——以“罐子現(xiàn)象：罐子為什么會變癟”一課為例

【摘要】本文在介紹新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)（NGSS)核心內(nèi)容的基礎(chǔ)上，結(jié)合“罐子現(xiàn)象：罐子為什么會變癟”這一美國加州七年級科學(xué)教育案例，闡述了NGSS關(guān)于學(xué)科核心概念、驅(qū)動性問題、科學(xué)與工程實踐、一致性以及教學(xué)目標(biāo)方面的核心理念，并結(jié)合筆者在美國加州的實踐考察經(jīng)歷，反思了美國STEM教育與NGSS科學(xué)教育之間的關(guān)系。

【關(guān)鍵詞】NGSS科學(xué)教育 STEM教育

一、新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)簡介

NGSS是新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)的簡稱（NextGenerationScienceStandards)，是美國新一輪科學(xué)教育改革的標(biāo)志性成果。它是在2010年7月公布的《K-12科學(xué)教育框架（草案)》（后簡稱《框架》)，以及1年后正式出版的《K-12科學(xué)教育框架：實踐、跨領(lǐng)域概念和核心概念》基礎(chǔ)上，于2013年4月正式修訂完成的。NGSS從實踐、跨學(xué)科概念和學(xué)科核心概念或內(nèi)容三個維度描述了K-12階段美國科學(xué)教育的預(yù)期表現(xiàn)，每個維度又由若干具體內(nèi)容組成，詳見表1。

表1NGSS中對預(yù)期表現(xiàn)的描述

從整體上看，與1995年美國頒布的國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)相比，NGSS更聚焦于少數(shù)核心概念及其學(xué)習(xí)進階，更關(guān)注科學(xué)和工程實踐、跨學(xué)科概念和核心概念的聯(lián)系，更關(guān)注對學(xué)習(xí)內(nèi)容的深入理解和運用，并給予使用者更具操作性的指導(dǎo)。這些特點與變化對當(dāng)前我國乃至世界的科學(xué)教育改革產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。作為一線科學(xué)教育工作者，如何深刻地把握NGSS的這些特點，并能在日常的科學(xué)教育實踐中加以運用？2017年10月，筆者作為第四期上海市浦東新區(qū)赴美交流研修教師團的一員,有幸在美國加州洛杉磯縣阿凱迪亞學(xué)區(qū)FirstAvenue初中跟崗學(xué)習(xí)兩周，親身參與了多個科學(xué)主題的教學(xué)過程，并與相關(guān)任課教師交流，收獲了一些反映NGSS特點的科學(xué)案例及其實施策略。教師Mark開發(fā)和實施的“罐子現(xiàn)象”就是其中的案例之一。本文旨在結(jié)合這一案例，管窺NGSS關(guān)于學(xué)科核心概念、驅(qū)動性問題、科學(xué)與工程實踐、一致性以及教學(xué)目標(biāo)等方面的核心理念。

二、初中科學(xué)教育案例實錄與分析

【案例背景】

“罐子現(xiàn)象：罐子為什么會變癟”是一堂美國加州的七年級科學(xué)課，該案例對應(yīng)新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)(NGSS)初中階段自然科學(xué)（PhysicalScience)中的核心概念“物質(zhì)及其相互關(guān)系”中的第四條“預(yù)期表現(xiàn)”，即建立一種模型，該模型可以預(yù)測和描述在增加或移除熱能時粒子運動、溫度和純物質(zhì)狀態(tài)的變化。

表2“罐子現(xiàn)象”的活動順序和邏輯順序

上述“預(yù)期表現(xiàn)”的表述可以從三個方面理解。第一，建立和使用模型，這與提出問題和明確需解決的難題、設(shè)計和實施調(diào)查研究、分析和解釋數(shù)據(jù)等同屬于實踐維度的內(nèi)容。第二，預(yù)測并描述變化，這與能量與物質(zhì)、結(jié)構(gòu)與功能、穩(wěn)定性與變化等同屬于跨領(lǐng)域概念維度的內(nèi)容。第三，增加或移除熱能時粒子運動、溫度和純物質(zhì)狀態(tài)會發(fā)生變化,這是分屬于物質(zhì)科學(xué)中的學(xué)科核心概念。需要強調(diào)的是預(yù)期表現(xiàn)”融合了學(xué)生多維度的表現(xiàn)，是NGSS中組織呈現(xiàn)相關(guān)主題的特有的表達(dá)形式，它說明了某學(xué)段的學(xué)生應(yīng)知道的和能做的內(nèi)容，是一種可觀察、可評估的描述，這樣的描述有利于提高標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的可操作性。

【案例描述】

第一課時:創(chuàng)設(shè)豐富的問題情境

教師通過一個自然條件下的油罐箱突然變癟的視頻導(dǎo)入課程。由于場景非常真實和震撼，學(xué)生的探究欲望和參與意識被激發(fā)出來——是什么原因造成了油罐箱變癟呢？學(xué)生根據(jù)自身的經(jīng)驗，提出了很多解釋框架（認(rèn)知模型)。教師沒有對這些模型進行評價，而是用鼓勵的口吻贊許學(xué)生的奇妙想法。

為了讓學(xué)生對該現(xiàn)象展開進一步探究，教師準(zhǔn)備了兩個熱身實驗，都是采用先介紹實驗材料、實驗步驟和注意事項，再讓學(xué)生以小組為單位進行實驗的教學(xué)流程。首先，請學(xué)生把氣球開口罩在錐形瓶口，再把錐形瓶放入熱水中，觀察氣球的變化；接著，把剛才的錐形瓶浸在冷水中，觀察氣球的變化。學(xué)生會發(fā)現(xiàn)在熱水中氣球會變大，在冷水中氣球會變小。教師此時會提出問題——為什么會這樣？學(xué)生自然會有不同的觀點，教師讓幾個小組的代表分享觀點，與之前的評價相似。教師也沒有對學(xué)生觀點的對錯進行評判。為了印證個別小組提出的接近正確的觀點，教師增加了一個在冷、熱水中分別滴加食用色素的演示實驗。實驗證明：食用色素的粒子在熱水中運動得快，在冷水中運動得慢，從而推理出熱空氣粒子運動得快，冷空氣粒子運動得慢的結(jié)論。這節(jié)課，學(xué)生還動手操作了“棉花糖實驗”，即把棉花糖放在密閉的注射器中，觀察增加或減少空氣后棉花糖的體積變化，最后得出“壓力增加，棉花糖體積變小；壓力減小，棉花糖體積變大”的初步結(jié)論。

第二課時:在討論和閱讀的基礎(chǔ)上，修正認(rèn)知模型

教師回顧了上節(jié)課的主要內(nèi)容，讓學(xué)生結(jié)合己有的實驗結(jié)論解釋油罐箱變癟的現(xiàn)象，相應(yīng)地形成修正后的模型A和B。在這個過程中，教師除了鼓勵學(xué)生的發(fā)言，依然沒有告訴他們正確的解釋框架。到這個階段，學(xué)生已經(jīng)有了壓力、溫度、粒子等關(guān)鍵概念，并初步了解這些關(guān)鍵概念之間的關(guān)系。他們前面所有的認(rèn)知模型或解釋框架都要求用完整的句子（可輔以手繪圖示）進行描述，這也是我們在美國初中科學(xué)課堂里看到的普遍現(xiàn)象，因為，寫作被認(rèn)為是科學(xué)學(xué)科的一種基本能力。

這節(jié)課，教師為每個學(xué)生準(zhǔn)備了兩份閱讀材料，即《溫度波動與氣壓變化》和《真空危害——變癟的罐子》，并在閱讀材料的合適位置標(biāo)示了文章來源，增強了材料文本的可信度。而這節(jié)課的基本任務(wù)是：摘錄材料的主要觀點，并再次修正原來的認(rèn)知模型(解釋框架),提出修正后的模型C。在課的最后，教師演示罐體內(nèi)的小氣球?qū)嶒灒寒?dāng)將罐體內(nèi)氣體抽出時，置于密閉罐體內(nèi)的扎緊口的小球體積會變大。由于時間關(guān)系,對最后實驗現(xiàn)象的解釋和歸納將在下節(jié)課完成。

第三課時:深入探究，形成最終認(rèn)知模型

教師再次演示罐體內(nèi)的小氣球?qū)嶒?，學(xué)生結(jié)合先前的認(rèn)知模型，在小組內(nèi)分享觀點，修正原有模型，提出修正后的模型D。至此，教師依然除了對學(xué)生的積極表現(xiàn)予以肯定和鼓勵外，沒有對他們的模型D進行評估。最后，教師拿出一個空易拉罐,在罐子內(nèi)加少量的水，放在電爐上加熱，直到罐子內(nèi)的水沸騰。在這段時間里，教師提出問題:“如果將加熱后的罐口倒置在水里，罐子會發(fā)生什么變化？”學(xué)生帶著自己的猜測進入到教師演示環(huán)節(jié)，清晰地看到易拉罐變癟了。這很容易讓他們聯(lián)想到本主題的驅(qū)動性問題。此時正是真正需要分析、比較、整合各種對驅(qū)動性問題的認(rèn)知模型（解釋框架）的時候。通過個人反思、小組交流、教師點撥，一個比較合理的認(rèn)知模型（解釋框架）隨之建立起來，即隨著熱能增加,物質(zhì)中的粒子運動加劇，物質(zhì)的溫度可能會升高，物質(zhì)可能會從液態(tài)變成氣態(tài)，氣體壓力會隨之增加；隨著熱能減小，物質(zhì)中的粒子運動減弱，物質(zhì)的溫度可能會降低，物質(zhì)可能會從氣態(tài)變成液態(tài),氣體壓力會隨之減小。隨著罐子內(nèi)的氣壓變小，它就在外部氣壓的作用下變癟了。

第四課時:創(chuàng)設(shè)新情境，應(yīng)用認(rèn)知模型

教師還安排了一節(jié)課來回顧和應(yīng)用前面學(xué)到的模型。其實教師幾乎每節(jié)課都會利用七八分鐘時間來回顧和檢測之前的內(nèi)容，只是他的方式比較特別。他經(jīng)常用到一個叫做“ClassCraft”的課堂角色游戲網(wǎng)站，通過給積極的課堂行為（如正確回答問題)賦分，提升課堂參與度和課程影響力。在應(yīng)用環(huán)節(jié)，教師拋出一個新的挑戰(zhàn)性問題:“如何讓氣球充滿玻璃瓶子？”有的學(xué)生提出把氣球先塞入瓶子后再吹氣，結(jié)果當(dāng)然是鎩羽而歸，而更多的學(xué)生開始反思前面幾節(jié)課建立起來的關(guān)于氣壓與溫度關(guān)系的模型，嘗試提出自己的方案。經(jīng)過討論和教師點撥，學(xué)生形成一個可行的方案。接著,教師演示了這個實驗，并再次讓學(xué)生應(yīng)用模型解釋實驗原理。在此基礎(chǔ)上，教師又提出了新問題：在不準(zhǔn)接觸氣球的情況下，如何把氣球毫發(fā)無損地從玻璃瓶中取出？在經(jīng)歷了“建立模型-修正模型-最終模型-應(yīng)用模型”這一系列過程之后，不少小組舉一反三，逆向應(yīng)用模型并提出了科學(xué)的方案。最后，在全體學(xué)生的注視下，教師再次成功演示實驗，教室里響起陣陣掌聲。

【案例分析】

上述案例利用四個課時讓學(xué)生“建立一種模型，該模型可以預(yù)測和描述在增加或移除熱能時粒子運動、溫度和純物質(zhì)狀態(tài)的變化”，從而達(dá)成這一整合的“預(yù)期表現(xiàn)”。我們可以從活動和邏輯兩條一明一暗的線索來分析上述案例（詳見上頁表2)。從活動形式來看，有觀看視頻、討論交流、實驗、閱讀、記錄等；從活動內(nèi)容來看,教師設(shè)計的五個學(xué)生實驗活動都緊扣上述“預(yù)期表現(xiàn)”。比如，易拉罐在冷水中變癟實驗就對應(yīng)“增加或移除熱時粒子運動、溫度和純物質(zhì)的變化”。但是，每個活動又不是簡單的重復(fù)，活動會隨著模型建立的階段不同而呈現(xiàn)出相應(yīng)的特點。比如，在建立最初的模型階段，教師利用的是一個油罐箱突然變癟的視頻。這個視頻雖然真實，但學(xué)生生活中很少有這樣的經(jīng)驗，他們的好奇心被激發(fā)了起來，也有利于調(diào)動學(xué)生原有認(rèn)知體系中的相關(guān)經(jīng)驗，形成最初的解釋框架。為了讓學(xué)生逐漸自主地建立科學(xué)的認(rèn)知模型，教師設(shè)計的學(xué)生實驗呈現(xiàn)了知識的遞進特征。比如，瓶口的氣球遭遇冷水和熱水實驗揭示了物體體積熱脹冷縮的原理；注射器里的棉花糖實驗揭示了物體體積與壓力大小的關(guān)系。這些科學(xué)原理有助于學(xué)生逐步建立、修正、形成、檢驗科學(xué)的認(rèn)知模型，符合科學(xué)概念建$的認(rèn)知規(guī)律。

三、啟示

1.學(xué)科核心概念:規(guī)劃學(xué)習(xí)主題的依據(jù)

學(xué)科核心概念是NGSS中科學(xué)教育的三個維度之一，涵蓋物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與空間科學(xué),工程、技術(shù)與科學(xué)應(yīng)用等多個學(xué)科領(lǐng)域，并可細(xì)分為13個學(xué)習(xí)主題。我國2017版小學(xué)（1?6年級）科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)與這個框架大致相似,但全國版初中（7?9年級）科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)以及上海版初中（6?7年級）科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)目前還是2011年或以前的版本。在我國，科學(xué)教師主要是根據(jù)教科書的指定內(nèi)容和順序，參照科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)和教師指導(dǎo)用書來進行教學(xué)設(shè)計、準(zhǔn)備教學(xué)材料。也許，這樣的方式可以保證一段時間下來，所有的知識點尤其是重要知識點得到落實，但教學(xué)的內(nèi)容和形式會逐漸僵化，教師教學(xué)自主性和創(chuàng)造性缺失。在上述案例中，教師整合實踐、跨學(xué)科概念和學(xué)科核心概念三個維度，根據(jù)NGSS中的學(xué)科核心概念來自主規(guī)劃學(xué)習(xí)主題、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式。教科書和各種網(wǎng)絡(luò)視頻、信息成為教師組織教學(xué)活動的重要資源，所謂用教材教而非教教材就是這個道理。這種課程設(shè)計與實施的自主性大大激發(fā)了教師的自主性和創(chuàng)造力。教師心中有理念，眼里有目標(biāo)，對促進學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展，提高課堂教學(xué)的有效性也很有幫助。

2.驅(qū)動性問題:貫穿學(xué)習(xí)過程

在選定學(xué)習(xí)主題之后，設(shè)計一個優(yōu)質(zhì)的驅(qū)動性問題非常關(guān)鍵。一個驅(qū)動性問題至少應(yīng)該具備三個特征:（1)問題情境是真實的，能激發(fā)學(xué)生的共鳴和探究欲望；（2)問題是有挑戰(zhàn)性的，對本學(xué)段的學(xué)生而言，現(xiàn)有的知識、經(jīng)驗還不足以完整地解釋問題情境；（3)問題是有包容性的，包括學(xué)習(xí)主題的核心學(xué)科概念。因此，驅(qū)動性問題不僅要創(chuàng)設(shè)激發(fā)興趣的問題情境，還要貫穿學(xué)習(xí)的全過程，引領(lǐng)學(xué)習(xí)不斷深入，直至最終解決問題，幫助學(xué)生建立正確的科學(xué)概念。

3.科學(xué)與工程實踐:教學(xué)活動的載體

NGSS將科學(xué)與工程實踐作為科學(xué)教育的三個維度之一，并認(rèn)為這三個維度是相互纏繞融為一體的一股繩，學(xué)科核心概念和跨學(xué)科概念需要通過科學(xué)與工程實踐來落實。而科學(xué)與工程實踐可以分成三種類型：通過采集各種證據(jù)，形成對某個問題或現(xiàn)象的合理解釋（科學(xué)概念）的科學(xué)深究活動；通過創(chuàng)意、設(shè)計、制作、測試、改進、分享等環(huán)節(jié)形成某個實際問題的解決方案或模型的工程實踐活動；融合科學(xué)探究活動和工程實踐活動的綜合性實踐活動。不管是哪種類型的科學(xué)與工程實踐活動，活動的主體一定是學(xué)生，他們應(yīng)該被賦予自主發(fā)現(xiàn)問題、定義問題的權(quán)利，自主設(shè)計方案和探究的權(quán)利，自主反思和改進方案或模型的權(quán)利。教師應(yīng)該成為學(xué)生實踐活動的支持者和促進者，提供學(xué)生開展實踐活動必要的物質(zhì)條件和學(xué)習(xí)環(huán)境,給予學(xué)生必要的指導(dǎo)和鼓勵，甚至和學(xué)生一起參與到他們的實踐活動中。

4.一致性:從概念的建立到應(yīng)用

科學(xué)概念的建立是一個復(fù)雜的過程，絕不是讀讀、背背、聽聽概念的定義就能完成的。正如本案例的邏輯順序所顯示的，科學(xué)概念的建立需要從不同的角度打破原有的問題解釋框架,不斷地暴露學(xué)生原有的迷思概念，不斷地提供新的證據(jù)讓學(xué)生自己反思、修正，從而形成更加合理的解釋（科學(xué)概念),并把形成的合理解釋（科學(xué)概念）應(yīng)用到新的情景中檢驗其合理性，進一步豐富概念的內(nèi)涵。

5.教學(xué)目標(biāo):強調(diào)整體性和可評估性

在NGSS的指導(dǎo)下，美國教師對教學(xué)目標(biāo)的使用值得我們深思。一方面，NGSS強調(diào)教學(xué)目標(biāo)的整體性。因為課堂中的每一個活動都不是孤立的，我們對課程的理解也不是割裂的。如果我們能用整體的思維考慮教學(xué)目標(biāo),用整合的方式撰寫教學(xué)目標(biāo)，這對提高教學(xué)目標(biāo)的有效達(dá)成度應(yīng)該有所幫助。另一方面，NGSS強調(diào)教學(xué)目標(biāo)的可評估性。情感、態(tài)度與價值觀是教學(xué)目標(biāo)中我們很難把握的維度，要么千篇一律，要么紙上談兵。NGSS核心概念中的第四條“預(yù)期表現(xiàn)”中沒有這個維度，如果非要從中找到對應(yīng)點的話，大概只能從實踐維度找到一條：基于證據(jù)的論證。這與價值觀中的實證意識、科學(xué)精神勉強能對上。為什么NGSS中基本上能找到與知識與技能、過程與方法維度相對應(yīng)的內(nèi)容，而唯獨缺情感、態(tài)度與價值觀維度？顯然不是NGSS要忽視保護學(xué)生的好奇心，促進學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的積極情感和正確態(tài)度，恰恰是美國科學(xué)教育最值得我們學(xué)習(xí)的特色。一個可能的理由是，由于這一維度的教學(xué)目標(biāo)偏于形而上,難以觀察、評估，要么把它融入到實踐導(dǎo)向的維度，要么干脆舍棄。但由于情感、態(tài)度和價值觀目標(biāo)對其他目標(biāo)有效達(dá)成和作為培養(yǎng)有科學(xué)精神的人的重要性,它可以在科學(xué)課程的課程目標(biāo)中作出統(tǒng)一要求，但不必在科學(xué)課程的教學(xué)目標(biāo)中特別說明。

6.NGSS是具有廣泛意義的美國STEM教育內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)

在NGSS中，科學(xué)與工程實踐是描述美國科學(xué)教育在K-12階段“預(yù)期表現(xiàn)”的三個維度之一。其主要的實踐內(nèi)容有：提出/定義問題、使用模型、進行調(diào)查、分析數(shù)據(jù)、使用數(shù)學(xué)、構(gòu)造解釋/設(shè)計解決方案、利用證據(jù)展開爭論、交流信息。除此之外，學(xué)科核心概念維度還新增了一個與物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與空間科學(xué)并列的學(xué)習(xí)領(lǐng)域——工程、技術(shù)和科學(xué)應(yīng)用，它把工程設(shè)計和工程、技術(shù)、科學(xué)、社會學(xué)科之間的連接作為兩個重要的學(xué)習(xí)主題。可見，把STEM教育融入到科學(xué)課程中己經(jīng)成為美國加州STEM教育的一種制度性安排。事實上，NGSS的確在很大程度上充當(dāng)了現(xiàn)階段美國K-12階段STEM教育的一種“內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)”，引領(lǐng)著STEM領(lǐng)域的課程開發(fā)和教學(xué)實踐。雖然在某種程度上，我國2017版小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)也充當(dāng)著類似這樣的角色，但我們應(yīng)該有統(tǒng)攝面更廣的STEM教育頂層標(biāo)準(zhǔn)。

作者簡介：祝俊風(fēng) 上海市實驗學(xué)校東校區(qū)。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉兆寧.美國新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)概要（一）[J]].中國科技教育,2012(6).

[2]郭玉英等.美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》述評[J].課程教材教法，2013(8).

源出處：《現(xiàn)代教學(xué)》2018年5A（第402期）5月10日出版