闫守轩，辽宁师范大学教育学部副部长、教授、博士、博士生导师
中小学科学教育是建设教育强国、科技强国的基础性工程。中小学科学教育一体化，是以学生的年龄阶段与发展需要为基础，以中小学学段为经，科学素养内容维度为纬，形成纵向贯通、横向融通、螺旋上升的科学教育序列，表现为各学段科学教学的一体化与学生各维度科学素养的一体化。中小学科学教育实现一体化之动因既有科学的“一体性”的学理依据，更有实践的“区隔性”的现实诉求。推进中小学科学教育一体化建设，需要以科学建模教学为联结点构建一体化科学教育育人模式，并以跨学科内容整合为切入点设计一体化科学教育内容体系，同时以科教融合为着力点加强一体化科学教育资源供给，促进学生科学素养的全面、进阶式发展。
2023年5月教育部等十八部门印发的《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》指出，从改进学校教学与服务、用好社会大课堂、做好相关改革衔接等方面入手，对加强中小学科学教育进行系统性设计与制度性安排。中小学阶段是拔尖创新人才培养的“发轫期”，强化各学段科学教育的质效及衔接，推进科技成果以适应性变革融入中小学教育，筑牢科学教育根基，将有力支撑科技强国、教育强国建设。长期以来，“质效不足”“衔接不力”作为中小学科学教育亟待破解的关键难题，成为悬于我国拔尖创新人才培养上的“达摩克里斯之剑”。有效提升中小学科学教育育人质量，从长远解决我国拔尖创新人才培养短板，推进一体化建设是破题之关键。全面、透彻认识中小学科学教育一体化的内涵及动因，探索其积极而可为之道，是全面推进中小学科学教育一体化建设的重要基础和前提。理解中小学科学教育一体化的内涵，我们需要明确其中的科学教育、一体化各自的概念所指。科学教育可从目的、内容、过程、时空等多个维度进行定义，一般认为科学教育是面向全体青少年的，以自然科学知识为内容载体，旨在发展学生科学素养的教育教学活动。科学素养是21世纪科学教育的核心目标，也是其主要内容。何以促成学生科学素养的全面、整体发展，是中小学科学教育一体化的关键命题。近年来，对科学素养进行界定的主要有学者、国家和国际组织三类主体，如我国《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称“科学新课标”）提出科学核心素养包括科学观念、科学思维、探究实践与态度责任。美国国家科学院、工程院、医学院与科学教育委员会等机构共同编写的《科学素养：概念、情境和影响》指出，个体科学素养包括基础性素养、内容知识、理解科学实践、认识性知识、对科学专门知能的辨识、对科学的文化理解，以及倾向和思维习惯。尽管各主体对其莫衷一是，但仍可凝练其概念之基本共识，对科学素养内涵进行整体把握：科学素养是学生核心素养的重要组成部分，涵盖科学认知、科学思维、科学实践、科学品格四个维度，能够帮助学生从整体上认识自然世界、理解科学本质，发展科学探究与实践能力，形成系统的科学思维以及正确的科学态度，成为知情、负责任的合格公民。中小学科学教育一体化的核心要义，即是通过教师教学促进学生科学素养的全面发展、横向融通。一体化是指将两个及以上原本相互独立、互不干涉的主权实体，通过某种恰当的方式使其联结，在同一体系下共同运作、相互包容。一体化强调整体性，整体性消解多元之间的割据状态，实现主体由“多”变“一”。对于当前中小学科学教育，我们既要强调其整体性，又不能消解各学段科学教育在课程形态、教学组织、资源供给等方面的特殊性及差异性。中小学科学教育一体化就是要按照中小学各学段的特点，把每一个学段做好，并使之合理衔接，形成一个循序渐进的科学教育序列，促成学生科学素养发展的纵向贯通。在理解上述概念基础上，我们把中小学科学教育一体化定义为在统一的科学传统指引下，中小学科学教育围绕共同的育人目标，根据各学段学生的年龄特征与发展需要，赋予各个学段适切的科学课程内容，开展符合学生认知水平、发展阶段的教育教学，接力实现不同学段的目标，促进学生科学认知、科学思维、科学实践、科学品格的全面和进阶式发展，最终实现科学育人的总体目标。需要强调的是，中小学科学教育一体化有以下三个特征：第一，统一性，表现在中小学科学教育各学段的培养目标、育人模式必须保持统一，一致指向学生科学认知、科学思维、科学实践与科学品格的培育与联通，促成学生科学素养的全面发展；第二，接续性，表现在中小学科学教育各学段的内容、实施等要循序渐进、合理衔接，促进学生科学学习的不断深化、进阶，实现学生科学素养发展的纵向贯通；第三，系统性和整体性，表现为中小学科学教育应突破学校课堂之藩篱，充分利用校外科学教育学习机会和学习资源，使之与校内科学课程相互配合、有效对接，构建一个有序的、整体性的科学教育资源体系。中小学科学教育为何要一体化？从理论层面看，科学的“一体性”要求中小学科学教育应培养学生全面发展、内在联通的科学素养；从实践层面看，中小学科学教育在育人模式、教育内容、教育资源上存在“区隔性”的窠臼，一体化是摆脱窠臼的关键举措。理解科学的“一体性”，我们需明确科学的本质为何，以及它是否符合中小学科学教育实际。在本体论视角下，“科学”即“科学知识”，是人类对自然世界的主观认识成果，包括有关自然客观存在及发展规律的知识等。在认识论视角下，“科学”的本质是“科学探索”，反映了人类对自然世界的主动探索过程，包括提出问题、作出假设、方案的设计与实施、描述与解释、分享与交流等环节。在方法论视角下，“科学”即“科学方法”，反映了人类在认知自然世界时使用的科学方法，包括科学观察方法、科学逻辑思维与科学实证方法等。科学新课标指出，“对科学本质的认识，如对科学知识的可验证性、相对性、暂时性的认识，对人与自然关系的认识……”可以看出现行课程标准是基于本体论来阐释科学的本质，即将科学知识视为科学的本质。在中小学阶段，知识教育是培育学生科学素养的主要手段，无论是“科学探索”还是“科学方法”，其实质都是学生对科学知识的获取、内化及迁移。抛开知识，科学教育便成了无源之水、无本之木，因而科学本体论的观点更贴近中小学科学教育实际。科学新课标还指出，“科学是人类在研究自然现象、发现自然规律的基础上形成的知识系统，以及获得这些知识系统的认识过程和在此过程中所利用的方法。”换言之，“科学”由三方面知识构成：一是“自然世界知识”，即用于解释自然现象、科学事实的认识性知识，譬如科学概念、理论与模型等；二是“科学探究知识”，指的是用于开展科学探究实践活动的程序性知识；三是“科学本体知识”，主要涉及科学的人文性、社会性及伦理性等价值性知识。科学作为一个有序知识系统，是完整一体的，“自然世界知识”“科学探究知识”与“科学本体知识”三者密不可分。中小学科学教育要想传递给学生真实、完整的“科学”，需注重学生各维度科学素养的全面发展、内在联通。一方面，“科学的一体性”要求学生各维度科学素养的全面发展。科学认知是学生通过对科学概念、理论等“自然世界知识”的理解、加工及建构，获得有关客观事物及其发展规律的总体认识的过程；科学思维是学生运用科学知识解决科学问题的一种思维，包括理性思维、整体思维、辩证思维、创新思维等，它是“科学探究知识”向个体智力技能转化的产物；科学实践即指学生在科学实践活动中，表现出的科学探究能力、技术实践能力与自主学习能力，它是“科学探究知识”在个体动作技能上的反映；科学品格是学生在深层理解科学知识本质、科学与社会关系等“科学本体知识”后，形成的正确科学态度及社会责任感，包括怀疑与问难的态度、作出判断时的谨慎及对资源和环境的责任感等。“自然世界知识”“科学探究知识”与“科学本体知识”是整全一体的，其对应的学生各维度的科学素养更是缺一不可的。中小学科学教育缺少任何一个维度的科学素养培养过程，都是对科学知识系统性、一体性的背离。另一方面，“科学的一体性”要求学生各维度科学素养的内在联通。“自然世界知识”“科学探究知识”“科学本体知识”共同构成科学整体，其间相互联系、相辅相成。学生对“自然世界知识”的认知过程，需要“科学探究知识”作为保障，即具备一定的科学思维、科学实践能力。高水平的科学思维和科学实践能力，能够帮助学生在真实的科学实践中有效感知与辨别“自然世界知识”，形成更系统、更完整的科学认知结构。此外，学生在科学实践中收获的体验，将直接影响其对科学知识本质、科学与社会关系等“科学本身知识”的理解程度。学生能否正确理解“科学本体知识”，将直接决定其形成的科学品格优劣与否。优良的科学品格能够滋生积极的科学态度，陶冶正确的科学价值观，增强学生运用“科学探究知识”开展科学探究、解决科学问题的自我效能感，驱动学生不断获取“自然世界知识”、健全科学认知结构。可见，中小学科学教育要想引导学生对“科学”进行整体把握，需培养学生内在联通的科学素养体系。科学素养是科学教育的核心目标，科学教育应促进学生科学素养的全面发展、内在联通。审视当下中小学科学教育，其育人模式、教育内容等缺乏一体化设计，存在诸多“区隔”，难以有效促进学生科学素养的横向联通、纵向贯通。首先，育人模式的“区隔性”，掣肘学生科学素养发展的横向联通。2018年《中国义务教育质量检测报告》显示，四年级和八年级学生在“科学思维”与“科学探究”能力上的得分比“科学理解”低4~10个百分点，这在一定程度上折射出当下中小学对学生科学思维、科学实践能力的培养可能并不充分，仍偏执于科学知识讲授，在育人模式上存在“区隔性”。受制于应试压力，中小学科学教师投入大量精力讲授科学知识，常常区隔、旁置了科学实践和科学探究教学。这可能造成学生难以将知识学习与能力发展有效结合，只是记忆知识符号本身，而对科学知识本质及其探索过程知之甚少，缺乏进行科学思维、科学实践能力训练的机会。此外，一些中小学校的科学探究教学存在形式主义现象，既无明确的科学探究目标，也缺乏探究背后的科学原理挖掘，学生只是亦步亦趋地按照固定程序、方法进行操作，很少进行自主探究。在这样表面化、形式化的科学探究教学中，很多学生仅能获得科学探究与实践活动给予的“逃离书本知识”的欢愉，难以在实践情境中对科学知识真正地进行迁移及运用，更遑论涵养科学思维、科学实践能力。科学知识只有转化为思维与实践能力才能内化为学生的科学素养，否则，就只是一些碎片符号的搬运与堆积。其次，教育内容的“区隔性”，限制学生科学素养发展的纵向贯通。小学科学教育已初步发展了学生对自然世界的整体性认知，形成兼具统摄力与完整性的科学知识体系。中学科学教育应在学生已有科学认知基础上，通过系统学习更有解释力量与社会意义的，以学科形态呈现的科学知识来深化对自然世界的认知。然而目前我国中学科学教育内容并未充分承接小学科学教育内容，甚至存在与小学科学教育内容相区隔的危险。这种区隔具体表现为中学科学教育内容过于强调学科知识的完整性，却相对忽视学科知识之间的联系，跨学科教学内容占比不甚充分。这可能致使学生获得繁多、孤立的学科知识，却难以形成关联、统整的科学知识体系，与小学阶段形成的前科学认知相悖，进而加重学生的科学认知负担。此外，有些教师将跨学科教学视作应付差事，盲目地臆造学科联系、拼接学科知识，陷入“为跨而跨”“拼盘教学”的教学误区。由此，中学科学教育不仅未与小学科学教育合理衔接，还可能削弱中学科学课程的部分育人成效，无益于学生科学素养发展的纵向贯通。最后，教育资源的“区隔性”，削弱学生科学素养发展的意义基础。目前一些中小学校将科学教育资源等同为物理、地理、生物等课程资源的简单叠加，对校外科学教育资源的利用、整合力度不够，造成校内外科学教育资源的相对区隔。在单一的科学教育资源供给下，中小学科学教学可能出现直观性不足的问题，教师在教学过程中缺乏与科学知识相适配的科学情境，陷入“口说无凭”的教学无力感。如此的科学教学向学生传授大量既定、先验、静态的科学概念、理论，与日新月异的科技发展难以形成逻辑吻合。多数学生在科学课堂上只对科学知识进行了浅层认知加工，难以建立科学知识与生活世界的意义联系，更遑论将所学知识迁移、应用于现实问题解决，严重削弱学生科学素养发展的意义基础。面对“科学的一体性”与“实践的区隔性”的要求，中小学科学教育该如何推进一体化建设，促进学生科学素养发展的横向联通、纵向贯通，发挥中小学科学教育的最大育人价值？以科学建模教学为联结点，构建一体化科学教育育人模式
推进中小学科学教育一体化，关键在于促进学生科学素养的全面发展。面对当下中小学科学教育重科学认知建构而轻科学思维、科学实践能力培养的难题，需要探赜科学认知与科学思维、科学实践的教学联结点，构建一体化的科学教育育人模式。科学建模教学通过联结模型认知教学与模式实践教学，弥合育人模式之“区隔”，促成学生科学素养的全面发展、横向联通。建模教学并非新鲜事物，早有学者提出让学生在建模过程中思考和检验对自然世界的认识和解释，开展基于模型的教学实践。“基于模型的教学”是让学生理解、使用和修改现有科学模型，使其掌握模型的本质、功能和可变性等，指向学生科学模型认知的发展。但“基于模型的教学”并不等同于“科学建模教学”，科学建模教学兼顾学生科学模型认知与模型实践能力的发展。一方面，科学建模教学能够深化学生的科学认知。科学建模教学需要学生具备一定的科学模型认知作为基础，同时又引导学生通过检验科学模型对科学知识的契合度、解释力，发展对科学知识的深层次理解，巩固学生已有科学认知体系。另一方面，科学建模教学能够涵养学生的科学思维、科学实践能力。科学建模教学在培养学生对现有模型的认知的同时，还让学生充分调动想象力来创造新的模型，并通过实验和探究不断评估、修改与检验模型，进而对某一科学现象产生新的解释或预测新的结果，涵养学生的科学思维、科学实践能力。由此，科学建模教学通过模型认知教学与模型实践教学的交融耦合，有效弥合了育人模式之“区隔”，实现学生科学认知、科学思维与科学实践的一体化培养。在教学实践中，教师需先厘清科学建模教学的概念，明确科学建模教学的目的不仅在于提高学生的模型认知水平，还应发展学生的模型实践能力。在此基础上，教师便可根据教材有序开展阶段性的模型认知教学与模型实践教学。但教材中的科学模型常以不同的媒介和表现形式呈现，因此教师需要提高自身的“元视觉能力”，以便精准识别模型背后的科学原理知识，有效地开展模型认知教学。以开普勒定律为例，教材上的相关模型包括行星系统照片、一些物理方程等，教师只有精准识别、掌握它们与开普勒定律之间的关联，才能在教学中正确地解释各种模型。此外，教师在模型认知教学中应根据不同内容的不同特点，采取显性或隐性的方式传授于学生。有关模型功能的内容，可以直接采取讲授教材的显性方式，譬如引导学生通过伽利略斜面实验模型理解牛顿第一定律（惯性定律），强调模型的解释功能建立在逻辑推理的基础上。而有关模型可变性的内容，可以隐性地融入科学史的教学中，譬如通过展示魏格纳的板块构造模型、哥白尼的日心说模型等科学模型的演进历程，让学生意识到模型并非“一成不变”，而是会根据新的证据而改变。模型实践教学可从以下三类建模活动切入。一是探索型建模，即让学生在模型的应用与评估中探索模型的特性。具体而言，是让学生在新情境中应用现有模型解决问题，探索现有模型的功能和适用情境，并评估现有不同模型对同一现象的解释度，研判其关系与优劣，譬如人教版八年级初中物理教材中的“大气的压强”一节，教师可以让学生通过“建构封闭系统—改变一侧气压—形成内外压差”这一思维模型，来解决“瓶吞鸡蛋，如何让鸡蛋从瓶中出来”这一情境问题，从而增强对这个思维模型的理解。二是表现型建模，即让学生在新情境中通过修改模型来表达自己对特定主题的想法。当模型无法解释学生所作假设或所得证据时，则需对模型作出修改，以验证新假设、表达新观点。以“空气的热胀冷缩”一课为例，教师将有缺口、瘪的乒乓球放到热水盆中，乒乓球并未如假设一样恢复原状，就此引导学生探讨其中原因，并对乒乓球这一实体模型作出修改。三是创造型建模，即让学生自主创造新的模型来解释实验现象的结果，为其建构科学表征，并在模型测试、评估过程中完善新模型。还以“空气的热胀冷缩”一课为例，教师将完好的、瘪的乒乓球放到热水盆里，乒乓球恢复原状，引导学生构建图形模型解释这一现象（比如圆圈范围代表体积，圈里的黑点代表重量），进而讨论、分析该模型是否能包含各种现象和数据。以跨学科内容整合为切入点，设计一体化科学教育内容体系
面对当下中小学段间的科学教育内容存在“区隔”的问题，亟须推进中小学科学教育内容的一体化设计。这意味着将科学教育内容作为整体去设计，从跨学科视角出发，对各学段、各学科科学教育内容进行有效统整，形成学段衔接、学科相融的一体化科学教育内容体系。其一，巧借主题统领，明确跨学科内容整合之方向。《义务教育课程方案（2022年版）》指出，各门课程用不少于10%的课时设计跨学科主题学习。面对这一硬性规定，一些科学教师可能陷入“不会跨”“不能跨”的教学困境与窘境。究其症结，在于教师尚未明晰跨学科整合之目标与方向，将跨学科整合视作“拼盘式缝合”，盲目地将不同学科知识进行简单化拼凑与机械化叠加。但跨学科整合之目标并非学科知识的简单、机械拼接，而是借助大概念、大问题、大项目或大任务，提炼出统摄性较强的科学学习主题，并以主题的形式将不同学科知识联结起来，捋顺跨学科知识间的内在联系，以实现学生从碎片化知识学习转向以学习主题为中心的较完整的知识结构体系的掌握。此外，科学学习主题的提炼还需关注其进阶性与延展性。即该主题能将不同学段的相关内容串联起来，形成以主题为轴心、循序渐进的科学教育内容体系，促进学段间科学教育内容的有效、合理衔接，保障学生科学学习的进阶性与连贯性。以学习主题明确跨学科内容整合之方向，以免陷入“不会跨”和“不能跨”的误区，具体可从以下几个层面进行。一是课程标准，譬如《义务教育物理课程标准（2022年版）》中提出三个跨学科主题的确立方向，分别是“物理学与日常生活”“物理学与工程实践”“物理学与社会发展”，教师可据此进一步确立具体的跨学科主题。二是教材内容的共通点，譬如物理教材内容“汽化和液化”、化学教材内容“自然界的水”、生物教材内容“地球上生命的起源”都是八年级内容，教师可以整理并提炼出“水——生命之源”相关的跨学科主题。三是地域文化特色，譬如佛山市映月中学位于咏春拳发源地，该校围绕“咏春文化”，从“咏春文化”“咏生奥秘”“物换咏移”“骨型设计”“未来咏春”五个维度开展跨学科主题教学；四是学生的学习兴趣，如观看《流浪地球》电影学习物理、地理相关知识；五是争议性的社会话题，譬如“一次性筷子的利弊”“应对全球气候变暖”等跨学科主题。其二，立足科学实践，保障跨学科内容整合之效度。马克思的本体论指出，实践是知行合一的手段。科学实践能将静态的科学知识与社会、生活相联结，赋予学习主题以生活世界的意义基础，培养学生在实践中运用系统视角看待事物，综合使用跨学科知识、思维解决问题的能力。这种科学实践要求教师需先明确科学学习主题，进而根据学习主题逆推实践学习过程，设计可视化的实践任务评价清单，并将实践任务分解为系列子任务。教师需在教学开始前向学生展示任务评价单全貌，使其明确科学实践的主题及任务，益于学生在科学实践中做到有的放矢，确保跨学科主题学习的成效。如上文所提及的映月中学在项目式科学实践“咏春运动的奥秘”中，设计了五个维度的任务评价表（见表1）。中小学科学教育亟须突破学校课程资源的局限，动员科研机构、科普场馆、科研院所、科学共同体等共同为师生提供有意义的学习机会、学习资源，使之与学校科学课程有效耦合与对接，实现校内外科学教育资源共享、共通，以推进中小学科学教育的资源一体化。一方面，构建非正式学习资源向科学教育资源的融入机制，拓宽科学课程内容的广度，实现资源共享。科研机构、院所、科普场馆等作为中小学科学教育的相关主体，象征着时代科学发展的最前沿，蕴含丰富的非正式学习资源。这些非正式学习场所能够直观地呈现科学前沿知识与发展动态，使学生感受与体验最真实的科学研究氛围，零距离地接触、认识与参与科学。非正式学习场所还能提供学生与科研人员直接对话的机会，使其在对话中加深对科学概念、理论的理解，迸发对科学实验、探究的热情，形成更深的科学事业认同感与责任感。中小学校应有效整合这些非正式学习资源，积极探寻非正式学习资源向科学教育资源的融入机制，以校外考察、工程实践、主题探究等方式开辟“第二科学课堂”，对学校科学课程进行有效对接与补充。同时，充分利用非正式学习活动的非同质性特点，开展跨学科、跨年级的探究实践活动，让不同年龄、智力特点与认知水平的学生在合作探究中不断提高跨学科思维、团队协作意识与问题解决能力，助推学生科学素养的高阶发展。在美国、韩国、法国等发达国家，国家科学博物馆早已成为学生学校生活与日常生活之外的“第三空间”，其开展的“探究—参与”活动也早已是基础教育科学课程的重要组成部分。另一方面，加速科技创新成果向科学教育资源的转化进程，延伸科学课程内容的深度，实现资源共通。科技发展的日新月异决定了科学教育具有鲜明的时代性与创新性，换言之，科技创新成果与演进趋势深刻影响着科学课程内容的选择与组织。深入挖掘、彰显科技创新成果的育人价值，有效推进科技创新成果进教材、入课堂，是科学课程内容得以拓深之关键。具体而言，教师在教学中应以学生的认知水平为准线、可接受性为原则，遴选一些国家科技计划项目成果，譬如国家自然科学基金项目、省级自然科学基金项目等。深挖项目成果中蕴藏的科学理论知识，寻找其与现有科学教材内容的内在联系，将科技创新成果知识化、基础化、可教化，有效对接国家科技计划项目成果与科学课程内容，深化学生的科学知识学习。因此，中小学校必须畅通高等院校、科研院所和高新技术企业等机构的科技人才参与学校科学课程的渠道，引导科学教师与科技人才建立协同教研关系，保障教师及时、有效获得科研项目成果的相关资料与信息，让科学教师与科学家、工程师等科技人才协同开发课程资源、设计教学活动，以赋能中小学科学教育资源一体化之建设。
（来源：《中国教育学刊》，本平台发表内容以正式出版物为准）
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