指向創新素養培育的高中理科實驗課程的探索與實踐

桂亞東?姜敦云

【項目簡介】

常州市田家炳高級中學自1997年建成全省首家校園組培室和校園動物園起，開始進行通過理科實驗培育學生創新素養的初探。2022年，學校以“指向創新人才培養的理科實驗課程開發研究”為題成功申報了江蘇省基礎教育前瞻性教學改革實驗項目。學校項目組通過探索與實踐，逐步構建了“單學科—多學科—跨學科”的三維理科實驗課程體系；促進了“教材實驗—探究性實驗—項目化實驗”的理科實驗教學方式轉變；形成了全方位、多層次的理科實驗評價體系和金字塔式的創新素養培育模式。學校的理科實驗課程與科技教育相結合，秉持“以興趣啟發學生，以情趣打動學生，以知識豐富學生，以能力提升學生”的總體目標，探索培育學生創新素養的新途徑。

摘要：創新素養的培育是創新人才培養的核心與關鍵，隨著教學改革的深化，高中理科實驗作為學生理論聯系實踐的重要途徑，逐步成為創新素養培育的主陣地。但目前的實驗教學仍存在重理論輕實踐、重共性輕個性、評價方式單一等諸多弊端，無法滿足創新人才培育的需求。常州市田家炳高級中學依托江蘇省“高中STEAM創新實踐課程基地”、理科創新實驗室硬件優勢及科技教育特色，通過理科實驗課程的開發及融通實施，探索培育學生創新素養的新途徑：培養創新人格，解決學生“愿不愿”創新的問題；培育創新思維，解決學生“能不能”創新的問題；開展創新實踐，解決學生“做不做”創新的問題。同時在建構主義、深度學習、生成性教學理論的指導下開展教學活動，探索中等生源背景下創新素養培育的新模式。

關鍵詞：創新人才；創新素養；理科實驗；深度學習

中圖分類號：G630 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9094（2023）03-0048-07

《中國教育現代化2035》提出，要“加強創新人才特別是拔尖創新人才培養，加大應用型、復合型、技術技能型人才培養比重”[1]。《國家創新驅動發展戰略綱要》指出，到2050年將我國建設成世界科技創新強國[2]。當前，綜合國力的競爭實質上是創新能力的競爭，從教育層面看就是創新型人才培養的競爭。創新型人才是指具有創新精神、創新能力和創新人格的人才，創新素養的培育是高中階段創新人才培養的核心與關鍵。常州市田家炳高級中學自1997年建成全省首家校園組培室和動物園起，堅持把理科創新實驗和科技教育相結合，為國家和社會培養一批創新型人才，逐步形成了學校的優勢及特色。

一、高中理科實驗培育學生創新素養的理論探索

創新素養作為學科核心素養的重要組成部分，對于創新人才培養有著重要價值。隨著教育教學改革的不斷深化，理科實驗成為學生理論聯系實際的重要途徑，不僅能夠促進理科知識的學習，而且培育學生創新素養的作用日益凸顯。

（一）創新素養的內涵

創新是人類文明進步與社會發展的根本動力，是21世紀人才的核心素養之一[3]。創新素養是指人在進行創新活動時必備的素質，是創新的前提條件。創新素養包括創新人格、創新思維和創新實踐三個維度。創新人格指個體具有好奇心、開放心態、勇于挑戰和冒險、敢于質疑、獨立自信等特質，對創新主體的創新活動具有重要的驅動和調控作用。創新思維是以感知、記憶、思考、聯想、理解等能力為基礎，以探索性、求新性、綜合性為特征的心智活動，是發散思維、復合思維和重組思維等多種思維高度結合的結果。創新實踐是指參與并投入旨在產生新穎且有價值的成果的實踐活動。創新人格和創新思維是創新實踐的基礎，創新實踐是創新人格和創新思維在特定任務情境下的綜合表達。創新素養的培育是學科核心素養培育的重要組成，也是素質教育的核心。

（二）高中理科實驗的價值

人類歷史上的重大發現或發明都來自實踐。創新來源于實踐，因此創新素養的培育離不開實踐。理論是人類認識客觀世界后所獲得的認識，但是只有科學理論沒有實踐，就不會有創新。實驗技術則是科學的實踐方法，極大加速了人類社會的創新步伐。

以實驗為基礎是高中理科教學的最基本特征，學生通過理科實驗學習大量的現象、原理和規律。在理科實驗中，提出問題、猜想和假設、制定方案、實施過程和得出結論的過程中都滲透了較多的質疑創新因素。理科實驗是高中學生理論聯系實踐的重要途徑，是培養學生創新素養的主陣地，但傳統理科實驗課程存在重灌輸輕啟發、重理論輕實踐、重共性輕個性、評價方式單一等諸多弊端，難以滿足新時代國家對創新人才的迫切需求。為深化教育教學改革，教育部在2019年印發的《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》中指出：夯實基礎，開齊開足開好國家課程標準規定實驗，切實扭轉忽視實驗教學的傾向；拓展創新，不斷將科技前沿知識和最新技術成果融入實驗教學；注重實效，強化學生實踐操作、情境體驗、探索求知、親身感悟和創新創造，著力提升學生的觀察能力、動手實踐能力、創造性思維能力和團隊合作能力[4]。2022年，江蘇省教育廳印發實施《關于加強和改進中小學實驗教學的實施意見》[5]。國家及省加強實驗教學文件的發布，為學校加強高中理科實驗的探索與實踐提供了政策支持和理論指導，為指向創新素養培育的高中理科實驗課程開發提供了堅實的保障。

（三）高中理科實驗開發的理論基礎

指向創新素養的理科實驗設計以建構主義理論為基礎[6]，理科實驗促進學生知識的建構，是需要主體在已有經驗的基礎上主動建構的，因此教學活動應突出學生的主體地位，引導學生相互幫助、相互促進，合作思考，建構新方法，強化創新人格，提升創新素養。理科實驗的設計以深度學習理論為指導[7]。深度學習通過理解認知、高階思維、整體聯通、創造批判、自主建構五個維度，強調知識的理解、應用及創新。深度學習理論指導下的高中理科實驗使學生圍繞著具有挑戰性的學習主題，全身心積極參與、體驗獲得發展的深度學習過程。同時，高中理科實驗開發高度重視生成性教學理論，強調學生的能動性，使學生在課堂互動中實現創新。

二、高中理科實驗培育學生創新素養的整體架構

指向創新素養的理科實驗探索與實踐緊緊圍繞創新素養培育這一核心，秉持“以興趣啟發學生，以情趣打動學生，以知識豐富學生，以能力提升學生”的總體目標，通過理科實驗課程的開發構建指向創新素養的三維理科實驗課程體系和全方位多層次課程評價體系。在建構主義、項目化學習、生成性教學理論指導下，探索創新素養培育的實驗教學新模式。培養創新人格，解決學生“愿不愿”創新的問題；培養創新思維，解決學生“能不能”創新的問題；開展創新實踐，解決學生“做不做”創新的問題。從而改變傳統實驗教學弱化、評價方式單一的現狀，逐步形成中等生源背景下創新素養培育的新途徑。

學校理科實驗課程的開發依托物理、化學、生物、信息技術、綜合實踐活動五門學科課程進行，對學科中教材實驗、創新拓展類實驗、學生綜合實踐活動和科技創新項目的實驗進行分類匯總，在課程開發目標指引下，逐步形成了與創新素養培育相適應的“單學科—多學科—跨學科”的理科實驗課程體系，構建由基礎類、拓展類、綜合類實驗課程組成的三維理科實驗課程體系。基礎類實驗課程面向全體學生，讓學生習得基本實驗技能、學會科學的實驗設計方法、了解學科重大發現與實驗的關系、領悟科學技術發展與實驗的關系。拓展類實驗課程面向選修學生，與學科教學融通實施，實現實驗技能及創新思維的提升。綜合類實驗課程與學校科技創新、綜合實踐、創新實驗活動相結合，根據學生的興趣和專長選擇性實施，逐步形成點面結合的理科實驗課程體系（如圖1）和“全體學生—選修學生—項目化研究團隊”組成的金字塔式的創新素養培育模式。

三、高中理科實驗培育學生創新素養的實施路徑

高中理科實驗教學是培育學生創新素養的有效途徑，但在傳統教學中被異化為教師講實驗，學生進行機械學習而非有意義地學習。上述做法主要存在以下問題：教材理科實驗與新高考“一核四層四翼”要求有差距，無法適應高考情景化考核的需要；教材實驗對于學生創新素養培育嚴重不足；單一的結果性評價方式，無法滿足創新素養培育的需要；教師理科實驗課程開發及實施能力不足，影響創新素養的培育效果。針對存在的問題和不足，項目實施路徑與方法如下。

（一）指向創新素養的理科實驗課程開發

1.基礎類理科實驗課程的情境化再設計

基礎類理科實驗課程是指國家課程的必修模塊、選擇性必修模塊中規定學生必須完成的實驗。基礎類理科實驗課程的任務是使學生根據實驗目的靈活選用合適的儀器、裝置和試劑，完成實驗探究內容，分析實驗現象，獲取實驗數據，發現科學規律，形成合理結論。基礎類理科實驗課程分學科進行設計，特別要進行與科學史相關實驗的開發，讓學生了解科學家通過反復實驗獲得知識本源的過程，從而培養學生的創新人格。基礎類理科實驗課程包括的實驗多是驗證性實驗或是按照給定步驟進行的簡單探究性實驗，對于學生創新素養培育的作用有限。這類實驗可通過情境創設，引導學生猜想并進行實驗探究。學生若通過拓展和質疑發現原有實驗存在問題，可以提出新的實驗問題，同時結合科學實驗方法的學習，體驗科學實驗的設計和實施的基本流程，再次進行新的實驗探究，直到實驗成功，從而獲得新的認知，創新人格、創新思維和創新實踐能力得到提升（如圖2）。

2.拓展類理科實驗課程的問題導向開發

拓展類理科實驗課程是在基礎類課程基礎上對實驗技能及思維進行提高而設計開發的實驗，由學校物理、化學、生物、信息技術教研組根據學校教學資源、學生學習基礎、學生體驗需要來共同開發，有數字化系列實驗、各學科選修模塊實驗等組成。拓展類理科實驗課程的任務是使學生參與科學探究方案的設計，體驗科學探究的過程，完成實驗報告，得出相關結論。拓展類理科實驗課程開發基于教師對課標、教材、學情的分析來確定本單元的實驗主題，設計合適的情境，以問題為導向進行課程開發（如圖3）。問題導向有助于激發學生的學習興趣和熱情，調動學生學習的積極性和主動性，使學生親身經歷和參與實驗過程，獲得學習的體驗，從而在解決實際問題的過程中培育學生的創新素養。

3.綜合類理科實驗課程的項目化開發

綜合類理科實驗課程是指由學生構思、設計、操作，在教師有效指導下進行的實驗課程，有人工智能實驗、綜合實踐課程實驗、項目化實驗等。綜合類理科實驗課程的任務是促使學生面對真實情境，從不同角度提出并準確表述可探究的科學問題，作出科學假設，完成探究過程，并用自己已有的科學知識對結論作出合理解釋，學習撰寫科學探究報告。在整個實驗探究過程中，學生培養了質疑能力、創新意識，提升了創新思維。綜合類理科實驗課程是項目驅動的跨學科課程。學生在教師的指導下從實際生產、生活中選題，確定研究方法，進行實驗設計、實驗實施、數據分析處理等，系統性地提升創新素養。項目驅動的綜合類理科實驗課程應提升其實驗的高階性、創新性和挑戰性，培養學生解決復雜工程問題的綜合能力和創新思維，引導學生學會應用、學會探究、學會創造，幫助學生獲得解決實際問題學習體驗。綜合類理科實驗課程開發從項目或問題出發，通過實驗設計和實施解決生產、生活中的問題，根據結果進行實驗改進，形成項目化實驗課程設計流程（如圖4）。綜合性實驗主要由科學探究類和工程設計類實驗組成。科學探究類實驗是創造知識的研究活動，回答“是什么”和“為什么”的問題；工程設計類實驗是利用知識進行創造和實踐的研究活動，回答“做什么”和“怎樣做”的問題。因此科學探究類實驗和工程設計類實驗課程設計存在很大差異，應根據各自特點進行設計，形成和完善科學探究和工程設計兩大主題的綜合類實驗課程開發模型（如圖5）。

（二）指向創新素養的理科實驗教學模式實施路徑

1.任務驅動的實驗教學深度學習模式

實驗教學深度學習模式是指在教師引領下，學生圍繞著具有挑戰性的學習主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發展的有意義的學習過程。實驗教學深度學習是以學生為中心，以基于真實情境和問題的項目為載體，通過創設真實情境、提出真實任務，任務驅動式地引領學生進行深度學習。理科實驗課程引導學生建立新知識與舊知識的重組與融合，以形成新的知識結構，幫助學生運用所學知識，以批判性思維來思考、理解情境，以證據來推理、解決問題，從而實現知識遷移和有效運用，培養學生解決實際問題的能力和創新素養。

2.變革教與學的方式，提升創新素養

理科實驗教學變革了教與學的方式，引導學生在探索、思考、觀察、操作、想象、質疑、調查、探究的實踐中學習，強調在學習過程中協同、合作和進行思維碰撞、交流，從而生成方法。理科實驗教學突出體驗式的教學方式，在真實或模擬的情境中，實現創新素養的提升。

3.推進學生發展指導，提高育人質量

學校在理科實驗課堂中實施理科實驗教學導師制。在學生發展指導中心引領下，全體教師都要成為學生發展的導師，根據學生的個性特點，幫助學生找到適合自己的發展方向和學習方式，指導學生形成個性化的自主學習規程，構建與時代發展相適應的新型學習方式。同時，在“互聯網+”時代，需要研究開放環境下學與教的特點，指導學生利用在線學習形式，實現因材施教的個性化學習。以創新素養培育目標為統領，高效整合學校、社會和家庭教育資源，切實提高創新素養的培育質量。

（三）理科實驗課程評價方法的變革

理科實驗課程的評價是促進學生發展、教師成長和學校教學質量提高的重要手段，對學生、教師及學校有著不容忽視的激勵作用。實驗課程評價以學生創新素養培育為目標，探索結果性和過程性評價相結合的方式，實施全方位、多層次的課程評價實施路徑。結果性評價可根據理科實驗課程特點進行評價，基礎類理科實驗課程主要采用基礎知識與技能的測量評價；拓展類理科實驗課程主要對實驗設計方案、方法、結果進行評價；綜合類理科實驗課程主要針對創新素養培育水平進行多角度評價，具體可通過創新人格的培養，創新思維的發展，創新實踐的過程、價值及意義進行。學校還通過研究性學習比賽、省市的教具學具制作大賽、青少年科技創新大賽、機器人大賽、創新實驗大賽等多項比賽，以項目參與度、合作度、獲獎、作品等作為彈性指標來評價學生（見表1）。過程評價注重學生創新素養的發展水平，評價過程貫穿整個學習過程，堅持評價方式多元化、主體多樣化、內容素養化、過程持續化、結果客觀化等多重原則。理科實驗課程開發不僅是學生創新素養培育的搖籃，也是促進教師專業發展的助推器。教師的專業成長也是理科實驗課程評價的重要方面。

（四）理科實驗課程的開發團隊建設

理科實驗課程開發的水平與理科實驗教師團隊實力密切相關。學校成立以正高級教師為核心的生物實驗課程和化學實驗課程開發小組，以省市優秀科技輔導員為核心的常州市科技拔尖創新人才培養團隊，通過兩個省級名師工作室、兩個市學科基地、兩個市級名師工作室構建理科實驗課程開發團隊。學校深入挖掘現有優勢資源，從本校教師中培養一批理科實驗開發實施名師；同時通過走出去、引進來等舉措加強與高校的銜接，特聘一批實驗課程開發專家，通過專家培訓和同伴互助切實提高課程開發的水平，逐步建立并改進理科實驗課程開發流程。理科實驗課程開發流程主要由理科實驗情況分析及資源評估、確定實驗課程開發目標、設計實驗課程結構、制訂實驗課程開發方案、教師培訓、組織實施管理、實施評價、反思與重建八個環節組成。學校設立理科實驗課程開發專項基金，保障理科實驗課程開發培訓、器材購置、科技競賽指導教師獎勵等方面的資金需求。理科實驗課程開發決策由實施的教師做出。在開發過程中，形成一個以教師為主體，由校長、課程專家、學生及學生家長和社區人士組成的課程開發合作共同體，編寫理科實驗課程綱要，在理科實驗課程實踐中，不斷反思、改進和完善。

理科實驗課程開發以培育學生創新素養為中心，積極探索國家課程和理科實驗課程融通實施的深度學習模式和點面結合的創新人才培養模式。學生通過理科實驗課程的深度學習進行知識建構，實現學生創新素養的持續發展與整體提高；教師通過創設學習條件和改進評價方式，促進教學方式的變革，培養創新型人才。

參考文獻：

[1]中共中央 國務院印發《中國教育現代化2035》[EB/OL].（2019-02-23）[2022-12-28].http：//www.gov.cn/zhengce/2019-02/23/content_5367987.htm.

[2]中共中央 國務院印發《國家創新驅動發展戰略綱要》[EB/OL].（2016-05-19）[2022-12-28].http：//www.gov.cn/zhengce/2016-05/19/content_5074812.htm.

[3]甘秋玲. 創新素養：21 世紀核心素養 5C 模型之三[J]. 華東師范大學學報（教育科學版），2020（2）：57.

[4]中華人民共和國教育部. 教育部印發《教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見》[EB/OL].（2019-11-22）[2022-12-30].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A06/s3321/201911/t20191128_409958.html.

[5]江蘇省教育廳.省教育廳關于加強和改進中小學實驗教學的意見[EB/OL].（2022-01-17）[2022-12-30].http：//jyt.jiangsu.gov.cn/art/2022/1/17/art_77617_10343078.html.

[6]張志亮.基于建構主義學習理論基礎上的實驗教學研究[J].實驗室科學，2022（4）：94.

[7]劉月霞. 指向“深度學習”的教學改進：讓學習真實發生[J].中小學管理， 2021（5）：14.

責任編輯：趙赟

*本文系2022年度江蘇省基礎教育前瞻性教學改革實驗項目“指向創新人才培養的理科實驗課程開發研究”的研究成果。

收稿日期：2023-01-22

作者簡介：桂亞東，常州市田家炳高級中學校長，高級教師；姜敦云，常州市田家炳高級中學。