科学实践：“科学探究与创新意识”核心素养的意蕴

黄恭福 邹海龙

摘要： 认为“科学探究与创新意识”核心素养内涵与目标聚焦“科学实践”

是促进学生应然的化学学科知识、思想观念转化为实然核心素养的关键。

基于学科理解从哲学、具身认知、知识观和国际理科教育思想发展视角阐释了科学实践的学科价值和育人价值，提出化学新课程教学应坚持科学实践取向。

关键词： 科学探究与创新意识; 科学实践; 学科本质

文章编号： 10056629（2020）10000306

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

《普通高中化学课程标准（2017年版，2020年修订）》（以下简称新课标）基于学科本质凝练的学科核心素养不仅表明了其构成成分，还从哲学层面揭示了学科核心素养“实践—认识—再实践（应用）”的认知逻辑[1]。“科学探究与创新意识”核心素养聚焦“科学实践”是促进学生应然的化学学科知识、思想观念转化为实然核心素养的关键。本文从课标理解、科学哲学、认知理论及知识观视角等对“科学实践”进行阐释以增进化学学科理解。

1 科学实践本质的课标理解

化学学科核心素养从科学思维、科学实践、科学价值取向具体体现化学学科的学科价值、整体育人价值和功能。“科学探究与创新意识”是对化学“科学实践”的表征，也从实践层面激励学生勇于创新[2]，新课标从四个方面阐释了“科学探究与创新意识”的本质。

1.1 科学探究与创新融于科学实践

科学探究是在创造动机与兴趣的引导下，采用探究的实践形式获取证据，在体验丰富创造情感的过程中发展对客观事实和现象合理解释的学科高级能力，其本质就是实践创新。根据认识论观点，科学探究是“感性认识理性认识实践”循环往复、螺旋上升的过程，每个阶段间都有认识的飞跃，其本质就是创新[3]。根据问题解决的观点，科学探究是一个始于问题、终于问题的过程，问题是探究得以产生的前提和核心，探究的实质就是发现问题、解决问题的过程，其认知的心理机制就是创新，是基于问题解决实践活动的实践创新。

化学科学探究的主要内容和途径是实验，无论是从实验研究的对象、过程还是结果分析，创新都是化学科学探究的本质特征，化学科学探究最能体现和发展人的创新精神和实践能力[4]。探究与创新正如硬币（科学探究）的两面而融于科学实践中。

1.2 聚焦科学探究“大概念”的核心认识

新课标对科学探究“大概念”提炼了三方面的核心认识： 首先是认识到科学探究是进行科学解释和发现、创造和应用的科学实践活动，揭示了科学探究的实践活动本质和功能;其次是科學探究过程包括提出问题和假设、设计方案、实施实验、获取证据、分析解释和建构模型、形成结论及交流评价等，从本体论界定了科学探究的核心要素和逻辑构成;第三是理解从问题和假设出发确定研究目的、依据研究目的设计方案、基于证据进行分析和推理等对科学探究的重要性，既从科学探究方法论角度予以阐述，同时也表明了实现科学探究学科价值和育人价值的具体路径等。

1.3 揭示实验探究活动的内涵和独特价值

通过实验探究活动可以引导学生拓宽认识视角和认识思路，发展学生“科学探究与创新意识”核心素养。新课标将一般科学探究能力与具体化学实验活动相融合，将化学实验探究能力的内涵划分为“基本认识、基本技能和基本经验”;提炼实验探究的独特价值在于激发学习化学的兴趣、创设生动教学情境、启迪科学思维、训练科学方法等学科价值和育人价值[5]。

1.4 强调科学实践的社会性活动

学科实践活动不仅关注个人敢于质疑、勇于创新的科学品格和科学精神，还关注学生善于与人合作的意识和能力，尤其强调科学探究共同体的交流、沟通、协商与辩论等社会性活动对发展核心素养的重要作用。新课标对科学实践本质的阐释内涵丰富、表征形式多样，涉及探究与创新关系、科学探究大概念表征、实验探究内涵和独特价值刻画以及科学实践的社会性活动等[6]。

2 科学实践的哲学理解视角

古希腊哲学是现代科学和科学教育思想发展之源，其身心二元论哲学思想历经古风、古典时代延续到“文艺复兴”及近现代相当长的一段时期，对传统科学和科学教育思想产生了很大影响。科学实践是科学劳动者有目的地使用科学工具，作用于科学对象，即主观见之于客观的能动的现实活动。科学实践主体在大多先贤们看来就是大脑的心智功能，而与身体和实践活动无关，这种认识传统普遍表现为“观察—思辨”的科学认识论，无论是泰勒斯提出的“水是万物的本源”还是德谟克利特的“原子论”等，都是建基于“思辨”而非科学实验。

“观察—思辨”的科学认识论是“身心分离”的二元论哲学思想在科学研究领域的具体表征。希腊三贤之首的苏格拉底认为： 死亡是灵魂和肉体的分离，身体的死亡可以让人获得本真的善，身体是灵魂得以净化自由的绊脚石[7]。其弟子柏拉图继承并发展了身心二元论思想： 身体是虚幻无意义的存在，是心灵的藩篱和墓场，它阻碍了心灵对智慧的追求[8]。近代科学始祖——笛卡尔延续了柏拉图“二元论”哲学思想，他认为： 心灵和身体是相互独立、毫无关联的两个实体，所以存在主客、身心的二元世界[9]。普遍重视科学实践地位的科学家应归功于“现代科学之父”的伽利略。他继承并发展了古希腊阿基米德的科学实践方法，明确提出“观察—实验”的科学实践路径和“实验是知识的唯一源泉”的科学思想。化学学科的“观察—实验”认识传统则以波义耳的定性实验理论和拉瓦锡的定量实验理论研究为肇始。

反思科学教育观念，其植根于“身心、主客、心物”的二元论哲学观，从根本上阻隔了“科学实践”主体以“实践”方式发展心智和认知能力的通道。传统认知科学的“认知主义”和“联结主义”都只将人的认知活动视为人脑独立的抽象符号运算过程，身体只是消极被动接受和投影各种外部信息[10]，完全忽视了对学习主体的学习活动（实践）设计，外显为在学科教学中忽视甚至拒绝学生主观能动性和学习主体性的发挥，忽视“情境、实践”在学习中的重要作用，把学生简单作为接受知识的“容器”或是可以任意填涂的“白板”。

对科学哲学的核心问题“实践与理论”的关系而言，传统科学哲学认为科学理论优先于科学实践，理论对实践有决定性的支配作用，实践只能为理论服务。新兴的科学实践哲学在批判“理论优位”的同时，提出以“科学实践”为核心，对理论与实践的关系进行了重构[11]。

科学实践哲学明确提出实践第一（即“实践优位”），科学概念和科学理论只有作为更广泛的社会实践和物质实践的组成部分才是可以理解的，科学实践不仅具有物质性和话语性，还突出表现了动态性和开放性[12]。科学实践的哲学功能投射到学科教育中的学习行为表征就是： 活动与探究、交流与讨论、生成和建构等。这也为我们理解“科学探究与创新意识”核心素养的“科学实践”本质提供了哲学方法论支撑。

正是由于“科学实践”对于世界观与方法论形成的重要意义以及对科学教育思想的方向性影响，无论是经典哲学还是科学哲学研究都是无法避开对科学实践这一关键的本原问题的关注，这也从另一个角度诠释了科学实践之于科学学习的重要地位和功能。

3 具身认知理论下的科学实践

“科学实践”在学科教学活动中具体表现为“学科实践”，二元论哲学指导下的传统认知科学强调符号和表征，强调内部的心理机制过程而忽视学生的学科实践和身心联系，在教学实践中逐渐显露出学习主体兴趣降低、动机弱化，效率低下等各种弊端。

具身认知理论（Embodied Cognition Theory）研究认为： 大脑并不能独立完成高级认知功能，需要通过身体与外部世界互动促进对高级认知过程的理解。认知是一个特殊、具体身体的认知，是大脑、身体和环境相互作用产生的认知。学习过程不仅是大脑进行符号加工的过程，也是大脑与身体以及身体的构造、功能、感觉运动系统交织在一起的过程，这一过程就表现为学科实践活动。具身认知理论指出： 心智、大脑、身体是一种嵌入式关系，即心智嵌入大脑中，大脑嵌入身体中，身体嵌入环境中，也就是说环境、身体、大脑是认知系统的组成部分，共同决定了认知方式身心合一的实践本质[13]。

具身认知即使在动物本能的实践活动中也具有理论指导的强大生命力。如蝙蝠在环境中依靠回声定位规划运动路线避让障碍物，其本能的认知特点就是基于蝙蝠的身体构造和功能;蜜蜂可以利用太阳偏振光导航，并在飞行时腹部收缩分泌香气形成“香气走廊”找到蜂巢。不同动物的这些不同本能和特殊能力与自身的身体构造和功能高度相关和一致，简单换成人类的身体经由人类的大脑心智是永远无法实现“偏振导航”和“香气找路”的，这更进一步体现了具身认知理论的精髓，即身体、心智必需统一在实践活动的具体环境中。化学是以科学实践为基础起源发展的学科，其研究和学习过程都必需让“身心”置于本原性的“实践”现场，才能真正形成深刻的学科理解，否则就可能陷入“观察—思辨”的认知泥潭。

例如，初中生学习实验室制取氧气，如果不让学生的身体“沉浸”在具体的实验操作中亲自动手动脑，感觉知觉，反思体验，而是采取“讲实验、画实验”的方式，学生就不会产生水槽中的水变成紫色的“好奇”，做完实验的手出现棕色斑点的那种“担忧”，也就没有用黄瓜汁液洗去手上斑点的那种“愉悦”。再如，不让学生亲身经历氯化钠固体溶于水的实验就无法体会到固体溶解“居然”有气泡冒出的那种“惊讶”;学生没有做稀硫酸与铁片反应的实验也不可能会“意外发现”其速率要比与同浓度稀盐酸反应慢很多等。这些“科学实践”主体的“好奇、担忧、愉悦、惊讶”只有在具体真实的“实践”环境中才能产生，也才会对实践主体的认知方式、过程和结果产生重要的影响，继而影响到学生认知能力和核心素养的形成。

可见，学生不亲身经历大量真实的实验（学科实践），就无法体会到化学实验中出现与教材描述不同的“异常”现象是“正常”的，而出现“正常”的实验现象是要“严格控制条件”的化学学科观念。不如此，学生是无法真正形成只属于自己身体能理解的实验技能，也无法形成深刻的学科思维。“科学实践”的学习本質要求学习者“提供”自己的身体和全部的感官，“沉浸”在具体的学习环境中，促使学习者的感知觉、情感意志、心智功能一起协调配合，进而完成只有学习者本人身体能领会的“独一无二”的学习体验，形成“独一无二”不可复制的学习结果。从这个意义而言，“科学实践”对发展学生核心素养是不可或缺、无可替代的，更是“科学探究与创新意识”核心素养的本质意蕴。

4 知识观视角下的科学实践

4.1 基于知识观转变视角的科学实践

我国自2001年启动的新课程改革大致可以划分为两个阶段： 2001～2014年为第一阶段，旨在构建我国素质教育课程体系;2015年以后为第二阶段，旨在构建我国信息时代的课程体系，并确立了以发展学生核心素养为目标的课程改革方向[14]。课程改革第一阶段的根本任务是基础教育价值观的根本转变，实现由“工具主义”的应试教育观转向“人本主义”的素质教育观，第二阶段是基础教育“知识论转向”阶段，即由“事实本位的学科知识观”转变为“理解本位的学科知识观”[15]。

学科核心素养的本质是个性化的学科理解与学科思维，发展的基本途径是学习者的实践活动。张华认为： 知识的本质是观念，观念的本质是实践，学科实践是理解学科核心观念的内在要求，一切学科知识或观念都是学科实践要验证的假设或指导学科实践的手段[16]。离开学科观念，学科实践就是盲目的;脱离学科实践，学科观念就是空洞与虚妄的。学科观念的形成要求在真实情境下通过学科思维解决关键问题得以实现，这一过程必然要求学生开展真实探究，解决真实问题，通过自己亲身体验，感悟知识产生发展的过程，形成对学科知识观念及其思维方式和方法本原性和结构化的理解。

如高中分散系知识的学习过程中，学生通过溶液、胶体、浊液性质的实验探究活动初步形成了“尺度与结构”科学大概念的理解框架。学生探寻知识本原过程中可能还会产生如下疑问： 现实物质世界基本上都是混合物，为何化学的研究对象主要是纯净物的组成、结构、性质和变化呢？混合物的组成、性质及其表征形式也千差万别，为何化学重点研究分散系这种混合物？分散系可有各种分散剂，为何重点研究水作为分散剂的微粒行为和宏观性质呢……学生对上述逼近学科本原问题的解释只有通过学科实践和学科思维才能从具体外显的学科事实上升到抽象内隐的学科思想。

化学教学实践中，教师要超越传统的“双基论”，将知识和技能从静态、孤立碎片化的“惰性知识”和“机械技能”转变为动态联系的创造性、建构性知识;从事实覆盖型的知识体系转变为理解本位或观念为本的内容体系，就必须坚持基于学科实践的“学科理解”教学，坚持提炼学科大概念（Big Idea）和核心观念，如吴俊明主张的化学教学中的化学思维、原子思维、分子思维、活性思维、绿色思维就是学科理解本位的知识观的具体体现[17]。因此，知识观转变的视角，其本质就是“实践转向”视角，是应然要求“学科实践”深度介入学科学习过程的教学诉求。

4.2 基于知识类型理论视角的科学实践

20世纪50年代英国哲学家波兰尼（M.Polanyi）提出的“焦点意识”和“附属意识”理论[18]以及美国著名心理学家斯滕伯格（R.J.Sternberg）的“三元智力理论”[19]认为，科学实践活动既包含有“明确知识”，也有“缄默知识”的成分。“明确知识”具有理性、批判性等特点，可以通过言语传授的方式获得，能用语言、文字、符号、图像等进行表述和传递。“缄默知识”具有“非理性、非意识、非言语、非公共性”特点，无法用语言、文字或符号进行逻辑说明，也不能与不同人分享，只能通过学习者在实践活动中亲身体验、经历和感悟形成，是学习者个人“说不清、道不明”的知识，是学习者个人才能理解的“私人知识（Private knowledge）”。这也正是“在游泳中才能学会游泳”的理论基础，其与具身认知理论强调“身体、心智和环境”融合于学习过程的主张是一致的。

在化学科学实践活动中蕴含有大量的“缄默知识”，如对实验异常现象的敏感、对实验结果的直觉、实验问题解决的顿悟等。这些“缄默知识”也是学生形成创新意识、发展创新能力的重要机制和途径，也只能由学生亲身参加实践活动过程获得而别无他法。

如高中化学苯酚和水的分离实验，如果简单以苯酚溶解性（微溶于水）、熔点数据（43℃，常温下固体）进行思辨，其结论是： 苯酚溶于水形成浊液可采用过滤方法分离苯酚和水。真实实验显示： 未溶于水的苯酚并不是以固体的形式析出而是以液体的形式与水分层，分离苯酚的水溶液只能分液。这种“异常”认知结果只有在学科实践活动中才能被揭示。

真实情境下的实践活动又能多层面引发学生新的认知冲突从而促使“缄默知识”的形成。例如对物质熔点与溶解性关系的认知冲突： 为什么43℃的固体会在常温下会变为液态？再如，真实情境实验中学生个性化的感知觉导致的认知冲突（如表1所示）。

表1显示： 学生在真实情境中产生的认知冲突依靠传统的“语言”或“思辨”方法是无法产生的。学生在实践活动中观察到异常现象的兴奋、惊奇，在教室环境下闻到苯酚气味的“快乐”或“厌恶”等情绪、情感体验，也是缄默知识的组成成分。

学生在“缄默知识”的作用下，依据观察体验的实验事实，通过反思质疑可将学科学习逐步引向学科本原。如，常温下不易溶于水的苯酚固体与水混合后转变为了液体，是水的加入降低了该物质的熔点吗？加入水后是否是因为水分子削弱了苯酚分子间作用力从而使得苯酚转化为液态？类比氯化钠固体的溶解是否是因为水分子对氯化钠固体结构粒子产生影响，使得钠离子和氯离子化学键削弱从而在水溶液体系内自由移动，其本质是否可以视为“水降低了氯化钠固体的熔点呢”？如果这样的反思成立，那么钠离子和氯离子是否也会削弱水分子间的作用力从而“降低水的熔点”呢？学生产生的这些疑问和反思，恰恰又能激发新一轮科学实践活动的开展，使得学科实践活动在知识学习中呈现出“链式反应”，并在不断“实践”和“追问”中深化对学科本质的理解。

5 国际科学教育视角下的科学实践

国际科学教育改革随着对科学本质观的演进而不断深化，科学本质观经历了“科学作为知识”到“科学作为探究”，再到“科学作为实践”的过程[20]。传统的科学教育将科学作为知识或结论，20世纪80年代后国际科学教育普遍认同将探究作为科学本质，我国2001年、2011年版的义务教育化学课程标准以及2003年实验稿的高中化學课程标准均以科学探究作为课程改革的突破口，1996年发布的《美国国家科学教育标准》也明确提出了“作为探究的科学”。

然而，我国近年来以培养学生科学探究能力为主旨的化学课程改革以及国际理科教学在课堂实践中都凸显出一个共性问题，即师生对科学探究机械化理解导致科学探究被“异化”为固定化、步骤化的科学方法。美国2011年公布的《K12科学教育框架： 实践、跨学科概念与核心概念》（以下简称《新框架》）将科学教育的首位关键词由1996年《美国国家科学教育标准》中的“科学探究”更换为“科学实践”。这一重大调整也更突显了科学探究的实践本质。

《新框架》认为，科学探究的实践本质是以用“动脑”驱动“动手”的理论性探究为主导的活动过程，同时又包含着“动手”服务与完善“动脑”的反馈机制。科学实践中，不会或不习惯“动脑”的学生，“动手”能力再强也难以提升科学素养;只注重“动脑”而不及时“客观物质化”为“动手”的实践形态，即使构建的理论和模型再严谨也无法外显和验证。其次，科学探究的实践本质还体现在科学探究的社会性过程，具体呈现方式就是“动嘴和动笔”。“动嘴”是科学辩论形态、“动笔”则是书面形式的科学论证，关注的焦点都是基于科学实践证据和推理的科学理性[21]。

“科学探究与创新意识”核心素养中“实践”本质，绝不仅仅是我们传统意义上理解的“动手操作”，而是“知行合一”的创新实践，科学不仅是理解世界的知识体系，也是建立、拓展和精炼知识的一系列创新实践[22]，创新实践的重要特征是不仅包括动脑思维的“智慧技能”（分析与综合、归纳与演绎、假设、类比等科学方法与思想），还包括了科学的社会化活动，提倡科学探究从个体行为向群体行为转化，强调交流、辩论、表达等交往性的创新实践能力。

美国学者彼得森（K.D.Peterson）指出： 科学探究是一种系统的调查研究活动，其特点是采用有秩序和可重复的过程，简化调查研究对象的规模和形式，运用逻辑框架作解释和预测，探究的操作活动包括观察、提问、实验、比较、推理、概况、表达、运用及其他活动。《新框架》为阐释“科学实践”在认知、行为、社会三个维度上的特点，还着力建构了科学实践活动的概念图[23]，清晰描述了“科学实践”活动不仅包括以实验为主的“调查研究”，还包括“构建科学解释”和“评价”（即理论性探究和科学的社会性过程）等三个维度。

我国学者据此提出了“探究”向“实践”转向的教学模式包括“基于社会性科学议题”的论证教学和“基于社会需求”的科学研究案例教学，以发展学生对实践取向的科学本质理解[24]。王祖浩等也积极主张科学论证教学要把探究主体还给学生，让学生参与真正的科学实践，体验和经历科学知识的产生过程，化学课堂要从“观察导向”和“结果定向”的探究走向“论证驱动”的探究[25]，才能培育学生适应未来多元异质社会发展需要的科学品格和关键能力。当然，从“科学探究”到“科学实践”并非理念的颠覆而是对课堂僵化的科学探究的改进，是用“科学实践”更好为“科学探究”正名[26]。

综上所述，发展学生“科学探究与创新意识”核心素养的基本路径就是坚持“实践导向”的科学探究教学，科学实践在化学教学中不可替代的学科价值和育人价值正是“素养为本”的课堂教学追寻的意义，更是“科学探究与创新意识”核心素养的本质意蕴。

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