美國(guó)科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)的內(nèi)涵、類型與實(shí)施路徑

摘 要：科學(xué)實(shí)踐是對(duì)科學(xué)探究的繼承與發(fā)展，是在工程、技術(shù)等多學(xué)科指導(dǎo)下解決真實(shí)情境中的問(wèn)題的過(guò)程。美國(guó)《K-12科學(xué)教育框架：實(shí)踐、跨學(xué)科概念與核心概念》及其衍生的《下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》中描繪了多項(xiàng)科學(xué)與工程實(shí)踐活動(dòng)，具體包括提出問(wèn)題與定義問(wèn)題，開(kāi)發(fā)和使用模型，計(jì)劃和開(kāi)展調(diào)查，分析和解釋數(shù)據(jù)，使用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維，構(gòu)建解釋和設(shè)計(jì)方案，根據(jù)證據(jù)進(jìn)行論證，獲取、評(píng)估和交流信息八個(gè)活動(dòng)類型，各類實(shí)踐活動(dòng)都具有其獨(dú)特的內(nèi)涵、重要的價(jià)值和具體的實(shí)施路徑。分析八類實(shí)踐活動(dòng)能為科學(xué)實(shí)踐教學(xué)提供參考，賦能科學(xué)核心素養(yǎng)培育。

關(guān)鍵詞：科學(xué)實(shí)踐；科學(xué)教育；工程實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G420 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3937.2024.11.09

一、引言

2012年，美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)（National Research Council， NRC）發(fā)布的《K-12科學(xué)教育框架：實(shí)踐、跨學(xué)科概念與核心概念》報(bào)告引入并確立“科學(xué)實(shí)踐”這一核心概念。[1]隨后，2013年美國(guó)《下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》將科學(xué)教育領(lǐng)域原本占據(jù)主導(dǎo)地位的“科學(xué)探究”理念重塑為“科學(xué)實(shí)踐”[2]，這一轉(zhuǎn)變基于以下兩個(gè)關(guān)鍵考量。其一，原有的科學(xué)探究定義存在理論上的不完整性。盡管現(xiàn)行的探究活動(dòng)已普遍包含實(shí)踐成分，但在教育實(shí)踐中，教育者往往對(duì)實(shí)踐的重要性認(rèn)識(shí)不足或產(chǎn)生誤解，認(rèn)為實(shí)施任何形式的實(shí)踐活動(dòng)即可滿足科學(xué)探究的教學(xué)目標(biāo)，這在一定程度上導(dǎo)致科學(xué)實(shí)踐本質(zhì)含義的淡化和簡(jiǎn)化。其二，對(duì)科學(xué)探究的傳統(tǒng)解讀往往將其固化為一種機(jī)械的程序或單一的“科學(xué)方法論”。相較之下，科學(xué)實(shí)踐則能夠提供一個(gè)更為豐富和完整的平臺(tái)，使學(xué)生在與其年齡段相適應(yīng)的層次上進(jìn)行多元化的探究，模擬科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治稣撟C過(guò)程，同時(shí)融合運(yùn)用多樣化的科學(xué)方法手段。[3]

近年來(lái)，隨著我國(guó)科學(xué)教育課程改革的不斷發(fā)展，2022年版《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》將探究實(shí)踐的地位提升，探究實(shí)踐取代科學(xué)探究成為學(xué)生核心素養(yǎng)的構(gòu)成要素之一。我國(guó)學(xué)術(shù)界對(duì)于科學(xué)探究與科學(xué)實(shí)踐之間的關(guān)系及其區(qū)別也有了更為清晰的認(rèn)識(shí)?？茖W(xué)實(shí)踐，主要體現(xiàn)在通過(guò)理解和探索自然世界來(lái)獲取科學(xué)知識(shí)、解決問(wèn)題，并在參與技術(shù)與工程實(shí)踐活動(dòng)的過(guò)程中，逐漸發(fā)展和完善學(xué)生的科學(xué)探究能力、技術(shù)與工程實(shí)踐能力和自主學(xué)習(xí)能力。[4]從內(nèi)涵和外延上看，科學(xué)實(shí)踐包含了科學(xué)探究，其中科學(xué)探究聚焦于課堂環(huán)境中科學(xué)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化構(gòu)建和科學(xué)思維方式的培養(yǎng)。而科學(xué)實(shí)踐則更深入地側(cè)重于將科學(xué)知識(shí)應(yīng)用于解決實(shí)際問(wèn)題，從而深入培養(yǎng)學(xué)生的高階科學(xué)思維能力。此外，相較于科學(xué)探究主要在單一學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)展開(kāi)，科學(xué)實(shí)踐更主張跨學(xué)科融合，它嵌入工程、技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)內(nèi)容，更加凸顯實(shí)踐在科學(xué)教育整體架構(gòu)中的核心價(jià)值與作用。

在梳理科學(xué)實(shí)踐這一概念的歷史演進(jìn)及其內(nèi)涵后，當(dāng)下面臨的一項(xiàng)緊迫任務(wù)是對(duì)科學(xué)實(shí)踐所涵蓋的具體實(shí)踐活動(dòng)進(jìn)行明確辨析?！禟-12科學(xué)教育框架：實(shí)踐、跨學(xué)科概念與核心概念》及其衍生的《下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》中詳盡列舉八項(xiàng)科學(xué)與工程實(shí)踐活動(dòng)的核心組成，分別為：提出問(wèn)題與定義問(wèn)題，開(kāi)發(fā)和使用模型，計(jì)劃和開(kāi)展調(diào)查，分析和解釋數(shù)據(jù)，使用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維，構(gòu)建解釋和設(shè)計(jì)方案，根據(jù)證據(jù)進(jìn)行論證，獲取、評(píng)估和交流信息。然而，這些實(shí)踐活動(dòng)的深層含義、為何要在教育過(guò)程中積極推行，以及如何在遵循傳統(tǒng)教學(xué)模式的課堂環(huán)境中巧妙地嵌入與實(shí)施，尚需深度探討與解析。本文從內(nèi)涵解讀、實(shí)施價(jià)值和課堂教學(xué)策略三個(gè)維度入手，期冀為科學(xué)實(shí)踐高效恰當(dāng)?shù)厝谌虢逃龑?shí)踐提供抓手，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)理念與實(shí)際操作的深度融合與協(xié)同增效。

二、實(shí)踐活動(dòng)

（一）提出問(wèn)題與定義問(wèn)題

1.內(nèi)涵解讀

此實(shí)踐活動(dòng)橫跨科學(xué)教育與工程實(shí)踐兩大維度，其中提出問(wèn)題環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)科學(xué)教育范疇，定義問(wèn)題環(huán)節(jié)突出工程實(shí)踐領(lǐng)域的特性。普遍觀點(diǎn)認(rèn)為，在學(xué)生面臨疑惑或需要援助的情境下會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題意識(shí)?！断乱淮茖W(xué)標(biāo)準(zhǔn)》倡導(dǎo)的提出問(wèn)題實(shí)踐則進(jìn)一步闡述，學(xué)生主動(dòng)發(fā)問(wèn)的目的在于識(shí)別他們需要澄清的認(rèn)知要點(diǎn)，以期解釋所觀察到的現(xiàn)象。這一過(guò)程富含激發(fā)性和互動(dòng)性元素，有力地促使學(xué)生聚焦于待解析的現(xiàn)象核心。

科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中提出能夠有效驅(qū)動(dòng)探究進(jìn)程的問(wèn)題，必然離不開(kāi)科學(xué)實(shí)踐目標(biāo)的定向指導(dǎo)?？茖W(xué)實(shí)踐旨在揭示自然界中各類現(xiàn)象的運(yùn)作機(jī)理及其背后的因果關(guān)系。故此，一個(gè)優(yōu)質(zhì)的問(wèn)題必須與欲求解釋的現(xiàn)象保持深度關(guān)聯(lián)。為了構(gòu)造出有價(jià)值的問(wèn)題，需要超越簡(jiǎn)單的事實(shí)確認(rèn)型問(wèn)題（如物體是否會(huì)發(fā)聲？）以及僅追求經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取的問(wèn)題范疇，轉(zhuǎn)而追求探索機(jī)制本質(zhì)的問(wèn)題（如物體如何發(fā)聲？）。

2.實(shí)施價(jià)值

《下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》及其他相關(guān)教育框架高度重視培養(yǎng)學(xué)生的詮釋性思維能力，而非單純的知識(shí)點(diǎn)記憶。在《下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》中，學(xué)科核心概念被視作引導(dǎo)學(xué)生理解自然世界的動(dòng)態(tài)建構(gòu)性思想工具，而“問(wèn)題”與“挑戰(zhàn)”在構(gòu)建和應(yīng)用此類知識(shí)的過(guò)程中扮演著至關(guān)重要的角色。在課堂教學(xué)情境中，問(wèn)題作為探究活動(dòng)的起點(diǎn)，不僅明確有待解釋的現(xiàn)象內(nèi)容，而且是開(kāi)啟對(duì)新現(xiàn)象深入探究的“啟動(dòng)鍵”。在問(wèn)題被提出或界定后，通常需要援引一般性的解釋模型，構(gòu)建并檢驗(yàn)解釋。這一過(guò)程往往涉及運(yùn)用數(shù)據(jù)作為證據(jù)來(lái)判斷不同假設(shè)之間的優(yōu)劣。由此可知，問(wèn)題的提出與定義并非孤立的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，而與其他多種科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)緊密交織，共同構(gòu)成科學(xué)探究的基礎(chǔ)。

3.課堂教學(xué)策略

循環(huán)反思與問(wèn)題迭代。科學(xué)實(shí)踐是一個(gè)包含多個(gè)相互關(guān)聯(lián)步驟的整體過(guò)程，其價(jià)值體現(xiàn)在集體促進(jìn)對(duì)自然世界的探析與理解。問(wèn)題提出的有效性，部分源于其與其他實(shí)踐環(huán)節(jié)的聯(lián)動(dòng)性。在啟動(dòng)新的實(shí)踐活動(dòng)之前，學(xué)生應(yīng)回顧已有的問(wèn)題清單，核查原有問(wèn)題是否已獲解答，或是從中衍生出新的探究方向。師生共同參與這一過(guò)程，通過(guò)對(duì)既有問(wèn)題的再思考與總結(jié)，確定哪些問(wèn)題已解決、哪些尚需進(jìn)一步探討。

提供認(rèn)知支持結(jié)構(gòu)。教師可采取兩方面的策略來(lái)搭建問(wèn)題導(dǎo)向的支持架構(gòu)。一方面，對(duì)主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)或驅(qū)動(dòng)探究的核心問(wèn)題進(jìn)行分類，明確每種類型問(wèn)題所指向的學(xué)習(xí)終點(diǎn)及其對(duì)學(xué)生實(shí)踐活動(dòng)的指導(dǎo)意義；另一方面，助力學(xué)生擴(kuò)展現(xiàn)有的解釋模型，誘發(fā)對(duì)現(xiàn)有解釋的批判性思考，進(jìn)而提出更具層次性的問(wèn)題，以問(wèn)題為導(dǎo)向推動(dòng)調(diào)查走向更深層次或調(diào)整模型，以此為橋梁連接其他類型的實(shí)踐活動(dòng)，為學(xué)生形成高質(zhì)量問(wèn)題提供隱性支持。

構(gòu)建積極的提問(wèn)文化環(huán)境。在某些課堂環(huán)境中，提出問(wèn)題有時(shí)會(huì)被誤解為知識(shí)欠缺的表現(xiàn)，甚至與失敗掛鉤。真正接納知識(shí)建構(gòu)的理念并將問(wèn)題置于核心位置，意味著要讓學(xué)生坦然面對(duì)自身的知識(shí)盲區(qū)，將提問(wèn)視為一種積極的學(xué)習(xí)行為而非不足的表征。為此，教師可通過(guò)認(rèn)可提問(wèn)的潛在學(xué)習(xí)價(jià)值，積極鼓勵(lì)學(xué)生大膽提問(wèn)，從而營(yíng)造一個(gè)正面、和諧且富有啟發(fā)性的提問(wèn)氛圍。

（二）開(kāi)發(fā)和使用模型

1.內(nèi)涵解讀

在了解模型實(shí)踐概念前，需要先闡明何為模型。在科學(xué)教育領(lǐng)域，模型通常有以下兩種解釋。其一，模型是由它們的使用方式定義的。科學(xué)模型是幫助人們預(yù)測(cè)和解釋世界的意義構(gòu)建工具。[5]在工程中，模型用于分析、測(cè)試和設(shè)計(jì)。其二，模型不同于它們所采用的表征形式。它們可以采用圖表、文字、方程或計(jì)算機(jī)程序的形式，用于體現(xiàn)關(guān)于現(xiàn)象如何以及為什么發(fā)生的信息，或者用于表達(dá)關(guān)于被研究系統(tǒng)的組成部分和關(guān)系的信息。[6]美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)將模型概括為“思考、預(yù)測(cè)和理解經(jīng)驗(yàn)的工具”[7]，開(kāi)發(fā)和使用模型實(shí)踐是將這些想法具體化的過(guò)程，其本質(zhì)是找出并使用關(guān)于理論、實(shí)際對(duì)象，以及它們之間關(guān)系的具體想法，以解釋自然界或特定世界中的各類行為。因此，開(kāi)發(fā)和使用模型實(shí)踐也被劃分為兩方面——思考模型和用模型思考。從思考模型角度來(lái)看，這類模型實(shí)踐指學(xué)生開(kāi)發(fā)一個(gè)模型，該模型體現(xiàn)了理論和證據(jù)的各個(gè)方面，學(xué)生根據(jù)經(jīng)驗(yàn)證據(jù)和理論評(píng)估并修改該模型，使其更好地滿足解釋和預(yù)測(cè)的目標(biāo)?？茖W(xué)教育還幫助學(xué)生用模型來(lái)思考，這類模型實(shí)踐指學(xué)生需要使用或應(yīng)用模型以特定的方式預(yù)測(cè)和解釋現(xiàn)象。

2.實(shí)施價(jià)值

《K-12科學(xué)教育框架》指出，“科學(xué)家使用模型來(lái)代表他們目前對(duì)正在研究的系統(tǒng)的理解，幫助他們提出問(wèn)題和構(gòu)建解釋，并與他人交流想法”。[8]基于此，可以從模型實(shí)踐本身的意義以及與其他實(shí)踐活動(dòng)關(guān)系兩方面探討實(shí)施模型實(shí)踐的重要性。

建模是科學(xué)家智力工作的核心，有助于組織、整合理論和經(jīng)驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行理解的基本目標(biāo)。在學(xué)校中，建模也可以引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展科學(xué)實(shí)踐。一方面，建?？梢源龠M(jìn)學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的深刻理解，并且通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生參與科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，來(lái)樹(shù)立對(duì)科學(xué)事業(yè)更深入的理解；另一方面，作為工具的模型和作為實(shí)踐的建?？梢詭椭鷮W(xué)生思維具體化，完善學(xué)生的想法，從而將學(xué)生帶入科學(xué)研究的實(shí)踐當(dāng)中。

同時(shí)，建模也是科學(xué)與工程實(shí)踐活動(dòng)的關(guān)鍵部分。建?？梢允且环N錨定實(shí)踐，它可以激勵(lì)、指導(dǎo)其他實(shí)踐，并為它們注入更廣泛的方法，產(chǎn)生更有效的實(shí)踐意義。具體來(lái)看，模型有助于識(shí)別問(wèn)題并預(yù)測(cè)答案、指導(dǎo)學(xué)生實(shí)證調(diào)查。模型也可以被視為解釋數(shù)據(jù)的模具、能夠被修改并應(yīng)用于回答或解釋、預(yù)測(cè)和解決問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)學(xué)、科學(xué)論證實(shí)踐過(guò)程中會(huì)建構(gòu)、評(píng)估模型，模型保存和組織相關(guān)信息的特征，也會(huì)成為交流信息時(shí)的焦點(diǎn)。

3.課堂教學(xué)策略

其一，關(guān)注現(xiàn)象和來(lái)自這些現(xiàn)象的數(shù)據(jù)。為了明確在建模單元中與學(xué)生一起做的內(nèi)容，教師需要厘清將圍繞哪些現(xiàn)象以及關(guān)于該現(xiàn)象的具體問(wèn)題，并將這些問(wèn)題集中在建模的話題上。教師必須清楚目標(biāo)模式、模型的表示方式，以及如何指導(dǎo)學(xué)生發(fā)展、測(cè)試、修改和擴(kuò)展想法。其二，把握根據(jù)現(xiàn)象提出驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題的機(jī)會(huì)。以解決一個(gè)重要的大問(wèn)題為主導(dǎo)，在單元教學(xué)中解決大問(wèn)題下轄的各個(gè)小問(wèn)題，保持問(wèn)題解決的連貫性，構(gòu)成搭建模型的各個(gè)必要組成部分。其三，讓學(xué)生參與模型評(píng)估和修訂的反復(fù)循環(huán)，并強(qiáng)調(diào)模型是基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和證據(jù)的。在這個(gè)過(guò)程中確保記錄迭代模型的想法，鼓勵(lì)學(xué)生將各種信息和想法記錄在筆記本上，作為形成性和終結(jié)性評(píng)價(jià)的組成部分。其四，要求學(xué)生使用模型來(lái)解釋特定現(xiàn)象，由此鞏固和發(fā)展學(xué)生的理解能力。其五，讓學(xué)生體會(huì)建模的社會(huì)本質(zhì)屬性——在構(gòu)建和應(yīng)用模型時(shí)，通過(guò)論證對(duì)模型實(shí)施評(píng)估，依據(jù)交流、基于證據(jù)的解釋達(dá)成共識(shí)。

（三）計(jì)劃和開(kāi)展調(diào)查

1.內(nèi)涵解讀

計(jì)劃和開(kāi)展調(diào)查可以概括為“弄清楚實(shí)踐過(guò)程中需要什么樣的信息和觀察以解決有關(guān)現(xiàn)象的問(wèn)題，并掌握系統(tǒng)地收集和記錄的方法”。它包含以下四項(xiàng)原則。其一，遵循調(diào)查的循環(huán)性。需要實(shí)施多次相互協(xié)調(diào)的調(diào)查，經(jīng)歷“發(fā)展假設(shè)—設(shè)計(jì)研究—收集新數(shù)據(jù)—表達(dá)和交流發(fā)現(xiàn)”的循環(huán)來(lái)開(kāi)發(fā)新想法，實(shí)現(xiàn)從一系列“小”的解釋匯聚成為解決問(wèn)題的最優(yōu)解。其二，注重調(diào)查的目的性。調(diào)查應(yīng)基于學(xué)生對(duì)當(dāng)前問(wèn)題的解釋和已有的科學(xué)思想，應(yīng)當(dāng)讓學(xué)生識(shí)別他們目前的理解存在漏洞的地方，利用相關(guān)解釋與新的概念重新討論需要進(jìn)一步探索的問(wèn)題，以及如何在現(xiàn)有資源條件下收集數(shù)據(jù)。其三，明確調(diào)查的特殊性。幫助學(xué)生理解為什么要在探究過(guò)程中的特定時(shí)間以特定方式進(jìn)行特定研究。其四，接受調(diào)查的復(fù)雜性。課堂上的科學(xué)調(diào)查通常是有效的，即經(jīng)?？梢詫?shí)現(xiàn)預(yù)期結(jié)果，但實(shí)際上科學(xué)調(diào)查的過(guò)程并非一蹴而就，要綜合運(yùn)用多種科學(xué)方法和技能，具有一定的復(fù)雜性。

2.實(shí)施價(jià)值

科學(xué)是人類在研究自然現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律的基礎(chǔ)上形成的知識(shí)系統(tǒng)[9]，人們理解自然和解決問(wèn)題都基于計(jì)劃和調(diào)查。科學(xué)觀念是基于觀察自然世界現(xiàn)象逐步形成的，即使是感官和儀器無(wú)法探測(cè)到的不可觀測(cè)物體，也能夠依據(jù)可觀測(cè)物體的規(guī)律來(lái)加以預(yù)測(cè)和判斷。如果說(shuō)科學(xué)是可觀測(cè)物體與不可觀測(cè)物體的協(xié)調(diào)，那么數(shù)據(jù)是科學(xué)事業(yè)向前發(fā)展的基礎(chǔ)，而調(diào)查作為數(shù)據(jù)的來(lái)源，扮演著科學(xué)事業(yè)核心部分的角色。

3.課堂教學(xué)策略

首先，明確收集數(shù)據(jù)的思路。要明確在計(jì)劃和調(diào)查實(shí)踐中收集數(shù)據(jù)的目的，以了解事件間的相互關(guān)系、因果關(guān)系、時(shí)空特征，區(qū)分不同場(chǎng)景下可運(yùn)用的調(diào)查類型，如通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)、模擬實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)。其次，選擇測(cè)量和收集數(shù)據(jù)的程序與工具。教師可以創(chuàng)建收集數(shù)據(jù)的良好環(huán)境，幫助學(xué)生選擇專門(mén)的收集方法和工具。最后，系統(tǒng)地實(shí)施調(diào)查。教師與學(xué)生可以協(xié)同制定計(jì)劃，以有組織的方式獲取并記錄數(shù)據(jù)，最終將收集到的信息記錄在數(shù)據(jù)表等工具中。

（四）分析和解釋數(shù)據(jù)

1.內(nèi)涵解讀

分析數(shù)據(jù)指研究對(duì)象的各個(gè)方面或部分（如系統(tǒng)的各個(gè)部分）之間的關(guān)系；解釋數(shù)據(jù)指如何解釋這些關(guān)系的含義。因此，分析和解釋數(shù)據(jù)描述了賦予收集到的信息含義、意義及影響的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程包括在數(shù)據(jù)中尋找模式、識(shí)別重要特征、描述關(guān)系、突出趨勢(shì)、識(shí)別異常等內(nèi)容，通常需借助圖表、數(shù)學(xué)公式、可視化技術(shù)等工具的幫助。

2.實(shí)施價(jià)值

分析和解釋數(shù)據(jù)是關(guān)鍵的科學(xué)實(shí)踐，是開(kāi)發(fā)和改進(jìn)模型實(shí)踐的核心環(huán)節(jié)。科學(xué)家和工程師通過(guò)分析和解釋數(shù)據(jù)來(lái)明確方案更迭的方向，經(jīng)歷多次迭代循環(huán)的實(shí)踐過(guò)程，最終獲得最優(yōu)方案。分析和解釋數(shù)據(jù)的實(shí)踐，能夠?qū)⒊橄蟮睦碚撚^點(diǎn)和具體的現(xiàn)實(shí)世界現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)，以此回答提出的問(wèn)題，這種抽象和具體的相互作用發(fā)展和完善了對(duì)世界如何運(yùn)作的理解，有助于思考和運(yùn)用科學(xué)概念來(lái)解決問(wèn)題。

3.課堂教學(xué)策略

首先，具有明確的處理數(shù)據(jù)的目標(biāo)。學(xué)生獲得相關(guān)數(shù)據(jù)后，并不知道此時(shí)的數(shù)據(jù)含義，他們需要朝著一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行思考和推理，在數(shù)據(jù)中找到關(guān)系，以此來(lái)理解世界的某方面是如何運(yùn)作的。其次，借助工具。教師可以有目的地引導(dǎo)學(xué)生使用韋恩圖、條形圖、折線圖等可視化工具，嘗試平均值、函數(shù)等數(shù)學(xué)工具。學(xué)生可以借助這些工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同程度的推理，從而在證據(jù)與問(wèn)題間建立聯(lián)系。再次，結(jié)合多種類型的實(shí)踐。引導(dǎo)學(xué)生將分析和解釋數(shù)據(jù)的實(shí)踐與其他的實(shí)踐活動(dòng)結(jié)合起來(lái)。最后，關(guān)注分析和解釋數(shù)據(jù)的社會(huì)屬性?？茖W(xué)工作者是社會(huì)中的人，溝通、協(xié)作、交流、分享是基本的工作方式。在課堂中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生將個(gè)人處理的數(shù)據(jù)貢獻(xiàn)給更大的數(shù)據(jù)集，在比較分析和辯論的過(guò)程中發(fā)展學(xué)生的推理和話語(yǔ)技能，并形成對(duì)相關(guān)概念更有力的理解，最終解決目標(biāo)問(wèn)題。

（五）使用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維

1.內(nèi)涵解讀

數(shù)學(xué)和計(jì)算思維幫助科學(xué)家和工程師建立精確的預(yù)測(cè)模型，從而進(jìn)行調(diào)查和分析。使用數(shù)學(xué)是指定量描述一個(gè)系統(tǒng)。尋找并記錄數(shù)據(jù)的模式和趨勢(shì)，對(duì)學(xué)生理解和建構(gòu)系統(tǒng)起著重要作用。這個(gè)過(guò)程中還包括找到測(cè)量方法，并將測(cè)量結(jié)果用單位表示，使該結(jié)果能夠比較。在確定數(shù)據(jù)的模式和數(shù)量關(guān)系后，學(xué)生需要用數(shù)學(xué)的語(yǔ)言和符號(hào)來(lái)描述它們之間的關(guān)系，這種關(guān)系也會(huì)隨著數(shù)據(jù)的持續(xù)收集而調(diào)整、完善。如果說(shuō)數(shù)學(xué)思維重點(diǎn)在“量”上，那么計(jì)算思維則更加注重過(guò)程。從事計(jì)算思維實(shí)踐的學(xué)生將復(fù)雜的問(wèn)題或過(guò)程分解成更小的步驟，以便更好地理解、描述或解釋。他們思考如何使用計(jì)算機(jī)工具和算法來(lái)使數(shù)據(jù)收集、分析和預(yù)測(cè)等工作變得更容易、更易于管理和更強(qiáng)大。因此，數(shù)學(xué)思維和計(jì)算思維的區(qū)別還在于后者通常用于探索復(fù)雜程度高、隨機(jī)性強(qiáng)且無(wú)法用數(shù)學(xué)描述的問(wèn)題?？偟膩?lái)說(shuō)，使用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維的實(shí)踐就是找到精確的方法來(lái)描述形成科學(xué)和工程系統(tǒng)的模式和過(guò)程。

2.實(shí)施價(jià)值

使用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維建構(gòu)的模型，能有效提供數(shù)據(jù)分析整合的新思路，協(xié)助人們探索科學(xué)實(shí)踐中不易直接觀察的內(nèi)容。與此同時(shí)，數(shù)學(xué)和計(jì)算思維能夠較好地幫助學(xué)生收集、組織和理解數(shù)據(jù)。

使用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維還與其他實(shí)踐有著緊密聯(lián)系。首先，數(shù)學(xué)與計(jì)算思維包括開(kāi)發(fā)和使用強(qiáng)大且可預(yù)測(cè)的模型，這與建模實(shí)踐有許多共同特征，大部分建?；顒?dòng)都是基于數(shù)字和計(jì)算開(kāi)展的。其次，使用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維為學(xué)習(xí)者提供了一種強(qiáng)有力的證據(jù)辯論方式。學(xué)生可以使用推理或模擬的方法生成理論數(shù)據(jù)，并用數(shù)據(jù)來(lái)支持自己的科學(xué)主張或挑戰(zhàn)他人的科學(xué)主張。此外，數(shù)學(xué)和計(jì)算還提供了將現(xiàn)實(shí)世界的證據(jù)與理論模型聯(lián)系起來(lái)的新方法。最后，使用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維與分析和解釋數(shù)據(jù)的實(shí)踐、傳遞信息的實(shí)踐密切相關(guān)，學(xué)生可以使用數(shù)據(jù)支撐、模擬和圖形等方式精確地交流他們的發(fā)現(xiàn)。

3.課堂教學(xué)策略

使用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維的目的是支持學(xué)生借助數(shù)學(xué)和計(jì)算工具以描述或測(cè)試的方式來(lái)發(fā)展他們的思維、觀察和論證。在此過(guò)程中，教師需要注意學(xué)生的觀察行為、比較方式和量化數(shù)據(jù)的過(guò)程，考慮如何引導(dǎo)學(xué)生闡述對(duì)現(xiàn)有模式的想法?？梢詫⑦@個(gè)過(guò)程中的談話、討論的內(nèi)容和書(shū)面材料作為形成性評(píng)估的組成部分。具體來(lái)說(shuō)，科學(xué)教師可以從三方面著手。首先，促進(jìn)學(xué)生的理解。讓學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中認(rèn)識(shí)到，運(yùn)用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維對(duì)科學(xué)和工程實(shí)踐的模式建構(gòu)及趨勢(shì)預(yù)測(cè)是非常重要的。其次，建立課堂文化，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)使用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維描述內(nèi)容、檢驗(yàn)想法和做出預(yù)測(cè)，讓學(xué)生嘗試提出或評(píng)估各自定性的或定量的觀察結(jié)果和主張，淡化結(jié)果的重要性，關(guān)注測(cè)量和運(yùn)算的過(guò)程。最后，尋找資源支持課堂。可以建立一個(gè)共享的數(shù)學(xué)和計(jì)算工具包，其中包含為學(xué)生設(shè)計(jì)的建模工具、數(shù)據(jù)分析工具和各類傳感器等數(shù)據(jù)收集裝置，為學(xué)生使用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維的實(shí)踐創(chuàng)造條件。

（六）構(gòu)建解釋和設(shè)計(jì)方案

1.內(nèi)涵解讀

該實(shí)踐的核心內(nèi)涵是對(duì)某種現(xiàn)象如何或?yàn)槭裁窗l(fā)生做出解釋。日常生活中人們使用的解釋通常是一種描述，而構(gòu)建解釋的實(shí)踐是將科學(xué)理論與具體觀察或現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)的說(shuō)明，它包含三個(gè)關(guān)鍵要素：其一，解釋的對(duì)象不是科學(xué)概念中的抽象描述或者定義，而是一個(gè)與真實(shí)情境相關(guān)聯(lián)的例子；其二，解釋的內(nèi)容包括對(duì)象是什么和為什么的闡述；其三，解釋的條件是基于證據(jù)，即構(gòu)建解釋的過(guò)程是基于證據(jù)推進(jìn)的。

2.實(shí)施價(jià)值

構(gòu)建解釋和設(shè)計(jì)方案是學(xué)生主動(dòng)使用學(xué)科核心概念來(lái)構(gòu)建、檢驗(yàn)、迭代現(xiàn)有解釋的過(guò)程，是科學(xué)的一項(xiàng)重要實(shí)踐，也是科學(xué)學(xué)科的核心?？茖W(xué)家也嘗試以構(gòu)建解釋和設(shè)計(jì)方案的形式來(lái)回答某現(xiàn)象是什么、為什么發(fā)生的問(wèn)題。開(kāi)展構(gòu)建解釋和設(shè)計(jì)方案的實(shí)踐有助于學(xué)生清晰認(rèn)識(shí)科學(xué)知識(shí)是如何建構(gòu)的，進(jìn)而加深并完善科學(xué)觀念。

3.課堂教學(xué)策略

首先，要提出適當(dāng)?shù)膯?wèn)題。根據(jù)某類吸引學(xué)生的現(xiàn)象提出相關(guān)問(wèn)題，同時(shí)要確保提供這類問(wèn)題具有一定的科學(xué)性，在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生對(duì)現(xiàn)象是什么、為什么產(chǎn)生思考。其次，培育課堂文化和解釋習(xí)慣。教師注重在課堂上提供構(gòu)建解釋和設(shè)計(jì)方案的機(jī)會(huì)，由此幫助學(xué)生理解解釋的特點(diǎn)，形成一套實(shí)踐范式，并將這些思想融入其他學(xué)科領(lǐng)域當(dāng)中。最后，為學(xué)生提供書(shū)面解釋的腳手架。腳手架分為三層：第一層是一般性內(nèi)容支持，教師根據(jù)學(xué)生的實(shí)踐情況適時(shí)幫助學(xué)生解釋事件是如何，以及為什么發(fā)生，或根據(jù)情況為學(xué)生的自主探究創(chuàng)造條件；第二層是考慮“細(xì)節(jié)”和“長(zhǎng)度”，即考慮學(xué)生的年齡、能力等細(xì)節(jié)要素，注意提出的問(wèn)題是否冗長(zhǎng)，學(xué)生能否理解等；第三層是逐步撤除腳手架，腳手架是臨時(shí)支持，最終目標(biāo)是使學(xué)生能夠在沒(méi)有任何支持的情況下獨(dú)立構(gòu)建解釋。

（七）根據(jù)證據(jù)進(jìn)行論證

1.內(nèi)涵解讀

根據(jù)證據(jù)進(jìn)行論證的實(shí)踐是學(xué)生通過(guò)積極地支持自己的主張、評(píng)估和批判他人的主張，進(jìn)而調(diào)和自己觀點(diǎn)的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程主要有書(shū)面論證和口頭論證兩種形式，包含三個(gè)要素：其一，提出自己支持的主張，這個(gè)主張可以是贊成的觀點(diǎn)，也可以是一個(gè)解釋、一個(gè)模型，學(xué)生需要列舉出能夠支撐主張的證據(jù)、參考信息等；其二，評(píng)價(jià)和批評(píng)，學(xué)生識(shí)別、評(píng)價(jià)和質(zhì)疑對(duì)方的主張，并為這些主張?zhí)峁撛诘姆瘩g理由，如果發(fā)現(xiàn)有人對(duì)自己的主張?zhí)岢雠u(píng)，可以對(duì)這些質(zhì)疑做出回應(yīng)；其三，根據(jù)交流的證據(jù)和觀點(diǎn)調(diào)和各自主張的差異，合作構(gòu)建更好的主張。

2.實(shí)施價(jià)值

科學(xué)中的觀點(diǎn)都是根據(jù)其他解釋進(jìn)行評(píng)估，并與證據(jù)進(jìn)行比較，最終決定哪種解釋是更合理的。知道錯(cuò)誤的答案為什么是錯(cuò)誤的，這可以幫助學(xué)生更深入和更直接地理解為什么正確的答案是正確的，這也是從證據(jù)出發(fā)對(duì)解釋進(jìn)行論證。此外，科學(xué)論證創(chuàng)造了一個(gè)公平的課堂環(huán)境，基于論證的課堂支持所有學(xué)生參與，強(qiáng)調(diào)在這個(gè)環(huán)境中所有學(xué)生的想法都是有用的，因?yàn)樽詈侠淼南敕ㄊ浅霈F(xiàn)在比較、評(píng)估和修訂過(guò)程中的。

3.課堂教學(xué)策略

教師可以從引發(fā)論證、組織合作參與論證、明確評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)三方面創(chuàng)設(shè)基于論證的課堂。引發(fā)論證是指教師在日常教學(xué)過(guò)程中，讓學(xué)生從事開(kāi)放性的活動(dòng)，如研究問(wèn)題、調(diào)查設(shè)計(jì)等，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)產(chǎn)生的問(wèn)題和關(guān)注的話題進(jìn)行討論。組織合作參與論證是將班級(jí)成員劃分為不同小組開(kāi)展活動(dòng)，小組合作是探究實(shí)踐的基本形式，組員合作收集信息，有利于提高證據(jù)的有效性并做出更高質(zhì)量的回應(yīng)。明確評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程中，教師要闡明對(duì)論證觀點(diǎn)的最終評(píng)價(jià)取決于是否具有證據(jù)支持和科學(xué)概念支撐。具體而言，在對(duì)學(xué)生書(shū)面論證或?qū)υ捳撟C進(jìn)行評(píng)估時(shí)，要將重點(diǎn)放在學(xué)生論證的連貫性上，檢驗(yàn)學(xué)生的想法是否合理，是否與現(xiàn)有的證據(jù)一致，以及他們?cè)诖诉^(guò)程中運(yùn)用的學(xué)科核心概念，而不是一味評(píng)估學(xué)生最后結(jié)論的準(zhǔn)確性。

（八）獲取、評(píng)估和交流信息

1.內(nèi)涵解讀

獲取、評(píng)估和交流信息是指學(xué)生從各種來(lái)源獲取信息，評(píng)估信息的可信度和與手頭任務(wù)的契合度，以各種方式，面對(duì)不同的聽(tīng)眾，為了各種目的就科學(xué)和工程有關(guān)的信息進(jìn)行交流，這一過(guò)程可以概括為解釋信息、綜合個(gè)人理解和向他人展示自己的思維三部分。

2.實(shí)施價(jià)值

獲取、評(píng)估和交流信息的實(shí)踐讓學(xué)生參與到收集、批判性地檢查和使用資源的過(guò)程中，以促進(jìn)他們對(duì)自然世界和人工世界的集體探究和感性認(rèn)識(shí)。獲取、評(píng)估和交流信息是科學(xué)家和工程師為開(kāi)展研究、設(shè)計(jì)和測(cè)試解決方案等而開(kāi)展的經(jīng)常性工作，也是他們?cè)诠ぷ鬟^(guò)程中與他人、同事和公眾交流信息的過(guò)程。學(xué)生必須知道如何找到需要的信息，如何解釋和評(píng)估信息，以及如何利用媒介有效地交流信息。開(kāi)展獲取、評(píng)估和交流信息的實(shí)踐有助于學(xué)生形成良好的信息獲取與處理能力，并做出更合理的決策。

3.課堂教學(xué)策略

明確實(shí)踐要求。要明確獲取、評(píng)估和交流信息的目的是發(fā)展學(xué)生的信息素養(yǎng)，提高學(xué)生的實(shí)踐水平。如果學(xué)生從事這類活動(dòng)只是為了獲得分?jǐn)?shù)，那么這種練習(xí)的有效性和真實(shí)性會(huì)大打折扣。同時(shí)，要對(duì)不同年齡段的學(xué)生提出不同的要求。小學(xué)低年級(jí)學(xué)生可以通過(guò)視覺(jué)表征、討論和短文來(lái)理解與交流信息。小學(xué)中高段學(xué)生和初中生要在閱讀文字的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)如何解釋圖標(biāo)、數(shù)字、圖解等，還需要學(xué)習(xí)如何解讀專業(yè)術(shù)語(yǔ)和一般學(xué)術(shù)術(shù)語(yǔ)的含義，并在此基礎(chǔ)上逐漸理清各種概念的關(guān)系，使用科學(xué)語(yǔ)言來(lái)表達(dá)這些關(guān)系。針對(duì)更高年級(jí)的學(xué)生，教師應(yīng)當(dāng)找到更復(fù)雜、更廣泛的閱讀材料，嘗試讓學(xué)生以批判的眼光閱讀和討論大眾媒體的報(bào)道，使其了解科學(xué)從業(yè)者是如何傳播科學(xué)的。

選擇實(shí)踐策略。首先，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注并閱讀與特定文本捆綁出現(xiàn)的閱讀指南、問(wèn)題指南等；其次，指導(dǎo)學(xué)生閱讀文本注釋和文本摘要；再次，要求學(xué)生利用學(xué)習(xí)日志篩選特定文本中有用的信息，便于后續(xù)處理；最后，借助圖形管理器（如概念圖、流程圖、表格、矩陣等）收集整理信息，實(shí)現(xiàn)信息的儲(chǔ)存提取。

三、啟示

基于前述研究，本文針對(duì)科學(xué)實(shí)踐教學(xué)提出以下啟示。一方面，加強(qiáng)專業(yè)理論交流。提出問(wèn)題與定義問(wèn)題、開(kāi)發(fā)和使用模型、構(gòu)建解釋等實(shí)踐活動(dòng)時(shí)常出現(xiàn)在科學(xué)課堂中，但囿于科學(xué)教師對(duì)實(shí)踐活動(dòng)的核心內(nèi)涵和定位把握不準(zhǔn)，往往導(dǎo)致探究實(shí)踐活動(dòng)無(wú)法取得預(yù)期效果?？茖W(xué)教師可以通過(guò)集體座談會(huì)、同事互助、在線專業(yè)發(fā)展、名校教師培訓(xùn)課堂等形式針對(duì)跨學(xué)科教學(xué)、科學(xué)實(shí)踐教學(xué)、STEM教學(xué)等特定主題展開(kāi)交流，以擴(kuò)大先進(jìn)科學(xué)教育理念的覆蓋面，引導(dǎo)自身從明確“教什么”向理解“為什么這樣教”轉(zhuǎn)變。另一方面，加強(qiáng)專業(yè)理論的實(shí)踐應(yīng)用。豐富的教學(xué)內(nèi)容至多能保證課堂教學(xué)出色，而若要課堂出彩，則需科學(xué)教師在課堂實(shí)踐中融入專業(yè)理論。教師在構(gòu)思教學(xué)活動(dòng)時(shí)可以試行雙師同課異構(gòu)、集體備課、創(chuàng)設(shè)工作坊等形式，考慮結(jié)合科技館、自然博物館等資源?？傮w而言，科學(xué)和工程實(shí)踐是構(gòu)建、測(cè)試、完善和使用知識(shí)來(lái)調(diào)查或解決問(wèn)題的方式。八項(xiàng)科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)融匯交織，構(gòu)筑了學(xué)生參與實(shí)踐的新框架，為科學(xué)觀念、科學(xué)思維、態(tài)度責(zé)任等核心素養(yǎng)注入源頭活水，助推科學(xué)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生好奇心、求知欲的歷程，是實(shí)現(xiàn)科學(xué)與生活緊密相連的可行路徑。

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The Connotation， Types and Pathways of Scientific Practices in the United States

GAN Shencheng1 DU Lei1 XIE Xiaolin1 YANG Xiaoyi2 WANG Jingying1■

（1. The Research Institute of Science Education， Beijing Normal University， Beijing 100875， China;

2.College of Teacher Education， Capital Normal University， Beijing 100048， China）

Abstract： Scientific practice builds on and advances scientific inquiry， involving the process of solving problems in real situations through the application of engineering， technology and other multidisciplinary approaches. The Framework for K-12 Science Education： Practices， Crosscutting Concepts， and Core Ideas and its derivative Next Generation Science Standards depict various science and engineering practices， specifically including problem posing and definition， model development and usage， investigation planning and execution， data analysis and interpretation， application of mathematical and computational thinking， construction explanations and design scenarios， argumentation based on evidence， and information acquisition， evaluation， and communication. Each type of practice has its unique connotation， key value， and specific implementation pathway. Analyzing these eight types of practices can provide valuable insights for practical science teaching and empower the cultivation of core science literacy.

Keywords： Scientific practice; Science education; Engineering practice

編輯 朱婷婷 校對(duì) 呂伊雯