本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於當今塑造我們世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
今天早些時候，一群科學家、教育家和政策制定者釋出了最新的下一代科學標準草案，該草案為小學、初中和高中學生在每個年級應該學習的內容提出了雄心勃勃的期望。這些指南幾乎影響到每一位就讀於公立學校的孩子，倡導者表示它們將徹底改變美國 STEM（科學、技術、工程和數學）教育。雖然這些標準是自願的，但許多政策觀察家預計，正如他們在 2010 年對數學和語言藝術的共同核心州立標準所做的那樣，大多數州都會加入。我請新標準的作者之一、聖路易斯華盛頓大學的地震學家邁克爾·維斯西翁解釋為什麼今天釋出的科學標準如此重要。
客座文章由邁克爾·維斯西翁撰寫，他是聖路易斯華盛頓大學地球與行星科學系副教授，也是下一代科學標準編寫領導小組的成員。他還曾擔任國家研究委員會“K-12 科學教育框架”的地球和空間科學設計團隊負責人，該框架為新標準提供了依據。
那是 2012 年 12 月 21 日早上 7:45，我正在聖路易斯 2 頻道新聞的演播室。“為什麼這麼多人確信今天世界末日會來臨？”女主播問道，她指的是所謂的古代瑪雅世界末日預言。我想到談談人類文明是多麼岌岌可危——正如威爾·杜蘭特所說，“文明的存在是地質的同意，隨時可能發生變化，恕不另行通知。”我想到了過去 5 億年中發生的五次生物大滅絕，最近的一次是白堊紀末期，當時一個來自太空的流氓物體確實撞擊了地球，就在尤卡坦半島，順便說一句，這裡正是今天日曆結束的瑪雅人的家園。
然後我想到 74,000 年前多巴火山的爆發，這可能幾乎消滅了人類。我想到了一連串的火山爆發、氣候快速變化、海嘯、乾旱、洪水和其他地質科學災難，這些災難經常摧毀人類人口，並阻止任何一個文明持續太久。然後我想到了我們人類對我們的星球所做的幾乎令人難以置信的改變，這無疑是用新的人類世取代了 10,000 年前的全新世。我不知道我們將如何知道這些人類影響會在什麼程度嚴重到足以用一個新的時代——人類世——取代 6500 萬年前的新生代，這是由目前地球上地質變化的支配因素（即我們）帶來的第六次生物大滅絕。
但是採訪我的微笑的評論員不想聽到關於地質災難的事情，我想知道有多少觀眾有背景知識來理解我的答案。美國人在地球和空間科學領域幾乎沒有接受過高中教育。在那一刻，我能說的最好的一件事就是美國多麼需要下一代科學標準，該標準將於今年春天釋出，其第二份公開草案於今天釋出。長期以來，美國人被太多關於我們星球的騙局矇蔽了雙眼。我們需要更好的科學教育。
下一代科學標準（NGSS）是一套全面的 K-12 學生在地球和空間科學、生命科學和物理科學領域的“表現期望”。它們整合了工程和技術的概念，並與數學和英語“共同核心”標準建立了聯絡。NGSS 基於國家研究委員會（NRC，國家科學院的教育機構）的一份名為“K-12 科學教育框架：實踐、跨領域概念和核心思想”的報告的建議。NGSS 的基礎是，所有表現期望都涉及三個維度的交織——科學實踐、科學跨領域概念和科學核心思想。這個結構是在 NRC 框架中建立和定義的，NGSS 是由此產生的充實標準。
簡而言之，NGSS 將徹底改變該國大部分地區的科學教育，至少對於選擇採用它們的州而言。儘管它們包含了科學的最新和最先進的發現，但它們的優勢在於融合了教學法和教育研究的最新和最先進的進展。NGSS 不再將科學呈現為要記憶的事實清單，而是將科學呈現為要做的實踐集合。事實上，每個適合年級的表現期望，每個句子，都將特定的科學內容與科學實踐聯絡起來；你無法將內容提取成事實列表。
NGSS 的目標是確定學生可以做什麼，而不是他們知道什麼。畢竟，如果你想知道有多少顆行星，你總是可以在網上查到。如果你想理解為什麼它們很重要以及它們如何作為一個系統（太陽系）的一部分發揮作用，那麼你應該做一系列實踐，NGSS 將其確定為（1）提出問題並定義問題，（2）開發和使用模型，（3）規劃和進行調查，（4）分析和解釋資料，（5）使用數學和計算思維，（6）構建解釋和設計解決方案，（7）根據證據進行論證，以及（8）獲取、評估和交流資訊。
眾所周知，大多數美國人在離開高中後才接受幾乎所有的科學教育。這與其說是對公立學校教育系統的指責，不如說是表明大多數美國人對科學的極大興趣以及他們可以獲得的許多優秀的“非正式”教育機會。博物館、國家和州立公園、教育電視節目以及數字/印刷媒體（例如《大眾科學》）為人們探索自然世界提供了許多絕佳的機會。然而，仍然需要紮實的 K-12 科學教育。學校和教科書過去是人們獲取大部分科學資訊的地方。現在我們被資訊淹沒，我們比以往任何時候都更需要我們的正規教育，不是為了傳達更多資訊，而是為了理解這一切。
將你的 K-12 科學教育想象成構建一個巨大的書架，你可以在這個書架上組織並理解你在生活中將接觸到的源源不斷的科學資訊。如果沒有這種結構，你最終會得到成堆的事實，堆積如山，要麼堆滿了你的世界，要麼最終被扔掉。（例如，如果你在 Google 上搜索“火山”這個詞，你會得到近 1 億個網站。你如何理解這一切？）良好的正規科學教育可以讓你將這些事實組織成你可以建立在你感興趣的基礎上的明智概念。關鍵是，要充分理解科學以構建概念性的組織“書架”，你需要積極地做科學，學校提供的實驗室、資料和動手機會是做到這一點的最佳方式。這就是下一代科學標準所鼓勵的。
NGSS 為所有科學提供了激動人心的新機會，但在地球和空間科學領域最為突出。NGSS 標準要求大約一年的高中地球和空間科學。你最後一次接受任何地質科學教育是在哪個年級？如果你和大多數美國人一樣，那是在初中。你可能會認為地質學通常在初中教授是有充分理由的，而且很少涉及數學，而不是在高中。事實並非如此。儘管我們生活在一個完全現代的科學世界中，但我們的科學教育結構現在已經有 120 年的歷史了。
是的，早在 1893 年，一群大學教授組成的“十人委員會”，由哈佛大學校長喬治·艾略特領導，提出了一系列建議，試圖使大學新生的教育標準化。一些建議非常好，例如促進動手實驗室實驗和戶外調查，但一個不幸的建議是，高中三年的科學課程應該是生物學、化學和物理學，並且在初中教授“自然地理學”。（甚至沒有提到地質學。）公平地說，當時的地質學並沒有什麼發展；它主要是一門對礦物、岩石、化石和地質記錄的相對時間序列進行分類的科學。地質學家不知道山脈是如何形成的或火山是如何爆發的。僅僅 4 年前才首次對地震進行了地震記錄。放射性仍然是一個十年後的事情。直到第一次世界大戰，米蘭科維奇才弄清楚冰河時代是由地球軌道的變化引起的。直到第二次世界大戰後才發現了中洋脊。板塊構造理論的各個部分直到 20 世紀 60 年代末才組裝起來。
然而，在 1893 年至今的某個時間，地球和空間科學領域變成了一套定量的、複雜的、基於過程的、面向系統的和非常相關的科學實踐。不幸的是，我們的教育系統仍然處於在初中教授“自然地理學”的模式，因此這一變化在很大程度上被大多數美國人忽視了，對於他們來說，初中地質學意味著刮擦一些礦物並記住地質時間尺度。這造成的後果是毀滅性的。我們成了一個沒有連貫能源政策的國家，因為很少有人瞭解可再生能源和不可再生能源的複雜問題。我們沒有針對礦物、土壤和地下水等有限資源的國家政策，因為大多數人甚至沒有意識到這些資源是有限的。人類已經成為地球上地質變化的最大因素，改變地表的速度比任何其他地質過程都快一個數量級，但大多數人不知道他們集體行動的影響。想象一下，一個蹣跚學步的孩子瞬間長到城市大小，開始蹂躪鄉村。這就是我們。我們突然發現自己擁有巨大的力量，但距離擁有知道如何利用它或如何控制它的成熟度還很遙遠。《清潔空氣法案》和《清潔水法案》等臨時立法雖然至關重要，但並沒有開始解決我們的活動對地球系統造成的巨大影響。
《下一代科學標準》的編寫工作由 Achieve, Inc. 負責監督，這是一個由州長和企業領導人組成的跨黨派非營利組織，旨在在州一級推行 K-12 教育改革。然而，說 Achieve 正在編寫標準是不準確的。一個由近 50 名科學家和教育工作者組成的多元化編寫團隊一直與來自 26 個參與州的代表以及許多其他“關鍵利益相關者”組織密切合作。今天釋出的 NGSS 草案只是第二個公開草案，但由於參與州和關鍵利益相關者的所有審查，我已經不記得這是第幾次迭代了。6？7？8？重點是，它經過非常仔細的編寫，以確保準確、相關且對各州有用。
同樣重要的是要注意，NGSS 完全是非政治性的。在大多數情況下，每個人都認為科學、技術和教育都是好事。每個人都希望在工程和技術領域擁有訓練有素的勞動力。如果你看一下參與編寫標準的 26 個州的地圖，你會發現有很多紅色和藍色。對於一些州來說，在 K-12 教育領域維護州的權利非常重要，因此必須指出，沒有一分錢的聯邦資金被用於構建 NRC《框架》或 NGSS。這兩個專案都由紐約卡內基公司資助。NGSS 由私人資助並由各州編寫，它可能是國家標準，但不是聯邦標準。
讓我舉一個例子，說明 NGSS 如何在地球和空間科學中發揮作用。在高中階段，有五個地球和空間科學主題，每個主題都有大約六個績效期望：空間系統、地球歷史、地球系統、天氣和氣候和人類可持續性。這些建立在初中階段的類似主題之上。你可以在 Achieve 網站上閱讀所有內容 (http://www.nextgenscience.org/next-generation-science-standards)。在初中階段，天氣和氣候的主題側重於天氣。在高中階段，它側重於氣候變化，這可以被視為所有學生的高中科學課程的頂點。
氣候變化不僅是一個至關重要的話題，也是所有科學中最複雜的話題之一，涉及輻射物理學、大氣化學、海洋環流、太陽系軌道米蘭科維奇迴圈、太陽輸出變化、火山爆發、生物圈動力學、人類活動以及它們之間許多複雜的反饋。學生需要對實際資料進行數學分析，並對地球材料進行實驗室實驗，才能開始理解這個主題。學生將開發基於複雜系統的模型，構建因果過程的解釋，並使用工程概念來設計潛在的解決方案。這個話題不僅在初中階段是不可教的，而且需要在學習高中物理、化學和生物之後進行教學。然而，結果將有望使公眾不僅不再否認氣候變化的存在，而且由於其相關性和其引人入勝的複雜性而接受這個話題。我認為我們可以做到。其他國家已經這樣做了。我們也別無選擇。我們仍然是世界科學的領導者，但不再是公共科學教育的領導者。從長遠來看，這兩個說法是不相容的。
所以，我們度過了 2012 年 12 月 21 日，世界並沒有走到盡頭。如果人們接受過良好的地球和空間科學教育，這甚至不會成為一個故事。我們沒有必要擔心瑪雅人的預言或一顆可能要撞擊我們的名為尼比魯的流浪行星。現在，偶爾會有一些大型小行星撞擊我們；問問恐龍就知道了。但這不會經常發生，如果人們知道美國宇航局跟蹤著太空中數萬個物體的位置，並且有技術提前幾十年知道任何重大碰撞，他們就不會擔心了。
然而，有些事情我們應該擔心：我們自己的無知。人類面臨的與地球科學相關的挑戰是巨大的。選民需要了解這些問題的複雜性，這樣他們才不會被過於簡單的口號所矇蔽。消費者需要了解他們的購買行為的含義。每個人都需要知道地球系統比他們想象的更脆弱，並且地質記錄表明地球表面的狀況可能會迅速變化，而且經常發生。像卡特里娜和桑迪這樣的颶風將被更大的颶風所取代。正如一位美國國家海洋和大氣管理局的科學家最近指出的那樣，紐約市附近的海平面現在比一個世紀前高了 13 英寸，如果你將一個籃球場抬高 13 英寸，你會得到更多的扣籃。正如亞伯拉罕·林肯總統所說，“平靜過去的教條不足以應對風雨飄搖的現在……既然我們的情況是新的，那麼我們必須以新的方式思考，並以新的方式行動。” 大多數州採用《下一代科學標準》是朝著這個方向邁出的重要一步。
更多探索
美國應該採用更高的科學教育標準，《大眾科學》社論
教孩子們雨滴是如何形成的，《大眾科學》部落格網路