科学教育中社会性科学议题如何教-基于思维型科学探究的模式建构

/科学教育中社会性科学议题如何教——基于思维型科学探究的模式建构【摘要】社会性科学议题(SSI)作为一类与社会和科学紧密相关的真实问题，是科学教学的重要载体。文章旨在系统探讨SSI在科学教育中的实践价值及其本土化教学优化路径。首先，在认识论层面厘清SSI的内涵特征，系统阐释其在促进学生核心素养发展方面的独特教育价值；其次，综合已有的相关理论与实证研究，揭示学生在SSI问题解决过程中存在的素养短板；最后，针对学生的素养发展困境，以思维型科学探究教学理论为指导，有机融合SSI本质特征，从教学改革原则、单元整合路径、教学实施过程模型三个层面构建SSI教学设计模型，为科学教师实施SSI教学提供系统的理论指导与实践范式。【关键词】科学教育；核心素养；社会性科学议题；思维型科学探究

当前各国都将科学教育的培养目标转向提升学生的核心素养[1]，社会性科学议题(Socio-scientificIssues，SSI)作为一种与科学本质、社会发展、伦理道德等密切相关的复杂真实问题，被视为落实学生核心素养培养的重要载体[2]。然而，现有SSI教学实践在突破学生高阶思维发展瓶颈方面仍缺乏系统性操作框架。值得关注的是，《义务教育科学课程标准(2022年版)》提出以思维型科学探究作为素养培育的实施路径，这为突破现有SSI教学困境提供了重要理论支点。本研究拟在分析SSI教学现状的基础上，论证以思维型科学探究理论指导为突破SSI教学困境的可行性，并构建SSI-思维型科学探究教学模式。 一、社会性科学议题的内涵特征解析与教育价值表征 (一)社会性科学议题的内涵特征解析 SSI指的是从科学与社会的互动中产生的与科学有关的、开放性的、有争议的真实问题，涉及对缺乏明确解决方案的复杂问题的立场选择和评估[3]。与STS(Science，Technology，Society，STS)相比，SSI的独特之处在于，它强调学生的心理和认识论发展，以及在学生努力分析其决策中包含的伦理含义时品格和美德的发展。此外，已有研究表明通过SSI教学，能够对学生学习科学内容产生积极的影响[4]。因此，SSI教学被认为是一种在复杂的社会和政治背景下进行科学学习的有效方式。 SSI中社会性背景与科学性背景交织引发的主要核心特征包括：第一，结构不良特征，即SSI作为一种来源于社会生活的、有争议的真实问题，没有绝对正确的答案；第二，跨学科特征，即SSI问题解决通常需要学生从系统性的视角，综合考虑科学、社会、技术、政治、伦理等多个领域的知识与方法[5]。 (二)核心素养视域下社会性科学议题的教育价值生成 科学课程中的核心素养是学生在科学学习过程中逐步形成的正确价值观、必备品格和关键能力，关注科学观念、科学思维、探究实践、态度责任四个维度的整合发展[6]。SSI的基本特征有助于支撑学生科学课程核心素养的全面发展。 首先，SSI的跨学科特征为发展学生的科学观念提供了条件。科学观念的组成内容包括理解具体观念、认识科学本质、应用具体观念解决真实问题三个层次。SSI的跨学科特征要求学生在解决问题的过程中结合新信息，对大脑中已有的多个学科的观念进行细化理解、知识重组和逻辑关联，自主提出情境特定的科学论点。这不仅有助于学生在迁移应用过程中深化对具体观念的理解，同时能够在原有的认知结构的基础上建构新的认知结构，形成跨学科观念并理解科学的社会性与相对客观性等本质特征[7]。 其次，SSI的跨学科特征为学生提供了理解和认同社会价值观，成长为一个具有责任担当的社会公民的实践路径。一方面，SSI涉及国家或地区内的科技发展与应用，需要学生以特定环境背景下的社会核心价值理念、道德信念为引领，结合个体价值观对问题提出自己的看法与建议。这不仅有助于学生建立起个体价值认同与社会核心价值理念之间的相互关系，同时能够感知特定环境下所形成的社会价值观的现实意义。另一方面，SSI涉及可持续发展问题，需要学生以构建人类命运共同体为基本信念，在问题解决过程中理解并尊重不同国家和地区的社会、经济、文化背景差异，从而有利于发展学生的跨文化素养，帮助学生成长为一个具有责任担当的全球公民[8]。 最后，SSI的结构不良特征决定了SSI问题解决过程中的实践复杂性，有利于发展学生的科学思维与探究实践能力。由于SSI没有明确解决路径与答案[5]，在SSI学习过程中，学生需要运用创造性思维发散性地分析问题产生的原因，考虑所有可能的解决方案，并从多个角度收集信息以明确不同解决方案的优缺点；与他人合作交流，运用批判性思维进行理论与证据之间的协调，对不同决策方案的优点与缺点进行论证，从而就问题解决方案形成一致的观点。 二、社会性科学议题背景下学生素养发展的主要困境 虽然SSI应用于科学教育有助于发展学生的核心素养，但我国对于SSI如何应用于科学教学仍缺少相关的理论指导，导致SSI教学难以达到预期的效果。如前所述，SSI教学的最终目的是提升学生的科学素养，因此本研究首先基于对已有理论与实证研究的结果的梳理，从多个视角分析了学生在实际的SSI问题解决过程中所面临的现实困境，以期为教学改革提供针对性的参考借鉴。 (一)基于知识迁移的科学决策能力有待提升 SSI问题决策虽然需要综合考虑政治、经济、伦理等多种社会因素才能解决，但科学概念是其核心依据与重要前提[9]，SSI教学的目的之一是帮助学生建立科学与社会之间的紧密联系。因此，将科学知识应用迁移至SSI决策是学生的必备素养。然而，大多数学生更倾向于从价值与情感视角考虑问题，在自主地将科学知识灵活迁移应用至SSI问题解决方面面临一定挑战[10][11]。 (二)基于推理论证的理性思维能力有待提升 依据双重加工理论，SSI解决过程涉及两种认知加工类型。个体首先会基于情感作出一个直觉性决策，并以此为指导完成理性的推理论证认知加工[12]。由于直觉决策是基于无意识、快速的启发式加工系统，而理性决策是一种缓慢、费力，需要经过深思熟虑的反思性加工系统，因此研究发现大部分学生都能在SSI决策中提出主张，但在为主张提供证据或基于推理建立证据与主张之间的联系等理性思维方面存在较大困难[13][14]。 (三)基于综合权衡的辩证思维能力有待提升 辩证思维是一种处理矛盾的认知过程和认识论方法，需要个体用对立统一的观点去分析问题，表现出灵活性与具体性等特征[15]545。由于SSI从正反面都能提出支持性与反对性的理由，因此在作出决策时需要个体应用辩证逻辑全面分析问题并考虑其中的内在矛盾，通过权衡不同方案的利弊后得出最终的结论。但研究发现，学生往往会忽略与他们的决策(主张)相矛盾的证据，仅围绕自己的主张提出支持性的理由[16]。因此，对学生而言，通过评估每个选项的优点和缺点并权衡后作出决策是最复杂的一种逻辑思维能力[10]。 综合以上分析可知，学生在SSI背景下的素养表现主要受限于科学思维能力与知识应用迁移能力。然而，由于缺少系统的教学理论指导，很多教师在教学过程中尚未建立起SSI教学与学生的认知发展规律之间的紧密联系。例如，激活学生学习动机的关键是引发认知冲突，但已有的SSI教学中大多关注情境的真实性，很少合理地利用SSI情境的复杂性和两难性引导学生产生认知冲突。思维型科学探究教学通过分析当代学习理论和国际科学教育改革趋势，解决了传统科学探究重技能操作而忽视思维培养的问题[17]。因此，可为突破当前的SSI学习困境提供操作性指导。 三、基于思维型科学探究的社会性科学议题教学改革原则 针对学生在SSI学习过程中面临的主要困境，本文以思维型科学探究教学理论中提出的教学原则为指导，提出支持学生突破素养发展困境的SSI教学改革原则。 (一)实施单元整合教学，支持学生的应用迁移能力发展 SSI学习过程中，学生面临的主要困境之一是科学知识的应用迁移。依据思维型科学探究教学的基本原则，应用迁移既涉及新旧知识的联系重构，也涉及问题解决过程中不同学科、不同领域间知识与方法的交互作用[17]。传统的单元教学按照线性逻辑组织教学内容，重视科学知识点的传授，不利于知识在真实问题情境下的应用迁移[18]。因此，解决该问题的主要路径之一是实施以SSI为线索的单元整合教学，围绕特定内容主题进行统筹规划，重视单元内不同课时教学内容之间关联性与结构化，将自然科学知识学习与SSI问题解决进行有机整合，以期培养学生自主地将科学知识应用迁移至SSI问题解决的思维习惯。 (二)引发学生的认知冲突，激活学生的学习动机与思维主动性 学生缺乏克服直觉进行理性思考与基于辩证逻辑进行权衡决策等思维能力，是限制SSI问题解决表现的核心因素。因此，在教学过程中激活并培养学生的科学思维是促进核心素养发展的重要条件。学生积极思维的前提条件是激活学习动机，引发认知冲突。具体而言，认知冲突是指意识到矛盾的、不一致的信息而产生的一种短暂的、不平衡的知觉状态[19]。当人们注意到原有认知结构与新的外部信息之间的差异(内部-外部冲突)，或者个体认知结构的不同组成要素(如知识、信念、价值观)之间存在差异时(内部冲突)，就会产生认知冲突。SSI的结构不良特征为引发学生的认知冲突提供了良好背景。 (三)提供元认知脚手架，促进学生的理性思考与反思性认知加工 由于学生在SSI学习过程中的主要困境之一是无法进行理性思维，因此SSI教学有效实施的关键在于教师需要启发并引导学生进行反思性认知加工。有研究者指出，反思性认知加工会受动机因素和元认知影响[20]，其中元认知是链接启发式加工与反思性认知加工的关键，主要作用是对个体的认知过程进行评估，并进一步采取适当的行为。学生对于直觉决策的正确性的感知、对SSI问题理解的充分程度、是否要寻找更多信息等都是由元认知判断调控的。因此，教学过程中应注意激活学生的元认知活动以促进反思性认知加工。 (四)以自主·合作·探究为活动形式，支持学生的辩证思维发展 辩证思维要求学生能从不同的视角与立场对问题进行综合考虑，基于对矛盾冲突的协调与包容作出决策。通过合作交流，对SSI持有不同立场的学生能够交互进行论点表达、评估与反驳，最终解决矛盾并达成共识。此过程一方面能激发学生更全面并深刻地思考问题以说服他人，另一方面，不同的观点交互能够帮助学生意识到SSI问题的两难性，从而激活学生的辩证思维。基于思维型科学探究教学理论，有效合作交流的前提是需要每个个体都对问题进行独立自主的思考，并通过探究收集证据以构成有说服力的论点。因此，SSI教学应当以自主·合作·探究为活动形式，支持学生的思维能力提升。 四、基于思维型科学探究的社会性科学议题单元整合设计路径 如前所述，结合SSI背景实施单元整合教学是帮助学生形成将科学知识应用迁移至真实问题解决的思维习惯与思维品质的重要路径。具体来看，以SSI为主题，整合自然科学知识学习与SSI问题解决的单元教学设计包括三个主要步骤。 (一)基于科学知识内容主题创设社会性科学议题问题情境 我国科学教材大多是以科学概念发展为逻辑主线、以单元为基础结构编排内容主题的[21]。因此，可以基于所在单元的科学知识内容主题创设SSI问题情境。例如，我国八年级生物学科的学习内容涉及动物与人类生活的关系、细菌与真菌、病毒等内容，可选择“家禽的工厂化养殖”作为单元主题，通过该议题中所涉及的全球肉类短缺、工厂化养殖引发的病毒暴发与疫病传播等问题将不同的科学内容知识学习串联。受科学知识复杂性、利益群体多样性、对人类社会造成的后果风险大小等因素的影响，SSI问题的难度也有所不同。教师在选择SSI时，除了围绕科学知识主题展开，还需要综合考虑学生的认知水平与教师自身的知识储备，确定SSI难度适当性。 (二)基于社会性科学议题问题解决需求提出科学探究问题 为了帮助学生建立起SSI问题解决与科学知识学习之间的紧密联系，教师可以通过三个步骤引导学生将SSI问题解决转化为科学探究问题：一是解构SSI中的核心矛盾；二是提取解决矛盾点所需的信息，引导学生提出科学问题；三是设计探究任务链，建立现实问题与学科知识的认知映射。例如，“家禽的工厂化养殖”中存在的主要矛盾是：在应对全球肉类需求持续增长的压力下，工业化养殖虽然能提升禽肉供给效率，但衍生出多重负面效应——公共卫生维度(大规模养殖引发的超级细菌和人畜共患病等)、生态环境维度(抗生素滥用导致的土壤环境抗生素污染与生态平衡问题)、伦理维度(动物福利指数下降)。为了解决这一问题，学生需要了解人体所需营养物质、细菌与病毒的产生与传播、抗生素的作用等。进一步，可基于SSI问题解决需求设计多个探究活动，帮助学生形成科学观念，并建立科学观念与SSI的关联性。 (三)将科学探究结果应用迁移至社会性科学议题问题解决 在对相关科学问题的探究活动结束后，教师需要组织学生将探究过程中形成的科学观念、科学思维方法与态度责任进一步应用迁移至SSI决策并形成完整的论述。首先，科学观念是SSI问题解决的基本认知加工材料。其次，科学探究过程中形成的推理论证、模型建构等思维方法可应用至SSI论述方案的建构与表达，深化学生对科学思维的理解与应用。最后，科学探究过程中形成的严谨求实、基于证据表达见解等科学态度可应用至SSI问题解决，并进一步通过科学与社会之间的关系建立发展学生社会责任素养。 五、基于思维型科学探究的社会性科学议题教学实施过程模型 具体到SSI-思维型科学探究教学实施过程，主要包括理解情境、信息收集、自主论证与合作论证、综合建构等四个关键活动要素，进一步结合SSI-思维型科学探究教学的基本原则，本文阐述了各实践活动要素中，学生的思维活动、元认知活动以及认知冲突的引发要素(见图1)。 图1基于思维型科学探究的SSI教学实施过程模型 (一)理解问题情境 理解问题情境是SSI-思维型科学探究的奠基阶段，而原有的科学观念与生活经验是问题理解的基础。因此学生在该阶段需在认知层面调动先验知识与生活经验，明确问题涉及的多种立场与解决方案，理解SSI的内部复杂性特征。在理解SSI问题的基础上，学生需在元认知层面上，明确最终的学习目标指向不同个体之间就问题争议达成一致，并规划阶段性的学习目标，以便有序、高效地进行后续的探究活动。 该阶段也是学生动机激发的关键阶段，引导学生意识到SSI情境中隐含相互矛盾的主张(如核电对人类生活带来的便利以及核污染对生态环境带来的负面影响的矛盾)是在该阶段引发学生的认知冲突，激活探究兴趣的关键因素。 (二)信息收集与评估 明确探究问题后，为了作出明智的决策或提出科学的解决方案，学生需要收集相关信息作为依据。因此，学生需要自主制订信息搜索计划，进行信息搜索与评估。在制订收集计划时，教师需引导学生意识到议题所涉及的跨学科特征，从多个视角考虑信息收集的内容；选择合适的收集方式，如实验观察、网络搜索等；并以批判性思维、创造性思维等方式为基础，从多个视角、多个层面，系统地对不同信息进行比较、分类、分析、综合，评估并选择科学有效的信息。 在该阶段，针对同一问题，不同的搜索途径与方案可能会提供不同的解释，或信息搜索所提供的解释与学生的先验信念不一致，从而产生认知冲突。在元认知层面，学生要从三个角度考虑和完成信息收集过程：一是实践行为的合理与规范性；二是要在信息搜索过程中识别、监控并处理冲突，学会以批判性的思维对信息进行评估、加工与重构；三是根据任务需求和完成情况，有意识地选择和调整任务策略。 (三)自主论证与合作论证 通过自主论证，学生能够应用归纳、演绎、类比等不同的推理方法，对收集的信息进行进一步选择和加工，创造性地提出论点或可行的解决方案，发展推理论证能力，并形成基于证据作出决策或提出方案的思维习惯。在建立论点时，学生需要遵循基本的道德规范和价值观，给出支持(或反对)某一观点或决策的理由和依据，并将论证过程和结果进行抽象概括形成书面表达。 合作论证主要包含三个子阶段。第一，通过具有相同主张或相似解决方案学生进行小组内协作讨论，可帮助学生扩展论证视角，对解决方案进行补充与完善。同时，向他人表述自己的观点或阐述自己的解决方案，可帮助个体在元认知层面对自己的主张、论据、解决方案进行反思与自我修正。第二，与持有不同意见学生进行小组间协作讨论，对他人的论点或方案提出批判性评价与针对性反驳。在该过程中，不同的论点及解决方案能够进一步激发学生的认知冲突，促使学生借助他人对自己论点或解决方案的批判，对论点生成过程或解决方案的设计进行回溯、反思和权衡，进一步修正完善方案。第三，相互协调以达成最终共识。 (四)综合建构 在前面学习过程中，学生科学观念的建构、思维方式与思维能力的发展、态度责任的形成都是交织在对SSI进行推理、论证和决策的实践活动中。为了能够使学生将模糊的概念发展成更连贯的科学观念，将所形成的不同学习策略、思维方法等内化为更系统的科学思维能力，教师需引导学生注意到最初的主张和论点与最终的论证方案之间的矛盾，引发学生的认知冲突，激发学生对学习过程进行综合反思和系统整合，并重新在系统层面上建立完整的SSI立场选择/解决方案的论述。与此同时，为了更加全面、深入、系统地理解SSI问题解决过程中所涉及的品德修养、责任担当等，教师可引导学生通过反思在自我探究与合作论证实践中价值观的形成、修正或转变过程，学会如何面对伦理问题与伦理冲突。 六、基于思维型科学探究的社会科学议题教学实践建议 (一)学习氛围的营造 SSI作为一种有争议的结构不良问题，核心目的是通过两个或两组持有不同观点的人之间的对话性论证解决分歧。为了激发学生的表达意愿，让学生主动、自信地阐述自己的观点，教师要在活动过程中给学生创设公正、开放的论证氛围。例如，在理解问题情