做好科学教育加法视角下科学课程内容优化的数字化途径

摘要： 在教育“双减”中做好科学教育加法，其目标是激发青少年好奇心、想象力、探求欲，培育具备科学家潜质、愿意献身科学研究事业的青少年群体。提升科学课程质量是实现这一目标的关键，其落实需要以科学知识的优化和结构化为基础。数字化融合，可以便利地补充程序性知识、认识论知识，促进科学课程知识内容结构优化，促进知识的结构化，引导学生建立学科整体认识，强化跨学科概念的理解，建立对自然界的统一认识。数字化融合还有助于激发学生的学习兴趣，激发好奇心，并让学生的想象力、探求欲有实现路径。

关键词：数字化教学；科学教育加法；科学课程；中小学教育

党的二十大报告首次对教育、科技、人才进行“三位一体”统筹安排、系统部署，明确提出教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。2023年2月，习近平总书记在中央政治局第三次集体学习时发表重要讲话，强调“要在教育‘双减’中做好科学教育加法”。2023年5月，教育部、中央宣传部等十八部门又联合印发《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》，就一体化推进教育、科技、人才高质量发展作出系统部署。加强中小学科学教育，做好科学教育加法，是当前中小学科学教育界的一项重点任务。

一、做好科学教育加法的目标与内容支撑

在实施“双减”政策的同时，我们应致力于做好科学教育加法。其核心目标是激发青少年的好奇心、想象力和探索欲望，培养具有科学家潜质的青少年，鼓励他们投身于科学研究事业。“激发青少年好奇心、想象力、探究欲”是对科学教育过程方法的强调，要激发青少年学习的好奇心、想象力、探求欲，在他们的心里播撒科学的种子，并且以科学课程内容为支撑，使他们既有客观的能力基础又有主观的意愿，成为“具备科学家潜质、愿意献身科学研究事业的青少年群体”，胜任未来的科研工作。在中小学科学课程设计层面，做好科学教育加法要以育人为本，要强知识基础，补短板与不足，重融合与贯通^[1]。

做好科学教育加法，需要增强中小学科学领域课程教材教学内容中科学知识对做加法目标的支撑。但是，增强知识基础不等同于扩展知识广度或者提高知识难度，更不是扩充事实性知识。我们需要优化科学知识的结构，夯实最有价值和必要的基础知识，并围绕这些知识，激发青少年的好奇心、想象力和探究欲，突出科学精神与科学家精神的有机融合。

所谓最有价值的必要的基础知识，应该是对于学生理解自然界、理解科学不可或缺的知识。同时，学科课程内容选择，应该更有利于展现科学的魅力。充实这样的科学知识，是做好科学教育加法的关键。精选最有育人价值的知识，删减部分育人价值不高的事实性知识，也可以为“做加法”留出时间。

国际学生测评项目（Programme for International Student Assessment， PISA）2025科学素养测评框架中指出，科学知识包括内容性知识（conrent knowlege）、程序性知识（procedural knowledge）和认知性知识（epistemic knowledge）^[2]。学科的基础知识是衡量科学素养的关键要素。科学课程应确保学生不仅掌握内容性知识，还应包括程序性知识和认知性知识，以全面提升学生的科学素养。目前，我国科学领域的各学科课程和教材具有知识系统性强、科学探究活动丰富、三维目标有效落实以及适教利学等优势。然而，在知识的组成和结构、教材内容的趣味性以及激发好奇心和想象力等方面仍需进一步提升，特别是在主观意愿驱动和创新能力培养方面存在明显的短板与痛点。

在科学领域各学科课程教材的内容安排方面，要突破一下难题：如何进一步完善知识组成和结构？如何帮助学生习得从事科学研究必要的本领？如何激发他们的好奇心、想象力、探求欲？如何培植他们从事科学研究的志趣，培植科学家精神？

在课程内容设计和教材编写方面，我们需进一步优化知识内容体系，丰富程序性知识和认识论知识，完善知识结构。要实现知识内容的结构化，体现学科的整体性，以帮助学生构建系统的知识体系。同时，以跨学科大概念整合多学科知识，帮助学生建立对自然界统一而全面的认识。此外，要让学生在学习知识的同时，感悟知识的形成过程，理解科学质量，认识科学本质。在引导学生学习知识的过程中，我们应革新内容呈现方式，增强教学内容的趣味性，以激发学生的好奇心、想象力和探索欲望。

做好科学教育加法，对中小学科学领域的课程设计、教材编写以及教学提出了新的要求，这需要科学教育界共同努力。我们必须从长计议，精心规划课程内容并确保其有效实施，加强知识内容的支撑作用，以促进科学教育发展。当前，义务教育课程标准和教材已经确定，高中课程标准短期内不太可能进行根本性变革，高中教材暂时也不会重新编写。在此背景下，近期充分利用数字化融合是解决上述问题的有效途径。

二、在数字化融合中做好科学教育加法并优化课程内容的路径

数字化助力科学教育加法，能够在知识内容的选择、组织和呈现等多个方面发挥其独特的优势。一方面，数字化融合可以让师生利用开放教育资源，如免费课程、电子书、科研论文等，为教师教学和学生学习补充科学实验视频、学习内容等。数字化开启开放教育资源的大门，为教师在科学领域的课程教学中提供了多样化的资源选择。这不仅丰富了教学内容，而且方便他们自主开创性地做好科学教育加法。鉴于已有大量关于数字化促进教学的理论探讨和实践经验，对此不再深入讨论。另一方面，作为数字化资源内容的提供单位，如出版社、资源企业，在做纸数融合时，可以利用数字化资源的开发和更新升级灵活的优点，在现有纸质教材内容的基础上，即时提供知识内容的升级服务，提供知识结构优化、资源活化的最新资源。以下，主要讨论后面这部分内容。

（一）科学课程教材和教学内容建设的数字化融合

首先，通过数字化融合方式，补知识短板，促进知识结构优化。

鉴于现有纸质教材内容已经确定，审定后的教材不宜年年做大的修订。因此，在科学课程知识内容的优化方面，数字化途径可以提供有益的补充。在数字教材、数字资源开发方面，可以在纸质教材内容的基础上，补齐现有教材在程序性知识和认识论知识方面存在的短板，结合已有教材知识内容，补充相应程序性知识或认识论知识的内容，优化、完善知识结构。教师通过数字化途径，充实程序性知识、认知性知识。其融合要点主要包括以下三个方面。

第一，结合科学领域各学科主要的概念、原理、规律的呈现，利用数字资源直接做加法。为了丰富科学教育内容，我们需要补充数字化资源，涵盖程序性和认识论知识，包括文本和视频等形式。利用资源展示获取知识的实践过程和方法，例如测量技术、变量控制、定量研究和数据处理等程序性知识。同时，应补充认识论知识，即关于科学知识建构过程中的结构和定义特征的知识，以及科学知识如何有效解释自然界和科学思维在知识形成过程中的作用等。

例如，在初中生物学关于“生物进化的原因”的部分，可以结合“自然选择”的内容，用数字化资源提示学生，虽然进化的内在机制难以直接观察，但是通过对许多自然现象和人工选择现象的归纳，科学家可以抽象出“自然选择”来解释生物的进化；还可以结合“保护色的形成”活动，以数字资源提示学生，模拟活动虽然是“模拟”，但是它抽象出了自然界捕食者对被捕食者做选择的关键特征，能够直观地展示自然选择的漫长过程。

第二，应结合纸质教材中的实验和探究活动，适度引入数字化资源。适时引导学生以事实为依据，运用比较分析、归纳演绎等逻辑方法，形成或验证结论，体验知识的论证和质疑过程。此外，还应展示推理、论证和建模的实践方法和过程，引导学生经历完整的思维过程，并反思他们在探究实践中的认知角度。在物理、化学、生物学等教材中，有关这方面的例子已经比较丰富，数字资源的开发主要是进一步“填空”，对此不再展开讨论。

第三，利用数字化资源更新便捷的优势，补充纸质教材所介绍科学知识的新发展，回溯知识的建构和修正过程，体现科学知识不断迭代的曲折过程，渗透科学的本质。教材中所呈现的物理、化学、生物学等学科知识，常常被视作一个结论性的体系。然而，我们应认识到科学知识的体系并非静止不变，而是动态发展的，它是通过激烈的思考和艰难的探索过程逐步形成的。纸质教材由于篇幅和静态文本属性的限制，在展示内容性知识时，难以进行大规模、动态的历史还原或展示最新的科学进展。数字化资源的融入为挖掘教材现有内容性知识背后的知识历程、近期动态提供了便利。

例如，在初中生物学“生物进化的原因”教学中，教师可以结合“长颈鹿的长脖子”是自然选择而来的例子进行讲解。这样既还原了拉马克和达尔文的争议，又补充了最新的性选择假说，从而打破知识是一个封闭的结论性知识体系的误区。

（二）通过数字化方式助力知识内容组织强化和知识结构化

知识结构化可以认为是将各部分知识按照一定的规则组合成逻辑清晰、组织有序、功能完整的知识系统。知识的结构化不仅提高了大脑对知识存储和检索的速度，而且提高了知识转化应用的效率。对于科学领域各学科课程而言，只有将知识结构化、系统化、整体化，才能建立起对学科的完整认识。在从事科学研究时，我们应当系统地梳理现代知识体系的结构与逻辑，确保科学知识和应用技术的结构与逻辑及其相互关系成为研发和教育布局的坚实基础^[3]。从这个意义上讲，中小学科学课程引导学生建立各学科知识、自然科学知识的结构整体认识，是做好科学教育加法的应有之义。

物理、化学、生物学、科学等学科，因为各自学科特性，学科知识体系有着强逻辑关联，所以学科知识内容拥有相对较高的稳定性；科学领域各学科教材的编写，一直重视知识内容的结构化，物理、化学、生物学和科学教材中，也对知识体系的结构化进行了优化和显性化。数字化融合的优势在于：一方面可以充分利用教材中已有的知识体系，帮助学生结构化地掌握知识；另一方面可以在数字化资源的多样性和灵活性上发挥其独特优势，为教育提供更广阔的发展空间。

第一，数字化融合，可以在内容选取、分层方面，提供多种结构化的解决方案，对现有教材知识内容做解构，在呈现层次上进行重构，使知识内容的逻辑关联显性化。例如，教师利用数字化资源讲解牛顿第二运动定律等知识点时，可以提供力学知识概略结构图，清晰展示牛顿第二运动定律与其他力学定律之间的联系，以及该定律在实际中的应用场景。这样教学有助于学生在学习具体概念、规律和原理时，不仅能够深入理解单个知识点，还能够把握整个知识体系的全貌，让学生既见树木又见森林。特别值得注意的是，开发数字化资源时不仅需要关注纸质教材已有知识内容的关系，而且需要关注所补充的数字化资源等多渠道来的各类知识之间的关系，将内容性知识、程序性知识、认识论知识有机联系。

第二，教师用数字化方式补充具体知识之间的衔接点，强化知识关联，可以帮助学生整合知识，建立完整的学科知识体系，进而形成对学科的全面认识。例如，初中生物学六大单元，学生是一个一个地学习，学完六大单元并不必然会将所有内容建立整体认识。通过数字化资源的补充和分层、显性化的关联呈现，学生在学习具体内容的同时，也能够关注到学科的整体概念体系。学生以这种方式学习更易获得对学科的全面认识。

（三）数字化助力知识内容的跨学科整合，构建对自然界的统一认识

知识体系的构建不应仅限于单一学科的结构化，我们在编写与使用教材实施新义务教育课程标准的过程中，还应促进学生跨学科主题学习，构建学科间知识的结构化联系。纸质教材由于篇幅的限制和其他现实因素的制约，在融合跨学科概念方面难有大的突破。数字化资源的融入，有利于我们结合纸质教材具体内容，专门设计跨学科融合的板块，强化不同学科内在联系，并将引导学生建立学科概念与跨学科概念、科学观念的联系作为重要任务。具体来说，在数字化资源的开发上，可以结合物质与能量、结构与功能、系统与模型、稳定与变化等跨学科的大概念，在物理、化学、生物学及地理学科的核心概念的纸质教材内容里，设计栏目，连接不同学科、整合概念的锚点。

例如，在生物学教材关于光合作用的内容里，设计跨学科栏目（自然科学大概念），引导学生在学习光合作用生命过程的同时，关注物理所学的光的性质、能量的转变，化学所学的物质变化，从而使所学内容与跨学科大概念物质与能量密切联系，构建起对自然界的整体认识。

众所周知，数字化融合可以让学生通过数据分析、编程等技能的引入，在学习自然科学的同时，增强数字素养和问题解决能力，开展跨学科的集成项目和研究。对此本文不做深入探讨。

（四）数字化融合增强教学过程中的互动，激发兴趣

现行科学领域各学科教材，虽然在激发学生的兴趣方面想了很多办法，但是效果未必都理想。以数字化方式教学，能够更好地实现内容呈现时的激发兴趣，激发学生的好奇心、想象力、探求欲的作用。显而易见，一大段关于卫星发射过程中的速度、引力的文字的描述，远远比不上视频展示的震撼和引人入胜。关于呼吸作用的过程，文字描述、化学式阐述，很难做到生动、有趣。数字化融入为教学提供了新手段，教师可以用其展示呼吸作用各阶段发生的场所、物质和能量的变化过程，从而使抽象的内容变得生动、有趣，也更加具体和易于理解。因此，数字化融合教学在激发学习兴趣、激发好奇心、维持学习兴趣方面，优势是非常明显的。

在中学教育中，实验教学一直面临挑战，尤其是那些开放性较强、耗时较长或具有一定风险的探究性实验。在传统教学模式下，很难为学生提供足够的自主探索机会。数字化融合之后情况大为改观。教师使用虚拟实验室可以模拟真实的科学实验环境，允许甚至鼓励学生大胆探索。这不仅解决了实验设备和材料不足的问题，降低了安全风险，而且能够真正将探究的主动权交给学生，从而让学生的好奇心有实验支持，想象力有实验验证，探求欲可以通过数字化途径得到部分满足。例如，学生可以在虚拟实验室中设计物质的化学反应实验，验证生产实践中问题解决方案是否可行。这在实际的中学实验室中，几乎是不可能的。

至于数字化融合可以增强学生的参与感、促进协作学习、驱动教学改进、提供个性化教学，以及具有即时教与学的反馈等优势，属于基于数字化教学的共同特点，已有很多讨论，不再赘述。

三、数字化融合做好科学教育加法的建议

在做科学教育加法的过程中，数字化融合不仅是工具，更是实现教育目标的重要途径。笔者建议在深入理解国家关于做好科学教育加法精神的基础上，系统推进科学教育教学工作。第一，加强教师培训。教师应掌握数字化教学工具的使用，提升其在课堂中的应用能力，以更好地引导学生。第二，优化数字资源，开发更具趣味性和互动性的数字资源，确保其与课程内容的紧密结合，增强学生的学习体验。第三，鼓励学生自主探究，利用数字化平台，鼓励学生自主探究，培养他们的科学精神和创新能力。第四，建立反馈机制，即利用数字化技术建立即时反馈机制，帮助教师及时了解学生的学习情况，调整教学策略。第五，推动跨学科合作，鼓励不同学科教师合作，设计跨学科的项目，以增强学生对知识的整体理解。科学谋划，精准施策，我们一定能够更好地实现科学教育的加法，培养出更多具备良好科学素养的青少年，为未来的科学研究和社会发展奠定坚实基础。

参考文献

[1] 谭永平，钟晓媛.中小学科学课程做好科学教育加法的目标与原则[J].中小学科学教育，2024（5）：16-20.

[2] OECD. PISA 2025 Science Framework （draft）[EB/OL]. （2023-12-25）[2024-10-08].https：//pisa-framework.oecd.org/science-2025/assets/docs/PISA_2025_Science_Framework.pdf

[3]李静海，黄文来.探索知识体系的逻辑与架构：多层次、多尺度及介尺度复杂性[J].Engineering，2016（3）：1-11.

（作者系人民教育出版社副总编辑、编审，中国教育学会生物学教学专业委员会秘书长）

责任编辑：祝元志