如何补齐科学教育中的“实验”短板？

策划 | 周丽

“实验教学是国家课程方案和课程标准规定的重要教学内容，是培养创新人才的重要途径。”然而，长期以来，受多方面因素的制约，实验课在中小学的开展情况不容乐观。补齐科学教育中的“实验”短板，成为亟待破解的重要议题。为此，本刊邀请专家针对相关问题展开了讨论。

北京师范大学科学教育研究院院长 郑永和

华东师范大学科学教育研究与教学中心执行主任、教授 裴新宁

广西师范大学科学教育研究所教授 罗星凯

◎当前，我国中小学科学教育中普遍存在哪些“实验”短板？实验课为何难以激发学生的好奇心和探究热情？

郑永和：实验是形成系统的科学研究方法和理论体系的关键途径，是有着独特育人价值的实践活动，是科学教育的灵魂，是综合素养培育不可或缺的关键环节。

然而，当前中小学科学教育的实验教学十分薄弱，在科技创新人才培养中的关键功能未得到充分发挥。2021年国家义务教育科学学习质量监测结果表明，学生参与科学课的动手实验和实践调查的机会较少：与2017年相比，四年级学生在科学课上动手做实验的比例提升了2.2个百分点，达到83.2%，但仍有16.8%的学生未动手做实验；八年级学生在物理、生物课上动手做实验的比例分别提高了6.3个、17个百分点，达到82.5%、69.8%，但从未动手做实验的学生比例仍旧很高。2021年教育部基础教育教学指导委员会（以下简称“教指委”）科学教学专委会组织的小学科学教师调查表明，47.6%的教师探究教学水平处于低或较低水平。

造成科学教育实验教学薄弱、难以激发学生好奇心和探究热情的原因是多方面的。

一是素养导向的评价不足。我国目前的教学评价总体上仍以知识记忆为核心，在实践操作能力、科学探究技能和高阶思维能力等素养方面的评价重视不够，评价方法还有较大局限。学校、教师、家长和学生受升学压力和功利目标驱使，偏重于刷题、记忆等应试训练。此外，实验教学费时费力，面对相同的教学内容，进行学生探究实验所需的授课时间必然增加，面对紧张的课时，教师自然会转而选用更节约时间的讲授式教学方法。

二是对实验教学的重要性认识不清、教学能力有待提升。一方面，许多教师以“讲”实验和“看”实验的方式进行实验教学，即使让学生“做”实验，教师也是只关注实验操作的规范性和实验结果的准确性，忽视了实验对学生思维训练、情意培养、能力提升方面的价值。另一方面，教师队伍职业素养不足，在设计和实施实验教学时存在困难。教指委科学教学专委会调查数据表明，小学科学教师队伍中，仅有27.5%为理科专业背景，仅有29.9%为专任科学教师。同时，近1/4小学科学教师没有参加年度教研培训活动。教师的主观态度、客观能力以及专业发展机会都限制了高质量实验教学的开展和提升。

三是实验教学保障条件落后、教学资源不足。中小学实验教学资源紧缺的问题严重，农村和偏远地区此类问题尤为突出。2021年教指委科学教学专委会调查数据显示，超六成小学科学教师所在学校没有专职实验员进行教学支持，17%的小学科学教师所在学校没有实验室，56.1%的教师所在学校仅有1个实验室，仅有13.8%的学校有2个实验室。实验室中生均实验设备资产值不足，实验设备仪器的损耗无法及时得到补充，超过63%的教师反映实验器材缺乏，学生真正亲自动手的实验较少，实验室没有起到应有的作用。

罗星凯：学生创新精神、实践能力培养滞后于时代的要求，是我国中小学教育普遍存在的短板；科学教育因为被寄予厚望，短板尤显突出，更亟待弥补；科学课程特有或者说必有的“实验”，不仅被视为重要的教育教学手段，而且是不可或缺的教育教学内容，更是直接指向学生创新精神、实践能力培养的教育教学目标，补短板自然责无旁贷。而且在中小学科学教育中，“实验教学”及与之配套的实验室建设与管理机制，早已形成体系，积累的资源较为丰富，在时代需求面前理应担当大任。从这个角度深入考察不难发现，“实验”本身就是我国中小学科学教育中的短板，突出表现在其实际地位远低于应受的重视，以及实际作为远低于应有的价值。

长期以来，实验教学在科学教育中的地位是非常特殊的，人们普遍认为科学教育要重视实验教学是再明白不过的道理，它的作用与地位“怎么强调也不过分”。科学课程与教学改革，也都寄希望于从实验教学中寻找突破口，解决学生创新精神、实践能力培养短板问题，并且往往伴随着加大实验室建设的投入。然而，与此形成鲜明对照的是实验教学在教育教学中实际地位的尴尬。在中小学，用教师“讲实验”“画实验”代替学生做实验的现象，至今依然常见。究其原因，急功近利的教育政绩观、功利主义的教育价值观影响最为根本，难辞其咎；而另一个重要原因，则来自对“实验”的教育教学本质及其在科学教育中价值认识的不足，以及相对固化的实验教学模式。

众所周知，“实验”离不开“做”，但对“做”的理解，则很大程度上决定了学生实验学习的深度和质量。一说到“做”，自然想到的就是动手，这无疑是“实验”的基础，而且实验学习中要有足够的学生动手做的活动，既符合儿童天性，又凸显“实验”的独特作用。但是，动手做远不是“做”的全部内容甚至主要内容，更不是目的。中小学科学教育中，实验教学目标指向的是学生认知过程和结果的质量的提高，不是为了实验而实验。“做”实验的活动，应该理解为科学学科的“实践”学习，是不仅需要动手，而且需要动脑，更需要动心的科学探究实践过程。否则，其教育效益将与相关的实验设备和学习时间投入不相匹配。

例如，在以基本实验知识获取和技能习得为核心的实验教学模式下，菜谱式实验项目设置和照方抓药式学习活动就成了常态。学生在如此实验情境下所做的完全有可能是机械学习，也就是另一种形式的死记硬背。

最可惜的是，实验学习情境对天性好奇好动、求知欲旺盛的少年儿童本独具吸引力，但在孩子们看来，我们费时费力组织的聚焦实验知识和技能的实验学习，只不过是用一些准确度和可靠性都非常有限的专用器材煞有介事地重复或“验证”那些流传至今已逾百年的简化版科学实验。在知识和技能中心的实验教学思想指导下，即使将“验证”通通改为“探究”，即使将实验结论或结果藏起来不说，也难以让学生的好奇心不减、探究热情不降，更不用说提升他们的学习兴趣了。

◎中小学实验课应该“教”什么？怎样构建新样态、多样态，真正在“实验”中育人，培养学生的创新思维和能力？

裴新宁：新技术的高速发展正改变着科学研究的方式，不断对科学教育改进提出新要求。但是，让学生认识到科学是通过系统的观察和实验对我们周围现象和事物的研究，依然是学校科学教育的基本任务之一。21世纪前夕，联合国教科文组织提出了科学教育的“实践取向”，即强调实验作为育人情境的多功能性，将学习的身体过程、认知过程、情意过程、社会过程有机统一，充分支持学生的主动探索和创造性解决问题能力的培养。20年过去，国内外科学教育实践、学习科学研究和科学发展研究均证明，上述观点是恰当的。

“实践取向”为我们提供了反思实验教学的框架。鉴于当下我国学校科学教育及实验教学的短板，实验教学要重视“教”给学生以下关键知识和能力：帮助学生掌握基本的实验技能和技术，了解基本的科学过程，认识工具手段与科学发现、科学进步的关系；掌握重要的科学方法，形成基本的科学实践能力（提出问题、建立假设、证据检验、科学解释、数学与计算思维、科学建模、科学论证等），以充分拓展学生对科学现象和问题的概念性理解；培养求实求证的科学态度、涵育科学精神品质；训练问题解决、批判性思考能力，指导创新创造。

为此，需要创新学校科学教育，构建实验教学的新样态。具体有几点建议——

第一，加强中小学科学实验室建设，建立从科学探究、技术应用到工程实现一体化的现代实验室体系。完善实验教学的质量监督保障机制。重点保障农村地区、偏远地区开展实验教学，促进科学教育资源均衡配置。学校要面向全体学生开放实验室，让学生有充分的动手实验机会。设立跨学科主题的科学探究项目，设置校内系列实验、家庭实验、教室实验角，大力营造科学探究的氛围。

第二，以提高实验的认知参与性为抓手，创新实验教学模式，提升实验教学成效。可尝试的有效策略有三点。一是与关键科学实践相结合，改进演示实验。比如，在“预测—观察—解释”教学框架下，教师利用演示呈现不同的事件，引导学生进行预测，提出和优化解释，并开展基于证据的论证。二是将实验嵌入科学探究过程，促进知识整合。比如“ 利用实验情境引发学生思考、提出自己的想法”。然后教师提供新观念，让学生观察实验或自己做实验，基于证据对不同观念加以分辨，鼓励学生反思和梳理探究过程中各种观念的线索及交织，深化对现象本质的理解。三是与有效学习模式结合。利用设计学习（Learning by Design）、基于问题的学习（Problem-based Learning）、有效失败（Productive Failure）等“学以致用”模式，设计实验教学，让学生自主创建实验方案，尝试创意物化。上述这些新方式的实验教学均可以利用计算机支持的环境来加强。此外，还可以在实验学习过程中融入新技术手段，比如利用动态可视化强化科学建模、科学论证等科学实践，扩展高阶思维训练，支撑学生创新能力的进阶。

第三，建立实验教学多方协同联动机制，促进实验资源的共建共享。鼓励学校及学区建立科学探索中心，开发不同特色的实验课程体系，为学生的实验探究建立连贯支持。国家或地方建立中小学科学实验智慧平台，开辟科学实验数字虚拟空间，设计丰富主题的实验活动，开发和优选多种形式的数字资源及学习方案，辐射并推动全国中小学优质实验资源的共建共享。充分利用全国科普教育基地的科技设施资源和专业力量，支撑教师实验教学能力提升，共同推进创新人才培养。

第四，探索灵活多样的科学实验教学评价方式，以数字化赋能实验教学评价转型。结合学生在实验中的学习过程，运用表现性评价、信息技术支持的伴随式评价考查学生的基本技能、科学方法、科学实践及实验设计、态度品质等素养能力。将科学实验纳入学期考核、初高中学业水平测试以及创新潜能评估。

罗星凯：2001年起实施的国家基础教育课程改革，中小学科学课程，无论采用分科还是综合的形式，都强调科学探究学习。经过20多年新课程实验，科学探究作为一种教育的理念，早已深入人心，但作为一种教与学的方式，则远没有得到很好的落实。2022年新修订的义务教育科学相关学科的课程标准，除了无一例外地将探究作为核心素养继续加以强调外，多数还将实践提到了核心素养的高度。基于项目、基于真实问题解决的学科与跨学科实践学习扑面而来，成为每一位中小学科学教师要面对的真正挑战。

如此挑战面前，“实验”自然再次被寄予厚望。但如果不能回归初心，回到其教育功能的原点思考其育人作用的发挥，并以科学学科和跨学科实践为主线，构建“实验”育人新体系，在一次次的新课程改革中，“实验”将仍然会被寄予厚望但却一再令人失望。

作为沉底一线的科学教师教育工作者，我和同事们在继承和发扬老一辈实验育人教育思想的过程中欣喜地发现，过去34年间，我们所承担的师资人才培养对象从物理教师拓展到了科学教师再到科技教师，课程与教学重心也从实验教学发展到了科学探究再到探究科技，但通过“实验”育人之创新精神、实践能力的初心始终没变，也不需要变；探索实践中迸发的软硬件创意，积淀成至今仍然闪闪发光的资源。

为此要特别感恩著名物理教育家朱正元先生实验教学思想的启迪，以及师长们的继承、传播和发扬，让几代人受益匪浅。“坛坛罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”，听起来好像只适合那个一穷二白、资源匮乏的年代，殊不知，为了坛坛罐罐不仅当得了仪器，而且效果超越买来的仪器；为了拼拼凑凑不仅能做得了实验，而且做出更精彩的实验，除了特别的创意和将创意物化的本领，更少不了为育人有条件要上、没有条件创造条件也要上的师者仁心。如此身教，比不知多少言教都更具育人价值和实效。

实际上，也正是这样的思想开创了科学教育中一种朴实无华的风气，在教师队伍中带出了一个致力于创制低成本、高智慧和高教育价值的教学资源的自制教具爱好者群体。学科融合、跨学科实践、项目式学习、STEM教育、创客教育，这些别人眼里的挑战，在自制教具爱好者那里早已是教与学的常态，培养学生创新精神、实践能力的目标，甚至都无须专门提及。

如果硬要说那些都是舶来品，则有必要普及一个基本的事实，那就是它们经陶行知、朱正元这样的先贤传入中国后也早已本土化，并且得到发扬光大。只不过作为教育工作者，我们都要提醒自己，在埋头脚下的时候，也需要时不时遥望星空，避免走远了之后忘记为什么出发。

◎中小学的实验教学如何走出学校课堂、实验室，链接社会大课堂、搭建大平台？

郑永和：面对科学教育实验教学薄弱环节，建议以落实新课标为契机，高度重视科学实验教学在创新人才培养方面的基础性作用，在学校层面加强课程方案的统筹设计，从评价、教师、保障等多个层面统筹布局、综合施策，全面链接社会大课堂，搭建社会资源发挥作用的大平台，通过加强教师队伍建设和调动社会力量，全面提升实验教学能力。

一是加强学校层面课程方案的顶层设计。对小学科学、信息科技、劳动以及综合实践等课程进行系统规划，强化学科协同育人功能，通过适当的学科融合，缓解实验课时不足的问题。做好课内外实验教学的衔接设计，利用课后、周末的科学活动实施大量与核心课程相关联的主题实验教学，通过暑期、寒假开展以深化核心课程学习为目标的深度实验教学。通过教学时间分配的顶层设计，统筹组织好科学教育的实验教学。学生考核评价适当增加过程性、能力性和应用性考察，突出实验能力和实践能力，关注科学实验对科学兴趣、科学信念的影响。

二是加强师资队伍建设。加大科学教师培养力度，提升科学教师队伍培养的质量与数量。重视科学教师专业发展，将提升科学教师的实验教学信念和能力作为关键目标，加大实验教学在科学教师培训中的力度。强调实验教学的结构性和进阶性，促进教师的实验教学设计系统化规划。提高教师的信息技术应用能力，充分发挥信息技术在实验教学中对现象呈现、数据统计、结果分析等方面的价值，为教师高质、高效实验教学的开展提供支撑。提升科学教师链接社会资源的能力，带领学生走进田间地头、企业生产线、科研现场，拉近学生与科学家、工程师、科研工作的距离，用生动的现实生活和科研实践激发学生对科学实验和创新实践的兴趣和动机，拓宽乡村地区和偏远地区学生获得优质实验教学资源的渠道。

三是促进社会资源和科技资源向实验教学转化。搭建社会资源服务中小学科学教育的大舞台，为科技界服务青少年科技创新人才培养提供平台。明确国家重大科研项目、重大科技工程的科普责任，形成社会多元化建设实验教学资源的生态，借鉴“天宫课堂”“科普大篷车”等模式，推动科研机构、科技馆、高校实验室普遍设立面向青少年的科普实验活动。建立国家实验室、大科学设施等面向学校常态化开放与服务机制。建立以学校为主体，家庭、社会共同参与的多主体协同促进科学教育机制。鼓励教师利用日常生活中的常见器材开展实验教学，建立当地特色资源（如校外活动场所、生态环境基地、农村生产基地、科技馆、博物馆、科技企业等实践场所及其设施）融入科学教育的机制，建设校外科学实验基地，让学生体会科学与人类社会生产、生活之间的紧密联系。