理解科學事業(yè)：科學教育學科實踐的內(nèi)涵與教學

編者按

以核心素養(yǎng)為綱的義務(wù)教育新課標，強化學科實踐，注重“做中學”，引導學生參與學科探究活動，經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、建構(gòu)知識、運用知識的過程，體會學科思想方法；要求以學科實踐為抓手，探尋把知識轉(zhuǎn)化為素養(yǎng)的機制和原理，促進學科核心素養(yǎng)培育。學科實踐旨在促進學生理解、運用與轉(zhuǎn)化學科知識，是學科特有的實踐，是構(gòu)建新型教學方式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本期聚焦“學科實踐”話題，遴選3篇文章，以饗讀者。

［摘要］ 從科學探究的本義及其不同方式的理解中，分析科學教育教與學“講授—探究—實踐”嬗變的意蘊。從實踐的“認知—改造—融入”行為特性中，梳理出實踐的內(nèi)容、內(nèi)涵及分學科教學跨學科實踐的含義，提出以研究和設(shè)計為中心實施學科實踐的“體驗—實踐—抽象”三環(huán)節(jié)的路徑。

［關(guān)鍵詞］ 科學事業(yè)；科學與工程實踐；跨學科實踐；研究和設(shè)計為中心

物理、化學、生物學等科學教育學科在2022年課標中都提出了“跨學科實踐”或“跨學科主題學習”。從2011年課標的“科學探究”到2022年課標的“實踐”，這種發(fā)展演變有何深層意蘊？現(xiàn)從理解科學事業(yè)的角度闡述科學教育學科實踐的內(nèi)涵與教學。

一、講授—探究—實踐：科學教學的嬗變

（一）科學探究本義及其不同方式的理解

科學中的探究是科學知識的形成過程。一個科學家注意到自然界中一個不尋常而有趣的現(xiàn)象，表現(xiàn)出好奇，產(chǎn)生疑問并投入其中；他從已有的專業(yè)知識背景中提出更加集中的科學性問題；他使用技術(shù)和數(shù)學方法進行探索，收集數(shù)據(jù)和信息，進行分析與歸納，比較先前的研究成果，進行邏輯推理形成證據(jù)，基于證據(jù)構(gòu)建模型解釋現(xiàn)象回答問題，并在評估檢驗后增加解釋以達成自己的觀點主張；他基于證據(jù)和推理，創(chuàng)造新的科學語言，詳盡闡述其觀點并公開發(fā)表；更多的科學家依據(jù)各自的學科專業(yè)知識背景，在新證據(jù)的基礎(chǔ)上延伸或修訂原來的解釋，相互交流自己的假說、思想和觀點，作為可能的政策咨詢來源，從而形成方法、規(guī)則、標準，以及那些今天被我們認定的科學知識。如是，科學探究是人類循證解釋的社會性認知行為。

“探究”一詞在整個科學教育中被廣泛使用，存在多種不同方式的理解。探究有時會與任何動手體驗混為一談，但動手體驗并不一定會產(chǎn)生有意義的體驗，幫助學生參與科學概念的建構(gòu)、認知及社會聯(lián)系，而且探究也并不一定要動手體驗，比如學生可以通過歷史案例研究或不同文本的比較來進行探究，而無須開展實驗活動或進行數(shù)據(jù)收集。現(xiàn)實中，往往把課堂科學探究等同于學習“科學思維方法”“科學實驗方法”，這些被科學方法主導的、教條化的課堂探究簡化掉了對真實科學研究意義重大的部分，導致將科學探究縮減為層次更低的實驗探究，并且探究與現(xiàn)象、內(nèi)容相分離，被等同于傳授和套用步驟，致使活的探究變成“執(zhí)行教師設(shè)計好預(yù)先計劃結(jié)果的探究方案，收集數(shù)據(jù)后全班匯報分享”的一種“烹飪書”式實驗操作，或者把探究設(shè)計成“擰螺絲”一般的動手裝配活動。

（二）探究變?yōu)閷嵺`，更好地詮釋科學本質(zhì)

科學教育的基本目標之一是培養(yǎng)能夠理解科學本質(zhì)的人。對科學本質(zhì)的基本理解是：科學是人類的奮斗事業(yè)；科學研究使用多種方法；科學知識基于經(jīng)驗證據(jù)；科學知識可根據(jù)新的證據(jù)進行修訂；科學模型、規(guī)律、機制和理論能夠解釋自然及人工智能現(xiàn)象；科學是一種認知方式；科學知識假設(shè)在自然系統(tǒng)中具有一致性；科學回答關(guān)于自然和物質(zhì)世界及人工智能世界的問題。深入探究科學是人類奮斗事業(yè)的價值所在。2013年，美國公布了《新一代科學教育標準》（NGSS），強調(diào)跨領(lǐng)域共同概念，促進學生參與科學與工程實踐，加深學生對學科核心概念的理解。NGSS以復數(shù)形式的“科學與工程實踐”為核心，旨在更好地闡述和拓展科學“探究”的含義，以及其所要求的在認知、社會和自然規(guī)律方面的實踐范圍，與所有基于探究的科學教學方法一樣，期望學生親身參與實踐而徹底理解科學的本質(zhì)，而非僅僅通過間接學習，了解科學知識。

參與實踐可以讓學生從整體上理解科學事業(yè)。科學既是一個歷史積累的知識體系，代表了對自然系統(tǒng)的當前理解，也是用來提煉、闡述、修訂和擴展這些知識的實踐過程。如果沒有親身體驗科學實踐，學生就無法理解科學實踐，也無法充分理解科學知識的本質(zhì)，更不能理解科學事業(yè)。各學科科學知識唯一一致的特征是，科學知識本身可以根據(jù)新的證據(jù)進行修訂。在基礎(chǔ)教育的課堂上，問題是如何解釋自然世界，以及什么構(gòu)成了充分的、基于證據(jù)的科學解釋。參與實踐獲得的見解有助于讓他們認識到，科學家和工程師的工作是一項創(chuàng)造性的奮斗事業(yè)，它深深地影響了人們生活的世界；科學和工程可以為應(yīng)對當今社會面臨的許多重大挑戰(zhàn)做出貢獻，如尋找足夠的能源、預(yù)防和治療疾病、維持淡水和糧食供應(yīng)、應(yīng)對氣候變化等。但當前主要關(guān)注的是科學事實，而不了解這些事實是如何建立的，或者忽視科學在世界上的許多重要應(yīng)用。這樣的教育歪曲了科學，并邊緣化了工程的重要性。技術(shù)和工程是滿足人類需求、求知欲的手段。科學性問題如果沒有延伸到工程、技術(shù)，以及日常生活和社會發(fā)展的環(huán)境中，學生的探究學習就會缺乏收集數(shù)據(jù)的豐富手段和廣泛基礎(chǔ)，導致解釋的證據(jù)牽強附會和以偏概全，形成有缺陷的探究。人類的創(chuàng)新行為更多地體現(xiàn)在改造自然的工程設(shè)計和技術(shù)迭代中，脫離了工程和技術(shù)，就是對探究的社會性認知行為缺乏全面理解，也就缺乏了創(chuàng)造之源泉。

二、認知—改造—融入：學科實踐的內(nèi)涵

（一）科學與工程實踐的內(nèi)容和特征

NGSS中的科學與工程實踐包括：提出科學性問題和定義工程性問題；開發(fā)和使用模型及原型；規(guī)劃并開展調(diào)查研究；分析和解讀數(shù)據(jù)；使用數(shù)學和計算思維；建立對現(xiàn)象的科學解釋和設(shè)計解決工程問題的方案；參與基于證據(jù)的論證；獲取、評估和交流信息。這八種實踐描述了科學家用來研究與建立有關(guān)整個世界的模型和理論的主要的科學實踐，以及工程師用來設(shè)計和建造系統(tǒng)的一套關(guān)鍵的工程實踐，它們并不是分離而孤立運作的，而是有意地被重疊和互連，往往被依次展開，但也可以跳躍或返回。例如，“提問”的實踐可能帶來“建模”或“規(guī)劃和進行調(diào)查”的實踐，反過來也可能帶來“分析和解釋數(shù)據(jù)”。“數(shù)學和計算思維”的實踐可以包括“分析和解讀數(shù)據(jù)”的某些方面。論證是就解釋和設(shè)計解決方案達成一致意見的過程。在科學中，基于證據(jù)的推理和論證對于確定自然現(xiàn)象的最佳解釋至關(guān)重要。在工程中，需要推理和論證來確定設(shè)計問題的最佳解決方案。如果學生要了解科學家生活的文化，以及如何應(yīng)用科學和工程造福社會，那么學生參與科學論證就至關(guān)重要。因此，論證是一個基于證據(jù)和推理的過程，可以得出科學界可接受的解釋和工程界可接受的設(shè)計解決方案。科學界的論辯超出了在解釋與設(shè)計解決方案方面達成一致的范圍。科學家和工程師在調(diào)查研究一種現(xiàn)象、測試設(shè)計解決方案、解決測量問題、建立數(shù)據(jù)模型和使用證據(jù)評估觀點時都會進行論證。閱讀、解釋、制作科學與技術(shù)文本是科學和工程的基本實踐，能夠幫助學生培養(yǎng)清晰而有說服力的溝通能力。

（二）實踐的內(nèi)涵體現(xiàn)于循證和創(chuàng)新

教育上的實踐是一個學生“認知—改造—融入”的過程。學生參與科學實踐有助于他們理解科學知識是如何發(fā)展的，這種直接的參與使他們能夠理解用于調(diào)查研究、建模和解釋世界的各種方法，探索未知并解釋現(xiàn)象，不斷論證、重構(gòu)概念，從而達成對科學世界的一致理解，這是一個社會性的群體認知行為。學生參與工程實踐同樣有助于他們理解工程師的工作，以及工程和科學之間的聯(lián)系，同時促進他們理解科學和工程跨領(lǐng)域的共同概念，在認知的過程中構(gòu)建模型、創(chuàng)建原型、設(shè)計解決問題的方案，創(chuàng)造出自然世界中沒有的事物（比如手工作品、工具、文本、軟件等），這也是一個能動的改造自然的過程。學生經(jīng)歷實踐性學習，使他們的知識更有意義，建構(gòu)的科學內(nèi)容與觀念融入日常生活、工程實踐和社會發(fā)展，融入社區(qū)、自然和社會等客觀世界，實現(xiàn)人與自然世界、人工智能世界的和諧相處，并把科學態(tài)度與責任、科學思維和價值觀根植于心。“解釋”和“改造”是人類奮斗的科學事業(yè)。“推理”“建模”“論證”是科學實踐的主要行為，解釋和論證的基礎(chǔ)是循證，改造的基礎(chǔ)是創(chuàng)新。科學教育上的實踐，其本質(zhì)是通過“循證”（循證推理和論證，循證解釋和預(yù)測）和“創(chuàng)新”，培養(yǎng)理性的批判性思維和保持想象的創(chuàng)造性思維。

（三）分學科教學的跨學科實踐的理解

分學科教學的實踐自然而然要跨學科。科學世界是系統(tǒng)的，工程世界是協(xié)作的，它們都是整體的。任何一項科學或工程活動，在內(nèi)容上是不能割裂的，至少與數(shù)學和技術(shù)的聯(lián)系是必需的。真實問題來源于現(xiàn)實世界，本來就具有跨學科的特點。設(shè)計一個模型、解釋一個現(xiàn)象、優(yōu)化一個設(shè)計，都會用到不止一個學科的知識。在“實踐”前面加上“跨學科”三個字只是為了突破現(xiàn)實中分學科教學導致的學科本位的限制，通過實踐讓學生在理解學科核心概念的基礎(chǔ)上，進一步理解科學教育中具有共性的跨領(lǐng)域共同概念：模式；因果機制；尺度、比例和數(shù)量；系統(tǒng)和系統(tǒng)模型；能量與物質(zhì)；結(jié)構(gòu)和功能；穩(wěn)定性與變化。

分學科教學的跨學科實踐有其現(xiàn)實含義。（1）解決問題，推動教學和育人方式深入改變。由于學科本位導致學科之間的知識斷裂而無法融合，學生知識碎片化、實際解決問題能力不強、知識的遷移度太低等，加上傳統(tǒng)教學中活動導向的設(shè)計缺乏對存在于學生頭腦中的重要概念和恰當學習證據(jù)的明確關(guān)注，讓學生誤以為只要自己參與活動就等于學習，缺乏對活動真正意義的深刻思考，從而導致學生對自然界、科學活動和人類社會缺乏整體、全面、深入的認識和理解。跨學科實踐不僅是教學理念發(fā)展的需要，也是解決學科教學中現(xiàn)實問題的需要。（2）立足學科，拓展內(nèi)容到生活、工程和社會。依據(jù)目前義務(wù)教育的課程設(shè)置，各學科的跨學科實踐要立足本學科課程，再“跨”出本學科的視野，把學習內(nèi)容拓展到日常生活、工程實踐和社會發(fā)展中。跨學科實踐應(yīng)該按問題解決的真實需要，立足學科核心概念設(shè)計跨學科的學習內(nèi)容和方式，使學生在解釋一個現(xiàn)象或完成一項工程任務(wù)的實踐過程中使用技術(shù)并把內(nèi)容延伸到其他學科，以理解跨領(lǐng)域的共同概念。（3）減負增效，在應(yīng)用中學習可遷移的新知識。在此次修訂過程中，跨學科實踐作為2022年課標中課程內(nèi)容的重要組成部分和必備學習內(nèi)容，與其他一級主題享有同等的地位，而不是對某些課程內(nèi)容的拓展應(yīng)用。比如，物理學科就將2011年課標中“1.4新材料及其應(yīng)用”“3.6能源與可持續(xù)發(fā)展”中的內(nèi)容進行整合，歸入2022年課標中“跨學科實踐”的“5.3 物理學與社會發(fā)展”中，知識內(nèi)容在數(shù)量上沒有較大的變化。跨學科實踐不僅是應(yīng)用知識的過程，也是學習新知識的過程。要想落實減負增效，在開展跨學科實踐時，就不能額外增加新的課時量作為知識綜合應(yīng)用的環(huán)節(jié)而增加學生的學業(yè)負擔。

三、體驗—實踐—抽象：學科實踐的教學

如圖1所示，以研究和設(shè)計為中心進行學科實踐，“體驗”“實踐”“抽象”三環(huán)節(jié)使活動和內(nèi)容結(jié)合，讓學生解釋自然現(xiàn)象和應(yīng)對工程挑戰(zhàn)，可以提高他們對世界運行方式的理解，增加他們對科學和工程的概念性理解并重構(gòu)可遷移的大概念，提高他們推理與解決問題的能力。這種學習可以更清楚地闡明在構(gòu)建科學知識時，探究是什么樣子的，包含理解現(xiàn)象和設(shè)計挑戰(zhàn)、收集與分析數(shù)據(jù)信息、構(gòu)建解釋和設(shè)計解決方案、與自己和他人交流推理、聯(lián)系多種情境學習。

1.基于標準，聯(lián)于現(xiàn)象。實踐的內(nèi)容基于課程標準。實踐活動設(shè)計對應(yīng)課程標準，確保學術(shù)的嚴謹性，將活動與有意義的學習目標對應(yīng)；成果的評價標準來自課程標準，明確且具體地給出了掌握程度的說明；學生的學習支架、批判性反饋和修改的規(guī)程、評估、評價量規(guī)，自始至終都指向并支持學生可達成的課程目標。科學現(xiàn)象發(fā)生在自然界和人類創(chuàng)造的工程、人工智能世界中，可以被觀察到并引起人們的好奇和疑問。實踐關(guān)聯(lián)于當?shù)匚幕铜h(huán)境中的現(xiàn)象，為培養(yǎng)對三維科學和工程知識的有意義理解提供平臺和機會，利用證據(jù)來理解教室之外的自然和工程世界。

2.源于好奇，激于挑戰(zhàn)。兒童的學習動機來源于好奇與興趣、任務(wù)與挑戰(zhàn)、理想與成就。利用學生的好奇心，通過選擇吸引學生的有趣現(xiàn)象和設(shè)計挑戰(zhàn)性任務(wù)（包括與當?shù)匚幕嚓P(guān)的挑戰(zhàn)）來激發(fā)學習興趣。在非預(yù)知的學習區(qū)，哪怕一個簡單事件，當用科學的眼光看待時，往往都會引起學生的好奇心。這種驚奇是參與的開始，使學生在參與中尋求問題的答案，能夠保持他們天生的好奇和探索世界的欲望。

3.始于問題，載于項目。科學始于提出科學性問題，工程始于定義要解決的工程性問題。工程也可能涉及提出科學性問題來定義工程性問題。以項目為載體驅(qū)動學科實踐，將課程學習與真實的生活應(yīng)用相結(jié)合，并以成功完成時的喜悅來喚醒理想、希望和意志，同時強化學習動機。3.0科學教育以科學與工程實踐為核心，突破學科限制，采取整體學習等策略，以現(xiàn)實問題為挑戰(zhàn)，以大概念為線索整合學術(shù)內(nèi)容，圍繞科學主題和工程項目整體設(shè)計表現(xiàn)性任務(wù)與嵌入式評價，重構(gòu)基于現(xiàn)象和標準的課程單元，鼓勵學生主動參與循證推理、建模及創(chuàng)建原型、循證解釋、設(shè)計解決問題的方案并論證的實踐，完成高質(zhì)量的PBL項目或STEM工程任務(wù)，促使學生獲得可遷移的知識，實現(xiàn)深度學習，從而深刻理解科學、工程和技術(shù)的世界。

4.學于研究，修于設(shè)計。以研究和設(shè)計為中心的學科實踐，采用5E（Engage·Explore·Explain·Elaborate·

Evaluate）教學模式，學生在研究中學習，在設(shè)計中修真。如圖2所示，一些獨立的傳統(tǒng)活動模式，如以教師為導向的I-R-E（Initiate-Response-Evaluate）模式，即“教師發(fā)起提問—學生響應(yīng)回答—教師總結(jié)評價”，不再以相同的形式存在，而實驗室只是學生和教師參與的眾多活動之一；學生通過如何提問、收集信息、評估證據(jù)和發(fā)展解釋來推動學習與研究；從左到右的箭頭突出了從傳統(tǒng)方法到科學與工程課程中心的研究、設(shè)計的轉(zhuǎn)變。

綜上所述，以研究和設(shè)計為中心的學科實踐，需要學習內(nèi)容和空間的重構(gòu)，需要學生和教師角色與身份的重塑。學生要從被動學習者轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訁⑴c者，以科學家和工程師的方式認知、改造和融入世界，理解科學事業(yè)，提高批判性思維能力和創(chuàng)新能力。教師要提供學習的路徑、支架、策略，從知識傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)閹熒鷮W習共同體的組織和參與者、學生探究與設(shè)計的引導和商量者、課程資源平臺的開發(fā)者和管理者，從科學教育的教師轉(zhuǎn)變?yōu)榻虒W育人的師者。

［本文系長沙市教育科學“十三五”規(guī)劃2020年度立項課題“初中大概念科學教育深度學習實踐研究”（項目編號：CJK2020027）研究成果］

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