科學教育的本質(zhì)內(nèi)涵、核心問題與路徑方法

鄭永和　周丹華　王晶瑩

摘 要：科學教育是實現(xiàn)科技創(chuàng)新人才自主培養(yǎng)的主陣地，對科學教育的內(nèi)涵追問與方法探索是推動新時代科學教育加法落地的重要根基?？茖W教育研究科學如何成為人的主動學習行為，體現(xiàn)在科學知識內(nèi)容、過程方法、教學規(guī)律和社會互動之中。本文通過對科學教育的內(nèi)涵、問題和方法的探尋以深度回應新時代科學教育關(guān)鍵議題。科學教育的本質(zhì)內(nèi)涵在演化中逐漸豐富，發(fā)展至今已形成關(guān)涉認知、行為、情感和社會等多重愿景的交互表征。時代性的政策演進與多元化的學科主題詮釋了科學教育的發(fā)展階段，素養(yǎng)導向的人才觀念和連續(xù)貫通的培養(yǎng)理念成為當代科學教育的育人趨勢?？茖W教育的核心問題體現(xiàn)在學生的學和教師的教及其互動的過程中，我國科學教育教與學呈現(xiàn)出一些突出問題，即學生高學業(yè)成就的背后表現(xiàn)為低水平思維與情感技能，教師專于學科教學而弱于跨學科和探究式教學，學生擅長雙基掌握而缺乏高階思維培養(yǎng)。因此，我國科學教育研究應當廣泛開展基于新興技術(shù)和生理證據(jù)的實證與跨學科交叉研究，有效推進概念轉(zhuǎn)變、元認知、科學論證、推理和建模等高階思維教學實踐，深入挖掘科學教育中的教與學規(guī)律，以達成科學教育的育人目標。

關(guān)鍵詞：科學教育；科學素養(yǎng)；科學高階思維；科學教育加法；科學推理；科學論證；科學建模

中圖分類號：G40-03? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1009-458ｘ（2023）9-0001-10

黨的二十大指出，教育、科技、人才是全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐。當代世界百年未有之大變局加劇了科技和人才的競爭，實現(xiàn)中華民族偉大復興，科技創(chuàng)新自立自強和人才自主培養(yǎng)成為當務(wù)之急。習近平總書記主持中共中央政治局第三次集體學習時強調(diào)，要在教育“雙減”中做好科學教育加法，激發(fā)青少年好奇心、想象力、探究欲，培養(yǎng)具備科學家潛質(zhì)、愿意獻身科學研究事業(yè)的青少年群體?？茖W教育作為科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)的主陣地和全民科學素養(yǎng)提升的關(guān)鍵途徑，歷來受到發(fā)達國家的重視，不斷立法保障其頂層政策、師資培育和課堂教學?？茖W教育自19世紀中葉進入西方中小學以來，現(xiàn)已成為當代教育體系的重要組成部分（丁邦平， 2002），也成為20世紀中葉以來的一門新興交叉學科與研究領(lǐng)域。近年來，科學教育在我國興起，正逐步建構(gòu)其學科體系與研究領(lǐng)域。我國科學教育屬于課程與教學論二級學科下的學科課程與教學論，諸如“科學是什么”“誰需要科學教育”“需要什么樣的科學教育”等問題成為我國科學教育理論與實踐研究的深耕主題，但是關(guān)于“什么是科學教育”的本質(zhì)問題至今仍缺乏專業(yè)化探討。當代科學教育在賡續(xù)研究中擴充并形塑其自身樣貌，無論是從科學及其研究視角探討個體如何認識、理解和掌握科學知識、原理與方法，還是從學校教育視角探討教師如何引導學生學會科學的認知和理解方式，都是其主要內(nèi)容（位濤， 2022）?？茖W教育以大中小學學生群體與社會公民為普遍對象，以物理、生物、化學等傳統(tǒng)學科領(lǐng)域為生長點并吸收人文社會科學的方法經(jīng)驗（Fensham， 1988）?？茖W教育的目的是培養(yǎng)學生在復雜多變的社會中，運用科學知識與方法以及非認知的情緒情感體驗，合理做出科學決策的行動力（裴新寧， 2021）。科學教育體現(xiàn)在科學知識內(nèi)容、過程方法、教學規(guī)律和社會互動之中，以彰顯科學教育認識科學、尊重科學和學習科學的本質(zhì)特征?；诖?，本文通過解析科學教育的本質(zhì)內(nèi)涵以厘定其學理基礎(chǔ)，深度剖析科學課程教與學的核心問題以揭示我國科學教育的突出矛盾，由此提出科學教育落地見效的路徑方法，切實回應新時代科學教育的關(guān)鍵議題，進而推進科學教育加法的落地見效。

一、科學教育的本質(zhì)內(nèi)涵：

愿景、主題與趨勢

科學教育呈現(xiàn)“一體多面”的特征，其本質(zhì)內(nèi)涵也依據(jù)取向有所差異，呈現(xiàn)出多維性。就高等師范教育而言，科學教育作為一個專業(yè)，主要以培養(yǎng)科學教師和科技輔導員為目標；就基礎(chǔ)教育而言，科學教育與“人文教育”相對，是以自然科學內(nèi)容為主的一類課程所進行的教育教學活動，已經(jīng)成為現(xiàn)代教育體系的重要分支和組成部分。從課程實施途徑來看，科學教育既可以通過綜合科學（如小學科學、初中科學）實現(xiàn)，也可以通過物理、化學、生物和地理等分科課程進行，而現(xiàn)代更廣義的科學教育則涵蓋數(shù)學教育、技術(shù)教育和工程教育等內(nèi)容（丁邦平 & 羅星凱， 2008）。本文基于國際比較視域，從科學教育的多重愿景揭示其當代內(nèi)涵，從政策演進與主題探究視角理清其研究領(lǐng)域，進而通過素養(yǎng)導向的人才觀念和連續(xù)貫通的培養(yǎng)理念明晰其育人趨勢，從整體上深度論證科學教育的本質(zhì)內(nèi)涵。

（一）當代內(nèi)涵：科學素養(yǎng)的多重愿景

21世紀以來，國際科學課程改革突破學科知識本身的結(jié)構(gòu)性束縛，強調(diào)基于科學探究與問題解決的實踐邏輯重構(gòu)課程內(nèi)容與學習經(jīng)驗（斯諾 & 迪布納， 2020）。目前，我國科學教育以分科和綜合科學課程并行的方式開展，且呈現(xiàn)學段差異。最新版教育大辭典首次增加科學教育詞條，羅星凱認為科學教育以提高全體受教育者的科學素養(yǎng)為終極目標，既包括必要的科學知識和對科學的理解，也包括科學的思維方式以及運用科學知識和方法解決問題的意識與能力，同時還包括科學精神、科學態(tài)度和價值觀等對人更為深刻和久遠的影響。劍橋大學教育學部認為科學教育是教育學的分支，涉及從學前教育到高等教育階段，包括綜合科學與具體科學學科的教與學，即科學教育以及具體學科的物理、化學和生物教育等?？茖W教育是以自然科學內(nèi)容為主，發(fā)展個體及群體科學素養(yǎng)的教育教學活動（楊玉良， 2022; 裴新寧， 2022）。從廣義上看，科學教育既包括學校正式學習環(huán)境中的科學教育，也包括校外非正式學習環(huán)境（如家庭、工作場所、博物館、社區(qū)等）中的科學教育；既涵蓋綜合科學與具體科學學科教育（物理、化學、生物等），也包括數(shù)學教育、工程教育和技術(shù)教育等。從狹義上看，科學教育內(nèi)涵更接近劍橋大學教育學部的認識?？茖W教育的發(fā)展根植于自然科學、哲學和認知心理學，豪布儒克和讓尼科麥（Holbrook & Rannikmae）于2007年提出了科學教育的三大領(lǐng)域：科學領(lǐng)域（科學知識和技能、科學實驗和科學探究等）、個人領(lǐng)域（智力、個性特征、態(tài)度和溝通技能）和社會領(lǐng)域（合作學習、社會價值、科學決策等）。由此可見，當代科學教育的本質(zhì)內(nèi)涵是“通過科學學科的學習達成育人的目的”（Education through Science），而不再只是“通過教育達成科學的目的”（Science through Education）的價值取向（Holbrook & Rannikmae， 2007）。國際科學教育知名華裔學者柳秀峰提出科學素養(yǎng)的三重愿景以揭示科學教育的當代內(nèi)涵：科學內(nèi)容（知識、技能、思維方式和價值觀）、科學技術(shù)社會問題（行動中的知識、實際問題解決能力與態(tài)度和職業(yè)化）和社會參與性（審辨思維、溝通能力和建立共識）（Liu， 2013），同樣關(guān)注了科學、個人和社會層面。PISA2025測評框架將科學素養(yǎng)劃分為科學知識、科學能力和科學身份三個維度，科學知識涵蓋學科內(nèi)容知識、程序性知識和認識論知識；科學能力包括科學地解釋現(xiàn)象，構(gòu)建與評估科學探究設(shè)計，批判性地解讀科學數(shù)據(jù)和證據(jù)，研究、評估和運用科學信息進行決策和行動；科學身份主要評估科學資本與認識論信念、態(tài)度與性格、環(huán)境意識、關(guān)注度與能動性?；诖耍Y(jié)合我國2022版義務(wù)教育課程標準，科學教育的當代內(nèi)涵體現(xiàn)為科學素養(yǎng)的多重愿景，包括科學內(nèi)容（科學知識與理解）、探究實踐（像科學家一樣做科學）、科學思維（基礎(chǔ)、通用與高階思維）、科學技術(shù)與社會（科學態(tài)度、責任、信念與價值觀）、科學參與和決策（社會、文化、政治和環(huán)境）五維度內(nèi)容。認識論關(guān)注人類知識的本質(zhì)、范疇、來源、方法等，科學知識則是對客觀世界的真實反映，二者關(guān)系密切且均屬于科學內(nèi)容層面，因與義務(wù)教育新課標對應而合并；科學能力兼顧動手“做”科學與動腦“思”科學，二者并非自然地并行發(fā)展，尤其對科學非本土文化的中國學生而言，需要將探究實踐與科學思維分別闡述；科學身份包括科學技術(shù)與社會以及科學參與和決策，前者屬于思維方式，后者更多表現(xiàn)為行為方式，故而分開論述。上述科學素養(yǎng)多重愿景的價值取向、基本內(nèi)容和典型問題等簡要解釋見表1，均源自國際科學教育測評項目和學者的研究綜述，比如探究實踐基本內(nèi)容的三個方面借鑒了美國國家教育進步評價（National Assessment of Educational Progress， NAEP）的科學實踐測評框架。

（二）研究圖景：時代性的政策演進與多元化的學科主題

科學教育的全球化特征尤為鮮明，其發(fā)展非常明顯地受到國際基礎(chǔ)教育課程改革的影響（丁邦平， 2021）。宏觀社會經(jīng)濟與教育政策演進塑造了不同時期的科學教育樣態(tài)，尤其是發(fā)達國家的科學教育政策引領(lǐng)全球科學課程改革浪潮。20世紀50年代到70年代為科學教育精英人才培育階段，學科知識結(jié)構(gòu)是其核心價值取向，以蘇聯(lián)成功發(fā)射人造地球衛(wèi)星為標志性事件，世界各國相繼頒布政策確立科學教育指導思想，由此引發(fā)科學課程現(xiàn)代化運動。美國在1958年和1964年相繼通過《國防教育法》《初等與中等教育法》，從立法層面支持科學課程開發(fā)和師資建設(shè)。20世紀80年代到90年代是科學教育貫通式人才培育階段，隨著復雜社會問題加劇，靜態(tài)科學知識已無法滿足社會對人才的多元需求，動態(tài)科學素養(yǎng)觀取代了傳統(tǒng)的學科知識論，由此引發(fā)世界各國基于標準和問責的國家科學課程改革。例如，英國科學教育協(xié)會于1986年提出科學教師的“社會科學技術(shù)”課程；1996年美國的《國家科學教育標準》明確K-12科學教育目標、內(nèi)容和評價等（盧銘康 等， 2022）。進入21世紀，隨著國際上科技競爭日益加劇，培養(yǎng)具備STEM素養(yǎng)的優(yōu)質(zhì)人才成為各國的共同追求，由此確立了STEM教育戰(zhàn)略與課程體系，以培養(yǎng)智能時代具備科技決策能力的公民與尖端科技人才。在科技創(chuàng)新人才需求為導向的各國政策和課程改革影響下，科學教育學術(shù)共同體的研究領(lǐng)域不斷拓展與深化。全美科學教學研究者協(xié)會（National Association for Research in Science Teaching， NARST）和歐洲科學教育研究學會（European Science Education Research Association， ESERA）是全球最具影響力的兩大科學教育組織，其歷屆年會的子論壇設(shè)置揭示了當代科學教育研究領(lǐng)域的七大方向：學生的科學學習研究、教師的科學教學研究、科學教師教育、非正式情境的教與學、科學課程與信息技術(shù)研究、科學·技術(shù)·社會·環(huán)境（STSE）以及科學教育政策研究。其中，學習、教學、教師和課程分屬四大研究主體，科學學習研究針對科學學科的認知問題（科學學習、理解和概念轉(zhuǎn)變）和學習環(huán)境問題（學習情境、個人特征及其關(guān)系）；教學層面的研究分為科學學科教學研究和科學教師教育研究，前者針對大、中、小和學前教育階段的分科與合科的科學學科的教學問題，后者則關(guān)注職前和職后教師教育；課程和信息技術(shù)研究指向校內(nèi)科學教育環(huán)境支持，具體涉及科學課程標準、學業(yè)質(zhì)量監(jiān)測、教材和課程評價等，以及科學教育中的信息技術(shù)應用?？茖W教育政策研究處于四者交叉的核心地帶，涉及科學教育的國際比較與本土實踐。以上五個方向?qū)儆谡娇茖W教育研究的關(guān)切主題，科學·技術(shù)·社會·環(huán)境（STSE）和非正式情境的教與學組成科學教育社會與文化場域的外部環(huán)境，與上述五個方向共同組成科學教育的整體研究圖景。

（三）育人趨勢：素養(yǎng)導向的人才觀念和連續(xù)貫通的培養(yǎng)理念

科技進步和國際競爭的加劇推動了科學教育育人趨勢的演進。人才觀作為對人才識別、選拔、培養(yǎng)和管理的根本看法，決定著課程目標和育人路徑的基本導向。培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才是科學教育人才觀的核心取向，這一觀念的變遷反映了科學教育育人趨勢的深刻變革。長期以來，科技創(chuàng)新人才觀實現(xiàn)了從智力為主的能力觀向成功智能的素養(yǎng)觀的轉(zhuǎn)化，經(jīng)歷了智力為主的天才觀、多元智能的拔尖人才觀、多因素的精英人才觀以及強調(diào)綜合素養(yǎng)的人才觀四個主要階段。其中，智力為主的天才觀主要以智力水平來識別科技拔尖人才，并以智力得分在前3%～5%的人作為選拔標準，如仁祖利（Renzulli）在“旋轉(zhuǎn)門”鑒別模型中提出創(chuàng)建包括普通人群前15%～20%的人才庫（閻琨 & 吳菡， 2020）。隨著多元人才需求的社會化發(fā)展，以單一的智力標準選拔和衡量人才的時代一去不復返，多元智能的拔尖人才觀出現(xiàn)，即拔尖人才是多種智能相互作用和高度發(fā)展的結(jié)果。基于此，多因素模型的科技創(chuàng)新人才觀得以發(fā)展，即科技創(chuàng)新人才是自我組織和適應高度復雜系統(tǒng)的結(jié)果，其重點不再是個人屬性，而是人們在適應復雜系統(tǒng)中的行為及其發(fā)展。進入21世紀后，創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力成為創(chuàng)新人才的核心特質(zhì)，以素養(yǎng)提升為切入點的科技創(chuàng)新人才識別與培養(yǎng)成為主流觀念。在提升全體學生科學素養(yǎng)的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)多元綜合、全面發(fā)展的通識型人才成為當代科學教育的主流育人觀。

科技創(chuàng)新后備人才培養(yǎng)特征的演進反映出育人理念的歷史變革，主要表現(xiàn)在四個層面：一是從精英教育轉(zhuǎn)變?yōu)椴町惢逃＝逃飞系木⒔逃碚搶橇橹鞯娜瞬庞^，認為教育的目的是培養(yǎng)天才，這顯然與教育普及化的歷史趨勢不符，更違背了社會民主化進程，因此勢必被時代拋棄。此后，個性化教育逐步登上歷史舞臺，其本質(zhì)在于為不同的學生提供適應其能力與需求的教育，最大限度地釋放個人潛能，根據(jù)學生天資為其提供差異化的教育支持是真正公平的體現(xiàn)。二是從補齊短板到鍛造長板。以“木桶效應”比擬創(chuàng)新人才早期培養(yǎng)理念，即木桶盛水量的多少并不取決于桶壁最長的木板，而是最短的那塊。但在群體協(xié)作與智能技術(shù)高速發(fā)展的當代，代表人才最高水平的長板才是人才核心競爭力的集中體現(xiàn)。三是由關(guān)注個人向強調(diào)合作轉(zhuǎn)變。早期創(chuàng)新人才的研究多局限于個人的認知與非認知因素的影響，往往脫離了人才成長的物理環(huán)境、家庭環(huán)境和社會環(huán)境的交互式影響。但各類研究不斷印證，學習產(chǎn)生于人與人之間思維和語言的交互中，由此人才培養(yǎng)過程的合作化環(huán)境影響成為研究重點。四是從研究個體到理解文化。與前者相似，從國家和社會內(nèi)部一致性層面反思文化對人才成長的影響，系統(tǒng)性地考慮個體和社群成長的內(nèi)部與外部因素，將有助于理解創(chuàng)新人才涌現(xiàn)的社會文化背景（鄭永和 等， 2021）。綜合來看，當前科學教育對于科技創(chuàng)新人才的培養(yǎng)更加重視個體學習與社會文化和家庭環(huán)境的交互影響，同時注重培養(yǎng)過程的貫通與連續(xù)，為人才成長提供更加多元交互的發(fā)展路徑。

二、科學教育的核心問題：學與教

表現(xiàn)的審辨性反思

科學教育的核心問題體現(xiàn)在學生的學和教師的教及其互動的過程中，并最終反映在對學生學業(yè)表現(xiàn)的影響上。下面基于科學教育大規(guī)模測評項目的比較研究，揭示當前我國科學教育中教與學的突出問題。

（一）學習結(jié)果矛盾化：高學業(yè)成就表現(xiàn)與低水平情感和思維共存

諸多國際測評結(jié)果表明，我國中小學生的科學成績在全球具有明顯優(yōu)勢。PISA2015數(shù)據(jù)顯示，中國四省市（北京、上海、江蘇、廣東）15歲中學生科學學業(yè)成績處于高水平階段的比例明顯高于OECD成員國和所有參與國的平均水平（王晶瑩， 2017）。我國2018年7月公布的《國家義務(wù)教育質(zhì)量監(jiān)測報告》也表明四年級和八年級學生科學學業(yè)成就達到中等及以上水平的比例較高，學生的高學業(yè)成就表現(xiàn)突出。但研究也發(fā)現(xiàn)，學生高學業(yè)表現(xiàn)是超長課外學習時長“換來的”。PISA2015數(shù)據(jù)顯示，中國北京、上海、江蘇、廣東四省市學生平均每周學習時長57.1小時，用于課外學習的時間為27小時，在所有參評經(jīng)濟體中僅次于阿聯(lián)酋。由此看來，如何設(shè)計教學和布置課后作業(yè)以提升學習效率、培育高階思維能力是減少課外重復、低效學習的關(guān)鍵。事實上，我國中小學生的科學高階思維薄弱且學習興趣不足。2020年《國家義務(wù)教育質(zhì)量監(jiān)測——科學學習質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果報告》顯示，四年級和八年級學生均在科學思維能力方面存在短板，且學生的科學、數(shù)學和技術(shù)與工程領(lǐng)域的學習興趣隨著年級的增長而不斷降低（教育部， 2020）。與此同時，學生在科學領(lǐng)域的職業(yè)期望也較為落后。PISA2015測查了15歲學生對自己30歲時的職業(yè)期望，中國四省市學生擁有STEM職業(yè)期望的比例為16.7%，明顯低于OECD成員國的平均水平（24.5%）和所有參與方的平均水平（26.4%）（王素 等， 2021）。由此來看，扶植基礎(chǔ)教育階段學生科學學習積極情感和培養(yǎng)高階思維能力是破解科學教學沉疴積弊的關(guān)鍵，也是切實回應創(chuàng)新人才培養(yǎng)“錢學森之問”的破題之解。

（二）教師素養(yǎng)不均衡：專于學科教學而弱于跨學科和探究式教學

加強科學教師教學能力和專業(yè)素養(yǎng)的培育是推動科學教育發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。PISA和TALIS等大規(guī)模國際教育測評結(jié)果表明，我國科學教師具備基本的理想信念、職業(yè)素養(yǎng)和教學技能，但在跨學科教學、探究教學和高階思維教學方面存在短板。例如，辛偉豪等人利用PISA 2015數(shù)據(jù)，從“四有好老師”視角對中學科學教師師德情況展開實證研究，結(jié)果顯示我國教師在理想信念上優(yōu)勢突出，學科內(nèi)容知識相對薄弱（辛偉豪 & 王晶瑩， 2019）。同時，PISA2015教師問卷結(jié)果顯示，我國教師的專業(yè)發(fā)展活動以“科學學科教學”為主，在“跨學科知識和技能”方面表現(xiàn)較弱，并且在復雜概念探究和跨學科探究方面明顯落后。雖然不同年級、不同學科教師的探究水平對不同學習層次學生存在差異化影響，但總體來說教師探究教學水平的高低直接關(guān)系到學生科學高階思維的培育質(zhì)量。此外，科學教師所處的社會和學校環(huán)境等外部支持也是影響其教學能力的重要因素。教育部基礎(chǔ)教育教學指導委員會科學教學專委會于2021年底對我國13.1萬小學科學教師展開調(diào)研，結(jié)果顯示小學科學教師在教育教學支持、教學信念和學校氛圍維度得分最低。我國小學科學教師兼職群體龐大（占比70.1%），且理科背景教師占比較低（僅占27.5%）。此外，我國小學科學教師在信息技術(shù)、跨學科與問題解決式教學方面表現(xiàn)最弱，且專業(yè)發(fā)展的支持與保障嚴重不足，有近四分之一的小學科學教師每年參加各級教材培訓的次數(shù)為0，且17.0%的教師所在學校沒有實驗室（鄭永和 等， 2022）。同時，高?？茖W教育專業(yè)并沒有完全融入我國高等教育體制之中，相繼演化出教育學院本科模式、教育學院“大理科”模式、理科院系科學教育本科模式和高等師范?？颇Ｊ降扰囵B(yǎng)形式（丁邦平， 2011），使得高等教育中的科學教育專業(yè)缺少培養(yǎng)優(yōu)秀科學教師的制度與環(huán)境。因此，重視跨學科和高階思維教學的精準培訓，加強教師專業(yè)發(fā)展的外部支持并優(yōu)化科學教育專業(yè)的整體布局，是提升我國科學教師質(zhì)量的關(guān)鍵。

（三）學業(yè)成就影響復雜：學生擅長雙基掌握但缺乏科學高階思維培育

探索學生學業(yè)成就的影響機制是解決當前科學教學結(jié)構(gòu)性矛盾的關(guān)鍵。那么到底是什么影響了學生的學業(yè)成就？研究者不斷開展基于證據(jù)的研究，試圖揭示其內(nèi)在規(guī)律，以期為學校學習謀求真正的改進。哈蒂（Hattie）于2009年出版《可見的學習：對800多項關(guān)于學業(yè)成就的元分析的綜合報告》一書，通過對52，637項研究中數(shù)億名學生的800多項元分析進行綜合后發(fā)現(xiàn)：在學生、家庭、學校、教師、課程和教學六大領(lǐng)域中，教師的影響效應量高達0.49（哈蒂， 2018），教師對學生學業(yè)成就的影響舉足輕重。與此同時，學業(yè)成就“環(huán)境決定論”的呼聲也愈加高漲，研究者認為學習者所在國家、家庭環(huán)境和技術(shù)設(shè)備等都影響學習者的成就表現(xiàn)。隨著科學教育研究范式和方法的更新變革，尤其是認知神經(jīng)科學在教育應用中的推進，學生的科學學習過程和高階思維培養(yǎng)機制逐漸成為研究重心。美國俄亥俄州立大學的包雷教授在Science雜志發(fā)表中美學生科學推理能力的對比研究，他認為在傳統(tǒng)科學教學模式中，學生更趨向于記憶知識點而沒有掌握推導過程中所涉及的科學方法。中國學生比美國學生多接受了近三年的科學課程學習，他們的科學知識掌握水平顯著高于美國學生，但科學推理等高階思維能力與美國學生持平（Bao et al.， 2009）。因此，重視學生科學方法教育和科學高階思維培育是當代科學教學研究與實踐的主要方向?！半p減”政策催生了科學教育的新樣態(tài)，積極倡導思維和素養(yǎng)導向的科學實踐與體驗式教學，強調(diào)整合優(yōu)化與協(xié)同發(fā)展校內(nèi)外科學教育資源，系統(tǒng)規(guī)劃與精準設(shè)計基于科普場館與核心素養(yǎng)的主題課程與探究實踐，助推并落實科學教育“第二課堂”的育人功效，通過多主體協(xié)同實現(xiàn)科學教育加法，從而有效促進中小學生科學素養(yǎng)提升與科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)。

三、科學教育的路徑方法：基于科學

證據(jù)與教學經(jīng)驗的互動實踐

基于證據(jù)的實證分析和跨學科交叉研究是推動科學教育研究高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵所在。科學哲學關(guān)于解釋、推理、論證和建模等理論與方法為人們提供了認識世界的有效手段，并在科學實踐中形成了一般性的原則與技術(shù)，成為科學教育的方法論基礎(chǔ)；多學科交叉的研究范式推動科學教育研究路徑和方法的科學化與精準化，諸如以統(tǒng)計學和心理學為手段的傳統(tǒng)教育實證研究、基于大數(shù)據(jù)和新興技術(shù)的計算教育學以及以腦電與近紅外光譜技術(shù)為代表的腦科學研究等，將科學教育研究推向前所未有的深度?；诖耍剿骺茖W素養(yǎng)培育的有效教學方法，離不開學科一般思維領(lǐng)域的概念教學、通用領(lǐng)域的認知策略、學科高階思維領(lǐng)域的能力進階教學，因此科學教育的路徑方法旨在從這三個方面探討基于科學證據(jù)與教學經(jīng)驗的互動實踐策略。

（一）概念轉(zhuǎn)變導向的科學觀念教學

概念轉(zhuǎn)變是當代科學教學的核心問題之一。所謂概念轉(zhuǎn)變，即認知沖突的引發(fā)和解決過程，是個體原有的某種知識經(jīng)驗由于受到與此不一致的新經(jīng)驗影響而發(fā)生的重大改變。概念轉(zhuǎn)變中的概念并不僅指知識或概念本身，它是和知識相關(guān)的一切過程、方法與規(guī)律的綜合。概念轉(zhuǎn)變的理論研究經(jīng)歷了三個階段的演進：一是以本體論、認識論為基礎(chǔ)的理論，如從皮亞杰的同化和順應觀念到波斯納等人的概念轉(zhuǎn)變模型，概念轉(zhuǎn)變的理論由此發(fā)端。二是重視“熱”因素的理論，以沃斯尼亞杜（Vosniadou）等人的認知重構(gòu)模型和平特里奇（Pintrich）等人的認知情感模型為主要代表。認知重構(gòu)模型認為，動機、情感調(diào)節(jié)著認知加工，個體的態(tài)度、目標和已有信念會影響學習者關(guān)注環(huán)境中的事物（Pintrich et al.， 1993）。認知情感模型認為，概念轉(zhuǎn)變受學習者認知沖突、動機水平和教學內(nèi)容參與程度的影響，概念轉(zhuǎn)變的最直接決定因素是學習者的動機水平和對教學內(nèi)容的參與（Gregoire， 2003）。三是基于“抑制”“共存”主張的理論形成階段。該理論基于腦科學最新研究成果，認為學生在完成概念轉(zhuǎn)變時前概念并未徹底消失，而是與科學概念獲得了“共存”。學生之所以能夠?qū)崿F(xiàn)概念轉(zhuǎn)變，是因為科學概念在與前概念的競爭中獲得了“優(yōu)勝”地位，前概念被抑制（姜春明 等， 2022）。目前，基于“抑制”“共存”主張的理論在概念轉(zhuǎn)變的科學教學中得到了廣泛應用。

教學模式和策略是實現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。概念轉(zhuǎn)變教學策略的作用體現(xiàn)在兩個方面，一是引起認知沖突，二是在學習者原有概念的基礎(chǔ)上利用類比和比喻進行遷移?？茖W概念轉(zhuǎn)變在教學中的實現(xiàn)一般都遵循了“探尋前概念-學習新概念-應用新概念”的過程，可以將其分為基于認知沖突的概念轉(zhuǎn)變教學模式、拓展情境任務(wù)的概念轉(zhuǎn)變教學模式和表達論證觀點的概念轉(zhuǎn)變教學模式三類（馮春艷 & 陳旭遠， 2021），各類概念轉(zhuǎn)變教學模式在科學教學實踐中得到更新與發(fā)展。隨著腦成像技術(shù)的成熟，學習科學中概念轉(zhuǎn)變的認知神經(jīng)機制引起關(guān)注。概念學習的前提假設(shè)是，學習者在學習正式的科學概念之前已經(jīng)根據(jù)日常實踐經(jīng)驗形成了對客觀世界的直覺觀點和想法，稱為“前概念”，而學習者難以“拋棄”錯誤的前概念、實現(xiàn)正確的概念轉(zhuǎn)變是實現(xiàn)科學概念學習的重要原因。神經(jīng)生理學揭示了這一現(xiàn)象的本質(zhì)，即大腦神經(jīng)元軸突或樹突末端特異性蛋白的分泌促進了突觸的生成，從而形成了長時記憶。同時，認知神經(jīng)科學的系列研究不斷證明概念轉(zhuǎn)變的實現(xiàn)并非科學概念取代前概念，而是科學概念抑制前概念（Stavy & Tirosh， 2017）。共存的前概念與科學概念引起認知沖突，被前扣帶回監(jiān)測并向前額葉發(fā)送信號，前額葉實施認知控制，成功抑制前概念從而正確理解科學問題（朱艷梅 & 陳沙沙， 2020）。概念轉(zhuǎn)變的理論研究與認知神經(jīng)科學的證據(jù)形成了呼應，為科學學習理論和課堂教學注入了新的研究活力與實踐經(jīng)驗。

（二）基于元認知的基礎(chǔ)思維提升教學

元認知是指在特定問題情境中學習特定策略，學生具備能夠在類似但新的情境中選擇和應用該策略的能力。元認知是學生有關(guān)思維和學習的知識與調(diào)控機能，可分為元認知知識和元認知技能兩大主要內(nèi)容。元認知知識指學生對自己所具備的知識和知識形成過程的認知，包括學生對自我和他人、任務(wù)、目標和策略的認知。元認知技能指學生在學習過程中對自身思維和認知的調(diào)控技能，包括計劃、自我監(jiān)控、認知策略的使用和自我評估（Kuhn & Dean， 2004）。元認知是科學學習中高階思維發(fā)生的基礎(chǔ)，專家型和新手型學習者的本質(zhì)思維區(qū)別在于學習中元認知能力的調(diào)動。新手型學習者看到問題之后直接關(guān)注問題的表面特征并開始解決問題，而專家型學習者在面對新問題時會調(diào)動元認知知識、元認知監(jiān)控和元認知體驗能力，從而精準高效地解決問題。實證研究也證明，把專家型學習者所使用的元認知思維模式教授給新手，可以非常有效地提高新手的學習表現(xiàn)（National Academies of Sciences， 2000）。

在科學課堂中，教師可以采取多種策略促進學生的元認知發(fā)展。元認知教學法旨在提高學生計劃、調(diào)節(jié)和反思任務(wù)及其解決方案的能力（Bannert & Mengelkamp， 2008）。例如，知情教學法指從學生元認知知識方面進行教學，向?qū)W生介紹策略是什么、策略如何使用以及策略有效使用的條件等內(nèi)容，并通過明確的指導、提示以及融入課堂教學內(nèi)容等方式進行教學；科學家筆記法則指模擬科學家探究記錄過程，幫助學生了解科學家所探究的內(nèi)容和策略，從而反思科學學習和探究的過程；角色扮演法也是一種經(jīng)常應用的教學策略，教師讓學生嘗試扮演不同角色，包括認知角色（理論、證據(jù)、整合和應用管理者）、社會角色（協(xié)作、溝通、調(diào)解和公平管理者）和元認知角色（計劃、生產(chǎn)力、反思和修訂管理者），并向角色提供其活動目標和問題、實現(xiàn)目標和應對問題的策略以及每個角色的話語特征，從而培養(yǎng)學生在科學探究過程中的計劃、監(jiān)控和反思能力。認知神經(jīng)科學的研究結(jié)果也證實，內(nèi)側(cè)前額葉皮層和前扣帶回與元認知的產(chǎn)生密切相關(guān)（Fleur et al.， 2021）。因此，科學教學中注重培養(yǎng)學生元認知能力對有效促進學習者科學高階思維的形成與發(fā)展具有重要意義。

（三）推理、建模和論證為路徑的科學高階思維教學

新版義務(wù)教育課程標準提出不僅要讓學生掌握一般的思維方法，還要掌握科學思維方法，即模型理解和模型建構(gòu)、推理與論證、創(chuàng)新等科學思維方法。科學思維是科學核心素養(yǎng)的關(guān)鍵成分，主要體現(xiàn)在學生的推理、建模和論證等能力上。

科學推理作為高階思維過程的重要組成部分，是指在問題情境下運用控制變量、比例推理、概率推理、相關(guān)推理、假設(shè)演繹等技能，提出并開展假設(shè)、實驗、評估證據(jù)和辯證思考的科學探究過程（Lawson， 2004）?？茖W推理由假設(shè)、實驗和證據(jù)三大因素構(gòu)成。假設(shè)是科學推理系統(tǒng)的重要背景，是個體利用已有信息資源進行歸納和演繹，并按照一定邏輯規(guī)則表述出來的過程，屬于基礎(chǔ)部分；實驗處于整個系統(tǒng)的中心，假設(shè)需要經(jīng)過實驗的考驗，而實驗又關(guān)系著對假設(shè)真理性的判斷；證據(jù)是整個系統(tǒng)時刻需要的，組成假設(shè)空間和實驗空間的實例是證據(jù)，形成的新概念是證據(jù)，實驗中得到的科學事實是證據(jù)，作為實驗邏輯基礎(chǔ)的先前經(jīng)驗和先前實驗結(jié)果也是證據(jù)。探究式科學教學實踐是當前發(fā)展科學推理能力的普遍形式?？茖W推理能力的完整過程應包括問題識別、提出問題、生成假設(shè)、產(chǎn)品的創(chuàng)建與重新設(shè)計、證據(jù)生成、證據(jù)評估、得出結(jié)論和交流審查（Fischer et al.， 2014）。

科學建模指通過對現(xiàn)實現(xiàn)象的理想化、抽象化而建構(gòu)的反映科學規(guī)律的模型，從而對科學現(xiàn)象進行說明、解釋和預測（Gilbert， 2004）?？茖W建模能力包括建模實踐（模型構(gòu)建、模型修正、模型比較、模型評估、模型驗證）和建模元認知（對模型性質(zhì)和建模目的的元知識和對建模過程的元認識）兩大部分（Nicolaou & Constantinou， 2014）?？茖W建模是一個周期性的過程，學生將在不斷地建構(gòu)模型、改進模型、現(xiàn)象辨別和數(shù)據(jù)觀察中發(fā)展自身的建模能力（Constantinou & Nicolaou， 2019）。

論證作為一種包括推理過程的話語形式，源于柏拉圖、蘇格拉底和亞里士多德的以形式邏輯為基礎(chǔ)的演繹論證與歸納論證活動。20世紀中葉，圖爾敏（Toulmin）提出了非形式邏輯的論證模型，標志著現(xiàn)代論證模式的誕生，論證的概念型定義也不斷被提出。范·埃默倫（Van Eemeren）等將論證視為一種口頭的、社會的和理性的活動，旨在提出一個或多個命題來證明其觀點的合理性，從而說服反對者接受該觀點（Van Eemeren et al.， 1987）。沃爾頓（Walton）則將論證視為一種以目標為導向的交互式對話，參與者通過證明或反駁假設(shè)來共同推理以推進論證（Walton， 1992）。庫恩（Kuhn）認為論證是探究，應是當代科學教育的核心（Kuhn， 2005）。科學教學中的論證活動主要有基于調(diào)查數(shù)據(jù)的書面論證能力和學生交流與評判過程中的話語論證能力兩大類?？茖W論證教學基于一定的實踐框架開展，圖爾敏論證框架是最經(jīng)典，也是應用最廣泛的論證框架。除此之外，CRE論證框架和Lakatos論證框架等也廣受關(guān)注。國際科學教育領(lǐng)域自20世紀80年代末開始重視基于科學論證的教學干預。20世紀90年代起，科學論證教學進行了大量的理論和實證研究，提出并實踐了多種教學模型。目前，5E教學模型、論證-探究式教學模式（ADI）、啟發(fā)式科學寫作教學模型（SWH）、PCRR教學模型以及計算機支持的科學論證教學模式等被不斷開發(fā)并創(chuàng)新（高瀟怡 & 劉文莉， 2020）。認知神經(jīng)科學的證據(jù)也進一步證明了論證教學與學習者神經(jīng)生理之間的相互影響關(guān)系。例如，研究發(fā)現(xiàn)科學論證中的反駁行為與額中回和顳上回相關(guān)區(qū)域的激活相關(guān)，即反駁行為激活了左右背側(cè)前額葉皮層簇（DLPFC）（Backman et al.， 2020）；還有研究發(fā)現(xiàn)，基于哲學對話論證的教學模式使獲得性腦損傷（外力或疾病造成）兒童在認知評估中發(fā)生了顯著的積極改變（Liu et al.， 2021）。

綜上所述，在科學教育改革創(chuàng)新的大環(huán)境下，科學教學的落腳點實現(xiàn)了跨越與轉(zhuǎn)向，以科學素養(yǎng)為導向的高階思維培養(yǎng)成為當代科學教育的主流目標，同時也成為實現(xiàn)科學教育目標的關(guān)鍵方法。面對智能社會對科技創(chuàng)新人才自主培養(yǎng)的迫切需求，科學教育責無旁貸，科學高階思維培養(yǎng)自然成為重中之重?？茖W教育中的概念轉(zhuǎn)變、元認知能力、科學推理、科學建模和科學論證等教學策略是培養(yǎng)科學高階思維的關(guān)鍵路徑，科學教育的內(nèi)涵概念和實踐模式也在不斷更迭革新。基于此，在科學教育理論和實踐研究中應該明確以科學高階思維培育為導向的核心素養(yǎng)教學理念，推進跨學科實踐與合作式問題解決的教學模式創(chuàng)新，加強對科學教師高質(zhì)量專業(yè)發(fā)展的指導與支持，同時繼續(xù)深挖并揭示學生在科學學習過程中高階思維發(fā)展的教學規(guī)律與認知神經(jīng)機制，切實達成當代科學教育的育人目標，推進科技創(chuàng)新后備人才的自主培育。對科學教育的深度考證，為科學教育加法工作的貫徹實施正本清源，必將牽動科學教育加法給誰加（對象）、加什么（內(nèi)容）、怎樣加（機制）、用啥加（路徑）、啥效果（評價）的全鏈條和一體化工作推進。

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The Essence， Core Issues and Pathways of Science Education

Yonghe Zheng， Danhua Zhou and Jingying Wang

Abstract： Science education is the main battlefield for achieving independent cultivation of scientific and technological innovation talents， and exploring the connotation and methods of science education is an important foundation for promoting the implementation of science education addition in the new era. Science education is to study how science becomes human active learning action， which is embodied in the knowledge content， process methods， teaching rules and social interaction in the field of science education. This paper explores its essence， core problems and pathways to deeply reflect the important issues of science education in the new era. The essential connotation of science education has gradually enriched in its evolution. So far， it has formed an interactive representation involving multiple visions such as cognition， behavior， emotion and society. The policy evolution of the times and the diversified subjects’ themes explain the stage of the development of science education. The concept of competence-oriented talent and the continuous cultivation concept have become the educational trend of contempo

rary science education. The core issues of science education are reflected in the process of students’ learning， teachers’teaching and their interaction in China.There are prominent problems in science education teaching and learning， namely， the low level of thinking and emotional skills behind students' high academic achievements， the weakness of teachers’ specialized subject teaching compared to interdisciplinary and inquiry-based teaching， and the lack of high-level thinking cultivation for students to excel in dual foundation mastery. Therefore， scientific education research in China should extensively carry out empirical and interdisciplinary research based on emerging technologies and physiological evidence， effectively promote the teaching practice of high-level thinking such as concept transformation， metacognition， scientific argumentation， reasoning and modeling， and deeply tap the teaching and learning laws in science education to achieve the goal of educating people in science education.

Keywords： science education; scientific literacy; scientific high-order thinking; science education addition; scientific reasoning; scientific argumentation; scientific modeling

責任編輯 劉 莉

基金項目：本文系教育部教師工作司2022年度委托課題“小學科學教師專業(yè)素養(yǎng)的理論與實踐研究”（課題編號：JSSKT2022009）的研究成果。

作者簡介：鄭永和，北京師范大學科學教育研究院院長、教授。

周丹華，北京師范大學科學教育研究院博士研究生。

王晶瑩，北京師范大學科學教育研究院教授（通訊作者：wangjingying8018@126.com）。