新課標背景下學生科學觀念的理解與教學

【摘 要】《義務教育科學課程標準（2022年版）》聚焦培養學生的核心素養，并從科學觀念、科學思維、探究實踐和態度責任等方面對核心素養進行分析，明確了教學的方向。文章從實踐與認識的整體進行理解，從學生科學觀念的建構與變化過程對教學框架進行設計，梳理形成了呈現認識、概括認識、合理化認識、共享認識等實踐表現。在實踐中，教師需要依據教學目標與教學內容，系統設計科學認識的培養教學，從認識論視角出發，整體培養與發展學生的核心素養。

【關鍵詞】新課標；科學觀念；探究實踐；核心素養

《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）指出，科學課程要培養的學生核心素養包括科學觀念、科學思維、探究實踐和態度責任等方面，其中科學觀念是在理解科學概念、規律、原理的基礎上形成的對客觀事物的總體認識；探究實踐則指在了解和探索自然、獲得科學知識、解決科學問題，以及技術與工程實踐過程中，形成的科學探究能力、技術與工程實踐能力和自主學習能力。［1］學生科學觀念的獲得與發展需要通過科學的探究與實踐，而在實踐中學生的觀念到底是如何發展的？我們對學生的科學觀念又應該怎樣認識與理解？本研究嘗試從認識論視角出發，探索科學實踐中學生科學觀念的建構與變化過程，為新課標的落實提供借鑒。

一、科學學習中的實踐與認識

對新課標中科學觀念的二級指標進行分析可以看出，科學觀念是學生對科學的認識及應用，同時新課標將科學探究修改為探究實踐，強調了科學學習中的認識與實踐。

（一）實踐與認識的辯證融合

科學認識論主要是對科學知識的特性和對知識認知或發展過程的看法，個人認識論則是個人對知識和知識認識過程的樸素看法或觀點。［2］個人認識論對個人科學知識的建構和探究實踐過程有著調節與影響的作用。科學認識論是科學教育領域關注的重要內容，科學教育不僅需要讓學生了解科學內容和掌握科學知識，更需要讓學生認識到科學觀念的發展、證明與演變歷程。學生的科學認識論與學生作出的關于接受或拒絕科學知識決策的基礎有關［3］。

實踐是認識的基礎，認識在實踐中深化［4］，實踐是認識的動力和目的。當人類從人與自然關系的角度考慮問題時就將生產勞動轉為實踐，實踐是人作為主體和對象世界作為客體的相互作用的活動過程［5］。當前，很多研究從“作為知識的科學”轉向了“作為實踐的科學”［6］。也有研究認為科學不是表象與觀察世界的方式，而是操作、介入世界的方式，科學知識是科學實踐的產物，是一種模型、案例與地方性知識，科學知識的運用即科學實踐的拓展。［7］由此可以看出，實踐與認識在科學學習中呈現辯證統一的關系，兩者相互支持、相互促進，共同構成了科學核心活動和學習方法論的基石。

（二）實踐與認識的素養統一

新課標將核心素養分解為四個主要組成部分，它們共同構成一個完整的體系。有學者認為，科學觀念是其他素養發展的基礎，科學思維是素養發展的核心，探究實踐是其他素養發展的關鍵途徑，態度責任則是在探究實踐和科學思維支撐下科學觀念內化形成的品格。［8］

新課標對科學觀念的組成進行了分析，包括對科學、技術與工程領域的一些基本觀念，對科學本質的認識，對人與自然關系的認識，對科學、技術、社會、環境之間關系的認識，以及在解釋自然現象、解決實際問題中的應用。從分析中可以看出，科學觀念的組成不是簡單的內容集合，而是存在不同層次的復雜認識。有研究將科學觀念梳理為五個層次，第一層是對一種科學規律的陳述，第二層是對科學現象的一種解釋，第三層主要是對科學及其自身形而上的概括的認識，第四層是因特定的思維方式而形成的對科學本質的認識，第五層是對科學宏觀的、理性的認識，指向科學本質和科學發展規律的認識。［9］由此可見，科學觀念不等同于科學知識，也不等同于科學教學中的內容領域，科學觀念既具有一定的客觀性，又兼具主觀、個性和差異的特點，學生科學觀念的主觀性和差異性主要受到參與探究實踐程度的影響。

很多國家的科學教育從科學探究轉為科學實踐，主要原因是兩者之間雖然存在聯系，但也有較大差別，如科學探究重視完整的研究過程，科學實踐關注具體的學生活動；科學探究與科學知識是并列的，科學實踐與科學知識是融合的；科學探究按要素多少劃分水平，科學實踐按知識理解界定程度。［10］新課標將探究實踐作為核心素養的組成部分，同時強調探究與實踐是吸取其他國家經驗教訓，基于我國學生素養發展現狀和問題作出的方向性改革，強調實踐性也成為此次科學課程改革的重要特點。

對新課標的梳理分析能夠對核心素養有較為整體的理解（如圖1）。科學學習是學生認識科學本質，進而認識世界的一種方式。因此，在教學中，教師需要呈現真實的而非理想化的科學實踐，使學生在探究中理解科學實踐需要使用的技能，從而意識到探究不是為了驗證科學概念、規律，而是為了理解科學實踐的本質。學生在此過程中學習建構模型，逐步理解模型在科學學習中的重要作用與功能，從新的、有意義的視角理解模型［11］，培養日常和未來生活需要的科學品格。

二、基于認識的科學實踐框架設計與解釋

新課標強調科學課堂以實踐為主，同時整合啟發式、互動式、探究式、體驗式和項目式等多種學習方式，幫助學生掌握基本的科學知識，逐步形成科學觀念。

（一）基于認識的科學實踐框架

基于認識的科學實踐強調認知觀念與實際行動之間的結合，在學習的過程中，學生不僅需要采取實際行動進行實踐應用，還需要持續呈現和改變想法與認識，從而實現更有效、更有意義的學習與理解。

由此，架構形成了基于認識的科學實踐框架（如圖2）。在科學實踐之前，教師需要確定學習目標。學習目標的確定不是簡單復制新課標中的內容要求，而是要在理解科學目標的同時充分結合所教班級學生的興趣需求、認知方式、學習方式和知識構建方式等。學生科學學習最終指向“知識產品”，即科學觀念的形成。“知識產品”有多種形態，可以是一個模型、一個解釋或一個新的問題，它不是科學觀念的最終形態。因為學生的認識與理解處于不斷演變之中，所以“知識產品”可以是學生正在構建、評估或修訂的任何知識或觀念，可能是暫時的，也可能是具體的和最終的［12］。

在科學實踐中，教師需要提供充足、充分、有結構的實踐資源，包括硬件、軟件資源，還需要重視學生的認識論資源。認識論資源主要是指學生在實踐過程中的認識并不是連貫的，而是帶有背景的、零散的，其受到可用信息資源、課堂規范、教師教學觀念等影響。也就是說，學生并不是依賴一個固定、一貫的認識理論來指導他們對科學學習的認識，而是具有明顯的個體特征，學生會在不同的學習環境和目標中選擇和應用不同的認識方式［13］。

可見，科學觀念的形成需要依靠科學實踐，以認識為表征的科學觀念在實踐中會經歷多個不同的階段，如呈現認識、概括認識、合理化認識和共享認識等，但認識并不是線性的，體現出差異性、螺旋上升的特點。

（二）基于表現的學生認識理解

在科學實踐中，學生認識論有著不同的表現（見表1），體現出認知轉化和模型建構的過程。

科學教學需要根據不同的目標和內容發展學生的不同認識，但基本包括表1中的認識過程。學生呈現學習所得的“知識產品”會存在較大的差異，教師需要尊重不同學生的描述與解釋，同時能夠對背后的含義、原因進行深入了解，不應只對學生的認識進行簡單評價。在學生對認識概括過程中，教師需要提供大量具體的事例，幫助學生建立科學現象與知識之間的聯系。學生的認識都需要經過合理化和科學化的過程，在此過程中，教師應該提供各種實踐活動與資源，或者提供解釋的基礎信息，如數據、信息等。在共享認識之前，學生需要考慮同伴和其他人的想法，比較不同的問題并解決有關爭論，教師需要為學生形成共享認識提供足夠的時空。

上述不同的認識是共同工作的，學生在參與科學實踐中會不斷進行有意義的認知思考，在形成不同認識的過程中構建基于信息、證據并解釋自然世界為什么和如何工作的模型。

三、科學實踐中認識的教學思考與啟示

在科學實踐中，教師需要依據不同的知識、概念與規律等科學觀念的發展要求進行教學設計，同時將科學觀念的形成與轉變從一節課延長至整個小學學習階段，從整體上理解和落實科學核心素養。

（一）學生認識的延續發展——金屬

新課標對科學觀念的描述采用了分學段的描述方式，金屬是學生生活中接觸比較多的材料，筆者將相關的內容要求梳理如下（見表2）。

基于新課標學習要求，教師可以針對不同學段設計具體的實踐活動，如在一年級的教學中，教師可提供大量材料讓學生進行觀察和實踐，認識金屬（見表3）。

對于一年級的學生而言，要形成金屬是一種材料，常見的金屬包括鐵、銅、鋁等認識并不難。因此，在教學中，教師更為關注學生概括認識和合理化認識的過程，提供了大量實踐資源和方法指導。然而學生對金屬的認識與學習并沒有結束，但后續課程中基本不再安排專門針對金屬材料的學習，這就要求教師在后續的教學中關注學生對金屬的認識變化。基于此，在一年級學習之后，教師可以讓學生畫出自身的理解，作為階段性的共享認識。

圖3展示了不同學習階段學生形成的共享認識，其中文本框背景為白色的是一年級學生學習之后形成的共享認識，文本框背景為淺灰色的是學生在3～4年級學習磁鐵和電路知識之后對金屬的認識補充，背景顏色更深的是學生在5～6年級學習熱傳遞和航空航天知識之后對金屬的認識發展。

由此可以看出，學生的共享認識在不同學習階段會持續發展。在教學中，教師需要重視這個發展的過程，在教學設計中將學生表征共享認識作為重要的實踐活動，同時設置學生認識發展作業袋，記錄學生認識發展過程，幫助學生形成與金屬相關的完整的科學觀念。

（二）學生認識的聯系轉變——能量

與金屬不同的是，能量是一個相對抽象的概念，加之能量在不同的領域有著不同的理解，對于小學生來說，形成對能量的認識有很大的挑戰。以上海遠東版自然教材為例，筆者梳理出與“能量”相關的學習內容（見表4）。

在“會動的玩具”學習中，教師針對二年級學生的認知水平，設計了適合的實踐活動，提供了很多實踐資源，如跳蛙玩具、電動小車、橡膠小車等，給予學生充分的時間，讓學生在實踐中發展認識。

師：誰來說一說是怎么讓這些玩具動起來的？

生：我給跳蛙上發條，然后松開手，它就跳起來了。

……

師：說得很棒，那到底是什么讓玩具動起來的呢？

……

生：不是，我們要擰發條，這樣發條才有力量。（呈現認識）

……

師：也就是要讓跳蛙動起來，需要我們給發條提供力量。

……

師：那電動小車動起來是靠誰提供的力量？

生：電動小車是電池提供的力量，不對，應該是能量，是電池給電動機提供的能量，電動機轉動，小車就跑起來了。（呈現認識）

……

師：也就是說，要讓玩具動起來需要什么？

生：要讓玩具動起來，需要其他東西提供能量，也就是動起來就需要能量。（概括認識）

對于二年級學生來說，能認識到要讓玩具動起來需要能量雖然存在一定的困難，但通過反復的實踐，大部分學生對于能量有了具體的認識。三年級“池塘”“森林”的學習主要涉及食物鏈、食物網，在教學中，教師可以讓學生寫出食物鏈，使學生對能量有更深的認識。

師：觀察這些食物鏈，有什么發現嗎？

生：我發現好像開始的都是植物。

生：我發現……

生：我發現食物鏈好像都不會特別長，最多好像是四個或五個。（概括認識）

師：有沒有特別長的食物鏈，試著找一找、寫一寫、試一試。

……

生：好像沒有，都沒辦法寫很長。（合理化認識）

師：為什么不能很長呢？

生：我覺得是因為沒有更大的動物了。

生：我覺得可能跟能量的傳遞有關系。（呈現認識）

在教師的引導下，學生對能量是什么和能量的傳遞有了新的認識，而且將能量的認識從“物質科學”領域擴展到“生命科學”領域。四年級“能量的來源”主要是幫助學生形成對能量和能源的整體認識，在學生對生活、植物、動物需要能量，物體變化需要能量有一定的了解之后，教師進行了有針對性的教學。

師：之前的學習讓我們知道了要加熱水就需要能量，那我們有哪些辦法能加熱水？

生：可以用電來提供能量，加熱水。

生：木柴點燃了也可以提供能量，加熱水。

生：夏天的時候，把水放在太陽下，太陽能把水曬熱，太陽也提供了能量。（呈現認識）

師：我們把包含有用能量的自然資源叫作能源。你們都知道哪些能源？

生：我知道太陽能和風能。

生：我知道電能。

生：我知道……（概括認識）

經過一個單元的學習，學生對于能量與能源有了全面的認識，并且將對能量的認識擴展到“地球科學”領域。與對金屬認識的疊加補充不同，學生對能量的認識涉及多個領域和不同的角度，教師需要從學生的已有認識出發，重視學生認識的轉化過程，使學生在跨學科概念和主題學習支持下形成系統的認識。

新課標的落實建立在對核心素養整體、全面的理解上，對科學教學的目標與價值需要從“三維”視角轉向“素養”視角。核心素養的發展不是四個組成部分分割教學后的累加，而是整體把握基礎上的重點突破。科學觀念的形成離不開探究實踐，更加離不開科學思維的參與，沒有上述的扎實推進，態度責任的養成也無從談起。科學實踐是學生獲取科學認識的關鍵途徑，學生通過實踐形成對問題和現象的理解。在此過程中，教師要有意識地提醒學生記錄實驗設計，觀察結果，對數據進行分析以及對現象進行解釋和推斷，形成學習檔案或記錄集，利用信息化和數字化手段進行保存，方便及時調取和再利用。這就需要教師將學生科學觀念的培養從課時延伸到單元，從單元拓展到學段乃至整個小學階段。與此同時，教師還需要增強對跨學科概念的理解，采用多種方式開展跨學科學習，使學生在實踐中轉化認識，在應用中建立關聯，促進核心素養的發展。

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（責任編輯：羅小熒）