美科学院：科学与工程教育应从学前抓起，并注重贯通和整合

美国国家科学院、工程院和医学院近年来对中小学科学和工程教育给予了持续关注，继2020年出版《危机下的K-12科学与工程教学》（Teaching K-12 Science and Engineering During a Crisis）^[1]、2021年出版《科学教育行动呼吁：为未来创建机会》（Call to Action for Science Education: Building Opportunity for the Future）^[2]等报告外，2022年又出版《学前至小学阶段的科学与工程：儿童聪慧与教育者优势》（Science and Engineering in Preschool Through Elementary Grades: The Brilliance of Children and the Strengths of Educators）^[3]共识研究报告。最新的这份报告基于证据基础，就学前至小学阶段如何有效实施科学与工程教育进行了分析，并提出了18条政策行动建议。我国新近发布的《义务教育课程方案（2022年版）》提出将科学课程起始年级提前到一年级，为此我们课题组特编译该报告的主要内容，以为我国小学科学课程的落地实施提供一些参考。一、美国小学科学面临教学时间减少危机报告指出，目前美国小学阶段科学教育的实施以及与学前教育阶段（3-5岁儿童教育）保持贯通性还面临着很多挑战。一是对于科学与工程教育的研究主要集中在中学，对学前至小学的儿童关注较少，这其中对工程的关注少于对科学的关注，这使得教育工作者不知如何有效地对儿童进行科学与工程教育；二是注重贯通小学和学前科学与工程教育的教育工作者面临很多教学和管理问题，包括：需优先确保英语语言艺术和数学的质量；缺少拥有科学与工程背景的教师和领导；专业学习机会有限；缺乏时间、空间和资源。因此，许多幼儿园和小学的课堂只提供有限的机会来开展科学与工程教学。该报告认为，这是一个问题，因为学前至小学的科学与工程学习经历对于以后的学习成功至关重要，这既可以保持和增强儿童对了解周围世界的自然热情，也可以为他们在高年级阶段学习更具挑战性的科学和工程奠定知识和技能基础。报告进一步指出，受联邦和州政策影响，美国小学科学的教学时间逐年减少。例如有调查显示，小学1-4年级科学课程每周平均教学时间1993-1994年为3小时（180分钟），2000年减少到2.6小时（156分钟），2004年和2008年减少到2.3小时（138分钟），而英语语言艺术的教学时间则逐渐增加。还有调查显示，在《不让一个孩子掉队法》实施后，71%的学区减少了至少一门小学其他科目的教学时间，以便为阅读和数学腾出更多时间，因为这两科是该法规定的评估科目，2007年尽管增加了对3-5年级科学科目的评估，但不作为问责部分。还有调查显示，2012年小学科学教学时间平均每周1.8小时，2018年平均1.9小时，与1994年的3小时相比减少了不少。二、儿童科学与工程学习的四大理念报告还就儿童学习的本质进行了分析，提出了四大理念：第一，学习是一个文化过程。这意味着人们通过参与文化活动和使用物理和概念工具，与他人互动学习。文化是动态的，由一系列的实践组成，而不是一个群体的特征。一方面，文化和文化实践具有一定的稳定性，因为文化是世代相传的，另一方面，文化群体及其行为会随着社会、政治和地理的变化而调整。此外，个人不是由任何一个文化群体定义的，文化群体也不是同质的。因此，根据学习者所属的一两个文化群体对他们做出假设是错误的。也就是说，孩子们在学习过程中总是受到他们所参与的文化群体的塑造和指引，并且对这些群体的做事和行为方式有着自己的、不断发展的内化理解。但需指出的是，将学习视为一种文化过程并不否定生物过程的作用。也就是说，生物学和文化经验不能被视为学习的独立方面，也不应该被认为是学习过程固定的或确定的变量。第二，学习是一个身份形成过程。不能将学习科学和工程仅仅理解为知识和技能的积累，而应该理解为实践的有效参与，更近一步则应理解为身份的形成过程。儿童的学习方式和内容与儿童认为自己是什么样的人、他们想成为什么样的人以及他们在学习环境中能够成为什么样的人有关。将学习视为身份的形成，意味着科学和工程教育者的任务是培养人，而不仅仅是人的头脑。证据显示，科学和工程身份在小学阶段甚至在幼儿的游戏选择以及家庭提供的各种科学和工程活动中就得到发展。例如，有调查显示，许多人对科学的终身兴趣始于童年，这是由家庭成员和科学相关休闲活动所提供的社会资本所塑造的。第三，科学与工程的学习是跨环境的。一是家庭是儿童学习科学与工程的一个重要社会环境，儿童在家庭中建立和使用他们的“知识储备”并开始发展文化框架，同时家庭也可以让儿童接触到一系列或多或少了解科学和工程知识的正式学习环境。二是科学中心、动物园、植物园和自然历史博物馆等非正式STEM学习环境以多样化的方式影响儿童的科学和工程学习，这些环境可以为意义建构提供强大的机会。三是各种场所（无论是家里，操场，社区，还是学校）也是儿童学习科学的重要环境。这种基于场所的学习（Place-Based Learning）通常强调生态系统和社会系统之间的联系，它是儿童接触自然现象、引起好奇与注意、参与社区探究、设计可能方案等的一种途径。四是数字媒体在扩大儿童对科学和工程现象、环境和工作方式的理解方面发挥着建设性作用。第四，学习不是中立的。学习的内容、方式和核心能力都是由特定环境中的价值观、实践、规范和机会不断塑造的。这些环境存在于历史和社会权力结构的关系中，因此学习具有道德和伦理维度。例如，从历史上看，白人、中产阶级等话语实践和价值定义了什么是“正常的”学习和期望的学习发展。三、儿童科学和工程学习中的探究与设计活动报告还指出，学前至小学的儿童可以有效地参与类似科学家和工程师的活动——探究（investigation）和设计（design）活动。这些活动包括：（1）直面现象和设计挑战；（2）收集和分析数据信息；（3）构建解释和设计解决方案；（4）与他人交流推理；（5）将多领域的学习内容和背景联系起来。因此，在课堂教学中，要重视为儿童安排探究和设计活动体验，要向他们介绍科学和工程的目的，并为他们创造机会，这有助于发展他们在科学和工程方面的能力。这反过来又激发了他们对日常生活经历的实践、情境和问题的探索。在以探究和设计为中心的学习环境中，儿童在观察和寻求解释令人费解现象中或在努力提出、评估和改进设计问题解决方案中扩展他们的理解并学习科学概念。需要指出的是，儿童参与探究和设计的方式不仅与成人或初中、高中学生不同，而且从学前到小学阶段也会发生变化，所以需要精心安排。四、支持儿童科学与工程学习的学习环境特征在支持学前至小学儿童开展探究和设计活动的学习环境建设上，该报告认为需要超越二分法的框架，这些二分法包括：（1）呼吁幼儿学习环境以自由游戏为中心，而不是以入学准备和学校学习为中心；（2）建议儿童自己发现想法，而不是强调需要明确指导；（3）声称儿童只能参与部分科学实践而不是将儿童视为天生的科学家。这些二分法的框架使教育方法彼此对立，而这些方法往往不是基于证据的，也不是教学设计的有效方法。在该报告看来：（1）儿童的游戏和学习是相互支持的。自由游戏和开放式探索对儿童的学习都很重要，它们让儿童的兴趣可见，并为儿童提供了学习社会情感技能的机会，而这可以促进更广泛的学习；（2）有目的的教学可以支持而不是挤占儿童的科学和工程实践活动，成年人和儿童可以共同负责提出问题、设计探究和做出解释；（3）儿童能够参与广泛的科学和工程实践并从中受益。研究还发现，当学习环境的主要特征与由此建立的教学实践相结合时，学前和小学儿童可以更有效地参与科学和工程实践，并学习对他们的经历和日常生活有意义的复杂科学思想。该报告提出了支持5种教学实践的学习环境特征：第一，让儿童在充满关爱的共同体中学习科学与工程。支持这一教学实践的学习环境特征有：教师和儿童一起制定和修改规范；学习环境促进集体文化；教师与儿童、家庭和社区建立关系；学习环境需引入科学和工程活动的情感维度。第二，让儿童在其认为有意义的环境中进行探究和设计。支持这一教学实践的学习环境特征有：儿童的活动立足于丰富的情境、现象和设计挑战；教师关注并重视孩子最初的想法和经历。第三，让儿童通过数据意义构建来完善他们的解释和方案。支持这一教学实践的学习环境特征有：儿童利用工具、资源和数据来测试和完善想法与解决方案；儿童讨论和做决定，包括提问和问题化；儿童的活动基于人工制品的迭代改进并且儿童被定位为感测者。第四，让儿童一起和互相学习。支持这一教学实践的学习环境特征有：教师和课程引入广泛的符号资源和展示思维的方式；教师和课程使用灵活的结构来支持协作和集体思维；教师引导儿童的想法并指导。第五，使用展示儿童学习和教学指导的方式评价儿童。支持这一教学实践的学习环境特征有：形成性评价用于多种目的；形成性评价系统利用多种形式的证据；形成性评价包括对儿童的探究和支持；教师了解形成性评价中涉及的解释和潜在偏见。五、学科整合是儿童科学和工程学习的重要途径在学前至小学的科学和工程的具体教学上，该报告建议采取学科整合的方法。学科整合有四种类型：（1）表面连接（附加或依次），即将另一个学科的内容（通常作为背景）添加到其中一个单元中，除了主题相关外几乎没有其他关系；（2）部分整合，即同时教学两个或多个学科领域，有时其中一个发挥支持作用；（3）全面整合，即在每节主要科目的教学中、教学活动中或项目中整合全部核心学科的内容；（4）跨学科整合，即学科内容有时通过部分整合，有时通过完全整合进行连接，其标准是保持各门学科的核心概念和认识论结构，以便整合是服务于每个学科自己的目标。这四种学科整合的类型不存在等级层次，应根据情境、学习目标等选择，但该报告建议在学前至小学的科学和工程教学中，应重点关注后三种类型，并应遵循四个原则：（1）让儿童参与利用多学科内容的探究和设计体验；（2）在设计和教学中明确整合；（3）支持儿童学习单独学科的知识；（4）更多的整合不一定更好。在整合的具体学科上，该报告基于已有研究成果发现科学和工程教学可以与“英语语言艺术”、“数学”、“计算思维”整合。与英语语言艺术的整合，可从以下方面着手：（1）使用文本帮助儿童发展和深化解释，并将阅读置于概念连贯、有意义的理解和解决方案的追求中；（2）使用文本来支持对科学和工程实践的理解，并帮助孩子发展身份和兴趣；（3）支持儿童创作文本和作品来表达他们的推理。与数学的整合，可从以下方面着手：（1）帮助孩子进行量化(区分和发展属性的方法)；（2）帮助孩子转换和分析数据，并理解数据表示和统计的基本概念。与计算思维的整合，可从以下方面着手：（1）使用科学或工程背景作为强调计算思维实践的一种方式；（2）使用计算思维作为探索科学或工程概念的方法。六、课程资源对儿童科学与工程教育的重要性该报告认为，课程资源对学前至小学科学与工程教学至关重要。高质量的课程资源应具备6个特点：（1）有证据证明其有效性；（2）围绕《K-12科学教育框架》的愿景而开发；（3）以探究与设计为基础；（4）连贯（按照学习本质的四大理念开发并注重与活动的联系）；（5）具有灵活性和可改编性；（6）公平性，包括支持教师响应儿童的想法。但是期望学前至小学教师独立开发这些资源是不合理的，州和学区在课程资源的选择中要发挥着重要作用并要权衡多种因素。教师对科学和工程课程资源的使用和改编受多个因素影响：（1）教师的知识和信念，包括教师对科学实践的理解，教师对学习者能力、评价、课堂管理等方面的信念，对时间限制的看法等；（2）课程资源本身的特性，如是综合性的还是基于工具包的，是否以探究或实践为导向，是否提供教学指导；（3）课程资源使用的环境。另外，物理性教学资源和设施对学前至小学的科学和工程教学也很重要，但往往供应不足，特别是在资源不足的学校。七、教师对儿童科学和工程学习的重要影响该报告指出，尽管学前和小学教师通常负责所有的科目，而且还面临着在中学阶段常被认为不那么迫切但对儿童来说却至关重要的要求（例如支持社会情感学习、身体健康和全面发展），他们却一直以来没有得到应有的尊重。事实上，他们在儿童科学和工程学习中特别重要，他们的身份认同、专业性向、教学信念、学科与教学知识、教学实践等都会影响儿童的学习。例如，小学教师的科学教学自我效能感和作为科学教师的身份可能会影响她教科学的频率；她对科学教学的内容知识可能会帮助她推动儿童去意义建构，也可能会阻止她这么做；她在某些科学教学实践方面的能力可能会支持她让儿童参与有意义的讨论。为此，学前和小学科学与工程教师的专业学习机会就很重要。事实也证明，他们受益于那些专注于帮助他们发展上述知识、技能和熟练程度的学习机会，这反过来又有助于支持儿童的学习和发展。这种专业学习被称为“连点成线”（connect the dots）模型，即将教师的学习机会与他们的知识、信念、态度和实践联系起来，与学生的结果联系起来，但这种连接不是线性的，而是迭代和动态的，并嵌入到教师学习的内容和他们如何运用他们的知识和技能的情境中。这表明，许多教师的学习机会不是发生在正式的专业发展经历中，而是发生在与孩子和同事在一起的学校里，也就是说，教师需被概念化为贯穿职业生涯的学习者，对于学前和小学教师来说更是如此。该报告还指出，目前学前和小学教师的人口统计数据与受教育儿童的人口统计数据完全不同，这种差异意味着老师和教室里的孩子之间经常存在文化不匹配。为了支持教师的科学和工程教学，以响应课堂上儿童的文化和语言背景，越来越多的研究强调教师教育工作者队伍多样化的重要性，将职前教师安排在涉及来自不同语言和文化背景儿童的地方实习，并利用持续的专业学习经验与教育课程资源协同。八、影响儿童科学和工程学习的其他因素该报告认为，组织文化、政策和管理、教育者能力也是影响儿童科学和工程学习的重要因素。组织文化指的是组织成员共享的深层次的基本假设和信念，它在无意识中起作用。一般来说，积极的学校文化会重视科学教学。例如当科学被视为次于语言艺术和数学教学时，科学要么不被教授，要么被教授得很差（如通过提供脱离情境的实践经验）。总之，学校的价值观可能会影响教师的期望，领导者对某一课程领域重要性的信念体系会决定这一课程的地位。政策和管理包括资金、资源和人员配备等方面。在那些期望科学和工程将在学前到小学阶段教授的地区和学校，领导者可以通过分配财政和人力资源来购买教学资源、确保课堂空间、雇佣科学协调员或科学辅导（助理）教师来提高师生比，并让教学重点放在STEM科目上。教育者能力也是影响科学和工程学习的重要因素。当领导者缺乏足够的知识时，他们就无法支持教师进行教学改革。与科学与工程的机构和组织以及高等教育机构建立伙伴关系可能有助于提高教育者能力。
注释：1.National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. 2020. Teaching K–12 Science and Engineering During a Crisis. Washington, DC: The National Academies Press. https://doi.org/10.17226/259092.National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine 2021. Call to Action for Science Education: Building Opportunity for the Future. Washington, DC:The National Academies Press. https://doi.org/10.17226/261523.National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. 2022. Science and Engineering in Preschool Through Elementary Grades: The Brilliance of Children and the Strengths of Educators. Washington, DC: The National Academies Press. https://doi.org/10.17226/26215
（本文由国际与比较教育研究所科学教育课题组编译自美国国家学术出版社2022年出版的报告“Science and Engineering in Preschool Through Elementary Grades: The Brilliance of Children and the Strengths of Educators”，复制注释3中的链接可在官网免费下载该报告原文）