中小學(xué)推進科學(xué)教育的關(guān)鍵點

中小學(xué)推進科學(xué)教育的關(guān)鍵點在知識爆炸與人工智能快速發(fā)展的時代，學(xué)校要教會學(xué)生在未來生存的能力?？茖W(xué)教育要培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)，逐步形成適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展所需要的正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力?？茖W(xué)與其他學(xué)科的最大區(qū)別，是特別強調(diào)探究實踐。在《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中，“探究”一詞出現(xiàn)了352次，“實踐”一詞出現(xiàn)了146次，“探究實踐”一詞出現(xiàn)了35次。2022版科學(xué)課標(biāo)“課程理念”部分特別提出“激發(fā)學(xué)習(xí)動機，加強探究實踐”，倡導(dǎo)以探究和實踐為主的多樣化學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)生主動參與、動手動腦、積極體驗，經(jīng)歷科學(xué)探究以及技術(shù)與工程實踐的過程。那么，當(dāng)前中小學(xué)校在推進科學(xué)教育的過程中，應(yīng)如何理解和把握“探究實踐”這一關(guān)鍵點？一為什么提倡探究實踐探究實踐是指科學(xué)探究和技術(shù)工程實踐。探究和實踐可以獨立，但是2022版科學(xué)課標(biāo)鼓勵兩者融合。為什么以前提倡“科學(xué)探究”，而現(xiàn)在提倡“探究實踐”？這背后涉及多種因素及考慮。.適應(yīng)科學(xué)、技術(shù)與工程發(fā)展的趨勢的優(yōu)點和不足，考慮實施的可行性，然后以此為基礎(chǔ)對方案進行改進。因此，在設(shè)計環(huán)節(jié)最好分組進行，組內(nèi)每位學(xué)生可以提出一個初步方案。在一些科學(xué)課程的教學(xué)觀摩中，我發(fā)現(xiàn)往往每組學(xué)生只有一個設(shè)計方案，且沒有討論改進的環(huán)節(jié)，未來這方面需要加強。物化是指采用一定的工藝方法等將想法、方案轉(zhuǎn)化為實際物品，或?qū)σ延形锲愤M行改進。在物化過程中，教師需要引導(dǎo)學(xué)生考慮材料的選取、工具的選擇，在實施前提醒學(xué)生注意安全規(guī)范。三探究實踐的實施要點探究實踐是一種學(xué)習(xí)模式，中小學(xué)開展探究實踐需要把握以下要點。.探究實踐開始于觀察和提出問題愛因斯坦說：“提出一個問題往往比解決一個問題更重要?！眴栴}本身就可以激發(fā)或是限制學(xué)生的創(chuàng)造力。好的問題有助于讓學(xué)生得出“與眾不同”的答案，而創(chuàng)造力的主要特征之一就是“與眾不同”。例如：物體在陽光下會有影子，不同時刻影子的長短和方向都會變化。以物體和影子為背景，一個缺乏創(chuàng)意的題目類似于“物體的影子什么時候最短”，它直接導(dǎo)致相同的答案”中午時物體影子最短”，自然無法激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力發(fā)展。相反，如果把題目改為：“利用物體的影子，我們可以做什么？怎么做？”這就是一個值得討論的問題。學(xué)生既可以從不同角度進行思考，也要考慮具體實施，而且還可以從別人的答案中得到啟發(fā)。具體“做什么”，則可以是測量時間、確定方向、測量物體的高度等等。.探究實踐以科學(xué)問題為中心探究實踐都是從問題開始，以問題為核心激發(fā)學(xué)生思維，這也是科學(xué)學(xué)習(xí)的重要特征。問題的引入要適當(dāng)，最好與學(xué)生所學(xué)的科學(xué)知識有聯(lián)系，符合學(xué)生的生活經(jīng)驗，同時考慮學(xué)生的心理特點。引起探究的問題應(yīng)當(dāng)是那些超出學(xué)生現(xiàn)有水平但學(xué)生通過努力能解決的具有挑戰(zhàn)性的高級問題，這些問題有難度但又讓學(xué)生有興趣去挑戰(zhàn)。如關(guān)于中國大科學(xué)項目“500米口徑球面射電望遠鏡”有一個問題：球面并不能聚焦，為什么該裝置稱為“球面”而不是“拋物面”？這一問題涉及物理、數(shù)學(xué)、地理、技術(shù)與工程等跨學(xué)科知識，教師可以引導(dǎo)學(xué)生先做理論分析，然后制作簡化的模型進行驗證。.探究實踐要有趣味性，能激發(fā)學(xué)生自主參與探究實踐應(yīng)該有趣味性，這樣才能激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的探究興趣，學(xué)生才會積極主動地參與到探究活動中。我曾多次組織小學(xué)生進行探究活動，發(fā)現(xiàn)他們真正感興趣時，會不自覺地坐在地上甚至是趴在地上進行實驗，放學(xué)了也不愿意回家。如我們觀察發(fā)現(xiàn)能夠飛翔的鳥類身體與翅膀不成比例：大鳥展翅比身體長，小鳥展翅比身體短。針對這一現(xiàn)象，學(xué)生首先可以收集多種鳥的數(shù)據(jù)，嘗試發(fā)現(xiàn)某種規(guī)律，然后做出假設(shè)對這一現(xiàn)象進行解釋并做出模型進行驗證，最后對撲翼飛翔裝置提出可能的建議。.探究實踐活動要重視合作與交流在探究實踐活動中，教師要鼓勵學(xué)生多進行溝通交流。如果學(xué)生之間能夠不斷地交流討論，不同的思維火花在激烈的碰撞中就可以互相啟迪思維、拓展視野。因此，科學(xué)探究實踐倡導(dǎo)小組合作，教師要為學(xué)生之間的合作交流創(chuàng)造條件。例如：在給中小學(xué)生設(shè)計探究實踐活動時，要考慮工作量的大小是否必須要團隊合作才可能完成，如前面介紹的紙船項目就需要發(fā)揮團隊合力。.探究實踐活動要重視收集資料及分析、歸納、總結(jié)科學(xué)重視數(shù)據(jù)，在探究實踐中，對現(xiàn)象進行科學(xué)解釋、做出科學(xué)推斷時，需要一定數(shù)量的可靠數(shù)據(jù)資料。觀察、測量是獲得資料的重要途徑，一些情況下學(xué)生可以自制模型或作品，幫助獲取某些數(shù)據(jù)，這體現(xiàn)了科學(xué)探究與工程實踐融合的必要性。需要指出的是，我們通過對外在現(xiàn)象的觀察和測量，可以得到局部的、零散的數(shù)據(jù)，類似盲人摸象，認為大象是圓柱、是扇子。因此，我們還需要把這些局部零散的數(shù)據(jù)進行加工整理，這樣才可能發(fā)現(xiàn)事物的本質(zhì)和規(guī)律。因此探究實踐要教會學(xué)生處理數(shù)據(jù)的方法，包括篩選歸類、分析綜合、總結(jié)歸納、抽象概括，而這是目前科學(xué)教育的短板，即教給學(xué)生很多細節(jié)的知識，但是較少教學(xué)生處理問題的方法。例如：在杠桿探究環(huán)節(jié)，除了讓學(xué)生親身體驗杠桿的受力特點外，還可以要求學(xué)生把杠桿平衡時兩側(cè)的質(zhì)量M和距離L記錄下來，同時計算兩側(cè)的M+L、MXL、M+L等數(shù)值，讓學(xué)生從中發(fā)現(xiàn)平衡時兩側(cè)MXL相等。由此學(xué)生可以理解:只有適當(dāng)處理實驗數(shù)據(jù)，才有可能獲得更深刻的內(nèi)在關(guān)系。綜上所述，科學(xué)教育鼓勵科學(xué)探究與工程實踐的結(jié)合?？茖W(xué)教育不僅要通過探究活動讓學(xué)生建構(gòu)科學(xué)知識，而且要通過設(shè)計與制作等手段，將這些知識轉(zhuǎn)化為實際問題的解決與創(chuàng)造，發(fā)展學(xué)生的實際動手能力，同時通過系列化的工程實踐任務(wù)豐富和完善學(xué)生的科學(xué)知識建構(gòu)?？茖W(xué)、技術(shù)與工程的相互促進作用日益增強，推動著生產(chǎn)力發(fā)展、經(jīng)濟繁榮和社會進步，促進了人們生產(chǎn)方式和生活方式的變革，提高了人類社會的物質(zhì)文明水平。早期科學(xué)、技術(shù)和工程相對獨立，但是目前三者之間出現(xiàn)了相互影響、高度融合的趨勢：技術(shù)發(fā)明和工程制造需要科學(xué)的指導(dǎo)，科學(xué)發(fā)現(xiàn)又離不開技術(shù)儀器和工程設(shè)備。例如：科學(xué)家利用粒子加速器探究微觀世界，發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)現(xiàn)象，而粒子加速器的設(shè)計需要科學(xué)原理指導(dǎo)，粒子加速器需要工程制造獲得。在高科技方面三者的相互融合更為明顯，如小小的芯片就融合了大量的科學(xué)原理、技術(shù)發(fā)明，同時它又是工程產(chǎn)品。2022版科學(xué)課標(biāo)很好地體現(xiàn)了這一趨勢，即重視學(xué)生利用科學(xué)原理和科學(xué)知識指導(dǎo)技術(shù)與工程設(shè)計，做出簡單裝置或作品，然后利用自己制作的裝置對科學(xué)現(xiàn)象進行驗證，或者進行更深入的探究，從而使得科學(xué)探究與工程實踐有機融合。如2022版科學(xué)課標(biāo)中提出這樣的案例建議：探究長時間低頭看手機的危害。這是涉及生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、技術(shù)與工程領(lǐng)域的跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動。學(xué)生在了解人體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計制作簡化的頭部和頸部模型，用彈簧或橡皮筋模擬肌肉，對頭頸模型進行受力實驗并獲得數(shù)據(jù)，整理后得出有說服力的證據(jù)。這一活動把建模、數(shù)據(jù)處理融為一體，讓學(xué)生意識到，可以利用自己的工程實踐成果為后續(xù)的科學(xué)探究提供實驗數(shù)據(jù)，未來可以更好地利用儀器設(shè)備進行更深入的科學(xué)探究。.適應(yīng)國家未來發(fā)展的需要科學(xué)技術(shù)是國家硬實力的體現(xiàn)，各國綜合國力的競爭關(guān)鍵是技術(shù)競爭。上世紀80年代后，主要國家和地區(qū)紛紛提出了高科技發(fā)展戰(zhàn)略。而當(dāng)前我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展遇到的“卡脖子”問題主要體現(xiàn)在技術(shù)及產(chǎn)品方面。因此，在科學(xué)教育中設(shè)置技術(shù)與工程內(nèi)容，讓學(xué)生參與技術(shù)與工程實踐，是非常及時且十分重要的。眾所周知，科學(xué)涉及是什么和為什么，技術(shù)與工程涉及如何做?？赡苣阒浪械目茖W(xué)原理，但是卻做不出來，因為做出產(chǎn)品還與材料制造、工藝水平、加工精度等有關(guān)。這方面的例子很多。技術(shù)與工程實踐可以讓學(xué)生從小就意識到，除了利用學(xué)校提供的實驗器材進行科學(xué)實驗，還可以自己設(shè)計簡單模型或作品，開展科學(xué)探究。未來我國需要更多的原創(chuàng)科學(xué)研究，如果面臨沒有先進科學(xué)儀器和技術(shù)設(shè)備或者國外禁運儀器等情況，那么科研人員有可能需要先自己設(shè)計制造科學(xué)儀器，再進行后續(xù)的科學(xué)實驗。.有利于整合不同學(xué)科的知識探究實踐要解決真實的問題，自然容易涉及多學(xué)科、跨學(xué)科知識，有利于不同學(xué)科知識的整合。真實問題與傳統(tǒng)作業(yè)存在明顯的不同。傳統(tǒng)作業(yè)是一個很“干凈”的問題，已知條件和參數(shù)都很明確，需要解決的問題也很明確。學(xué)生處理作業(yè)時，只需要把所學(xué)知識適當(dāng)應(yīng)用，就能獲得答案。但是真實的問題是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，已知和未知可能都不很明確，解決此類問題需要學(xué)生判斷考慮哪些因素、忽略哪些因素，從而不僅與知識有關(guān)，也與經(jīng)驗有關(guān)。例如：我曾經(jīng)給中學(xué)生提出挑戰(zhàn)項目“紙船載人比賽”,要求用200kg報紙做紙船，進行載人比賽和速度比賽。為了完成這一挑戰(zhàn)性任務(wù)，學(xué)生自然要考慮紙船的外形結(jié)構(gòu)、紙張強度，以及滲水、平衡、穩(wěn)定等問題。因此這是一個多科學(xué)、跨學(xué)科的技術(shù)工程實踐，同時又涉及科學(xué)探究，即學(xué)生需要設(shè)計實驗獲得部分材料的性能參數(shù)，如報紙的摩擦、強度等參數(shù)。由于比賽要求的載重與速度相互沖突，載重大要求截面和體積大，速度快要求截面小，學(xué)生還面臨在沖突背景下如何尋找最佳方案的問題。此外比賽中還存在選手之間的配合問題。因此學(xué)生需要把不同的知識進行整合，考慮稍不周全，就有可能翻船落水。二認識探究實踐的本質(zhì)與傳統(tǒng)教育中教師傳授知識、學(xué)生被動接受知識不同，探究實踐本質(zhì)上是一種知識的再生產(chǎn)過程。探究實踐在教學(xué)中以學(xué)生為中心，教師適當(dāng)進行思維和方法的引導(dǎo)，讓學(xué)生在真實情境中解決實際問題，形成“像科學(xué)家一樣思考”“像工程師一樣實踐”的意識。.像科學(xué)家一樣思考：注重科學(xué)思維在探究實踐過程中，教師不把全部科學(xué)知識和結(jié)論告訴學(xué)生，而是有針對性地指導(dǎo)學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生形成科學(xué)探究的意識，讓學(xué)生理解科學(xué)探究的一般過程和方法。這個過程包括發(fā)現(xiàn)并提出科學(xué)問題，針對科學(xué)問題進行合理猜想與假設(shè)；制訂計劃，搜集證據(jù)，分析證據(jù)并得出結(jié)果；對結(jié)果進行解釋與評估；準(zhǔn)確表達觀點，反思探究過程與結(jié)論?？梢赃@樣說，科學(xué)家研究科學(xué)問題與學(xué)生進行探究，都是一個從未知到已知的探索、發(fā)現(xiàn)的過程。只不過科學(xué)家要解決的問題更為復(fù)雜，學(xué)生要解決的問題相對簡單。因此，學(xué)生完全可以模仿科學(xué)家進行真正的探究活動?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)科學(xué)規(guī)律的模式并無定式，但其中的兩種模式可供學(xué)生借鑒模仿。歸納演繹法：適合低年級學(xué)生進行探究實踐科學(xué)家面對未知，通過觀察、實驗獲得大量數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進行歸納處理，得出一般的規(guī)律，這是發(fā)現(xiàn)科學(xué)規(guī)律的一種重要模式。行星運動定律的發(fā)現(xiàn)就屬于這一模式：開普勒通過觀察獲得了大量行星運行的數(shù)據(jù)。當(dāng)時還沒有太多科學(xué)理論指導(dǎo)，他對這些數(shù)據(jù)進行各種加減乘除運算，經(jīng)過19年的努力，終于發(fā)現(xiàn)了行星運動三大定律。歸納演繹法具有以下特點：當(dāng)科學(xué)家在觀察或?qū)嵺`中獲得大量經(jīng)驗事實、數(shù)據(jù)后，需要進行歸納推理，概括出一般性的科學(xué)原理；然后檢驗所得結(jié)論的正確性；如果通過檢驗,可以利用這些科學(xué)理論解釋自然現(xiàn)象或預(yù)測新的現(xiàn)象，如果沒有通過檢驗，需要返回重新歸納。這種科學(xué)探究模式的特征是先獲得大量經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，然后用歸納推理手段從這些事實中得出結(jié)論。這一方法很適合低年級的學(xué)生進行探究實踐。在探究實踐過程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生注意收集數(shù)據(jù)，尊重原始數(shù)據(jù)，然后嘗試用圖標(biāo)、曲線、組合計算等多種形式找出數(shù)據(jù)背后的規(guī)律。假說驗證法：適合具有一定邏輯思維能力的中高年級學(xué)生科學(xué)家首先對某一問題或現(xiàn)象提出猜想，構(gòu)建一個假設(shè)來解釋該問題中已知的現(xiàn)象；然后設(shè)計實驗檢驗猜想中其他可能的現(xiàn)象，如果不能證實可能要修改假設(shè)，一旦假設(shè)被實驗確證，假設(shè)便上升為科學(xué)理論；最后用這種科學(xué)理論來解釋其他類同的自然現(xiàn)象。這是發(fā)現(xiàn)科學(xué)規(guī)律的另一種重要模式。中微子的發(fā)現(xiàn)就屬于這一模式。當(dāng)時盧瑟福和湯姆森等人在放射性實驗中發(fā)現(xiàn)電荷守恒，但能量和動量都不守恒。波爾懷疑能量守恒定律是不是只在宏觀世界成立，但是泡利提出了中微子假說：存在著某種還沒有被發(fā)現(xiàn)的粒子，帶走了部分能量和動量，導(dǎo)致實驗結(jié)果不守恒。按照這一假設(shè)，可以推測未知粒子的部分性質(zhì)，為后來發(fā)現(xiàn)中微子提供了指導(dǎo)作用。這種科學(xué)探究模式具有以下特征：科學(xué)家有一定的知識背景，通過創(chuàng)造性思維大膽猜想；然后用經(jīng)驗事實去檢驗，因為猜測可能不正確，可能需要多次反復(fù)迭代，才能逐步發(fā)現(xiàn)合理的結(jié)論。這一方法很適合已有部分知識背景和一定邏輯思維能力的中高年級學(xué)生。教師在探究實踐中要對學(xué)生強調(diào)：提出假說要符合已有的現(xiàn)象，且不違反已知的科學(xué)原理;要注意假說很可能在后面的探究中被證明有錯，因此要坦然面對挫折，提出新假設(shè)。.像工程師一樣實踐：注重工程思維技術(shù)與工程是傳統(tǒng)教育的短板。在傳統(tǒng)教育中，學(xué)生通過刻苦學(xué)習(xí)掌握了很多知識，考試也可以取得很好的成績，但是絕大部分學(xué)生在面對真實問題時往往無從下手，感覺所學(xué)的知識用不上。技術(shù)工程實踐是改變這一狀況的最好方式。技術(shù)工程實踐是學(xué)生對工程師的模仿，因而要經(jīng)歷簡單的設(shè)計和物化過程，是一種從無到有的創(chuàng)造過程。通過技術(shù)與工程實踐，學(xué)生能夠理解技術(shù)與工程涉及明確問題、設(shè)計方案、實施計劃、檢驗作品、改進完善、發(fā)布成果等要素，具有初步的技術(shù)與工程實踐能力。技術(shù)工程實踐絕不是簡單地動手做個作品，而是有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，使學(xué)生了解處理實際問題的方法和流程。培養(yǎng)工程思維：學(xué)會統(tǒng)籌兼顧工程是運用科學(xué)原理和技術(shù)手段創(chuàng)造人工物體的過程。工程思維是用工程的眼光看待世界和處理世界的思維方式，是一種統(tǒng)籌兼顧的系統(tǒng)思維方式。工程思維具有現(xiàn)實性、創(chuàng)造性和復(fù)雜性。工程需要考慮多種限制條件，包括時間、成本、材料、環(huán)