贯彻完整科学教学与学习过程的科学与工程实践

杨元魁 叶兆宁 周建中

引言

“科学与工程实践”是美国《新一代科学教育标准》（Next Generation ScienceStandard，以下简称NGSS）中三个维度之一，也是NGSS中从提法到理念都有所变化的部分。科学与工程实践是学生科学学习过程中必不可少的维度和环节，是学生构建学科核心概念和跨学科概念的途径和方法。该维度的重要性在《K-12年级科学教育框架》（以下简称《框架》）中强调：

与框架一致的标准和表现预期必须考虑到：要让学生完全理解科学与工程概念，必须让他们参与探究实践，以及使这些概念得以形成和完善的讨论。同时，如果不能为学生提供有具体内容的情境，学生就不能在实践中学习或展示其能力。

《框架》和NGSS中都显示每个预期表现必须结合相关的实践，意味着学科核心概念和跨学科概念的学习是通过实践活动达成的，评价也不会将学生对核心概念的理解与其使用科学和工程的实践能力分开。

通过科学实践开展科学教学与学习符合科学的本质，也是现代科学教育发生重大转变、形成共识的教学法。但显然NGSS中所提的科学与工程实践不同以往，有着全新的内涵、特征和体系。本文以此为重点分析内容，以了解如何运用NGSS中的实践发展体系指导教学。

科学与工程实践的指导原则

在实践的提法上，NGSS呈现出两个变化，其一是用“实践”（practice）一词代替以往的技能（skills）、探究（inquiry）之类的词;其二是将工程实践与科学实践进行了整合，所确定的8项实践都是所有完整科学和工程活动中包含的。这两个变化不仅强调了参与科学探究需要知识与技能的共同作用，也提出了通过科学与工程实践的整合和直接参与让学生理解研究、建模和解释世界、改造世界的众多方法;帮助学生形成对科学与工程中的学科核心概念及跨学科概念的理解;此外，实践还能使学生的知识更富有意义，更深刻地将知识嵌入他们的世界观。为此，NGSS明确提出了对科学与工程实践的发展过程的观点，并形成了7条指导原则，详见表1。

理解这些指导原则将更好地促进教师学会如何帮助学生发展核心的实践能力，同时通过这些指导原则所呈现出来的特征帮助教师提高自身对科学探究与工程实践的理解，以发展其科学、技术、工程等各方面的专业素质和教学水平。

NGSS中构建的实践发展体系

随着时间的推移建立连贯的学习过程——学习进程，是NGSS遵循的重要原则，为此NGSS不仅构建了核心概念的发展体系，同时也构建了科学与工程实践和跨学科概念的发展体系，以实现三个维度共同发展的目标。

科学与工程实践的8项要点被合理地分配在个各年段之中，且每项要点在每个年段都呈现出一定的能力水平，这些能力水平通过K——12年级的持续学习而得以不断深化和发展，形成了完整的实践发展体系。以“分析和解读数据”为例，NGSS给出了在K-2、3-5、6-8、9-12四个年龄段的发展进程，并指出每个年段的发展都是建立在前一个年段的经验之上，见表2。

从表2可以看到，分析和解读数据的发展也是一步一步深入的，从简单的观察、记录和分享数据，直到能用细致的统计分析比较数据集，用模型生成和分析数据。这些进展与学科核心概念理解和跨学科概念的深入发展，起到了一脉相承的作用。

为了能更贴近教学实际，仅仅有上述对发展进程的概述是不够的。NGSS的每条标准都展示出对科学与工程实践的详细要求。这些要求可汇总形成表3，以丰富其具体内容，进一步帮助教师理解该实践發展过程的细节。如对于K2年级的“分析和解读数据”就可以包括以下几点：

·记录信息（观察、想法和概念）

·使用和分享观察的图片、图纸和/或著作

·运用观测（第一手资料或从媒体中）描述自然界和人工世界的模式或关系，从而回答科学问题并解决方案

·将预测（基于先前经验）与发生的事件（可观察事件）进行比较

·从对对象或工具的测试中分析数据，以确定是否按预期的方式工作

实践能力的发展是一个纵横交错的网络，每种实践能力的发展都不是独立的，而是与其他7项能力共同发展、相互促进的。只是在标准中很难描述出这样相互交叠的复杂网络体系。2020年美国科学教育协会发布了《NGSS的导航图》一书，该书尝试展现出实践发展的复杂网络，呈现出拼图式的学习进程模式。

如何运用NGSS中的科学与工程实践发展体系

科学与工程实践是NGSS三个维度中直接与行为相对应的维度，它体现了学生的动手实践能力，也从行为的层面上反映了学生在学科核心概念和跨学科概念两个维度上的理解程度。因此，科学与工程实践的8个项目实现了学生从理念到行为，再从行为到理念的交互过程，也成为实现NGSS实际运用的中间桥梁。

教学目标制订的出发点

教学目标的制订是教学设计时的重要环节，如何将不同维度的目标有机整合，NGSS中预期表现的设定为此给出了示范。图1是NGSS中2年级物质科学概念“物质及其相互作用”的预期表现，共包括4个条目。

任意选出这4条表现中的1条，可以看出科学与工程实践在其中起到了串联学科核心概念的作用，如“计划和开展研究”“获得数据并加以分析”“观察并证明”“用证据论证”等。再配合基础框中对三个维度的具体解释，明晰地展示出该条分解概念的学习要求和标准。可以说，科学与工程实践维度的具体行为描述和定位是科学教学中教学目标制订的出发点。

教学评价的依据

清晰的行为描述和定位不仅有利于教学目标的制订，更加有助于开展教学评价。仍以图1为例，其中2PS1-1的预期表现为“计划和开展研究，通过材料可观察的特性对其进行描述和分类”，该表现与实践相连的行为是“计划和开展研究”及“描述和分类”。其中“计划和开展研究”是科学与工程实践之一，该预期表现要求学生能“以合作的方式进行计划和实施调查，产生数据作为回答问题的证据基础”。因此，在教学或评价中，教师均需要考核学生是否能在小组内参与计划的制订、参与调查的实施、仔细观察材料的特征和特性、根据其特征特性进行描述和分类。教师甚至需要根据所选择活动的具体内容，详细制订出学生可能进行评价的行为表现和表现程度。可见，NGSS中的预期表现也是教学评价制订和实施的实际依据。

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.