有效失敗：社會性科學議題教學的設計研究*
——以“二氧化碳的轉化”教學為例

王豪鐘|浙江省杭州市丁荷中學

新課改要求落實立德樹人根本任務，培育學生學科核心素養。然而傳統的科學課堂教學，往往深陷去語境化習得知識的窠臼，割裂了知識與現實生活的關聯，這就要求教師在社會文化情境中優化課程和教學的設計與實踐［1］。因此，筆者試圖從“有效失敗”的視域審思“社會性科學議題”的教學路徑，從而建構一種學科核心素養融合發展且頗具效力的教學模式。

“有效失敗”立足于對學生未來的意義，以提高學習的長期保持和遷移效果為目的，通過在教學中有意增加“值得追求的困難”，并輔以教師適時適量的支持，使學生通過反思、評估、調節等方式發展思維，獲得對知識更為全面的認知［2］。

一、科學教育中社會性科學議題教學的實踐之困

隨著一系列科學教育改革的有序進階，國內科學教育領域愈加關注科學、技術、社會、環境間的和諧發展。但是，筆者基于文獻和訪談發現，當前科學教師在社會性科學議題教學與學科教學的有效融合上還存在巨大挑戰［3］，這主要表現在以下幾個方面。

（一）囿于議題教學形式表演之弊

當前我國科學學科議題教學游走于形式表演的邊緣，忽視了其內在特質［4］。一方面游離于學科教育，教師沒有探析學生的認知發展結構，議題情境不能激發學生內心世界的共鳴，教學目標與內容在知識、思維等層面缺乏邏輯關聯。另一方面過度強調社會性科學議題的真實性、實踐性，沒有經過加工和剪裁，就粗暴地將其與課程目標、內容相聯結，使學生難以提取有效信息，難以系統建立情境與學科知識的內在邏輯。

（二）疏于科學態度素養培育之困

《義務教育科學課程標準（2022 年版）》（以下簡稱“《課程標準》”）雖然沒有明確闡釋社會性科學議題，但從“態度與責任”“科學·技術·社會·環境”等視角進行了強化或詮釋。但是，據一線調查研究發現，教師仍聚焦于學生對科學知識的習得，沒有很好地利用教材設置的議題素材，對學生的探究實踐、論證推理、決策制訂、信息有效提取等一系列能力進行培養，也不愿意過多地探討倫理性問題。這種身披議題教學皮囊，實則只重視與科學相關的事實性知識的教學行為，給學生在核心素養發展的道路上設置了藩籬。

（三）止于議題教學模式認識之臼

社會性科學議題教學研究在國際上的發展已相對成熟，而國內在這一領域的實踐與發展則相對滯后。李諾等人系統梳理了國內有關社會性科學議題主題的研究，發現絕大部分局限于綜述性研究和教學實踐的嘗試，對框架和模型研究甚少［5］。由于缺乏社會性科學議題的系統性研究，當前我國未能建構出明確的教學范式與模型，以支撐議題教學實踐的有效開展。

由此觀之，當前我國亟須建構本土化的社會性科學議題教學模式及實踐路徑，幫助一線教師明晰傳統科學教育與社會性科學議題教學的關聯，洞悉社會性科學議題教學的本質并初步掌握其實踐路徑，從而為學生核心素養的發展提供更多可能。

二、社會性科學議題與“有效失敗”理論契合之據

（一）研究方法

本研究通過中國知網（北大核心和CSSCI數據庫）平臺，以2000—2023 年為時間跨度，以“社會性科學議題”“有效失敗（啟發性挫敗）”為主題詞進行檢索，分別檢索到61 篇和14 篇中文文獻。通過系統分析遴選，最后分別得到有代表性的文獻46 篇和5 篇。對篩查結果進行一致性檢驗，肯德爾和諧系數分別為W=0.828和W=0.818。當W＞0.75 時，編碼信度高，故本研究篩選得到的論文符合選題要求。

（二）研究發現

雖然“有效失敗”理論主要是在單一學科和STEM 教學中得到價值實證，但正如“認知負荷”理論認為的，事實性和程序性知識的協同作用是進行深度理解和劣構問題解決的基礎。社會性科學議題教學作為學科教學的有益補充，勢必也要應用學科基本概念和知識，因此針對“有效失敗”理論的實踐是可廣泛遷移的。此外，筆者通過文獻研究發現二者在以下三個方面高度契合。

1.宏觀層面——從教學設計思路來看，順應“先做后學”的實踐邏輯

邴杰等人認為社會性科學議題教學中的學習發展脈絡是“體驗—反思—理解”，體驗的是社會性科學議題活動的評價、決策和解決，反思的是內涵的思維邏輯，理解的是知識、實踐和責任［6］。楊玉芹認為“啟發性挫敗”的核心設計原則有：（1）設計富有挑戰卻不會深陷沮喪的情境，同時要激發學生對研究問題提出多樣化表征與決策；（2）創造對問題研究過程和結果進行解釋、精致的機會；（3）讓學生有機會對正統的決策與各種不夠好的解決策略進行省察和反思［7］。

2.中觀層面——從教學組織樣態來看，依據“學為中心”的內涵邏輯

在“學為中心”的組織樣態下，二者均注重合作學習，營造安全的學習氛圍。石雨晨認為在開展議題教學時，教師應當給學生創設一個安全、民主的課堂氛圍，鼓勵學生與同伴協商、思考［8］。邴杰等人認為教師需要讓學生樹立充分思考的信念，要鼓勵他們對自己的觀點和實踐進行論證、反思［9］。張忠華等人認為在“啟發性挫敗”教學中，同伴的合作對于聚合和提煉新概念和知識起了關鍵作用［10］。劉徽等人認為“有效失敗”教學要營造“潤澤”的課堂氛圍，引導學習者以合作和協作的學習方式面對遠遷移的挑戰任務［11］。曹鷺認為設計安全的探究、分享環境尤為重要，能使學生從“啟發性挫敗”中受益［12］。

3.微觀層面——從教學理論源頭來看，遵循“未來學習準備”的理論邏輯

李諾等人認為基于社會性科學議題的教學能夠提升學生的科學素養，幫助學生更好地走向未來社會［13］。邴杰等人認為社會性科學議題教學要錨定其所具有的社會性、科學性、爭議性等特征，讓學習者在社會文化的情境中獲得論證、實踐、決策、評價信息來源的能力，進而培育學生成為具備社會責任的未來公民［14］。曹鷺認為“未來學習準備”是支撐“有效失敗”的重要底層學習理論，其拓展了對知識遷移的認知［15］。劉徽等人認為“有效失敗”教學應立足于對學生未來之意義［16］。

三、科學教育中社會性科學議題教學的設計之策

（一）社會性科學議題教學設計重構的理論原型

1.Sadler的SSI-TL框架

Presley & Sadler 提出社會性科學議題三要素概念框架（包含學習氛圍等影響因子）。Sadler 研究團隊借助三要素概念框架，將社會性科學議題教育目標與美國《國家科學課程標準》中的課程目標相聯結，建構了SSI-TL（Socioscientific Issues Teaching and Learning）教學模型（如圖1所示，有所改動）［17］。該模型以學生的學為中心，在科學活動中促進學生發展認知理解能力和基于證據的推理能力，提升道德倫理觀，進而形成良好的性格。

圖1 SSI-TL 教學模型

2.“有效失敗”教學的核心觸發機制

卡普爾簡單闡釋了“有效失敗”教學的原理與機制。洛伊布爾在卡普爾的基礎上，提煉了問題解決和學法指引的交互機制。曹鷺深化了前述研究成果，提出“有效失敗”的2個階段與4 個核心機制作用的邏輯理路。筆者在其基礎上提煉和建構了“有效失敗”的3 個階段和6個機制（如圖2所示）。

圖2 “有效失敗”的3個階段和6個機制

3.卡普爾的“有效失敗”教學設計模型

卡普爾在一系列實證研究后發現，“有效失敗”組（前期無學習支架，學習者僅靠現有認知開展問題解決的探索，當學習者遭遇失敗時，他們通過協作學習明晰問題解決的多種策略，并通過伙伴間的分享與評價以及教師的適切指導，掌握問題解決策略）的遠近遷移能力明顯強于“直接指導”組，由此提出了“有效失敗”教學設計理論與模型。“有效失敗”教學設計模型如圖3所示［18］。

圖3 “有效失敗”教學設計模型

（二）基于“有效失敗”的社會性科學議題教學設計模型建構

綜合以上三種理論原型，同時在張忠華對“啟發性挫敗”教學模式的研究［19］，以及劉徽等人提煉“有效失敗”的“兩大階段、五個步驟、三個維度”教學設計模型［20］的啟發下，筆者提煉和建構了基于“有效失敗”的社會性科學議題教學設計模型（如圖4所示）。

圖4 基于“有效失敗”的社會性科學議題教學設計模型

筆者將劉徽等人所提出的“三個維度”調整為“四個維度”，即學習氛圍設計、教學目標設計、學習任務設計、參與結構設計，使內涵更加清晰，同時將卡普爾的“兩階段”拓展為“三大階段四小階段”，即提取建構設計（提取與建構）、教學過程設計（包含生成與探索、整合與鞏固）、遷移反饋設計（遷移與反饋），并給每個階段都設計了若干個操作步驟。

四、科學教育中社會性科學議題教學的實踐之徑

下面以“二氧化碳的轉化”教學為例，闡述科學教育中社會性科學議題教學的實踐路徑。

（一）“有效失敗”社會性科學議題教學的提取建構設計

該階段內嵌三個步驟：一是依據《課程標準》、教參及核心文獻錨定教學目標，提取核心概念（如圖5 所示）；二是通過調查、半結構化訪談等途徑提取班級學生對于“二氧化碳的轉化”的現有知識、經驗與困惑；三是以“二氧化碳的轉化”原理為認知原點設計方案、探究實踐、論證思考和遠近遷移，建構議題核心概念的認知發展結構圖（如圖6所示）。

圖5 “二氧化碳的轉化”核心概念結構圖

圖6 “二氧化碳的轉化”認知發展結構圖

（二）“有效失敗”社會性科學議題教學的教學過程設計

“有效失敗”社會性科學議題教學過程范型包含兩階段、四維度。兩階段指源于學習者同真實世界與科學知識間的交互作用而互動建構的兩個階段，即“生成與探索”“整合與鞏固”。這兩個階段內嵌有五個步驟：一是議題聚焦，與學科概念和社會焦點聯結；二是在紛繁復雜的社會性科學議題活動中發展學習者對“學科概念、交叉概念和科學實踐”的理解，同時利用社會性科學推理對決策作出預判，在前述環節交互的過程中激活已構知識與經驗；三是團隊協作生成多樣化的議題解決方案；四是評價交流反思議題的深層結構，這一環節由學生主導，主要圍繞具有爭議性的核心問題開展民主式論證；五是針對學生的解決方案建立有效的指導。同時，四個維度都應上升到大概念范疇進行整體設計。

1.學習氛圍設計

在“生成與探索”階段，教師要為學生創設針對目標概念“失敗”的體驗，為防止學生陷入“無效失敗”而產生厭倦情緒，學習氛圍的設計要依托元認知、情感態度等支架展開，引導學生從科學、經濟、倫理道德等層面思考，營造安全的社會性科學推理環境。如“二氧化碳的轉化”教學中，在問題討論和議題解決方案初設環節，教師表現出期待過程明顯高于期待成果的信號顯得尤為重要。在“整合與鞏固”階段，學生的主要活動是圍繞分享成果、互動研討與省察整合三個環節展開。教師需要創設一種樂于分享、民主研討、過程期待、尊重差異的學習氛圍，形成新視角下的師生文化。

2.教學目標設計

大概念高度歸納學科基本問題與結構，學生可依托大概念蘊含的強大“解釋力”和“專家思維”進行科學決策，因此社會性科學議題教學目標設計應錨定大概念的習得。教師可以選擇以下路徑提煉大概念：一是深度理解《課程標準》對核心素養的要求，教材與教參中的高頻詞，與教材相關的核心文獻等；二是探析學生的認知結構，凝練對學習生活有重大價值的概念；三是錨定與解釋議題深層特征過程中應用的一系列概念，提煉與議題密切相關的概念。筆者以大概念為統攝，設計如表1 所示的“二氧化碳的轉化”的教學目標（包括核心任務、知識目標、技能目標）。

表1 “二氧化碳的轉化”的教學目標

3.學習任務設計

學習任務的設計同樣要緊密圍繞大概念展開。某議題下情境問題的設計以能生成多重表征和多樣化方案解決為原則，依據學生的最近發展區，著眼于認知能力發展的需求，適時地搭建腳手架，防止學生因陷入沮喪與困境而產生迷思的局面。因此，學習任務的設計須充分考量任務的劣構程度、境脈的吸引力、學生的認知結構、展現科學解釋力和局限性等因素，強化或詮釋議題學習對深層次論證反思能力的培育。

筆者此次研究的對象為杭州市某初中學校九年級學生，其中女生22 人，男生18 人，以異質分組的方式分成8個組。例如“生成與探索”教學階段，學習任務的第一個環節是問題討論。

［問題討論1］閱讀“資料卡1”（略），思考下列問題：（1）溫室氣體主要有哪些？（2）中國2030 年“碳達峰”和2060年“碳中和”目標中的“碳”指的是什么？（3）“碳達峰”和“碳中和”的實質是什么？

［問題討論2］如何設計實驗探明CO2的溫室效應？

［問題討論3］閱讀“資料卡2”（略），組織學生從生物和化學的角度尋覓CO2的行蹤（圖像表征）。

通過課堂觀察與對話研究，筆者總結出“有效失敗”教學小組的優勢，下面以“問題討論2”為例列出其表現：一是提出科學實踐方案的原理、步驟基本都有理由；二是全面考量影響科學實踐各環節的邏輯關系和誤差影響，形成的方案更加縝密；三是通過方案的協商式論證，能感知自己實踐方案需要完善的錨點，在體驗“失敗”的過程中，能動地轉向個體的內部省察，提升自我效能感。

“生成與探索”過程的設計，一方面通過問題討論與學科概念、社會焦點相聯結來聚焦議題，強調科學觀念與社會因素的交聯，為“二氧化碳的轉化”方案的完善與實踐預設了適切的支架，另一方面適時滯后結構化的指導，給予學生足夠的時間與空間，使學生自主進行深入思考，從而明晰議題的深層特征，完善自己對問題的理解，生成多樣化的議題解決方案，為“整合與鞏固”階段的教學建立可進階探究的對象。

“整合與鞏固”作為教學的第二階段，是對第一階段的“碳中和”實驗室設計方案進行實踐、修正后，再作匯報。

［現場匯報］利用H2O、NaOH、Ca(OH)2作為吸收劑，選取具有代表性的G3組方案：分別向3個相同規格且充滿CO2的軟性塑料瓶內加入等體積室溫下的H2O、飽和Ca(OH)2和飽和NaOH 溶液，迅速蓋好瓶蓋，振蕩，觀察實驗現象。我們發現上述3 種物質均可以吸收CO2，但是NaOH的吸收效果最好。

生1：根據實驗我們可以考慮把CO2溶解在深層地下水或海水中，即溶解封存。

生2：結合碳酸飲料可知，碳酸不穩定，存在CO2泄露導致表層海水酸化、地表及淺層的生態系統變化等問題，由于缺乏必要的注入井等基礎設施，深層溶解封存CO2的經濟代價和風險較高。

生3：根據“資料卡3”（略），目前市售NaOH 的 價 格 為4 000 元/噸，Na2CO3價 格 為3 500 元/噸，根據計算，吸收44 噸CO2的毛利為5.1萬元。我們可以考慮用NaOH去吸收空氣中的CO2，實現“碳中和”。

生4：NaOH的產能存在一定的限制，同時市場對Na2CO3的需求易飽和，Na2CO3大量生產會打破供需平衡，最終破壞這一產業鏈，故用NaOH吸收CO2存在一定的局限性。

［教師活動］在CO2與飽和Ca(OH)2溶液反應后的渾濁液體中繼續通入CO2。該實驗現象對大家有何啟示？

生5：根據前述實驗，渾濁的固體物質可以繼續與CO2反應，地球巖石圈存在大量的以碳酸鈣為主要成分的礦石，我的想法是將CO2通入地層與礦物發生化學反應產生碳酸鹽礦物，封存CO2。

［學生活動］研讀當前有關“碳中和”的核心文獻資料：《碳中和背景下二氧化碳封存研究進展》《中國2060碳中和能源系統轉型路徑研究》。

［拓展習得］通過文獻了解中國地質碳封存潛力、科研技術能力以及2060“碳中和”目標達成的主要途徑和存在的挑戰。

前述兩階段的重點是全體學生分享自我決策，組織加工議題背景下核心概念的深層結構，觀照大家達成一致的決策方案，尋覓差距、完善自我決策，實現“二氧化碳的轉化”議題決策的精致。同時強化學生在經濟、文化、道德等層面的價值觀教育和“專家思維”的習得。

4.參與結構設計

參與結構是社會性科學議題教學的組織方式。在“生成與探索”階段的重點環節是科學概念、交叉概念、科學實踐和社會性科學推理的交互，需要學生對問題情境的深層特征自主地進行剖析，不斷嘗試追問問題的本質。因此，該階段設計小組合作的參與結構顯得相對合理。由卡普爾對科學分組的研究可以發現，混合能力合作小組更利于學力的發展。因此，在“二氧化碳的轉化”教學中，筆者采用以能力特長強弱協調編組、同伴合作、人人參與、互動研討的參與結構，這有助于學生作出合理的議題決策。

在“整合與鞏固”階段，參與結構設計主要分成兩個步驟。第一步是組織加工社會性科學議題的深層特征，主要學習方式是自我澄清與同伴互評。自我澄清指給予每個學生分享議題自我理解的機會，當然教師要適時給予適切的支架。同伴互評指全體學生對伙伴的決策方案提出建議與評判，從而增進對概念的深度理解。第二步是打磨目標概念，該步驟的核心是整合反思，觀照大家達成一致的議題決策，并完善決策，使核心概念精致。在上述參與結構的設計中，教師是活動的策劃者和協調者，要根據學生的認知和能力差異給予個性化的指導，使不同水平的學生都能有比較全面的發展。

（三）“有效失敗”社會性科學議題教學的遷移反饋設計

任何教學理論和方式最終都是培養學生在真實情境下問題解決的遠近遷移能力。為了檢驗“有效失敗”社會性科學議題教學的遷移效果，筆者根據“二氧化碳的轉化”的主要大概念，設計了“為實現碳中和目標，如何減少CO2排放”這一議題遷移后測題。這可彌合新舊理解之間的鴻溝，使學生能厘清議題決策實施的路徑，發展邏輯形式的知識體系遷移能力。

五、科學教育中社會性科學議題教學的價值之蘊

(一)知識與知識的統一：跨學科知識的遷移

經歷社會性科學議題教學的錘煉后，學生達成了知識的深度蛻變。圍繞學科概念、交叉概念、科學實踐和社會性科學推理等知識的“聚合劑”，學生持續對知識進行精細加工，逐步完成結構化建構并形成大概念來統整思維，從而實現跨學科概念的遷移。

（二）知識與思維的統一：高層次認知的培育

社會性科學議題滲透著社會文化情境，具有科學性、劣構性等特征，將其應用于教學，可在一定程度上改變學生的低階學習。學生在社會性科學議題情境中發展論證、實踐、決策、評價與收集有效信息等素養，實現高階思維的培育。因此，設計各環節活動時要指向高階認知的培育并保持適切時間的高階學習。

（三）知識與價值的統一：價值觀育人的聚合

社會性科學議題的學習不能偏離核心素養培育的初衷，而將“實現碳中和”議題與“二氧化碳的轉化”內容相結合，可讓學生從科學、社會、個人等價值觀視域論述自己的觀點，并由此引出“碳封存”解決方案存在著巨大機遇與挑戰。也就是說，議題學習要緊密圍繞正確而遠大的價值取向。