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浅谈科学课程的设计【摘要】面向21世纪，基础教育科学课程设计需考虑两个方面：一是重新审视什么是中小学学生面向未来的科学基础，重新构建科学基础知识的结构；二是探索课程的内在逻辑与组织形式。北京市的科学课程标准和实验教材（三年级上册）借鉴世界先进的综合课程设计思想，结合我国中小学理科教育的实际，设计了操作性比较强的课程标准。标准把科学主题作为核心，构建科学基础知识的结构，把科学主题的交叉与发展作为整个课程的内在逻辑，以此统整教学内容与组织形式。【关键词】科学课程设计科学主题 在我国基础教育课程与教材改革中，科学课程的创建是一项突破。科学课程是一门理科综合课程。它以培养青少年的科学素养为目标，使学生理解什么是科学，对世界产生完整的认知观念，具有观察和了解科学的能力，养成科学的思维习惯。这就要求科学课程要选取对学生发展最有价值的自然科学知识组成基础知识结构，将一些先进的、基本的科学观念通过身边的自然现象呈现给学生。随着学生认识水平与实践能力的发展，反复加深他们对于科学观念的理解，最后达到学会运用反映自然界本质与联系的科学主题看待自然。科学课程将能力培养按学段融人教学内容之中，利用充足的实践活动和现代教学手段，使学生在活动中学习、领悟人类在探索自然的过程中积累的丰富经验和形成的有效方法。学习科学课程，可以使学生头脑中建立起吸收知识、整理知识、创造性地运用知识的范式（或者说是学习策略）。科学课程的内容是提高学生思维能力的工具，而不仅仅是学生需要掌握的知识。科学课程要把教学过程转变为学生的主动学习的过程，把以学科知识体系为中心转变为以促进学习者发展为中心，把维持性学习转变为创新性学习，为学生终身学习打下基础。科学课程要尽量选择实际生活中综合性的问题。自然界存在的真实现象是点燃学生学习热情，激发学生探索的动力。科学课程的教学要创设在活动中探究的学习气氛，激发学生的学习兴趣，把最宝贵的财富-积极进取的精神交给学生。科学课程的学习过程也是使知识转化为学生的科学思想，进而转化为科学信念，产生正确对待自然和处理社会生活中科学问题的行为的过程。为了达到以上目标，科学课程在设计上要有新的思路。笔者认为，创建这门课程要有两项突破。一、重新审视什么是中小学学生面向未来的科学基础，重新构建科学基础知识的结构按照系统论的观点，整体功能并不等于部分之和。科学课程如果只是将原有的分科的基础知识经过梳理后归类加和，这样形成的知识结构很可能失去了原来分科课程知识结构的内在逻辑，结构不够合理，可能导致整体功能小于部分之和。反之，如果课程内容整体结构优化，整体功能将大干部分之和。因此，建立合理优化的、实用的、对未来学习更有支持意义的、内在逻辑性较强的科学基础知识结构是科学课程改革成败的关键。那么，在不断增加的基础知识中，哪些知识最能够影响其他知识的学习？哪些知识在组成科学基础框架时必不可少？考虑之一：在建立新的知识结构时，必须面向未来，考虑未来人所需要的科学基础是什么，将原有的基础知识简化、更新。我们已经体验到，尽管从小学到研究生，系统地学习过科学基础知识，但是由于科技的发展和社会的进步，有些基础知识已经不再发挥基础的作用，而有些基础知识自己并不具备。这是因为我们所受的教育是在以过去的经验为现在人做准备，如果以现在的经验为21世纪的一代新人做准备，新一代人所感到的不适应一定会比我们更强烈。取舍知识的原则是：以现在的眼光分析当前中小学理科基础知识，选择其中构成各个学科基本框架的知识；能够对于今后的学习起支持作用的知识；具有思维训练价值的知识；具有文化和教育功能的知识。同时，预测21世纪科学技术发展的趋势，预测21世纪人才所必须具备的科学基础知识。那些中学生学习起来感到困难而成人可以应用基础知识比较容易通过自学掌握的知识以及多数人一生用不到的知识，应该舍去。考虑之二：以反映自然界本质与联系的科学主题为核心，简化基础知识。什么是科学主题？自然界本身是统一体，人类认识自然的活动形成了科学。科学常常被视为对自然界的事物与现象、事实与数据的无尽的描述，或者对实验事实和探索活动的展示。而一些科学的核心概念可以将这些分立的信息片断融人广阔的、有逻辑内聚力的结构中，在这样的结构中，信息片段的关系可以显现出来，这种核心概念就是科学主题。在自然科学中以某些主题来组织两个或者两个以上学科的有关内容，统摄其中基本概念，这样的主题可以揭示学科知识的本质及其内在联系，具有统整自然科学的功能。实际上，科学是存在着这样的主题的，不仅自然科学，其他科学也存在着这样的主题。研究世界上一些国家的科学课程，经过反复比较，笔者认为，以科学主题来简化和统整基础知识结构的范例可以概括为两种情况。一种是以美国国家科学教育课程标准为代表的以科学工作的实际过程为基础提炼出来的科学主题。另一种是以科学内容为基础，提炼出来的科学主题，它包括：围绕着能量演化变化的形式尺度与结构稳定性系统与相互作用等。北京市研制的科学课程标准的内容就是以主题的形式呈现的。下面以提炼出来的科学主题为例，作一简单的说明。能量主题构成了任何相互作用的系统的基础，是连接不同学科的纽带。在物理学中，所有物理现象及相互作用都与能量的变化相关。能量在不同的形式（机械、声、热、电、光）之间相互转化。地球科学中能量的变化也很突出，地快地核内部的能量通过地壳传播，引起造山运动、大陆飘移、火山喷发与地震。地球表面在太阳能的驱动下，水、大气、生物有机体的活动形成了气候变化、地表形态变化和生态系统。生物学中生命体内的能量流动驱动其新陈代谢和生长发育，生态系统中的能量流动使其得以存在繁衍。环境科学研究能源的利用与保护等等。各个学科中的能量变化都遵循共同的能量守恒与转化原理。能量主题把各个学科内部的不同分支联系在一起，体现了自然界的统一性与多样性。演化主题从时间顺序上反映自然界面貌。演化涉及自然界的历史并预示未来，这些历史本来就是自然界存在与发展中不可分割的部分。演化包含的三个次主题-演化的方向性演化的限制性和演化的机会性将一切地球的、生命的、社会的演化的内外因、形式与结果包容起来。变化的形式主题及其三个次主题-趋向变化循环变化不规则变化，揭示各种变化的共同规律及相互关系，将各个学科内部和学科之间的发展变化相互联系起来，而且将自然科学整体与社会科学、思维科学，乃至哲学与数学联系起来。自然界中可以描述的结构，如宇宙的、地球的、生命的、物理与化学的等等，问题非常复杂，从各种层次都可以提出结构问题。科学研究中也充满了尺度与结构问题，例如，在研究物质的性质时，首先要明确是在哪种尺度上研究，尺度不同，研究方法也不同。我们可以对于物质的最小组成单元的运作方式进行持续的研究，也可以对于某个系统的各个层次进行观察，研究它们各自在系统中扮演什么角色。稳定性主要有两方面含义，一是自然现象的可预见性及科学具有的可验证性。给定初始实验条件，可以预见应该发生的现象与结果，科学发现应该是可重复的。二是揭示自然界较长时间的静态稳定状态的规律与特征；反映自然界普遍存在的动态平衡状态的规律与特征。系统与相互作用是自然界最普遍的观念，研究任何事物与现象都离不开其存在的系统与环境，系统之中的要素之间、系统与环境之间、系统与系统之间都存在着相互作用，正是这种相互作用的形式多种多样，构成了运动变化着的自然界。六大主题之间基本不存在包含关系。但是，它们是相互交叉、相互联系的。例如，不规则变化反映自然界存在的不可预测性，稳定性则反映自然界存在的可预测性，自然界客观存在的两个矛盾的方面将两大主题联系起来。又如，能量主题在多数情况下与系统和相互作用主题关系密切。凡是能够深刻反映科学本身面貌的主题都是可取的。科学主题可以有多种组合，理论上，优选的主题形成的不同组合所构成的知识结构应该是等效的。如果我们能够成功地提炼科学主题，并且将它们组合成能够反映自然科学基本面貌的主题组，然后围绕这组科学主题选择经过更新后的、最具有教育意义的知识，删除与理解科学主题没有直接关系的知识，这样选择出来的较少量的知识，比原来分科课程中庞杂的科学知识具有更强的教育功能。这样选择出来的较少量的知识能否使学生形成简化的、实用的、对未来学习更有支持意义的、内在逻辑性较强的科学基础知识结构，取决于两个重要的因素：一是科学主题组的确定是否是最优的；二是围绕科学主题选择的知识是否是最有效的。如果处理好这两个因素，就可以保证新建立的基础知识结构能够在学生今后的学习中真正发挥基础作用或者说发挥学生自学其他知识的桥梁作用。这种作用表现在当学生遇到没有包含在基础知识之中的其他知识和具体方法时，可以运用科学主题和科学思维方法经过自学获得所需的知识，这样的知识结构应该具有开放性，使学生很容易地把新学到的知识纳人原有的知识结构之中。科学主题还具有很强的教育功能，科学的其他领域及人类的社会生活中也同样存在着可以反映事物规律与联系的主题。学生对于自然科学主题的理解可以迁移到其他领域，这样学生学会整体地、联系地、发展地、本质地看问题，形成科学的思维习惯，掌握有效的学习方法，就会成为有智慧的人。二、探索科学课程新的组织方式探索与新的知识结构相适应的课程内容组织形式，是建立科学课程的第二个突破点。分析世界上一些国家科学课程内容组织的特点，可以非常明显地感觉到，它们都深刻地反映着以本国文化为背景的思维方式与教育思想。我们在设计科学课程时可以借鉴，但是不能照搬。在科学课程内容组织上要走我们自己的路，才能行得通。笔者认为，学生只有经常在具有很强的逻辑性的材料中作出有意义的发现，才能够形成逻辑思维能力。因此，组建科学课程必须十分强调知识内在的逻辑性，吸收学问中心课程的结构化的长处，克服历史上综合课程缺乏内在逻辑性的弊端。科学课程的内容组织原则必须与知识选取原则高度一致，才能保证课程的逻辑体系完备。其内容是围绕科学主题选择的内容的组织形式也必须以科学主题为线索。这种逻辑性与学科体系的逻辑性在因果关系、从属关系等方面具有共性，但是在内容组织的内部逻辑上有很大区别。我们在参加北京市21世纪基础教育课程与教材改革研究项目中，承担过科学课程标准的研制。我们采用了上述的以科学内容为基础的一组科学主题，尝试着以科学主题的发展为课程内容的内在逻辑。根据科学主题在自然界现象中表现的方式，由具体到抽象，由简单到复杂，由表观到内部。例如。学生在日常生活中经常接触的、最容易理解的主题是系统与相互作用，当这一主题与能量主题交叉时，就涉及作用的原因与本质，学生对问题的分析和认识就会深入一步。系统与相互作用主题若与稳定性主题交叉，由于稳定性的含义比较复杂，有时需要预言而当时不能够直接测量，就将学生的思维方式由单向发展到多向，由具体发展到抽象。具体安排是：在科学课程中，35年级渗透全部科学主题思想；69年级以一个科学主题为主（其他为辅）统整内容；1012年级以多个科学主题相互交叉反映复杂科学思想。在教材编写中，将上述思想具体化，表现出的线索有三条。1符合学生认识发展规律的自然科学知识的三次循环。每次都以物质世界存在的形态-物质的运动与变化-能量为主线。知识基本载体是地球生命世界（尤其是人体）等自然统一体。2融人教学内容的科学思维过程的培养。科学课程要根据学生心理发展的进程，将科学思维过程融入学生的知识结构之中。这样科学工作者从事科学发现的主要恩维过程：观察、描述、比较、排序、归类、相关、推断和应用贯穿于课程之中。具体讲：15年级-以培养观察、描述、比较、分类思维过程为主；69年级-前四种循环上升，加上排序、相关、推断、应用；1012年级-再次循环上升，由形象思维过渡到抽象思维、逻辑思维能力的培养。3循序渐进的实践与实验能力的培养。科学课程的实验与实践活动从内容方面分为两种：一种是与具体的教学内容密切相关的实验与实践活动，它与分科实验没有根本的区别。另一种是带有综合性的、以真实的自然环境为内容的、与一个内容主题整体相关的实验与实践活动。科学课程的实验与实践活动从性质方面分为两种：一种是验证性实验，另一种是探索性实验，科学课程中的探索性实验的比例占50以上，有些实验的名称与过去的分科教学中的相同，但是，角度与内容并不相同。科学课程的实验是广义的实验，除去真正意义的实验以外，还包括应用现代教育技术实现的模拟实验、应用各种媒体观察自然现象等。15年级：教学中始终贯穿着观察、动手操作等实践活动。实践活动成为教学内容的有机组成部分。69年级：进行简单的实验，掌握基本