“科学与工程实践”视角下美国各州科学课程标准比较研究

曾雅婷，王祖浩

（华东师范大学教育学部，上海 200062）

一、研究对象及研究方法

（一）研究对象

本研究收集了自2013—2020年间，美国50个州教育主管部门官方发布的最新的科学课程标准文本。为了便于比较研究，由此探讨各类标准的特征，我们以NGSS作为参照标准，按这50个州的科学课程标准与NGSS的差异大小将其分为四种类型。其中，第一类州的科学课程标准直接使用NGSS，或只对NGSS中的内容标准进行简化或补充描述，包括加利福尼亚州、纽约州和华盛顿州等25州。第二类州的科学课程标准以NGSS为基础，增减少量的内容标准条目，本质上不改变NGSS的基本框架，包括科罗拉多州、马萨诸塞州和犹他州等12州。第三类州的科学课程标准与NGSS差别较大，有的完全抛弃NGSS框架自主编写，有的大量删改NGSS中的内容标准，包括亚利桑那州、佐治亚州和明尼苏达州等10州。第四类州从2013年起至今，尚未公布其最新的科学课程标准，分别为佛罗里达州、北卡罗来纳州和宾夕法尼亚州。第四类州的科学课程标准并未涉及“科学与工程实践”主题，因此本文将研究对象集中在前三种类型共47个州的科学课程标准上。

（二）研究方法

本研究主要采用内容分析法，即以各类科学课程标准文本作为研究对象，以词频统计、语义分析等多种手段对其进行定性和定量的描述，以达到对文本更深刻、更精确的认识，实现对文本信息数据的深度挖掘。在确定研究的各州科学课程标准后，首先检索“科学与工程实践”（science and engineering practice）这一关键词，摘录出相关的内容，提炼出“科学与工程实践”的理论形态，厘清其实质内涵和功能定位。其次，根据各州对“科学与工程实践”的要素划分，以各要素名称作为关键词进行二次检索，全面定位和记录相关文本内容，并对所属学段及内容领域进行标记和编码。最后，对所有的编码数据进行分类和统一量化处理，并从不同视角进行分析解读。

二、“科学与工程实践”的内涵比较

美国在科学教育领域首次提出“科学与工程实践”这一全新概念，它的出现必然引发人们不同的理解和讨论。各州科学课程标准对其内涵的阐述，则直接反映了美国地方教育部门对“科学与工程实践”的解读。

（一）对教育价值的认同

目前，已有43个州在标准文本中明确提出“科学与工程实践”对学生科学学习、未来发展的重要性，强调新时代科学教育要以“科学与工程实践”为中心，并将其与“学科核心观念”（disciplinary core ideas）、“跨学科概念”（crosscutting concepts）相提并论，突出其在科学教育中的关键地位。

大多数州还对“科学与工程实践”的教育价值进行了重点阐述。例如，弗吉尼亚州将“科学与工程实践”作为实现科学素养的六大关键因素之一；[3]亚拉巴马州认为“科学与工程实践”有助于培育学生的“科学与工程素养”（scientific and engineering literacy），使学生成为具有批判思维的思考者和充满智慧的决策者；[4]马萨诸塞州认为“科学与工程实践”可以为大学学习和职业发展作准备；[5]科罗拉多州逐一列举了11条好处，详细说明“科学与工程实践”可以用来理解自然现象和解决诸多问题。[6]

对于各州而言，“科学与工程实践”理念并不是泛泛而谈的口号主张，45个州已在标准文本中将“科学与工程实践”与内容标准进行了深度融合，将实践活动与具体学习内容紧密连接，规定了学生将以“科学与工程实践”作为科学学习的主要途径，教师也将以“科学与工程实践”作为科学教学的方法手段，以此帮助学生达成预期的表现期望，最终自上而下地实现美国科学教育的实践转型。可以看到，“科学与工程实践”已得到美国绝大多数州的普遍重视和一致认可。

（二）基本内涵及其发展

《K-12科学教育框架》最早提出“科学与工程实践”这一概念，但却未明确解释其含义。此后颁布的NGSS率先将“科学与工程实践”一分为二进行解读：“它一方面指的是科学家在进行研究和建构理论与模型时的主要实践活动；另一方面是指工程师在设计和建构系统时的关键工程活动。”[7]NGSS认为，“科学与工程实践”是“科学实践”与“工程实践”的二元复合体，是对科学家与工程师的能力和思想的整合，并映射在学生身上的教育期望。

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纵观各州的科学课程标准，除直接使用NGSS的25个州以外，较少有对“科学与工程实践”内涵进行详细解析的。即便有少数州在标准文本中对其进行界定说明，其描述也与第一类州大抵相似，如犹他州、亚利桑那州和密西西比州。

特别的是，有几个州对“科学与工程实践”的表征与第一类州的二元活动论差异较大。如在《2015年亚拉巴马州科学学习课程》中，“科学与工程实践”是一个整体性的概念，“它是学生用于研究和构建模型、设计和构建系统、发展理论的一系列技术与工具”[8]。《2016年马萨诸塞州科学和技术/工程课程框架》则认为“科学与工程实践”是一类技能（skills）的集合，“它是让学生分析自然现象或是设计系统，以及确定内在机理和因果关系的技能”[9]。 《蒙大拿州科学内容标准》和《田纳西州科学学业标准》则将“科学与工程实践”看作一种方法，前者视其为“发展思想、完善思想的探究方法”[10]，后者视其为“通过动手做来学习科学的方法”[11]。在上述表达中，“科学与工程实践”的活动特性被减弱了，突出了其作为学习工具、学习方法的教育功能。同时，“科学与工程实践”的二元性也被淡化了，显示出“科学实践”与“工程实践”互相融合的整体性。

通过各州对“科学与工程实践”的描述，其内涵得到了一定程度的拓展和延伸。“科学与工程实践”的功能和属性从简单的二元活动观到支撑学习的技术观、工具观、方法观；对实践活动的刻画从以科学家、工程师为主体到以学生为中心，体现出美国各州对“科学与工程实践”内涵理解的进一步深化。

三、“科学与工程实践”的要素比较

“科学与工程实践”是指科学课程教学实践活动的总称，它可以被细分为多种具体的实践活动类目或要素。通过分析各州在科学课程标准中所划分出的“科学与工程实践”要素，将能从微观层面具体挖掘出“科学与工程实践”的特点，更深入地找寻各州共同推崇的实践教育指向。

（一）要素的种类划分

《K-12科学教育框架》提出“科学与工程实践”时，就将其分为八大要素，并详细解释了每一要素在科学领域和工程领域中的表现形式。此后，NGSS沿袭了这八个要素，并根据每个要素的内涵对学生的表现期望进行具体阐述（见表1）[12]。

表1 NGSS中的“科学与工程实践”要素及其表现期望

考察各州的科学课程标准，“科学与工程实践”的要素种类与NGSS提出的并无明显差异。比较表1可知，42个州在科学课程标准中使用了与NGSS完全相同的八大实践要素；其余5州，部分要素名称虽有所不同，但其内涵实质相近。如《2016年印第安纳州科学学业标准》[13]中“构建与进行研究”（constructing and performing investigations）的内涵实质与“计划与进行研究”并无根本区别；《密苏里州科学期望学习标准》[14]和《佐治亚州卓越科学标准》[15]虽然没有直接对“科学与工程实践”进行要素划分，但依据文本中的内容描述，其实践活动仍可归为与NGSS相同的八大要素。必须指出的是，《弗吉尼亚州公立学校科学学习标准》[16]只包含六个实践要素，不仅未采用“使用数学与计算思维”“参与基于证据的论证”两要素，还用“解释、分析与评估数据”替代“分析与解释数据”，“构建与批判结论和解释”替代“构建解释与设计解决方案”，突出了该州对批判性思维的关注。

通过上述比较发现，美国绝大多数州在“科学与工程实践”的要素种类上基本达成一致意见，并最终形成了由开展研究、设计方案、数理分析、证据推理、问题解决、评价交流等多个维度构成的“科学与工程实践”认识体系。这些要素并不是彼此割裂的，而是相辅相成的，共同构建出一个可以不断循环迭代的科学实践系统。各要素提炼于科学家与工程师的基本工作活动，赋予了“科学与工程实践”的学科性和实用性，各要素的表现期望充分考虑了学生的认知特点和心理发展水平，体现了“科学与工程实践”的基础性。通过对“科学与工程实践”的深度解构，并将其具体化为一系列的行为表现，增加了“科学与工程实践”的可理解性和可操作性，为实践导向的科学教学提供了明确的方向和指引。

（二）不同要素活动的比重

在42个州的科学课程标准中，“科学与工程实践”各要素齐备，种类和名称都完全相同，但这些要素活动在科学课程中所占比重却有明显差异，由此呈现出美国科学教育的实践特征。在各州的标准文本中，“表现期望”部分规定了学生必须达到的能力表现，因此逐一统计三类标准中，在“表现期望”部分不同要素活动出现的频次，再计算不同要素活动出现的次数占所有要素活动出现总次数的比例（如A要素活动比例=A要素活动次数/所有要素活动次数），结果如图1所示。

图1 三类科学课程标准中不同“科学与工程实践”要素活动的占比

对于第一类州的科学课程标准，“构建解释与设计解决方案”“开发与使用模型”两种要素活动占比最大。第二类州的各要素活动比例与第一类州较为相似，但更为突出“计划与进行研究”要素活动，弱化了“参与基于证据的论证”和“提出问题与确定问题”要素活动。第三类州的各要素活动比例与前两类州差别较大，尤其体现在大幅增加了“计划与进行研究”“获取、评估与交流信息”这两种要素活动的比例，以及减少了“参与基于证据的论证”要素活动的比例。

不同的“科学与工程实践”要素活动在课程标准中出现的频率不同，反映出美国科学教育对学生在不同方面的实践能力有着不同的期待和要求。总体而言，这42个州的“科学与工程实践”都将问题解决能力和科学建模能力摆在至关重要的位置，而对数学与计算思维、提出问题与确定问题这类科学学科特征不太明显的实践能力要求较少；第二类州和第三类州共17个州，还额外增加对学生开展科学研究、收集信息和表达交流等实践能力的要求，说明在科学教育中培养学生研究、信息加工、沟通交流方面的能力也不容忽视。如《弗吉尼亚州公立学校科学学习标准》提出：“科学教育的目标之一是使学生拥有丰富的科学知识，使学生成为一个明智的消费者，能够在日常生活中交流和使用科学，并参与公众讨论。”[17]由此可知，在美国科学课程中，各实践要素活动并不是平均分配的，“科学与工程实践”是根据本州科学教育的目标、科学学科自身的特点以及所学的具体知识内容，有所侧重地进行系统设计的活动。

四、“科学与工程实践”的进阶比较

为了让学生能够深度参与到“科学与工程实践”中，同时能从“科学与工程实践”中逐步理解学科的核心观念，建立起跨学科解决问题的思维，“科学与工程实践”的设计需要符合学生的心理逻辑，反映出进阶发展的过程，才能促进学生能力的发展。而“科学与工程实践”活动在不同学段的分布及难度变化，可以直接体现各州对于“科学与工程实践”的进阶设计考量。

（一）学段分布比较

美国的学制主要分为四个学段：K-2年级、3-5年级、6-8年级以及9-12年级。随着学段的提升，学生的知识和能力也在不断地扩充与加强，因此对不同学段而言，“科学与工程实践”活动并非是平均分布的。以本研究中的47个州的科学课程标准为对象，逐一统计课程标准中“表现期望”部分“科学与工程实践”活动在不同学段出现的频次，并计算三类科学课程标准中不同学段“科学与工程实践”活动出现的平均次数及相应比例，结果如表2所示。

表2 三类科学课程标准中“科学与工程实践”出现的平均次数及比例

如表2所示，随着学段的升高，三类科学课程标准中“科学与工程实践”活动比例都在显著增加。对于第一类25个州而言，实践活动频次在4个学段中的增长较为均衡，即每上升一个学段，实践活动的频次增长5%～7%。而在第二类和第三类科学课程标准中，实践活动频次在前三个学段（即K-2年级、3-5年级、6-8年级）增长较缓，但在最后一学段（即9-12年级）则呈突跃之势，其次数分别达到了全学段实践活动总次数的40%与51%。

由于每个学段的学习时长均为3年，“科学与工程实践”的活动次数随着学段升高持续增多，表明学生在科学学习中参与实践活动的机会在不断增加，侧面说明随着年级的增长，学生将更多也更密集地通过实践活动来学习科学课程。从另一方面看，各州在科学课程标准中安排的学习内容也是随着学段递增的，因此以“科学与工程实践”作为主要学习方法或教学手段出现的次数也理应增多。

（二）进阶发展比较

随着学段的提升，“科学与工程实践”并非只是在活动次数上发生了变化，实践的难度、复杂性、抽象性等方面也在逐步提高。第一类25个州在附录部分将八项实践要素的进阶进行了详细的介绍（见表3）[18]，从而为学生实践能力的发展提供了较为明晰和具体的指导。

除上述25个州外，《2016年马萨诸塞州科学和技术/工程课程框架》《威斯康星州科学标准》规划的实践能力发展路径也与表3相同。但遗憾的是，除上述27个州外，其余各州的科学课程标准文本对“科学与工程实践”的进阶发展轨迹较少提及。

表3 25个州“科学与工程实践”的进阶设计

尽管部分州未对“科学与工程实践”在不同学段的发展水平予以充分阐述，但从已有文本中仍可总结出美国在科学教育中的实践进阶特点。首先，K-12阶段中的“科学与工程实践”是对科学现象或问题进行宏观描述到定性分析，再到定量研究的发展过程。例如，对于“提出问题与确定问题”要素而言，学生最初能提出简单的描述性问题，此后能提出涉及定性关系的问题，最后发展为能提出涉及变量关系的问题和实证问题。K-12阶段中的“科学与工程实践”是对科学概念、原理或现象进行具象表达到抽象表征的发展过程。例如，对于“开发与使用模型”要素而言，学生最初能使用模型来表达具体事件，此后能使用模型来描述、测试和预测更抽象的现象与变量之间的关系。K-12阶段中的“科学与工程实践”是对科学问题进行被动探索到自主研究的发展过程。例如，对于“计划与进行研究”要素而言，学生最初是在教师的指导下、同伴的合作下进行研究，此后发展为能独立地设计和进行科学研究。K-12阶段中的“科学与工程实践”是从简单交流到批判论证的发展过程。例如，对于“获取、评估与交流信息”要素而言，学生最初能简单地交流新信息，此后发展为能对观点和方法的优缺点、有效性与可靠性进行评价。

五、结语

20世纪70年代以来，科学探究被视为提高中学生科学素养水平的重要途径和科学课堂教学的重要策略之一，但随着科学探究在美国课堂中的实施，逐渐显现出与当代科学教育发展不相适应的状况。例如，科学探究至今仍未形成统一概念，教师对科学探究的理解狭义化，往往关注操作性的内容，忽视思维的本质；科学探究实施按固有的程序进行，难以呈现真实科学技术现象的复杂性；科学探究未能及时跟进现代技术应用潮流，无法揭示技术发展对学生能力的影响；科学探究并未在实践层面上对学生提出明确要求，较少提及技术和工程领域的思想方法，以及证据推理等高阶思维能力的培养。为走出科学探究教学的困境，美国使用“科学与工程实践”取而代之。这种变革强调“学习”与“实践”的紧密结合，包含的内容更为广泛，除传统意义上的科学探究之外，将工程领域的实践活动纳入科学教育，涉及计算思维、建模、论证等新的能力要素，充分体现时代发展对学生科学能力发展的新要求，并通过对多种实践活动要素的阐明，使科学教育中的实践活动目标更加明确，任务更加具体，能力的指向也更有针对性。

通过对美国50个州的科学课程标准进行比较研究，我们发现，“科学与工程实践”这一概念一经提出，便掀起了美国科学教育的重大变革。如今，43个州已对“科学与工程实践”的教育价值达成基本共识。对于“科学与工程实践”这一全新概念，各州也有不同的解读，有遵循大流的二元活动观，也有技术观、工具观、方法观等方面的独特理解，体现着各州对“科学与工程实践”内涵的发展和深化。在对“科学与工程实践”的要素解构上，42个州采用了完全相同的八大要素，以此构建了以科学思维、沟通合作、问题解决为核心的学生能力培养框架。尽管各要素都不可或缺，但各要素所对应的活动在科学课程中的比例却有所不同。25个州形成了以“构建解释与设计解决方案”“开发与使用模型”为主的实践活动体系，其余17个州还突出了“计划与进行研究”“获取、评估与交流信息”要素活动，弱化了“参与基于证据的论证”“提出问题与确定问题”要素活动，体现了各州对学生不同维度的实践能力有着不同层面的要求。各州还对“科学与工程实践”进行进阶设计，使学生随着学段的增长，参与实践活动的次数和难度也能持续、稳定地增加，逐步实现学生从宏观分析到定量研究、从具象表达到抽象表征、从被动探索到自主研究实践能力的发展。

在科学课堂中，“重理论轻实践”“理论脱离实践”等诸多问题仍然屡见不鲜。要让实践活动在科学课堂中得以真正落实，应从以下几个方面入手。首先，应从课程标准的上位层面对实践活动予以功能定位，阐明实践活动的重要性，使教学工作者理解其意义。其次，实践活动不应是泛泛而谈、模糊不清的抽象概念，更不是一个包含所有活动的大箩筐，课程标准要对能提升学生实践能力的关键实践活动进行细化和归类，建立起实践能力的培养框架，才能帮助一线教育工作者理解和操作。最后，实践能力的发展是一个循序渐进的过程，学生需要不断参与实践活动才能得以养成。因此，课程标准要对每一学段的实践活动进行编排设计，充分考虑到课程内容、学生的认知和心理发展水平，乃至当代社会的现实需求，从而建立起学生实践能力的系统培养路径。