为培养科技创新后备人才创建高质量义务教育科学课程*

胡卫平

21世纪以来，党中央、国务院高度重视科学教育，培养了大批高素质的科技人才，支撑了经济和社会的发展。当前，新一轮科技革命、产业革命和教育革命加速发展，世界创新格局深度调整，大国博弈日趋激烈，各国都在加强科学教育，重视科技创新后备人才的培养。为此，我国也需要制订一个能够支撑全民科学素质提升和科技创新后备人才成长的义务教育科学课程标准。

一、 立足素养发展

核心素养是实现立德树人根本任务的重要抓手，把促进学生核心素养的发展作为科学课程的目标，既是党和国家的根本要求，也反映了国际科学课程改革的趋势。凝练既能反映科学课程独特育人价值，又能反映批判性思维、创造性思维、合作能力、交流能力、自主学习能力、社会责任感等共通素养的核心素养，是本次义务教育科学课程标准修订中的基础性工作。科学课程要培养的学生核心素养，主要是指学生在学习科学课程的过程中，逐步形成的适应个人终身发展和社会发展所需要的正确价值观、必备品格和关键能力，是科学课程育人价值的集中体现，包括科学观念、科学思维、探究实践、态度责任等方面。

科学观念是在理解科学概念、规律、原理的基础上，所形成的对客观事物的总体认识，是科学概念、规律、原理等在头脑中的提炼和升华。由于核心素养是在真实情境中解决问题时才能表现出来的，因此，科学观念不仅包括科学、技术、工程领域的一些具体的观念，以及对科学本质的认识，还包括科学观念在解释自然现象和解决实际问题中的应用。之所以将科学观念作为科学课程要培养的学生核心素养，主要有两个方面考虑： 一方面，科学教育研究一直重视概念学习。从20世纪重视概念发展、概念转变，到21世纪重视核心概念，世界各国的课程标准都将核心概念、大概念、关键概念、知识理解与应用、工程实践等作为重要的科学素养；另一方面，科学观念是科学本质和属性的集中体现，是科技创新的基础。知识是能力的基础，科学教育领域关于科学知识的表述有核心概念、关键概念、大概念、科学原理等多种方式。在应试教育的背景下，我国特别重视知识和原理本身的教学，而素养强调知识和原理的深度理解和灵活应用。最新的国际科学教育研究与实践强调核心概念、大概念等，而在中国的文化中，概念是指一类事物的共同属性与本质特征在大脑中的反映，是抽象的，这与国际科学教育中关于概念的内涵并不一致。因此，在建构核心素养时，《科学课程标准》没有使用“科学知识”或是“科学概念”，而使用了“科学观念”。一方面，科学观念是科学概念和规律等在头脑中的内化和升华；另一方面，中国文化中的科学观念与国际上核心概念的内涵基本一致。

科学思维是从科学的视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式。自然科学以自然现象为研究对象，其目的在于提示自然界各种现象的本质，认识它的运动规律。自然科学的研究对象具有客观性，我们要认识它们，就要在大脑中形成有关观察过的自然现象、科学事实、科学过程等清晰的科学图景，并反复加工、合理改造、去粗取精，从感性认识上升到理性认识，此即科学思维。将科学思维作为科学学科的核心素养，主要依据有如下几个方面： 一是观察、实验与思维相结合，是科学学科的基本特征；二是学会学习、批判性思维与创新是学生发展核心素养的重要成分；三是21世纪以来的科学教育研究，特别重视模型建构、科学推理、科学论证、创新思维；四是大部分国家的课程标准都会将科学思维与创新列为课程目标；五是模型建构、推理论证、创新思维不仅是科学所必备的关键能力，也是技术与工程实践中的核心思维方式，而且可以迁移到其他的领域，特别是对于学生树立辩证唯物主义和历史唯物主义思想，形成实事求是的科学态度，提升品德素养等都具有重要价值。因此，科学思维始终是国际科学教育的研究热点和科学教育普遍关注的重要目标，是科学课程育人价值的重要体现。

探究实践是在了解和探索自然、获得科学知识、解决科学问题，以及开展技术与工程实践过程中，形成的科学探究能力、技术与工程实践能力和自主学习能力。本次修订为了突出科学课程的实践性，凸显技术与工程的育人价值，将“科学探究”修改为“探究实践”；同时，为了反映科学课程在培养学生共通核心素养中的作用，增加了“学习能力”。作为一种能力，探究、实践和学习都属于核心素养，而作为形成素养的过程，探究、实践和学习都属于学习方式的范畴，因此，本次修订将“学习能力”放在“探究实践”维度。科学探究是人们探索和了解自然、获得科学知识的主要方法，是提出科学问题，形成猜想和假设，获取和处理信息，基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。技术与工程实践指能针对实际问题，提出有创意的方案，并根据科学原理或限制条件进行筛选；能利用工具和材料进行加工制作，并根据实际效果进行修改；能用自制的简单装置或实物模型验证或展示某些原理、现象或设想。自主学习是学习者在内在动机的激发下，激活和控制自身的认知、情感和行为，自主确定学习目标、选择学习策略、监控学习过程、反思学习过程与结果的学习方式或者能力。它不仅可以被看作一种动态的学习过程或学习活动，也可以被视为一种相对稳定的学习能力。

态度责任是在认识科学本质及规律，理解科学、技术、社会、环境之间关系的基础上逐渐形成的，对科学和技术应有的正确态度与社会责任，包括科学态度和社会责任两个方面。科学态度是个体对自然现象、科学过程、科学事实、科学理论、科学研究等所持有的稳定的心理倾向，主要包括探究兴趣、实事求是、追求创新、合作分享四个方面，对于培养学生“民主、文明、和谐、自由、平等、公正、法治、诚信、友善”等社会主义核心价值观具有重要价值。社会责任是公民基本的道德规范，主要包括健康生活、人地协调、价值判断、道德规范、家国情怀等方面，体现“爱国、敬业”等社会主义核心价值观。

科技创新后备人才的心理特征有思维、知识、动机和人格四个维度。思维维度包括基本思维(抽象和形象)、批判性思维(能力和倾向)、创造性思维；知识维度包括知识的广博和精深；动机维度包括内部动机和成就动机；人格维度主要是创造性人格。

《科学课程标准》中凝练的四个核心素养相互依存，共同构成一个完整的体系，不仅体现了科学课程的育人价值，而且体现了科技创新后备人才的心理特征，为全民科学素质的提高和科技创新后备人才的培养提供了具体的、可操作的目标。科学观念是科学课程本质属性的集中体现，是其他素养的基础；科学思维不仅是学习科学所应具备的关键能力，也是适应现代社会发展的核心思维方式，而且可以迁移到其他领域，是科学课程核心素养的核心；探究实践是学生形成其他素养的主要途径，同时也是一种关键能力；态度责任是学生基于对科学观念的深度理解，在探究实践的支撑下，通过科学思维内化而形成的必备品格，是社会主义核心价值观在科学课程中的集中体现。

二、 聚焦核心概念

综合性体现了义务教育的基础性特点，也是国际科学课程改革的趋势，还是基于核心素养的课程改革和减轻学生过重课业负担的必然要求，有利于学生深度理解和系统认识科学本质，形成合理的知识结构和认知结构，整合科学、技术与工程，发展创新素质。科学课程内容的组织需要服务于科技创新后备人才的培养，满足国家未来科技自立自强的需要。

科技创新活动是开拓人类科技认知新领域、开创人类科技认识新成果的创造性活动，包括提出新的科学问题、设计新的科学实验、发明新的技术产品、形成新的科学概念、创建新的科学理论、启用新的科学方法、做出新的科学解释等等。科技创新活动主要包括两方面的内容： 一是利用类比、重组、联想和迁移等方法，重新安排、组合已有的科学知识，或者从新的角度去分析已有知识，创造出新的知识和形象。在研究和学习科学的过程中，需要对已有的科学知识进行综合，从新的角度去分析已有知识，对科学知识进行合理而有创见的归类，应用多种方法理解科学知识和解决科学问题。二是突破已有的科学知识，提出崭新的科学见解、设想、思路、观点等。突破已有的科学知识，提出科学中尚未有的概念和规律，是科技创新活动的又一形式。因此，科技创新后备人才的知识特征主要体现在广博和精深两个方面： 一是具有较广博的知识基础和合理的知识结构；二是对科学知识有深度的理解，掌握学科和跨学科的思想方法，并善于用这些知识和方法解决真实情境中的复杂问题。

科技创新后备人才的知识特征具有综合性，已被行为和脑科学研究证实。跨学科概念图创作能力有利于学生科学创造力的发展[1]，灵活的语义记忆网络有利于创造性的表现[2]。相比低创造力个体，高创造力个体对领域间概念语义关系的评价更高，呈现出更灵活、连接更紧密的语义记忆结构[3]，这表明高创造力者能够更高效地将不同领域之间的元素联系起来，从而有利于新颖联系的生成。脑成像的最新研究发现，个体语义记忆结构的灵活性在脑网络连接效率和日常创造力表现中起中介作用[4]，表明个体创造力的表现得益于其灵活的知识结构和高效的脑网络功能连接。基于行为学、脑科学等研究对人类学习的深刻理解，国际上大部分国家在义务教育阶段都实施综合科学课程，并且越来越重视学习内容的综合性。

概念研究一直是科学教育的一个重要研究领域，20世纪主要聚焦概念发展和概念转变，而21世纪以来，受建构主义学习理论的影响，重视核心概念的研究。核心概念是某个知识领域的中心，是教师希望学生理解并能得以应用的概念性知识，这些知识必须清楚地呈现给学生，以便学生理解与他们生活相关的事件和现象。基于核心概念，整合学科知识，促进学生参与科学与工程实践，实现对重要原理的深入探索，发展学生对科学知识的深度理解，并提升学生的科学素养，已经成为国际科学教育研究者的共识，也是国际科学课程改革的方向。

《科学课程标准》进一步突出了综合课程的特点，取消了学科领域，按照核心概念设计课程，聚焦物质的结构与性质、生命系统的构成层次、宇宙中的地球、设计与物化等13个学科核心概念，并通过学科核心概念的学习实现对物质与能量、系统与模型、结构与功能、稳定与变化等跨学科概念的学习和核心素养的培养。技术与工程部分的学习要基于学生已有知识经验和认知水平，综合利用学科核心概念和跨学科概念，通过跨学科综合实践，解决真实情境中的技术与工程问题，服务于科技创新后备人才的培养。

三、 合理安排进阶

学生对科学概念的理解是不可能一步到位的，同一概念在不同年段也有不同的具体内涵。因此，科学而又系统地安排核心概念的一些下位概念的学习，最终达到对上位概念的理解与应用，就显得尤为重要。通过学习进阶，整体设计K—12科学课程标准，发展学生对核心概念的理解，帮助学生形成良好的知识结构，深度理解科学概念，提高解决问题的能力，已经成为国际科学课程改革的核心理念和课程设计的又一重要趋势，也是确定课程目标、学业内容、学业质量学段分布的重要依据。

学习进阶研究的早期，研究问题主要集中在基于核心概念构建和呈现学习进阶；考察学生理解核心概念的真实路径；脱离科学概念，从思维或能力本身建立进阶层级；强调科学内容与日常生活问题结合，从日常生活情境中建立有关科学能力的学习进阶层级。近年来，以学习进阶整合科学课程的研究在以下方面取得了突破： (1)学习的路径是一个逐渐累积、日臻完善的过程。应突出核心概念在课程中的中心地位，加强课程内容的贯通性。对于课程开发者而言，应围绕核心概念组织“少而精”的课程内容，从而有利于学习者的深度学习以及思维的纵深发展，有利于学习者对核心概念的深度理解，有利于学生建构有效的知识结构，实现知识的有效迁移。(2)学生对科学概念的理解存在多个不同的中间水平，需要经历这些水平才能不断进步发展。学习进阶整合了以往的研究成果，强调在一定的时间跨度内，借助恰当的教学策略，学生对某一核心概念的理解及其运用将会逐渐发展、日趋成熟。(3)强调课程内容、教学过程与测验评价的一致性。学生对核心概念的理解进程并非线性的，研究者可以通过适当的测验检测学生的知识理解、认知发展情况。

《科学课程标准》基于学习进阶思想进行了整体设计。按照1—2年级、3—4年级、5—6年级、7—9年级的分段，考虑不同学段的进阶，并且努力做到“三适应和两遵循”，即适应学生的认知水平、知识经验和兴趣特点，遵循学习规律和学科规律。基于不同学段学生的特征，学习目标由低到高；学习内容由浅入深、由表及里、由易到难；学习活动从简单到综合。特别考虑幼小衔接，合理设计小学1—2年级课程，注重活动化、游戏化、生活化的学习设计。同时，考虑初高衔接，了解高中阶段学生的特点和学科特点，为学生进一步学习物理、化学、生物、自然地理等学科奠定基础。

《科学课程标准》基于不同年龄学生思维发展的特点和科学学科的特点，分段设计了科学观念的目标。由于1—2年级学生处于具体形象思维阶段，只能认识具体事物的外部特征。根据核心素养学段特征的研究，1—2年级学生知道自然界的事物有一定的外在特征，能在教师指导下，观察和描述日常生活中的常见现象。因此，1—2年级的学段目标就确定为在教师的指导下，能认识具体事物的外部特征。例如，“认识常见物体的基本外部特征，认识生活中常见的材料”；“认识周边常见的动物和植物，能简单描述其外部主要特征和生长过程”；“能描述太阳升落、季节变化和月亮形状等自然现象”。

由于3—4年级学生处于由具体形象思维向抽象逻辑思维过渡阶段，可以认识事物的性能、作用、分类、条件、原因等。根据核心素养学段特征的研究，3—4年级学生知道自然现象是有规律的，能在教师引导下，使用所学的科学概念描述并解释常见现象的外在特征。因此，3—4年级的学段目标就确定为在教师的指导下，能认识事物的性能、作用、分类等。例如，“认识物体有多种运动形式，力可以改变物体的运动状态”；“能区分植物和动物的主要特征，并能对植物和动物进行简单分类”；“认识植物的某些结构、动物的某些结构与行为具有维持自身生存的功能”。

由于5—6年级学生具有一定的抽象思维能力，这时抽象思维能力还具有较大的经验特征，涉及事物的内在结构、功能、变化与相互关系等。根据核心素养学段特征的研究，5—6年级学生知道自然规律是可以被认识的，能利用所学知识描述现象的变化过程，并解释现象发生的原因。因此，5—6年级学生的学段目标就确定为能够认识事物的内在结构、功能、变化与相互关系。例如，“初步认识常见物质的变化，知道物体变化时构成物体的物质可能改变也可能不改变”；“认识细胞是生物体结构的基本单位”；“初步认识生物体的结构层次，以及形态结构”；“功能的关系”；“知道太阳、地球和月球的周期性运动以及相关的自然现象；知道地球系统不同圈层的相互作用产生了各种自然现象”。

7—9年级涉及微观结构，需要学生具有较高的抽象思维能力，能够从微观的结构解释事物的宏观性质和变化。根据核心素养学段特征的研究，7—9年级学生知道自然规律是可以通过多种方法被发现的，能用于预测自然现象；能利用所学知识解决简单的科学问题。因此，7—9年级学生的学段目标确定为认识物质的微观结构，知道结构决定性质及其变化，初步形成基本的科学观念。例如，“知道已知的绝大多数物质由元素组成，由分子、原子等微观粒子构成，不同组成与结构的物质具有不同的性质与用途，能从微观视角初步认识物质及其变化”；“运用简单模型描述和解释物体间的相互作用”。

科技创新后备人才的成长大致需要经历早期探索阶段、兴趣显露阶段和才干浮现阶段，每个阶段学生的思维能力、知识经验等都不同，需要根据不同阶段学生的特点，构建多要素、多方法、多阶段、针对性的科技创新后备人才鉴别方法，以及综合性、实践性、思维性、进阶式的科技创新后备人才培养体系。《科学课程标准》的进阶设计满足了科技创新后备人才鉴别方法和培养方案系统设计的要求。

四、 加强探究实践

科学探究在科学教育改革中有着悠久的历史。受社会发展背景和科学教育价值观的影响，不同历史时期的教育工作者对科学探究的理解也有所不同。目前，关于科学探究的内涵理解可以划归为以下几种： 一是将科学探究视为一种教学方法，认为教师作为教学过程中的主体，应引导学生通过收集和分析证据等过程来自主建构科学解释[5]。二是将科学探究视为一种学习过程，强调学习者作为科学探究的主体，在学习活动中主动形成科学观念，理解科学本质[6]。三是将科学探究视为一种育人目标，强调科学教育要培养学生的科学探究能力，加深学生对科学探究本质的理解[7]。由此可见，科学探究无论是作为教与学的活动过程，还是作为育人目标，科学思维都处于其核心地位。

自2001年以来，我国就特别强调科学探究，但在之前的教学过程中，人们过多地关注到了科学探究的形式和操作技能的培养，忽略了在探究过程中学生思维的重要作用。如果想要通过科学探究有效培养学生的核心素养，就必须对思维在探究过程中的应用予以重视。针对存在的问题，基于对科学探究教学、学习理论，以及科学教育改革趋势的特征分析，我们提出了思维型科学探究教学理论[8]，用于指导科学教学。思维型科学探究教学理论注重科学教学的全面育人价值，强调学生能够在开放、民主、真实的学习情境中，通过参加探究与实践活动，发展学生的核心素养，服务于科技创新后备人才的培养。因此，我们在学习活动的设计中，强调积极的思维，提出设计应旨在促进学生自主、探究、思维、合作的教学活动。为了达到这一总体要求，活动设计反映了教学的五大基本原理： 动机激发、认知冲突、自主建构、自我监控和应用迁移；体现了教学的六大基本要素： 创设情境、提出问题、自主探究、合作交流、总结反思和应用迁移。《科学课程标准》强调以学生为主体，主要从情境创设与问题提出、自主探究与合作交流、总结反思和应用迁移三个方面分别阐述。

物质科学、生命科学、地球与宇宙领域核心概念学习的主导方式是科学探究，让学生经历提出问题、作出假设、制订计划、搜集证据、处理信息、得出结论、表达交流和反思评价等过程，强调“做中学”和“学中思”。技术与工程领域核心概念学习的主导方式是技术与工程实践，让学生经历明确问题、设计方案、实施计划、检验作品、改进完善、发布成果等过程，养成通过“动手做”解决问题的习惯，强调工程问题的规范性和学生思维的积极性，培养学生的实践能力。在我国发布的各种文件中，要求实施启发式、探究式、互动式、体验式和项目式等各种教学形式，这些教学形式不是孤立的，是有相互联系的，有些方法也不适合在所有科学教学中应用。因此，《科学课程标准》强调整合这些方式，设计并实施能够促进学生深度学习的思维型探究和实践。具体有三点： 一是让学生经历有效探究和实践过程；二是激发学生在探究和实践中积极思维；三是处理好学生自主和教师指导的关系，加强教师与学生的有效互动。