头条 / 方法论 / 硬核STEM · 2018年2月4日 0

【十大课程之六】美国STEM课程(二)

 

       本来还以为到了寒假能轻松一些,结果反倒比平时还忙。继续上次未完成的话题,今天佩宁老师想要谈谈《下一代科学课程标准(NGSS)》和STEM教育。

【十大课程之六】美国STEM课程(二)

       《下一代科学课程标准》的制定历时4年,2010年颁布《K-12科学教育框架(草案)》,2011年颁布《K-12科学教育框架:实践、跨领域概念和核心概念》,2013年颁布《下一代科学课程标准》。这三份文件一脉相承,核心就是下一代科学标准中的三维框架。上次佩宁老师就提到,对于美国教师来说,科学教育和STEM教育是一个概念,NGSS既是科学课程标准,又是STEM课程标准,所以想要做好STEM教育,不能人云亦云,停留在手工产出这样表象的东西上,而且STEM与教育技术(3D打印、虚拟现实、编程、机械等等)并非密不可分,必须深入研究NGSS所体现出来的理念,研究科学教育如何开展,研究美国人如何从小培养科学家与工程师,这些内容融入课程,才是真正的STEM课程。

       NGSS规定K-12年级的科学教育要建立在三个框架的基础上,包括:科学与工程实践(SEPs),学科核心概念(DCIs),跨学科共同概念(CCs),这三者要关联起来,NGSS中说:目前大多数州和地区的科学课程标准都将这些维度表述为单独的实体,导致它们在指导和评估中分离。严格的内容和应用的结合反映了科学和工程在现实世界中的实践。(Currently, most state and district standards express thesedimensions as separate entities, leading to their separation in bothinstruction and assessment. The integration of rigorous content and applicationreflects how science and engineering are practiced in the real world.)

一、科学与工程实践(SEPs)

NGSS明确提出“科学与工程实践”代替“科学探究”,因为实践(practices)包含探究(inquiry),包含科学过程(science processes),实践还以应用为目的,更能体现科学与工程格物致知、学以致用的本质。要知道:从事科学研究不仅需要技能,而且需要对每一个实践都有专门的认知(engaging in scientific investigation requires not only skill butalso knowledge that is specific to each practice.)。

 

【十大课程之六】美国STEM课程(二)

佩宁老师逐一说说科学与工程实践所包括的要素,并逐一解释:

1、Asking questions (for science) and defining problems (for engineering)

提出疑问(针对科学),定义问题(针对工程)

A、科学实践中的表现:

科学实践通常发端于对某种现象的疑问,例如“为什么前几天会出现血月月食?”或“为什么热水比冷水更容易结冰?”,科学家最基础的实践,就是对某种现象形成根据经验可以回答的问题,并根据已知来推导未知,设法给出解释性答案或构建解释性的理论。

B、工程实践中的表现:

       工程实践通常源自现实生活中的问题、需求和愿望。工程师并不研究“苹果为什么落地”,但“怎么防止苹果落地砸伤人”就是工程师的菜了。这样的现实问题很多,比如“如何提高可再生能源在总体能源使用的比例”这种社会问题可能产生各种工程学问题,如“需要设计出更高效的混合动力汽车”等。工程师根据现实需求定义工程问题,并明确限制条件,问题定义的越清晰,解决起来就越有效。

2、Developing and using models

构建并使用模型

A、科学实践中的表现:

       拜数学建模大赛所赐,建模总是给我们神秘、虚幻、高智的感觉,其实建模这个事一点都不神秘,各个科学学科有很多的建模方式,如、理论模型(相对论、大陆漂移学说、进化论等)、公式或图像模型(函数、微积分等)、实物模型(苯环、同素异形体分子结构、DNA的双螺旋结构、地质模型等)、程序模型(小程序)等,建模可以帮助发展对自然现象的解释。模型让我们有可能超越可观测的事物,去想象和理解一个尚未发现的世界。模型使得我们可以检验对现象的解释是否正确,或者现阶段正确。

B、工程实践中的表现:

工程利用模型和模拟试验来分析现有的系统,查找哪里有缺陷,或者测试对新问题的可能解决方案。工程实践中也构建不同的模型辅助问题的解决:比如建筑模型、机械模型、传动模型、发动机模型、桥梁模型、电脑中的3D模型、仿真程序等等。模型可以让工程师来测试解决方案,并确认各种方案设计中的优势和局限,以便更好的取舍和解决问题。

3、Planning and carrying out investigations

计划并进行调查

A、科学实践中的表现:

       有计划的开展实验叫做调查。科学调查是在实地或在实验室进行的。科学家预测、识别因变量或自变量,要想办法控制变量,设计实验,开展实验。观察和数据采集也包含在科学调查的进程中,调查可以帮助测试、修订、发展现有的理论与解释,或者提出新的理论与解释。

B、工程实践中的表现:

       工程调查则是通过获取必要的数据以确定设计标准或参数,并测试设计。比如航天总体部门的工程师要获取火箭载荷数据、卫星数据、天气数据、轨道数据、窗口期数据等等才能准确的确定发射时间。工程师也需要识别变量,分析数据,但工程师的调查所受的限制很多,需要作出的取舍也很多,他们需要更为有效、高效及耐用的设计。

4、Analyzing and interpreting data

分析并解释数据

A、科学实践中的表现:

数据自己不会说话,科学家必须进行有效的分析才能得出含义。所以科学家就运用一系列的工具(制表、图释、形象化及统计分析等)来确认数据所传达的含义。科学家还要识别误差,现代技术使大数据的采集和分析方便许多,但是大数据的解读也需要科(过)学(脑)的(子)解读。比如前几天看到一个电影业的大数据分析说:《芳华》的观众比《战狼2》的观众消费了更多的热饮,并像发现新大陆一样推断说他们发现了不同观众的卖品偏好。唉!7月份看《战狼2》要是喝热饮,只能说电影院的空调开得太足了,12月份看《芳华》要是还喝冷饮,只能说对冷饮是真爱。

B、工程实践中的表现:

       工程实践中也会对设计和调查中所采集的数据进行分析,但分析的目的是为了比较不同的方案、确定方案能否达到特定的设计要求。换句话说是给方案的取舍提供重要依据。工程师也需要使用数据分析工具。

5、Using mathematics and computational thinking

运用数学和计算思维

A、科学实践中的表现:

       数学与计算是基础,所有的科学实践中都需要,比如数感和运算、测量、构建模拟试验、统计分析数据,如识别、表达和运用数量关系等等。

B、工程实践中的表现:

       在工程实践中,用数学和计算是原理和设计的核心。例如,桥梁工程师需要基于数学分析的设计方法,用来计算他们的设计的桁架结构是否能经得住桥梁的设计强度,同时还要计算成本是否在可接受的范围内,还要计算工时要求等。比如电力设备行业经常会设计试验台来测试发电设备的原型设计。

6、Constructing explanations (for science) and designing solutions (forengineering)

建立解释(针对科学),设计解决方案(针对工程)

A、科学实践中的表现:

       科学的目标是构建解释世界的大一统理论,当然目前还无法做到。科学上给出的解释、理论和模型都是在特定的时期内与事实最为吻合的,科学也是开放的,在新的证据下不断接受修正。学生的科学实践目标就是针对现象构建逻辑一致的解释方案,其中包含他们的现时理解或模型,并且有证据支持。

B、工程实践中的表现:

     工程实践以科学知识和物质世界为基础。每一个工程设计都期望从功能需求、技术可行性、成本、安全、美观及合法性中获得某种平衡。You can’t have EVERYTHING!大部分情况下是没有唯一的最佳方案,而是有一套解决方案。哪个方案是最佳的,取决于你到底看重什么,文雅的说:取决于评估标准。

7、Engaging in argument from evidence

用事实进行论证

A、科学实践中的表现:

       在科学研究中,推理和论证至关重要。科学实践以坚实的数据为依据,构建理论和解释,在评判他人的成果时,也要根据他人给出的证据,融合自己的理解,验证他人的理论和解释是否正确。

B、工程实践中的表现:

       在工程实践中,推理和论证对于找出最可行的问题解决方案是必不可少的。推理和论证可以帮助工程师抓住主要矛盾,在处理关键节点时能够从众多的不同想法中挑选出最合适的解决方案。工程师用系统论的方法来比较方案可选性,根据数据分析生成证据,对证据进行质疑来检验设计,通过审视他人的证据来质疑其设计,并不断修正自己的设计以便获得最好的方案,进而解决问题。

8、Obtaining, evaluating, and communicating information

获取、评估并交流信息

A、科学实践中的表现:

       当你通过写作、绘图、说话、分享数据、分享信息的方式讲述和分享你的观点时,你就是在交流。科学家要将其研究发现清晰而令人信服地表达出来,还要参与科学界同行们的深入探讨。从事科学实践还需要各种能力,你要能够从科学资料的(如论文、网络信息、座谈会或是演讲)中获取重要信息,能够评价这些所得信息的正确性,然后将其予以整合。

B、工程实践中的表现:

       酒香也怕巷子深,如果工程师不能清晰地表达出产品的优点,那么他们的事业就无法可持续发展。工程师要有能力通过口头或书面的方式,利用表格、图形、绘图或模型来表达他们的思想,另外还要与同行们进行深入探讨。工程师也需要有从同行的著作中领会意义并对这些信息进行评阶,然后有效应用的能力。

 

二、学科核心概念(DCIs)

说到学科核心概念,有一个绕不过去的词:大概念(Big Ideas)。大概念是科学教育的指导性原则,用以解释科学现象的多样性,帮助学生理解科学的内在结构,同时构建对科学本质的深入理解。要知道,科学并不是各个学科领域的事实、知识、公式、定理的简单堆砌和罗列,而是围绕大概念而组织和联系起来的。因此各个学科的核心概念就是大概念,对于学生来说,用大概念来建构和组织头脑中的知识非常重要,有助于学生对科学知识的深入理解和迁移。

学生对科学的理解和发展需要时间,学生具备更深的认知水平时也需要更深入的学科内容,这为大概念为核心构建的课程标准提供了基础。大概念在不同的年级可以阐述到不同的深度,这非常有助于学生的学习进阶。

想要更多的理解科学教育中的大概念,大家去读韦钰院士的《以大概念理念进行科学教育(working with Big Ideas of science education)》这本书。如果不深入研究课程标准,这本书也就是本关于科学本身和科学教育的科学书,但对于研究课程标准而言,这本书的内容水平极高。

NGSS中包含4个领域13个大概念,如下:

 

【十大课程之六】美国STEM课程(二)

       看完这个图,化学老师一定急了,怎么没有化学?化学已经打撒了,放到这些大概念中去了。大概念是非常简化的,佩宁老师带大家看看大概念中都包括什么?

1、物质科学

物质科学包括物理和化学,核心概念有物质、运动、能量和波四大方面,根据年级开展学习进阶。

  • 物质及其相互作用,包括物质的结构和属性、化学反应、核反应等等
  • 运动和稳定:力和相互作用,包括力和运动及其之间的交互作用,系统的稳定和不稳定等
  • 能量,包括能量的储存、传播、转化,能量和动力的关系,能量和化学反应等
  • 波及其在信息技术传递中的应用,包括波的属性,电磁辐射,信息传输等

 

2、生命科学

生命科学包括分生物体、生态系统、遗传变异、进化和生态系统四大方面,根据年级开展学习进阶。

  • 从分子到生物体:结构与过程,包括结构、功能、生长,演变、能量和物质流转等
  • 生态系统:相互作用、能量和动力,包括互相依赖的关系,物质和能量的循环,动态变化等
  • 遗传:形状的遗传与变异,包括生物世代、遗传机制,基因突变等
  • 生物进化:统一性与多样性,包括生物进化,自然选择,环境适应等

 

3、地球与空间科学

地球与空间科学包括宇宙、地球系统、人类活动三个方面,根据年级开展学习进阶。

  • 地球在宇宙中的位置,包括宇宙中地球的位置,宇宙和星系,地球和太阳系,地球演变史等
  • 地球系统,包括地球的物质组成和系统,地壳运动,水系统,天气和气候,生物地理等
  • 地球和人类活动,包括地球和人类的关系,自然资源,自然灾害,全球气候变化等

 

4、工程、科技和科学的应用

工程、科技和科学的应用包括工程设计和链接工程、科技、科学、社会。,根据年级开展学习进阶。

  • 工程设计,包括学会定义问题,设计和优化解决方案等
  • 链接工程、技术、科学与社会,主要是理解工程,技术,科学和社会这四者之间的各种关系

 

【十大课程之六】美国STEM课程(二)

三、跨学科共同概念(CCs)

跨学科共同概念有很多种翻译,比如跨学科概念、交叉概念等。佩宁老师一直觉得这个维度有点“形而上学”的味道,当然不是我们政治课本中那个狭义的僵化的形而上学,而是那个本体论的形而上学。形而上学的英文是metaphysics,由词缀meta-和物理Physics组合而成,meta-这个词缀的含义是above,意思是在……之上、超出、元。所以metaphysics就是物理之上,物理之上是啥,是哲学,是本源,是本体。词缀meta-有很多词组,比如学教育的朋友们都知道元认知这个词,元认知的英文是metacognitive,就是认知之上,认知的本体的含义。(佩宁老师背单词都快精神病了,赶紧拉回来。)

在这个维度中,NGSS提取了各个科学学科中都涉及的七个共同概念,希望学生能够透过纷繁复杂的科学学科,抓住背后的那个“本体”。佩宁老师一一剖析这七个概念。

1、模式

模式这个词,或者说这种表述在我们的科学教育中并不常见,我们可以试着换个好理解的词:规律。科学研究中包含了太多的规律,科学实践就是发现规律、利用规律的过程,人类文明的发展,本质上就是发现规律、利用规律的过程,谁掌握了更高等级的规律,谁就更加强大。看朝鲜饿着肚子也要搞核武器,就知道掌握更高级规律的作用了。学生是天生的探究者,要让学生在科学学习中尝试着自己发现规律,总结模式,不能死记硬背课本上的知识。

2、因果机制

     这个因果可不是我们语文课中用因为……所以……造句那么简单,这样的因果训练太过简单。美国课堂中不只科学课讨论因果关系问题,很多学科中都会讨论因果关系问题。随着学习进阶,学生对于因果机制的理解也会深入,“为什么这件事发生?”“这件事是怎么发生的?”“有哪些原因导致这件事发生?”“这件事情发生后会产生哪些结果?”“哪些结果是短期影响的,哪些结果是长久影响的?”“满足哪些重要条件这件事才会发生?”“有多大概率这件事会发生?”“如果改变中间的某个变量,这件事会怎么发展”……

3、尺度、比例和数量

可能有人要说,尺度、比例和数量怎么听起来一点都不高大上呢?尺度、比例和数量其实是告诉我们做任何科学实践和工程实践,都要有规模的概念、测量的概念、量的概念,相对性的概念,进而要从定性走向定量,从宏观走向微观。科学研究可不能像下厨做菜那样差不多就行,什么盐少许、油2勺、味精适量、炒到七八分熟。佩宁老师给大家看看一个初中的课程表,大家看看上下课时间,看看能发现什么尺度、比例和数量,看看老美的时间观念是怎么培养的。

【十大课程之六】美国STEM课程(二)

4、系统和系统模型

学生要学会从系统论的角度出发看待一个整体,要将一个系统作为一个整体模型化,增强和加深理解,了解整体与局部如何关联,如何相互影响。比如光合作用、食物网、自然界中的碳循环,自然界水循环都是系统模型。随着年级增长学习进阶,系统模型里要体现系统内事物之间的互动、能量流动、物质变化,进而用数学模型来体现各种变量之间的关系,还得有模有样。

5、能量与物质

       能量和物质的流动、循环、储存转化可以跨越科学各个学科,这个在我们的科学课中已经有比较明显的侧重。不赘述

6、结构和功能

       结构和功能如同能量与物质一样,也是可以跨越各个科学学科的概念,但是我们传统的科学学科教学并不重视。学生要深刻理解物体的结构和功能是相辅相成的。比如,如果我们要保证强度的同时降低桥梁的自重,可以从结构的角度去设计,比如空心、桁架结构,弯折等等,如果保证强度的同时大幅度的降低桥梁的自重,那么就得深入微观,从材料本身的结构和功能入手考虑了。此外生物体的结构与功能也是相辅相成的,很多生物体在进化中获得了非常巧妙的方式,构成了现代仿生学的基础。

7、稳定性与变化

       这个共同概念有点哲学范儿,整个世界的万事万物、宏观微观都是处在稳定与变化当中,其实无论研究事物之间的关系、研究人和物之间的关系、研究人和人之间的关系都是在解决这个问题:稳定与变化。说的玄妙一点,宗教中人和神的关系也是一种稳定与变化中。事件发生了,发展到稳定的状态,开始量变的积累,稳定逐渐被打破,形成质变,质变后一片混乱,然后又逐渐形成了新的均衡,周而复始。天体在这个过程中形成、生态系统在这个过程中形成,新的化学物质在这个过程中形成,新的物质元素在这个过程中形成,改朝换代在这个过程中形成,世界格局在这个过程中形成,宗教也在这个过程中形成。稳定与变化在生活中无处不在,处处体现。

       对这些跨学科共同概念的认识、理解和应用,NGSS要求贯穿在K-12年级的科学教育中,而这些在我们的课程标准中却是零散和不成体系的。我们的学习真的靠“悟”。

       说到这里,关注佩宁老师公众号的各位校长老师们,第三代科学教育的背后有什么?哪些课程是真正的STEM课程?如何从科学教学走向科学教育?相信您已经有了自己的思考。

       这周一天都没休息,今天又花了6个小时写了这6500多字,希望大家能够仔细阅读。下周佩宁老师要去旧金山看看老同学,同时去Steindorf STEAM School、Nueva School、Schools of the Sacred Heart San Francisco这三所学校访问,还要去斯坦福听设计学院著名教授Barry Katz讲解Design Thinking,届时与大家分享更多心得。

 

原文始发于微信公众号(佩宁老师的讲谈社):【十大课程之六】美国STEM课程(二)