1  美国加州科学院的科学教师专业发展工具包

加州科学院是位于美国加利福尼亚州旧金山的科学研究和教育机构，同时也是世界上最大、最具有创新性和最环保的自然历史博物馆之一。集水族馆、天文馆和自然历史博物馆于一体，包含世界级的科学研究和教育项目工作。加州科学院围绕可持续发展与环境教育特色，以科学与自然为主题，开展各类科普展览和互动项目。涵盖生物、地球、天文等多个领域，展示丰富的自然历史和科学文化遗产，包括数百万件标本、文物和实物以及仿真热带雨林与珊瑚礁等。加州科学院与学校、社会、企业的关系密切，定期开展科学讲座，向公众普及基本科学知识以及前沿科技发展，旨在向公众普及科学知识、提高科学素养，同时也展示了在生态保护和可持续发展等方面的一流科研成果，并将科研成果向现实问题解决转变。

 1.1  有效支持科学教师专业发展

加州科学院的教育项目覆盖了从学前儿童到高中生的广泛年龄范围。开发了一系列的教育项目和资源，帮助学生探索自然、科学和环境问题。这些项目涵盖了生命科学、地球科学、环境科学、物理学和科学技术等多个领域，以及科学家的实践方法。学生们可以参加加州科学院的课程计划、夏令营、暑期实习、青年发展计划等活动。此外，加州科学院还与学校合作，每年至少为1,600 所K-12学校的学生提供实地考察的机会，安排定制针对性的实地考察计划，通过指导性问题的设立与重点活动的参观，使得实地考察更加系统与高效，减少盲目参观与无效参观，提高参观质量^[1]。

针对科学教师，加州科学院有效发挥“馆校结合”作用，提供各种教育资源和专业发展机会，致力于提高科学教师专业能力，特别是依据NGSS设计相应课程与科学教案，专业发展研讨会，科学教师工作坊，定制培训计划等。此类培训活动围绕着场馆资源展开，以教师“做科学”作为理念，以期为科学教师解决其在教学方法，教案设计，科学规律与原则，课程实践与应用等方面所遇到的难题，提高教师培训参与度与培训成效^[2]。例如，加州科学院为科学教师提供定制的专业培训计划，包括教师的虚拟体验和亲身体验，在高度互动的虚拟研讨会中，科学教师参与小组讨论和个人探索，与同事一起思考如何将想法应用到科学教学，而亲身体验活动则包括NGSS研讨与探索课堂等内容。加州科学院设计的科学教师专业发展支持活动的特色与优势在于，所设计活动与NGSS高度对标，体现科普场馆作为科学教学的“第二课堂”的地位，帮助科学教师有效理解NGSS并贯彻于课堂教学。

1.2  基于NGSS开发科学教师专业发展工具包

加州科学院所设计的科学教师专业发展支持活动中，最具有代表性的是基于NGSS开发的一个“科学教师专业发展工具包”。该工具包可以帮助旧金山湾区数千名科学教师理解NGSS的三个维度^[3]，即科学工程与实践、跨学科概念与学科核心概念，从而实现教师的专业发展。科学与工程实践维度强调在真实世界中运用科学知识和工程技术，解决实际问题并进行创新实践，学科核心概念维度强调物理学、化学、生物学和地球与空间科学中的基本概念和理论，跨学科概念维度涉及多个学科，需要更高层次的思维和理解能力。该工具包所包含的活动都是灵活且模块化的，加州科学院可以根据自己的需要，结合原有的材料或者调整相关顺序来安排科学教师专业发展培训计划。

1.3  为科学教师解读NGSS跨学科概念

“科学教师专业发展工具包”旨在帮助科学教师深入理解跨学科概念的涵义，厘清跨学科概念与科学与工程实践和学科核心概念的关系以及与具体学习内容之间的逻辑关系，这对于科学教师来说无疑是一项挑战，需要借助外部培训来辅助科学教师理解。^[4]该工具包对NGSS跨学科概念（图1）的解读如下：（1）模式，强调观察到的形式和事件的模式指导着组织和分类；（2）因果，涉及机制和解释，科学的一项主要活动是调查和解释因果关系及其中介机制，而这样的机制可以在给定的环境中进行测试，并用于预测和解释新环境中的事件；（3）尺度、比例和数量，涉及在考虑现象时，关键是要认识到在不同的尺度、时间和能量度量中什么是相关的，并认识到尺度、比例或数量的变化如何影响系统的结构或功能；（4）系统和系统模型，涉及定义所研究的系统，或者指定其边界并明确该系统的模型，为理解和测试适用于整个科学和工程的思想提供了工具；（5）能量与物质，涉及流动、循环和守恒，跟踪能量和物质的流入、流出和在系统内部的流动有助于人们理解系统的可能性和局限性；（6）结构和功能，涉及物体或生物的形状及其子结构决定了其很多性质和功能；（7）稳定和变化，对于自然系统和人造系统，探究的关键在于系统的稳定条件和变化（或演化速率）的决定性因素。

图1  NGSS跨学科概念与科学课程计划

2  科学教师跨学科概念培训活动过程分析

2.1  跨学科概念培训导入

加州科学院科学教师跨学科概念培训活动导入包括3个步骤。首先，培训人员先利用各种例子向科学教师展现生活中对于科学的错误理解，即科学只是一个事实的集合体。在旧课标的范式下，科学知识被当成是记忆的结果，学生对于未来从事科学职业的愿望不强烈。即使不从事科学职业，学生与公众也应该了解科学是如何运作的，辩证地看待社会上发生的事情。因而为了满足培养学生的核心素养需求与弥补旧课标所存在的缺陷，科学教师需要认识到NGSS所产生的时代意义以及如何依据理念展开教学实践。

其次，培训人员以一个国际象棋故事作为背景，通过比较专家和新手组织信息的方式来帮助定义跨学科概念及其基本原理。一系列认知心理学研究成果已表明，国际象棋专家和国际象棋新手在组织信息方式方面存在差异。研究人员向国际象棋专家和新手展示了一个棋盘，棋盘上的棋子是随机排列的，然后要求两组人根据记忆重新还原棋子的位置。事实证明，这两组人对信息的组织方式不同。新手倾向于只记住单个棋子（车、马、主教等）及其在空间中的位置。然而，专家可以将棋子的位置与其功能、走法、战术等信息联系起来，并且在棋盘上形成了一种类似于“棋子模式”的认知结构，这使得他们能够更快地识别和记忆棋子的位置。然后专家们可以使用这个框架来组织和理解棋盘上的任何棋子位置。不仅是在棋盘上，在物理学和计算机编程等其他领域也观察到了这种现象。一般来说，新手依靠表面特征（例如孤立的事实或公式）来组织思想，而专家则开发和使用概念框架，注重事物间的联系与整体性，使用大概念或大框架对新知识进行分类整理。^[5]

最后，培训人员以复原棋盘这个活动为比喻，帮助科学教师理解学习NGSS跨学科概念就是在科学知识的学习中为学生提供一个概念框架，从而令他们能够像科学家一样，组织自己的想法与理解，更加灵活与创造性地解决新问题。

2.2  应用跨学科概念作为分类框架

 “应用跨学科概念作为分类框架”这一环节要通过“快速约会”和“站台轮换”活动来进一步帮助科学教师理解7个具体的跨学科概念及其定义，并将其作为一种科学方法引入课堂。

在“快速约会”这个活动中，告诉参与者，下一个活动的目标是让他们首先了解如何定义跨学科概念。以14个参与者为例，让每个参与者随机抽一张卡片，该卡片上分别记录着7个跨学科概念的标题（模式，因果关系，尺度、比例和数量，系统和系统模型，能量和物质，结构和功能，稳定和变化）以及7个相关定义，共计14张卡片。拿到标题或定义的参与者在会场中互相寻找自己的“另一半”进行“快速约会”。在寻找搭档的过程中，还可以辅以一些问题激发科学教师思考，例如：是否有定义与标题特别难或者特别简单进行匹配，为什么？或者，这些定义中的任何一个是否让您感到惊讶或困惑？在帮助参与者完成配队之后便进入下一环节——“站台轮换”。^[6]

在这个环节中，将进一步锻炼科学教师对于跨学科概念的理解。培训人员将提前划分好7个站台，每位参与者将持有一张记录表，陆续访问这7个站台。在每个站点，他们将看到打印出来的3-5个与某个跨学科概念相关的科学内容示例。而他们的任务是确定统一“站台”内所有示例的跨学科概念，并记录于表中。注释列可用于记下有关他们如何进行匹配的任何想法，或可能适合这个跨学科概念的其他示例的想法。

以某个站台为例，在其中放入水循环图，动物头骨对比图与捕猎者与猎物种群变化图当作示例，参与者在对实例进行分析的过程中，结合上一个活动对于各个跨学科概念的定义，可能会在记录表上用“因果关系”这一跨学科概念进行总结，在后面的注释列记录自己匹配的原因，三个示例都涉及到了因果关系，以动物头骨对比图为例，羚羊的头骨与豹猫的头骨其中一个很大的区别就是两者的眼睛分布。其中羚羊的眼睛处于头骨的两侧，而豹猫的眼睛则处于头骨的前方。这是因为在漫长的优胜劣汰中，眼睛位于两侧的羚羊能够提供更广的周边视野从而更快的地预警捕食者的攻击，而眼睛位于前方的豹猫作为捕食者，能够增强其视觉能力从而搜寻到更多的猎物。

参与者通过记录“因果关系”来统一该“站台”中所有的实例，从而在实例检验中对该跨学科概念有了更深层次的理解。但是也会有更多的参与者发现，例如捕猎者与猎物种群变化图这个示例，同样可以体现“系统与系统模型”，“稳定与变化”等跨学科概念，并在注释列做好记录。当参与者完成“站台轮换”这个活动之后，可针对每个“站台”展开讨论，请参与者解释为什么认为这些示例代表了特定的跨学科概念，亦或是询问参与者对每个跨学科概念有任何其他的想法。

通过此项活动，参与者能了解到7个跨学科概念分别是什么以及他们可能在课堂上使用它们的其中一种方法，即将7个跨学科概念及其定义作为对现象进行分类的框架。学习跨学科概念可以帮助学生远离记忆离散的孤立事实，从而转向分类理解的方法，这更像是科学家分析现象的方式。

2.3  应用跨学科概念作为多角度分析的工具

该活动分为两个部分，“垂直对齐”和“跨学科概念镜头”，前者参与者将了解跨学科概念在k-12不同阶段的建构特点，后者则可以让参与者认识到对于某一内容可以利用不同的跨学科概念作为分析内容的不同角度从而为学习者提供不同的学习成果。

“垂直对齐”是一种卡片分类活动，以NGSS中的附录G为依据，旨在让参与者了解每个跨学科概念从幼儿园到高中的发展进程，探索每个阶段之间的细节差异。伴随着学生对于科学的理解加深，他们对于跨学科概念的理解也应该更有深度。从NGSS附录G中摘录每个跨学科概念在K-2，3-5，6-8，9-12四个阶段的进展，打印出对应的卡片并打乱顺序。以“模式”这一跨学科概念为例，其在四个阶段的进展分别如下表（表1）所示：

表1  “模式”跨学科概念分年龄段进展表

　　将参与者分组后，给每个小组下发某个跨学科概念的四个阶段的卡片，并给他们一定的时间来阅读和组织卡片。在完成卡片的正确排序之后展开讨论，梳理有哪些线索助于排序卡片（例如逐渐复杂的词汇或者从具体到抽象的想法），鼓励参与者去NGSS附录G浏览他们所教授的年级所对应的跨学科概念进程，并与自己的伙伴一起讨论心得。

当查看每个跨学科概念的进程时会突出这样一个事实，即跨学科概念不仅仅是用于对内容进行分类的标签，它们还是思考内容的方式。接下来的“跨学科概念镜头”活动则是带领参与者探讨如何使用不同的跨学科概念来对同一事物进行多角度思考。通过向参与者展示一些聚焦注意力的事物，例如窗外的一棵树，手上的一张照片等，并告诉参与者他们的任务就是使用跨学科概念作为“镜头”来探索该事物。当他们在进行探索的时候，应辅以几个问题促进思考：我们能把这个事物与跨学科概念进行连接吗？这种连接有什么意义，能够帮助我们理解什么现象？学生能够通过该跨学科概念角度观察学到什么？^[7] 

以“水循环”示意图为例，我们可以从“模式”的角度去理解，水循环作为一种有规律且周而复始的运动过程，使地球上各种形式的水以一定的周期与速度更新；还可以从“系统与系统模型”的角度去理解，水循环作为一个系统，包含着水的固液汽三种成分，在太阳能的作用下，三者之间产生联系，海洋表面或者植物蒸腾的水经过蒸发与冷凝形成水汽，水汽随大气环流运动，一部分在陆地上空汇聚形成降水。降水到达地面后转化为地表径流或下渗为地下水最后汇入大海，最终形成水的动态循环模式。通过建立水循环模型，揭示水在地球上的循环过程，帮助人们更好地理解水的来源、去向和分布，促进对地球水循环系统的科学研究，为气候变化和水资源管理提供基础数据和科学依据；还可以从“稳定与变化”这个角度来分析。水循环能够维持地球水资源的供应与平衡，但是人类活动会导致循环发生变化，例如对于森林的大肆砍伐导致植物蒸腾的水量减少，从而影响整个水循环过程。

 “跨学科概念镜头”这一活动，体现了跨学科概念不仅可以作为分类事物的框架，还可以作为理解事物的角度。无论是在实验室，实地考察还是个人独处的时候，当学生遇到一些陌生情况时，他们需要借助某种思维模式来帮助他们从科学的角度参与并理解现象。例如处理一个复杂现象的时候，学生可以先从模式的角度入手，观察寻找重复出现的结构、行为、过程或关系等，下一步可能会通过“系统与系统模型”对之间的结构与相互作用进行研究。而在某些情况下，又可以通过开展调查或设置计划来研究现象发生的“因果关系”，阐明运行机制并对另一个新环境做出预测等^[3]。

3  馆校合作科学教师跨学科概念培训操作原则

 加州科学院设计的科学教师跨学科概念培训活动，旨在帮助科学教师将NGSS的教育理念贯穿于指导学生日常学习，引导学生如何从跨学科概念的角度来模仿科学家思考，从而助推学生从一个被动的知识接受者转变为主动的成果输出者，这种馆校结合模式有效支持科学教师高质量培训，具有鲜明特点，其操作原则如下：

（1）以科学教师为中心设计专业发展培训活动。培训活动采用非结构化的活动形式，以小组讨论，互动，手工站等为主。当前仍有很多教师培训仍是由教学者为主导，这些大多是各种专家学者的教学者以“讲座”、“报告”等方式在单方面传递知识，对问题话语权的排序为：领导>专家>年长教师>青年教师^[8]。并且参与者大多作为教育实践者，“专家主导，集体研修”的授课模式忽略了传授参与者解决教学实践问题的知识，消磨了参与者的热情与学习动力。加州科学院对于跨学科概念培训活动的设计很好地体现了以参与者为主体的特点，摒弃大量的讲座与报告，而是以小组讨论，互动，手工站等形式来开展活动，增加参与活动的意愿与积极性，互动讨论中培养沟通能力，促进思维碰撞，从不同的角度思考问题，分享经验和观点。

（2）依托于场馆资源设计培训活动内容。立足于具有直观性、形象化、主题化特点的场馆资源，学员能够在掌握培训内容的同时，对场馆资源的教育价值有更深入的了解^[9]，为科学教师利用场馆资源开发科学课程奠定基础，也助于校本课程研发，促进馆校合作^[10]。例如在“站台轮换”活动中，选取了“加州科学院可持续发展设计示意图”、“捕猎者与被捕食者头骨对比图”、“昆虫的完全变态发育与不完全变态发育”等示例；还有在“跨学科概念镜头”这一活动中，培训人员需要选择一个案例或者是实景，让学员应用跨学科概念作为分析事物的“镜头”，而加州科学院的培训人员则选择了他们放置在生物栖息地的摄像机直播画面，让学员直观地应用跨学科概念解读事物现象。并且随机出现的各种生物以及变化的场景也创设了真实的情境，让学员在新的情境中迁移运用，对学员提出问题与创造性解决问题提供了有效支持。

（3）馆校合作落实到真实科学课堂教学。科学教师可以参考教学活动与整合场馆资源，最终落实于课堂。加州科学院对于跨学科概念培训活动的设计强调实践性。活动参与者均来自旧金山湾区的一线科学教师，他们怀揣着在日常教学中的困惑，希望能够在此次培训中获得解决问题的方法与知识。跨学科概念作为一个较为抽象的上位概念，通过理论阐述会导致理解上的困难，所以加州科学院采取了各种具体活动来帮助科学教师在实践中理解。通过小组探讨、互动提问等形式，结合科普场馆内真实、形象、社会化的真实情境，探索跨学科概念在学生学习中的作用。例如在“跨学科概念镜头”活动中，参与者在讨论“在教授给定内容的时候，该如何决定使用哪个跨学科概念”、“学生可能学习什么的想法如何根据他们所使用的跨学科概念而有所不同”等问题中思考跨学科概念与课堂的联系。

（4）基于“概念变化”开展有效的跨学科概念培训。加州科学院科学教师专业发展工具包的有效性体现在于教师观念的转变。特里格维尔（Trigwell）等学者认为以“概念变化”作为视角来开设教师培训活动才算是有效的培训，教育发展本身就是教师的学习过程，有效的发展计划需要带来观念上的转变^[11]。何安吉拉（Angela S P Ho）总结了要使任何“概念变化”活动最有效，最好按照逻辑顺序包括四个要素，分别是：冲突的过程、自我意识过程、替代性概念的可用性以及承诺和巩固变化^[12]。加州科学院跨学科概念培训的重点在于科学教师的“概念变化”：①冲突的过程往往源于教学理念与教学实践的不匹配以及现有教学概念不足之处，例如学员面临真实问题情境的冲击；②自我意识过程则是指活动的设立要克服学员潜在的趋同性，强调让他们发现冲突过程的存在，例如学员产生认知冲突；③替代性概念的可用性则是为了摒弃旧概念，必须有更优质更有效的替代性方案供学员学习，例如提供关于NGSS跨学科概念解读与操作方法；④即使有了替代性概念的可用性，但是仍不保证学员的概念发生改变，这时候就需要承诺与巩固变化，这表示要在活动中加入“重新冻结”的机制，建立新的承诺以及巩固概念上的变化，例如学员在活动中通过小组讨论，互动实践等形式巩固概念的转变，在新的情境中“冻结”跨学科概念。加州科学院科学教师跨学科概念培训充分体现，这四个要素并不是死板僵化地填充于活动的各个部分，而是在很大程度上交织在一起，共同构建出一个有效的“概念变化”培训活动。

4  结论

美国加州科学院馆校结合科学教师跨学科概念培训有效支持科学教师专业发展，所开发的科学教师专业发展工具包结合美国《新一代科学教育标准》，为科学教师提供跨学科概念深度解读和多角度分析工具，依托科普场馆资源设计并开展有效的科学教师培训活动，为我国科普场馆基于2022年版《义务教育科学课程标准》如何设计有效科学教师培训活动提供重要启示，包括培训活动设置、课程安排以及操作性原则等，这也为我国科普场馆如何落实科学教育加法提供可能的实现路径。

参 考 文 献

[1] 冯楠,周辰雨.危机下的转机：博物馆教育功能的恢复与重塑[J].东南文化,2022,(05):161-168.

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[4] Del Carlo D I. Crosscutting Concepts as a Framework for Professional Development in NGSS Curriculum for High School Chemistry[M]//Best Practices in Chemistry Teacher Education. American Chemical Society, 2019: 67-81.

[5] California Academy of Sciences.Introducing the Crosscutting Concepts: The Chess Metaphor[EB/OL].[2023-07-29].https://www.calacademy.org/educators/introducing-the-crosscutting-concepts-the-chess-metaphor.

[6] California Academy of Sciences.CCC Speed Dating and Station Rotation[EB/OL].[2023-07-29].https://www.calacademy.org/educators/ccc-speed-dating-and-station-rotation.

[7] California Academy of Sciences.Vertical Alignment and CCC Lenses[EB/OL].[2023-07-29]. https://www.calacademy.org/educators/vertical-alignment-and-ccc-lenses.

[8] 杨东亮,张凯.初中化学区域教研及教师培训的创新研究[J].化学教育(中英文),2023,44(07):85-92.

[9] 赵慧勤,张天云.基于学生核心素养发展的馆校合作策略研究[J].中国电化教育,2019(03):64-71+96.

[10] Riedinger K, Marbach-Ad G, Randy McGinnis J, et al. Transforming elementary science teacher education by bridging formal and informal science education in an innovative science methods course[J]. Journal of Science Education and Technology, 2011, 20: 51-64.

[11] PROSSER M，TRIGWELL K，TAYLOR P.A phenomenographic study of academics' conceptions of science learning and teaching[J].Learning and Instruction，1994，4（3）:217-231.

[12] Ho A S P. A conceptual change approach to staff development: A model for programme design[J]. International Journal for Academic Development, 2000, 5(1): 30-41.

作者简介：

刘益宇，华南师范大学科学技术与社会研究院副教授；研究方向为系统科学哲学与系统方法论，HPS与科学教育原理；E-mail: liuyiyu66@126.com；应孔辉，华南师范大学科学技术与社会研究院科学与技术教育硕士；研究方向为科学教育；E-mail: 1368038794@qq.com

基金项目：

国家社会科学基金一般项目：社会生态系统的临界效应及方法论研究（19BZX042）；

广东省教育厅人文社科项目：可持续发展的临界动力学问题及其方法论研究（2018WTSCX018）。