科学教育面临的巨大挑战

摘要：阐述了美国科学教育在实验教学、教师专业发展、课程改革、测量评价4个方面面临的巨大挑战。要应对这些全球性的挑战，仅仅靠化学教育自身迎接巨大挑战并不可行，必须依靠跨学科间的合作；单靠某一个国家独自迎接巨大挑战也是不可行的，必须依靠国际间合作；中国化学教育和中国科学教育的国际化势在必行。

关键词：科学教育；化学教育；挑战；科学教育国际化

文章编号：1005–6629（2015）1–0003–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

自上世纪90年代后期开始，尤其是在近10年内，中国化学教育的研究和实践取得了举世瞩目的成就。但与此同时，也面临着很多挑战。本文主要阐述目前美国科学教育所面临的巨大挑战，通过对这些挑战的反思，希望能够对同行有所启发。

2013年4月，国际顶级杂志《科学》专门开设了一个专栏邀请了世界顶级科学教育方面的研究专家，对科学教育取得的进展进行了回顾，阐述了科学教育所面临的巨大挑战，并对不久的将来如何应对挑战作出一些反思，启发并鼓励大家对此做出贡献。这些专家共提出20个巨大挑战，其中有12个与化学教育直接相关，这些巨大挑战可以概括为以下4个方面：

1 实验教学方面的巨大挑战

实验室动手实验是非常重要的，通常认为实验室动手实验有以下的预期效果：①提高了学生对概念的理解；②发展了学生科学探究的技能和推理能力；③发展了学生团队合作能力；④激发了学生对科学的兴趣；⑤促进了学生对复杂的科学本质的理解。表1是近期美国科学教学中各种教学活动的统计。可以看到70%的化学课堂每星期至少有一次实验活动。71%的所有其他科学课堂每星期至少有一次实验活动。可见动手的实验活动是非常常见的教学活动之一。

然而，美国高中科学实验的调查报告（NRC，2006）却得出了这样的结论[1]：①科学实验的预期效果几乎完全没有显现出来。②绝大多数学生的实验实践质量较低。早期的研究也发现科学实验的教学效果并不理想。1978年Bates等对实验教学效果的研究发现[2]：讲授法、演示法、学生动手实验这三种教学方式对学生学习知识的影响基本相同。1983年Blosser研究发现[3]，在上百个比较实验教学和其他教学方法效果的定量研究中，仅有29个结果显示实验教学有着更显著意义的效果，16个研究表明多种教学方法其效果互有上下，而其余绝大多数研究结果显示实验教学与其他教学方法并没有显著的差别；1994年一篇对实验教学效果研究的文献综述也得出了同样的结论[4]。这是使我们感觉很奇怪的，对实验教学的作用期望如此之大，那么为什么不同的研究却没有证实这个效果？

问题出在哪儿？可能有如下一些原因：随着课程目标、学生群体分布、科技发展，以及我们对学生学习认知的不断变化，我们的目标和期望也在不断地变化着[5]；实验教学质量的各种测评方法差异极大；科学实验教学质量很差；随着技术的更新，对于“实验”的定义也在不断的变化，以前对于实验的含义和现在是有很大不同的。比如传统的实验形象已经发生很大的变化，“如今的计算机就如同试管一样已成为化学家们的重要工具”。

既然技术的更新如此迅猛，那么在中学里究竟有哪些技术可以应用，尤其是在实验教学中得以应用。表2、表3是2013年美国高中科学课堂中可使用的教学技术的一个调查报告[6]，可见85%的化学课堂中可以用网络、非图形计算器等等。32%的化学课堂中互联网每一周至少可以用一次。说明化学课堂能运用先进的技术手段，但真正用于实验教学是很少的，大部分的课堂教学仍然是传统的。

除此之外，当前实验实践教学还存在一些问题[7]：①学习目标的失焦；②实验实践教学与课堂教学的脱节；③科学概念与科学过程的失整；④缺乏反思和讨论。这些实验教学中存在的问题，可能是造成实验教学效果不理想的原因。基于上述研究，实验实践教学必须开拓一些新思路[8]：（1）学生在科学实验实践活动中，能够通过使用工具，收集数据，建立模型，运用科学理论直接与身边的世界（或从实际生活中获取的数据）进行互动。（2）遵循有效实验实践活动的原则：①有清晰明确的学习目标；②有序的指导流程；③科学概念与科学过程的有机整合；④实时的讨论和反思。

实验教学方面的巨大挑战包括：

巨大挑战之一：通过网络环境创建学生的个人数据库，并以此引导他们进行适合自身理解水平的虚拟实验。

在美国，现在有很多国家自然基金会资助的项目，让学生在网上进行科学探究，这其中就包括虚拟实验，甚至包括在课堂教学之外的实体实验。例如：美国加州伯克利分校的一个研究小组开发的“以网络为基础的科学探究环境”简称WISE，这个系统已经开发近20年，现在已经相对完善。物理、化学、生物、环境科学每个学科里几个核心专题都有专门的模块。每天都有成千上百的学生通过这个网络环境进行科学探究，包括化学。这就存在一个问题：这么多的学生同时在网上学习，可以想象一年下来，有多少学生学习的数据，怎样利用这样的数据库，对学生进行实时的指导；怎样用“大数据”理解学生的学习过程并对学生的学习进行个性化的指导，这就是个很大的挑战。

巨大挑战之二：针对不同学科领域的课程，寻找虚拟和实体研究间的理想平衡。

图1是刚刚完成的美国国家自然基金会资助的项目。这个项目的内容之一是开发一套与中学化学教学专题有关的虚拟实验，开发之后，探究怎样将虚拟实验和实体实验整合，什么时间使用虚拟实验，什么时间使用实体实验。寻找虚拟和实体研究间的理想平衡，还处于探索之中。

巨大挑战之三：寻找以虚拟和实体实验为教学特色的科学教师所应具备的技巧和策略。

教师要理解新一代实验教学的理念，需要具备基于模型的教与学（MBSTL）的学科教学知识（PCK），包括：

关于化学的知识

关于计算机模型的知识

关于学生的知识

关于课程的知识

关于评价的知识

2 教师专业发展方面的巨大挑战

教师专业发展方面的巨大挑战包括：

巨大挑战之四：寻找有效推进教师专业发展（PD）的内在机制。

教师专业发展有多种途径：

（1）暑期培训；（2）教练辅导；（3）咨询和指导；（4）暑期科学研究；（5）校本专业学习社区：每一个学校以这个学校的学科组为单位组成学习社区；（6）工作室；（7）研究生课程。

在美国几乎70%～80%的中学教师有硕士学位，也有相当一部分、大约8%左右的教师有博士学位。

有效的教师专业发展必须具有以下的特征：（1）聚焦专业内容。对于化学教师来说，一个很重要的方面是关注教师的化学背景知识的提高。（2）教师主动参与学习。如果教师被强迫参加教师培训的讲座、课程，其专业发展就不是有效的。（3）团队合作。有效的教师专业发展不是个人的，必须有团队合作。教师专业发展可以依托小组或学校的团队。（4）高度相关性。与学校政策和实际相吻合，与学校的课程改革、政策和实际相吻合。（5）充足的时间。有效的教师专业发展并不是一次就能够大功告成，而必须是长期的。

知道了这些仍然是不够的。暑期的教师培训有的是成功的，有的是失败的。为什么同样类型的教师专业发展培训，不同的人去执行，不同的环境，不同的组织方式，其效果就会不一样。这就涉及到教师专业发展的内在机制，然而对于这个问题现在的研究仍然不是很清楚。

巨大挑战之五：寻找有助教师从容应对下一代科学标准（NGSS）的教师专业发展的最佳模式。

下一代科学标准（NGSS）有3个维度：

维度一：子学科核心概念（涉及自然科学、生命科学、地球和太空学，工程、技术与应用科学4个领域）。

维度二：科学的各个子学科之间的跨学科交叉概念。

维度三：科学和工程实践。

维度一大家比较熟悉，这就是传统的以学科为中心的教学，包括化学中的一些概念、专题，比如物质的性质和结构。但是维度二、维度三是比较新的思想，维度二涉及交叉学科、跨学科的概念，比如系统和系统模型；维度三中所指的实践和我们以前说的探究或技能是不一样的，实践是综合的，包括技能技巧，也包括对概念的理解、兴趣态度，比如模型和建模。如何在教学中将这三个维度同时整合起来，这是个巨大的挑战。

巨大挑战之六：利用新兴技术和社会媒体资源确保所有教师能参与高质量的科学专业发展。

美国和中国一样，也是一个国土面积很大的国家，资源分布也不是很均衡。尤其是市区学校和农村学校，教师资源、教师专业发展很不同。怎么样使所有的教师得到同样的高质量的专业发展是一个巨大的挑战。现在有一个非常值得关注的技术：大规模的开放性网上课程。怎么样利用这个技术来做教师职业培训，促进教师专业发展，目前还处于探索之中。

3 课程改革方面的巨大挑战

为什么课程改革是一个巨大的挑战呢？国际上有一个科学教育相关性（ROSE）研究。ROSE是一项国际性的比较研究项目，旨在了解学生对于科学与技术的兴趣、态度及价值观，并分析相关的影响因素。课程改革的3个巨大挑战就从ROSE的刊出报告谈起。

巨大挑战之七：帮助学生探索个人与科学的相关性，并能将科学知识整合应用于解决复杂的实际问题。

由对“学校中的科学教育帮助我理解了科学对日常生活的重要性”这一问题的调查可以发现，发展中国家大约90%学生认为，科学教育能够帮助他们理解科学对日常生活的重要性。而发达国家的比例只有44%，差异显著。这说明发达国家学生认为科学对于日常生活的重要性并不是很大，至少学校的科学教育没有帮助他们理解科学的重要性。

由对“科学和技术使我们的生活更加健康、简单、舒适”这一问题的调查结果可以发现，发展中国家的学生普遍认为科学和技术使我们的生活更加美好；但是持同样看法的发达国家学生的比例明显要低，只有60%左右。并且男女生的差异很大，女生的比例普遍要比男生要低。

巨大挑战之八：帮助学生理解科学公信力的社会和制度的基础。

由对“我们始终相信科学家的话”这一问题的调查结果可以发现，发达国家学生的回答赋值在1.5～1.7平均值间（赋值1～4，4代表绝对同意），存在男女生之间的差异；发达国家学生对科学家的信任并不是盲目的，是有一定程度的怀疑的。美国公众对科学家团体的信任度是比较高的，这和学生对科学家的怀疑有着鲜明对比，很值得我们反思。

巨大挑战之九：帮助学生建立个人的持久的与科学相关的兴趣。

这些研究中也有一些涉及到化学。由对“化学物质、性质以及如何反应”这一问题的调查结果可见，发达国家学生兴趣不大。以挪威为例，男生45%左右，女生只有20%。而发展中国家学生对此感兴趣的比例较高。由对“爆炸化学及化学品”这一问题的调查结果发现，男女生差异非常大，这是可以想象到的；女生对此感兴趣约有30%左右，男生约80%。此外，统计学生对108个科学技术专题感兴趣程度的平均值发现，感兴趣程度和人类发展指数（HDI）呈负相关，r=-0.85。这很值得思考：为什么随着社会进步，学生反而对科学技术越来越不感兴趣，因此，帮助学生建立个人的持久的与科学相关的兴趣是个巨大挑战。

4 测量评价方面的巨大挑战

测量评价方面的巨大挑战主要包括：

巨大挑战之十：设计有效可靠的评估机制，能反映科学实践、跨学科交叉概念以及学科核心观念一体化的思想。

怎么样开发新一代测试方法、测试工具同时对三个维度进行评价，这是一个巨大的挑战。上文已经提到这三个维度，目前还没有办法对这三个维度进行有效可信的测量。美国国家测试项目（NAPE）每四年对四年级、八年级、十二年级学生的科学学业水平进行测试。他们在上一轮2010年的全国测试中，尝试着使用一种网上测量的方式，这个网上的测试包括虚拟实验，也包括学生科学能力的探查。这次尝试是不是有效，有没有其他更加有效更加可靠的方法，这就是在今后一段时间里很多教育科学研究者所关注的问题。

巨大挑战之十一：使用评估结果为建立幼儿园到12年级（K-12）科学学习进程提供实证基础。

在建立学习进程的基础上，必须要建立一个大跨度的从幼儿园到十二年级的有效的测量工具。这个测量工具必须把学生从幼儿园到十二年级的科学能力放在同一个尺度上比较。而不是三、八、十二年级各自有独立的测试，这样的测试不可比，就不能作为学习进程的实证基础。目前Rasch模型可以解决有效建立不同年级测试卷这个问题。Rasch模型是不是唯一的，目前有没有比Rasch模型更有效的方法，也是一个值得关注的问题。

巨大挑战之十二：构建测试工具及信息系统，帮助教师有效地使用评估促进课堂教学。

教师怎么样用测试的信息来提高教学质量，而不是等到期末或会考才得到一个报告，学生的学业成绩怎么样。需要有一个有效的形成性测试系统，怎么样开发一个有效的形成性的测试系统，教师可以实时地掌握测量信息，然后用这个测量信息提高教学，也是目前关注的问题。

SimScientists经由研究和发展项目组合而成，聚焦于运用仿真技术来丰富科学学习和评估。这类能实时修改的仿真活动尤其能为英语学习者和有学习障碍的学生提供便利。同时科学仿真活动不仅可以用于课堂教学活动，也可用于形成性评价及终结性评价。笔者自己做的项目，前文提到过，实际上是虚拟实验和实体实验的整合，开发一套化学课程的形成性测试系统。这样，可以清晰地描述不同学生在不同单元的学习进程。这个系统已经开发出来了。它可以（1）发展、检验和评估基于计算机建模的化学学科的形成性评价；（2）确定适合不同程度水平的学生理解概念的教学资源；（3）开发高中化学课程形成性评价的教师专业发展资源。

5 机遇与挑战

除了全球性的共同挑战，对一些国家而言，还将会有其特有的挑战。那么中国面临的挑战是什么？仅仅靠化学教育自身迎接巨大挑战并不可行，必须依靠跨学科间的合作；同样单靠某一个国家独自迎接巨大挑战也是不可行的，同样必须依靠国际间合作；中国化学教育和中国科学教育的国际化势在必行。

[作者简介：柳秀峰，1986年毕业于华东师范大学化学教材教法专业（硕士学位）。1986年到1989年任中央教育科学研究所（现中国教育科学研究院）助理研究员。1993年获得加拿大不列颠哥伦比亚大学博士学位。曾任教加拿大圣浮朗西斯泽非尔大学和爱德华王子岛大学。现任美国纽约州立大学布法罗分校科学教育教授，教育研究生院副院长。]

参考文献：

[1][7][8] National Research Council （NRC）（2006）. Americas Lab Report： Investigations in High School Science. Committee on High School Science Laboratories： Role and Vision， S. R. Singer， M. L. Hilton， and H. A. Schweingruber， Editors. Board on Science Education， Center for Education.Division of Behavioral and Social Science and Education. Washington， DC： The National Academies Press.

[2] Bates， G.C. （1978）. The role of the laboratory in secondary school science programs. In M.B. Rowe （Ed.）， What research says to the science teacher， vol. I （pp. 55～82）. Washington， D.C.： National Science Teachers Association.

[3] Blosser， P， E. （1983）. What research says： The role of the laboratory in science teaching. School Science and Mathematics， 83， 165～169.

[4] Lazarowitz， R. &Tamir， P. （1994）. Research on using laboratory instruction in science. InD. L. Gabel（Ed）， The handbook of research on science teaching and learning. NewYork： Macmillan.

[5] Hofstein， A. & Kind， P.M. （2012）. Learning in and from Science Laboratories.In Fraser， B.J.， Tobin， KG. &McRobbie， C.J.（Eds.）， Second International Handbook of Science Education. Dordrecht： Springer. 189～207.

[6] Smith， P. S. （2013）. 2012 National Survey of Science and Mathematics Education： Status of high school chemistry. Chapel Hill， NC： Horizon Research， Inc.