整合取向：科學學習方式的轉型之路

摘要：時代的變革促進人類學習方式的轉型，科學學習方式從倡導探究轉向科學實踐，再到基于“科學探究”與“工程實踐”的跨學科整合和基于數字化技術增強的超現實整合。學生從自己的經驗世界中發現真實的問題，并嘗試解決這些問題，從而實現有意義的學習。

關鍵詞：學習方式;科學探究;有機整合;科學素養

中圖分類號：G623.9

文獻標志碼：A

文章編號：1673-9094（2022）02B-0071-04

*本文系江蘇省中小學教學研究第十三期立項課題“指向‘意義理解’的小學科學教學設計研究”（2019JK13-L05）研究成果。

收稿日期：2021-11-03

作者簡介：季榮臻，無錫市教育科學研究院，高級教師，無錫市學科帶頭人，主要研究方向為小學科學教育教學、綜合實踐活動課程研究。

人類自古至今都沒有停止過對各種有效學習方式的探索和嘗試，新的學習方式與以往的學習方式互為補充、發展完善。學習方式的變革與研究，一直是基礎教育改革的關鍵突破口。然而“為了探究而探究”“為了實踐而實踐”的現象在科學課堂教學中經常出現，孤立地進行探究技能的訓練、按部就班地完成工程實踐的作品，使得科學探究僵化為程序、工程實踐僵化為“動手做”，科學學習在某種程度上被刻意弱化、淡化。核心素養時代呼喚基于學習方式變革的科學教育?；仡欁罱鼛资晷W科學教育的發展，科學學習方式經歷了從科學探究到科學實踐、再到整合優化的迭代轉型與升級。這種整合取向的轉型，旨在破解以往科學教育中的被動接受、機械實驗、封閉訓練的學習方式，有利于學生形成應對現實世界的關鍵能力和必備品格;將科學課程的價值、目標、資源、評價等進行有效統整，從而更好地培養和提升學生的科學素養，是對時代變革的一種順應，也是育人觀、學生觀、學習觀轉變的見證。

一、在探究過程中理解科學知識

隨著課程資源、教學技術、學習場景等發生深刻的變化，單一的學習方式已經無法滿足學生主動學習、有效學習和深入學習的需要[1]。就小學生的科學學習而言，近三十年國內曾出現過多種科學學習方式的更迭。蘭本達教授倡導的“探究—研討”教學法就反映了這樣一種思想方法：通過對自然事物的觀察、描述、互相交流感受和解釋，在思想上形成解釋認識對象的模型，然后在實踐中加以檢驗，從而找出紛繁復雜的現象之間的關系和聯系，形成對自然界的有序理解[2]。這種“探究”與“研討”有機整合的學習方式，從根本上改變了教師講授學生被動聽的現象。

美國的“動手做”和法國的“做中學”項目，讓兒童親歷探索大自然的過程，通過觀察提問、提出假設、動手操作、記錄信息、表達交流等學習活動，讓學生在具體的操作性活動中體驗科學探究的樂趣。“做中學”項目用“做”和“學”取代了“教”和“聽”，這種多樣而靈活的科學學習方式，直接影響了我國2000年啟動的基礎教育課程改革，科學探究被列為小學科學課程學習內容，并被確定為一種最主要的學習方式。2001年頒布的《基礎教育課程改革綱要（試行）》積極倡導學生由被動、單一、接受的學習方式，逐步向自主、合作和探究的學習方式轉變。小學科學課程的改革力度更大，2001年的《全日制義務教育科學（3～6年級）課程標準（實驗稿）》提出了“學生是科學學習的主體”“科學學習要以探究為核心”“科學課程應具有開放性”等基本理念，明確了“探究既是科學學習的目標，又是科學學習的方式”[3]。經過近二十年的實踐與探索，探究式學習已深入人心。如“建橋梁”一課，教師一般會先指導學生認識各種各樣的橋梁，并發現它們的特點，然后讓學生按不同的標準進行分類，在此基礎上重點組織學生探究橋梁的承重力與哪些因素有關。類似這樣的課堂學習，學生在探究中建構、理解科學概念，解釋科學現象成了常態。

二、在實踐體驗中解決科學問題

2011年美國國家研究理事會研制并發布了《K-12科學教育框架：實踐、跨學科概念和學科核心概念》（以下簡稱《框架》），2013年以《框架》為基礎的美國《新一代科學教育標準》（NGSS）正式頒布，其引人注目的新變化是用科學與工程實踐、跨學科概念以及學科核心概念三個維度，表述課程目標和構建課程。這標志著科學教育關鍵詞正在由“科學探究”悄悄地轉為“科學實踐”，這對我國的科學教育研究也產生了深遠的影響。隨后，起源于美國的STEM教育進一步影響了我國科學教育的改革。教育部發布的《義務教育小學科學課程標準》中新增加了“技術與工程”領域，并且在“實施建議”部分對STEM做了具體化闡述：STEM是一種以項目學習、問題解決為導向的課程組織方式，它將科學、技術、工程、數學有機地融為一體，有利于學生創新能力的培養。[4]63新課標的頒布進一步推動了我國小學科學教育中的STEM熱潮，STEM在各類科學教育培訓會、觀摩課活動中頻頻亮相，探究式學習的“建橋梁”也變身為形態各異的STEM主題學習“橋世界”。

科學實踐、工程設計、STEM學習、項目學習、創客學習、智慧學習......這些為學生科學學習方式的多樣化選擇提供了可能性?！读x務教育小學科學課程標準》在“基本理念”中倡導探究式學習：小學科學課程倡導以探究式學習為主的多樣化學習方式，促進學生主動探究[4]3，改變了以前“科學學習要以探究為核心”的定位，并在“教學活動建議”中提出：不要把探究式學習作為唯一的科學學習方式......戲劇表演、科學游戲、模型制作、現場考察、科學辯論會等，都是科學學習的有效方式[4]61，在“學科關聯建議”中提出要“倡導跨學科學習方式”[4]63。

可提供多種選擇的新的科學學習方式的出現，是科學教育深化發展的機遇。以STEM學習方式為例，倡導學科融合，基于項目的學習、基于工程設計的學習、基于問題的學習等是基本形式，其中，基于工程設計將STEM各學科融為一體的形式被普遍運用。STEM學習理念下的“建橋梁”，冰棒棍、意大利面等成了學習的新材料，甚至熱熔膠槍也成為新工具。教師一般會要求學生搭建的橋梁不僅要考慮成本，而且橋梁的任意一點都要滿足承重要求，學生就橋梁設計進行自主討論，形成小組開展合作，在設計、計算、制作過程中不斷調整方案。通過對工程師工作的模仿把力學、數學和工程、技術設計方面的學習聯系起來，極大地調動了學生學習的積極性，指向了學生綜合解決問題能力的培養。

三、在有機整合中發展科學素養

發展科學素養迫切要求學生轉變學習方式。上文提到的STEM學習就是一種基于項目的跨學科整合的學習方式，但具體落實到科學課堂教學，其效果需要進一步驗證。在實際的STEM學習中已面臨諸多問題：不同的年齡段學生學什么，怎么教，怎么跨學科整合，長周期項目的學習時間怎么安排，尤其重要的是如何評價學生，等等。在實際的科學教學中還出現了STEM學習模式化、流程固化的問題。再加上我國科學教育本身存在的許多問題，如師資數量不足、師資水平有待提升，在新的課程標準要求下教材編寫及可操作性問題，大班額學生不利于采取新型學習方式的問題，等等。我國現有專職科學教師自身水平也不一定能跟得上以STEM、創客為背景的科學教育改革。科學教育工作者唯有立足現狀，從學生的實際需求出發，改造課堂，尋找新的可能性?？茖W教育工作者可從學習機制的三個方面入手，即：一是基于已有知識和經驗對新知識進行建構和意義制定;二是學習具有情境性，受發生情境的調節;三是學習具有社會性，知識的意義建構和認知活動總是發生在一定的社會文化情境中[5]。只有根據學習的個體性、情境性和社會性，有機整合多樣化的科學學習方式，才能使學生在理解科學概念、規律、原理的基礎上逐步形成科學觀念，發展科學思維等科學學科核心素養。

（一）基于“科學探究”與“工程實踐”的跨學科整合

離開了探究，離開了實踐，一個人不可能成為真正的人。知識只有通過發明和再發明，通過人類在世界上、人類與世界一道以及人類相互之間的永不滿足的、耐心的、不斷的、充滿希望的探究才能出現[6]。必須根據我國科學教育現狀，搭建探究與實踐的“橋梁”，讓學生通過探究行動不斷提出猜想、假設并驗證，通過技術與工程實踐不斷提升科學探究能力，做到兩者有機整合。

“建橋梁”一課學習方式有另一種選擇，教師引導學生在真實情景中認識并探究三種橋梁（平板橋、拱橋、斜拉橋）的承重力，使學生發現平板橋的缺點，然后讓學生實踐創新，增強平板橋的承受力，激發學生的創新思維，讓學生在動手實踐的過程中，既發展問題解決能力，又形成創新意識。這樣的課例還可以在材料與工程相結合、形狀結構與工程相結合、機械原理與工程相結合中繼續開發。這種學習方式的選擇，搭建了工程實踐與科學探究之間的“橋梁”，促進兩者互補與整合，既實現了“提出關于自然界的問題，并用以基于實證的解釋的方式給出答案”的科學探究目標，又達成了“明確有關人類需求和愿望的問題，并以新產品和新工藝的形式給出解決方案”的工程實踐目標[7]。

（二）基于數字化技術增強的超現實整合

近年來，人們越來越意識到技術可以成為轉換、整合、優化科學學習方式的強大工具。數字化技術增強可以嵌入科學探究、方案設計、模型建構、互動交流、反饋評價等不同的學習方式中，這種整合促進學習方式從傳統的“聽講—任務—練習”模式向“情景—探索—遷移”模式轉變，側重于學生對科學知識的深度理解和遷移轉化。運用數字模型技術、交互式仿真技術、虛擬現實技術，學生在虛擬現實情景中發現問題、明確任務，嘗試虛擬建模，從模型建構的“虛擬迭代”到“實踐迭代”，實現動態化、高效化、跨越式學習。學生在解決仿真問題的不斷實踐嘗試中，通過數字協作交互平臺，隨時與情景、同伴、教師積極互動。這樣的互動具有多樣化、即時化和易反饋的特點，學生在與學習內容的主動互動、他人的協作幫助中不斷加深對相關科學概念（原理）的理解，并將這種理解遷移到解決問題的實踐中，實現個體知識和群體知識的深層建構、深度學習。

“建橋梁”項目化學習，可以通過數字化技術的優化嵌入，整合多種學習方式。如學生可以使用將仿真情景、數字模型、虛擬測試、迭代設計融于一體的“做橋吧”（BridgeIt）軟件，在數字化學習平臺上進行交互式學習。BridgeIt是一個橋梁制作與載重測試的游戲軟件，游戲環境有沙漠和森林，對玩家的橋梁工程設計能力提出了挑戰。當橋建好后，電腦程序模擬旅客列車、重載貨車及橋下航行的船只，檢驗橋梁設計水平與穩固程度——隨著車輛的行駛，橋梁的不同組件開始變色，測試者可以看到張力與壓力是怎樣實時變化的：綠色表示沒有受到大的應力（張力或壓力），紅色表示組件即將損毀。游戲的智能評分系統也將從玩家的橋梁設計水平和預算成本方面給玩家打分。學生在BridgeIt虛擬建橋活動中，通過數字化協作平臺的互動交流，了解了常見橋梁的類型和特點，發現在目標情景中建造適合的橋梁需要考慮橋的功能、類型、材料、地形、河面寬度等諸多因素，進而不斷完善自己的設計方案，然后制作實體模型，借助數字化傳感器進行測試，再迭代改進......數字化技術很好地幫助學生輸出觀點、掌握系統化工程問題的解決流程、學會科學實驗與測試的方法、進行科學論證與評估等。

科學學習方式的有機整合反映了科學教育向學生生活世界的回歸，是對學生自身經驗的重視和開發，讓學生從自己的經驗世界中發現真實的問題，并嘗試解決這些問題，從而實現有意義的學習。只有這樣才能真正落實《義務教育小學科學課程標準》提出的“小學科學課程要按照立德樹人的要求培養小學生的科學素養，為他們的繼續學習和終身發展打好基礎”[4]1。

隨著腦科學、神經科學、兒童學習心理學等研究的不斷突破，學習方式的革新是必然的，有機整合的科學學習方式是當前社會發展過程中科學教育的必然趨勢。整合取向的科學學習方式不是科學教育的終點，科學教育一直走在探索變革的道路上。

參考文獻：

[1]季榮臻.整合是科學教育的“基因”[J].湖北教育（科學課），2018（5）：1.

[2]蘭本達，等.小學科學教育的“探究—研討”教學法[M].陳德彰，張泰金，譯.北京：人民教育出版社，2010：3.

[3]中華人民共和國教育部.全日制義務教育科學（3～6年級）課程標準（實驗稿）[M].北京：北京師范大學出版社，2001：2.

[4]中華人民共和國教育部.義務教育小學科學課程標準[M].北京：北京師范大學出版社，2017.

[5]柴少明，趙建華.面向知識經濟時代學習科學的關鍵問題研究及對教育改革的影響[J].遠程教育雜志，2011（2）：2.

[6]保羅·弗萊雷.被壓迫者教育學[M].顧建新，趙友華，何曙榮，譯.上海：華東師范大學出版社，2014：25.

[7]鄭思晨.STEM+課程的系統解讀——基于本土化實踐的探索[M].上海：上海教育出版社，2018：114.

責任編輯：石萍