CC BY
367
1УДК 378
ББК 74.664(7СОЕ)
О НОВОМ СТАНДАРТЕ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОГО ОБРАЗОВАНИЯ В ШКОЛАХ США
А. Ю. Уваров
Статья знакомит отечественных педагогов с основными идеями рамки (концепции) естественнонаучного образования в школах США, которая лежит в основе новых образовательных стандартов, подготовленных на федеральном уровне. Рассмотрены ориентиры для разработки нового стандарта, шесть принципов, лежащих в его основе, структуры содержания обучения, а также обновленные структура и содержание естественнонаучного образования в американской общеобразовательной школе.
Ключевые слова: образовательные стандарты, общее образование, естественнонаучное образование, образовательная реформа.
A NEW FRAMEWORK FOR K-12 SCIENCE EDUCATION IN USA A. Yu. Uvarov
The article introduces main ideas of a new Framework for K-12 science education in USA. The Framework is used now in US as a basis for development of a new K-12 Science Education standard on the federal level. The implementation of new standards in each of the states is expected. The article discusses guiding assumptions and organization of the Framework and three framework's dimensions: scientific and engineering practices, crosscutting concepts and disciplinary core ideas.
Keywords: educational standards, general education, science education, educational reform.
Интенсивная работа по совершенствованию естественнонаучного образования (далее - ЕНО) в общеобразовательных школах США сегодня продолжается. Основанием для этого служит в том числе успешная подготовка талантливой молодежи в специализированных школах. Примером может служить Bronx High School of Science (http://www.bxscience.edu/). Среди ее выпускников немало лауреатов нобелевских премий. Однако, по мнению американских исследователей, общий уровень ЕНО в стране недопустимо низок. Одно из решений этой проблемы - разработка нового стандарта ЕНО для общеобразовательной школы. В 2012 г. эта работа завершилась подготовкой структуры стандарта ЕНО (далее - СС ЕНО), которая фиксирует основные понятия и базовые идеи современного подхода к естественнонаучному образованию в современной школе [1]. Цель настоящей статьи - познакомить отечественных пе-
дагогов с основными идеями этого большого по объему документа.
Ориентиры разработки нового стандарта
Новый стандарт предполагает, что к концу общеобразовательной школы (12-й класс) все учащиеся:
• ощутят красоту науки, испытают преклонение перед чудом науки;
• получат достаточно знаний в области науки и техники, чтобы участвовать в общественных дискуссиях по проблемам, которые требуют научных знаний;
• станут разборчивыми потребителями научно-технической информации, которая напрямую затрагивает их повседневную жизнь;
• получат возможность продолжить образование, знакомиться с миром науки и инженерным делом (инженерия) после окончания школы;
• овладеют знаниями, навыками и получат опыт деятельности, которые помогут им выбрать свой жизненный путь и начать карьеру, в том числе (но не только), в области науки, техники и технологии.
Обучение в области естественных наук, опыт, полученный школьниками в результате их вовлечения в исследовательские проекты, интерес к естествознанию, формирующийся у них в школе, должны помочь учащимся понять роль науки и техники в решении стоящих перед человечеством проблем, включая:
• обеспечение энергией;
• профилактику и лечение заболеваний;
• снабжение чистой водой и пищей;
• изменение климата.
Естественно, что не все школьники станут работать в области науки, техники или технологии. Однако предполагается, что современное ЕНО подтолкнет талантливых молодых людей к выбору такой карьеры. Можно ожидать, что в будущем большее количество выпускников школы, чем сегодня, будет выбирать для себя профессии в области техники, технологии и естественных наук.
Согласно СС ЕНО, главные цели естественнонаучного образования в школе:
1) предоставление общеобразовательной подготовки в области науки и техники всем без исключения школьникам и
2) фундаментальная подготовка тех учащихся, которые в будущем станут учеными, инженерами, технологами и техниками.
СС ЕНО ориентирует педагогов и школы прежде всего на решение первой задачи: подготовку всех школьников к жизни в условиях экономики, основанной на знаниях, формирование полноценных граждан для жизни в технологически развитом обществе. Предполагается, что каждый учащийся получит возможность пройти подготовку на курсах по выбору (факультативы, элективы), включая курсы повышенной сложности и курсы для одаренных. Эти курсы должны вписываться в контекст естественнонаучных общеобразовательных дисциплин, которые учащиеся изучают в школе, а также смежных учебных предметов, включая психологию, информатику и экономику. Будучи составной частью стандарта, такая подготовка должна заинтересовать большее количество
молодых людей изучать дисциплины, которые связаны с естественными науками, побудить их к выбору карьеры в области науки, техники и технологии. Современное естественнонаучное образование в школе должно обеспечить:
• Тесную связь обучения, научения и развития. Каждый учащийся должен иметь возможность постоянно расширять и совершенствовать (пересматривать) свои знания и умения. Освоение материала начинается с возбуждения у школьников заинтересованности (любопытство) по поводу того, что ученик видит вокруг себя. Обучение опирается на первоначальные представления учащегося, на то, что он уже знает об устройстве мира. Естественнонаучное образование должно помочь школьникам:
- перейти от житейских к научным представлениям об устройстве мира;
- познакомиться с работой ученых и инженеров;
- понять, как добываются новые знания, как используются полученные в науке результаты.
• Изучение ограниченного набора фундаментальных идей из области науки и техники (как специфических, внутри отдельных дисциплин, так и сквозных для многих дисциплин). Такой отбор позволяет учителю избежать поверхностного охвата большого количества тем. Педагоги и учащиеся получают возможность уделить достаточно времени и глубокого освоить каждый из рассматриваемых вопросов. Ограничение количества изучаемых понятий и вопросов позволяет высвободить время для участия школьников в научных исследованиях и обсуждения получаемых результатов, добиваться глубокого понимания ключевых идей. Структура стандарта определяет:
- какой объем основных понятий следует рассматривать на каждой ступени образования;
- какой материал наиболее важен и на что следует тратить учебное время;
- как избежать углубления в вопросы, которые выходят за рамки корпуса основных идей.
• Использование деятельностного подхода. Это выражается в последовательной интеграции знания научных понятий (изучаемого науч-
ного содержания) и личного опыта участия в научных исследованиях и инженерных разработках (освоение научных и инженерных практик), которые выполняют учащиеся. Рамка показывает, как объединить знания и личный опыт школьников для разработки учебных занятий при изучении естественнонаучных дисциплин в школе.
Естествознание и техника
Рамка фиксирует три области, к которым относится осваиваемый школьниками материал: естественные науки, инженерия и технология.
Технология определяется как любое преобразование (изменение) окружающего мира с целью удовлетворения человеческих потребностей или желаний. Под инженерией понимается систематический, как правило, итеративный подход к проектированию объектов, процессов и систем, которые должны удовлетворять человеческие потребности. При этом всякое использование научных знаний для достижения конкретных целей, включая проведение новых исследований, разработки продукта, процесса или лечения (медицинской процедуры), развития новых технологий или прогнозирования последствий человеческих действий, рассматривается как применение науки.
До последнего времени под «освоением естественных наук в школе», как правило, понималось изучение отобранных разделов традиционных естественных наук: физики, химии, биологии. С недавних пор к ним добавились науки о Земле, астрономия и экология (науки об окружающей среде или environmental sciences). СС ЕНО требует, чтобы учащиеся освоили основные (ключевые) идеи всех этих областей знания. Однако это не означает, что школьная программа включает изучение каждой из соответствующих наук.
Предполагается, что инженерия и технология должны рассматриваться как области практического приложения естественных наук. Изучение техники и технологии должно помочь учащимся развить (углубить) свое понимание места науки в современном обществе. Здесь термин «инженерия» используется в самом широком значении и охватывает любое участие человека в систематической работе по решению значимых для общества/человечества технических или технологических проблем.
Термин «технология» относится ко всем искусственным (разработанным человеком) производственным системам и процессам. Он не ограничивается часто используемым в школах представлением об информационных технологиях, нано-, био- или других отдельных технологиях. Учащиеся и педагоги должны рассматривать технологии как результат целенаправленной работы инженеров, которые применяют свое понимание природы и человека для разработки решений по удовлетворению тех или иных человеческих потребностей. История показывает, что прогресс в области научного понимания явлений природы очень часто является результатом решения инженерных проблем, которые возникали в ходе проектирования новых или совершенствования имеющихся машин или технических систем. Поэтому научные разработки далеко не всегда предшествуют разработкам в области технологии.
Вопросы инженерии и технологии включены СС ЕНО по нескольким причинам.
Традиционная концентрация внимания на освоение базовых понятий отдельных научных дисциплин принижает значимость их практического применения. Поэтому крайне важно целенаправленно знакомить школьников с практическими приложениями науки. Действующие до настоящего времени стандарты и программы, как правило, не предусматривают изучение вопросов инженерии и технологии в основной школе (К1-8). Их фиксация в рамках стандарта позволяет вернуть их в поле зрения педагогов.
Изучение вопросов инженерии и технология формирует контекст, в рамках которого школьники могут проверить результаты выполняемых ими исследований и применять получаемые результаты к решению практических проблем. Это помогает им углубить свое понимание науки (а для многих - сформировать интерес к естествознанию) по мере того, как они лучше понимают взаимодействие между наукой, техникой и технологией. Формирование у каждого учащегося опыта проектной работы (инженерия) является столь же важной частью изучения естественных наук, как и участие в научных исследованиях. Разработчики новых стандартов настаивают на том, что введение в инженерную практику, знакомство с примене-
ниями науки, а также изучение взаимосвязи науки и технологии - это не углубленное изучение технологии для заинтересованных учащихся, а неотъемлемая часть ЕНО для всех школьников. Этот подход полностью согласуется с рекомендациями лидеров инженерного и научного сообщества [2].
СС ЕНО включает в себя изучение ряда вопросов, которые относятся к наукам о поведении (behavioral sciences), которые рассматриваются в качестве составной части биологических наук. Однако сами социальные, поведенческие и экономические науки в состав СС ЕНО не входят. Соглашаясь с тем, что изучение основ социальных, поведенческих и экономических наук должно быть включено в программу общеобразовательной школы, разработчики нового стандарта настаивают, что для этого потребуется разработка самостоятельных образовательных стандартов, которые должны определить основные понятия и пути изучения этих дисциплин в школе. Освоение физических и биологических наук, наук о Земле, астрономии и техники должно быть тесно связано с образованием в области социальных наук, экономики и наук о поведении. Поэтому Национальный исследовательский совет (NRC) планирует специально рассмотреть вопрос о том, какие понятия из области социальных наук, экономики и наук о поведении следует включить в программы общеобразовательной школы и в каких классах их лучше всего изучать.
Последовательное освоение основ наук в школе
Рамка СС ЕНО подчеркивает необходимость последовательного освоения учащимися естественнонаучных знаний на протяжении всех лет обучения в школе. Рамка предлагает осуществлять это в рамках четырех концентров:
(1) детский сад - 2-й класс школы;
(2) 3-5-й классы школы;
(3) 6-8-й классы школы;
(4) 9-12-й классы школы.
В первом концентре (детский сад - 2-й класс школы) предлагается рассматривать явления, которые дети могут наблюдать и изучать непосредственно.
В 3-5-х классах рассматриваются в основном невидимые макроскопические объекты,
относящиеся к человеческому телу или Земле, с которыми дети раньше не сталкивались. При обсуждении микроскопических объектов их размеры не обсуждаются. Говорится только, что они слишком малы, чтобы увидеть их невооруженным глазом. Тем не менее их фотографии, физические и другие модели этих объектов могут обсуждаться и соотноситься с явлениями, которые изучают и интерпретируют школьники.
В 6-8-м классах осуществляется переход к объяснению физических явлений и процессов на атомарном, а биологических - на клеточном уровне. При этом внутреннее строение атома или клетки не рассматривается.
В 9-12-м классах осуществляется переход к объяснению явлений на субатомным и субклеточном уровне.
Аналогичный принцип (изменение масштаба и абстрагирование) используется при рассмотрении и объяснении явлений, которые очень масштабны или весьма продолжительны во времени. При выстраивании последовательности освоения научных и инженерных практик (формируемых умений, навыков и компе-тентностей) используется такой же подход.
Таким образом, первый концентр строится вокруг наблюдений и объяснений, которые связаны с непосредственным опытом ребенка. На втором концентре вводятся простые модели, которые помогают объяснить наблюдаемые явления. Затем в рамках третьего и четвертого концентров происходит постепенный переход к использованию более абстрактных и детализированных моделей.
Разработчики СС ЕНО подчеркивают, что в начальной школе должен делаться акцент на рассмотрении явлений, которые дети могут наблюдать и изучать непосредственно. Однако это не связано с тем, что дети этого возраста якобы неспособны к абстрактным рассуждениям или не могут представить себе невидимое. Этот подход связан с тем, что освоение соответствующих практик научно-исследовательской работы должно происходить в контексте соответствующего научного поиска и формирования научного мышления. А оно должно осваиваться постепенно, на протяжении достаточно длительного времени. Построение естественнонаучного образования должно предо-
ставить учащимся множество различных возможностей для развития научного мышления, способности выдвигать аргументы и рассуждать в рамках знакомых явлений, которые дети изучают на первом концентре. Приобретаемый здесь опыт деятельности крайне важен для последовательного освоения естественнонаучных дисциплин на протяжении всех лет учебы в общеобразовательной школе.
Шесть принципов стандарта естественнонаучного образования
В основе построения нового стандарта ЕНО лежат шесть принципов, которые были сформулированы на основе анализа результатов многочисленных исследований проблем учения, обучения и воспитания в области естественнонаучного образования. Эти принципы фиксируют:
• Признание способности детей младшего возраста осваивать научные представления;
• Необходимость делать в курсе акцент на основных научных идеях и практиках;
• Важность последовательного и постепенного освоения основ науки;
• Необходимость совместного освоения знаний и научно-технических практик,
• Требование постоянной опоры на опыт и интересы учащихся при формировании естественнонаучной картины мира;
• Необходимость предоставления равного доступа к качественному естественнонаучному образованию для всех школьников.
Рассмотрим эти принципы.
Дети - прирожденные исследователи
Исследования, которые описаны в работе Taking Science to School [3], показывают, что, приходя в детский сад, дети уже обладают достаточно развитыми мыслительными способностями, которые позволят им понимать окружающий мир. Эти способности основаны в том числе на опыте взаимодействия ребенка с окружающим миром, включая падение и соударение тел, наблюдения за растениями и животными и т. п. Дети познают окружающий мир в своем повседневном опыте, включая разговоры с родителями, телевизионные передачи и игры с друзьями. По мере того, как дети осваиваются и действуют в окружающем мире, у них формируются пред-
ставления о том, как этот мир функционирует, о своем собственном месте в этом мире. Способность детей младшего возраста, независимо от их социального происхождения и уровня обеспеченности, делать сложные умозаключения намного больше, чем это казалось ранее [3]. Хотя у детей может недоставать знаний и опыта, они часто высказывают достаточно сложные и глубокие суждения об устройстве окружающего их мира. Таким образом, уже до школы у детей формируются свои собственные представления об окружающем их социальном мире, о мире живого и неживого, о том, как он функционирует. Выслушивая и серьезно обсуждая эти представления, педагоги могут строить учебный процесс в ходе их ближайшего развития, отталкиваясь от того, что дети уже знают и могут делать. Эти житейские (наивные) представления далеко не всегда объединены в систему и часто оказываются ложными. Однако некоторые из представлений детей о мире можно использовать как основу для глубокого понимания природы уже в начальной школе. Опора на существующие представления детей (которые могут быть и ложными) и их уточнение - одно из необходимых условий формирования глубоких естественнонаучных знаний на всех ступенях школы.
Важное следствие этого принципа состоит в том, что при знакомстве с окружающим миром в начальной школе недостаточно ограничиваться простыми описаниями явлений. Напротив, здесь следует использовать быстро усложняющиеся и научные по свое сути объяснения наблюдаемых детьми феноменов. Другое важное следствие состоит в том, что школьники, начиная с первого класса, могут успешно осваивать способы деятельности ученых и инженеров, участвовать в научных и инженерных проектах.
Акцент на базовых научных понятиях и практиках
СС ЕНО нацеливает разработчиков программ и учителей на то, чтобы школьники овладели ограниченным набором ключевых или базовых понятий. Это должно помочь преодолеть один из наиболее распространенных недостатков современных программ естественнонаучного образования, которые требуют изучать в школе большое количество не всегда
хорошо связанных между собой вопросов. Сокращение объема фактически изучаемого материала, акцент на освоении ключевых понятий высвобождает больше времени для того, чтобы учащиеся получили возможность:
• выстраивать собственное знание в ходе исследовательской работы;
• осваивать компетентности (practices), которые ученые и инженеры используют в своей практической работе;
• рефлексивно осмысливать осваиваемый материал и глубже понимать природу изучаемых явлений.
Уменьшение количества базовых понятий, которые подлежат обязательному изучению в школьных курсах, позволяет лучше организовать последовательное освоение естественнонаучных дисциплин на протяжении всего срока обучения в школе. Выделение базовых понятий помогает сформировать у школьников понятийную структуру, которая облегчает приобретение новых знаний. Глубокое усвоение базовых понятий, а также участие в реализации научных и инженерных проектов помогает лучше подготовить учащихся к глубокому и осознанному усвоению широкого поля современных естественных представлений, которое будет проходить в ходе углубленного освоения естественнонаучных дисциплин:
• на специализированных курсах в старшей школе;
• при предложении образования в высших и средних специальных учебных заведениях;
• в ходе продолжения обучения на протяжении всей жизни.
Одним из аргументов в пользу организации содержания ЕНО вокруг системы базовых понятий стали результаты исследований, в ходе которых сравнивались способы мыслительной работы экспертов и новичков в различных предметных областях. Эксперты, которые хорошо знакомы с базовыми понятиями и теоретическими конструкциями в своей предметной области, опираются на них в ходе осмысления новой информации и/или решения новых задач (действуя в рамках существующей научной парадигмы). Новички, напротив, пытаются использовать для этого разрозненные, порой противоречивые единицы знания и мучаются в поисках путей для организации их в связанную
систему [4]. Разработчики СС ЕНО считают, что освоение учащимися базовых понятий в ходе выполнения исследовательской и проектной работы позволяет им освоить способы работы экспертов. Это помогает школьникам проявлять большую последовательность и гибкость при освоении научных теорий и практики научной работы.
Имеющиеся результаты исследования процессов учения и обучения показывают, что предполагаемый в СС ЕНО подход к получению современного естественнонаучного образования требует достаточно сложной организации учебного процесса. При этом одной из его составляющих остается традиционный объяснительно-иллюстративный метод обучения, который помогает устанавливать связи между различными видами выполняемых школьниками работ и осваиваемыми ими научными понятиями и практиками.
Последовательное освоение основ наук
Этот принцип близок к хорошо известному в традиционной дидактике принципу последовательного обучения. Чтобы сформировать у школьников естественнонаучную картину мира, привычку к его рациональному восприятию, требуется последовательно выстраивать и развивать это понимание, помогать учащимся связывать между собой осваиваемые понятия и практики научной работы на протяжении многих лет, а не недель или месяцев [3]. Овладение ключевыми понятиями естественнонаучных дисциплин и практиками научной работы является основной целью учебной работы, а хорошо разработанная последовательность их освоения служит дорожной картой для достижения этой цели.
Хорошо продуманная последовательность должна учитывать, как зреет формирование осваиваемых учащимися понятий во времени, на какие предварительные знания опирается учебная работа, какую поддержку в этом процессе должен оказывать учитель. СС ЕНО требует, чтоб последовательность освоения естественнонаучного знания охватывала собой все годы обучения в школе. Учитывая, что сегодня люди продолжают свое образование на протяжении всей жизни, такая последовательность должна принимать во внимание получение
ЕНО и за пределами школы. Последовательность освоения, которая фиксирует учебный процесс на протяжении всех ступеней обучения, должна:
• подсказывать учителям, как те или иные темы могут быть рассмотрены на разных годах обучения, как развиваются имеющиеся у учащихся знания;
• помогать педагогам организовывать нарастающий по сложности учебный процесс.
Таким образом, акцент на базовых научных понятиях вместе с последовательным и постепенным освоением основ науки являются базовыми организационными принципами построения нового стандарта естественнонаучного образования в школе.
Усвоение знаний и практик
Наука - это не только совокупность знаний, которые отражают текущее понимание мира. Это еще и набор действий или практик, которые научные работники используют для формирования, развития и совершенствования этих знаний. Качественная естественнонаучная подготовка школьников должна в равной мере учитывать каждую из этих составляющих: научные знания и практики научной работы.
Научные знания основываются на доказательствах, на научных данных, которые получены из многих независимых источников. Эти доказательства интегрированы с хорошо развитыми научными теориями, которые объясняют большие совокупности данных и позволяют предсказать результаты новых исследований. Хотя методы, используемые для разработки научных теорий (как и форма, которую принимают эти теории), в различных областях знания разнятся, все естественные науки имеют общие черты. В их основе лежат исследовательский подход. Главное здесь - использование данных и доказательств в качестве основы для формирования научных выводов.
Важной составляющей профессиональной компетентности любого научного работника является умение приводить аргументы и проводить анализ, чтобы связать получаемые данные с имеющимися теориями. Ученые должны демонстрировать способность изучать, рассматривать и оценивать свои собственные идеи и теоретические построения, уметь критиковать
идеи и научные построения, предлагаемые другими исследователями. Это включает в себя умение оценивать качество используемых данных, строить модели и теории, ставить новые вопросы, которые вытекают из этих моделей и требуют экспериментальной проверки, модифицировать теории и модели по мере появления данных, которые свидетельствуют о необходимости проведения таких модификаций.
Наука - это социальный феномен. Производство научных знаний требует сотрудничества, осуществляется в рамках социальной системы с хорошо развитой совокупностью норм. Ученые могут выполнять большую часть своей работы независимо друг от друга или тесно сотрудничать с коллегами. Новые идеи могут быть продуктом одного человека или результатом совместной работы. Однако теории, модели, инструменты и методы сбора и представления данных, как и нормы построения доказательств, разрабатываются коллективными усилиями широкого сообщества исследователей, которые в течение длительного времени работают совместно. В ходе проведения своих исследований ученые часто общаются с коллегами как в формальной, так и в неформальной обстановке. Они обмениваются электронными письмами, участвуют в обсуждениях на конференциях, обсуждают методы проведения исследований, анализа и представления данных, публикуют и обсуждают идеи с помощью журналов, книг и Интернета. Ученые - это открытое сообщество, члены которого работают сообща, чтобы вырабатывать необходимые доказательства, разрабатывать и проверять новые теории. Научное сообщество и его культура существуют в более широком социальном и экономическом контексте, в своем времени и месте. Оно находится под влиянием событий, потребностей и норм окружающего мира, а также интересов и желаний самих ученых. Представление об этом должно быть сформировано еще в школе.
Подобно науке, инженерия также включает в себя и знания, и практики инженерной работы. Основная цель инженеров - решать проблемы, которые возникают в ходе удовлетворения конкретных потребностей человека. Для этого инженеры используют свое знание естественных наук и математики, а также принятое в инженерном сообществе понимание процес-
сов разработки и проектирования. Определение проблемы (того, что требуется преодолеть) и разработка соответствующих решений представляют собой две составные части работы инженера. Обе эти составляющие должны осваиваться школьниками в процессе их естественнонаучной подготовки. Авторы СС ЕНО приводят следующие причины, которые побудили их к такому решению:
• знакомство с инженерией предоставляет учащимся возможность применить свои знания в области науки на практике;
• процесс проектирования дает учащимся школы возможность развивать свое понимание инженерного дела и технологии как самостоятельных областей человеческой деятельности;
• это способствует профессиональной ориентации школьников, выбору ими будущей карьеры в области науки и техники.
Работа инженеров, как работа ученых, включает в себя труд не только индивидуальный, но и коллективный и требует специальных знаний. Поэтому СС ЕНО предлагает осваивать в школе как основы инженерных знаний, так и специфические для инженеров практики их работы.
Опора на личный опыт и интересы школьников
Хорошо поставленное естественнонаучное образование в школе позволяет завладеть воображением школьников, дать им почувствовать красоту мира, побудить продолжать изучение науки на протяжении всей жизни. Личный интерес, опыт и энтузиазм школьников имеют решающее значение для освоения учащимися основ наук, продолжения их изучения после школы и выбора будущей профессии. Для того чтобы развить у школьников устойчивое влечение к науке, а также сформировать понимание ее многочисленных связей с повседневной жизнью, необходимо связать то, что происходит в классе, с личными интересами и опытом школьников.
Строя овладение наукой на любопытстве, естественном интересе школьников, предлагается не только использовать тот багаж знаний, с которым учащиеся приходят в школу, но и учитывать вопросы, которые они обычно задают в том или ином возрасте. Такие вопросы, как
«Откуда мы появились?», «Почему небо голубое?» и «Что является самой маленькой частицей вещества?» являются фундаментальными «крючками», которые способны зацепить школьников. Построение учебных программ вокруг подобных вопросов помогает наладить востребованное и содержательное общение учителя со школьной аудиторией.
Равный доступ всех школьников к качественному образованию
Выполнение этого принципа предполагает, что всем учащимся предоставляются равные возможности:
• изучать естественнее науки, а также приобрести личный опыт исследовательской и проектной работы;
• иметь квалифицированных преподавателей, которые могут формировать интерес и обеспечить включенность учащихся в исследовательскую и проектную работу;
• иметь доступ к хорошо оборудованным учебным помещениям;
• тратить достаточно учебного времени, чтобы получать полноценное естественнонаучное образование.
Требование обеспечить равный доступ всем школьникам к качественному ЕНО устанавливает достаточно высокую планку к условиям организации естественнонаучной подготовки школьников. Оно означает, что все учащиеся должны получить гарантированную возможность принимать участие в осмысленной исследовательской и проектной работе.
Три размерности содержания естественнонаучного образования
Все знания и практики в сфере науки и техники, которые должны освоить учащиеся к концу средней школы, делятся в стандарте на три области (см. рисунок). Каждая из них задает одно из измерений стандарта:
I. Научные и инженерные практики.
II. Сквозные понятия, которые относятся ко всем научным дисциплинам.
III. Основные понятия отдельных научных дисциплин, а также связи между наукой, техникой и технологией.
Содержание каждой из выделенных областей подробно изложено в структуре стандарта [1].
Область I. Научные и инженерные практики
1. Постановка вопросов (наука), определение проблем (инженерия)
2. Разработка и использование моделей
3. Планирование и проведение исследований
4. Анализ и интерпретация данных
5. Использование математического и алгоритмического мышления
6. Выработка объяснений (наука), проектирование и разработка решений (инженерия)
7. Участие в дискуссии
с использованием доказательных аргументов
8. Получение, оценка и передача информации
Область II . Сквозные понятия
1. Модели
2. Причина и следствие: механизм и объяснения
3. Масштаб, пропорции и количество
4. Системы и модели систем
5. Энергия и материя: потоки, циклы
и законы сохранения
6. Структура и функции
7. Стабильность и изменения
Область III. Основные понятия научных дисциплин
1.Физика
PS 1: Вещество и его взаимодействия PS 2: Движение и покой: силы и взаим одействие PS 3: Энергия
PS 4: Волны и их применение в технике для передачи информации
3. География и астрономия
ESS 1: Место Земли во Вселенной
ESS 2: Системы Земли
ESS 3: Земля и деятельность человека
2. Би ология
LS 1: От молекул до организмов: структуры и процессы
LS 2: Экосистемы: взаимодействие,
энергия и динамика
LS 3: Наследственность: наследование
и изменение признаков
LS 4: Биологическая эволюция: единство
и много образие
4. Технические науки и применение научных знаний
ETS 1: Проектирование
ETS 2: Связи между техникой, технологией, наукой и обществом
Рис. Области естественнонаучного образования
При организации обучения школьников в соответствии с требованиями СС ЕНО содержание каждой из перечисленных областей должно быть естественным образом «вплетено» в подготавливаемые учебные планы, учебный материалы, учебный процесс и процедуры оценивания учебных достижений школьников. Изучая понятия, относящиеся к отдельным научным дисциплинам (Область III), школьники должны участвовать в проведении исследований (осваивать способы действия, которые описаны в Области I), а также выстраивать связи между отдельными дисциплинами (Область II).
Область I: Практики. Первая область включает в себя описание:
• основных практик, которые используют ученые в ходе проведения исследований и построения моделей и теорий, которые описывают окружающий мир, и
• основных инженерных практик, которые используют инженеры в процессе проектирования и построения технических систем.
Авторы СС ЕНО, следуя компетентностному подходу, широко используют термин «практика». Он позволяет подчеркнуть, что выполнение научных исследований связано с выполне-
нием комплексных действий, что оно требует не только мастерства (владения определенными способами действий), но и знаний, которые специфичны для каждой из этих практик.
Другая причина использования термина «практика» связана с тем, что термин «рассмотрение, исследование» (inquiry), который широко использовался в предыдущих стандартах ЕНО в США, получил среди педагогов множество различных интерпретаций. Использование термина «практика» при описании содержания первой области позволяет авторам документа уточнить, что именно понимается под исследованием и какие конкретно познавательные и социальные практики, а также практические умения (способы действия) необходимы для выполнения исследовательской работы. Как и в других интерпретациях исследовательского метода обучения, предполагается, что учащиеся не только узнают о том, как проводятся исследования, но и сами вовлечены в их непосредственное осуществление. Без этого невозможно понять, в чем состоит исследовательская работа и какова истинная природа научного знания.
Область II: Сквозные понятия. К сквозным относятся те понятия, которые использу-
ются во всех естественных науках. Сквозные понятия выступают в качестве связей, которые обеспечивают единство третьей области, куда отнесены отдельные научные дисциплины.
Сквозные понятия во многом соответствуют объединяющим понятиям и процессам, о которых говорится в предыдущем стандарте ЕНО. Предполагается, что сквозные понятия и практики, которые относятся ко всем естественным наукам, должны изучаться одновременно и наряду с понятиями и практиками, которые относятся к отдельным естественнонаучным дисциплинам.
Область III: Основные понятия отдельных научных дисциплинарный. Сегодня все согласны с тем, что продолжающееся расширение научных знаний принципиально не позволяет ставить вопрос об освоении в школе всех основных понятий, каждой из естественнонаучных дисциплин. Однако сокращение числа изучаемых понятий - это не самое главное. Мы живем в информационный век. Сегодня основная задача ЕНО не в том, чтобы школьники «как можно больше узнали». Требуется другое: обогатить школьников таким объемом базовых знаний, который позволит им в дальнейшем самостоятельно осваивать все необходимые им сведения по мере возникновения соответствующей потребности.
Современное общее образование, которое охватывает ограниченный набор понятий и практик в области науки и техники, должно помочь школьникам научиться оценивать и выбирать надежные источники научной информации, нацелить учащихся на продолжение образования после окончания школы в роли потребителя и/или производителя знаний в области естественных наук.
СС ЕНО предполагает, что стандарт должен включать в себя сравнительно небольшой набор основных понятий из области науки и техники. Каждое из этих понятий, которое отбирается для изучения в школе, должно удовлетворять не менее чем двум из перечисленных ниже требований (хотя предпочтительно трем или всем четырем):
• имеет важное значение в широком диапазоне естественнонаучных или инженерных дисциплин или является ключевым (организующим) понятием в рамках одной дисциплины;
• служит одним из ключевых инструментов для понимания и изучения более сложных понятий и решения проблем в одной или нескольких предметных областях;
• относится к области интересов школьников, связано с их жизненным опытом или с одной из ключевых социальных или личных проблем, решение которых требует естественнонаучных или технических знаний;
• осваивается в течение нескольких лет, с постепенным увеличением глубины и объема его рассмотрения. Это понятие должно быть доступно (на определенном уровне) для младших школьников. Оно должно быть достаточно глубоким и содержательным, чтобы продолжать его изучение в течение нескольких лет обучения в школе.
Понятия из различных естественнонаучных дисциплин, изучаемые в рамках третьей области, сгруппированы в четырех предметных блоках: (1) Физика, (2) Биология, (3) География и астрономия, (4) Технические науки и применение научных знаний. Эти блоки связаны между собой сквозными понятиями.
Сегодня ученые все чаще проводят исследования в составе смешанных междисциплинарных групп. Это размывает традиционное деление научных дисциплин. Как следствие этого, ряд понятий (или их составляющие) могут рассматриваться в нескольких блоках (например, энергия и воздействие человека на окружающую среду).
Каждое понятие и его составляющие вводятся вместе с соответствующим ключевым вопросом. Он формулируется так, чтобы выделить те стороны природы, которые помогает объяснить это понятие. Вопрос сопровождается описанием содержания этого понятия, которое должно быть усвоено к окончанию средней школы. Это подчеркивает, что постановка вопросов об устройстве мира и поиск ответа на них является основой научного исследования.
Включение в состав третьей области блока «Технические науки и применение научных знаний» подчеркивает особое внимание, которое авторы уделяют рассмотрению связей между наукой, технологией, инженерией и математикой. Подобно тому, как наука порождает, а иногда требует развития новых технологий, новые технологии открывают возможность для
новых научных исследований, позволяют исследовать новые объекты и обрабатывать такие объемы данных, которые ранее были недоступны ученым. Границы между прикладной наукой и техникой размыты. Сегодня невозможно выполнять инженерные разработки без проведения исследований. В то же время во многих областях науки ученые не могут обойтись без инженерных разработок при проектировании и строительстве новых экспериментальных установок. Тесная взаимосвязь науки и техники требует рассматривать инженерию и технологии в качестве составной части ЕНО в школе. Это позволяет учащимся лучше увидеть связь науки и техники с решением проблем реального мира, получить возможность применять научные знания в ходе собственных разработок при выполнении учебных проектов.
Авторы СС ЕНО подчеркивают, что выделение для изучения в школе сравнительно небольшого количества базовых понятий неизбежно разочарует и вызовет критику тех ученых и педагогов, которые не обнаружат в стандарте привычных для себя вопросов. Однако прочное и глубокое усвоение небольшого количества базовых понятий и компетенций позволит учащимся выйти из школы с фундаментальными знаниями и интересом к естественным наукам, со сформированной способностью следить за развитием науки и техники, самостоятельно осваивать новое. Это важнее поверхностного знакомства с большим объемом разрозненных фактов, которые быстро забываются после завершения итогового тестирования.
Научные и инженерные практики
Важнейшая задача ЕНО - сформировать у школьников естественнонаучную картину мира и рациональное мышление, развивать у них способность участвовать в научных исследованиях и научить рассуждать в заданном научном контексте. Концентрация (в ходе учебной работы) внимания на освоении научных знаний приводит к формированию у школьников ложных представлений о природе научного исследования, представлению о науке как о разрозненном множестве отдельных теорий и фактов. Одна из традиционных проблем преподавания естественных наук в школе состоит в том, как сочетать формирование у школьников научных
знаний с участием в исследовательской работе (практической научной работе).
Авторы СС ЕНО подчеркивают важность формирования у учащихся представления о том, как формируются научные и технические знания. Она требует, чтобы школьники имели возможность приобрести личный опыт участия в такой работе. Практика работы инженера часто схожа с практикой работы ученого, поэтому их можно рассматривать вместе. Вместе с тем инженерия имеет и существенные отличия, которые требуют специального обсуждения. Участие в исследовательской работе (выполнение соответствующих практик) помогает школьникам формировать научное знание, а также знакомиться с многообразием подходов, которые используются в ходе изучения, моделирования и объяснения мира.
Участие в проектной работе (инженерных практиках) помогает школьникам лучше понять работу инженеров, многочисленные связи между наукой и техникой. Участие в обеих практиках (исследовательской и проектной работе) помогает учащимся сформировать сквозные понятия и идеи, которые связывают науку и технику, делают их знания осмысленными, превращаются в составную часть формирующейся у них естественнонаучной картины мира.
Участие в исследовательской и проектной работе возбуждает у школьников интерес, помогает выявить творческий характер работы ученых и инженеров, которая преобразует окружающий мир. В результате школьники начинают понимать, как наука и техника (инженерия) помогает решать проблемы, с которыми сталкивается современное общество: обеспечение энергией, профилактика и лечение заболеваний, сохранение запасов пресной воды, производство продуктов питания, изменение климата.
Авторы СС ЕНО отмечают, что в трудах историков, философов, психологов и социологов за последние 60 лет сформировалось представление о науке как наборе соответствующих практик. Эти работы показали, как фактически делается наука в рамках одного проекта (например, исследовательская работа в отдельной лаборатории или программы) или на отдельном этапе истории (исследование лабораторных журналов, публикаций, свидетельства очевидцев).
Представление о науке как совокупности исследовательских практик показывает, что разработка теорий, их обсуждение и проверка представляют собой элементы большого количества отдельных действий, которые:
• выполняются широкой сетью участников и институтов;
• включают специализированные способы говорить и писать;
• последовательно развивают модели исследуемых систем или явления;
• направлены на выработку предсказаний на основе построенных теорий;
• включают в себя разработку соответствующих приборов и проверку гипотез в ходе экспериментов и/или наблюдений.
Такой подход к научным исследованиям противостоит тенденции сводить научные практики к единому набору процедур (выделение и контроль измеряемых переменных, построение классификаций, выявление источников ошибок). Такой подход делает акцент на экспериментальных исследованиях, принижая значимость других важных научных практик, включая моделирование, критический анализ и коммуникацию. Если экспериментальные исследования изучаются в отрыве от широкого научного контекста, они превращаются в цель обучения сами по себе, а не выступают в виде средства для более глубокого освоения научных понятий и смысла науки.
Акцент на исследовательских практиках (во множественном числе) позволяет избежать ошибочного представления о том, что существует единый «научный метод», который является общим для всех научных исследований. Такой акцент позволяет уйти от представления о том, что сомнение является универсальным признаком научного исследования. В действительности практикующие ученые используют широкий набор методов. И хотя наука включает в себя немало областей, где следует сомневаться в имеющихся знаниях, многие области научного знания разработаны достаточно хорошо и стали бесспорной основой современной культуры и технологии. Участие в исследовательской и проектной работе помогает учащимся понять, как формируется такое знание и почему некоторые составляющие научной картины мира прочнее других.
До недавнего времени реализация идеи о том, что естественные науки надо изучать в процессе исследования, затруднялась отсутствием общепринятого определения элементов, которые составляют исследовательский процесс. Авторы СС ЕНО акцентируют внимание учителей на нескольких исследовательских практиках: моделирование, разработка объяснений, а также участие в критическом анализе разработанных положений (аргументация). Последнее часто недооценивается в традиционной школе, поэтому в СС ЕНО подчеркнуто, что критический анализ является важной составляющей как для формирования новых знаний, так и для изучения науки в целом. В науке принято сопоставлять альтернативные объяснения. Достоверность того или иного объяснения определяется на основе доказательств, а также оценки того, какие данные являются достоверными и лучше соответствуют предлагаемому объяснению. В результате знание того, почему неправильный ответ «неправильный», помогает более глубокому пониманию того, почему правильный ответ «правильный». Участие в обсуждении того, почему то или иное объяснение «истинно» или «ложно», помогает учащимся лучше понимать аргументы и эмпирические данные, которые позволяют строить доказательные рассуждения и приводят к доказанным выводам. Это демонстрирует, что наука представляет собой совокупность доказанных знаний.
Заключение
Сегодня наша школа переходит на новые образовательные стандарты. Для достижения заявленных в них целей предстоит разработать качественно новые учебные программы. Обращение к опыту разработчиков СС ЕНО и сопоставление его с опытом преподавания естественнонаучных дисциплин в советской школе может существенно помочь этой работе.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
1. A Framework for K-12 Science Education: Practices, Crosscutting Concepts, and Core Ideas. Committee on a Conceptual Framework for New K-12 Science Education Standards. Board on Science Education, Division of Behavioral and Social Sciences and Education [Text]. - Washington, DC: The National Academies Press, 2012.
2. National Academy of Engineering and National Research Council. Engineering in K-12 Education: Understanding the Status and Improving the Prospect. Committee on K-12 Engineering Education [Text] / L. Katehi, G. Pearson, and M. Feder, Eds. National Academy of Engineering. Board on Science Education, Center for Education, Division of Behavioral and Social Sciences and Education. -Washington, DC: The National Academies Press, 2009.
3. Taking Science to School: Learning and Teaching Science in Grades K-8. Committee on Science Learning, Kindergarten Through Eighth Grade [Text] / R.A. Duschl, H.A. Schweingruber, A. W. Shouse, Eds. Board on Science Education, Center for Education. Division of Behavioral and Social Sciences and Education. -Washington, DC: The National Academies Press, 2007.
4. How People Learn: Brain, Mind, Experience, and School. Committee on Developments in the Science of Learning / J. D. Bransford, A. L. Brown, and R. R. Cocking (Eds.). - Washington, DC: National Academy Press, 2000.
REFERENCES
1. A Framework for K-12 Science Education: Practices, Crosscutting Concepts, and Core
Ideas. Committee on a Conceptual Framework for New K-12 Science Education Standards. Board on Science Education, Division of Behavioral and Social Sciences and Education. Washington, DC: The National Academies Press.
2. National Academy of Engineering and National Research Council. Engineering in K-12 Education: Understanding the Status and Improving the Prospect. Committee on K-12 Engineering Education. L. Katehi, G. Pearson, and M. Feder, Eds. National Academy of Engineering. Board on Science Education, Center for Education, Division of Behavioral and Social Sciences and Education. Washington, DC: The National Academies Press, 2009.
3. Taking Science to School: Learning and Teaching Science in Grades K-8. Committee on Science Learning, Kindergarten Through Eighth Grade. R.A. Duschl, H.A. Schweingruber, and A.W. Shouse, Eds. Board on Science Education, Center for Education. Division of Behavioral and Social Sciences and Education. Washington, DC: The National Academies Press.
4. How People Learn: Brain, Mind, Experience, and School. Committee on Developments in the Science of Learning. J.D. Bransford, A.L. Brown, and R.R. Cocking (Eds.). Washington, DC: National Academy Press.
Уваров Александр Юрьевич, доктор педагогических наук, ведущий научный сотрудник Вычислительного центра РАН
e-mail: a.uvarov@hotmail.com
Uvarov Alexander Yu., Dr. Habil. in Education, Leading Researcher, Computing Center of Russian Academy of Sciences
e-mail: a.uvarov@hotmail.com
