【摘 要】本文在介绍新一代科学教育标准（NGSS）核心内容的基础上，结合“罐子现象：罐子为什么会变瘪”这一美国加州七年级科学教育案例，阐述了NGSS关于学科核心概念、驱动性问题、科学与工程实践、一致性以及教学目标方面的核心理念，并结合笔者在美国加州的实践考察经历，反思了美国STEM教育与NGSS科学教育之间的关系。
【关键词】NGSS科学教育 STEM教育
一新一代科学教育标准简介
NGSS是新一代科学教育标准的简称（Next Generation Science Standards），是美国新一轮科学教育改革的标志性成果。它是在2010年7月公布的《K-12科学教育框架（草案）》（后简称《框架》），以及1年后正式出版的《K-12科学教育框架：实践、跨领域概念和核心概念》基础上，于2013年4月正式修订完成的。NGSS从实践、跨学科概念和学科核心概念或内容三个维度描述了K-12阶段美国科学教育的预期表现，每个维度又由若干具体内容组成，详见表1。
表1 NGSS中对预期表现的描述
科学和工程实践
1.提出问题（用于科学）和定义问题（用于工程）
2.建立和使用模型
3.计划和进行调查
4.分析和解释数据
5.运用数学和计算思维
6.构建解释（用于科学）和设计解决方案（用于工程）
7.利用证据展开争论
8.获取、评估和交流信息
学科核心概念
物质科学
PS1 物质及其相互关系
PS2 运动和静止：力及其相互作用
PS3 能量
PS4 波及其在信息传输技术中的应用
生命科学
LS1 从分子到生物体：结构和过程
LS2 生态系统：相互作用、能量和动力学
LS3 遗传：遗传和性状的变异
LS4 生物进化：统一性和多样性
地球和空间科学
ESS1 地球在宇宙中的位置
ESS2 地球系统
ESS3 地球和人类活动
工程、技术和科学应用
ETS1 工程设计
ETS2 工程、技术、科学和社会之间的联系
跨学科概念
1.模式
2.因果：机制和解释
3.尺度、比例和数量
4.系统和系统模型
5.能量和物质：流动、循环和储存
6.结构和功能
7.稳定和变化
从整体上看，与1995年美国颁布的国家科学教育标准相比，NGSS更聚焦于少数核心概念及其学习进阶，更关注科学和工程实践、跨学科概念和核心概念的联系，更关注对学习内容的深入理解和运用，并给予使用者更具操作性的指导。这些特点与变化对当前我国乃至世界的科学教育改革产生了深远影响。作为一线科学教育工作者，如何深刻地把握NGSS的这些特点，并能在日常的科学教育实践中加以运用？2017年10月，笔者作为第四期上海市浦东新区赴美交流研修教师团的一员，有幸在美国加州洛杉矶县阿凯迪亚学区First Avenue初中跟岗学习两周，亲身参与了多个科学主题的教学过程，并与相关任课教师交流，收获了一些反映NGSS特点的科学案例及其实施策略。教师Mark开发和实施的“罐子现象”就是其中的案例之一。本文旨在结合这一案例，管窥NGSS关于学科核心概念、驱动性问题、科学与工程实践、一致性以及教学目标等方面的核心理念。
二初中科学教育案例实录与分析
【案例背景】
“罐子现象：罐子为什么会变瘪”是一堂美国加州的七年级科学课，该案例对应新一代科学教育标准（NGSS）初中阶段自然科学（Physical Science）中的核心概念“物质及其相互关系”中的第四条“预期表现”，即建立一种模型，该模型可以预测和描述在增加或移除热能时粒子运动、温度和纯物质状态的变化。
上述“预期表现”的表述可以从三个方面理解。第一，建立和使用模型，这与提出问题和明确需解决的难题、设计和实施调查研究、分析和解释数据等同属于实践维度的内容。第二，预测并描述变化，这与能量与物质、结构与功能、稳定性与变化等同属于跨领域概念维度的内容。第三，增加或移除热能时粒子运动、温度和纯物质状态会发生变化，这是分属于物质科学中的学科核心概念。需要强调的是，“预期表现”融合了学生多维度的表现，是NGSS中组织呈现相关主题的特有的表达形式，它说明了某学段的学生应知道的和能做的内容，是一种可观察、可评估的描述，这样的描述有利于提高标准执行的可操作性。
【案例描述】
第一课时：创设丰富的问题情境
教师通过一个自然条件下的油罐箱突然变瘪的视频导入课程。由于场景非常真实和震撼，学生的探究欲望和参与意识被激发出来——是什么原因造成了油罐箱变瘪呢？学生根据自身的经验，提出了很多解释框架（认知模型）。教师没有对这些模型进行评价，而是用鼓励的口吻赞许学生的奇妙想法。
为了让学生对该现象展开进一步探究，教师准备了两个热身实验，都是采用先介绍实验材料、实验步骤和注意事项，再让学生以小组为单位进行实验的教学流程。首先，请学生把气球开口罩在锥形瓶口，再把锥形瓶放入热水中，观察气球的变化；接着，把刚才的锥形瓶浸在冷水中，观察气球的变化。学生会发现在热水中气球会变大，在冷水中气球会变小。教师此时会提出问题——为什么会这样？学生自然会有不同的观点，教师让几个小组的代表分享观点，与之前的评价相似。教师也没有对学生观点的对错进行评判。为了印证个别小组提出的接近正确的观点，教师增加了一个在冷、热水中分别滴加食用色素的演示实验。实验证明：食用色素的粒子在热水中运动得快，在冷水中运动得慢，从而推理出热空气粒子运动得快，冷空气粒子运动得慢的结论。这节课，学生还动手操作了“棉花糖实验”，即把棉花糖放在密闭的注射器中，观察增加或减少空气后棉花糖的体积变化，最后得出“压力增加，棉花糖体积变小；压力减小，棉花糖体积变大”的初步结论。
第二课时：在讨论和阅读的基础上，修正认知模型
教师回顾了上节课的主要内容，让学生结合已有的实验结论解释油罐箱变瘪的现象，相应地形成修正后的模型A和B。在这个过程中，教师除了鼓励学生的发言，依然没有告诉他们正确的解释框架。到这个阶段，学生已经有了压力、温度、粒子等关键概念，并初步了解这些关键概念之间的关系。他们前面所有的认知模型或解释框架都要求用完整的句子（可辅以手绘图示）进行描述，这也是我们在美国初中科学课堂里看到的普遍现象，因为，写作被认为是科学学科的一种基本能力。
这节课，教师为每个学生准备了两份阅读材料，即《温度波动与气压变化》和《真空危害——变瘪的罐子》，并在阅读材料的合适位置标示了文章来源，增强了材料文本的可信度。而这节课的基本任务是：摘录材料的主要观点，并再次修正原来的认知模型（解释框架），提出修正后的模型C。在课的最后，教师演示罐体内的小气球实验：当将罐体内气体抽出时，置于密闭罐体内的扎紧口的小球体积会变大。由于时间关系，对最后实验现象的解释和归纳将在下节课完成。
第三课时：深入探究，形成最终认知模型
教师再次演示罐体内的小气球实验，学生结合先前的认知模型，在小组内分享观点，修正原有模型，提出修正后的模型D。至此，教师依然除了对学生的积极表现予以肯定和鼓励外，没有对他们的模型D进行评估。最后，教师拿出一个空易拉罐，在罐子内加少量的水，放在电炉上加热，直到罐子内的水沸腾。在这段时间里，教师提出问题：“如果将加热后的罐口倒置在水里，罐子会发生什么变化？”学生带着自己的猜测进入到教师演示环节，清晰地看到易拉罐变瘪了。这很容易让他们联想到本主题的驱动性问题。此时正是真正需要分析、比较、整合各种对驱动性问题的认知模型（解释框架）的时候。通过个人反思、小组交流、教师点拨，一个比较合理的认知模型（解释框架）随之建立起来，即随着热能增加，物质中的粒子运动加剧，物质的温度可能会升高，物质可能会从液态变成气态，气体压力会随之增加；随着热能减小，物质中的粒子运动减弱，物质的温度可能会降低，物质可能会从气态变成液态，气体压力会随之减小。随着罐子内的气压变小，它就在外部气压的作用下变瘪了。
第四课时：创设新情境，应用认知模型
教师还安排了一节课来回顾和应用前面学到的模型。其实教师几乎每节课都会利用七八分钟时间来回顾和检测之前的内容，只是他的方式比较特别。他经常用到一个叫做“Class Craft”的课堂角色游戏网站，通过给积极的课堂行为（如正确回答问题）赋分，提升课堂参与度和课程影响力。在应用环节，教师抛出一个新的挑战性问题：“如何让气球充满玻璃瓶子？”有的学生提出把气球先塞入瓶子后再吹气，结果当然是铩羽而归，而更多的学生开始反思前面几节课建立起来的关于气压与温度关系的模型，尝试提出自己的方案。经过讨论和教师点拨，学生形成一个可行的方案。接着，教师演示了这个实验，并再次让学生应用模型解释实验原理。在此基础上，教师又提出了新问题：在不准接触气球的情况下，如何把气球毫发无损地从玻璃瓶中取出？在经历了“建立模型-修正模型-最终模型-应用模型”这一系列过程之后，不少小组举一反三，逆向应用模型并提出了科学的方案。最后，在全体学生的注视下，教师再次成功演示实验，教室里响起阵阵掌声。
【案例分析】
上述案例利用四个课时让学生“建立一种模型，该模型可以预测和描述在增加或移除热能时粒子运动、温度和纯物质状态的变化”，从而达成这一整合的“预期表现”。我们可以从活动和逻辑两条一明一暗的线索来分析上述案例（详见表2）。
表2 “罐子现象”的活动顺序和逻辑顺序
实践活动
1.油罐箱突然变瘪的视频
2.瓶口的气球遭遇冷水和热水实验
3.注射器里的棉花糖实验
4.带着目的阅读材料
5.罐体内的小气球实验
6.易拉罐在冷水中变瘪实验
7.让气球充满玻璃瓶子实验
活动顺序→
建立模型
1.最初的模型
2.修正后的模型A
3.修正后的模型B
4.修正后的模型C
5.修正后的模型D
6.最终模型
7.应用模型
逻辑顺序→
从活动形式来看，有观看视频、讨论交流、实验、阅读、记录等；从活动内容来看，教师设计的五个学生实验活动都紧扣上述“预期表现”。比如，易拉罐在冷水中变瘪实验就对应“增加或移除热时粒子运动、温度和纯物质的变化”。但是，每个活动又不是简单的重复，活动会随着模型建立的阶段不同而呈现出相应的特点。比如，在建立最初的模型阶段，教师利用的是一个油罐箱突然变瘪的视频。这个视频虽然真实，但学生生活中很少有这样的经验，他们的好奇心被激发了起来，也有利于调动学生原有认知体系中的相关经验，形成最初的解释框架。为了让学生逐渐自主地建立科学的认知模型，教师设计的学生实验呈现了知识的递进特征。比如，瓶口的气球遭遇冷水和热水实验揭示了物体体积热胀冷缩的原理；注射器里的棉花糖实验揭示了物体体积与压力大小的关系。这些科学原理有助于学生逐步建立、修正、形成、检验科学的认知模型，符合科学概念建立的认知规律。
三启示
1.学科核心概念：规划学习主题的依据
学科核心概念是NGSS中科学教育的三个维度之一，涵盖物质科学、生命科学、地球与空间科学，工程、技术与科学应用等多个学科领域，并可细分为13个学习主题。我国2017版小学（1~6年级）科学课程标准与这个框架大致相似，但全国版初中（7~9年级）科学课程标准以及上海版初中（6~7年级）科学课程标准目前还是2011年或以前的版本。在我国，科学教师主要是根据教科书的指定内容和顺序，参照科学课程标准和教师指导用书来进行教学设计、准备教学材料。也许，这样的方式可以保证一段时间下来，所有的知识点尤其是重要知识点得到落实，但教学的内容和形式会逐渐僵化，教师教学自主性和创造性缺失。在上述案例中，教师整合实践、跨学科概念和学科核心概念三个维度，根据NGSS中的学科核心概念来自主规划学习主题、教学内容、教学方式。教科书和各种网络视频、信息成为教师组织教学活动的重要资源，所谓用教材教而非教教材就是这个道理。这种课程设计与实施的自主性大大激发了教师的自主性和创造力。教师心中有理念，眼里有目标，对促进学生的可持续发展，提高课堂教学的有效性也很有帮助。
2.驱动性问题：贯穿学习过程
在选定学习主题之后，设计一个优质的驱动性问题非常关键。一个驱动性问题至少应该具备三个特征：（1）问题情境是真实的，能激发学生的共鸣和探究欲望；（2）问题是有挑战性的，对本学段的学生而言，现有的知识、经验还不足以完整地解释问题情境；（3）问题是有包容性的，包括学习主题的核心学科概念。因此，驱动性问题不仅要创设激发兴趣的问题情境，还要贯穿学习的全过程，引领学习不断深入，直至最终解决问题，帮助学生建立正确的科学概念。
3.科学与工程实践：教学活动的载体
NGSS将科学与工程实践作为科学教育的三个维度之一，并认为这三个维度是相互缠绕融为一体的一股绳，学科核心概念和跨学科概念需要通过科学与工程实践来落实。而科学与工程实践可以分成三种类型：通过采集各种证据，形成对某个问题或现象的合理解释（科学概念）的科学探究活动；通过创意、设计、制作、测试、改进、分享等环节形成某个实际问题的解决方案或模型的工程实践活动；融合科学探究活动和工程实践活动的综合性实践活动。不管是哪种类型的科学与工程实践活动，活动的主体一定是学生，他们应该被赋予自主发现问题、定义问题的权利，自主设计方案和探究的权利，自主反思和改进方案或模型的权利。教师应该成为学生实践活动的支持者和促进者，提供学生开展实践活动必要的物质条件和学习环境，给予学生必要的指导和鼓励，甚至和学生一起参与到他们的实践活动中。
4.一致性：从概念的建立到应用
科学概念的建立是一个复杂的过程，绝不是读读、背背、听听概念的定义就能完成的。正如本案例的逻辑顺序所显示的，科学概念的建立需要从不同的角度打破原有的问题解释框架，不断地暴露学生原有的迷思概念，不断地提供新的证据让学生自己反思、修正，从而形成更加合理的解释（科学概念），并把形成的合理解释（科学概念）应用到新的情景中检验其合理性，进一步丰富概念的内涵。
5.教学目标：强调整体性和可评估性
在NGSS的指导下，美国教师对教学目标的使用值得我们深思。一方面，NGSS强调教学目标的整体性。因为课堂中的每一个活动都不是孤立的，我们对课程的理解也不是割裂的。如果我们能用整体的思维考虑教学目标，用整合的方式撰写教学目标，这对提高教学目标的有效达成度应该有所帮助。另一方面，NGSS强调教学目标的可评估性。情感、态度与价值观是教学目标中我们很难把握的维度，要么千篇一律，要么纸上谈兵。NGSS核心概念中的第四条“预期表现”中没有这个维度，如果非要从中找到对应点的话，大概只能从实践维度找到一条：基于证据的论证。这与价值观中的实证意识、科学精神勉强能对上。为什么NGSS中基本上能找到与知识与技能、过程与方法维度相对应的内容，而唯独缺情感、态度与价值观维度？显然不是NGSS要忽视保护学生的好奇心，促进学生学习科学的积极情感和正确态度，恰恰是美国科学教育最值得我们学习的特色。一个可能的理由是，由于这一维度的教学目标偏于形而上，难以观察、评估，要么把它融入到实践导向的维度，要么干脆舍弃。但由于情感、态度和价值观目标对其他目标有效达成和作为培养有科学精神的人的重要性，它可以在科学课程的课程目标中作出统一要求，但不必在科学课程的教学目标中特别说明。
6.NGSS是具有广泛意义的美国STEM教育内容标准
在NGSS中，科学与工程实践是描述美国科学教育在K-12阶段“预期表现”的三个维度之一。其主要的实践内容有：提出/定义问题、使用模型、进行调查、分析数据、使用数学、构造解释/设计解决方案、利用证据展开争论、交流信息。除此之外，学科核心概念维度还新增了一个与物质科学、生命科学、地球与空间科学并列的学习领域——工程、技术和科学应用，它把工程设计和工程、技术、科学、社会学科之间的连接作为两个重要的学习主题。可见，把STEM教育融入到科学课程中已经成为美国加州STEM教育的一种制度性安排。事实上，NGSS的确在很大程度上充当了现阶段美国K-12阶段STEM教育的一种“内容标准”，引领着STEM领域的课程开发和教学实践。虽然在某种程度上，我国2017版小学科学课程标准也充当着类似这样的角色，但我们应该有统摄面更广的STEM教育顶层标准。
参考文献：
[1]叶兆宁.美国新一代科学教育标准概要(一)[J].中国科技教育,2012(6).
[2]郭玉英等.美国《新一代科学教育标准》述评[J].课程教材教法,2013(8).
（作者系上海市实验学校东校 祝俊风）
（本文刊载于《现代教学》2018年5A刊）
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