【摘 要】為扭轉(zhuǎn)現(xiàn)行科學(xué)探究教學(xué)呈現(xiàn)的空泛化和表層化的現(xiàn)象，依托于課程和教學(xué)改革，從義務(wù)教育階段科學(xué)到高中階段科學(xué)（物理、化學(xué)、生物學(xué)）各學(xué)科的課程標(biāo)準(zhǔn)，均極力倡導(dǎo)科學(xué)實踐。將科學(xué)探究轉(zhuǎn)變到科學(xué)實踐，不僅要提升學(xué)生的實踐和論證能力，更要教會學(xué)生認識科學(xué)的本質(zhì)。文章建立了跨學(xué)科主題“植物細胞中DNA的粗提取”及“理想氣體的狀態(tài)方程”，并解決現(xiàn)實生活中的相關(guān)問題。實踐證明，跨學(xué)科核心概念、思想和方法的主題式教學(xué)是踐行科學(xué)實踐的有效路徑。

【關(guān)鍵詞】科學(xué)教學(xué)；科學(xué)探究；科學(xué)實踐；跨學(xué)科；核心概念

科學(xué)的探索過程包括辨識問題，規(guī)劃對問題的調(diào)查，猜想與假設(shè)，開發(fā)和應(yīng)用模型，收集、分析和處理數(shù)據(jù)，提出觀點，并解釋、評估和交流觀點。科學(xué)本質(zhì)觀經(jīng)歷了“科學(xué)作為知識”到“科學(xué)作為探究”，再到“科學(xué)作為實踐”的發(fā)展過程［1］。科學(xué)實踐教育的目標(biāo)在于教會學(xué)生像科學(xué)家一樣思考和探索，進而認識科學(xué)的本質(zhì)［2］。教育界也越來越重視將學(xué)生參與科學(xué)實踐作為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)創(chuàng)造力的重要途徑。因此，高中科學(xué)教學(xué)應(yīng)積極倡導(dǎo)科學(xué)實踐，對僵化的科學(xué)探究做出改進。

一、現(xiàn)行科學(xué)探究教學(xué)的困惑

高中科學(xué)教學(xué)指的是物理、化學(xué)和生物學(xué)三門學(xué)科內(nèi)教學(xué)或?qū)W科之間的教學(xué)。以時間為軸線，從杜威最早提出的“科學(xué)探究”方法到施瓦布的“探究性教學(xué)”，再到現(xiàn)在的“探究式學(xué)習(xí)”，科學(xué)探究在實際教學(xué)操作中隨著發(fā)展而被異化。當(dāng)前，科學(xué)探究教學(xué)存在諸多困惑。首先，教師對科學(xué)探究存在固化的錯誤認識，課堂中的探究活動往往被塑造成一種課程形態(tài)，通常指的是知識或思維模型建構(gòu)的研究活動，獨立于科學(xué)學(xué)科而存在。久而久之，探究活動演變成一種普適性的教學(xué)模式，學(xué)生如同在生產(chǎn)流水線上一般，按照精細化的流程完成探究過程，教師解釋其中因變量與自變量的關(guān)系，課堂逐漸失去科學(xué)的“味道”。其次，受經(jīng)驗主義科學(xué)哲學(xué)影響的探究教學(xué)難以擺脫歸納和實證的定式。盡管教學(xué)活動冠以科學(xué)探究，但大多是為了證明理論猜想的實驗活動，遠不能反映真實世界中科學(xué)家的探究活動，學(xué)生也難以理解完成此項實驗的目的。這種探究活動只能作為輔助教師驗證或解釋自然現(xiàn)象的教學(xué)手段，并不能視為深層次理解科學(xué)本質(zhì)的方式。再者，并非具有“動手”性質(zhì)的教材內(nèi)容都能進行探究教學(xué)。若學(xué)生操作的僅是一些簡單的動手活動，收獲的科學(xué)知識甚少，這種探究教學(xué)走向了極端，與真實的科學(xué)探究所要求的發(fā)現(xiàn)、調(diào)研和解決物質(zhì)世界的問題等科學(xué)方法相距甚遠。

探究教學(xué)原本旨在扭轉(zhuǎn)傳統(tǒng)教學(xué)中灌輸科學(xué)知識的局面，但現(xiàn)行科學(xué)探究教學(xué)看似發(fā)揮了學(xué)生的主體性，實則大多呈現(xiàn)出表層化的現(xiàn)象，難以實現(xiàn)科學(xué)獨具特色的價值。

二、從科學(xué)探究到科學(xué)實踐的轉(zhuǎn)變

科學(xué)探究簡化了真實科學(xué)研究中意義重大的部分，即過程性、不確定性和批判性。探究教學(xué)的基本內(nèi)容圍繞“科學(xué)”和“教學(xué)”兩個概念。因此，教師需要源于科學(xué)的本質(zhì)將科學(xué)探究升級為科學(xué)實踐，引入科學(xué)實踐思想，以還原科學(xué)探究教學(xué)的科學(xué)性，修正其教學(xué)的異化。

（一）科學(xué)實踐的發(fā)展歷程

美國國家研究理事會（NRC）于2011年7月發(fā)布的《K-12年級科學(xué)教育框架：實踐、跨學(xué)科概念和核心概念》（以下簡稱《框架》），將科學(xué)教育的首要關(guān)鍵詞由“科學(xué)探究”變換為“科學(xué)實踐”［3］，凸顯基于科學(xué)實踐的課程教學(xué)改革方向。《框架》指出，科學(xué)教育應(yīng)包含“科學(xué)與工程實踐”“學(xué)科核心思想”“跨學(xué)科概念”三個維度，學(xué)生在高中應(yīng)獲得科學(xué)能力、科學(xué)觀念及科學(xué)知識三個方面的科學(xué)素養(yǎng)，科學(xué)實踐對于學(xué)習(xí)科學(xué)內(nèi)容及方法至關(guān)重要。2013年美國國家研究理事會發(fā)布的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（NGSS），是科學(xué)實踐的重要轉(zhuǎn)折點［4］。它以“科學(xué)與工程實踐”為范疇，模糊了應(yīng)用科學(xué)與工程之間的界限，因為任何一項工程設(shè)計或科學(xué)研究都離不開彼此的技術(shù)支持或理論支撐［5］。在美國率先以科學(xué)實踐替代科學(xué)探究的背景下，其他國家的科學(xué)教育者也開始采納科學(xué)實踐?？茖W(xué)實踐能彌補我國科學(xué)教育的不足，但國內(nèi)對科學(xué)實踐的研究重理論輕應(yīng)用，尚未體現(xiàn)出科學(xué)實踐的應(yīng)有之舉。

（二）科學(xué)實踐的內(nèi)涵

科學(xué)實踐源于實踐需要，并和人類廣泛的實踐活動相關(guān)聯(lián)。從認識論角度出發(fā)，科學(xué)實踐包含理解自然世界構(gòu)建解釋性的模型和理論及科學(xué)家整合不同論點的過程［6］。但受社會和經(jīng)濟背景的影響，科學(xué)在某種程度上是不確定的，科學(xué)實踐知識是可修改的。科學(xué)實踐指導(dǎo)下的科學(xué)教學(xué)并非由各種要素組成的固定流程，而是科學(xué)探究過程所指向的各類學(xué)生活動?！犊蚣堋分械膶嵺`指學(xué)生在課堂中進行的活動是一個重復(fù)練習(xí)到熟練，深入學(xué)習(xí)到成為習(xí)慣，從對學(xué)科核心概念的深刻理解到能應(yīng)用知識、達成目標(biāo)的過程［7］?？茖W(xué)實踐指導(dǎo)的科學(xué)教育目標(biāo)在認知、能力、情感和社會文化等方面都有新的導(dǎo)向（如圖1）?？茖W(xué)實踐作為教學(xué)任務(wù)不是為了創(chuàng)造新知識，而是為了幫助學(xué)生理解和完善舊知識，使學(xué)生懂得思考和解釋現(xiàn)象?？茖W(xué)實踐的教育目標(biāo)不僅在于提升學(xué)生的實踐能力，更在于教會學(xué)生認識科學(xué)的本質(zhì)。其中，論證是科學(xué)批判實踐重要的組成部分。

（三）課程標(biāo)準(zhǔn)對科學(xué)實踐的要求

踐行科學(xué)實踐理念必須依托于教學(xué)改革。國內(nèi)科學(xué)實踐的發(fā)展與歷次頒布的課程標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)?！读x務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》在2017年版科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)提出的LBD（做中學(xué)）、STSE（科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境）、STEM（科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)）以及SSI（社會性科學(xué)議題）等跨學(xué)科實踐的基礎(chǔ)上，指出科學(xué)課程要培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實踐、態(tài)度責(zé)任等核心素養(yǎng)。探究實踐主要指在了解和探索自然、獲得科學(xué)知識、解決科學(xué)問題，以及技術(shù)與工程實踐過程中，形成的科學(xué)探究能力、技術(shù)與工程實踐能力和自主學(xué)習(xí)能力。［8］《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》在學(xué)科核心素養(yǎng)社會責(zé)任中提出，要結(jié)合本地資源開展科學(xué)實踐，讓學(xué)生具有通過科學(xué)實踐解決現(xiàn)實生活中問題的意識和想法（水平三），并執(zhí)行（水平四）。［9］《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》在基本理念中指出，高中物理課程在結(jié)構(gòu)上注重為全體學(xué)生打好共同基礎(chǔ)，精選學(xué)生終身發(fā)展必備的核心概念和科學(xué)實踐作為必修模塊內(nèi)容。［10］《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》在學(xué)科核心素養(yǎng)之一科學(xué)探究與創(chuàng)新意識中提出，認識科學(xué)探究是進行科學(xué)解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和應(yīng)用的科學(xué)實踐活動。［11］

從義務(wù)教育階段科學(xué)到高中階段科學(xué)各學(xué)科的課程標(biāo)準(zhǔn)，均極力倡導(dǎo)科學(xué)實踐和核心思想，一些核心思想具有跨學(xué)科性?！翱鐚W(xué)科核心思想”指超越了零散而繁多的陳述性知識和程序性技能，貫穿并有效連接各科學(xué)學(xué)科領(lǐng)域的基本概念、原理和方法，對發(fā)展學(xué)生的整體思維和科學(xué)實踐具有重要的意義。

三、“跨學(xué)科核心概念”的主題式科學(xué)實踐

科學(xué)探究較為重視研究過程的完整性，科學(xué)實踐則更加關(guān)注學(xué)生活動的具體性?？茖W(xué)探究的分類實施過程如圖2所示。具體到高中的物理、化學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科，由于有限的學(xué)校課程難以承載不斷增長的知識，學(xué)生也無法掌握太多的事實性知識?？茖W(xué)實踐為科學(xué)教育面臨的有限學(xué)習(xí)時間和無限知識之間的矛盾提出了解決方案，即圍繞少數(shù)學(xué)科核心概念開展學(xué)習(xí)，將各項科學(xué)實踐與核心概念整合，尤其是跨學(xué)科的核心概念和思想方法，促進學(xué)生逐步完善對學(xué)科價值和科學(xué)本質(zhì)的理解（如圖3）。

（一）化學(xué)和生物學(xué)的跨學(xué)科主題教學(xué)

教學(xué)片段1：化學(xué)、生物學(xué)跨學(xué)科核心方法——物質(zhì)的分離、提純。

背景：生活中油多不壞菜、洗滌劑去油等現(xiàn)象都與化學(xué)中的相似相溶原理及生物的細胞膜概念有關(guān)。

學(xué)習(xí)任務(wù)：整合浙科版生物學(xué)選擇性必修3第四章第一節(jié)“基因工程賦予生物新的遺傳特性”中的實驗活動（DNA的粗提?。┖腿私贪婊瘜W(xué)選擇性必修3第一章第二節(jié)“研究有機化合物的一般方法”（分離、提純）的教學(xué)（如圖4），化學(xué)對生物學(xué)的實驗方法和原理具有解釋、指導(dǎo)的作用。

真實問題解決1：油多不壞菜的科學(xué)解釋為細菌的細胞膜是由磷脂雙分子層與蛋白質(zhì)構(gòu)成的半透性膜，油的成分是高級脂肪酸甘油酯，與細菌的細胞膜均為有機物，因而相似相溶，導(dǎo)致細菌無法生存。

真實問題解決2：洗滌劑的主要成分是表面活性劑十二烷基苯甲酸鈉或十二烷基苯磺酸鈉，碳鏈一端無極性，叫親油基團，溶脹形成膠束后包裹油漬。羧酸鈉的一端有極性，叫親水基團，能拖動膠束溶解到水中，達到去油的效果。

（二）化學(xué)和物理的跨學(xué)科主題教學(xué)

教學(xué)片段2：化學(xué)、物理跨學(xué)科核心概念——理想氣體的狀態(tài)方程。

背景：拔火罐、航天服等都與氣體實驗定律的應(yīng)用有關(guān)。

學(xué)習(xí)任務(wù)：整合人教版物理選擇性必修第三冊第二章第3節(jié)“氣體的等壓變化和等容變化”中理想氣體、氣體實驗定律的微觀解釋和人教版化學(xué)必修第一冊第二章第三節(jié)“物質(zhì)的量”中氣體摩爾體積的教學(xué)（如圖7）。對于理想氣體的狀態(tài)方程pV=nRT，R為常數(shù)。在物理中，n一般不變，進行p、V、T之間的換算，更加偏向應(yīng)用，比如利用方程式實現(xiàn)內(nèi)能和機械能之間的相互轉(zhuǎn)換。在一絕熱氣缸內(nèi)，裝有一定量的理想氣體，活塞上的壓力一定，當(dāng)向缸內(nèi)的電阻絲通電時，氣體受熱緩慢膨脹對外做功，pΔV＜0。氣體的內(nèi)能是指所有分子熱運動的動能和分子勢能之和，理想氣體的分子勢能為0，內(nèi)能簡化為分子動能。通電時溫度升高，氣體分子平均動能變大，內(nèi)能變大，但部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機械能。化學(xué)則著重研究理想氣體的狀態(tài)方程pV=nRT（R為常數(shù)）中的任意兩個因素不變，另外兩個因素之間的定性關(guān)系。

真實問題解決1：拔火罐是我國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的一種治療手段。操作時，醫(yī)生用點燃的酒精棉球加熱一個小罐內(nèi)的空氣，隨后迅速把小罐倒扣在需要治療的部位，冷卻后小罐便緊貼在皮膚上。假設(shè)加熱后小罐內(nèi)的空氣溫度為80℃，當(dāng)時的室溫為20℃，大氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，小罐開口部位的直徑可估計。當(dāng)罐內(nèi)空氣變?yōu)槭覝貢r，小罐內(nèi)的空氣對皮膚的壓力大概有多大（不考慮因皮膚被吸入罐內(nèi)導(dǎo)致空氣體積變化的影響）？

解析：當(dāng)罐內(nèi)空氣體積一定時，p1/T1=p2/T2，p2=p1T2/T1=p1（20+273）/（80+273）=1.01×105×293/353，再用F2=p2S，S為小罐開口部位的橫截面積，即可求得小罐內(nèi)的空氣對皮膚的壓力F2。

真實問題解決2：宇航員的航天服能保持與外界絕熱，為宇航員提供適宜的環(huán)境。若在地面上航天服內(nèi)氣體的壓強為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，到達太空后由于外部氣壓降低，航天服急劇膨脹，內(nèi)部氣體體積增大。將所研究氣體視為理想氣體，則宇航員由地面到太空的過程中，若不采取任何措施，航天服內(nèi)氣體內(nèi)能如何變化？為使航天服內(nèi)氣體保持恒溫，應(yīng)給內(nèi)部氣體制冷還是加熱？

解析：根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q，由于保持與外界絕熱，熱量變化Q=0，氣體急劇膨脹，氣體對外界做功，W取負值，可知ΔU為負值，即內(nèi)能減小。因此，為使航天服內(nèi)氣體保持恒溫，應(yīng)給內(nèi)部氣體加熱。

四、結(jié)語

在課程和國家評估組織整體變革的背景下，科學(xué)實踐在教學(xué)中的體現(xiàn)依賴于教材的組織和學(xué)科的邏輯。教師應(yīng)理解教育環(huán)境、教師教學(xué)和學(xué)生實踐活動的相互作用，選擇改革所倡導(dǎo)的教學(xué)策略，圍繞少數(shù)核心概念和思想方法開展學(xué)生活動?？茖W(xué)實踐指導(dǎo)下的科學(xué)教學(xué)將教學(xué)活動從探究式學(xué)習(xí)的固定程序中抽離出來，讓學(xué)生了解科學(xué)概念背后的客觀世界，轉(zhuǎn)向真實的科學(xué)的社會與文化實踐活動，即科學(xué)的本身［12］。不同學(xué)科背景和思維方式的教師之間的跨學(xué)科合作能促進學(xué)生多視角、活思維地參與科學(xué)實踐。

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［9］中華人民共和國教育部. 普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020 年修訂）［M］. 北京：人民教育出版社，2020.

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［11］中華人民共和國教育部. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020 年修訂）［M］. 北京：人民教育出版社，2020.

［12］劉凌彥.“實踐轉(zhuǎn)向”的科學(xué)探究教學(xué)：基本模式與實現(xiàn)路徑［D］. 金華：浙江師范大學(xué)，2022.

（責(zé)任編輯：羅小熒）