科学教育与关键能力培养：内涵、关系及教学策略

朱玉军 王香凤

摘要：21世纪的教育注重培养支撑学生终身发展、适应时代要求的关键能力。分析和比较了中国和美国提出的关键能力内涵及其要素，中国更重视伦理道德规范、职业能力和创新能力，美国对关键能力要素的表达更加具体明确；阐述了科学教育与培养关键能力的关系；解析了我国科学课程标准中与关键能力有关的内容，建议前移科学道德和学术规范教育、强化职业生涯规划及发展教育。提出了科学教育中培养关键能力的四项教学策略：充分利用科学探究与工程实践、合作学习与合作探究、科学理论发展史及联系学生兴趣及生活经历的真实情境。

关键词：科学教育；关键能力；科学课程标准；认知能力；合作能力；创新能力

文章编号：10056629（2023）12000305

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于深化教育体制机制改革的意见》（以下简称“意见”），指出：“要注重培养支撑终身发展、适应时代要求的关键能力。在培养学生基础知识和基本技能的过程中，强化学生关键能力培养。”并提出了认知能力、合作能力、创新能力、职业能力等4种关键能力^［1］。如何将这一深化教育改革的目标落到实处，是一项艰巨的任务，值得研究和探讨。显然，学生关键能力的培养离不开各个学科的教育。那么，搞清楚关键能力的内涵及其要素，探讨各学科教育与学生关键能力培养的关系，明晰通过各学科教育培养学生关键能力的路径和方法，将有利于在各个学科的教学实践层面真正做到强化学生关键能力培养。本文着重探讨科学教育与关键能力培养的关系。

1 关键能力的内涵及其要素分析

“意见”指出的4种关键能力的内涵见表1。

相应地，美国提出了“21世纪技能”，其框架及内涵见表2^［2］。

对比表1和表2，可以看出，“意见”提出的关键能力和美国的21世纪技能之间具有许多共同的要素：（1）思维能力；（2）信息加工能力；（3）学习能力；（4）交流能力；（5）自我管理能力；（6）对不同的个人、不同的集体、不同的社会等的适应能力；（7）合作能力；（8）问题解决能力；（9）创新能力。另外，两者的不同之处在于：（1）“意见”强调了道德准则与行为规范，强调知行合一，这是道德伦理层面的要求，是我国“立德树人”教育方针的体现；（2）“意见”强调了爱岗敬业、精益求精、积极实践、解决实际问题等职业精神和能力，这体现了社会主义核心价值观的内涵和工匠精神；（3）“意见”特别单列了“创新能力”，这是基于我国国情正加快创新型国家建设步伐的要求；（4）美国的21世纪技能的内涵表述更加具体，这可以为我们在学科教学实践层面落实关键能力培养目标提供参考。

2 科学教育与关键能力培养的关系

美国指出21世纪技能必须建立在坚实的学科知识基础上，在核心学科的教学过程中培养学生的21世纪技能^［3］。同样地，要培养“意见”提出的关键能力，也需要紧密结合各个学科的教学实践，否则很可能沦为“空喊的时髦词汇”而得不到落实。科技对人类社会的影响日益深刻，世界各国的科学教育改革都致力于培养高素质的未来公民和有竞争力的人力资源。显然，科学教育对学生关键能力的培养具有举足轻重的价值和功能。

2.1 科学教育对于培养认知能力具有重要作用

科学讲求“实证为上、证据为先，以可靠的证据为说话的依据”，这有利于培养独立思考能力；科学研究往往从阅读已有文献及处理已有信息开始，在已有文献及信息的基础上找到研究问题，这有利于培养信息加工能力；科学思维方法是以“逻辑”和“证据”为基础，开展推理和论证的，这有利于培养逻辑推理能力；科学学习过程中习得的科学思维方法，可以促进我们更好地思考、更好地记忆、更好地理解、更好地解决问题，有利于培养学会学习及终身学习的意识和能力；科学研究需要用系统的实验、可靠的证据、充足的理由、有力的论证、严谨的论文来证明、交流、传播研究结论，这其中涉及复杂而高级的口头和书面交流，特别有利于培养语言表达和文字写作能力及复杂交流能力。

2.2 科学教育对于培养合作能力具有重要作用

科学研究工作的复杂性决定了其要通过合作才能更加高效地解决问题，其中包括科学家与科学家之间的合作、科学家与研究基金资助机构之间的合作、科学家与实验室建设和管理机构之间的合作、科学家与仪器测试工程师之间的合作、科学家与学术成果出版单位的合作等。因此，科学教育中利用科学探究活动开展合作学习，可以很好地培养学生的合作能力；同时，学生在合作探究的过程中，利用发现的证据开展推理、论证、质疑、反驳、交流等活动而达成共识，其中不仅蕴含了对自己的知识、思维、主张等的坚持、辩护与修正，也蕴含了对他人的知识、思维、主张等的审视、批判与接纳，这可以发展适应能力及自我管理能力，从而为将来集体生活及处理个人与社会的关系奠定基础。

2.3 科学教育对于培养创新能力和职业能力具有重要作用

创新能力的培养离不开独立思考、批判性思维、逻辑推理、科学思维方法、系统思维能力等，而这恰恰是科学的本真和魅力所在。科学在于探索神奇的自然世界的现象及规律，科学研究本身就是极具创造力的工作，人类社会面临的环境、气候、能源、材料等各种挑战都需要通过科技创新来解决。科学与人类的生活及经济、社会和环境的平衡而可持续地发展息息相关，科学是满足学生认识周围世界好奇心的良好学习载体，是发挥学生想象力的良好学习载体，是培养学生创新人格的良好学习载体，学生可以在非线性的科学问题解决任务中大胆尝试、勇于探索、创新创造。同时，科学的发展离不开实验，科学是在通过系统实验获得可靠证据的基础上不断发展起来的，而且要不断地追求实验的严谨性、准确性、重复性；同样地，科学教育也离不开实验，让学生通过科学实验来学习科学知识、训练科学思维、发展科学态度，这对于培养精益求精、知行合一、动手实践、解决实际问题等职业能力具有重要作用。同时，科技创新能夠驱动经济和社会发展，创造许许多多的就业岗位，可以满足学生的职业取向和发展需求。

3 科学课程标准与关键能力培养的关系

科学教育课程标准是规划科学课程内容、编写科学课程教材、实施科学课堂教学、开展科学学业质量评价等的基本依据。因此，探讨科学课程标准内容与“意见”提出的关键能力的关系，有利于将学生关键能力培养真正落实到科学教育实践中。通过检索关键词“能力”及文本分析，得出我国普通高中化学、物理、生物、地理课程标准（2003年版^［4～7］和2017年版^［8～11］）中有关学生能力培养的内容，见表3。

通过交叉分析，发现表3中我国高中科学课程标准中有关学生能力培养的内容全部覆盖了“意见”中提出的关键能力要素：思维能力、信息加工能力、学习能力、交流能力、自我管理能力、适应能力、合作能力、问题解决能力、创新能力、职业精神、道德准则与行为规范。其中，稍显不足的是科学（学术）道德规范，只是在化学课程标准和物理课程标准中有“尊重科学伦理道德”“遵循基本的学术道德规范”的表述；职业能力，有关“爱岗敬业、精益求精”只是在化学课程标准和生物学课程标准中有“传承和弘扬工匠精神”“学习科学家献身科学的精神”的表述。因此，在后续的课程开发、教材编制和教学实践中需要加强科学（学术）道德规范及职业能力和职业精神的培育。

加强科学道德规范，是建设创新型国家的基础工程^［12］。在我国科学教育中，科学道德和行为规范应该得到重视。随着我国科学研究基金投入的增加、科学研究人员队伍的扩大和科学研究水平的提高，发生的一些“学术不端”事件使科学道德和学术规范越来越被学术界乃至社会所关注。调查显示，大学生对科学研究的道德后果考虑不够，漠视学术规范，学术失范问题严重^［13］。可见，在大学阶段才开始重视和开展科学道德规范教育为时已晚。因此，科学道德和学术规范教育应该前移至基础教育阶段的科学教育中，在学生心中尽早地播下科学道德和学术行为规范的种子。目前，被特别重视的中小学科学实践活动就是渗透科学道德和学术规范教育的很好载体，有利于将其落实到行動层面。

同时，我国科学教育要加强学生的职业生涯规划及发展教育。长期以来，基础教育的职业发展特性被遮蔽了，事实上基础教育课程除了有训练心智的价值外，还应含有实践的和应用的特征，即提升实用技能的价值，这是与学生未来职业生涯发展相关联的^［14］。而从教学内容和教育目标来看，科学教育与学生未来职业生涯规划及发展的关系更加密切，科学教育要回归学生的生活世界，加强职业生涯发展教育^［15］。美国等发达国家的做法值得借鉴：美国和英国的职业规划教育，瑞典的工作生活定向实践，德国重视的职业技术教育等^［16］。例如，美国高中化学教材《化学：概念与应用》中设置有“化学工作者”专栏，介绍与相应的化学知识密切相关的职业^［17］，将化学课程具备的“训练心智”和“提升实用技能”的双重价值巧妙地结合起来。我国最新版高中化学教科书^［18］也设置了“化学与职业”栏目，介绍与化学相关职业的特点、工作内容和知识背景等，包括化学科研工作者、水质检测员、化学测试工程师、科技考古研究人员、化工行业工程师、电池研发人员、环境保护工程师等，为学生职业生涯的规划与发展提供了良好的参考素材，也是培养学生职业精神的良好载体。

4 科学教育中培养学生关键能力的有效教学策略

发展学生的关键能力需要与科学的具体内容主题紧密结合。只有在具体的科学内容主题、科学学习环境、科学学习活动、科学探究项目中，才能培养和发展学生的关键能力。

（1）在科学探究与工程实践中培养关键能力。科学教育过程中让学生运用科学知识及科学与工程的思维方法解决问题、设计方案、制作项目作品，例如：探究土壤的酸碱性对植物生长的影响，设计防止金属生锈的方案，配制可供植物生长的无土营养液，设计与制作简易供氧器，设计与制作一台小型风力发电机等。让学生在科学探究与工程实践中体验科学家和工程师发现及创造的系统过程和思维方法，培养学以致用、动手实践、问题解决、科学思维、工程思维、系统思维、迁移创新等能力。

（2）在合作学习与合作探究中培养关键能力。科学教育过程中，可以通过设计合作学习和合作探究的活动，让学生通过合作与沟通探究问题、建构理解、设计方案、制作项目作品等，让学生经历提出或发现问题，收集及组织有关信息，提出假设或解决方案，设计检验假设或解决方案的研究计划并实施，收集、分析及解释数据，建构理解或得出结论，撰写研究报告，口头与书面的交流、评价、论证和辩护等学习、合作、探究与交流的过程，培养学生的沟通与交流能力、合作能力、语言表达能力、文字写作能力、信息加工能力、问题解决能力、系统思维能力等。

（3）在科学理论发展史考察中培养关键能力。利用典型的科学理论发展史，例如：原子结构模型发展史，电磁理论发展史，万有引力定律的发展史，化学键理论发展史，生物进化理论发展史，光合作用理论发展史等，让学生理解科学的发展是建立在先前知识基础上的，科学知识会随着持续而深入的研究而改变，科学的发展需要创造性的思维和想法，科学的发展依赖观察、实证和推论，科学的发展需要依赖一定的技术、文化和社会条件，可以培养学生的批判性思维、创新意识和开放包容的科学态度及适应能力等。

（4）在联系学生兴趣及生活经历的真实情境中培养关键能力。当学习与学生的兴趣和生活经历相联系时，学生就会表现出更大的兴趣、积极性和主动性。科学教育中，应该利用好社区资源、校园资源、科技馆等真实情境资源，并开展实地考察活动，例如：社区的垃圾分类及回收利用中的科学，校园中植物的分类及四季变化与养护中的科学，科技馆中的交互式、参与式、体验性的科学展示项目，实地参观和考察空气质量监测站、自来水处理厂、气象站、自然保护区、动物栖息地、科普教育基地等，激发学生学习科学的兴趣、好奇心和求知欲，帮助学生深入理解有关科学知识及其与周围世界的联系，培养学生的自主学习能力、探究能力、实践能力、创新意识等，培养从事与科学相关职业的兴趣、取向及社会责任感。

参考文献：

［1］中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于深化教育体制机制改革的意见》［EB/OL］. （20170924）［20171110］. http：//www.gov.cn/zhengce/2017-09/24/content_5227267.htm.

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