美、德科学教育标准的比较与启示

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  • 更新时间2018-11-03
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  摘要:科学教育存在多元传统。对美国和德国两个代表国家的科学教育标准进行比较分析发现,其科学教育纲领文件存同有异。基于对它们差异的分析,初步探索在全球化浪潮中对科学教育目标的多元设定。从它们的相同发展取向中,讨论如何深化中国科学教育目标中的人文蕴含、如何平衡科学理解与科学实践的关系等议题。


  关键词:科学教育;教育标准;比较研究;


  作者简介:姚建欣/北京师范大学物理学系博士研究生(北京100875);郭玉英/北京师范大学物理学系教授(北京100875);伊荷娜·诺曼/莱布尼茨科学与数学教育研究所教授(德国基尔24118);


  在以和平与发展为主旋律的21世纪,世界主要发达国家的科学教育依旧在积极变革、寻求发展,力图在提升全民科学知识和能力水平的同时,持续输送STEM领域①的人才,以在激烈的国际竞争中争得先机。[1]本文聚焦其中两个科学教育大国———美国和德国,回顾进入21世纪后两国科学教育标准的发展历程,比较分析其设计考量与核心特征,为我国的理科课程标准的修订提供参考。


  一、背景介绍


  以美国和德国的科学教育新变革作为研究对象,有以下三方面考量。首先是当前的经济、政治大环境———两国在当今世界具有举足轻重的影响。美国和德国在一定程度上引领着美洲和欧洲的经济、社会发展,是当前最主要的STEM领域的投资国之一,也是最主要的STEM人才的培养国和消费国之一。第二,德国和美国先后主导了20世纪的科技发展进程,此过程中取得的成就对科学教育的内容和理念都产生了深远的影响。第三,“西方科学教育”在西方世界并不被视为一体看待,无论是科学教学实践还是科学教育研究,在不同的共同体之间都存在不同的范式沿革。其中影响最为深远的当属英、美以科学素养(scientifiliteracy)为中心的范式和欧洲大陆的以化育(Bildung)为中心的范式。[2]这两大范式在其发源地一直有着深远影响,也在不同时期的“西学东渐”过程中影响着中国科学教育的顶层设计。随着美国逐渐从英国接过“英语国家领导者”的接力棒,当前英美素养范式的诠释者和引领者的身份也已交到美国手中。而德国自18世纪以来一直都是欧洲大陆的化育范式的代表国家。


  两国的基础教育体系与中国相比均有一定差异。考虑到我国教育研究者对美国的基础教育已较为熟悉,故此处仅着笔墨于德国的学校教育体系。德国的学校教育体系在整体来看具有平行期长、分流性强的特点。平行期长是指:与中国基础教育阶段基本采用统一类型的学校教育不同,德国在基础教育阶段的中后期(大致相当于中国小学高年级阶段)就开始采用数条平行的学校教育途径,并一直延续到高等教育。分流性强指相当比例的学生在各节点进行分流,最后进入文理中学(Gymnasium)为读大学(Universitt)和高等专科学校(Fachhochschule)做准备的学生约占五分之二,其余学生则转入其它类型的中学为各类型的职业教育做准备。


  两国的科学教育在世纪之交都经历了重大变革。两国都是教育分权制的国家,课程权分属各州,所以传统上没有国家课程标准而是各州有各自的课程标准。但在20世纪末,两国学者深感其科学教育面临挑战:一是两国学生在TIMSS和PISA等国际大规模测评中整体表现不佳。其次,STEM人才的“输送管道”有断流之势,选择修习STEM领域的学生越来越少,相关人才越发依赖从其它国家引进。此外,学生之间的差距增大,在STEM科目上“掉队”的孩子越来越多。上述危机促使两个国家对科学教育进行变革。两国不约而同的选择了自上而下的推行国家层面的教育标准,期望国家层面的纲领文件能对各州的课程设计起引领作用,从而带动国家整体科学教育水平的提高。


  美国的上述问题更明显,所以起步也更早,但可惜上世纪末的科学教育变革并没有达到预期目标。故在2010年,美国国家科学院(NationalAcademyofScience)、“达成”集团(Achieve)和美国科学促进会(AmericanAssociationfortheAdvancementofScience)等组织合作开启了新一轮的科学教育改革计划。该计划分为两步,第一步由美国国家科学院牵头,于2011年出台了《科学教育框架》(AFrameworkforK-12ScienceEducation)。随后由“达成”集团组织专家团队,在《科学教育框架》的基础上制定了《新一代科学教育标准》(NextGenerationScienceStandards,以下简称“美国新《标准》”),并在2014年正式发布。德国在本世纪初正式着手变革,在联邦教育部的直接领导下也开启了两步走的改革进程。首先2003年在柏林提出了名为《国家教育标准的开发》(ZurEntwicklungNationalerBildungsstandards)的设计框架,界定了教育目标、能力模型与评价体系。同年稍晚语文(德语)和数学的教育标准颁布,在第二年,生物、化学和物理的教育标准也先后颁布。


  二、研究方法与主要结果


  在初步了解两国的科学教育大环境和开发历程后,我们组织进行了标准文件的翻译和整理,在此基础上对两国的科学教育标准展开文本分析。本研究的文本分析采用质性研究方法中的模板分析法(TemplateAnalysisStyle):即沿着既定的模板,对文字资料进行归类,然后以诠释的方法说明资料间的联系,由此得出结论。[3]此方法最关键环节为模板的设计和资料的诠释。本研究的模板选定首先综合参考了“达成”集团对十个国家(地区)的科学和数学教育纲领的比较研究的框架,[4]以及德国莱布尼茨科学与数学研究所和英国约克大学联合组织的对全球15个国家理科课程标准的比较研究的研究大纲。[5]在此基础上,考虑到研究目的为服务中国科学教育纲领文件的修订,所以依据中国当前科学课程标准文件的设计对原框架进行了调整。根据比较框架,文本分析沿文件定位、目标与理念、内容组织与呈现、分级评价等四个大维度依次展开,得到以下主要结论。


  (一)两份文件都是国家层面的纲领性文件


  美国新《标准》在介绍中申明:这份文件是科学教育标准,而不是科学课程规划。标准文件用来表明“学生应该知道的和学生应能做到的”,不仅“不指定达成这些标准的方式和策略”,还力求“给予课程规划和教学设计足够的灵活性”。[6]这表明,该文件是指导各州设计科学课程(Curriculum)的纲领性文件。与此相同,德国《国家教育标准的开发》中也指出,基于此框架制定的各科教育标准规定的是学生在完成一段时间学习后所应达到的水平,[7]各联邦州应据此逐步调整原有的科学“教学计划”(Lehrplan)。可见,两国的科学教育纲领文件分为两个层次:一是国家推行的科学“教育标准”(EducationalStandard),二是各州设计的科学“课程标准”或“教学计划”。两级纲领文件各有侧重,共同指导科学教育的开展。本研究选取的两份文件均属于第一层次,代表着两国对科学教育的价值取向和总体要求。


  (二)目标体系均包含多元要素但取向不同


  美国和德国的科学教育标准都设计了多维目标体系(见表1)。从表1可见,两国的目标体系在定位、表述和分类上都有较大差异。从定位来看,美国以科学为本,德国则以人为本;在表述和分类上,美国全部是对科学内容的概括描述,按照科学实践与科学知识分类。德国则除了科学知识外,全部是没有科学特征的心理学表述,按照不同能力分类。我们可以从两份文件的出台过程分析这种差异的原因。


  美国是在上一代标准文件奠定的理念和目标基础上进行了整合发展。沿美国科学教育标准的发展史来看,美国新《标准》的三维目标体系是对原有科学教育纲领文件的统整和发展:例如“科学与工程实践”是对上世纪末提出的“科学探究”的拓展,“共通概念”是对原标准文件的“统一概念与过程”的发展。[8]除了这三个主维度外,STSE(科学、技术、社会和环境)以及科学本质这两方面的目标也都在美国新《标准》中得到了体现和强调。整体来看,“科学与工程实践”、“学科核心概念”、“共通概念”、STSE和科学本质共同诠释了编写团队心目中的科学素养的核心内涵。除了对科学素养内涵的厘清和发展,此次美国对原有科学教育目标的调整还使“整合”的科学教育改革理念得到了更充分的体现。[9]围绕“学科核心概念”实现学科内的知识体系的整合,通过“共通概念”联接的跨学科领域的整合,以及科学理解和科学实践的整合,都在美国新《标准》中得到了多次强调。


  德国则是首次在国家层面上设计科学教育标准,而目标体系的设计又是整个过程的第一步,所以在确立目标体系时经历了非常激烈的讨论。[10]有些学者强调全球化的大背景对科学教育的影响,提倡科学教育目标的国际视野,[11]要求参考PISA项目等的指标体系设计本国的科学教育目标。但也有学者对上述倾向提出疑虑,他们担忧如果确立了偏重实用主义的科学教育目标,会牺牲化育传统所带来的人文蕴涵,以及长期以来引以为傲的批判精神。[12]经过权衡,《国家教育标准的开发》的设计团队确定了教育目标设定的三个立场:坚守日耳曼的化育传统;借鉴英美的素养理念;强化基本能力的培养。[13]上述立场对科学教育的影响是确立了“自然科学的基本化育”(NaturwissenschaftlicheGrundbildung)这一概念。这一概念既重视基本的科学概念、规律和原理,同时也强调科学求知的方法论和实践过程,而且还通过提倡对社会性科学问题的思考,延续传统的人文蕴含和批判精神。


  由此,德国各自然科学学科都采用了相同的四维目标体系,在文件中称之为能力领域(Kompetenzbereiche)。四个能力领域分别为:学科知识(Fachwissen)、获知能力(Erkenntnisgewinnung)、交流能力(Kommunikation)和判断能力(Bewertung)。以往对科学教育纲领文件的比较研究发现,目标的顺序往往反映着某种编写意图。德国的科学教育标准中“学科知识”被列为第一个维度,文件中也强调学科基本知识(包括现象、术语、事实、基本概念、定律和原理等)仍应作为科学学习的基础。此外,学科知识维度还强调围绕着少数“基本概念”(Basiskonzepte)进行统整。其中,生物学的基本概念为系统、结构和功能、进化;物理学为物质、相互作用、系统、能量;化学为物质与粒子、结构与性质、化学反应、物质变化中的能量。第二个目标维度“获知能力”这一表述在当前的科学教育语境下并不多见,中国研究者更熟悉的是与之相近的“科学探究”这一概念。然而如果对比美国1996年界定的“科学探究”,可以看到“获知能力”的定义更为灵活,内涵也更为丰富。它既承认实验探究是获取科学知识的最重要的方法,但同时也申明不仅动手做能获得知识,思辨也是知识获得的重要手段。而这种观点也在后来成为对科学探究进行反思的重要角度。[14]“交流能力”和“判断能力”这两个维度在标准颁布时还是十分新颖的目标取向。设立这两个维度,是因为按照化育的精神内涵,在考量教育目的时不仅要关注实用技能,还要关注“人之为人”的发展,重视教育组织对道德情操等的培养。[15]而且,当代科学哲学认为科学是团队工作和社会事业,交流与沟通在其发展过程中起着关键作用。[16]因而在科学教育中,应重视科学中的言语能力,以及运用在科学学习中习得的知识和技能进行评估判断的能力。


  (三)系统组织与呈现内容的两条取径


  当标准文件采用多维目标的设计时,需要注意避免将各目标维度分立开来。典型的案例如美国1996年的《科学教育标准》,它将多维目标维度各成一章分别叙述,这样组织和呈现内容的后果是:即便在引言或后记中反复强调要重视各目标维度的联系,但由于读者阅读到的材料本身是分立的,读者往往很难领会到各目标维度间的联系。这其实就是如何在编写中贯彻“整合”理念、融合多维目标的问题。为解决这一问题,两国采用了类似的方法:以综合的行为概念为核心组织和呈现标准的内容。德国的科学教育标准以“能力”(Kompetenz)为核心,美国新《标准》以“表现期望”(PerformanceExpectation)为核心。围绕行为概念来逐步展开内容,既能很好的沿承目标体系,还可以展现目标维度间的内在联系。两者相比,美国的科学教育标准在内容组织与呈现上的变革更大,故我们先介绍德国的处理方式,在此基础上再讨论美国新《标准》的发展。


  德国的科学教育标准以能力为核心,但其实此概念及其在英文的对应词(competence)原本并不常用于教育学的语境中。当然,这种陌生在一定程度上减少了概念的混淆,反而有利于理念的更替。德国的科学教育标准沿用了著名学者弗朗茨·维纳特①对能力的定义:“个体自身具备的或通过学习掌握的、可用以成功且负责任的解决问题的知识、技巧、态度、意志和社交手段。”[17]此能力概念比生活中常用的本领(Fhigkeit,对应英文的ability)和技能(Geschick,对应英文的skill)等概念含义更广,既强调解决问题的知识和技能方面,也强调解决问题时所需的非智力因素和人际交往能力。由此,德国科学教育标准的四个目标维度也都被涵盖在此概念下,从而使得标准中各维度的内容能够以比较统整的方式呈现。然而可惜的是,虽然通过引入能力概念实现了将各目标维度的内容联系在一起,但具体叙述各维度的内容时,德国的科学教育标准仍是一条条的列举,没能把各目标维度的内容串联起来。可以说,德国的科学教育标准只实现了较为初级的统整。


  相比之下,美国新《标准》以“表现期望”为核心,使用“表现期望+基础盒子+联接盒子”的呈现方式更好的体现了“整合”的指导思想。美国新《标准》中每一个主题的内容都由三部分组成,从上到下依次为:表现期望、基础盒子(FoundationBoxes)和联接盒子(ConnectionBoxes)。表现期望阐明在完成该阶段学习后,学生所应能展现的外显行为。基础盒子取“其中的内容是达成表现期望的基础”之意,展现了达成某一系列表现期望所需掌握的实践要素、学科核心概念和共通概念,有的还联系到STSE教育或科学本质教育中的核心观点。联接盒子表明表现期望和基础盒子中的内容与:(1)同一年级其他内容的联系;(2)其他年级的内容的联系;(3)《州共同核心标准(英语和数学)》的联系。


  上述设计成功的将多维目标的内容组织在一起呈现,而美国新《标准》更巧妙的设计在于多维目标的串联。串联的关键在于其核心———表现期望。表现期望也是由行为动词和行为对象组成,但比传统的“行为动词+名词短语”的表述方式更加具体,也融入了更多考量。以初中物质科学中的第一条表现期望“收集资料,构建模型来描述简单分子和延伸结构的原子组成”为例。首先,其行为动词在布鲁姆教育目标分类的基础上实现了学科化,例如这条表现期望对应着基础盒子里的科学和工程实践中的两个要素“构建和使用模型”、“获得、评估和交流信息”。其次,表现期望中的研究对象———“简单分子和延伸结构的原子组成”,这对应着基础盒子中列的第一条内容“物质的结构和性质”。而且,整条期望又能促进对共通概念“尺度、比例和数量”的理解。由此,美国新《标准》巧妙的实现了多维目标的串联,不仅更好的表达了编写意图,而且便于指导教学与评价。


  (四)对目标达成的分级评价同中存异


  作为上位的纲领文件,两国的科学教育标准都与教育质量检测直接挂钩。而当代的教育测量早已跨越简单回答“达标与否”的阶段,“精诊断”和“促发展”的功能取向对标准提出了系统层级化的要求。系统层级化指的不再是按表现划出优良中差几个等级、或是按得分划出几个分数段,而是要分维度的指明某层级的学生处在哪个发展阶段,在此阶段他大致掌握了什么知识和技能,下一步的目标是什么,以及为达成下一步的目标还需要补强哪些方面。PISA项目最早开展系统层级化的尝试,可惜仍属“诊断之功有余而发展之效不足”。[18]科学教育目标的系统层级化是当前各国都在极力突破的核心研究问题。在此问题上,德国和美国对目标达成的分级评价开展了“和而不同”的探索。在教育心理学研究中一直有“领域普适”(domaingeneral)和“领域具体”(domainspecific)两大进路。[19]形容德、美两国的探索为“和而不同”,就是因为两国对科学教育目标进行系统层级化的目标是一致的,但德国更倾向于领域一般化的进路,而美国则更加倚重领域具体化的发展途径。


  两国几乎同时起步,但由于语言等因素,我们对美国的相关研究更加熟悉。美国学者基于领域具体化的认知理论开展学习进阶(learningprogression)研究,通过一个主题一个主题的搭建和验证进阶框架,最终汇总为进阶矩阵(progressionmatrix)来指导教育质量监控和地方课程开发。[20]与美国不同,德国在建构系统层级化的科学教育目标时更多的基于领域普适的认知理论。首先,维纳特提出的“能力”概念本身就是一个高度抽象化的心理学领域普适概念。围绕此概念,德国在测评时将科学教育标准中的“表现区间”(Anforderungsbereich)进行二维展开:一方面根据布鲁姆的教育目标分类学划分了“识记”、“选择”、“组织”和“整合”等认知过程;同时对每个表现区间按复杂度层级理论(TheoryofComplexity)划分层次。这样,德国为基于科学教育标准的测评建构了一个三维的能力模型(图1),其中的两个发展维度(认知过程和复杂度)都是以领域普适的认知理论作为基础。还需指出的是,三维能力模型的建构过程和学习进阶研究一样,都是理论指导下的实证研究。模型的建构过程在物理、生物和化学等的学科教育专家和心理学家共同参与下持续了近十年的时间,[21,22,23]部分研究成果已由德国教育质量促进中心(IQB)于2011年起汇总推广。


  三、讨论与启示


  随着对多元科学教育文化的了解,我们发现英美话语体系下的科学素养并非西方科学教育的唯一目标体系,以德、法为代表的欧洲大陆国家仍保有其独特的价值取向。这种基于自身文化传统的多元目标设定,既不是可以化约的翻译问题,也不会被全球化的浪潮轻易磨平。[25]相反,在全球化的时代,科学教育承认并尊重文化多样性,而且随着科技、经济影响力的提升以及在PISA等国际大规模评价项目中表现优异,科学教育界上越来越希望倾听来自东亚的声音。[26]在新形势带来的新立场下,一方面要承认在科学教育上我们曾长期处于追赶的姿态,而且在今后的一段时间内也仍应继续向最发达的国家学习。另一方面,还需注意不奉某一文化圈的理念为圭臬而亦步亦趋,而应力图博采众长、推陈出新。


  基于前面对两国科学教育标准文件的比较分析,我们认为以下三个方面值得进一步探讨。


  (一)关注“科学素养”人文社会意涵的发展


  “科学与工程实践”、“学科核心概念”、“共通概念”、STSE和科学本质等共同诠释了美国学者心中对科学素养的期许。“自然科学的基本化育”这一概念的提出则表明了德国坚持德国特色的科学教育的决心,其对学科知识的重视,以及对获知能力、交流能力和判断能力的解读为确立科学教育的目标提供了新的视野。中国自从世纪初的课程改革以来,“提升学生的科学素养”被科学及科学各科的课程标准定为核心目标。对比中国与以上两国的科学教育目标,可以看到三国有许多共同之处,都强调核心知识、科学探究的重要地位并提倡对科学学习的多方面的融汇与整合。但同时需要注意到,“科学素养”在“自然科学的基本化育”等概念的启迪下,在人文社会意涵上有了新发展和新变化。两国都越发关注科学技术、社会生活和自然环境的交互关系,并重视培养学生的科学交流能力和运用科学来分析解决实际社会问题的能力。在逐步进行着《科学教育研究手册》中描绘的从“科学素养的I类视野”(VisionIscientificliteracy)向“科学素养的II类视野”(VisionIIscientificliteracy)的转换。[27]


  科学素养的人文社会意涵并不是新生事物,类似的价值取向我国学者也并不陌生———STS教育于上个世纪80年代就已经被引入中国并产生了相当的影响,进入了科学各科的课程标准中。然而从美、德的标准文件中可以看到,STS教育在国外已经得到了进一步的拓展和深化。一方面,以STSE和社会科学议题(Socialscientificissue,SSI)为代表将学习材料延展到环境问题和更复杂、更具争议性的社会性科学问题。[28]另一方面,以科学解释(ScientificExplanation)、科学论辩(ScientificArgumentation)为代表的科学沟通交流能力的培养得到了空前的重视。可惜的是,上述新发展尚未在我国产生足够的影响。考虑到我国严峻的环境保护形势、时有发生的居民与大型工业项目的对立、以及公众对专家的质疑,我国科学教育需在这些方面做出与时俱进的应对。


  (二)科学理解与科学实践并重


  对比美国和德国的科学教育标准的目标设定,可以看到两者对各维目标的排序上存在着很有趣的差异。德国的教育标准强调知识的掌握,并将知识列为第一个领域。而且在对后续领域的描述中,仍不时提醒其它能力的习得要在现有知识的基础之上。例如文件中指出:“主题知识的基础能促进获知能力、交流能力和判断能力于日常和社会情境中的培养和应用。[29]此外,主题知识为学科内整合及跨学科的工作奠定了基础。”与德国不同,美国上世纪时将统一概念与过程(Unifyingconceptsandprocesses)置于首位,新世纪以来,从框架到标准,则都是将实践放在了首位。


  可见,将重心置于实践和探究,是英美文化圈在当下倡导的主流科学学习范式,但并不是整个西方科学教育的唯一范式。例如德国仍就务实的注重基本概念和基本理论,类似的如芬兰、日本等的科学教育纲领文件也是将科学理解放在首位。值得注意的是,在得到广泛认可、认为在一定程度上实现了能力的测量的PISA项目中,这些以理解为首要目标的国家都远比美国表现的好。这里指出这种差异,并不是在为我国传统上偏重知识的科学教学找依据,而是牢记“偏听则暗、兼听则明”的古训,希望列举出多元的价值取向以助在未来做出更审慎的抉择。曾在《Science》发表教育研究论文的加拿大学者齐摩尔曼在综述中指出,无论是在心理学还是科学哲学都认同:实践是理论、假设和知识指导下的行为,而理论、假设和知识需要接受实践的检验和修正。[30]即对待科学理解和科学实践需两者并重,力图达成协同发展。


  (三)目标、内容与评价的统一


  美国采用的是整合的科学教育标准,而德国的国家科学教育标准的整体编排与我国类似,在一个整体目标框架下,各学科在按照自己的学科特点分科制定标准。但是无论哪种编排方式,两国科学教育标准的内容组织与呈现上有一些共性,包括紧密承接目标体系并进行多维整合,从输入型教学目标转向输出型学习期望,探索发展层级衔接教育评价。美、德两国的标准文件已经超越了传统标准文件中碎片化的内容陈述,逐步成为了整合的、显化的表现标准。而且对发展层级的探索为总结性评价和形成性评价绘制了初步蓝图,能紧密衔接教育评价,通过自上而下的合理评估促进科学教育质量的提升。