將科學本質教育落實到科學課堂實踐中*
——基于美國新一代科學教育標準中科學本質的啟示

●康 琪

將科學本質教育落實到科學課堂實踐中*
——基于美國新一代科學教育標準中科學本質的啟示

●康 琪

從20世紀60年代開始，科學本質被認為是科學素養的重要組成部分；很多國家將科學本質作為重要的科學內容標準，對學生進行基于科學本質的科學教育。鑒于國際上對科學本質的研究存在一定的分歧，本文介紹了美國最新頒布的科學教育標準（NGSS）中有關科學本質的內容，以及基于NGSS的科學本質教學設計思路，提出對我國當前科學教育改革中教師教育、課程標準修訂和科學教育提出建設性意見。

科學本質；NGSS；美國科學教育；科學課堂實踐

從20世紀60年代開始，科學本質被認為是科學素養的重要組成部分；科學本質成為科學教育的永恒話題[1]。美國自2013年頒布新一代科學教育標準（NGSS），將科學本質的教育內容融入課程內容中，建立了與“科學與工程實踐”和“跨領域概念”之間的聯系。如何對學生開展基于科學本質的科學教育？科學教育界需要有明確的科學本質概念，科學教師不僅需要理解科學本質的內容知識，還需要具備科學本質的教學知識，并具備開發科學本質教學資源的能力，實現教師對科學本質的理解向科學本質課堂教學實踐的轉化。鑒于國際上對科學本質的研究存在一定的分歧，本文介紹了美國最新頒布的科學教育標準（NGSS）中有關科學本質的內容，以及基于NGSS的科學本質教學設計思路，提出對我國當前科學教育改革中教師教育、課程標準修訂和科學教育提出建設性意見。

一、當前科學本質研究的現狀和存在的主要問題

我國新一輪科學改革中，將科學素養、科學本質做為重要的科學教育目標，但是科學課程標準中缺少對科學素養、科學本質的內涵界定、操作性定義；我國對于科學本質教育的研究大多采用國外的理論框架[2]，而國際上從科學本質的概念界定到科學本質的測量，都存在一定分歧，甚至自相矛盾的觀點。要在新一輪科學改革中實施基于科學素養提高和科學本質理解的科學教學，有必要明確科學教育中科學本質的內涵界定、與學?？茖W教育相關的科學本質的研究現狀及其存在的主要問題。

（一）教師、學生的科學本質理解有待提高

從20世紀60年代開始，科學本質就被認為是科學素養的重要組成部分；上世紀90年代，美國科學促進會、美國國家科學研究委員會頒布的科學教育政策、文件中提出：所有年級應該進行科學本質教學。

提升學生科學本質理解的研究始于1950s；接著是對學生和教師科學本質的研究，促進學生和教師科學本質理解的課程和教學方式的研究；以及教師科學本質理解向課堂實踐轉化的研究，研究取得了一定進展。然而，全球范圍的研究顯示：小學、初中、高中和大學的學生和教師對科學本質缺乏深刻理解。不僅如此，越來越多的研究發現：教師和學生的科學本質理解是不夠充分的、不夠全面的、甚至混亂的。[3]

（二）科學本質研究存在的問題

McComas和Olson以美國、澳大利亞、英格蘭（威爾士）、新西蘭和加拿大等5個國家的8個課程標準為研究對象，從HPSS（科學史哲、科學社會學）和科學心理學的視角，分析其中有關科學本質的內容。結果顯示：上述4個學科都與科學本質有關系，不同課程標準中科學本質的某些觀點比較一致。[4]然而，科學史哲學家對科學本質的某些重要方面仍然存在分歧。胡揚洋通過比較科學哲學與科學教育領域的研究，認為“科學本質”不是科學哲學家頻繁使用的術語，這一概念本身在科學哲學的意義上容易導致誤解。[5]

美國、加拿大、英國、丹麥等各個國家的課程文件中強調學生對科學本質的理解。[6]但是，盡管科學教育標準要求進行科學本質教學，教師在其課堂中不一定實施。國家政策、標準對科學課程和科學課堂教學具有潛在影響，教師是課堂教學的實施者。教師如果缺乏對科學本質內涵理解，不具備開發科學本質教學資源的能力，基于科學本質的教學將無從談起。

如何實現教師對科學本質的理解向科學本質課堂教學實踐的轉化？需要有明確的科學本質內涵界定，并為教師提供基于該科學本質內涵的科學教學設計與實施。

二、美國新一代科學教育標準中的科學本質

（一）美國新一代科學教育標準

自2013年4月，美國頒布了新一代的科學教育標準（Next Generation Science Standards，簡稱“NGSS”[7]），開始了國家、州和地區不同水平的教育改革。改革聚焦在教師專業發展、學校項目和評估等。Rodger W.Bybee[8]提出了理解NGSS中科學教育的5點變化：（1）理解“學科核心思想”、“科學和工程實踐”以及“跨領域概念”這三個維度的相互作用；（2）認識學習進階（Learning Progressions）；（3）包含工程實踐；（4）強調科學本質（Nature of Science）；（5）協調科學與共同核心標準中數學等其他學科的關系（Common Core State Standards for English Language Arts and Mathematics（CCSS））。

NGSS是基于美國國家研究委員會在2012年的發布的報告《A Framework for K-12 Science Education》（NRC，2012）（以下簡稱《框架》）基礎上，描繪了課堂教學、學生學習和未來教師專業教育等前景。而在《框架》中并沒有直接包括科學本質的具體內容，經過美國各州和公眾的反饋，明確并強烈表示需要包括對科學事業的理解，所以在NGSS中包含了科學本質的具體內容。

國內學者紛紛對NGSS編制的時代背景、基本框架和特點、學業評定系統[9]、對我國科學教育的啟示、對未來科學教育方向的引領[10]等，進行全方位的研究和解讀。胡玉華[11]以“生態系統”單元為例，對比了1996年科學教育標準和NGSS的表述，NGSS將對概念的理解轉化為學生的具體表現，使得課程設計者和教師的教學有章可循；具體分析了“生態系統”單元在科學和工程實踐、學科核心概念、跨學科概念這三個維度下的具體學習目標；以及該單元與學科內其他核心概念的聯系、與數學的聯系等。

郭玉英、姚建欣[12]等分析了1996年科學教育標準和NGSS中內容的聯系?！肚皹藴省分杏邪茖W的歷史與科學的本質等八個獨立敘述的部分，《新標準》中這些內容不是獨立出現，是圍繞表現期望整合出現的。郭玉英等認為，美國《新一代科學教育標準》體現“整合”這一科學課程改革的理念，恰當反映了真實世界中的科學和工程是如何實踐的。郭玉英等分析了三大變化：（1）圍繞大概念組織科學教育內容；（2）以表現期望為核心；（3）基于學習進階（Learning Progression，LP），構建LP關系圖。三大變化可以用“整合”概括：不同科學學習領域、科學教學內容之間的、科學本質與STSE（科學、技術、社會和環境教育）之間的、不同學科（如英語、數學）之間的“橫向”的整合；以 LP為基礎的、學生在K-12不同階段認知發展的“縱向”整合。此外，郭玉英等介紹了科學本質教育的進階矩陣，因為“科學本質教育我國讀者相對陌生”，并以科學本質中“科學知識基于經驗證據”這條核心概念為例，具體說明核心概念是如何隨學習進階的延伸進階發展的。

歷晶、鄭長龍[13]等分析了NGSS中科學本質的教育內容、教育意義，并提出了應該將具體的科學本質教育內容寫入到我國的科學課程標準中，科學課程選擇共識性的科學本質教育內容等建議。

張殷、張紅霞[14]認為：NGSS提供了不同課程模型的設計路線，強調還有眾多其他模型，并邀請相關教師等參與模型構建的研究?！斑@種開放且愿意不斷修正的態度正是科學本質的核心：根據新的證據，科學知識可能修改”?？梢?，NGSS不僅將科學本質作為重要的科學教育內容，NGSS本身也是遵循科學本質的編寫過程。因為科學本質的核心之一就是：科學知識可能會根據新的證據進行修改。

（二）美國NGSS中的科學本質

科學教育標準最基本的思想就是描述清晰的、連貫的、可以理解的科學內容和科學能力?？茖W教師、科學教育工作者有必要對NGSS中科學本質內容進行深入學習、研究，理解NGSS中科學本質的內涵界定，以及基于此內涵的科學教學。這是實現教師對科學本質的理解向科學本質課堂教學實踐轉化的必要條件。

科學教育界在對“科學是什么”的回答中，一般認為科學就是人類用來解釋自然世界的一種方式，是一系列實踐和知識的歷史積累。學習科學和工程實踐、積累科學學科的基本概念是科學教育的重要組成部分。此外，學生應該發展對作為一個整體的科學事業的理解，包括引發好奇、調查研究、提出問題、數據收集、數據分析等。這為NGSS和科學本質之間建立了聯系。

NGSS提倡學科核心內容，科學與工程實踐，跨領域概念這三個維度。建立了科學本質與“科學與工程實踐”和“跨領域概念”之間的聯系。其中，與“實踐”緊密相聯的科學本質的要素有：科學探究使用不同方法；科學知識以實證的證據為依據，并隨著新證據的發現進行隨時修正；科學模型、科學定理、科學機理和科學理論可以用來解釋自然界的各種現象。與“跨領域概念”緊密相聯的科學本質要素包含如下4點內容：科學是一種認知方式；科學知識在自然系統中存在秩序和一致性；科學是人類的事業；科學用來解決自然和物質世界的各種問題?？茖W本質的每一個要素在K-12各個階段有不同的要求，以K-2、3-5階段為例進行介紹，如表1所示。

表1 小學階段對科學本質的理解

可見，在NGSS中，科學本質內容與“科學與工程實踐”和“跨領域概念”之間建立了緊密的聯系。當科學本質融入課堂時，可以使學生通過科學與工程實踐和跨領域概念，加深對自然界和人造世界的理解。當學生實施調查研究，開發模型，提出問題或者進行論證的時候，他們應該有機會思考他們做了什么以及為什么那么做。他們應該有機會將自己的方式與其他學生或者專業科學家的方式進行比較。通過這種反思，學生逐漸理解每一個實踐活動的重要性，并提高了對科學本質的鑒賞能力。

NGSS對于如何實施促進科學本質理解的教學，提出如下建議[15]：

科學教師往往提出這樣的問題：如何使實踐的要素和跨領域概念共同幫助學生理解科學本質？假設學生們觀察天空中月亮的運動，季節的變化，水中的相變或者有機體的生命循環。教師可以在通過以下步驟將科學本質教學落實到科學課堂實踐中：（1）讓學生們觀察其模式并提出對原因和結果的解釋；（2）學生在假設的解釋基礎上提出一個模型；（3）設計探究來檢驗模型 （在設計探究中，學生必須收集和分析數據）；（4）使用基于證據的論證來闡述解釋。這樣的經歷和過程可以幫助學生使用它們實踐的知識和跨領域概念來理解科學本質。

（三）以NGSS中科學本質為基礎的教學設計思路

利用科學發展史中的真實案例是呈現科學本質的一種方法?？茖W史中的案例研究可以作為背景知識，促進學生對科學本質的深入理解，也可以促進學生基于學科核心思想的、對“科學與工程實踐”和“跨領域核心概念”的理解，進而同時提高對科學本質的理解。關鍵是提供一個指導背景，通過理解系統、模型、模式、原因和結果、數據分析和解釋、科學論證中證據的重要性、對自然世界的科學解釋等內容，將策略與實踐和科學本質建立聯系。通過使用歷史的和現代的案例研究，學生可以在更大的科學模型、定律、機理、理論的背景下理解科學的本質。

在設計指導的時，教師需要作出全面選擇，明確什么時候可以通過學生反思自己的調查研究來建構對科學事業的理解，什么時候有必要讓學生分析歷史上的案例。

Lisa S.Fanning and Krista L.Adams[16]在教學中向學生呈現科學本質類型的問題（NOS-type questions）來提高學生對科學本質的理解。其開發的融入科學本質教學的教學設計，有以下幾個步驟：（1）確定教學內容，使用的科學和工程實踐、跨領域概念等內容；（2）NGSS中哪個科學本質要素可以有邏輯地加入課程中。設計了科學本質類指導問題，來回答以下3個問題：“原有課程中是否已經存在這些科學本質的要素？”“科學如何如何在該課程中對科學進行多個角度的呈現？”“學生如何模仿科學家在該領域的實踐？”通過對這3個問題的追問，來確定哪些科學本質要素是教學活動中最合適的；（3）確定與科學工程實踐和跨領域概念想聯系的科學本質的要素；（4）基于已有知識回答上述問題，并搜集更多信息更好理解與科學本質的聯系。

三、美國NGSS中科學本質對我國科學教育的啟示

Lederman[17]對于中小學階段應該教授的科學本質內容提出了一些具有共識的內涵，如科學知識的暫時性；科學知識的經驗性與可驗證性；科學觀察是理論滲透的；科學知識本身是人類智慧的結晶，在科學知識產生過程中，人類發揮了想象力和創造力，并運用推理等思維過程；科學知識不是孤立的，與社會、文化等相互作用、相互影響。

然而，對于小學、初中和高中，需要學生理解和掌握的科學本質內容是不同的，科學本質的教學也應該是有所區別的。NGSS為K-12不同階段科學本質教學提供了可以參考的內涵界定與概念的進階發展。

（一）對教師教育的啟示

科學教師是科學課程的實施者，科學教師具有怎樣的科學本質觀、自身的科學素養現狀是基于科學本質的科學教學的重要前提，是學生科學素養提高的必要條件。在科學教師職前培養和職后培訓中，融入科學本質教育相關內容?？茖W教育者、教師教育培訓者需要在翻譯、介紹國際上科學本質的研究進展中，關注基于科學本質的科學教學的實施情況、基于教師科學本質提高的教師教育項目設計和實施情況，并進一步結合我國科學教師教育的實際情況，開展有針對性的實證研究。進一步為我國的基于科學本質的科學教育提供實證數據支持、理論支撐和實踐指導，以實現對科學教師科學本質的培養和培訓，進而實現中小學學生（乃至大學生）科學本質理解、科學素養提升。

（二）對科學課程標準修訂的啟示

我國小學科學課程標準自修訂以來，準確把握國際科學教育動脈，特別是美國NGSS頒布，對我國科學課程標準產生重大影響。在修訂的小學科學課程標準中，內容編寫關注科學“大概念”、科學核心概念，并加入“工程”相關要素。此外，可以借鑒NGSS中科學本質理解的內容，在小學、初中、高中各個階段加入適合學生認知特點的科學本質教育內容。

明確界定科學本質是“誰”的科學本質，是教師還是學生應該理解的科學本質？是學生K-12階段中哪一個階段應該理解的科學本質？這樣明確界定后，使學校K-12各個階段的科學本質教育更加清晰、更有針對性，避免指代不清晰、避免照搬國外已有的科學本質量表進行“測量”。所有的“測量”和“評價”應該首先建立在清晰的概念界定的基礎上。

參照NGSS對于K-12不同階段科學本質概念內涵及其與科學工程實踐、跨領域概念的融合，明確界定小學科學、初中科學、高中科學課程標準中的科學本質內容。

（三）對各階段科學教學的啟示

科學教育應該還原科學的本來面貌[18]。美國NGSS遵循“科學的本來面貌”，提出了“科學教育應該加強各學科的聯系，因為真實世界的實踐是各學科綜合的”橫向整合與“尊重兒童認知發展規律，構建K-12各個階段科學概念的學習進階”的縱向整合。

近些年，我國開始關注STEM教育，但對科學各個學科的相互聯系的本質的理解仍處于借鑒國外理論和教學案例的水平，在中小學科學教學中，缺少體現學科融合、跨學科整合的常態科學課、常態STME課程，根本原因就是缺乏對科學本質、各個科學學科的學科本質的清晰認識。

在K-12階段中，要重視對科學啟蒙階段，特別是小學低年級學生進行科學本質教育。Akerson[19]指出：過去對于5-9歲兒童是否真正理解NOS的各個方面有疑問，但是研究顯示兒童可以從5歲開始建立對科學本質思想的理解。他們建議小學生應該先學習一些NOS中更加具體的方面，如科學知識基于實證等內容；然后再學習科學本質中抽象的方面（如創造性等）。

要從“本質”上認識科學教學，還原科學教學的本來面貌，需要科學教師、科學教育者從學科本質角度、以科學本質明確內涵為基礎，對科學教育的目的、科學教學的價值進行追問，深刻理解科學教育中各個學科領域的“本源”問題，將科學本質教育落實到各個階段的科學課堂實踐中。

[1]王晶瑩.科學本質觀與科學探究的意義及實踐——美國李德曼教授訪談錄[J].全球教育展望，2008，（2）：3-6.

[2][5]胡揚洋.國際科學本質教育思想的回顧與慎思[J].課程教學研究，2016，（6）：38-41.

[3]Valarie L.Akerson，Ingrid Weiland，Meredith Park Rogers. Exploring Elementary Science Methods Course Contexts to Improve Preservice Teachers’NOS of Science Conceptions and Understandings of NOS Teaching Strategies[J].EURASIA Journal ofMathematics，Science&Technology Education.

[4]王健，劉恩山.“科學本質”的研究及其進展[J].生物學通報.2007，42（6）：38-40.

[6]黃曉.體現科學本質的科學教學——基于HPS的視角[D].華東師范大學，2000.

[7][15]NGSS Lead States.2013.Next Generation Science Standards：For States，By States.Washington，DC：The National Academies Press.

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[9]蔡敏，馬永雙.美國基于《新一代科學教育標準》的學業評定系統探析[J].教育科學，2015，（6）：75-80.

[10]楊文源，劉欣顏，劉恩山.美國《下一代科學教育標準》的出臺背景及其對科學教育的導向[J].當代教育科學，2015，（21）：39-42.

[11]胡玉華.美國《新一代科學教育標準》的設計理念及啟示[J].中小學管理，2015，（8）：27-29.

[12][18]郭玉英，姚建欣，彭征.美國《新一代科學教育標準》述評[J].課程·教材·教法，2013，（8）：118-127.

[13]歷晶，鄭長龍，何鵬.美國《下一代科學教育標準》中的科學本質教育[J].現代中小學教育，2015，（8）：104-107.

[14]張殷，張紅霞.教師如何成為課程的設計者——美國《新一代科學教標準》的啟示[J].教學管理，2015，（9）：69-71.

[16]Lisa S.Fanning and Krista L.Adams.Bridging the three dimensions of the NGSS using the nature of science[J].SCIENCE SCOPE.2015（10）：66-73.

[17]Lederman，N.G （2007）.Nature of science：past，present，and future.In S.K.Abel&N.G.Lederman（Eds.），Handbook of research on science education（pp.831-879）.Mahwah：Erlbaum.

[19]Akerson，V.L.，Weiland，I.，Pongsanon，K.，&Nargund，V.（2010）.Evidence-based strategies for teaching nature of science to young children.Ahi Evran Universitesi Kirsehir Egitim Fakultesi Dergisi，11（4），61-78.

（責任編輯：金傳寶）

*本文系北京教育學院2016年重點關注課題（項目編號：ZDGZ2016 -01）的研究成果之一。

康 琪/首都師范大學博士研究生；北京教育學院講師；主要研究方向為科學教育，教師教育