基于核心素養(yǎng)的多維度科學教學研究

夏冬梅

重慶工程學院 重慶 400056

基于核心素養(yǎng)的多維度科學教學研究

夏冬梅

重慶工程學院 重慶 400056

目前我國正在實施的核心素養(yǎng)新課程，其中科學素養(yǎng)占據(jù)了核心素養(yǎng)的重要位置，科學素養(yǎng)包括：過程技能、科學認知、科學本質、科學態(tài)度、科學思考智能、科學應用等六個維度。本文作者認為科學教學要呈現(xiàn)科學家做科學的真實的面向于科學教室，是達成培育學生具有多維度核心素養(yǎng)的可行方法，而柯維所發(fā)展的認知V-圖是能呈現(xiàn)科學探究活動真實面向的理想科學教學方法。因此，作者于探討認知V-圖的意義、學生制作認知V-圖的教學以及認知V-圖應用于科學教學相關研究后，提出應用認知V-圖于科學教室的原則，供科學教育工作者教學及進一步研究的參考。

科學素養(yǎng)；科學教學；認知V-圖

1 前言

培育具有科學素養(yǎng)的公民一直是國內教育界共同努力的目標。我國為青少年所擬的新科學課程，更把科學素養(yǎng)的涵意擴充為過程技能、科學認知、科學本質、科學態(tài)度、科學思考智能、科學應用等6個維度。

在國務院所頒發(fā)的《全民科學素質行動計劃綱要實施方案（2016—2020年）》中科學教育最為重要的目的在于培養(yǎng)具有科學素養(yǎng)的公民。但是科學教學要引起學生的興趣，除了課程結構及教學設計的改變外，有關實驗或實作的實施，仍然有相當大的改變空間，如何引起學習者的興趣，進而培養(yǎng)學生具有多維度的科學素養(yǎng)的方法，本文作者認為最好的方式之一是安排學生學習科學時，能像科學家在從事科學工作時一樣去探索科學，進行科學發(fā)現(xiàn)及科學學說建構創(chuàng)造之旅。因此，在科學教學上，提供適宜的情境給學生實際體驗科學加“做”科學的活動，建構命題性知識，是比較符合科學社群真實的科學研究活動的教學方法。

同時，科學家在進行科學研究時，不但應用現(xiàn)有的概念來解釋自然現(xiàn)象，并且批判現(xiàn)存的概念借以改進某一科學領域現(xiàn)有的內涵。對一個新進的科學家在適應科學適應時，若只學習如何應用科學概念于現(xiàn)象的解釋，而不能學習如何促使自己去增強或改變現(xiàn)存的概念的話，那就不能成為一個真正的科學家。假設我國的科學教育要響應科學實驗的教學，可能就不能只要求學生“動手”而已，一定要學生于學習活動時也能“領悟”，也就是要學生能“手腦并用”，不只是按“食譜式”的操作得到結果就算了。至于要如何達到這種高質量的科學教學，特別是實驗教學呢？柯維所發(fā)展的認知V-圖（epistemological V-diagram）應可以作為有效的教學策略，來幫助學校的科學教學達成此項任務。

2 認知V-圖的內涵

所謂認知V-圖是柯維于1970至1980年代所發(fā)展出來幫助學生學習真正科學的策略，簡稱為V-圖，和概念圖合起來，被科學教育界公認為能幫助學習者真正了解科學，并可以作為評量學習者了解科學的工具。今以圖1來表示V-圖并詳細加以說明。

圖1 柯維的認知V-圖

柯維發(fā)展的V-圖是把學校的科學實驗活動盡量以反應科學家進行科學探究的實際情境中，所發(fā)生的“動手、領悟”的全部的外在及內在的活動包涵起來。底下分為四個面向來說明V-圖，即焦點問題、對象和事件、概念領域及方法領域。

2.1 焦點問題

提出焦點問題是任何科學探究活動的起點，通常問題形式是問“什么”（what）、“何時”（when）、“如何”（how）以及“為什么”（why）。當科學家提出問題時，一般都可以由焦點問題反應出他的價值觀、哲學觀或世界觀。除了上述的因素影響到科學家對問題的選擇外，科學家自己的興趣、已有的知識，其他的外在因素如：社群的、政治的、經(jīng)濟的因素等，都會影響研究者對焦點問題的擇定。因此，科學實驗教學，在理想的狀況下，應盡量由學生提出他們想探究的焦點問題。以專題導向科學的學習來論，引導問題的選擇及確定，也主張應由學生提出或由教師及學生共同討論后提出并確定。因此，要改進國內科學實驗活動的學習功能，可能要多鼓勵學生提出得花長時間深入探究的問題，若仍然停留在要學生于短時間完成的食譜式實驗活動，可能不會引起學生太多的學習興趣，對學生建構科學概念知識及其他維度的科學素養(yǎng)也幫助不大。

2.2 對象與事件

所謂對象和事件是為發(fā)展焦點問題的暫時性答案或假說所必須加以探索的客體及現(xiàn)象。對象是探索過程中可被知覺的東西，或被感覺器官能操弄的東西?？茖W探究者也可以利用儀器來協(xié)助感官觀察或記錄。事件是因對象而發(fā)生（或促使發(fā)生）的現(xiàn)象。因此，對象與事件是探索者為解答焦點問題而設定的。

2.3 概念（思考）領域

概念領域的內涵，就是科學知識的部分，也就是科學本質中有關“什么”的面向。在科學的學科知識上，概念為組織知識命題的基本單元，相關概念相鏈接成為原理、原則。再往上的知識階層為學說，例如：原子說、細胞學說、演化學說等。

2.4 方法或操作領域

在V-圖的右邊，所涉及的議題是探索者解決焦點問題時，要做的活動。雖然這些議題對一般學習者來說，是比概念領域的學說要來得簡單，但是仍然要詳細地運用思考智能，并不是單單靠“操作”即可達成的。底下把此領域的四個主題說明如下。

2.4.1 記錄

科學家于進行科學探究活動時，把有關對象或事件的信息記錄下來，作為解答焦點問題的原始數(shù)據(jù)。常用的科學記錄形式為：書寫的文件、照片、錄音、錄像、電子化記錄等。同時，科學家于觀察記錄時，常常透過一套概念性過濾觀察，因此，觀察沒有所謂的觀察。

2.4.2 轉換

有關對象或事件信息的記錄，科學家會建構這些記錄的意義，建構意義時會受到自己原有知識及價值觀的左右，不管科學家如何轉換記錄，其目的皆指向焦點問題解答的尋求?？茖W常用轉換的形式為：計算異同、作圖表、統(tǒng)計轉換、流程圖表等。

2.4.3 知識主張

科學家于科學探究時，對焦點問題所提出的解答即為知識主張。科學家所提出的知識主張必須要和概念、原則原理、學說及哲學觀一致，也必須在邏輯推理上和記錄及轉換相關。因此知識主張陳述探究活動的界限及限制，而且知識主張也可提供后續(xù)研究者一些指引。因此，在科學教育上實驗教學的安排及實施要如何反應上述的科學活動真實性，對科學教師來說是嚴酷的挑戰(zhàn)之一。

2.4.4 價值主張

所謂價值主張是涉及價值及質量的指示或倫理的維度的統(tǒng)稱。通?？茖W家所宣示的價值主張一定會和知識主張一致。因此，科學家的研究，大概很少不涉及價值判斷的議題，就如生殖科技中復制的研究等。

在圖1中把科學家的探究活動分為概念領域（左邊）及方法領域（右邊），在實際上的探究活動上，概念（思考）邊和方法（操作）邊是主動地交互作用。因此，科學家的先前知識、概念、原理原則、學說、哲學觀影響到方法邊的觀察（記錄）、轉換記錄、組織結論及知識與價值主張的提出。作者認為V-圖對科學實驗教學最大的啟示，以及反思目前學?？茖W實驗實施成效的地方，可能就是概念邊和方法邊是否能緊密地結合并交互作用的問題。

3 學生學習V-圖的制作教學

基本上，柯維的V-圖是一種處理知識本質及學習本質的啟發(fā)性工具。作者認為V-圖可以提升學生在實驗活動工作的挑戰(zhàn)及興趣，并可以培養(yǎng)學生對科學本質的認知、科學研究的真實面向的了解、科學活動和價值面向的關系等。因此，如何幫助學生學會V-圖的制作并應用于學習活動是科學教師重要的教學工作之一。

本文特別介紹柯維所發(fā)展的V-圖的教學步驟，他的教學對象是初一到初二的學生，發(fā)現(xiàn)兩個年級的學生在V-圖的制作及應用的學習上一樣的成功。他的教學策略如下。

3.1 由概念、對象、事件開始

柯維和同僚們認為概念圖制作應先于V-圖的學習。本文作者也認為概念是組織成知識系統(tǒng)的最基本的單位，例如：命題性知識就是利用連接的語詞把兩個概念做有意義的連結，所以我們可以說：“水受熱會蒸發(fā)”是一命題性知識。同時，概念也是概念領域的最基層單位，以知識組織結構階層來論，概念也是僅次于事實的組織單位。本文以“冰水受熱現(xiàn)象”來說明概念、事件及對象。

3.2 介紹記錄的觀念與焦點問題

當我們于建構知識時，會利用已知的概念為基礎來觀察對象或事件，以及作一些不同形式的觀察紀錄。這些紀錄的操作也受到焦點問題的引導，不同的焦點問題引導我們聚焦于不同面向的對象或事件的觀察，就以“冰水加熱”為例，可以問：冰水加熱溫度有什們變化？也可以問：當冰變?yōu)樗魵鈺r，其外型有何變化？以圖2為例，我們選擇第一問題為焦點問題。因此，此例的紀錄的重點在溫度、時間及冰和水量的變化。在教學的過程中，老師要求學生提出他們的建議，以及如何來組織及轉換自己的紀錄，并要每一位同學實作一張組織紀錄的表，同時可以拿幾張組織不同的紀錄表貼于黑板上供全班學生討論，借以達成社會建構的學習效果。

3.3 記錄轉換與知識主張

轉換紀錄的目的，在于組織自己的觀察記錄，成為一種容易使自己解答焦點問題的形式。因此，教學的過程中，要給學生充分的時間討論如何來轉換紀錄，以“冰水加熱”的例子中，可以把記錄組織成表再轉換為圖，并根據(jù)表、圖來決定自己的知識主張。

3.4 原理與學說

原理是由兩個或多個概念所組成的，他可以幫助我們了解事件的特別作用?！凹兯诤Ｆ矫鏁r100℃開始沸騰”就是這個原理，此原理包含多個概念：純水、海平面、沸騰，它描述純水在一大氣壓時的沸點之特殊關系。事實上，原理是過去科學家于科學探究時的知識主張，并可引導后續(xù)事件或對象及記錄的轉換。學說是包含更多的概念及原理，例如：生物學上的細胞學說、理化科學上的分子動力論，他們在個別的學科都有廣泛的解釋力量，而且可作為探究活動的引導。由于學說對自然的解釋有強大的理解作用，因此，創(chuàng)造不易，通常都是天才的心智結晶，科學史上，如牛頓、達爾文、愛因斯坦正是創(chuàng)造學說的天才型人物。

3.5 價值主張

知識主張和價值主張是有相互依存的關系，就如所言：“他們同搭一條船，但不是同一乘客”，它們之間至為相關，但也有可區(qū)別的性質。

4 V-圖在教學上應用的研究

科學的教學目標在于引導學生能了解科學，也就是具有科學素養(yǎng)，所謂一個人具有科學素養(yǎng)，可以從六個維度來評量，這六個維度就是科學概念知識、科學態(tài)度、科學方法與過程、科學本質、科學思考智能、科學應用智能等，為了達到培養(yǎng)學生上述的科學素養(yǎng)，科學教師可以運用各種的教學策略，協(xié)助學生建構這些科學學習成果。就理論層面來說柯維的認知V-圖是一項可應用的策略。以下對V-圖的應用于教學的研究做些介紹。

首先提到柯維及其研究小組，對美國七年級及八年級學生的認知V-圖的建構學習，他們發(fā)現(xiàn)七年級學生常使用V-圖及概念圖，所建構的V-圖比八年級學生來得完整，因此他們認為V-圖的應用可向下延伸到小學高年級的學生。圖2是一位初一學生于生物學實驗課探討酵素作用的認知V-圖。

圖2 一個初一學生于生物實驗課探討酵素作用所建構的V-圖

就整體來論，麥樂迪的V-圖在概念領域列出來有階層性的概念知識系統(tǒng)，雖然有階層性分野不適宜的地方，若加以指導學習應可建立她自己的概念知識系統(tǒng)，即由事實→概念→原理原則→學說→哲學理念。同樣的情形，焦點問題以及方法領域經(jīng)由指導學習，也可以改進她在這兩方面的表現(xiàn)。根據(jù)柯維的多年研究，他認為學生建構認知V-圖的質量，和教師的指導及學生練習有關，越是常利用V-圖的學生，其所建構的V-圖，則越接近于完整。

5 認知V-圖在實驗教學上應用的原則

就以上各節(jié)的論述，作者認為認知V-圖是可以達成學習者能建構多維度科學素養(yǎng)的最好策略之一。同時，此策略也非常符合科學研究方法是學說依賴的科學哲學的新趨勢。至于，V-圖在教學上的應用，作者就個人對V-圖的認知以及教學的經(jīng)驗，建議其應用V-圖于實驗教學的原則如下。

5.1 共同改寫實驗手冊

常見的實驗手冊都是食譜式撰寫方式，這種實驗操作手冊，只注重一定的程序及已知結果的重現(xiàn)，學生按手冊的步驟操作，得到既定的結果就算完成整個實驗，這和真實的科學的探究活動差距極大，根本不能反映真實的科學活動。因此，實驗手冊內容應予改寫。作者就高中二年級生物學有關“細胞滲透作用”的實驗活動加以改寫，以及小學五年級自然科學有關“霉菌的觀察”的實驗活動加以改寫。當然，這種改寫活動若能引導學生積極參與改寫活動，并要求每一個學生自己制作一份，將能得到事半功倍之效。教師第一次要求學生共同參與認知V-圖的制作，一定會遭遇學生學習意愿的問題，但是只要教師耐心地引導，大部分學生都能完成，作者于利用概念圖于普通生物學教學時，也面臨類似的狀況，但是仍然克服此師生的挫折感，進而得到不錯的教學改進的效能。

5.2 安排實驗教學的進程

事實上，此原則應和第一項原則合起來執(zhí)行，兩者是互為表里，但為了凸顯現(xiàn)行實驗手冊的編排及活動程序不合于當下科學哲學、科學學習心理學的基本理念，所以作者先提出第一項V-圖應用原則，作為科學教育工作者的反思。以下就是作者所建議的實驗教學的過程。

（1）共同討論提出焦點問題。

（2）接下去，是寫出對象及事件的內涵。

（3）提出相關的概念。

（4）提出相關的原理。

（5）提出相關的學說及哲學觀念。

（6）實驗操作的觀察紀錄。

（7）提出觀察紀錄的轉換。

（8）提出知識及價值主張。

以上提到的實驗教學過程，是根據(jù)實驗手冊或活動指導內容，以及相關的背景知識所擬定?；顒拥倪M行可以以個人、小組、班級的方式進行，以何種方式進行可依活動的內涵及目的做不同的安排。其選擇的理念為個人建構及社會建構為依歸，作者認為除了第6項應小組進行外（節(jié)省學校支出為考慮），其他各項則以個人、小組、班級為單位進行活動皆無不可。

5.3 利用V-圖作為評量學生學習成就的工具

教學評量要反應評量結果的多元功用，利用V-圖作為評量工具，應該比傳統(tǒng)的紙筆測驗，對學生的學習成就的內涵，提供更多不同面向的信息，這些信息可以作為教師指導學生個別學習及進一步學習的第一手依據(jù)。要利用V-圖來評量，首先教師必須要建立評分的準則，準則的建立可以參考柯維以及梅特和柯維所定的準則，再依目標學生的年級自行制定，才能符合科學教師的自我需求。例如：對小學高年級的學生來說，則有關“哲學及學說”這一大項可以省略，但對高中二年級的學生來說，則可以作為評量的一個項目。

根據(jù)學者的研究應用認知V-圖策略于實驗的教學，可以提升學生對實驗教學的興趣，不會覺得實驗的單調及無聊。同時，實證的研究也提供應用V-圖的教學效能，是傳統(tǒng)食譜式實驗操作所不能達成的，那就是應用V-圖可以增進學生對科學概念的了解以及擴展學生即有的概念知識。

6 結語

認知V-圖是可以把概念領域和方法領域融合于學習活動的教學策略，也就是能促使學生于科學活動時，必須“動手”及“領悟”地進行科學探究的學習活動。對于九年一貫新科學課程而言，科學教師若能應用V-圖于教學，應可以協(xié)助學生建構分段能力指標所揭示的六個維度的科學素養(yǎng)，即科學過程技能、科學認知、科學本質、科學態(tài)度、思考智能及科學應用。假設小學五年級自然科霉菌觀察的認知V-圖，在V-圖中，很清楚包含了科學認知、科學過程技能的學習；知識主張是經(jīng)由學習者的心智操作而提出，因而也蘊含了科學本質的學習，就是科學知識是由人的探究活動所建構的；學習者提出價值主張則可學習到科學應用的層面；記錄的轉換不但應用到科學過程能力，同時學習者也可增進科學思考智能；由實作觀察及記錄歷程，學習者學習到了操作技能，以及忠實記錄的科學態(tài)度。因此，認知V-圖是提升學生學習建構多維度科學素養(yǎng)效能的最好教學策略。

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由于傳統(tǒng)理性主義與實證主義的科學觀主導了過去科學哲學及科學研究的發(fā)展，最近幾十年來屢受挑戰(zhàn)及質疑。同時，對科學知識進展的知識論的解釋，建構理論也逐漸被學界所接受。但是由于過去師資培育理念及課程所限制，知識建構論所引導的教學及評量理念、方法、策略等，仍然不能深入于各級學校的科學教室。

雖然，作者認為認知V-圖對各級學?？茖W實驗的改進，具有正向的作用是有其理論及實證研究的支持，但是仍然需師資培育，社會價值觀的改變、教學質量改進、多元化入學方案的公平性，家庭教育及家長觀念的變革等因素的配合，V-圖在科學教育應用上才能真正生根并落實于教室之中，也才能使得科學教育符合懷海德所揭示的教育理念：“教育當始于探索、終于探索”，即培育具有終身學習意愿及素養(yǎng)的公民。

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[3]余文森. 關于教學改革的原點思考[J]. 全球教育展望，2015（5）：76-77.

[4]辛濤，姜宇.以社會主義核心價值觀為中心構建我國學生核心素養(yǎng)體系[J].人民教育，2015（7）：126-127.

[5]辛濤，姜宇，王燁輝. 基于學生核心素養(yǎng)的課程體系建構[J]. 北京師范大學學報：社會科學版，2014（1）：135-136.

Research on multidimensional scientific teaching based on core quality

Xia Dongmei
Chongqing Engineering Institute，Chongqing，400056，China

At present our country is implementing the new curriculum core literacy，scientific literacy of occupy the important position of the core literacy，science literacy，including ：process skills，cognitive science，scientific nature，scientific attitude，scientific thinking，and scientific applications six dimensions. In this paper，the author thinks that science teaching to present the real scientists do science oriented in the science classroom，is a feasible way to cultivate students with multi-dimensional core literacy，while covey cognitive development by V - figure is to be able to present the ideal of science inquiry activity for real scientific teaching methods. Therefore，the author discusses the meaning of cognitive V - figure，student cognitive teaching，as well as cognitive V V - figure - figure after applied in scientific teaching research，put forward the applied cognitive V - figure based on the principles of science classroom，teaching for science education workers and the reference of further research.

Scientific literacy ； scientific teaching ； cognitive v-chart

G410

A

2096-4110（2017）01（c）-0003-05

夏冬梅（1984，11—），女，漢族，重慶人，副教授，教育碩士，研究方向：教學管理。