将科学本质教育落实到科学课堂实践中*——基于美国新一代科学教育标准中科学本质的启示

●康 琪

将科学本质教育落实到科学课堂实践中*
——基于美国新一代科学教育标准中科学本质的启示

●康 琪

从20世纪60年代开始，科学本质被认为是科学素养的重要组成部分；很多国家将科学本质作为重要的科学内容标准，对学生进行基于科学本质的科学教育。鉴于国际上对科学本质的研究存在一定的分歧，本文介绍了美国最新颁布的科学教育标准（NGSS）中有关科学本质的内容，以及基于NGSS的科学本质教学设计思路，提出对我国当前科学教育改革中教师教育、课程标准修订和科学教育提出建设性意见。

科学本质；NGSS；美国科学教育；科学课堂实践

从20世纪60年代开始，科学本质被认为是科学素养的重要组成部分；科学本质成为科学教育的永恒话题[1]。美国自2013年颁布新一代科学教育标准（NGSS），将科学本质的教育内容融入课程内容中，建立了与“科学与工程实践”和“跨领域概念”之间的联系。如何对学生开展基于科学本质的科学教育？科学教育界需要有明确的科学本质概念，科学教师不仅需要理解科学本质的内容知识，还需要具备科学本质的教学知识，并具备开发科学本质教学资源的能力，实现教师对科学本质的理解向科学本质课堂教学实践的转化。鉴于国际上对科学本质的研究存在一定的分歧，本文介绍了美国最新颁布的科学教育标准（NGSS）中有关科学本质的内容，以及基于NGSS的科学本质教学设计思路，提出对我国当前科学教育改革中教师教育、课程标准修订和科学教育提出建设性意见。

一、当前科学本质研究的现状和存在的主要问题

我国新一轮科学改革中，将科学素养、科学本质做为重要的科学教育目标，但是科学课程标准中缺少对科学素养、科学本质的内涵界定、操作性定义；我国对于科学本质教育的研究大多采用国外的理论框架[2]，而国际上从科学本质的概念界定到科学本质的测量，都存在一定分歧，甚至自相矛盾的观点。要在新一轮科学改革中实施基于科学素养提高和科学本质理解的科学教学，有必要明确科学教育中科学本质的内涵界定、与学校科学教育相关的科学本质的研究现状及其存在的主要问题。

（一）教师、学生的科学本质理解有待提高

从20世纪60年代开始，科学本质就被认为是科学素养的重要组成部分；上世纪90年代，美国科学促进会、美国国家科学研究委员会颁布的科学教育政策、文件中提出：所有年级应该进行科学本质教学。

提升学生科学本质理解的研究始于1950s；接着是对学生和教师科学本质的研究，促进学生和教师科学本质理解的课程和教学方式的研究；以及教师科学本质理解向课堂实践转化的研究，研究取得了一定进展。然而，全球范围的研究显示：小学、初中、高中和大学的学生和教师对科学本质缺乏深刻理解。不仅如此，越来越多的研究发现：教师和学生的科学本质理解是不够充分的、不够全面的、甚至混乱的。[3]

（二）科学本质研究存在的问题

McComas和Olson以美国、澳大利亚、英格兰（威尔士）、新西兰和加拿大等5个国家的8个课程标准为研究对象，从HPSS（科学史哲、科学社会学）和科学心理学的视角，分析其中有关科学本质的内容。结果显示：上述4个学科都与科学本质有关系，不同课程标准中科学本质的某些观点比较一致。[4]然而，科学史哲学家对科学本质的某些重要方面仍然存在分歧。胡扬洋通过比较科学哲学与科学教育领域的研究，认为“科学本质”不是科学哲学家频繁使用的术语，这一概念本身在科学哲学的意义上容易导致误解。[5]

美国、加拿大、英国、丹麦等各个国家的课程文件中强调学生对科学本质的理解。[6]但是，尽管科学教育标准要求进行科学本质教学，教师在其课堂中不一定实施。国家政策、标准对科学课程和科学课堂教学具有潜在影响，教师是课堂教学的实施者。教师如果缺乏对科学本质内涵理解，不具备开发科学本质教学资源的能力，基于科学本质的教学将无从谈起。

如何实现教师对科学本质的理解向科学本质课堂教学实践的转化？需要有明确的科学本质内涵界定，并为教师提供基于该科学本质内涵的科学教学设计与实施。

二、美国新一代科学教育标准中的科学本质

（一）美国新一代科学教育标准

自2013年4月，美国颁布了新一代的科学教育标准（Next Generation Science Standards，简称“NGSS”[7]），开始了国家、州和地区不同水平的教育改革。改革聚焦在教师专业发展、学校项目和评估等。Rodger W.Bybee[8]提出了理解NGSS中科学教育的5点变化：（1）理解“学科核心思想”、“科学和工程实践”以及“跨领域概念”这三个维度的相互作用；（2）认识学习进阶（Learning Progressions）；（3）包含工程实践；（4）强调科学本质（Nature of Science）；（5）协调科学与共同核心标准中数学等其他学科的关系（Common Core State Standards for English Language Arts and Mathematics（CCSS））。

NGSS是基于美国国家研究委员会在2012年的发布的报告《A Framework for K-12 Science Education》（NRC，2012）（以下简称《框架》）基础上，描绘了课堂教学、学生学习和未来教师专业教育等前景。而在《框架》中并没有直接包括科学本质的具体内容，经过美国各州和公众的反馈，明确并强烈表示需要包括对科学事业的理解，所以在NGSS中包含了科学本质的具体内容。

国内学者纷纷对NGSS编制的时代背景、基本框架和特点、学业评定系统[9]、对我国科学教育的启示、对未来科学教育方向的引领[10]等，进行全方位的研究和解读。胡玉华[11]以“生态系统”单元为例，对比了1996年科学教育标准和NGSS的表述，NGSS将对概念的理解转化为学生的具体表现，使得课程设计者和教师的教学有章可循；具体分析了“生态系统”单元在科学和工程实践、学科核心概念、跨学科概念这三个维度下的具体学习目标；以及该单元与学科内其他核心概念的联系、与数学的联系等。

郭玉英、姚建欣[12]等分析了1996年科学教育标准和NGSS中内容的联系。《前标准》中有包括科学的历史与科学的本质等八个独立叙述的部分，《新标准》中这些内容不是独立出现，是围绕表现期望整合出现的。郭玉英等认为，美国《新一代科学教育标准》体现“整合”这一科学课程改革的理念，恰当反映了真实世界中的科学和工程是如何实践的。郭玉英等分析了三大变化：（1）围绕大概念组织科学教育内容；（2）以表现期望为核心；（3）基于学习进阶（Learning Progression，LP），构建LP关系图。三大变化可以用“整合”概括：不同科学学习领域、科学教学内容之间的、科学本质与STSE（科学、技术、社会和环境教育）之间的、不同学科（如英语、数学）之间的“横向”的整合；以 LP为基础的、学生在K-12不同阶段认知发展的“纵向”整合。此外，郭玉英等介绍了科学本质教育的进阶矩阵，因为“科学本质教育我国读者相对陌生”，并以科学本质中“科学知识基于经验证据”这条核心概念为例，具体说明核心概念是如何随学习进阶的延伸进阶发展的。

历晶、郑长龙[13]等分析了NGSS中科学本质的教育内容、教育意义，并提出了应该将具体的科学本质教育内容写入到我国的科学课程标准中，科学课程选择共识性的科学本质教育内容等建议。

张殷、张红霞[14]认为：NGSS提供了不同课程模型的设计路线，强调还有众多其他模型，并邀请相关教师等参与模型构建的研究。“这种开放且愿意不断修正的态度正是科学本质的核心：根据新的证据，科学知识可能修改”。可见，NGSS不仅将科学本质作为重要的科学教育内容，NGSS本身也是遵循科学本质的编写过程。因为科学本质的核心之一就是：科学知识可能会根据新的证据进行修改。

（二）美国NGSS中的科学本质

科学教育标准最基本的思想就是描述清晰的、连贯的、可以理解的科学内容和科学能力。科学教师、科学教育工作者有必要对NGSS中科学本质内容进行深入学习、研究，理解NGSS中科学本质的内涵界定，以及基于此内涵的科学教学。这是实现教师对科学本质的理解向科学本质课堂教学实践转化的必要条件。

科学教育界在对“科学是什么”的回答中，一般认为科学就是人类用来解释自然世界的一种方式，是一系列实践和知识的历史积累。学习科学和工程实践、积累科学学科的基本概念是科学教育的重要组成部分。此外，学生应该发展对作为一个整体的科学事业的理解，包括引发好奇、调查研究、提出问题、数据收集、数据分析等。这为NGSS和科学本质之间建立了联系。

NGSS提倡学科核心内容，科学与工程实践，跨领域概念这三个维度。建立了科学本质与“科学与工程实践”和“跨领域概念”之间的联系。其中，与“实践”紧密相联的科学本质的要素有：科学探究使用不同方法；科学知识以实证的证据为依据，并随着新证据的发现进行随时修正；科学模型、科学定理、科学机理和科学理论可以用来解释自然界的各种现象。与“跨领域概念”紧密相联的科学本质要素包含如下4点内容：科学是一种认知方式；科学知识在自然系统中存在秩序和一致性；科学是人类的事业；科学用来解决自然和物质世界的各种问题。科学本质的每一个要素在K-12各个阶段有不同的要求，以K-2、3-5阶段为例进行介绍，如表1所示。

表1 小学阶段对科学本质的理解

可见，在NGSS中，科学本质内容与“科学与工程实践”和“跨领域概念”之间建立了紧密的联系。当科学本质融入课堂时，可以使学生通过科学与工程实践和跨领域概念，加深对自然界和人造世界的理解。当学生实施调查研究，开发模型，提出问题或者进行论证的时候，他们应该有机会思考他们做了什么以及为什么那么做。他们应该有机会将自己的方式与其他学生或者专业科学家的方式进行比较。通过这种反思，学生逐渐理解每一个实践活动的重要性，并提高了对科学本质的鉴赏能力。

NGSS对于如何实施促进科学本质理解的教学，提出如下建议[15]：

科学教师往往提出这样的问题：如何使实践的要素和跨领域概念共同帮助学生理解科学本质？假设学生们观察天空中月亮的运动，季节的变化，水中的相变或者有机体的生命循环。教师可以在通过以下步骤将科学本质教学落实到科学课堂实践中：（1）让学生们观察其模式并提出对原因和结果的解释；（2）学生在假设的解释基础上提出一个模型；（3）设计探究来检验模型 （在设计探究中，学生必须收集和分析数据）；（4）使用基于证据的论证来阐述解释。这样的经历和过程可以帮助学生使用它们实践的知识和跨领域概念来理解科学本质。

（三）以NGSS中科学本质为基础的教学设计思路

利用科学发展史中的真实案例是呈现科学本质的一种方法。科学史中的案例研究可以作为背景知识，促进学生对科学本质的深入理解，也可以促进学生基于学科核心思想的、对“科学与工程实践”和“跨领域核心概念”的理解，进而同时提高对科学本质的理解。关键是提供一个指导背景，通过理解系统、模型、模式、原因和结果、数据分析和解释、科学论证中证据的重要性、对自然世界的科学解释等内容，将策略与实践和科学本质建立联系。通过使用历史的和现代的案例研究，学生可以在更大的科学模型、定律、机理、理论的背景下理解科学的本质。

在设计指导的时，教师需要作出全面选择，明确什么时候可以通过学生反思自己的调查研究来建构对科学事业的理解，什么时候有必要让学生分析历史上的案例。

Lisa S.Fanning and Krista L.Adams[16]在教学中向学生呈现科学本质类型的问题（NOS-type questions）来提高学生对科学本质的理解。其开发的融入科学本质教学的教学设计，有以下几个步骤：（1）确定教学内容，使用的科学和工程实践、跨领域概念等内容；（2）NGSS中哪个科学本质要素可以有逻辑地加入课程中。设计了科学本质类指导问题，来回答以下3个问题：“原有课程中是否已经存在这些科学本质的要素？”“科学如何如何在该课程中对科学进行多个角度的呈现？”“学生如何模仿科学家在该领域的实践？”通过对这3个问题的追问，来确定哪些科学本质要素是教学活动中最合适的；（3）确定与科学工程实践和跨领域概念想联系的科学本质的要素；（4）基于已有知识回答上述问题，并搜集更多信息更好理解与科学本质的联系。

三、美国NGSS中科学本质对我国科学教育的启示

Lederman[17]对于中小学阶段应该教授的科学本质内容提出了一些具有共识的内涵，如科学知识的暂时性；科学知识的经验性与可验证性；科学观察是理论渗透的；科学知识本身是人类智慧的结晶，在科学知识产生过程中，人类发挥了想象力和创造力，并运用推理等思维过程；科学知识不是孤立的，与社会、文化等相互作用、相互影响。

然而，对于小学、初中和高中，需要学生理解和掌握的科学本质内容是不同的，科学本质的教学也应该是有所区别的。NGSS为K-12不同阶段科学本质教学提供了可以参考的内涵界定与概念的进阶发展。

（一）对教师教育的启示

科学教师是科学课程的实施者，科学教师具有怎样的科学本质观、自身的科学素养现状是基于科学本质的科学教学的重要前提，是学生科学素养提高的必要条件。在科学教师职前培养和职后培训中，融入科学本质教育相关内容。科学教育者、教师教育培训者需要在翻译、介绍国际上科学本质的研究进展中，关注基于科学本质的科学教学的实施情况、基于教师科学本质提高的教师教育项目设计和实施情况，并进一步结合我国科学教师教育的实际情况，开展有针对性的实证研究。进一步为我国的基于科学本质的科学教育提供实证数据支持、理论支撑和实践指导，以实现对科学教师科学本质的培养和培训，进而实现中小学学生（乃至大学生）科学本质理解、科学素养提升。

（二）对科学课程标准修订的启示

我国小学科学课程标准自修订以来，准确把握国际科学教育动脉，特别是美国NGSS颁布，对我国科学课程标准产生重大影响。在修订的小学科学课程标准中，内容编写关注科学“大概念”、科学核心概念，并加入“工程”相关要素。此外，可以借鉴NGSS中科学本质理解的内容，在小学、初中、高中各个阶段加入适合学生认知特点的科学本质教育内容。

明确界定科学本质是“谁”的科学本质，是教师还是学生应该理解的科学本质？是学生K-12阶段中哪一个阶段应该理解的科学本质？这样明确界定后，使学校K-12各个阶段的科学本质教育更加清晰、更有针对性，避免指代不清晰、避免照搬国外已有的科学本质量表进行“测量”。所有的“测量”和“评价”应该首先建立在清晰的概念界定的基础上。

参照NGSS对于K-12不同阶段科学本质概念内涵及其与科学工程实践、跨领域概念的融合，明确界定小学科学、初中科学、高中科学课程标准中的科学本质内容。

（三）对各阶段科学教学的启示

科学教育应该还原科学的本来面貌[18]。美国NGSS遵循“科学的本来面貌”，提出了“科学教育应该加强各学科的联系，因为真实世界的实践是各学科综合的”横向整合与“尊重儿童认知发展规律，构建K-12各个阶段科学概念的学习进阶”的纵向整合。

近些年，我国开始关注STEM教育，但对科学各个学科的相互联系的本质的理解仍处于借鉴国外理论和教学案例的水平，在中小学科学教学中，缺少体现学科融合、跨学科整合的常态科学课、常态STME课程，根本原因就是缺乏对科学本质、各个科学学科的学科本质的清晰认识。

在K-12阶段中，要重视对科学启蒙阶段，特别是小学低年级学生进行科学本质教育。Akerson[19]指出：过去对于5-9岁儿童是否真正理解NOS的各个方面有疑问，但是研究显示儿童可以从5岁开始建立对科学本质思想的理解。他们建议小学生应该先学习一些NOS中更加具体的方面，如科学知识基于实证等内容；然后再学习科学本质中抽象的方面（如创造性等）。

要从“本质”上认识科学教学，还原科学教学的本来面貌，需要科学教师、科学教育者从学科本质角度、以科学本质明确内涵为基础，对科学教育的目的、科学教学的价值进行追问，深刻理解科学教育中各个学科领域的“本源”问题，将科学本质教育落实到各个阶段的科学课堂实践中。

[1]王晶莹.科学本质观与科学探究的意义及实践——美国李德曼教授访谈录[J].全球教育展望，2008，（2）：3-6.

[2][5]胡扬洋.国际科学本质教育思想的回顾与慎思[J].课程教学研究，2016，（6）：38-41.

[3]Valarie L.Akerson，Ingrid Weiland，Meredith Park Rogers. Exploring Elementary Science Methods Course Contexts to Improve Preservice Teachers’NOS of Science Conceptions and Understandings of NOS Teaching Strategies[J].EURASIA Journal ofMathematics，Science&Technology Education.

[4]王健，刘恩山.“科学本质”的研究及其进展[J].生物学通报.2007，42（6）：38-40.

[6]黄晓.体现科学本质的科学教学——基于HPS的视角[D].华东师范大学，2000.

[7][15]NGSS Lead States.2013.Next Generation Science Standards：For States，By States.Washington，DC：The National Academies Press.

[8]Rodger W.Bybee.NGSS and the Next Generation of Science Teachers.J Sci Teacher Educ（2014）25：211-221.

[9]蔡敏，马永双.美国基于《新一代科学教育标准》的学业评定系统探析[J].教育科学，2015，（6）：75-80.

[10]杨文源，刘欣颜，刘恩山.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[J].当代教育科学，2015，（21）：39-42.

[11]胡玉华.美国《新一代科学教育标准》的设计理念及启示[J].中小学管理，2015，（8）：27-29.

[12][18]郭玉英，姚建欣，彭征.美国《新一代科学教育标准》述评[J].课程·教材·教法，2013，（8）：118-127.

[13]历晶，郑长龙，何鹏.美国《下一代科学教育标准》中的科学本质教育[J].现代中小学教育，2015，（8）：104-107.

[14]张殷，张红霞.教师如何成为课程的设计者——美国《新一代科学教标准》的启示[J].教学管理，2015，（9）：69-71.

[16]Lisa S.Fanning and Krista L.Adams.Bridging the three dimensions of the NGSS using the nature of science[J].SCIENCE SCOPE.2015（10）：66-73.

[17]Lederman，N.G （2007）.Nature of science：past，present，and future.In S.K.Abel&N.G.Lederman（Eds.），Handbook of research on science education（pp.831-879）.Mahwah：Erlbaum.

[19]Akerson，V.L.，Weiland，I.，Pongsanon，K.，&Nargund，V.（2010）.Evidence-based strategies for teaching nature of science to young children.Ahi Evran Universitesi Kirsehir Egitim Fakultesi Dergisi，11（4），61-78.

（责任编辑：金传宝）

*本文系北京教育学院2016年重点关注课题（项目编号：ZDGZ2016 -01）的研究成果之一。

康 琪/首都师范大学博士研究生；北京教育学院讲师；主要研究方向为科学教育，教师教育