科學(xué)教育面臨的巨大挑戰(zhàn)

摘要：闡述了美國科學(xué)教育在實(shí)驗(yàn)教學(xué)、教師專業(yè)發(fā)展、課程改革、測量評價(jià)4個(gè)方面面臨的巨大挑戰(zhàn)。要應(yīng)對這些全球性的挑戰(zhàn)，僅僅靠化學(xué)教育自身迎接巨大挑戰(zhàn)并不可行，必須依靠跨學(xué)科間的合作；單靠某一個(gè)國家獨(dú)自迎接巨大挑戰(zhàn)也是不可行的，必須依靠國際間合作；中國化學(xué)教育和中國科學(xué)教育的國際化勢在必行。

關(guān)鍵詞：科學(xué)教育；化學(xué)教育；挑戰(zhàn)；科學(xué)教育國際化

文章編號：1005–6629（2015）1–0003–04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

自上世紀(jì)90年代后期開始，尤其是在近10年內(nèi)，中國化學(xué)教育的研究和實(shí)踐取得了舉世矚目的成就。但與此同時(shí)，也面臨著很多挑戰(zhàn)。本文主要闡述目前美國科學(xué)教育所面臨的巨大挑戰(zhàn)，通過對這些挑戰(zhàn)的反思，希望能夠?qū)ν杏兴鶈l(fā)。

2013年4月，國際頂級雜志《科學(xué)》專門開設(shè)了一個(gè)專欄邀請了世界頂級科學(xué)教育方面的研究專家，對科學(xué)教育取得的進(jìn)展進(jìn)行了回顧，闡述了科學(xué)教育所面臨的巨大挑戰(zhàn)，并對不久的將來如何應(yīng)對挑戰(zhàn)作出一些反思，啟發(fā)并鼓勵(lì)大家對此做出貢獻(xiàn)。這些專家共提出20個(gè)巨大挑戰(zhàn)，其中有12個(gè)與化學(xué)教育直接相關(guān)，這些巨大挑戰(zhàn)可以概括為以下4個(gè)方面：

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的巨大挑戰(zhàn)

實(shí)驗(yàn)室動手實(shí)驗(yàn)是非常重要的，通常認(rèn)為實(shí)驗(yàn)室動手實(shí)驗(yàn)有以下的預(yù)期效果：①提高了學(xué)生對概念的理解；②發(fā)展了學(xué)生科學(xué)探究的技能和推理能力；③發(fā)展了學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作能力；④激發(fā)了學(xué)生對科學(xué)的興趣；⑤促進(jìn)了學(xué)生對復(fù)雜的科學(xué)本質(zhì)的理解。表1是近期美國科學(xué)教學(xué)中各種教學(xué)活動的統(tǒng)計(jì)?？梢钥吹?0%的化學(xué)課堂每星期至少有一次實(shí)驗(yàn)活動。71%的所有其他科學(xué)課堂每星期至少有一次實(shí)驗(yàn)活動。可見動手的實(shí)驗(yàn)活動是非常常見的教學(xué)活動之一。

然而，美國高中科學(xué)實(shí)驗(yàn)的調(diào)查報(bào)告（NRC，2006）卻得出了這樣的結(jié)論[1]：①科學(xué)實(shí)驗(yàn)的預(yù)期效果幾乎完全沒有顯現(xiàn)出來。②絕大多數(shù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐質(zhì)量較低。早期的研究也發(fā)現(xiàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果并不理想。1978年Bates等對實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的研究發(fā)現(xiàn)[2]：講授法、演示法、學(xué)生動手實(shí)驗(yàn)這三種教學(xué)方式對學(xué)生學(xué)習(xí)知識的影響基本相同。1983年Blosser研究發(fā)現(xiàn)[3]，在上百個(gè)比較實(shí)驗(yàn)教學(xué)和其他教學(xué)方法效果的定量研究中，僅有29個(gè)結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)教學(xué)有著更顯著意義的效果，16個(gè)研究表明多種教學(xué)方法其效果互有上下，而其余絕大多數(shù)研究結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)教學(xué)與其他教學(xué)方法并沒有顯著的差別；1994年一篇對實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果研究的文獻(xiàn)綜述也得出了同樣的結(jié)論[4]。這是使我們感覺很奇怪的，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用期望如此之大，那么為什么不同的研究卻沒有證實(shí)這個(gè)效果？

問題出在哪兒？可能有如下一些原因：隨著課程目標(biāo)、學(xué)生群體分布、科技發(fā)展，以及我們對學(xué)生學(xué)習(xí)認(rèn)知的不斷變化，我們的目標(biāo)和期望也在不斷地變化著[5]；實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的各種測評方法差異極大；科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量很差；隨著技術(shù)的更新，對于“實(shí)驗(yàn)”的定義也在不斷的變化，以前對于實(shí)驗(yàn)的含義和現(xiàn)在是有很大不同的。比如傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)形象已經(jīng)發(fā)生很大的變化，“如今的計(jì)算機(jī)就如同試管一樣已成為化學(xué)家們的重要工具”。

既然技術(shù)的更新如此迅猛，那么在中學(xué)里究竟有哪些技術(shù)可以應(yīng)用，尤其是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得以應(yīng)用。表2、表3是2013年美國高中科學(xué)課堂中可使用的教學(xué)技術(shù)的一個(gè)調(diào)查報(bào)告[6]，可見85%的化學(xué)課堂中可以用網(wǎng)絡(luò)、非圖形計(jì)算器等等。32%的化學(xué)課堂中互聯(lián)網(wǎng)每一周至少可以用一次。說明化學(xué)課堂能運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)手段，但真正用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)是很少的，大部分的課堂教學(xué)仍然是傳統(tǒng)的。

除此之外，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)還存在一些問題[7]：①學(xué)習(xí)目標(biāo)的失焦；②實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)與課堂教學(xué)的脫節(jié)；③科學(xué)概念與科學(xué)過程的失整；④缺乏反思和討論。這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，可能是造成實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不理想的原因?；谏鲜鲅芯浚瑢?shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)必須開拓一些新思路[8]：（1）學(xué)生在科學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐活動中，能夠通過使用工具，收集數(shù)據(jù)，建立模型，運(yùn)用科學(xué)理論直接與身邊的世界（或從實(shí)際生活中獲取的數(shù)據(jù)）進(jìn)行互動。（2）遵循有效實(shí)驗(yàn)實(shí)踐活動的原則：①有清晰明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)；②有序的指導(dǎo)流程；③科學(xué)概念與科學(xué)過程的有機(jī)整合；④實(shí)時(shí)的討論和反思。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的巨大挑戰(zhàn)包括：

巨大挑戰(zhàn)之一：通過網(wǎng)絡(luò)環(huán)境創(chuàng)建學(xué)生的個(gè)人數(shù)據(jù)庫，并以此引導(dǎo)他們進(jìn)行適合自身理解水平的虛擬實(shí)驗(yàn)。

在美國，現(xiàn)在有很多國家自然基金會資助的項(xiàng)目，讓學(xué)生在網(wǎng)上進(jìn)行科學(xué)探究，這其中就包括虛擬實(shí)驗(yàn)，甚至包括在課堂教學(xué)之外的實(shí)體實(shí)驗(yàn)。例如：美國加州伯克利分校的一個(gè)研究小組開發(fā)的“以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的科學(xué)探究環(huán)境”簡稱WISE，這個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)近20年，現(xiàn)在已經(jīng)相對完善。物理、化學(xué)、生物、環(huán)境科學(xué)每個(gè)學(xué)科里幾個(gè)核心專題都有專門的模塊。每天都有成千上百的學(xué)生通過這個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行科學(xué)探究，包括化學(xué)。這就存在一個(gè)問題：這么多的學(xué)生同時(shí)在網(wǎng)上學(xué)習(xí)，可以想象一年下來，有多少學(xué)生學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)，怎樣利用這樣的數(shù)據(jù)庫，對學(xué)生進(jìn)行實(shí)時(shí)的指導(dǎo)；怎樣用“大數(shù)據(jù)”理解學(xué)生的學(xué)習(xí)過程并對學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行個(gè)性化的指導(dǎo)，這就是個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

巨大挑戰(zhàn)之二：針對不同學(xué)科領(lǐng)域的課程，尋找虛擬和實(shí)體研究間的理想平衡。

圖1是剛剛完成的美國國家自然基金會資助的項(xiàng)目。這個(gè)項(xiàng)目的內(nèi)容之一是開發(fā)一套與中學(xué)化學(xué)教學(xué)專題有關(guān)的虛擬實(shí)驗(yàn)，開發(fā)之后，探究怎樣將虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)整合，什么時(shí)間使用虛擬實(shí)驗(yàn)，什么時(shí)間使用實(shí)體實(shí)驗(yàn)。尋找虛擬和實(shí)體研究間的理想平衡，還處于探索之中。

巨大挑戰(zhàn)之三：尋找以虛擬和實(shí)體實(shí)驗(yàn)為教學(xué)特色的科學(xué)教師所應(yīng)具備的技巧和策略。

教師要理解新一代實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理念，需要具備基于模型的教與學(xué)（MBSTL）的學(xué)科教學(xué)知識（PCK），包括：

關(guān)于化學(xué)的知識

關(guān)于計(jì)算機(jī)模型的知識

關(guān)于學(xué)生的知識

關(guān)于課程的知識

關(guān)于評價(jià)的知識

2 教師專業(yè)發(fā)展方面的巨大挑戰(zhàn)

教師專業(yè)發(fā)展方面的巨大挑戰(zhàn)包括：

巨大挑戰(zhàn)之四：尋找有效推進(jìn)教師專業(yè)發(fā)展（PD）的內(nèi)在機(jī)制。

教師專業(yè)發(fā)展有多種途徑：

（1）暑期培訓(xùn)；（2）教練輔導(dǎo)；（3）咨詢和指導(dǎo)；（4）暑期科學(xué)研究；（5）校本專業(yè)學(xué)習(xí)社區(qū)：每一個(gè)學(xué)校以這個(gè)學(xué)校的學(xué)科組為單位組成學(xué)習(xí)社區(qū)；（6）工作室；（7）研究生課程。

在美國幾乎70%～80%的中學(xué)教師有碩士學(xué)位，也有相當(dāng)一部分、大約8%左右的教師有博士學(xué)位。

有效的教師專業(yè)發(fā)展必須具有以下的特征：（1）聚焦專業(yè)內(nèi)容。對于化學(xué)教師來說，一個(gè)很重要的方面是關(guān)注教師的化學(xué)背景知識的提高。（2）教師主動參與學(xué)習(xí)。如果教師被強(qiáng)迫參加教師培訓(xùn)的講座、課程，其專業(yè)發(fā)展就不是有效的。（3）團(tuán)隊(duì)合作。有效的教師專業(yè)發(fā)展不是個(gè)人的，必須有團(tuán)隊(duì)合作。教師專業(yè)發(fā)展可以依托小組或?qū)W校的團(tuán)隊(duì)。（4）高度相關(guān)性。與學(xué)校政策和實(shí)際相吻合，與學(xué)校的課程改革、政策和實(shí)際相吻合。（5）充足的時(shí)間。有效的教師專業(yè)發(fā)展并不是一次就能夠大功告成，而必須是長期的。

知道了這些仍然是不夠的。暑期的教師培訓(xùn)有的是成功的，有的是失敗的。為什么同樣類型的教師專業(yè)發(fā)展培訓(xùn)，不同的人去執(zhí)行，不同的環(huán)境，不同的組織方式，其效果就會不一樣。這就涉及到教師專業(yè)發(fā)展的內(nèi)在機(jī)制，然而對于這個(gè)問題現(xiàn)在的研究仍然不是很清楚。

巨大挑戰(zhàn)之五：尋找有助教師從容應(yīng)對下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)（NGSS）的教師專業(yè)發(fā)展的最佳模式。

下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)（NGSS）有3個(gè)維度：

維度一：子學(xué)科核心概念（涉及自然科學(xué)、生命科學(xué)、地球和太空學(xué)，工程、技術(shù)與應(yīng)用科學(xué)4個(gè)領(lǐng)域）。

維度二：科學(xué)的各個(gè)子學(xué)科之間的跨學(xué)科交叉概念。

維度三：科學(xué)和工程實(shí)踐。

維度一大家比較熟悉，這就是傳統(tǒng)的以學(xué)科為中心的教學(xué)，包括化學(xué)中的一些概念、專題，比如物質(zhì)的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)。但是維度二、維度三是比較新的思想，維度二涉及交叉學(xué)科、跨學(xué)科的概念，比如系統(tǒng)和系統(tǒng)模型；維度三中所指的實(shí)踐和我們以前說的探究或技能是不一樣的，實(shí)踐是綜合的，包括技能技巧，也包括對概念的理解、興趣態(tài)度，比如模型和建模。如何在教學(xué)中將這三個(gè)維度同時(shí)整合起來，這是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

巨大挑戰(zhàn)之六：利用新興技術(shù)和社會媒體資源確保所有教師能參與高質(zhì)量的科學(xué)專業(yè)發(fā)展。

美國和中國一樣，也是一個(gè)國土面積很大的國家，資源分布也不是很均衡。尤其是市區(qū)學(xué)校和農(nóng)村學(xué)校，教師資源、教師專業(yè)發(fā)展很不同。怎么樣使所有的教師得到同樣的高質(zhì)量的專業(yè)發(fā)展是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在有一個(gè)非常值得關(guān)注的技術(shù)：大規(guī)模的開放性網(wǎng)上課程。怎么樣利用這個(gè)技術(shù)來做教師職業(yè)培訓(xùn)，促進(jìn)教師專業(yè)發(fā)展，目前還處于探索之中。

3 課程改革方面的巨大挑戰(zhàn)

為什么課程改革是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)呢？國際上有一個(gè)科學(xué)教育相關(guān)性（ROSE）研究。ROSE是一項(xiàng)國際性的比較研究項(xiàng)目，旨在了解學(xué)生對于科學(xué)與技術(shù)的興趣、態(tài)度及價(jià)值觀，并分析相關(guān)的影響因素。課程改革的3個(gè)巨大挑戰(zhàn)就從ROSE的刊出報(bào)告談起。

巨大挑戰(zhàn)之七：幫助學(xué)生探索個(gè)人與科學(xué)的相關(guān)性，并能將科學(xué)知識整合應(yīng)用于解決復(fù)雜的實(shí)際問題。

由對“學(xué)校中的科學(xué)教育幫助我理解了科學(xué)對日常生活的重要性”這一問題的調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)展中國家大約90%學(xué)生認(rèn)為，科學(xué)教育能夠幫助他們理解科學(xué)對日常生活的重要性。而發(fā)達(dá)國家的比例只有44%，差異顯著。這說明發(fā)達(dá)國家學(xué)生認(rèn)為科學(xué)對于日常生活的重要性并不是很大，至少學(xué)校的科學(xué)教育沒有幫助他們理解科學(xué)的重要性。

由對“科學(xué)和技術(shù)使我們的生活更加健康、簡單、舒適”這一問題的調(diào)查結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)展中國家的學(xué)生普遍認(rèn)為科學(xué)和技術(shù)使我們的生活更加美好；但是持同樣看法的發(fā)達(dá)國家學(xué)生的比例明顯要低，只有60%左右。并且男女生的差異很大，女生的比例普遍要比男生要低。

巨大挑戰(zhàn)之八：幫助學(xué)生理解科學(xué)公信力的社會和制度的基礎(chǔ)。

由對“我們始終相信科學(xué)家的話”這一問題的調(diào)查結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)達(dá)國家學(xué)生的回答賦值在1.5～1.7平均值間（賦值1～4，4代表絕對同意），存在男女生之間的差異；發(fā)達(dá)國家學(xué)生對科學(xué)家的信任并不是盲目的，是有一定程度的懷疑的。美國公眾對科學(xué)家團(tuán)體的信任度是比較高的，這和學(xué)生對科學(xué)家的懷疑有著鮮明對比，很值得我們反思。

巨大挑戰(zhàn)之九：幫助學(xué)生建立個(gè)人的持久的與科學(xué)相關(guān)的興趣。

這些研究中也有一些涉及到化學(xué)。由對“化學(xué)物質(zhì)、性質(zhì)以及如何反應(yīng)”這一問題的調(diào)查結(jié)果可見，發(fā)達(dá)國家學(xué)生興趣不大。以挪威為例，男生45%左右，女生只有20%。而發(fā)展中國家學(xué)生對此感興趣的比例較高。由對“爆炸化學(xué)及化學(xué)品”這一問題的調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，男女生差異非常大，這是可以想象到的；女生對此感興趣約有30%左右，男生約80%。此外，統(tǒng)計(jì)學(xué)生對108個(gè)科學(xué)技術(shù)專題感興趣程度的平均值發(fā)現(xiàn)，感興趣程度和人類發(fā)展指數(shù)（HDI）呈負(fù)相關(guān)，r=-0.85。這很值得思考：為什么隨著社會進(jìn)步，學(xué)生反而對科學(xué)技術(shù)越來越不感興趣，因此，幫助學(xué)生建立個(gè)人的持久的與科學(xué)相關(guān)的興趣是個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

4 測量評價(jià)方面的巨大挑戰(zhàn)

測量評價(jià)方面的巨大挑戰(zhàn)主要包括：

巨大挑戰(zhàn)之十：設(shè)計(jì)有效可靠的評估機(jī)制，能反映科學(xué)實(shí)踐、跨學(xué)科交叉概念以及學(xué)科核心觀念一體化的思想。

怎么樣開發(fā)新一代測試方法、測試工具同時(shí)對三個(gè)維度進(jìn)行評價(jià)，這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。上文已經(jīng)提到這三個(gè)維度，目前還沒有辦法對這三個(gè)維度進(jìn)行有效可信的測量。美國國家測試項(xiàng)目（NAPE）每四年對四年級、八年級、十二年級學(xué)生的科學(xué)學(xué)業(yè)水平進(jìn)行測試。他們在上一輪2010年的全國測試中，嘗試著使用一種網(wǎng)上測量的方式，這個(gè)網(wǎng)上的測試包括虛擬實(shí)驗(yàn)，也包括學(xué)生科學(xué)能力的探查。這次嘗試是不是有效，有沒有其他更加有效更加可靠的方法，這就是在今后一段時(shí)間里很多教育科學(xué)研究者所關(guān)注的問題。

巨大挑戰(zhàn)之十一：使用評估結(jié)果為建立幼兒園到12年級（K-12）科學(xué)學(xué)習(xí)進(jìn)程提供實(shí)證基礎(chǔ)。

在建立學(xué)習(xí)進(jìn)程的基礎(chǔ)上，必須要建立一個(gè)大跨度的從幼兒園到十二年級的有效的測量工具。這個(gè)測量工具必須把學(xué)生從幼兒園到十二年級的科學(xué)能力放在同一個(gè)尺度上比較。而不是三、八、十二年級各自有獨(dú)立的測試，這樣的測試不可比，就不能作為學(xué)習(xí)進(jìn)程的實(shí)證基礎(chǔ)。目前Rasch模型可以解決有效建立不同年級測試卷這個(gè)問題。Rasch模型是不是唯一的，目前有沒有比Rasch模型更有效的方法，也是一個(gè)值得關(guān)注的問題。

巨大挑戰(zhàn)之十二：構(gòu)建測試工具及信息系統(tǒng)，幫助教師有效地使用評估促進(jìn)課堂教學(xué)。

教師怎么樣用測試的信息來提高教學(xué)質(zhì)量，而不是等到期末或會考才得到一個(gè)報(bào)告，學(xué)生的學(xué)業(yè)成績怎么樣。需要有一個(gè)有效的形成性測試系統(tǒng)，怎么樣開發(fā)一個(gè)有效的形成性的測試系統(tǒng)，教師可以實(shí)時(shí)地掌握測量信息，然后用這個(gè)測量信息提高教學(xué)，也是目前關(guān)注的問題。

SimScientists經(jīng)由研究和發(fā)展項(xiàng)目組合而成，聚焦于運(yùn)用仿真技術(shù)來豐富科學(xué)學(xué)習(xí)和評估。這類能實(shí)時(shí)修改的仿真活動尤其能為英語學(xué)習(xí)者和有學(xué)習(xí)障礙的學(xué)生提供便利。同時(shí)科學(xué)仿真活動不僅可以用于課堂教學(xué)活動，也可用于形成性評價(jià)及終結(jié)性評價(jià)。筆者自己做的項(xiàng)目，前文提到過，實(shí)際上是虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)的整合，開發(fā)一套化學(xué)課程的形成性測試系統(tǒng)。這樣，可以清晰地描述不同學(xué)生在不同單元的學(xué)習(xí)進(jìn)程。這個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)出來了。它可以（1）發(fā)展、檢驗(yàn)和評估基于計(jì)算機(jī)建模的化學(xué)學(xué)科的形成性評價(jià)；（2）確定適合不同程度水平的學(xué)生理解概念的教學(xué)資源；（3）開發(fā)高中化學(xué)課程形成性評價(jià)的教師專業(yè)發(fā)展資源。

5 機(jī)遇與挑戰(zhàn)

除了全球性的共同挑戰(zhàn)，對一些國家而言，還將會有其特有的挑戰(zhàn)。那么中國面臨的挑戰(zhàn)是什么？僅僅靠化學(xué)教育自身迎接巨大挑戰(zhàn)并不可行，必須依靠跨學(xué)科間的合作；同樣單靠某一個(gè)國家獨(dú)自迎接巨大挑戰(zhàn)也是不可行的，同樣必須依靠國際間合作；中國化學(xué)教育和中國科學(xué)教育的國際化勢在必行。

[作者簡介：柳秀峰，1986年畢業(yè)于華東師范大學(xué)化學(xué)教材教法專業(yè)（碩士學(xué)位）。1986年到1989年任中央教育科學(xué)研究所（現(xiàn)中國教育科學(xué)研究院）助理研究員。1993年獲得加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)博士學(xué)位。曾任教加拿大圣浮朗西斯?jié)煞菭柎髮W(xué)和愛德華王子島大學(xué)?，F(xiàn)任美國紐約州立大學(xué)布法羅分?？茖W(xué)教育教授，教育研究生院副院長。]

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