科學教育改革需要實驗研究

2001年，隨著我國新一輪課程改革的啟動，我國小學科學課程的改革也步入了新的發(fā)展階段。這一階段的重要標志是小學課程中的自然課被更名為科學。2001年頒布的國家《科學（36年級）課程標準》（實驗稿）也明確了這門課程是以培養(yǎng)科學素養(yǎng)為宗旨的科學啟蒙課程。課程性質(zhì)的變化，會給我們帶來哪些觀念上的改變？教材編制和課堂教學應發(fā)生哪些相應的變革？這些問題曾經(jīng)十分明確地擺在所有改革者的面前。在探索上述問題的過程中，有兩個基本事實令我們十分關注。其一是，一些發(fā)達國家基礎教育階段的科學課程改革已取得長足的進展，并表現(xiàn)出鮮明的價值取向和發(fā)展脈絡；其二是，2002年對我國21個省市小學科學教師的問卷調(diào)查表明，相對于科學知識等方面，我國小學科學教師的最大困難和問題是缺乏對科學性質(zhì)的了解，對科學課程和學生的認識也極大地影響著教師的教學實踐。在課程開發(fā)和課堂教學中亟待解決的具體問題是，如何根據(jù)培養(yǎng)科學素養(yǎng)的新目標設計課程結構和選擇教學內(nèi)容；如何圍繞核心概念開展科學探究活動；如何在科學概念的學科邏輯結構和兒童認知發(fā)展的心理結構之間找到結合點；如何將學習內(nèi)容、學習態(tài)度和學習方法相互關聯(lián)，等等。為了應對課程性質(zhì)變化帶來的挑戰(zhàn)，我們認為，需要借鑒發(fā)達國家科學課程改革的成功經(jīng)驗，同時著力解決我國科學教育發(fā)展中面臨的特殊困難。在這一過程中，圍繞一門課程展開基礎性研究，可能是尋求問題解決方法的一種途徑。

為什么選擇STC課程進行實踐研究

經(jīng)過分析和考察，我們選擇了美國的STC科學課程。原因之一是，近百年來，美國對科學教育的研究較為系統(tǒng)，而近30年來，基于對科學教學和科學學習的大量研究成果，已經(jīng)形成了關于科學學習本質(zhì)的一些指導原則，便于我們分析和理解課程設計的理論基礎。另一個原因是，第二次世界大戰(zhàn)后，世界科學文化的中心已由歐洲轉(zhuǎn)移到美國，美國的科學教育會傳遞出更多的科學文化信息。

從2006年9月起，我們組織遼寧、北京、天津、湖北、重慶、廣東、江蘇和浙江8個省市的10所小學進行了為期6年的美國STC課程實驗。目前，這項實驗已如期完成，共在20個實驗班的741名學生中進行了16年級全部24個單元的課堂教學，對學生xvyOlgINSwNT10xjKESIZg==在這門課程干預下的言論和行為做了全程、多角度的觀察。

關于STC課程的研究方法，我們也決定突破文本研究的局限而采取課題實驗的方法。我們相信，親身實踐會促使研究者對研究對象做更為深入的了解，課堂實驗會便于我們從教學過程中收集相關的事實形成證據(jù)，以作為認識形成的基礎。

為了更準確地把握研究的對象，從實驗伊始，我們就確立了實驗的基本原則——嚴格按照STC課程教師指導用書中的系列設計進行教學，并邀請美國STC課程的培訓師對實驗教師逐單元進行培訓。為了研究的需要，我們也要求兩名實驗教師同時進入課堂。一名進行教學，一名進行觀察和協(xié)助收集事實性資料。事實性資料主要包括課堂實錄（用攝像機記錄的課堂教學全過程，共290節(jié)）、班級記錄單（教師和學生在新聞紙上記錄的班級討論結果，共1498份）、學生的記錄單和科學日記（學生觀察和實驗的原始記錄、對數(shù)據(jù)作出的處理以及個人觀點，共13818份）、教師的教學日記（教師記錄的教學軼事、教學感悟和體驗，共1188份）和各種評價信息（單元的前測和后測、過程性評價、終結性評價和學生自我評價，共1580份）等。

將上述事實性資料置于實驗研究的框架之內(nèi)，運用已有理論進行分析和推理，從實驗中我們獲得了學生發(fā)展的相關證據(jù)，并識別出課程在其中所發(fā)揮的作用。這為我們認識當代科學課程的基本理念、教材編制和課堂教學改革的內(nèi)容和方向提供了豐富的基礎資料，同時也獲得了對改善我國科學教育現(xiàn)狀的眾多啟發(fā)。

STC課程的設計理念和實施策略

美國STC課程的文本教材分為教師指導用書、學生活動手冊和學生科學讀本3大部分。按照大單元的結構，16年級的課程由生命科學、物質(zhì)科學、地球科學、設計與技術領域的24個單元教學模塊組成，每一個單元需持續(xù)進行2個月左右的教學。

STC課程的設計充分體現(xiàn)了現(xiàn)代科學的價值觀、方法論和認識論。在STC課程里，科學被置于課程設計的核心位置上。例如，科學重視證據(jù)和數(shù)據(jù)。孩子們在不同主題的學習過程中能不斷體驗證據(jù)和數(shù)據(jù)是形成和發(fā)展某一觀點的基礎，能不斷參與與證據(jù)和解釋相關的討論和分析，不斷對證據(jù)和數(shù)據(jù)進行評價，并不斷體驗和反思所學的知識。例如，科學需要經(jīng)歷一系列復雜的實踐活動。孩子們在課程中能不斷學習如何提出問題，如何進行觀察和實驗，如何組織、表征和使用數(shù)據(jù)，如何基于證據(jù)進行推理論證，以及如何做出解釋等，反復體驗知識的建立和拓展過程。例如，科學是一項凝聚集體智慧和創(chuàng)造力的工作。課程十分強調(diào)知識的發(fā)現(xiàn)和習得都離不開學習（科學）共同體，不同結果和觀點的存在對修正和完善自身的認識至關重要。孩子們在課程學習中能不斷經(jīng)歷與伙伴合作探究的過程，逐漸理解社會構建在科學知識建立過程中的作用。例如，科學是運用概念結構和相關事實理解自然現(xiàn)象的。STC課程采用概念分級的方法，從統(tǒng)一概念的層面建立了整體框架，從單元概念的層面確立了單元的學習主題和目標，又從分級概念和子概念層面設計了連貫的課堂教學活動。這樣使孩子們從小學階段就開始學習如何將學習內(nèi)容與更高層次概念聯(lián)系起來，逐步搭建理解自然現(xiàn)象的概念性框架。

課程的設計還充分體現(xiàn)了兒童中心的原則。通過這一原則，STC課程很好地進行了學科邏輯與兒童邏輯的結合，具體表現(xiàn)在對兒童已有學習經(jīng)驗、能力和態(tài)度的關注。課程設計的學習周期、教學步驟、科學記錄單和評價系統(tǒng)，從多方面保證了以兒童的前概念作為教學的起點，使孩子們能夠始終保持學習的興趣，并不斷發(fā)展做出預測、進行解釋和科學論證的能力。還表現(xiàn)在所采取的一系列適應兒童發(fā)展需要的教學干預措施?！耙挥⒋鐚?，一英里深”的大單元設計，使兒童有機會進行深入探究，能夠不斷積累連續(xù)性的學習經(jīng)驗并與同伴進行充分的交互。建立在元認知理論基礎上的單元組織結構和活動設計，使孩子們能夠通過回顧和反思，不斷修正和完善自己對事物的原有認識。此外，課程還十分注意將兒童的科學學習與他們的好奇心、學習興趣和日常生活經(jīng)驗相聯(lián)系，不斷激發(fā)他們持續(xù)學習科學的愿望，并深入理解周圍的自然現(xiàn)象。

STC課程的教學策略包括班級討論、頭腦風暴、合作性學習小組、思維工具和學習（材料）中心。由教師有效引導的班級討論被認為是科學學習中非常重要的手段，它為學生提供了明確表達自己想法、練習依靠證據(jù)做出解釋并與同伴進行集體論證的機會。頭腦風暴是在單元或一節(jié)課的起始階段具有刺激性和引導性的活動，它使學生和教師了解關于學習主題已有的知識和期待解決的問題，同時學會如何在討論中尊重他人，以及融合自己與他人的想法。合作性學習小組是STC課程中廣泛采用的學習組織形式，它讓孩子們在與同伴的合作中應對挑戰(zhàn)性學習任務，學會通過溝通、交流和分享形成對事物的認識，提高學習的能力。思維工具主要指科學記錄單、網(wǎng)狀圖、維恩圖等。它們發(fā)揮了幫助學生組織和呈現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)，對學習主題做盡可能多的聯(lián)想，識別概念間的聯(lián)系，以及對不同的信息進行比較等信息加工作用。學習（材料）中心是教師在教室里設置的一個由探究器材、科學圖書、視頻資料等組成的學習支持系統(tǒng)。它延伸了課堂教學活動并能協(xié)助學生開展課程之外的自由研究。

實踐研究的發(fā)現(xiàn)

通過對STC課程的6年實驗，我們從課堂觀察所獲得的大量事實性資料中發(fā)現(xiàn)，STC課程的目標基本上都能在實驗班的學生身上得以實現(xiàn)。

STC課程的目標之一是，使科學對所有學生都是適合的、有趣的和富有挑戰(zhàn)性的。從24個單元后的學生自評中，我們看到學生通常都用“有趣”、“興奮”或“有成功感”等詞匯形容他們對單元學習的體會和感受。在每個單元長達2個月的科學學習中，學生們表現(xiàn)出的持續(xù)的學習熱情給我們留下了深刻印象，也證明了課程對孩子們的吸引力。挑戰(zhàn)性探究在STC課程中十分突出，不僅表現(xiàn)為活動設計的難度，而且表現(xiàn)為較高的教學要求。我們觀察到，幾乎沒有一個小組的學生會顧及失敗的煩惱，他們總是全身心地投入。適切而又富有挑戰(zhàn)性的教學活動大大促進了他們的發(fā)展，使6年級的學生不僅能自行設計實驗和表格，利用簡圖和文字的組合表征觀察結果，還能評價證據(jù)與探究方法和工具的關系，關注論證的客觀性、全面性和準確性。

STC的課程目標之二是，有助于學生對周圍世界的概念性理解。從記錄單對事物或現(xiàn)象的大量解釋中我們看到，學生們的概念性理解不僅僅是具象、生動和個性化的，隨著單元教學和年級的推進，他們已經(jīng)表現(xiàn)出層級發(fā)展、多維聯(lián)結、富有邏輯和反思性等特征。例如，對“生命特征”這一核心概念，從1年級到6年級，實驗班的學生能夠清晰地呈現(xiàn)。從生物的基本生存需求到生命周期，從生物的相互依存到身體結構、習性與棲息地的關系，從生態(tài)系統(tǒng)到外部環(huán)境對生物的影響這樣一個逐級發(fā)展的特點。從“生態(tài)系統(tǒng)”單元的課堂實錄中，可以明顯地看到學生對相互依存概念所形成的包括食物鏈、相互作用、物質(zhì)與能量的流動在內(nèi)的復雜邏輯結構的了解。從單元總結課學生對班級記錄單的修改中，也可以看到他們已經(jīng)具備了不斷對先前形成的概念進行反思和修正的能力。

STC課程的目標之三是，幫助兒童發(fā)展論證的能力。在6年的課程實驗中，我們不僅觀察到大量的觀點交互、以證據(jù)為依據(jù)的學生論證行為，而且發(fā)現(xiàn)了學生在論證中已經(jīng)存在并發(fā)展著的評價證據(jù)、重復檢測、協(xié)調(diào)證據(jù)與觀點的能力。從對實驗班學生的全程觀察中我們還發(fā)現(xiàn)，兒童批判意識的發(fā)展是隨著探究熟練程度的提高、收集證據(jù)能力的增強而逐漸發(fā)展起來的。從低年級到高年級，兒童論證能力變化表現(xiàn)出明顯的階段性特征。在大量的單元前、后測中觀察到，學生正在逐漸形成自己的解釋體系，逐漸脫離情境進行抽象概括，自覺地辨識事物間的聯(lián)系，主動尋找證據(jù)并形成自己的生成性解釋。

STC課程的目標之四是，促進學生科學態(tài)度的形成，如好奇心、尊重證據(jù)、靈活性和對生物的敏感性。從嵌入式評價活動中我們發(fā)現(xiàn)，學生們基本能夠運用簡單的科學原理綜合或選擇實驗方法。他們不僅能夠較準確地記錄結果，而且也能對之進行卓有成效的處理，還會根據(jù)情況用恰當?shù)姆绞竭M行呈現(xiàn)。他們對頭腦風暴和集體論證中的3個原則經(jīng)歷了由不適應到自覺遵守的過程，逐漸能夠傾聽別人的意見，并且聯(lián)系事實或證據(jù)陳述自己的觀點。在飼養(yǎng)蝴蝶和威斯康辛植物的過程中所表現(xiàn)出來的對生命的敬畏和關愛是教師們在以往的教學中從未見到過的?！吧鷳B(tài)系統(tǒng)”單元關于海灣污染問題的辯論活動更是表現(xiàn)了孩子們對社會問題的強烈關注。

收集到的大量事實性資料表明，通過STC課程的學習，實驗班學生的科學素養(yǎng)獲得了明顯的發(fā)展。這是哪些課程因素成功干預學生科學學習的結果？又為我國科學課程的建設和課堂教學提供了哪些可供借鑒的經(jīng)驗呢？我們從10個方面進行了梳理并開展了專題研究。這10個方面是，課程的整體框架和知識的組織形式，概念發(fā)展的連貫性和廣泛性，適合于兒童的科學實踐活動，情境化的教學設計，集體論證能力的培養(yǎng)，學習共同體的創(chuàng)建，教學評價系統(tǒng)，探究材料的設計和使用，科學閱讀的開展和科學記錄功能的發(fā)揮。這10個方面涉及科學課程建設和教學的基本理念，也涉及具體的實施策略，我們認為是它們形成了STC課程的標志性特征，也反映了當代科學課程和教學的眾多要素。

對我國科學教育的啟示

通過6年的課堂實驗，我們認為STC課程給我們的最大啟示是，科學課程的開發(fā)和課堂教學都需要建立在對科學本質(zhì)的深刻理解上。STC課程正是根據(jù)科學家的科學實踐設計了學生必須經(jīng)歷的學習活動，并且在這些活動中突出了科學家在科學實踐活動中必須遵守的共同原則。這些活動使學生逐漸理解科學家是用什么方法認識世界的，科學知識是如何被發(fā)現(xiàn)并不斷修正的。這些原則使學生逐漸了解什么是科學的價值觀，理解為什么科學實驗與事實這么重要，為什么一個解釋的產(chǎn)生需要經(jīng)過反復的檢驗，為什么只有堅持質(zhì)疑和反思才能幫助我們形成更準確的認識。STC課程用自己的設計生動地向我們展示了用科學建構世界觀和道德意識形態(tài)的具體做法，告訴我們作為科學課程和教學的靈魂究竟是什么。相比之下，我國目前的小學科學課程在反映科學的核心要素方面還顯得很薄弱，需要進一步從事實性知識的教學中走出來。

STC課程給我們的另一個重要啟示是，要正確看待兒童的學習潛力和學習能力，并對他們的發(fā)展要求給予真正的關注。STC課程在發(fā)展學生集體論證方面的成功經(jīng)驗說明，即使是低年級的學生也有復雜的思維方式，他們進行科學推理的能力比長期以來我們所設想的要強得多。他們可以而且正在進行著大量的推理過程，而這些過程可以形成科學思維的根基。我們在以往的課程設計和教學中常常對孩子們的能力估計不足，或者脫離了孩子們的實際水平，并缺乏對他們真實想法和學習進程的認真對待，這都需要我們進一步改進。

STC課程實驗帶給我們的啟示是多方面的。我們相信，隨著時間的推移，我們的認識會更加深刻和豐富，也會更有效地在我們的研究和實踐中加以應用。