以科学与工程实践活动促进科学本质教育

孙兆前

科学教育的重要性无须赘言。《全民科学素质行动计划纲要（2006—2010—2020）》明确指出“我国公民科学素质水平与发达国家相比差距甚大”。研究也表明，中小学的科学教育对公民的科学素养培养具有基础性、根本性的作用，抓住中学这一科学教育的黄金期，是全面提高每一个学生科学素养的关键。

科学本质是科学教育最为关键的核心要素，是科学知识、科学能力、科学态度等其他组成要素的基础。“认识科学本质有助于促进学生科学认知、科学探究能力和科学情感、态度和价值观等方面的发展，有助于提高学生的科学素养。”[1]美国、英国、澳大利亚、加拿大等国家的国家科学教育标准中都提出要把培养学生对科学本质的理解作为科学教育的重要内容。要提高科学教育的质量与效果，就必须重视培养学生对科学本质的理解。

一、科学与工程实践对于科学本质教育的意义

分科课程是我国在义务教育阶段开展科学教育的主要形式。一方面，各分科自然科学课程标准没有将促进学生对科学本质的认识作为教育教学显性的、共同的目标。另一方面，自然科学课程遵循的主要还是学科知识逻辑，在科学方法、科学能力、科学思维、科学本质理解等方面互通不足，存在“素养提升无意识”“素养培养各自为战”等问题。

调查显示，初中生的科学素养在科学态度、科學知识、科学能力和科学本质理解等不同维度上发展不均衡，并且彼此之间存在一定的相互影响。其中，科学本质理解水平与科学知识、科学能力水平直接相关，且都受到科学态度的影响;而学生的学习方式，影响了科学态度水平，并正在影响着学生的科学知识水平和科学能力。

“科学与工程实践”强调科学研究和工程设计在发展科学概念、深化科学本质理解、培育科学精神中的价值，强调思维与实践的统一。一方面，“从事工程实践、科学应用以及认识科学与工程之间的相互作用关系是科学学习的重要内容”[2];另一方面，“实践”是科学学习的特点，是科学本质理解不断发展的主要途径，还是与青少年的学习特点相匹配的学习方式。因此，包括科学探究在内的科学与工程实践活动，就成为提高学生科学素养、发展学生科学本质理解的第一选择。

但是，目前初中阶段工程技术教育极其薄弱，教学侧重技能训练，对于利用工程技术帮助学生应用科学、理解科学、体验乐趣、领悟价值挖掘不到位，割裂了科学教育与科学素养提升之间的关联。

二、科学与工程实践活动的设计策略

科学本质是关于科学知识、科学过程、科学价值等的知识，理解科学本质需要以相关的陈述性知识、程序性知识、策略性知识为认知对象，对它们进行批判性思考。因此在聚焦发展学生对科学本质的理解而设计实践活动时，必须基于学习者的生活经验、学习特点、思维水平，必须考虑观念内隐、顽固的特点，为观念碰撞提供组织保障，引发学习者的自我反思，以促进观念改变。

1.明示科学本质理解目标

当下科学教育的内隐逻辑是学生在做科学、学知识的过程中，自然伴随着对科学本质的思考。这种假设是以成人学习过程为参照的，没有考虑到学生的年龄特点、学习特点和认知特点。初中学生对科学抱有较为强烈的好奇心，容易被有趣的事物吸引;在认知上处于由形象思维向抽象思维转化的中间阶段，在深刻理解上存在困难;当学习上缺乏刚性、显性的目标时，学习难以不断深入。教师明确实践活动目标，有利于明确学习任务导向，帮助学生聚焦思维，突破认知屏障，增加思维的深度。研究表明，显性的方法是发展学生理解科学本质的有效方法之一，也有利于教师在准备教学时有针对性地设计教学活动和教学问题，在实施教学、组织活动时自觉、有意识地调控教学行为。教师在反思教学成果时，也可以此目标为量标分析学生学的效果、审视教师教的行为。

2.科学教育活动主题化

科学本质观是一个整体，不管是在个体的观念认知上，还是在个体的实践应用中，都是无法分割的。主题活动可以将科学本质观发展的目标融于实际任务中，既创设了科学的应用情景，又避免了科学本质观的割裂，还为师生互动、生生互动提供了话语背景。

科学本质的内涵是多元的，学生的理解水平是多层的，学生的观念发展需要循序渐进。要促进学生对科学本质理解的发展，就必须有一个个主题活动，围绕着科学探究与工程设计领域常见的实践任务展开;通过不同的实践主题，侧重科学本质观的不同层面;通过发展一个层面上学生对科学本质的理解，带动相关层面的发展，做到以点带面，实现整体与部分的协同发展。例如，在“猜想与设计”主题中，学生通过观察、设计、检验“魔筒”的活动，一方面可以体会科学知识的暂定性本质，另一方面还可以体会到科学认知世界的价值和不固定的科学探究模式等。

3.创设学生主动学习的场域

主动的学习需要打通学生学习的情感障碍，需要能与学生产生认知共鸣的实践课题。因此设计实践活动课题时，首先需要以科学与工程实践主题为线，以发展学生科学本质理解为纲。还需要基于学生的学习经验，选择恰当的课题内容，设计恰当的活动形式。例如，初中学生面对学习任务时，多数是“玩”的心态。为了激发学生的学习热情，实践活动的主题不妨突出“玩”科学，活动材料也应适当选择学生身边的生活物品。设计实践活动，还需要考虑学生的学习风格。探究是科学实践的主要形式，强调头脑思维的推进，工程设计是工程实践的常见形式，多以动手为主。前者重视科学概念的发展，后者重在应用科学知识。以工程实践为表，以科学探究为里的实践活动，可以很好地把科学与工程实践统一起来，既切合初中学生的认知风格—动手先于动脑，动手带动动脑，又为学生在实践中运用科学、反思科学、体会科学与工程以及科学与社会的关系提供了平台。

4.促进学生深度思维参与的形式保障

深度的思维参与，需要明确思维方向、集合个体思维以产生思维的“针刺”效应;深度的思维参与还需要思维的时间和空间。设计实践活动时，需要设计引导性问题以推进学习活动。问题是思维的驱动器，是思维的导火索，思维总是产生于问题，思维与问题相伴而生。引导性问题既要给出思维发展的线索，指向科学本质，又要提供思维参与的宽度，保证深度讨论的空间，以呈现不同个体的科学本质理解。

设计实践活动，还需要增加反思性任务以驱动思维深入。内隐观念的指导作用体现在学生在实践过程中，总是在自觉践行着自己的“潜在科学本质观”。要发展学生的科学本质理解，就需要使其当下的科学本质理解从潜在水平外显、表现出来，经历个体对实践过程与结果的反思乃至动摇，进而改变，从而发展出科学本质理解的路径。

实践活动应以小组活动为主，通过问题引导，为产生头脑风暴、观念碰撞提供可能，对个体与团体当下的科学本质认知进行批判性思考，触发个体的自我辩护机制，推动个体理解科学本质能力的发展。

还需要适合的活动方案统整以上要素，在设计层面上最大化地保证实施效果。编制实践活动方案时，可以通过主副标题的形式明确实践主题与活动课题，在“背景”栏目中介绍课题资料、激发实践兴趣，設置“活动目标”明示科学本质理解发展目标，通过“活动形式”明确实践活动开展的组织形式与任务要求，通过“活动过程”“问题”“小结”等栏目驱动任务、聚焦关键、引导思考、触发反思。

5.基于学生学习反馈保持动态调整

以发展学生的科学本质理解为基本追求的科学与工程实践活动也不能一成不变，需要持续对学习者的学情、科学本质理解的发展阶段、学习特点等进行调查，并结合科学本质教育发展的现实情况不断调整。下面这段文字是一位初二学生的学习反思。

在我看来，科学是指人类对于世界乃至宇宙中一些现象的研究过程和研究成果。我认为，探究的过程相较于成果更为重要，因为这是一个锻炼思维的过程。首先，你要用发现的眼睛去观察生活，发现一些自己一时无法解释的现象，并提出相应的问题;其次，你要就此问题做出假设，对可能的解释进行猜想;接下来要动手验证，通常要做实验得出数据并进行分析;这时会出现两种情况—证实或证伪，若证实，大功告成，若证伪，重新猜想、假设。只要你仔细观察，科学无处不在。

本学期的课程中，令我印象最深的是运送薯片到另一面墙的“游戏”。要求在不借助外力的情况下，将一片薯片由一面墙运向对面的墙，且薯片不能碎，运输时间最短的小组获胜。我们组的同学们经过严谨的考虑和积极的讨论，多次修改方案，最终的装置大致是……利用此装置，我们的用时很短。但最快的那一组是利用摆动实现的。

“玩科学”给我最大的收获是：并不是每个探究都有答案。不然何谓“探究”？

通过分析学生的反思，我们发现学生对科学知识及其产生与发展的本质、科学探究的本质等有了一定的认识，在“魔筒”“纸螺旋”“薯片邮寄”等近20个实践项目中，这样一种表达，既说明了实践活动在发展学生对科学本质的理解中的有效性，又呈现了实践活动与学生学习需求之间的契合度，也为教师后续改进实践活动的设计与实施提供了方向。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.义务教育初中科学课程标准（2011年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2012.

[2] National Research Council. A Framework for K-12 Science Education： Practice， Crosscutting Concepts， and Core Ideas[M]. Washington， D.C： the National Academies Press， 2011.

本文系北京市教育科学“十二五”规划2014年度青年专项课题“校本科学启蒙课程‘玩科学的设计与实施—基于‘科学与工程实践的理念”（课题编号CBA14049）阶段性研究成果。

（作者单位：北京师范大学附属实验中学）

责任编辑：孙昕

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