中美课程标准关于科学本质的比较研究——以中学物理为例

武志伟 苏玉成

(中央民族大学,北京 海淀 100081)

美国《下一代科学教育标准》(the Next Generation Science Standards,以下简称NGSS)[1]于2013年4月发布.践行一个高质量的科学教育意味着学生将科学内容进行了深入的了解,也意味着发展了学生沟通、协作、探究和解决问题的能力,这将会为他们的职业生涯服务.

强调进行科学本质教育,国内学者有着细致的研究.刘健智通过讨论美国科学本质教育的若干问题,得出了“科学课程的改革必须培养学生对科学本质的理解”的结论;梁玮以我国高中生物为例,比较了中美课标关于科学本质观的教育,提出了对我国课标的改进建议;康琪认为,科学本质教育只有落实到科学课堂实践中,才能还原科学教学的本来面貌.

此时的中国正值高考改革的探索阶段,中学物理首当其冲,成为被“冷落”的对象.[2-4]本文将以中学物理为例,通过中美课标关于科学本质的对比,希望能够获得一些在教师培养及物理教学方面的有益启示.

1 课标中关于科学本质研究的背景

1.1 科学本质的概念

科学本质被定义为“科学的认识论,科学作为一种思考的方式,科学知识价值的信念及科学的发展”.[5]

科学本质在不同的研究机构或专家看法并不相同,一些研究者将“科学、技术与社会的关系(STS)”归为“科学事业的本质”.这3个方面都是科学教育所要传达的,这对于提高学生的科学素养有着重要的意义.

1.2 践行科学本质教育的意义

科学家、科学教育家和科学教育组织大都认为,学生不仅要学习科学,而且要了解这些无可争议的本质原理.[6]物理教育不是为了培养物理学家,而是具有其普通的教育功能.物理是逻辑和实证的科目,因此,物理课程的学习对于学生科学素养的培养很有必要.

1.3 关于我国科学教育本质的现状分析

教师现在给学生讨论的题目,往往是具有一定理想化的模型,这样不容易启发学生从实际中的情况中得出某些物理结论.这样就会使学生“只见树木不见森林”,很少能起到培养学生科学素养的目的.物理教学应该培养物理思维,起到科学启蒙的作用,而大量的习题并不能很高效地训练学生的科学思维能力.

我国目前的很多教师会有意识的在课堂上穿插一些物理学史的内容,作为对学生科学素养的培养方式.[7]很多省份的中、高考题目中也加入了史学的内容,作为对学生是否习得这些素养的考查.但是,学生形成了什么样的科学本质观,许多教师并不关心,可能有的教师自己都不知道.[7]因此,科学教师不仅需要理解科学本质的内容知识,还需要具备科学本质的教学知识,并具备开发科学本质教学资源的能力,实现教师对科学本质的理解向科学本质课堂教学实践的转化.[8]

2 中美课标关于科学本质的比较

2.1 初中物理部分的比较

NGSS中对于科学本质的基本理解分为8个核心概念,[9]其中包括:

(1) 科学研究使用多种方法(Scientific Investigations Use a Variety of Methods);

(2) 科学知识基于实证证据(Scientific Knowledge is Based on Empirical Evidence);

(3) 科学知识根据新证据进行修订并保持开放(Scientific Knowledge is Open to Revision in Light of New Evidence);

(4) 科学模型、法则、结构和理论解释自然现象(Scientific Models,Laws,Mechanisms,and Theories Explain Natural Phenomena);

(5) 科学是一种认知途径(Science is a Way of Knowing);

(6) 科学知识假定了在自然系统中存在秩序和一致性(Scientific Knowledge Asumes an Order and Consistency in Natural Systems);

(7) 科学是一项人类事业(Science is a Human Endeavor);

(8) 科学用来解决自然和物质世界的各种问题(Science Addresses Questions About the Natural and Material World).

笔者将先以初中物理为例,列出了在美国课标物理学科中提及到的核心概念,同时对应初中物理科学主题及具体要求,如表1所示.[1]

表1 美国《新一代科学教育标准》 初中物理部分科学本质教育内容

表1说明了NGSS中初中物理部分关于科学本质的教育内容.分析发现,美国课标科学本质涉及的核心概念有两个,即“科学知识基于实证证据”及“科学模型、法则、结构和理论解释自然现象”,其中,“科学知识基于实证证据”在4个科学主题中均有涉及.由此可知,美国初中主要是让学生认识到物理是以实证为基础的科学,通过实证总结出的科学模型可以解释自然现象.

在我国2011年颁布的《义务教育物理课程标准》(以下简称《初中标准》)中也有体现科学本质的内容.《初中标准》提出其课程目标旨在提高学生的科学素养,学生主要在知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观3个方面得到不同程度的发展.在课程内容方面,《初中标准》将其分为“物质”、“运动和相互作用”、“能量”3大部分.笔者以这3个部分列出了在《初中标准》中有关体现科学本质教育的表述,如表2所示.[10]

表2 中国《义务教育物理课程标准》 中体现科学本质教育的表述

表2说明了《初中课标》中体现科学本质教育的表述,分析发现,与美国课标不同,中国关于科学本质的理解更多的集中在对学生科学素养的培养上.一方面,通过物理知识的学习,让学生认识到现在所学的物理知识与前沿的科技有着密不可分的联系;另一方面,通过让学生经历科学知识的探究过程,提高学生的科学态度和科学精神.

2.2 高中部分的比较

美国课标物理学科中提及到的核心概念,同时对应高中物理科学主题及具体要求,如表3所示.[1]

表3说明了NGSS中高中物理部分关于科学本质的教育内容,分析发现,与初中不同,美国高中物理部分在“科学知识基于实证证据”的基础上对“科学模型、法则、结构和理论解释自然现象”这一核心概念的具体要求作出了细化,集中在“运动与稳定性:力和相互作用”和“波及其在信息传递技术中的应用”这两个科学主题.同时,对学生提出了进一步的要求,要求其认识到“科学知识假定了在自然系统中存在秩序和一致性”,集中在“物质及其相互作用”及“能量”两个科学主题.

表3 美国《新一代科学教育标准》 高中物理部分科学本质教育内容

在2017年颁布的《普通高中物理课程标准》(以下简称《高中标准》)提出其课程目标旨在进一步提高学生的物理学科核心素养,为学生的终身发展奠定基础,促进人类科学事业的传承与社会的发展.[11]在课程结构上,分为必修、选择性必修和选修模块,在这些模块中,不仅含有物理学概念、规律和实验,而且含有物理与社会发展、物理与技术应用、物理与生活等方面的内容.笔者以各模块为分类标准,列出了在《高中标准》中有关体现科学本质教育的表述,如表4所示.[11]

表4说明了《高中课标》中体现科学本质教育的表述,分析发现,此次物理课标的修订在培养学生科学素养的基础上,更加注重学生对知识的应用能力,使学生可以通过所学知识解释自然现象和解决实际问题.其中,《高中课标》在核心素养中提到了“科学态度与责任”这一部分,它是指在认识科学本质,理解科学·技术·社会·环境关系的基础上,逐渐形成的对科学和技术应有的正确态度和责任感,而“科学态度与责任”主要包括了科学本质、科学态度、社会责任等要素.[11]

表4 中国《课程标准》中体现科学本质教育的表述

与之前课标不同的是,此次《高中课标》在电磁振荡与电磁波这一部分新加了“初步了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想,初步了解场的统一性与多样性,体会物理学对统一性的追求”这一点.这一要求与美国NGSS关于科学本质的理解第(6)点“科学知识假定了在自然系统中存在秩序和一致性”基本一致.

综上所述,美国初、高中关于学生对科学本质的把控是求长效的,通过层层递进的方式让学生认识到科学的本质.由表1和表3可知,美国对初、高中关于科学本质的8个理解的要求是相互渗透的,涵盖的内涵更加丰富,有具体的要求和说明.我国对于科学本质的描述在某些方面是较模糊的,而且对于其内涵的阐释在一定程度上是比较单一的.

3 启示意义

科学教育中真正意义上的科学本质教育应该包括清晰且具体的内容.[12]本文通过中美课标关于科学本质的比较研究,从教师教育、教学实施两个方面得到以下启示.

3.1 对我国教师教育的启示

物理教师是将来课程的主要实施者,可以说物理教师拥有怎样的科学本质观将会关系到其对学生科学本质观的培养.因此,高校在培养物理教师的时候,要注重对其科学本质观的塑造,高校师生也要紧密关注科学本质观的研究现状,做到心中有数,使新教师入职后对学生的科学本质教育具有可控性.

3.2 对教学实施的启示

在教学实施过程中,教师要将科学本质观的培养落到实处.教师不能只看重表面,不看重物理本质,纠结于考试,考什么,考多少分的问题.例如:一旦考试中出现新题型,有的教师马上就会总结出新的训练方式,而实际的物理思维过程总是被忽略,这也与新题型设计的理念所违背.所以,在教师教学过程中,要尽量避免“伪科学”的教学行为.同时,尽管科学本质的培养内隐与科学探究的过程之中,但对于学生来说,如果不在科学探究的过程中告知学生相关的科学本质问题,而只是仅仅指导学生完成科学探究的过程,这样并不能很有效地帮助学生理解科学本质的内容.[13][14]基于NGSS中关于科学本质的8个理解的呈现方式,我国课标也应该将科学本质的学习目标与学习途径纳入其中.

同时,美国科学课程各科目之间是相互联系、相互渗透的,强调各学科之间的联系.但是,我国的各科目之间缺乏紧密的联系与渗透,将来新高考选科制度的实施甚至将会加剧这种科目的独立性,引起学生对于某些科目的轻视.因此,基于NGSS中关于K-12科学教育的连续性,我们应该将科学本质观的教育下移到小学和初中阶段,使学生在启蒙阶段就对科学本质有比较深刻的认识,我们任重而道远.