基于核心素养的多维度科学教学研究

夏冬梅

重庆工程学院 重庆 400056

基于核心素养的多维度科学教学研究

夏冬梅

重庆工程学院 重庆 400056

目前我国正在实施的核心素养新课程，其中科学素养占据了核心素养的重要位置，科学素养包括：过程技能、科学认知、科学本质、科学态度、科学思考智能、科学应用等六个维度。本文作者认为科学教学要呈现科学家做科学的真实的面向于科学教室，是达成培育学生具有多维度核心素养的可行方法，而柯维所发展的认知V-图是能呈现科学探究活动真实面向的理想科学教学方法。因此，作者于探讨认知V-图的意义、学生制作认知V-图的教学以及认知V-图应用于科学教学相关研究后，提出应用认知V-图于科学教室的原则，供科学教育工作者教学及进一步研究的参考。

科学素养；科学教学；认知V-图

1 前言

培育具有科学素养的公民一直是国内教育界共同努力的目标。我国为青少年所拟的新科学课程，更把科学素养的涵意扩充为过程技能、科学认知、科学本质、科学态度、科学思考智能、科学应用等6个维度。

在国务院所颁发的《全民科学素质行动计划纲要实施方案（2016—2020年）》中科学教育最为重要的目的在于培养具有科学素养的公民。但是科学教学要引起学生的兴趣，除了课程结构及教学设计的改变外，有关实验或实作的实施，仍然有相当大的改变空间，如何引起学习者的兴趣，进而培养学生具有多维度的科学素养的方法，本文作者认为最好的方式之一是安排学生学习科学时，能像科学家在从事科学工作时一样去探索科学，进行科学发现及科学学说建构创造之旅。因此，在科学教学上，提供适宜的情境给学生实际体验科学加“做”科学的活动，建构命题性知识，是比较符合科学社群真实的科学研究活动的教学方法。

同时，科学家在进行科学研究时，不但应用现有的概念来解释自然现象，并且批判现存的概念借以改进某一科学领域现有的内涵。对一个新进的科学家在适应科学适应时，若只学习如何应用科学概念于现象的解释，而不能学习如何促使自己去增强或改变现存的概念的话，那就不能成为一个真正的科学家。假设我国的科学教育要响应科学实验的教学，可能就不能只要求学生“动手”而已，一定要学生于学习活动时也能“领悟”，也就是要学生能“手脑并用”，不只是按“食谱式”的操作得到结果就算了。至于要如何达到这种高质量的科学教学，特别是实验教学呢？柯维所发展的认知V-图（epistemological V-diagram）应可以作为有效的教学策略，来帮助学校的科学教学达成此项任务。

2 认知V-图的内涵

所谓认知V-图是柯维于1970至1980年代所发展出来帮助学生学习真正科学的策略，简称为V-图，和概念图合起来，被科学教育界公认为能帮助学习者真正了解科学，并可以作为评量学习者了解科学的工具。今以图1来表示V-图并详细加以说明。

图1 柯维的认知V-图

柯维发展的V-图是把学校的科学实验活动尽量以反应科学家进行科学探究的实际情境中，所发生的“动手、领悟”的全部的外在及内在的活动包涵起来。底下分为四个面向来说明V-图，即焦点问题、对象和事件、概念领域及方法领域。

2.1 焦点问题

提出焦点问题是任何科学探究活动的起点，通常问题形式是问“什么”（what）、“何时”（when）、“如何”（how）以及“为什么”（why）。当科学家提出问题时，一般都可以由焦点问题反应出他的价值观、哲学观或世界观。除了上述的因素影响到科学家对问题的选择外，科学家自己的兴趣、已有的知识，其他的外在因素如：社群的、政治的、经济的因素等，都会影响研究者对焦点问题的择定。因此，科学实验教学，在理想的状况下，应尽量由学生提出他们想探究的焦点问题。以专题导向科学的学习来论，引导问题的选择及确定，也主张应由学生提出或由教师及学生共同讨论后提出并确定。因此，要改进国内科学实验活动的学习功能，可能要多鼓励学生提出得花长时间深入探究的问题，若仍然停留在要学生于短时间完成的食谱式实验活动，可能不会引起学生太多的学习兴趣，对学生建构科学概念知识及其他维度的科学素养也帮助不大。

2.2 对象与事件

所谓对象和事件是为发展焦点问题的暂时性答案或假说所必须加以探索的客体及现象。对象是探索过程中可被知觉的东西，或被感觉器官能操弄的东西。科学探究者也可以利用仪器来协助感官观察或记录。事件是因对象而发生（或促使发生）的现象。因此，对象与事件是探索者为解答焦点问题而设定的。

2.3 概念（思考）领域

概念领域的内涵，就是科学知识的部分，也就是科学本质中有关“什么”的面向。在科学的学科知识上，概念为组织知识命题的基本单元，相关概念相链接成为原理、原则。再往上的知识阶层为学说，例如：原子说、细胞学说、演化学说等。

2.4 方法或操作领域

在V-图的右边，所涉及的议题是探索者解决焦点问题时，要做的活动。虽然这些议题对一般学习者来说，是比概念领域的学说要来得简单，但是仍然要详细地运用思考智能，并不是单单靠“操作”即可达成的。底下把此领域的四个主题说明如下。

2.4.1 记录

科学家于进行科学探究活动时，把有关对象或事件的信息记录下来，作为解答焦点问题的原始数据。常用的科学记录形式为：书写的文件、照片、录音、录像、电子化记录等。同时，科学家于观察记录时，常常透过一套概念性过滤观察，因此，观察没有所谓的观察。

2.4.2 转换

有关对象或事件信息的记录，科学家会建构这些记录的意义，建构意义时会受到自己原有知识及价值观的左右，不管科学家如何转换记录，其目的皆指向焦点问题解答的寻求。科学常用转换的形式为：计算异同、作图表、统计转换、流程图表等。

2.4.3 知识主张

科学家于科学探究时，对焦点问题所提出的解答即为知识主张。科学家所提出的知识主张必须要和概念、原则原理、学说及哲学观一致，也必须在逻辑推理上和记录及转换相关。因此知识主张陈述探究活动的界限及限制，而且知识主张也可提供后续研究者一些指引。因此，在科学教育上实验教学的安排及实施要如何反应上述的科学活动真实性，对科学教师来说是严酷的挑战之一。

2.4.4 价值主张

所谓价值主张是涉及价值及质量的指示或伦理的维度的统称。通常科学家所宣示的价值主张一定会和知识主张一致。因此，科学家的研究，大概很少不涉及价值判断的议题，就如生殖科技中复制的研究等。

在图1中把科学家的探究活动分为概念领域（左边）及方法领域（右边），在实际上的探究活动上，概念（思考）边和方法（操作）边是主动地交互作用。因此，科学家的先前知识、概念、原理原则、学说、哲学观影响到方法边的观察（记录）、转换记录、组织结论及知识与价值主张的提出。作者认为V-图对科学实验教学最大的启示，以及反思目前学校科学实验实施成效的地方，可能就是概念边和方法边是否能紧密地结合并交互作用的问题。

3 学生学习V-图的制作教学

基本上，柯维的V-图是一种处理知识本质及学习本质的启发性工具。作者认为V-图可以提升学生在实验活动工作的挑战及兴趣，并可以培养学生对科学本质的认知、科学研究的真实面向的了解、科学活动和价值面向的关系等。因此，如何帮助学生学会V-图的制作并应用于学习活动是科学教师重要的教学工作之一。

本文特别介绍柯维所发展的V-图的教学步骤，他的教学对象是初一到初二的学生，发现两个年级的学生在V-图的制作及应用的学习上一样的成功。他的教学策略如下。

3.1 由概念、对象、事件开始

柯维和同僚们认为概念图制作应先于V-图的学习。本文作者也认为概念是组织成知识系统的最基本的单位，例如：命题性知识就是利用连接的语词把两个概念做有意义的连结，所以我们可以说：“水受热会蒸发”是一命题性知识。同时，概念也是概念领域的最基层单位，以知识组织结构阶层来论，概念也是仅次于事实的组织单位。本文以“冰水受热现象”来说明概念、事件及对象。

3.2 介绍记录的观念与焦点问题

当我们于建构知识时，会利用已知的概念为基础来观察对象或事件，以及作一些不同形式的观察纪录。这些纪录的操作也受到焦点问题的引导，不同的焦点问题引导我们聚焦于不同面向的对象或事件的观察，就以“冰水加热”为例，可以问：冰水加热温度有什们变化？也可以问：当冰变为水蒸气时，其外型有何变化？以图2为例，我们选择第一问题为焦点问题。因此，此例的纪录的重点在温度、时间及冰和水量的变化。在教学的过程中，老师要求学生提出他们的建议，以及如何来组织及转换自己的纪录，并要每一位同学实作一张组织纪录的表，同时可以拿几张组织不同的纪录表贴于黑板上供全班学生讨论，借以达成社会建构的学习效果。

3.3 记录转换与知识主张

转换纪录的目的，在于组织自己的观察记录，成为一种容易使自己解答焦点问题的形式。因此，教学的过程中，要给学生充分的时间讨论如何来转换纪录，以“冰水加热”的例子中，可以把记录组织成表再转换为图，并根据表、图来决定自己的知识主张。

3.4 原理与学说

原理是由两个或多个概念所组成的，他可以帮助我们了解事件的特别作用。“纯水于海平面时100℃开始沸腾”就是这个原理，此原理包含多个概念：纯水、海平面、沸腾，它描述纯水在一大气压时的沸点之特殊关系。事实上，原理是过去科学家于科学探究时的知识主张，并可引导后续事件或对象及记录的转换。学说是包含更多的概念及原理，例如：生物学上的细胞学说、理化科学上的分子动力论，他们在个别的学科都有广泛的解释力量，而且可作为探究活动的引导。由于学说对自然的解释有强大的理解作用，因此，创造不易，通常都是天才的心智结晶，科学史上，如牛顿、达尔文、爱因斯坦正是创造学说的天才型人物。

3.5 价值主张

知识主张和价值主张是有相互依存的关系，就如所言：“他们同搭一条船，但不是同一乘客”，它们之间至为相关，但也有可区别的性质。

4 V-图在教学上应用的研究

科学的教学目标在于引导学生能了解科学，也就是具有科学素养，所谓一个人具有科学素养，可以从六个维度来评量，这六个维度就是科学概念知识、科学态度、科学方法与过程、科学本质、科学思考智能、科学应用智能等，为了达到培养学生上述的科学素养，科学教师可以运用各种的教学策略，协助学生建构这些科学学习成果。就理论层面来说柯维的认知V-图是一项可应用的策略。以下对V-图的应用于教学的研究做些介绍。

首先提到柯维及其研究小组，对美国七年级及八年级学生的认知V-图的建构学习，他们发现七年级学生常使用V-图及概念图，所建构的V-图比八年级学生来得完整，因此他们认为V-图的应用可向下延伸到小学高年级的学生。图2是一位初一学生于生物学实验课探讨酵素作用的认知V-图。

图2 一个初一学生于生物实验课探讨酵素作用所建构的V-图

就整体来论，麦乐迪的V-图在概念领域列出来有阶层性的概念知识系统，虽然有阶层性分野不适宜的地方，若加以指导学习应可建立她自己的概念知识系统，即由事实→概念→原理原则→学说→哲学理念。同样的情形，焦点问题以及方法领域经由指导学习，也可以改进她在这两方面的表现。根据柯维的多年研究，他认为学生建构认知V-图的质量，和教师的指导及学生练习有关，越是常利用V-图的学生，其所建构的V-图，则越接近于完整。

5 认知V-图在实验教学上应用的原则

就以上各节的论述，作者认为认知V-图是可以达成学习者能建构多维度科学素养的最好策略之一。同时，此策略也非常符合科学研究方法是学说依赖的科学哲学的新趋势。至于，V-图在教学上的应用，作者就个人对V-图的认知以及教学的经验，建议其应用V-图于实验教学的原则如下。

5.1 共同改写实验手册

常见的实验手册都是食谱式撰写方式，这种实验操作手册，只注重一定的程序及已知结果的重现，学生按手册的步骤操作，得到既定的结果就算完成整个实验，这和真实的科学的探究活动差距极大，根本不能反映真实的科学活动。因此，实验手册内容应予改写。作者就高中二年级生物学有关“细胞渗透作用”的实验活动加以改写，以及小学五年级自然科学有关“霉菌的观察”的实验活动加以改写。当然，这种改写活动若能引导学生积极参与改写活动，并要求每一个学生自己制作一份，将能得到事半功倍之效。教师第一次要求学生共同参与认知V-图的制作，一定会遭遇学生学习意愿的问题，但是只要教师耐心地引导，大部分学生都能完成，作者于利用概念图于普通生物学教学时，也面临类似的状况，但是仍然克服此师生的挫折感，进而得到不错的教学改进的效能。

5.2 安排实验教学的进程

事实上，此原则应和第一项原则合起来执行，两者是互为表里，但为了凸显现行实验手册的编排及活动程序不合于当下科学哲学、科学学习心理学的基本理念，所以作者先提出第一项V-图应用原则，作为科学教育工作者的反思。以下就是作者所建议的实验教学的过程。

（1）共同讨论提出焦点问题。

（2）接下去，是写出对象及事件的内涵。

（3）提出相关的概念。

（4）提出相关的原理。

（5）提出相关的学说及哲学观念。

（6）实验操作的观察纪录。

（7）提出观察纪录的转换。

（8）提出知识及价值主张。

以上提到的实验教学过程，是根据实验手册或活动指导内容，以及相关的背景知识所拟定。活动的进行可以以个人、小组、班级的方式进行，以何种方式进行可依活动的内涵及目的做不同的安排。其选择的理念为个人建构及社会建构为依归，作者认为除了第6项应小组进行外（节省学校支出为考虑），其他各项则以个人、小组、班级为单位进行活动皆无不可。

5.3 利用V-图作为评量学生学习成就的工具

教学评量要反应评量结果的多元功用，利用V-图作为评量工具，应该比传统的纸笔测验，对学生的学习成就的内涵，提供更多不同面向的信息，这些信息可以作为教师指导学生个别学习及进一步学习的第一手依据。要利用V-图来评量，首先教师必须要建立评分的准则，准则的建立可以参考柯维以及梅特和柯维所定的准则，再依目标学生的年级自行制定，才能符合科学教师的自我需求。例如：对小学高年级的学生来说，则有关“哲学及学说”这一大项可以省略，但对高中二年级的学生来说，则可以作为评量的一个项目。

根据学者的研究应用认知V-图策略于实验的教学，可以提升学生对实验教学的兴趣，不会觉得实验的单调及无聊。同时，实证的研究也提供应用V-图的教学效能，是传统食谱式实验操作所不能达成的，那就是应用V-图可以增进学生对科学概念的了解以及扩展学生即有的概念知识。

6 结语

认知V-图是可以把概念领域和方法领域融合于学习活动的教学策略，也就是能促使学生于科学活动时，必须“动手”及“领悟”地进行科学探究的学习活动。对于九年一贯新科学课程而言，科学教师若能应用V-图于教学，应可以协助学生建构分段能力指标所揭示的六个维度的科学素养，即科学过程技能、科学认知、科学本质、科学态度、思考智能及科学应用。假设小学五年级自然科霉菌观察的认知V-图，在V-图中，很清楚包含了科学认知、科学过程技能的学习；知识主张是经由学习者的心智操作而提出，因而也蕴含了科学本质的学习，就是科学知识是由人的探究活动所建构的；学习者提出价值主张则可学习到科学应用的层面；记录的转换不但应用到科学过程能力，同时学习者也可增进科学思考智能；由实作观察及记录历程，学习者学习到了操作技能，以及忠实记录的科学态度。因此，认知V-图是提升学生学习建构多维度科学素养效能的最好教学策略。

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由于传统理性主义与实证主义的科学观主导了过去科学哲学及科学研究的发展，最近几十年来屡受挑战及质疑。同时，对科学知识进展的知识论的解释，建构理论也逐渐被学界所接受。但是由于过去师资培育理念及课程所限制，知识建构论所引导的教学及评量理念、方法、策略等，仍然不能深入于各级学校的科学教室。

虽然，作者认为认知V-图对各级学校科学实验的改进，具有正向的作用是有其理论及实证研究的支持，但是仍然需师资培育，社会价值观的改变、教学质量改进、多元化入学方案的公平性，家庭教育及家长观念的变革等因素的配合，V-图在科学教育应用上才能真正生根并落实于教室之中，也才能使得科学教育符合怀海德所揭示的教育理念：“教育当始于探索、终于探索”，即培育具有终身学习意愿及素养的公民。

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Research on multidimensional scientific teaching based on core quality

Xia Dongmei
Chongqing Engineering Institute，Chongqing，400056，China

At present our country is implementing the new curriculum core literacy，scientific literacy of occupy the important position of the core literacy，science literacy，including ：process skills，cognitive science，scientific nature，scientific attitude，scientific thinking，and scientific applications six dimensions. In this paper，the author thinks that science teaching to present the real scientists do science oriented in the science classroom，is a feasible way to cultivate students with multi-dimensional core literacy，while covey cognitive development by V - figure is to be able to present the ideal of science inquiry activity for real scientific teaching methods. Therefore，the author discusses the meaning of cognitive V - figure，student cognitive teaching，as well as cognitive V V - figure - figure after applied in scientific teaching research，put forward the applied cognitive V - figure based on the principles of science classroom，teaching for science education workers and the reference of further research.

Scientific literacy ； scientific teaching ； cognitive v-chart

G410

A

2096-4110（2017）01（c）-0003-05

夏冬梅（1984，11—），女，汉族，重庆人，副教授，教育硕士，研究方向：教学管理。