美国《下一代科学教育标准》的出台背景及其对科学教育的导向

● 杨文源 刘欣颜 刘恩山

面对日益激烈的国际竞争，美国各界始终秉持强烈的危机意识，并长期将公民的科学教育置于决定国家竞争力的战略高度。[1][2][3]《下一代科学教育标准》（Next Generation Science Standards，NGSS）的研制和出台更是美国积极应对未来挑战的一项划时代工程。

一、《下一代科学教育标准》是时代发展的产物

20世纪80年代，美国的教育政策由精英教育向全民教育转型，学校的入学人数迅速增加，但教育系统并没有做好充足的准备，缺乏规范的学校课程标准和有效的学业水平评价机制，教育质量显著下降。在这种情况下，美国国内掀起了学校教育的标准化运动，从联邦政府到各州政府以及学术机构甚至是学区和学校都着手制定教育标准。[4]然而，美国各州、各学区在教育决策上有很强的自主权，使得各地区教育质量参差不齐。为此，联邦政府通过颁布法令、建立问责机制以及制定国家层面的教育标准来增强对学校教育的管理力度。[5]1996年，美国国家研究理事会（National Research Council，NRC）发布《国家科学教育标准》（National Science Education Standards，NSES），这是美国历史上第一部全国性质的科学教育标准，也是当时美国科学教育改革的核心指导文件。[6][7]

到2010年，NSES已经在美国施行了15年，时代的发展给科学教育标准带来了改进的空间：[8]一是科学、工程学、技术几乎渗透到现代生活的各个方面，未来公民需要具备这些领域的基本知识和技能，专业技术人员更是需要具备这些领域扎实的功底；二是科学教育领域积累了丰富的认知学、心理学、教育学理论和实践研究成果；三是标准化运动带给公众追求学业标准的紧迫感，社会教育观被考试成绩所左右，学校课程内容宽泛而不求深入理解，引发了科学教育领域期待“少而精（less is more）”的思考。与此同时，其他国家的发展和崛起又一次加剧了美国人的民族危机感：[9]一是美国在世界经济领域的领先地位正在被其他竞争国家赶超；二是美国学生在国际测评项目（Programme forInternationalStudentAssessment，PISA; Trends in International Mathematics and Science Study，TIMSS）中的成绩排名落后于多个国家，在本国的学业成就评测项目（National Assessment of Educational Progress，NAEP）中的成绩呈下降趋势；三是决定未来国家经济实力的支柱产业需要更多的科学、技术、工程学、数学专业的人才；四是知识经济时代的公民需要通过接受科学教育来获取应对能源短缺、流行病传播等社会问题的科学和技术素养。

时代的发展促使美国再次筹划科学教育改革。美国国家研究理事会 （NRC）联合全美科学教师学会（National Science Teachers Association，NSTA）、美国科学促进会（American Association for the Advancement of Science，AAAS）、达成公司（Achieve Inc）召集相关学科领域科学家、认知科学家、科学教育研究者、科学教育标准和政策专家、诺贝尔奖获得者组成专家委员会，共同启动了下一代科学教育标准的研发工作。2010年9月，达成公司对10个国家的科学教育标准进行了国际比较研究，为新课标的研发提供了国际视角的借鉴和准备。[10]2011年7月，组委会完成新课标研发第一阶段的工作，发布 《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念、核心概念》（A Framework for K-12 Science Education:Practices， Crosscutting Concepts， and Core Ideas;以下简称《框架》）。 之后，组委会以 《框架》为蓝本展开第二阶段的工作，于2013年4月发布《下一代科学教育标准》，新课标研发工作正式完成。NGSS以表现标准（Performance Expectations，PEs）来陈述学生学习以后应达到的水平，并通过工作单的形式将《框架》中论述的科学与工程学实践、学科核心概念、跨学科概念3个维度对应整合在一起，同时还标明了与其他学科、本学科前后的核心概念、语言艺术和数学通用标准的联系（见图1）。伴随着NGSS的出台，组委会先后发布了一系列相关附件，以指导和辅助对NGSS的理解和使用。[11]

图1 NGSS的呈现形式

二、《下一代科学教育标准》引领未来科学教育方向

NGSS的出台不仅标志着美国新一轮科学教育改革正式拉开帷幕，而且还在世界科学教育领域掀起了关注热潮，引领了国际科学教育的研究方向。截至目前，NGSS发布一年的时间里已经有多本关于NGSS配套资源、评价设计、实施方案的图书出版，在国际学术年会中也已经出现一系列关于NGSS和《框架》的研究。[12][13]可以预见的是，未来相当长的时期内会不断涌现更多关于NGSS的研究，世界各国的科学教育改革也会以NGSS作为重要参考。

NGSS以培养21世纪有竞争力的人才为出发点，融合了社会发展对人才的需求、近15年来科学教育领域的研究成果以及NSES的实施经验和教训，最终形成了以学生表现为特点的科学教育标准。这套标准不仅规定了学生的学习目标，实质上也反映了21世纪对人才的需求，为未来科学教育的发展指示了方向。

（一）科学教育应适应社会对STEM人才的需求

随着科学、技术的迅猛发展，STEM（Science，Technology， Engineering， and Mathematics） 人才逐渐成为决定国家创新力和竞争力的主导群体，职业岗位对STEM人才的需求量也越来越大。美国商务部（U.S.Department of Commerce）报告显示，2000—2010年美国STEM岗位数量增加了7.6%，是同期非STEM岗位数量增长速度的3倍；截至2010年，美国每18名在职人员中就有1名从事STEM工作；预测到2018年，STEM岗位数量将比2008年增长17%。[14]但是，由于人才的缺乏，STEM职位出现了很大的空缺。[15][16]因此，社会发展需要学校教育培养出更多能够胜任STEM职位的人才。美国联邦政府在2015年的财政预算中再次强调STEM是面向21世纪的重要素养，美国需要更多的STEM人才，所以对STEM教育的预算较2014年提升3.7%，进一步加大学校STEM教育的支持力度。[17]

促进STEM教育的发展以及科学（S）、技术（T）、工程学（E）、数学（M）四个方面在K-12年级学校教育的结合成为STEM人才培养的重要环节。[18]NGSS将工程学融入科学教育当中，把工程学设计（Engineering Design）和科学探究（Science Inquiry）融合为 “科学和工程学实践 （Science and Engineering Practices）”，作为科学教育标准的一个维度，并在这个维度中渗透技术的相关内容。以实践活动（Practices）替代并扩展了NSES中科学探究活动（Inquiry）的内涵，界定了8个类别的重要实践活动，这一方面能够更加恰当地将工程学融入到科学课堂的学生活动中，另一方面有助于强化、扩展“科学探究”在理科课程中的地位。另外，NGSS在 “学科核心概念（Disciplinary Core Ideas）”这一维度中，除了梳理物质科学（包含物理和化学）、生命科学、地球和空间科学这3门传统科学学科的核心概念外，还新增了“工程学、技术和科学应用 （Engineering， Technology， and Applications of Science）”的学科核心概念，这就进一步实现了STEM教育中的科学、技术、工程学在科学教育中的融合和渗透。此外，NGSS的附件L中还专门陈述了该科学教育标准与通用数学教育标准的一致性和联系性，体现了与数学教育的结合。

NGSS在标准的制定上力求科学与技术、工程学、数学的融合，以适应社会对STEM人才的需求，为世界其他国家通过学校科学教育来加强STEM人才的培养展示了良好的范例，也为科学教育领域关于STEM人才培养的研究和实践开拓了方向。

（二）课程知识的选取和构建需要考虑学科本身的蓝图

伴随着20世纪50、60年代欧美各国对行为主义教育思想的反思，以转变传统的注重机械式记忆的教学模式为目标的基础教育改革浪潮风靡全球，科学教育领域兴起了以学生为中心的尊重学生学习主体地位的教学思潮。但是，关于知识中心 （Knowledge-Centered）、学生中心（Learner-Centered）、评价中心（Assessment-Centered）的争议也随之而来。[19]

就课程知识的选取和组织而言，NGSS在其第一阶段的成果《框架》中给出了明确的观点：每个学科都存在一些关键的、基本的普适性原理，对这些原理的理解将有助于构建起良好的学科知识架构，从而有助于理解更加复杂、深奥的概念以及解决实际生活中的问题，这些普适性原理就是学生在学习过程中应当深入理解的学科核心概念。[20]比如，物质科学需要学生深入理解的核心概念包含4个方面，“物质及其相互作用”、“运动和稳定： 力和相互作用”、“能量”、“波及其在信息传递技术中的应用”；生命科学需要学生深入理解的核心概念也包含4个方面，“从分子到生命体：结构和过程”、“生态系统：相互关系、能量、动态”、“传代：性状的遗传和变异”、“生物进化：统一性和多样性”；地球和空间科学需要学生深入理解的核心概念包含3个方面，“地球在宇宙中的地位”、“地球系统”、“地球和人类活动”；工程学、技术、科学应用需要学生深入理解的核心概念包含2个方面，“工程学设计”、“工程学、技术、科学、社会之间的联系”。这些核心概念既反映了相应学科的整体蓝图，又是学生进一步学习的基础和重要工具。

综上所述，NGSS告诉我们，在制定标准时，知识内容的选取和构建需要重视学科本身的蓝图和架构，从知识内容出发规定学生应当深入理解的核心概念。

（三）知识与实践的结合应当贯穿科学教育的各个环节

在20世纪60年代对行为主义教育思想的反思中，科学探究被引入到科学教育领域并受到高度重视，众多科学教育研究者围绕探究式的教和学展开研究。美国第一部全国性的科学教育标准NSES还将科学探究作为内容标准中的一个独立主题，明确规定各个年级阶段学生应当达到的水平。但是，在大力推行科学探究的过程中，在有些课堂出现了误区，一些教师甚至是学者认为实施科学探究就是完成一系列的操作过程，可以将探究过程和科学知识分割开来，先学习探究过程，再将之应用于学科主题上，这样的误区大量出现在教师的实际教学中。[21][22]我国一线教师在教学过程中也存在将科学探究和知识内容分割开来的情况，并导致科学探究相对于知识内容而言成为额外的教学负担。[23]

NGSS融入了工程学内容，将探究活动扩展为整合了科学探究和工程学设计的实践活动，并以工作单的形式来呈现标准，把科学和工程学实践与学科核心概念对应整合在一起，强调学生应当通过科学和工程学实践来深化对学科核心概念的理解以及对重要实践技能的锻炼。此外，NGSS对知识和实践相结合的高度重视还体现在以表现标准来陈述学生的学习目标，改变了过去将知识目标和能力目标分开陈述的方式，通过表现标准融合了知识和技能的陈述方式来说明学生学习之后应当能够理解什么知识以及能够做到什么事情。

知识和实践结合才能为学生提供深入理解核心概念和发展重要技能的机会，否则对知识的教学就容易停留在单纯的背诵记忆的水平，而“动手”则变成为了活动而活动的无意义行为。要想真正实现知识和实践的结合，必须在标准制定、课程设置、实际教学、评价设计等科学教育的各个环节都贯穿知识和实践结合的思想。如何落实科学知识和科学实践相结合的思想，也是值得课程、教学、评价等各方面学者关注和探讨的议题。

（四）通过学习进阶来构建核心知识和发展重要实践技能

20世纪末期，过度追求考试成绩而导致学校课程内容宽泛不求深入理解的现象，引发了科学教育领域关于学生所需知识的深度和广度的讨论，最终，强调应当帮助学生深入理解核心概念的“少而精”观点得到广泛认同。NGSS在其内容选取上充分地体现了少而精的观点：“学科核心概念”维度，每个学科聚焦2-4个本学科最核心的概念；“科学和工程学实践”维度，界定了8类对所有学生都非常重要的实践活动；“跨学科概念”维度，界定了7个打通学科界限的、对科学和工程学的很多领域都有很强解释力的概念。

近年来，“学生需要持续的学习机会才能构建起对世界的深入认识”这一观点在科学教育领域盛行，并发展形成了学习进阶 （Learning Progression，LP）理论。[24]NGSS在标准内容的组织上，通过学习进阶的方式，按照年级的增长逐步深化对学生表现标准、学科核心概念、科学和工程学实践、跨学科概念的要求，充分反映了打造K-12年级连贯一致的学生培养体系的改革意图。

综上所述，NGSS在标准内容的选取和组织上突出了少而精观点和学习进阶理论的结合，强调通过学习进阶来帮助学生构建起对核心知识的理解和发展重要的实践技能。如何在课程、教学、评价当中落实少而精观点和学习进阶理论，也是未来科学教育领域值得关注的研究议题。

NGSS吸纳了科学教育领域的重要研究成果，反映了科学教育领域的普遍共识，不仅是美国各州教育质量均衡发展的保障，同时也为世界各国科学教育改革提供了新的参照。作为教育标准，NGSS规定了学生学习之后应当能够达到的表现预期，强调对学生学习目标的要求，但它并不是课程（curriculum）或教学方法（teaching and learning approach），也不是评价手段（assessment approach）。因此，围绕NGSS展开课程开发、教学方法、评价手段的研究将会成为未来科学教育领域的热点议题。

[1]The White House.National Security Strategy[Z].Washington:The White House， 2010，2， 28-30.

[2]The NationalCommission on Excellence in Education.A Nation at Risk:The Imperative for Educational Reform （A Report to the Nation and the Secretary ofEducation， United States Department of Education） [R].1983，5-7.

[3]Achieve Inc..Attitudes Toward Science Education:Key Findings From A National Survey[EB/OL].http://www.achieve.org/files/AttitudesTowardScienceEducationv6.pdf.

[4]Schwartz Robert B.，Robinson Marian A..Goals 2000 and the Standards Movement[J].Education Policy， 2000，173-206.

[5]傅添.论NCLB法案以来美国教育行政管理体制的改革趋势[J].外国教育研究，2012，（2）.

[6]National Research Council.National Science Education Standards[M].Washington D.C.:National Academy Press， 1996，11-17.

[7]Karen S.Hollweg，David Hill.What Is the Influence of the National Science Education Standards?Reviewing the Evidence，A Workshop Summary [M].Washington D.C.:The National Academies Press， 2003，39-118.

[8][20]NationalResearch Council.A Framework forK-12 Science Education:Practices， Crosscutting Concepts， and Core Ideas[M].Washington D.C.:The National Academies Press， 2012:ix，1-21，25，30-33.

[9]StrategicPartnersGrouponNGSS.TheNeedforNew Science Standards[EB/OL].http://www.nextgenscience.org/overview-0.

[10]Achieve Inc.International Science Benchmarking Report-Taking the Lead in Science Education:Forging Next-Generation Science Standards[R].2010，8-13.

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[13]NationalAssociation forResearch in Science Teaching.Awakening Dialogues: Advancing Science Education Research，Practices and Policies [A].Pittsburgh: NARST 2014 Annual International Conference， 2014，13，43，45，47，51，58，74，110.

[14]David Langdon， George Mckittrick， David Beede， et.al..STEM:Good Jobs Now and for the Future [R].Washington D.C.:U.S.Department of Commerce， 2011，2.

[15]Committee on NGSS.Appendix C–College and Career Readiness[EB/OL].http://www.nextgenscience.org/sites/ngss/files/NGSS%20Appendix%20C%20Final%20072613.pdf.

[16]USA Education News.Companies Say 3 Million Unfilled Positions In Skill Crisis:Jobs[EB/OL].http://usa.educationnews.com/2012/07/25/companies-say-3-million-unfilled-positions-in-skillcrisis-jobs.

[17]The White House.Preparing Americans with 21st Century Skills:Science， Technology， Engineering， and Mathematics （STEM）Education in the 2015 Budget[EB/OL].http://www.whitehouse.gov/sites/default/files/microsites/ostp/fy_2015_stem_ed.pdf.

[18]MargaretHoney， Greg Pearson， HeidiSchweingruber.STEM Integration in K-12 Education:Status， Prospects， and an Agenda for Research[M].Washington D.C.:The National Academies Press， 2014，2-11.

[19]John D.Bransford， Ann L.Brown， Rodney R.Cocking.How People Learn: Brain， Mind， Experience， and School（Expanded Edition）[M].Washington D.C.:National Academy Press，2000，131-140.

[21]Biological Science Curriculum Study，National Institutes of Health， NationalInstitute of General MedicalSciences.Doing Science:The Process of Scientific Inquiry[M].Colorado Springs:National Institutes of Health， 2005，28.

[22]Claire Reinburg， JenniferHorak， Andrew Cooke.The NSTA Reader’sGuide to “A Framework forK-12 Science Education: Practices， Crosscutting Concepts， and Core Ideas”（Expanded Edition） [M].Arlington:NationalScience Teachers Association Press， 2012，12.

[23]杨文源.高中生物学课程标准教科书的评价研究[D].北京:北京师范大学，2014，146，181-183.

[24]Tom Corcoran， Frederic A.Mosher， Aaron Rogat.Learning Progressions in Science:An Evidence-based Approach to Reform[R].Consortium for Policy Research in Education， 2009，15-24.