以提升科学素养为核心的科学教育专业高阶实验课程设计与实践——以河北师范大学科学教育专业为例

刘 博，马庆敏

（河北师范大学化学与材料科学学院，河北石家庄 050024）

2021 年，国务院印发了《全民科学素质行动规划纲要（2021-2035 年）》（简称《纲要》），明确提出了“青少年科学素质提升行动”，其中包括提升基础教育阶段科学教育水平、推进高等教育阶段科学教育和科普工作、实施科技创新后备人才培育计划、建立校内外科学教育资源有效衔接机制以及实施教师科学素质提升工程。这五项工作的提出对科学教育教师的培养提出了明确的需求和更高的要求，决定了科学教育人才培养必须向更高层次迈进［1］。

河北师范大学科学教育专业的培养目标明确指出，科学教育专业就是要培养适应国家义务教育阶段科学课程发展和改革的需求，立足河北，面向全国，培养具有社会主义核心价值观、科教兴国意识，具有科学教育专业所需的自然科学基本理论知识和科学与人文相融合的素养底蕴，具备较强的教育教学实践能力、科学教育教学研究和自我发展能力，能够主动有效开发和转化科学教育教学资源和进行相应的教学研究的高素质科学课程教学师资。对标“五项工作”可以发现，《纲要》中提出的“青少年科学素质提升行动”即是对科学教育专业的建设与发展提出的要求，而如何有效提升科学教育专业学生的科学素养成为落实“青少年科学素质提升行动”面临的主要问题。

一、科学教育专业实验课程设置的缺陷

国际上通常将科学素养概括为三个组成部分，即了解科学知识、了解科学的研究过程和方法，以及了解科学与技术对社会和个人所产生的影响。而科学实验显然是能够让学生亲身接触科学知识、亲身参与科学研究过程、亲身体验科技发展对社会和人产生影响的重要途径［2］。但是目前大多数院校的科学教育专业实验课程设置普遍存在两个问题：第一，实验课程设置中大多仅涵盖单一学科内容，跨学科知识的综合运用，特别是缺乏科学与技术的融合，课程广度不够；第二，实验课程的设计大多是对成熟的理论进行单一的验证性实验，缺乏综合性和探究性实验，无法让学生亲身参与科学问题的分析和探究过程，课程深度不足［3-4］。显然，目前的实验课程体系设置不利于学生充分了解科学知识、掌握科学的研究方法、发现生活中科学与技术的应用，不利于培养具有较高科学素养的科学教育人才［5］。因此，科学教育专业的实验课程设置亟须从两方面进行改革：第一，增加横跨多学科知识、融合科学与技术的综合性实验课程，拓展课程广度；第二，增加涵盖科学研究全过程的探究性实验课程，挖掘课程深度。河北师范大学的科学教育专业即从上述两方面入手，对现有科学教育专业的实验课程进行了改进与提升。

二、系列高阶实验课程的设计与实施

科学教育专业的学科基础实验课程包括《无机化学实验》《有机化学实验》《分析化学实验》《普通物理实验》《植物学实验》《动物学实验》和《微生物学实验》。这些基础实验课程的内容主要以理论验证性实验为主，学生根据教材中规定的实验步骤，按部就班地进行操作。由于进行什么操作、得到什么结果都是预设好的，学生几乎没有自主思考和探索的空间，实验课程仅能加深学生对各学科基础知识的印象、增强学生的动手能力，但这显然不能有效促进对学生科学素养的培养。基于此，我们在学生完成上述系列基础实验学习的基础上，进一步增加了《综合科学实验》和《科学探究实验》两门实验课，以期通过亲身参与多学科的科学探究过程，让学生感受科学发现的喜悦、体会创新的乐趣，从而培养学生科学思维和创新精神，并让学生在实践中逐渐理解科技发展与社会和人的关系，形成正确的情感、态度与价值观，提升学生的科学素养。

在课程设置上，科学教育专业的学生在第2～4 学期进行基础实验的训练和学习。在掌握各学科专业实验仪器的使用方法和基本操作技能，以及对各学科基本规律、基本原理进行验证性实验的基础上，我们将《综合科学实验》和《科学探究实验》两门课分别设置在第5 和第7 学期，对学生综合运用多学科知识能力和科学探究能力进行进一步锻炼和提升。《综合科学实验》课程设置为每周3 学时，开课12 周，共计36 学时。本课程要求学生能够综合运用2～4 学期学习多学科实验方法和技能，通过将基础科学知识与现实技术应用融合，解决与社会、生活息息相关的能源、环境、健康等方面的问题。《综合科学实验》依托化学与材料科学学院化学国家级实验教学示范中心平台，设置了《自动寻路小车的调试与优化》《水火箭的制作》《化学小火箭的制作》《矿泉水瓶的降解和回收》《甲醛浓度的标准化测定》《水果电池亮闪闪》等6 个实验项目。

1.《自动寻路小车的调试与优化》通过学生自主搭建小车，并对寻路模块进行编程，调试和优化小车自动寻路功能。实验内容融合科学理论以及将其应用于实际应用所需要的技术与工程知识，全方位提升学生的科学与技术能力。

表1 河北师范大学科学教育专业《综合科学实验》课程项目

2.《水火箭的制作》是深受学生喜爱的综合实验，该实验综合运用物理、数学、美术等多学科知识完成，能够让学生在水火箭的制作过程中充分感受“运动与相互作用”这一学科核心概念，发展学生综合运用知识的能力、团队合作的能力以及创新实践的能力。

3.《化学小火箭的制作》则是在水火箭的基础上进行的探索和创新，在“运动与相互作用”的基础上进一步引入“物质的变化与化学反应”这一学科核心概念，让学生亲身体验“能的转化与能量守恒”。

4.《矿泉水瓶的降解和回收》瞄准目前广泛存在的塑料污染问题，学生收集宿舍楼、教学楼内废弃的矿泉水瓶，分类后通过简单的化学反应，让学生将塑料降解，体验变废为宝，体会“人类活动与环境”这一学科核心概念。

5.《甲醛浓度的标准化测定》选取了人们关切度较高的甲醛污染问题，让学生查阅国家标准和相关文献，设计测定方法并利用实验室已有仪器设备搭建实验装置，在这个过程中体验“物质的结构与性质”“生物与环境的相互关系”等学科核心概念。

6.《水果电池亮闪闪》则是选取了生活中常见的水果，利用原电池原理，使普通的水果产生电流，点亮LED 装饰灯，让学生感受生物、物理、化学等学科知识的交叉融合。

基于上述6 个实验项目，学生通过综合运用多学科知识设计并亲手进行实验，最终解决与日常生活紧密联系的实际问题，以点带面，对“物质与能量”“结构与功能”“系统与模型”以及“稳定与变化”这四大跨学科概念产生充分的感性认识，体验与生活、环境、社会息息相关的科学知识。

在《综合科学实验》的基础上，我们在第7 学期还开设了《科学探究实验》这门课，课程设置为每周4 学时，开课8 周，共计32 学时。与《综合科学实验》不同，《科学探究实验》课程更加注重让学生触碰科学研究的前沿、拓展学科知识、培养创新意识，因此课程设计的实验项目均来自学院教师的最新科研成果。我们保留了成果的核心创新部分，同时对其调整和优化，转变为适合科学教育专业学生动手操作的探究实验项目。结合化学学科特点，《科学探究实验》目前设置了《有机染料的物理吸附及化学光降解》《基于凝胶体系的二氧化碳的可视化传感》《基于光子晶体的加密防伪标签的制作》和《超疏水材料的合成与应用》等4 个实验项目。

表2 河北师范大学科学教育专业《科学探究实验》课程项目

1.《有机染料的物理吸附及化学光降解》瞄准染料废水的处理这一工业难题，通过对硅藻土进行改性，实现对染料废水的物理吸附，并通过合成无机纳米催化剂实现对染料废水的光降解，让学生在实验的过程中了解染料废水的危害以及目前从物理和化学两大学科角度出发，分别提出染料废水处理方案。

2.《基于凝胶体系的二氧化碳的可视化传感》基于具有明显实验现象的凝胶-溶胶体系，让学生通过简单的化学方法合成凝胶因子，进而通过对溶剂、浓度等参数的优化，实现对二氧化碳的可视化检测。实验不仅教会了学生基本的实验操作，还锻炼了学生分析问题、解决问题的能力。

3.《基于光子晶体的加密防伪标签的制作》首先让学生了解并亲手制备光子晶体这种具有独特性质的材料，并通过探究温度、时间等制备条件改变得到全新的具有不同颜色的光子晶体，在这个过程中体会“物质的结构与性质”这一学科核心概念，培养学生的创新意识。

4.《超疏水材料的合成与应用》则是通过简单的材料合成实验，让学生在有趣的实验中亲身体会超疏水材料合成过程，探究超疏水特性的科学本质，让学生留下深刻的印象。

上述《综合科学实验》和《科学探究实验》不仅让实验课程横跨多学科知识、融合科学与技术，打破了传统分学科实验的界限，将各学科割裂的知识密切联系起来，拓展了课程的广度，还使学生能够针对新问题、设计新方案、得到新结果，实验内容涵盖科学研究的全过程，挖掘了课程的深度。科学教育专业的学生在经过“基础实验—综合科学实验—科学探究实验”这样逐层递进的实践锻炼后，能够有效加深他们对科学知识的掌握、对科学研究过程的了解以及对科学精神的感受。

在学生基本了解了科学研究的整个过程后，我们还结合《小学科学课程标准》对课程教学的要求开设了《教具设计与制作》《Steam 教学设计与实践》以及《项目式教学设计与实践》三门理论与实践融合的创新实践课程。《教具设计与制作》课程让学生自由设计并动手制作《小学科学》课程的实验教具。这需要学生熟练运用化学、数学、物理等多学科知识去设计实现实验目标的教具，在制作过程中锻炼学生分析和解决实际问题的能力，提升学生的动手能力。《Steam 教学设计与实践》课程是在《教具设计与制作》基础上，进一步要求学生能够结合学生的认知程度和认知规律，根据指定主题设计Steam 教学内容。需要学生全面评估教学设计中运用的各种跨学科的科学与工程知识是否适用于小学生，提升学生对《小学科学》教学内容的把控能力。《项目式教学设计与实践》则是在《Steam 教学设计与实践》课程基础上，对Steam 教学项目的实施进行详细的教学设计，提升学生教学设计与实施的能力。通过上述三门课程的引入，我们希望学生能够真正接触《小学科学》课程教学实际，锻炼他们对《小学科学》课程内容创新设计和实施的能力。

三、结语

通过“学科基础实验—综合科学实验—科学探究实验—创新实践课程”的逐层递进的实验课程体系，学生能够在逐渐提升实验动手能力的同时亲身体会多学科核心概念，体验科学探究过程，创新设计科学课程，这能够最大限度地培养学生的科学素养和创新能力。