从探究式教学到三维教学：美国科学教学重心的转移

王文礼

一、引言

教师通过科学探究的方式教授科学是良好、高效教学的基石。爱因斯坦曾经把科学定义为一次“探求意义的经历”。这说明科学课程不同于其他课程的一个重要特征是：学习科学不仅使学生懂得构建知识体系，更是一种让学生通过亲身经历去探索世界上的各种自然现象，进而理解这个世界的过程。在过去的200多年中，美国的科学教学已经发生了转变，从传递知识的科学教学到以学生为中心的教学方法，通常指的是探究式科学教学 （Teaching Science as Inquiry）。探究式科学教学通过让学生积极参与调查的过程来参与科学知识的建构，从而形成对自然现象的深层次理解。传统的学习侧重于学习事物，一般表现为：教师教授信息，学生获取信息。探究式科学教学强调如何学习事物，而不仅仅是学习我们已知的事物。学生不仅需要记忆事实，还要积极参与学习。探究式科学教学是当前国际科学教学改革中被各国政府和科学教育界大力倡导的一种主流的科学教学方式。①丁邦平. 探究式科学教学: 类型与特征[J]. 教育研究, 2010(10): 81.从2010年起，美国科学教学重心发生了转移。2012年美国国家研究理事会发布的 《K-12科学教育框架》明确提出科学教学要从探究式教学转变为三维教学。美国在2013年颁布了国家《新一代科学教育标准》（NGSS），以国家研究委员会（National Research Council，NRC）开发的K-12科学教育框架为基础，通过国家主导的协作过程创建了K-12科学标准。NGSS的每一条标准都有三个方面的内容：表现预期、基础框和联系框，其中基础框由三维学习理念构成。②沈佳豪, 刘兰. 美国《新一代科学教育标准》中地球与空间科学内容评述及其对我国地理教学的启示[J]. 地理教学,2019(17): 70.美国《新一代科学教育标准》是美国21世纪科学教育改革的标志性成果。其中提出了三维学习（学科核心概念、跨学科概念、科学与工程实践）的理念，强调学生在K-12年级学习科学学科时需从这三个维度出发。③唐小为. NGSS三维学习理念下我国小学科学内容标准刍议[D]. 重庆: 西南大学, 2016: 1.《新一代科学教育标准》中提出科学教育的四大原则：（1）强调学生对核心概念的理解，以及与之相关的跨学科概念；（2）强调随着时间的发展，学生对核心概念的理解会不断加深，以及学会把这些概念综合到一起；（3）强调运用科学和工程的实践来界定科学知识；（4）学生的科学学习应该包括指导教学与评价的详细资料。④和茜茜. “三维科学学习”视角下的小学气象科普活动设计与实施[D]. 杭州: 浙江大学, 2017: 3-4.美国国家科学教师协会（National Science Teaching Association，NSTA）2016年的相关文件包含4大主题模块：搭建平台——科学素养；建立团队——与社会力量合作；协调概念——整合教学；全纳整合——三维学习。通过对主题模块的论文报告、特别活动、工作坊等会议单元内容的分析，发现美国科学教育研究的热点：《美国新一代科学教育标准》的三维整合，STEM教育的全面推进以及科学论证在科学本质观养成中的运用。⑤宋怡, 葛彦君, 马宏佳. 美国科学教育研究热点与发展趋势--2016 NSTA年会述评[J]. 化学教育, 2017(19):73.

二、探究式教学在科学教育中的发展历程

探究式教学在美国科学教育中的发展历程经历了四个阶段：孕育时期、萌芽时期、发展时期和鼎盛时期。

（一）探究式教学在科学教育中的孕育时期：从19世纪初到1915年

19世纪初，美国的城市规模很小，大多数人住在农村地区。当时的中学还处于发展的初级阶段，只有那些准备上大学的特权阶层的孩子才能上中学。高中只有少数科学课程强调科学和技术的实用性，例如天文计算、航海、测量和调查。1821年，波士顿中学开始开设科学教育课程，标志着美国学校开始重视科学教育。1848年美国科学促进协会 （AAAS）正式成立，标志着美国一个全国性的科学界团体的出现。虽然科学是美国早期的美国式场景的一部分，但是其从业人数很少，而且在地理和学科上十分分散。美国科学促进协会是第一个在国家层面促进科学和工程发展，并代表其所有学科利益的常设机构。美国科学促进协会致力于“在全世界推动科学、工程和创新，造福所有人。”①AAAS. Mission and History[EB/OL]. (2019-06-26)[2019-09-10]. https://www.aaas.org/mission.此后，美国科学促进协会在美国学校科学教育的发展和改革中扮演着举足轻重的角色。1860年后，许多高中课程包括植物学、气象学、矿物学、生理学和动物学。在19世纪中后期，科学课程是描述性的，并且很少或者根本没有实验室。许多教授科学的教师缺乏丰富的科学背景，科学主要是作为一系列事实信息来教授的。当时教师不论学习者和学科的差异均采用相同的教学方法，他们匆匆教授完各种各样的课程。教师常常把一组学生（由两人或三四人组成）叫到讲台上让他们“背诵课本”，机械地重复课文中的话。几分钟之后，学生回到自己的座位上即为结束。②坦纳. 学校课程史[M]. 崔允漷, 等译. 北京: 教育科学出版社, 2006: 48.

此时由于大学入学要求对高中的课程开设具有指挥棒的重要作用，导致美国大学的科学项目直接影响了高中的生物、化学和物理课程。高中科学教学开始模仿高校的教学，很少关注学生的兴趣或需要，成为淡化了的大学科学课程。教师在课堂上讲授许多教科书的章节，并不时地在实验室练习。这些课程强调作为内容的科学，很少关注调查或技术。科学教师们很少反思科学工作是如何进行的。到了19世纪后期，一些全国性的教育协会意识到了高中科学课程被大学科学教学主导产生的严重问题，于是开始寻求改变这种状况的方法。

1892年“十人委员会”（The Committee of Ten）发布《十人委员会报告》，提议将高中课程标准化。该委员会由国家教育协会（NEA）任命，主要由一流大学校长组成，负责为计划上大学的公立高中学生进行课程标准化训练。在过去的半个世纪中，自1840年到1890年，公立高中逐渐摆脱了私立高校的阴影。依据今天的标准，公立高中的入学人数仍然很少（可能不到5%的美国青少年在内战后的公立高中就读），到了19世纪70年代，公立中学的数量迅速增长，引起了人们的关注。“十人委员会”的召开是为了给与公立中学一起成长的各种课程带来一些秩序。①Jeffrey Mirel. The Traditional High School Education Next Issue Cover Historical Debates Over its Nature and Function[J/OL].[2022-05-16]. Education Next,2006,6(01). https://www.educationnext.org/the-traditional-high-school/.在哈佛大学校长埃利奥特（Charles Eliot）的领导下，该委员会对高中的作用进行了广泛而全面地探索。《十人委员会报告》认为：中学的存在并不仅仅是为了教育和帮助美国青年上大学，建议应更好地协调从小学到高中的课程。这份报告在削弱大学对一些高中科学课程的影响上起了积极的作用。但当时大部分学生仍旧不是通过调查的方法学习科学。

直到20世纪初，美国科学教育的教学仍主要强调让学生背诵和记忆科学知识。高中科学课程教学的两种趋势出现在19世纪末和20世纪初。一个趋势是强调让学生学习他们在工业社会中活动所需的应用；另一个趋势是强调为大学科学学习作准备。1915年美国中央科学与数学教师协会（the Central Association of Science and Mathematics Teachers）召开会议，强调在科学与数学教学中，教师应重视教授学生获取准确信息的方法。

（二）探究式教学在科学教育中的萌芽时期：从1915年到1945年

在20世纪上半叶，第一次世界大战、大萧条、第二次世界大战等这些事件对美国政治、经济和文化产生了重要影响，也进而影响公立学校的教育目标。这一时期学校科学课程强调科学的实践层面，以便学生能够成为社会生产的一员。虽然科学教学继续强调让学生记忆一些实践应用的真实信息，但科学的过程和“探究”术语开始出现在全国委员会的建议和研究文献中。

1910年到1930年，是美国工业大发展时期，也是美国教育大发展、改革频发的时期。19世纪末20世纪初，美国形成了小学8年、中学4年的“8-4”中小学学制模式，中学入学人数也从1890年的20万人上升到1912年的100万人。②张斌贤. 外国教育史(第2版)[M]. 北京: 教育科学出版社, 2015:343.但是随着社会的发展，美国“8-4”中小学学制不能适应美国经济、社会发展的要求，美国高校入学要求委员会在1899年发布了《高校入学要求委员会报告》（Report of the on Committee College Entrance Requirements），建议实行6-6中小学学制，即6年小学，6年中学。1909-1910年美国又出现了一种3年制的初级中学，颇受学生和家长的欢迎，后来发展为6-3-3中小学学制模式，并逐渐成为美国普遍的中小学学制模式。随着美国6-3-3学制的建立、美国学生人口迅速增长，这种情况带来了课程的革新以及科学教育目标的扩大。1918年中学教育改组委员会（Commission on the Reorganization of Secondary Education）提出中学教育的一般性目标应为：（1）健康；（2）掌握基本流程；（3）有价值的家庭成员；（4）职业；（5）公民；（6）有价值地利用闲暇时间；（7）道德品质。1920年发布的《中学科学报告》鼓励科学教育者将中学教育改组委员会提出的目标纳入科学教学，尤其是普通科学和生物学，以此来强化中学教育目标。

1924年美国科学促进会教育科学委员会（Committee on the Place of Science in Education of the American Association for the Advancement of Science）发布一份报告，强调科学思维作为科学教学目标的重要性。为强调观察和实验的重要性，这份报告呼吁学校要将科学教学转变为以探究为基础的教学方法，以便让学生拥有对科学事业更美好的感受。实际上，科学界告诉教育工作者：学校科学教学不仅仅需要讲授科学内容，也必须以一种思考和调查的方式来教授科学。这是对现有科学教育目标清单的重要补充。

1934年，进步教育协会中等教育课程委员会（Commission on Secondary Curriculum of the Progressive Education Association）发布了一份报告，强调反思性思维在科学中的重要性，强调中学应关注对学生生活有用的课程内容，要将课程与生活中的问题相联系。①Pearson; Joel E. Bass; Terry L. Contant, etc. Science as Inquiry in the Secondary Setting [M]. Pearson Education,2008:24.

著名教育家杜威（John Dewey）是第一个批评美国科学教育没有以培养年轻科学思想家的方式实施教育的人。杜威提出：科学应该作为一种过程和思维方式来教授，而不是作为一个需要记住事实的学科。他强调“做中学”，反对仅仅为获取知识而学习。他倡导让学生通过探究的过程和解决问题来学习。杜威认为，学生应学习并且使用科学方法，而不仅仅是学习科学的核心概念。教育不应是简单地让学生学习他们很快就会忘记的机械的事实。教育应是一次体验之旅，师生相互借鉴，教师帮助学生创造和理解新体验。当时的学校试图创造一个与学生生活分开的世界。为此，杜威认为：学校的活动和学生的生活经历应是相互联系的，否则真正的学习就不会发生。②Robert Kennedy.Progressive Education: How Children Learn[EB/OL]. (2019-05-30)[2019-09-11]. https://www.thoughtco.com/progressive-education-how-children-learn-today-2774713.

尽管国家委员会在20世纪上半叶对将探究式教学纳入科学课程提出了各种建议，但这类建议很少被美国各地的科学课堂所采用。探究式教学在这一时期的科学教育中仍然处于萌芽状态。

（三）探究式教学在科学教育中的发展时期：从1945年到1980年

美国在第二次世界大战后进入了一个新时代。1947年3月12日，美国杜鲁门主义出现，标志着冷战开始，直到1991年12月25日苏联解体，冷战才宣告结束。旷日持久的冷战要求美国加强军事准备和科学技术的进步。

1957年，苏联成功发射人类第一颗人造地球卫星，引发了美国科学、数学教育的大规模课程改革。在这次改革中，课程专家、教师、科学家和数学家都发挥了重要作用，为中小学科学课程和教材带来了很多改变和革新。

虽然杜威是提出要注意科学教育教学的第一人，但美国科学教育的大部分改革都得益于施瓦布（Joseph Schwab）的工作和努力。施瓦布从1959年到1961年担任生物科学课程研究会（Biological Sciences Curriculum Study，BSCS）教师准备委员会主席。他既是《生物课程教师手册》（Curriculum's Biology Teacher's Handbook）的合著者，还是生物科学课程研究会出版的三种教科书（第一版）的主编。①Joseph Schwab(1909-1988)Education and Career, Scholarly Work, The Practical, Legacy[EB/OL]. (2019-06-26)[2019-08-29].https://education.stateuniversity.com/pages/2 401/Schwab-Joseph-1909-1988.html.施瓦布在科学课程中提倡探究式教学，促进了人们对探究式教学的理解。

施瓦布提出，科学学科的形成不仅是人们探究、确定生活世界中的永恒真理的过程，相关学习也是一个灵活、多方向、探究驱动的思维和学习过程。施瓦布相信，课堂上的科学教学应更密切地反映科学家的实践工作。他提出了公开探究的三个层次，与我们今天看到的探究过程大体一致。

1、向学生提供问题、方法和材料，并要求学生发现变量之间的关系。

2、对学生提出一个问题，但研究方法取决于学生的发展和选择。

3、教师提出假设，但学生必须发展自己的研究问题和方法，以发现变量之间的关系。②Inquiry-based Learning[EB/OL]. (2019-06-26)[2019-09-01]. https://courses.lumenlearning.com/educationx92x1/chapter/inquirybased-learning/.

1962年，施瓦布在哈佛大学作了一个名为“作为探究的科学教学”（The Teaching of Science as Enquiry）的演讲，他的探究式教学观点是教师向学生传授科学知识的主要范式，即科学家看待和研究一个观点的方式。他认为：科学不应当被视为教条，而应当视为可修正的、变化的学科。当教师将科学作为一个结论或一种成品呈现时，他们就歪曲了科学。施瓦布认为，探究式教学的最大特点是：学生必须思考和判断什么是与科学家承担或完成的调查有关的方面，通过对这些调查的反思性批判，他们可以了解科学家进行研究和思考的过程，还可以了解如何改进它们。③孙可平, 邓小丽. 理科教育展望[M]. 上海: 华东师范大学出版社, 2002:172.

总体而言，施瓦布的持续影响是“苏格拉底的牛鞭”——他通过指出教育的主要缺点，对其进行尖锐的批评，并指出探究和行动的新方向来推动教育的发展。④同本页①。

1963年，美国心理学家大卫·奥苏贝尔（David Ausubel）提倡有意义的语言学习，他认为：科学学科的主题应以学生可接受的方式呈现。学习者将会把有意义的内容纳入他们的知识库，同时他们将会很快忘记通过死记硬背学到的知识。奥苏贝尔强调：学习必须从学生所知道的东西开始，后来的建构主义者和认知心理学家也提出了相同的观点。

杰罗姆·布鲁纳（Jerome Bruner）在1961年提出“发现学习”。他认为教育的主要目的是教会学生怎样学习而不是简单地积累信息。发现学习具有多个优点：鼓励学习者积极参与；提高学习者的学习动力；促进学习者的自治、责任感、独立性；培养学习者的创造力和解决问题的能力；学习者自己量身定制学习经验。布鲁纳认为，通过不断向学生解释课本的内容，教师会鼓励学生自己解决问题。发现学习是一种基于探究的建构主义学习理论，发生在解决问题的情境中，学习者利用自己过去的经验和现有的知识来发现事实和关系，以及要学习的新真理。学生通过探索和操纵物体，挑战问题和争议或进行实验来与世界互动。因此，学生可能更容易记住自己发现的概念和知识（与传播主义者的模型相反）。①DISCOVERY LEARNING (BRUNER) [EB/OL]. (2019-01-26)[2019-09-12]. https://www.learning-theories.com/discoverylearning-bruner.html.

瑞士著名心理学家皮亚杰（Jean Piaget）也为探究式教学的发展做出了重要的贡献。皮亚杰赞赏学生通过建构和内化的活动获得知识的本质，而不是通过死记硬背来获得信息。根据皮亚杰的观点，人的智力发展是通过建构思维技能（逻辑结构）实现的，这种思维技能是通过让学习者挑战找出令人费解的事情的经历来发展的。皮亚杰所谓的具体操作能力（例如排序、分类、使用数字和质量守恒）和形式操作能力（例如组合推理、比例推理、控制变量和假设推理）应很好地与科学过程的技能相适应。科学过程的技能是20世纪60年代和70年代科学过程运动的重点。

建构主义者们在皮亚杰和维果斯基等人的理论基础上，进一步发展了探究式教学的概念。建构主义是一种关于学习的哲学，它提出学习者应建立自己对新思想或技能的理解。当新发现的知识不符合学习者当前世界的范式时，他或她必须分解并重构该知识。建构主义将课堂转变为知识建构的场所，在这里，信息被吸收，新知识建立在先前的知识之上。它还将教师的传统角色从“舞台上的圣人”转变为“侧面指导”，以支持科学经验尽可能反映人们开展的真实的科学活动。

1955年至1980年是美国科学课程改革的黄金时期，为了回应苏联在科学上的优势，美国政府提供了大量的资金支持科学课程改革。政府资助的高中科学教科书项目比商业教科书包含更多最新的科学内容。此外，来自于这些项目的教科书提倡探究式教学。当时的许多论文和书籍都强调让学生参与学习如何做科学的重要性。

作为施瓦布的著作和课程工作的结果，探究式科学教学成为美国科学教育界的一种流行方法。在高中推广探究式科学教学，其重点是开展实验室的工作，人们相信这一策略能够教会学生了解科学的过程，同时使他们增加自己的知识。不幸的是，改革的努力并没有惠及美国所有高中，改革运动也没有得到政府资金的大力支持。此外，学生的科学课程的成绩和学习兴趣也在下降。

（四）探究式教学在科学教育中的鼎盛时期：从1980年到2010年

20世纪80年代，科学教育再次受到美国民众的批评，因为它没有为年轻人在科学技术日益发达的社会中占据一席之地作好准备。日本正成为世界经济中的一名强大竞争者，特别是在汽车制造、电子设备和钢铁方面。美国再次感到来自另外一个国家的威胁，教育系统又一次被人们呼吁成为解决来自日本威胁的方案的一部分。在这样的背景下，国家教育卓越委员会（National Commission on Excellence in Education）在1983年发布《国家处于危险之中：教育改革势在必行》报告，该报告认为：“美国教育体系已经落后，这反映在美国在工商业、科学和技术创新的领导力上，这些正在被全世界的竞争者接管。”

20世纪70年代末和80年代，科学教育领域发起了一场将社会问题和价值观教育视为重要目标的进步运动。1981年美国科学教师协会发布由国家科学基金会（NSF）资助的 《综合计划》（Project Synthesis）。该项目同时也是 23 名科学教育家共同努力的结果，代表着科学界的观点。《综合计划》总结了来自美国的专业组织关于科学教育状况的数千页报告，这份报告为科学教育推荐了四个目标集群：个人需求、社会问题、学术准备和职业教育。这些方向强调了学生需求、科学、技术和社会之间的关系，因此创造了比只重视纯科学教育的目标更好的平衡。《综合计划》花费了许多科学家的精力和心血，也确实产生了大量对后来美国科学教育发展有帮助的成果，它是美国科学、技术和社会（STS）教育发展的里程碑，对美国乃至世界都产生了巨大的影响。①王文礼. STS教育发展的里程碑: 《综合计划》述评[J].宁波大学学报(教育科学版), 2010(02):8.

1985年，美国科学促进协会联合美国科学院、教育部等12个机构启动“2061计划”（Project 2061），这是一项面向21世纪，致力于普及科学知识的中小学课程改革工程和旨在提高全体美国人科学素质的长远计划。当年恰逢哈雷彗星临近地球，该计划的负责人希望在下一次哈雷彗星出现在地球上空的时候——即2061年，美国的科学与技术水平达到一个崭新的水平。

“2061计划”在20世纪90年代的标志性成果有两个：一个是1990年美国科学促进协会发布的《面向所有美国人的科学》（Science for All Americans），另一个是1996年国家研究委员会出版的《国家科学教育标准》（National Science Education Standards）。这两份报告都计划改革K-12科学教育，促进美国科学教育的发展。

《面向所有美国人的科学》强调学生要理解科学、数学和技术的本质，并且了解三者是如何分开和共同运作的。学生不仅可以在认识学科核心理念的过程中获取知识，还可以从它们的历史和当代的观点中获取知识。该项目试图培养学生的好奇心和发现的能力。然而，美国科学促进协会没有尝试规定教师教授科学的方法，因为有很多方法可以进行有效的科学教学。因此，“2061计划”的目标开始变化，由另一个负责制定国家标准的小组开始制定美国国家科学教育标准，并且该小组呼吁人们注意科学课堂中探究的重要性。

《国家科学教育标准》高度重视以探究为基础的科学教学，始终使用“探究式科学教学”（Teaching Science as Inquiry）这一术语。《国家科学教育标准》特别强调探究在科学教育中的重要性：科学探究指科学家研究自然世界的各种方式，并且依据他们工作得出的证据进行解释。教学必须让学生以探究为导向，学生与教师、同龄人在探究中互动。学生在他们既有的科学知识和发现的科学知识之间建立起联系；他们将科学内容应用于解决新问题；他们解决问题、计划、决策和小组讨论，他们经历的评估与积极的学习方法是一致的。②National Research Council.National Science Education Standards [M]. WASHINGTON,DC: National Academy Press, 1996:20.《 国家科学教育标准》还概述了探究学习在科学教育中的六个重要方面：

1、学生应该能够认识到科学不仅仅是记忆和了解事实。

2、学生应该有机会发展建立在他们先前知识和科学思想基础上的新知识。

3、学生将通过重新构建他们之前对科学概念的理解并添加所学的新信息来获得新知识。

4、学生的学习受到社会环境的影响，因此他们要有相互学习的机会。

5、学生将掌控他们自己的学习。

6、学生能够深刻理解学习的程度，这将影响他们的新知识对现实生活环境的可转移性。①Inquiry-based Learning[EB/OL]. (2019-06-26)[2019-09-01]. https://courses.lumenlearning.com/educationx92x1/chapter/inquirybased-learning/.

《国家科学教育标准》旨在为K-12科学教育的发展提供一系列的指南，为教师、学生和管理人员提供一套关于科学教育的国家标准，帮助教师专业发展。《国家科学教育标准》对美国各州的科学学习标准和各州标准化测试影响巨大，强调在科学教育中使用探究式教学方法。

2000年出版、与《国家科学教育标准》相关的报告《探究和国家科学教育标准》 （Inquiry and the National Science Education Standards），为教师提供了从教室到学校场地，再到社区的多样化环境中进行探究的教学案例。美国国家科学院院长布鲁斯·艾伯茨 （Bruce Alberts）写道：“学生需要学习科学的原理和概念，获取科学家的推理和程序技巧，并理解科学作为人类努力的一种特殊形式的本质。”②Pearson; Joel E. Bass; Terry L. Contant, etc. Science as Inquiry in the Secondary Setting [M]. Pearson Education,2008: 29.

三、从探究式教学到三维教学

众所周知，没有卓越的科学教学，科学教育的效果无法保证。因此，科学教学在美国科学教育的发展中始终占据着非常重要的地位。2012年美国国家研究理事会发布的《K-12科学教育框架》（A Framework for K-12 Science Education）明确提出，科学教学要从探究式教学转变为三维教学（Three-dimensional Teaching and Learning）。《K-12科学教育框架》和2016年美国科学教师协会发布的《新一代科学教育标准》（Next Generation Science Standards）将科学教师的重心从简单教授科学概念转移到帮助学生了解现象和设计解决问题的方向。这种从科学探究过渡到三维教学的科学教学，重点的转变是全新、刺激、使人兴奋的，代表了教授科学的一场革命。学生在学习科学的时候，必须使用新标准的3个维度——跨学科概念、学科核心理念、科学和工程实践，将这3个维度整合在一起以便学生了解现象或设计解决问题的方法。课堂融入三维学习将让学生们建构模型、设计调查、分享观点、开发解释、使用证据进行辩论，这些都是为了帮助学生发展21世纪的技能，诸如解决问题、批判性思维、交流、协作和自我管理。三维教学也帮助学生学习如何将新知识应用于其他各种情况中，每一名学生都将从这种新的教学方法中获益。

（一）什么是三维教学

《K-12科学教育框架》完善了科学教学和学习的目标，明确了科学探究的含义。该框架凸显了有关学生如何学习科学的重要知识，并为科学教学和学习确立了重要的转变概念。美国科学教师协会支持《K-12科学教育框架》的建议及其在《下一代科学标准》中的具体应用，包括以科学和工程实践积极吸引学生参与科学学习，整合这些实践与学科核心理念、跨学科概念，教师应利用现象让学生参与三维教学。①NSTA Position Statement. Transitioning from Scientific Inquiry to Three-Dimensional Teaching and Learning[EB/OL]. (2019-02-01)[2019-08-23].https://www.nsta.org/about/positions/3d.aspx.

1. 科学与工程实践应被用于让学生积极参与科学学习

让学生参与《K-12科学教育框架》中阐述的科学和工程实践应是科学教学和学习的重中之重。该框架提供了8种科学和工程实践路径，侧重于知识建构，并阐明了科学家参与其工作的方式。科学和工程实践更充分反映了科学家的工作，因为科学家在解决问题时需要理解现象和工程。

2. 应整合科学和工程实践、学科核心理念和跨学科概念

科学教学中的科学和工程实践、学科核心理念和跨学科概念的整合目前被认为是一种有效的方法。正如《K-12科学教育框架》所述：“知识和实践必须在设计K-12科学教育中的学习经验时相互交织。”仅仅让学生参与实践而不包括学科核心理念和跨学科概念是不够的，因为这3个维度都非常重要，且互相关联，需要学生准确理解和熟练掌握。

3. 教师应利用现象让学生参与三维教学

有效的三维教学要求学生学习是由解释现象和/或设计问题解决方案的需要驱动的，学科核心理念和跨学科概念的理解与科学和工程实践共同用于解释现象。跨学科概念提供了一个不同的视角，科学家和工程师可以从中提出问题并反思周围的世界。工程需要个人足够好地理解现象，以定义与其相关的问题，并使用对其理解来设计解决方案。因此，现象是科学家和工程师工作的核心。

（二）传统的科学学习与三维学习的区别

传统的科学学习的重点是让学生学习内容，而不是让他们了解现象。大量的研究表明：学习科学内容并不能与科学实践相分割。如果教师想让学生学习内容，并在实践中运用他们的知识，那么他们必须同时使用科学和工程实践、跨学科概念和学科核心理念。没有一个维度可以被师生单独使用，它们必须在一起使用，这样学生在努力理解现象或发现解决问题方法的时候，才能进行较深层次的理解，分清更复杂的现象或设计出更复杂问题的解决方案。②Joe Krajcik. Three-Dimension Instruction: Using a New Type of Teaching in the Science Classroom[EB/OL]. (2015-11-15)[2019-08-25]. http://digital.nsta.org/publication/?i=276015&article_id=2292808&view=articleBrowser#{'issue_id':276015,'view':'articleBrowser','article_id':'2292808'}.

教师在刚开始时使用三维教学来理解现象或寻找解决问题的答案是充满挑战的，许多美国教师并没有准备好，同时他们也缺乏指导。但坚持在科学课堂上使用三维教学有三点好处：第一，所有学生将获得这三个维度的深层次知识，这让他们能够将自己的知识应用到新的、更富有挑战性的领域。第二，当所有的学生都参与了解现象或解决问题的时候，他们也将发展解决问题、批判性思考、交流、自我管理的能力。第三，或许是最重要的，三维学习将帮助所有学生获得对科学的好奇心和惊奇感。

（三）社会各界的大力提倡

美国科学教师协会在2018年2月发表立场声明：要求从科学探究过渡到三维教学。该协会呼吁地方和州一级的所有利益相关者共同承担合作角色，采用和实施《K-12科学教育框架》所阐述的三维科学教育标准。为了从矛盾的科学探究观念向三维教学过渡，美国科学教师协会建议利益相关者：

1、使解释现象和/或设计解决问题的方法成为科学教学的重中之重。

2、根据学习目标或课程为学生仔细选择现象，并鼓励他们观察课堂内外的现象。

3、从学校早期阶段就开始将科学和工程实践、跨学科概念和学科核心理念融入所有科学教学，一直持续到高中及以后。

4、对所有儿童都进行三维教学，不论其语言、性别、种族、民族、年龄、技能、认知、身体能力或经济状况如何。

5、确保学生对实践、核心思想和跨学科概念的学习随着时间的推移而被建构。

6、确保学生在提供解释现象和/或问题的解决方案时使用证据。

7、帮助学生与同龄人进行有意义的对话——类似于科学家和工程师的工作。

8、为学生利用三个维度理解现象创造机会，建构自己的解释和论据，并根据证据评估这些解释和论点。

9、鼓励学生运用他们的科学知识和对科学本质的理解，在个人、社会和全球问题上作出明智的决定。

10、了解可用于三维科学教学的各种教学模式，并拒绝推广单一的规定性模式或教学方式的想法。

11、确保评估学生反映他们三维学习的经历。①NSTA Position Statement. Transitioning from Scientific Inquiry to Three-Dimensional Teaching and Learning[EB/OL]. (2019-02-01)[2019-08-23]. https://www.nsta.org/about/positions/3d.aspx.

国家研究委员会（NRC）就如何改变实验室活动以提高学生的技能和理解科学提出了一些建议：“首先，实验室活动需要更加以探究为基础。其次，学生在工作时需要有机会阅读、写作和参与批判性讨论。最后，鼓励学生建构或批判性论证，在教学活动中实行形成性评价或教育性评价。”②Eric Brunsell. The Five Features of Science Inquiry: How do you know? [EB/OL]. (2010-09-29)[2019-09-09]. https://www.edutopia.org/blog/teaching-science-inquiry-based.

（四）三维教学有哪些效果

为了验证三维教学在实际科学教学中的效果，美国一些机构和学者对三维科学的教学效果进行了一系列实证研究。

2017年莎拉·菲克（Sarah J.Fick）开展了一项研究，提出了将跨学科概念融入教学的方法，以支持学生在跨学科概念与科学理念建立联系之前了解其用途。这项设计实验使用与授课教师共同开发的课程，描述了教师如何使用这三个维度来支持学生的学习。调查结果使用学生的概念模型和课堂对话作为证据来说明跨学科概念在学习机会中所扮演的角色。①Sarah J. Fick.What does three‐dimensional teaching and learning look like?: Examining the potential for crosscutting concepts to support the development of science knowledge [J].Science Education. 2018,102(01):5.

2018年5月1日，州立学校首席官员委员会（Council of Chief State School Officers，CCSSO）发表《使用跨学科概念促进学生的反应》（Using Crosscutting Concepts to Prompt Student Responses）报告，该报告概述了教师如何使用能够让学生有效参与科学和工程实践，促进他们学科核心理念发生变化的跨学科概念。通过利用这个简洁的结构，学生可以获得关于实践的决策策略，并且对整个教学进行反思。随着学生从低年级升入高年级，学习的内容从一个主题转到另一个主题，跨学科概念将帮助他们构建推理机制，并为所有学生提供参与科学学习的平等机会。②The Council of Chief State School Officers. Using Crosscutting Concepts to Prompt Student Responses [R]. May 1, 2018 : 34.

一些调查还显示，三维教学的效果较为显著。一名8年级教师表示：跨学科概念的资源对于指导我和我的学生是非常有用的。随着学生对跨学科概念的理解和运用不断深入，他们可以利用指南推动自己在跨学科概念学习过程中从“入门级”过渡到“逐渐复杂”，直至“对准目标”。③Karen Cerwin, Kathy DiRanna, Jill Grace. Next Generation Science Standards in Practice--Tools and Processes Used by theCalifornia NGSS Early Implementers[R]. WestEd, 2018:22.

四、结语

目前，美国科学教育强调学生获得核心科学知识和对科学方法有深入理解的重要性。科学课程学习必须鼓励学生像科学家一样思考和谈论。虽然不是所有教学的形式都可以被贴上探究式教学的标签，但这种方法可以得到其他类型教学方法的支持和补充，在这些教学中，提高了学生的调查性技能，强调了科学的应用，研究了科学历史，讨论了科学的本质。当前美国在学校教育中越来越强调三维教学，一系列实证研究也表明了三维教学对促进科学教学效果的提高具有明显的正面作用。当然，在科学课堂中实施三维教学，需要科学教师不断提高其教学能力，他们面临的挑战巨大，他们需要理解、规划和实施三维教学。

我国也应在科学教学中尽快引入三维教学，完成从探究式教学到三维教学的转变。三维教学强调教师根据上下文向学生教授跨学科概念、学科核心理念、科学和工程实践等知识，以帮助学生透彻地理解科学现象。学生在学习科学的时候，也须使用跨学科概念、学科核心理念、科学和工程实践3个维度，并将其整合在一起。