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王伟群：3.3.3科学教育新模式——科学教育综合改革实践探索二十年

王伟群 守望新教育 2024-01-09
【置顶标星】【过一种幸福完整的教育生活】
【守望新教育 守望真善美】

3.3.3科学教育新模式

——科学教育综合改革
实践探索二十年

原创｜王伟群
苏州大学教授
新科学教育研究所执行所长

随着我国综合实力日益增强，进一步加强、完善与国力提升息息相关的科学教育的呼声也日益高涨。各种与科学教育改革有关的新探索层出不穷。新教育实验也是积极的探索者之一。


新教育实验的科学教育——科学之光照亮求真创新之路
重磅｜2022年国家级教学成果奖获奖项目名单公布——新教育实验两项重要成果再获奖励


一、问题的提出


1.如何利用学校、社会、家庭三方的科学教育资源，形成科学教育的合力


我国中小学生接受科学教育的途径主要集中在学校与课堂。教学的时空十分有限，致使近年来大力倡导的科学探究难以真正落实，这不利于学生科学素养的提升。


如何在学校建构以学生为主体的科学学习中心，为学生提供自由探究、运用所学知识跨领域解决真实情境中复杂问题的机会？如何利用社会上丰富的科学教育资源，与学校科学教育形成有机关联？如何利用家庭中的厨房、露台等活生生的理化生实验室，通过亲子活动让家也成为科学学习的重要场所？通过整合三方面资源形成科学教育合力，是我国科学教育亟待解决的一个问题。


2.如何在现有以科学概念为教材逻辑框架的科学课程体系中强化工程技术教育


21世纪初，国际科学教育发生的一个重要变化是对工程技术重视：有的国家或地区将工程技术内容从科学课程中独立出来，并将其体系化，如STEM课程、工程学入门；有的则以“自然与生活科技”合称，将科学与科技区分。


受前苏联课程编制模式的影响，我国科学课程基本上是以科学概念为逻辑框架编制的，其优点是系统性、学术性强，但意义性、趣味性不足，更缺乏系统的工程技术领域内容。尽管我国新颁布的科学课程标准和新编的教材已经增加了工程技术的内容，但与一些有系统工程技术教育课程的发达国家相比，还是有很大差距。就现有的国内STEM课程，通常的做法是给学生提供各种科技小制作的机会，但对中小学生科技素养的内涵及工程技术教育内容的体系化问题研究不足。


3.如何整合科学阅读、科学实践与科学写作，发挥1+1+1大于3的效果


“动手做”是科学教育极力倡导的理念，主旨是让学生通过动手实验建构科学概念。二十年的课程改革已经使科学教师从注重讲科学变为讲与动手并重，但实际课堂上的动手，大多数还是以验证性实验为主，学生鲜有失败、沮丧、重来等真实做科学的体验，如何提升动手做的质量、改变照单抓药式的假探究是科学教育亟待解决的问题。


提升动手做科学的质量只是解决问题的一个方面，科学阅读、科学写作也是科学教育重要的学习内容与方式。遗憾的是，大多数学校将科学阅读与科学写作的重任交给了语文学科，殊不知科学类的阅读与写作与文学类的阅读与写作大相径庭，加强科学阅读与科学写作应是科学教师职责。如何使读、做、写有机融合、相互补充、相得益彰需要深入研究。


科学之光照亮求真创新之路——播下科学的种子：新教育科技项目学习课程



二、解决问题的过程


朱永新教授带领新教育实验科学教育研究团队，用了20年时间的探索、发展，形成了“3.3.3科学教育新模式”。


1. 实践初探阶段（2000-2007）


2000年，朱永新教授提出理想的科学教育“应该具有开放性，注重实践性，与生活相联系，与社会相沟通”。王伟群等对苏南地区理科基础教育现状及改革作了深入调查，提出小康后的理科教育改革既要重视科学教育，也要重视技术教育，“把活动课程与学科课程有机结合是解决科学教育中渗透技术教育的有效途径”。时任东州小学校长的许新海尝试将部分科学课搬到校外，在命名为“地球村”的一块空地上让学生种植、观察、收获、研究各种蔬菜和植物，将科学课程与综合实践活动课程进行有机整合。郝京华教授对该实践基地做过多次考察，对这一探索方向给予高度认可，并在时隔20年的两篇文章中对这一改革举措进行专门点评。同时她在自己2001年主编的小学《科学》通过强化科学探究过程技能的内容，将科学过程技能在教材中专门化、显性化，这是对科学探究过程细化的一次有益尝试。


2.理论梳理阶段（2008-2017）


2008年至2018年，随着新教育实验的发展，朱永新教授提出卓越课程要以国家课程、地方课程、校本课程为基础，对教材进行二次开发和新的整合与创造，“在课程实施过程中带领学生经历体验、合作探究，建立知识与世界、与自我的内在联系，将所有与知识的相遇转化为智慧，从而使师生生命更加丰盈”。同时要结合中华文化、属地资源和学校资源，开发有特色的、综合性、实践性的科学校本课程。


这一阶段团队成员开始关注如何整合校内外的科学教育资源，并依托这些资源开发科技课程。通过与校外科技场馆、博物馆合作研发课程，不仅多次为各地科技馆做课程设计讲座，还与科技馆的展教部及研学基地的教师一起研发课程。郝京华教授带领团队设计的《全经验课程——小学生必须做的60件事》，其中“亲近自然”版块设计了从简单事件“找过自然界的三种岩石”到复杂事件“观察过十天的月相”等一系列活动。2018年“科学教育行动案例叙事评选活动”参赛的152篇论文是全国各地实验学校开展相关实践活动的缩影。


这一阶段团队成员也开始梳理分散的科学教育改革实践，提炼出带有原创性、概括性的科学教育主张，同时团队加强与国内外专家学术交流，共同探讨科学课程资源利用、工程技术课程开发和学生学习科学的方法。“3.3.3科学教育新模式”逐渐成型。


3.提升推广阶段（2018-2022）


2018年，朱永新教授在新教育实验年会作了《科学之光照亮求真创新之路》的主题报告，提出科学教育的新思想：“科学教育是幸福完整的教育生活的重要组成部分，是以求真和创新为宗旨，以培养并提升科学素养为目标，以学校教育、家庭教育、社会教育多方合力，通过做中学、读中悟、写中思方法进行教育，帮助学生学习科学知识、树立科学观念、养成科学思维、掌握科学方法、发展提出问题与解决问题的能力、形成科学精神与社会责任感”。同时，把“研发以科学大概念为轴心的科学阅读读物、设计基于解决真实情境问题的项目式学习、建构家校共育为特征的科学教育资源库”作为下一阶段改革的优先行动。


在这一阶段，郝京华、王伟群等带领江苏海门、南京、苏州及浙江杭州、诸暨等地一线教师在各校校本课程的基础上开发了一系列科技馆课程、家庭科学课程、科技类项目学习课程，还设计了《小小工程师系列课程》与学具箱，《传统文化中的STEM》课程，在全国多个省市进行课程成果实践和推广。其中科技类项目课程及《小小机械工程师》课程受公益基金资助，分4期被推广到全国20个省市50多所贫困学校，率先在边远和贫困地区建设了一批科学教育改革的实验学校。


三、成果的主要内容


（一）提出“构建科学教育合力”的理念


2019年出版的《新科学教育论纲》是团队二十年来在科学教育理论探索层面所取得的成果，明确提出科学是一种以“求真、创新”为最主要特征的文化。基于科学文化的社会性、实证性、逻辑性、创新性、开放性等特征，以及科学素养的复杂性、高阶性、人性化、社会化等特点，提出要坚持科学与人文结合、动手与动脑结合、分科和融合结合、校内和校外结合、传统与现代结合、全体和个体结合的原则，构建科学教育合力。


（二）构建“3.3.3科学教育新模式”


团队以综合育人理念为指导，以“3.3.3科学教育模式”构建科学教育合力。“3.3.3科学教育新模式”是：


第一个3，探讨不同场域科学教育资源的开发：学校、社会、家庭三方面资源的整合；


第二个3，探讨多元工程技术教育课程的编写：嵌入式科学课程、项目式科技课程、非项目式科技课程。


第三个3，探讨科学探究实践的主要方法策略：科学阅读、探究实践、科学写作的整合。


1.科学教育资源：整合学校、家庭、社会三方资源


知识、思维、态度、行为与学习环境密不可分，不同的学习环境带来的学习效果各不相同。科学教育要突破学校、课堂单一的时空界限，以科学素养为纽带，设计不同场域课程，发挥社会、家庭各自的情境优势，实现正式环境和非正式环境下科学学习的统一。


为了解决教师或家长不会利用科技馆、自然与家庭中的科学教育资源问题，团队采取设计“学习单”的方式让教师和家长“按图索骥”。如《海洋馆》课程学习单引导孩子如何观察、如何记录、如何归纳；如“亲近自然”必做的事之一是“观察过十天的月相”，学习单既帮助孩子制定观察计划，也教孩子记录月相的方法，引导他们分享和思考，发现问题，作出合理解释。




2.科学教育课程：以嵌入式、项目式、非项目式三种方式开发科技课程


认识科学与工程技术无论在内涵、对象，还是在过程、结果都有很大差异，为了实现工程教育，团队首先研发了工程素养的结构图。


工程素养包括四个维度，工程技术本体认知维度是对科学、技术、工程的区别与联系、工程技术与社会的联系、工程技术包括哪些领域等方面的认知；通识性技能是各领域工程师共性动手能力的分解；工程设计是设计流程方面的知识；工程思维是工程设计的思维方式，是一般思维方法在工程技术领域的具体化。工程素养设计秉承的理念是：工程素养是现代社会每一个公民都应具有的素养，因为具有对科学、工程、技术基本认知的孩子视野更开阔，通识性技能在生活中必有用武之地，工程设计的流程与人们解决问题逻辑高度相似，工程思维中的系统思维、筹划思维等都属于高阶思维，任何复杂的工作都会用到。


基于工程素养结构图，团队提出强化工程技术教育的课程改进建议：


①嵌入式科学课程——在以科学知识为逻辑主线的国家科学课程中，逐层递进地嵌入“科学探究”与“工程实践”专项学习，区分科学与工程技术。


②项目式科技课程——用工程设计的流程——“项目背景、明确问题、前期研究、设计方案、制作改进、交流反思”编写长周期项目课程。

③非项目式科技课程——针对小学生的特点，设计了更适合他们的工程技术课程，如以“拆、探、仿、创”为基本结构的《小小机械工程师》。以“探文化之源、践古人之行、析科技内涵、观后续发展”为基本结构的《传统文化中的STEM》。以纸、水、气球等低成本材料开发科学小实验、小制作的双师科技课程。


3.科学探究实践：践行“做中学、读中悟、写中思”三者合一


为促使学生在科技教学活动中进行深度认知加工，本成果提出的科学教育方式有不仅有科学实践的“做中学”，还有科学阅读的“读中悟”，科学写作的“写中思”。


*做中学：让学生自己设计实验、设计工程的方式强化“非良构”（探究路径不清，结果没法预期）探究。为了防止学生出现“卡顿”现象，搭建脚手架、设置“充电桩”、“技能坊”等启发学生思考，解决探究中的“拦路虎”。


*读中悟：增加科学家、工程师如何做研究的故事强化科学阅读，要求学生按照科学探究或工程设计的流程要素抽象出故事中的科学家、工程师工作的关键做法（如通过头脑风暴释放创意；通过评价矩阵权衡利弊等）并填写到工作笔记上。


*写中思：要求撰写文献阅读笔记、实验设计、实验报告、工程概要、工程设计、工程报告书等，强化科学写作。



（三）打造家校合作共育的课程资源平台


借助新教育的网络平台，打破时空的界限，将积累了多年的科学教育短视频资源，纳入相应的内容板块，以教育资源的数字化转型，改变师生行走方式和教育生态。在新科学教育研究所网络平台（http://xkx.touchlab.cn），提供了基于学校、家庭、社会资源开发的各类校本课程和名师云课堂，使师生们可共享教学资源并利用资源交流学习，同时也用于线上的教师培训。在新教育APP的未来学习中心的卓越课程“新科学”中，展示以纸、水、气球等低成本材料开发科学小实验、小制作的双师科技课程，分小学高、中、低三段，教师或家长只要准备相应的材料，就可带着学生跟着视频中的教师开展科技活动。


为了进一步整合科学教育资源，团队还研发数学、物理、化学等各学科的师生阅读书目及导赏，研发了航空航天、地球科学、考古等各领域项目式学习的阅读书目及样例，引导学生整合科学阅读、科学实践和科学写作进行项目式学习。




（四）探索“合作、共享、发展”的实践路径


本成果在研发、实施、指导培训、扩大实践的过程中，带动了一大批优秀科学教师的成长。很多项目的研发是由教育专家顶层设计，由一线教师和行业专家共同研发，一线科学教师团队共同执行并进行效果检验。由此建立了多个教师工作室，培养了许多种子教师，促进了科学教师的专业发展。


参与本成果实践的地区或学校，不仅在当地发挥了重要的示范作用，带动区域科学教育的整体发展，也在全国产生了更为广泛的影响。如2018年，成都武侯实验示范区的5所学校在专家团队的指导下为线下2500多位代表和线上5500多所学校的教师展示“理想的科学课堂”“传统文化中的STEM”“科技馆中学科学”“科学阅读”等科学教学活动，以点带面，全方位展现了“3.3.3科学教育新模式”，得到了众多教师的认可。中国教育频道、人民网等新闻媒体对此进行了报道。


扶贫助教的科技类项目学习课程对贫困学校及教师的发展有很大促进作用。新疆克州三小的杜祺瑞老师认为资助的《智能小菜园》课程填补了学校人工智能教育的空白，“面对新的课程形态，教师勇敢地接受挑战，勇敢地实践，大胆地探索新方法，丰富了教育教学的方式。”扶贫支教带动大批贫困学校成为科技教育先进代表。

科学之光照亮求真创新之路——新教育实验《成都宣言》暨十八届年会、中美论坛综合报道

四、本成果创新之处


（一）找到多场域科学教育资源整合的方法


团队成员多次参访综合实践活动基地、科技馆、自然博物馆等，用系统思维的方法将资源结构化。主要的方法是以科学素养为纽带，用“科学大概念、科学探究”作为自然学校、科技馆课程、家庭课程设计的顶层框架，以科学素养的科学观念、科学思维、探究实践、态度责任四个维度作为课程深度研发的思维工具，以保证科学教育目标的一致和资源利用的充分。


（二）构建义务教育阶段学生工程素养结构


提出指向普通人应该具有的工程素养是对什么是工程技术、工程技术包括哪些领域的基本认知，包括工程技术本体认知、通用性工程技能、工程设计流程、工程思维。旨在帮助学生认识科学技术与社会的关系，培养动手实践能力、问题解决能力与高阶思维能力。




（三）创造多种科技类课程设计新样态


团队研发了多种体现STEM精神又有所超越的科技类课程，团队研发了多种体现STEM精神又有所超越的科技类课程，嵌入式科技课程、项目式科技课程、非项目式科技课程。特别是其中的非项目式科技课程的开发，充分考虑到小学生知识和技能有限的特点，独辟蹊径。如通过“拆、探、仿、创”，让儿童在拆玩具中学习逆向工程；通过“探文化之源、践古人之行、析科技内涵、观后续发展”，增强儿童对传统文化自信。制作的双师科技课程支教落后地区学校开展科技活动，促进科学教育均衡发展。


“3.3.3科学教育新模式”基于新的科学教育理念，通过高校和中小学20年的合作，进行了科学教育综合改革的研究和实践。理论研究和教学实践互相促进，方案不断成熟，影响日益深远。朱永新教授及团队成员郝京华、王伟群、杨帆、仇丽君、许新海2022年获江苏省基础教育教学成果奖特等奖，2023年获国家基础教育教学成果奖二等奖。
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新教育实验，是一个以教师专业发展为起点，以通过“营造书香校园、师生共写随笔、聆听窗外声音、培养卓越口才、构建理想课堂、建设数码社区、推进每月一事、缔造完美教室、研发卓越课程、家校合作共建”十大行动为途径，以帮助新教育共同体成员过一种幸福完整的教育生活为目的的教育实验。

新教育新在何处？对于我来说，当一些理念渐被遗忘，复又提起时候，它是新的；当一些理念只被人说，今被人做的时候，它是新的；当一些理念由模糊走向清晰，由贫乏走向丰富的时候，它就是新的；当一些理念由旧时的背景运用到现在的背景去继承，去发扬，去创新的时候，它就是新的。

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