我國科學教育發展問題的思考與建議
摘要：科學教育肩負著創新人才培養和公民科學素養提升的重任，受到廣泛關注。目前我國科學教育內容的組織及活動大多以知識傳授為中心，與科學教育目標和國際科學教育發展趨勢不相符合，與塑造科學文化和科學精神的教育理念不相一致。本文從理論和實踐的多個維度分析我國基礎教育階段科學教育的現狀與問題，提出促進我國科學教育創新發展的建議。
作者：嚴曉梅1, 裴新寧2, 鄭永和1（1.北京師範大學教育學部;2. 華東師範大學教育學部）
我國在建設科技強國進程中面臨著兩個突出的矛盾。其一，國家發展對科技人才的旺盛需求與創新型人才實際數量的匱乏之間的矛盾。比如，我國科技隊伍的規模在世界上最大，但世界級科技大師、前沿科技領軍人才以及基礎研究的尖子人才嚴重不足[1]。其二，科技發展和社會進步對民眾科學素養要求的不斷提高與現階段我國公民科學素養進步緩慢之間的矛盾[2]。技術時代社會變革的加劇，要求公民具備更高的科學素養以參與社會公眾事務的理性決策，這是國家經濟穩健發展的一個重要前提[3]。科學教育肩負著培育未來科技創新人才和提升公民科學素養的重任。然而，解決上述矛盾，我國科學教育面臨著前所未有的艱鉅挑戰。特別是在我國基礎教育階段，大部分的課堂科學教學依然以教師傳授知識為主，忽略方法與態度的培養，學生缺少參與實踐活動的機會。這種以知識傳授為中心的基礎教育體系與新時期科學教育的目標和國際科學教育發展趨勢不相符合。本文從我國科學教育的現狀與問題入手，提出以理論創新為引領，以新技術應用為契機，以新課程形態為抓手，構建政策、研究和實踐相互協調的推動科學教育創新發展的建議。
一、我國科學教育現狀與問題
1. 我國科學教育的整體現狀不容樂觀
近年來，科學教育在我國得到了較快發展，但地區發展不平衡、科學教育資源配置不均衡的矛盾突出，科學教育專業師資仍然缺乏，科學教育總體水平與發達國家差距仍然較大。我國分科的科學教學體系雖然相對完善、發展成熟，如物理、化學、生物等自然學科都有各自的學科課程論與教學論體系，但對綜合的科學教育，即關照各自然學科之間的聯繫及統一性的教育，在理論、實踐以及政策研究上都相對薄弱，現狀不容樂觀。
我國基礎教育階段的科學教育的成效被學者、科學家和社會所質疑。例如，國際學生測試表明①，我國青少年學生對科學基礎知識的掌握出色，但創造力表現普遍不足，科學興趣和科學認識性知識水平也低於國際平均水平。我國學生靜態問題的成績優於動態問題的成績，而其他參加測試國家情況則相反，意味著我們在知識的靈活運用上落後於其他國家[4]，反映出我國青少年學生對科學知識更加註重靜態機械式記憶，創新能力、動態綜合的解決問題能力不強，在科學方法掌握以及科學思維的發展上存在短板[5]。
中國科協2018年進行的中國公民科學素質抽樣調查表明②，雖然我國公民科學素質有了大幅提高（從2015年的6.2%提升到8.47%）。與發達國家仍有較大差距（美國在1999年就達到平均水平17%）。我國公民科學素質水平區域發展不平衡的特點顯著[6]。我國提高全體公民科學素養，依然任重道遠。
以上結果顯示，我國科學教育體系還難以滿足科技創新人才培養和公民科學素養提升的需求。造成這一現狀的原因錯綜複雜，本文從教育體系中的不同要素之間的矛盾來分析部分原因。
2. 我國科學教育存在的主要問題
（1）科學教育課程標準與考核方式不匹配。
課程標準作為國家對教育質量和課程基本規範的統一要求，是學校教育實踐的綱領性文件。從本世紀初我國基礎教育課程改革以來的課程標準的演變看出，國家對基礎教育的要求逐步從知識的學習向能力和素養的培養轉變。科學、物理、化學和生物等學科課程標準中明確要求，學生不僅要學習科學知識，更要掌握科學探究的方法，培養積極的科學態度；要讓學生體驗科學探究的過程，培養學生的科學素養[7]。但時至今日，我國課堂教學實踐中的科學課程內容和結構仍然陳舊，教學方式單一的問題普遍存在，課程標準對教學實踐指引不足。與西方國家科學類課程標準相比，我國課程標準理念表述多於可操作的實踐指導[8]。
影響我國課程標準貫徹實施的另一原因是缺乏針對科學素養、科學方法的考核標準和有效的評價方式。目前科學教育的評價內容主要針對科學靜態知識，評價方式以總結性評價為主，難以反映出學生的科學素養水平和對科學方法的掌握情況。高考對相關學科的考察也以客觀題為主，這個指揮棒的作用必然影響科學教育的實踐。部分自然學科（物理，化學和生物等）在高中結業考試中增加了實驗操作的考核內容，但所佔比例甚小，考核方式也以機械操作步驟和技能為主，因此無法真正檢驗學生的探究能力和方法。總之，課程標準所倡導的科學探究能力和核心科學素養，在現有的考核體系中無法有效檢測，因而實際上科學探究能力和科學素養培養難以獲得重視，造成了教學中對課程標準的落實和實踐的困難。
（2）科學教育教學實踐與認知規律不一致。
我國的課堂教學中，大部分教師仍然以傳授科學知識為主，重理論輕實踐，缺少對學生科學方法的訓練和科學思維的培養。大部分學生對科學理論的來源和科學理論對實際生活的作用等方面的認識仍是知其然而不知其所以然，這與學界對科學教育提倡的主流理念相違背，也不符合學生科學學習的認知規律。
科學知識內涵的拓展和對科學知識本身認識的變化，推動了科學教育從科學知識內容為核心向科學方法和科學思維的深刻轉變。隨著科技的發展，科學知識越來越豐富，科學哲學家和科學社會學家們對科學知識本身也有了新的看法[9]。科學不僅是一些靜態的結論，同時更是一種動態的過程和建制[10]。例如，科學社會家們提出科學家在開展科學研究的過程中所產生的科學知識，往往需要通過不同科學家、不同學派和團體之間的討論、交流和爭辯，才能被科學家共同體所認同。這個科學知識演進的過程是與科學家所處的社會文化環境、經濟發展水平，以及科學家自己的信仰和態度密切相關的[11][12]。因而科學知識本身並不是客觀存在的事實，而是不斷變化發展的，科學知識的形成過程是與社會文化緊密相連的。就此，在科學教育中，需要學生體驗並理解科學知識的形成過程和方法，轉變學生對科學知識的單一認識，從而培養對科學複雜性的理解。科學教育者們意識到科學教育的核心不再是講授客觀的“科學事實”，而是要幫助學生理解科學是認識世界的一種方式。
我國學者在科學教育研究方面已形成了一些有價值的成果，例如，提出科學教育從知識導向轉向能力導向[13]，以探究為主的科學教育方式[14]，在科學教育中注重科學文化的樹立[15]等。科學教育的新理念廣為熟知，“社會-文化取向”的多種學習理論流派也在科學教育研究中得到重視[16]。然而，在我國科學教育的實踐中，這些理念和認識的落實，卻成效甚微。我國科學教育的現狀依然是注重靜態知識傳授和解題訓練而忽視科學方法掌握和科學思維的培養。這樣的實踐現狀與科學教育研究中的理論認識差距較大。因而我國科學教育改革的推進需要大力加強科學教育理論研究與教育實踐的連接。
造成我國課堂科學教育實踐與理論認識脫節的原因是多方面的，例如科學教育資源匱乏，科學教育人員專業能力發展缺乏持續支持，科學教育專家網絡沒有形成，甚至是社會對科學教育的認識還存在偏見等。因而提升我國科學教育的質量還應建立適合的科學教育目標、考核方式，以及實踐與指導相一致的教育體系。
二、加強我國科學教育的若干思考與建議
1. 加強科學教育基礎理論研究
建設適合我國科學教育發展的原創性科學教育理論，引領我國科學教育實踐與創新發展，是迫切之需。
我國獨特的歷史文化傳統，為我國學生髮展科學素養帶來了獨特的挑戰。我國曆史上的科技成果（比如四大發明），多以技術發明和應用為主；我國近代的科技發展，則與富國強民的使命緊緊相連，因而我國的科技和教育體系往往更注重實用性[16]。再加上我國悠久的傳統文化講究道德行為規範，與強調獨立思考和質疑的西方科學精神不盡相同。這些也造就了科技發展在我國不同於西方的社會歷史文化環境。因而我國學生髮展科學思維的路徑與西方社會的同齡人截然不同[17]。但我國學校科學教育多以近代西方科學成果和科學思維方法為基礎。與西方國家的同齡人相比，我國學生缺乏社會歷史文化層面的認同和基礎。要改變我國科學教育的現狀，必須開展更多的根植於我國文化的實證研究，批判性地學習和借鑑西方科學教育的經驗。
我國科學教育相較歐美國家起步較晚，針對我國國情的科學教育理論研究基礎還非常薄弱。受制於我國傳統的學科設置，我國的科學教育研究長期分散在各學科教育（例如物理教育，化學教育和生物教育等）研究和一些普通教育研究中，體系化的綜合型科學教育研究相對薄弱。考慮到科學教育研究本身的跨學科性質，例如自然科學、教育學、心理學和社會學等領域的交叉融合，更增加了科學教育理論研究的難度。近20年來，認知科學、腦科學以及學習科學多學科探究的重大發展正在深刻地影響著科學教育，催生了新的教育理念[17]。這些重要的時代特徵和創新的科學教育理念在歐美髮達國家廣受重視，重建了歐美髮達國家科學教育政策、研究與實踐的基礎，推動科學教育系統發生了深刻變革[8]2。就此，在佈局我國科學教育長遠發展時，我國應充分重視學科交叉，建設適合我國科學教育發展的原創性科學教育理論體系，以引領我國科學教育實踐與創新發展。在科學哲學的研究中，東方哲學是失落的瑰寶。融會東西方科學哲學精華的創新正成為科學素養理論研究發展的新方向。我國眾多優秀科學家在多年科學研究實踐中對此也形成了深刻認識，呼籲尋找東西方融合的科學思維基礎[14]2，為我國科技創新人才培養提供新思維和新方法[18]，建立強大而豐富的思想庫。
2. 建立完善的科學教育課程體系
歐美國家發佈的科學課程體現了學術界對科學教育的內容和方法的新理念。例如美國國家科學研究理事會（NRC）在上世紀90年代發起的STS（Science，Technology and Society，科學，技術與社會）課程，就拓展了科學知識的內涵，強調除了科學知識以外，還要注重科學知識與技術和社會之間互相影響的關係[11]。同樣，西方國家發起的HPS（History and Philosophy of Science，科學的哲學和歷史）課程強調科學知識產生的歷史與社會背景，以及科學的哲學基礎[12]。英國在2006年的中學科學課程中開闢了講述科學本質（How Science works）的專欄內容。近年來，美國更是帶動了全球的STEM（Science-Technology，Engineering-Mathematics，科學，技術，工程和數學）教育熱潮，強調知識的綜合應用和創造。美國2013年發佈的《下一代科學標準》（NGSS）標準中，明確了科學教育中的科學實踐、跨學科共同概念和學科核心概念等維度，提出了清晰的實施建議。這些課程標準反映了科學教育內涵的變化，對我國科學教育也產生了重要影響。基於科學教育的先進理論，我國需要建立包含課程目標、學習內容，學習活動、學習方式、評價標準等各要素在內的一體化的課程體系。在熟悉科學相關知識和充分了解青少年學生認知發展規律的基礎上，由科學家和教育學家共同確定適合的學習內容和學習進程。
評測方法落後也是制約我國科學教育發展的一個重要因素。我國應該著力制定關於科學素養的全面評價標準，並與科學教育目標相一致，包括校內與校外的學習、長期與短期的課程，過程與結果的評價，以及知識與技能、態度的綜合評價。人工智能和腦科學的發展，為開展全面的科學測評帶來了充分可能。例如人工智能的應用，讓更多學習行為和結果可以被記錄和分析，使得更全面、更科學、更精準的測評成為可能[19]。而腦神經科學的發展，讓人們對科學思維等高階認知能力的顯性表現有更多的理解，提供了包括腦電波掃描、眼動、體表溫度變化等可數據化記錄的指標。因而在傳統評價中被忽略的科學技能、科學思想、科學方法和科學態度等科學素養中的重要維度有可能通過新的信息技術手段實現測評。
3. 建設多樣化的科學教育開放平臺
順應科學教育內容的拓展和變化，科學教育的方式已發生很大的改變。讓更多的人以更新的方式學習更多的科學知識，已成為當今世界科學教育改革的潮流。同時，新一代信息技術應用促進了科學教育的變革，為新的教學方式和策略帶來了機遇，並促進了科學教師對科學教育本質的反思[20]。
國際上，科學教育研究者和實踐者嘗試通過各種方式，讓學生體驗創造，為學生創設合適的學習環境助其通達對科學的理解。例如通過探究取向的科學教學（inquiry-based science teaching，IBST）讓學生體驗和開展多樣化的科學實踐，掌握科學方法和理解科學本質；通過問題導向的學習（problem-based learning，PBL）讓學生在解決真實而有意義的問題學習科學知識，發展科學思維和問題解決能力；通過鼓勵學生參與科學論辯（scientific argumentation），讓他們自主建構對科學知識的理解，並發展科學溝通的能力。
另外，科學教育研究者強調為學生提供豐富的接觸科技的渠道和機會，多元地展現科技與社會相互影響[21]。科學教育研究者提出，為學生提供更多的在不同生活場景中接觸科技的機會，可以幫助學生樹立對科學和科學本質更豐富多元的認識。更重要的是，多樣化的教育方式正逐步鏈接與融合傳統中涇渭分明的正式學習與非正式學習、課內與課外學習[8]3。特別是歐美許多國家為科學家參與科學教育建立了順暢的通道和支持網絡。從而，學生體驗到的不再是僅存於“教室中的科學”或“課本上的科學”，而是更真實的科學。
我國建立開放合作的平臺將有利於更好地整合社會、企業、高校和科學家等多方資源，豐富科學教育的內容和形式，讓學生對科學的學習體驗更多彩、更深入。信息技術為科學教育變革帶來了更多的機會。憑藉信息化平臺，建設現代化教育資源庫，可高效率地解決科學教育資源配置不足和質量參差的問題，讓更多一線科學教師可以方便地獲取優質資源。例如，虛擬現實技術的應用，可讓更多學生參與現實生活中難以開展的科學實踐，從而獲得寶貴的科學探究過程體驗。但是，新興信息技術在科學教育中的普及還有賴於科學教師信息素養的提升和智能學習環境的成熟。有效的智慧學習環境的創建，需要根據學習機制和教育目的進行精心設計，以避免對學生造成過重的認知負荷或對必要的現實體驗的簡單替代。
① PISA主要對即將完成義務教育的15歲學生進行評測，其中將科學素養作為其重要的評價領域。
② http://politics.gmw.cn/
2018-09/19/content_31255417.htm
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Problems and Suggestions
in the Development of Science Education in China
YAN Xiao-mei1, PEI Xin-ning2, ZHENG Yong-he1
1. Beijing Normal University;2. East China Normal University
Abstract: Science education plays important roles on developing innovative talents and improving public scientific understandings. On the contrast, most of science classes in China are still dominated by teacher-centered way of teaching and bookish knowledge. Thus, this paper revisits the system of science education at K-12 level in China, including the theoretical foundation and the practice of teaching. Based on the problems and challenges faced in science education, this paper proposes to improve the science education system.
Key words: science education；developmental strategies；scientific literacy； literacy evaluations
嚴曉梅，北京師範大學博士後。研究方向為科學教育;
裴新寧，華東師範大學教授。研究方向為科學教育;
鄭永和，北京師範大學教授。研究方向為科技與教育政策，教育技術。
郵箱地址：[email protected]
項目資助：中國科學院學部院士諮詢項目“我國科學教育發展戰略研究”（2018-Z10-A-025）。
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