本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
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今天早些时候，一群科学家、教育家和政策制定者发布了最新的下一代科学标准草案，该草案为小学、初中和高中学生在每个年级应该学习的内容提出了雄心勃勃的期望。这些指南几乎影响到每一位就读于公立学校的孩子，倡导者表示它们将彻底改变美国 STEM（科学、技术、工程和数学）教育。虽然这些标准是自愿的，但许多政策观察家预计，正如他们在 2010 年对数学和语言艺术的共同核心州立标准所做的那样，大多数州都会加入。我请新标准的作者之一、圣路易斯华盛顿大学的地震学家迈克尔·维斯西翁解释为什么今天发布的科学标准如此重要。
客座文章由迈克尔·维斯西翁撰写，他是圣路易斯华盛顿大学地球与行星科学系副教授，也是下一代科学标准编写领导小组的成员。他还曾担任国家研究委员会“K-12 科学教育框架”的地球和空间科学设计团队负责人，该框架为新标准提供了依据。
那是 2012 年 12 月 21 日早上 7:45，我正在圣路易斯 2 频道新闻的演播室。“为什么这么多人确信今天世界末日会来临？”女主播问道，她指的是所谓的古代玛雅世界末日预言。我想到谈谈人类文明是多么岌岌可危——正如威尔·杜兰特所说，“文明的存在是地质的同意，随时可能发生变化，恕不另行通知。”我想到了过去 5 亿年中发生的五次生物大灭绝，最近的一次是白垩纪末期，当时一个来自太空的流氓物体确实撞击了地球，就在尤卡坦半岛，顺便说一句，这里正是今天日历结束的玛雅人的家园。
然后我想到 74,000 年前多巴火山的爆发，这可能几乎消灭了人类。我想到了一连串的火山爆发、气候快速变化、海啸、干旱、洪水和其他地质科学灾难，这些灾难经常摧毁人类人口，并阻止任何一个文明持续太久。然后我想到了我们人类对我们的星球所做的几乎令人难以置信的改变，这无疑是用新的人类世取代了 10,000 年前的全新世。我不知道我们将如何知道这些人类影响会在什么程度严重到足以用一个新的时代——人类世——取代 6500 万年前的新生代，这是由目前地球上地质变化的支配因素（即我们）带来的第六次生物大灭绝。
但是采访我的微笑的评论员不想听到关于地质灾难的事情，我想知道有多少观众有背景知识来理解我的答案。美国人在地球和空间科学领域几乎没有接受过高中教育。在那一刻，我能说的最好的一件事就是美国多么需要下一代科学标准，该标准将于今年春天发布，其第二份公开草案于今天发布。长期以来，美国人被太多关于我们星球的骗局蒙蔽了双眼。我们需要更好的科学教育。
下一代科学标准（NGSS）是一套全面的 K-12 学生在地球和空间科学、生命科学和物理科学领域的“表现期望”。它们整合了工程和技术的概念，并与数学和英语“共同核心”标准建立了联系。NGSS 基于国家研究委员会（NRC，国家科学院的教育机构）的一份名为“K-12 科学教育框架：实践、跨领域概念和核心思想”的报告的建议。NGSS 的基础是，所有表现期望都涉及三个维度的交织——科学实践、科学跨领域概念和科学核心思想。这个结构是在 NRC 框架中建立和定义的，NGSS 是由此产生的充实标准。
简而言之，NGSS 将彻底改变该国大部分地区的科学教育，至少对于选择采用它们的州而言。尽管它们包含了科学的最新和最先进的发现，但它们的优势在于融合了教学法和教育研究的最新和最先进的进展。NGSS 不再将科学呈现为要记忆的事实清单，而是将科学呈现为要做的实践集合。事实上，每个适合年级的表现期望，每个句子，都将特定的科学内容与科学实践联系起来；你无法将内容提取成事实列表。
NGSS 的目标是确定学生可以做什么，而不是他们知道什么。毕竟，如果你想知道有多少颗行星，你总是可以在网上查到。如果你想理解为什么它们很重要以及它们如何作为一个系统（太阳系）的一部分发挥作用，那么你应该做一系列实践，NGSS 将其确定为（1）提出问题并定义问题，（2）开发和使用模型，（3）规划和进行调查，（4）分析和解释数据，（5）使用数学和计算思维，（6）构建解释和设计解决方案，（7）根据证据进行论证，以及（8）获取、评估和交流信息。
众所周知，大多数美国人在离开高中后才接受几乎所有的科学教育。这与其说是对公立学校教育系统的指责，不如说是表明大多数美国人对科学的极大兴趣以及他们可以获得的许多优秀的“非正式”教育机会。博物馆、国家和州立公园、教育电视节目以及数字/印刷媒体（例如《大众科学》）为人们探索自然世界提供了许多绝佳的机会。然而，仍然需要扎实的 K-12 科学教育。学校和教科书过去是人们获取大部分科学信息的地方。现在我们被信息淹没，我们比以往任何时候都更需要我们的正规教育，不是为了传达更多信息，而是为了理解这一切。
将你的 K-12 科学教育想象成构建一个巨大的书架，你可以在这个书架上组织并理解你在生活中将接触到的源源不断的科学信息。如果没有这种结构，你最终会得到成堆的事实，堆积如山，要么堆满了你的世界，要么最终被扔掉。（例如，如果你在 Google 上搜索“火山”这个词，你会得到近 1 亿个网站。你如何理解这一切？）良好的正规科学教育可以让你将这些事实组织成你可以建立在你感兴趣的基础上的明智概念。关键是，要充分理解科学以构建概念性的组织“书架”，你需要积极地做科学，学校提供的实验室、数据和动手机会是做到这一点的最佳方式。这就是下一代科学标准所鼓励的。
NGSS 为所有科学提供了激动人心的新机会，但在地球和空间科学领域最为突出。NGSS 标准要求大约一年的高中地球和空间科学。你最后一次接受任何地质科学教育是在哪个年级？如果你和大多数美国人一样，那是在初中。你可能会认为地质学通常在初中教授是有充分理由的，而且很少涉及数学，而不是在高中。事实并非如此。尽管我们生活在一个完全现代的科学世界中，但我们的科学教育结构现在已经有 120 年的历史了。
是的，早在 1893 年，一群大学教授组成的“十人委员会”，由哈佛大学校长乔治·艾略特领导，提出了一系列建议，试图使大学新生的教育标准化。一些建议非常好，例如促进动手实验室实验和户外调查，但一个不幸的建议是，高中三年的科学课程应该是生物学、化学和物理学，并且在初中教授“自然地理学”。（甚至没有提到地质学。）公平地说，当时的地质学并没有什么发展；它主要是一门对矿物、岩石、化石和地质记录的相对时间序列进行分类的科学。地质学家不知道山脉是如何形成的或火山是如何爆发的。仅仅 4 年前才首次对地震进行了地震记录。放射性仍然是一个十年后的事情。直到第一次世界大战，米兰科维奇才弄清楚冰河时代是由地球轨道的变化引起的。直到第二次世界大战后才发现了中洋脊。板块构造理论的各个部分直到 20 世纪 60 年代末才组装起来。
然而，在 1893 年至今的某个时间，地球和空间科学领域变成了一套定量的、复杂的、基于过程的、面向系统的和非常相关的科学实践。不幸的是，我们的教育系统仍然处于在初中教授“自然地理学”的模式，因此这一变化在很大程度上被大多数美国人忽视了，对于他们来说，初中地质学意味着刮擦一些矿物并记住地质时间尺度。这造成的后果是毁灭性的。我们成了一个没有连贯能源政策的国家，因为很少有人了解可再生能源和不可再生能源的复杂问题。我们没有针对矿物、土壤和地下水等有限资源的国家政策，因为大多数人甚至没有意识到这些资源是有限的。人类已经成为地球上地质变化的最大因素，改变地表的速度比任何其他地质过程都快一个数量级，但大多数人不知道他们集体行动的影响。想象一下，一个蹒跚学步的孩子瞬间长到城市大小，开始蹂躏乡村。这就是我们。我们突然发现自己拥有巨大的力量，但距离拥有知道如何利用它或如何控制它的成熟度还很遥远。《清洁空气法案》和《清洁水法案》等临时立法虽然至关重要，但并没有开始解决我们的活动对地球系统造成的巨大影响。
《下一代科学标准》的编写工作由 Achieve, Inc. 负责监督，这是一个由州长和企业领导人组成的跨党派非营利组织，旨在在州一级推行 K-12 教育改革。然而，说 Achieve 正在编写标准是不准确的。一个由近 50 名科学家和教育工作者组成的多元化编写团队一直与来自 26 个参与州的代表以及许多其他“关键利益相关者”组织密切合作。今天发布的 NGSS 草案只是第二个公开草案，但由于参与州和关键利益相关者的所有审查，我已经不记得这是第几次迭代了。6？7？8？重点是，它经过非常仔细的编写，以确保准确、相关且对各州有用。
同样重要的是要注意，NGSS 完全是非政治性的。在大多数情况下，每个人都认为科学、技术和教育都是好事。每个人都希望在工程和技术领域拥有训练有素的劳动力。如果你看一下参与编写标准的 26 个州的地图，你会发现有很多红色和蓝色。对于一些州来说，在 K-12 教育领域维护州的权利非常重要，因此必须指出，没有一分钱的联邦资金被用于构建 NRC《框架》或 NGSS。这两个项目都由纽约卡内基公司资助。NGSS 由私人资助并由各州编写，它可能是国家标准，但不是联邦标准。
让我举一个例子，说明 NGSS 如何在地球和空间科学中发挥作用。在高中阶段，有五个地球和空间科学主题，每个主题都有大约六个绩效期望：空间系统、地球历史、地球系统、天气和气候和人类可持续性。这些建立在初中阶段的类似主题之上。你可以在 Achieve 网站上阅读所有内容 (http://www.nextgenscience.org/next-generation-science-standards)。在初中阶段，天气和气候的主题侧重于天气。在高中阶段，它侧重于气候变化，这可以被视为所有学生的高中科学课程的顶点。
气候变化不仅是一个至关重要的话题，也是所有科学中最复杂的话题之一，涉及辐射物理学、大气化学、海洋环流、太阳系轨道米兰科维奇循环、太阳输出变化、火山爆发、生物圈动力学、人类活动以及它们之间许多复杂的反馈。学生需要对实际数据进行数学分析，并对地球材料进行实验室实验，才能开始理解这个主题。学生将开发基于复杂系统的模型，构建因果过程的解释，并使用工程概念来设计潜在的解决方案。这个话题不仅在初中阶段是不可教的，而且需要在学习高中物理、化学和生物之后进行教学。然而，结果将有望使公众不仅不再否认气候变化的存在，而且由于其相关性和其引人入胜的复杂性而接受这个话题。我认为我们可以做到。其他国家已经这样做了。我们也别无选择。我们仍然是世界科学的领导者，但不再是公共科学教育的领导者。从长远来看，这两个说法是不相容的。
所以，我们度过了 2012 年 12 月 21 日，世界并没有走到尽头。如果人们接受过良好的地球和空间科学教育，这甚至不会成为一个故事。我们没有必要担心玛雅人的预言或一颗可能要撞击我们的名为尼比鲁的流浪行星。现在，偶尔会有一些大型小行星撞击我们；问问恐龙就知道了。但这不会经常发生，如果人们知道美国宇航局跟踪着太空中数万个物体的位置，并且有技术提前几十年知道任何重大碰撞，他们就不会担心了。
然而，有些事情我们应该担心：我们自己的无知。人类面临的与地球科学相关的挑战是巨大的。选民需要了解这些问题的复杂性，这样他们才不会被过于简单的口号所蒙蔽。消费者需要了解他们的购买行为的含义。每个人都需要知道地球系统比他们想象的更脆弱，并且地质记录表明地球表面的状况可能会迅速变化，而且经常发生。像卡特里娜和桑迪这样的飓风将被更大的飓风所取代。正如一位美国国家海洋和大气管理局的科学家最近指出的那样，纽约市附近的海平面现在比一个世纪前高了 13 英寸，如果你将一个篮球场抬高 13 英寸，你会得到更多的扣篮。正如亚伯拉罕·林肯总统所说，“平静过去的教条不足以应对风雨飘摇的现在……既然我们的情况是新的，那么我们必须以新的方式思考，并以新的方式行动。” 大多数州采用《下一代科学标准》是朝着这个方向迈出的重要一步。
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