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对生物学学科核心素养的理解(三)

——科学探究与实践
赵占良

  摘要:普通高中生物学、物理、化学课程标准都对科学探究素养的内涵做出明确表述。科学探究素养包括科学探究能力、对科学探究的认知和相关情感意识三个方面的要素;科学探究本身就是一种科学实践活动,科学实践还包括工程学实践。新课标提出的科学探究素养既包括提出和解决科学问题的素养,也包括完成工程学任务的素养。教学中提升学生的科学探究素养应基于这样的理解来进行。

  关键词:科学探究素养;科学探究;科学实践;工程学实践

  《普通高中生物学课程标准(2017年版)》(以下称“新课标”)将“科学探究”列为生物学学科核心素养的重要内容。无独有偶,同时颁布的高中物理和化学课程标准,也将“科学探究”纳入学科核心素养。作为近20年来理科课程首屈一指的热词,“科学探究”似乎无须再做进一步解读。然而,如何从核心素养的层面理解科学探究,譬如如何理解科学探究素养的内涵?核心素养语境下的“科学探究”较以往所说“科学探究”相比有哪些新要求?同美国《下一代科学教育标准》“科学探究”变身“科学实践”相联系,我国高中理化生三科课程标准依然坚持倡导的“科学探究”与“科学实践”的关系是怎样的?在教学中如何提高学生的科学探究素养?其答案就不是那么显而易见了。本文试就这些问题谈谈自己的认识。

  科学探究素养的内涵和要素

  高中生物学、物理和化学课程标准中都对科学探究素养的内涵作出明确的表述,如表1[1][2][3]

  表1 理化生课程标准对科学探究素养内涵的表述

  

  从课程标准对科学探究素养的界定来看,理化生三科课标的共同点是将科学探究素养都指向或包括科学探究能力,不同点是物理课标将科学探究素养仅定义为科学探究能力,生物学课标在将科学探究素养定义为科学探究能力之后,又提出了增强好奇心和求知欲、乐于并善于合作、勇于创新等情意品质要求,化学课标是将科学探究素养与创新意识合并表述的,内容包括对科学探究的认识、科学探究的能力和相关的情意品质。

内蒙古快3  关于科学探究素养的要素,上述三科课标中只有物理学课标作出明确的表述:“‘科学探究’主要包括问题、证据、解释和交流等要素”。生物学和化学课标虽然没有明确表述,但从其科学探究素养的表述文本中不难提炼出来(表2)。

  表2 理化生课程标准中科学探究素养的要素

  

  从表2可以看出,理化生三科课标对科学探究能力的表述是基本一致的,即按科学探究的一般过程所包括的基本环节来表述,包括发现和提出问题的能力、作出假设的能力、设计实验等探究方案的能力、实施探究方案获取证据的能力、得出结论作出解释的能力以及进行交流和讨论的能力。

  从表2还可以看出,关于科学探究素养的表述,三科课标差异较大的是认知和情意方面。比如化学课标中关于科学探究素养的阐释,第一条就是“认识科学探究是进行科学解释和发现、创造和应用的科学实践活动”,而生物学和物理课标都未将理解科学探究列入科学探究素养的内涵中。

  为什么理化生三科课标关于科学探究素养的表述会出现这样明显的差异呢?对此该如何理解呢?其实,如果通览三科课标全文,就会发现三科课标中与科学探究素养有关的要求是基本一致的。例如,物理课标虽然在科学探究素养的表述中未列入情意要素和认知要素,但是在学科核心素养的“科学思维”部分,明确指出“基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判,进行检验和修正,进而提出创造性见解”[2],其中“质疑”、“批判”、“创造性”等都包含情意要求;在学业质量水平的描述中,提出“认识到物理研究是建立在观察和实验基础上的一项创造性工作”等认知要素[2],还提出“有较强的学习和研究物理的兴趣,能做到实事求是,在合作中能尊重他人”等情意要求[2];在关于科学探究的教学建议中,再次提出合作意识、科学态度等方面的要求。再如,高中生物学课标虽然在科学探究素养的表述中未列入认知要素,但是义务教育生物课程标准从2001版到2011版都将“理解科学探究”列入内容标准[4][5],在新课标中新增了注重科学本质的教学建议,其中诸如“科学工作依赖观察和推论”“科学工作采用基于实证的范式”“科学是创造性的工作”等表述,都涉及对科学探究的理解[1]

  由此可见,对科学探究素养的内涵和要素的理解,不能局限于一科课标的文本,更不能局限于课标文本中集中表述科学探究素养的那一小段文字。因为核心素养语境下,不同的专家团队虽对科学领域的核心素养都有共识,但学科核心素养的提炼是人为的,科学思维、科学探究、科学本质等本来就是交融一体的,不同学科在凝炼学科核心素养时将这几方面的要素进行不同的排列组合是很正常的事情,例如“质疑、创新”等要素,列入“科学探究”固然合理,列入“科学思维”亦无不可。只有通览理化生三科课标,相互参照,取长补短,才能对科学探究素养有较为全面的理解。

  此外,我们不妨将视野再放宽一些。例如,关于科学探究素养中是否列入理解科学探究的性质、过程和特点,1996年版《美国国家科学教育标准》其实早就提供了范例。该标准在阐述各学段的科学探究内容标准时,都是按科学探究能力和理解科学探究两部分来表述的[6]。2013年版美国《下一代科学教育标准》(NGSS)中同样安排了许多理解科学探究的内容。

  综上所述,科学探究素养包括科学探究能力、对科学探究的认知和相关的情感意识三个方面的要素。在这些要素中,理化生三科课标共同强调的是科学探究能力,这对于培养科技创新人才是十分重要而且必要的,但是不可忽视的是,普通高中学生将来从事科学研究工作的只是一部分。对于不从事科学研究的公众而言,要求他们在提出和解决科学问题上都具有较强的能力是不可能的,也是不必要的。在社会科技化、科技社会化日益广泛深入的当今和将来,普通公众所需要的科学探究素养更多的是对科学探究的认知,以及严谨求实批判质疑、交流合作等情意品质,这些认知和情意品质的提升,同样需要他们在理科课程的学习中亲身参与科学探究活动。这就要求教师在指导学生探究活动时,不能将目标仅锁定在探究技能的掌握上,而是要在培养探究能力的同时,增进学生对科学探究的理解,提升学生乐于探究、善于合作、对不同观点开放包容、不迷信不盲从、勇于提出不同观点等情感和意识。

  “科学探究”与“科学实践”的关系

  对比新旧高中生物学课程标准不难看出,关于科学探究,新课标的重要变化之一是明确提出通过探究活动培养学生的实践能力;化学课标明确提出“科学探究是进行科学解释和发现、创造和应用的科学实践活动”,都提示我们思考探究与实践的关系。

  新课标的重要理念之一是“教学过程重实践”,即“让学生积极参与动手和动脑的活动,通过探究性学习或完成工程学任务,加深对生物学概念的理解,提升应用知识的能力,培养创新精神,进而能用科学的观点、知识、思路和方法,探讨或解决现实生活中的某些问题”[1]。这段话中“探究性学习或完成工程学任务”提示“实践”的内容包括科学探究和工程学实践两个方面,“探讨或解决现实生活中的某些问题”则揭示了“实践”的实质和意义。

  新课标在“学业质量水平”表中,对水平3的科学探究素养的描述是:“能够针对特定情境提出可探究的生物学问题或生物工程需求,基于给定的条件,设计并实施探究实验方案或工程学实践方案,运用多种方法如实记录和分析实验结果……能主动合作,推进探究方案或工程学实践的实施,并运用科学术语报告实验结果。”[1]可见这个水平的科学探究素养包括科学探究和工程学实践两个方面,前者指向寻求对自然现象的认识和解释,解决“是什么”和“为什么”的问题;后者指向设计和制造自然界没有的产品,解决“怎么做”的问题。

  在国际科学教育领域,“科学探究”变身“科学实践”,缘自美国国家研究理事会于2011年发布的《K-12年级科学教育框架:实践、跨学科概念》(以下简称“框架”)。“框架”提出为了避免“探究(inquiry)”一词在科学课程教学中出现有种种偏颇走样儿,改用“实践(practices)”一词[7]。“《框架》改用“实践”一词,不是为了取代“探究”,而是要为“探究”正名”[8],是为了更好地阐述探究在科学中的含义,即它既是动手操作,又是认知实践,还是社会性实践[7]内蒙古快3。可见“科学实践”意在强调学生的科学探究应是一种与科学家所从事的科学研究相似的实践活动,它既不是单纯的科学方法和技能的训练,也不是简单划一地按照固定程序进行操作的实验,而是包括认知(动脑)、社会交往(动口动笔交流)、身体动作(动手动眼)等身心活动的鲜活实践。在该《框架》和随后出版的《下一代科学教育标准》(NGSS)的具体内容中,“科学实践”同样包括科学探究和工程学实践两方面的内容。

  综上所述,科学探究本身就是一种科学实践活动,科学实践还包括工程学实践。新课标提出的科学探究素养既包括提出和解决科学问题的素养,也包括应用科学知识、方法以及技术手段完成工程学任务的素养。

  提高学生科学探究素养的建议

  关于如何提高学生的科学探究素养,理化生三科课标都提出许多有价值的教学建议,这方面的文章更是林林总总。这里仅基于本文所作上述理论分析提两条建议。

  第一,要从认知、能力和情意三个方面去提高学生的科学探究素养。首先是帮助学生理解科学探究,可以通过科学史特别是经典的科学研究案例引导学生理解科学探究的本质和特点,更重要的是让学生通过亲身参与科学探究来体验和感悟。在科学探究能力方面,应该以科学思维能力的培养为核心,将活跃学生的思维作为关键点,通过观察、实验、调查、制作、讨论等各种活动来培养学生的科学探究能力,不能将探究等同于实验,避免机械地按照统一的程序和模式进行表面化的探究。在情意方面,既可以让学生从科学家的研究案例中受到启迪,更需要让学生在亲身参与的探究活动中不断提升。

  第二,既要重视科学问题的探究,又要重视完成工程学任务的实践。在教学中,特别是在选择性必修模块的教学中,这两方面的探究实践任务都要重视。在引导学生完成这两方面任务的过程中,都要尽可能联系现实生活的实际,创设真实的情境,激发学生的探究欲望,鼓励学生动脑、动眼、动手、动口,让学生获得第一手的实践经验,培养学生的创新精神和实践能力。

  参考文献

  1.中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准(2017年版)[M].北京:人民教育出版社,2018.

  2.中华人民共和国教育部.普通物理课程标准(2017年版)[M].北京:人民教育出版社,2018.

  3.中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准(2017年版)[M].北京:人民教育出版社,2018.

  4.中华人民共和国教育部.全日制义务教育生物课程标准(实验稿)[M].北京:北京师范大学出版社,2001.

  5.中华人民共和国教育部.义务教育生物学课程标准(2011年版)[M].北京:北京师范大学出版社,2012.

  6.(美)国家研究理事会,戢守志等译,美国国家科学教育标准[M],北京,科学技术文献出版社,1999.

  7.National Research Council. A Framework for K-12 Science Education:Practices,Crosscutting Concepts,and Core Ideas [M]. Washington,DC:The National Academies Press,2012:30.

  8.唐小为,丁邦平.“科学探究”缘何变身“科学实践”?——解读美国科学教育框架理念的首位关键词之变[J].教育研究,2012(11):141-142.

本文原载于《中学生物教学》2020年第3期

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