鄭永和　周丹華　王晶瑩

摘 要：科學(xué)教育是實(shí)現(xiàn)科技創(chuàng)新人才自主培養(yǎng)的主陣地，對(duì)科學(xué)教育的內(nèi)涵追問與方法探索是推動(dòng)新時(shí)代科學(xué)教育加法落地的重要根基?？茖W(xué)教育研究科學(xué)如何成為人的主動(dòng)學(xué)習(xí)行為，體現(xiàn)在科學(xué)知識(shí)內(nèi)容、過程方法、教學(xué)規(guī)律和社會(huì)互動(dòng)之中。本文通過對(duì)科學(xué)教育的內(nèi)涵、問題和方法的探尋以深度回應(yīng)新時(shí)代科學(xué)教育關(guān)鍵議題?？茖W(xué)教育的本質(zhì)內(nèi)涵在演化中逐漸豐富，發(fā)展至今已形成關(guān)涉認(rèn)知、行為、情感和社會(huì)等多重愿景的交互表征。時(shí)代性的政策演進(jìn)與多元化的學(xué)科主題詮釋了科學(xué)教育的發(fā)展階段，素養(yǎng)導(dǎo)向的人才觀念和連續(xù)貫通的培養(yǎng)理念成為當(dāng)代科學(xué)教育的育人趨勢(shì)?？茖W(xué)教育的核心問題體現(xiàn)在學(xué)生的學(xué)和教師的教及其互動(dòng)的過程中，我國科學(xué)教育教與學(xué)呈現(xiàn)出一些突出問題，即學(xué)生高學(xué)業(yè)成就的背后表現(xiàn)為低水平思維與情感技能，教師專于學(xué)科教學(xué)而弱于跨學(xué)科和探究式教學(xué)，學(xué)生擅長(zhǎng)雙基掌握而缺乏高階思維培養(yǎng)。因此，我國科學(xué)教育研究應(yīng)當(dāng)廣泛開展基于新興技術(shù)和生理證據(jù)的實(shí)證與跨學(xué)科交叉研究，有效推進(jìn)概念轉(zhuǎn)變、元認(rèn)知、科學(xué)論證、推理和建模等高階思維教學(xué)實(shí)踐，深入挖掘科學(xué)教育中的教與學(xué)規(guī)律，以達(dá)成科學(xué)教育的育人目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)教育；科學(xué)素養(yǎng)；科學(xué)高階思維；科學(xué)教育加法；科學(xué)推理；科學(xué)論證；科學(xué)建模

中圖分類號(hào)：G40-03? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1009-458ｘ（2023）9-0001-10

黨的二十大指出，教育、科技、人才是全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐。當(dāng)代世界百年未有之大變局加劇了科技和人才的競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興，科技創(chuàng)新自立自強(qiáng)和人才自主培養(yǎng)成為當(dāng)務(wù)之急。習(xí)近平總書記主持中共中央政治局第三次集體學(xué)習(xí)時(shí)強(qiáng)調(diào)，要在教育“雙減”中做好科學(xué)教育加法，激發(fā)青少年好奇心、想象力、探究欲，培養(yǎng)具備科學(xué)家潛質(zhì)、愿意獻(xiàn)身科學(xué)研究事業(yè)的青少年群體?？茖W(xué)教育作為科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)的主陣地和全民科學(xué)素養(yǎng)提升的關(guān)鍵途徑，歷來受到發(fā)達(dá)國家的重視，不斷立法保障其頂層政策、師資培育和課堂教學(xué)。科學(xué)教育自19世紀(jì)中葉進(jìn)入西方中小學(xué)以來，現(xiàn)已成為當(dāng)代教育體系的重要組成部分（丁邦平， 2002），也成為20世紀(jì)中葉以來的一門新興交叉學(xué)科與研究領(lǐng)域。近年來，科學(xué)教育在我國興起，正逐步建構(gòu)其學(xué)科體系與研究領(lǐng)域。我國科學(xué)教育屬于課程與教學(xué)論二級(jí)學(xué)科下的學(xué)科課程與教學(xué)論，諸如“科學(xué)是什么”“誰需要科學(xué)教育”“需要什么樣的科學(xué)教育”等問題成為我國科學(xué)教育理論與實(shí)踐研究的深耕主題，但是關(guān)于“什么是科學(xué)教育”的本質(zhì)問題至今仍缺乏專業(yè)化探討。當(dāng)代科學(xué)教育在賡續(xù)研究中擴(kuò)充并形塑其自身樣貌，無論是從科學(xué)及其研究視角探討個(gè)體如何認(rèn)識(shí)、理解和掌握科學(xué)知識(shí)、原理與方法，還是從學(xué)校教育視角探討教師如何引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)科學(xué)的認(rèn)知和理解方式，都是其主要內(nèi)容（位濤， 2022）?？茖W(xué)教育以大中小學(xué)學(xué)生群體與社會(huì)公民為普遍對(duì)象，以物理、生物、化學(xué)等傳統(tǒng)學(xué)科領(lǐng)域?yàn)樯L(zhǎng)點(diǎn)并吸收人文社會(huì)科學(xué)的方法經(jīng)驗(yàn)（Fensham， 1988）?？茖W(xué)教育的目的是培養(yǎng)學(xué)生在復(fù)雜多變的社會(huì)中，運(yùn)用科學(xué)知識(shí)與方法以及非認(rèn)知的情緒情感體驗(yàn)，合理做出科學(xué)決策的行動(dòng)力（裴新寧， 2021）。科學(xué)教育體現(xiàn)在科學(xué)知識(shí)內(nèi)容、過程方法、教學(xué)規(guī)律和社會(huì)互動(dòng)之中，以彰顯科學(xué)教育認(rèn)識(shí)科學(xué)、尊重科學(xué)和學(xué)習(xí)科學(xué)的本質(zhì)特征。基于此，本文通過解析科學(xué)教育的本質(zhì)內(nèi)涵以厘定其學(xué)理基礎(chǔ)，深度剖析科學(xué)課程教與學(xué)的核心問題以揭示我國科學(xué)教育的突出矛盾，由此提出科學(xué)教育落地見效的路徑方法，切實(shí)回應(yīng)新時(shí)代科學(xué)教育的關(guān)鍵議題，進(jìn)而推進(jìn)科學(xué)教育加法的落地見效。

一、科學(xué)教育的本質(zhì)內(nèi)涵：

愿景、主題與趨勢(shì)

科學(xué)教育呈現(xiàn)“一體多面”的特征，其本質(zhì)內(nèi)涵也依據(jù)取向有所差異，呈現(xiàn)出多維性。就高等師范教育而言，科學(xué)教育作為一個(gè)專業(yè)，主要以培養(yǎng)科學(xué)教師和科技輔導(dǎo)員為目標(biāo)；就基礎(chǔ)教育而言，科學(xué)教育與“人文教育”相對(duì)，是以自然科學(xué)內(nèi)容為主的一類課程所進(jìn)行的教育教學(xué)活動(dòng)，已經(jīng)成為現(xiàn)代教育體系的重要分支和組成部分。從課程實(shí)施途徑來看，科學(xué)教育既可以通過綜合科學(xué)（如小學(xué)科學(xué)、初中科學(xué)）實(shí)現(xiàn)，也可以通過物理、化學(xué)、生物和地理等分科課程進(jìn)行，而現(xiàn)代更廣義的科學(xué)教育則涵蓋數(shù)學(xué)教育、技術(shù)教育和工程教育等內(nèi)容（丁邦平 & 羅星凱， 2008）。本文基于國際比較視域，從科學(xué)教育的多重愿景揭示其當(dāng)代內(nèi)涵，從政策演進(jìn)與主題探究視角理清其研究領(lǐng)域，進(jìn)而通過素養(yǎng)導(dǎo)向的人才觀念和連續(xù)貫通的培養(yǎng)理念明晰其育人趨勢(shì)，從整體上深度論證科學(xué)教育的本質(zhì)內(nèi)涵。

（一）當(dāng)代內(nèi)涵：科學(xué)素養(yǎng)的多重愿景

21世紀(jì)以來，國際科學(xué)課程改革突破學(xué)科知識(shí)本身的結(jié)構(gòu)性束縛，強(qiáng)調(diào)基于科學(xué)探究與問題解決的實(shí)踐邏輯重構(gòu)課程內(nèi)容與學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)（斯諾 & 迪布納， 2020）。目前，我國科學(xué)教育以分科和綜合科學(xué)課程并行的方式開展，且呈現(xiàn)學(xué)段差異。最新版教育大辭典首次增加科學(xué)教育詞條，羅星凱認(rèn)為科學(xué)教育以提高全體受教育者的科學(xué)素養(yǎng)為終極目標(biāo)，既包括必要的科學(xué)知識(shí)和對(duì)科學(xué)的理解，也包括科學(xué)的思維方式以及運(yùn)用科學(xué)知識(shí)和方法解決問題的意識(shí)與能力，同時(shí)還包括科學(xué)精神、科學(xué)態(tài)度和價(jià)值觀等對(duì)人更為深刻和久遠(yuǎn)的影響。劍橋大學(xué)教育學(xué)部認(rèn)為科學(xué)教育是教育學(xué)的分支，涉及從學(xué)前教育到高等教育階段，包括綜合科學(xué)與具體科學(xué)學(xué)科的教與學(xué)，即科學(xué)教育以及具體學(xué)科的物理、化學(xué)和生物教育等。科學(xué)教育是以自然科學(xué)內(nèi)容為主，發(fā)展個(gè)體及群體科學(xué)素養(yǎng)的教育教學(xué)活動(dòng)（楊玉良， 2022; 裴新寧， 2022）。從廣義上看，科學(xué)教育既包括學(xué)校正式學(xué)習(xí)環(huán)境中的科學(xué)教育，也包括校外非正式學(xué)習(xí)環(huán)境（如家庭、工作場(chǎng)所、博物館、社區(qū)等）中的科學(xué)教育；既涵蓋綜合科學(xué)與具體科學(xué)學(xué)科教育（物理、化學(xué)、生物等），也包括數(shù)學(xué)教育、工程教育和技術(shù)教育等。從狹義上看，科學(xué)教育內(nèi)涵更接近劍橋大學(xué)教育學(xué)部的認(rèn)識(shí)?？茖W(xué)教育的發(fā)展根植于自然科學(xué)、哲學(xué)和認(rèn)知心理學(xué)，豪布儒克和讓尼科麥（Holbrook & Rannikmae）于2007年提出了科學(xué)教育的三大領(lǐng)域：科學(xué)領(lǐng)域（科學(xué)知識(shí)和技能、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)探究等）、個(gè)人領(lǐng)域（智力、個(gè)性特征、態(tài)度和溝通技能）和社會(huì)領(lǐng)域（合作學(xué)習(xí)、社會(huì)價(jià)值、科學(xué)決策等）。由此可見，當(dāng)代科學(xué)教育的本質(zhì)內(nèi)涵是“通過科學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)達(dá)成育人的目的”（Education through Science），而不再只是“通過教育達(dá)成科學(xué)的目的”（Science through Education）的價(jià)值取向（Holbrook & Rannikmae， 2007）。國際科學(xué)教育知名華裔學(xué)者柳秀峰提出科學(xué)素養(yǎng)的三重愿景以揭示科學(xué)教育的當(dāng)代內(nèi)涵：科學(xué)內(nèi)容（知識(shí)、技能、思維方式和價(jià)值觀）、科學(xué)技術(shù)社會(huì)問題（行動(dòng)中的知識(shí)、實(shí)際問題解決能力與態(tài)度和職業(yè)化）和社會(huì)參與性（審辨思維、溝通能力和建立共識(shí)）（Liu， 2013），同樣關(guān)注了科學(xué)、個(gè)人和社會(huì)層面。PISA2025測(cè)評(píng)框架將科學(xué)素養(yǎng)劃分為科學(xué)知識(shí)、科學(xué)能力和科學(xué)身份三個(gè)維度，科學(xué)知識(shí)涵蓋學(xué)科內(nèi)容知識(shí)、程序性知識(shí)和認(rèn)識(shí)論知識(shí)；科學(xué)能力包括科學(xué)地解釋現(xiàn)象，構(gòu)建與評(píng)估科學(xué)探究設(shè)計(jì)，批判性地解讀科學(xué)數(shù)據(jù)和證據(jù)，研究、評(píng)估和運(yùn)用科學(xué)信息進(jìn)行決策和行動(dòng)；科學(xué)身份主要評(píng)估科學(xué)資本與認(rèn)識(shí)論信念、態(tài)度與性格、環(huán)境意識(shí)、關(guān)注度與能動(dòng)性?；诖耍Y(jié)合我國2022版義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)教育的當(dāng)代內(nèi)涵體現(xiàn)為科學(xué)素養(yǎng)的多重愿景，包括科學(xué)內(nèi)容（科學(xué)知識(shí)與理解）、探究實(shí)踐（像科學(xué)家一樣做科學(xué)）、科學(xué)思維（基礎(chǔ)、通用與高階思維）、科學(xué)技術(shù)與社會(huì)（科學(xué)態(tài)度、責(zé)任、信念與價(jià)值觀）、科學(xué)參與和決策（社會(huì)、文化、政治和環(huán)境）五維度內(nèi)容。認(rèn)識(shí)論關(guān)注人類知識(shí)的本質(zhì)、范疇、來源、方法等，科學(xué)知識(shí)則是對(duì)客觀世界的真實(shí)反映，二者關(guān)系密切且均屬于科學(xué)內(nèi)容層面，因與義務(wù)教育新課標(biāo)對(duì)應(yīng)而合并；科學(xué)能力兼顧動(dòng)手“做”科學(xué)與動(dòng)腦“思”科學(xué)，二者并非自然地并行發(fā)展，尤其對(duì)科學(xué)非本土文化的中國學(xué)生而言，需要將探究實(shí)踐與科學(xué)思維分別闡述；科學(xué)身份包括科學(xué)技術(shù)與社會(huì)以及科學(xué)參與和決策，前者屬于思維方式，后者更多表現(xiàn)為行為方式，故而分開論述。上述科學(xué)素養(yǎng)多重愿景的價(jià)值取向、基本內(nèi)容和典型問題等簡(jiǎn)要解釋見表1，均源自國際科學(xué)教育測(cè)評(píng)項(xiàng)目和學(xué)者的研究綜述，比如探究實(shí)踐基本內(nèi)容的三個(gè)方面借鑒了美國國家教育進(jìn)步評(píng)價(jià)（National Assessment of Educational Progress， NAEP）的科學(xué)實(shí)踐測(cè)評(píng)框架。

（二）研究圖景：時(shí)代性的政策演進(jìn)與多元化的學(xué)科主題

科學(xué)教育的全球化特征尤為鮮明，其發(fā)展非常明顯地受到國際基礎(chǔ)教育課程改革的影響（丁邦平， 2021）。宏觀社會(huì)經(jīng)濟(jì)與教育政策演進(jìn)塑造了不同時(shí)期的科學(xué)教育樣態(tài)，尤其是發(fā)達(dá)國家的科學(xué)教育政策引領(lǐng)全球科學(xué)課程改革浪潮。20世紀(jì)50年代到70年代為科學(xué)教育精英人才培育階段，學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)是其核心價(jià)值取向，以蘇聯(lián)成功發(fā)射人造地球衛(wèi)星為標(biāo)志性事件，世界各國相繼頒布政策確立科學(xué)教育指導(dǎo)思想，由此引發(fā)科學(xué)課程現(xiàn)代化運(yùn)動(dòng)。美國在1958年和1964年相繼通過《國防教育法》《初等與中等教育法》，從立法層面支持科學(xué)課程開發(fā)和師資建設(shè)。20世紀(jì)80年代到90年代是科學(xué)教育貫通式人才培育階段，隨著復(fù)雜社會(huì)問題加劇，靜態(tài)科學(xué)知識(shí)已無法滿足社會(huì)對(duì)人才的多元需求，動(dòng)態(tài)科學(xué)素養(yǎng)觀取代了傳統(tǒng)的學(xué)科知識(shí)論，由此引發(fā)世界各國基于標(biāo)準(zhǔn)和問責(zé)的國家科學(xué)課程改革。例如，英國科學(xué)教育協(xié)會(huì)于1986年提出科學(xué)教師的“社會(huì)科學(xué)技術(shù)”課程；1996年美國的《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》明確K-12科學(xué)教育目標(biāo)、內(nèi)容和評(píng)價(jià)等（盧銘康 等， 2022）。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著國際上科技競(jìng)爭(zhēng)日益加劇，培養(yǎng)具備STEM素養(yǎng)的優(yōu)質(zhì)人才成為各國的共同追求，由此確立了STEM教育戰(zhàn)略與課程體系，以培養(yǎng)智能時(shí)代具備科技決策能力的公民與尖端科技人才。在科技創(chuàng)新人才需求為導(dǎo)向的各國政策和課程改革影響下，科學(xué)教育學(xué)術(shù)共同體的研究領(lǐng)域不斷拓展與深化。全美科學(xué)教學(xué)研究者協(xié)會(huì)（National Association for Research in Science Teaching， NARST）和歐洲科學(xué)教育研究學(xué)會(huì)（European Science Education Research Association， ESERA）是全球最具影響力的兩大科學(xué)教育組織，其歷屆年會(huì)的子論壇設(shè)置揭示了當(dāng)代科學(xué)教育研究領(lǐng)域的七大方向：學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)研究、教師的科學(xué)教學(xué)研究、科學(xué)教師教育、非正式情境的教與學(xué)、科學(xué)課程與信息技術(shù)研究、科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境（STSE）以及科學(xué)教育政策研究。其中，學(xué)習(xí)、教學(xué)、教師和課程分屬四大研究主體，科學(xué)學(xué)習(xí)研究針對(duì)科學(xué)學(xué)科的認(rèn)知問題（科學(xué)學(xué)習(xí)、理解和概念轉(zhuǎn)變）和學(xué)習(xí)環(huán)境問題（學(xué)習(xí)情境、個(gè)人特征及其關(guān)系）；教學(xué)層面的研究分為科學(xué)學(xué)科教學(xué)研究和科學(xué)教師教育研究，前者針對(duì)大、中、小和學(xué)前教育階段的分科與合科的科學(xué)學(xué)科的教學(xué)問題，后者則關(guān)注職前和職后教師教育；課程和信息技術(shù)研究指向校內(nèi)科學(xué)教育環(huán)境支持，具體涉及科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)、學(xué)業(yè)質(zhì)量監(jiān)測(cè)、教材和課程評(píng)價(jià)等，以及科學(xué)教育中的信息技術(shù)應(yīng)用。科學(xué)教育政策研究處于四者交叉的核心地帶，涉及科學(xué)教育的國際比較與本土實(shí)踐。以上五個(gè)方向?qū)儆谡娇茖W(xué)教育研究的關(guān)切主題，科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境（STSE）和非正式情境的教與學(xué)組成科學(xué)教育社會(huì)與文化場(chǎng)域的外部環(huán)境，與上述五個(gè)方向共同組成科學(xué)教育的整體研究圖景。

（三）育人趨勢(shì)：素養(yǎng)導(dǎo)向的人才觀念和連續(xù)貫通的培養(yǎng)理念

科技進(jìn)步和國際競(jìng)爭(zhēng)的加劇推動(dòng)了科學(xué)教育育人趨勢(shì)的演進(jìn)。人才觀作為對(duì)人才識(shí)別、選拔、培養(yǎng)和管理的根本看法，決定著課程目標(biāo)和育人路徑的基本導(dǎo)向。培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才是科學(xué)教育人才觀的核心取向，這一觀念的變遷反映了科學(xué)教育育人趨勢(shì)的深刻變革。長(zhǎng)期以來，科技創(chuàng)新人才觀實(shí)現(xiàn)了從智力為主的能力觀向成功智能的素養(yǎng)觀的轉(zhuǎn)化，經(jīng)歷了智力為主的天才觀、多元智能的拔尖人才觀、多因素的精英人才觀以及強(qiáng)調(diào)綜合素養(yǎng)的人才觀四個(gè)主要階段。其中，智力為主的天才觀主要以智力水平來識(shí)別科技拔尖人才，并以智力得分在前3%～5%的人作為選拔標(biāo)準(zhǔn)，如仁祖利（Renzulli）在“旋轉(zhuǎn)門”鑒別模型中提出創(chuàng)建包括普通人群前15%～20%的人才庫（閻琨 & 吳菡， 2020）。隨著多元人才需求的社會(huì)化發(fā)展，以單一的智力標(biāo)準(zhǔn)選拔和衡量人才的時(shí)代一去不復(fù)返，多元智能的拔尖人才觀出現(xiàn)，即拔尖人才是多種智能相互作用和高度發(fā)展的結(jié)果?；诖耍嘁蛩啬Ｐ偷目萍紕?chuàng)新人才觀得以發(fā)展，即科技創(chuàng)新人才是自我組織和適應(yīng)高度復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)果，其重點(diǎn)不再是個(gè)人屬性，而是人們?cè)谶m應(yīng)復(fù)雜系統(tǒng)中的行為及其發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)后，創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力成為創(chuàng)新人才的核心特質(zhì)，以素養(yǎng)提升為切入點(diǎn)的科技創(chuàng)新人才識(shí)別與培養(yǎng)成為主流觀念。在提升全體學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)多元綜合、全面發(fā)展的通識(shí)型人才成為當(dāng)代科學(xué)教育的主流育人觀。

科技創(chuàng)新后備人才培養(yǎng)特征的演進(jìn)反映出育人理念的歷史變革，主要表現(xiàn)在四個(gè)層面：一是從精英教育轉(zhuǎn)變?yōu)椴町惢逃?。教育史上的精英教育理論?duì)應(yīng)智力為主的人才觀，認(rèn)為教育的目的是培養(yǎng)天才，這顯然與教育普及化的歷史趨勢(shì)不符，更違背了社會(huì)民主化進(jìn)程，因此勢(shì)必被時(shí)代拋棄。此后，個(gè)性化教育逐步登上歷史舞臺(tái)，其本質(zhì)在于為不同的學(xué)生提供適應(yīng)其能力與需求的教育，最大限度地釋放個(gè)人潛能，根據(jù)學(xué)生天資為其提供差異化的教育支持是真正公平的體現(xiàn)。二是從補(bǔ)齊短板到鍛造長(zhǎng)板。以“木桶效應(yīng)”比擬創(chuàng)新人才早期培養(yǎng)理念，即木桶盛水量的多少并不取決于桶壁最長(zhǎng)的木板，而是最短的那塊。但在群體協(xié)作與智能技術(shù)高速發(fā)展的當(dāng)代，代表人才最高水平的長(zhǎng)板才是人才核心競(jìng)爭(zhēng)力的集中體現(xiàn)。三是由關(guān)注個(gè)人向強(qiáng)調(diào)合作轉(zhuǎn)變。早期創(chuàng)新人才的研究多局限于個(gè)人的認(rèn)知與非認(rèn)知因素的影響，往往脫離了人才成長(zhǎng)的物理環(huán)境、家庭環(huán)境和社會(huì)環(huán)境的交互式影響。但各類研究不斷印證，學(xué)習(xí)產(chǎn)生于人與人之間思維和語言的交互中，由此人才培養(yǎng)過程的合作化環(huán)境影響成為研究重點(diǎn)。四是從研究個(gè)體到理解文化。與前者相似，從國家和社會(huì)內(nèi)部一致性層面反思文化對(duì)人才成長(zhǎng)的影響，系統(tǒng)性地考慮個(gè)體和社群成長(zhǎng)的內(nèi)部與外部因素，將有助于理解創(chuàng)新人才涌現(xiàn)的社會(huì)文化背景（鄭永和 等， 2021）。綜合來看，當(dāng)前科學(xué)教育對(duì)于科技創(chuàng)新人才的培養(yǎng)更加重視個(gè)體學(xué)習(xí)與社會(huì)文化和家庭環(huán)境的交互影響，同時(shí)注重培養(yǎng)過程的貫通與連續(xù)，為人才成長(zhǎng)提供更加多元交互的發(fā)展路徑。

二、科學(xué)教育的核心問題：學(xué)與教

表現(xiàn)的審辨性反思

科學(xué)教育的核心問題體現(xiàn)在學(xué)生的學(xué)和教師的教及其互動(dòng)的過程中，并最終反映在對(duì)學(xué)生學(xué)業(yè)表現(xiàn)的影響上。下面基于科學(xué)教育大規(guī)模測(cè)評(píng)項(xiàng)目的比較研究，揭示當(dāng)前我國科學(xué)教育中教與學(xué)的突出問題。

（一）學(xué)習(xí)結(jié)果矛盾化：高學(xué)業(yè)成就表現(xiàn)與低水平情感和思維共存

諸多國際測(cè)評(píng)結(jié)果表明，我國中小學(xué)生的科學(xué)成績(jī)?cè)谌蚓哂忻黠@優(yōu)勢(shì)。PISA2015數(shù)據(jù)顯示，中國四省市（北京、上海、江蘇、廣東）15歲中學(xué)生科學(xué)學(xué)業(yè)成績(jī)處于高水平階段的比例明顯高于OECD成員國和所有參與國的平均水平（王晶瑩， 2017）。我國2018年7月公布的《國家義務(wù)教育質(zhì)量監(jiān)測(cè)報(bào)告》也表明四年級(jí)和八年級(jí)學(xué)生科學(xué)學(xué)業(yè)成就達(dá)到中等及以上水平的比例較高，學(xué)生的高學(xué)業(yè)成就表現(xiàn)突出。但研究也發(fā)現(xiàn)，學(xué)生高學(xué)業(yè)表現(xiàn)是超長(zhǎng)課外學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)“換來的”。PISA2015數(shù)據(jù)顯示，中國北京、上海、江蘇、廣東四省市學(xué)生平均每周學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)57.1小時(shí)，用于課外學(xué)習(xí)的時(shí)間為27小時(shí)，在所有參評(píng)經(jīng)濟(jì)體中僅次于阿聯(lián)酋。由此看來，如何設(shè)計(jì)教學(xué)和布置課后作業(yè)以提升學(xué)習(xí)效率、培育高階思維能力是減少課外重復(fù)、低效學(xué)習(xí)的關(guān)鍵。事實(shí)上，我國中小學(xué)生的科學(xué)高階思維薄弱且學(xué)習(xí)興趣不足。2020年《國家義務(wù)教育質(zhì)量監(jiān)測(cè)——科學(xué)學(xué)習(xí)質(zhì)量監(jiān)測(cè)結(jié)果報(bào)告》顯示，四年級(jí)和八年級(jí)學(xué)生均在科學(xué)思維能力方面存在短板，且學(xué)生的科學(xué)、數(shù)學(xué)和技術(shù)與工程領(lǐng)域的學(xué)習(xí)興趣隨著年級(jí)的增長(zhǎng)而不斷降低（教育部， 2020）。與此同時(shí)，學(xué)生在科學(xué)領(lǐng)域的職業(yè)期望也較為落后。PISA2015測(cè)查了15歲學(xué)生對(duì)自己30歲時(shí)的職業(yè)期望，中國四省市學(xué)生擁有STEM職業(yè)期望的比例為16.7%，明顯低于OECD成員國的平均水平（24.5%）和所有參與方的平均水平（26.4%）（王素 等， 2021）。由此來看，扶植基礎(chǔ)教育階段學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)積極情感和培養(yǎng)高階思維能力是破解科學(xué)教學(xué)沉疴積弊的關(guān)鍵，也是切實(shí)回應(yīng)創(chuàng)新人才培養(yǎng)“錢學(xué)森之問”的破題之解。

（二）教師素養(yǎng)不均衡：專于學(xué)科教學(xué)而弱于跨學(xué)科和探究式教學(xué)

加強(qiáng)科學(xué)教師教學(xué)能力和專業(yè)素養(yǎng)的培育是推動(dòng)科學(xué)教育發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。PISA和TALIS等大規(guī)模國際教育測(cè)評(píng)結(jié)果表明，我國科學(xué)教師具備基本的理想信念、職業(yè)素養(yǎng)和教學(xué)技能，但在跨學(xué)科教學(xué)、探究教學(xué)和高階思維教學(xué)方面存在短板。例如，辛偉豪等人利用PISA 2015數(shù)據(jù)，從“四有好老師”視角對(duì)中學(xué)科學(xué)教師師德情況展開實(shí)證研究，結(jié)果顯示我國教師在理想信念上優(yōu)勢(shì)突出，學(xué)科內(nèi)容知識(shí)相對(duì)薄弱（辛偉豪 & 王晶瑩， 2019）。同時(shí)，PISA2015教師問卷結(jié)果顯示，我國教師的專業(yè)發(fā)展活動(dòng)以“科學(xué)學(xué)科教學(xué)”為主，在“跨學(xué)科知識(shí)和技能”方面表現(xiàn)較弱，并且在復(fù)雜概念探究和跨學(xué)科探究方面明顯落后。雖然不同年級(jí)、不同學(xué)科教師的探究水平對(duì)不同學(xué)習(xí)層次學(xué)生存在差異化影響，但總體來說教師探究教學(xué)水平的高低直接關(guān)系到學(xué)生科學(xué)高階思維的培育質(zhì)量。此外，科學(xué)教師所處的社會(huì)和學(xué)校環(huán)境等外部支持也是影響其教學(xué)能力的重要因素。教育部基礎(chǔ)教育教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)科學(xué)教學(xué)專委會(huì)于2021年底對(duì)我國13.1萬小學(xué)科學(xué)教師展開調(diào)研，結(jié)果顯示小學(xué)科學(xué)教師在教育教學(xué)支持、教學(xué)信念和學(xué)校氛圍維度得分最低。我國小學(xué)科學(xué)教師兼職群體龐大（占比70.1%），且理科背景教師占比較低（僅占27.5%）。此外，我國小學(xué)科學(xué)教師在信息技術(shù)、跨學(xué)科與問題解決式教學(xué)方面表現(xiàn)最弱，且專業(yè)發(fā)展的支持與保障嚴(yán)重不足，有近四分之一的小學(xué)科學(xué)教師每年參加各級(jí)教材培訓(xùn)的次數(shù)為0，且17.0%的教師所在學(xué)校沒有實(shí)驗(yàn)室（鄭永和 等， 2022）。同時(shí)，高校科學(xué)教育專業(yè)并沒有完全融入我國高等教育體制之中，相繼演化出教育學(xué)院本科模式、教育學(xué)院“大理科”模式、理科院系科學(xué)教育本科模式和高等師范?？颇Ｊ降扰囵B(yǎng)形式（丁邦平， 2011），使得高等教育中的科學(xué)教育專業(yè)缺少培養(yǎng)優(yōu)秀科學(xué)教師的制度與環(huán)境。因此，重視跨學(xué)科和高階思維教學(xué)的精準(zhǔn)培訓(xùn)，加強(qiáng)教師專業(yè)發(fā)展的外部支持并優(yōu)化科學(xué)教育專業(yè)的整體布局，是提升我國科學(xué)教師質(zhì)量的關(guān)鍵。

（三）學(xué)業(yè)成就影響復(fù)雜：學(xué)生擅長(zhǎng)雙基掌握但缺乏科學(xué)高階思維培育

探索學(xué)生學(xué)業(yè)成就的影響機(jī)制是解決當(dāng)前科學(xué)教學(xué)結(jié)構(gòu)性矛盾的關(guān)鍵。那么到底是什么影響了學(xué)生的學(xué)業(yè)成就？研究者不斷開展基于證據(jù)的研究，試圖揭示其內(nèi)在規(guī)律，以期為學(xué)校學(xué)習(xí)謀求真正的改進(jìn)。哈蒂（Hattie）于2009年出版《可見的學(xué)習(xí)：對(duì)800多項(xiàng)關(guān)于學(xué)業(yè)成就的元分析的綜合報(bào)告》一書，通過對(duì)52，637項(xiàng)研究中數(shù)億名學(xué)生的800多項(xiàng)元分析進(jìn)行綜合后發(fā)現(xiàn)：在學(xué)生、家庭、學(xué)校、教師、課程和教學(xué)六大領(lǐng)域中，教師的影響效應(yīng)量高達(dá)0.49（哈蒂， 2018），教師對(duì)學(xué)生學(xué)業(yè)成就的影響舉足輕重。與此同時(shí)，學(xué)業(yè)成就“環(huán)境決定論”的呼聲也愈加高漲，研究者認(rèn)為學(xué)習(xí)者所在國家、家庭環(huán)境和技術(shù)設(shè)備等都影響學(xué)習(xí)者的成就表現(xiàn)。隨著科學(xué)教育研究范式和方法的更新變革，尤其是認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)在教育應(yīng)用中的推進(jìn)，學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)過程和高階思維培養(yǎng)機(jī)制逐漸成為研究重心。美國俄亥俄州立大學(xué)的包雷教授在Science雜志發(fā)表中美學(xué)生科學(xué)推理能力的對(duì)比研究，他認(rèn)為在傳統(tǒng)科學(xué)教學(xué)模式中，學(xué)生更趨向于記憶知識(shí)點(diǎn)而沒有掌握推導(dǎo)過程中所涉及的科學(xué)方法。中國學(xué)生比美國學(xué)生多接受了近三年的科學(xué)課程學(xué)習(xí)，他們的科學(xué)知識(shí)掌握水平顯著高于美國學(xué)生，但科學(xué)推理等高階思維能力與美國學(xué)生持平（Bao et al.， 2009）。因此，重視學(xué)生科學(xué)方法教育和科學(xué)高階思維培育是當(dāng)代科學(xué)教學(xué)研究與實(shí)踐的主要方向。“雙減”政策催生了科學(xué)教育的新樣態(tài)，積極倡導(dǎo)思維和素養(yǎng)導(dǎo)向的科學(xué)實(shí)踐與體驗(yàn)式教學(xué)，強(qiáng)調(diào)整合優(yōu)化與協(xié)同發(fā)展校內(nèi)外科學(xué)教育資源，系統(tǒng)規(guī)劃與精準(zhǔn)設(shè)計(jì)基于科普?qǐng)鲳^與核心素養(yǎng)的主題課程與探究實(shí)踐，助推并落實(shí)科學(xué)教育“第二課堂”的育人功效，通過多主體協(xié)同實(shí)現(xiàn)科學(xué)教育加法，從而有效促進(jìn)中小學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)提升與科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)。

三、科學(xué)教育的路徑方法：基于科學(xué)

證據(jù)與教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的互動(dòng)實(shí)踐

基于證據(jù)的實(shí)證分析和跨學(xué)科交叉研究是推動(dòng)科學(xué)教育研究高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵所在。科學(xué)哲學(xué)關(guān)于解釋、推理、論證和建模等理論與方法為人們提供了認(rèn)識(shí)世界的有效手段，并在科學(xué)實(shí)踐中形成了一般性的原則與技術(shù)，成為科學(xué)教育的方法論基礎(chǔ)；多學(xué)科交叉的研究范式推動(dòng)科學(xué)教育研究路徑和方法的科學(xué)化與精準(zhǔn)化，諸如以統(tǒng)計(jì)學(xué)和心理學(xué)為手段的傳統(tǒng)教育實(shí)證研究、基于大數(shù)據(jù)和新興技術(shù)的計(jì)算教育學(xué)以及以腦電與近紅外光譜技術(shù)為代表的腦科學(xué)研究等，將科學(xué)教育研究推向前所未有的深度?；诖?，探索科學(xué)素養(yǎng)培育的有效教學(xué)方法，離不開學(xué)科一般思維領(lǐng)域的概念教學(xué)、通用領(lǐng)域的認(rèn)知策略、學(xué)科高階思維領(lǐng)域的能力進(jìn)階教學(xué)，因此科學(xué)教育的路徑方法旨在從這三個(gè)方面探討基于科學(xué)證據(jù)與教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的互動(dòng)實(shí)踐策略。

（一）概念轉(zhuǎn)變導(dǎo)向的科學(xué)觀念教學(xué)

概念轉(zhuǎn)變是當(dāng)代科學(xué)教學(xué)的核心問題之一。所謂概念轉(zhuǎn)變，即認(rèn)知沖突的引發(fā)和解決過程，是個(gè)體原有的某種知識(shí)經(jīng)驗(yàn)由于受到與此不一致的新經(jīng)驗(yàn)影響而發(fā)生的重大改變。概念轉(zhuǎn)變中的概念并不僅指知識(shí)或概念本身，它是和知識(shí)相關(guān)的一切過程、方法與規(guī)律的綜合。概念轉(zhuǎn)變的理論研究經(jīng)歷了三個(gè)階段的演進(jìn)：一是以本體論、認(rèn)識(shí)論為基礎(chǔ)的理論，如從皮亞杰的同化和順應(yīng)觀念到波斯納等人的概念轉(zhuǎn)變模型，概念轉(zhuǎn)變的理論由此發(fā)端。二是重視“熱”因素的理論，以沃斯尼亞杜（Vosniadou）等人的認(rèn)知重構(gòu)模型和平特里奇（Pintrich）等人的認(rèn)知情感模型為主要代表。認(rèn)知重構(gòu)模型認(rèn)為，動(dòng)機(jī)、情感調(diào)節(jié)著認(rèn)知加工，個(gè)體的態(tài)度、目標(biāo)和已有信念會(huì)影響學(xué)習(xí)者關(guān)注環(huán)境中的事物（Pintrich et al.， 1993）。認(rèn)知情感模型認(rèn)為，概念轉(zhuǎn)變受學(xué)習(xí)者認(rèn)知沖突、動(dòng)機(jī)水平和教學(xué)內(nèi)容參與程度的影響，概念轉(zhuǎn)變的最直接決定因素是學(xué)習(xí)者的動(dòng)機(jī)水平和對(duì)教學(xué)內(nèi)容的參與（Gregoire， 2003）。三是基于“抑制”“共存”主張的理論形成階段。該理論基于腦科學(xué)最新研究成果，認(rèn)為學(xué)生在完成概念轉(zhuǎn)變時(shí)前概念并未徹底消失，而是與科學(xué)概念獲得了“共存”。學(xué)生之所以能夠?qū)崿F(xiàn)概念轉(zhuǎn)變，是因?yàn)榭茖W(xué)概念在與前概念的競(jìng)爭(zhēng)中獲得了“優(yōu)勝”地位，前概念被抑制（姜春明 等， 2022）。目前，基于“抑制”“共存”主張的理論在概念轉(zhuǎn)變的科學(xué)教學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用。

教學(xué)模式和策略是實(shí)現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。概念轉(zhuǎn)變教學(xué)策略的作用體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是引起認(rèn)知沖突，二是在學(xué)習(xí)者原有概念的基礎(chǔ)上利用類比和比喻進(jìn)行遷移。科學(xué)概念轉(zhuǎn)變?cè)诮虒W(xué)中的實(shí)現(xiàn)一般都遵循了“探尋前概念-學(xué)習(xí)新概念-應(yīng)用新概念”的過程，可以將其分為基于認(rèn)知沖突的概念轉(zhuǎn)變教學(xué)模式、拓展情境任務(wù)的概念轉(zhuǎn)變教學(xué)模式和表達(dá)論證觀點(diǎn)的概念轉(zhuǎn)變教學(xué)模式三類（馮春艷 & 陳旭遠(yuǎn)， 2021），各類概念轉(zhuǎn)變教學(xué)模式在科學(xué)教學(xué)實(shí)踐中得到更新與發(fā)展。隨著腦成像技術(shù)的成熟，學(xué)習(xí)科學(xué)中概念轉(zhuǎn)變的認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制引起關(guān)注。概念學(xué)習(xí)的前提假設(shè)是，學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)正式的科學(xué)概念之前已經(jīng)根據(jù)日常實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)形成了對(duì)客觀世界的直覺觀點(diǎn)和想法，稱為“前概念”，而學(xué)習(xí)者難以“拋棄”錯(cuò)誤的前概念、實(shí)現(xiàn)正確的概念轉(zhuǎn)變是實(shí)現(xiàn)科學(xué)概念學(xué)習(xí)的重要原因。神經(jīng)生理學(xué)揭示了這一現(xiàn)象的本質(zhì)，即大腦神經(jīng)元軸突或樹突末端特異性蛋白的分泌促進(jìn)了突觸的生成，從而形成了長(zhǎng)時(shí)記憶。同時(shí)，認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的系列研究不斷證明概念轉(zhuǎn)變的實(shí)現(xiàn)并非科學(xué)概念取代前概念，而是科學(xué)概念抑制前概念（Stavy & Tirosh， 2017）。共存的前概念與科學(xué)概念引起認(rèn)知沖突，被前扣帶回監(jiān)測(cè)并向前額葉發(fā)送信號(hào)，前額葉實(shí)施認(rèn)知控制，成功抑制前概念從而正確理解科學(xué)問題（朱艷梅 & 陳沙沙， 2020）。概念轉(zhuǎn)變的理論研究與認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的證據(jù)形成了呼應(yīng)，為科學(xué)學(xué)習(xí)理論和課堂教學(xué)注入了新的研究活力與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

（二）基于元認(rèn)知的基礎(chǔ)思維提升教學(xué)

元認(rèn)知是指在特定問題情境中學(xué)習(xí)特定策略，學(xué)生具備能夠在類似但新的情境中選擇和應(yīng)用該策略的能力。元認(rèn)知是學(xué)生有關(guān)思維和學(xué)習(xí)的知識(shí)與調(diào)控機(jī)能，可分為元認(rèn)知知識(shí)和元認(rèn)知技能兩大主要內(nèi)容。元認(rèn)知知識(shí)指學(xué)生對(duì)自己所具備的知識(shí)和知識(shí)形成過程的認(rèn)知，包括學(xué)生對(duì)自我和他人、任務(wù)、目標(biāo)和策略的認(rèn)知。元認(rèn)知技能指學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對(duì)自身思維和認(rèn)知的調(diào)控技能，包括計(jì)劃、自我監(jiān)控、認(rèn)知策略的使用和自我評(píng)估（Kuhn & Dean， 2004）。元認(rèn)知是科學(xué)學(xué)習(xí)中高階思維發(fā)生的基礎(chǔ)，專家型和新手型學(xué)習(xí)者的本質(zhì)思維區(qū)別在于學(xué)習(xí)中元認(rèn)知能力的調(diào)動(dòng)。新手型學(xué)習(xí)者看到問題之后直接關(guān)注問題的表面特征并開始解決問題，而專家型學(xué)習(xí)者在面對(duì)新問題時(shí)會(huì)調(diào)動(dòng)元認(rèn)知知識(shí)、元認(rèn)知監(jiān)控和元認(rèn)知體驗(yàn)?zāi)芰?，從而精?zhǔn)高效地解決問題。實(shí)證研究也證明，把專家型學(xué)習(xí)者所使用的元認(rèn)知思維模式教授給新手，可以非常有效地提高新手的學(xué)習(xí)表現(xiàn)（National Academies of Sciences， 2000）。

在科學(xué)課堂中，教師可以采取多種策略促進(jìn)學(xué)生的元認(rèn)知發(fā)展。元認(rèn)知教學(xué)法旨在提高學(xué)生計(jì)劃、調(diào)節(jié)和反思任務(wù)及其解決方案的能力（Bannert & Mengelkamp， 2008）。例如，知情教學(xué)法指從學(xué)生元認(rèn)知知識(shí)方面進(jìn)行教學(xué)，向?qū)W生介紹策略是什么、策略如何使用以及策略有效使用的條件等內(nèi)容，并通過明確的指導(dǎo)、提示以及融入課堂教學(xué)內(nèi)容等方式進(jìn)行教學(xué)；科學(xué)家筆記法則指模擬科學(xué)家探究記錄過程，幫助學(xué)生了解科學(xué)家所探究的內(nèi)容和策略，從而反思科學(xué)學(xué)習(xí)和探究的過程；角色扮演法也是一種經(jīng)常應(yīng)用的教學(xué)策略，教師讓學(xué)生嘗試扮演不同角色，包括認(rèn)知角色（理論、證據(jù)、整合和應(yīng)用管理者）、社會(huì)角色（協(xié)作、溝通、調(diào)解和公平管理者）和元認(rèn)知角色（計(jì)劃、生產(chǎn)力、反思和修訂管理者），并向角色提供其活動(dòng)目標(biāo)和問題、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)和應(yīng)對(duì)問題的策略以及每個(gè)角色的話語特征，從而培養(yǎng)學(xué)生在科學(xué)探究過程中的計(jì)劃、監(jiān)控和反思能力。認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的研究結(jié)果也證實(shí)，內(nèi)側(cè)前額葉皮層和前扣帶回與元認(rèn)知的產(chǎn)生密切相關(guān)（Fleur et al.， 2021）。因此，科學(xué)教學(xué)中注重培養(yǎng)學(xué)生元認(rèn)知能力對(duì)有效促進(jìn)學(xué)習(xí)者科學(xué)高階思維的形成與發(fā)展具有重要意義。

（三）推理、建模和論證為路徑的科學(xué)高階思維教學(xué)

新版義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)提出不僅要讓學(xué)生掌握一般的思維方法，還要掌握科學(xué)思維方法，即模型理解和模型建構(gòu)、推理與論證、創(chuàng)新等科學(xué)思維方法。科學(xué)思維是科學(xué)核心素養(yǎng)的關(guān)鍵成分，主要體現(xiàn)在學(xué)生的推理、建模和論證等能力上。

科學(xué)推理作為高階思維過程的重要組成部分，是指在問題情境下運(yùn)用控制變量、比例推理、概率推理、相關(guān)推理、假設(shè)演繹等技能，提出并開展假設(shè)、實(shí)驗(yàn)、評(píng)估證據(jù)和辯證思考的科學(xué)探究過程（Lawson， 2004）?？茖W(xué)推理由假設(shè)、實(shí)驗(yàn)和證據(jù)三大因素構(gòu)成。假設(shè)是科學(xué)推理系統(tǒng)的重要背景，是個(gè)體利用已有信息資源進(jìn)行歸納和演繹，并按照一定邏輯規(guī)則表述出來的過程，屬于基礎(chǔ)部分；實(shí)驗(yàn)處于整個(gè)系統(tǒng)的中心，假設(shè)需要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的考驗(yàn)，而實(shí)驗(yàn)又關(guān)系著對(duì)假設(shè)真理性的判斷；證據(jù)是整個(gè)系統(tǒng)時(shí)刻需要的，組成假設(shè)空間和實(shí)驗(yàn)空間的實(shí)例是證據(jù)，形成的新概念是證據(jù)，實(shí)驗(yàn)中得到的科學(xué)事實(shí)是證據(jù)，作為實(shí)驗(yàn)邏輯基礎(chǔ)的先前經(jīng)驗(yàn)和先前實(shí)驗(yàn)結(jié)果也是證據(jù)。探究式科學(xué)教學(xué)實(shí)踐是當(dāng)前發(fā)展科學(xué)推理能力的普遍形式。科學(xué)推理能力的完整過程應(yīng)包括問題識(shí)別、提出問題、生成假設(shè)、產(chǎn)品的創(chuàng)建與重新設(shè)計(jì)、證據(jù)生成、證據(jù)評(píng)估、得出結(jié)論和交流審查（Fischer et al.， 2014）。

科學(xué)建模指通過對(duì)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)象的理想化、抽象化而建構(gòu)的反映科學(xué)規(guī)律的模型，從而對(duì)科學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行說明、解釋和預(yù)測(cè)（Gilbert， 2004）。科學(xué)建模能力包括建模實(shí)踐（模型構(gòu)建、模型修正、模型比較、模型評(píng)估、模型驗(yàn)證）和建模元認(rèn)知（對(duì)模型性質(zhì)和建模目的的元知識(shí)和對(duì)建模過程的元認(rèn)識(shí)）兩大部分（Nicolaou & Constantinou， 2014）?？茖W(xué)建模是一個(gè)周期性的過程，學(xué)生將在不斷地建構(gòu)模型、改進(jìn)模型、現(xiàn)象辨別和數(shù)據(jù)觀察中發(fā)展自身的建模能力（Constantinou & Nicolaou， 2019）。

論證作為一種包括推理過程的話語形式，源于柏拉圖、蘇格拉底和亞里士多德的以形式邏輯為基礎(chǔ)的演繹論證與歸納論證活動(dòng)。20世紀(jì)中葉，圖爾敏（Toulmin）提出了非形式邏輯的論證模型，標(biāo)志著現(xiàn)代論證模式的誕生，論證的概念型定義也不斷被提出。范·埃默倫（Van Eemeren）等將論證視為一種口頭的、社會(huì)的和理性的活動(dòng)，旨在提出一個(gè)或多個(gè)命題來證明其觀點(diǎn)的合理性，從而說服反對(duì)者接受該觀點(diǎn)（Van Eemeren et al.， 1987）。沃爾頓（Walton）則將論證視為一種以目標(biāo)為導(dǎo)向的交互式對(duì)話，參與者通過證明或反駁假設(shè)來共同推理以推進(jìn)論證（Walton， 1992）。庫恩（Kuhn）認(rèn)為論證是探究，應(yīng)是當(dāng)代科學(xué)教育的核心（Kuhn， 2005）。科學(xué)教學(xué)中的論證活動(dòng)主要有基于調(diào)查數(shù)據(jù)的書面論證能力和學(xué)生交流與評(píng)判過程中的話語論證能力兩大類。科學(xué)論證教學(xué)基于一定的實(shí)踐框架開展，圖爾敏論證框架是最經(jīng)典，也是應(yīng)用最廣泛的論證框架。除此之外，CRE論證框架和Lakatos論證框架等也廣受關(guān)注。國際科學(xué)教育領(lǐng)域自20世紀(jì)80年代末開始重視基于科學(xué)論證的教學(xué)干預(yù)。20世紀(jì)90年代起，科學(xué)論證教學(xué)進(jìn)行了大量的理論和實(shí)證研究，提出并實(shí)踐了多種教學(xué)模型。目前，5E教學(xué)模型、論證-探究式教學(xué)模式（ADI）、啟發(fā)式科學(xué)寫作教學(xué)模型（SWH）、PCRR教學(xué)模型以及計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)論證教學(xué)模式等被不斷開發(fā)并創(chuàng)新（高瀟怡 & 劉文莉， 2020）。認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的證據(jù)也進(jìn)一步證明了論證教學(xué)與學(xué)習(xí)者神經(jīng)生理之間的相互影響關(guān)系。例如，研究發(fā)現(xiàn)科學(xué)論證中的反駁行為與額中回和顳上回相關(guān)區(qū)域的激活相關(guān)，即反駁行為激活了左右背側(cè)前額葉皮層簇（DLPFC）（Backman et al.， 2020）；還有研究發(fā)現(xiàn)，基于哲學(xué)對(duì)話論證的教學(xué)模式使獲得性腦損傷（外力或疾病造成）兒童在認(rèn)知評(píng)估中發(fā)生了顯著的積極改變（Liu et al.， 2021）。

綜上所述，在科學(xué)教育改革創(chuàng)新的大環(huán)境下，科學(xué)教學(xué)的落腳點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了跨越與轉(zhuǎn)向，以科學(xué)素養(yǎng)為導(dǎo)向的高階思維培養(yǎng)成為當(dāng)代科學(xué)教育的主流目標(biāo)，同時(shí)也成為實(shí)現(xiàn)科學(xué)教育目標(biāo)的關(guān)鍵方法。面對(duì)智能社會(huì)對(duì)科技創(chuàng)新人才自主培養(yǎng)的迫切需求，科學(xué)教育責(zé)無旁貸，科學(xué)高階思維培養(yǎng)自然成為重中之重?？茖W(xué)教育中的概念轉(zhuǎn)變、元認(rèn)知能力、科學(xué)推理、科學(xué)建模和科學(xué)論證等教學(xué)策略是培養(yǎng)科學(xué)高階思維的關(guān)鍵路徑，科學(xué)教育的內(nèi)涵概念和實(shí)踐模式也在不斷更迭革新。基于此，在科學(xué)教育理論和實(shí)踐研究中應(yīng)該明確以科學(xué)高階思維培育為導(dǎo)向的核心素養(yǎng)教學(xué)理念，推進(jìn)跨學(xué)科實(shí)踐與合作式問題解決的教學(xué)模式創(chuàng)新，加強(qiáng)對(duì)科學(xué)教師高質(zhì)量專業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)與支持，同時(shí)繼續(xù)深挖并揭示學(xué)生在科學(xué)學(xué)習(xí)過程中高階思維發(fā)展的教學(xué)規(guī)律與認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制，切實(shí)達(dá)成當(dāng)代科學(xué)教育的育人目標(biāo)，推進(jìn)科技創(chuàng)新后備人才的自主培育。對(duì)科學(xué)教育的深度考證，為科學(xué)教育加法工作的貫徹實(shí)施正本清源，必將牽動(dòng)科學(xué)教育加法給誰加（對(duì)象）、加什么（內(nèi)容）、怎樣加（機(jī)制）、用啥加（路徑）、啥效果（評(píng)價(jià)）的全鏈條和一體化工作推進(jìn)。

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The Essence， Core Issues and Pathways of Science Education

Yonghe Zheng， Danhua Zhou and Jingying Wang

Abstract： Science education is the main battlefield for achieving independent cultivation of scientific and technological innovation talents， and exploring the connotation and methods of science education is an important foundation for promoting the implementation of science education addition in the new era. Science education is to study how science becomes human active learning action， which is embodied in the knowledge content， process methods， teaching rules and social interaction in the field of science education. This paper explores its essence， core problems and pathways to deeply reflect the important issues of science education in the new era. The essential connotation of science education has gradually enriched in its evolution. So far， it has formed an interactive representation involving multiple visions such as cognition， behavior， emotion and society. The policy evolution of the times and the diversified subjects’ themes explain the stage of the development of science education. The concept of competence-oriented talent and the continuous cultivation concept have become the educational trend of contempo

rary science education. The core issues of science education are reflected in the process of students’ learning， teachers’teaching and their interaction in China.There are prominent problems in science education teaching and learning， namely， the low level of thinking and emotional skills behind students' high academic achievements， the weakness of teachers’ specialized subject teaching compared to interdisciplinary and inquiry-based teaching， and the lack of high-level thinking cultivation for students to excel in dual foundation mastery. Therefore， scientific education research in China should extensively carry out empirical and interdisciplinary research based on emerging technologies and physiological evidence， effectively promote the teaching practice of high-level thinking such as concept transformation， metacognition， scientific argumentation， reasoning and modeling， and deeply tap the teaching and learning laws in science education to achieve the goal of educating people in science education.

Keywords： science education; scientific literacy; scientific high-order thinking; science education addition; scientific reasoning; scientific argumentation; scientific modeling

責(zé)任編輯 劉 莉

基金項(xiàng)目：本文系教育部教師工作司2022年度委托課題“小學(xué)科學(xué)教師專業(yè)素養(yǎng)的理論與實(shí)踐研究”（課題編號(hào)：JSSKT2022009）的研究成果。

作者簡(jiǎn)介：鄭永和，北京師范大學(xué)科學(xué)教育研究院院長(zhǎng)、教授。

周丹華，北京師范大學(xué)科學(xué)教育研究院博士研究生。

王晶瑩，北京師范大學(xué)科學(xué)教育研究院教授（通訊作者：wangjingying8018@126.com）。