如何補齊科學教育中的“實驗”短板？

策劃 | 周麗

“實驗教學是國家課程方案和課程標準規(guī)定的重要教學內(nèi)容，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑?！比欢?，長期以來，受多方面因素的制約，實驗課在中小學的開展情況不容樂觀。補齊科學教育中的“實驗”短板，成為亟待破解的重要議題。為此，本刊邀請專家針對相關(guān)問題展開了討論。

北京師范大學科學教育研究院院長 鄭永和

華東師范大學科學教育研究與教學中心執(zhí)行主任、教授 裴新寧

廣西師范大學科學教育研究所教授 羅星凱

◎當前，我國中小學科學教育中普遍存在哪些“實驗”短板？實驗課為何難以激發(fā)學生的好奇心和探究熱情？

鄭永和：實驗是形成系統(tǒng)的科學研究方法和理論體系的關(guān)鍵途徑，是有著獨特育人價值的實踐活動，是科學教育的靈魂，是綜合素養(yǎng)培育不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

然而，當前中小學科學教育的實驗教學十分薄弱，在科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的關(guān)鍵功能未得到充分發(fā)揮。2021年國家義務教育科學學習質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果表明，學生參與科學課的動手實驗和實踐調(diào)查的機會較少：與2017年相比，四年級學生在科學課上動手做實驗的比例提升了2.2個百分點，達到83.2%，但仍有16.8%的學生未動手做實驗；八年級學生在物理、生物課上動手做實驗的比例分別提高了6.3個、17個百分點，達到82.5%、69.8%，但從未動手做實驗的學生比例仍舊很高。2021年教育部基礎教育教學指導委員會（以下簡稱“教指委”）科學教學專委會組織的小學科學教師調(diào)查表明，47.6%的教師探究教學水平處于低或較低水平。

造成科學教育實驗教學薄弱、難以激發(fā)學生好奇心和探究熱情的原因是多方面的。

一是素養(yǎng)導向的評價不足。我國目前的教學評價總體上仍以知識記憶為核心，在實踐操作能力、科學探究技能和高階思維能力等素養(yǎng)方面的評價重視不夠，評價方法還有較大局限。學校、教師、家長和學生受升學壓力和功利目標驅(qū)使，偏重于刷題、記憶等應試訓練。此外，實驗教學費時費力，面對相同的教學內(nèi)容，進行學生探究實驗所需的授課時間必然增加，面對緊張的課時，教師自然會轉(zhuǎn)而選用更節(jié)約時間的講授式教學方法。

二是對實驗教學的重要性認識不清、教學能力有待提升。一方面，許多教師以“講”實驗和“看”實驗的方式進行實驗教學，即使讓學生“做”實驗，教師也是只關(guān)注實驗操作的規(guī)范性和實驗結(jié)果的準確性，忽視了實驗對學生思維訓練、情意培養(yǎng)、能力提升方面的價值。另一方面，教師隊伍職業(yè)素養(yǎng)不足，在設計和實施實驗教學時存在困難。教指委科學教學專委會調(diào)查數(shù)據(jù)表明，小學科學教師隊伍中，僅有27.5%為理科專業(yè)背景，僅有29.9%為專任科學教師。同時，近1/4小學科學教師沒有參加年度教研培訓活動。教師的主觀態(tài)度、客觀能力以及專業(yè)發(fā)展機會都限制了高質(zhì)量實驗教學的開展和提升。

三是實驗教學保障條件落后、教學資源不足。中小學實驗教學資源緊缺的問題嚴重，農(nóng)村和偏遠地區(qū)此類問題尤為突出。2021年教指委科學教學專委會調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，超六成小學科學教師所在學校沒有專職實驗員進行教學支持，17%的小學科學教師所在學校沒有實驗室，56.1%的教師所在學校僅有1個實驗室，僅有13.8%的學校有2個實驗室。實驗室中生均實驗設備資產(chǎn)值不足，實驗設備儀器的損耗無法及時得到補充，超過63%的教師反映實驗器材缺乏，學生真正親自動手的實驗較少，實驗室沒有起到應有的作用。

羅星凱：學生創(chuàng)新精神、實踐能力培養(yǎng)滯后于時代的要求，是我國中小學教育普遍存在的短板；科學教育因為被寄予厚望，短板尤顯突出，更亟待彌補；科學課程特有或者說必有的“實驗”，不僅被視為重要的教育教學手段，而且是不可或缺的教育教學內(nèi)容，更是直接指向?qū)W生創(chuàng)新精神、實踐能力培養(yǎng)的教育教學目標，補短板自然責無旁貸。而且在中小學科學教育中，“實驗教學”及與之配套的實驗室建設與管理機制，早已形成體系，積累的資源較為豐富，在時代需求面前理應擔當大任。從這個角度深入考察不難發(fā)現(xiàn)，“實驗”本身就是我國中小學科學教育中的短板，突出表現(xiàn)在其實際地位遠低于應受的重視，以及實際作為遠低于應有的價值。

長期以來，實驗教學在科學教育中的地位是非常特殊的，人們普遍認為科學教育要重視實驗教學是再明白不過的道理，它的作用與地位“怎么強調(diào)也不過分”。科學課程與教學改革，也都寄希望于從實驗教學中尋找突破口，解決學生創(chuàng)新精神、實踐能力培養(yǎng)短板問題，并且往往伴隨著加大實驗室建設的投入。然而，與此形成鮮明對照的是實驗教學在教育教學中實際地位的尷尬。在中小學，用教師“講實驗”“畫實驗”代替學生做實驗的現(xiàn)象，至今依然常見。究其原因，急功近利的教育政績觀、功利主義的教育價值觀影響最為根本，難辭其咎；而另一個重要原因，則來自對“實驗”的教育教學本質(zhì)及其在科學教育中價值認識的不足，以及相對固化的實驗教學模式。

眾所周知，“實驗”離不開“做”，但對“做”的理解，則很大程度上決定了學生實驗學習的深度和質(zhì)量。一說到“做”，自然想到的就是動手，這無疑是“實驗”的基礎，而且實驗學習中要有足夠的學生動手做的活動，既符合兒童天性，又凸顯“實驗”的獨特作用。但是，動手做遠不是“做”的全部內(nèi)容甚至主要內(nèi)容，更不是目的。中小學科學教育中，實驗教學目標指向的是學生認知過程和結(jié)果的質(zhì)量的提高，不是為了實驗而實驗?！白觥睂嶒灥幕顒?，應該理解為科學學科的“實踐”學習，是不僅需要動手，而且需要動腦，更需要動心的科學探究實踐過程。否則，其教育效益將與相關(guān)的實驗設備和學習時間投入不相匹配。

例如，在以基本實驗知識獲取和技能習得為核心的實驗教學模式下，菜譜式實驗項目設置和照方抓藥式學習活動就成了常態(tài)。學生在如此實驗情境下所做的完全有可能是機械學習，也就是另一種形式的死記硬背。

最可惜的是，實驗學習情境對天性好奇好動、求知欲旺盛的少年兒童本獨具吸引力，但在孩子們看來，我們費時費力組織的聚焦實驗知識和技能的實驗學習，只不過是用一些準確度和可靠性都非常有限的專用器材煞有介事地重復或“驗證”那些流傳至今已逾百年的簡化版科學實驗。在知識和技能中心的實驗教學思想指導下，即使將“驗證”通通改為“探究”，即使將實驗結(jié)論或結(jié)果藏起來不說，也難以讓學生的好奇心不減、探究熱情不降，更不用說提升他們的學習興趣了。

◎中小學實驗課應該“教”什么？怎樣構(gòu)建新樣態(tài)、多樣態(tài)，真正在“實驗”中育人，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和能力？

裴新寧：新技術(shù)的高速發(fā)展正改變著科學研究的方式，不斷對科學教育改進提出新要求。但是，讓學生認識到科學是通過系統(tǒng)的觀察和實驗對我們周圍現(xiàn)象和事物的研究，依然是學?？茖W教育的基本任務之一。21世紀前夕，聯(lián)合國教科文組織提出了科學教育的“實踐取向”，即強調(diào)實驗作為育人情境的多功能性，將學習的身體過程、認知過程、情意過程、社會過程有機統(tǒng)一，充分支持學生的主動探索和創(chuàng)造性解決問題能力的培養(yǎng)。20年過去，國內(nèi)外科學教育實踐、學習科學研究和科學發(fā)展研究均證明，上述觀點是恰當?shù)摹?/p>

“實踐取向”為我們提供了反思實驗教學的框架。鑒于當下我國學校科學教育及實驗教學的短板，實驗教學要重視“教”給學生以下關(guān)鍵知識和能力：幫助學生掌握基本的實驗技能和技術(shù)，了解基本的科學過程，認識工具手段與科學發(fā)現(xiàn)、科學進步的關(guān)系；掌握重要的科學方法，形成基本的科學實踐能力（提出問題、建立假設、證據(jù)檢驗、科學解釋、數(shù)學與計算思維、科學建模、科學論證等），以充分拓展學生對科學現(xiàn)象和問題的概念性理解；培養(yǎng)求實求證的科學態(tài)度、涵育科學精神品質(zhì)；訓練問題解決、批判性思考能力，指導創(chuàng)新創(chuàng)造。

為此，需要創(chuàng)新學?？茖W教育，構(gòu)建實驗教學的新樣態(tài)。具體有幾點建議——

第一，加強中小學科學實驗室建設，建立從科學探究、技術(shù)應用到工程實現(xiàn)一體化的現(xiàn)代實驗室體系。完善實驗教學的質(zhì)量監(jiān)督保障機制。重點保障農(nóng)村地區(qū)、偏遠地區(qū)開展實驗教學，促進科學教育資源均衡配置。學校要面向全體學生開放實驗室，讓學生有充分的動手實驗機會。設立跨學科主題的科學探究項目，設置校內(nèi)系列實驗、家庭實驗、教室實驗角，大力營造科學探究的氛圍。

第二，以提高實驗的認知參與性為抓手，創(chuàng)新實驗教學模式，提升實驗教學成效?？蓢L試的有效策略有三點。一是與關(guān)鍵科學實踐相結(jié)合，改進演示實驗。比如，在“預測—觀察—解釋”教學框架下，教師利用演示呈現(xiàn)不同的事件，引導學生進行預測，提出和優(yōu)化解釋，并開展基于證據(jù)的論證。二是將實驗嵌入科學探究過程，促進知識整合。比如“ 利用實驗情境引發(fā)學生思考、提出自己的想法”。然后教師提供新觀念，讓學生觀察實驗或自己做實驗，基于證據(jù)對不同觀念加以分辨，鼓勵學生反思和梳理探究過程中各種觀念的線索及交織，深化對現(xiàn)象本質(zhì)的理解。三是與有效學習模式結(jié)合。利用設計學習（Learning by Design）、基于問題的學習（Problem-based Learning）、有效失敗（Productive Failure）等“學以致用”模式，設計實驗教學，讓學生自主創(chuàng)建實驗方案，嘗試創(chuàng)意物化。上述這些新方式的實驗教學均可以利用計算機支持的環(huán)境來加強。此外，還可以在實驗學習過程中融入新技術(shù)手段，比如利用動態(tài)可視化強化科學建模、科學論證等科學實踐，擴展高階思維訓練，支撐學生創(chuàng)新能力的進階。

第三，建立實驗教學多方協(xié)同聯(lián)動機制，促進實驗資源的共建共享。鼓勵學校及學區(qū)建立科學探索中心，開發(fā)不同特色的實驗課程體系，為學生的實驗探究建立連貫支持。國家或地方建立中小學科學實驗智慧平臺，開辟科學實驗數(shù)字虛擬空間，設計豐富主題的實驗活動，開發(fā)和優(yōu)選多種形式的數(shù)字資源及學習方案，輻射并推動全國中小學優(yōu)質(zhì)實驗資源的共建共享。充分利用全國科普教育基地的科技設施資源和專業(yè)力量，支撐教師實驗教學能力提升，共同推進創(chuàng)新人才培養(yǎng)。

第四，探索靈活多樣的科學實驗教學評價方式，以數(shù)字化賦能實驗教學評價轉(zhuǎn)型。結(jié)合學生在實驗中的學習過程，運用表現(xiàn)性評價、信息技術(shù)支持的伴隨式評價考查學生的基本技能、科學方法、科學實踐及實驗設計、態(tài)度品質(zhì)等素養(yǎng)能力。將科學實驗納入學期考核、初高中學業(yè)水平測試以及創(chuàng)新潛能評估。

羅星凱：2001年起實施的國家基礎教育課程改革，中小學科學課程，無論采用分科還是綜合的形式，都強調(diào)科學探究學習。經(jīng)過20多年新課程實驗，科學探究作為一種教育的理念，早已深入人心，但作為一種教與學的方式，則遠沒有得到很好的落實。2022年新修訂的義務教育科學相關(guān)學科的課程標準，除了無一例外地將探究作為核心素養(yǎng)繼續(xù)加以強調(diào)外，多數(shù)還將實踐提到了核心素養(yǎng)的高度。基于項目、基于真實問題解決的學科與跨學科實踐學習撲面而來，成為每一位中小學科學教師要面對的真正挑戰(zhàn)。

如此挑戰(zhàn)面前，“實驗”自然再次被寄予厚望。但如果不能回歸初心，回到其教育功能的原點思考其育人作用的發(fā)揮，并以科學學科和跨學科實踐為主線，構(gòu)建“實驗”育人新體系，在一次次的新課程改革中，“實驗”將仍然會被寄予厚望但卻一再令人失望。

作為沉底一線的科學教師教育工作者，我和同事們在繼承和發(fā)揚老一輩實驗育人教育思想的過程中欣喜地發(fā)現(xiàn)，過去34年間，我們所承擔的師資人才培養(yǎng)對象從物理教師拓展到了科學教師再到科技教師，課程與教學重心也從實驗教學發(fā)展到了科學探究再到探究科技，但通過“實驗”育人之創(chuàng)新精神、實踐能力的初心始終沒變，也不需要變；探索實踐中迸發(fā)的軟硬件創(chuàng)意，積淀成至今仍然閃閃發(fā)光的資源。

為此要特別感恩著名物理教育家朱正元先生實驗教學思想的啟迪，以及師長們的繼承、傳播和發(fā)揚，讓幾代人受益匪淺?！皦瘔薰蕻攦x器，拼拼湊湊做實驗”，聽起來好像只適合那個一窮二白、資源匱乏的年代，殊不知，為了壇壇罐罐不僅當?shù)昧藘x器，而且效果超越買來的儀器；為了拼拼湊湊不僅能做得了實驗，而且做出更精彩的實驗，除了特別的創(chuàng)意和將創(chuàng)意物化的本領(lǐng)，更少不了為育人有條件要上、沒有條件創(chuàng)造條件也要上的師者仁心。如此身教，比不知多少言教都更具育人價值和實效。

實際上，也正是這樣的思想開創(chuàng)了科學教育中一種樸實無華的風氣，在教師隊伍中帶出了一個致力于創(chuàng)制低成本、高智慧和高教育價值的教學資源的自制教具愛好者群體。學科融合、跨學科實踐、項目式學習、STEM教育、創(chuàng)客教育，這些別人眼里的挑戰(zhàn)，在自制教具愛好者那里早已是教與學的常態(tài)，培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神、實踐能力的目標，甚至都無須專門提及。

如果硬要說那些都是舶來品，則有必要普及一個基本的事實，那就是它們經(jīng)陶行知、朱正元這樣的先賢傳入中國后也早已本土化，并且得到發(fā)揚光大。只不過作為教育工作者，我們都要提醒自己，在埋頭腳下的時候，也需要時不時遙望星空，避免走遠了之后忘記為什么出發(fā)。

◎中小學的實驗教學如何走出學校課堂、實驗室，鏈接社會大課堂、搭建大平臺？

鄭永和：面對科學教育實驗教學薄弱環(huán)節(jié)，建議以落實新課標為契機，高度重視科學實驗教學在創(chuàng)新人才培養(yǎng)方面的基礎性作用，在學校層面加強課程方案的統(tǒng)籌設計，從評價、教師、保障等多個層面統(tǒng)籌布局、綜合施策，全面鏈接社會大課堂，搭建社會資源發(fā)揮作用的大平臺，通過加強教師隊伍建設和調(diào)動社會力量，全面提升實驗教學能力。

一是加強學校層面課程方案的頂層設計。對小學科學、信息科技、勞動以及綜合實踐等課程進行系統(tǒng)規(guī)劃，強化學科協(xié)同育人功能，通過適當?shù)膶W科融合，緩解實驗課時不足的問題。做好課內(nèi)外實驗教學的銜接設計，利用課后、周末的科學活動實施大量與核心課程相關(guān)聯(lián)的主題實驗教學，通過暑期、寒假開展以深化核心課程學習為目標的深度實驗教學。通過教學時間分配的頂層設計，統(tǒng)籌組織好科學教育的實驗教學。學生考核評價適當增加過程性、能力性和應用性考察，突出實驗能力和實踐能力，關(guān)注科學實驗對科學興趣、科學信念的影響。

二是加強師資隊伍建設。加大科學教師培養(yǎng)力度，提升科學教師隊伍培養(yǎng)的質(zhì)量與數(shù)量。重視科學教師專業(yè)發(fā)展，將提升科學教師的實驗教學信念和能力作為關(guān)鍵目標，加大實驗教學在科學教師培訓中的力度。強調(diào)實驗教學的結(jié)構(gòu)性和進階性，促進教師的實驗教學設計系統(tǒng)化規(guī)劃。提高教師的信息技術(shù)應用能力，充分發(fā)揮信息技術(shù)在實驗教學中對現(xiàn)象呈現(xiàn)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、結(jié)果分析等方面的價值，為教師高質(zhì)、高效實驗教學的開展提供支撐。提升科學教師鏈接社會資源的能力，帶領(lǐng)學生走進田間地頭、企業(yè)生產(chǎn)線、科研現(xiàn)場，拉近學生與科學家、工程師、科研工作的距離，用生動的現(xiàn)實生活和科研實踐激發(fā)學生對科學實驗和創(chuàng)新實踐的興趣和動機，拓寬鄉(xiāng)村地區(qū)和偏遠地區(qū)學生獲得優(yōu)質(zhì)實驗教學資源的渠道。

三是促進社會資源和科技資源向?qū)嶒灲虒W轉(zhuǎn)化。搭建社會資源服務中小學科學教育的大舞臺，為科技界服務青少年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供平臺。明確國家重大科研項目、重大科技工程的科普責任，形成社會多元化建設實驗教學資源的生態(tài)，借鑒“天宮課堂”“科普大篷車”等模式，推動科研機構(gòu)、科技館、高校實驗室普遍設立面向青少年的科普實驗活動。建立國家實驗室、大科學設施等面向?qū)W校常態(tài)化開放與服務機制。建立以學校為主體，家庭、社會共同參與的多主體協(xié)同促進科學教育機制。鼓勵教師利用日常生活中的常見器材開展實驗教學，建立當?shù)靥厣Y源（如校外活動場所、生態(tài)環(huán)境基地、農(nóng)村生產(chǎn)基地、科技館、博物館、科技企業(yè)等實踐場所及其設施）融入科學教育的機制，建設校外科學實驗基地，讓學生體會科學與人類社會生產(chǎn)、生活之間的緊密聯(lián)系。