理解科学事业：科学教育学科实践的内涵与教学

编者按

以核心素养为纲的义务教育新课标，强化学科实践，注重“做中学”，引导学生参与学科探究活动，经历发现问题、解决问题、建构知识、运用知识的过程，体会学科思想方法；要求以学科实践为抓手，探寻把知识转化为素养的机制和原理，促进学科核心素养培育。学科实践旨在促进学生理解、运用与转化学科知识，是学科特有的实践，是构建新型教学方式的关键环节。本期聚焦“学科实践”话题，遴选3篇文章，以飨读者。

［摘要］ 从科学探究的本义及其不同方式的理解中，分析科学教育教与学“讲授—探究—实践”嬗变的意蕴。从实践的“认知—改造—融入”行为特性中，梳理出实践的内容、内涵及分学科教学跨学科实践的含义，提出以研究和设计为中心实施学科实践的“体验—实践—抽象”三环节的路径。

［关键词］ 科学事业；科学与工程实践；跨学科实践；研究和设计为中心

物理、化学、生物学等科学教育学科在2022年课标中都提出了“跨学科实践”或“跨学科主题学习”。从2011年课标的“科学探究”到2022年课标的“实践”，这种发展演变有何深层意蕴？现从理解科学事业的角度阐述科学教育学科实践的内涵与教学。

一、讲授—探究—实践：科学教学的嬗变

（一）科学探究本义及其不同方式的理解

科学中的探究是科学知识的形成过程。一个科学家注意到自然界中一个不寻常而有趣的现象，表现出好奇，产生疑问并投入其中；他从已有的专业知识背景中提出更加集中的科学性问题；他使用技术和数学方法进行探索，收集数据和信息，进行分析与归纳，比较先前的研究成果，进行逻辑推理形成证据，基于证据构建模型解释现象回答问题，并在评估检验后增加解释以达成自己的观点主张；他基于证据和推理，创造新的科学语言，详尽阐述其观点并公开发表；更多的科学家依据各自的学科专业知识背景，在新证据的基础上延伸或修订原来的解释，相互交流自己的假说、思想和观点，作为可能的政策咨询来源，从而形成方法、规则、标准，以及那些今天被我们认定的科学知识。如是，科学探究是人类循证解释的社会性认知行为。

“探究”一词在整个科学教育中被广泛使用，存在多种不同方式的理解。探究有时会与任何动手体验混为一谈，但动手体验并不一定会产生有意义的体验，帮助学生参与科学概念的建构、认知及社会联系，而且探究也并不一定要动手体验，比如学生可以通过历史案例研究或不同文本的比较来进行探究，而无须开展实验活动或进行数据收集。现实中，往往把课堂科学探究等同于学习“科学思维方法”“科学实验方法”，这些被科学方法主导的、教条化的课堂探究简化掉了对真实科学研究意义重大的部分，导致将科学探究缩减为层次更低的实验探究，并且探究与现象、内容相分离，被等同于传授和套用步骤，致使活的探究变成“执行教师设计好预先计划结果的探究方案，收集数据后全班汇报分享”的一种“烹饪书”式实验操作，或者把探究设计成“拧螺丝”一般的动手装配活动。

（二）探究变为实践，更好地诠释科学本质

科学教育的基本目标之一是培养能够理解科学本质的人。对科学本质的基本理解是：科学是人类的奋斗事业；科学研究使用多种方法；科学知识基于经验证据；科学知识可根据新的证据进行修订；科学模型、规律、机制和理论能够解释自然及人工智能现象；科学是一种认知方式；科学知识假设在自然系统中具有一致性；科学回答关于自然和物质世界及人工智能世界的问题。深入探究科学是人类奋斗事业的价值所在。2013年，美国公布了《新一代科学教育标准》（NGSS），强调跨领域共同概念，促进学生参与科学与工程实践，加深学生对学科核心概念的理解。NGSS以复数形式的“科学与工程实践”为核心，旨在更好地阐述和拓展科学“探究”的含义，以及其所要求的在认知、社会和自然规律方面的实践范围，与所有基于探究的科学教学方法一样，期望学生亲身参与实践而彻底理解科学的本质，而非仅仅通过间接学习，了解科学知识。

参与实践可以让学生从整体上理解科学事业。科学既是一个历史积累的知识体系，代表了对自然系统的当前理解，也是用来提炼、阐述、修订和扩展这些知识的实践过程。如果没有亲身体验科学实践，学生就无法理解科学实践，也无法充分理解科学知识的本质，更不能理解科学事业。各学科科学知识唯一一致的特征是，科学知识本身可以根据新的证据进行修订。在基础教育的课堂上，问题是如何解释自然世界，以及什么构成了充分的、基于证据的科学解释。参与实践获得的见解有助于让他们认识到，科学家和工程师的工作是一项创造性的奋斗事业，它深深地影响了人们生活的世界；科学和工程可以为应对当今社会面临的许多重大挑战做出贡献，如寻找足夠的能源、预防和治疗疾病、维持淡水和粮食供应、应对气候变化等。但当前主要关注的是科学事实，而不了解这些事实是如何建立的，或者忽视科学在世界上的许多重要应用。这样的教育歪曲了科学，并边缘化了工程的重要性。技术和工程是满足人类需求、求知欲的手段。科学性问题如果没有延伸到工程、技术，以及日常生活和社会发展的环境中，学生的探究学习就会缺乏收集数据的丰富手段和广泛基础，导致解释的证据牵强附会和以偏概全，形成有缺陷的探究。人类的创新行为更多地体现在改造自然的工程设计和技术迭代中，脱离了工程和技术，就是对探究的社会性认知行为缺乏全面理解，也就缺乏了创造之源泉。

二、认知—改造—融入：学科实践的内涵

（一）科学与工程实践的内容和特征

NGSS中的科学与工程实践包括：提出科学性问题和定义工程性问题；开发和使用模型及原型；规划并开展调查研究；分析和解读数据；使用数学和计算思维；建立对现象的科学解释和设计解决工程问题的方案；参与基于证据的论证；获取、评估和交流信息。这八种实践描述了科学家用来研究与建立有关整个世界的模型和理论的主要的科学实践，以及工程师用来设计和建造系统的一套关键的工程实践，它们并不是分离而孤立运作的，而是有意地被重叠和互连，往往被依次展开，但也可以跳跃或返回。例如，“提问”的实践可能带来“建模”或“规划和进行调查”的实践，反过来也可能带来“分析和解释数据”。“数学和计算思维”的实践可以包括“分析和解读数据”的某些方面。论证是就解释和设计解决方案达成一致意见的过程。在科学中，基于证据的推理和论证对于确定自然现象的最佳解释至关重要。在工程中，需要推理和论证来确定设计问题的最佳解决方案。如果学生要了解科学家生活的文化，以及如何应用科学和工程造福社会，那么学生参与科学论证就至关重要。因此，论证是一个基于证据和推理的过程，可以得出科学界可接受的解释和工程界可接受的设计解决方案。科学界的论辩超出了在解释与设计解决方案方面达成一致的范围。科学家和工程师在调查研究一种现象、测试设计解决方案、解决测量问题、建立数据模型和使用证据评估观点时都会进行论证。阅读、解释、制作科学与技术文本是科学和工程的基本实践，能够帮助学生培养清晰而有说服力的沟通能力。

（二）实践的内涵体现于循证和创新

教育上的实践是一个学生“认知—改造—融入”的过程。学生参与科学实践有助于他们理解科学知识是如何发展的，这种直接的参与使他们能够理解用于调查研究、建模和解释世界的各种方法，探索未知并解释现象，不断论证、重构概念，从而达成对科学世界的一致理解，这是一个社会性的群体认知行为。学生参与工程实践同样有助于他们理解工程师的工作，以及工程和科学之间的联系，同时促进他们理解科学和工程跨领域的共同概念，在认知的过程中构建模型、创建原型、设计解决问题的方案，创造出自然世界中没有的事物（比如手工作品、工具、文本、软件等），这也是一个能动的改造自然的过程。学生经历实践性学习，使他们的知识更有意义，建构的科学内容与观念融入日常生活、工程实践和社会发展，融入社区、自然和社会等客观世界，实现人与自然世界、人工智能世界的和谐相处，并把科学态度与责任、科学思维和价值观根植于心。“解释”和“改造”是人类奋斗的科学事业。“推理”“建模”“论证”是科学实践的主要行为，解释和论证的基础是循证，改造的基础是创新。科学教育上的实践，其本质是通过“循证”（循证推理和论证，循证解释和预测）和“创新”，培养理性的批判性思维和保持想象的创造性思维。

（三）分学科教学的跨学科实践的理解

分学科教学的实践自然而然要跨学科。科学世界是系统的，工程世界是协作的，它们都是整体的。任何一项科学或工程活动，在内容上是不能割裂的，至少与数学和技术的联系是必需的。真实问题来源于现实世界，本来就具有跨学科的特点。设计一个模型、解释一个现象、优化一个设计，都会用到不止一个学科的知识。在“实践”前面加上“跨学科”三个字只是为了突破现实中分学科教学导致的学科本位的限制，通过实践让学生在理解学科核心概念的基础上，进一步理解科学教育中具有共性的跨领域共同概念：模式；因果机制；尺度、比例和数量；系统和系统模型；能量与物质；结构和功能；稳定性与变化。

分学科教学的跨学科实践有其现实含义。（1）解决问题，推动教学和育人方式深入改变。由于学科本位导致学科之间的知识断裂而无法融合，学生知识碎片化、实际解决问题能力不强、知识的迁移度太低等，加上传统教学中活动导向的设计缺乏对存在于学生头脑中的重要概念和恰当学习证据的明确关注，让学生误以为只要自己参与活动就等于学习，缺乏对活动真正意义的深刻思考，从而导致学生对自然界、科学活动和人类社会缺乏整体、全面、深入的认识和理解。跨学科实践不仅是教学理念发展的需要，也是解决学科教学中现实问题的需要。（2）立足学科，拓展内容到生活、工程和社会。依据目前义务教育的课程设置，各学科的跨学科实践要立足本学科课程，再“跨”出本学科的视野，把学习内容拓展到日常生活、工程实践和社会发展中。跨学科实践应该按问题解决的真实需要，立足学科核心概念设计跨学科的学习内容和方式，使学生在解释一个现象或完成一项工程任务的实践过程中使用技术并把内容延伸到其他学科，以理解跨领域的共同概念。（3）减负增效，在应用中学习可迁移的新知识。在此次修订过程中，跨学科实践作为2022年课标中课程内容的重要组成部分和必备学习内容，与其他一级主题享有同等的地位，而不是对某些课程内容的拓展应用。比如，物理学科就将2011年课标中“1.4新材料及其应用”“3.6能源与可持续发展”中的内容进行整合，归入2022年课标中“跨学科实践”的“5.3 物理学与社会发展”中，知识内容在数量上没有较大的变化。跨学科实践不仅是应用知识的过程，也是学习新知识的过程。要想落实减负增效，在开展跨学科实践时，就不能额外增加新的课时量作为知识综合应用的环节而增加学生的学业负担。

三、体验—实践—抽象：学科实践的教学

如图1所示，以研究和设计为中心进行学科实践，“体验”“实践”“抽象”三环节使活动和内容结合，让学生解释自然现象和应对工程挑战，可以提高他们对世界运行方式的理解，增加他们对科学和工程的概念性理解并重构可迁移的大概念，提高他们推理与解决问题的能力。这种学习可以更清楚地阐明在构建科学知识时，探究是什么样子的，包含理解現象和设计挑战、收集与分析数据信息、构建解释和设计解决方案、与自己和他人交流推理、联系多种情境学习。

1.基于标准，联于现象。实践的内容基于课程标准。实践活动设计对应课程标准，确保学术的严谨性，将活动与有意义的学习目标对应；成果的评价标准来自课程标准，明确且具体地给出了掌握程度的说明；学生的学习支架、批判性反馈和修改的规程、评估、评价量规，自始至终都指向并支持学生可达成的课程目标。科学现象发生在自然界和人类创造的工程、人工智能世界中，可以被观察到并引起人们的好奇和疑问。实践关联于当地文化和环境中的现象，为培养对三维科学和工程知识的有意义理解提供平台和机会，利用证据来理解教室之外的自然和工程世界。

2.源于好奇，激于挑战。儿童的学习动机来源于好奇与兴趣、任务与挑战、理想与成就。利用学生的好奇心，通过选择吸引学生的有趣现象和设计挑战性任务（包括与当地文化相关的挑战）来激发学习兴趣。在非预知的学习区，哪怕一个简单事件，当用科学的眼光看待时，往往都会引起学生的好奇心。这种惊奇是参与的开始，使学生在参与中寻求问题的答案，能够保持他们天生的好奇和探索世界的欲望。

3.始于问题，载于项目。科学始于提出科学性问题，工程始于定义要解决的工程性问题。工程也可能涉及提出科学性问题来定义工程性问题。以项目为载体驱动学科实践，将课程学习与真实的生活应用相结合，并以成功完成时的喜悦来唤醒理想、希望和意志，同时强化学习动机。3.0科学教育以科学与工程实践为核心，突破学科限制，采取整体学习等策略，以现实问题为挑战，以大概念为线索整合学术内容，围绕科学主题和工程项目整体设计表现性任务与嵌入式评价，重构基于现象和标准的课程单元，鼓励学生主动参与循证推理、建模及创建原型、循证解释、设计解决问题的方案并论证的实践，完成高质量的PBL项目或STEM工程任务，促使学生获得可迁移的知识，实现深度学习，从而深刻理解科学、工程和技术的世界。

4.学于研究，修于设计。以研究和设计为中心的学科实践，采用5E（Engage·Explore·Explain·Elaborate·

Evaluate）教學模式，学生在研究中学习，在设计中修真。如图2所示，一些独立的传统活动模式，如以教师为导向的I-R-E（Initiate-Response-Evaluate）模式，即“教师发起提问—学生响应回答—教师总结评价”，不再以相同的形式存在，而实验室只是学生和教师参与的众多活动之一；学生通过如何提问、收集信息、评估证据和发展解释来推动学习与研究；从左到右的箭头突出了从传统方法到科学与工程课程中心的研究、设计的转变。

综上所述，以研究和设计为中心的学科实践，需要学习内容和空间的重构，需要学生和教师角色与身份的重塑。学生要从被动学习者转变为主动参与者，以科学家和工程师的方式认知、改造和融入世界，理解科学事业，提高批判性思维能力和创新能力。教师要提供学习的路径、支架、策略，从知识传授者转变为师生学习共同体的组织和参与者、学生探究与设计的引导和商量者、课程资源平台的开发者和管理者，从科学教育的教师转变为教学育人的师者。

［本文系长沙市教育科学“十三五”规划2020年度立项课题“初中大概念科学教育深度学习实践研究”（项目编号：CJK2020027）研究成果］

［参考文献］

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