美国科学实践活动的内涵、类型与实施路径

摘   要：科学实践是对科学探究的继承与发展，是在工程、技术等多学科指导下解决真实情境中的问题的过程。美国《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念与核心概念》及其衍生的《下一代科学标准》中描绘了多项科学与工程实践活动，具体包括提出问题与定义问题，开发和使用模型，计划和开展调查，分析和解释数据，使用数学和计算思维，构建解释和设计方案，根据证据进行论证，获取、评估和交流信息八个活动类型，各类实践活动都具有其独特的内涵、重要的价值和具体的实施路径。分析八类实践活动能为科学实践教学提供参考，赋能科学核心素养培育。

关键词：科学实践；科学教育；工程实践

中图分类号：G420         文献标志码：A         DOI：10.3969/j.issn.1672-3937.2024.11.09

一、引言

2012年，美国国家研究委员会（National Research Council， NRC）发布的《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念与核心概念》报告引入并确立“科学实践”这一核心概念。[1]随后，2013年美国《下一代科学标准》将科学教育领域原本占据主导地位的“科学探究”理念重塑为“科学实践”[2]，这一转变基于以下两个关键考量。其一，原有的科学探究定义存在理论上的不完整性。尽管现行的探究活动已普遍包含实践成分，但在教育实践中，教育者往往对实践的重要性认识不足或产生误解，认为实施任何形式的实践活动即可满足科学探究的教学目标，这在一定程度上导致科学实践本质含义的淡化和简化。其二，对科学探究的传统解读往往将其固化为一种机械的程序或单一的“科学方法论”。相较之下，科学实践则能够提供一个更为丰富和完整的平台，使学生在与其年龄段相适应的层次上进行多元化的探究，模拟科学家严谨的分析论证过程，同时融合运用多样化的科学方法手段。[3]

近年来，随着我国科学教育课程改革的不断发展，2022年版《义务教育科学课程标准》将探究实践的地位提升，探究实践取代科学探究成为学生核心素养的构成要素之一。我国学术界对于科学探究与科学实践之间的关系及其区别也有了更为清晰的认识。科学实践，主要体现在通过理解和探索自然世界来获取科学知识、解决问题，并在参与技术与工程实践活动的过程中，逐渐发展和完善学生的科学探究能力、技术与工程实践能力和自主学习能力。[4]从内涵和外延上看，科学实践包含了科学探究，其中科学探究聚焦于课堂环境中科学知识的结构化构建和科学思维方式的培养。而科学实践则更深入地侧重于将科学知识应用于解决实际问题，从而深入培养学生的高阶科学思维能力。此外，相较于科学探究主要在单一学科领域内展开，科学实践更主张跨学科融合，它嵌入工程、技术等相关领域的知识内容，更加凸显实践在科学教育整体架构中的核心价值与作用。

在梳理科学实践这一概念的历史演进及其内涵后，当下面临的一项紧迫任务是对科学实践所涵盖的具体实践活动进行明确辨析。《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念与核心概念》及其衍生的《下一代科学标准》中详尽列举八项科学与工程实践活动的核心组成，分别为：提出问题与定义问题，开发和使用模型，计划和开展调查，分析和解释数据，使用数学和计算思维，构建解释和设计方案，根据证据进行论证，获取、评估和交流信息。然而，这些实践活动的深层含义、为何要在教育过程中积极推行，以及如何在遵循传统教学模式的课堂环境中巧妙地嵌入与实施，尚需深度探讨与解析。本文从内涵解读、实施价值和课堂教学策略三个维度入手，期冀为科学实践高效恰当地融入教育实践提供抓手，从而实现教学理念与实际操作的深度融合与协同增效。

二、实践活动

（一）提出问题与定义问题

1.内涵解读

此实践活动横跨科学教育与工程实践两大维度，其中提出问题环节对应科学教育范畴，定义问题环节突出工程实践领域的特性。普遍观点认为，在学生面临疑惑或需要援助的情境下会产生问题意识。《下一代科学标准》倡导的提出问题实践则进一步阐述，学生主动发问的目的在于识别他们需要澄清的认知要点，以期解释所观察到的现象。这一过程富含激发性和互动性元素，有力地促使学生聚焦于待解析的现象核心。

科学实践活动中提出能够有效驱动探究进程的问题，必然离不开科学实践目标的定向指导。科学实践旨在揭示自然界中各类现象的运作机理及其背后的因果关系。故此，一个优质的问题必须与欲求解释的现象保持深度关联。为了构造出有价值的问题，需要超越简单的事实确认型问题（如物体是否会发声？）以及仅追求经验数据获取的问题范畴，转而追求探索机制本质的问题（如物体如何发声？）。

2.实施价值

《下一代科学标准》及其他相关教育框架高度重视培养学生的诠释性思维能力，而非单纯的知识点记忆。在《下一代科学标准》中，学科核心概念被视作引导学生理解自然世界的动态建构性思想工具，而“问题”与“挑战”在构建和应用此类知识的过程中扮演着至关重要的角色。在课堂教学情境中，问题作为探究活动的起点，不仅明确有待解释的现象内容，而且是开启对新现象深入探究的“启动键”。在问题被提出或界定后，通常需要援引一般性的解释模型，构建并检验解释。这一过程往往涉及运用数据作为证据来判断不同假设之间的优劣。由此可知，问题的提出与定义并非孤立的科学实践活动，而与其他多种科学实践活动紧密交织，共同构成科学探究的基础。

3.课堂教学策略

循环反思与问题迭代。科学实践是一个包含多个相互关联步骤的整体过程，其价值体现在集体促进对自然世界的探析与理解。问题提出的有效性，部分源于其与其他实践环节的联动性。在启动新的实践活动之前，学生应回顾已有的问题清单，核查原有问题是否已获解答，或是从中衍生出新的探究方向。师生共同参与这一过程，通过对既有问题的再思考与总结，确定哪些问题已解决、哪些尚需进一步探讨。

提供认知支持结构。教师可采取两方面的策略来搭建问题导向的支持架构。一方面，对主导实验或驱动探究的核心问题进行分类，明确每种类型问题所指向的学习终点及其对学生实践活动的指导意义；另一方面，助力学生扩展现有的解释模型，诱发对现有解释的批判性思考，进而提出更具层次性的问题，以问题为导向推动调查走向更深层次或调整模型，以此为桥梁连接其他类型的实践活动，为学生形成高质量问题提供隐性支持。

构建积极的提问文化环境。在某些课堂环境中，提出问题有时会被误解为知识欠缺的表现，甚至与失败挂钩。真正接纳知识建构的理念并将问题置于核心位置，意味着要让学生坦然面对自身的知识盲区，将提问视为一种积极的学习行为而非不足的表征。为此，教师可通过认可提问的潜在学习价值，积极鼓励学生大胆提问，从而营造一个正面、和谐且富有启发性的提问氛围。

（二）开发和使用模型

1.内涵解读

在了解模型实践概念前，需要先阐明何为模型。在科学教育领域，模型通常有以下两种解释。其一，模型是由它们的使用方式定义的。科学模型是帮助人们预测和解释世界的意义构建工具。[5]在工程中，模型用于分析、测试和设计。其二，模型不同于它们所采用的表征形式。它们可以采用图表、文字、方程或计算机程序的形式，用于体现关于现象如何以及为什么发生的信息，或者用于表达关于被研究系统的组成部分和关系的信息。[6]美国国家研究委员会将模型概括为“思考、预测和理解经验的工具”[7]，开发和使用模型实践是将这些想法具体化的过程，其本质是找出并使用关于理论、实际对象，以及它们之间关系的具体想法，以解释自然界或特定世界中的各类行为。因此，开发和使用模型实践也被划分为两方面——思考模型和用模型思考。从思考模型角度来看，这类模型实践指学生开发一个模型，该模型体现了理论和证据的各个方面，学生根据经验证据和理论评估并修改该模型，使其更好地满足解释和预测的目标。科学教育还帮助学生用模型来思考，这类模型实践指学生需要使用或应用模型以特定的方式预测和解释现象。

2.实施价值

《K-12科学教育框架》指出，“科学家使用模型来代表他们目前对正在研究的系统的理解，帮助他们提出问题和构建解释，并与他人交流想法”。[8]基于此，可以从模型实践本身的意义以及与其他实践活动关系两方面探讨实施模型实践的重要性。

建模是科学家智力工作的核心，有助于组织、整合理论和经验，以实现对现象进行理解的基本目标。在学校中，建模也可以引导学生开展科学实践。一方面，建模可以促进学生对专业知识的深刻理解，并且通过引导学生参与科学实践活动，来树立对科学事业更深入的理解；另一方面，作为工具的模型和作为实践的建模可以帮助学生思维具体化，完善学生的想法，从而将学生带入科学研究的实践当中。

同时，建模也是科学与工程实践活动的关键部分。建模可以是一种锚定实践，它可以激励、指导其他实践，并为它们注入更广泛的方法，产生更有效的实践意义。具体来看，模型有助于识别问题并预测答案、指导学生实证调查。模型也可以被视为解释数据的模具、能够被修改并应用于回答或解释、预测和解决问题。一般来说，数学、科学论证实践过程中会建构、评估模型，模型保存和组织相关信息的特征，也会成为交流信息时的焦点。

3.课堂教学策略

其一，关注现象和来自这些现象的数据。为了明确在建模单元中与学生一起做的内容，教师需要厘清将围绕哪些现象以及关于该现象的具体问题，并将这些问题集中在建模的话题上。教师必须清楚目标模式、模型的表示方式，以及如何指导学生发展、测试、修改和扩展想法。其二，把握根据现象提出驱动性问题的机会。以解决一个重要的大问题为主导，在单元教学中解决大问题下辖的各个小问题，保持问题解决的连贯性，构成搭建模型的各个必要组成部分。其三，让学生参与模型评估和修订的反复循环，并强调模型是基于经验数据和证据的。在这个过程中确保记录迭代模型的想法，鼓励学生将各种信息和想法记录在笔记本上，作为形成性和终结性评价的组成部分。其四，要求学生使用模型来解释特定现象，由此巩固和发展学生的理解能力。其五，让学生体会建模的社会本质属性——在构建和应用模型时，通过论证对模型实施评估，依据交流、基于证据的解释达成共识。

（三）计划和开展调查

1.内涵解读

计划和开展调查可以概括为“弄清楚实践过程中需要什么样的信息和观察以解决有关现象的问题，并掌握系统地收集和记录的方法”。它包含以下四项原则。其一，遵循调查的循环性。需要实施多次相互协调的调查，经历“发展假设—设计研究—收集新数据—表达和交流发现”的循环来开发新想法，实现从一系列“小”的解释汇聚成为解决问题的最优解。其二，注重调查的目的性。调查应基于学生对当前问题的解释和已有的科学思想，应当让学生识别他们目前的理解存在漏洞的地方，利用相关解释与新的概念重新讨论需要进一步探索的问题，以及如何在现有资源条件下收集数据。其三，明确调查的特殊性。帮助学生理解为什么要在探究过程中的特定时间以特定方式进行特定研究。其四，接受调查的复杂性。课堂上的科学调查通常是有效的，即经常可以实现预期结果，但实际上科学调查的过程并非一蹴而就，要综合运用多种科学方法和技能，具有一定的复杂性。

2.实施价值

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[9]，人们理解自然和解决问题都基于计划和调查。科学观念是基于观察自然世界现象逐步形成的，即使是感官和仪器无法探测到的不可观测物体，也能够依据可观测物体的规律来加以预测和判断。如果说科学是可观测物体与不可观测物体的协调，那么数据是科学事业向前发展的基础，而调查作为数据的来源，扮演着科学事业核心部分的角色。

3.课堂教学策略

首先，明确收集数据的思路。要明确在计划和调查实践中收集数据的目的，以了解事件间的相互关系、因果关系、时空特征，区分不同场景下可运用的调查类型，如通过控制实验、模拟实验获取数据。其次，选择测量和收集数据的程序与工具。教师可以创建收集数据的良好环境，帮助学生选择专门的收集方法和工具。最后，系统地实施调查。教师与学生可以协同制定计划，以有组织的方式获取并记录数据，最终将收集到的信息记录在数据表等工具中。