科學教育與關鍵能力培養：內涵、關系及教學策略

朱玉軍 王香鳳

摘要：21世紀的教育注重培養支撐學生終身發展、適應時代要求的關鍵能力。分析和比較了中國和美國提出的關鍵能力內涵及其要素，中國更重視倫理道德規范、職業能力和創新能力，美國對關鍵能力要素的表達更加具體明確；闡述了科學教育與培養關鍵能力的關系；解析了我國科學課程標準中與關鍵能力有關的內容，建議前移科學道德和學術規范教育、強化職業生涯規劃及發展教育。提出了科學教育中培養關鍵能力的四項教學策略：充分利用科學探究與工程實踐、合作學習與合作探究、科學理論發展史及聯系學生興趣及生活經歷的真實情境。

關鍵詞：科學教育；關鍵能力；科學課程標準；認知能力；合作能力；創新能力

文章編號：10056629（2023）12000305

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發《關于深化教育體制機制改革的意見》（以下簡稱“意見”），指出：“要注重培養支撐終身發展、適應時代要求的關鍵能力。在培養學生基礎知識和基本技能的過程中，強化學生關鍵能力培養。”并提出了認知能力、合作能力、創新能力、職業能力等4種關鍵能力^［1］。如何將這一深化教育改革的目標落到實處，是一項艱巨的任務，值得研究和探討。顯然，學生關鍵能力的培養離不開各個學科的教育。那么，搞清楚關鍵能力的內涵及其要素，探討各學科教育與學生關鍵能力培養的關系，明晰通過各學科教育培養學生關鍵能力的路徑和方法，將有利于在各個學科的教學實踐層面真正做到強化學生關鍵能力培養。本文著重探討科學教育與關鍵能力培養的關系。

1 關鍵能力的內涵及其要素分析

“意見”指出的4種關鍵能力的內涵見表1。

相應地，美國提出了“21世紀技能”，其框架及內涵見表2^［2］。

對比表1和表2，可以看出，“意見”提出的關鍵能力和美國的21世紀技能之間具有許多共同的要素：（1）思維能力；（2）信息加工能力；（3）學習能力；（4）交流能力；（5）自我管理能力；（6）對不同的個人、不同的集體、不同的社會等的適應能力；（7）合作能力；（8）問題解決能力；（9）創新能力。另外，兩者的不同之處在于：（1）“意見”強調了道德準則與行為規范，強調知行合一，這是道德倫理層面的要求，是我國“立德樹人”教育方針的體現；（2）“意見”強調了愛崗敬業、精益求精、積極實踐、解決實際問題等職業精神和能力，這體現了社會主義核心價值觀的內涵和工匠精神；（3）“意見”特別單列了“創新能力”，這是基于我國國情正加快創新型國家建設步伐的要求；（4）美國的21世紀技能的內涵表述更加具體，這可以為我們在學科教學實踐層面落實關鍵能力培養目標提供參考。

2 科學教育與關鍵能力培養的關系

美國指出21世紀技能必須建立在堅實的學科知識基礎上，在核心學科的教學過程中培養學生的21世紀技能^［3］。同樣地，要培養“意見”提出的關鍵能力，也需要緊密結合各個學科的教學實踐，否則很可能淪為“空喊的時髦詞匯”而得不到落實。科技對人類社會的影響日益深刻，世界各國的科學教育改革都致力于培養高素質的未來公民和有競爭力的人力資源。顯然，科學教育對學生關鍵能力的培養具有舉足輕重的價值和功能。

2.1 科學教育對于培養認知能力具有重要作用

科學講求“實證為上、證據為先，以可靠的證據為說話的依據”，這有利于培養獨立思考能力；科學研究往往從閱讀已有文獻及處理已有信息開始，在已有文獻及信息的基礎上找到研究問題，這有利于培養信息加工能力；科學思維方法是以“邏輯”和“證據”為基礎，開展推理和論證的，這有利于培養邏輯推理能力；科學學習過程中習得的科學思維方法，可以促進我們更好地思考、更好地記憶、更好地理解、更好地解決問題，有利于培養學會學習及終身學習的意識和能力；科學研究需要用系統的實驗、可靠的證據、充足的理由、有力的論證、嚴謹的論文來證明、交流、傳播研究結論，這其中涉及復雜而高級的口頭和書面交流，特別有利于培養語言表達和文字寫作能力及復雜交流能力。

2.2 科學教育對于培養合作能力具有重要作用

科學研究工作的復雜性決定了其要通過合作才能更加高效地解決問題，其中包括科學家與科學家之間的合作、科學家與研究基金資助機構之間的合作、科學家與實驗室建設和管理機構之間的合作、科學家與儀器測試工程師之間的合作、科學家與學術成果出版單位的合作等。因此，科學教育中利用科學探究活動開展合作學習，可以很好地培養學生的合作能力；同時，學生在合作探究的過程中，利用發現的證據開展推理、論證、質疑、反駁、交流等活動而達成共識，其中不僅蘊含了對自己的知識、思維、主張等的堅持、辯護與修正，也蘊含了對他人的知識、思維、主張等的審視、批判與接納，這可以發展適應能力及自我管理能力，從而為將來集體生活及處理個人與社會的關系奠定基礎。

2.3 科學教育對于培養創新能力和職業能力具有重要作用

創新能力的培養離不開獨立思考、批判性思維、邏輯推理、科學思維方法、系統思維能力等，而這恰恰是科學的本真和魅力所在。科學在于探索神奇的自然世界的現象及規律，科學研究本身就是極具創造力的工作，人類社會面臨的環境、氣候、能源、材料等各種挑戰都需要通過科技創新來解決。科學與人類的生活及經濟、社會和環境的平衡而可持續地發展息息相關，科學是滿足學生認識周圍世界好奇心的良好學習載體，是發揮學生想象力的良好學習載體，是培養學生創新人格的良好學習載體，學生可以在非線性的科學問題解決任務中大膽嘗試、勇于探索、創新創造。同時，科學的發展離不開實驗，科學是在通過系統實驗獲得可靠證據的基礎上不斷發展起來的，而且要不斷地追求實驗的嚴謹性、準確性、重復性；同樣地，科學教育也離不開實驗，讓學生通過科學實驗來學習科學知識、訓練科學思維、發展科學態度，這對于培養精益求精、知行合一、動手實踐、解決實際問題等職業能力具有重要作用。同時，科技創新能夠驅動經濟和社會發展，創造許許多多的就業崗位，可以滿足學生的職業取向和發展需求。

3 科學課程標準與關鍵能力培養的關系

科學教育課程標準是規劃科學課程內容、編寫科學課程教材、實施科學課堂教學、開展科學學業質量評價等的基本依據。因此，探討科學課程標準內容與“意見”提出的關鍵能力的關系，有利于將學生關鍵能力培養真正落實到科學教育實踐中。通過檢索關鍵詞“能力”及文本分析，得出我國普通高中化學、物理、生物、地理課程標準（2003年版^［4～7］和2017年版^［8～11］）中有關學生能力培養的內容，見表3。

通過交叉分析，發現表3中我國高中科學課程標準中有關學生能力培養的內容全部覆蓋了“意見”中提出的關鍵能力要素：思維能力、信息加工能力、學習能力、交流能力、自我管理能力、適應能力、合作能力、問題解決能力、創新能力、職業精神、道德準則與行為規范。其中，稍顯不足的是科學（學術）道德規范，只是在化學課程標準和物理課程標準中有“尊重科學倫理道德”“遵循基本的學術道德規范”的表述；職業能力，有關“愛崗敬業、精益求精”只是在化學課程標準和生物學課程標準中有“傳承和弘揚工匠精神”“學習科學家獻身科學的精神”的表述。因此，在后續的課程開發、教材編制和教學實踐中需要加強科學（學術）道德規范及職業能力和職業精神的培育。

加強科學道德規范，是建設創新型國家的基礎工程^［12］。在我國科學教育中，科學道德和行為規范應該得到重視。隨著我國科學研究基金投入的增加、科學研究人員隊伍的擴大和科學研究水平的提高，發生的一些“學術不端”事件使科學道德和學術規范越來越被學術界乃至社會所關注。調查顯示，大學生對科學研究的道德后果考慮不夠，漠視學術規范，學術失范問題嚴重^［13］。可見，在大學階段才開始重視和開展科學道德規范教育為時已晚。因此，科學道德和學術規范教育應該前移至基礎教育階段的科學教育中，在學生心中盡早地播下科學道德和學術行為規范的種子。目前，被特別重視的中小學科學實踐活動就是滲透科學道德和學術規范教育的很好載體，有利于將其落實到行動層面。

同時，我國科學教育要加強學生的職業生涯規劃及發展教育。長期以來，基礎教育的職業發展特性被遮蔽了，事實上基礎教育課程除了有訓練心智的價值外，還應含有實踐的和應用的特征，即提升實用技能的價值，這是與學生未來職業生涯發展相關聯的^［14］。而從教學內容和教育目標來看，科學教育與學生未來職業生涯規劃及發展的關系更加密切，科學教育要回歸學生的生活世界，加強職業生涯發展教育^［15］。美國等發達國家的做法值得借鑒：美國和英國的職業規劃教育，瑞典的工作生活定向實踐，德國重視的職業技術教育等^［16］。例如，美國高中化學教材《化學：概念與應用》中設置有“化學工作者”專欄，介紹與相應的化學知識密切相關的職業^［17］，將化學課程具備的“訓練心智”和“提升實用技能”的雙重價值巧妙地結合起來。我國最新版高中化學教科書^［18］也設置了“化學與職業”欄目，介紹與化學相關職業的特點、工作內容和知識背景等，包括化學科研工作者、水質檢測員、化學測試工程師、科技考古研究人員、化工行業工程師、電池研發人員、環境保護工程師等，為學生職業生涯的規劃與發展提供了良好的參考素材，也是培養學生職業精神的良好載體。

4 科學教育中培養學生關鍵能力的有效教學策略

發展學生的關鍵能力需要與科學的具體內容主題緊密結合。只有在具體的科學內容主題、科學學習環境、科學學習活動、科學探究項目中，才能培養和發展學生的關鍵能力。

（1）在科學探究與工程實踐中培養關鍵能力。科學教育過程中讓學生運用科學知識及科學與工程的思維方法解決問題、設計方案、制作項目作品，例如：探究土壤的酸堿性對植物生長的影響，設計防止金屬生銹的方案，配制可供植物生長的無土營養液，設計與制作簡易供氧器，設計與制作一臺小型風力發電機等。讓學生在科學探究與工程實踐中體驗科學家和工程師發現及創造的系統過程和思維方法，培養學以致用、動手實踐、問題解決、科學思維、工程思維、系統思維、遷移創新等能力。

（2）在合作學習與合作探究中培養關鍵能力。科學教育過程中，可以通過設計合作學習和合作探究的活動，讓學生通過合作與溝通探究問題、建構理解、設計方案、制作項目作品等，讓學生經歷提出或發現問題，收集及組織有關信息，提出假設或解決方案，設計檢驗假設或解決方案的研究計劃并實施，收集、分析及解釋數據，建構理解或得出結論，撰寫研究報告，口頭與書面的交流、評價、論證和辯護等學習、合作、探究與交流的過程，培養學生的溝通與交流能力、合作能力、語言表達能力、文字寫作能力、信息加工能力、問題解決能力、系統思維能力等。

（3）在科學理論發展史考察中培養關鍵能力。利用典型的科學理論發展史，例如：原子結構模型發展史，電磁理論發展史，萬有引力定律的發展史，化學鍵理論發展史，生物進化理論發展史，光合作用理論發展史等，讓學生理解科學的發展是建立在先前知識基礎上的，科學知識會隨著持續而深入的研究而改變，科學的發展需要創造性的思維和想法，科學的發展依賴觀察、實證和推論，科學的發展需要依賴一定的技術、文化和社會條件，可以培養學生的批判性思維、創新意識和開放包容的科學態度及適應能力等。

（4）在聯系學生興趣及生活經歷的真實情境中培養關鍵能力。當學習與學生的興趣和生活經歷相聯系時，學生就會表現出更大的興趣、積極性和主動性。科學教育中，應該利用好社區資源、校園資源、科技館等真實情境資源，并開展實地考察活動，例如：社區的垃圾分類及回收利用中的科學，校園中植物的分類及四季變化與養護中的科學，科技館中的交互式、參與式、體驗性的科學展示項目，實地參觀和考察空氣質量監測站、自來水處理廠、氣象站、自然保護區、動物棲息地、科普教育基地等，激發學生學習科學的興趣、好奇心和求知欲，幫助學生深入理解有關科學知識及其與周圍世界的聯系，培養學生的自主學習能力、探究能力、實踐能力、創新意識等，培養從事與科學相關職業的興趣、取向及社會責任感。

參考文獻：

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