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《面向全体美国人的科学》报告概要

全国科学技术教育委员会

美国科学促进会,2061计划,《面向全体美国人的科学》报告概要。华盛顿特区,美国科学促进会,1995年

美国科学促进会简介

  美国科学促进会成立于1848年,是世界主要综合性科学团体,拥有141000名会员、近300个自然科学、工程学学会和学术团体。学会旨在组织各种活动,促进科学及人类进步。为完成使命,学会承担有各类计划的多样化活动,包括科学与技术政策、科学家的责任和人权、政府间就科学问题的联系、公众对科学的理解、科学教育、科学与工程学方面的国际合作,以及对妇女、少数族裔及残疾人提供关于科学与工程学的机会等。学会的出版物包括面向专业工作者的《科学》周刊,以及面向学校和图书馆的书评杂志《科学书籍与电影》。

美国科学促进会1995年版权,邮编20005, 华盛顿D. C. 纽约大街,1200号
 


  “2061计划”及此标志均为华盛顿D. C. 美国科学促进会注册商标。

版权所有。未经出版者许可,不得对本书作任何形式和手段(含电子或机械的)的复制与传播,包括影印、录音、信息储存和检索系统。


前言

  科学素养是一个全民目标,但科学素养的本质到底是什么呢?什么人需要获得必要的知识和技能?怎样才能提高全民的科学素养呢?

  由美国科学促进会发起的这项意义深远的“2061计划”,其主要目的就是捋清这些问题,以便改革科学、数学和技术教育。

该计划的第一阶段是为此类教育改革奠定概念基础,明确中学毕业生必须掌握的知识、技能和思维习惯。其建议成文于《面向全体美国人的科学》,该报告内容涉及科学、数学及技术学。

  本摘要是对该报告的概述,亦作为对“2061计划”的简介,希望它能让教育者、决策者、科学家和所有关心该计划的人了解该计划的目的和全国科学技术教育委员会提出的关于科学素质的科技教育范畴。

  我想强调的是,此摘要不能替代报告本身。希望有意教育改革者能仔细阅读该报告全文中提出的所有建议。而且,《面向全体美国人的科学》现在又有了姊妹篇《科学素养的基准》,描述在2年级、5年级、8年级和12年级结束时学生应该了解和掌握的科学、数学和技术方面的知识和技能。该文另有单独的摘要。

 “2061计划”主任
F. 詹姆斯•拉瑟福德



摘要

  《面向全体美国人的科学》对什么是科学素养进行了陈述。该报告的核心是全国科学技术教育委员会(由美国科学促进会指定的杰出科学家和教育家组成的)提出的一系列建议,主要关于科学社会中公民必须具备的理解力与思维习惯。

  涵盖科学、数学和技术学的科学素养,已成为教育的中心目标。而事实是现在的美国人不具备综合的科学素养。最近一连串的研究充分表明,无论是按国家标准,还是照世界规范,很多学生正在接受失败的美国教育,,当然这也正是美国的失败。毋庸置疑,美国当前的首要任务是改革科学、数学和技术学教育。

  之所以需要改革是因为国家没有果断地采取措施来培养年轻人,尤其是少数民族孩子,使他们适应一个在科学知识和技术力量上都正发生着剧烈变化的世界,而这些年轻人正是国家未来的栋梁。但是教育改革不能简单地通过立法实现。它需要时间、决心、协作、资源和指引;需要勇气与实验;且需要一个国家全局性的眼光,需要去探索美国人期望通过学校教育达到的目标。《面向全体美国人的科学》作为美国科学促进会初步行动即“2061计划”的一部分,其目的就是要形成这样的见识。

  全国科学技术教育委员会汇集了5个相互独立的科学专家组的报告之后,形成总报告中所提呈的建议。此外,委员会还咨询了很多各不相同的领域的顾问和评论员——科学家、工程师、数学家、历史学家和教育工作者。总之,计划历时3年,涉及数百位专家,最后形成了这一由美国科学促进会董事会一致通过的报告《面向全体美国人的科学》。

 “2061计划”与科学素养

  《面向全体美国人的科学》为“2061计划”的第一份报告。它没有指出教育体系中存在的弊端,也没对其进行指责,也未给出具体的解决方法。其基本目的是描述科学素养的特征。因此,其建议形式是向全体美国儿童提出基本的学习目标。“2061计划”的基本前提是,不必要求学校传授更多内容,而是要学校传授更少内容,以便教得更好一些。因此,就学习的共同核心部分,《面向全体美国人的科学》所提建议限定在最具科学和教育意义的概念和技能上。

  美国科学促进会于1985年开始实施“2061计划”,当年恰逢哈雷彗星临近地球,此巧合促成这一计划名称的诞生,因为人们发现,当年即将入学的儿童,将在2061年再次迎接这颗彗星的回归,这正好是人一生的时间。

   “2061计划”是一项包含三个阶段的有目的、可持续的行动计划,旨在对科学、数学和技术教育进行必要的批判性改革。

  第一阶段主要着眼于梳理科学素养的本质。《面向全体美国人的科学》及科学专家小组的各项报告构成这一阶段的主要成果。第一阶段的目的旨在界定学生从幼儿园到高中毕业,整个学校学习经历过程中应该获取的知识、技能和态度,来建立改革的基本概念。

  第二阶段,由教育家和科学家组成的小组,根据《面向全体美国人的科学》提出的理论和指导思想,设计不同模式的课程,运用于若干州与区的学校之中。这期间,该计划还规划改革蓝图,内容涉及教师的培训和教育、教辅材料和辅助教学的技术手段、测试、学校教育机构、教育政策、课程联系、家长与社区、商业与工业、高等教育、经费与公平性。“2061计划”在着手创建这些新资源的同时,在学校科学课程的改革上,努力拓展国家级专家库,并继续宣传提高全民科学素养的必要性。

  第三阶段是推广合作期,将持续十年甚至更长,在此期间,大量积极参与教育改革的组织,将利用第一和第二阶段的资源,推动全民科学素养教育。学校相关利益者将制定在全国学校科学、数学和技术学科教育中贯彻的改革策略,,同时考虑在历史、经济和政治教育上的改革。

建议

  全国科学技术教育委员会阐释了科学素养的基本范围,可大体归纳为:

  • 熟悉自然世界,认识它的多样性和统一性
  • 了解科学的关键概念与原理
  • 了解科学、数学和技术相互依存的重要方式
  • 认识到科学、数学和技术是人类的伟大事业,认识到它们的优势与局限
  • 具备科学思考能力
  • 运用科学知识和科学思维方法处理个人和社会问题

  全国科学技术教育委员会的建议涵盖了一系列广泛的学科主题,其中的很多已常见于中学课本中(例如物质结构,细胞基本功能,疾病预防,传播技术以及数字的不同用途),但处理这些主题的方式在以下两个方面与传统方式不同:

  其不同之一,在于弱化传统上各学科之间的分类界限,强化相互间的联系。比如,能量转换发生在物理、生物和技术系统,进化改变出现在星球、生物和社会中。

  不同之二,相比传统的科学、数学和技术课程,要求学生记忆的内容细节少了许多,强调的是理解概念和掌握思维技能,而不是专业词汇和记忆的过程。不仅深入浅出地阐释所选概念,而且为进一步学习打下持续的基础。细节被视作提高的手段,而不是必需,学生只需理解大致的概念。比如,全国科学技术教育委员会认为,基本的科学素养包括,了解活细胞的主要功能是根据DNA分子的编码指令聚集蛋白质分子,但不必记忆“核糖体”或者“脱氧核糖核酸”这样的术语。

  全国科学技术教育委员会的建议中还有些学校课程中不常见的主题,包括科学事业的本质,以及科学、数学及技术之间以及它们与社会体系之间大体上有怎样的联系。委员会还要求学生了解科学技术史上的重大事件,以及贯穿所有科学思维方式的重大的概念性理论。

  委员会的建议形成了这一份报告,共12章,包括4大范畴:科学的能动作用、科学世界观、科学观点和科学思维习惯。

科学的能动作用

  毕业生毕业离校时应该懂得,什么是科学的能动作用,它与他们的文化和生活之间有着怎样的联系。具备这样的能力,需要掌握以下各点:

  • 科学的能动作用源自科学、数学和技术的统一性。技术为科学和数学求索提供基本工具和方法,并指示新的研究方向。过去,新技术是建立在实践知识不断积累,今天,它们更多的是建立在对事物运行的原理的科学理解之上。数学本身是一门科学(或学科),但它同时也是一门自然科学的语言,一个广泛运用于科学与技术中的强有力的分析工具。
  • 科学、数学和技术深植于历史,深植于世界的每一个部分。正如任何民族都具有创造力,他们制造工具、改进技术,以改变自己的环境,他们对自然充满同样的好奇,渴望探索其一切。现代科学——确实已成为国际性的——虽然仅有数百年历史,其各方面(尤其是数学和天文学方面)可追溯至早期的埃及、希腊、中国和阿拉伯文化。
  • 科学、数学和技术从智力、实践、情感、美学和伦理方面表达了人类的智慧与局限。这些领域的进步,是人类各种不同兴趣、才能和个性方面发展的最高结晶,虽然社会障碍还阻碍了妇女和少数民族在这些领域的表现。
  • 各不相同的自然科学与社会科学在主旨与技法上总有不同,但它们具有共同的价值,对知识有共同的哲学观点,对世界有共同的了解方式。所有学科都假定,宇宙之事物与事件,均以一贯的模式发生着,可以通过细致、系统的研究得以理解。虽然它们都意在提供可证实的知识,但没有哪一个学科声言自己提供的是绝对真理,是不会再改变的知识。
  • 各学科调查的主旨及运用的技法,随时间、新工具的发展和学科分界的不断变化而变化。尽管如此,科学探索的特征不变——运用描述、实验和历史方法,依据被研究的现象及能够运用的工具进行科学探索。然而,各种不同的方法都同样要求有证据来支撑科学研究,都同样运用可以通过实验验证的假设和逻辑推理,都同样寻求能解释、可预测的理论,都同样努力辨析并避免偏见。
  • 数学是一门研究抽象模式和关系的科学。作为理论学科,它探索抽象概念中可能的关系,不在意在真实世界中是否能找到它们的对应。然而,结果却常常是,纯数学中的发现,常常具有惊人的、出乎预料的实用价值。作为实用学科,数学处理来自自然与社会科学及日常经验中的问题。有时,在解决这些问题的过程中,探究出基本的数学发现。
  • 无论从理论还是从应用的角度来看,数学都是一个创造性过程,而不是运用记忆规则去计算答案。数学过程包括,抽象描绘事物的一些方面,逻辑性处理抽象概念,以及发现它们之间的新关系,并领会新关系是否表示出原事物的一些有用信息。用这种方式研究的对象可以是物体、集合、事件、过程、概念、数字或者其他数学抽象概念。
  • 从最宽泛的意义上说,技术拓展了我们改变世界的能力:切割、定型或装配物体;将物体从一地移往另一地;延伸我们的手、声音、感官感觉和思想。工程学就是为获得这样的变化而设计和建造技术系统的过程。工程师得考虑物理、经济、政治、社会生态、审美和伦理,并在其中达到平衡。
  • 技术体系和社会体系之间相互强烈影响着。社会和经济力量决定采取、关注、投资和应用哪些技术,与此同时,技术总是对人类社会的本质产生巨大的影响。技术改变对社会的影响(利益、成本和风险),有些可以预测,有些不能。

科学的世界观

  科学、数学和技术知识对每一个人都非常重要,因为它让这个世界更易了解、更加有趣。然而,《面向全体美国人的科学》并不是要求所有学生都要获得各科学学科的详尽知识,而是建议学生培养科学概念和原理明晰的、让人信服的世界观,这些概念包括:

  • 宇宙的结构与进化:强调各地发现的物质与力量的相似性,宇宙对一些普遍原理的反映(比如宇宙的万有引力和能量守恒),及探索宇宙的方式。
  • 行星地球的普遍特点:包括它的位置、运动、起源和资源;它的表面形成和变化动力;生物对地球表面和大气的影响;地形、海洋、河流、气候和地球资源怎样影响着人们在哪生活,怎么生活,以及人类历史是怎么展开的。
  • 与物质、能量、力和运动有关的基本概念:强调它们在解释从星体诞生到细胞功能的广泛而多样的自然现象的概念时的作用。
  • 生活环境:强调地球生物丰富的多样性及生物细胞在结构与功能上惊人的相似性;物种的相互依存以及物种对自然环境的依存;以及生命轮回中物种与能量的流动。
  • 生物进化概念:建立在广泛的地质和分子证据之上,解释了生命形式的多样性和相似性,是整个生物学最基本的原理。
  • 人类生命经发展和成熟各阶段的循环:强调促成健康孩子诞生的因素,促成人类潜能完满发展的因素,促成人类寿命改善的因素。
  • 人体:是一个由细胞和器官组成的复杂系统,其基本结构和功能都是为从食物中获取能量、抵御伤害、内部协调和繁衍等服务。
  • 生理和心理健康:因为它们受到包括生物、生理、心理、社会、经济、文化和环境等因素的相互作用,还受食物、锻炼、药物、及空气和水的质量等的影响。
  • 医药技术:包括机械、化学、电子、生物、遗传物质和技术;它们提高人体功能的作用;它们探查、诊断、控制和治疗疾病的作用;以及因其作用而导致的伦理上和经济上的问题。
  • 人类社会动力的特点:包括人出生的文化环境、阶级差别的本质与影响、各个社会对行为得体的不同定义,群体关系的社会影响,以及技术在塑造社会行为方面的作用。
  • 社会变革与冲突:强调刺激或阻碍变革的因素、社会平衡的意义、冲突的原因、群体与个人解决冲突的机制、政府对变革的引导和控制,以及世界社会和经济体系越来越相互依赖的影响。
  • 政治和经济组织的形式:强调政治和经济观点的相互纠缠,其中理论上政治与经济体系间的不同,实践中资本主义和社会主义体系又常常混合。
  • 人口:包括它的规模、密度、分布、导致它迅速增长和占据主导地位的技术因素,它对其他物种和环境的影响,以及未来人口与资源和资源的关系。
  • 技术的本质:包括农业,强调古代农业革命以及生物和化学技术的运用对20世纪农业生产力的影响;物质与能量的获取、处理和利用,尤其关注工业革命和基于计算机应用为基础的现代制造业革命;信息处理与传播,着重于计算机和电子传播对当今社会的影响。
  • 符号数学与符号关系学:着重其类型、性质、特点、以及用图形和代数方式表达事物间关系的数字和图形;用坐标体系作为关联数字几何学和地理学的方法。
  • 概率:包括限制知识的不确定性,估计和表达概率的方法,以及涉及大数字时预测结果的这些方法的运用。
  • 数据分析:着重概括数据的数字方式和图形方式,相互关系的性质与局限,以及数据收集中的采样问题。
  • 推理:包括逻辑推理的本质、从有限经验中归纳个概括的应用和风险、以及类推推理。

有关科学的观点

  科学素养还包括从文化和智力史的角度观察科学的能动性,熟悉超越科学、数学和技术界限的一些重要的观点。为达此目的,委员会建议,所有学生都要发展以下科学观点:

  • 意识到科学世界观既源于长期积聚的无数小发现累积而成的进化和改变(渐变),又源于迅速彻底改变世界观方式的剧变。
  • 熟悉科学与技术史上超越文化传统意义的一些重大事件。这些西方思想与行动上的发展里程碑,包括伽利略在改变我们对自己所处宇宙位置的理解中的作用,牛顿验证的天地运动适用于同样的法则,达尔文观察到的导致他推断出生命起源机制的生命形式的多样化与关联性,赖尔展示的地球时代的岩石层学说,巴斯德证实的由显微镜下才能看到的微小生物体引起疾病传染的学说。
  • 理解一些重要概念,尤其是经证明在思考事物运作方面有作用的概念。这些概念包括:作为统一整体的系统概念,其中的每一部分只有与其他部分联系起来方可理解;显示事物如何运作或可能运作的模型,含物理方法、图表、等式、计算机程序或心理意象等;系统的稳定与变化;评定目标和系统行为的效果。

科学思维习惯

  纵观历史,人类一直关注一代又一代的思维习惯传承:共同的价值观、态度及思维方式。考虑到科学和技术对当代生活的各个方面均有越来越大的影响,科学素养方面的思维习惯传承则包括具备一定的科学价值观、态度、和思维模式。因此,美国全国科学技术教育委员会建议修改小学和中学教育,使之确保全体学生毕业时能够:

  • 在科学、数学和技术实践中形成一些固有的价值观,尤其是在论证时使用论据和逻辑推理方面;以真诚、坦率、求索的态度面对新概念;持怀疑的态度评价公开宣布的理论与论证。
  • 明智、理性地确信科学能动的社会利益——信念是建立在人们运用知识和技术的基础上,建立在继续发展新知识和技术的需求基础上。
  • 理解科学和数学,能处理定量的事物、批判性思考、准确评判及运用常规工具和仪器(包括计算器和电脑)。
  • 掌握计算技能,包括一定的迅速准确心算的能力;用纸笔和计算器计算的能力;适当估计大致答案及检查其他计算方式的合理性的能力。
  • 具备操作与观察能力,着重正确使用测量仪器的能力;运用计算机储存和寻回信息的能力;运用普通手工工具的能力。
  • 具备沟通能力,包括口、笔头清楚表达基本思想、指示和信息的能力、用表格和简单图表组织信息的能力及绘制粗略图表的能力。有效沟通还包括阅读和理解刊登在通俗出版物及广播媒介上的科技新闻的能力。
  • 具有批判性反应技能,能谨慎判断广告商、社会名人、组织、娱乐业及新闻媒体的言论,尤其是在它们披着科学外衣的时候,能详细审视他们的论断,从而更少地受偏见及经济学原则的影响。

通往未来的桥梁

  实现《面向全体美国人的科学》中所表述的目标,其进展需要4个步骤:1)开发新的课程模式;2)改进科学、数学和技术的教学;3)现实理解如何才能实现全国性的重大、持续性改革;4)启动多领域的协同行动。这些步骤反映了以下考虑:

  学校(从幼儿园到高中毕业)现今使用的课程不是为实现报告中所概括的广泛目标而设计的。要确保所有学生的科学素养,课程需要改进,减少内容覆盖的数量;弱化或取消各学科之间的严格界限;更注重科学、数学和技术之间的联系;视科学能动性为一项社会事业,既影响人类思想和行为,也受人类思想和行为的影响;培育科学思维方法。

  有效传授科学、数学和技术(或任何其他知识和技能),必须基于从系统研究和经实验验证的经验中提炼的学习理论。而且,与科学素养有关的教学,需要与科学探索的精神和品格一致,与科学价值观一致。这包括对现象提出问题,而不是学习答案;引导学生主动假设、收集和运用证据,设计调查和研究过程;给学生提供运用机械、电子和光学工具动手实践的机会;奖赏学生的好奇心与创造力;常常采用组织学生团队的学习方式。

  教育改革必须全面,重点放在所有孩子的学习需要上,涵盖所有年级、所有科目,涉及教育制度的所有因素和所有方面。单独修补教育制度的某个方面将不会有什么成效。面对现今美国教育制度的规模及复杂性,以及权威和资源的分散性,在全国范围内进行改革将需要相当长的时间。还需要创造有利改革的条件,赢得公众对改革持续十年甚至更长的支持。

  最后一点,改革要成功,需要大家协同工作,包括管理人员、教授、社区、商界、劳工和政治领导人以及教师、家长和学生本人。为了这个目标,《面向全体美国人的科学》提出了一个行动议程,列出个人、机构、组织和政府行政部门均能为改革协同工做的步骤。其中“2061计划”的任务是继续竭尽所能,使科学素养和教育改革列入教育者、科学家,政策制定者及公众的议程。

  无论从智力、社会还是从经济上来说,美国都有能力改善它的学校教育,确保培养全体学生的科学素养。这是国家的职责、决心和意愿,是为了共同的目标而通力协作。《面向全体美国人的科学》旨在协助阐明这些共同的目标。



  主席
  富兰克林•G•詹尼弗 霍华德大学校长

  成员
  劳尔•阿尔瓦拉多,麦克唐纳-道格拉斯公司
  威廉•O•贝克,美国电话与电报公司董事会主席(退休)
  凯瑟琳•贝尔特,全国父母联合会教育委员会主席
  戴安娜•I•布莱尔斯,匹茨堡中小学数学学科主管
  帕特里夏•L•查维斯,美国商务部少数族群范围特别助理
  马文•德拉戈,全国科学教师学会主席(1994-1995),纽约州 塞洛科斯市雪城大学
  琼•迪尤阿,北依阿华大学教育学教授
  斯图尔德•费尔德曼,计算机体系研究贝尔通信研究所部门经理
  欧内斯廷•弗里德尔,詹姆斯•B•杜克,北卡罗来纳州杜克大学文化人类学系名誉退休教授
  琳达•弗罗巢尔,康涅狄格州韦斯顿中学教师
  帕齐•D•加里奥特,伊士曼化学公司教育创新代表
  罗伯特•高杰,伊利诺斯州Oak Park and River Forest中学技术部主任
  雷格•杰克逊,麻省理工学院学术运算主管
  彻里•H•雅各布斯,密西根教育委员会前主席
  戴维•肯尼迪,华盛顿州科学监督人
  乔治•高佩斯,国际机械师和航空工作者协会主席
  肯尼斯•曼宁,麻省理工学院科学史教授
  乔斯•F•门德斯,波多黎各安娜•G•门德斯教育基金主席
  弗雷达•尼克尔森,北卡罗来纳州夏洛特科学博物馆公司执行主管
  吉尔伯特•S•奥门,华盛顿大学公共健康与社区医疗学院院长
  李•埃塔•鲍威尔,乔治•华盛顿大学教育学教授
  文森特•E•里德,华盛顿邮报传播栏主席
  托马斯•龙伯格•威斯康辛大学教育研究中心主任
  玛丽•巴德•罗,斯坦福大学科学教育教授
  戴维•桑切斯,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室研究与教育部副主管
  阿尔伯特•尚克,美国教师联盟主席
  格洛丽亚•塔卡哈希,加利福尼亚州拉哈布拉市拉哈布拉中学科学部教师
  沃尔特•维添,国际技术教育学会技术教育咨询部主席
  威廉•云特,密西西比州杰克逊市沃特金斯•勒德兰与斯滕尼斯律师事务所律师
  约翰•左拉,科罗拉多州玻尔得市佳点中学社会科学教师

  依据职务的成员
  弗朗西斯卡•J•阿亚拉,唐纳德•布兰,加州大学埃尔文分校生物学教授
  F•詹姆斯•卢瑟福,美国科学促进会“2061计划”首席教育执行长官

   “2061计划”工作人员
  安德鲁•阿尔格伦,助理主管
  玛丽•安•E•布里尔顿,领域服务协调人
  露西亚•H•布伊,管理支持专家
  凯瑟琳•B•卡姆福德,高级研究助理
  安•奎琳瑟基,作家
  巴巴拉•N•戈德斯坦,管理支持专家
  安德烈亚•霍恩•贝克,行政协调员
  安德鲁•J•乔伊斯,财政分析家
  索菲亚•卡希都,研究助理
  玛丽•科帕尔,沟通经理
  莱斯特•P•马特洛克,“2061计划”行政官
  谢里尔•A•迈克塔希,秘书
  凯润•A•诺埃尔,行政支持专家
  詹姆斯•R•奥格尔斯比,传播主管
  劳伦斯•W•罗杰斯,副主管
  乔•埃伦•罗斯曼, 课程主管
  F•詹姆斯•卢瑟福,“2601计划”专家
  科拉琳•D•斯塔维希,计算机专家
  谢里尔•J•维尔金斯,秘书


  “2061计划”资助单位

纽约卡耐基基金会
麦克阿瑟奖
美国梅隆基金会
罗伯特•N 诺伊斯基金会
皮尤慈善信托基金会
国际商用机器公司
国家科学基金会
美国教育部
加利福尼亚州教育部
乔治亚州教育部
得克萨斯州教育机关
美国威斯康星州公共教育厅


  美国科学促进会希望向以上列出的所有主要资助者及很多其他对“2061计划”及《面向全体美国人的科学》有贡献的为商行、学校、个人表示感谢。

  美国科学促进会非常感谢卡耐基基金会,美国梅隆基金会有力的资金支持。没有他们,第一阶段的研究将无法完成。

  《面向全体美国人的科学》中表达的观点、发现、结论和建议均为“2061计划”的观点、发现、结论和建议,不代表这些组织的观点。

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