科學教育面臨的巨大挑戰

摘要：闡述了美國科學教育在實驗教學、教師專業發展、課程改革、測量評價4個方面面臨的巨大挑戰。要應對這些全球性的挑戰，僅僅靠化學教育自身迎接巨大挑戰并不可行，必須依靠跨學科間的合作；單靠某一個國家獨自迎接巨大挑戰也是不可行的，必須依靠國際間合作；中國化學教育和中國科學教育的國際化勢在必行。

關鍵詞：科學教育；化學教育；挑戰；科學教育國際化

文章編號：1005–6629（2015）1–0003–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

自上世紀90年代后期開始，尤其是在近10年內，中國化學教育的研究和實踐取得了舉世矚目的成就。但與此同時，也面臨著很多挑戰。本文主要闡述目前美國科學教育所面臨的巨大挑戰，通過對這些挑戰的反思，希望能夠對同行有所啟發。

2013年4月，國際頂級雜志《科學》專門開設了一個專欄邀請了世界頂級科學教育方面的研究專家，對科學教育取得的進展進行了回顧，闡述了科學教育所面臨的巨大挑戰，并對不久的將來如何應對挑戰作出一些反思，啟發并鼓勵大家對此做出貢獻。這些專家共提出20個巨大挑戰，其中有12個與化學教育直接相關，這些巨大挑戰可以概括為以下4個方面：

1 實驗教學方面的巨大挑戰

實驗室動手實驗是非常重要的，通常認為實驗室動手實驗有以下的預期效果：①提高了學生對概念的理解；②發展了學生科學探究的技能和推理能力；③發展了學生團隊合作能力；④激發了學生對科學的興趣；⑤促進了學生對復雜的科學本質的理解。表1是近期美國科學教學中各種教學活動的統計。可以看到70%的化學課堂每星期至少有一次實驗活動。71%的所有其他科學課堂每星期至少有一次實驗活動。可見動手的實驗活動是非常常見的教學活動之一。

然而，美國高中科學實驗的調查報告（NRC，2006）卻得出了這樣的結論[1]：①科學實驗的預期效果幾乎完全沒有顯現出來。②絕大多數學生的實驗實踐質量較低。早期的研究也發現科學實驗的教學效果并不理想。1978年Bates等對實驗教學效果的研究發現[2]：講授法、演示法、學生動手實驗這三種教學方式對學生學習知識的影響基本相同。1983年Blosser研究發現[3]，在上百個比較實驗教學和其他教學方法效果的定量研究中，僅有29個結果顯示實驗教學有著更顯著意義的效果，16個研究表明多種教學方法其效果互有上下，而其余絕大多數研究結果顯示實驗教學與其他教學方法并沒有顯著的差別；1994年一篇對實驗教學效果研究的文獻綜述也得出了同樣的結論[4]。這是使我們感覺很奇怪的，對實驗教學的作用期望如此之大，那么為什么不同的研究卻沒有證實這個效果？

問題出在哪兒？可能有如下一些原因：隨著課程目標、學生群體分布、科技發展，以及我們對學生學習認知的不斷變化，我們的目標和期望也在不斷地變化著[5]；實驗教學質量的各種測評方法差異極大；科學實驗教學質量很差；隨著技術的更新，對于“實驗”的定義也在不斷的變化，以前對于實驗的含義和現在是有很大不同的。比如傳統的實驗形象已經發生很大的變化，“如今的計算機就如同試管一樣已成為化學家們的重要工具”。

既然技術的更新如此迅猛，那么在中學里究竟有哪些技術可以應用，尤其是在實驗教學中得以應用。表2、表3是2013年美國高中科學課堂中可使用的教學技術的一個調查報告[6]，可見85%的化學課堂中可以用網絡、非圖形計算器等等。32%的化學課堂中互聯網每一周至少可以用一次。說明化學課堂能運用先進的技術手段，但真正用于實驗教學是很少的，大部分的課堂教學仍然是傳統的。

除此之外，當前實驗實踐教學還存在一些問題[7]：①學習目標的失焦；②實驗實踐教學與課堂教學的脫節；③科學概念與科學過程的失整；④缺乏反思和討論。這些實驗教學中存在的問題，可能是造成實驗教學效果不理想的原因。基于上述研究，實驗實踐教學必須開拓一些新思路[8]：（1）學生在科學實驗實踐活動中，能夠通過使用工具，收集數據，建立模型，運用科學理論直接與身邊的世界（或從實際生活中獲取的數據）進行互動。（2）遵循有效實驗實踐活動的原則：①有清晰明確的學習目標；②有序的指導流程；③科學概念與科學過程的有機整合；④實時的討論和反思。

實驗教學方面的巨大挑戰包括：

巨大挑戰之一：通過網絡環境創建學生的個人數據庫，并以此引導他們進行適合自身理解水平的虛擬實驗。

在美國，現在有很多國家自然基金會資助的項目，讓學生在網上進行科學探究，這其中就包括虛擬實驗，甚至包括在課堂教學之外的實體實驗。例如：美國加州伯克利分校的一個研究小組開發的“以網絡為基礎的科學探究環境”簡稱WISE，這個系統已經開發近20年，現在已經相對完善。物理、化學、生物、環境科學每個學科里幾個核心專題都有專門的模塊。每天都有成千上百的學生通過這個網絡環境進行科學探究，包括化學。這就存在一個問題：這么多的學生同時在網上學習，可以想象一年下來，有多少學生學習的數據，怎樣利用這樣的數據庫，對學生進行實時的指導；怎樣用“大數據”理解學生的學習過程并對學生的學習進行個性化的指導，這就是個很大的挑戰。

巨大挑戰之二：針對不同學科領域的課程，尋找虛擬和實體研究間的理想平衡。

圖1是剛剛完成的美國國家自然基金會資助的項目。這個項目的內容之一是開發一套與中學化學教學專題有關的虛擬實驗，開發之后，探究怎樣將虛擬實驗和實體實驗整合，什么時間使用虛擬實驗，什么時間使用實體實驗。尋找虛擬和實體研究間的理想平衡，還處于探索之中。

巨大挑戰之三：尋找以虛擬和實體實驗為教學特色的科學教師所應具備的技巧和策略。

教師要理解新一代實驗教學的理念，需要具備基于模型的教與學（MBSTL）的學科教學知識（PCK），包括：

關于化學的知識

關于計算機模型的知識

關于學生的知識

關于課程的知識

關于評價的知識

2 教師專業發展方面的巨大挑戰

教師專業發展方面的巨大挑戰包括：

巨大挑戰之四：尋找有效推進教師專業發展（PD）的內在機制。

教師專業發展有多種途徑：

（1）暑期培訓；（2）教練輔導；（3）咨詢和指導；（4）暑期科學研究；（5）校本專業學習社區：每一個學校以這個學校的學科組為單位組成學習社區；（6）工作室；（7）研究生課程。

在美國幾乎70%～80%的中學教師有碩士學位，也有相當一部分、大約8%左右的教師有博士學位。

有效的教師專業發展必須具有以下的特征：（1）聚焦專業內容。對于化學教師來說，一個很重要的方面是關注教師的化學背景知識的提高。（2）教師主動參與學習。如果教師被強迫參加教師培訓的講座、課程，其專業發展就不是有效的。（3）團隊合作。有效的教師專業發展不是個人的，必須有團隊合作。教師專業發展可以依托小組或學校的團隊。（4）高度相關性。與學校政策和實際相吻合，與學校的課程改革、政策和實際相吻合。（5）充足的時間。有效的教師專業發展并不是一次就能夠大功告成，而必須是長期的。

知道了這些仍然是不夠的。暑期的教師培訓有的是成功的，有的是失敗的。為什么同樣類型的教師專業發展培訓，不同的人去執行，不同的環境，不同的組織方式，其效果就會不一樣。這就涉及到教師專業發展的內在機制，然而對于這個問題現在的研究仍然不是很清楚。

巨大挑戰之五：尋找有助教師從容應對下一代科學標準（NGSS）的教師專業發展的最佳模式。

下一代科學標準（NGSS）有3個維度：

維度一：子學科核心概念（涉及自然科學、生命科學、地球和太空學，工程、技術與應用科學4個領域）。

維度二：科學的各個子學科之間的跨學科交叉概念。

維度三：科學和工程實踐。

維度一大家比較熟悉，這就是傳統的以學科為中心的教學，包括化學中的一些概念、專題，比如物質的性質和結構。但是維度二、維度三是比較新的思想，維度二涉及交叉學科、跨學科的概念，比如系統和系統模型；維度三中所指的實踐和我們以前說的探究或技能是不一樣的，實踐是綜合的，包括技能技巧，也包括對概念的理解、興趣態度，比如模型和建模。如何在教學中將這三個維度同時整合起來，這是個巨大的挑戰。

巨大挑戰之六：利用新興技術和社會媒體資源確保所有教師能參與高質量的科學專業發展。

美國和中國一樣，也是一個國土面積很大的國家，資源分布也不是很均衡。尤其是市區學校和農村學校，教師資源、教師專業發展很不同。怎么樣使所有的教師得到同樣的高質量的專業發展是一個巨大的挑戰。現在有一個非常值得關注的技術：大規模的開放性網上課程。怎么樣利用這個技術來做教師職業培訓，促進教師專業發展，目前還處于探索之中。

3 課程改革方面的巨大挑戰

為什么課程改革是一個巨大的挑戰呢？國際上有一個科學教育相關性（ROSE）研究。ROSE是一項國際性的比較研究項目，旨在了解學生對于科學與技術的興趣、態度及價值觀，并分析相關的影響因素。課程改革的3個巨大挑戰就從ROSE的刊出報告談起。

巨大挑戰之七：幫助學生探索個人與科學的相關性，并能將科學知識整合應用于解決復雜的實際問題。

由對“學校中的科學教育幫助我理解了科學對日常生活的重要性”這一問題的調查可以發現，發展中國家大約90%學生認為，科學教育能夠幫助他們理解科學對日常生活的重要性。而發達國家的比例只有44%，差異顯著。這說明發達國家學生認為科學對于日常生活的重要性并不是很大，至少學校的科學教育沒有幫助他們理解科學的重要性。

由對“科學和技術使我們的生活更加健康、簡單、舒適”這一問題的調查結果可以發現，發展中國家的學生普遍認為科學和技術使我們的生活更加美好；但是持同樣看法的發達國家學生的比例明顯要低，只有60%左右。并且男女生的差異很大，女生的比例普遍要比男生要低。

巨大挑戰之八：幫助學生理解科學公信力的社會和制度的基礎。

由對“我們始終相信科學家的話”這一問題的調查結果可以發現，發達國家學生的回答賦值在1.5～1.7平均值間（賦值1～4，4代表絕對同意），存在男女生之間的差異；發達國家學生對科學家的信任并不是盲目的，是有一定程度的懷疑的。美國公眾對科學家團體的信任度是比較高的，這和學生對科學家的懷疑有著鮮明對比，很值得我們反思。

巨大挑戰之九：幫助學生建立個人的持久的與科學相關的興趣。

這些研究中也有一些涉及到化學。由對“化學物質、性質以及如何反應”這一問題的調查結果可見，發達國家學生興趣不大。以挪威為例，男生45%左右，女生只有20%。而發展中國家學生對此感興趣的比例較高。由對“爆炸化學及化學品”這一問題的調查結果發現，男女生差異非常大，這是可以想象到的；女生對此感興趣約有30%左右，男生約80%。此外，統計學生對108個科學技術專題感興趣程度的平均值發現，感興趣程度和人類發展指數（HDI）呈負相關，r=-0.85。這很值得思考：為什么隨著社會進步，學生反而對科學技術越來越不感興趣，因此，幫助學生建立個人的持久的與科學相關的興趣是個巨大挑戰。

4 測量評價方面的巨大挑戰

測量評價方面的巨大挑戰主要包括：

巨大挑戰之十：設計有效可靠的評估機制，能反映科學實踐、跨學科交叉概念以及學科核心觀念一體化的思想。

怎么樣開發新一代測試方法、測試工具同時對三個維度進行評價，這是一個巨大的挑戰。上文已經提到這三個維度，目前還沒有辦法對這三個維度進行有效可信的測量。美國國家測試項目（NAPE）每四年對四年級、八年級、十二年級學生的科學學業水平進行測試。他們在上一輪2010年的全國測試中，嘗試著使用一種網上測量的方式，這個網上的測試包括虛擬實驗，也包括學生科學能力的探查。這次嘗試是不是有效，有沒有其他更加有效更加可靠的方法，這就是在今后一段時間里很多教育科學研究者所關注的問題。

巨大挑戰之十一：使用評估結果為建立幼兒園到12年級（K-12）科學學習進程提供實證基礎。

在建立學習進程的基礎上，必須要建立一個大跨度的從幼兒園到十二年級的有效的測量工具。這個測量工具必須把學生從幼兒園到十二年級的科學能力放在同一個尺度上比較。而不是三、八、十二年級各自有獨立的測試，這樣的測試不可比，就不能作為學習進程的實證基礎。目前Rasch模型可以解決有效建立不同年級測試卷這個問題。Rasch模型是不是唯一的，目前有沒有比Rasch模型更有效的方法，也是一個值得關注的問題。

巨大挑戰之十二：構建測試工具及信息系統，幫助教師有效地使用評估促進課堂教學。

教師怎么樣用測試的信息來提高教學質量，而不是等到期末或會考才得到一個報告，學生的學業成績怎么樣。需要有一個有效的形成性測試系統，怎么樣開發一個有效的形成性的測試系統，教師可以實時地掌握測量信息，然后用這個測量信息提高教學，也是目前關注的問題。

SimScientists經由研究和發展項目組合而成，聚焦于運用仿真技術來豐富科學學習和評估。這類能實時修改的仿真活動尤其能為英語學習者和有學習障礙的學生提供便利。同時科學仿真活動不僅可以用于課堂教學活動，也可用于形成性評價及終結性評價。筆者自己做的項目，前文提到過，實際上是虛擬實驗和實體實驗的整合，開發一套化學課程的形成性測試系統。這樣，可以清晰地描述不同學生在不同單元的學習進程。這個系統已經開發出來了。它可以（1）發展、檢驗和評估基于計算機建模的化學學科的形成性評價；（2）確定適合不同程度水平的學生理解概念的教學資源；（3）開發高中化學課程形成性評價的教師專業發展資源。

5 機遇與挑戰

除了全球性的共同挑戰，對一些國家而言，還將會有其特有的挑戰。那么中國面臨的挑戰是什么？僅僅靠化學教育自身迎接巨大挑戰并不可行，必須依靠跨學科間的合作；同樣單靠某一個國家獨自迎接巨大挑戰也是不可行的，同樣必須依靠國際間合作；中國化學教育和中國科學教育的國際化勢在必行。

[作者簡介：柳秀峰，1986年畢業于華東師范大學化學教材教法專業（碩士學位）。1986年到1989年任中央教育科學研究所（現中國教育科學研究院）助理研究員。1993年獲得加拿大不列顛哥倫比亞大學博士學位。曾任教加拿大圣浮朗西斯澤非爾大學和愛德華王子島大學。現任美國紐約州立大學布法羅分校科學教育教授，教育研究生院副院長。]

參考文獻：

[1][7][8] National Research Council （NRC）（2006）. Americas Lab Report： Investigations in High School Science. Committee on High School Science Laboratories： Role and Vision， S. R. Singer， M. L. Hilton， and H. A. Schweingruber， Editors. Board on Science Education， Center for Education.Division of Behavioral and Social Science and Education. Washington， DC： The National Academies Press.

[2] Bates， G.C. （1978）. The role of the laboratory in secondary school science programs. In M.B. Rowe （Ed.）， What research says to the science teacher， vol. I （pp. 55～82）. Washington， D.C.： National Science Teachers Association.

[3] Blosser， P， E. （1983）. What research says： The role of the laboratory in science teaching. School Science and Mathematics， 83， 165～169.

[4] Lazarowitz， R. &Tamir， P. （1994）. Research on using laboratory instruction in science. InD. L. Gabel（Ed）， The handbook of research on science teaching and learning. NewYork： Macmillan.

[5] Hofstein， A. & Kind， P.M. （2012）. Learning in and from Science Laboratories.In Fraser， B.J.， Tobin， KG. &McRobbie， C.J.（Eds.）， Second International Handbook of Science Education. Dordrecht： Springer. 189～207.

[6] Smith， P. S. （2013）. 2012 National Survey of Science and Mathematics Education： Status of high school chemistry. Chapel Hill， NC： Horizon Research， Inc.