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美国《K-12科学教育框架》简介

美国的《下一代科学标准》(以下简称为NGSS)是美国新一轮教育改革的成果,也是我国中小学科学教育工作者的重要借鉴对象。目前,互联网上有许多关于NGSS的讨论,但关于NGSS背后的基础性文件《K-12科学教育框架》(A Framework for K-12 Science Education,以下简称《框架》)讨论的却没那么热门。

其实,美国的课标编写过程有两个关键步骤。首先由美国国家科学研究院所属的国家研究理事会(NRC)编写出《框架》,规定出从幼儿园到高中的美国学生应该学习什么,把科学分成实践、核心概念和通用概念三个维度,并进行了许多精当的解读。

然后,在《框架》公布后,由另一个机构Archieve负责编写NGSS。NGSS大量参考了《框架》的内容,包括科学的三个核心维度。不过,许多在NGSS里看上去零散的内容,在《框架》中就是完整的。

所以说,要理解NGSS中体现的科学教育新理念,最好的办法就是了解它背后的《K-12科学教育框架》。当然,《框架》现在还没有中文翻译,讨论的也比较少。小编在这里整理了《框架》的核心内容,又比较了NGSS和它的关系。希望可以作为一个简介或导读分享给大家。

《K-12科学教育框架》的主要内容

《框架》分三部分,分别是:Scientific and Engineering Practices(科学和工程实践); Crosscutting Concepts(跨学科概念);和44个Disciplinary Core Ideas(纲领性核心概念)。如下图所示:

第一部分,科学和工程实践(Scientific and Engineering Practices)相当于我们原来所说的过程技能和探究方法。但这里用的是实践(Practice)而非技能(Skill)这个词。本书解释说,这是因为要强调科学探究过程中知识和技能的配合。

《框架》划分了八种科学和工程实践

1. 提出问题和明确需解决的难题

2. 建立和使用模型

3. 设计和实施调查研究

4. 分析和解释数据

5. 利用数学和计算思维

6. 建构解释和设计解决方案

7. 基于证据的论证

8. 获取、评估和交流信息

《框架》对每种科学和工程实践都做了具体说明。以提出和解决问题为例,《框架》区分了科学提出的问题和工程提出的问题?比如科学家的提问会包括:

存在什么、发生了什么?

为什么这会发生?

怎么知道它发生?

而工程师会问:

如果人们有一个需求,怎么去满足它?

怎么才能让需求变得具体化?

现在什么样工具和技术可以利用,或者可以被改进,从而用来满足这个需求?

下面几个问题科学家和工程师都会问:怎么才能把现象、证据、解释和设计解决方案联系练来?

第二部分Crosscutting Concepts交叉概念或通用概念,是一些反复出现在不同学科、纲领中的宏观概念,它们有助于学生理解知识的整体性。比如样式(Pattern),过程(Progress)、因果(Causs and Effect)、尺度、比例和数量(Scale,Proportion and Quantity)、结构和功能(Structure and Function)等。是在科学内部学科的通用概念,比如因果概念,物理有,生物也有。

《框架》提出的通用概念在我国的课程标准中没有明确对应的部分。虽然我们在平时也常常说结构和功能、因果性这样的概念,但并没有进行系统化。《框架》对每个通用概念都给出了详细的说明,以及学习的进度安排,值得我们参考。

第三部分DCI,即纲领性的核心概念是学科在K-12阶段都会围绕来学习的概念,相当于科学知识的内容。核心概念《框架》把科学知识分为四个领域:物质科学(PS)、生命科学(LS)、地球和宇宙科学(ESS)以及工程、技术和科学应用(ETS)。每个领域下又有所细分,比如物质科学就分了四个部分。

这里我们以“物理科学第四部分:波和它们在信息传输技术中的应用”(PS 4: Waves and their applications in technologies for information transfer)为例,相当于我们课标中关于声音、光、电的部分。

《框架》把关于波的知识分成A,B,C等几类。关于每类知识有一篇描述性的短文(大约1-2页),介绍K-12学生关于这部分知识所需要掌握的全部内容。如下列的PS4.A: Wave Properties(PS4.A:波的性质):

在短文之后,是掌握该类知识(此处为PS4.A)下某个具体知识点的预期年级。比如在二年级结束之前,学生要知道波是种有规律的运动,还要知道波可以用搅动水面的方式制造出来等等。五年级结束之前,学生要知道同类型的波在振幅和波长上有区别,并且波之间可以叠加和抵消。

NGSS在Framework的上的工作内容

NGSS对《框架》中的要求做了细化(NGSS有两种版本:按Topic编排和按DCI编排。两者区分不大,主要是有些相关的DCI被划归了同一Topic。下面统一以按DCI编排的版本为例)。

简单说,NGSS的主要工作以DCI或Topic为线索,提出了每个年级学生预期能够达成的行为,并把这些行为和《框架》中提出的科学的三个维度联系了起来。下面我们具体来看看NGSS是怎么做的:

NGSS首先Framework中粗略规定的掌握时限做了具体安排。比如,《框架》要求学生在二年级结束前掌握关于波的内容,这被NGSS具体安排在了一年级。下图中1-PS4的意思是物质学科的第四部分(PS4)出现在了一年级。

NGSS分条具体化了学生的掌握程度(或预期行为),并对每个预期行为进行了详细解释。这些预期行为是NGSS相对于《框架》最主要的原创内容。

比如,1-PS4-1(这个编号的意思是,1年级-物理科学第四部分-第1个预期行为)提出,学生应该能够:计划和实施探究,从而找到证据,说明振动可以制造声音,并且声音可以让物体振动。同时后面红字给出了一些补充说明,比如振动制造声音的例子可以是绷紧的弦和音叉可以发声。

NGSS将每一条预期行为与《框架》中科学和工程实践中的具体条目联系了起来。比如刚才提到的行为1-PS4-1就属于Planning and Carrying Out Investigations(计划和完成探究):

NGSS将每一条预期行为和DCI(核心概念)联系了起来。说白了就是指出某一条预期行为对应哪个知识点。

比如刚才提到的1-PS4-1(即能够设计和执行一个探究,给声音的造成振动及振动造成声音),就对应了PS4.A(波的性质)中的知识点“声音可以使物体振动,振动的物体可以制造声音”:

NGSS把每条预期行为和跨学科概念(Crosscutting Concept)联系了起来。

比如1-PS4-1这个活动(即能够设计和执行一个探究,使声音的造成振动及振动造成声音)就与《框架》中提出的通用概念“原因和结果”有关,具体来说就是“可以设计简单的实验,用来收集证据,从而支持或反驳学生关于原因的想法”。

总而言之,在其他国家或地区的课程标准中,很少能把学生每一条具体行为联系到科学方法/实践/技能以及跨学科概念这些层面上。NGSS的做法实际上是用行为(performance)打通了《框架》提出的科学的三个维度。