与工程实践中的概念，有加强知识之间联系的作用。 跨学科概念作为学习核心概念的辅助延伸方式，能够有效促进对后者的理解、认知及掌握。 同时，它也巩固了各个学科之间的联系，使学生能够对科学有一个整体、连贯的认识。 细分为模式，原因和结果（机理和解释），尺度、比例和数量，系统和系统模型，能量和物质（流动、循环和守恒），结构和功能，稳定和变化7 个跨学科概念[4]（详见表1）。 跨学科概念的意义是伴随着年级慢慢提高，以学生的“做”科学作为评测的重点。

新《框架》中明确提出科学的学习应该以生成性的概念为中心，在实践中展开。 跨学科概念是工程学、 生物学、 生命科学和地球与空间之间的桥梁，科学教师在进行核心概念的教学中，将跨学科概念融入课程中，与各学科的知识有效地融合，体现了科学课程的综合性及内在联系，而不是单独进行跨学科概念的教学。

表1 跨学科概念及其价值[5]

（续表1）

3.学科核心概念：科学学习的脉络

学科核心概念是新《框架》第三维度的内容，指的是学科中若干重要的概念，是学科学习的基础，是复杂概念理解与研究的基础。 与原有知识内容相比，新《框架》增加了工程方面的内容，提出了相应的核心概念（见表2）。

核心概念的学习帮助学生对知识建构有意义的理解，形成对科学更灵活、广泛而深入的理解，也将新知识间建立了框架，为之后的学习打下基础。 各个核心概念的目标随着年纪的增长而逐渐加深，使学习进程更丰富、深刻。

表2 学科核心概念[6]

4.学习进阶：科学教育的动力

面对科学教育实践中发现的现行科学课程标准中存在的“广而不深”、知识点庞杂、评价体系不规范等现象，科学教育研究院不断积极探索，试图寻找新的方法或途径，帮助学生掌握科学知识、提高能力。 不过，目前尚无对学习进阶的统一定义，有文献将它定义为： 学生关于某一核心知识及其相关方法、技能、实践活动在一段时间内进步发展的历程[7]。 揭示了学生在学习或者研究某项内容时，对该内容的理解与思考。

学习进阶是从学生对科学的好奇心与求知欲以及在生活或学习中所获得的前概念出发， 将主要学习的内容定为学科核心概念的相关知识，加之以跨学科概念的整合和科学与工程实践的协助，使学生思维、能力逐步发展。 用一个核心理念贯穿于4 个学段，从简单到复杂，从朴素到科学，从生活到学科，从宏观到微观，使学生的知识形成一系列流畅的链条，学习能力逐渐提高，逐步形成本质性的理解。 表3 列举了“生物的结构和功能”学习进阶的课程内容。

表3 “生物的结构和功能”学习进阶的课程内容[8]

（二）新《框架》的特点

通过对美国新《框架》的研究目的及内容等的深入分析，不难发现其具有以下三个特点：

1.整合四大学科

新《框架》整合物质科学、生命科学、地球与宇宙科学和工程技术实践四个领域的内容来帮助改变当代学生知识体系零乱、浮于表面的现状。 核心概念的精简为学生节约了更多的时间去探索发现，也有助于系统的科学概念体系的建立。

特别是工程技术的首次引入，为科学教育奠定了良好的基础。 美国的STEM 项目，充分证明了国家实力的增强与科学、工程、技术有着密不可分的联系。 正如新《框架》中所说的：“科学教育主要关注劳动的成果——科学事实，而不注重这些科学事实是如何获取的，或者忽略科学在真实世界中的应用。 这样的科学教育错误地表征了科学，同时使得工程的重要性被边缘化。 ”[9]可见，增加工程技术这部分学习内容后， 学生能够回到真实的世界中，应用和巩固所学知识，解决实际的问题。

2.突出科学实践

“科学学习以探究为核心”“做科学”等观念，都显示了各个国家重视科学实践，希望学生的科学素养能通过有效的实践活动来得以提高，是众人所努力的方向。 新《框架》便找到了一条有效途径：将实践与工程技术进行结合。 科学实践是学生理解所学知识并进行实际运用的有效方法，将工程学知识加入其中，使学生更能了解工程师的工作内容及科学与工程间的关系，加深他们对学科核心概念和跨学科概念的理解，也使他们所学习的知识更加富有现实意义。

3.学习进阶的统整

学习进阶贯穿于科学教育的整个K-12 年级，在不同的阶段都会有相应水平的学习内容，并随年级逐步提高，以“链条”的形式统整科学学习体系。 从表3 我们可以看出，学习进阶将许多相关的知识进行了有机的串联； 学生在逐级学习的过程中所学习和掌握的知识也有着循序渐进的过程，从基础知识到科学悖论，从生活实际到科学学科，从表面到内部，逐步形成了深入的、系统的、更接近本质的科学知识体系。 新《框架》确定了各个学段对科学概念和实践的学习目标要求，这些学习目标的难度随着年级的递增而逐步提高，这很好地体现了学习进阶的理念。

三、我国新《科学课程标准》与新《框架》的比较

《课程标准》引领着课程设计，为此有必要将我国新《科学课程标准》与美国的新《框架》进行比较。 由于当前我国初中科学教育（除浙江省之外）为分科教育，所以这里将选取我国小学的《科学课程标准》（3-6 年级）。 具体见表4。

表4 我国小学科学课程标准（3-6 年级）与美国新《框架》的内容结构比较

从内容比较来看，新《框架》比我国的课标中 多了“工程、技术与科学应用”模块的内容，新《框架》将科学分为“物质科学”“生命科学”“地球与空间科学”“工程、技术与科学应用”四个领域。 而且每部分内容下都细分了若干个学科的核心概念，知识在下设的核心概念中展开，在跨学科概念中联结。

从结构的比较可以看出，我国的科学课程标准较新《框架》更为基础，但缺乏体系，而新《框架》则较为延续和生成。 我国科学课程中核心概念间较独立，单元之间联系不强，学生建构的知识体系也较为凌乱，难以层层深入地思考问题的科学本质。 而新《框架》则是整个12 年的教学体系（从幼儿园到高中）。 以学习进阶作为线索，学生在接受12 年的科学学习的过程中，紧紧围绕着核心概念展开，慢慢细化与深入，将新知识整合到已有的知识体系中，有助于加深对知识、学科的理解，激发进一步的学习兴趣。 并且，我国的科学课程标准中明确指出：“科学教材内容的整合应力求体现科学整体的思想”，“科学教材整合时，并不要完全打破分支领域的界限，但在内容上，应注意不同学科的知识和技能间的贯通和连接”。

从学科间的横向联系看，我国的科学课程内容虽然分为“物质科学”“生命科学”“地球与空间科学”，内容间关联度不高，科学知识之间的联系与渗透作用不强。 学生仍是按不同教师所讲授的几个方向的内容进行理解，学生实际运用知识的能力也有待进步。 而新《框架》中着重提出了跨学科概念这一维度的内容，它与核心概念的结合，在很大程度上增强了各知识点之间的联系，使学生能够理解科学学习的思路，其主动性和自主学习的欲望得到激发，开拓了更深、更广的科学。

同时，在我国科学课程标准中明确科学学习方式以“科学探究”为核心。 通常分以下几个环节：观察事物；发现问题；猜想与假设；制定研究计划；实验并整理有用信息；得出结论；分享交流。 但由于课程时长等问题，学生在实际探究的过程中，只能执行以上的几个部分，而且探究的内容是老师事先设计好的科学问题，而缺少学生自己感兴趣及应用知识解决实际问题类的课题。 新《框架》在一定教学条件和基础上提出，科学学习的主要方法是“科学与工程实践”，它不仅向学生展示了知识的来源，也让学生理解了实践的意义，将知识与生活实际相结合。 同时，强调学生要亲自参与和体验各种活动，以从中深刻理解核心概念，探究仅仅是实践的形式之一。 因此，新《框架》增加科学与工程实践具有较高的价值。

四、新《框架》对我国科学课程改革的启示

从我国科学教育发展历史来看，国内有大量教育工作者围绕科学课程改革面临的问题、 对策等进行了各种调查、分析与讨论，也取得了一定的成就。 但是，不同学科如何实现内在统一，小学、中学的科学概念如何循序渐进，形成阶梯型的体系等问题还需进一步解决。 对美国新《框架》的研究给逆境中的我国科学课程改革提供如下启示：

（一）加强核心概念的引领作用

分析与比较我国科学课程（3-6 年级）、科学课程（7-9 年级）和高中的分科内容，不难发现：有一些内容简单重复，有一些内容跨度大，甚至部分小学内容的要求比中学还高。 究其原因有二：一是中小学课标的研制者各自为阵， 互不参与， 互不借鉴； 二是无论小学还是中学的课标都没有对各阶段学习的科学核心概念加以界定和论证。 科学教育的内容理应先建立核心概念，再由核心概念分解出主要概念，再根据主要概念确定和选择教学内容，这是一种合理的通整方法，很好地避免了以上出现的问题。 当然我国科学课程的核心概念不一定与美国新《框架》中所建构的一样，因为我国科学教育的课程与美国不同，更加复杂，小学阶段是科学课程，而初中阶段只有浙江省开设综合科学课程，其他省市又是分学科教学，高中阶段都是分学科。 所以，要在中小学科学教育中建立核心概念，首先，应该考虑小学、初中和高中分科课程之间的承接与延续性，使得初中内容是小学内容的补充，高中分科内容是初中内容的提高和深化。 所以小学、 初中和高中的核心概念从难易程度上应形成阶梯，层层提高。 其次，学科核心概念不必多，须精而少。 过多的核心概念既增加学生负担又破坏知识的连贯性，不利于学生的学习掌握。 最后，建立在科学的核心概念下面的主要概念之间要充分体现内在联系，教学的内容应呈现螺旋上升。 让学生通过不断的学习对知识点进行补充与完善。知识的教学内容适合并促进着学生的发展， 让他们可以用已经学过的知识经验去解决生活中的实际问题，产生学习科学的兴趣。 当然，不同的学科之间相同的知识也要保持一致性，学生可以在不同的情境中对学习的知识进行运用，加深理解。

（二）以“学习进阶”贯穿知识体系

新《框架》中最新提出的学习方式是“学习进阶”， 用来使学生12 个年级的科学知识形成一个统一、连贯、深入的结构。 传统教学中普遍存在课程内容涉猎广泛而知识间连续不足的现象，学生对知识的理解与掌握都是亦步亦趋，流于表面，识记凌乱的知识以应付各类考试。 而“学习进阶”可以让学生持续、逐步地对核心概念进行理解，通过慢慢深入的思考、探索、实践与应用，以避免传统科学教学中的弊病。

贯穿核心概念的学习进阶方式，可以时刻提醒着教育工作者尽量避免让学生记忆一些零散的信息或是知识，应帮助孩子们在大量的生活实例中理解和概括出核心概念，重视将前概念或课上掌握的知识应用、迁移到新的问题情境中。同时，也是给教育研究者们探索新的学习方法提供了一定的指导。学习进阶比较符合现代学生的认知发展规律，可以帮助学生形成较为完整、顺畅的知识结构体系。

（三）在科学课程中增加知识应用的内容

我国科学课程存在重视科学知识的学习，忽视科学知识的应用，导致培养的人才缺少创新能力，无法适应现代科学技术的发展。 科学知识的应用属于工程技术领域的层面，两者相互依存，科学理论知识体系指导着工程技术的创新与进步，而工程技术的进步推动生产力的发展的同时又促进科学理论的完善。 在21 世纪科技飞速发展的今天， 几乎每一个公民都需要使用工程技术来解决问题，如大型设备、网络、手机等一些工程领域的项目， 而工程技术进步也决定了一个国家的综合实力。 我国科学课程教育基础阶段研究的三大内容是物质世界、生命世界和地球与宇宙，关于工程实践却涉及甚少。 到了中学阶段，增加了“通用技术”课程，其中也包含了部分工程设计的内容，如自制小板凳的活动等。 但该课处于选修课的边缘位置，往往不会引起学生们高度重视。 为了改变这一现状，我们可以借鉴新《框架》中的科学教育理念，将工程技术教育提上日程，与科学核心知识结合，共同提高学生的工程技术学素养和科学素养。

（四）把实践和跨学科概念融入科学课程

科学课程是一种综合课程， 包含着生物、物理、化学、天文学及工程技术等多学科，而我国现行的科学教育的中学阶段采取分科教育为主（7-9年级除浙江省外），把本应属于综合课程的学科知识相互割裂，导致现在的学生对科学知识的内在本质联系认知不足，缺乏对各学科知识的融会贯通，特别是在应用科学知识解决实际问题、需要技术创新等方面显得能力低下，后劲不足。

新《框架》中的核心概念与我国科学课程中的基础知识相当，将工程实践和跨学科概念融入其中，可以为我国科学课程建设过程中存在的这些问题提供可借鉴的思路。 以跨学科概念加强分科后的科学知识之间的联系， 实现科学本质的内在统一。 跨学科概念比较详细地提出了学生对知识的理解要求与规范，也在很大程度上为学科之间搭起了桥梁，帮助学生逐步培养分科和综合科学素养，更容易找到不同学科之间的共性。 但是，跨学科概念的成功要建立在知识与实践相结合的基础上，通过实践能够让学生亲身体验各种活动，体会科学学习的特点和乐趣， 从而深刻理解科学概念。 当然，在融入新的内容之前，我国的科学基础知识应该有所精简，将与学生生活息息相关的、发展科学素养所必须具备的核心概念重点提出。

[1] 张颖之.美国科学教育改革的前沿图景——透视美国K-12 科学教育的新框架[ J].比较教育，2012，（3）.

[2] National Research Council. A Framework for K -12 Science Education： Practice, Crosscutting Concepts, and Core Ideas[M].Washington, D.C.：the National Academies Press，2011.

[3] Weil, Patrick David. Professional Development Experiences of Indiana K-12 Public School Teachers： Evidence from the SASS 2007-2008 [D]. Kalamazoo： Western Michigan University，2011.

[4] 马勇军，吴俊明.科学教育概念辨析[ J].天津教科院学报，2006，（8）.

[5] 谢绍平，董秀红.美国新《K-12 科学教育框架》解读[ J].外国中小学教育，2013，（3）.

[6] 杨文源，刘恩山.美国K-12 科学教育框架中对生物学核心概念的关注及其启示[ J].生物学通报，2013，（48）.

[7] 李佳涛，王静，崔鸿.以“学习进阶”方式统整的美国科学教育课程——基于《K-12 科学课程教育框架》的分析[ J].外国教育研究，2013，（20）.

[8] 吴颖，吴畏.工程技术教育：美国K-12 科学教育框架中的新元素[ J].上海教育科研，2013，（1）.

[9] 胡恺岩，王祖浩.开启新一代的科学教育——美国《K-12年级科学教育框架》评述[ J].化学教育，2012，（9）.

[10] 中华人民共和国教育部. 初中科学课程标准 （9-12 年级）[S].北京：北京师范大学出版社，2001.