科學(xué)教育改革需要實(shí)驗(yàn)研究

2001年，隨著我國新一輪課程改革的啟動，我國小學(xué)科學(xué)課程的改革也步入了新的發(fā)展階段。這一階段的重要標(biāo)志是小學(xué)課程中的自然課被更名為科學(xué)。2001年頒布的國家《科學(xué)（36年級）課程標(biāo)準(zhǔn)》（實(shí)驗(yàn)稿）也明確了這門課程是以培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)為宗旨的科學(xué)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(xué)應(yīng)發(fā)生哪些相應(yīng)的變革？這些問題曾經(jīng)十分明確地?cái)[在所有改革者的面前。在探索上述問題的過程中，有兩個(gè)基本事實(shí)令我們十分關(guān)注。其一是，一些發(fā)達(dá)國家基礎(chǔ)教育階段的科學(xué)課程改革已取得長足的進(jìn)展，并表現(xiàn)出鮮明的價(jià)值取向和發(fā)展脈絡(luò)；其二是，2002年對我國21個(gè)省市小學(xué)科學(xué)教師的問卷調(diào)查表明，相對于科學(xué)知識等方面，我國小學(xué)科學(xué)教師的最大困難和問題是缺乏對科學(xué)性質(zhì)的了解，對科學(xué)課程和學(xué)生的認(rèn)識也極大地影響著教師的教學(xué)實(shí)踐。在課程開發(fā)和課堂教學(xué)中亟待解決的具體問題是，如何根據(jù)培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)的新目標(biāo)設(shè)計(jì)課程結(jié)構(gòu)和選擇教學(xué)內(nèi)容；如何圍繞核心概念開展科學(xué)探究活動；如何在科學(xué)概念的學(xué)科邏輯結(jié)構(gòu)和兒童認(rèn)知發(fā)展的心理結(jié)構(gòu)之間找到結(jié)合點(diǎn)；如何將學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)方法相互關(guān)聯(lián)，等等。為了應(yīng)對課程性質(zhì)變化帶來的挑戰(zhàn)，我們認(rèn)為，需要借鑒發(fā)達(dá)國家科學(xué)課程改革的成功經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)著力解決我國科學(xué)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(chǔ)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(jìn)行實(shí)踐研究

經(jīng)過分析和考察，我們選擇了美國的STC科學(xué)課程。原因之一是，近百年來，美國對科學(xué)教育的研究較為系統(tǒng)，而近30年來，基于對科學(xué)教學(xué)和科學(xué)學(xué)習(xí)的大量研究成果，已經(jīng)形成了關(guān)于科學(xué)學(xué)習(xí)本質(zhì)的一些指導(dǎo)原則，便于我們分析和理解課程設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。另一個(gè)原因是，第二次世界大戰(zhàn)后，世界科學(xué)文化的中心已由歐洲轉(zhuǎn)移到美國，美國的科學(xué)教育會傳遞出更多的科學(xué)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(gè)省市的10所小學(xué)進(jìn)行了為期6年的美國STC課程實(shí)驗(yàn)。目前，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)已如期完成，共在20個(gè)實(shí)驗(yàn)班的741名學(xué)生中進(jìn)行了16年級全部24個(gè)單元的課堂教學(xué)，對學(xué)生xvyOlgINSwNT10xjKESIZg==在這門課程干預(yù)下的言論和行為做了全程、多角度的觀察。

關(guān)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(shí)驗(yàn)的方法。我們相信，親身實(shí)踐會促使研究者對研究對象做更為深入的了解，課堂實(shí)驗(yàn)會便于我們從教學(xué)過程中收集相關(guān)的事實(shí)形成證據(jù)，以作為認(rèn)識形成的基礎(chǔ)。

為了更準(zhǔn)確地把握研究的對象，從實(shí)驗(yàn)伊始，我們就確立了實(shí)驗(yàn)的基本原則——嚴(yán)格按照STC課程教師指導(dǎo)用書中的系列設(shè)計(jì)進(jìn)行教學(xué)，并邀請美國STC課程的培訓(xùn)師對實(shí)驗(yàn)教師逐單元進(jìn)行培訓(xùn)。為了研究的需要，我們也要求兩名實(shí)驗(yàn)教師同時(shí)進(jìn)入課堂。一名進(jìn)行教學(xué)，一名進(jìn)行觀察和協(xié)助收集事實(shí)性資料。事實(shí)性資料主要包括課堂實(shí)錄（用攝像機(jī)記錄的課堂教學(xué)全過程，共290節(jié)）、班級記錄單（教師和學(xué)生在新聞紙上記錄的班級討論結(jié)果，共1498份）、學(xué)生的記錄單和科學(xué)日記（學(xué)生觀察和實(shí)驗(yàn)的原始記錄、對數(shù)據(jù)作出的處理以及個(gè)人觀點(diǎn)，共13818份）、教師的教學(xué)日記（教師記錄的教學(xué)軼事、教學(xué)感悟和體驗(yàn)，共1188份）和各種評價(jià)信息（單元的前測和后測、過程性評價(jià)、終結(jié)性評價(jià)和學(xué)生自我評價(jià)，共1580份）等。

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

STC課程的設(shè)計(jì)理念和實(shí)施策略

美國STC課程的文本教材分為教師指導(dǎo)用書、學(xué)生活動手冊和學(xué)生科學(xué)讀本3大部分。按照大單元的結(jié)構(gòu)，16年級的課程由生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、地球科學(xué)、設(shè)計(jì)與技術(shù)領(lǐng)域的24個(gè)單元教學(xué)模塊組成，每一個(gè)單元需持續(xù)進(jìn)行2個(gè)月左右的教學(xué)。

STC課程的設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了現(xiàn)代科學(xué)的價(jià)值觀、方法論和認(rèn)識論。在STC課程里，科學(xué)被置于課程設(shè)計(jì)的核心位置上。例如，科學(xué)重視證據(jù)和數(shù)據(jù)。孩子們在不同主題的學(xué)習(xí)過程中能不斷體驗(yàn)證據(jù)和數(shù)據(jù)是形成和發(fā)展某一觀點(diǎn)的基礎(chǔ)，能不斷參與與證據(jù)和解釋相關(guān)的討論和分析，不斷對證據(jù)和數(shù)據(jù)進(jìn)行評價(jià)，并不斷體驗(yàn)和反思所學(xué)的知識。例如，科學(xué)需要經(jīng)歷一系列復(fù)雜的實(shí)踐活動。孩子們在課程中能不斷學(xué)習(xí)如何提出問題，如何進(jìn)行觀察和實(shí)驗(yàn)，如何組織、表征和使用數(shù)據(jù)，如何基于證據(jù)進(jìn)行推理論證，以及如何做出解釋等，反復(fù)體驗(yàn)知識的建立和拓展過程。例如，科學(xué)是一項(xiàng)凝聚集體智慧和創(chuàng)造力的工作。課程十分強(qiáng)調(diào)知識的發(fā)現(xiàn)和習(xí)得都離不開學(xué)習(xí)（科學(xué)）共同體，不同結(jié)果和觀點(diǎn)的存在對修正和完善自身的認(rèn)識至關(guān)重要。孩子們在課程學(xué)習(xí)中能不斷經(jīng)歷與伙伴合作探究的過程，逐漸理解社會構(gòu)建在科學(xué)知識建立過程中的作用。例如，科學(xué)是運(yùn)用概念結(jié)構(gòu)和相關(guān)事實(shí)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(xué)習(xí)主題和目標(biāo)，又從分級概念和子概念層面設(shè)計(jì)了連貫的課堂教學(xué)活動。這樣使孩子們從小學(xué)階段就開始學(xué)習(xí)如何將學(xué)習(xí)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(shè)計(jì)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(jìn)行了學(xué)科邏輯與兒童邏輯的結(jié)合，具體表現(xiàn)在對兒童已有學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)、能力和態(tài)度的關(guān)注。課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)周期、教學(xué)步驟、科學(xué)記錄單和評價(jià)系統(tǒng)，從多方面保證了以兒童的前概念作為教學(xué)的起點(diǎn)，使孩子們能夠始終保持學(xué)習(xí)的興趣，并不斷發(fā)展做出預(yù)測、進(jìn)行解釋和科學(xué)論證的能力。還表現(xiàn)在所采取的一系列適應(yīng)兒童發(fā)展需要的教學(xué)干預(yù)措施?！耙挥⒋鐚?，一英里深”的大單元設(shè)計(jì)，使兒童有機(jī)會進(jìn)行深入探究，能夠不斷積累連續(xù)性的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)并與同伴進(jìn)行充分的交互。建立在元認(rèn)知理論基礎(chǔ)上的單元組織結(jié)構(gòu)和活動設(shè)計(jì)，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(rèn)識。此外，課程還十分注意將兒童的科學(xué)學(xué)習(xí)與他們的好奇心、學(xué)習(xí)興趣和日常生活經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系，不斷激發(fā)他們持續(xù)學(xué)習(xí)科學(xué)的愿望，并深入理解周圍的自然現(xiàn)象。

STC課程的教學(xué)策略包括班級討論、頭腦風(fēng)暴、合作性學(xué)習(xí)小組、思維工具和學(xué)習(xí)（材料）中心。由教師有效引導(dǎo)的班級討論被認(rèn)為是科學(xué)學(xué)習(xí)中非常重要的手段，它為學(xué)生提供了明確表達(dá)自己想法、練習(xí)依靠證據(jù)做出解釋并與同伴進(jìn)行集體論證的機(jī)會。頭腦風(fēng)暴是在單元或一節(jié)課的起始階段具有刺激性和引導(dǎo)性的活動，它使學(xué)生和教師了解關(guān)于學(xué)習(xí)主題已有的知識和期待解決的問題，同時(shí)學(xué)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(xué)習(xí)小組是STC課程中廣泛采用的學(xué)習(xí)組織形式，它讓孩子們在與同伴的合作中應(yīng)對挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)會通過溝通、交流和分享形成對事物的認(rèn)識，提高學(xué)習(xí)的能力。思維工具主要指科學(xué)記錄單、網(wǎng)狀圖、維恩圖等。它們發(fā)揮了幫助學(xué)生組織和呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對學(xué)習(xí)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(jìn)行比較等信息加工作用。學(xué)習(xí)（材料）中心是教師在教室里設(shè)置的一個(gè)由探究器材、科學(xué)圖書、視頻資料等組成的學(xué)習(xí)支持系統(tǒng)。它延伸了課堂教學(xué)活動并能協(xié)助學(xué)生開展課程之外的自由研究。

實(shí)踐研究的發(fā)現(xiàn)

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

STC課程的目標(biāo)之一是，使科學(xué)對所有學(xué)生都是適合的、有趣的和富有挑戰(zhàn)性的。從24個(gè)單元后的學(xué)生自評中，我們看到學(xué)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(xué)習(xí)的體會和感受。在每個(gè)單元長達(dá)2個(gè)月的科學(xué)學(xué)習(xí)中，學(xué)生們表現(xiàn)出的持續(xù)的學(xué)習(xí)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(shè)計(jì)的難度，而且表現(xiàn)為較高的教學(xué)要求。我們觀察到，幾乎沒有一個(gè)小組的學(xué)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(xué)活動大大促進(jìn)了他們的發(fā)展，使6年級的學(xué)生不僅能自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和表格，利用簡圖和文字的組合表征觀察結(jié)果，還能評價(jià)證據(jù)與探究方法和工具的關(guān)系，關(guān)注論證的客觀性、全面性和準(zhǔn)確性。

STC的課程目標(biāo)之二是，有助于學(xué)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(xué)生們的概念性理解不僅僅是具象、生動和個(gè)性化的，隨著單元教學(xué)和年級的推進(jìn)，他們已經(jīng)表現(xiàn)出層級發(fā)展、多維聯(lián)結(jié)、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(shí)驗(yàn)班的學(xué)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(jié)構(gòu)、習(xí)性與棲息地的關(guān)系，從生態(tài)系統(tǒng)到外部環(huán)境對生物的影響這樣一個(gè)逐級發(fā)展的特點(diǎn)。從“生態(tài)系統(tǒng)”單元的課堂實(shí)錄中，可以明顯地看到學(xué)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(fù)雜邏輯結(jié)構(gòu)的了解。從單元總結(jié)課學(xué)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(jìn)行反思和修正的能力。

STC課程的目標(biāo)之三是，幫助兒童發(fā)展論證的能力。在6年的課程實(shí)驗(yàn)中，我們不僅觀察到大量的觀點(diǎn)交互、以證據(jù)為依據(jù)的學(xué)生論證行為，而且發(fā)現(xiàn)了學(xué)生在論證中已經(jīng)存在并發(fā)展著的評價(jià)證據(jù)、重復(fù)檢測、協(xié)調(diào)證據(jù)與觀點(diǎn)的能力。從對實(shí)驗(yàn)班學(xué)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(qiáng)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(xué)生正在逐漸形成自己的解釋體系，逐漸脫離情境進(jìn)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(biāo)之四是，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)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(jià)活動中我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生們基本能夠運(yùn)用簡單的科學(xué)原理綜合或選擇實(shí)驗(yàn)方法。他們不僅能夠較準(zhǔn)確地記錄結(jié)果，而且也能對之進(jìn)行卓有成效的處理，還會根據(jù)情況用恰當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行呈現(xiàn)。他們對頭腦風(fēng)暴和集體論證中的3個(gè)原則經(jīng)歷了由不適應(yīng)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(shí)或證據(jù)陳述自己的觀點(diǎn)。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(guān)愛是教師們在以往的教學(xué)中從未見到過的?！吧鷳B(tài)系統(tǒng)”單元關(guān)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(qiáng)烈關(guān)注。

收集到的大量事實(shí)性資料表明，通過STC課程的學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)班學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)獲得了明顯的發(fā)展。這是哪些課程因素成功干預(yù)學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的結(jié)果？又為我國科學(xué)課程的建設(shè)和課堂教學(xué)提供了哪些可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)?zāi)兀课覀儚?0個(gè)方面進(jìn)行了梳理并開展了專題研究。這10個(gè)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(xué)實(shí)踐活動，情境化的教學(xué)設(shè)計(jì)，集體論證能力的培養(yǎng)，學(xué)習(xí)共同體的創(chuàng)建，教學(xué)評價(jià)系統(tǒng)，探究材料的設(shè)計(jì)和使用，科學(xué)閱讀的開展和科學(xué)記錄功能的發(fā)揮。這10個(gè)方面涉及科學(xué)課程建設(shè)和教學(xué)的基本理念，也涉及具體的實(shí)施策略，我們認(rèn)為是它們形成了STC課程的標(biāo)志性特征，也反映了當(dāng)代科學(xué)課程和教學(xué)的眾多要素。

對我國科學(xué)教育的啟示

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

STC課程給我們的另一個(gè)重要啟示是，要正確看待兒童的學(xué)習(xí)潛力和學(xué)習(xí)能力，并對他們的發(fā)展要求給予真正的關(guān)注。STC課程在發(fā)展學(xué)生集體論證方面的成功經(jīng)驗(yàn)說明，即使是低年級的學(xué)生也有復(fù)雜的思維方式，他們進(jìn)行科學(xué)推理的能力比長期以來我們所設(shè)想的要強(qiáng)得多。他們可以而且正在進(jìn)行著大量的推理過程，而這些過程可以形成科學(xué)思維的根基。我們在以往的課程設(shè)計(jì)和教學(xué)中常常對孩子們的能力估計(jì)不足，或者脫離了孩子們的實(shí)際水平，并缺乏對他們真實(shí)想法和學(xué)習(xí)進(jìn)程的認(rèn)真對待，這都需要我們進(jìn)一步改進(jìn)。

STC課程實(shí)驗(yàn)帶給我們的啟示是多方面的。我們相信，隨著時(shí)間的推移，我們的認(rèn)識會更加深刻和豐富，也會更有效地在我們的研究和實(shí)踐中加以應(yīng)用。