我们在美国的科学教育方面面临着一场真正的危机。田纳西州众议员、众议院科学和技术委员会主席巴特·戈登警告说，如果不大幅改进教学，中国和印度等国将在不久的将来践踏美国经济。事实上，我们的学校正在落后。在2006年国际学生评估项目（PISA）——一项受人尊敬的全球成就衡量标准中，美国15岁学生的平均科学成绩低于57个参与国中的28个国家。（在数学方面，美国学生的表现甚至更差，落后于34个国家的同龄人。）
尽管进行了数十年的改革，美国在科学课堂上，特别是在高中阶段，只取得了 modest 的进步。然而，国家研究委员会（NRC）最近的两份报告提供了新的策略。题为《将科学带入学校》和《预备、开始、科学！》，它们呼吁改变从小学开始的科学教学方式。与之前的建议不同，新的建议反映了神经科学和心理学关于幼儿如何思考以及他们如何获取知识的最新发现。
过去的改革主要旨在使美国在其他国家中名列前茅，而最新的报告提出了明确的科学素养目标：学生必须能够了解、使用和解释自然世界的科学解释；他们必须能够生成和评估科学证据和解释；他们必须能够理解科学知识的本质和发展；并且他们必须能够有意义地参与科学活动和讨论。
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这四个相互关联的目标编织了一种“实践科学”的方法，这种方法得到了教育研究人员的广泛认可。K-8年级的教学需要将科学呈现为一个动态过程。目前，大多数学校将科学打包成两部分：循序渐进的科学方法和一系列毫无问题的事实。因此，大多数孩子对他们所看到的“真相”持有绝对的看法，并认为大多数知识来自直接观察。随着这些学生长大，许多人从未意识到科学是一项构建和修改理论的实践。但是，所有学生——而不仅仅是那些打算从事科学事业的学生——都应该学习科学知识是如何构建的。对于任何希望作为负责任的成年人充分参与我们未来社会的人来说，基本的科学素养将是强制性的。
重新思考儿童如何学习
教育中一个长期存在的问题是，学生在不同年龄段可以学习什么。直到最近，教育工作者和心理学家还认为，年龄本身决定了这种学习能力。他们认为，抽象思维需要相当长的时间才能发展，因此对于年龄较小的班级，教师通常侧重于记忆而非理解。这种对儿童认知能力的有限看法源于1958年的一项研究，《从儿童期到青春期的逻辑思维发展》。在其中，儿童心理学之父让·皮亚杰和他的同事芭贝尔·英海尔德断言，没有任何形式的指导可以加速逻辑思维的出现——通常在12岁时。
然而，更现代的研究表明，儿童在12岁之前就具备科学推理能力。在2004年对三年级和四年级学生进行的一项研究中，卡内基梅隆大学的大卫·克拉尔和匹兹堡大学的米莱娜·K·尼甘证明，如果给予适当的指导，年幼的儿童可以掌握受控实验设计等抽象概念。甚至更早，从婴儿期到学龄前，儿童观察并与周围的世界互动：他们开始了解物体如何移动以及生物如何生存；他们意识到不同的人持有不同的想法，等等。在某些情况下，他们可以区分因果关系，设计实验，并使用模型和符号。
孩子们进入小学后，他们的技能迅速提高。教育工作者以前将这种飞跃完全归功于认知发展。随着更加成熟，孩子们拥有更长的注意力持续时间、更强的自律性和更快的处理速度。但是，成熟度不是推动学习的唯一力量。令人鼓舞的是，研究人员发现，进步在很大程度上取决于儿童先前的学习经历。这些教育经历的质量是关键，而不是孩子的年龄或发展阶段，也不是他或她上学的早晚。
这些发现证实了学习理论家长期以来认识到的：当学生有一些知识基础可以构建时，他们更容易掌握一个想法。研究人员现在正在积极追求所谓的学习进阶，即学生从对某个学科的简单看法转变为复杂看法的概念路径。例如，范德比尔特大学科学教育教授理查德·莱勒和莉奥娜·肖伯的开创性研究考察了学生如何使用基于模型的推理来发展对密度、生长和运动等主题的理解。通过与跨越多个小学的儿童合作，他们观察到学生创建模型的能力稳步提高，从直接的描绘到更具象征意义和数学价值的表示。
给定坚实的基础，教师可以轻松地进行扩展。例如，当孩子已经对动物有一些了解时，引入鸭嘴兽就并不困难。其他概念上的补充只有在孩子们获得其他领域的知识以及使用数学表示、符号和模型的能力时才会出现。一些新想法是如此违反直觉，以至于学生需要改变他们的整个思维方式。学生还必须培养元认知意识，并注意到他们的理解何时与课堂上产生的证据或科学理论有所不同。但是模式仍然相同：在任何学科中掌握知识的最成功途径都遵循螺旋式路径，学生定期回顾和完善他们的概念基础。
更有效的教学
基于这些见解，NRC 报告倡导一种科学课程，该课程以不断提高的复杂程度回顾主题。学生在许多年级加深他们对某个主题的理解，并磨练他们的科学能力。作者批评当前的标准有几个方面：课程列出了太多离散的知识片段，没有层次结构或有意义的顺序；它们将技能与内容分离；并且它们过分强调方法。诸如 PISA 等将美国课程与其他国家课程进行比较的研究强调了这一点：总体上教授主题较少的国家得分更高。为此，新愿景建议美国科学教育工作者专注于核心主题，例如原子-分子理论、进化论、细胞理论以及力和运动。
在《科学素养地图集》中，美国科学促进会试图绘制出哪些事实应该与科学中的此类核心概念相关联，逐年级，以便学生最终组装成一个完整、详细的视图。课程编写者正在使用这些地图来制定课程计划，这些计划通过精心设计的学习体验来推进学生，而不仅仅是时间的流逝。最有效的学习体验逐渐扩展了与科学进行真实互动所需的知识和技能——也就是说，以类似于科学家在现实世界中进行科学的方式。
像科学家一样在课堂上真正做科学需要各种各样的学习体验，包括基于问题和项目的课程以及大量的社交互动。正如科学家之间的情况一样，论证和讨论有助于学生挑战和磨砺彼此的想法，并阐明和检查自己的想法。学生必须学习使用科学的专门语言进行口头和书面表达，并且他们必须精通模型和其他数学工具的使用。加州大学伯克利分校的凯瑟琳·梅茨已经证明，即使是一年级学生也可以成对合作，概念化和实施他们自己设计的学习。访谈表明，几乎所有孩子都能表达他们研究的目的、方法和结果。他们中有一半人还可以分析他们的设计并设计改进方法。
但是，由于孩子们缺乏经验，他们需要教师仔细考虑的帮助，才能收获他们独立调查的成果。对于大多数学习者来说，完全自由的探索，或另一种极端情况，即食谱式指导，只能产生有限的学习成果。教师必须不断掌握提供教学支架的关键时刻。这种支架——可以采取多种形式，包括口头反馈、补充讲义和软件工具——使学生能够达到仅凭认知发展无法达到的水平。
教师必须将学生已有的知识与指导他们成为具有科学素养的公民联系起来，这至关重要。教师应认识到每个学生先前的知识，尊重他们来自的不同背景，更重要的是，利用这些信息来丰富和提升他们班级的科学实践的意义。为了最大限度地帮助孩子在他们需要的地方和时间获得帮助，报告建议教师将评估植入学习过程。通过不断探究学生的理解，教师正在获得与他们联系的最佳机会。
尽管新愿景前景广阔，但也带来了重大挑战。为在职教师提供专业发展和重新设计教室或实验室空间的成本——以及额外材料的费用——可能会阻止处境不利的地区采纳拟议的变更。此外，尽管没有人质疑开发螺旋式课程的价值，该课程侧重于随着时间的推移回顾的较少核心主题，但选择这些主题可能会引起争议。实施这样的课程也需要认真的协调：教师是否有足够的机会与跨学校和年级的同行互动，以确保任何一个主题的无缝衔接？鉴于《不让任何孩子掉队法案》的限制，是否有足够的课堂时间用于科学教学？是否有足够的科学教师可用？在拟议的课程中，科学教师扮演着核心角色——一个需要广泛的计划和即兴创作技巧，以及丰富的知识，不仅关于科学，还关于学生生活的文化和环境的角色。
最后，只有当学生有学习动机时，拟议的课程才能成功。如果他们缺乏内在的兴趣或维持兴趣所需的支持，他们将无法获得新设计的体验的好处。根据来自该领域教师的反馈，这个问题可能被证明是最难克服的。尽管科学思维过程对大多数孩子来说是自然的，但 NRC 文件报告称，学生常常对科学持有负面态度，这是基于糟糕的学习经历或对科学运作方式的不准确看法。在某些情况下，学生根本不想将他们的脑力花在一个他们认为与他们的生活无关的学科上。但这种观念与事实相去甚远。当我们面临诸如流感大流行和全球气候变化等可怕威胁时，我们未来的命运取决于下一代学习科学的程度。