有效失败：社会性科学议题教学的设计研究*<br/>——以“二氧化碳的转化”教学为例

有效失败：社会性科学议题教学的设计研究*
——以“二氧化碳的转化”教学为例

2023-11-04王豪钟浙江省杭州市丁荷中学

教学月刊（中学版） 2023年28期

王豪钟|浙江省杭州市丁荷中学

新课改要求落实立德树人根本任务，培育学生学科核心素养。然而传统的科学课堂教学，往往深陷去语境化习得知识的窠臼，割裂了知识与现实生活的关联，这就要求教师在社会文化情境中优化课程和教学的设计与实践［1］。因此，笔者试图从“有效失败”的视域审思“社会性科学议题”的教学路径，从而建构一种学科核心素养融合发展且颇具效力的教学模式。

“有效失败”立足于对学生未来的意义，以提高学习的长期保持和迁移效果为目的，通过在教学中有意增加“值得追求的困难”，并辅以教师适时适量的支持，使学生通过反思、评估、调节等方式发展思维，获得对知识更为全面的认知［2］。

一、科学教育中社会性科学议题教学的实践之困

随着一系列科学教育改革的有序进阶，国内科学教育领域愈加关注科学、技术、社会、环境间的和谐发展。但是，笔者基于文献和访谈发现，当前科学教师在社会性科学议题教学与学科教学的有效融合上还存在巨大挑战［3］，这主要表现在以下几个方面。

（一）囿于议题教学形式表演之弊

当前我国科学学科议题教学游走于形式表演的边缘，忽视了其内在特质［4］。一方面游离于学科教育，教师没有探析学生的认知发展结构，议题情境不能激发学生内心世界的共鸣，教学目标与内容在知识、思维等层面缺乏逻辑关联。另一方面过度强调社会性科学议题的真实性、实践性，没有经过加工和剪裁，就粗暴地将其与课程目标、内容相联结，使学生难以提取有效信息，难以系统建立情境与学科知识的内在逻辑。

（二）疏于科学态度素养培育之困

《义务教育科学课程标准（2022 年版）》（以下简称“《课程标准》”）虽然没有明确阐释社会性科学议题，但从“态度与责任”“科学·技术·社会·环境”等视角进行了强化或诠释。但是，据一线调查研究发现，教师仍聚焦于学生对科学知识的习得，没有很好地利用教材设置的议题素材，对学生的探究实践、论证推理、决策制订、信息有效提取等一系列能力进行培养，也不愿意过多地探讨伦理性问题。这种身披议题教学皮囊，实则只重视与科学相关的事实性知识的教学行为，给学生在核心素养发展的道路上设置了藩篱。

（三）止于议题教学模式认识之臼

社会性科学议题教学研究在国际上的发展已相对成熟，而国内在这一领域的实践与发展则相对滞后。李诺等人系统梳理了国内有关社会性科学议题主题的研究，发现绝大部分局限于综述性研究和教学实践的尝试，对框架和模型研究甚少［5］。由于缺乏社会性科学议题的系统性研究，当前我国未能建构出明确的教学范式与模型，以支撑议题教学实践的有效开展。

由此观之，当前我国亟须建构本土化的社会性科学议题教学模式及实践路径，帮助一线教师明晰传统科学教育与社会性科学议题教学的关联，洞悉社会性科学议题教学的本质并初步掌握其实践路径，从而为学生核心素养的发展提供更多可能。

二、社会性科学议题与“有效失败”理论契合之据

（一）研究方法

本研究通过中国知网（北大核心和CSSCI数据库）平台，以2000—2023 年为时间跨度，以“社会性科学议题”“有效失败（启发性挫败）”为主题词进行检索，分别检索到61 篇和14 篇中文文献。通过系统分析遴选，最后分别得到有代表性的文献46 篇和5 篇。对筛查结果进行一致性检验，肯德尔和谐系数分别为W=0.828和W=0.818。当W＞0.75 时，编码信度高，故本研究筛选得到的论文符合选题要求。

（二）研究发现

虽然“有效失败”理论主要是在单一学科和STEM 教学中得到价值实证，但正如“认知负荷”理论认为的，事实性和程序性知识的协同作用是进行深度理解和劣构问题解决的基础。社会性科学议题教学作为学科教学的有益补充，势必也要应用学科基本概念和知识，因此针对“有效失败”理论的实践是可广泛迁移的。此外，笔者通过文献研究发现二者在以下三个方面高度契合。

1.宏观层面——从教学设计思路来看，顺应“先做后学”的实践逻辑

邴杰等人认为社会性科学议题教学中的学习发展脉络是“体验—反思—理解”，体验的是社会性科学议题活动的评价、决策和解决，反思的是内涵的思维逻辑，理解的是知识、实践和责任［6］。杨玉芹认为“启发性挫败”的核心设计原则有：（1）设计富有挑战却不会深陷沮丧的情境，同时要激发学生对研究问题提出多样化表征与决策；（2）创造对问题研究过程和结果进行解释、精致的机会；（3）让学生有机会对正统的决策与各种不够好的解决策略进行省察和反思［7］。

2.中观层面——从教学组织样态来看，依据“学为中心”的内涵逻辑

在“学为中心”的组织样态下，二者均注重合作学习，营造安全的学习氛围。石雨晨认为在开展议题教学时，教师应当给学生创设一个安全、民主的课堂氛围，鼓励学生与同伴协商、思考［8］。邴杰等人认为教师需要让学生树立充分思考的信念，要鼓励他们对自己的观点和实践进行论证、反思［9］。张忠华等人认为在“启发性挫败”教学中，同伴的合作对于聚合和提炼新概念和知识起了关键作用［10］。刘徽等人认为“有效失败”教学要营造“润泽”的课堂氛围，引导学习者以合作和协作的学习方式面对远迁移的挑战任务［11］。曹鹭认为设计安全的探究、分享环境尤为重要，能使学生从“启发性挫败”中受益［12］。

3.微观层面——从教学理论源头来看，遵循“未来学习准备”的理论逻辑

李诺等人认为基于社会性科学议题的教学能够提升学生的科学素养，帮助学生更好地走向未来社会［13］。邴杰等人认为社会性科学议题教学要锚定其所具有的社会性、科学性、争议性等特征，让学习者在社会文化的情境中获得论证、实践、决策、评价信息来源的能力，进而培育学生成为具备社会责任的未来公民［14］。曹鹭认为“未来学习准备”是支撑“有效失败”的重要底层学习理论，其拓展了对知识迁移的认知［15］。刘徽等人认为“有效失败”教学应立足于对学生未来之意义［16］。

三、科学教育中社会性科学议题教学的设计之策

（一）社会性科学议题教学设计重构的理论原型

1.Sadler的SSI-TL框架

Presley & Sadler 提出社会性科学议题三要素概念框架（包含学习氛围等影响因子）。Sadler 研究团队借助三要素概念框架，将社会性科学议题教育目标与美国《国家科学课程标准》中的课程目标相联结，建构了SSI-TL（Socioscientific Issues Teaching and Learning）教学模型（如图1所示，有所改动）［17］。该模型以学生的学为中心，在科学活动中促进学生发展认知理解能力和基于证据的推理能力，提升道德伦理观，进而形成良好的性格。

图1 SSI-TL 教学模型

2.“有效失败”教学的核心触发机制

卡普尔简单阐释了“有效失败”教学的原理与机制。洛伊布尔在卡普尔的基础上，提炼了问题解决和学法指引的交互机制。曹鹭深化了前述研究成果，提出“有效失败”的2个阶段与4 个核心机制作用的逻辑理路。笔者在其基础上提炼和建构了“有效失败”的3 个阶段和6个机制（如图2所示）。

图2 “有效失败”的3个阶段和6个机制

3.卡普尔的“有效失败”教学设计模型

卡普尔在一系列实证研究后发现，“有效失败”组（前期无学习支架，学习者仅靠现有认知开展问题解决的探索，当学习者遭遇失败时，他们通过协作学习明晰问题解决的多种策略，并通过伙伴间的分享与评价以及教师的适切指导，掌握问题解决策略）的远近迁移能力明显强于“直接指导”组，由此提出了“有效失败”教学设计理论与模型。“有效失败”教学设计模型如图3所示［18］。

图3 “有效失败”教学设计模型

（二）基于“有效失败”的社会性科学议题教学设计模型建构

综合以上三种理论原型，同时在张忠华对“启发性挫败”教学模式的研究［19］，以及刘徽等人提炼“有效失败”的“两大阶段、五个步骤、三个维度”教学设计模型［20］的启发下，笔者提炼和建构了基于“有效失败”的社会性科学议题教学设计模型（如图4所示）。

图4 基于“有效失败”的社会性科学议题教学设计模型

笔者将刘徽等人所提出的“三个维度”调整为“四个维度”，即学习氛围设计、教学目标设计、学习任务设计、参与结构设计，使内涵更加清晰，同时将卡普尔的“两阶段”拓展为“三大阶段四小阶段”，即提取建构设计（提取与建构）、教学过程设计（包含生成与探索、整合与巩固）、迁移反馈设计（迁移与反馈），并给每个阶段都设计了若干个操作步骤。

四、科学教育中社会性科学议题教学的实践之径

下面以“二氧化碳的转化”教学为例，阐述科学教育中社会性科学议题教学的实践路径。

（一）“有效失败”社会性科学议题教学的提取建构设计

该阶段内嵌三个步骤：一是依据《课程标准》、教参及核心文献锚定教学目标，提取核心概念（如图5 所示）；二是通过调查、半结构化访谈等途径提取班级学生对于“二氧化碳的转化”的现有知识、经验与困惑；三是以“二氧化碳的转化”原理为认知原点设计方案、探究实践、论证思考和远近迁移，建构议题核心概念的认知发展结构图（如图6所示）。

图5 “二氧化碳的转化”核心概念结构图

图6 “二氧化碳的转化”认知发展结构图

（二）“有效失败”社会性科学议题教学的教学过程设计

“有效失败”社会性科学议题教学过程范型包含两阶段、四维度。两阶段指源于学习者同真实世界与科学知识间的交互作用而互动建构的两个阶段，即“生成与探索”“整合与巩固”。这两个阶段内嵌有五个步骤：一是议题聚焦，与学科概念和社会焦点联结；二是在纷繁复杂的社会性科学议题活动中发展学习者对“学科概念、交叉概念和科学实践”的理解，同时利用社会性科学推理对决策作出预判，在前述环节交互的过程中激活已构知识与经验；三是团队协作生成多样化的议题解决方案；四是评价交流反思议题的深层结构，这一环节由学生主导，主要围绕具有争议性的核心问题开展民主式论证；五是针对学生的解决方案建立有效的指导。同时，四个维度都应上升到大概念范畴进行整体设计。

1.学习氛围设计

在“生成与探索”阶段，教师要为学生创设针对目标概念“失败”的体验，为防止学生陷入“无效失败”而产生厌倦情绪，学习氛围的设计要依托元认知、情感态度等支架展开，引导学生从科学、经济、伦理道德等层面思考，营造安全的社会性科学推理环境。如“二氧化碳的转化”教学中，在问题讨论和议题解决方案初设环节，教师表现出期待过程明显高于期待成果的信号显得尤为重要。在“整合与巩固”阶段，学生的主要活动是围绕分享成果、互动研讨与省察整合三个环节展开。教师需要创设一种乐于分享、民主研讨、过程期待、尊重差异的学习氛围，形成新视角下的师生文化。

2.教学目标设计

大概念高度归纳学科基本问题与结构，学生可依托大概念蕴含的强大“解释力”和“专家思维”进行科学决策，因此社会性科学议题教学目标设计应锚定大概念的习得。教师可以选择以下路径提炼大概念：一是深度理解《课程标准》对核心素养的要求，教材与教参中的高频词，与教材相关的核心文献等；二是探析学生的认知结构，凝练对学习生活有重大价值的概念；三是锚定与解释议题深层特征过程中应用的一系列概念，提炼与议题密切相关的概念。笔者以大概念为统摄，设计如表1 所示的“二氧化碳的转化”的教学目标（包括核心任务、知识目标、技能目标）。

表1 “二氧化碳的转化”的教学目标

3.学习任务设计

学习任务的设计同样要紧密围绕大概念展开。某议题下情境问题的设计以能生成多重表征和多样化方案解决为原则，依据学生的最近发展区，着眼于认知能力发展的需求，适时地搭建脚手架，防止学生因陷入沮丧与困境而产生迷思的局面。因此，学习任务的设计须充分考量任务的劣构程度、境脉的吸引力、学生的认知结构、展现科学解释力和局限性等因素，强化或诠释议题学习对深层次论证反思能力的培育。

笔者此次研究的对象为杭州市某初中学校九年级学生，其中女生22 人，男生18 人，以异质分组的方式分成8个组。例如“生成与探索”教学阶段，学习任务的第一个环节是问题讨论。

［问题讨论1］阅读“资料卡1”（略），思考下列问题：（1）温室气体主要有哪些？（2）中国2030 年“碳达峰”和2060年“碳中和”目标中的“碳”指的是什么？（3）“碳达峰”和“碳中和”的实质是什么？

［问题讨论2］如何设计实验探明CO2的温室效应？

［问题讨论3］阅读“资料卡2”（略），组织学生从生物和化学的角度寻觅CO2的行踪（图像表征）。

通过课堂观察与对话研究，笔者总结出“有效失败”教学小组的优势，下面以“问题讨论2”为例列出其表现：一是提出科学实践方案的原理、步骤基本都有理由；二是全面考量影响科学实践各环节的逻辑关系和误差影响，形成的方案更加缜密；三是通过方案的协商式论证，能感知自己实践方案需要完善的锚点，在体验“失败”的过程中，能动地转向个体的内部省察，提升自我效能感。

“生成与探索”过程的设计，一方面通过问题讨论与学科概念、社会焦点相联结来聚焦议题，强调科学观念与社会因素的交联，为“二氧化碳的转化”方案的完善与实践预设了适切的支架，另一方面适时滞后结构化的指导，给予学生足够的时间与空间，使学生自主进行深入思考，从而明晰议题的深层特征，完善自己对问题的理解，生成多样化的议题解决方案，为“整合与巩固”阶段的教学建立可进阶探究的对象。

“整合与巩固”作为教学的第二阶段，是对第一阶段的“碳中和”实验室设计方案进行实践、修正后，再作汇报。

［现场汇报］利用H2O、NaOH、Ca(OH)2作为吸收剂，选取具有代表性的G3组方案：分别向3个相同规格且充满CO2的软性塑料瓶内加入等体积室温下的H2O、饱和Ca(OH)2和饱和NaOH 溶液，迅速盖好瓶盖，振荡，观察实验现象。我们发现上述3 种物质均可以吸收CO2，但是NaOH的吸收效果最好。

生1：根据实验我们可以考虑把CO2溶解在深层地下水或海水中，即溶解封存。

生2：结合碳酸饮料可知，碳酸不稳定，存在CO2泄露导致表层海水酸化、地表及浅层的生态系统变化等问题，由于缺乏必要的注入井等基础设施，深层溶解封存CO2的经济代价和风险较高。

生3：根据“资料卡3”（略），目前市售NaOH 的价格为4 000 元/吨，Na2CO3价格为3 500 元/吨，根据计算，吸收44 吨CO2的毛利为5.1万元。我们可以考虑用NaOH去吸收空气中的CO2，实现“碳中和”。

生4：NaOH的产能存在一定的限制，同时市场对Na2CO3的需求易饱和，Na2CO3大量生产会打破供需平衡，最终破坏这一产业链，故用NaOH吸收CO2存在一定的局限性。

［教师活动］在CO2与饱和Ca(OH)2溶液反应后的浑浊液体中继续通入CO2。该实验现象对大家有何启示？

生5：根据前述实验，浑浊的固体物质可以继续与CO2反应，地球岩石圈存在大量的以碳酸钙为主要成分的矿石，我的想法是将CO2通入地层与矿物发生化学反应产生碳酸盐矿物，封存CO2。

［学生活动］研读当前有关“碳中和”的核心文献资料：《碳中和背景下二氧化碳封存研究进展》《中国2060碳中和能源系统转型路径研究》。

［拓展习得］通过文献了解中国地质碳封存潜力、科研技术能力以及2060“碳中和”目标达成的主要途径和存在的挑战。

前述两阶段的重点是全体学生分享自我决策，组织加工议题背景下核心概念的深层结构，观照大家达成一致的决策方案，寻觅差距、完善自我决策，实现“二氧化碳的转化”议题决策的精致。同时强化学生在经济、文化、道德等层面的价值观教育和“专家思维”的习得。

4.参与结构设计

参与结构是社会性科学议题教学的组织方式。在“生成与探索”阶段的重点环节是科学概念、交叉概念、科学实践和社会性科学推理的交互，需要学生对问题情境的深层特征自主地进行剖析，不断尝试追问问题的本质。因此，该阶段设计小组合作的参与结构显得相对合理。由卡普尔对科学分组的研究可以发现，混合能力合作小组更利于学力的发展。因此，在“二氧化碳的转化”教学中，笔者采用以能力特长强弱协调编组、同伴合作、人人参与、互动研讨的参与结构，这有助于学生作出合理的议题决策。

在“整合与巩固”阶段，参与结构设计主要分成两个步骤。第一步是组织加工社会性科学议题的深层特征，主要学习方式是自我澄清与同伴互评。自我澄清指给予每个学生分享议题自我理解的机会，当然教师要适时给予适切的支架。同伴互评指全体学生对伙伴的决策方案提出建议与评判，从而增进对概念的深度理解。第二步是打磨目标概念，该步骤的核心是整合反思，观照大家达成一致的议题决策，并完善决策，使核心概念精致。在上述参与结构的设计中，教师是活动的策划者和协调者，要根据学生的认知和能力差异给予个性化的指导，使不同水平的学生都能有比较全面的发展。

（三）“有效失败”社会性科学议题教学的迁移反馈设计

任何教学理论和方式最终都是培养学生在真实情境下问题解决的远近迁移能力。为了检验“有效失败”社会性科学议题教学的迁移效果，笔者根据“二氧化碳的转化”的主要大概念，设计了“为实现碳中和目标，如何减少CO2排放”这一议题迁移后测题。这可弥合新旧理解之间的鸿沟，使学生能厘清议题决策实施的路径，发展逻辑形式的知识体系迁移能力。