在今年春季於費城舉行的 NSTA 大會上，我有機會與數十位教師和管理人員交談，他們來到 Vernier 攤位探索新技術並分享他們在三維學習方面的經驗。這些對話證實了我在科學教育生涯中——從教室到州評估開發——所見所聞：專注於科學與工程實踐（Science and Engineering Practices, SEPs）是加深學習和提高學生成績的最有效方法之一。

STAC 營運總監 Velma Itamura 和執行總監 Chris Lazzaro 在 NSTA 費城大會上與 Vernier 合作，展示了如何利用新興技術增強三維學習。

作為一名在課程開發、評估策略和教師專業發展方面有經驗的人，我見證了在課堂上強調 SEPs 如何為學生提供有意義的參與科學的方式。借助 Vernier 感應器等合適的工具，學生可以在真實世界的調查中實時練習這些技能。

如果您希望提高成績並支持有意義的科學學習，請從強調 SEPs 開始。以下是原因。

SEPs 是通往真正理解的橋樑

想像一下，僅僅通過閱讀手冊來學習游泳。您可能會記住每一種泳姿，但直到您實際跳入水中並嘗試，您才會知道如何在水中移動或何時浮出水面呼吸。科學也是如此——真正的理解來自於實踐，而不僅僅是記憶。

SEPs 是學生進入泳池的方式。這些實踐——如提出問題、規劃調查和分析數據——是學生積極參與內容的方式。它們基於《K–12 科學教育框架》，該框架定義了以下八個基本實踐，反映了科學家和工程師在現實世界中所做的事情：

1. 提出問題和定義問題  

2. 開發和使用模型  

3. 規劃和進行調查  

4. 分析和解釋數據  

5. 使用數學和計算思維  

6. 構建解釋和設計解決方案  

7. 從證據中進行論證  

8. 獲取、評估和傳達信息  

《框架》刻意使用“實踐”一詞，強調這些不僅是技能，而是結合了知識、經驗和行動的綜合行為——它們幫助學生理解科學知識是如何發展的，以及工程如何與現實世界的問題解決相聯繫。目標不僅是了解科學事實，而是理解我們如何獲知它們。

研究持續顯示這種參與的價值。例如，Penuel 等人（2024）發現，定期參與這些實踐的學生在科學課堂中發展出更強的歸屬感——特別是當他們能夠有意義地為知識構建做出貢獻時。這種主動性不僅有助於學生在學業上表現更好，還能保持他們的動力和好奇心。

與學科核心概念（Disciplinary Core Ideas,DCIs）不同，DCIs 通常在一個年級段結束時掌握，SEPs 則是有意在學生的整個學術旅程中反復接觸和加深。這種持續的參與使學生能夠在課程結束後很長時間內理解新現象。

感應器使練習 SEPs 成為可能

要練習 SEPs，學生需要能夠調查真實世界現象的工具。這就是感應器變得如此強大的地方。特別是，Vernier 工具非常適合這一點，因為它們將各種精確的感應器與 Vernier Graphical Analysis^® 中的豐富實時數據可視化相結合。

例如，學生可能會探索即時冷敷包或熱敷包如何工作的真實世界現象。這些日常用品依賴於吸熱和放熱的化學反應。使用 Go Direct^® 溫度感應器，學生可以測量不同物質溶解在水中時的溫度隨時間變化。即時數據幫助學生分析熱能轉移的方向和速率，以便確定反應是吸收還是釋放熱量。這些工具還幫助學生看到他們可能錯過的模式，例如在溫度數據再次上升之前的平線——這是在解釋物理或化學變化時的關鍵證據。

這並不是一個全新的觀察。Metcalf 和 Tinker（2004）在早期研究中發現，將感應器整合到小學和中學課堂中顯著提高了學生的參與度和概念理解，特別是當學生能夠自己操縱真實世界變因並解釋數據時。

通過這類動手調查，學生不僅僅是確認他們所學的內容——他們正在以自己的方式理解世界。

強調 SEPs 有助於學生在評估中表現更好

當學生隨著時間練習 SEPs 時，他們會培養出應對不熟悉問題的能力——這是許多州評估的關鍵組成部分。評估通常會向學生展示一個新現象，並要求他們應用所學來解釋或建模它。這與僅僅回憶事實有很大的不同。

在 2019 年最新的科學 NAEP 報告卡中，我們在 4 年級、8 年級和 12 年級看到了類似的趨勢。報告很少或從不參與動手科學活動的課堂的成績始終低於報告更頻繁參與的課堂。這種模式在各個評估系統中都是一致的：更頻繁參與動手科學體驗的學生往往表現更好。

Penuel 等人（2022）還表明，當學生能夠在基於專案的故事線結構中追求與自己興趣相關的問題時，他們更有可能將這些經驗與核心學習目標聯繫起來。這種參與——由 SEPs 支持——對於建立概念理解和長期記憶至關重要。

有反復機會提出問題、分析數據和構建解釋的學生更有可能在這些場景中取得成功，因為他們不僅具備知識，還具備應用知識的工具和經驗。

標準內的靈活性鼓勵更強的教學

每個州現在都採用了某種形式的三維標準，越來越強調幫助學生參與科學實踐——而不僅僅是記憶事實。許多標準現在反映了向基於表現的期望的轉變，這些期望結合了學科內容和科學實踐，即使術語有所不同。

將 SEPs 與內容特定的學習目標相結合的靈活性使教師能夠將教學集中在對學生有意義的現實世界現象上，同時仍能滿足其州標準的意圖。

讓學生自己游泳

當學生使用 SEPs 來理解現象時，他們不僅僅是在為考試做準備；他們正在將科學作為一種理解世界的方法論途徑來參與。科學不僅僅是一堆事實；它是一種獨特的認知方式，依賴於系統的觀察、經驗證據和理性分析來建立和完善我們對世界運作方式的理解。學生正在培養可轉移的問題解決技能和策略，這些技能和策略將在畢業後很長時間內為他們服務。

優先考慮 SEPs 的學區正在投資於評估成功和學生主動性。借助 Vernier 感應器等工具，使將 SEPs 整合到教學中變得更加容易，這從未如此可行。

讓我們讓學生進入泳池吧。

由執行長 Chris Lazzaro 和營運總監 Velma Itamura 領導的科學與技術進步中心（STAC），是一個非營利組織，致力於與各州、學區和公司合作，設計、開發和實施高品質的科學項目。我們專注於在課堂環境中整合新興技術，以支持三維學習。