以科學(xué)與工程實踐活動促進(jìn)科學(xué)本質(zhì)教育

孫兆前

科學(xué)教育的重要性無須贅言?！度窨茖W(xué)素質(zhì)行動計劃綱要（2006—2010—2020）》明確指出“我國公民科學(xué)素質(zhì)水平與發(fā)達(dá)國家相比差距甚大”。研究也表明，中小學(xué)的科學(xué)教育對公民的科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)具有基礎(chǔ)性、根本性的作用，抓住中學(xué)這一科學(xué)教育的黃金期，是全面提高每一個學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的關(guān)鍵。

科學(xué)本質(zhì)是科學(xué)教育最為關(guān)鍵的核心要素，是科學(xué)知識、科學(xué)能力、科學(xué)態(tài)度等其他組成要素的基礎(chǔ)。“認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)有助于促進(jìn)學(xué)生科學(xué)認(rèn)知、科學(xué)探究能力和科學(xué)情感、態(tài)度和價值觀等方面的發(fā)展，有助于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。”[1]美國、英國、澳大利亞、加拿大等國家的國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)中都提出要把培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解作為科學(xué)教育的重要內(nèi)容。要提高科學(xué)教育的質(zhì)量與效果，就必須重視培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解。

一、科學(xué)與工程實踐對于科學(xué)本質(zhì)教育的意義

分科課程是我國在義務(wù)教育階段開展科學(xué)教育的主要形式。一方面，各分科自然科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)沒有將促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識作為教育教學(xué)顯性的、共同的目標(biāo)。另一方面，自然科學(xué)課程遵循的主要還是學(xué)科知識邏輯，在科學(xué)方法、科學(xué)能力、科學(xué)思維、科學(xué)本質(zhì)理解等方面互通不足，存在“素養(yǎng)提升無意識”“素養(yǎng)培養(yǎng)各自為戰(zhàn)”等問題。

調(diào)查顯示，初中生的科學(xué)素養(yǎng)在科學(xué)態(tài)度、科學(xué)知識、科學(xué)能力和科學(xué)本質(zhì)理解等不同維度上發(fā)展不均衡，并且彼此之間存在一定的相互影響。其中，科學(xué)本質(zhì)理解水平與科學(xué)知識、科學(xué)能力水平直接相關(guān)，且都受到科學(xué)態(tài)度的影響;而學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，影響了科學(xué)態(tài)度水平，并正在影響著學(xué)生的科學(xué)知識水平和科學(xué)能力。

“科學(xué)與工程實踐”強(qiáng)調(diào)科學(xué)研究和工程設(shè)計在發(fā)展科學(xué)概念、深化科學(xué)本質(zhì)理解、培育科學(xué)精神中的價值，強(qiáng)調(diào)思維與實踐的統(tǒng)一。一方面，“從事工程實踐、科學(xué)應(yīng)用以及認(rèn)識科學(xué)與工程之間的相互作用關(guān)系是科學(xué)學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容”[2];另一方面，“實踐”是科學(xué)學(xué)習(xí)的特點，是科學(xué)本質(zhì)理解不斷發(fā)展的主要途徑，還是與青少年的學(xué)習(xí)特點相匹配的學(xué)習(xí)方式。因此，包括科學(xué)探究在內(nèi)的科學(xué)與工程實踐活動，就成為提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、發(fā)展學(xué)生科學(xué)本質(zhì)理解的第一選擇。

但是，目前初中階段工程技術(shù)教育極其薄弱，教學(xué)側(cè)重技能訓(xùn)練，對于利用工程技術(shù)幫助學(xué)生應(yīng)用科學(xué)、理解科學(xué)、體驗樂趣、領(lǐng)悟價值挖掘不到位，割裂了科學(xué)教育與科學(xué)素養(yǎng)提升之間的關(guān)聯(lián)。

二、科學(xué)與工程實踐活動的設(shè)計策略

科學(xué)本質(zhì)是關(guān)于科學(xué)知識、科學(xué)過程、科學(xué)價值等的知識，理解科學(xué)本質(zhì)需要以相關(guān)的陳述性知識、程序性知識、策略性知識為認(rèn)知對象，對它們進(jìn)行批判性思考。因此在聚焦發(fā)展學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解而設(shè)計實踐活動時，必須基于學(xué)習(xí)者的生活經(jīng)驗、學(xué)習(xí)特點、思維水平，必須考慮觀念內(nèi)隱、頑固的特點，為觀念碰撞提供組織保障，引發(fā)學(xué)習(xí)者的自我反思，以促進(jìn)觀念改變。

1.明示科學(xué)本質(zhì)理解目標(biāo)

當(dāng)下科學(xué)教育的內(nèi)隱邏輯是學(xué)生在做科學(xué)、學(xué)知識的過程中，自然伴隨著對科學(xué)本質(zhì)的思考。這種假設(shè)是以成人學(xué)習(xí)過程為參照的，沒有考慮到學(xué)生的年齡特點、學(xué)習(xí)特點和認(rèn)知特點。初中學(xué)生對科學(xué)抱有較為強(qiáng)烈的好奇心，容易被有趣的事物吸引;在認(rèn)知上處于由形象思維向抽象思維轉(zhuǎn)化的中間階段，在深刻理解上存在困難;當(dāng)學(xué)習(xí)上缺乏剛性、顯性的目標(biāo)時，學(xué)習(xí)難以不斷深入。教師明確實踐活動目標(biāo)，有利于明確學(xué)習(xí)任務(wù)導(dǎo)向，幫助學(xué)生聚焦思維，突破認(rèn)知屏障，增加思維的深度。研究表明，顯性的方法是發(fā)展學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)的有效方法之一，也有利于教師在準(zhǔn)備教學(xué)時有針對性地設(shè)計教學(xué)活動和教學(xué)問題，在實施教學(xué)、組織活動時自覺、有意識地調(diào)控教學(xué)行為。教師在反思教學(xué)成果時，也可以此目標(biāo)為量標(biāo)分析學(xué)生學(xué)的效果、審視教師教的行為。

2.科學(xué)教育活動主題化

科學(xué)本質(zhì)觀是一個整體，不管是在個體的觀念認(rèn)知上，還是在個體的實踐應(yīng)用中，都是無法分割的。主題活動可以將科學(xué)本質(zhì)觀發(fā)展的目標(biāo)融于實際任務(wù)中，既創(chuàng)設(shè)了科學(xué)的應(yīng)用情景，又避免了科學(xué)本質(zhì)觀的割裂，還為師生互動、生生互動提供了話語背景。

科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)涵是多元的，學(xué)生的理解水平是多層的，學(xué)生的觀念發(fā)展需要循序漸進(jìn)。要促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)理解的發(fā)展，就必須有一個個主題活動，圍繞著科學(xué)探究與工程設(shè)計領(lǐng)域常見的實踐任務(wù)展開;通過不同的實踐主題，側(cè)重科學(xué)本質(zhì)觀的不同層面;通過發(fā)展一個層面上學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解，帶動相關(guān)層面的發(fā)展，做到以點帶面，實現(xiàn)整體與部分的協(xié)同發(fā)展。例如，在“猜想與設(shè)計”主題中，學(xué)生通過觀察、設(shè)計、檢驗“魔筒”的活動，一方面可以體會科學(xué)知識的暫定性本質(zhì)，另一方面還可以體會到科學(xué)認(rèn)知世界的價值和不固定的科學(xué)探究模式等。

3.創(chuàng)設(shè)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的場域

主動的學(xué)習(xí)需要打通學(xué)生學(xué)習(xí)的情感障礙，需要能與學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知共鳴的實踐課題。因此設(shè)計實踐活動課題時，首先需要以科學(xué)與工程實踐主題為線，以發(fā)展學(xué)生科學(xué)本質(zhì)理解為綱。還需要基于學(xué)生的學(xué)習(xí)經(jīng)驗，選擇恰當(dāng)?shù)恼n題內(nèi)容，設(shè)計恰當(dāng)?shù)幕顒有问健＠?，初中學(xué)生面對學(xué)習(xí)任務(wù)時，多數(shù)是“玩”的心態(tài)。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，實踐活動的主題不妨突出“玩”科學(xué)，活動材料也應(yīng)適當(dāng)選擇學(xué)生身邊的生活物品。設(shè)計實踐活動，還需要考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格。探究是科學(xué)實踐的主要形式，強(qiáng)調(diào)頭腦思維的推進(jìn)，工程設(shè)計是工程實踐的常見形式，多以動手為主。前者重視科學(xué)概念的發(fā)展，后者重在應(yīng)用科學(xué)知識。以工程實踐為表，以科學(xué)探究為里的實踐活動，可以很好地把科學(xué)與工程實踐統(tǒng)一起來，既切合初中學(xué)生的認(rèn)知風(fēng)格—動手先于動腦，動手帶動動腦，又為學(xué)生在實踐中運用科學(xué)、反思科學(xué)、體會科學(xué)與工程以及科學(xué)與社會的關(guān)系提供了平臺。

4.促進(jìn)學(xué)生深度思維參與的形式保障

深度的思維參與，需要明確思維方向、集合個體思維以產(chǎn)生思維的“針刺”效應(yīng);深度的思維參與還需要思維的時間和空間。設(shè)計實踐活動時，需要設(shè)計引導(dǎo)性問題以推進(jìn)學(xué)習(xí)活動。問題是思維的驅(qū)動器，是思維的導(dǎo)火索，思維總是產(chǎn)生于問題，思維與問題相伴而生。引導(dǎo)性問題既要給出思維發(fā)展的線索，指向科學(xué)本質(zhì)，又要提供思維參與的寬度，保證深度討論的空間，以呈現(xiàn)不同個體的科學(xué)本質(zhì)理解。

設(shè)計實踐活動，還需要增加反思性任務(wù)以驅(qū)動思維深入。內(nèi)隱觀念的指導(dǎo)作用體現(xiàn)在學(xué)生在實踐過程中，總是在自覺踐行著自己的“潛在科學(xué)本質(zhì)觀”。要發(fā)展學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)理解，就需要使其當(dāng)下的科學(xué)本質(zhì)理解從潛在水平外顯、表現(xiàn)出來，經(jīng)歷個體對實踐過程與結(jié)果的反思乃至動搖，進(jìn)而改變，從而發(fā)展出科學(xué)本質(zhì)理解的路徑。

實踐活動應(yīng)以小組活動為主，通過問題引導(dǎo)，為產(chǎn)生頭腦風(fēng)暴、觀念碰撞提供可能，對個體與團(tuán)體當(dāng)下的科學(xué)本質(zhì)認(rèn)知進(jìn)行批判性思考，觸發(fā)個體的自我辯護(hù)機(jī)制，推動個體理解科學(xué)本質(zhì)能力的發(fā)展。

還需要適合的活動方案統(tǒng)整以上要素，在設(shè)計層面上最大化地保證實施效果。編制實踐活動方案時，可以通過主副標(biāo)題的形式明確實踐主題與活動課題，在“背景”欄目中介紹課題資料、激發(fā)實踐興趣，設(shè)置“活動目標(biāo)”明示科學(xué)本質(zhì)理解發(fā)展目標(biāo)，通過“活動形式”明確實踐活動開展的組織形式與任務(wù)要求，通過“活動過程”“問題”“小結(jié)”等欄目驅(qū)動任務(wù)、聚焦關(guān)鍵、引導(dǎo)思考、觸發(fā)反思。

5.基于學(xué)生學(xué)習(xí)反饋保持動態(tài)調(diào)整

以發(fā)展學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)理解為基本追求的科學(xué)與工程實踐活動也不能一成不變，需要持續(xù)對學(xué)習(xí)者的學(xué)情、科學(xué)本質(zhì)理解的發(fā)展階段、學(xué)習(xí)特點等進(jìn)行調(diào)查，并結(jié)合科學(xué)本質(zhì)教育發(fā)展的現(xiàn)實情況不斷調(diào)整。下面這段文字是一位初二學(xué)生的學(xué)習(xí)反思。

在我看來，科學(xué)是指人類對于世界乃至宇宙中一些現(xiàn)象的研究過程和研究成果。我認(rèn)為，探究的過程相較于成果更為重要，因為這是一個鍛煉思維的過程。首先，你要用發(fā)現(xiàn)的眼睛去觀察生活，發(fā)現(xiàn)一些自己一時無法解釋的現(xiàn)象，并提出相應(yīng)的問題;其次，你要就此問題做出假設(shè)，對可能的解釋進(jìn)行猜想;接下來要動手驗證，通常要做實驗得出數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析;這時會出現(xiàn)兩種情況—證實或證偽，若證實，大功告成，若證偽，重新猜想、假設(shè)。只要你仔細(xì)觀察，科學(xué)無處不在。

本學(xué)期的課程中，令我印象最深的是運送薯片到另一面墻的“游戲”。要求在不借助外力的情況下，將一片薯片由一面墻運向?qū)γ娴膲?，且薯片不能碎，運輸時間最短的小組獲勝。我們組的同學(xué)們經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目紤]和積極的討論，多次修改方案，最終的裝置大致是……利用此裝置，我們的用時很短。但最快的那一組是利用擺動實現(xiàn)的。

“玩科學(xué)”給我最大的收獲是：并不是每個探究都有答案。不然何謂“探究”？

通過分析學(xué)生的反思，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生對科學(xué)知識及其產(chǎn)生與發(fā)展的本質(zhì)、科學(xué)探究的本質(zhì)等有了一定的認(rèn)識，在“魔筒”“紙螺旋”“薯片郵寄”等近20個實踐項目中，這樣一種表達(dá)，既說明了實踐活動在發(fā)展學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解中的有效性，又呈現(xiàn)了實踐活動與學(xué)生學(xué)習(xí)需求之間的契合度，也為教師后續(xù)改進(jìn)實踐活動的設(shè)計與實施提供了方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國教育部.義務(wù)教育初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012.

[2] National Research Council. A Framework for K-12 Science Education： Practice， Crosscutting Concepts， and Core Ideas[M]. Washington， D.C： the National Academies Press， 2011.

本文系北京市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2014年度青年專項課題“校本科學(xué)啟蒙課程‘玩科學(xué)的設(shè)計與實施—基于‘科學(xué)與工程實踐的理念”（課題編號CBA14049）階段性研究成果。

（作者單位：北京師范大學(xué)附屬實驗中學(xué)）

責(zé)任編輯：孫昕

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