美国《K-12科学教育框架》：实现STEM教育改革的第一步

发布时间：2020-07-22 11:07 | 来源：STEAM在线

背景

美国国家科学院的国家研究委员会（NRC）2011年7月颁布了K-12科学教育框架，通过这份框架制定了美国“下一代科学标准”中最核心的部分。

该框架通过利用当前的科学研究（包括对学生有效学习科学的方式的研究），为“下一代科学标准”提供了可靠的、基于实践证据的基础，并确定了什么是美国所有K-12的学生都应了解的科学和工程知识。

为了有效完成这项工作，NRC召集了一个委员会，由18个在各自领域内享有国际声誉的专家人士组成。该委员会包括从业科学家，其中包括两名诺贝尔奖获得者，认知科学家，科学教育研究人员以及科学教育标准和政策专家。此外，NRC使用了四个设计团队来开发框架，它们分别是物理、生命科学、地球/空间科学、工程学设计团队针对各自的学科领域开发了框架部分。

在2010年7月发布了社会征集意见草案之后，NRC在发布最终框架之前，先阅读并吸收了各种评论并考虑了所有反馈。现在，该框架已形成了协作式管理模式，美国国家主导的流程中用作“下一代科学标准”的基础。

摘要

科学，工程和技术几乎渗透到现代生活的各个方面，并且是解决人类当前和未来许多紧迫挑战的关键。美国在全球经济中的地位正在下降，部分原因是美国人在这些领域缺乏基本知识。为了解决美国竞争力的关键问题并更好地为全球竞争力做好准备，《 K-12科学教育框架》提出了一种新的K-12科学教育方法，该方法将吸引学生的兴趣并为他们提供该领域的必要基础知识。

K-12科学教育框架为K-12年级的学生构建了广泛而扎实的科技期望。这些期望将为K-12科学教育的新标准的开发提供参考，并随后为教育工作者修订课程、教学评估体系和专业发展提供便利。本教育框架确定了三个维度，这些维度传达了应围绕不同年级进行科学和工程教育的核心思想和实践。这三个维度是：

1. 贯穿各领域的核心概念(crosscutting concepts)，通过它们在科学和工程学中的普遍应用来统一科学研究；

2. 科学和工程实践(scientific and engineering practices)；

3. 物理科学，生命科学，地球与空间科学以及工程，技术和科学应用的学科核心思想（disciplinary core ideas）。

总体目标是使所有高中毕业生都具有足够的科学和工程知识，可以参与有关科学问题的公开讨论，谨慎使用科学和技术信息，从而能自由选择将来的职业。

新的K-12科学教育标准概念框架委员会负责制定一个框架，阐明对学生的广泛期望。我们的K-12科学教育框架的总体目标是确保到12年级结束时，所有学生都对科学的美丽和奇观有所了解。具有足够的科学和工程知识，可以就相关问题进行公开讨论；谨慎使用与日常生活相关的科学和技术信息；能够在校外继续学习科学；并且具有进入自己选择的职业的技能，包括（但不限于）科学，工程、技术职业。

当前，美国的K-12科学教育未能取得这些成果，部分原因是该教育在整个学年中都没有系统地组织，强调分散的事实，侧重于广度，没有为学生提供参与的机会体验科学的实际完成方式。现在的这份框架旨在直接解决和克服这些弱点。

该框架基于对科学教学的丰富且不断发展的研究，以及近二十年来为K-12科学和工程定义基础知识和技能的努力。委员会从这项工作得出的结论是：K-12科学与工程教育应侧重于有限的学科核心思想和交叉概念，并进行设计，以便学生不断积累和完善知识和能力，并将这些知识和能力与从事科学探究和工程设计所需的实践相结合。

为了支持学生在科学和工程学方面进行有意义的学习，贯穿各领域的核心概念(crosscutting concepts)、科学和工程实践(scientific and engineering practices)、学科核心思想（disciplinary core ideas）都需要整合到课程标准和课程评估中。工程和技术与自然科学（物理科学，生命科学以及地球和空间科学）并列为两个重要原因：

（1）反映出理解人类世界的重要性；

（2）认识到人类的价值。从而更好地整合科学，工程和技术的教与学。

框架中表达的对学生的广泛期望旨在指导新标准的制定，而新标准又指导对与科学相关的课程，教学，评估和教育工作者的专业发展进行修订。贯穿K-12年级的三个维度其实是连贯的，它们对于实现框架中体现的科学和工程教育愿景至关重要：在学校的多年学习中，学生积极参与科学和工程实践，并运用交叉概念以加深他们的理解每个领域的学科核心思想。

该框架是实现STEM教育改革的第一步，该过程应为美国各州一级的决策提供依据，并为改善全国范围内的科学教学和研究奠定基础。它旨在指导标准制定者，课程设计者，评估制定者，州和地区科学管理员，负责科学教育的专业人员以及在非正式环境中工作的教育工作者。

下面我们具体展开这三个维度：

1、科学与工程实践

提出问题（针对科学）和定义问题（针对工程）

开发和使用模型

计划和进行调查

分析和解释数据

使用数学和计算思维

构造解释（用于科学）和设计解决方案（用于工程）

参与证据论证

获取，评估和交流信息

2、贯穿各领域的核心概念

模式

因果关系：机理与解释

规模，比例和数量

系统和系统模型

能量和物质：流量，循环和守恒

结构与功能

稳定与变化

3、学科核心思想

物理科学

PS1：物质及其相互作用

PS2：运动与稳定性：力与相互作用

PS3：能量

PS4：波的概念及其在信息传输技术中的应用

生命科学

LS1：从分子到生物：结构和过程

LS2：生态系统：相互作用，能量和动力学

LS3：遗传：性状的继承和变异

LS4：生物进化：统一性与多样性

地球与空间科学

ESS1：地球在宇宙中的位置

ESS2：地球系统

ESS3：地球与人类活动

科学的工程，技术与应用

ETS1：工程设计

ETS2：工程，技术，科学和社会之间的联系

我们这份报告还确定了将K-12科学教育的组成部分与这种科学和工程教育的新愿景相结合的思路，为标准制定提供了具体建议，并提出了一项研究议程，之后会有不断更新框架和建议，制定将来的新标准。委员会强调，会要求系统的所有组成部分（从标准和评估到对新任和已建立的教师的支持，到为学习科学提供足够的时间）与框架保持一致，这将对K-12科学和工程教育是巨大的挑战和机遇。