基于NGSS的教学规划

Mary Colson　Russ Colson

1986年，作为一个喜欢科学和教学的年轻地质学家，我（Mary）开始规划如何开始我作为8年级地球科学教师的第1年教学。我决定率先开始矿物鉴定活动。我知道在岩石中发现了很多了解地球过去的线索，岩石是由矿物构成的。一个高大上的出发点，至少我这样认为。

为了追求严谨，我设计了一个相当详细的实验方案。学生们观察了许多矿物标本，并进行测试，以确定每种矿物的属性。他们采用矿物鉴定表以区分他们的每一个矿物标本。学生们踊跃地参与到活动中，我视其为实验成功的标志。但他们似乎并不兴奋，也没有足够的好奇心和兴趣探索那些超出我给他们的任务范围的内容。

实验结束时，由于学生缺乏好奇心，我的热情也受到了打击。为什么学生们提出的问题没有超出“我的答案对吗”之类的？原因可能是：

没有引导学生发现活动背后的问题。学生们尽了最大努力学习如何区分光泽、纹理和重量，但他们并没有真正理解这样做的理由，这超出了我对他们的要求。

活动更多集中在我们知道了什么，而不是我们怎么知道它的。学生们测试硬度和重量，但对我们是如何知道地球更深层次的奥秘没有任何理解。

活动没有涉及洞察地球特性的内容，只是一些关于矿物质的信息。例如，活动没有提供机会让学生深入了解矿物质是如何告诉我们地球演变的信息，以及矿物质形成的过程是如何造成自然资源的分布不均的。

总之，活动没有让学生投入到真实的科学调查中。

那么究竟是什么构成了真实的课堂科学经历呢？《新一代科学教育标准》（NGSS）的一个核心观点是真实课堂中的科学应该看起来很像真实的科学研究。如果我们想要理解课堂中的科学实践，我们应该看一看科学家实验室里的科学实践。

2015年夏天，我走访了Keith Koper博士——一位美国犹他州从事法医地震学研究的地球物理学家。法医地震学家从事识别、解释，并定位人造的地震事件，如爆炸和核武器试验。2000年，Koper正在研究地震和爆炸的震动特征的差异。他听说一艘名为库尔斯克号的俄罗斯潜艇在巴伦支海进行军事演习时被严重损坏。在北欧的地震台网监测到大约和库尔斯克灾难在同一时间和地点发生的2个事件。Koper和他的同事们想知道他们能够利用地震数据对这次事故了解多少。一个引人注目的问题！

他们收集数据，并与他们所了解的不同类型地震事件产生的地震波进行对比。他们的重点不是那些已经知道的内容，而是科学探索如何揭示出一些新的东西。他们从2次水下爆炸产生的杂乱的震动波纹可以断定，第2次爆炸比第1次大250倍（Koper等，2001）。他们的研究表明是爆炸，而不是与美国潜艇的水下碰撞导致了这场灾难（调查员认定发生在潜艇上的爆炸是偶然事件）。Koper和他的同事们不仅获得了新的对自然界的基本理解——不同类型的地震事件会产生不同类型的地震波，而且还帮助回答了世界各地新闻头条的政治敏感问题。

当Koper叙述他的工作时，我被他的好奇心、从混乱观察现象中理清头绪的乐观和对自己所不知道的事件的坦率承认，而深深打动。他的工作始于一个引人注目的问题，通过科学探究的过程研究一些不知道的事情，进而产生对于宇宙的基本性的洞察。

我们科学课上的学生是否能够像Koper的团队一样工作，从而弄清楚他们自己观察到的现象和想法，并在课堂上一直充满好奇心，并坚持不懈呢？我认为他们可以，学生能够：

寻找真实的问题，一些问题源自于他们。

通过科学实践理解他们观察到的现象。

在更大的科学与工程学核心概念情境中定位他们通过努力探索而获得的理解。

真实的问题

从第1节关于矿物的课开始，我努力让学生们寻找更多他们自己的问题。其结果总是学生更多地参与。

2年前，当我们在国家地质图上查看岩石年龄的模式时，一个学生问：“我们能否用这张地图的标尺测量美国有多宽？”我说可以，然后学生们带着自发的紧迫性投入到学习中。尺度、空间思维和问题解决这些内容和能力的学习与培养立即就开始了。我听到一个学生说：“我测得美国13英里宽，但这是不可能的。我开车到我奶奶家还要75英里呢。”第一天结束后，一个学生问：“难道仅仅是我们班做这个？”我意识到如果其他班级也做这个活动，它将成为又一个由教师发起的课程。

允许你自己和你的学生去寻找学生们感兴趣的想法。让引导性问题来自于学生，即使它们不完全符合你的课程目标。然后，抓住机会加入到学生中，加入到学生理解他们的测量、观察和尝试进行解释的过程中。

参与到科学实践中

吸引学生参与到科学与工程的实践中需要时间。我曾听到各个年级的教师都说过“如果我给学生时间去搞清楚这些事情，我就没有时间涉及所有的材料。”《K-12科学教育框架》的作者认识这个两难困境。他们写道：“减少需要掌握的细节的绝对数量是为了给学生从事科学调查和论证的时间，并达到对核心概念的深刻理解。”（NRC，2012）。

因此，我们说要允许你自己不去覆盖所有的材料。那么，如何将你的教学从依赖验证概念确定会成功的教学活动，转变为使学生真正参与到科学实践中去的活动呢？我建议先从小的活动开始，将你熟悉的一个菜单式调查活动修改成符合NGSS的活动。

多年来，我一直在做一个研究太阳对土壤和水加热差异的实验。在最初的几年里，我认真完善了实验程序，想尽办法防止学生引入会产生错误答案的变量。这确保了学生们可以得到好的数据，用来解释诸如旧金山和圣路易斯之间的气候差异。为了不断完善实验程序，我尝试了各种方法，解释最初不太容易理解的结果，测试结果的可重复性。我真正地投入到科学实践中了。但是，我的学生并没有！他们没有机会弄清楚是否正确地识别和控制了变量，与同学们比较结果，或解释那些意外的数据意味着什么。

最近，为了按照NGSS改造这个实验，我提出了一个问题：“我们的教科书上说，土壤升温比水快5倍。我们可以测试这个吗？”我列出了材料，并让学生们选择自己的实验装置。我给他们时间进行初步测量，并相互提问。学生们分享了初步的实验数据，并讨论了数据含义和是否有效。在对“为什么我们的黑土升温速度仅是水的2倍”进行了更多的讨论后，学生进行了新的实验。

我在这个按照NGSS要求修改的活动中的作用，有时是一个管理者（确保每个学生的安全，促进讨论），有时是一个教练（鼓励大家并引导方向），有时又作为一个科学导师（提出这样的问题：你有没有想过这个重要的想法可以如何应用？）。我真正参与到了他们当中，因为我并不总是有现成的答案，而且必须实时弄清楚那些令人费解的结果。

我们一起实践，做科学！

解释性的大概念

Koper不仅提出了一个有趣的问题，并通过科学实践活动回答了它，而且他将他的新发现放到了更广泛地理解地震和地质过程的情境中。《K-12科学教育框架》强调把课堂学习投射到更大的范围内，模仿专家的思维活动，“核心概念也可以提供一个获取新知识的组织结构。这种方法（围绕核心概念组织内容）也有助于学生发展更灵活和连贯的理解科学的能力。对于学习的研究表明，支持这种认识的发展是具有挑战性的，但能通过明确的教学支持得到帮助，这些教学支持强调不同活动和学习经验间的联系。”（NRC，2012）

当你开发自己的教学单元时，需要熟悉《K-12科学教育框架》中所描述的核心概念。核心概念要么在多个学科中有广泛的重要性，要么是单一学科中起框架作用的重要原理。还需要注意每个核心概念的组成部分所涉及的问题；这些问题给出了用核心概念解释世界的良好提示。

基于这个基础，围绕着你组织的课程，确定一些核心概念的陈述，或者基本问题。使用学生可以理解的单词和短语。使用这些陈述或问题建立一个教学的整体结构，并且作为提示，反映学生们正在努力解释的世界的不同侧面。将这些陈述或问题张贴在教室里，并经常提到它们。

作为地平线中学教学规划的一部分，我和同事们确定了课程中6个重要的陈述。在我们和学生实施一个单元的活动和课程时，这些大概念有助于树立大局观。例如，我可能会上一节识别常见岩石的课，但我们关注岩石的原因是最终要明白：地球和地球上的生物都有一个变化的历史，理解这些变化的线索就在岩石中。请注意，这个大概念的陈述位于学科核心概念“行星地球的历史（ESSl.C）”，它解释了人们是如何重建和追溯地球作为行星的历史事件的。（NRC，2012）

结论

在设计吸引学生参与的科学实践时，我不得不每周提醒自己：真正的学习需要时间。吸引学生参与实践需要大量的时间。不可能面面俱到，这没关系。尝试新的东西遇到失败，也没关系。在采用NGSS的课堂教学中最有力的教学指导语是：“我不知道；让我们来探究一下。”