新課程標準視域下小學科學實驗教學的探討*

楊先通 韓 慧 王 娟 郭 明 王 強**

(1. 首都師范大學初等教育學院,北京 100048； 2. 人大附中北京經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)實驗學校,北京 100176； 3. 北京市二十一世紀國際學校,北京 100142)

0 引 言

2017年2月，教育部頒布的《義務教育小學科學課程標準》(以下簡稱《新課標》)，是小學科學實驗教學的綱領性文件，體現(xiàn)了新時代小學科學教育的新特征，對我國現(xiàn)階段的小學科學教育提出了一系列新要求．小學科學課程的基礎性、實踐性、綜合性對于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神、實踐能力和科學素養(yǎng)具有重要的價值[1]．小學生在科學課程中，通常從生活經(jīng)驗出發(fā)，而親身經(jīng)歷或體驗動手動腦的實踐活動則有助于其理解基本的科學知識，提高科學能力，培養(yǎng)科學態(tài)度，最終形成在科學、技術、環(huán)境與社會領域的應用能力．科學課程的特點和功能決定了探究式學習是學生學習科學的重要方式，探究實驗通常具有認知、方法和情意等功能[2]，在小學中開展探究式實驗教學是實現(xiàn)培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)總目標的必要途徑．本文根據(jù)小學實驗教學中存在的探究性較弱和概念整合性較差的問題[3]，依據(jù)《新課標》對探究的新要求，結(jié)合大概念理念對小學科學實驗進行探討，以溶解實驗為例，嘗試探討增強小學科學實驗的探究性和小學科學概念的融合性的方法，從而提高小學生科學素養(yǎng)培養(yǎng)水平[4]．

1 探究式實驗教學

《中國大百科全書·哲學》中對科學實驗的定義是：“科學實驗是人們?yōu)閷崿F(xiàn)預定目的，在人工控制條件下研究客體的一種科學方法．它是人類獲得知識、檢驗知識的一種實踐形式．科學實驗萌芽于人類早期的生產(chǎn)活動中，后來逐漸分化出來．從16世紀開始成為獨立的社會實踐形式，并且成為近代自然科學的重要標志”[5]．這一定義從哲學的角度對科學實驗進行了概括，指出科學實驗的4個要素分別是實驗者、實驗對象、實驗條件以及科學實驗的作用．但這一定義對小學生科學實驗指導不明確，當科學實驗走向具體的科學教育活動時，其內(nèi)涵需要具備更精確的指向性．結(jié)合教學論和學習論，科學實驗教學是著眼于學生科學素養(yǎng)的提高，在實驗室或特定的實驗場所中，基于預成的實驗課程框架，通過師生主體間的交往與對話，促進學生掌握科學大概念、提高學生科學探究能力，養(yǎng)成科學技術環(huán)境社會等態(tài)度的社會實踐活動．小學生作為認識世界的主體，也要重演人類的認識過程：客觀事實—科學事實—科學認識—科學理論—科學應用—新的科學認識等[6]，探究既是小學生通過實驗進行科學學習的基礎，更是小學生構(gòu)建科學認識的重要方法和手段，而小學生在認識物質(zhì)世界時知識基礎、思維能力、認識方法等方面的局限，必須由教師指導與引領[7]，這對探究式實驗教學的設計與實施路徑提出一定的挑戰(zhàn)．

2 探究式實驗教學的新趨勢

科學實驗教學要與時俱進，要符合新時代下《新課標》的新要求，使教學活動更有利于學生對知識的建構(gòu)，更接近學習的本質(zhì)．與2001版課標相比，《新課標》契合國際科學教育的新動態(tài)，在基本理念、課程目標和課程內(nèi)容3方面做了相關改進，在此背景下，探究式實驗教學體現(xiàn)為低齡化和進階性、貫通性和交叉滲透性及大概念引領和內(nèi)容整合三大趨勢．

2.1 低齡化和進階性

低齡化和進階性與科學課程基本理念中的面向全體學生、保護學生的好奇心和求知欲、突出學生的主體地位等原則共同體現(xiàn)了對學生自身存在的關注．《新課標》中提到，探究式實驗教學從一年級開始并分學段進行，小學科學課程以培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)為宗旨，開展探究式實驗教學正是遵循這一宗旨的重要途徑[1]．一方面，當前多數(shù)發(fā)達國家在小學一年級階段開設科學課程，并與母語、數(shù)學處于同等重要的核心地位．例如，中國工程院院士韋鈺在《對歷史和國際情況的調(diào)研結(jié)果支持在小學一、二年級設置科學課》和《恢復一、二年級科學課的理由》的文章中提出，科學課程的安排應于5歲開始，這不僅對開發(fā)學生的思維能力、培養(yǎng)學生的科學興趣有很大幫助，而且對提升全體國民的科學素養(yǎng)有重大意義[8]．另一方面，小學低年級段的學生尚處于前運算階段的后期到具體運算階段的前期，部分學生初步具有守恒的能力，剛開始能夠利用實物完成簡單的邏輯操作，《新課標》考慮到學生心智發(fā)展特點，分別從8個要素描述科學探究的進階性學段目標．因此，《新課標》為體現(xiàn)低齡化和進階性的應然性與實然性要求，將學段目標的進階形式以概念圖示的方式呈現(xiàn)，從而為探究式實驗教學提供框架支撐，使得探究式實驗教學在考慮低齡化要求的基礎上，進而使學生實現(xiàn)階梯性進展，如圖 1～3．

圖1 一、二年級學段科學探究目標[1]

圖2 三、四年級學段科學探究目標[1]

圖3 五、六年級學段科學探究目標[1]

2.2 貫通性和交叉滲透性

科學探究思維應貫穿于小學科學教育的整個課程，這要求在設計探究式實驗時要考慮其貫通性和交叉滲透性，將分析綜合、比較分類、抽象概括、類比推理等思維方法運用在探究式實驗教學中．小學科學課程內(nèi)容包括物質(zhì)科學、生命科學、地球科學、技術與工程4個領域，但《新課標》對科學探究的要求不是4個獨立的模塊，而是使科學探究貫穿于課程始終，涉及所有教學內(nèi)容．例如：物質(zhì)科學領域中，學生通過參與探究式實驗學習的過程，能夠?qū)W會用探究的思維去體驗物質(zhì)世界，增強探究物質(zhì)世界奧秘的好奇心和樂于探索的科學品質(zhì)．此外，在設計探究式實驗時又要照顧到課程的貫通性和交叉滲透性．技術與工程作為新加入的學科領域，體現(xiàn)了國際上流行的STEM教育理念，即科學(science)，技術(technology)，工程(engineering)，數(shù)學(mathematics)教育，學生在解決問題的過程中動手做、動腦想，充分發(fā)揮能動的探究意識，在科學與工程技術相結(jié)合的過程中，以促進他們對完整科學世界的理解，同時也為學生認識世界、參與動手實踐、發(fā)展創(chuàng)新能力提供了豐富而有趣的學習平臺．總之，這就要求探究式實驗在加入教材、進入學生的學習活動中時要做好精心的設計，體現(xiàn)前后相接的系統(tǒng)性原則，融合于整個課程之中．

2.3 大概念的引領和內(nèi)容的整合

美國的一項對全國科學教育評估的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學生通過科學探究實則獲得的是一些探究技能和零散的科學知識，科學教育被稱為是“里寬尺深”[9]．在構(gòu)思科學教育的目標時，在知識方面不是用一堆事實和理論，而是用趨向于核心概念的一個進展過程．這些核心概念及進展過程可以幫助學生理解與他們在校以及離開學校以后的生活有關的一些事件和現(xiàn)象．本文把這些核心概念稱為科學上的大概念[10]．大概念對于科學教學內(nèi)容的引領和整合是指用大概念統(tǒng)領探究式實驗教學內(nèi)容，將大概念理念融入探究式實驗教學．首先，在設計科學實驗時，設計者應先明確有哪些核心概念需要達成；其次，設計者需規(guī)劃這些核心概念趨向大概念的合理路徑；然后，在路徑的結(jié)點處對體現(xiàn)核心概念的相應內(nèi)容進行整合，并實施實驗教學的干預，恰當發(fā)揮科學實驗對學生概念理解的促進作用；最后，還需要設計基于學習進階的路徑對學生進行評價的標準．

強調(diào)科學的大概念，旨在引領課堂教學聚焦學生對主干知識的良好理解和應用，而非對細枝末節(jié)內(nèi)容和考試題目的記憶背誦．研究表明，大概念教學可以聯(lián)結(jié)相關的知識內(nèi)容，發(fā)展創(chuàng)造性、未來思維和危機決策等能力[11]．一方面，所有的科學實驗活動都應該致力于深化學生對科學概念的理解及學習的進階[12]．由于在科學的整個學習過程中，學生對科學概念的理解不是一蹴而就的，而且科學概念的形成也不存在“有”或“無”的明確界限，是隨著經(jīng)驗的累積而不斷發(fā)展的過程，處于一個不斷生成的動態(tài)之中，這要求科學實驗的設計應該具有較高的關聯(lián)性并體現(xiàn)學習進階的要求．另一方面，同時應該考慮科學態(tài)度和能力的培養(yǎng)等其他可能達成的目標．學生自身的概念系統(tǒng)在由核心概念向大概念的進展過程中，也包含科學態(tài)度和科學能力的逐漸生成，是一個多維目標的共同實現(xiàn)過程．

3 小學科學實驗教學的應對措施

在低齡化、進階性、貫通性和交叉滲透性以及大概念引領和內(nèi)容整合的新趨勢下，小學科學實驗理應做出相應措施加以應對．一方面，通過分析教材，在教科版、首師大版、京版等通過審批的科學教材中都有體現(xiàn)的實驗，具備一定的普遍性和代表性．另一方面，通過對新課標下探究式實驗教學的趨勢進行分析，以教科版小學科學四年級上冊溶解實驗為例，科學實驗應考慮學生年齡特征和學習進階的要求[13]，體現(xiàn)探究式實驗教學設計的交叉性和滲透性原則，實現(xiàn)大概念在探究式實驗教學中的融入和統(tǒng)領．

3.1 考慮學生的年齡特征與學習進階要求

四年級小學生的認知水平處于皮亞杰認知發(fā)展階段論中具體操作階段的中后期，此階段的學生具有守恒能力，能對實物進行邏輯操作，根據(jù)事物特點把物體進行分類，可親自操作代表問題變量的具體物體．對科學教師而言，要基于學生已有圖式，打破學生認知不協(xié)調(diào)而開展教學，重建學生的認知平衡態(tài)．在此過程中要提供給學生與客觀事物相互作用的機會，豐富學生在科學實驗中所獲得的經(jīng)驗．例如在設計觀察果汁中所含物質(zhì)實驗時，選取果汁作為實驗對象反映了學生對來自于生活中直觀物體的依賴，在實驗過程中學生對現(xiàn)象進行記錄、對變量進行控制，憑借實驗的手段實現(xiàn)由具體操作水平到形式運算階段的進階．該實驗的目的和原則符合此階段學生的認知水平，并能在此基礎上使學生得到進一步提高．

Smith等[14]在研究物質(zhì)與原子分子理論的教學時，首次提出學習進階并將其定義為學生在學習某一核心概念的過程中所遵循的一系列逐漸復雜的思維路徑．使科學實驗的設計符合學習進階的要求，即需要在設計科學實驗時，也應將實驗的路徑呈現(xiàn)為圍繞核心概念而展開的一系列由簡單到復雜、相互關聯(lián)的概念序列．例如，在水的主題下，學生由最初的知道有些物質(zhì)能夠溶解在一定量的水里，進階到能描述一定量的不同物質(zhì)在一定量水中的溶解情況，并且通過實驗，知道攪拌和溫度是影響物質(zhì)在水溶解快慢的常見因素，到中學階段的能學會配制一定溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的溶液便是典型的科學概念進階案例及必要途徑．在3個不同的階段可以設計是否溶解的實驗、溶解快慢的實驗以及配制溶液的實驗，通過實驗的中介作用促進學習進階．

3.2 保證科學實驗設計的一貫性

在對本單元的實驗進行設計時，考慮到了單元內(nèi)上下位概念之間的關系以及不同年級之間概念的承接關系．一方面，在單元之內(nèi)的概念主要有：溶解和不溶解的主要區(qū)別，溶劑和溶質(zhì)，溶解度，溶解速率等．這些概念之間具備一定的遞進關系，是由簡單到復雜，又低級到高級的進階．通過在參與實驗活動中，學生逐漸實現(xiàn)了概念的生成與轉(zhuǎn)化，學生的認識從現(xiàn)象中的客觀事實走向頭腦中的科學事實并進一步走向科學理論．在整個活動中，建構(gòu)起一張大概念的網(wǎng)，這張網(wǎng)由單元內(nèi)的各個分概念編織而成，并由此促進學生對完整世界的認識．另一方面，在新課標中設置了一～二年級、三～四年級、五～六年級的不同階段的學習目標．四年級階段所呈現(xiàn)的這些概念，既是對之前物質(zhì)世界認識的升華，又為以后形成完整的物質(zhì)科學觀奠定基礎，是科學素養(yǎng)形成的重要組成部分．例如，本單元的概念學習對懸濁液與乳濁液、溶解平衡常數(shù)、拉烏爾定律等概念學習都提供了概念建構(gòu)的基礎，以后學生們由基礎教育階段進入學術科研領域，這對于培養(yǎng)具有學習興趣、求知欲望和探索精神學生，培養(yǎng)具有較高理論水平和較強科研能力的創(chuàng)新型人才都有重要意義[15]．

3.3 科學實驗教學要符合大概念要求

小學科學實驗的教學應該從學生感興趣并與他們生活相關的課題開始，逐步進展到掌握大概念．例如：建立溶解實驗與學生經(jīng)驗的聯(lián)系，從日常生活中時?？梢姷纳钣闷分羞x擇材料作為實驗用品，可選用食鹽、白砂糖、沙土、面粉等做實驗材料．在“物質(zhì)”這一大概念下，通過對物體—材料—物質(zhì)這3個層次的觀察與探討，了解物質(zhì)一些基本的性質(zhì)與變化過程，使學生的認識逐漸由具體向抽象過渡．

以大概念的原則進行科學實驗教學時，在實施中應注意：一、正確處理好教學法的使用．科學實驗教學應把握探究主旨．首先，探究的問題應來自于真實生活中，并高于現(xiàn)象；其次，學生應基于先前的想法提出預測，并進一步通過實驗收集證據(jù)驗證自己的假設；最后，將得出的結(jié)果與先前的想法相關聯(lián)，并與同學進行交流評價．二、課程內(nèi)容應以科學探究實驗為主體．科學實驗的內(nèi)容應從真實世界中進行選擇，例如，通過探究果汁中的奧妙、模擬果汁中物質(zhì)的存在狀態(tài)等活動的內(nèi)容都來自日常生活之中，而科學本身便存在于生活中的方方面面．另外，本實驗的設計較好地做到了實驗內(nèi)容與概念進階的銜接，從而促進大概念的形成．三、科學實驗教學需要評價的保證．整合與教學進程中的形成性評價明晰學生在過程中的概念生長，為實驗探究的進程提供及時反饋；而結(jié)果性評價可保持教學水平與學生個體和群體的進展情況，從而評測對概念的最終理解程度．實驗教學中的過程性評價可以隨時監(jiān)控學生的已知與迷思概念，可以及時預防和糾正；最終的結(jié)果性評價為學生最終達到的程度提供了衡量指標，同時公開性的評價將有助于學生自信心的建立與表現(xiàn)能力的提升．綜上，需要平衡處理好探究教學、實驗內(nèi)容及評價的關系，更好地以大概念理念進行科學實驗教學．

4 結(jié) 語

科學實驗教學作為培養(yǎng)學生科學核心素養(yǎng)的有效途徑，難免遇到探究性弱、概念融合性差等挑戰(zhàn)，教師和研究者應加強對科學實驗教學的研討，使科學實驗教學在提高學生科學探究能力、提升科學素養(yǎng)等方面發(fā)揮更積極的貢獻．本文基于對《新課標》的分析和對科學大概念理念的整合，遵循《新課標》對科學實驗教學提出的低齡化和進階性、貫通性和交叉滲透性和大概念的引領和內(nèi)容的整合的要求，分別從學生的年齡特征與學習進階要求、科學實驗設計的一貫性和符合大概念要求的科學實驗教學3個方面，以教科書中溶解單元的實驗進行探討，力圖提高原有實驗的探究性，豐富核心概念之間的聯(lián)系，有利于加強學生對概念的深度學習和理解，使學生能夠逐步掌握周圍世界發(fā)生的事件或現(xiàn)象的本質(zhì)特征，在從初等教育到中等教育的學習進程中，逐步為核心概念的理解與建立打下堅實基礎．