編者按

以核心素養(yǎng)為綱的義務教育新課標，強化學科實踐，注重“做中學”，引導學生參與學科探究活動，經歷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、建構知識、運用知識的過程，體會學科思想方法；要求以學科實踐為抓手，探尋把知識轉化為素養(yǎng)的機制和原理，促進學科核心素養(yǎng)培育。學科實踐旨在促進學生理解、運用與轉化學科知識，是學科特有的實踐，是構建新型教學方式的關鍵環(huán)節(jié)。本期聚焦“學科實踐”話題，遴選3篇文章，以饗讀者。

［摘要］ 從科學探究的本義及其不同方式的理解中，分析科學教育教與學“講授—探究—實踐”嬗變的意蘊。從實踐的“認知—改造—融入”行為特性中，梳理出實踐的內容、內涵及分學科教學跨學科實踐的含義，提出以研究和設計為中心實施學科實踐的“體驗—實踐—抽象”三環(huán)節(jié)的路徑。

［關鍵詞］ 科學事業(yè)；科學與工程實踐；跨學科實踐；研究和設計為中心

物理、化學、生物學等科學教育學科在2022年課標中都提出了“跨學科實踐”或“跨學科主題學習”。從2011年課標的“科學探究”到2022年課標的“實踐”，這種發(fā)展演變有何深層意蘊？現(xiàn)從理解科學事業(yè)的角度闡述科學教育學科實踐的內涵與教學。

一、講授—探究—實踐：科學教學的嬗變

（一）科學探究本義及其不同方式的理解

科學中的探究是科學知識的形成過程。一個科學家注意到自然界中一個不尋常而有趣的現(xiàn)象，表現(xiàn)出好奇，產生疑問并投入其中；他從已有的專業(yè)知識背景中提出更加集中的科學性問題；他使用技術和數(shù)學方法進行探索，收集數(shù)據(jù)和信息，進行分析與歸納，比較先前的研究成果，進行邏輯推理形成證據(jù)，基于證據(jù)構建模型解釋現(xiàn)象回答問題，并在評估檢驗后增加解釋以達成自己的觀點主張；他基于證據(jù)和推理，創(chuàng)造新的科學語言，詳盡闡述其觀點并公開發(fā)表；更多的科學家依據(jù)各自的學科專業(yè)知識背景，在新證據(jù)的基礎上延伸或修訂原來的解釋，相互交流自己的假說、思想和觀點，作為可能的政策咨詢來源，從而形成方法、規(guī)則、標準，以及那些今天被我們認定的科學知識。如是，科學探究是人類循證解釋的社會性認知行為。

“探究”一詞在整個科學教育中被廣泛使用，存在多種不同方式的理解。探究有時會與任何動手體驗混為一談，但動手體驗并不一定會產生有意義的體驗，幫助學生參與科學概念的建構、認知及社會聯(lián)系，而且探究也并不一定要動手體驗，比如學生可以通過歷史案例研究或不同文本的比較來進行探究，而無須開展實驗活動或進行數(shù)據(jù)收集?，F(xiàn)實中，往往把課堂科學探究等同于學習“科學思維方法”“科學實驗方法”，這些被科學方法主導的、教條化的課堂探究簡化掉了對真實科學研究意義重大的部分，導致將科學探究縮減為層次更低的實驗探究，并且探究與現(xiàn)象、內容相分離，被等同于傳授和套用步驟，致使活的探究變成“執(zhí)行教師設計好預先計劃結果的探究方案，收集數(shù)據(jù)后全班匯報分享”的一種“烹飪書”式實驗操作，或者把探究設計成“擰螺絲”一般的動手裝配活動。

（二）探究變?yōu)閷嵺`，更好地詮釋科學本質

科學教育的基本目標之一是培養(yǎng)能夠理解科學本質的人。對科學本質的基本理解是：科學是人類的奮斗事業(yè)；科學研究使用多種方法；科學知識基于經驗證據(jù)；科學知識可根據(jù)新的證據(jù)進行修訂；科學模型、規(guī)律、機制和理論能夠解釋自然及人工智能現(xiàn)象；科學是一種認知方式；科學知識假設在自然系統(tǒng)中具有一致性；科學回答關于自然和物質世界及人工智能世界的問題。深入探究科學是人類奮斗事業(yè)的價值所在。2013年，美國公布了《新一代科學教育標準》（NGSS），強調跨領域共同概念，促進學生參與科學與工程實踐，加深學生對學科核心概念的理解。NGSS以復數(shù)形式的“科學與工程實踐”為核心，旨在更好地闡述和拓展科學“探究”的含義，以及其所要求的在認知、社會和自然規(guī)律方面的實踐范圍，與所有基于探究的科學教學方法一樣，期望學生親身參與實踐而徹底理解科學的本質，而非僅僅通過間接學習，了解科學知識。

參與實踐可以讓學生從整體上理解科學事業(yè)。科學既是一個歷史積累的知識體系，代表了對自然系統(tǒng)的當前理解，也是用來提煉、闡述、修訂和擴展這些知識的實踐過程。如果沒有親身體驗科學實踐，學生就無法理解科學實踐，也無法充分理解科學知識的本質，更不能理解科學事業(yè)。各學科科學知識唯一一致的特征是，科學知識本身可以根據(jù)新的證據(jù)進行修訂。在基礎教育的課堂上，問題是如何解釋自然世界，以及什么構成了充分的、基于證據(jù)的科學解釋。參與實踐獲得的見解有助于讓他們認識到，科學家和工程師的工作是一項創(chuàng)造性的奮斗事業(yè)，它深深地影響了人們生活的世界；科學和工程可以為應對當今社會面臨的許多重大挑戰(zhàn)做出貢獻，如尋找足夠的能源、預防和治療疾病、維持淡水和糧食供應、應對氣候變化等。但當前主要關注的是科學事實，而不了解這些事實是如何建立的，或者忽視科學在世界上的許多重要應用。這樣的教育歪曲了科學，并邊緣化了工程的重要性。技術和工程是滿足人類需求、求知欲的手段?？茖W性問題如果沒有延伸到工程、技術，以及日常生活和社會發(fā)展的環(huán)境中，學生的探究學習就會缺乏收集數(shù)據(jù)的豐富手段和廣泛基礎，導致解釋的證據(jù)牽強附會和以偏概全，形成有缺陷的探究。人類的創(chuàng)新行為更多地體現(xiàn)在改造自然的工程設計和技術迭代中，脫離了工程和技術，就是對探究的社會性認知行為缺乏全面理解，也就缺乏了創(chuàng)造之源泉。

二、認知—改造—融入：學科實踐的內涵

（一）科學與工程實踐的內容和特征

NGSS中的科學與工程實踐包括：提出科學性問題和定義工程性問題；開發(fā)和使用模型及原型；規(guī)劃并開展調查研究；分析和解讀數(shù)據(jù)；使用數(shù)學和計算思維；建立對現(xiàn)象的科學解釋和設計解決工程問題的方案；參與基于證據(jù)的論證；獲取、評估和交流信息。這八種實踐描述了科學家用來研究與建立有關整個世界的模型和理論的主要的科學實踐，以及工程師用來設計和建造系統(tǒng)的一套關鍵的工程實踐，它們并不是分離而孤立運作的，而是有意地被重疊和互連，往往被依次展開，但也可以跳躍或返回。例如，“提問”的實踐可能帶來“建?！被颉耙?guī)劃和進行調查”的實踐，反過來也可能帶來“分析和解釋數(shù)據(jù)”?！皵?shù)學和計算思維”的實踐可以包括“分析和解讀數(shù)據(jù)”的某些方面。論證是就解釋和設計解決方案達成一致意見的過程。在科學中，基于證據(jù)的推理和論證對于確定自然現(xiàn)象的最佳解釋至關重要。在工程中，需要推理和論證來確定設計問題的最佳解決方案。如果學生要了解科學家生活的文化，以及如何應用科學和工程造福社會，那么學生參與科學論證就至關重要。因此，論證是一個基于證據(jù)和推理的過程，可以得出科學界可接受的解釋和工程界可接受的設計解決方案?？茖W界的論辯超出了在解釋與設計解決方案方面達成一致的范圍。科學家和工程師在調查研究一種現(xiàn)象、測試設計解決方案、解決測量問題、建立數(shù)據(jù)模型和使用證據(jù)評估觀點時都會進行論證。閱讀、解釋、制作科學與技術文本是科學和工程的基本實踐，能夠幫助學生培養(yǎng)清晰而有說服力的溝通能力。

（二）實踐的內涵體現(xiàn)于循證和創(chuàng)新

教育上的實踐是一個學生“認知—改造—融入”的過程。學生參與科學實踐有助于他們理解科學知識是如何發(fā)展的，這種直接的參與使他們能夠理解用于調查研究、建模和解釋世界的各種方法，探索未知并解釋現(xiàn)象，不斷論證、重構概念，從而達成對科學世界的一致理解，這是一個社會性的群體認知行為。學生參與工程實踐同樣有助于他們理解工程師的工作，以及工程和科學之間的聯(lián)系，同時促進他們理解科學和工程跨領域的共同概念，在認知的過程中構建模型、創(chuàng)建原型、設計解決問題的方案，創(chuàng)造出自然世界中沒有的事物（比如手工作品、工具、文本、軟件等），這也是一個能動的改造自然的過程。學生經歷實踐性學習，使他們的知識更有意義，建構的科學內容與觀念融入日常生活、工程實踐和社會發(fā)展，融入社區(qū)、自然和社會等客觀世界，實現(xiàn)人與自然世界、人工智能世界的和諧相處，并把科學態(tài)度與責任、科學思維和價值觀根植于心?！敖忉尅焙汀案脑臁笔侨祟悐^斗的科學事業(yè)。“推理”“建?！薄罢撟C”是科學實踐的主要行為，解釋和論證的基礎是循證，改造的基礎是創(chuàng)新?？茖W教育上的實踐，其本質是通過“循證”（循證推理和論證，循證解釋和預測）和“創(chuàng)新”，培養(yǎng)理性的批判性思維和保持想象的創(chuàng)造性思維。

（三）分學科教學的跨學科實踐的理解

分學科教學的實踐自然而然要跨學科。科學世界是系統(tǒng)的，工程世界是協(xié)作的，它們都是整體的。任何一項科學或工程活動，在內容上是不能割裂的，至少與數(shù)學和技術的聯(lián)系是必需的。真實問題來源于現(xiàn)實世界，本來就具有跨學科的特點。設計一個模型、解釋一個現(xiàn)象、優(yōu)化一個設計，都會用到不止一個學科的知識。在“實踐”前面加上“跨學科”三個字只是為了突破現(xiàn)實中分學科教學導致的學科本位的限制，通過實踐讓學生在理解學科核心概念的基礎上，進一步理解科學教育中具有共性的跨領域共同概念：模式；因果機制；尺度、比例和數(shù)量；系統(tǒng)和系統(tǒng)模型；能量與物質；結構和功能；穩(wěn)定性與變化。

分學科教學的跨學科實踐有其現(xiàn)實含義。（1）解決問題，推動教學和育人方式深入改變。由于學科本位導致學科之間的知識斷裂而無法融合，學生知識碎片化、實際解決問題能力不強、知識的遷移度太低等，加上傳統(tǒng)教學中活動導向的設計缺乏對存在于學生頭腦中的重要概念和恰當學習證據(jù)的明確關注，讓學生誤以為只要自己參與活動就等于學習，缺乏對活動真正意義的深刻思考，從而導致學生對自然界、科學活動和人類社會缺乏整體、全面、深入的認識和理解。跨學科實踐不僅是教學理念發(fā)展的需要，也是解決學科教學中現(xiàn)實問題的需要。（2）立足學科，拓展內容到生活、工程和社會。依據(jù)目前義務教育的課程設置，各學科的跨學科實踐要立足本學科課程，再“跨”出本學科的視野，把學習內容拓展到日常生活、工程實踐和社會發(fā)展中?？鐚W科實踐應該按問題解決的真實需要，立足學科核心概念設計跨學科的學習內容和方式，使學生在解釋一個現(xiàn)象或完成一項工程任務的實踐過程中使用技術并把內容延伸到其他學科，以理解跨領域的共同概念。（3）減負增效，在應用中學習可遷移的新知識。在此次修訂過程中，跨學科實踐作為2022年課標中課程內容的重要組成部分和必備學習內容，與其他一級主題享有同等的地位，而不是對某些課程內容的拓展應用。比如，物理學科就將2011年課標中“1.4新材料及其應用”“3.6能源與可持續(xù)發(fā)展”中的內容進行整合，歸入2022年課標中“跨學科實踐”的“5.3 物理學與社會發(fā)展”中，知識內容在數(shù)量上沒有較大的變化?？鐚W科實踐不僅是應用知識的過程，也是學習新知識的過程。要想落實減負增效，在開展跨學科實踐時，就不能額外增加新的課時量作為知識綜合應用的環(huán)節(jié)而增加學生的學業(yè)負擔。

三、體驗—實踐—抽象：學科實踐的教學

如圖1所示，以研究和設計為中心進行學科實踐，“體驗”“實踐”“抽象”三環(huán)節(jié)使活動和內容結合，讓學生解釋自然現(xiàn)象和應對工程挑戰(zhàn)，可以提高他們對世界運行方式的理解，增加他們對科學和工程的概念性理解并重構可遷移的大概念，提高他們推理與解決問題的能力。這種學習可以更清楚地闡明在構建科學知識時，探究是什么樣子的，包含理解現(xiàn)象和設計挑戰(zhàn)、收集與分析數(shù)據(jù)信息、構建解釋和設計解決方案、與自己和他人交流推理、聯(lián)系多種情境學習。

1.基于標準，聯(lián)于現(xiàn)象。實踐的內容基于課程標準。實踐活動設計對應課程標準，確保學術的嚴謹性，將活動與有意義的學習目標對應；成果的評價標準來自課程標準，明確且具體地給出了掌握程度的說明；學生的學習支架、批判性反饋和修改的規(guī)程、評估、評價量規(guī)，自始至終都指向并支持學生可達成的課程目標?？茖W現(xiàn)象發(fā)生在自然界和人類創(chuàng)造的工程、人工智能世界中，可以被觀察到并引起人們的好奇和疑問。實踐關聯(lián)于當?shù)匚幕铜h(huán)境中的現(xiàn)象，為培養(yǎng)對三維科學和工程知識的有意義理解提供平臺和機會，利用證據(jù)來理解教室之外的自然和工程世界。

2.源于好奇，激于挑戰(zhàn)。兒童的學習動機來源于好奇與興趣、任務與挑戰(zhàn)、理想與成就。利用學生的好奇心，通過選擇吸引學生的有趣現(xiàn)象和設計挑戰(zhàn)性任務（包括與當?shù)匚幕嚓P的挑戰(zhàn)）來激發(fā)學習興趣。在非預知的學習區(qū)，哪怕一個簡單事件，當用科學的眼光看待時，往往都會引起學生的好奇心。這種驚奇是參與的開始，使學生在參與中尋求問題的答案，能夠保持他們天生的好奇和探索世界的欲望。

3.始于問題，載于項目?？茖W始于提出科學性問題，工程始于定義要解決的工程性問題。工程也可能涉及提出科學性問題來定義工程性問題。以項目為載體驅動學科實踐，將課程學習與真實的生活應用相結合，并以成功完成時的喜悅來喚醒理想、希望和意志，同時強化學習動機。3.0科學教育以科學與工程實踐為核心，突破學科限制，采取整體學習等策略，以現(xiàn)實問題為挑戰(zhàn)，以大概念為線索整合學術內容，圍繞科學主題和工程項目整體設計表現(xiàn)性任務與嵌入式評價，重構基于現(xiàn)象和標準的課程單元，鼓勵學生主動參與循證推理、建模及創(chuàng)建原型、循證解釋、設計解決問題的方案并論證的實踐，完成高質量的PBL項目或STEM工程任務，促使學生獲得可遷移的知識，實現(xiàn)深度學習，從而深刻理解科學、工程和技術的世界。

4.學于研究，修于設計。以研究和設計為中心的學科實踐，采用5E（Engage·Explore·Explain·Elaborate·

Evaluate）教學模式，學生在研究中學習，在設計中修真。如圖2所示，一些獨立的傳統(tǒng)活動模式，如以教師為導向的I-R-E（Initiate-Response-Evaluate）模式，即“教師發(fā)起提問—學生響應回答—教師總結評價”，不再以相同的形式存在，而實驗室只是學生和教師參與的眾多活動之一；學生通過如何提問、收集信息、評估證據(jù)和發(fā)展解釋來推動學習與研究；從左到右的箭頭突出了從傳統(tǒng)方法到科學與工程課程中心的研究、設計的轉變。

綜上所述，以研究和設計為中心的學科實踐，需要學習內容和空間的重構，需要學生和教師角色與身份的重塑。學生要從被動學習者轉變?yōu)橹鲃訁⑴c者，以科學家和工程師的方式認知、改造和融入世界，理解科學事業(yè)，提高批判性思維能力和創(chuàng)新能力。教師要提供學習的路徑、支架、策略，從知識傳授者轉變?yōu)閹熒鷮W習共同體的組織和參與者、學生探究與設計的引導和商量者、課程資源平臺的開發(fā)者和管理者，從科學教育的教師轉變?yōu)榻虒W育人的師者。

［本文系長沙市教育科學“十三五”規(guī)劃2020年度立項課題“初中大概念科學教育深度學習實踐研究”（項目編號：CJK2020027）研究成果］

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