科學實踐：“科學探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)的意蘊

黃恭福 鄒海龍

摘要： 認為“科學探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)內(nèi)涵與目標聚焦“科學實踐”

是促進學生應然的化學學科知識、思想觀念轉化為實然核心素養(yǎng)的關鍵。

基于學科理解從哲學、具身認知、知識觀和國際理科教育思想發(fā)展視角闡釋了科學實踐的學科價值和育人價值，提出化學新課程教學應堅持科學實踐取向。

關鍵詞： 科學探究與創(chuàng)新意識; 科學實踐; 學科本質(zhì)

文章編號： 10056629（2020）10000306

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

《普通高中化學課程標準（2017年版，2020年修訂）》（以下簡稱新課標）基于學科本質(zhì)凝練的學科核心素養(yǎng)不僅表明了其構成成分，還從哲學層面揭示了學科核心素養(yǎng)“實踐—認識—再實踐（應用）”的認知邏輯[1]。“科學探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)聚焦“科學實踐”是促進學生應然的化學學科知識、思想觀念轉化為實然核心素養(yǎng)的關鍵。本文從課標理解、科學哲學、認知理論及知識觀視角等對“科學實踐”進行闡釋以增進化學學科理解。

1 科學實踐本質(zhì)的課標理解

化學學科核心素養(yǎng)從科學思維、科學實踐、科學價值取向具體體現(xiàn)化學學科的學科價值、整體育人價值和功能。“科學探究與創(chuàng)新意識”是對化學“科學實踐”的表征，也從實踐層面激勵學生勇于創(chuàng)新[2]，新課標從四個方面闡釋了“科學探究與創(chuàng)新意識”的本質(zhì)。

1.1 科學探究與創(chuàng)新融于科學實踐

科學探究是在創(chuàng)造動機與興趣的引導下，采用探究的實踐形式獲取證據(jù)，在體驗豐富創(chuàng)造情感的過程中發(fā)展對客觀事實和現(xiàn)象合理解釋的學科高級能力，其本質(zhì)就是實踐創(chuàng)新。根據(jù)認識論觀點，科學探究是“感性認識理性認識實踐”循環(huán)往復、螺旋上升的過程，每個階段間都有認識的飛躍，其本質(zhì)就是創(chuàng)新[3]。根據(jù)問題解決的觀點，科學探究是一個始于問題、終于問題的過程，問題是探究得以產(chǎn)生的前提和核心，探究的實質(zhì)就是發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程，其認知的心理機制就是創(chuàng)新，是基于問題解決實踐活動的實踐創(chuàng)新。

化學科學探究的主要內(nèi)容和途徑是實驗，無論是從實驗研究的對象、過程還是結果分析，創(chuàng)新都是化學科學探究的本質(zhì)特征，化學科學探究最能體現(xiàn)和發(fā)展人的創(chuàng)新精神和實踐能力[4]。探究與創(chuàng)新正如硬幣（科學探究）的兩面而融于科學實踐中。

1.2 聚焦科學探究“大概念”的核心認識

新課標對科學探究“大概念”提煉了三方面的核心認識： 首先是認識到科學探究是進行科學解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和應用的科學實踐活動，揭示了科學探究的實踐活動本質(zhì)和功能;其次是科學探究過程包括提出問題和假設、設計方案、實施實驗、獲取證據(jù)、分析解釋和建構模型、形成結論及交流評價等，從本體論界定了科學探究的核心要素和邏輯構成;第三是理解從問題和假設出發(fā)確定研究目的、依據(jù)研究目的設計方案、基于證據(jù)進行分析和推理等對科學探究的重要性，既從科學探究方法論角度予以闡述，同時也表明了實現(xiàn)科學探究學科價值和育人價值的具體路徑等。

1.3 揭示實驗探究活動的內(nèi)涵和獨特價值

通過實驗探究活動可以引導學生拓寬認識視角和認識思路，發(fā)展學生“科學探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)。新課標將一般科學探究能力與具體化學實驗活動相融合，將化學實驗探究能力的內(nèi)涵劃分為“基本認識、基本技能和基本經(jīng)驗”;提煉實驗探究的獨特價值在于激發(fā)學習化學的興趣、創(chuàng)設生動教學情境、啟迪科學思維、訓練科學方法等學科價值和育人價值[5]。

1.4 強調(diào)科學實踐的社會性活動

學科實踐活動不僅關注個人敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的科學品格和科學精神，還關注學生善于與人合作的意識和能力，尤其強調(diào)科學探究共同體的交流、溝通、協(xié)商與辯論等社會性活動對發(fā)展核心素養(yǎng)的重要作用。新課標對科學實踐本質(zhì)的闡釋內(nèi)涵豐富、表征形式多樣，涉及探究與創(chuàng)新關系、科學探究大概念表征、實驗探究內(nèi)涵和獨特價值刻畫以及科學實踐的社會性活動等[6]。

2 科學實踐的哲學理解視角

古希臘哲學是現(xiàn)代科學和科學教育思想發(fā)展之源，其身心二元論哲學思想歷經(jīng)古風、古典時代延續(xù)到“文藝復興”及近現(xiàn)代相當長的一段時期，對傳統(tǒng)科學和科學教育思想產(chǎn)生了很大影響。科學實踐是科學勞動者有目的地使用科學工具，作用于科學對象，即主觀見之于客觀的能動的現(xiàn)實活動。科學實踐主體在大多先賢們看來就是大腦的心智功能，而與身體和實踐活動無關，這種認識傳統(tǒng)普遍表現(xiàn)為“觀察—思辨”的科學認識論，無論是泰勒斯提出的“水是萬物的本源”還是德謨克利特的“原子論”等，都是建基于“思辨”而非科學實驗。

“觀察—思辨”的科學認識論是“身心分離”的二元論哲學思想在科學研究領域的具體表征。希臘三賢之首的蘇格拉底認為： 死亡是靈魂和肉體的分離，身體的死亡可以讓人獲得本真的善，身體是靈魂得以凈化自由的絆腳石[7]。其弟子柏拉圖繼承并發(fā)展了身心二元論思想： 身體是虛幻無意義的存在，是心靈的藩籬和墓場，它阻礙了心靈對智慧的追求[8]。近代科學始祖——笛卡爾延續(xù)了柏拉圖“二元論”哲學思想，他認為： 心靈和身體是相互獨立、毫無關聯(lián)的兩個實體，所以存在主客、身心的二元世界[9]。普遍重視科學實踐地位的科學家應歸功于“現(xiàn)代科學之父”的伽利略。他繼承并發(fā)展了古希臘阿基米德的科學實踐方法，明確提出“觀察—實驗”的科學實踐路徑和“實驗是知識的唯一源泉”的科學思想。化學學科的“觀察—實驗”認識傳統(tǒng)則以波義耳的定性實驗理論和拉瓦錫的定量實驗理論研究為肇始。

反思科學教育觀念，其植根于“身心、主客、心物”的二元論哲學觀，從根本上阻隔了“科學實踐”主體以“實踐”方式發(fā)展心智和認知能力的通道。傳統(tǒng)認知科學的“認知主義”和“聯(lián)結主義”都只將人的認知活動視為人腦獨立的抽象符號運算過程，身體只是消極被動接受和投影各種外部信息[10]，完全忽視了對學習主體的學習活動（實踐）設計，外顯為在學科教學中忽視甚至拒絕學生主觀能動性和學習主體性的發(fā)揮，忽視“情境、實踐”在學習中的重要作用，把學生簡單作為接受知識的“容器”或是可以任意填涂的“白板”。

對科學哲學的核心問題“實踐與理論”的關系而言，傳統(tǒng)科學哲學認為科學理論優(yōu)先于科學實踐，理論對實踐有決定性的支配作用，實踐只能為理論服務。新興的科學實踐哲學在批判“理論優(yōu)位”的同時，提出以“科學實踐”為核心，對理論與實踐的關系進行了重構[11]。

科學實踐哲學明確提出實踐第一（即“實踐優(yōu)位”），科學概念和科學理論只有作為更廣泛的社會實踐和物質(zhì)實踐的組成部分才是可以理解的，科學實踐不僅具有物質(zhì)性和話語性，還突出表現(xiàn)了動態(tài)性和開放性[12]。科學實踐的哲學功能投射到學科教育中的學習行為表征就是： 活動與探究、交流與討論、生成和建構等。這也為我們理解“科學探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)的“科學實踐”本質(zhì)提供了哲學方法論支撐。

正是由于“科學實踐”對于世界觀與方法論形成的重要意義以及對科學教育思想的方向性影響，無論是經(jīng)典哲學還是科學哲學研究都是無法避開對科學實踐這一關鍵的本原問題的關注，這也從另一個角度詮釋了科學實踐之于科學學習的重要地位和功能。

3 具身認知理論下的科學實踐

“科學實踐”在學科教學活動中具體表現(xiàn)為“學科實踐”，二元論哲學指導下的傳統(tǒng)認知科學強調(diào)符號和表征，強調(diào)內(nèi)部的心理機制過程而忽視學生的學科實踐和身心聯(lián)系，在教學實踐中逐漸顯露出學習主體興趣降低、動機弱化，效率低下等各種弊端。

具身認知理論（Embodied Cognition Theory）研究認為： 大腦并不能獨立完成高級認知功能，需要通過身體與外部世界互動促進對高級認知過程的理解。認知是一個特殊、具體身體的認知，是大腦、身體和環(huán)境相互作用產(chǎn)生的認知。學習過程不僅是大腦進行符號加工的過程，也是大腦與身體以及身體的構造、功能、感覺運動系統(tǒng)交織在一起的過程，這一過程就表現(xiàn)為學科實踐活動。具身認知理論指出： 心智、大腦、身體是一種嵌入式關系，即心智嵌入大腦中，大腦嵌入身體中，身體嵌入環(huán)境中，也就是說環(huán)境、身體、大腦是認知系統(tǒng)的組成部分，共同決定了認知方式身心合一的實踐本質(zhì)[13]。

具身認知即使在動物本能的實踐活動中也具有理論指導的強大生命力。如蝙蝠在環(huán)境中依靠回聲定位規(guī)劃運動路線避讓障礙物，其本能的認知特點就是基于蝙蝠的身體構造和功能;蜜蜂可以利用太陽偏振光導航，并在飛行時腹部收縮分泌香氣形成“香氣走廊”找到蜂巢。不同動物的這些不同本能和特殊能力與自身的身體構造和功能高度相關和一致，簡單換成人類的身體經(jīng)由人類的大腦心智是永遠無法實現(xiàn)“偏振導航”和“香氣找路”的，這更進一步體現(xiàn)了具身認知理論的精髓，即身體、心智必需統(tǒng)一在實踐活動的具體環(huán)境中。化學是以科學實踐為基礎起源發(fā)展的學科，其研究和學習過程都必需讓“身心”置于本原性的“實踐”現(xiàn)場，才能真正形成深刻的學科理解，否則就可能陷入“觀察—思辨”的認知泥潭。

例如，初中生學習實驗室制取氧氣，如果不讓學生的身體“沉浸”在具體的實驗操作中親自動手動腦，感覺知覺，反思體驗，而是采取“講實驗、畫實驗”的方式，學生就不會產(chǎn)生水槽中的水變成紫色的“好奇”，做完實驗的手出現(xiàn)棕色斑點的那種“擔憂”，也就沒有用黃瓜汁液洗去手上斑點的那種“愉悅”。再如，不讓學生親身經(jīng)歷氯化鈉固體溶于水的實驗就無法體會到固體溶解“居然”有氣泡冒出的那種“驚訝”;學生沒有做稀硫酸與鐵片反應的實驗也不可能會“意外發(fā)現(xiàn)”其速率要比與同濃度稀鹽酸反應慢很多等。這些“科學實踐”主體的“好奇、擔憂、愉悅、驚訝”只有在具體真實的“實踐”環(huán)境中才能產(chǎn)生，也才會對實踐主體的認知方式、過程和結果產(chǎn)生重要的影響，繼而影響到學生認知能力和核心素養(yǎng)的形成。

可見，學生不親身經(jīng)歷大量真實的實驗（學科實踐），就無法體會到化學實驗中出現(xiàn)與教材描述不同的“異常”現(xiàn)象是“正常”的，而出現(xiàn)“正常”的實驗現(xiàn)象是要“嚴格控制條件”的化學學科觀念。不如此，學生是無法真正形成只屬于自己身體能理解的實驗技能，也無法形成深刻的學科思維。“科學實踐”的學習本質(zhì)要求學習者“提供”自己的身體和全部的感官，“沉浸”在具體的學習環(huán)境中，促使學習者的感知覺、情感意志、心智功能一起協(xié)調(diào)配合，進而完成只有學習者本人身體能領會的“獨一無二”的學習體驗，形成“獨一無二”不可復制的學習結果。從這個意義而言，“科學實踐”對發(fā)展學生核心素養(yǎng)是不可或缺、無可替代的，更是“科學探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)的本質(zhì)意蘊。

4 知識觀視角下的科學實踐

4.1 基于知識觀轉變視角的科學實踐

我國自2001年啟動的新課程改革大致可以劃分為兩個階段： 2001～2014年為第一階段，旨在構建我國素質(zhì)教育課程體系;2015年以后為第二階段，旨在構建我國信息時代的課程體系，并確立了以發(fā)展學生核心素養(yǎng)為目標的課程改革方向[14]。課程改革第一階段的根本任務是基礎教育價值觀的根本轉變，實現(xiàn)由“工具主義”的應試教育觀轉向“人本主義”的素質(zhì)教育觀，第二階段是基礎教育“知識論轉向”階段，即由“事實本位的學科知識觀”轉變?yōu)椤袄斫獗疚坏膶W科知識觀”[15]。

學科核心素養(yǎng)的本質(zhì)是個性化的學科理解與學科思維，發(fā)展的基本途徑是學習者的實踐活動。張華認為： 知識的本質(zhì)是觀念，觀念的本質(zhì)是實踐，學科實踐是理解學科核心觀念的內(nèi)在要求，一切學科知識或觀念都是學科實踐要驗證的假設或指導學科實踐的手段[16]。離開學科觀念，學科實踐就是盲目的;脫離學科實踐，學科觀念就是空洞與虛妄的。學科觀念的形成要求在真實情境下通過學科思維解決關鍵問題得以實現(xiàn)，這一過程必然要求學生開展真實探究，解決真實問題，通過自己親身體驗，感悟知識產(chǎn)生發(fā)展的過程，形成對學科知識觀念及其思維方式和方法本原性和結構化的理解。

如高中分散系知識的學習過程中，學生通過溶液、膠體、濁液性質(zhì)的實驗探究活動初步形成了“尺度與結構”科學大概念的理解框架。學生探尋知識本原過程中可能還會產(chǎn)生如下疑問： 現(xiàn)實物質(zhì)世界基本上都是混合物，為何化學的研究對象主要是純凈物的組成、結構、性質(zhì)和變化呢？混合物的組成、性質(zhì)及其表征形式也千差萬別，為何化學重點研究分散系這種混合物？分散系可有各種分散劑，為何重點研究水作為分散劑的微粒行為和宏觀性質(zhì)呢……學生對上述逼近學科本原問題的解釋只有通過學科實踐和學科思維才能從具體外顯的學科事實上升到抽象內(nèi)隱的學科思想。

化學教學實踐中，教師要超越傳統(tǒng)的“雙基論”，將知識和技能從靜態(tài)、孤立碎片化的“惰性知識”和“機械技能”轉變?yōu)閯討B(tài)聯(lián)系的創(chuàng)造性、建構性知識;從事實覆蓋型的知識體系轉變?yōu)槔斫獗疚换蛴^念為本的內(nèi)容體系，就必須堅持基于學科實踐的“學科理解”教學，堅持提煉學科大概念（Big Idea）和核心觀念，如吳俊明主張的化學教學中的化學思維、原子思維、分子思維、活性思維、綠色思維就是學科理解本位的知識觀的具體體現(xiàn)[17]。因此，知識觀轉變的視角，其本質(zhì)就是“實踐轉向”視角，是應然要求“學科實踐”深度介入學科學習過程的教學訴求。

4.2 基于知識類型理論視角的科學實踐

20世紀50年代英國哲學家波蘭尼（M.Polanyi）提出的“焦點意識”和“附屬意識”理論[18]以及美國著名心理學家斯滕伯格（R.J.Sternberg）的“三元智力理論”[19]認為，科學實踐活動既包含有“明確知識”，也有“緘默知識”的成分。“明確知識”具有理性、批判性等特點，可以通過言語傳授的方式獲得，能用語言、文字、符號、圖像等進行表述和傳遞。“緘默知識”具有“非理性、非意識、非言語、非公共性”特點，無法用語言、文字或符號進行邏輯說明，也不能與不同人分享，只能通過學習者在實踐活動中親身體驗、經(jīng)歷和感悟形成，是學習者個人“說不清、道不明”的知識，是學習者個人才能理解的“私人知識（Private knowledge）”。這也正是“在游泳中才能學會游泳”的理論基礎，其與具身認知理論強調(diào)“身體、心智和環(huán)境”融合于學習過程的主張是一致的。

在化學科學實踐活動中蘊含有大量的“緘默知識”，如對實驗異常現(xiàn)象的敏感、對實驗結果的直覺、實驗問題解決的頓悟等。這些“緘默知識”也是學生形成創(chuàng)新意識、發(fā)展創(chuàng)新能力的重要機制和途徑，也只能由學生親身參加實踐活動過程獲得而別無他法。

如高中化學苯酚和水的分離實驗，如果簡單以苯酚溶解性（微溶于水）、熔點數(shù)據(jù)（43℃，常溫下固體）進行思辨，其結論是： 苯酚溶于水形成濁液可采用過濾方法分離苯酚和水。真實實驗顯示： 未溶于水的苯酚并不是以固體的形式析出而是以液體的形式與水分層，分離苯酚的水溶液只能分液。這種“異常”認知結果只有在學科實踐活動中才能被揭示。

真實情境下的實踐活動又能多層面引發(fā)學生新的認知沖突從而促使“緘默知識”的形成。例如對物質(zhì)熔點與溶解性關系的認知沖突： 為什么43℃的固體會在常溫下會變?yōu)橐簯B(tài)？再如，真實情境實驗中學生個性化的感知覺導致的認知沖突（如表1所示）。

表1顯示： 學生在真實情境中產(chǎn)生的認知沖突依靠傳統(tǒng)的“語言”或“思辨”方法是無法產(chǎn)生的。學生在實踐活動中觀察到異常現(xiàn)象的興奮、驚奇，在教室環(huán)境下聞到苯酚氣味的“快樂”或“厭惡”等情緒、情感體驗，也是緘默知識的組成成分。

學生在“緘默知識”的作用下，依據(jù)觀察體驗的實驗事實，通過反思質(zhì)疑可將學科學習逐步引向?qū)W科本原。如，常溫下不易溶于水的苯酚固體與水混合后轉變?yōu)榱艘后w，是水的加入降低了該物質(zhì)的熔點嗎？加入水后是否是因為水分子削弱了苯酚分子間作用力從而使得苯酚轉化為液態(tài)？類比氯化鈉固體的溶解是否是因為水分子對氯化鈉固體結構粒子產(chǎn)生影響，使得鈉離子和氯離子化學鍵削弱從而在水溶液體系內(nèi)自由移動，其本質(zhì)是否可以視為“水降低了氯化鈉固體的熔點呢”？如果這樣的反思成立，那么鈉離子和氯離子是否也會削弱水分子間的作用力從而“降低水的熔點”呢？學生產(chǎn)生的這些疑問和反思，恰恰又能激發(fā)新一輪科學實踐活動的開展，使得學科實踐活動在知識學習中呈現(xiàn)出“鏈式反應”，并在不斷“實踐”和“追問”中深化對學科本質(zhì)的理解。

5 國際科學教育視角下的科學實踐

國際科學教育改革隨著對科學本質(zhì)觀的演進而不斷深化，科學本質(zhì)觀經(jīng)歷了“科學作為知識”到“科學作為探究”，再到“科學作為實踐”的過程[20]。傳統(tǒng)的科學教育將科學作為知識或結論，20世紀80年代后國際科學教育普遍認同將探究作為科學本質(zhì)，我國2001年、2011年版的義務教育化學課程標準以及2003年實驗稿的高中化學課程標準均以科學探究作為課程改革的突破口，1996年發(fā)布的《美國國家科學教育標準》也明確提出了“作為探究的科學”。

然而，我國近年來以培養(yǎng)學生科學探究能力為主旨的化學課程改革以及國際理科教學在課堂實踐中都凸顯出一個共性問題，即師生對科學探究機械化理解導致科學探究被“異化”為固定化、步驟化的科學方法。美國2011年公布的《K12科學教育框架： 實踐、跨學科概念與核心概念》（以下簡稱《新框架》）將科學教育的首位關鍵詞由1996年《美國國家科學教育標準》中的“科學探究”更換為“科學實踐”。這一重大調(diào)整也更突顯了科學探究的實踐本質(zhì)。

《新框架》認為，科學探究的實踐本質(zhì)是以用“動腦”驅(qū)動“動手”的理論性探究為主導的活動過程，同時又包含著“動手”服務與完善“動腦”的反饋機制。科學實踐中，不會或不習慣“動腦”的學生，“動手”能力再強也難以提升科學素養(yǎng);只注重“動腦”而不及時“客觀物質(zhì)化”為“動手”的實踐形態(tài)，即使構建的理論和模型再嚴謹也無法外顯和驗證。其次，科學探究的實踐本質(zhì)還體現(xiàn)在科學探究的社會性過程，具體呈現(xiàn)方式就是“動嘴和動筆”。“動嘴”是科學辯論形態(tài)、“動筆”則是書面形式的科學論證，關注的焦點都是基于科學實踐證據(jù)和推理的科學理性[21]。

“科學探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)中“實踐”本質(zhì)，絕不僅僅是我們傳統(tǒng)意義上理解的“動手操作”，而是“知行合一”的創(chuàng)新實踐，科學不僅是理解世界的知識體系，也是建立、拓展和精煉知識的一系列創(chuàng)新實踐[22]，創(chuàng)新實踐的重要特征是不僅包括動腦思維的“智慧技能”（分析與綜合、歸納與演繹、假設、類比等科學方法與思想），還包括了科學的社會化活動，提倡科學探究從個體行為向群體行為轉化，強調(diào)交流、辯論、表達等交往性的創(chuàng)新實踐能力。

美國學者彼得森（K.D.Peterson）指出： 科學探究是一種系統(tǒng)的調(diào)查研究活動，其特點是采用有秩序和可重復的過程，簡化調(diào)查研究對象的規(guī)模和形式，運用邏輯框架作解釋和預測，探究的操作活動包括觀察、提問、實驗、比較、推理、概況、表達、運用及其他活動。《新框架》為闡釋“科學實踐”在認知、行為、社會三個維度上的特點，還著力建構了科學實踐活動的概念圖[23]，清晰描述了“科學實踐”活動不僅包括以實驗為主的“調(diào)查研究”，還包括“構建科學解釋”和“評價”（即理論性探究和科學的社會性過程）等三個維度。

我國學者據(jù)此提出了“探究”向“實踐”轉向的教學模式包括“基于社會性科學議題”的論證教學和“基于社會需求”的科學研究案例教學，以發(fā)展學生對實踐取向的科學本質(zhì)理解[24]。王祖浩等也積極主張科學論證教學要把探究主體還給學生，讓學生參與真正的科學實踐，體驗和經(jīng)歷科學知識的產(chǎn)生過程，化學課堂要從“觀察導向”和“結果定向”的探究走向“論證驅(qū)動”的探究[25]，才能培育學生適應未來多元異質(zhì)社會發(fā)展需要的科學品格和關鍵能力。當然，從“科學探究”到“科學實踐”并非理念的顛覆而是對課堂僵化的科學探究的改進，是用“科學實踐”更好為“科學探究”正名[26]。

綜上所述，發(fā)展學生“科學探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)的基本路徑就是堅持“實踐導向”的科學探究教學，科學實踐在化學教學中不可替代的學科價值和育人價值正是“素養(yǎng)為本”的課堂教學追尋的意義，更是“科學探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)的本質(zhì)意蘊。

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