《 K-12科学框架》将科学学习定义为学科核心思想，交叉概念以及科学与工程实践三个维度的组合（国家研究委员会，2012年）。下一代科学标准（NGSS）通过表达绩效期望来实施该框架，绩效期望是由这三个方面的要素组合而成（NGSS领先国家，2013年）。我们认为，要在课堂上实现“框架”和NGSS的愿景，就需要从教学角度和教学材料上进行重大转变，以支持学生的观点一致。



K-12科学框架的论点中提出的一个明确目标是，注意美国K-12教育缺乏连贯性：

该框架部分是由于越来越多的国家达成共识，即在K-12科学教育中需要更大的连贯性（即团结感）。标准常常是一长串详尽的，不连贯的事实，加剧了人们对美国科学课程往往“一英里宽，一英寸深”的批评（Schmidt，McKnight和Raizen，1997）。（国家研究委员会，2012年，第10页）



该框架确定了支持连贯性的三种策略：（a）围绕“发展进步……”组织学习目标，旨在帮助儿童从对周围事物的好奇心及其最初的构想开始，不断建立和修改其知识和能力。世界如何运转”；（b）关注“数量有限的核心思想”；（c）整合知识和实践（国家研究委员会，2012年，第11页）。从学生的角度出发，我们关于连贯性的论点建立在标准（a）和（c）的基础上–组织学习，以便学生可以从好奇心和最初的构想开始系统地逐步建立新思想，并支持学生真正从事科学和工程学 因为真正需要在解决他们已经发现的问题或问题上取得进展，因此需要进行实践。



我们将学生观点的连贯性与纯粹学科或专家观点的连贯性考虑进行对比，在此过程中，针对特定主题进行研究或进行新研究的原因是学习进展概述了一系列仅反映科学逻辑的构想 想法。我们将争辩说，这样的连贯性不足以将框架的实践愿景，学科核心思想和跨领域概念（通常称为三维学习）的三个维度结合起来，对于框架的学习愿景而言。课程设计者，科学家和教师可能会明白，班级从一个主题转移到另一个主题的原因，一旦人们已经理解了目标思想，就可以事后理解。然而，对于学生来说，逻辑可能并不明显，令人信服或令人信服。例如，考虑对中学年级乐队进行声音处理。NGSS包括以下两个性能期望：

MS-PS4-1。使用数学表示法描述简单的波浪模型，其中包括波浪的振幅与波浪中的能量之间的关系。

MS-PS4-2。开发并使用模型来描述波是通过各种材料反射，吸收或传输的。



这些表现期望来自中学阶段对框架中有关波浪的目标学科知识的阐述：

简单波具有特定波长，频率和振幅的重复模式。声波需要传播媒介。（PS4，国家研究理事会，2012年，第132页）



考虑一个设计良好的中学声音单元，从学科角度组织起来是连贯的。它从声音是穿过介质传播的波开始，然后进行研究以探索波长，频率和振幅的特性。我们可以整理课程，让学生参与科学和工程实践，例如建模和使用数学思维来与这些学科思想打交道。例如，一堂课可能会让学生观察到，当扬声器发出声音时，放置在扬声器上的米会反弹。老师可以将响铃计时器放在钟形钟罩中，排除空气，然后学生会发现没有空气就无法听到响铃。这些实验显然是针对已经知道声音工作原理的人的，因为他们知道声音是压缩波，需要介质。当扬声器发出声音时，表面会前后移动以移动空气，从而发出一系列使米弹起的压缩和减压。从钟罩中抽出空气后，声音停止，因为没有足够的颗粒推动钟罩并将能量从振铃定时器传输到我们的耳朵。从技术上讲，这些课程中的每一个似乎都是结合了实践，学科思想和跨领域概念的三维课程。



但是请从学生的角度考虑课程的经验。为什么我们要在扬声器上放米饭或在钟罩内放响的物体并除去空气？这些活动本身可能很好用，但要包含反映科学和工程实践的故意意义，就必须从学生的角度出发。学生需要参与小组对话和决策，以决定下一步应该做什么。尽管有一种现象需要探索，甚至可能是一个普遍的问题，例如“将会发生什么？”激发实验的动机是，实验不受试图解释学生已经试图理解的现象的激励。对于学生而言，先前对话中的任何内容都不会促使他们选择这些现象。此外，虽然老师可以说实验可以帮助他们了解声音如何涉及空气，但实验的框架本质上是老师说：“相信我，这会有所帮助，您将在稍后看到原因，这是实验的框架” 。”鉴于许多人对学校的运作方式抱有期望，这可能行得通，但这并不能反映出从事有意义的实践来积累知识。



创建能够反映向三维学习的转变的学习环境将需要教师或指导材料做更多的事情，而不是简单地将所有三个维度组合成一堂课，以便它们只能共存。我们认为，这要求教师与学生合作，以开发和管理他们的调查轨迹，以及从这些调查中建立知识的过程。在下一节中，我们将介绍该论证的原则，然后简要描述解决此一致性目标的框架。



从学生的角度论连贯性



我们从学生的角度来看一致性，就像教室社区参与有意义的调查一样，在调查中学生是管理知识积累轨迹的伙伴。他们会随着时间的流逝而发展思想，这是由有关现象的问题所激发的，其中每一步都是试图解决当前解释和模型中的问题或空白。他们从事有意识的感官创造，在这些实践中，从事实践和建立科学思想成为在他们试图解决的问题或试图解决的问题上取得进步的方式（Edelson，2001；Kanter，2010）。



重要的是要注意，这并不意味着仅跟随学生想去的地方。它要求培养基于现象的问题，并与学生一起共同构建调查问题的方式。当然，这将需要老师的指导，以帮助学生将注意力集中在可以导致目标学科核心思想的生产指导上。我们在这里的主要主张是，学生可以成为谈判的伙伴，通过这些想法被带到一起工作，而不是简单地由课程材料或老师介绍下一步的生产性工作。课堂上的这种转变需要重新定义教师和学生随着时间的推移如何发展观念，改变课堂上的认知和权力结构。我们的论点借鉴了三个相关的问题：学科实践的性质，认知的代理以及科学知识构建的特殊性质。



实践科学

第一个论点涉及将实践定性为有意义的学科工作。在框架中将科学工作定为“实践”，而不是“科学技能”或“过程目标”（ Osborne，2014年）。这反映了将学生的科学工作重新构想为有意义的，有目的的知识积累的尝试。实践反映了一个连贯的活动系统，其发展和利用科学知识来解释自然界中的现象或工程师解决问题的方法，这是以该学科的共同目标，期望和规范为指导的（Ford＆Forman，2006）。仅仅按照说明进行操作并不能反映出从事一项实践，也不能为学生提供选择要调查的变量的保证，从而保证了这些调查服务于达到学生已经阐明并理解自己追求的有意义目标。



有意义的实践的概念对从事科学具有重要的意义。科学从根本上讲是建立解释模型和理论，并得到经验证据和论据的支持（Giere，1988；Passmore，Gouvea和Giere，2014）。问题是通过与现象互动并试图使现象变得有意义而引起的，从而引发了激发调查的问题。如果学生在处理变量或设计实验时没有提出一个总体性问题，那么他们可以帮助他们清楚地表达自己试图理解某些现象或解决问题的能力，那么就不能说他们是真正从事科学和工程实践的人。仅仅因为只是日常工作而仅仅建立模型或分析数据模式，而不是被他们对现象的问题所驱使，只是在经历“学校科学”的运动，而不是从事知识积累实践（Jiménez -Aleixandre，Rodríguez和Duschl，2000；Lehrer和Schauble，2006）。给学生自由操作变量或设计调查的权利，而不会以无法从学生的先验知识中解释的现象来激励这些调查，这并不能使学生将现象定位为``弄清楚''现象的发生方式和原因（Manz，2014; Schwarz，Passmore， ＆Reiser，2017）。实际上，渴望成为“探究活动”的教学材料通常没有让学生参与在给予他们自由探索和操纵变量的权利之前就需要调查哪些问题进行谈判。



认识能动性

第二个论点与认知主体有关（斯特劳普，2014年）。致力于科学知识建设作为有意义的实践，对于参与者的代理机构做出有关工作的决策具有明显的意义。如果学生是从事有意义实践活动的课堂社区的参与者，则他们需要成为知识建设工作的合作伙伴。当提供了一组变量来操纵或理解所提供的实验的经验结果时，知识的构建不仅仅是简单地设计实验。参与知识建设涉及在以下过程中进行决策：识别重要的难题或问题，将这些难题或问题完善为可研究的问题或设计挑战，概念化如何调查问题或解决问题，进行调查，了解发现并确定知识构建工作的下一步。共享的认知机构将教师和学生定位为谈判知识创造过程的决策和管理（Damşa，Kirschner，Andriessen，Erkens和＆Sins，2010年）。



在K-12科学背景下，尽管教师可以指导和支持这项工作，但将知识作为一种实践进行练习意味着学生在开发和管理这项工作中需要承担部分智力责任，而不是简单地按照教师的指示进行操作。教师（Berland等，2016; Ford，2008; Manz，2012）。学生需要与老师成为伙伴，以识别班级需要做什么（问题，调查的想法和下一步）以取得进步，并确定他们发现了什么以及解释中有哪些问题或空白 需要解决。



问题和现象在科学知识建设中的作用

论据的第三部分基于代理的概念，并借鉴了教师和学生正在构建的解释性知识的性质。建立解释性知识需要刻意尝试测试，推广和完善解释性模型（Passmore等，2014）。这不仅需要查找数据模式并确定变量之间的关系，还需要概念化有关现象的问题，弄清楚对现象的哪种处理将为解释现象的发生方式和原因提供解释，并评估迄今为止收集的证据以达成共识。并找出差距（Schwarz等，2009）。开发科学模型的实践需要从现象引起的解释性问题开始（Gouvea＆Passmore，2017）。它需要发现难以解释或对该现象有问题的内容，并集中需要通过科学问题来解释的内容（Reiser，Brody，Novak，Tipton和Sutherland Adams，2017年）。因此，建立解释和模型并不是从科学主题开始的，例如要求学生“解释光合作用”或“解释化学反应”。解释和模型构建首先提出有关现象的问题，例如注意到植物变大，并询问植物中多余的物质来自何处。如果只是将识别问题的知识引导给学生，而没有让他们参与确定需要解释的内容并与他们已经知道的知识联系起来的工作，那么他们就不会真正地参与知识的构建过程。因此，这需要共同参与开发和管理从学生的角度反映连贯性的调查轨迹的类型。



故事线中的连贯要素



在本节中，我们从学生的角度概述了用于支持连贯性的框架，我们正在为NGSS设计的教学材料中对此进行开发。我们已经在故事线，连贯的单元中探索了这个框架，在这些单元中，由现象引起的问题推动了对科学实践的参与，并且老师和学生作为合作伙伴来构建和管理由此产生的调查和意义分析的轨迹2（Reiser，Fumagalli，Novak， ＆Shelton，2016）。



我们认为故事线支持教室文化，其特点是可以规范教室社区参与知识建设的三项规范：

我们弄清楚科学思想。

我们弄清楚每一步要走的路。

我们想出如何随着时间的流逝将这些想法整合在一起。



在课堂研究中，我们确定了课程材料设计和教师法规中需要解决的五个关键问题，以支持学生在管理调查中扮演合作伙伴的角色。对于这些关键问题中的每一个，我们都确定了一种教学常规或教学模式，可以反映在开展和管理调查中的重要智力和社会工作（DeBarger，Penuel，Harris和Schank，2010年）。我们将它们视为教学模式，因为它们反映了课程元素中完成的重要智力和社会工作，但可以通过各种特定的活动结构来实现。例如，整个例程在教学上的重要意义在于，学生的问题应公开化，并且课堂社区应定期对其进行审查，并评估他们在哪些方面取得了进步，以及哪些问题仍需要解决。这可以通过多种不同的教学方法来完成，例如驾驶提问板（Weizman，Shwartz和Fortus，2010年），KWL图表，注意和奇迹图表或其他类型的学生想法的公共表示形式（Windschitl，Thompson ，＆Braaten，2008）。



我们如何开始一个单位的调查？

调查首先涉及一种现象，这种现象会引起值得研究的问题或需要解决的问题。锚定现象可以为提出问题提供背景，这些问题可以从单位的一系列相关调查开始（Thompson等，2016；Windschitl等，2008）。除了简单地提供令人兴奋的现象之外，还需要更多的东西。还需要教学模式的其他要素，以帮助学生专注于需要解释的内容，经常促使学生认识到他们无法真正解释他们认为理所当然的事情（例如声音从起点传播到人耳）。。因此，促使学生尝试解释锚定现象是帮助解决重点问题的关键步骤。此外，帮助学生将现象与他们曾经拥有的其他经历联系起来，有助于拓宽学生考虑的现象范围，并有助于将要研究的内容与自己以前的经历联系起来。最后，重要的是让学生清楚表达自己的问题和想法，以帮助课堂社区取得进步。以下示意图确定了我们认为是发起连贯调查的课程材料和教学方法中关键的四个要素：

我们如何与学生一起激励下一步的调查？

弄清楚下一步是保持连贯性的关键要素，它反映了学生的认知能力，但在许多教室中这种可能性极小。管理知识积累涉及确定教室社区进展的持续过程，并确定下一步需要去哪里。我们将其概念化为一个不断向前和向后回顾的过程。班级回头弄清楚他们在知识建设中的落脚之处，存在哪些悬而未决的问题或出现了哪些障碍或分歧。然后，他们希望弄清楚自己的进步，在今天的课程中应该做些什么。在课程结束时，班级需要回顾并弄清楚他们已经取得了什么成就，出现了哪些新问题，并期待他们在下一堂课中的去向。正在进行的导航工作提供了使教室前进的过程，使之成为建立正在进行的“故事”的过程，而不是仅通过通用主题（“我们正在进行大量的声音实验”）进行一系列的课程学习。

我们如何帮助学生使用实践找出科学思想的各个方面？

在一个课程中，对学生连贯性的关注取决于将教室社区所从事的实践与教室的标识“我们要弄清楚什么？”联系起来。学生应该能够看到他们从事的实践将如何帮助他们在已发现的问题上取得进步。分析他们得出的结论将导致产生一些目标科学思想（学科核心思想和/或跨领域概念），还可能引发新的问题。当学生可以通过参与练习说出他们想回答的问题，并且可以将课程的重点与他们使用练习与现象进行互动的工作联系起来时，连贯性就很明显。我们认为这些要素是将调查作为知识构建实践的关键：

我们如何推动学生更深入地研究和修改迄今为止我们共同构建的科学思想？

知识建设方面的进展并不总是稳定的。在一个单元的关键点上，在学生们在拼装上取得了一些进展之后，老师可能需要推动学生更深入地学习。做到这一点的一种关键方法可能是问题化（Reiser，2004年），其中教师提出了一个问题，该问题揭示了教室目前的理解中存在的问题或差距。这可能是通过培养和利用新出现的分歧或引入具有挑战性的新现象而发生的。


这个过程可以帮助学生专注于一个重要的问题，可以完善或扩展他们的模型。例如，可能重要的是促使学生将模型推广到目前为止尚未考虑的情况。试图将模型推向新的情况可能会引起疑问。例如，在一所中学的音响部门中，学生探索什么会引起声音，然后通过分析涉及发声的乐器各部分的行为来开始调查。他们制定了一个模型，其中涉及对固体材料（例如鼓头，吉他弦或音叉的尖齿）施加力，然后使之变形，弹回，超调其原始位置，然后再次弹回，重复模式，直到它随着时间消失。那时，老师要么促使学生考虑该模型是否可以应用于施加力时发出声音的所有事物，例如在桌子上敲打或沿着走廊走下脚步。这导致学生质疑并争论所有固体物体发出声音时是否变形并弹回。老师不是解决这种分歧，也不是让学生确信他们的模型会起作用，而是培养这种分歧，让学生思考替代方案并了解其解释模型的后果，然后指导他们进行有助于解决这一问题的调查。可能需要这种类型的问题化处理，以促使学生质疑和评估他们当前思想的适当性。关键元素如下所示：

我们如何帮助学生整合学科的核心思想和贯穿各领域的概念？

NGSS中一致性的一个关键特征是，科学思想需要一步一步地建立起来。每次新调查都会产生另一个难题，并引发更多问题。在关键时刻，需要提示和引导学生将到目前为止已经弄清的部分拼凑在一起。在这种类型的作业中，学生可以将自己在多个课程中发展而来的想法，并弄清楚如何将它们联系在一起，以解决他们一直在研究的现象。同样，这可以采取多种形式，采用不同的教学方法来帮助学生跟踪他们的想法（科学笔记本，公共摘要图等）。该活动可以组织为制定摘要说明，共识模型或设计一个问题。关键在于，学生们将跨课程的重点放在一起，并尝试共同开发一种产品（模型，说明，设计），以解决迄今为止所遇到的各种现象。该例程的示意图如下所示。

总结

我们将一致性与简单设计实验或分析数据进行了对比，因为这是作为一天的目标给出的，即“上学”而不是“科学”（Jiménez-Aleixandre等，2000）。我们提出了五个关键问题，我们建议这些问题对课程材料开发人员来说是有帮助的，以便从学生的角度支持一致性。我们建议的特定例程说明了我们所看到的支持学生作为合作伙伴进行科学意义理解的方法。虽然可以肯定会有各种变化，但我们已尝试确定一些关键要素，这些要素需要通过所采用的特定活动结构或教学方法来解决。