以科學與工程實踐活動促進科學本質教育

孫兆前

科學教育的重要性無須贅言?！度窨茖W素質行動計劃綱要（2006—2010—2020）》明確指出“我國公民科學素質水平與發達國家相比差距甚大”。研究也表明，中小學的科學教育對公民的科學素養培養具有基礎性、根本性的作用，抓住中學這一科學教育的黃金期，是全面提高每一個學生科學素養的關鍵。

科學本質是科學教育最為關鍵的核心要素，是科學知識、科學能力、科學態度等其他組成要素的基礎?！罢J識科學本質有助于促進學生科學認知、科學探究能力和科學情感、態度和價值觀等方面的發展，有助于提高學生的科學素養?！盵1]美國、英國、澳大利亞、加拿大等國家的國家科學教育標準中都提出要把培養學生對科學本質的理解作為科學教育的重要內容。要提高科學教育的質量與效果，就必須重視培養學生對科學本質的理解。

一、科學與工程實踐對于科學本質教育的意義

分科課程是我國在義務教育階段開展科學教育的主要形式。一方面，各分科自然科學課程標準沒有將促進學生對科學本質的認識作為教育教學顯性的、共同的目標。另一方面，自然科學課程遵循的主要還是學科知識邏輯，在科學方法、科學能力、科學思維、科學本質理解等方面互通不足，存在“素養提升無意識”“素養培養各自為戰”等問題。

調查顯示，初中生的科學素養在科學態度、科學知識、科學能力和科學本質理解等不同維度上發展不均衡，并且彼此之間存在一定的相互影響。其中，科學本質理解水平與科學知識、科學能力水平直接相關，且都受到科學態度的影響;而學生的學習方式，影響了科學態度水平，并正在影響著學生的科學知識水平和科學能力。

“科學與工程實踐”強調科學研究和工程設計在發展科學概念、深化科學本質理解、培育科學精神中的價值，強調思維與實踐的統一。一方面，“從事工程實踐、科學應用以及認識科學與工程之間的相互作用關系是科學學習的重要內容”[2];另一方面，“實踐”是科學學習的特點，是科學本質理解不斷發展的主要途徑，還是與青少年的學習特點相匹配的學習方式。因此，包括科學探究在內的科學與工程實踐活動，就成為提高學生科學素養、發展學生科學本質理解的第一選擇。

但是，目前初中階段工程技術教育極其薄弱，教學側重技能訓練，對于利用工程技術幫助學生應用科學、理解科學、體驗樂趣、領悟價值挖掘不到位，割裂了科學教育與科學素養提升之間的關聯。

二、科學與工程實踐活動的設計策略

科學本質是關于科學知識、科學過程、科學價值等的知識，理解科學本質需要以相關的陳述性知識、程序性知識、策略性知識為認知對象，對它們進行批判性思考。因此在聚焦發展學生對科學本質的理解而設計實踐活動時，必須基于學習者的生活經驗、學習特點、思維水平，必須考慮觀念內隱、頑固的特點，為觀念碰撞提供組織保障，引發學習者的自我反思，以促進觀念改變。

1.明示科學本質理解目標

當下科學教育的內隱邏輯是學生在做科學、學知識的過程中，自然伴隨著對科學本質的思考。這種假設是以成人學習過程為參照的，沒有考慮到學生的年齡特點、學習特點和認知特點。初中學生對科學抱有較為強烈的好奇心，容易被有趣的事物吸引;在認知上處于由形象思維向抽象思維轉化的中間階段，在深刻理解上存在困難;當學習上缺乏剛性、顯性的目標時，學習難以不斷深入。教師明確實踐活動目標，有利于明確學習任務導向，幫助學生聚焦思維，突破認知屏障，增加思維的深度。研究表明，顯性的方法是發展學生理解科學本質的有效方法之一，也有利于教師在準備教學時有針對性地設計教學活動和教學問題，在實施教學、組織活動時自覺、有意識地調控教學行為。教師在反思教學成果時，也可以此目標為量標分析學生學的效果、審視教師教的行為。

2.科學教育活動主題化

科學本質觀是一個整體，不管是在個體的觀念認知上，還是在個體的實踐應用中，都是無法分割的。主題活動可以將科學本質觀發展的目標融于實際任務中，既創設了科學的應用情景，又避免了科學本質觀的割裂，還為師生互動、生生互動提供了話語背景。

科學本質的內涵是多元的，學生的理解水平是多層的，學生的觀念發展需要循序漸進。要促進學生對科學本質理解的發展，就必須有一個個主題活動，圍繞著科學探究與工程設計領域常見的實踐任務展開;通過不同的實踐主題，側重科學本質觀的不同層面;通過發展一個層面上學生對科學本質的理解，帶動相關層面的發展，做到以點帶面，實現整體與部分的協同發展。例如，在“猜想與設計”主題中，學生通過觀察、設計、檢驗“魔筒”的活動，一方面可以體會科學知識的暫定性本質，另一方面還可以體會到科學認知世界的價值和不固定的科學探究模式等。

3.創設學生主動學習的場域

主動的學習需要打通學生學習的情感障礙，需要能與學生產生認知共鳴的實踐課題。因此設計實踐活動課題時，首先需要以科學與工程實踐主題為線，以發展學生科學本質理解為綱。還需要基于學生的學習經驗，選擇恰當的課題內容，設計恰當的活動形式。例如，初中學生面對學習任務時，多數是“玩”的心態。為了激發學生的學習熱情，實踐活動的主題不妨突出“玩”科學，活動材料也應適當選擇學生身邊的生活物品。設計實踐活動，還需要考慮學生的學習風格。探究是科學實踐的主要形式，強調頭腦思維的推進，工程設計是工程實踐的常見形式，多以動手為主。前者重視科學概念的發展，后者重在應用科學知識。以工程實踐為表，以科學探究為里的實踐活動，可以很好地把科學與工程實踐統一起來，既切合初中學生的認知風格—動手先于動腦，動手帶動動腦，又為學生在實踐中運用科學、反思科學、體會科學與工程以及科學與社會的關系提供了平臺。

4.促進學生深度思維參與的形式保障

深度的思維參與，需要明確思維方向、集合個體思維以產生思維的“針刺”效應;深度的思維參與還需要思維的時間和空間。設計實踐活動時，需要設計引導性問題以推進學習活動。問題是思維的驅動器，是思維的導火索，思維總是產生于問題，思維與問題相伴而生。引導性問題既要給出思維發展的線索，指向科學本質，又要提供思維參與的寬度，保證深度討論的空間，以呈現不同個體的科學本質理解。

設計實踐活動，還需要增加反思性任務以驅動思維深入。內隱觀念的指導作用體現在學生在實踐過程中，總是在自覺踐行著自己的“潛在科學本質觀”。要發展學生的科學本質理解，就需要使其當下的科學本質理解從潛在水平外顯、表現出來，經歷個體對實踐過程與結果的反思乃至動搖，進而改變，從而發展出科學本質理解的路徑。

實踐活動應以小組活動為主，通過問題引導，為產生頭腦風暴、觀念碰撞提供可能，對個體與團體當下的科學本質認知進行批判性思考，觸發個體的自我辯護機制，推動個體理解科學本質能力的發展。

還需要適合的活動方案統整以上要素，在設計層面上最大化地保證實施效果。編制實踐活動方案時，可以通過主副標題的形式明確實踐主題與活動課題，在“背景”欄目中介紹課題資料、激發實踐興趣，設置“活動目標”明示科學本質理解發展目標，通過“活動形式”明確實踐活動開展的組織形式與任務要求，通過“活動過程”“問題”“小結”等欄目驅動任務、聚焦關鍵、引導思考、觸發反思。

5.基于學生學習反饋保持動態調整

以發展學生的科學本質理解為基本追求的科學與工程實踐活動也不能一成不變，需要持續對學習者的學情、科學本質理解的發展階段、學習特點等進行調查，并結合科學本質教育發展的現實情況不斷調整。下面這段文字是一位初二學生的學習反思。

在我看來，科學是指人類對于世界乃至宇宙中一些現象的研究過程和研究成果。我認為，探究的過程相較于成果更為重要，因為這是一個鍛煉思維的過程。首先，你要用發現的眼睛去觀察生活，發現一些自己一時無法解釋的現象，并提出相應的問題;其次，你要就此問題做出假設，對可能的解釋進行猜想;接下來要動手驗證，通常要做實驗得出數據并進行分析;這時會出現兩種情況—證實或證偽，若證實，大功告成，若證偽，重新猜想、假設。只要你仔細觀察，科學無處不在。

本學期的課程中，令我印象最深的是運送薯片到另一面墻的“游戲”。要求在不借助外力的情況下，將一片薯片由一面墻運向對面的墻，且薯片不能碎，運輸時間最短的小組獲勝。我們組的同學們經過嚴謹的考慮和積極的討論，多次修改方案，最終的裝置大致是……利用此裝置，我們的用時很短。但最快的那一組是利用擺動實現的。

“玩科學”給我最大的收獲是：并不是每個探究都有答案。不然何謂“探究”？

通過分析學生的反思，我們發現學生對科學知識及其產生與發展的本質、科學探究的本質等有了一定的認識，在“魔筒”“紙螺旋”“薯片郵寄”等近20個實踐項目中，這樣一種表達，既說明了實踐活動在發展學生對科學本質的理解中的有效性，又呈現了實踐活動與學生學習需求之間的契合度，也為教師后續改進實踐活動的設計與實施提供了方向。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.義務教育初中科學課程標準（2011年版）[M].北京：北京師范大學出版社，2012.

[2] National Research Council. A Framework for K-12 Science Education： Practice， Crosscutting Concepts， and Core Ideas[M]. Washington， D.C： the National Academies Press， 2011.

本文系北京市教育科學“十二五”規劃2014年度青年專項課題“校本科學啟蒙課程‘玩科學的設計與實施—基于‘科學與工程實踐的理念”（課題編號CBA14049）階段性研究成果。

（作者單位：北京師范大學附屬實驗中學）

責任編輯：孫昕

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