科学本质教学的路径及建议

    叶嘉妮

    摘 要：科学本质作为科学素养的重要内容之一，历来是国际科学教育界讨论的焦点。我国科学教材和课程标准对于“科学本质”内容的较少呈现以及分数取向在一定程度上影响教师对科学本质的理解及其开展科学本质教育的教学策略。本文探讨了利用社会性科学议题（SSI）情境、融入HPS教学、在技术增进的学习环境中开展科学探究的三条科学本质教学路径，并提出建议，以期为进一步改进我国科学本质教学提供参考。

    关键词：科学本质; SSI情境; HPS教学; 技术增进的学习环境; 路径及建议

    中图分类号：G642 ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码：A ? ? ? 文章编号：1006-3315（2019）01-149-003

    一、问题提出

    科学本质（Nature of Science，NOS）是科学素养的核心内涵之一，也是国际科学教育界关注的焦点。在国际科学课程的改革趋势下，科学本质教育成为科学课程的重要内容，并呈现于许多国家和地区的课程文件中。如美国2013年发布的《下一代科学教育标准（NGSS）》细化了科学本质的教育内容，并将其内隐于“科学与工程实践”、“跨学科概念”中;英国2014年发布的新版《国家科学教育课程标准》将科学本质作为课程学习计划的总体目标之一，并注重学生在探究过程中理解科学本质等。[1]虽然科学教育界尚未形成明确统一的科学本质定义，但在K-12教育阶段教授何种科学本质逐步達成共识。McComas等人[2]基于八份国家科学课程标准文件中提炼出的科学本质内涵在国际上广受认可。如科学知识兼具暂时性和持久性;科学知识依赖于观察、实验证据、论证和质疑;科学是社会和文化的一部分;科学和技术相互作用等。

    国际科学教育界在追问“什么是科学本质”的同时，对如何开展科学本质教学进行了多维度的探索，并逐步延伸出了诸如设置社会性科学议题情境、融入HPS教学、在技术增进的环境中开展科学探究等多维视角。就我国而言，虽然在新课程改革文件中强调对科学本质的关注，但对于科学本质的规定更多停留在“理念”层面，并没有明确的具体细则目标和内容标准。探析科学本质教学的实践路径是我国科学课程改革的重要方向之一，有助于科学教师将对科学本质的理解转化为课堂实践。

    二、科学本质教学的路径探析

    （一）路径之一：利用社会性科学议题（SSI）情境

    SSI是指当代科技发展和应用所引发的一系列带有争议性的议题（如克隆技术、基因改造食品、全球气候变暖等）。其因涉及人权教育、性别平等教育、环境教育等议题，产生经济、文化、生态环境、伦理道德等方面的问题而备受争议。[3]针对科学学习而言，科学知识是在一定的情境脉络之中个人建构和社会建构的共同过程。在情境中融入议题，在开放、两难、结构不佳的真实问题中学习隐藏其背后的科学知识，有助于理解当代科技运用中出现的冲突性问题。

    国外对于利用SSI情境促进科学本质教学的研究以英、美国家为首，并兴起于上世纪80年代。发展至今关于SSI的议题内容广泛、教学模式丰富、实证研究较为成熟。国外学者Sadler[4]指出，利用SSI情境开展教学所关注的科学本质内容在于（1）科学知识的尝试性;（2）科学建立在经验证据基础之上;（3）科学包含科学家的创造性活动;（4）科学和社会文化间具有互动关系。Karplus的5E学习环教学模式、林树声的七步教学模式、Buhamu和Mitchell的五阶段教学模式等影响广泛。此外，学者们在SSI情境促进科学本质教学的实证研究上也做出了诸多贡献。如国外学者Zohar和Netmet[5]针对以色列的初中学生展开基因工程议题的测验结果表明，学生在科学论证、解决真实性问题的迁移能力方面的表现显著提高，其对“科学和社会文化具有互动关系”的科学本质有深刻的理解。学者Walker和Zeidler[6]在美国高中开展的基于转基因食品的课程评估结果表明，SSI情境中学生对于科学本质的理解（如科学的主观性、暂时性、发展性、创造性，科学的社会方面）有所增加。相比于国外，我国仍处于SSI情境下教学内容与模式的引进及介绍的初探阶段，主要涉及教学策略、批判性思维、与STS的比较等方面，文献形式以综述为主。但不难发现，利用SSI情境的教学方式正逐步引起我国教育工作者的关注。

    如何着眼于国内科学教育现状进行论证研究，是开展科学本质教学的困境之一。其一，在我国基础学习教学模式下，强调概念和事实的灌输式学习方式和一元价值观的课程观念。议题中心教学受限于学科结构，难以进行客观学习评价。其二，研究数据显示不同年龄段的学生普遍存在难以进行高质量的课堂讨论的问题，情感、道德、文化以及如何对学生进行知识整合等都值得考量的因素。其三，课程标准和教材对SSI情境的编制仍有较大的完善空间。我国现有的课程标准只是在“科学、技术、社会”内容标准中提及要重视当代社会重大问题，并未对相关内容给出明确的规定，且问题涉猎缺乏多样化。

    （二）路径之二：融入HPS教学

    HPS教育研究是国际科学教育中关于科学史教学的重要课题之一。荷兰的PLON课程、HPS教育（将科学史和科学哲学融入科学教学）以建构主义和人本主义学习理论为基础，强调旧知整合新知识的重新建构过程。其核心内涵就是对科学本质的认识。国外研究学者对于HPS教育有一些共性的认识，如HPS教育要使学生理解科学本质的内涵，体会科学是解释自然现象的一种尝试、科学结果有可重复性、科学和技术相互影响等。

    在国外HPS教育的实践研究中，英国学者Monk和Osborne[7]于1997年提出的“融合”模式是其中较为经典的教学模式之一。“融合”模式以“提出问题-引出观念-学习历史-设计实验-呈现科学的观点和检验-总结评价”为基本步骤，对认识科学的重复性、科学研究的艰难性、科学家的创造性等方面大有裨益。此外，诸多学者研究表明，历史个案研究、科学写作、利用科学史中的失误、反思性学习等方式融入科学课程能有效提升学生对于科学本质的理解。近年来，国内越发重视HPS教育，重要集中在研究HPS国际科学教育动态、将HPS运用于科学教育实践、关于HPS与科学教育改革等。众多学者借鉴国外经验，并结合我国社会文化背景进行本土化研究。如黄晓[8]反思单摆教学对科学本质关注的缺失，以历史个案研究的方式提出“历史-探究-反思”方法开展科学本质教学的教学策略，并借此加深学生对“科学、技术、社会文化相互作用”科学本质的理解。李艳琼[9]提出针对不同课型进行本土化改良出相适应的渗透科学史的教学模式，并发现运用“IHVs情境-陶冶“、“自学-指导“、“探究、建构”等模式有助于学生对于“科学家身份”、“非权威性”、”科学的暂时性与持久性”等科学本质的理解。

    通过HPS教学促进学生科学本质提升在本土化过程中存在着诸多问题。其一，科学史可能是一部“伪历史”。历史资料本身的不准确容易呈现出“歪曲”和“篡改”的历史。硬生生地引导学生得出所谓的“正确结论”的做法不可取。其二，HPS融入科学教学对教师在科学史和科学哲学方面的素质提出更高的要求，教师必须有足够强的科学探究的历史传统及敏锐的判断力。而现行师资培训模式下的教師往往达不到这样的标准。其三，我国教材中与HPS相关的内容较少且呈现方式主要以插图和文字为主。若仅仅以此作为激发学习兴趣、附加知识等功能进行传授，并不能达到理想效果。

    （三）路径之三：在技术增进的学习环境中开展科学探究

    技术增进的学习环境助力技术变革科学学习是推动信息化的创新发展浪潮下科学教育发展的必然趋势。技术增进的学习环境主要是指通过技术脚手架和承接性强的学习活动，为学生提供交互式的自主探究技术环境。学者Slotta[10]指出，有效促进学生进行自主探究的网络学习环境主要包括。“脚手架探究环境（如WorldWatcher、BGuLIE等）及“沉浸式环境”（如River City、Quest Atlantis等）两大类别。这些规模化项目通过设计研究促进学习的情境性、协作交流和意义建构。学生在情境建构中经历与科学家进行科学探究相似的过程，彻底摆脱缺乏思维深度和流于形式的假探究的限制。此外，研究表明利用互联网为学生提供交互性课程材料（可视化模拟试验和科学模型）和探究工具（提示、反思性比较、概念图等），支持学生开展在学校实验室或日常生活中难以实现的探究活动是促进学生理解科学本质的有效途径。[11]

    美国Marcia Linn教授团队开发的基于网络的在线科学探究学习平台（Web-based Inquiry Science Environment，简称WISE）作为技术增进的学习环境的典型代表，兼具脚手架探究环境及沉浸式环境的功能。WISE为提供学生进行主动探究的环境，使学生转变为科学概念的建构者角色，从而有助于学生深入理解科学本质。[12]Linn及其同事借助知识整合（KI）视角，借鉴并融合了建构主义学习理论及部分认知主义理论（诸如“有价值的困境”、“可视化在科学学习中的作用”）。学生在“析出观念”-“添加观念”-“辨分观念”-“反思观念”的过程中使其所持有的观念之间形成联结，并由此建立起学生对于科学现象的一致性理解，从而促进对科学本质的认识。如以WISE的光合作用课程单元为例，学生需要在课程单元所提供的与生活经验及文化背景相关的情境下，以“能量转化”为线索，通过可视化工具、在线游戏等活动不断经历“假设-重复尝试-验证”的自主探究过程，增强关于“科学基于实证、科学知识具有暂时性并不断发展”等科学本质。

    技术增进的学习环境为我国的教育改革带来了前所未有的挑战。其一，技术支持下的泛在学习对教师转变角色发起挑战。如何在借助多种技术工具交互下促进学生对于科学本质的理解及科学概念的一致性理解，促进科学素养的提高，是仍待商议的话题。其二，我国对于本土化的基本问题和真实情境的本土化互动式学习平台设计比较缺乏，此领域仍需要深入研究和开发。其三，我国自主开发的基于技术支持的学习环境不能灵活地适配课程。如何增强学习环境与课程的匹配度仍是目前亟需解决的问题。

    三、科学本质教学的实施建议

    （一）探析利用SSI情境的本土化路径，加强师资培训与教材开发

    教学模式及实证研究尚未成熟，学生不能理解相关社会性科学议题、教学内容匮乏、教学时间较长等因素是实施SSI情境教学的难题。首先，教育工作者应努力寻求SSI情境中进行科学本质教学的本土化路径。如充分挖掘生态、资源使用、健康、道德等议题的科学本质内容，并开发本土化教学模式，加强在中小学SSI教育的实践研究（如选择特定的内容，运用SSI情境与课堂教学有机结合）。其次，在师资培训中加入SSI及教学方面内容。通过举办专家讲座、组织专题研讨活动、网络研修等方式介绍多元化的教学策略（如开展辩论会、使用科学戏剧等）。增强教师利用SSI情境进行科学知识和探究教学的同时，融入科学本质教学的观念，使其意识到传统的“基础学科教学”与“SSI情境教学”的区别。再者，借鉴美国等发达国家在教材《科学探索者》《科学焦点》等中在议题的选择和编写的特点，并结合地方特色开发本土化特色教材，为教师借助SSI情境开展科学本质教学提供参考。

    （二）改良HPS教学模式，融入地方特色

    尽管HPS教学模式融入科学课程的多方面价值受到国际科学教育专家们的认可，但应试教育的大背景下，教师、学生难以从授受主义的桎梏中得以解放。首先，改良HPS教学模式，积极设计融入HPS模式的本土化新型科学课程并融入地方特色。国内对HPS教学模式的研究大多以“融合”模式为主，缺乏普适价值。故结合实际教学的课型进行调整，并设计融入HPS模式的本土化课程，教给学生“真实的、历史的科学”，而不是“神话式”的科学。其次，开发HPS教育培训模式。教师对科学史、科学哲学的理解会直接影响学生，故通过对教师进行科学史和科学哲学的培训至关重要。效仿美国、英国、日本等国家为科学教师制定标准，通过对在校师范专业学生进行普及，以及国培计划，工作坊等方式进行推广宣传，为教师的专业化发展提供参考。

    （三）合理利用技术增进学习环境，努力实现教师角色转变

    信息技术为未来教育环境下开展教育活动的发生提供了丰富且多元的情境，为增进学习、实现探究提供了可能性。研究者发现，复杂的社会和技术环境中深度学习更有可能发生，在技术增进的学习环境中利用科学探究促进学生科学本质发展是有效的。首先，教师应合理利用技术增进学习环境（如WISE、虚拟实验、在线学习资源等）为学生开展基于真实情境的自主探究活动，促进其高阶思维的发展。其次，教师应加强角色转变的观念，在实践共同体中创造全新角色。《新媒体联盟地平线报告-2017基础教育版》也深刻揭示出在技术应用时代下重塑教师角色的重要性。课堂支持者、学习促进者、资源开发者、学习指导提供者等多重身份为教师带来了巨大挑战。