《义务教育课程方案（2022年版）》指出义务教育阶段各学科应实施学科实践活动，此后，《教育部等十八部门关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》强调了以学生为中心，鼓励学生积极参与探究实践，培养科学精神，提高科学素质并增强学生解决问题的能力。可见，以科学实践为主的学科实践对科学课程深入改革具有重要作用，我国基础教育科学教育工作者正积极开展科学实践研究。由此，深刻把握科学实践的内涵及价值、掌握其实施策略具有重要意义。

一

科学实践的内涵

2012年美国国家研究理事会发布《K-12年级科学教育框架：实践、跨学科概念与学科核心概念》，其首位关键词由“探究”转变为“实践”，随后又于2017年发布了《新一代科学教育标准》基于当时教育的前沿发展及劳动力市场需求，针对不同年级界定了科学与工程实践的教学目标与培养层次。由此，科学教育研究领域对学科实践的研究重点从“科学探究”转向“科学实践”。从实践的语义观来看“科学实践”的内涵比“科学”+“实践”两个词汇的叠加内涵更为丰富，不光包含了客观物质性的“动手”，也蕴含了大量创造性思维和科学理性的“动脑”“动笔（嘴）”特性，同时也兼有“重复行为使其熟练、深入学习使其成为习惯、应用知识使其达成目标的含义”，科学实践包含了“科学探究所需要一系列认知的、社会的和行为的活动”，其本质是科学家探索未知、揭示真理的必经之路，也是联结理论与实践、主观与客观的纽带。

从科学哲学的视角来看科学实践的演化，可追溯至古希腊、中国古代、古印度等开启的科学研究，那时便将自然世界问题解决转变为哲学问题，哲学领域也涉及了自然科学问题研究。现代意义上科学实践的方法源于16、17世纪的科学革命，即哥白尼提出日心说，伽利略、牛顿等科学家提出了实验研究方法，培根还提出了归纳推理方法。随着科学技术不断进步，对科学方法的关注集中在问题提出、数据获取、形成假说、实验、归纳结论等环节，对科学问题解决的路径集中在描述、比较、建模等。从教育学发展的视角来看，科学实践发展延伸至科学教育领域，学界并对其内涵及外延讨论持续许久。例如，杜威的教育哲学思想经历了“科学思维（科学方法）”“科学探究”再到“科学实践”的发展转变，认为教育活动应该与现实生活紧密相连，学生在实践中学习、在探索中成长，强调了“做中学”的重要性。吉姆·明斯特雷尔认为科学实践从操作技能的维度来看，包含了探究和实验、假设、推理、论证，认为并非所有的实践活动都基于探究。

科学哲学和教育学的发展变化引发了学界对“科学实践”内涵的思考。一部分学者认为“科学实践”是“做科学”的经验，不断培养学生对科学本质的洞察力，进一步了解科学知识产生、总结及证明的过程。有学者认为随着学生年级递增，科学教育中的科学实践变得更加丰富和复杂，并提出“5D实践教学模型”。纳贾尔·埃曼认为科学实践是教育研究者的研究中心，要关注科学教师的实践，提出科学探究活动使教师的实践更加以学生为中心，学生通过各种形式参与的实践更接近于科学家的实践工作，是科学学习最重要的内容，其本质是基于社会背景和科学界需要学生和教师的高水平参与和理解。还有一些学者将科学实践视为系列实践活动，认为科学探究和科学实践没有较大差别，科学实践是以表明科学理论发展、推理测试，包括参与者和机构网络在内的更大活动集合，如构建经典系统或现象模型作出预测性推论，选取适当仪器通过实验或观察验证假设等。

综上所述，“科学实践”蕴含着丰富的内涵和外延，不仅指科学家和工程师在实验及工程中的具体操作，还包括研究及构建世界本质模型和理论时涉及的系列实践活动，强调学生需要具备较为扎实的理论基础与敏锐的洞察能力，运用逻辑思维与批判性思维，对科学现象进行深度剖析，提出假设并精心设计实验等实践活动进行验证或探究。科学类课程的科学实践活动主要集中在科学探究和跨学科实践主题，涉及学科实验活动、常规实践活动（即科学探究）以及学科思维活动，层次丰富内容多样的实践活动是培养青少年核心素养最为有效的手段。

二

科学实践在科学教育中的价值

纵观我国本次基础教育课程改革的核心思想和愿景，科学实践以其独特的活力和动力助推科学类课程改革，科学实践是落实核心素养育人目标和创新人才培养的有效抓手，主要以科学实践驱动科学教育改革。

从学科实践的本质来看，科学实践强调知识的内在联系及学科间的相互关联，学科知识的学习及应用是科学实践的基础，学生对于科学知识的学习源于科学实践，并反馈于学科知识的实践学习，其符合马克思的实践论学说，主要价值体现在两个方面。一方面通过“实践”有效地促进学生对学科知识的深入理解。教师在设计科学实践活动时，带领学生从社会生活中与学科知识紧密相关的实际问题进行思考，通过科学实践活动学生可以深入地探究。另一方面，科学实践活动将静态的知识转化为动态的知识。如果教师仅讲授书本上的知识，缺少与社会生产实际的联系，学生对知识的学习仅停留在短时记忆，而无法理解应用复杂的科学知识。这进一步说明“科学实践”鼓励学生将所学的知识应用于现实社会问题解决，能够提升学生对学科知识的理解应用，有助于学科知识升华。

科学实践指向建构主义下探究教学的思想本质，促进学生实践操作技能提升。学生在科学实践活动中不断解决社会生活中的真实问题，在内容丰富的科学实践活动中不断与知识内容“交互”，最终实现深入理解知识内容并建构知识的意义。学生在此过程中提升实践操作技能涉及了两个维度：一是在实验和探究活动中增强动手技能，通过“动手”使用工具、操作仪器设备或者制作实验器具来解决问题；二是学生在实践过程中结合具身认知、亲身经历及前概念参与实践，提升推理、比较、归纳等实践技能，如学生在探究过程中制作表格记录数据，并且通过分析数据提升比较、归纳、处理数据的技能。

从学生元认知和高阶思维进阶的发展来看，科学实践活动主要以两个维度对学生思维能力进行提升。从科学知识的输入层面来看，通过观察记忆、概括论证、关联整合等常见的科学实践活动培养学生的学习理解能力，为学生深入探究开展科学实践提供知识基础；从科学知识的输出层面来看，通过分析解释、推理预测、综合应用等科学实践常用方法培养学生的应用实践思维，并给学生实验和探究提供载体。在这一过程中，通过直觉联想、迁移与质疑、复杂推理、创新等活动发展学生认知和高阶思维。总体上，设计以学科知识、活动经验、学生认知方式为核心的科学实践活动，推进学生知识意义化、功能化、素养化发展，帮助学生思维建立、形成及自主化发展，推进知识经验建构化、程序化、系统化发展，共同促进学生科学认知和高阶思维发展。

科学实践的独有特征在于学生不能直接获得问题的答案，需要通过课程实验活动和常规实践活动、学科思维活动获得科学知识来解答问题，学生需要经历探究获得知识、概念、规律等，这种获取答案的不确定性赋予了科学实践的无限可能性，激发了学生学习兴趣，正因为科学实践活动中的不确定性为学生探究实践提供空间，避免了单一封闭的答案对学生思维的禁锢。学生在这一过程中主动建构知识学习活动的意义，给学生积极的学习体验。科学实践的活动开放性较强，从跨学科视角看学生解决学科的理论问题时，可以用多学科、不同专题的知识辅助学生深入探究解决问题，进而体会探究学习的开放性。此外，科学实践具有情境性，社会生产实践真实情境与实践教学情境存在差异，教师应在教学中根据学习内容创设相应的社会生产实践真实情境，以便学生理解科学知识与社会之间的相互作用，解决实际问题。

三

科学实践的教学活动模型

科学实践由学科而来并最终回归到学科知识本源，学生在这一过程中不断探寻知识的本质，以科学实践活动提升学生实践技能和思维能力，并为学生提供积极的学习体验，促进核心素养的发展。梳理我国义务教育阶段地理、化学、物理等课程标准及教材内容，以课程实验活动促进学生实践操作技能的提升，以常规实践活动促使学科知识用于社会生活真实问题解决并反馈于学科知识学习，以学科思维活动推动学生思维发展并获得积极的学习体验。为全面落实科学实践的价值，为科学实践教学活动核心问题解决及实施提供策略，由此根据课堂实验活动、常规实践活动、学科思维活动构建了科学实践的教学活动模型（见图1）。

其中，课程实验活动是最基础的实践，为调查研究和论证解释提供了方法基础和研究路径；常规实践活动则为调查研究和科学探究提供了实践载体及科学方法；学科思维活动以学生思维发展为核心，以科学解释、问题解决等为学生高阶思维发展提供支撑。科学实践的教学活动模型可以帮助教师开展科学实践，为学生建立真实世界与虚构世界的联系，架设现实世界与教学情境的桥梁。

课程实验活动是科学实践中最基础的内容。例如，中学地理注重探究自然与社会之间的相互关系，通过地理实验、社会调查以及野外考察等实践活动培养学生地理实践能力。中学物理是以实验为基础的自然科学学科，具有基础性和实践性的特点。总体上课程实验活动在科学实践中占据基础且至关重要的地位，是学生认识世界的桥梁。虽然不同的课程实验活动类别有所不同，但具有一定共性，根据活动特性将其划分为测量操作、探究、创造及跨学科类活动。

其一，测量操作类实验可分为直接测量类实验、间接测量类实验和特殊测量类实验，例如，在物理、化学学科测量及操作类实验帮助学生理解科学概念及具体变量的含义，应用科学规律、实验技能以及实验仪器（测量工具）在测量过程中学习测量方法、操作规范性、读数方法等，形成实验设计能力、操作能力、数据处理能力、科学表达能力等。

其二，探究类实验是学生在不知道实验结果的情况下通过探索研究分析得出结论，形成概念规律的实验活动，培养学生发现并提出问题、收集分析和解释数据、表达交流的能力等，这些能力不能仅通过讲授学习，需要学生动手操作，经历完整的探究过程，在探究实验中有计划、有目的地培养。

其三，创造及跨学科类实验包含了实验方案设计、实验器具制作等，使用生活中原本不是用于实验器具制作、开展实验的材料制成实验器具或对现有的实验器具改进创新用于实验测量或探究等，培养学生绘图、木工、金工等工程技术，提升学生跨学科实践的能力和工程思维，组织学生用自制的实验仪器演示实验现象和探究学习，该实验活动对学生动手操作和学习能力要求较高。以上各类课程实验活动并不是割裂的，需要根据具体的课程内容选择实验类型。

常规实践活动主要指科学探究，这既是学习科学的方法又是途径。科学类课程标准及课程内容对学生科学探究素养的培养侧重有所不同，但都重视问题、证据、解释和交流等探究能力的培养。学生通过科学探究观察和思考，提出科学问题、构建假设、设计实验、制订研究方案、获取和处理信息，并基于证据得出结论作出科学解释。常规实践活动不是固定不变的模式，因而不能将其分解成系列孤立的活动，如观察、假设、推理等，也不应该把实践的过程技能分解成系列独立技能，如观察、假设、推论等，这样的实践过分依赖内容不能促进学生形成良好的心理认知结构。常规实践活动也不是参照皮亚杰理论中变量控制的作用，学生如果在调查中考虑哪些变量以及如何解释和评估结果方面的作用，这样低估了理论思想及框架在常规实践活动中的作用，如果将常规实践活动按照逻辑策略操作、处理相互独立多变量的过程，将“科学思维”“逻辑思维”关联起来以控制变量实验的方法培养学生的科学实践能力，就降低了科学实践能力培养的价值，弱化了常规实践活动的作用。由此，常规实践活动是一种以问题解决为导向的科学探究，转变了机械决定论和经验主义的影响。常规实践活动重视学生对实践任务的认知与理解，以及学生在参与实践前已有知识、经验和技能，在常规实践活动中学生能够发现并提出问题，通过收集证据、论证解释、合作交流，形成科学认识或模型，有助于提升学生对科学探究的理解能力。

学科思维活动是学生思维的外显，学科思维具有间接性和内隐性的特征。从学生开展科学认识活动和关键问题解决活动所必需的、稳定的心理调节机制以及对活动的定向调节和执行调节机制出发，基于学科能力表现框架构建了学科思维活动，包含了识别科学问题、解释科学现象、基于证据得出结论等，主要分为学习理解、应用实践、迁移创新三类思维活动，详见表1。

课程实验活动、常规实践活动和学科思维活动既相互关联又有所区别。课程实验活动是科学实践的基础，高质量的课程实验活动有助于学生学习和应用学科知识解决实际问题。常规实践活动中科学探究是科学实践的核心，有效的科学探究活动可以促进学生实践操作技能的提升。学科思维活动是科学实践的思维指向，以推进学生高阶思维发展迁移创新能力。根据科学实践活动深入挖掘科学实践的育人能力，提升科学实践教育价值，以发展学生高阶思维和核心素养为出发点，逆向设计科学实践活动，确保学生经历科学实践后获得积极的学习体验并提升思维发展，围绕学生关键能力建立健全评价体系，对科学实践活动核心问题的解决及实施十分重要。

四

科学实践的核心问题及实施策略

中学地理、生物、化学、物理科学类课程中关于学科知识、实践技能、思维发展等科学实践活动的核心问题主要源于学生的学、教师的教及二者的互动过程。以科学实践的教学活动模型有效开展科学实践活动，能够解决教学过程矛盾化、学习结果不协调、学生素养发展不均衡等问题，推动课程目标的有效达成。

①教学过程矛盾化：科学知识与科学实践的协同性

科学知识与科学实践取向不协同是科学类课程实践活动中最常见的问题。通常，科学知识可以划分为学科内容知识、程序性知识以及认知性知识。学科内容知识通常涉及自然世界现象、概念、原理及理论等；程序性知识则指学生通过课程实验活动所掌握的可靠且有证据支持的标准操作程序及实践知识；认知性知识包括模型建构在学科中的作用知识、数据及证据在科学中的作用知识、科学推理本质的知识等，是关于科学家之间合作开展探究的知识。科学实践是科学知识学习、教学的有效载体，根据学界对科学实践特征的讨论通常将其分为三类：第一类注重科学类课程的实践特性，以知识学习为基础，在解决问题中实现科学知识理解、应用与转化；第二类关注科学类课程专家从事的典型活动或者案例，引导学生像专家一样探究并思考；第三类强调科学实践的内容要具有发展性和包容性，基于实践或者通过实践学习都是科学实践[。实践教学活动是以概念和规律学习记忆为主，还是注重学生在实践活动中获得知识体验，在实际教学中科学知识与科学实践难以协同发展，怎么化解教学过程中科学知识学习与科学实践体验的取向矛盾，是科学实践活动的核心问题。

②学习结果不协调：高阶思维与学业水平的统一性

学生在科学类课程的学习结果呈现出高阶思维发展与学业水平不统一的问题。科学实践注重学生核心素养和高阶思维的发展，各个实践活动不仅担负着核心素养的培养重任，还承担着学业水平的有效达成。2018年教育部公布的《国家义务教育质量检测报告》表明，8年级学生的科学学业水平表现达到中等水平，在科学学业能力中学生的科学理解能力比较强，科学学业水平表现突出，但科学探究能力和科学思维有待提升。经济合作与发展组织发布的2022年PISA测试结果表明，中国澳门、台北地区的学生科学成绩处于测试区学生的领先水平，但是在社会互动方面需要进一步提高。近年来，各级各类测试发布的报告显示大多数学生的科学类学科考试成绩优异，但在创造性思维、批判性思维以及科学推理等高阶思维方面表现欠佳，该结果表明学生虽然在科学课程获得较高学业成就，但其思维能力发展却相对滞后，学生科学学业水平发展不均衡。如何在科学类课程中的科学实践活动有效地提升高阶思维发展和学业成绩，是困扰教师开展学科教学的主要问题。

③素养发展不均衡：科学认知与科学思维的一致性

实践活动中学生的科学认知与科学思维发展表现出不一致性，学生的素养发展不均衡。学生在科学实践活动中生成科学认知的过程是曲折、反复的，由此学生素养的形成过程是漫长的。学生在课程实验活动和常规实践活动的表现与科学家和工程师开展科学实践具有相似性、与认识科学本质过程相吻合的非线性特征，科学认知的生成不仅需要通过典型的观察与实践直接得出相关的概念、规律或原理等，更重要的是要结合日常生活经验、思考先前学习所获得的科学认知，再去经历科学实践，逐步观察思考、讨论交流、论证解释使得认知成果与认知方式多次转变、不断建构提升趋于科学本质并形成科学思维。科学思维是以科学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识，是基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程，包含模型建构、科学推理、科学论证等。学生在实践活动中科学认知与科学思维表现出不一致、不均衡，如何在科学实践中均衡发展学生素养这又是一重要问题。

①创设真实且有意义的课程实验活动情境

课程实验活动情境是科学知识向科学实践转化的桥梁。课程实验活动具有一定社会文化属性，科学知识的价值及其深层意蕴只有在真实且有意义的课程实验活动情境中才能显现。由此，基于学生对科学知识的积累，以创设真实且有意义的课程实验活动情境，在课程实验活动中能够提升学生对科学知识的理解和应用，提高学生的问题解决能力。学生将实践情境中的问题抽象概括、凝练成核心问题，在真实且有意义的情境中构建并生成科学知识形成科学观念，为学生在常规实践活动、学科思维活动中应用科学知识解决问题，促进学生元认知及其技能的发展奠定基础。教师以核心素养为引领，在课程实验活动中统一科学知识与科学实践的取向，通过创设知识产生和现实运用的实验活动情境，激发学生的学习兴趣和探究欲望，在真实且有意义的情境中学习并应用科学知识，促进科学知识从科学实践来再作用于科学知识的学习，提升学生科学知识与科学实践的协同发展，适当缓解教学过程矛盾。

②设计指向高阶思维发展的常规实践活动

常规实践活动中设计指向学生思维发展的教学目标是统一学生高阶思维发展与提升学业水平的有效方法。各学科学业质量标准围绕着核心素养，并结合课程内容对学生学业成就具体表现特征的整体进行描述，是对学生完成学科课程阶段学习后的学业成就表现评价。科学类课程中的课程实验活动能够基本满足学业质量标准中科学知识学生学习的要求，常规实践活动除了提升学生科学认知的发展，还促进了学生创新思维、批判性思维等高阶思维的发展。由此以发展学生核心素养为出发点设计常规实践活动，开展循证教学，逆向设计指向学生高阶思维发展的课程实验活动、常规实践活动、学科思维活动，在实践活动中贯穿过程性评价，建立健全多元化的评价体系，客观、全面地评价学生科学思维和学业质量水平，是统一高阶思维发展和提升学业水平的有效策略。

③构建多维目标提升素养的学科思维活动

学科思维活动承载着科学认知、科学思维等素养的发展，还承载着课程内容育人目标的有效达成，具有综合性和复杂性。教师需要构建多维教学目标、提升核心素养发展高载荷的科学实践活动，以促进育人目标的有效达成。首先，以核心素养为依据设计课程实验和常规实践活动的教学目标。其次，根据教学目标和学生认知水平设计学科思维活动，划分学生在探究活动各阶段的任务目标，开展多维教学目标、育人目标为一体的高载荷实践活动。最后，在教学实施过程中教师要统筹学科教学内容、真实的问题情境、任务活动等，引导学生在问题情境中开展学科思维活动，关注学生在科学实践中各阶段素养发展的水平，促进科学认知向素养深化，科学思维向高阶发展。科学实践各阶段活动的有效开展是促进学生素养发展的关键，是科学认知向科学思维转化的主要方式，创设多维目标指向素养发展的高载荷学科思维活动，是提升科学教育质量的有效途径。