我走进威斯康星大学奥斯哥斯校区的教室，准备参加一个由美国科学教师协会（NSTA）资助的《新一代科学教育标准》初始版本的审阅工作，这个版本是提交公众审阅之前的版本。我已经阅读了《K—12科学教育框架》的大部分内容，并且对于将框架如何转换成标准用于指导课堂教学很好奇。扫了一眼“生命科学”部分的第1页，我被页面的拥挤程度吓了一跳。正如页面布局向我们展示的，它开始让我明白这些标准之间的错综复杂和相关程度。框架和标准的作者将科学的大概念联系起来，并且显示了它们在真实世界中是如何工作的。
随着我对标准阅读的加深，开始理解他们将科学与工程实践、学科核心概念和跨学科概念融合在一起促进学生学习的观点，“精妙”这个词不停地出现在我脑海中。它们让我想起了在研究生期间所学的湖泊学课程，课上我们学习了由地球变化所形成的湖泊中的食物链上的生物是如何受光波的物理特性和水的化学性质所影响的。通过建立这一系列联系，我突然意识到这是现实世界中的科学。我当时没有意识到课程的不足在哪里：它没有帮助我理解基本的科学实践是如何促进我形成那些正在学习的知识，比如说能量依然是能量，不管它是以生物有机体、物理波或化学品的形式存在。然而，《新一代科学教育标准》希望为我的学生们构建这些缺失的联系。
熟悉标准
完成对《新一代科学教育标准》的初次审阅后，我非常激动，想要尽可能多地学习它。为了深入了解学科核心概念、科学与工程实践和跨领域概念，我参加了美国科学教师协会的网络研讨会，重点深入了解这3个关键维度，以及它们如何在课堂上结合。《关于新一代科学教育标准的NSTA读者指南》和《为课堂教学解读新一代科学教育标准》，这些NSTA出版的书籍，在帮助我设想教学需要发生的变化、理解学生在课堂中的角色和收集对于课程的想法方面也非常有价值。NSTA期刊中的许多文章增加了我的知识，他们的想法已经被纳入到学区的科学课程中。随后，我有机会成为NGSS@NSTA的管理者，这给我提供了接受培训的机会，采用由Achieve和NSTA共同开发的EQUIP（教育工作者对教学产品质量的评价）评价量规表进行资源评估。这些经历带给我审阅资源的技能，判断它是否符合NGSS的要求，提出建议使其更能涵盖3个维度的内容。
传播标准
威斯康星州还没有采用《新一代科学教育标准》，但我们的学区遵循本地管理的原则可以选用自己的标准。我向学校董事会成员宣讲，在“扶轮社”的集会上向公众展示，并在城市的报纸上发表文章。我求助于本地的科学专业人士，如工程师、野生动物学家、医生、大学科学教授和生态环境保护主义者等，共同努力达成使用NGSS的目标。当学校董事会开会讨论采用标准时，投票结果是一致的：官方采用NGSS。所以当我们采用了NGSS后，我发现我需要对以下事情负责：将我们的课程与NGSS匹配；寻找并撰写符合NGSS要求的课程；开展教师培训工作，帮助他们理解3个维度内容的学习；听课，提供建议，规范教学策略，共同开展教学。
从哪里开始？
我们学区决定在初中和高中阶段率先开始实施NGSS，使用标准附录K中所列的概念。在初中，我们选择了在7年级的“生命科学”，以及6年级、8年级的“物理与地球科学”混合课程中采用NGSS。我们完成了对当前在课堂上如何教授学科核心概念的梳理，并将之与NGSS进行了对照。当然，结果是我们必须进行一些重新组合。例如，我们原来进行单独教学的关于细菌、原生生物、真菌、植物和动物分类的单元，现在我们让学生开发和使用模型描述生命体的结构和多细胞生物体如何由系统构成。我们的细胞实验室不再仅仅让学生进行简单的显微镜观察，而让他们开展活动，设计和开展调查研究，用收集到的数据形成一个科学解释，用于支持“生命体是由细胞构成的”这一论断。遗传学单元则要求学生用纸质的染色体开发一个模拟减数分裂和受精过程的模型，然后分析和解释孟德尔豌豆实验的数据，并将他们的模型推广到显性和隐性遗传基因。所有这些活动都是采用NGSS所提出的3个维度的学习所产生的结果。
为什么3个维度的学习如此重要
将3个维度的学习纳入到课程中使学生可以用科学与工程实践做科学研究，学习某些特定概念，如能量和模式是如何在所有科学学科中体现的。这给了学生一个更为真实的世界的图景，学生可以把世界看成一个单一的、相互关联的实体。
“进化”是我个人喜欢的一个主题，它可以将来自古生物学、遗传学、化学、种群生态学，以及多个其他科学学科的多条证据链联系在一起。针对这个概念将3个维度整合在一起可以让学生们发现数据中存在的模式，并建立模型解释地球上生命的多样性。这3个维度中的任何单一内容都无法充分帮助学生理解科学和进化生物学。而3个维度的内容整合在一起就提供了一个更为广阔的图景，帮助学生了解过去，理解它与现在的关系。
教学时，我喜欢采用学科核心概念，而不是科目。学科核心概念可以让我将重点放在联系多个学科的一个主要概念上，把它作为一个组织好的工具使用。学生们可以使用所学的一个学科核心概念解决他们感兴趣的和与他们生活经验相关的问题。他们可以在低年级就开始学习一个概念，并且随着学业的增长不断建构他们的理解。这就在教学与学习的过程中提供了一种能力，让学生们体验世界是一个连贯的整体，而不仅仅是一系列无关的事实。用前面的例子，进化能够用来解释为什么犰狳与巨型雕齿兽看上去相似，但又不完全相同；或者为什么马、鲸、蝙蝠和人类肢体都由相似的骨骼组成，以及为什么任何物种的早期胚胎都几乎完全相同。
研究充分显示如果学生们被要求建立模型解释自然界的现象，并且与同伴讨论他们的观点，他们将会更为有效地学习和使用科学概念。如提出问题、分析和解释数据、形成解释，都可以纳入到建立模型和进行论证的实践中。学生们动手做科学，而不仅仅是学习科学研究的最终结论。
最困难的改变是纳入跨学科概念。我们不得不直接帮助学生们领会他们正在发现数据的模式，结构与功能的关系，在他们调查的许多地区都可以找到系统等这些内容。对于进化，学生们被要求找到数据中的模式，解释古生物学、遗传学、生物化学、种群生态学和大量支持进化的证据。我敢肯定将来会建立更多的联系。
学习进程
随着我们将NGSS的实施拓展到整个年级段，我更加意识到每个学科的核心概念、科学与工程实践和跨学科概念学习进程的重要性。这就使我们很容易理解：K—2年级的学生可以明白加热和冷却可以导致物态的变化；3—5年级的学生能够理解化学反应的发生将会产生一种具有不同特性的新物质；6—8年级的学生将会建立一个原子和分子的模型，用来解释化学反应是如何发生的；9—12年级的学生将能够理解这个过程中包含的分子碰撞、原子重排和能量变化。根据最新的关于学生在不同年龄段能够理解和动手实践的内容的研究，每个实践和跨领域的概念也有相应的学习进程。如果学生们在幼儿园阶段就按照NGSS开始学习科学，我们的下一代就可以以这样一种方式理解物质世界：他们可以参与对科学问题的公众讨论，能够评估与他们生活相关的科学论断，在中学之后依然具有好奇心和学习科学的渴望。
结论
我期待着下一个10年可以看到NGSS在全国的课堂上被采用。到目前为止，一直令人兴奋地看到科学教育已经发生的变化，即使我知道我们还有很长的路要走，帮助我们的下一代真正理解自然界。