陈慧：国际科学教育发展动态与启示——以美国为例

1、美国科学教育发展一、美国科学教育理念面对科学教育质量不断下降，面对科学教育质量不断下降，国际竞争局面和国内社会问题的日益严峻以及新技术革命的冲击，美国于20世纪80年代以来，开展了广泛的科学教育改革。为了在21世纪的国际经济和军事竞争中立于不败之地，1985年美国民间科学团体科学促进联合会(American Association for the Advancement of Science，简称AAAS)发起了跨世纪的、全面改革科学、数学与技术教育改革的长期规划，简称“2061计划”。用了近四年的时间，于1989年完成并公布了2061计划：面向全体美国人的科学(project2061：Sci

2、ence for AllAmericans)， 发出了“普及科学”( Science for All)的号召，旨在提高全体美国人、尤其是青少年学生的科学技术素养。美国科学促进联合会和国家研究理事会又分别于1993年和1996年先后出台了科学素养的基准和国家科学教育标准（1995年12月，1996年修改后发布）。国家科学教育标准包括六个主要内容：科学教学标准、科学教师职业发展标准、科学教育评价标准、科学内容标准、科学教学程序标准、科学教育系统标准。其前景是所有的学生，不分年龄、性别、文化或种族背景、残疾与否，不论对科学的兴趣、动机以及志向如何，都应该有机会接受科学教育以使自己具有高水平的科学素养

3、。国家科学教育标准的前提是：学习科学是一种能动的学习过程。学生描述事物、提出问题、阐明解释、验证这些解释并和别人交流其观点。国家科学教育标准几乎从科学教育观念、科学教学、科学内容、科学教学程序、科学教育评价、科学教师职业发展乃至整个科学教育系统上都做出了明确的要求和说明，具有很强的实践指导价值，成为美国科学教育改革的推动力，也是指导美国科学教育的纲领性文件。二、小学科学教材类型更加多样化美国的科学教育哲学中早已将科学知识分为三个大领域：生命科学、物质科学和地球与空间科学。传统的科学教材均以这三大块科学概念为核心，由于人体健康的知识与人的生存密切相关，小学许多教材中又将人体科学单列出来。在标准和

4、基准对美国科学教育的影响下，人们对科学本质的认识越来越清晰化，对科学探究能力在科学学习和研究中的重要作用越来越重视。这些新的科学教育文件倡导课程教材的多样化。20世纪90年代以来，又出现了多种类型的小学科学教材。 (一)以科学概念为核心传统的以科学知识体系为主构建课程结构的教材属于以科学概念为核心的教材。SRA真实科学16年级教材是以科学概念为核心的小学科学教材，内容分为四个板块：生命科学、地球与空间科学、物质科学和人体科学。教材提供大量的教学资源，力图从四个方面发动学生学习科学：1.视觉资料；2.有清晰的教学过程的教材；3.以学生为中心的、扩展的学习资源；4.观察、记录、测量和实验等活动材料

5、。以科学概念为核心的教材，在科学概念上是前后紧密联系的，教材每册的单元较多，罗列的知识内容也较多，而在探究的深入上却有所欠缺。有文章认为这类教材容易导致“阅读科学”。但教学主要是教师开展的活动，如果教师的观念比较新，组织教学的能力强，就可以用这样的教材进行探究式的教学。如SRA三年级鸟的视野一课，要学习三种地貌：高原、草原和山脉；解释拓朴图是以什么特别的方式表达地表结构的。一堂示范课是这样上的：先看录像片，介绍三种地貌的特点和成因。然后做画拓朴图的活动。活动之后继续看录像带中的随堂测验。课后可以阅读学习资源卡片中介绍的相关的科学家、科学职业、数学、科学技术和社会、与科学的其他领域的联系、与社会

6、课的交叉等，卡片背面有判断题和问答题。 (二)以科学概念和统一概念为核心标准中“科学的统一概念和过程”以及基准中的“通用概念”都是许多领域共用的思想武器。两者都提倡在教学中渗透统一概念的理解。有的教材在编写时特别考虑了统一概念。科学发现工作(见表1)以科学概念为课程结构体系，并在整套教材中贯穿了基准中通用概念的思想。其每个单元都能使学生对系统、模型、恒定和变化、规模四个概念中的至少一个增进理解。由于通用概念在许多领域都具有重要的用途，教材的这种形式有利于学科的整合，使学生的思维更具开放性。 (三)以探究过程为核心由于标准倡导以探究为核心，美国相继出版多套以探究为核心的科学教材。这些教材的每个模

7、块是一个相对完整的科学探究过程，需要较长的教学时间，因而这些教材结构一般比较简练，以达到“精心选择内容，并将内容放在探究导向的课程中”的目的。BSCS科学教与概念和技能相关的活动(TRACS)K5教材(表2略)和为了孩子的科学与技术(STC)16年级教材的单元结构都是以探究的顺序为核心。TRACS每个模块的探究顺序遵循5E教学模式，即引入(engage)、探索(explore)、解释(explain)、详细描述(elaborate)、评价(evaluate)。引入：为教师提供机会发现学生已有的经验和对要学知识的认识程度。探索：提供很多经验，让学生在活动中进行比较。解释：学习运用正规的语言、科学

8、术语和内容信息来表达，与原有经验相联系，建构新的经验。详细描述：学生在新的条件下应用或扩展新的概念，将新的概念整合到已有的概念中去。评价：评价学生达到的水平。是对学生新学知识的一个总结性评价，在学习过程中的每一步都应该有评价。STC教材的教学的模式与上面相似，主要教学步骤为：焦点，澄清学生对教学主题已有的知识；探究，使学生对客观事物、生物和科学现象进行积极的调查研究；反馈，鼓励学生讨论他们的观察结果，调整他们的观点；应用，帮助学生在新的情况下讨论应用他们的新观点。STC教材各个单元的实验材料与单元内容紧密配套。如植物生长发育单元的实验材料中有快速生长植物油菜种子，传粉用的干蜜蜂标本等。快速生长

9、植物的生长期只要40天，适合为时近两个月的单元教学。三、科学教育师资培养全美科学教师协会（National Science Teacher Association，简称NSTA）成立于1944年，总部设在弗吉尼亚州。它不仅是美国而且也是全球最大的民间科学教育组织团体，根本任务是促进科学教与学的卓越发展。NSTA发起了多项科学教育改革运动，并且参与制定了国家科学教育标准（National Science Education Standards，简称NSES），对科学教育的改革与发展产生了深远的影响。其2003年修改制定的科学教师培养标准（Standards for Science Teacher

10、 Preparation，也称为“NSTA标准”）为科学教师教育机构提供了详细、具体、操作性强的标准，内容与做法值得我们借鉴。标准的主干内容有十个标准，每个标准一般分为三个部分：科学教师应证明自己达到相应目标、讨论、在培养项目中的实施。本文为论述方便，将其分为目标、讨论及实施两部分。标准1：内容（Content）【目标】a：理解并可以成功将主要概念、原理、理论、定律及所教学科与NSTA推荐的其它相关领域的内在联系，传达给学生；b：理解并成功地传达给学生与NSES描述一致的科学概念；c：理解并成功地传达给学生在他们所属科学领域中重要的个人、技术的应用；d：理解、研究并能成功地设计、实施、报告、评

11、价完善科学调查；e：理解并成功运用数学处理和报告数据并解决他们所属学科领域中的问题。【讨论及实施】科学教师要有广博的知识背景，但是为达到上述目标所要求的理解知识与技能更须得到重视。因此科学教师培养项目要对准教师所达到上述目标的水平进行评估，例如对于目标a、b、c可以通过学生的表现评估准教师传授知识的有效性。最终的综合评估结果须报告给NSTA。不同于1998年标准，此次标准根据美国化学会、物理教师协会等机构对各自相应学科的建议，制定了具体的学科内容标准，分为小学初级、小学初中级和中学科学教师三方面内容的建议。标准2：科学的本质（Nature of Science）【目标】a：理解科学的历史与文化

12、的发展历程和学科知识的演变；b：理解使科学与技术以及其他认识世界的方法区分开来的哲学信条、假设、目标和价值；c：成功引导学生参与科学本质的学习，包括适当的时候，对以科学为名的而所作的错误的或不属实的论断的批判性的分析。【讨论及实施】理解科学的本质是科学教育固有的目标、价值，有助于培养学生的科学素养。大学之前科学教育要让学生明确科学不是绝对的，而是试验性的、基于经验的、蕴含文化的。作为教师要明确、清晰地关注科学本质，可通过以下两方面途径：一方面研究并分析与历史和科学相关的文化，另一方面，分析、讨论、争论关于科学本质与科学知识的话题或报告。标准3：探究（Inquiry）【目标】a：理解引向科学知识

13、探究的多种方法的过程，原则和假设；b：成功地使学生参与有发展性的适当的探究，要求他们以科学的态度从观察、数据和推断中发展概念与相互间的联系。【讨论及实施】科学教育的一个主要目标就是让学生能去探究解决感兴趣的问题，使用科学的有效的方法参与有效探究的能力被认为是科学素养的标志（AAA，1993）。“以少胜多”（less is more）的原则指出：从长期理解的角度看，浅层次的教多个概念不如深层次的教少量概念。学生不仅收获NSES要求的探究和科学态度的技能，而且也收获科学研究是怎样进行的知识。科学教师的培养项目要使准教师有更多的机会在科学课程利用不同活动去解决开放性问题，加深对科学本质的理解。准教师

14、须通过学生的探究证明自己在这方面的有效程度。标准4：议题（Issure）【目标】a：理解在所属领域中与科学和技术相关的重要社会议题以及分析和判断这些议题的过程；b：成功引导学生参与问题的分析：包括风险、花费、不同解决方案所带来的好处的考虑，将它们与学生的知识、目标、价值观联系起来。【讨论及实施】作为一名公民，学生应该具备利用材料和适当的工具对与科学和技术相关的社会热点议题做出科学判断和最经济分析的能力。科学教师培养项目应明确地关注关于科学与技术的重要的社会议题的研究，如物种保护、土地使用、化学污染等，并且确保准教师能够运用相关的工具引导学生以材料、信息为资源，剖析、分析议题。标准5：教学的一般

15、技能（General Skills of Teaching）【目标】a：为促进多种学生技能和理解水平的发展，教师应变化他们的教学行为、策略和方法；b：成功地促进不同能力、需求、兴趣、背景的学生学习科学；c：运用各种学生分组学习的策略，成功地组织学生参与合作学习；d：成功地运用科技工具，包括但不仅限于电脑技术获取资源，收集处理数据，并促进科学的学习；e：理解学生先前的信念、知识、经历、兴趣并以此作为学生发展的基础；f：创造并维持心理上和社会上安全、互助的学习环境。【讨论及实施】个体的认知、情感、生活体验等方面因素对知识与理解起着决定作用。作为准教师必须要以所有学生的需要为出发点，运用多种教学方式

16、，创造有意义的活动，来建构学生有效的学习，并且根据学生的反馈，及时改变自己的教学实践。科学教师培养项目应为准教师提供与学生一起合作学习的机会。准教师要学会运用评价手段和科技技术收集课堂上学生的资料，来证明自己教学实践的有效性。标准6：课程（Curriculum）【目标】a：理解NSES建议的课程，而且可以鉴定、获取并/或创造与标准一致的资源和活动服务于科学教育；b：计划并实施能够将NSES的多样目标与学生的需求和能力相协调的内在一致的课程。【讨论及实施】从课堂设计到单元的设计，再到学年计划内部应该是一致的，并且被良好地组织。这些课堂活动是基于学生的需要和能力的，通过此可达到NSES的目标。科学

17、教师培养项目应让准教师及早、经常地参与计划，实施教学，利用图书馆、网络等资源收集资料，开发课程，并且评价课程与NSES目标的一致性。标准7：社区中的科学（Science in the Community）【目标】a：掌握将科学与社区联系起来的途径，包括投资者（股东）并利用社区资源促进科学学习；b：让学生成功参与将科学与资源、投资者联系起来或者解决社区的重要议题的活动。【讨论及实施】社区资源与学生的生活息息相关，对他们当前的生活具有重要意义。科学教师培养项目要提供给准教师学习所在社区必备的知识、背景和工具，让准教师创建一份关于自己所属社区的可用作议题的清单，组织学生参与这些议题的研究项目，如动植

18、物的清查、污染的研究等。这种基于学生个人经历和文化背景的研究有助于促进学生建立有意义的科学框架。标准8：评价（Assessment）【目标】a：使用与教育方法及学生需要相一致的多种评价工具和策略来达到重要的教育目标；b：使用多种评价结果来引导和改进教育、课堂环境或评价过程；c：把评价结果当作学生分析自主学习的工具，鼓励学生对自己的学习进行自我反思。【讨论及实施】NSES对于评价给予了相当的关注，强调评价对科学教师的重要性（NRC，1995），它是促进学生和老师学习的有效方法。科学教师培养项目要使准教师明确以评促教的教学原则，把握目标、行为和评价一致性的这一核心评价过程，学会设计评价体系，以诊断

19、学生的学习和反思自己的教学实践。标准9：安全与健康（Safety and Welfare）【目标】a：理解科学教师对学生的健康、善待动物、维护和清理材料的法律上和道德上的责任感；b：知道并实践科学教育中用到的合理地、安全地准备、储存、分配、管理和清理材料的技能；c：知道并会使用急救措施、维持设备安全，确保急救措施适合学生的活动和能力。d：用安全、人道和道德的方法处理在教室中使用或在野外找到的所有生物，确保对它们的收集、保存和使用处于法律允许的范围内。【讨论及实施】Weld（1990）指出，学生学习科学必须要有一个可行、安全的环境，安全和责任对科学教师非常重要。科学教师培养项目要求准教师准备活动

20、时拥有必备的维持安全环境的知识，能够安全、规范地使用仪器和药品，对教学上用到的动物应施行合乎法律的专业化处理要求。标准10：专业化成长（Professional Growth）【目标】a：积极地、持续地参与专业学习和领导才能培养的机会，以达到工作的最低要求；b：不断地反思自己的教学，鉴定方式和手段可以促进专业化成长；c：利用来自学生、监督者、同事和其他人员的信息来改进自己的教学和加快专业化成长；d：与同事、家长和学生有效地交流，指导新同事，建立与团体的积极关系。【讨论及实施】有效专业发展有以下特点：通过自己的努力向优秀榜样靠近，在学习团体中信任他人并且相互之间交流思想，反思自己的教学并提高自我

21、效能感。科学教师培养项目必须帮助准教师以科学教育者身份参与专业团体活动，促使他们能够有效地发展。三、NSTA标准的特点1、以科学本质、科学探究为突破口，重视培养科学教师的科学素养美国科学教师促进会（AAAS）发起的“2061计划”以及NSES标准均将培养公民的科学素养作为科学教育的中心任务。学生科学素养的培养要以教师的科学素养为前提，而标准根据研究指出，当前大多数准教师及在职教师并不能完全理解科学本质。他们认为，科学研究都遵循特有的已知科学方法进行，许多准教师进入教师行业是想去传授知识的，并非通过探究去引导学生学习知识。因此，标准非常重视教师科学素养的形成，突出强调“科学本质”和“探究”这两个

22、标准。要求准教师能以科学哲学观和历史观审视科学知识的演变，研究和分析与科学本质相关的文化，形成批判和质疑的精神。对科学本质的正确理解，促进了准教师对科学知识探究的原则、过程的理解：“假设推理方法”并不是唯一的科学方法，“实验并非是所有研究的本质”，“科学探究有多种途径，甚至有时是冲突的”。2、构建有效的知识结构学科教学知识（PCK）“学科教学知识”最初由舒尔曼提出，一般认为由学科知识、一般教育学知识、学生知识等交融而成。5标准注重对中学科学教师的学科知识的要求，提出三维目标：对所有中学科学教师的要求；对具体学科的要求（其中包含核心要求与高级要求两方面）；对其它科学学科及数学的要求。体现了学科知

23、识的广度和深度，使准教师能够立足较高点，“居高临下”看待科学学科，加深对科学的理解。但是此等学科知识的要求还只是停留在操作水平上，不能有效促进学生学习。于是标准提出了理解性教学，也就是说准教师应能按照教学的视角组织知识，使其“概念化”。标准理解学生建构知识的过程，指出在知识“概念化”的同时，要特别重视学生知识：学生能否接受某一概念原有知识水平；来自不同种族、社区，有着不同的信仰经验生活；学生有不同的需求、兴趣、爱好个性差异。3、注重从课程设计实施评价反思一体化的专业技能的培养标准指出，新手（没有经验的准教师）开始设计课程往往趋于“自我利益中心”，而非“学生发展为本”，建议准教师及早、经常参与课

24、程设计。在课程设计中要注意以下三方面要素：目标上，必须与国家、州、地区科学教育标准相一致；资源上，要与社区，与学生生活相接轨，因为“全球的资源看起来很遥远”；可行性上，必须与学生的兴趣、能力相一致。课程设计只是实施教学活动前一个准备工作，能否达到相应的目标，能否激发学生的积极性，主要取决于教师的实施方式。标准提倡准教师尝试新的教学方式，如探究教学、合作学习、分组游戏竞赛（TGT）在内的团队协作学习。在尝试新的教学方式之后，要求准教师利用评价工具收集学生信息，包括知识、技能、能力、态度、价值观等。通过分析和解释学生的信息，反思自己的教学实践：What worked and why? What d

25、idnt and why? Were all students engaged in the lesson?6然后，重新设计课程，重新评估结果。通过”课程设计实施评价反思”一体化的、循环的过程，准教师课程开发能力、教学实践能力、自我决策水平等专业技能得到了极大的发展，开始认同自身的职业并逐渐提升自我效能感。4、重视交流与合作的专业发展活动标准指出，必须帮助准教师作为科学教育者参加各种专业发展活动，培养准教师与他人交流与合作的意识、意愿，最终内化成为有自身特征的个体文化。专业发展活动的特点是：对象具有广泛性，有同事、科学家、教育家、行政管理者、家长等；内容上多样性，有关于教学的日常交流、协同进行

26、教学设计与教材开发、相互观摩教学、新的想法与实践等；途径上呈现开放性，不仅可以通过参加国家、州、学区的教育组织或社团的活动，也可以借助杂志、网络等与他人进行交流。在这种文化熏陶下，准教师不再对自己教学上的失败或不确定采取防卫性态度，而是相互援助、共同探讨，继而反思自己的教学实践，明确专业发展道路。四、公共教学资源对小学科学教育提供了大力支持美国对图书馆、博物馆以及网络等公共教育资源的积累非常重视，到处都有公共图书馆和各种名目的博物馆，从网络上还可以查看各种各样的教育信息，这样形成了颇具规模的支持教育的社会支持系统。有利于教师开展丰富的教学活动，也有利于学生开阔眼界，增长更多的知识。1999年，美国就有122347家图书馆，其中公共图书馆就有9046家。图书馆是免费的，一般居民都可以申办一个借书卡。图书馆不论大小，从幼儿读物到成年书籍、从文学到科学都有。据调查，有三分之二的成年人使用公共图书馆，大部分家长都会带孩子到图书馆借阅书籍、上网、借录像带及光盘等。美国每个州都有很多各种名目的博物馆，有很多是科学博物馆。他们积极支持学校教学，时常开展教育服务活动，一些科普活动专门面向科学教师，教师应该比学生更了解博物馆里有什么，了解最新的科技动态，所以很有必要参加这些活动。各种科学博物馆常有学校带着小学生来上课，并且特约在这里工作的科学家讲课。如纽约