严晓梅1,裴新宁2,郑永和1
1. 北京师范大学教育学部;
2. 华东师范大学教育学部
摘要: 科学教育肩负着创新人才培养和公民科学素养提升的重任,受到广泛关注。目前我国科学教育内容的组织及活动大多以知识传授为中心,与科学教育目标和国际科学教育发展趋势不相符合,与塑造科学文化和科学精神的教育理念不相一致。本文从理论和实践的多个维度分析我国基础教育阶段科学教育的现状与问题,提出促进我国科学教育创新发展的建议。
关键词:科学教育发展战略科学素养素养评测
中图分类号:G7文献标识码:A
DOI:10.19524/j.cnki.10-1009/g3.2018.03.013
我国在建设科技强国进程中面临着两个突出的矛盾。其一,国家发展对科技人才的旺盛需求与创新型人才实际数量的匮乏之间的矛盾。比如,我国科技队伍的规模在世界上最大,但世界级科技大师、前沿科技领军人才以及基础研究的尖子人才严重不足[1]。其二,科技发展和社会进步对民众科学素养要求的不断提高与现阶段我国公民科学素养进步缓慢之间的矛盾[2]。技术时代社会变革的加剧,要求公民具备更高的科学素养以参与社会公众事务的理性决策,这是国家经济稳健发展的一个重要前提[3]。科学教育肩负着培育未来科技创新人才和提升公民科学素养的重任。然而,解决上述矛盾,我国科学教育面临着前所未有的艰巨挑战。特别是在我国基础教育阶段,大部分的课堂科学教学依然以教师传授知识为主,忽略方法与态度的培养,学生缺少参与实践活动的机会。这种以知识传授为中心的基础教育体系与新时期科学教育的目标和国际科学教育发展趋势不相符合。本文从我国科学教育的现状与问题入手,提出以理论创新为引领,以新技术应用为契机,以新课程形态为抓手,构建政策、研究和实践相互协调的推动科学教育创新发展的建议。
一、我国科学教育现状与问题
1. 我国科学教育的整体现状不容乐观
近年来,科学教育在我国得到了较快发展,但地区发展不平衡、科学教育资源配置不均衡的矛盾突出,科学教育专业师资仍然缺乏,科学教育总体水平与发达国家差距仍然较大。我国分科的科学教学体系虽然相对完善、发展成熟,如物理、化学、生物等自然学科都有各自的学科课程论与教学论体系,但对综合的科学教育,即关照各自然学科之间的联系及统一性的教育,在理论、实践以及政策研究上都相对薄弱,现状不容乐观。
我国基础教育阶段的科学教育的成效被学者、科学家和社会所质疑。例如,国际学生测试表明①,我国青少年学生对科学基础知识的掌握出色,但创造力表现普遍不足,科学兴趣和科学认识性知识水平也低于国际平均水平。我国学生静态问题的成绩优于动态问题的成绩,而其他参加测试国家情况则相反,意味着我们在知识的灵活运用上落后于其他国家[4],反映出我国青少年学生对科学知识更加注重静态机械式记忆,创新能力、动态综合的解决问题能力不强,在科学方法掌握以及科学思维的发展上存在短板[5]。
中国科协2018年进行的中国公民科学素质抽样调查表明②,虽然我国公民科学素质有了大幅提高(从2015年的6.2%提升到8.47%)。与发达国家仍有较大差距(美国在1999年就达到平均水平17%)。我国公民科学素质水平区域发展不平衡的特点显著[6]。我国提高全体公民科学素养,依然任重道远。
以上结果显示,我国科学教育体系还难以满足科技创新人才培养和公民科学素养提升的需求。造成这一现状的原因错综复杂,本文从教育体系中的不同要素之间的矛盾来分析部分原因。
2. 我国科学教育存在的主要问题
(1)科学教育课程标准与考核方式不匹配。
课程标准作为国家对教育质量和课程基本规范的统一要求,是学校教育实践的纲领性文件。从本世纪初我国基础教育课程改革以来的课程标准的演变看出,国家对基础教育的要求逐步从知识的学习向能力和素养的培养转变。科学、物理、化学和生物等学科课程标准中明确要求,学生不仅要学习科学知识,更要掌握科学探究的方法,培养积极的科学态度;要让学生体验科学探究的过程,培养学生的科学素养[7]。但时至今日,我国课堂教学实践中的科学课程内容和结构仍然陈旧,教学方式单一的问题普遍存在,课程标准对教学实践指引不足。与西方国家科学类课程标准相比,我国课程标准理念表述多于可操作的实践指导[8]。
影响我国课程标准贯彻实施的另一原因是缺乏针对科学素养、科学方法的考核标准和有效的评价方式。目前科学教育的评价内容主要针对科学静态知识,评价方式以总结性评价为主,难以反映出学生的科学素养水平和对科学方法的掌握情况。高考对相关学科的考察也以客观题为主,这个指挥棒的作用必然影响科学教育的实践。部分自然学科(物理,化学和生物等)在高中结业考试中增加了实验操作的考核内容,但所占比例甚小,考核方式也以机械操作步骤和技能为主,因此无法真正检验学生的探究能力和方法。总之,课程标准所倡导的科学探究能力和核心科学素养,在现有的考核体系中无法有效检测,因而实际上科学探究能力和科学素养培养难以获得重视,造成了教学中对课程标准的落实和实践的困难。
(2)科学教育教学实践与认知规律不一致。
我国的课堂教学中,大部分教师仍然以传授科学知识为主,重理论轻实践,缺少对学生科学方法的训练和科学思维的培养。大部分学生对科学理论的来源和科学理论对实际生活的作用等方面的认识仍是知其然而不知其所以然,这与学界对科学教育提倡的主流理念相违背,也不符合学生科学学习的认知规律。
科学知识内涵的拓展和对科学知识本身认识的变化,推动了科学教育从科学知识内容为核心向科学方法和科学思维的深刻转变。随着科技的发展,科学知识越来越丰富,科学哲学家和科学社会学家们对科学知识本身也有了新的看法[9]。科学不仅是一些静态的结论,同时更是一种动态的过程和建制[10]。例如,科学社会家们提出科学家在开展科学研究的过程中所产生的科学知识,往往需要通过不同科学家、不同学派和团体之间的讨论、交流和争辩,才能被科学家共同体所认同。这个科学知识演进的过程是与科学家所处的社会文化环境、经济发展水平,以及科学家自己的信仰和态度密切相关的[11][12]。因而科学知识本身并不是客观存在的事实,而是不断变化发展的,科学知识的形成过程是与社会文化紧密相连的。就此,在科学教育中,需要学生体验并理解科学知识的形成过程和方法,转变学生对科学知识的单一认识,从而培养对科学复杂性的理解。科学教育者们意识到科学教育的核心不再是讲授客观的“科学事实”,而是要帮助学生理解科学是认识世界的一种方式。
我国学者在科学教育研究方面已形成了一些有价值的成果,例如,提出科学教育从知识导向转向能力导向[13],以探究为主的科学教育方式[14],在科学教育中注重科学文化的树立[15]等。科学教育的新理念广为熟知,“社会-文化取向”的多种学习理论流派也在科学教育研究中得到重视[16]。然而,在我国科学教育的实践中,这些理念和认识的落实,却成效甚微。我国科学教育的现状依然是注重静态知识传授和解题训练而忽视科学方法掌握和科学思维的培养。这样的实践现状与科学教育研究中的理论认识差距较大。因而我国科学教育改革的推进需要大力加强科学教育理论研究与教育实践的连接。
造成我国课堂科学教育实践与理论认识脱节的原因是多方面的,例如科学教育资源匮乏,科学教育人员专业能力发展缺乏持续支持,科学教育专家网络没有形成,甚至是社会对科学教育的认识还存在偏见等。因而提升我国科学教育的质量还应建立适合的科学教育目标、考核方式,以及实践与指导相一致的教育体系。
二、加强我国科学教育的若干思考与建议
1. 加强科学教育基础理论研究
建设适合我国科学教育发展的原创性科学教育理论,引领我国科学教育实践与创新发展,是迫切之需。
我国独特的历史文化传统,为我国学生发展科学素养带来了独特的挑战。我国历史上的科技成果(比如四大发明),多以技术发明和应用为主;我国近代的科技发展,则与富国强民的使命紧紧相连,因而我国的科技和教育体系往往更注重实用性[16]。再加上我国悠久的传统文化讲究道德行为规范,与强调独立思考和质疑的西方科学精神不尽相同。这些也造就了科技发展在我国不同于西方的社会历史文化环境。因而我国学生发展科学思维的路径与西方社会的同龄人截然不同[17]。但我国学校科学教育多以近代西方科学成果和科学思维方法为基础。与西方国家的同龄人相比,我国学生缺乏社会历史文化层面的认同和基础。要改变我国科学教育的现状,必须开展更多的根植于我国文化的实证研究,批判性地学习和借鉴西方科学教育的经验。
我国科学教育相较欧美国家起步较晚,针对我国国情的科学教育理论研究基础还非常薄弱。受制于我国传统的学科设置,我国的科学教育研究长期分散在各学科教育(例如物理教育,化学教育和生物教育等)研究和一些普通教育研究中,体系化的综合型科学教育研究相对薄弱。考虑到科学教育研究本身的跨学科性质,例如自然科学、教育学、心理学和社会学等领域的交叉融合,更增加了科学教育理论研究的难度。近20年来,认知科学、脑科学以及学习科学多学科探究的重大发展正在深刻地影响着科学教育,催生了新的教育理念[17]。这些重要的时代特征和创新的科学教育理念在欧美发达国家广受重视,重建了欧美发达国家科学教育政策、研究与实践的基础,推动科学教育系统发生了深刻变革[8]2。就此,在布局我国科学教育长远发展时,我国应充分重视学科交叉,建设适合我国科学教育发展的原创性科学教育理论体系,以引领我国科学教育实践与创新发展。在科学哲学的研究中,东方哲学是失落的瑰宝。融会东西方科学哲学精华的创新正成为科学素养理论研究发展的新方向。我国众多优秀科学家在多年科学研究实践中对此也形成了深刻认识,呼吁寻找东西方融合的科学思维基础[14]2,为我国科技创新人才培养提供新思维和新方法[18],建立强大而丰富的思想库。
2. 建立完善的科学教育课程体系
欧美国家发布的科学课程体现了学术界对科学教育的内容和方法的新理念。例如美国国家科学研究理事会(NRC)在上世纪90年代发起的STS(Science,Technology and Society,科学,技术与社会)课程,就拓展了科学知识的内涵,强调除了科学知识以外,还要注重科学知识与技术和社会之间互相影响的关系[11]。同样,西方国家发起的HPS(History and Philosophy of Science,科学的哲学和历史)课程强调科学知识产生的历史与社会背景,以及科学的哲学基础[12]。英国在2006年的中学科学课程中开辟了讲述科学本质(How Science works)的专栏内容。近年来,美国更是带动了全球的STEM(Science-Technology,Engineering-Mathematics,科学,技术,工程和数学)教育热潮,强调知识的综合应用和创造。美国2013年发布的《下一代科学标准》(NGSS)标准中,明确了科学教育中的科学实践、跨学科共同概念和学科核心概念等维度,提出了清晰的实施建议。这些课程标准反映了科学教育内涵的变化,对我国科学教育也产生了重要影响。基于科学教育的先进理论,我国需要建立包含课程目标、学习内容,学习活动、学习方式、评价标准等各要素在内的一体化的课程体系。在熟悉科学相关知识和充分了解青少年学生认知发展规律的基础上,由科学家和教育学家共同确定适合的学习内容和学习进程。
评测方法落后也是制约我国科学教育发展的一个重要因素。我国应该着力制定关于科学素养的全面评价标准,并与科学教育目标相一致,包括校内与校外的学习、长期与短期的课程,过程与结果的评价,以及知识与技能、态度的综合评价。人工智能和脑科学的发展,为开展全面的科学测评带来了充分可能。例如人工智能的应用,让更多学习行为和结果可以被记录和分析,使得更全面、更科学、更精准的测评成为可能[19]。而脑神经科学的发展,让人们对科学思维等高阶认知能力的显性表现有更多的理解,提供了包括脑电波扫描、眼动、体表温度变化等可数据化记录的指标。因而在传统评价中被忽略的科学技能、科学思想、科学方法和科学态度等科学素养中的重要维度有可能通过新的信息技术手段实现测评。
3. 建设多样化的科学教育开放平台
顺应科学教育内容的拓展和变化,科学教育的方式已发生很大的改变。让更多的人以更新的方式学习更多的科学知识,已成为当今世界科学教育改革的潮流。同时,新一代信息技术应用促进了科学教育的变革,为新的教学方式和策略带来了机遇,并促进了科学教师对科学教育本质的反思[20]。
国际上,科学教育研究者和实践者尝试通过各种方式,让学生体验创造,为学生创设合适的学习环境助其通达对科学的理解。例如通过探究取向的科学教学(inquiry-based science teaching,IBST)让学生体验和开展多样化的科学实践,掌握科学方法和理解科学本质;通过问题导向的学习(problem-based learning,PBL)让学生在解决真实而有意义的问题学习科学知识,发展科学思维和问题解决能力;通过鼓励学生参与科学论辩(scientific argumentation),让他们自主建构对科学知识的理解,并发展科学沟通的能力。
另外,科学教育研究者强调为学生提供丰富的接触科技的渠道和机会,多元地展现科技与社会相互影响[21]。科学教育研究者提出,为学生提供更多的在不同生活场景中接触科技的机会,可以帮助学生树立对科学和科学本质更丰富多元的认识。更重要的是,多样化的教育方式正逐步链接与融合传统中泾渭分明的正式学习与非正式学习、课内与课外学习[8]3。特别是欧美许多国家为科学家参与科学教育建立了顺畅的通道和支持网络。从而,学生体验到的不再是仅存于“教室中的科学”或“课本上的科学”,而是更真实的科学。
我国建立开放合作的平台将有利于更好地整合社会、企业、高校和科学家等多方资源,丰富科学教育的内容和形式,让学生对科学的学习体验更多彩、更深入。