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重视中小学科学教育和课程改革的基础性研究 来源： 转载自：课程教材教法第26卷第1期，西南大学科学教育研究中心 作者： 吴海建（李佳 编辑） 字体：大 中 小 摘要:支持当前科学教育和课程改革的两个基础性研究包括:一是时于科学本身的研究和认识，主要是指科学哲学、科学历史和科学社会学等;二是对于科学教育和教学过程的研究，主要是在科学教育领域的学习理论、学生概念的发展理论等。这两个方面的基础性研究对国外科学教育和课程改革产生了深刻的影响，而当前我国在这两方面研究时于中小学科学课程促进作用似乎还没有引起广泛的重视。关键词:科学教育;课程改革;基础性研究;可持续发展 当今世界，任何国家都不能忽视科学技术对于社会发展和人民生活水平提高的重要作用。具有持续创新能力和大量高素质的人力资源，成为一个国家经济发展、社会进步的关键。中小学科学(理科)教育一般是指有关自然科学的基础教育，它是提高全民族科学技术素养水平的奠基工程，也是落实“科教兴国”战略的有机组成部分。1999年1月在面向21世纪教育振兴行动计划中，提出构建我国面向21世纪的基础教育新课程体系，标志着中小学教育实质性改革进入了一个崭新的阶段。 科学技术本身的飞速发展，不仅改变着人们的生活方式、质量以及生活的环境，影响和改变着人们的宇宙观、道德观、价值观和人生观等，也昭示着传统中小学科学教育目的、内容和形式需要经受重新检验和整合。同以往任何一次课程改革一样，新一轮科学教育和课程改革都应有支持其进行的理论研究基础。结合近年来对影响科学教育和课程改革的基础性理论的学习和体会，笔者认为，当前科学教育和课程改革的理论基础发生了一些变化，主要是由原来直接依赖于教育学和心理学的基础，转向以对科学本身性质的研究和认识，以及成为一个独立研究领域的科学教育教学研究为基础。换言之，本次科学教育及课程改革比以往更具有直接而坚实的理论研究基础。正是基于这一点的重要性，笔者不揣浅陋，提出一些看法，就教于方家。 一、关于科学性质的认识对科学教育和课程改革的影响 对于科学本身的认识，同如何看待和认识科学教育问题是紧密相关的。以Bernal, J. D.为代表的科学家认为，在不同的时期和不同的场合，科学有不同的涵义。科学的多种定义和解释，都反映了科学某一方面的本质特征。常见的表述有以下几种。(1)科学是人对客观世界的认识，是反映客观事实和规律的知识。在这种表述中，说明了人们依赖生产实践、生活实践和科学实验获得对客观世界的认识，其中，科学的认识主要包括对于客观事实和规律的认识，即发现历史事实、社会事实、自然界的事实和其他事实以及对于事物发展过程中事物之间内在的、本质的、必然联系的认识。(2)科学是反映客观事实和规律的知识体系，认为科学是关于自然、社会和思维的知识体系。(3)科学是一项与反映客观事实和规律的知识体系相关活动的事业。 20世纪中叶以来，人们逐渐认识到，只将科学看做反映事实和规律的知识体系，已经不能适应当前科学技术的发展和社会对科学技术的需要，越来越认识到科学技术作为一种人类的事业在社会总体活动中的地位和作用，除具有认识世界的巨大功能外，还具有改造世界的强大生产力功能。1 以科学及其活动本身作为研究对象的科学哲学、科学史和科学社会学，在20世纪先后成为独立的学科，并取得了较大的发展，使人们对于科学的性质、结构和功能及科学发展的规律有了深人的了解，也正在对中小学科学教育产生着深刻的影响。 传统的理科课程论是以经验科学论的归纳法和演绎法为基础的。前者强调知识的学习必须以大量的科学事实作为概括理论知识的基础，掌握知识应通过“观察与试验一获得现象、事实一归纳概括成理论知识一推广”的过程来进行;后者强调学习知识应重点放在掌握基本的概念和法则上，通过它们来扩展知识，学习的过程是:“认识一般原理一检验个别事实一推广出新原理”。应当承认，这两种途径对于认识和掌握大量知识是有益的，但不能很好地满足由于科学和技术的发展对培养未来型人才，尤其是培养创造型人才的新要求。 随着当代科学哲学的蓬勃发展，科学认识论有了创新，自20世纪50年代以来，以Popper, K.为代表的证伪主义或批判理性主义逐渐引起人们的注意，认为科学认识的过程是一个假说一推理证伪)的过程，解决科学问题需要经过下列几个不同的阶段:2 .一个问题存在于某种学说里(提出问题存在的可能范围) .新的理论或学说可以解决这个问题(提出假设) .用新的学说推演可以得到严整的建议(提出证伪途径) .用辩驳性试验来验证建议(证伪) .确定合理的学说(去伪存真) 60年代又出现了以Kuhn, T. S.为主要代表的历史学派，强调用历史的观点去研究科学的发展变化，并提出了“科学革命”的科学认识发展学说，认为科学的发展是由一系列彻底的“革命”来促进的，他提出了“范例”(也译称范式)的概念，认为科学是“范例”的不断演化与积累。川他认为科学家并不是以研究和验证(包括反驳)假说来发展科学的。他将科学发展的过程描述为前科学常规科学科学革命新的常规科学，他还将“科学共同体”作为科学认识的主体，4从而将社会学和心理学的因素引人了科学哲学中，产生了一种全新的“建构主义”科学观点。 Popper, K.和Kuhn, T. S.的科学认识发展学说对当代中小学科学教育和课程理论产生了深刻的影响。影响之一，是科学课程在内容的组织上较为强调运用“假说一推理一阐明结论”的方式，并力图将这种方式也贯穿于科学教学过程;影响之二，是在科学教育中重视科学概念、科学理论和科学发展史等知识内容的学习，教材的组织也十分重视它们之间的综合。 有研究表明，如何看待科学，特别是教育工作者自己的科学观念，对于学生的科学观念的形成和发展始终起着很重要的作用。不过，自20世纪80年代以来，关于科学性质的认识，从来没有像现在这样受到科学教育研究者和教师的广泛关注，并产生如此深刻和巨大的影响。这种影响有下列两个主要的特点。 第一个特点，关于科学本身的认识对教育工作者的教育观念有深刻影响。有人指出，传统科学教育中存在着一些误区，5例如: 科学家是特别客观的 科学就是孤独的探索 科学和技术是等同的 假说变成学说，后又变成定律 科学定律和其他一些观念是绝对正确的 仔细积累的证据就逐渐成为可靠的知识 为了使科学结论准确，必须反复验证 科学及其方法能提供可靠的证明 科学更多的是渐进过程，而不是创造 科学及其方法可以解决所有的问题 实验是通向科学认识的主要途径 一种科学新知识的接受是很快的 科学模型代表真实的事物 上述一些似乎没有任何问题的观点，长期以来，都在潜移默化地指导着科学教师的教学过程。 第二个特点，尽管不同的学术观点仍然在继续论争，但关于科学性质、科学历史和科学社会学的一些观点开始进入中小学科学教育的课程内容。从国际上有影响的8种科学教育课程标准等有关文献中可以看出，一些观点得到了较为普遍的接受。5例如: 尽管科学知识经受长期的考验，但是，它却具有可变的特质 科学知识更多地依赖于观察、实验证据、理性辫论和怀疑精神 科学研究的一般方法和一步步的科学步骤不一定得到可靠的科学结论 科学力图解释自然现象 各种定律、学说在科学中起到不同的作用，所以，学生应该注意到学说即使获得了很多的证据，也不一定变成定律 新知识必须清晰、公开地报导 科学家需要准确的实验记录，也要受到科学共同体的审查、批评 观察离不开理论的指导 科学家具有创造性 科学历史表明其发展既有进化的特点，也有革命的特点 科学是社会和文化传统的组成部分 科学和技术是相互作用的 科学观念还受到社会和历史环境的影响 在过去的二十多年中，西方中小学科学教育界有关科学性质问题的讨论，确实对科学教师的传统观念产生了强烈的冲击，甚至出现了一些科学相对主义的倾向。而在我国中小学科学教育界，随着课程改革的深人进行，关于科学性质等问题也开始成为热门话题，越来越需要对此问题进行专门的讨论和研究。 二、教学同学生发展的研究对科学教育和课程改革的影响 在科学教学过程中，教师都在有意无意地采用着一些有关学生学习的理论和假设。例如，认为知道是什么一定先于知道怎么样;认为有效的学习顺序是，先接受、记住，再通过一系列练习增强理解，后再试图应用;认为最好先在较抽象的层次上讲解，然后，再在不同的背景中应用;认为通过外来压力可以提高学习的动机，而不是通过改变学习的形式或呈现内容的方式;认为学生学习的困难和失败是由于学生的能力不足或不够努力，很少考虑教师自己喜欢和擅长的学习风格同学生学习风格是否匹配等。 近年来，科学教学理论的研究者通过他们长期深人的研究，也有很多教师通过自己的教学实践，开始反思这些基本的假设。他们认为，基于上述假设的教学只能使一小部分学生学习成功.而没有激活和开启其他更多学生的学习动机和潜能。具体地说，学习应该建立在并开始于学生所知道的知识、已经具有的观念，只有通过这种途径，才能使学生将新知识纳人他们自己的有意义的结构中。 (一)建构主义学习理论 建构主义学习理论在过去的二十多年中，对中小学科学教学有广泛的影响，其基本观点认为，学生是主动的学习者，在他们进人课堂前就已经具有了一些关于自然现象的观念，这些观念来自于他们的日常生活经验。因此，学习科学就不仅包括适应新的观念，而且包括修正或者取代已有的观念。这种过程就是学生通过建构意义去主动认识世界的过程。匡在科学教育领域，建构主义学习理论主要有以下一些代表性的观点。 在正式的学校教育开始以前，儿童已经形成了关于自然现象和环境的认知模式; 学习者积极主动地建构自己关于自然环境的认知模式; 这些认知模式不断地用于解释新的经历，并在应用过程中得到修改; 这些认知模式的应用范围是多种多样的，或者说已经在多种多样经历中得到广泛的应用; 这些认知模式在可变性上是不同的，有些是不稳定的;而有些却是固着性很强，对教师的教学努力具有很强的抵制性; 由于认知模式具有的固着性以及同正式科学概念的相互作用，使得教学的结果常常同期望的不同，这点在教学过程中常常被忽视; 将一种观点置于一定的情景中，有利于学生更好地理解和掌握; 如果呈现给学生那些零散、原子化的知识点，只能导致机械的记忆，也不可能很好地运用;即使记住，也更有可能在很短的时间内就忘记。 虽然，这种学习理论具有很多共同的特点，但不同学者之间仍存在一些分歧。7例如，Ausubel (1968)指出，影响学习的最重要的因素是学习者已经知道的东西，明确这一点并据此进行教学。虽然，大多数学者已经接受这种观点，但对于什么是教学的依据，却有很多不同的解释(Driver, 1980)，例如，Ausubel (1968)认为，发现学生的前位概念，确定教学内容和学生已知内容的必要联系;Wittrock (1974)认为，发现学生产生于他们的文化背景、态度、能力和经验的概念和意义，确定各种方式使学生能够产生对他们有用的、新的意义和概念;Gagne and White (1978)等认为，发现学生的分解技能，然后，从这些分解技能开始，逐步地使学生进步;Driver (1980)等认为，发现学生具有的应变观念(Alternative Viewpoints)，提供条件鼓励学生重新考虑和修正这些观念;Shayer and Adey (1981)等人认为，发现学生思维逻辑结构特点，使课程和概念的逻辑要求同学生思维的逻辑结构相匹配。 需要强调指出的是，自20世纪80年代以来，科学教育已经成为一个独立的研究领域，逐渐形成自己特有的体系，其研究成果直接地成为科学教育和课程改革的基础。C8,这一点，可以从两个方面得到证实，一是很多具有科学和心理学学术背景的学者在过去二十多年中，直接地走进了课堂，对儿童科学概念的形成进行了大量、细致的研究，发表了许多直接影响科学教学过程的专著和论文，上述提到的很多学者就是其中的典型代表。二是一些国家的科学课程标准，直接地建立在这些大量实证性研究的基础之上，1996年颁布的美国国家科学教育标准就是其中的典型代表。 (二)维果茨基等的社会建构学习理论 维果茨基(Vygotsky, L. S.)认为，“教学”是在“发展”之前的，并创造性地提出了“最近发展区”(Zone of Proximal Development, ZPD)的概念。在研究学校学习中，大多数心理实验都用使学生解决一些标准化问题的方法，来测量该学生的心智发展水平。但这种方式只能测量儿童发展已经完成的部分，远未揭示问题的全部。找两名智力年龄同是8岁的儿童，给他们某些靠他们自己很难解决的问题，并给予一定的指导和帮助，研究发现，其中一名儿童可以解决一些智龄12岁的问题，而另一名儿童却至多解决智龄9岁的问题。儿童的实际智龄与在给予帮助下能达到的解决问题水平的差异，表明了儿童最近发展区的存在。经验表明，一名具有较大ZPD的儿童可以取得更好的成绩，好的“教学”应该超前于“发展”并引导发展，但教学目标应该在最近发展区内。9 这一理论同科学教育相关的观点有如下几种。 教育、教学不能等同地看做发展，而恰当组织的教育、教学将导致儿童的智力发展，将产生一个完整系列的发展过程。如果没有教育和教学，发展将是不可能的。所以，教育和教学是儿童发展过程必要的、一般的因素，这种发展过程不是一种自然的过程，而是一种具有人类历史特点的过程。 儿童能够模仿一系列超出他们能力的活动，但只是在一定的范围内。通过模仿，儿童可以在成人的帮助和指导下比在自己独立的情况下做得更好;通过模仿，儿童也可以独立去这样做。这种在成人的帮助和指导下解决问题的水平，同独立解决问题的水平的差异就是最近发展区。 儿童掌握日常概念的程度，反映了他们发展的实际水平，而他们获得的科学概念，反映了他们最近发展区的水平。 当科学概念超出了儿童的发展阶段，我们必须认识到，科学概念的调节可以在儿童心理发展中起重要作用。儿童时期所接受的唯一好的教育、教学，就是超前和引导发展的教育和教学。 以维果茨基为代表的社会建构学习理论，与长期以来在欧美科学教育界占统治地位的皮亚杰(Piaget, J.)认知发展阶段理论有很大的不同，经过改造和发展，作为皮亚杰理论的一个重要补充，在最近的二十多年来，同西方建构主义学习理论一起成为欧美科学教育和课程改革的重要理论基础。三、结束语 综上所述，关于科学本身的研究成果，以及建构主义学习理论、社会建构学习理论的观点，已经成为支撑科学教育和课程改革的两个重要理论基础，对当前教育、教学改革正在产生极大的影响。 自20世纪70年代以来，在充分享受科学技术进步所带来的社会、经济发展等巨大利益的同时，人们也受到来自大自然的报复和惩罚，开始反思科学技术同社会的相互作用关系。科学主义受到了抨击，人文精神和科学史受到越来越多的关注。科学哲学发展同科学史和科学社会学发展密切了联系，成为科学方法理论现代发展的一个特点。科学作为一种探究活动，作为一种知识体系、一种文化、一种社会性事业或活动，它的发展既受到其内部的逻辑和认识因素的影响，又有社会、政治、经济、意识形态等外部制约因素。在当前的课程改革中，科学(理科)教师对于科学本身认识和观念的变革，是树立科学新课程理念的重要方面，但由于历史的原因，我们在这方面所做的工作还不够系统和深人，特别期望研究科学哲学、科学历史和科学社会学方面的学者，给予中小学科学教育更多的关注，并积极地参与进来.为中小学科学教育和课程改革作出贡献。 对一些其他国家和地区的科学课程改革文件进行比较研究，是制定、实施我国中小学科学课程标准的一项基础性工作，如果我们不对形成这些课程文件的支撑性基础性研究做一些深层次的分析和介绍，就会使教师对正在进行的课程改革只知其然，而不知其所以然。如前所述，当前的科学课程改革越来越将科学教育过程本身的特点和规律直接作为基础，那么，就更需要教师广泛地、积极地参与这一基础性研究过程，使制定的课程标准更好地落实到我国广大学校、学生的实际之中。提高中小学教育工作者自身的研究水平，将长期实践所积累的教学经验，在新课程的背景下，提升到一定的理论高度，这样不仅可以建立可与其他国家比较和交流的我国特有的科学教育、教学理论，而且会变成不竭的动力源泉，推动我国中小学科学教育和课程改革持续向前发展。参考文献:1宋健，惠永正.现代科学技术基础知识M北京:科学出版社，1994.2殷正坤，邱仁宗科学哲学导论M.武汉:华中理工大学出版社，1996.3舒炜光，邱仁宗.当代西方科学哲学述评M.北京:人民出版社，1987.4库恩.科学革命的结构M.李宝恒，纪树立,译.上海: 上海科技出版社，1980.5 Mccomas W F.(eds.)The Nature of Science in Science Education，Rationales and StrategiesM. London: Kluwer Academic Publishers. 1999.6 Scott P, et al. A Constructivist View of Learning and Teaching in Science (Children，Learning in Science Project)M. Leeds: University of Leeds, Centres for Studies in Science and Mathematics Education, 19877 Black P J，Lucas A M. (eds.)Childrens 1nformal Ideas in Science. London and New York: Routledge, 1993.8美国科学促进协会.科学素养的基准M.中国科学技术协会，译北京:科学普及出版社， 2001. 2;53一287.9 Vygotsky I. S. Thought and LanguageM.Edited and Translated by Hanfman E. Vakar G. Cambridge: The Massachusetts Institute of Technology Press. 1962.