利用NGSS中学科核心概念体系开发课程、实施教学

叶兆宁 周建中

美国《新一代科学教育标准》（NextGeneration Science Standard， 以下简称NGSS）发布于2013年，是在2011年制定《K——12年级科学教育框架》（以下简称《框架势》）的基础上以标准的形式呈现出对学生的科学学习的明确要求和规范。二者的共同宗旨是帮助实现K-12年级科学与工程教育的愿景，达成2个主要目标：①为所有学生提供科学与工程教育;②为那些会成为未来科学家、工程师和技术专家的学生提供基础知识。通过这2个目标希望学生在学校中能够积极地参与科学与工程实践，运用跨学科概念，加深他们对这些领域的核心概念的理解。

因此，《框架》以概念描述的形式明确规定了K-12年级学生应该学习的具体内容，而NGSS则以贯穿学科和年级的组织方式，给出更为具体和翔实的内容和实践指导。《框架》和NGSS共同呈现出K-12年级学生科学概念发展的完整体系。本文将重点分析NGSS中的概念发展体系，特别是在课程设计和教学实践中的应用，以帮助读者更好地理解和运用NGSS。

NGSS中对学生概念发展的观点

学科核心概念是NGSS三个维度之一，是学生科学学习的主要载体和内容。与1996年的科学教育标准相比，NGSS吸收了近20年科学教育理念、模式和方法的变革，对传统的知识学习提出了新的理解，以“大概念”和“发展”的视角分析学生的科学学习。NGSS中有关学科核心概念及发展主要表现出以下3个观点。

→ NGSS着眼于学科核心概念中一个较小的集合，即围绕核心概念开展教学

NGSS中关注的是一组有限的科学核心概念，即学生在高中毕业前应该知道的内容，并关注对这些核心概念更深层次的理解和应用，而不仅仅是事实知识的罗列。这些核心概念所形成的集合虽小，却能够提供一个获取新知识的组织结构。理解这些核心概念并进行科学与工程实践有助于学生在今后发展出更广阔的理解和更深水平的科学与工程研究，以支持学生的终身发展。

→科学概念的构建贯穿于整个K-12年级的学习过程中

NGSS强调各个年级间集中而连续进展的知识体系，允许学生在整个K-12年级科学教育过程中采用动态过程构建知识。学习科学的研究表明：要对关于世界的科学解释形成透彻的理解，学生需要有数年而不是数个星期或数个月的时间，持续地接触和发展基本概念，以及体会那些概念的相互联系。

→概念的发展与实践、跨学科概念两个维度交织

NGSS中的每一条内容都包含三个维度：学科核心概念、科学与工程实践，以及跨学科概念。这三个维度的整合为学生提供了有科学内容的学习情境，将获得和理解科学知识，以及各个学科间跨学科的普遍意义联系起来。

NGSS中呈现出怎样的概念发展体系

→ NGSS中的核心概念

由于科学知识不断扩展，教师不可能在K-12年级期间详尽地教授与某个学科相关的所有概念。而信息时代科学教育的重要作用不是去教“所有的事实”，而是培养学生具备足够的核心知识、技能和方法，以便今后他们可用这些知识、技能和方法获得更多的信息。因此，NGSS中关注了科学与工程领域中有限的一组核心概念与实践。学科核心概念的选择是有重点、有“优先权”的，且是少数的。

从《框架》到NGSS，在学科领域上都选择了物质科学（physical sciences），生命科学（life sciences），地球与空间科学（earthand space sciences），以及工程、技术和科学应用（engmeering，technology，andapplications of science）4个主要领域组织学科概念。核心概念的遴选满足以下4个条件。

·对多个科学学科或工程学科具有广泛的重要性，或者是某个学科的关键组成部分。

·为理解或研究更复杂的概念和解决问题提供关键工具。

·与学生的兴趣和生活经验相关，或者与社会或个人广泛关注的、涉及科学与工程知识的问题相关联。

·能在多个年级中逐渐深入地开展教与学。也就是说，这个概念既是低年级学生可以涉及的，也需要足够时间持续多年的深入学习。

基于此，NGSS中给出了4个主要领域共13个核心概念45个分解概念的概念体系。

→核心概念的进程

针对学生如何建构对核心概念的理解所开展的教育教学研究，是21世纪以来科学教育研究的热点问题。NGSS汇集了20多年的研究成果，发展出能体现核心概念连续性和一致性的教育標准。在NGSS中将K-12年级划分为4个年段（ K-2，3-5，6-8，9-12），明确给出每个年段所涉及概念的理解程度，并在4个年段形成螺旋上升的学习进程。例如表1中给出物质科学的核心概念“物质及其相互作用”中的第1条分解概念“PS1.A物质的结构和性质”的学习进程，其内容从简单到复杂，从单一到系统。

NGSS的附录整理出45个分解概念的所有进程，以供课程研发和教学的参考。当然，NGSS本身并没有将所有概念间及领域间的进程关系逐一解构。但NGSS发布之后陆续有研究者发表此方面的研究成果，例如2020年，美国科学教育协会（NSTA）出版的《三个维度目标的导航图》（Atlas of the ThreeDimensions）即对所有分解概念的发展进程进行了详细的分析。

→概念进程如何与实践、跨学科概念维度衔接

《框架》和NGSS首创科学教育中的三个维度，并提出在课程设计和教学实践中需要三个维度的有机整合。整合的理念很快得到认可和赞同，但从理念到实践，即如何整合却是困扰教学一线工作者由来已久的问题。为了解决这一问题，NGSS采用预期表现对此作出了有效的尝试，也为课程设计和教学实践带来了巨大的便利。

通过预期表现（performance expectatioiis），NGSS将三个维度与评价整合到一起，表现出学生在学习具体的学科核心概念时，如何通过科学实践进行科学探究和工程设计，并逐步建构跨学科概念。预期表现详细说明了在不同学段的学生应该知道什么、理解什么，以及能够做到什么，即描述了希望学生掌握该条标准后所应达到的能力和水平，以及对他们的表现进行评测的标准。同时，预期表现也阐明了学生要如何参与科学实践构建对基本知识的更好理解。这些预期表现通过提供可测量和观察的任务，为有针对性的教学和评测提供了依据。所以从某种程度上说，这些预期表现可以独立地作为“标准”。

以K——2年级段的物质科学领域的核心概念“物质及其相互作用”为例，NGSS为其设置的预期表现包括4个条目（见图1）

图1中可见，针对这一核心概念，该年段的学生需要达成4个条目的标准。每一条标准都用含有行为动词的学习目标形式说明具体要求，而该条标准所阐述的三个维度的整合则明确地体现在下方的基础框中。以第一条标准为例，可以发现其中涉及到科学与工程实践中的“计划和开展研究”，学科核心概念中的PS1.A，以及跨学科概念中的“模式”。这样的方式巧妙地串联起三个维度，为理解如何面向该条标准实施教学指明了方向。

再如，MS-PS-3核心概念“能量”，其三个维度整合的预期表现（如图2所示）分为了5条，其综合程度从1-5逐渐加大。其整合的内容包括：科学与工程实践中的“开发和使用模型”“计划和开展研究”“分析和解读数据”“建构解释和设计解决方案”和“参与基于证据的论证”;跨学科概念中的尺度、比例与数量、系统与系统模型，以及能量与物质;学科核心概念中的“能量的定义”（PS3. A），“能量守恒和能量传递”（PS3 .B），“能量与力的关系”（PS3. C），“定义和界定一个工程问题”（TES1.A）和“形成可能的方案”（ETS1.B）。这样的整合对于不同学段的学生参与解释自然界的现象和设计问题解决方案两大类科学与工程实践活动的学习和成果评价提供了可操作性强的依据。

由此，《框架》和NGSS通过45条分解概念、这些分解概念在K-12年级段之间的学习进程，以及概念发展与三个维度的整合，构建起一套完整的学生科学概念发展体系。

运用NGSS中的概念发展体系开发系列课程

标准是教材、教学和评价的指南。NGSS明确指出标准是反映学生应当知道和能够做什么的标准或目标，而不是如何教这些标准的方式或方法。预期表现描述了概念和技能如何表现，但并不对课程作出严格限定，正相反，开发预期表现贯穿始终的宗旨便是使标准的教学具有一定的灵活性。

→依据NGSS中的学习进程开发系列课程时

无论是面向课内正式的科学课，还是面向课外的非正式科技教育活动，教材的开发、活动的选择都需要以NGSS中提供的学科核心概念发展体系为依据，规划教材和教学活动的结构与组成，设立其教学目标。

NGSS的预期表现的阐述方式为此将起到非常关键的作用。因为预期表现中已经明确说明了针对这一条标准，学生在某一年段需要理解和达到的程度。教材开发者或教师在开展教学活动设计时，只需要根据所选择的年段、教学主题内容，明确所能涉及到的核心概念，以及相应的预期表现;再依据NGSS对上下不同年段的相关内容进行考察，就可以便捷地制订出教学活动在科学概念发展上的教学目标。

→教学实践过程中

教学实践与课程/教材并不是完全等同的关系，传统的以教材或以知识为中心的教学模式，如今已被以学生为中心的教学模式所取代。教师在教学中需要根据学生已有的经验和基础，以及课程所给出的学习内容，衡量学生所能达成的预期表现。此时，NGSS就成为教师在动态发展的学生和静态的教材之间进行判断和权衡的准则。参照NGSS给出的核心概念发展体系，教师不仅可以对学生的整体状况进行判断，还可以对教学活动、教学内容进行修改，还可以对教学方法和策略作出合理有效的選择。

→ 开展教学评价时

以学生为中心的教学方法促进了形成性评价与总结性评价相结合的评价方式被广泛地用于科学教学中。但无论是哪种评价，教师最为纠结的问题是评价的具体标准和程度。以往的标准很难在这方面给出明确的指示。NGSS努力突破这道壁垒，在预期表现的描述中增加了“评价边界”，以帮助教师解决评价标准和程度的难题。例如图1是2年级物质科学的分解概念“物质及其相互作用”的预期表现中的部分条目，可以发现在2-PS1-2的描述中包括有“评价边界”，从评价边界的描述中可以清晰地了解到在2年级的学习中哪些是不需要包括的内容。这就为教学和评价设置了一定的界限，使教学评价有了更明确的落脚点。

参考文献

[1]NRC.A Framework for K-12 Science Education：Practices. Crosscutting Concepts， and Core Ideas [M].2011.

[2]美国科学教育标准制定委员会著，叶兆宁等译.新一代科学教育标准[M].中国科学技术出版社，2020.

[3] Ted Willard. The NSTA Atlas of the ThreeDimensions[M]. Nsta Press， 2020.