1. 科学的本质
在人类历史长河中，人们发展出了许多相互关联且经过验证的关于物理、生物、心理和社会世界的观念。这些观念使一代又一代人对人类及其环境有了日益全面和可靠的理解。发展这些观念的方法是特定的观察、思考、实验和验证方式。这些方式体现了科学本质的一个基本方面，也反映了科学与其他认知方式的不同之处。
科学、数学和技术的结合构成了科学事业，并使其取得了巨大成功。尽管这三者各自具有独特的特点和历史，但它们彼此相互依存、相互促进。因此，本书前三章的建议分别描绘了科学、数学和技术的概貌，强调了它们在科学事业中的作用，并揭示了它们之间的一些相似之处和联系。
人人享有科学
将科学研究视为一项智力和社会活动——即运用人类智慧来探究世界运行规律——在任何以培养科学素养为目标的课程体系中都应占据重要地位。请思考以下几点：
- 当人们了解科学家如何开展工作、得出科学结论，以及这些结论的局限性时，他们更有可能对科学主张做出深思熟虑的反应，而不太可能断然拒绝或不加批判地接受。
- 一旦人们对科学的运作方式有了良好的认识，并掌握了一些关键的科学概念作为日后学习的基础，他们就可以在他们的一生中见证科学的冒险故事。
- 许多人对科学及其运作方式的认知往往存在偏差。如果科学教学仅仅局限于科学定律、概念和理论，就无法消除年轻人对科学的误解和刻板印象。因此，课程设置中必须明确强调将科学作为一种认知方式进行学习。
掌握关于世界运行规律的科学知识并不一定能让人理解科学本身的运作方式，同样，仅仅了解科学哲学和社会学也无法让人对世界形成科学的理解。教育者面临的挑战在于，如何将科学的各个方面融会贯通，使它们彼此促进、相互强化。
对于低年级学生而言，重点应放在让他们体验自然和社会现象，并享受科学带来的乐趣上。随着学生年龄增长，他们逐渐具备理解复杂抽象概念的能力，各种抽象概念才能逐步引入。这种循序渐进的方式当然也适用于对科学世界观、科学探究和科学事业的概括性理解。
但这并不意味着在低年级阶段就应该完全忽略抽象思维。通过积累大量的科学实践经验，提高调查方法的熟练度，并解释他们的发现，学生将积累一系列具体的实践经验，并以此为基础反思整个过程。同时，向学生呈现的（无论是在书本上还是课堂上）关于科学家如何解释现象的结论，应该逐步补充科学界得出这些结论的过程。事实上，随着学生年级的升高，应该鼓励他们不断地问：“我们怎么知道这是真的？”
历史为理解科学运作方式提供了另一条途径，这也是《全民科学》和《基准》两本书都包含历史视角章节的主要原因之一。虽然该章节强调了科学的伟大进步，但同样重要的是，学生应该认识到，科学技术的进步很大程度上源于几个世纪以来知识的逐步积累。
这种认识与人们对科学进步的普遍误解截然相反。所谓“常规科学”（与科学革命相对），才是科学发展的主要领域，它吸引了大多数人的关注，并带来了大部分的进步。虽然“突破”和“革命”比循序渐进的发展更能吸引人们的注意力，但如果只关注这些罕见的事件，就会让学生对科学产生扭曲的认识，因为渐进式发展和偶尔发生的根本性变革都是科学发展历程中不可或缺的一部分。
出于同样的原因，我们不应将所有的历史重点都放在伟大科学家的生平上，这些科学家人数相对较少，由于天赋、机遇和好运而最为人所知。学生们应该了解到，各种各样的人，包括像他们一样的人，都曾从事科学研究，并且现在仍在从事科学研究。
为了获得这种理解，学生需要合适的学习材料。历史案例研究，辅以丰富的传记、参考书目和影片，至关重要。此外，科学和历史教科书也需要进行修订，纳入科学史的内容。这些材料应从早期埃及、希腊、中国和阿拉伯文化中的科学、数学和技术入手，一直延伸到现代，并涵盖世界各地男女的贡献。
A. 科学世界观
科学的世界观并非科研人员花费大量时间讨论的话题。他们只是埋头于科学研究。然而，他们的工作背后却蕴含着一些非科学家未必认同的信念。其中之一是，通过长期的合作，人们终将揭开世界的运行规律。另一个是，宇宙是一个统一的系统，从研究宇宙某一部分获得的知识往往可以应用于其他部分。还有一个是，知识既是稳定的，也是不断变化的。
将这些观点当作教条灌输给学生并无益处。首先，这些观点本身就很微妙。上面提到的第一个观点仅仅表明科学家相信世界是可以被理解的，而不是说世界终有一天会被完全理解到科学可以就此终结，完成其使命。事实上，在探索世界运行规律的过程中，科学家必然会发现新的问题，因此，只要人类的好奇心存在，探索就可能持续下去。此外，人类获取关于自然的可靠知识的能力也是有限的。科学研究常常无法找到其所探究问题的令人信服的答案。所谓“科学终将找到答案”的说法，总是隐含着“在许多情况下”和“从长远来看”这样的免责声明。
人们常常相信，通过研究宇宙某一部分获得的知识可以应用于其他部分，这种观点虽然经常得到证实，但实际上只有部分情况下才成立。例如，在实验室和自然环境中观察同一生物的行为，有时会发现其行为有所不同。因此，即使相信宇宙的统一性，也并不意味着可以忽略对某一特定情境下的研究结果的推广性探索。
科学知识总是会随着时间推移而修正这一概念，对学生来说可能难以理解。它似乎与人们普遍赋予科学的确定性和真理性相悖，也与大多数文化（尤其是青少年）对确定性的渴望相冲突。此外，科学的演变并非一帆风顺。随着新问题的出现，新的理论被提出，新的仪器被发明，新的技术被开发。为了应对这些问题，人们会进行新的实验，收集新的样本，进行新的观察，并开展新的分析。有些发现挑战了现有的理论，导致现有理论被修正，或者在极少数情况下，催生出全新的理论。这反过来又会引发新的实验、新的观察……等等。
但这种变革的浪潮主要发生在研究的前沿领域。事实上，我们不应过分强调“科学总是在变化”这一主题，因为科学知识的主体非常稳定，它通过缓慢的修正和逐步的拓展而不断发展。科学家们也认同科学知识始终处于改进之中，永远无法被宣称为绝对确定。
幼儿园至2年级
从入学第一天起，学生就应该积极参与学习，培养科学的观察世界的能力。这意味着鼓励他们提出关于自然的问题并寻找答案，收集、计数和测量物品，进行定性观察，整理收集的物品和观察结果，讨论研究发现等等。培养科学精神和对科学的兴趣才是最重要的。对科学世界观的认识可以稍后再培养。
为了最终理解科学的世界观，这些早期科学体验可以着重培养学生对自然界统一性的信念，即“一致性”。学生应在课堂上重复观察和探究，并在条件允许的情况下，在校园和家中再次进行这些活动。例如，可以引导学生比较鸡蛋在不同地点烹饪时的变化，或者观察物体在受到推拉时的运动状态，又或者观察种子发芽时的状态。这些活动旨在激发学生的好奇心，引导他们关注周围环境和自然规律。
到2年级结束时，学生应该知道：
- 如果科学调查按照以往的方式进行，我们预期会得到非常相似的结果。1A/P1
- 当在不同地点再次进行科学实验时，我们预期会得到非常相似的结果。1A/P2*
三年级至五年级
随着孩子们不断探索世界，我们可以通过更加强调解释不一致之处来强化“一致性”这一前提。当学生观察到事物行为方式的差异，或者在重复调查中得到不同的结果时，他们应该意识到每次试验之间存在差异，并尝试找出原因。有时差异源于方法，有时则源于世界的本来面目。关键在于，不同的发现可以引出值得探究的有趣新问题。
这种对科学参与的重视要求学生经常进行实践活动。但这并不意味着学生必须或能够通过直接经验“发现”一切。讲述人们进行发现和发明的故事，可以用来阐明从事科学研究的形形色色的人们所共有的关于世界以及可以从中学习到什么的信念。
到五年级结束时，学生应该知道：
- 有时，类似的调查会得出不同的结果，这是由于调查对象、调查方法或调查环境的不同，有时仅仅是因为观察存在不确定性。要判断具体原因并非总是易事。1A/E1*
- 科学是通过仔细观察并试图理解这些观察结果来探究世界运行规律的过程。1A/E2**
6至8年级
大多数青少年早期阶段对自然的兴趣远大于对科学哲学的兴趣。应该继续鼓励他们参与科学活动，并引导他们反思所进行的科学研究，因为他们日后会对科学作为一种世界观形成更成熟的思考。
然而，青春期早期开始探讨科学知识的持久性问题，尤其是其易变性问题，并不算早。科学知识的渐进式变化和更根本性的变化都应该被纳入考量。科学的根本性变化有时源于新信息的出现，有时则源于更完善理论的提出（例如，第十章“历史视角”中讨论的细菌理论和地质年代学）。
到八年级结束时，学生应该知道：
- 当类似的调查得出不同的结果时，科学的挑战在于判断这些差异是微不足道的还是意义重大的，而这通常需要进一步的研究才能确定。1A/M1a
- 即使结果相似，科学家也可能要等到多次重复实验后才会接受结果为正确。1A/M1b
- 科学知识会随着新信息的出现而修正，因为新信息会挑战现有的理论，而新的理论也会促使我们以新的方式看待过去的观察结果。1A/M2
- 有些科学知识虽然年代久远，但至今仍然适用。1A/M3
- 有些事物无法用科学方法进行有效研究。其中包括一些本质上无法通过观察进行检验的事物。1A/M4ab*
- 科学有时可以通过识别特定行为可能造成的后果来为伦理决策提供信息，但科学本身不能用于判定某个行为是道德的还是不道德的。1A/M4c*
9至12年级
在高年级阶段，可以通过研究科学史上的事件以及反思当代科学的发展来阐释科学世界观的各个方面。案例研究为探讨诸如科学的理论和实践局限性、不同科学领域所产生的知识的性质差异，以及公认的科学确定性与颠覆这种确定性的突破之间的张力等问题提供了契机。
到12年级结束时，学生应该知道：
- 科学基于这样的假设：宇宙是一个庞大的单一系统，其基本规则处处相同，宇宙中的事物和事件以一致的模式发生，这些模式可以通过仔细、系统的研究来理解。1A/H1*
- 科学界对事物运作方式的认识有时会发生重大转变。然而，更多时候，科学知识体系的变化是对既有知识的细微修正。连续性和变化是科学的永恒特征。1A/H2*
- 无论一种理论与观测结果多么吻合，新的理论都可能同样吻合甚至更好地吻合观测结果，或者可能吻合更广泛的观测结果。1A/H3a
- 在科学领域，对新旧理论的检验、修正以及偶尔的摒弃永无止境。这一持续不断的过程使我们对世界运行的规律有了更深入的了解，但并不能得出绝对真理。1A/H3bc*
- 在可以用科学方法研究的领域，科学家不断提高提供可靠解释和做出准确预测的能力，就证明了科学方法的价值。1A/H3d*
B. 科学探究
科学探究远比人们通常认为的要复杂得多。例如，它比“进行大量细致观察然后整理”这种简单的想法要微妙得多，也更具挑战性。它远比教科书中通常描述的“科学方法”那样僵化的步骤顺序灵活得多。它远不止是“做实验”，也不仅仅局限于实验室。科学探究中蕴含的想象力和创造力远超许多人的想象，然而，严谨的逻辑和经验证据终究会发挥作用。个别研究者有时能够独立做出伟大的发现，但科学的稳步发展依赖于整个科学事业的共同努力。诸如此类。
如果学生能够参与到逐步接近真正科学的探究活动中，那么他们最终得出的结论很可能相当准确。但这需要对典型的学校实验进行改革。通常的高中科学“实验”与真正的科学实验截然不同：探究的问题由老师决定，而非探究者；使用什么仪器、收集什么数据以及如何整理数据也由老师（或实验手册）决定；没有时间进行重复实验，也没有时间在实验不顺利时进行修改；实验结果不会提交给其他探究者进行评判；而且，更糟糕的是，正确答案是事先已知的。
当然，学生实验室的设计旨在帮助学生了解科学探究的本质。首先，可以减少实验数量（从而腾出时间更深入地探究问题），并去除许多机械的、按部就班的实验环节。然而，在做出这些改变的同时，也应该记住，精心设计的学校实验室体验还有其他重要的作用。例如，它们能让学生有机会熟悉所研究的科学概念试图解释的现象。
另一个更具挑战性的举措是引入一些更接近严谨科学的学生探究项目。这类探究项目应更具雄心，也更加精细。高中毕业前，学生应以个人或团队形式设计并完成至少一项大型探究项目。他们应明确研究问题，设计研究方法，估算所需时间和成本，校准仪器，进行试运行，撰写研究报告，并最终回应批评意见。
这类调查，无论是个人调查还是小组调查，可能需要数周甚至数月才能完成。调查可能穿插在课内课外进行，并且会因为技术原因而中断。但总投入的时间可能不会超过那些每周一次、每次只上一节课的实验课的总和，而这些实验课对学生理解科学探究的帮助微乎其微。
幼儿园至2年级
学生应该积极参与探索课堂内外感兴趣的现象。这些探究活动应该充满乐趣和刺激，并能开启更多探索的大门。学生探索过程中一个重要的环节是与他人分享他们的所见所闻、所思所想以及由此产生的疑问。孩子们应该有充足的时间讨论他们的观察结果，并与他人的观察进行比较。虽然科学研究中严谨的表达至关重要，但在这个阶段，不应期望学生能够对他们的观察结果给出科学严谨的解释。理论可以稍后再考虑。
到2年级结束时，学生应该知道：
- 人们通常可以通过仔细观察周围的事物来了解它们，但有时通过对事物进行一些操作并记录结果，他们可以学到更多。1B/P1
- 温度计、放大镜、尺子或天平等工具通常能提供比徒手观察更多的信息。1B/P2
- 在科学中，尽可能准确地描述事物至关重要，因为这使人们能够将自己的观察结果与他人的观察结果进行比较。1B/P3
- 当人们对同一事物给出不同描述时，通常最好提出一些新的见解，而不是争论谁对谁错。1B/P4
三年级至五年级
随着孩子们在独立开展简单调查和小组合作中积累经验，他们探索周围环境的策略也会不断提高。应该鼓励他们更加仔细地观察，在调查涉及测量的情况下，以越来越精确的方式测量事物，在日志和笔记中清晰地记录数据，并用图表、简图以及文字来表达他们的结果。应该留出足够的时间让学生进行足够的实验，以确保他们对结果的可靠性。调查结束后，通常应该向全班同学进行汇报，以强调清晰沟通在科学研究中的重要性。课堂上对实验步骤和发现的讨论可以开启科学论证和辩论的序幕。
在这个阶段，学生的探究活动旨在发现他们收集和研究的事物之间的异同。他们应该逐渐认识到，在尝试识别和解释相似之处和差异的过程中，他们其实是在做科学研究中一直在做的事情。学生可能会感到最困惑的是，他们在不同的时间或地点重复进行探究时，得到的结果却有所不同；或者不同的学生小组在进行看似相同的实验时，却得到了不同的结果。这种情况在科学家身上也会发生，有时是因为使用的方法或材料不同，有时则是因为研究对象本身存在差异。
研究表明，在这个阶段的学生智力发展水平下，我们所能期望的存在一些局限性。其中一个局限性是，大多数中学生仍然难以设计出控制严谨的实验。其他局限性包括：这类学生容易将理论（解释）与理论证据混淆，并且难以进行逻辑推理。然而，这些研究更多地揭示了当今学校教育中这个阶段的学生未能学到什么，而不是如果教学更加有效，他们可能学到什么。
无论如何，有些孩子会愿意解释事物发生的原因。应该鼓励他们“将自己的想法与所看到的进行对比”。随着解释变得越来越重要，教师必须坚持要求学生关注他人的解释，并保持开放的心态去接受新观点。此时正是引入“在科学中，对同一组观察结果提出不同的解释是合理的”这一概念的恰当时机，尽管许多孩子似乎难以理解这一概念。
到五年级结束时，学生应该知道：
- 科学研究可以采取多种形式，包括观察事物的形态或某地正在发生的事情、收集样本进行分析以及进行实验。1B/E1*
- 因为我们期望以相同方式进行的科学研究能够产生相同的结果，所以当结果不一致时，找出原因就显得尤为重要。1B/E2a*
- 认真遵循指示并记录工作内容的原因之一，是为了提供可能导致调查结果差异的信息。1B/E2b
- 科学家对世界现象的解释，一部分来自他们的观察，一部分来自他们的思考。1B/E3a
- 有时，科学家对同一组观测结果会有不同的解释。这通常会导致他们进行更多观测以消除分歧。1B/E3bc
- 科学家通常不会太在意关于他们已知事物运作方式的说法，除非这些说法有可证实的证据和合乎逻辑的论证支持。1B/E4
6至8年级
在这个阶段，学生需要更加系统、更加精细地开展探究活动，有些探究活动可能会持续数周甚至更久。这意味着他们需要深入理解一个好的实验应该具备哪些要素。控制变量的概念很简单，但实际操作起来却很困难。不过，学生可以通过参与足够多的实验探究（当然，这并非意味着要排除其他类型的探究），并明确讨论解释与实验设计之间的关系，从而取得一些进展。
学生探究应当构成整个科学体验的重要组成部分，但仅仅是其中一部分。系统地学习科学概念也必须在课程中占有一席之地，因为学生不可能仅通过自己的实验探究就发现所有需要学习的概念，或观察到所有需要遇到的现象。尽管学生探究的主要目的是帮助学生了解科学的运作方式，但辅以精选的阅读材料至关重要。在这个阶段，引入科学家发现科学的故事（真实或虚构的）正当时——这些科学家不仅包括世界闻名的科学家，也包括来自不同背景、年龄、文化、地域和时代的科学家。
到八年级结束时，学生应该知道：
- 科学家们在研究的现象和研究方法上存在很大差异。1B/M1a
- 科学研究通常包括收集相关数据、运用逻辑推理以及发挥想象力来构建假设和解释，从而理解收集到的数据。1B/M1b*
- 如果在实验中多个变量同时发生变化，实验结果可能无法明确归因于任何一个变量。有时可能无法完全阻止外部变量对研究的影响（甚至可能无法识别所有变量）。1B/M2ab
- 研究者之间的合作往往能够设计出应对无法控制所有变量情况的研究方案。1B/M2c*
- 人们的预期观察结果往往会影响他们实际观察到的结果。对特定情况下应该发生什么的强烈信念会妨碍他们发现其他结果。1B/M3ab
- 科学家们深知先入为主的预期会损害客观性，因此在设计研究方案和分析数据时会采取措施尽量避免这种情况。一种保障措施是让不同的研究人员对相同的问题进行独立研究。1B/M3cd
9至12年级
学生在高中阶段处理抽象概念和假设性问题的能力有所提高。此时，他们或许能够理解科学的不完善性和不确定性。然而，不应让学生得出这样的结论：科学的可变性使得任何关于世界的信念都与其他信念一样有效。各种理论都在争夺认可，但真正具有竞争力的，只有那些有有效证据和逻辑论证支持的理论。
预测在科学中的本质和重要性也可以在此层面进行探讨。对该主题的阐述应强调统计学、概率论和建模在对生物、气象和社会系统中常见的复杂现象进行科学预测中的应用。此外，还应注意将科学预测的研究与公众对占星术和体育赛事结果预测的固有观念区分开来。
到12年级结束时，学生应该知道：
- 开展调查研究的原因多种多样，包括探索新现象、检验先前的研究结果、测试理论的预测准确性以及比较不同的理论。1B/H1
- 在科学领域，假设被广泛用于选择关注哪些数据、需要寻找哪些额外数据，以及指导对数据（包括新数据和已有数据）的解释。1B/H2
- 有时，科学家会控制实验条件以获取证据。当无法做到这一点，或这样做不切实际，或不符合伦理道德时，他们会尝试观察尽可能广泛的自然现象，以发现其中的规律。1B/H3*
- 科学领域在研究内容和研究方法上存在不同的传统，但它们都秉持着一个共同的理念：运用基于经验证据的逻辑论证。1B/H4*
- 任何一个研究小组的科学家往往观点相似，因此即使是同一研究小组的科学家，也很难完全客观地看待他们的方法和发现。正因如此，科研团队需要找出研究设计和数据分析中可能存在的偏见来源。互相检查彼此的研究结果和解释固然有所帮助，但这并不能完全消除偏见。1B/H5
- 短期内，与科学主流观点不符的新思想往往会遭到猛烈抨击。1B/H6a
- 从长远来看，评判理论的标准在于它们能够解释的观测范围、解释观测结果的准确程度以及在做出准确预测方面的效用。1B/H6b*
- 科学新思想受限于其产生的背景；常常被科学界所否定；有时源于意想不到的发现；并且通常是在众多研究者的共同努力下缓慢发展起来的。1B/H7
- 科学家的国籍、性别、种族、年龄、政治信仰等等，都可能使他们倾向于寻找或强调某种类型的证据或解释。1B/H8** (SFAA)
- 一个有用的假设应该指出哪些证据可以支持它，哪些证据可以反驳它。一个原则上无法通过证据检验的假设或许很有趣，但可能不具备科学价值。1B/H9** (SFAA)
- 研究者、样本、方法或仪器造成的偏差可能并非在所有情况下都能完全避免，但科学家们希望了解偏差的可能来源以及偏差可能如何影响证据。1B/H10** (SFAA)
- 为了避免观察结果出现偏差，科学研究有时会使用不知道结果“预期”是什么的观察员。1B/H11** (BSL)
C. 科学事业
科学活动是当代世界的主要特征之一，也是当今时代区别于以往时代的标志。作为探索世界运行规律的途径，科学为众多人群提供了生计。学生了解科学的组织方式至关重要，因为作为民主社会中的成年人，他们将有能力影响公共资源对基础科学和应用科学的支持力度。学生还需要了解科学事业的其他四个方面：其社会结构、学科和机构认同、伦理以及科学家在公共事务中的角色。这些问题在低年级阶段无需详细讨论，但随着学生年级的升高，应越来越多地涉及。到毕业时，学生应该能够自如地谈论科学事业的本质，并能够理解新闻中关于科学问题的讨论。
幼儿园至2年级
科学教育应该从幼儿园开始，让学生学习以小组形式（而不是孤立地独立行动）提出并解答关于周围环境的问题，并与同学分享他们的发现。教师和高年级学生可以帮助小组学习如何共同决定研究方向、收集和整理信息以及进行成果展示。
从一开始，教师就应该通过表扬学生个人和小组作业中体现的科学价值观来培养学生的科学素养。例如，即使探究过程最终没有按计划进行，也应该对学生的好奇心和创造力给予赞扬。
鉴于科学重视独立思考，重要的是要让学生明白，即使他们是团队的一员，他们也可以自由地得出与同学不同的结论，并且当他们得出不同结论时，应该表达出来并说明原因。因为年轻人渴望被喜欢，所以“可以与朋友意见相左却依然是朋友”这种观念并不容易被接受（而且短期内可能也不成立），因此必须谨慎对待。
学生的探究活动通常包括收集活体动物带入教室进行观察。虽然大多数孩子都希望宠物般的动物（例如金鱼、兔子等）得到善待，但并非所有孩子都如此，有些孩子甚至会虐待动物。在科学研究中使用动物是一个非常复杂的问题，但在学生能够深入讨论这个问题之前，他们应该有机会在科学的语境下，以尊重的方式与生物互动。所有教师都应该熟悉美国国家科学教师协会在其手册中发布的关于在课堂上负责任地使用动物的指导原则。
科学技术史对低年级学生来说大多过于深奥。但他们并非年纪太小，无法从自身的集体经验中领悟到，每个人都能发现一些关于自然的知识，就像每个人都能学习数字、字母和阅读一样。
到2年级结束时，学生应该知道：
- 人人都能从事科学研究，发明创造。1C/P1
- 在科学研究中，团队合作和分享研究成果通常很有帮助。然而，所有团队成员都应该对研究结果的意义得出自己的结论。1C/P2
- 通过仔细观察动植物，我们可以学到很多东西，但必须注意了解生物的需求以及如何在课堂上满足它们的需求。1C/P3
三年级至五年级
随着学生科研团队科研能力的不断提升，应更加重视如何有效地交流研究成果。当学生学会详细描述实验步骤以便他人能够复现，更多地运用表格和图表来总结和解读数据，并接受他人的批评指正时，他们就应该明白自己正在以科学的方式进行科研。
可以通过介绍职业信息，让学生了解科学领域包含各种不同类型和级别的工作。电影、书籍（科学探险类、人物传记）、科学家来访以及（如果可能）参观科学中心、大学、工业界和政府实验室，都为学生提供了多种获取信息的机会。
教师应强调科学界的多元性：不同种族、性别、年龄、国籍的人们从事着不同的科学研究，在不同的场所工作（从偏远的野外考察点到实验室再到办公室）。学生可以了解到，有些科学家和工程师使用大型仪器（例如粒子加速器或望远镜），而另一些科学家和工程师则只使用笔记本和铅笔。最重要的是，学生可以开始意识到，科学研究不仅仅涉及“科学家”，许多不同的职业都是科学事业的一部分。
到五年级结束时，学生应该知道：
- 科学是一场世界各地的人们都可以参与的冒险，几个世纪以来一直如此。1C/E1
- 清晰的沟通是科学研究的重要组成部分。它使科学家能够向他人介绍他们的工作，将他们的想法接受其他科学家的批评，并随时了解世界各地的科学发现。1C/E2
- 科学研究涉及多种不同的工作，需要各个年龄段、各种背景的男性和女性参与。1C/E3
- 许多社会实践和技术产品都受到科学知识的影响。1C/E4**
6至8年级
教师应继续抓住机会，向学生介绍科学作为一种多元化职业选择的信息。尤其重要的是，青少年早期需要将科学及相关职业视为他们个人切实可行的选择。这并非意味着要进行大规模、甚至可能过早的招生宣传，而是要拓宽学生对各种可能性的认知，并帮助所有学生保持自身具备这些可能性的资格。如果这种认知是在适当的环境中培养的，那么无论学生成年后从事何种职业，他们所获得的知识都将对他们大有裨益。
到了这个阶段，学生的调查研究应该比小学阶段更加专业。首先，学生必须先评估调查研究的风险，才能获得开展调查的许可。其次，学生现在应该像科学家一样使用计算机——即收集、存储和检索数据，辅助数据分析，制作表格和图表，以及撰写总结报告。如果条件允许，学生应该有机会参与一些调查研究，在这些研究中，他们可以利用计算机与研究相同问题的同学进行交流。
到八年级结束时，学生应该知道：
- 不同文化背景下、不同时代的人们都对科学、数学和技术的进步做出了重要贡献。1C/M1
- 直到最近，由于教育和就业机会的限制，女性和少数族裔基本上被排除在科学界的许多正式工作之外；即使少数克服了这些障碍的杰出人士，他们的工作也极有可能被科学界忽视。1C/M2
- 无论谁从事科学和数学研究或进行发明创造，无论何时何地进行，由此产生的知识和技术最终都能惠及全世界。1C/M3
- 科学家受雇于高校、企业、医院以及众多政府机构。他们的工作场所包括办公室、教室、实验室、农场、工厂以及从太空到海底的各种自然环境。1C/M4
- 在涉及人类受试者的研究中，科学伦理要求潜在受试者必须充分了解研究的风险和益处，以及他们拒绝参与的权利。由于动物无法做出知情选择，因此在科学研究中使用动物时必须格外谨慎。1C/M5ac*
- 科学伦理要求科学家不得在未事先告知和征得同事、学生或社区居民同意的情况下，故意使他们面临健康或财产风险。1C/M5b*
- 计算机在科学、数学和技术领域变得不可或缺，因为它们加快并扩展了人们收集、存储、编译和分析数据的能力；撰写研究报告的能力；以及与世界各地的研究人员共享数据和想法的能力。1C/M6*
- 准确的记录、公开透明和可重复性对于维护研究者在其他科学家和社会中的信誉至关重要。1C/M7
- 科学家的个人兴趣和观点可能会影响他们研究的问题。1C/M8** (SFAA)
- 科学家通过个人关系和国际科学组织与世界各地的其他科学家保持联系。1C/M9**（生物安全实验室）
9至12年级
在这个阶段，科学和历史可以更加深入地相互促进。学生在学习科学和数学的过程中，应该接触到所学概念的历史和文化根源。当他们研究不同时期、文化和事件的历史时，应该会发现科学、数学和发明往往扮演着核心角色。
历史、政治和科学的学习可以结合起来，帮助学生理解科学作为一种社会事业的意义。基于真实案例的研讨会提供了一种探讨科学伦理问题以及科学家在社会决策中扮演的角色的有效途径。当前存在的问题层出不穷，从公民抵制社区内可能存在危险的研究，到在医学实验中使用人类囚犯或动物，再到科学欺诈的指控，不一而足。报纸杂志、科学期刊的“新闻评论”和“读者来信”栏目以及国会证词都提供了易于获取的文献资料。研讨会的形式可以侧重于深入的讨论和辩论，而不是围绕预设的内容得出预设的结论。
无论课程如何安排，都应该为学生提供机会，让他们了解现存的众多科学学科。然而，让学生死记硬背人类学、天体物理学、生物化学、古细菌学以及其他相关学科的定义是没有意义的。学生可以单独或以小组形式深入研究不同的学科——大多数科学协会都乐于提供帮助——然后彼此分享研究成果。此类研究的重点应是实质性的（该学科的典型研究是什么样的）和社会学的（该领域的组织结构以及从业人员有哪些），并且可能需要花费较长时间，开展访谈、实地考察、阅读、数据分析，如果可能的话，还可以进行小规模实验或实地研究。这些活动有助于提高学生的科学素养，同时也能帮助学生认识到科学领域存在着许多不同的职业选择。
到12年级结束时，学生应该知道：
- 早期的埃及、希腊、中国、印度和阿拉伯文化孕育了许多科学和数学思想以及技术发明。现代科学建立在大约500年前在欧洲汇聚的各种思想传统之上。如今，来自各种文化背景的人们都在为这一传统做出贡献。1C/H1*
- 科学和发明的进步很大程度上取决于社会上其他方面的发展。1C/H3a
- 历史往往与科学技术发展息息相关。1C/H3b
- 科学学科在研究内容、研究方法和研究目标上各不相同，但它们拥有共同的目标和理念，并且都是同一科学事业的一部分。尽管每个学科都为组织和获取知识提供了一个概念框架，但科学家们会运用来自多个学科的信息和技能来研究许多问题。学科之间没有固定的界限，新的科学学科往往在现有学科的交汇处形成，一些子学科也会独立发展成为新的学科。1C/H4
- 现行科学伦理认为，涉及人类受试者的研究只能在受试者知情同意的情况下进行，即使这一限制会限制某些潜在重要的研究类型或影响研究结果。1C/H5a*
- 当研究应用可能对社会构成风险时，科学家是否参与该研究的决定取决于个人伦理和职业道德。1C/H5b*
- 科学家可以将信息、见解和分析技能应用于公众关注的问题。在各自的专业领域，科学家可以帮助人们了解事件的可能原因并评估其潜在影响。1C/H6ab
- 在专业领域之外，科学家不应享有特殊的信誉。1C/H6c*
- 当科学家的个人、机构或社群利益受到威胁时，他或她可能和其他人一样存在偏见。1C/H6d*
- 科学界根深蒂固的传统，包括对同行评审和发表的承诺，使得绝大多数科学家都能恪守职业道德规范。蓄意欺骗的行为十分罕见，而且迟早会被科学界本身揭露。一旦发现违反这些科学伦理传统的行为，就会受到科学界的强烈谴责，违规者也很难重新赢得其他科学家的尊重。1C/H7
- 资金来源通过决定支持哪些研究项目来影响科学的发展方向。研究资金来自联邦政府各机构、企业和私人基金会。1C/H8
- 科学家往往无法对公众辩论的问题给出明确的答案。可能是缺乏可靠的数据，也可能是缺乏足够的理论来理解相关现象，或者答案可能涉及科学之外的价值比较。1C/H9** (SFAA)
- 因为科学是一项人类活动，所以社会价值观会影响科学界的价值观。1C/H10** (SFAA)
- 科学研究的方向受到科学文化内部非正式因素的影响，例如，对于哪些问题最有趣或哪些研究方法最有可能取得成果的普遍看法。科学家们已经制定了复杂的流程来决定哪些研究提案能够获得资助，科学家委员会也定期审查各个学科的进展，并提出资助的总体优先顺序。1C/H11** (SFAA)
- 科学信息的传播对其发展至关重要。一些科学家将他们的研究成果和理论以论文的形式发表在会议上或科学期刊上。这些论文使科学家能够向他人介绍他们的工作，接受其他科学家的批评，当然，也使他们能够及时了解世界各地的科学发展动态。1C/H12** (SFAA)