以提升科學(xué)素養(yǎng)為核心的科學(xué)教育專業(yè)高階實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐
——以河北師范大學(xué)科學(xué)教育專業(yè)為例

劉 博，馬慶敏

（河北師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，河北石家莊 050024）

2021 年，國務(wù)院印發(fā)了《全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)規(guī)劃綱要（2021-2035 年）》（簡稱《綱要》），明確提出了“青少年科學(xué)素質(zhì)提升行動(dòng)”，其中包括提升基礎(chǔ)教育階段科學(xué)教育水平、推進(jìn)高等教育階段科學(xué)教育和科普工作、實(shí)施科技創(chuàng)新后備人才培育計(jì)劃、建立校內(nèi)外科學(xué)教育資源有效銜接機(jī)制以及實(shí)施教師科學(xué)素質(zhì)提升工程。這五項(xiàng)工作的提出對科學(xué)教育教師的培養(yǎng)提出了明確的需求和更高的要求，決定了科學(xué)教育人才培養(yǎng)必須向更高層次邁進(jìn)［1］。

河北師范大學(xué)科學(xué)教育專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)明確指出，科學(xué)教育專業(yè)就是要培養(yǎng)適應(yīng)國家義務(wù)教育階段科學(xué)課程發(fā)展和改革的需求，立足河北，面向全國，培養(yǎng)具有社會(huì)主義核心價(jià)值觀、科教興國意識，具有科學(xué)教育專業(yè)所需的自然科學(xué)基本理論知識和科學(xué)與人文相融合的素養(yǎng)底蘊(yùn)，具備較強(qiáng)的教育教學(xué)實(shí)踐能力、科學(xué)教育教學(xué)研究和自我發(fā)展能力，能夠主動(dòng)有效開發(fā)和轉(zhuǎn)化科學(xué)教育教學(xué)資源和進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)研究的高素質(zhì)科學(xué)課程教學(xué)師資。對標(biāo)“五項(xiàng)工作”可以發(fā)現(xiàn)，《綱要》中提出的“青少年科學(xué)素質(zhì)提升行動(dòng)”即是對科學(xué)教育專業(yè)的建設(shè)與發(fā)展提出的要求，而如何有效提升科學(xué)教育專業(yè)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)成為落實(shí)“青少年科學(xué)素質(zhì)提升行動(dòng)”面臨的主要問題。

一、科學(xué)教育專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置的缺陷

國際上通常將科學(xué)素養(yǎng)概括為三個(gè)組成部分，即了解科學(xué)知識、了解科學(xué)的研究過程和方法，以及了解科學(xué)與技術(shù)對社會(huì)和個(gè)人所產(chǎn)生的影響。而科學(xué)實(shí)驗(yàn)顯然是能夠讓學(xué)生親身接觸科學(xué)知識、親身參與科學(xué)研究過程、親身體驗(yàn)科技發(fā)展對社會(huì)和人產(chǎn)生影響的重要途徑［2］。但是目前大多數(shù)院校的科學(xué)教育專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置普遍存在兩個(gè)問題：第一，實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置中大多僅涵蓋單一學(xué)科內(nèi)容，跨學(xué)科知識的綜合運(yùn)用，特別是缺乏科學(xué)與技術(shù)的融合，課程廣度不夠；第二，實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)大多是對成熟的理論進(jìn)行單一的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺乏綜合性和探究性實(shí)驗(yàn)，無法讓學(xué)生親身參與科學(xué)問題的分析和探究過程，課程深度不足［3-4］。顯然，目前的實(shí)驗(yàn)課程體系設(shè)置不利于學(xué)生充分了解科學(xué)知識、掌握科學(xué)的研究方法、發(fā)現(xiàn)生活中科學(xué)與技術(shù)的應(yīng)用，不利于培養(yǎng)具有較高科學(xué)素養(yǎng)的科學(xué)教育人才［5］。因此，科學(xué)教育專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置亟須從兩方面進(jìn)行改革：第一，增加橫跨多學(xué)科知識、融合科學(xué)與技術(shù)的綜合性實(shí)驗(yàn)課程，拓展課程廣度；第二，增加涵蓋科學(xué)研究全過程的探究性實(shí)驗(yàn)課程，挖掘課程深度。河北師范大學(xué)的科學(xué)教育專業(yè)即從上述兩方面入手，對現(xiàn)有科學(xué)教育專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行了改進(jìn)與提升。

二、系列高階實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)與實(shí)施

科學(xué)教育專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程包括《無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》《有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》《分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)》《普通物理實(shí)驗(yàn)》《植物學(xué)實(shí)驗(yàn)》《動(dòng)物學(xué)實(shí)驗(yàn)》和《微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)》。這些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容主要以理論驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生根據(jù)教材中規(guī)定的實(shí)驗(yàn)步驟，按部就班地進(jìn)行操作。由于進(jìn)行什么操作、得到什么結(jié)果都是預(yù)設(shè)好的，學(xué)生幾乎沒有自主思考和探索的空間，實(shí)驗(yàn)課程僅能加深學(xué)生對各學(xué)科基礎(chǔ)知識的印象、增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力，但這顯然不能有效促進(jìn)對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。基于此，我們在學(xué)生完成上述系列基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加了《綜合科學(xué)實(shí)驗(yàn)》和《科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)》兩門實(shí)驗(yàn)課，以期通過親身參與多學(xué)科的科學(xué)探究過程，讓學(xué)生感受科學(xué)發(fā)現(xiàn)的喜悅、體會(huì)創(chuàng)新的樂趣，從而培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和創(chuàng)新精神，并讓學(xué)生在實(shí)踐中逐漸理解科技發(fā)展與社會(huì)和人的關(guān)系，形成正確的情感、態(tài)度與價(jià)值觀，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

在課程設(shè)置上，科學(xué)教育專業(yè)的學(xué)生在第2～4 學(xué)期進(jìn)行基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)。在掌握各學(xué)科專業(yè)實(shí)驗(yàn)儀器的使用方法和基本操作技能，以及對各學(xué)科基本規(guī)律、基本原理進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我們將《綜合科學(xué)實(shí)驗(yàn)》和《科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)》兩門課分別設(shè)置在第5 和第7 學(xué)期，對學(xué)生綜合運(yùn)用多學(xué)科知識能力和科學(xué)探究能力進(jìn)行進(jìn)一步鍛煉和提升。《綜合科學(xué)實(shí)驗(yàn)》課程設(shè)置為每周3 學(xué)時(shí)，開課12 周，共計(jì)36 學(xué)時(shí)。本課程要求學(xué)生能夠綜合運(yùn)用2～4 學(xué)期學(xué)習(xí)多學(xué)科實(shí)驗(yàn)方法和技能，通過將基礎(chǔ)科學(xué)知識與現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用融合，解決與社會(huì)、生活息息相關(guān)的能源、環(huán)境、健康等方面的問題。《綜合科學(xué)實(shí)驗(yàn)》依托化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心平臺，設(shè)置了《自動(dòng)尋路小車的調(diào)試與優(yōu)化》《水火箭的制作》《化學(xué)小火箭的制作》《礦泉水瓶的降解和回收》《甲醛濃度的標(biāo)準(zhǔn)化測定》《水果電池亮閃閃》等6 個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

1.《自動(dòng)尋路小車的調(diào)試與優(yōu)化》通過學(xué)生自主搭建小車，并對尋路模塊進(jìn)行編程，調(diào)試和優(yōu)化小車自動(dòng)尋路功能。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容融合科學(xué)理論以及將其應(yīng)用于實(shí)際應(yīng)用所需要的技術(shù)與工程知識，全方位提升學(xué)生的科學(xué)與技術(shù)能力。

表1 河北師范大學(xué)科學(xué)教育專業(yè)《綜合科學(xué)實(shí)驗(yàn)》課程項(xiàng)目

2.《水火箭的制作》是深受學(xué)生喜愛的綜合實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)綜合運(yùn)用物理、數(shù)學(xué)、美術(shù)等多學(xué)科知識完成，能夠讓學(xué)生在水火箭的制作過程中充分感受“運(yùn)動(dòng)與相互作用”這一學(xué)科核心概念，發(fā)展學(xué)生綜合運(yùn)用知識的能力、團(tuán)隊(duì)合作的能力以及創(chuàng)新實(shí)踐的能力。

3.《化學(xué)小火箭的制作》則是在水火箭的基礎(chǔ)上進(jìn)行的探索和創(chuàng)新，在“運(yùn)動(dòng)與相互作用”的基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入“物質(zhì)的變化與化學(xué)反應(yīng)”這一學(xué)科核心概念，讓學(xué)生親身體驗(yàn)“能的轉(zhuǎn)化與能量守恒”。

4.《礦泉水瓶的降解和回收》瞄準(zhǔn)目前廣泛存在的塑料污染問題，學(xué)生收集宿舍樓、教學(xué)樓內(nèi)廢棄的礦泉水瓶，分類后通過簡單的化學(xué)反應(yīng)，讓學(xué)生將塑料降解，體驗(yàn)變廢為寶，體會(huì)“人類活動(dòng)與環(huán)境”這一學(xué)科核心概念。

5.《甲醛濃度的標(biāo)準(zhǔn)化測定》選取了人們關(guān)切度較高的甲醛污染問題，讓學(xué)生查閱國家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)測定方法并利用實(shí)驗(yàn)室已有儀器設(shè)備搭建實(shí)驗(yàn)裝置，在這個(gè)過程中體驗(yàn)“物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”“生物與環(huán)境的相互關(guān)系”等學(xué)科核心概念。

6.《水果電池亮閃閃》則是選取了生活中常見的水果，利用原電池原理，使普通的水果產(chǎn)生電流，點(diǎn)亮LED 裝飾燈，讓學(xué)生感受生物、物理、化學(xué)等學(xué)科知識的交叉融合。

基于上述6 個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生通過綜合運(yùn)用多學(xué)科知識設(shè)計(jì)并親手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最終解決與日常生活緊密聯(lián)系的實(shí)際問題，以點(diǎn)帶面，對“物質(zhì)與能量”“結(jié)構(gòu)與功能”“系統(tǒng)與模型”以及“穩(wěn)定與變化”這四大跨學(xué)科概念產(chǎn)生充分的感性認(rèn)識，體驗(yàn)與生活、環(huán)境、社會(huì)息息相關(guān)的科學(xué)知識。

在《綜合科學(xué)實(shí)驗(yàn)》的基礎(chǔ)上，我們在第7 學(xué)期還開設(shè)了《科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)》這門課，課程設(shè)置為每周4 學(xué)時(shí)，開課8 周，共計(jì)32 學(xué)時(shí)。與《綜合科學(xué)實(shí)驗(yàn)》不同，《科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)》課程更加注重讓學(xué)生觸碰科學(xué)研究的前沿、拓展學(xué)科知識、培養(yǎng)創(chuàng)新意識，因此課程設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均來自學(xué)院教師的最新科研成果。我們保留了成果的核心創(chuàng)新部分，同時(shí)對其調(diào)整和優(yōu)化，轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合科學(xué)教育專業(yè)學(xué)生動(dòng)手操作的探究實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。結(jié)合化學(xué)學(xué)科特點(diǎn)，《科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)》目前設(shè)置了《有機(jī)染料的物理吸附及化學(xué)光降解》《基于凝膠體系的二氧化碳的可視化傳感》《基于光子晶體的加密防偽標(biāo)簽的制作》和《超疏水材料的合成與應(yīng)用》等4 個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

表2 河北師范大學(xué)科學(xué)教育專業(yè)《科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)》課程項(xiàng)目

1.《有機(jī)染料的物理吸附及化學(xué)光降解》瞄準(zhǔn)染料廢水的處理這一工業(yè)難題，通過對硅藻土進(jìn)行改性，實(shí)現(xiàn)對染料廢水的物理吸附，并通過合成無機(jī)納米催化劑實(shí)現(xiàn)對染料廢水的光降解，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中了解染料廢水的危害以及目前從物理和化學(xué)兩大學(xué)科角度出發(fā)，分別提出染料廢水處理方案。

2.《基于凝膠體系的二氧化碳的可視化傳感》基于具有明顯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的凝膠-溶膠體系，讓學(xué)生通過簡單的化學(xué)方法合成凝膠因子，進(jìn)而通過對溶劑、濃度等參數(shù)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對二氧化碳的可視化檢測。實(shí)驗(yàn)不僅教會(huì)了學(xué)生基本的實(shí)驗(yàn)操作，還鍛煉了學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

3.《基于光子晶體的加密防偽標(biāo)簽的制作》首先讓學(xué)生了解并親手制備光子晶體這種具有獨(dú)特性質(zhì)的材料，并通過探究溫度、時(shí)間等制備條件改變得到全新的具有不同顏色的光子晶體，在這個(gè)過程中體會(huì)“物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”這一學(xué)科核心概念，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

4.《超疏水材料的合成與應(yīng)用》則是通過簡單的材料合成實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在有趣的實(shí)驗(yàn)中親身體會(huì)超疏水材料合成過程，探究超疏水特性的科學(xué)本質(zhì)，讓學(xué)生留下深刻的印象。

上述《綜合科學(xué)實(shí)驗(yàn)》和《科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)》不僅讓實(shí)驗(yàn)課程橫跨多學(xué)科知識、融合科學(xué)與技術(shù)，打破了傳統(tǒng)分學(xué)科實(shí)驗(yàn)的界限，將各學(xué)科割裂的知識密切聯(lián)系起來，拓展了課程的廣度，還使學(xué)生能夠針對新問題、設(shè)計(jì)新方案、得到新結(jié)果，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋科學(xué)研究的全過程，挖掘了課程的深度。科學(xué)教育專業(yè)的學(xué)生在經(jīng)過“基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)—綜合科學(xué)實(shí)驗(yàn)—科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)”這樣逐層遞進(jìn)的實(shí)踐鍛煉后，能夠有效加深他們對科學(xué)知識的掌握、對科學(xué)研究過程的了解以及對科學(xué)精神的感受。

在學(xué)生基本了解了科學(xué)研究的整個(gè)過程后，我們還結(jié)合《小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》對課程教學(xué)的要求開設(shè)了《教具設(shè)計(jì)與制作》《Steam 教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐》以及《項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐》三門理論與實(shí)踐融合的創(chuàng)新實(shí)踐課程。《教具設(shè)計(jì)與制作》課程讓學(xué)生自由設(shè)計(jì)并動(dòng)手制作《小學(xué)科學(xué)》課程的實(shí)驗(yàn)教具。這需要學(xué)生熟練運(yùn)用化學(xué)、數(shù)學(xué)、物理等多學(xué)科知識去設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的教具，在制作過程中鍛煉學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力，提升學(xué)生的動(dòng)手能力。《Steam 教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐》課程是在《教具設(shè)計(jì)與制作》基礎(chǔ)上，進(jìn)一步要求學(xué)生能夠結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知程度和認(rèn)知規(guī)律，根據(jù)指定主題設(shè)計(jì)Steam 教學(xué)內(nèi)容。需要學(xué)生全面評估教學(xué)設(shè)計(jì)中運(yùn)用的各種跨學(xué)科的科學(xué)與工程知識是否適用于小學(xué)生，提升學(xué)生對《小學(xué)科學(xué)》教學(xué)內(nèi)容的把控能力。《項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐》則是在《Steam 教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐》課程基礎(chǔ)上，對Steam 教學(xué)項(xiàng)目的實(shí)施進(jìn)行詳細(xì)的教學(xué)設(shè)計(jì)，提升學(xué)生教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施的能力。通過上述三門課程的引入，我們希望學(xué)生能夠真正接觸《小學(xué)科學(xué)》課程教學(xué)實(shí)際，鍛煉他們對《小學(xué)科學(xué)》課程內(nèi)容創(chuàng)新設(shè)計(jì)和實(shí)施的能力。

三、結(jié)語

通過“學(xué)科基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)—綜合科學(xué)實(shí)驗(yàn)—科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)—?jiǎng)?chuàng)新實(shí)踐課程”的逐層遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)課程體系，學(xué)生能夠在逐漸提升實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力的同時(shí)親身體會(huì)多學(xué)科核心概念，體驗(yàn)科學(xué)探究過程，創(chuàng)新設(shè)計(jì)科學(xué)課程，這能夠最大限度地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。