科学学科核心素养及其内涵

1科学学科的核心素养及其内涵胡卫平（陕西师范大学现代教学技术教育部重点实验室，西安，710062）自然科学是研究自然界物质的形态、结构、性质、运动规律及物质间相互作用的一门科学，在国际上简称科学，本质上是一个整体，只是为了研究的方便，人们把它分解成物理、化学、生物等分支。在科学教育领域，大部分国家和地区都统一制定科学学科的核心素养和课程标准，围绕核心概念整合物理、化学、生物等课程内容，基于学习进阶确定小学、初中、高中的内容分布。制定一个统一的科学学科核心素养，不论对高中物理、化学、生物的课程改革，还是对小学科学、初中科学（或者物理、化学、生物等）的课程改革，以及推进STEAM教育等，都具有重要的价值。综合国际组织和世界各国对核心素养内涵的界定，考虑到不同学科对核心素养的研究，以及我国对学生发展核心素养的定义[1]，我们将科学学科的核心素养定义为：学生在接受科学教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，是学生通过科学学习内化的带有科学学科特性的品质，是科学学科育人价值的集中体现。依据学生发展核心素养和科学学科的本质，系统分析了主要发达国家的科学课程标准和国际科学教育研究现状与趋势，总结了我国科学教育的实践和研究，建构了科学学科核心素养，主要包括四个方面。一、科学观念及应用“科学观念与应用”是学生形成的关于物质、运动、相互作用、能量等的基本认识；是科学概念、规律、原理等在头脑中的提炼和升华；是用科学观念解释自然现象和解决实际问题的能力。由于核心素养是在真实情境中解决问题时才能表现出来的，因此，不仅要重视科学观念的深度理解，还要重视这些观念在真实情景中的应用。知识是能力的基础，有知识不一定就有能力，但没有知识就一定没有能力。在科学教育领域，国际上关于科学知识的表述有核心概念、关键概念、大概念、科学原理、科学知识等等几种方式。在应试教育的背景下，我国特别重视知识和原理的教学，很多学校强调死记硬背的知识和原理学习，而素养强调知识和原理2的深度理解和灵活应用。最新的国际科学教育研究与实践中，强调核心概念、大概念、跨学科概念，而在中国的文化中，概念是指一类事物的共同属性与本质特征[2]，是抽象的，这与国际关于概念的内涵并不一致。因此，在建构科学核心素养时，没有使用科学知识，也没有使用科学概念，而使用了科学观念。一方面，观念是概念和规律等在头脑中的提炼和升华，另一方面，中国文化中的观念与国际上概念的内涵基本一致。我们将科学观念与应用作为科学学科核心素养，其依据主要有两个方面：一是科学教育研究一直重视概念学习[3]。从21世纪之前重视概念发展、概念转变，到最近重视核心概念和概念进阶，都把科学概念学习作为科学教育的重要目标。科学教育研究者普遍认为，科学教育的目标不是去获得一大堆由事实和理论堆砌的知识，而应是实现一个趋向于核心概念的进展过程；二是世界各国的课程标准都将核心概念、或者大概念、或者关键概念、或者知识理解与应用、工程实践等作为重要的科学素养。如美国颁布了《K-12年级科学教育框架：实践、跨领域概念和核心概念》和《新一代科学课程标准》都强调学科核心概念（bigideas）、跨学科概念（crosscuttingconcepts）、科学和工程实践（scienceandengineeringpractice）。二、科学思维与创新科学思维是具有意识的人脑对科学事物（包括科学对象、科学现象、科学过程、科学事实等）的本质属性、内在规律性及事物间的相互联系和关系的间接和概括的反映。将科学思维与创新作为科学学科的核心素养，主要依据有如下几个方面：一是观察、实验与思维相结合，是科学学科的基本特征；二是学会学习、批判性思维与创新是学生发展核心素养的重要成分；三是21世纪以来的科学教育研究，特别重视科学论证、模型思维和科学推理[3]；四是大部分国家的课程标准都会将科学思维与创新列为课程目标。“科学思维与创新”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。在理解科学思维与创新核心素养时，要注意如下几个方面：第一，理解科学思维本身的特征、形式和方法[4]。科学思维有两个基本特征，一是精确性与近似性的统一，在进行科学思维时，要根据要求和问题的性质，处理好精确性与近似性的关系。二是抽象性与形象性的统一，抽象思维是科学思维3的核心，形象思维是科学思维的先导，具体的科学思维中往往同时存在着两种思维，抽象思维和形象思维相互作用、相互补充，推动着科学的发展。科学思维有科学抽象思维、科学形象思维、科学直觉思维三种形式。凡是以科学概念为思维材料，以科学概念、科学判断和科学推理的形式来反映自然界物质的形态、结构、性质、运动规律及物质间相互作用，达到对科学事物的本质特征和内在联系的认识过程叫做科学抽象思维。科学形象思维就是以科学表象为思维材料而进行的思维。所谓科学直觉思维，就是以科学概念和科学表象结合而成的、具有整体功能的“知识组块”为思维材料而进行的思维，是指人脑不借助于逻辑推理而综合运用已有知识、表象和经验知觉，以高度省略、简化、浓缩的方式洞察事物的实质，并迅速作出猜测、设想或突然领悟的思维。科学思维有多重基本方法，包括分析与综合、抽象与概括、比较与分类、逻辑推理、类比思维、臻美思维等。第二，理解科学思维与创新的四个要素。“科学思维与创新”包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新。模型建构作为一种认识手段和思维方式，是学生根据研究问题和情境，在对客观事物抽象和概括的基础上构建易于研究的、能反映事物本质特征和共同属性的理想模型、理想过程、理想实验和科学概念的过程。模型建构有助于帮助学生抓住事物的关键要素，加深对概念、过程和系统的理解，形成系统思维。科学教育研究和实践中所提出的科学推理，不仅包括逻辑上的归纳推理、演绎推理和类比推理，而且包括分析与综合、抽象与概括、比较与分类等思维方法，还包括控制变量、组合推理、概率推理、相关推理、因果推理、等推理形式[5]。科学论证科学论证（Scientificargumentation）是个人引用数据或资料来支持自己或反驳他人论点的过程。科学论证能力（Scientificargumentationability）是以科学知识为中介，积极面对问题，对所获得的数据资料进行解释说明，提出自己的论点，反思自己和别人论点的不足并提出反论点，同时能反驳他人的质疑和批判的高级思维能力[6]。质疑创新核心是科学创造力。科学创造力是在科学知识学习、科学问题解决和科学创造活动中，根据一定的目的，运用一切已知信息，在新颖、独特且有价值地（或恰当地）产生某种产品的过程中表现出来的智能品质或能力[7]。三、科学探究与交流科学探究是人们探索和了解自然、获得科学知识的主要方法，是提出科学4问题，形成猜想和假设，获取和处理信息，基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。以证据为基础，运用各种信息分析和逻辑推理得出结论，公开研究结果，接受质疑，不断更新和深入，是科学探究的主要特点。将科学探究与交流作为科学学科的核心素养，主要依据有如下几个方面：一是科学教学倡导探究式学习，为学生提供充分的探究式学习机会，逐步培养学生收集和处理科学信息的能力、获取新知识的能力、分析问题和解决问题的能力，以及交流与合作的能力等，形成尊重事实、善于质疑的科学态度，突出学习能力、创新精神、实践能力，以及批判性思维和创造性思维能力的培养。探究及其教学是科学教育最重要的研究领域，最近的趋势是：探究教学强调合作学习与科学论证，基于模型的科学学习环境有利于促进学生进行科学探究，提高学生的探究能力；二是世界各国的课程标准都会将科学探究与交流能力作为培养目标。如美国国家科学教育标准中的课程目标强调培养学生进行科学探究所需要的能力和对科学探究的理解能力。英国国家课程标准将实践与探究技能以及交流都作为学科核心素养。韩国强调培养科学探究自然的能力。加拿大奥尼托巴省强调科学探究、技术问题解决、STSE等。一般情况下，科学探究包含提出问题、作出假设、制订计划、收集证据、处理信息、得出结论、表达交流、迁移应用、反思评价九个方面，可以概括为问题、证据、解释、交流等四大要素。问题：具有科学探究意识，能在学习和日常生活中发现问题、提出合理猜测与假设。如提出或识别可以通过科学探究解决的问题；判断一项探究活动围绕什么问题展开；根据已有研究，提出可以进一步探究的科学问题；针对问题进行合理的猜想与假设。证据：具有设计探究方案和获取证据的能力，能正确实施探究方案，使用各种科技手段和方法收集信息。如能通过观察、调查和实验等方式获取证据；掌握课程标准要求的实验器材的使用、实验方案的设计和数据的收集；以图或表等多种方式呈现收集到的数据。解释：具有分析论证的能力，会使用各种方法和手段分析、处理信息，描述、解释探究结果和变化趋势，基于证据得出合理的结论。如基于证据，分析相关现象或原因；使用课程标准要求的方法和技术来分析数据；对收集到的证据的可靠性进行评估；评价证据是否支持所得出的结论。交流：具有交流与合作的意愿与能力，能准确表述、评估和反思探究过程与结果。如准确表达自己的探究问题、过程和结果；选5择和运用适宜的媒体与他人进行有效交流；对他人的探究过程和结果能提出建设性的意见。除此之外，学生还应理解科学探究：第一，理解科学探究是获取科学知识的主要途径，是通过多种方法寻找证据、运用创造性思维和逻辑推理解决问题，并通过评价与交流等方式形成共识的过程；第二，理解科学探究需要围绕已提出和聚焦的问题设计研究方案，通过收集和分析信息获取证据，经过推理得出结论，并通过有效表达与别人交流自己的探究结果和观点；第三，理解通过科学探究形成共识的科学知识在一定阶段是正确的，但是随着新证据的增加，会不断完善和深入，甚至会发展变化；第四，理解科学探究不仅是一种综合能力，而且是科学学习的主要方式，在科学探究中，掌握分析、综合、比较、分类、抽象、概括、推理、类比等思维方法，发展学习能力、思维能力、实践能力和创新能力，以及运用科学语言与他人交流和沟通的能力四、科学态度与责任“科学态度与责任”是指在认识科学本质，理解科学·技术·社会·环境的关系基础上，逐渐形成的对科学和技术应有的正确态度以及责任感。通过科学学科的学习，学生保持自然现象和好奇心和探究热情，乐于观察、实验和思维；实事求是，不迷信权威，敢于大胆质疑，追求创新；善于与他人合作、分享；了解科学、技术、社会、环境的关系；热爱自然、珍惜生命，具有保护环境、节约资源的责任感。这些都是科学学科核心素养的主要内容，也是科学学习的重要目标。“科学态度与责任”主要包括科学本质、科学态度、社会责任等要素。科学本质是指对于科学知识、科学研究过程、科学方法、科学精神、科学的历史、科学的价值、科学的限度等方面最基本特点的认识，是一种对于科学本身全面的、哲学性的基础认识。科学本质观是一个结构化的观念系统，包括三个方面：一是科学知识的本质。世界是可以认识的、科学是可变的、科学不可能解决所有问题；二是科学研究的本质。科学讲究证据、科学是逻辑与想象相结合的产物、科学用作解释和预测、科学试图确定和避免偏见、科学反对权威；三是科学事业的本质。科学是一种负责的社会活动、科学被分成专门领域并在不同情况下进行研究、科学研究中存在普遍的伦理原则、科学家既作为专家又作为公民参加公共事务。科学态度是个体对科学对象、科学现象、科学过程、科学事实、科学理论、科学研6究等所持有的稳定的心理倾向，主要包括好奇心、实事求是、追求创新、合作分享四个方面。学生通过学习科学，应具有学习和研究科学的好奇心与求知欲；具有基于证据和逻辑发表自己见解的意识和能力，不迷信权威，实事求是；善于从不同角度思考问题，追求创新；能主动与他人合作，尊重他人的情感和态度。社会责任主要包括“科学伦理”和“STSE（科学·技术·社会·环境）”两部分内容，要求是在进行科学研究和科学成果应用时，知道需要考虑伦理和道德的价值取向，并能遵循普遍接受的伦理道德规范；理解科学技术的本质；理解科学、技术、社会与环境的关系；热爱自然，具有保护环