做好科學(xué)教育加法視角下科學(xué)課程內(nèi)容優(yōu)化的數(shù)字化途徑

摘要：在教育“雙減”中做好科學(xué)教育加法，其目標(biāo)是激發(fā)青少年好奇心、想象力、探求欲，培育具備科學(xué)家潛質(zhì)、愿意獻(xiàn)身科學(xué)研究事業(yè)的青少年群體。提升科學(xué)課程質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵，其落實(shí)需要以科學(xué)知識的優(yōu)化和結(jié)構(gòu)化為基礎(chǔ)。數(shù)字化融合，可以便利地補(bǔ)充程序性知識、認(rèn)識論知識，促進(jìn)科學(xué)課程知識內(nèi)容結(jié)構(gòu)優(yōu)化，促進(jìn)知識的結(jié)構(gòu)化，引導(dǎo)學(xué)生建立學(xué)科整體認(rèn)識，強(qiáng)化跨學(xué)科概念的理解，建立對自然界的統(tǒng)一認(rèn)識。數(shù)字化融合還有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)好奇心，并讓學(xué)生的想象力、探求欲有實(shí)現(xiàn)路徑。關(guān)鍵詞：數(shù)字化教學(xué)；科學(xué)教育加法；科學(xué)課程；中小學(xué)教育黨的二十大報告首次對教育、科技、人才進(jìn)行“三位一體”統(tǒng)籌安排、系統(tǒng)部署，明確提出教育、科技、人才是全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐。2023年2月，習(xí)近平總書記在中央政治局第三次集體學(xué)習(xí)時發(fā)表重要講話，強(qiáng)調(diào)“要在教育‘雙減’中做好科學(xué)教育加法”。2023年5月，教育部、中央宣傳部等十八部門又聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)新時代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見》，就一體化推進(jìn)教育、科技、人才高質(zhì)量發(fā)展作出系統(tǒng)部署。加強(qiáng)中小學(xué)科學(xué)教育，做好科學(xué)教育加法，是當(dāng)前中小學(xué)科學(xué)教育界的一項重點(diǎn)任務(wù)。一、做好科學(xué)教育加法的目標(biāo)與內(nèi)容支撐在實(shí)施“雙減”政策的同時，我們應(yīng)致力于做好科學(xué)教育加法。其核心目標(biāo)是激發(fā)青少年的好奇心、想象力和探索欲望，培養(yǎng)具有科學(xué)家潛質(zhì)的青少年，鼓勵他們投身于科學(xué)研究事業(yè)?！凹ぐl(fā)青少年好奇心、想象力、探究欲”是對科學(xué)教育過程方法的強(qiáng)調(diào)，要激發(fā)青少年學(xué)習(xí)的好奇心、想象力、探求欲，在他們的心里播撒科學(xué)的種子，并且以科學(xué)課程內(nèi)容為支撐，使他們既有客觀的能力基礎(chǔ)又有主觀的意愿，成為“具備科學(xué)家潛質(zhì)、愿意獻(xiàn)身科學(xué)研究事業(yè)的青少年群體”，勝任未來的科研工作。在中小學(xué)科學(xué)課程設(shè)計層面，做好科學(xué)教育加法要以育人為本，要強(qiáng)知識基礎(chǔ)，補(bǔ)短板與不足，重融合與貫通[1]。做好科學(xué)教育加法，需要增強(qiáng)中小學(xué)科學(xué)領(lǐng)域課程教材教學(xué)內(nèi)容中科學(xué)知識對做加法目標(biāo)的支撐。但是，增強(qiáng)知識基礎(chǔ)不等同于擴(kuò)展知識廣度或者提高知識難度，更不是擴(kuò)充事實(shí)性知識。我們需要優(yōu)化科學(xué)知識的結(jié)構(gòu)，夯實(shí)最有價值和必要的基礎(chǔ)知識，并圍繞這些知識，激發(fā)青少年的好奇心、想象力和探究欲，突出科學(xué)精神與科學(xué)家精神的有機(jī)融合。所謂最有價值的必要的基礎(chǔ)知識，應(yīng)該是對于學(xué)生理解自然界、理解科學(xué)不可或缺的知識。同時，學(xué)科課程內(nèi)容選擇，應(yīng)該更有利于展現(xiàn)科學(xué)的魅力。充實(shí)這樣的科學(xué)知識，是做好科學(xué)教育加法的關(guān)鍵。精選最有育人價值的知識，刪減部分育人價值不高的事實(shí)性知識，也可以為“做加法”留出時間。國際學(xué)生測評項目（ProgrammeforInternationalStudentAssessment，PISA）2025科學(xué)素養(yǎng)測評框架中指出，科學(xué)知識包括內(nèi)容性知識（conrentknowlege）、程序性知識（proceduralknowledge）和認(rèn)知性知識（epistemicknowledge）[2]。學(xué)科的基礎(chǔ)知識是衡量科學(xué)素養(yǎng)的關(guān)鍵要素?？茖W(xué)課程應(yīng)確保學(xué)生不僅掌握內(nèi)容性知識，還應(yīng)包括程序性知識和認(rèn)知性知識，以全面提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。目前，我國科學(xué)領(lǐng)域的各學(xué)科課程和教材具有知識系統(tǒng)性強(qiáng)、科學(xué)探究活動豐富、三維目標(biāo)有效落實(shí)以及適教利學(xué)等優(yōu)勢。然而，在知識的組成和結(jié)構(gòu)、教材內(nèi)容的趣味性以及激發(fā)好奇心和想象力等方面仍需進(jìn)一步提升，特別是在主觀意愿驅(qū)動和創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面存在明顯的短板與痛點(diǎn)。在科學(xué)領(lǐng)域各學(xué)科課程教材的內(nèi)容安排方面，要突破一下難題：如何進(jìn)一步完善知識組成和結(jié)構(gòu)？如何幫助學(xué)生習(xí)得從事科學(xué)研究必要的本領(lǐng)？如何激發(fā)他們的好奇心、想象力、探求欲？如何培植他們從事科學(xué)研究的志趣，培植科學(xué)家精神？在課程內(nèi)容設(shè)計和教材編寫方面，我們需進(jìn)一步優(yōu)化知識內(nèi)容體系，豐富程序性知識和認(rèn)識論知識，完善知識結(jié)構(gòu)。要實(shí)現(xiàn)知識內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化，體現(xiàn)學(xué)科的整體性，以幫助學(xué)生構(gòu)建系統(tǒng)的知識體系。同時，以跨學(xué)科大概念整合多學(xué)科知識，幫助學(xué)生建立對自然界統(tǒng)一而全面的認(rèn)識。此外，要讓學(xué)生在學(xué)習(xí)知識的同時，感悟知識的形成過程，理解科學(xué)質(zhì)量，認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)。在引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)知識的過程中，我們應(yīng)革新內(nèi)容呈現(xiàn)方式，增強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容的趣味性，以激發(fā)學(xué)生的好奇心、想象力和探索欲望。做好科學(xué)教育加法，對中小學(xué)科學(xué)領(lǐng)域的課程設(shè)計、教材編寫以及教學(xué)提出了新的要求，這需要科學(xué)教育界共同努力。我們必須從長計議，精心規(guī)劃課程內(nèi)容并確保其有效實(shí)施，加強(qiáng)知識內(nèi)容的支撐作用，以促進(jìn)科學(xué)教育發(fā)展。當(dāng)前，義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)和教材已經(jīng)確定，高中課程標(biāo)準(zhǔn)短期內(nèi)不太可能進(jìn)行根本性變革，高中教材暫時也不會重新編寫。在此背景下，近期充分利用數(shù)字化融合是解決上述問題的有效途徑。二、在數(shù)字化融合中做好科學(xué)教育加法并優(yōu)化課程內(nèi)容的路徑數(shù)字化助力科學(xué)教育加法，能夠在知識內(nèi)容的選擇、組織和呈現(xiàn)等多個方面發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢。一方面，數(shù)字化融合可以讓師生利用開放教育資源，如免費(fèi)課程、電子書、科研論文等，為教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)補(bǔ)充科學(xué)實(shí)驗(yàn)視頻、學(xué)習(xí)內(nèi)容等。數(shù)字化開啟開放教育資源的大門，為教師在科學(xué)領(lǐng)域的課程教學(xué)中提供了多樣化的資源選擇。這不僅豐富了教學(xué)內(nèi)容，而且方便他們自主開創(chuàng)性地做好科學(xué)教育加法。鑒于已有大量關(guān)于數(shù)字化促進(jìn)教學(xué)的理論探討和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對此不再深入討論。另一方面，作為數(shù)字化資源內(nèi)容的提供單位，如出版社、資源企業(yè)，在做紙數(shù)融合時，可以利用數(shù)字化資源的開發(fā)和更新升級靈活的優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)有紙質(zhì)教材內(nèi)容的基礎(chǔ)上，即時提供知識內(nèi)容的升級服務(wù)，提供知識結(jié)構(gòu)優(yōu)化、資源活化的最新資源。以下，主要討論后面這部分內(nèi)容。（一）科學(xué)課程教材和教學(xué)內(nèi)容建設(shè)的數(shù)字化融合首先，通過數(shù)字化融合方式，補(bǔ)知識短板，促進(jìn)知識結(jié)構(gòu)優(yōu)化。鑒于現(xiàn)有紙質(zhì)教材內(nèi)容已經(jīng)確定，審定后的教材不宜年年做大的修訂。因此，在科學(xué)課程知識內(nèi)容的優(yōu)化方面，數(shù)字化途徑可以提供有益的補(bǔ)充。在數(shù)字教材、數(shù)字資源開發(fā)方面，可以在紙質(zhì)教材內(nèi)容的基礎(chǔ)上，補(bǔ)齊現(xiàn)有教材在程序性知識和認(rèn)識論知識方面存在的短板，結(jié)合已有教材知識內(nèi)容，補(bǔ)充相應(yīng)程序性知識或認(rèn)識論知識的內(nèi)容，優(yōu)化、完善知識結(jié)構(gòu)。教師通過數(shù)字化途徑，充實(shí)程序性知識、認(rèn)知性知識。其融合要點(diǎn)主要包括以下三個方面。第一，結(jié)合科學(xué)領(lǐng)域各學(xué)科主要的概念、原理、規(guī)律的呈現(xiàn)，利用數(shù)字資源直接做加法。為了豐富科學(xué)教育內(nèi)容，我們需要補(bǔ)充數(shù)字化資源，涵蓋程序性和認(rèn)識論知識，包括文本和視頻等形式。利用資源展示獲取知識的實(shí)踐過程和方法，例如測量技術(shù)、變量控制、定量研究和數(shù)據(jù)處理等程序性知識。同時，應(yīng)補(bǔ)充認(rèn)識論知識，即關(guān)于科學(xué)知識建構(gòu)過程中的結(jié)構(gòu)和定義特征的知識，以及科學(xué)知識如何有效解釋自然界和科學(xué)思維在知識形成過程中的作用等。例如，在初中生物學(xué)關(guān)于“生物進(jìn)化的原因”的部分，可以結(jié)合“自然選擇”的內(nèi)容，用數(shù)字化資源提示學(xué)生，雖然進(jìn)化的內(nèi)在機(jī)制難以直接觀察，但是通過對許多自然現(xiàn)象和人工選擇現(xiàn)象的歸納，科學(xué)家可以抽象出“自然選擇”來解釋生物的進(jìn)化；還可以結(jié)合“保護(hù)色的形成”活動，以數(shù)字資源提示學(xué)生，模擬活動雖然是“模擬”，但是它抽象出了自然界捕食者對被捕食者做選擇的關(guān)鍵特征，能夠直觀地展示自然選擇的漫長過程。第二，應(yīng)結(jié)合紙質(zhì)教材中的實(shí)驗(yàn)和探究活動，適度引入數(shù)字化資源。適時引導(dǎo)學(xué)生以事實(shí)為依據(jù)，運(yùn)用比較分析、歸納演繹等邏輯方法，形成或驗(yàn)證結(jié)論，體驗(yàn)知識的論證和質(zhì)疑過程。此外，還應(yīng)展示推理、論證和建模的實(shí)踐方法和過程，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷完整的思維過程，并反思他們在探究實(shí)踐中的認(rèn)知角度。在物理、化學(xué)、生物學(xué)等教材中，有關(guān)這方面的例子已經(jīng)比較豐富，數(shù)字資源的開發(fā)主要是進(jìn)一步“填空”，對此不再展開討論。第三，利用數(shù)字化資源更新便捷的優(yōu)勢，補(bǔ)充紙質(zhì)教材所介紹科學(xué)知識的新發(fā)展，回溯知識的建構(gòu)和修正過程，體現(xiàn)科學(xué)知識不斷迭代的曲折過程，滲透科學(xué)的本質(zhì)。教材中所呈現(xiàn)的物理、化學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科知識，常常被視作一個結(jié)論性的體系。然而，我們應(yīng)認(rèn)識到科學(xué)知識的體系并非靜止不變，而是動態(tài)發(fā)展的，它是通過激烈的思考和艱難的探索過程逐步形成的。紙質(zhì)教材由于篇幅和靜態(tài)文本屬性的限制，在展示內(nèi)容性知識時，難以進(jìn)行大規(guī)模、動態(tài)的歷史還原或展示最新的科學(xué)進(jìn)展。數(shù)字化資源的融入為挖掘教材現(xiàn)有內(nèi)容性知識背后的知識歷程、近期動態(tài)提供了便利。例如，在初中生物學(xué)“生物進(jìn)化的原因”教學(xué)中，教師可以結(jié)合“長頸鹿的長脖子”是自然選擇而來的例子進(jìn)行講解。這樣既還原了拉馬克和達(dá)爾文的爭議，又補(bǔ)充了最新的性選擇假說，從而打破知識是一個封閉的結(jié)論性知識體系的誤區(qū)。（二）通過數(shù)字化方式助力知識內(nèi)容組織強(qiáng)化和知識結(jié)構(gòu)化知識結(jié)構(gòu)化可以認(rèn)為是將各部分知識按照一定的規(guī)則組合成邏輯清晰、組織有序、功能完整的知識系統(tǒng)。知識的結(jié)構(gòu)化不僅提高了大腦對知識存儲和檢索的速度，而且提高了知識轉(zhuǎn)化應(yīng)用的效率。對于科學(xué)領(lǐng)域各學(xué)科課程而言，只有將知識結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化、整體化，才能建立起對學(xué)科的完整認(rèn)識。在從事科學(xué)研究時，我們應(yīng)當(dāng)系統(tǒng)地梳理現(xiàn)代知識體系的結(jié)構(gòu)與邏輯，確?？茖W(xué)知識和應(yīng)用技術(shù)的結(jié)構(gòu)與邏輯及其相互關(guān)系成為研發(fā)和教育布局的堅實(shí)基礎(chǔ)[3]。從這個意義上講，中小學(xué)科學(xué)課程引導(dǎo)學(xué)生建立各學(xué)科知識、自然科學(xué)知識的結(jié)構(gòu)整體認(rèn)識，是做好科學(xué)教育加法的應(yīng)有之義。物理、化學(xué)、生物學(xué)、科學(xué)等學(xué)科，因?yàn)楦髯詫W(xué)科特性，學(xué)科知識體系有著強(qiáng)邏輯關(guān)聯(lián)，所以學(xué)科知識內(nèi)容擁有相對較高的穩(wěn)定性；科學(xué)領(lǐng)域各學(xué)科教材的編寫，一直重視知識內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化，物理、化學(xué)、生物學(xué)和科學(xué)教材中，也對知識體系的結(jié)構(gòu)化進(jìn)行了優(yōu)化和顯性化。數(shù)字化融合的優(yōu)勢在于：一方面可以充分利用教材中已有的知識體系，幫助學(xué)生結(jié)構(gòu)化地掌握知識；另一方面可以在數(shù)字化資源的多樣性和靈活性上發(fā)揮其獨(dú)特優(yōu)勢，為教育提供更廣闊的發(fā)展空間。第一，數(shù)字化融合，可以在內(nèi)容選取、分層方面，提供多種結(jié)構(gòu)化的解決方案，對現(xiàn)有教材知識內(nèi)容做解構(gòu)，在呈現(xiàn)層次上進(jìn)行重構(gòu)，使知識內(nèi)容的邏輯關(guān)聯(lián)顯性化。例如，教師利用數(shù)字化資源講解牛頓第二運(yùn)動定律等知識點(diǎn)時，可以提供力學(xué)知識概略結(jié)構(gòu)圖，清晰展示牛頓第二運(yùn)動定律與其他力學(xué)定律之間的聯(lián)系，以及該定律在實(shí)際中的應(yīng)用場景。這樣教學(xué)有助于學(xué)生在學(xué)習(xí)具體概念、規(guī)律和原理時，不僅能夠深入理解單個知識點(diǎn)，還能夠把握整個知識體系的全貌，讓學(xué)生既見樹木又見森林。特別值得注意的是，開發(fā)數(shù)字化資源時不僅需要關(guān)注紙質(zhì)教材已有知識內(nèi)容的關(guān)系，而且需要關(guān)注所補(bǔ)充的數(shù)字化資源等多渠道來的各類知識之間的關(guān)系，將內(nèi)容性知識、程序性知識、認(rèn)識論知識有機(jī)聯(lián)系。第二，教師用數(shù)字化方式補(bǔ)充具體知識之間的銜接點(diǎn)，強(qiáng)化知識關(guān)聯(lián)，可以幫助學(xué)生整合知識，建立完整的學(xué)科知識體系，進(jìn)而形成對學(xué)科的全面認(rèn)識。例如，初中生物學(xué)六大單元，學(xué)生是一個一個地學(xué)習(xí)，學(xué)完六大單元并不必然會將所有內(nèi)容建立整體認(rèn)識。通過數(shù)字化資源的補(bǔ)充和分層、顯性化的關(guān)聯(lián)呈現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)具體內(nèi)容的同時，也能夠關(guān)注到學(xué)科的整體概念體系。學(xué)生以這種方式學(xué)習(xí)更易獲得對學(xué)科的全面認(rèn)識。（三）數(shù)字化助力知識內(nèi)容的跨學(xué)科整合，構(gòu)建對自然界的統(tǒng)一認(rèn)識知識體系的構(gòu)建不應(yīng)僅限于單一學(xué)科的結(jié)構(gòu)化，我們在編寫與使用教材實(shí)施新義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)的過程中，還應(yīng)促進(jìn)學(xué)生跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)，構(gòu)建學(xué)科間知識的結(jié)構(gòu)化聯(lián)系。紙質(zhì)教材由于篇幅的限制和其他現(xiàn)實(shí)因素的制約，在融合跨學(xué)科概念方面難有大的突破。數(shù)字化資源的融入，有利于我們結(jié)合紙質(zhì)教材具體內(nèi)容，專門設(shè)計跨學(xué)科融合的板塊，強(qiáng)化不同學(xué)科內(nèi)在聯(lián)系，并將引導(dǎo)學(xué)生建立學(xué)科概念與跨學(xué)科概念、科學(xué)觀念的聯(lián)系作為重要任務(wù)。具體來說，在數(shù)字化資源的開發(fā)上，可以結(jié)合物質(zhì)與能量、結(jié)構(gòu)與功能、系統(tǒng)與模型、穩(wěn)定與變化等跨學(xué)科的大概念，在物理、化學(xué)、生物學(xué)及地理學(xué)科的核心概念的紙質(zhì)教材內(nèi)容里，設(shè)計欄目，連接不同學(xué)科、整合概念的錨點(diǎn)。例如，在生物學(xué)教材關(guān)于光合作用的內(nèi)容里，設(shè)計跨學(xué)科欄目（自然科學(xué)大概念），引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)光合作用生命過程的同時，關(guān)注物理所學(xué)的光的性質(zhì)、能量的轉(zhuǎn)變，化學(xué)所學(xué)的物質(zhì)變化，從而使所學(xué)內(nèi)容與跨學(xué)科大概念物質(zhì)與能量密切聯(lián)系，構(gòu)建起對自然界的整體認(rèn)識。眾所周知，數(shù)字化融合可以讓學(xué)生通過數(shù)據(jù)分析、編程等技能的引入，在學(xué)習(xí)自然科學(xué)的同時，增強(qiáng)數(shù)字素養(yǎng)和問題解決能力，開展跨學(xué)科的集成項目和研究。對此本文不做深入探討。（四）數(shù)字化融合增強(qiáng)教學(xué)過程中的互動，激發(fā)興趣現(xiàn)行科學(xué)領(lǐng)域各學(xué)科教材，雖然在激發(fā)學(xué)生的興趣方面想了很多辦法，但是效果未必都理想。以數(shù)字化方式教學(xué)，能夠更好地實(shí)現(xiàn)內(nèi)容呈現(xiàn)時的激發(fā)興趣，激發(fā)學(xué)生的好奇心、想象力、探求欲的作用。顯而易見，一大段關(guān)于衛(wèi)星發(fā)射過程中的速度、引力的文字的描述，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上視頻展示的震撼和引人入勝。關(guān)于呼吸作用的過程，文字描述、化學(xué)式闡述，很難做到生動、有趣。數(shù)字化融入為教學(xué)提供了新手段，教師可以用其展示呼吸作用各階段發(fā)生的場所、物質(zhì)和能量的變化過程，從而使抽象的內(nèi)容變得生動、有趣，也更加具體和易于理解。因此，數(shù)字化融合教學(xué)在激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)好奇心、維持學(xué)習(xí)興趣方面，優(yōu)勢是非常明顯的。在中學(xué)教育中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直面臨挑戰(zhàn)，尤其是那些開放性較強(qiáng)、耗時較長或具有一定風(fēng)險的探究性實(shí)驗(yàn)。在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，很難為學(xué)生提供足夠的自主探索機(jī)會。數(shù)字化融合之后情況大為改觀。教師使用虛擬實(shí)驗(yàn)室可以模擬真實(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，允許甚至鼓勵學(xué)生大膽探索。這不僅解決了實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料不足的問題，降低了安全風(fēng)險，