中小学科学课程内容结构化的认识与探析*

◎ 任建英

2018 年以来，普通高中和义务教育新课标陆续颁布，构建了以核心素养为纲的课程目标体系，旨在促进学生更好地解决真实问题、应对未来挑战。《义务教育课程方案（2022年版）》提出“加强课程内容的内在联系，突出课程内容结构化”［1］。课程内容是指根据特定的教育价值观和课程目标，有目的地从人类的知识经验体系中选择出来，并按照一定的逻辑序列组织、编排而成的知识体系和经验体系的总和。［2］要发展学生的科学素养，实现课程育人价值，要求课程内容的精选与结构化。同时，这是近20 年来国际科学教育改革的重点之一。科学大观念或大概念（big ideas）、关键概念、共通或一般概念、核心概念等在不同国家科学课程文件中屡见不鲜。这些“舶来品”的一个共同使命是，提升课程内容的结构化水平，使其成为一个彼此紧密关联的有机整体。有鉴于此，为什么科学课程内容需要结构化？如何更好地进行科学课程内容结构化？这一系列问题值得认真思考与研究。

一、为什么科学课程内容需要结构化

（一）中小学科学教育目标的必然要求

新中国成立以来，科学课程目标从“双基”发展到“三维目标”，再到现在的核心素养，包括科学观念、科学思维、探究实践和社会责任。核心素养导向的育人观要求知识观、学习观的变革，即科学知识要“少而精”，要高度结构化，这样才能使学生有足够时间和精力去经历和体验知识发现的过程，还能更好地调用和迁移知识。换句话说，学生通过经历像科学家一样的思考与实践过程，掌握科学研究的基本程序、技能，运用思维方法，锤炼科学精神与责任感。

（二）科学知识发展的内在特征

科学史告诉我们，科学以及科学各个分支的知识体系都是一点点积累起来的，而且这一积累过程也是生动的，包含了无数执着于真理的人的热爱、科学态度与精神以及智慧光辉。从科学本质来看，科学知识不仅在于其知识本身（概念、定律和理论等）的动态性结构［3］，还在于获取这些知识的过程［4］、关于科学以及科学探究的认知（如科学认为每一种现象都具有一个或多个原因），乃至从超越科学的视角下来看待、应用科学（如科学事业、科学的历史主义研究）［5］。科学知识的多样化体系化是其与生俱来的特性之一。

（三）时代以及学习者特点使然

科学具有近3000 年的发展史，而且当前科学新知识、新理论的产生与积累速度远远快于一个人的学习速度。因此，一个学生必须着眼于某些重要的、基础的、典型的知识探索。同时，零散的知识彼此关联弱，没有可迁移的知识结构不利于学生形成知识的整合性理解，不利于学生使用知识。［6］对此，我们应注重以下两个方面：一是从科学学习对象讲，绝大部分来自宏观低速的现实生活和自然世界，且学生（特别是小学生）难以超越对具体内容或可感知的事物的依赖，所以要将学生经验与课程内容深度结合；二是课程内容应该符合中小学生的认知层次，但思考与实践的方式、知识积累的方式应该像科学家一样，只有这样才能切实发展学生的科学素养。

二、结构化的发展现状与分析

为了全面深入地探讨中小学课程内容的结构化问题，本文梳理了部分国际组织和国家课程文件中的重要做法以及相关的重要研究成果。在讨论的同时，我们将同步关注其中蕴含的共同结构维度和要素。按照内容呈现的显性线索，可分为以下三个类型。

（一）类型一：以“概念或主题”为主线

对于概念的选择，不仅仅要考虑它们所起作用的大小，也要考虑它们是否有助于理解科学活动的本质和科学活动的发现。因此就产生了这样的问题，除了包括有关科学知识的概念，还应该包括有关科学本身和科学如何运用的概念。

温·哈伦（Wynne Harlen）认为，科学课程内容包括10 个科学概念（Ideas of science）和4 个关于科学的概念（Ideas about science）［7］。“科学概念”是关于科学本体的知识，如宇宙中所有的物质都是由很小的微粒构成的；物体可以对一定距离以外的其他物体产生作用。“关于科学的概念”更多体现了对科学的认识，如科学上给出的解释、理论和模型都是在特定的时期内与事实最为吻合的；科学发现的知识可以用于开发技术和产品，为人类服务。以概念为主线架构课程内容的典型案例还有我国颁布的《义务教育科学课程标准（2022 年版）》。科学课程设置13 个学科核心概念，是所有学生在义务教育阶段应该掌握的核心内容。“物质与能量”“结构与功能”等4 个跨学科概念的学习依托13 个学科核心概念来实现［8］。义务教育物理课程通过三级主题来分层组织课程内容，一级主题包括物质、运动与相互作用、能量、实验探究、跨学科实践。［9］这些案例对于科学本体知识进行了有机关联，强化了跨学科实践，且在不同学段上凸显了进阶设计，但是可在三个方面作出改进：一是进一步体现“少而精”。细碎的知识仍然较多，不能给教材、教学更多的灵活空间。二是对于各核心概念或主题之下需要学生掌握的主要观念与认识不够明确，不利于教师准确把握“教到什么程度”。三是各科学领域课程在不同程度上对科学本质予以关注，但是在提法上仍然不够鲜明和系统，与科学本体知识的学习也缺乏融合设计。

（二）类型二：以“概念+科学本质”为主线

对于此种课程内容架构逻辑，需要对科学本质及其要素有清晰的认识，并在如何紧密结合中小学生科学学习规律上具有长期深入的研究基础。有学者提出了科学基本观念（Fundamental Ideas）的“8+3”模型，并强调这一模型建立在对“什么是科学？”“科学是为了什么？”这两个问题的认知之上，如表1 所示。

表1 科学基本观念分类

这一模型充分展示了对科学观念的认识，彰显了科学本质。另一个案例为澳大利亚科学课程，其内容部分包含三个内在关联的分支（Strands），即科学理解、作为人类事业的科学（Science as a human endeavour）、科学探究技能。此外，其关照到了“土著居民和托雷斯海峡岛民的历史与文化”“澳大利亚与亚洲的密切联系”“可持续发展”等跨学科知识。又如，加拿大安大略省科学与技术课程强调发展对大概念的理解需要学生思考和应用STEM 技能，并在相关的科学和技术概念之间，科学和技术与其他学科、与日常生活之间建立联系。这突出了课程的综合性与实践性。这一类型不仅关注到了科学本体知识的关联与进阶，关注到了跨学科内容和实践，并将科学作为学生发展的一部分，作为生活的一部分来理解和实施科学课程。然而，其仍旧将基本概念学习与STEM技能分别呈现，在相互关联上偏弱；对于如何从跨学科视角系统提出科学应该关注的综合性问题或议题，也比较欠缺。

（三）类型三：以“知识类型+科学本质”为主线

本类型案例以经济合作与发展组织（OECD）为代表，其在课程图谱分析（Content Curriculum Mapping，CCM）项目中，明确定义并呈现了四类知识，包括事实性知识、程序性知识、认知性知识和跨学科知识。认知性知识是一种在科学知识构建过程中必不可少的关于构造和特征定义的知识（如假设、理论和观察），以及它们如何在证明科学知识的过程中发挥作用的知识。以物理学科为例，内容框架如表2 所示。

表2 CCM 物理内容框架

以上内容组织方式全面呈现了科学知识范畴，如果长期将事实性知识放在中心，其他类型知识不够重视，更没有结构化的认识与设计，那么应有很大启发。然而，其对于各类知识缺乏层次性设计，这是突出问题。美国于2013年颁布的《新一代科学教育标准》（The Next Generation Science Standards），虽然没有明确以知识类型来组织内容，但是却覆盖了四个方面的内容，并呈现出高度结构化。它以科学工程与实践、学科核心概念、跨学科概念三个维度来架构科学教育期望，体现了科学内容的学习要求。科学与工程实践将科学探究以及工程实践的要求融合在一起，同时以科学本质、STSE（Science、Technology、Society、Environment 首字母的缩写）充分贯穿和结合到以上三个维度之中［10］。所欠缺之处就是对于真实世界的综合性问题关注较少，仍旧坚持科学知识的渐进积累范式。

三、课程内容结构化的整合模型

无论以哪种主线组织科学课程内容，都应基于一个人基本的学习与认识逻辑，所涉及的问题便是“是什么”“是否可认识以及可能到达的程度”“怎么学习与研究”，即本体论、认识论和方法论的问题。科学发展的历史既涉及本体论（默认某种自然的本体论）的变化，又涉及方法论（接受某一组具体的关于研究自然的规则）的变化，还涉及价值论（坚持某一套有关自然探究的认知价值或目标）的变化。［11］对于中小学生的科学学习，基于上述各个类型的分析，同时便于同行理解和把握，我们提出了中小学科学课程内容结构化的整合模型（如图1 所示），主要关注以下三方面。

图1 科学课程内容结构化的整合模型

第一，从横向上看，四类科学课程内容之间的相互关联。一是事实性知识，即科学本体知识体系。科学概念、规律和理论等是不断丰富的，且彼此形成一个关联的结构，这与中小学课程内容的组织架构是内在一致的，这在很多国家的课程文件中均有反映。二是程序性知识，即关于如何开展科学探究的知识，如科学探究要素，或者更加具体的方面，比如什么是科学推理、怎样正确地观察与记录。也就是说，这不仅仅包括如何开展科学探究，还包括科学学习的基本技能、思维方法等。学生只有理解和掌握了它们，才能更好地运用它们来进行抽象、推理和论证。三是认知性知识，即关于科学的认知，初步可以包括两类：元认知知识和对科学（科学家、科学事业等）的认识。前者主要是对科学学习活动过程的监控，体现为在理论与思维指导下的科学探究与实践，以及对这一过程的调控。后者主要指超越科学具体学习的观念，如通过很少的自然定律，科学可以解释自然世界的运行方式；人的信念影响对科学的认识，从而导致科学思维与行为的不同；科学的发展依赖于已有的社会文化、制度等，不是孤立的。四是跨学科知识，主要指科学的应用与影响，涉及“对于科学现象的解释”“科学对于技术、社会发展的影响”两个主要方面。这在STSE、STEM 等中均有所体现，同时科学因为应用而产生了道德伦理问题。

第二，从纵向上讲，不同课程内容的自身进阶。这种进阶涉及以上四类知识，主要反映了知识内容的发展性。一个学生科学知识学习过程是人类科学发展过程的缩影［12］，总体趋势是由浅入深、由简单到复杂、由单一到综合、由宏观到微观、由可见到不可见，这是符合不同学龄儿童的学习特点。下面以澳大利亚科学课程中涉及的“关于科学的认知”为例呈现知识的进阶变化（见表3），这在各国科学课程中是比较少见的。

表3 内容进阶设计举例

第三，包括横向和纵向，基于真实问题解决的科学与其他领域内容的结构化。科学课程内容的一个非常重要的方面就是，超越科学本身的多学科之间的关联与融合（同样适用于其他学科）。鉴于知识学习规律以及结构化要求的难度较大，其在课程内容结构中往往与前两个方面并存。这种重整式的结构化并不容易，但又是最接近真实问题与生活实践的，值得我们充分关注与研究。上述的“科学的应用与影响”与此相比，最大的区别在于出发点和综合化程度，前者是从科学出发来考虑最直接相关的内容，涉及人文类内容不多，后者则是基于更为综合的实际情境、更大范围的问题或更多领域的结构化。在实际生活中，后者是更加普遍的，甚至是无处不见的，学习对象与内容具有开放性。在这种情况下，科学课程融入学习者的学习活动与实践之中，成为学生成长发展中灵活而深刻的部分。［13］当前，我国科学课程中的“跨学科实践”提倡学生“做中学、用中学、创中学”，精神上与此契合，但要防止两个倾向：一是实践活动的片面化，没有思维的参与；二是学习观的问题，即实践过程就是学生学习和建构的过程，而非知识学习后的应用。

因此，要做好课程内容结构化，要注重三个方面：一是选择核心内容与概念，参考标准为解释性强、利于真实问题解决、具有较强文化价值［7］；二是深刻认识科学课程内容的范畴和内在结构，同时做好不同学习阶段的精细化进阶设计；三是将课程内容结构化看作一个开放的、多样的系统。这个系统的出发点和起点就是人才的培养，基本理念就是学生作为真实生活与世界中的个体，要像科学家一样认识、思考并与之进行实践互动，归宿就是学生能够解决真实的复杂性问题，拥有解决这类问题的科学素养。