科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的路徑及建議

葉嘉妮

摘 要：科學(xué)本質(zhì)作為科學(xué)素養(yǎng)的重要內(nèi)容之一，歷來是國際科學(xué)教育界討論的焦點(diǎn)。我國科學(xué)教材和課程標(biāo)準(zhǔn)對于“科學(xué)本質(zhì)”內(nèi)容的較少呈現(xiàn)以及分?jǐn)?shù)取向在一定程度上影響教師對科學(xué)本質(zhì)的理解及其開展科學(xué)本質(zhì)教育的教學(xué)策略。本文探討了利用社會(huì)性科學(xué)議題（SSI）情境、融入HPS教學(xué)、在技術(shù)增進(jìn)的學(xué)習(xí)環(huán)境中開展科學(xué)探究的三條科學(xué)本質(zhì)教學(xué)路徑，并提出建議，以期為進(jìn)一步改進(jìn)我國科學(xué)本質(zhì)教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：科學(xué)本質(zhì); SSI情境; HPS教學(xué); 技術(shù)增進(jìn)的學(xué)習(xí)環(huán)境; 路徑及建議

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? 文章編號：1006-3315（2019）01-149-003

一、問題提出

科學(xué)本質(zhì)（Nature of Science，NOS）是科學(xué)素養(yǎng)的核心內(nèi)涵之一，也是國際科學(xué)教育界關(guān)注的焦點(diǎn)。在國際科學(xué)課程的改革趨勢下，科學(xué)本質(zhì)教育成為科學(xué)課程的重要內(nèi)容，并呈現(xiàn)于許多國家和地區(qū)的課程文件中。如美國2013年發(fā)布的《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)（NGSS）》細(xì)化了科學(xué)本質(zhì)的教育內(nèi)容，并將其內(nèi)隱于“科學(xué)與工程實(shí)踐”、“跨學(xué)科概念”中;英國2014年發(fā)布的新版《國家科學(xué)教育課程標(biāo)準(zhǔn)》將科學(xué)本質(zhì)作為課程學(xué)習(xí)計(jì)劃的總體目標(biāo)之一，并注重學(xué)生在探究過程中理解科學(xué)本質(zhì)等。[1]雖然科學(xué)教育界尚未形成明確統(tǒng)一的科學(xué)本質(zhì)定義，但在K-12教育階段教授何種科學(xué)本質(zhì)逐步達(dá)成共識。McComas等人[2]基于八份國家科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)文件中提煉出的科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵在國際上廣受認(rèn)可。如科學(xué)知識兼具暫時(shí)性和持久性;科學(xué)知識依賴于觀察、實(shí)驗(yàn)證據(jù)、論證和質(zhì)疑;科學(xué)是社會(huì)和文化的一部分;科學(xué)和技術(shù)相互作用等。

國際科學(xué)教育界在追問“什么是科學(xué)本質(zhì)”的同時(shí)，對如何開展科學(xué)本質(zhì)教學(xué)進(jìn)行了多維度的探索，并逐步延伸出了諸如設(shè)置社會(huì)性科學(xué)議題情境、融入HPS教學(xué)、在技術(shù)增進(jìn)的環(huán)境中開展科學(xué)探究等多維視角。就我國而言，雖然在新課程改革文件中強(qiáng)調(diào)對科學(xué)本質(zhì)的關(guān)注，但對于科學(xué)本質(zhì)的規(guī)定更多停留在“理念”層面，并沒有明確的具體細(xì)則目標(biāo)和內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)。探析科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的實(shí)踐路徑是我國科學(xué)課程改革的重要方向之一，有助于科學(xué)教師將對科學(xué)本質(zhì)的理解轉(zhuǎn)化為課堂實(shí)踐。

二、科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的路徑探析

（一）路徑之一：利用社會(huì)性科學(xué)議題（SSI）情境

SSI是指當(dāng)代科技發(fā)展和應(yīng)用所引發(fā)的一系列帶有爭議性的議題（如克隆技術(shù)、基因改造食品、全球氣候變暖等）。其因涉及人權(quán)教育、性別平等教育、環(huán)境教育等議題，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)、文化、生態(tài)環(huán)境、倫理道德等方面的問題而備受爭議。[3]針對科學(xué)學(xué)習(xí)而言，科學(xué)知識是在一定的情境脈絡(luò)之中個(gè)人建構(gòu)和社會(huì)建構(gòu)的共同過程。在情境中融入議題，在開放、兩難、結(jié)構(gòu)不佳的真實(shí)問題中學(xué)習(xí)隱藏其背后的科學(xué)知識，有助于理解當(dāng)代科技運(yùn)用中出現(xiàn)的沖突性問題。

國外對于利用SSI情境促進(jìn)科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的研究以英、美國家為首，并興起于上世紀(jì)80年代。發(fā)展至今關(guān)于SSI的議題內(nèi)容廣泛、教學(xué)模式豐富、實(shí)證研究較為成熟。國外學(xué)者Sadler[4]指出，利用SSI情境開展教學(xué)所關(guān)注的科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容在于（1）科學(xué)知識的嘗試性;（2）科學(xué)建立在經(jīng)驗(yàn)證據(jù)基礎(chǔ)之上;（3）科學(xué)包含科學(xué)家的創(chuàng)造性活動(dòng);（4）科學(xué)和社會(huì)文化間具有互動(dòng)關(guān)系。Karplus的5E學(xué)習(xí)環(huán)教學(xué)模式、林樹聲的七步教學(xué)模式、Buhamu和Mitchell的五階段教學(xué)模式等影響廣泛。此外，學(xué)者們在SSI情境促進(jìn)科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的實(shí)證研究上也做出了諸多貢獻(xiàn)。如國外學(xué)者Zohar和Netmet[5]針對以色列的初中學(xué)生展開基因工程議題的測驗(yàn)結(jié)果表明，學(xué)生在科學(xué)論證、解決真實(shí)性問題的遷移能力方面的表現(xiàn)顯著提高，其對“科學(xué)和社會(huì)文化具有互動(dòng)關(guān)系”的科學(xué)本質(zhì)有深刻的理解。學(xué)者Walker和Zeidler[6]在美國高中開展的基于轉(zhuǎn)基因食品的課程評估結(jié)果表明，SSI情境中學(xué)生對于科學(xué)本質(zhì)的理解（如科學(xué)的主觀性、暫時(shí)性、發(fā)展性、創(chuàng)造性，科學(xué)的社會(huì)方面）有所增加。相比于國外，我國仍處于SSI情境下教學(xué)內(nèi)容與模式的引進(jìn)及介紹的初探階段，主要涉及教學(xué)策略、批判性思維、與STS的比較等方面，文獻(xiàn)形式以綜述為主。但不難發(fā)現(xiàn)，利用SSI情境的教學(xué)方式正逐步引起我國教育工作者的關(guān)注。

如何著眼于國內(nèi)科學(xué)教育現(xiàn)狀進(jìn)行論證研究，是開展科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的困境之一。其一，在我國基礎(chǔ)學(xué)習(xí)教學(xué)模式下，強(qiáng)調(diào)概念和事實(shí)的灌輸式學(xué)習(xí)方式和一元價(jià)值觀的課程觀念。議題中心教學(xué)受限于學(xué)科結(jié)構(gòu)，難以進(jìn)行客觀學(xué)習(xí)評價(jià)。其二，研究數(shù)據(jù)顯示不同年齡段的學(xué)生普遍存在難以進(jìn)行高質(zhì)量的課堂討論的問題，情感、道德、文化以及如何對學(xué)生進(jìn)行知識整合等都值得考量的因素。其三，課程標(biāo)準(zhǔn)和教材對SSI情境的編制仍有較大的完善空間。我國現(xiàn)有的課程標(biāo)準(zhǔn)只是在“科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)”內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)中提及要重視當(dāng)代社會(huì)重大問題，并未對相關(guān)內(nèi)容給出明確的規(guī)定，且問題涉獵缺乏多樣化。

（二）路徑之二：融入HPS教學(xué)

HPS教育研究是國際科學(xué)教育中關(guān)于科學(xué)史教學(xué)的重要課題之一。荷蘭的PLON課程、HPS教育（將科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)融入科學(xué)教學(xué)）以建構(gòu)主義和人本主義學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)舊知整合新知識的重新建構(gòu)過程。其核心內(nèi)涵就是對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識。國外研究學(xué)者對于HPS教育有一些共性的認(rèn)識，如HPS教育要使學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)涵，體會(huì)科學(xué)是解釋自然現(xiàn)象的一種嘗試、科學(xué)結(jié)果有可重復(fù)性、科學(xué)和技術(shù)相互影響等。

在國外HPS教育的實(shí)踐研究中，英國學(xué)者M(jìn)onk和Osborne[7]于1997年提出的“融合”模式是其中較為經(jīng)典的教學(xué)模式之一?！叭诤稀蹦Ｊ揭浴疤岢鰡栴}-引出觀念-學(xué)習(xí)歷史-設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)-呈現(xiàn)科學(xué)的觀點(diǎn)和檢驗(yàn)-總結(jié)評價(jià)”為基本步驟，對認(rèn)識科學(xué)的重復(fù)性、科學(xué)研究的艱難性、科學(xué)家的創(chuàng)造性等方面大有裨益。此外，諸多學(xué)者研究表明，歷史個(gè)案研究、科學(xué)寫作、利用科學(xué)史中的失誤、反思性學(xué)習(xí)等方式融入科學(xué)課程能有效提升學(xué)生對于科學(xué)本質(zhì)的理解。近年來，國內(nèi)越發(fā)重視HPS教育，重要集中在研究HPS國際科學(xué)教育動(dòng)態(tài)、將HPS運(yùn)用于科學(xué)教育實(shí)踐、關(guān)于HPS與科學(xué)教育改革等。眾多學(xué)者借鑒國外經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合我國社會(huì)文化背景進(jìn)行本土化研究。如黃曉[8]反思單擺教學(xué)對科學(xué)本質(zhì)關(guān)注的缺失，以歷史個(gè)案研究的方式提出“歷史-探究-反思”方法開展科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的教學(xué)策略，并借此加深學(xué)生對“科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)文化相互作用”科學(xué)本質(zhì)的理解。李艷瓊[9]提出針對不同課型進(jìn)行本土化改良出相適應(yīng)的滲透科學(xué)史的教學(xué)模式，并發(fā)現(xiàn)運(yùn)用“IHVs情境-陶冶“、“自學(xué)-指導(dǎo)“、“探究、建構(gòu)”等模式有助于學(xué)生對于“科學(xué)家身份”、“非權(quán)威性”、”科學(xué)的暫時(shí)性與持久性”等科學(xué)本質(zhì)的理解。

通過HPS教學(xué)促進(jìn)學(xué)生科學(xué)本質(zhì)提升在本土化過程中存在著諸多問題。其一，科學(xué)史可能是一部“偽歷史”。歷史資料本身的不準(zhǔn)確容易呈現(xiàn)出“歪曲”和“篡改”的歷史。硬生生地引導(dǎo)學(xué)生得出所謂的“正確結(jié)論”的做法不可取。其二，HPS融入科學(xué)教學(xué)對教師在科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)方面的素質(zhì)提出更高的要求，教師必須有足夠強(qiáng)的科學(xué)探究的歷史傳統(tǒng)及敏銳的判斷力。而現(xiàn)行師資培訓(xùn)模式下的教師往往達(dá)不到這樣的標(biāo)準(zhǔn)。其三，我國教材中與HPS相關(guān)的內(nèi)容較少且呈現(xiàn)方式主要以插圖和文字為主。若僅僅以此作為激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、附加知識等功能進(jìn)行傳授，并不能達(dá)到理想效果。

（三）路徑之三：在技術(shù)增進(jìn)的學(xué)習(xí)環(huán)境中開展科學(xué)探究

技術(shù)增進(jìn)的學(xué)習(xí)環(huán)境助力技術(shù)變革科學(xué)學(xué)習(xí)是推動(dòng)信息化的創(chuàng)新發(fā)展浪潮下科學(xué)教育發(fā)展的必然趨勢。技術(shù)增進(jìn)的學(xué)習(xí)環(huán)境主要是指通過技術(shù)腳手架和承接性強(qiáng)的學(xué)習(xí)活動(dòng)，為學(xué)生提供交互式的自主探究技術(shù)環(huán)境。學(xué)者Slotta[10]指出，有效促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行自主探究的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境主要包括?！澳_手架探究環(huán)境（如WorldWatcher、BGuLIE等）及“沉浸式環(huán)境”（如River City、Quest Atlantis等）兩大類別。這些規(guī)?；?xiàng)目通過設(shè)計(jì)研究促進(jìn)學(xué)習(xí)的情境性、協(xié)作交流和意義建構(gòu)。學(xué)生在情境建構(gòu)中經(jīng)歷與科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)探究相似的過程，徹底擺脫缺乏思維深度和流于形式的假探究的限制。此外，研究表明利用互聯(lián)網(wǎng)為學(xué)生提供交互性課程材料（可視化模擬試驗(yàn)和科學(xué)模型）和探究工具（提示、反思性比較、概念圖等），支持學(xué)生開展在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室或日常生活中難以實(shí)現(xiàn)的探究活動(dòng)是促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)的有效途徑。[11]

美國Marcia Linn教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)的基于網(wǎng)絡(luò)的在線科學(xué)探究學(xué)習(xí)平臺（Web-based Inquiry Science Environment，簡稱WISE）作為技術(shù)增進(jìn)的學(xué)習(xí)環(huán)境的典型代表，兼具腳手架探究環(huán)境及沉浸式環(huán)境的功能。WISE為提供學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)探究的環(huán)境，使學(xué)生轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)概念的建構(gòu)者角色，從而有助于學(xué)生深入理解科學(xué)本質(zhì)。[12]Linn及其同事借助知識整合（KI）視角，借鑒并融合了建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論及部分認(rèn)知主義理論（諸如“有價(jià)值的困境”、“可視化在科學(xué)學(xué)習(xí)中的作用”）。學(xué)生在“析出觀念”-“添加觀念”-“辨分觀念”-“反思觀念”的過程中使其所持有的觀念之間形成聯(lián)結(jié)，并由此建立起學(xué)生對于科學(xué)現(xiàn)象的一致性理解，從而促進(jìn)對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識。如以WISE的光合作用課程單元為例，學(xué)生需要在課程單元所提供的與生活經(jīng)驗(yàn)及文化背景相關(guān)的情境下，以“能量轉(zhuǎn)化”為線索，通過可視化工具、在線游戲等活動(dòng)不斷經(jīng)歷“假設(shè)-重復(fù)嘗試-驗(yàn)證”的自主探究過程，增強(qiáng)關(guān)于“科學(xué)基于實(shí)證、科學(xué)知識具有暫時(shí)性并不斷發(fā)展”等科學(xué)本質(zhì)。

技術(shù)增進(jìn)的學(xué)習(xí)環(huán)境為我國的教育改革帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。其一，技術(shù)支持下的泛在學(xué)習(xí)對教師轉(zhuǎn)變角色發(fā)起挑戰(zhàn)。如何在借助多種技術(shù)工具交互下促進(jìn)學(xué)生對于科學(xué)本質(zhì)的理解及科學(xué)概念的一致性理解，促進(jìn)科學(xué)素養(yǎng)的提高，是仍待商議的話題。其二，我國對于本土化的基本問題和真實(shí)情境的本土化互動(dòng)式學(xué)習(xí)平臺設(shè)計(jì)比較缺乏，此領(lǐng)域仍需要深入研究和開發(fā)。其三，我國自主開發(fā)的基于技術(shù)支持的學(xué)習(xí)環(huán)境不能靈活地適配課程。如何增強(qiáng)學(xué)習(xí)環(huán)境與課程的匹配度仍是目前亟需解決的問題。

三、科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的實(shí)施建議

（一）探析利用SSI情境的本土化路徑，加強(qiáng)師資培訓(xùn)與教材開發(fā)

教學(xué)模式及實(shí)證研究尚未成熟，學(xué)生不能理解相關(guān)社會(huì)性科學(xué)議題、教學(xué)內(nèi)容匱乏、教學(xué)時(shí)間較長等因素是實(shí)施SSI情境教學(xué)的難題。首先，教育工作者應(yīng)努力尋求SSI情境中進(jìn)行科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的本土化路徑。如充分挖掘生態(tài)、資源使用、健康、道德等議題的科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容，并開發(fā)本土化教學(xué)模式，加強(qiáng)在中小學(xué)SSI教育的實(shí)踐研究（如選擇特定的內(nèi)容，運(yùn)用SSI情境與課堂教學(xué)有機(jī)結(jié)合）。其次，在師資培訓(xùn)中加入SSI及教學(xué)方面內(nèi)容。通過舉辦專家講座、組織專題研討活動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)研修等方式介紹多元化的教學(xué)策略（如開展辯論會(huì)、使用科學(xué)戲劇等）。增強(qiáng)教師利用SSI情境進(jìn)行科學(xué)知識和探究教學(xué)的同時(shí)，融入科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的觀念，使其意識到傳統(tǒng)的“基礎(chǔ)學(xué)科教學(xué)”與“SSI情境教學(xué)”的區(qū)別。再者，借鑒美國等發(fā)達(dá)國家在教材《科學(xué)探索者》《科學(xué)焦點(diǎn)》等中在議題的選擇和編寫的特點(diǎn)，并結(jié)合地方特色開發(fā)本土化特色教材，為教師借助SSI情境開展科學(xué)本質(zhì)教學(xué)提供參考。

（二）改良HPS教學(xué)模式，融入地方特色

盡管HPS教學(xué)模式融入科學(xué)課程的多方面價(jià)值受到國際科學(xué)教育專家們的認(rèn)可，但應(yīng)試教育的大背景下，教師、學(xué)生難以從授受主義的桎梏中得以解放。首先，改良HPS教學(xué)模式，積極設(shè)計(jì)融入HPS模式的本土化新型科學(xué)課程并融入地方特色。國內(nèi)對HPS教學(xué)模式的研究大多以“融合”模式為主，缺乏普適價(jià)值。故結(jié)合實(shí)際教學(xué)的課型進(jìn)行調(diào)整，并設(shè)計(jì)融入HPS模式的本土化課程，教給學(xué)生“真實(shí)的、歷史的科學(xué)”，而不是“神話式”的科學(xué)。其次，開發(fā)HPS教育培訓(xùn)模式。教師對科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)的理解會(huì)直接影響學(xué)生，故通過對教師進(jìn)行科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)的培訓(xùn)至關(guān)重要。效仿美國、英國、日本等國家為科學(xué)教師制定標(biāo)準(zhǔn)，通過對在校師范專業(yè)學(xué)生進(jìn)行普及，以及國培計(jì)劃，工作坊等方式進(jìn)行推廣宣傳，為教師的專業(yè)化發(fā)展提供參考。

（三）合理利用技術(shù)增進(jìn)學(xué)習(xí)環(huán)境，努力實(shí)現(xiàn)教師角色轉(zhuǎn)變

信息技術(shù)為未來教育環(huán)境下開展教育活動(dòng)的發(fā)生提供了豐富且多元的情境，為增進(jìn)學(xué)習(xí)、實(shí)現(xiàn)探究提供了可能性。研究者發(fā)現(xiàn)，復(fù)雜的社會(huì)和技術(shù)環(huán)境中深度學(xué)習(xí)更有可能發(fā)生，在技術(shù)增進(jìn)的學(xué)習(xí)環(huán)境中利用科學(xué)探究促進(jìn)學(xué)生科學(xué)本質(zhì)發(fā)展是有效的。首先，教師應(yīng)合理利用技術(shù)增進(jìn)學(xué)習(xí)環(huán)境（如WISE、虛擬實(shí)驗(yàn)、在線學(xué)習(xí)資源等）為學(xué)生開展基于真實(shí)情境的自主探究活動(dòng)，促進(jìn)其高階思維的發(fā)展。其次，教師應(yīng)加強(qiáng)角色轉(zhuǎn)變的觀念，在實(shí)踐共同體中創(chuàng)造全新角色?！缎旅襟w聯(lián)盟地平線報(bào)告-2017基礎(chǔ)教育版》也深刻揭示出在技術(shù)應(yīng)用時(shí)代下重塑教師角色的重要性。課堂支持者、學(xué)習(xí)促進(jìn)者、資源開發(fā)者、學(xué)習(xí)指導(dǎo)提供者等多重身份為教師帶來了巨大挑戰(zhàn)。