技術時代的科學素養觀與科學教育改革

摘要：加強科學教育是我國加快建設教育強國的重要戰略關切和支撐路徑。進入智能科技飛速發展的時代，中小學科學教育應重視以提升科學素養為基本目標，幫助學生形成對科學的整體理解，發展科學思維，呵護和鼓勵他們的好奇心和創造性。科學素養的內涵也由關注學生應該“有什么”，轉向學生能夠“做什么”，強調學生主動獲得知識并在運用與遷移中發展科學素養。為加快實現我國中小學科學教育創新發展和高質量發展，需要重點在6個方面做出探索和突破：一是以“學生如何學習”為底層邏輯設計科學教育實施體系，二是以學習者為中心建好“社會大課堂”，三是以數智技術驅動真實科學學習，四是保障學生充分參與科學實踐，五是提供深度連貫的課程，六是探索科學學習評價創新。為此，需要開啟新的研究議程和務實行動，著重在科學學習機制和基本理論、科學教育多主體協同機制、科學學習支持體系等方面加大探索力度，不斷提升科學教育的專業化程度及研究水平，更好地服務教育強國建設。

關鍵詞：科學教育；科學素養；科學思維；科學實踐；教育改革

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1009-5195（2024）05-0003-13 doi10.3969/j.issn.1009-5195.2024.05.001

基金項目： 2019年度教育部人文社會科學研究規劃基金項目“信息化學習場域中學生深度學習阻障診斷與教學優化研究”（19YJA880048）。

作者簡介：裴新寧，博士，教授，博士生導師，華東師范大學國際與比較教育研究所，華東師范大學科學教育研究與教學中心（上海 200062）。

加強科學教育是我國加快建設教育強國、實現高水平科技自立自強的奠基性工程。黨的二十大報告指出，“教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰略性支撐”（新華社，2022），這為科學教育賦予了重大使命。2023年5月，教育部等十八部門聯合頒布《加強新時代中小學科學教育工作的意見》（后文簡稱“《意見》”）（中華人民共和國教育部，2023a），確立了我國中小學科學教育改革的戰略方向。隨后全國中小學科學教育實驗區、實驗校建設項目陸續展開。伴隨學校科學教育改革探索的逐步深化，一些問題也浮現出來。筆者在調研中發現，不少地區及學校對科學教育的基本理念和具體改革行動還存在方向性的疑惑，特別是在課程與教學的創zHsRVIRVVUk1t/1/W97+dg==新提質方面究竟該做什么和怎么做，還有許多問題亟待回答。本文在前期研究和團隊交流的基礎上對相關問題進行了思考，呈現于此，希望對中小學科學教育改革的深化推進有所啟發。

一、技術時代學校科學教育改革的基本價 值主張

現代科技正以前所未有的勢頭作用于人類，帶來豐富的物質產品和劇變的社會狀態，更沖擊著思想制式和教育系統。科學教育自近代成為教育系統的重要內容，也為受教育者賦予了認識世界、發展心智、處理個人與世界關系問題的關鍵且高效的工具。工業革命、信息革命以來，科學的成功不斷強化著科學教育的重要性。進入21世紀之后，將科學教育置于整個教育系統的優先地位已成為全球科學家和教育學者的普遍呼聲和國家行動。與此同時，科學教育理論與實踐創新成果的快速積累，深刻影響了整個學校教育系統的變革，甚至引領了世界教育發展的風向。如今，智能科技正改變著科學研究的方式，使得科學正以全新模式向個人及社會生活廣泛滲透，全球加劇的科技競爭已然指向各國人才基礎的抗衡。面向加快建設教育強國、科技強國、人才強國的宏偉目標，全力做好科學教育“加法”已成必然選擇。一方面，要大力提升青少年的科學素養，讓更多的青少年熱愛科學，愿意獻身科學研究事業，從小具備科學家潛質；另一方面，須將時代新人所必備的創新創造品質培養融入科學教育的全過程。基于上述對國內外背景的考量，我國中小學科學教育改革行動應重視以下基本價值導向。

1.提升每一位學習者的科學素養

技術發達的社會要求每個人（包括個體及群體）都具有更高的科學素養。人類的未來取決于科學的智慧（“中國學科及前沿領域發展戰略研究（2021—2035）”項目組，2023）。要解決地球上出現的諸如環境惡化、疾病流行、災害風險、糧食安全等危機，需要仰仗科學的力量。我們必須首先借助科學省思：現在背負的問題本質是什么？用什么樣的方法可以解決？這種科學的力量需要依靠專業的科學家，但也需要每一個民眾知曉科學的思考方法和行動方式，以審慎地決策和參與意見的表達，即具備科學素養（池內了，2018；Siarova et al.，2019，p.18）。我們看到，一個國家的科技水平越來越多地由該國對科學的社會認同水平，即由民眾對科學與技術的了解與支持程度來決定。所以，科學素養除了包括人們對基礎科學知識的掌握，對科學方法與科學史的了解，還包括對社會中科學議題的負責任地參與。當然科學中的理性精神、獨立精神、批判精神、創新精神等也不可或缺。開展科學教育，就是要支持學生進行科學探究和參與科學實踐，研究真實世界中的科學問題，從而讓他們更好地理解社會和認識世界，并負責任地參與未來。

科學教育者要努力塑造具有高科學素養的群體，科學專業人士也要加入科學教育情境之中，幫助青少年及廣大民眾跨過參與上的“門檻”。一個社會只有建立了廣泛認同的科學文化基礎，才能保證國家重大科技戰略行動順利推進，進而擁有可持續的未來。鑒于科學素養對于個人、社群及社會發展的重要性，幾乎所有國家及地區都將提升科學素養納入各級各類科學教育的基本目標乃至將其作為終極目標。在這個意義上說，科學教育就是科學素養教育。

2.幫助學習者建立對科學的整體性理解

科學是關于自然世界的解釋體系（知識），但這套體系的生產是受其研究方法、過程和建制所辯護的。因而科學必然同時具有思想觀念的、認識論和方法論的、社會共同體專業實踐的內涵（孫小淳，2024），既包括理論知識，也包括實踐知識（吳國盛，2023）。近代科學以來，科學的研究內容、工具、方法、邊界、組織方式等都在不斷發生變化，但不變的是科學家共同體在探究自然現象并形成公認的概念和理論時對客觀性的追求。這便是科學的基本特征。由此，所謂“理解科學”，從來不是僅指向科學知識，而是同時指向科學研究作出發現并在科學共同體的規范之下形成共識的過程。科學教育一定不是孤立的科學知識教育，其核心任務在于幫助學習者完整地理解真實科學研究實踐中的認識論過程與社會規范，并能夠把科學看作一套知識、方法與建制的組合；同時幫助學習者了解智能驅動新范式下科學的生產過程。

3.幫助學習者掌握理解世界的科學思維方式

學科學和參與科學需要以特定的方式思考和分析信息，以便理解世界并為之賦予意義。作為以興趣為基礎的人類智性活動，科學是一種追求專業知識、探索規律的思維方式，它讓我們理解我們所身處的宇宙和世界，彌補人的理性缺陷和認識局限（廖瑋，2021，p.4），不斷推動人類文明的進步。這種思維方式是懷疑式的，總是要求掌握證據，臻于對現象（及其之間的關系）本質的形式化（尤其追求量的形式）表達，以求解其中的效應。近代科學以來，科學共同體已發展出一系列獲得證據的方法，它們與一定的思維方式緊密聯系，比如觀察與實驗等經驗方法，需要借助命題和推理等邏輯工具和多種思維方法來整理和分析經驗材料，以便發現經驗規律。科學方法、思維方法與邏輯方法的結合，讓科學能夠將理性用于所有問題之中，以使世界得到改善（張大松，2008；馬克·埃里克森，2017，p.150）。在今天技術充斥的世界中，需要透過各種遮蔽去洞察世界之本質，辨識真偽，那么這種經由科學研究迭代進化而來的思維方式就變得尤為重要。科學問題和科學道理存在于生活之中，但科學不是常識本身。對學生而言，科學是一種陌生的思維方式（邁克爾·斯特雷文斯，2022），甚至是反事實的思維方式；科學知識的真正獲得要求學生通過科學方法去求證、探知、證偽，把握其中的思維方式。因而，科學教育活動無論形式如何，還是要落實到讓學生學會科學思維上，要朝向讓學生學會提出問題、設定問題、思考問題和解決問題的方法而努力，如指導學生學習不同形式的科學推理、建立模型、進行論證與解釋、用數學形式支持和深化思考、質疑與創新。

4.呵護與鼓勵學習者的好奇心、創造性和主動性

好奇心與創造性是人類的天然資源，是啟動探索、發展理智、掌握工具，從而認識自然、合理友好地利用自然并與之和諧共生的基本源泉。科學教育之于人的基本且恒常的意義就在于：留存人的創造性。為此，要呵護學習者天然的好奇心，維系他們對世界主動探索的興趣，讓創造這份“元力量”可以留存。科學教育通過教會學習者使用人類理智去處理經驗，從而蓄發創造力。當下人工智能作為一種橫向技術，幾乎對所有領域都產生了影響。但在技術富集的環境中，人依然是中心。人的學習還具有低能耗、創造性和主動性等基本特征，使得學習與腦發展彼此互惠。外部技術不是用來代替人的學習，而是延續人學習的可能性，支持人的同態調節功能更好地運行，從而助力人類更好地發揮駕馭自身才能的自主性，增加生命福祉。科學教育改革必須給兒童、青少年的創造性和主動性發展留下充分空間，而不是用技術填滿他們的發展空間。

二、重建技術時代的科學素養觀

科學素養已成為衡量一個國家教育質量的重要指標，對社會經濟及科技發展潛力具有預測價值。20世紀80年代以來，科學研究范式的更替以及技術擴張加速了研究者對科學知識與能力獲得過程的揭示，使我們更加明確了究竟具備怎樣的科學素養才是重要的。這也導致了新的科學知識論與科學素養觀的建立，并深刻影響了發達國家的科學教育改革。

1.關于對科學素養理解的變化

歷史上，關于科學素養的內涵與發展路徑主要有兩種理論立場。一種是“缺失觀”，即把知識看作個體內部的、值得擁有的“好東西”（Chinn et al.，2023），認為學生是科學的外行人，缺乏科學專家的知識，因此科學教育與普及的方式就更強調“知識取向”，即重在彌補知識“缺口”。另一種是“資產觀”，認為知識是在進入群體活動中顯現的，而不是個體的內部屬性，每個學生的原有經驗和差異性是新學習的基礎。換言之，學習者攜帶的經驗可以作為其參與科學實踐的“知識基金”（科拉·巴格利·馬雷特，2021）。進入21世紀，隨著學習科學社會文化學派成果的大量積累，“資產觀”漸占主導；相應地，探究取向和參與取向成為新科學教育的主要方式。不過，二者在知識論立場上還略有不同。探究取向主要源自認知主義，認為“科學是邏輯推理”（Chinn et al.，2023），主張學生通過自主探究來發展對科學概念的理解；而參與取向的理論觀點則是“科學即實踐”（Chinn et al.，2023），重視科學知識及其生產的社會性和復雜性，強調讓學生投入到科學過程的專業實踐中，包括參與科學共同體實踐以及具體的科學探究實踐，以提升其科學素養。

綜合國內外科學素養的相關研究成果，可以將科學素養內涵及發展方式的變化概括如下：在內涵上，從關注“外行人”相對于科學專家知識的“缺失”，到關注個人、社群（組織）、社會三個層次上的連帶意義及生成；從聚焦作為個人屬性的知識和技能，到可外化、可被集體利用、起作用的知識和技能。在發展方式上，逐步從面向受眾的直導式傳播（即“運輸知識”，與“缺失觀”一致），轉向公眾（包括學生）作為行動者的社會參與結構多樣化（與“資產觀”一致）。此外，隨著科學教育政策及研究的核心議題轉向“科學素養如何作為群體實踐而發揮作用”，社區科學、公民科學等項目更多地出現并進入學校。由此中小學科學素養的目標得以重新定位：由關注學生應該“有什么”（即“知識構成”），轉向強調學生能夠“做什么”，并著力描述如何使得這些知識可運用、可實踐的“條件性知識”。

當前，中小學科學教育活動的設計與評價主要圍繞兩大核心目標進行（見圖1）：一是發展學生對科學內容知識的理解，即掌握公認的理論、規律、模型、解釋、原理或原則等“靜態知識”；二是發展學生的探究實踐能力，即學會解釋、建模、論證、思考科學問題等“動態能力”；同時通過具體的科學實踐過程將兩大核心目標加以整合，以促進科學學習向深度理解和動態能力的轉化。除此之外，與上述核心目標相應的個性品質層面的素養目標也得到凸顯，如科學身份認同、興趣與好奇心、科學精神、負責任和批判性思考等（Siarova et al.，2019，pp.17-18；OECD，2023a；Chinn et al.，2023）。顯然，“能力本位”已成為“教”與“評”杠桿的支點。教學既要以學生的現有能力為基礎，又要以關鍵素養能力的達成為指向和評價重點。

2.科學素養的基本構成

科學素養的構成是因循科學教育發展目標而動態調節的，既關注科學本身，更關注科學的情境（Siarova et al.，2019，p.13；OECD，2023a），同時兼顧確保科學素養得以發展的基本條件及個性品質（凱瑟琳·E.斯諾等，2020）。概觀全球科學教育研究及實踐改革的趨勢，結合我國科學教育發展的現實追求，我們可以將中小學生應具備的科學素養概括為科學知識與技能、情境性素養、基礎性素養和個性品質等四個方面。這四個方面相互聯系、相輔相成，個體科學素養的發展是內部和外部系統的交互作用過程。

其一，學生要學習和理解科學知識體系（如構成科學知識體系的科學概念、理論、協定、基本方法等），并掌握獲得這些知識與技能的科學實踐（如開展科學探究過程，進行科學解釋、論證、推理、交流等）。它們構成了中小學科學教育的基本內容。關于當下應給學生教授什么的問題，已有眾多討論。總體來看，學校科學教育的內容體系是相對“純凈的”，學者們認為對處于科學傳統積淀不足的文化中的學生而言，深入學習少量的核心知識形成科學（理性）的世界觀，比讓他們知道更多其他知識更重要（諾曼·萊德曼等，2022，pp.767-785）。由此，學校科學教育應強調學生重點學習兩類知識：一是最核心的說明性知識——學科核心知識、跨學科（橫向）概念；二是最基本的實踐性知識（如2022年版《義務教育科學課程標準》強調的“探究實踐”）；同時強調教學中要通過科學實踐來獲得學科核心知識及跨學科概念。這種知識觀充分體現了學習科學研究中“思維/意識與活動相統一”的基本主張，以及“知識—使用—遷移”一體化的重要性。

其二，學生要知曉情境中的科學，即要了解科學的產生、作用及影響，能夠辨識或處理與科學有關的領域及事務。不了解科學的社會文化情境，就無法深入理解科學知識體系，也就難以具備基本的科學能力。具備情境性科學素養對沉浸于數字化社會信息潮涌中的個體來說尤為重要，有助于他們整合并解釋信息，進行反思和評判，明辨真假科學，理解科學工作的邊界與限度，認同科學工作的道德倫理，并能在技術世界中保持內省、批判性思考和主動。

其三，學生要具備基礎性素養，比如具有數學素養、讀寫素養、視覺素養、圖示理解力，會運用數智工具獲取證據、進行表征等，這些是學生以意義建構的方式（而不是死記硬背）處理信息，形成時代所需的科學關鍵能力的基本前提。基礎性素養的提高不能僅靠數學或信息技術等學科的常規教學，而是需要科學教育各相關學科教學都主動將這些基礎性素養融入教育過程中。

其四，學生要具備良好的個性品質，科學教育就是要不斷涵育像科學家那樣進行科學研究和思考時的特定傾向和思維習慣，如好奇、愛問、開放、求真、求證、身份認同、堅持、堅毅等。換言之，就是要學習科學家的認知美德和精神氣質，具備科學家潛質。特定傾向和思維習慣是科學素養的內核要素，決定了人們如何在各種情況下參與科學；其也是使用其他素養成分的先決條件，很大程度上決定了學生的科學身份認同，進而影響他們科學投入的持續性。

總之，這一素養框架下的科學教育途徑充滿主動性、實踐性和創新性。比如強調對科學知識的運用、投入科學實踐、參與科學議題討論、從事科學問題解決等。這樣的途徑旨在高效地為學生賦予必備能力：能夠認識知識是如何產生的，理解與科學知識相關聯的科學方法、過程和建制，從而有效地探知世界，應對世界的變化與挑戰。這樣的科學教育重視“教”人通過“內省式地批判”，“向內地”塑造人格品性，珍視而非規避倫理情境，理解自身、文化與行為及其彼此間的塑造，從而讓創新不失“智慧”的應有之義。然而，科學素養的提升是一個持續的過程，突破學校圍墻限制，嵌入社會資源，構筑科學學習良好生態，是科學教育成功的必要條件。為此，提高校外非正式學習環境（如家庭、工作場所、博物館、社區、媒體等）中科學教育的質量和覆蓋度，成為諸多國家培養兒童及青少年科學興趣、支持公民科學素養持續提升的重要舉措。

三、深化中小學科學教育改革的重點

科學及其各個學科不斷地向著新領域開拓，使得科學的構成、實踐和表征形式變得愈加復雜，我們不可能從整體上一下子把握科學。今天的科學已不是一種純粹的知識和實踐形式，相反它更多寓于技術科學現實的項目、活動和陳述之中。所以，究竟教什么和怎么教，是一個十分難以抉擇的話題。但對作為科學教育主陣地的學校來說，課程教學是根本，這是一個不可忽視的基本抓手。2023年5月，教育部頒布《基礎教育課程教學改革深化行動方案》，部署了“科學素養提升行動”，計劃用3～5年時間，通過“深化中小學科學教育改革，強化做中學、用中學、創中學，激發青少年好奇心、想象力、探求欲，提升學生解決實際問題的能力，發展學生科學素養”（中華人民共和國教育部，2023b），實現教師教學行為和學生學習方式的深刻變化。在這一總體目標指引下，結合前面討論的科學素養觀，我國中小學科學教育改革應重點在以下幾方面做出探索與突破。

1.以“學生如何學習”為底層邏輯設計科學教育實施體系

科學教育與學習科學是共生演化的（裴新寧，2018；Songer et al.，2022）。這從20世紀后半葉以來美、英、法等科技強國的科學教育發展經驗中不難找到證據。成功的科學教育設計既要深植于科學體系，也要遵循教育規律，但最基本的是要以“學生如何學習”為底層邏輯。設計者及教育者要全面理解究竟“什么影響學生的科學學習”“什么制約學生的科學素養發展”，這是當下科學教育研究與實踐首先要思考和處理的問題。已有研究和實踐表明，不了解學習的機理、不解決怎么學的問題，科學教育的新嘗試、資金和人力投入所期待的目標就可能落空（Sawyer，2014）；而基于學習科學原理設計與實施的STEM項目和技術性學習環境卻取得了更好成效（Sawyer，2022，pp.1-23）。學習科學跨學科研究為基于實證的教育決策提供了支撐，諸多科技強國的新科學教育標準和教學指引的制定就明確以學習科學為基礎。聯合國教科文組織高度重視學習科學對改善教育效果的作用，成立了學習科學全球聯盟，致力于推動學習科學研究及成果向教育政策與實踐的轉化應用，并促進學習創新（UNESCO，2024）。

與學校科學教學成效直接相關的學習科學成果是極其豐富的，這里簡單羅列幾條基本結論。一是科學學習啟動于人生早期，貫穿人一生發展，且具有內在的文化屬性。由此便可理解為何將歐美科學教育標準照搬于我國科學課堂教學的做法難以奏效。惟有吸納學習科學的先進方法，深入研究我國學生的特點、教學的情境并尋找優化教學過程的途徑，才可能助力改革走出困境。二是科學和科學實踐當中的內容和過程是交織在一起的。而現實中許多課堂中的“知”“行”卻是分離的，通常是先講后練以后再實踐或者根本不實踐。這種將科學內容與過程或活動進行的“拆離”，偏離了真實科學研究實踐，也是導致學校科學教學低效的主要原因。三是有效的科學教育反映了科學家的認識論方式，并與學習者的世界相關聯。當下一些學校建立了創新實驗室，其在設施的物理形式上幾乎跟大學實驗室并無二樣，然而讓學生在這樣“高大上”的實驗室里“照方抓藥”，卻并沒有改變科學教學的認識論過程，由此所謂的“像科學家一樣思考”和“像科學家一樣做事”的目標往往變成了紙上談兵。四是科學學習的類型是多樣且可以協同運作的。如一些模式和規則的學習、基本的科學語言學習（作為中介工具）是知識精益型的，不需要太多的知識積累；而一些科學推理、問題解決類的學習則依賴一定的知識基礎。因此，我們應選擇尊重兒童的學習方式和類型來讓他們接觸科學，也只有當所采用的學習方式跟兒童的身心體驗相結合的時候，他們才能學得好、學得愉快。五是記憶不是“復現”，而是重建。要真正“記住”科學原理，則需要在情境變換中引發深度理解和概念轉變。

2.建好以學習者為中心的“社會大課堂”

堅持以人為本，充分關照兒童和青少年對科學的興趣和科學身份認同，這是支撐他們理解科學、熱愛科學、將來投身于科學事業的關鍵基石。然而這卻是科學教育發展的最大挑戰。克服這一挑戰只靠學校單主體的努力是遠遠不夠的。《意見》號召“用好社會大課堂”，倡導相關單位服務科學實踐教育，高校和科研院所主動對接中小學，引領科學教育發展。各地各部門也做了大量工作，特別是在深化館校結合、鼓勵科學家投身科普等方面均取得了很大進展。但由于中小學科學教育涉及廣泛分布的資源單位，如何使分屬于不同部門、分散在不同領域的科學教育力量凝成系統合力，還缺乏行之有效的機制和措施。從我國課程改革的歷史和國際經驗中可知，科學教育的發展更需要專業化、可持續的支持系統，這對于我國起步晚且底子薄的科學教育的有效改進而言尤為重要。這也是“用好社會大課堂”的深層意義所在。要做好科學教育“加法”，關鍵的一點是把學生吸引到科學活動當中來。已有大量研究表明：最有效的方法是讓學生找出（而不是由教師給出）科學與日常生活及經驗之間的聯系；教育者要為學生提供參與“重要科學事務”的機會（Hall et al.，2012）。這是建立以學習者中心的“社會大課堂”的基本經驗。

進入21世紀的第二個十年，國際上科學教育社會參與網絡的建設逐漸指向“學習者中心”的專業化支持系統，形成了多種有效的運作模式和優秀的實踐成果。第一種是政府統籌、高校主導的分布式科學教育中心模式。例如，芬蘭教育部組建了國家科學教育中心，并依托不同高校和科學中心實施基于地區特色資源的STEM項目活動，以統籌調控全國性的科學教育資源網絡的主題設置和參與覆蓋面，同時圍繞學習的三個基本向度（即深度、廣度、終身）構建了專業化的科學實踐活動系統。第二種是以科學中心為凝聚核心的參與網絡模式。例如，日本的京阪奈科學城設置了京阪奈交流促進網，通過“產學館合作”的協同方式聚攏了整個科學城中的中小學校、企業、博物館和高校等多元主體，構建了龐大而高效的科學教育實踐協作網絡。第三種是政府監督的企業聯合基金模式。例如，德國在STEM領域最大的早期兒童教育計劃“小科學家”項目①，就是由基金會（合作伙伴包括西門子基金會、迪特瑪·霍普基金會和迪特·施瓦茨基金會等）支持的。該項目始建于2006年，2008年以來得到德國聯邦教育和研究部的支持與指導，致力于通過多種形式的專業發展活動幫助教育者掌握適于兒童的科學探索方法，并支持專項研究，將STEM教育專家和科學家的專業貢獻融入項目的推進。第四種是科學家共同體的權威引領模式。該模式的典型代表是美國21世紀的科學教育改革。在《K-12科學教育框架》和《下一代科學標準》（NGSS）等一系列重要綱領和操作性指南研制出臺過程中，美國國家科學院、國家工程院、國家醫學院發揮了核心和主導作用，自上而下地確保了科學教育內容和路徑的適當性和先進性；而且通過制度性的、基于循證的解讀，為科學教育改革的優質推進起到了保駕護航的作用。目前美國大部分綜合性高校均參與了科學教育共建，特別是在美國國家科學基金會等基金組織的資助下，美國高校在公共資源建設和教師專業發展活動提供方面表現出很高的積極性。

綜上，各國致力于建設“社會大課堂”的目的在于將學習者的個人生活與社會生活相連接，進而與科學世界聯系起來。理想的“社會大課堂”是一種學習者中心的開放學習環境，有助于形成人人參與科學的社會文化。它具有如下基本特征（高文，2005；裴新寧，2010；Education Reimagined，2020）：聚焦人的學習與發展；強調學習者自主；學習活動以能力為本；無隔擴展學習；任務個性化、關聯和境脈化；社會力量及資源整合式嵌入（見圖2）。我國高度重視利用科技場館做好科學教育。但科技場館的功能優勢不是復制學校的實踐，也不是簡單地延伸學習時間和空間，而是補充學校科學教學的不足，發揮促進學習者自主學習和創新學習的效力。場館科學學習活動設計應最大限度地以讓學習者介入真實科學為目標導向：發展科學興趣、理解科學知識、從事科學推理、反思科學學習、參與科學實踐、認同科學事業（NRC，2009），進而打造科學教育實踐的良好生態。

圖2 “社會大課堂”的基本特征示意圖

3.以技術驅動真實性科學學習

技術支持的科學教育具有三個鮮明特征：一是技術作為內容和科目，納入科學教育并形成了“信息技術與科學學科整合”的多種形態；二是信息技術作為科學學習的環境和工具；三是信息技術作為關鍵要素，成為跨學科學習（如STEM）的組成部分（裴新寧等，2021a）。這些特征的共同指向是對真實性科學學習的驅動。“真實性學習”通常有兩種含義：一是指現實生活世界（Real World）中的學習，強調學習要聯系生活實際，但學到生活經驗或常識并不等于學到了科學經驗；二是指專業場景中的學習（Professional Learning），強調對“專長”（Expertise）的學習，比如像科學家一樣思考與實踐。從科學教育改革的價值出發，我們更重視后者，而后者在現實教學場景中往往成效不高或難以實現。為此，數智技術變革科學教育的目標應在于支持學生自主學習和創新學習，實現在科學“專長”上的提升。比如，利用技術為學生的自主學習提供過程性支持（如在模擬的真實科學現場中進行科學解釋）和學習經歷支持（特別是針對現實中難以實現的真實學習經歷），實現嵌入式評價和需求性反饋，從而讓學習者可以真正進行按需學習和適應性學習（裴新寧等，2021b）。

已有大量研究成果顯示，交互式學習環境（平臺）能夠改進真實性科學學習的成效。比如，利用計算機交互環境搭建的體現學科專業實踐的探究場景，能促發充分的話語實踐，幫助學生學會利用概念來表達理解，進行推理和建模，掌握反思策略。這樣的過程使得學生的概念理解和科學身份認同都得到改善（陳晟，2024；閔輝等，2024；Pei et al.，2020；Huang et al.，2024）。利用模擬可以支持學生進行復雜問題解決和完整的科學探究。例如，在PBL微情境中，學生可以界定科學問題、建立假設（理論建模）、嘗試得出結果、調試方法，并給出解釋（通常需要數學模型）和基于證據的論證（NGSA，2024）。在現實的科學課堂教學中，可以將實物材料與AR相結合，支持學生理解科學現象背后的效應（如光纖傳輸）；可以利用在線科學探究平臺（如WISE）將學生置于地球科學的背景中，討論氣候變化的現象與數據，并結合真人分組討論，開展科學論證。近期，國際上涌現了一批利用人工智能平臺及軟件支持真實性科學學習的研究。例如，使用自然語言處理工具進行自動化評價，從而幫助學生反思并學會運用多種科學表征（Linn et al.，2023）；將生成式人工智能作為支架，引發學生提出問題的主動學習行為（Ko?-Januchta et al.，2020），支持有效建模（Adair et al.，2023）和科學論證（Lee et al.，2021）等。也有研究表明：人工智能在理解科學的本質上顯現出一定的優于一般教師的潛力（Nyaaba，2024）。

我國正在加快推進教育數字化轉型，各學科在學習資源建設上成效顯著。比如，數字教材、數字化知識板塊（知識體）等已被用于支持課堂教學轉型。但總體來看，這些資源（包括一些游戲化學習資源）的設計理念和過程主要指向對成品知識的獲取，而在利用數字工具支持科學實踐的學習、科學思維訓練、創造等方面做得還較少，在引導科學教學方式和學習方式的深刻變革上還有較大空間。總結國內外已有研究可知，目前人工智能用于科學教育主要處于積極探索階段，成果不斷涌現，但在現實教學中并未大面積實施。盡管如此，人工智能已顯示出賦能教與學創新的諸多潛能。可以做出如下三方面的預判：第一，隨著人工智能倫理治理的規范化以及人工智能平臺應用的常態化，人工智能可用于中小學科學課程內容的組織和課堂結構的改造，但仍會作為科學探究的輔助和增效工具，不會替代也不能缺少教師的引導和學習設計。第二，人工智能可對科學教育的發展起到支撐和驅動作用，但這有賴于以學習原理為基礎的精良的學習設計和合理的策略整合；人機對話、交互等功能的研發還需要更多努力。第三，人工智能會更普遍地嵌入各類科學學習平臺之中，比如，作為網絡課程的人機會話助手、科學閱讀的反思性智能支架、虛擬實驗和計算機模擬程序的評價和引導工具，或者作為系統化支持科學實踐的智能導師等，但是這些應用若要取得理想的效果，還需要同步提供證據支持的相關使用指南和策略庫。

4.保障學生充分參與科學實踐

“科學作為實踐”是近年來科學教育的主導理念和行動。科學教育中的“實踐”涉及科技工作者從事的真實性研究活動，如主要采用的研究方法、思維方法、工具、手段和方式等，既包括科學家研究自然世界并對其現象建構理論或模型時的科學實踐，也涉及工程師用于設計和建立模型和系統的工程學實踐（NRC，2012）。科學教育重視“實踐”維度，意在強調從事科學研究不僅僅需要一定的技能，更需要理解和掌握其中的過程。對學生而言，參與科學“實踐”意味著要進行認知的、社會的和涉身的學習。比如，在科學探究過程中，需要運用科學推理、解釋、建模、論證、（數學）表征等，如果不了解這些具體的“專業實踐”，就不可能進行真正的科學探究。然而，現實課堂中科學探究往往被當作一套技能或流程來對待（而不是作為科學過程），常常忽略了其中蘊含的科學思想和思維方式，學生往往沒能真正學到其中的專業實踐（裴新寧等，2018）。因此，從“科學探究”到“探究實踐”，不是簡單的用語置換，而是強調要將科學探究從作為形式到作為一種專業實踐來理解。學校中的科學探究是模擬的科學家的真實研究，需將學科話語與一定的探究模式相結合，這種專業實踐是獲得特定的正規科學知識的重要途徑。已有研究指出，“實踐”有助于學習者將科學知識學習與技能學習結合起來（DeBoer，2023）；豐富的、適應性的探究實踐可以降低科學參與的門檻，讓更多的兒童和青少年投入科學之中，而不是將科學只作為少數人的純粹“智力游戲”（廖瑋，2021，p.67）或解題競賽。

科學實驗為學校開展探究實踐、讓學生投入科學過程搭建了真實性場景，其富含科學精神、科學思維和科學方法，可以將科學教育中價值教育、思維教育、創新教育統一起來。科學實驗是學校科學課程的重要組成部分。首先，學生要學習基本的科學方法，通過系統地觀察、觀測、實驗，發現某種性質，確認某種作用，并在一定程度上加以數量化。科學實驗可以把這些基本方法和過程有機地整合起來。其次，科學實驗可讓學生學會鑒別真假科學，幫助他們整體和深度地理解科學。再者，參與實驗特別是動手做探究性實驗，是幫助學生從生活經驗上升到科學思維的關鍵步驟，是兒童科學觀形成的切當經歷和必由之路（裴新寧，2024）。

當下科學實驗的教育重要性無論怎么強調都不為過。學校要避免“有形少實”，要深化師生對科學實驗之認識論意義的理解，以實驗教學創新為突破口來培養學生的實踐能力，進而提高科學學習的成效。為此，科學實驗等活動的創新設計應注重以下方面：一是以理解真實科學研究的過程與方法為目標導向；二是以新技術環境與學習工具來支撐學生開展特定的科學實踐，提高提出問題、解釋論證、書面表征等基本能力；三是讓學生使用一些新技術、新工具、新方法來獲取數據和嘗試新解釋，探索復雜現象背后的科學問題，理解其中的“核心知識”（一些學校雖然讓學生參加了活動，但沒有學到“核心知識”）。另外，針對一些學校以“科創”為名的活動存在的“高技術低科學”現象，建議將工程學方法用于科學探究過程，或引導學生將工程問題科學化，從而實現“做”“思”結合；有條件的學校還應鼓勵學生利用數學和信息技術進行科學建模、數智模擬、計算實驗，掌握高階思維和先進的工具方法；在科學實踐具體活動形態的設計上，既要關注目標產品導向（如項目化學習），又要鼓勵自由探索。

5.建設深度和連貫的科學課程

課程是學校科學教育實施的主渠道，有分科和綜合等形態。為突破知識灌輸、領域隔閡帶來的困境，實現科學教育價值追求和科學素養提升的目標，就需要在課程與學習活動的設計上做到“對標”，為學生提供深度連貫的課程學習基礎。

在課程目標上，要由知識導向設計轉為理解和實踐導向的設計。科學課程要促進學生對科學的深度理解，認識科學的本質。具體而言，在認知維度上，指向對科學內容的概念性理解、對科學現象背后的模式和潛在原理的尋得（Sawyer，2022，pp.1-23），能夠進行遷移性學習，既包括相似但不同情境中的近遷移，也包括陌生情境中學習者調用學習力的遠遷移（涉及創造性學習）。在社會維度上，強調主動參與真實性學習，包括探究式學習、體驗式學習、評價性學習、論證式學習等，以利于學生批判地檢驗論據的邏輯關系，反思自己的理解和學習過程，提升反思性科學實踐能力。

在課程內容組織上，需要優先考慮確立科學知識論基礎。總體來看，新的科學教育知識體系凸顯出兩方面的特點：一是科學教育中的知識是“純凈的”，強調通過“兩類知識”（即最核心的說明性知識和最基本的實踐性知識）的學習，高效培養學生對世界的科學觀。二是科學教育中的知識是“整體的”，即重視科學知識生產、獲得、運用的多重影響和關聯，可采用STEM、STS（科學—技術—社會）、HPS（科學哲學與科學史）、SSI（社會性科學議題）等形式組織整合性的課程單元或跨學科活動。然后，要確定適當的“節點”，以形成適當的知識網格及網絡。這種“網絡”不同于一般的“知識體”——成品知識，而是包括獲取這些知識的實踐（即過程或方式）。具體而言，在組織課程內容時，課程目標不是以單維形式體現的，而是以二維或三維組合交叉而成的統一體，其中不可或缺的是“實踐”維度。最后，通過適當的“組織者”，把各方內容組織起來。面對教學與學習方式的變革要求，有如下四種新途徑可用來組織科學課程。

第一，以跨學科概念為中心。跨學科概念作為科學、技術與工程等領域共享的語言、思維和推理的方式，支持學生在各學科內及學科間的知識遷移，有助于促進學生的深度學習（Chesnutt et al.，2019）。跨學科概念在科學學習中具有“透鏡”“橋梁”“工具”和“游戲規則”等功能（Rivet et al.，2016），可助力設計連貫的課程。例如，利用“透鏡”功能，教師可以“觀察”到在不同學科下某跨學科概念所指現象的突出特征，并提出一些深層次問題，如這個系統的關鍵組成要素有哪些？這些組成要素之間有怎樣的關系？有哪些物質流入或流出系統？該物體有哪些獨特的結構？該系統在什么條件下可以有效運行？以這些問題為引導進行的課程設計，利于學生從不同視角對現象發生的原因進行推理，從而擴展學生的理解，并促進其科學思維發展。又如，利用“橋梁”功能，圍繞某跨學科概念把STEM不同領域的知識和方法建立超鏈接，可助力學生跨單元、跨課時進行學習與探究，從而更好地發展其對科學核心知識的理解。另外，基于跨學科概念設計的評價主題和情境，可檢視學生對重要概念和方法的掌握情況。

第二，以科學史重建思維教學。科學知識是受限于社會和文化的。科學史視角可讓學習者覺察出：科學事實許多時候是科學家通過他們的實踐活動、他們的互動和行為建構的而不是發現的（馬克·埃里克森，2017，p.79）；相互競爭的假說可以共存于科學革命的進程之中，且是可以修正的（肖顯靜，2024）。科學史視角是理解科學本質的“利器”，可以幫助學生批判性地對待關于科學的“通行觀點”，培育科學精神，理解科學創新的條件。科學史上的“零點”（如劃時代的科學發現與發明）是科學思維教學的極好素材，借此可以引導學生認識歷史上那些對突破科學研究困境起關鍵作用的思維方法的特點，從而使其學到該思維方法的精髓。

第三，以科學實踐為線索促進關鍵能力遷移。從科學學科的誕生與發展的歷史進程來看，科學實踐包括學科特異性的（如物理學科和生物學科中采用的模型方法和數據方法就不相同），也包括領域一般性的。對科學實踐的學習和掌握需要以學科或跨學科背景為依托，讓學生通過投入科學研究過程來學習其中的核心科學思想和概念。值得關注的是，“科學建模與論證”這一關鍵能力近年來受到美國和英國等國家及國際測評（如PISA）的重視，旨在考查學生解釋和評估數據，并將其作為證據來進行論證、解釋和建模的能力（諾曼·萊德曼等，2022，p.738；OECD，2023b）。這表明當前的科學實踐已經開始超越單純的體驗式探究。

第四，基于有效學習模式設計課程。學習科學研究已經提出了諸多行之有效的學習模式，可用來支撐學科單元或STEM課程的組織與設計。比如季清華（Michelene T. H. Chi）等人提出了針對一般學習的四分類學習模式（即“交互—建構—主動—被動”模式）（Chi et al.，2014），瑪西婭·林（Marcia C. Linn）等人提出了針對科學學習的知識整合模式（Linn et al.，2011），這些已被研究論證為有效的學習模式可作為組織課程內容的框架，支持學生深度參與探究并促進其對科學概念的理解。

6.創新科學學習評價

總體來看，科學教育效果的評估方式主要有四種：一是聚合性或結構性測評。科學素養整體水平的評估、針對某項具體科學能力（如對科學本質的理解、科學建模、概念理解、探究工具使用、學生科學身份認同、科學興趣等）的評估都可采用這種方式。OECD的PISA測試即屬此類。二是過程與結果關聯的情境性評估。比如評估多場景中的科學學習成效、基于評估的決策等。這類評估較多地依賴學習科學的理論和研究成果，通過識別不同場景（如科技場館、課堂、教師培訓等）中學習過程與結果之間的聯系，以建立情境模型。其特點是評估任務可能中斷學習任務，在獨立時間里完成；也可以嵌入學習任務之中完成。三是基于計算機的嵌入式/伴隨式評價。該種評價需要基于學習過程追蹤學習進階，通過獲取多模態數據，來評估學生的多種特征。其特點是與學習過程相伴，并不中斷課程學習；可以作為形成性評價，也可用作結果性評價。伴隨式評價在美國科學教育項目以及國際測評中已有較多應用，諸多學習平臺（如WISE）和游戲化科學項目都采用此種評估。四是基于教學實踐的評估。即通過課堂觀察、視頻分析、教學材料分析等方法，檢視教學過程中師生的行為特征，了解對學習最有影響的教學因素。OECD實施的國際教學調查項目（TALIS）就屬此類評估。總之，成功的科學學習評價依賴于理論模型的建立，特別是那些影響科學學習的基礎研究。

國際上關于學校科學學習成效評價的目標和方式正在發生改變，彰顯出兩大特點：第一，關注動態知識（即能力表現）評價。尤其注重對學生在探究過程中利用場景中的信息進行問題解決、科學解釋、論證、表征等學習力的考查，強調知識的運用與生成。第二，數智技術賦能評價。通過模擬開放且動態的復雜問題情境，拓寬了測量的構念范圍和實際能力（Gane et al.，2018）。在更具互動性和沉浸感的環境中，學生通過積極參與和實踐，可以更好地展示他們在處理復雜任務時采用的策略和做出的決策。這種技術增強的評估已應用于課堂科學學習評價中。美國《K-12科學教育框架》和NGSS提出，學生要掌握求知的方法（Ways of Knowing），通過科學實踐獲得科學知識，包括學科知識和跨學科概念。為此，基于NGSS的評價試題的內容設計采用了綜合維度，即包括實踐維度在內的二維（實踐＋學科概念）或三維（實踐＋學科概念＋交叉概念）評價框架，并采用基于計算機的交互式任務，讓學生在“小項目式”真實情境中識別與檢索重要科學信息，在問題解決、知識遷移與運用中開展學習（NGSA，2024）。數字技術支持評估的方法已普遍用于國際大規模教育評估項目中。例如，國際數學與科學學習趨勢項目（TIMSS）評估已在2023年實現了全面數字化；美國教育進展評估（NAEP）2028年的科學評估項目也將通過計算機進行（NAGB，2024）。而PISA科學測試早在2015年就運用計算機模擬進行實驗，以考查學生是否能夠使用科學的方法（如控制變量、模型理解與構建等）解決科學探究過程中較為復雜的問題，進而考查其科學方法運用、科學解釋、科學表征等方面的能力。PISA2025更將增設“數字世界中的學習”新領域，以測量學生在開放的、支架式的和交互式數字學習環境中使用計算工具參與知識建構和解決問題的能力（OECD，2023b）。

對國際上技術支持的科學教育評估案例的分析表明：通過為學生提供更加開放和交互性良好的評估環境，可以有效捕捉學生的多維科學能力證據。這些證據不僅可以揭示學生的知識掌握程度，還有助于展示他們在處理復雜情境時的思維過程和逐步解決問題的能力。學生的學習行為和思維過程變得可見，這使得教師可以實時了解學生的表現，在必要時進行針對性的指導和調整，從而有效促進學生的深度學習。

目前，我國中小學科學教育在評價理念、評價內容與技術實現方式上還比較滯后，這嚴重制約了科學教育改革的深入推進，因此需要集中研究力量攻克評價難關。我們建議以課堂科學學習評價的創新為突破口，以數字化轉型為契機，圍繞科學素養的關鍵能力，基于學生學習機制，建立評價的新框架、指標系統、任務群和技術運行平臺；然后循序漸進地將這一評價方式擴展到學業診斷和更全面的科學素養能力識別上，從而逐步建立起能力為本、素養導向的科學教育評價體系。

四、結語：行動議程

以上討論從科學教育的基本價值主張出發，提出了技術時代科學教育應把握的四個主導方向：提升學生科學素養、幫助他們整體理解科學、以科學思維為中心、呵護與鼓勵學生的好奇心與創造性。在此基礎上，本研究分析了技術時代的科學素養觀，初步確立了面向中小學科學教育實踐的科學素養基本構成。四個組成部分之間密切相關，呈現了科學課程與教學應觀照的具體素養內容，凸顯了實踐和創新導向，為科學教育活動的具體設計提供了一個大致參考。當前，全球科學教育改革正加速推進，在此背景下，我國科學教育工作者應立足國情和學情，著力在6個方面做好工作：一是以“學生如何學習”為底層邏輯設計學校科學教育，二是建好學習者中心的“社會大課堂”，三是以技術驅動真實性科學學習，四是確保學生充分參與科學實踐，五是建立深度和連貫的科學課程，六是創新科學學習評價。這6個方面彼此關聯，但每個方面也可以作為一個抓手，以點帶面，實現學校科學教育整體質量的提升。

落實上述行動，還有許多理論問題、技術問題和基本設施問題亟待解決。前文的討論其實已反復提示：科學教育的專業化程度及研究水平，很大程度上決定了整個科學教育系統的構建和先進性。科學教育發展需要有一個解決問題的務實議程，堅持專業主義和研究導向既是態度也是必要工具。基于此，筆者嘗試提出以下幾個研究及行動方向：第一，加強對科學學習機制和基本理論的研究，尤其對科學實踐多種能力的結構與發展路徑進行深入挖掘，充實對我國學生科學概念理解進階規律的實證積累，這些是設計優質和創新的科學課程、教學、評價的基本依據。第二，推進科學教育多主體協同機制建設，充分發揮高校及科研機構的專業優勢，建設全國范圍的分布式科學教育支撐中心，建立并強化科學教育實踐優質資源供給和專業支持保障體系。第三，正視人工智能在科學教育中的作用正從作為工具和環境轉向成為系統性變革的內生力量，推進技術專家、學科專家、學習科學專家、科學教育專家之間的密切協作，研發支持真實性科學學習的工具，建立開放的、專門化的科學學習環境（平臺）和持續的學習支持體系。第四，通過研究驅動和優化科學實踐活動設計，推進以研究、參與為支撐的教師培訓。

致謝：感謝胡若楠、武倩、王美、符國鵬、鄭太年等為本文提供的幫助。

注釋：

① 資料整理自德國“小科學家之家”基金計劃（Stiftung Kinder Forschen）網站：https：//www.stiftung-kinder-forschen.de/en/about-stiftung-kinder-forschen/。

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收稿日期 2024-09-10 責任編輯 劉選

Science Literacy Conception and Science Education Reform in the Technological Era

——The Significance of Science Education to Building an Educational Great Power

PEI Xinning

Abstract： Strengthening science education is an important strategic concern and a supportive path for China to accelerate the construction of educational great power. In an era of rapid advancement of intelligent technology， science education in primary and secondary schools should aim to enhance science literacy as the basic goal， help students form a holistic understanding of science， develop scientific thinking， and nurture and encourage their curiosity and creativity. The connotation of science literacy has also shifted from focusing on what students should “have” to what they can “do”， paying attention to that students should actively acquire knowledge and develop science literacy in using and transferring. To achieve innovative and high-quality development of science education， emphasis should be placed on exploring and making breakthroughs in six aspects： designing a science education implementation system based on the principle of how students learn， constructing a learner-centered “social classroom”， driving authentic science learning with digital technology， ensuring students’ full participation in scientific practice， rebuilding a deeper and coherent curriculum，and creating new ways for assessing science learning. Therefore， a new research agenda and pragmatic actions need to be initiated， focusing on exploring the mechanism of how students learn science and its fundamental theories， fostering multi-stakeholder collaboration in science education， and enhancing the support system for science learning， to continuously improve the professionalism and research capabilities of science education ， and hence to better serve the goal of building an educationally powerful nation.

Keywords： Science Education; Science Literacy; Scientific Thinking; Scientific Practice; Educational Reform