科学实践的内涵、关键要素与实施方式

摘    要：科学实践指从做事、探究中学习，获得科学知识，体验科学方法，培养科学精神，形成科学态度，它是核心素养课堂教学的应然之行。教师要分清其与科学探究的关联，弄清其关键要素为三个场域、三个活动。在具体实施时，教师可基于学科素养的教育目标，以学科思维的培养为抓手，以学科知识教学和认识方式为根基，以化学科学实践为路径，构建“KC—PC—TC—LC协同发展模式”，使四者有机结合、协同发展，从科学实践维度和科学认识维度提高学生的核心素养。

关键词：科学实践；科学探究；化学教学

习近平总书记在2023年中央政治局第三次集体学习时指出，“要在教育‘双减’中做好科学教育加法，激发青少年的好奇心、想象力、探求欲，培育具备科学家潜质、愿意献身科学研究事业的青少年群体”。科学素养是21世纪科学教育的核心，而科学方法教育是科学教育的重要内容，它将影响学生对科学本质的认识和对科学事业的态度。提升学生的化学科学素养是化学教育的重要目标，而在化学教学中实施科学实践，是核心素养课堂教学的应然之行。

一、科学实践的内涵

科学实践是当前科学教育改革的热点，《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“《课程标准》”）提出“科学探究与创新意识”，要求从实践层面激励学生勇于创新。那么，实践的内涵是什么？科学实践的内涵又是什么？实践是人们能动地改造和探索现实世界一切客观物质的社会性活动。哲学视角下的实践是指主观性和客观性在感性活动中的统一，实践是认识的目的。社会学视角下的实践是个体的社会化过程，实践是学生从“自然人”变成“社会人”的通道。心理学视角下的实践强调学生通过实践性或具体性的学习情境“做”，获得对知识的感知和构建，形成学习体验和结果［1］。科学是指关于自然的学问，科学实践是指从做事、探究中学习，获得科学知识，体验科学方法，培养科学精神，形成科学态度。《K-12年级科学教育框架：实践、跨学科概念和学科核心概念》将“科学实践”定义为“科学探究所需要的一系列认知的、社会的和行为的活动”。

综上所述，笔者认为，教育学视角下的科学教育即为特定角度下的“科学实践”，学生在科学实践中发挥主观能动性，在做事中体验、获得真知，认识学科学习的本质和特色。化学科学实践是基于科学实践的思想、体现化学学科特质的做事活动，学生在“学习体验”和“学习历程”的实践中提升学科学习的意义感和效能感，形成正确研究化学科学问题的方法，树立正确的化学学科价值观。

二、科学实践的关键要素

要理解科学实践的关键要素，就必须分清它与科学探究的关联。卢姗姗、毕华林指出，由于理论界对科学探究的内涵缺乏统一的认识，科学探究既可以指科学家的研究过程，也可以指学生的学习活动，这造成探究主体身份的模糊［2］。科学探究主要有三种实施取向（内容—过程、发现—探究、证据—解释），但很多教师把它理解为程序的“硬性规定”和“僵化执行”，欠缺实践效果。科学学习心理学揭示了科学学习的机制，即科学教育必须建立在学生最初观念的基础上，而学生围绕学科核心概念进行深入且连贯的理解时，需要逐步参与实践活动并达到类似科学家的熟练水平，因而科学实践可以消除人们对科学探究的误解：首先，科学实践不是一系列要素构成的固定程序，而是指向不同类型的学生活动；其次，科学实践解决了科学探究由于要素缺乏明确规定而受到阻碍的问题；最后，科学实践消除了按照科学探究的程序可以获得所有科学知识的错误印象［3］。科学探究是始于问题、终于问题的实践过程，它并不刻意遵循某种固定的科学方法和模式，而是应用直觉、想象和创造性设计研究或反省结果［4］。也就是说，科学实践常表现为科学探究，但又不拘泥于科学探究的形式。根据认识论观点，科学探究是“感性认识—理性认识—实践”循环往复、螺旋上升的过程，科学探究最能体现和发展人的创新精神和实践能力［5］。

科学实践的关键要素有哪些？美国《新一代科学教育标准》（2013年）中指出科学实践主要有8种类型：提出问题（基于科学）与界定问题（基于工程），发展与使用模型，策划与实施科学调查，分析和解释数据，运用数学与计算思维，构建解释与设计解决方案，基于证据的科学辩论，获取、评价和表征信息。《K-12年级科学教育框架：实践、跨学科概念和学科核心概念》指出，科学实践的关键活动为“探究—评估—构建解释”。《课程标准》提出，科学探究是进行科学解释和发现、创造和应用的科学实践活动。

结合以上观点，笔者认为，科学实践更关注学生在探究过程中产生知识的具体活动，学生活动可以分为三个场域。第一个场域是学生在自然世界领域开展的活动，主要进行经验调查，包括“方案测量”“实验记录”等活动，可以归纳为“探究问题”。第二个场域是学生在科学世界领域开展的活动，即应用科学理论和模型进行的认知活动，主要是构建解释经验调查的结果或者使用模型作出假设指导研究进一步开展，包括“假设计算”“推理预测”等活动，可以称之为“解决问题”。第三个场域是学生在社会世界领域开展的活动，师生、生生之间交流观点、分析正确和错误的结论，包括“解释论证”“质疑批判”等活动，可以归纳为“评估问题”。科学实践的关键要素包括三个场域、三个活动，具体如图1所示。

总之，科学实践融合了科学探究的要义，强化科学问题的探究评估和构建，强化工程问题的渗透、数学计算和模型思维的介入，注重学科知识和科学方法的发展，注重活动的话语交流社会属性。科学实践拓展了科学教育的内涵，重现了科学知识转化的路径，再现了学生像科学家那样认识问题、解决问题的科学方法。

人教版普通高中教科书《化学》必修第一册（以下简称“人教版《化学》必修一”）第47页介绍了“水质检验员”，笔者组织学生开展“检验西湖水质”的科学实践活动。学生分小组设计水质检测的指标（如色度、浑浊度、高锰酸盐指数、氨氮含量）和方案（从西湖不同地点取水样，记录地点、光照和风速等现场条件），再考察西湖水污染处理中心，学会用分光光度计测定水中氨氮含量、测定水样pH等，对检验结果进行计算、解释和推理。学生小组间交流实验结果、撰写水质检测报告：认为西湖水质为优良等级（西湖不同区域的水pH不同、氨氮含量略偏高），提出将钱塘江水分区域引入西湖、严格控制酒店餐饮污水排放的设想。该科学实践凸显了科学实践的三个场域、三个活动，能消除学科教学的藩篱，让学生在平凡生活中保持学习激情，在科学探究中实现自我发展。

三、科学实践的实施方式

梁爽提出STEM教育理念与科学实践融合可行性的研究［6］，孔思敏、王磊以化学学科为例，提出促进科学实践与科学认识发展的教学模型［7］。参考上述观点，笔者基于学科素养的教育目标，以学科思维的培养为抓手，以学科知识教学和认识方式为根基，以化学科学实践为路径，提出化学科学认识（Knowledge of Chemical Science，简写为KC）、化学科学实践（Practice in Chemical Science，简写为PC）、化学科学思维（Thinking in Chemical Science，简写为TC）和化学学科核心素养（Chemical Science Literacy，简写为LC）协同发展模式，简称“KC—PC—TC—LC协同发展模式”，具体如图2所示。

KC既包括学科大概念、学科核心概念、跨学科概念等陈述性知识，也包括认识物质及其变化特征与规律的路径、框架等程序性和策略性知识，着眼知识认识层面的发展，它们是学习材料，形成了学科认识的角度和思路。PC包括一般科学实践（数学演绎、假设建模等）和学科特色实践活动（化学实验探究、化学制作活动等），着眼探究能力层面的发展，它们是学习的途径。布鲁纳说：“‘学科’是高度文明社会的一项发明。可以认为，它们是对特定现象的思维方式。”TC表现为科学思维通性和学科思维特性，是人类在化学知识的形成和掌握过程中，逐步形成的关于物质组成结构转化和概念定理原理等间接概括反映化学事物的思维活动，包括一般形式（如形象思维和抽象思维）和高阶形式（如批判性思维和创造性思维），着眼思维品质层面的发展，它们是学习的核心。LC是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值理念、必备品格和关键能力，包括文化基础、自主发展和社会参与，着眼综合素养层面的发展，它们是学习的目标。KC促进、提高了PC的发展，TC在PC中生长、形成，LC则是知识技能、过程方法、情感态度价值观凝练的“合金”。四者有机结合、协同发展，有利于从科学实践维度和科学认识维度提高学生的核心素养，全面实现化学科学教育的目标。另外，科学实践的实施路径可以分为学科内实践和跨学科实践，教学路径可设计为：情境问题→科学实践和多学科知识学习平行展开→理论构建→迁移创新。总之，化学教学应依托某一主要学科知识，关联其他学科知识，将不同学科知识模块化，通过整合知识点，设计以问题为核心的活动情境，并通过具体的项目任务有机串接起来，进而规划学习进程和进阶，形成结构化的学科实践活动。

人教版《化学》必修一介绍了碳酸氢钠可以用来焙制糕点，鲁科版普通高中教科书《化学》必修第一册中提出了设计复合膨松剂的构想，据此，笔者引导学生开展探究香甜泡打粉成分的科学实践活动［8］，主要分为三个学习环节。一是初探香甜泡打粉的成分：学生探究香甜泡打粉与酸反应现象，加热产生气体使石灰水变浑浊、使红色石蕊试纸变浅蓝色，推测香甜泡打粉含有HCO3-和N元素。二是再探香甜泡打粉的成分：学生探究香甜泡打粉与酸的反应气体成分，证明香甜泡打粉与水反应生成气体成分含有CO2和NH3、生成白色沉淀含有Al（OH）3和CaCO3。三是揭秘香甜泡打粉的成分：学生证明香甜泡打粉中存在Na+和SO42-，基于香甜泡打粉成分解释实验现象，提出测定硫酸铝铵、碳酸氢钠含量的方案，结合化学反应和微生物发酵原理解释“香甜”“双效”的含义。学生在实践活动中完善KC——基于物质用途，形成认识NaHCO3、NH4Al（SO4）2性质的思路；深化TC——基于复杂体系成分探究，发展批判性思维和创造性思维；突出PC——基于实验探究，发展质疑批判和证据推理等思维能力；升华LC——习得元素化合物的知识，提升实验操作技能，学会应用多种科学方法探究问题、评估问题和解决问题，了解化学物质在生活中的重要用途，培养解决复杂真实问题的学科核心素养。总之，科学实践可将静态知识教授变为动态的知行合一实践，是学科观念、学科素养萌芽、生长的土壤。

四、结束语

科学实践是科学教育的重要方法，它能体现科学家认识自然、改造自然的研究行为，呈现科学知识产生于自然世界、形成于科学世界、传播于学校世界、应用于社会世界的轨迹。化学科学实践的关键要素包括三个场域、三个活动，其实施方式可参考“KC—PC—TC—LC协同发展模式”。另外，化学科学实践不仅要求学生参与科学专业共同体的实践，还倡导科学专业人士参与科学外行人的社群实践，聚焦真情境真问题，通过做中学、用中学、创中学等方式，培养学生在真实情境中形成知识、理解知识、运用知识、创造知识的能力。科学实践对我国中小学科学教育提出了新要求，是以核心素养为指向的课堂教学的必然之举和应然之行，应该引起广大教师的高度重视。

参考文献：

［1］陆卓涛，安桂清.学科实践的内涵、价值与实现路径［J］.课程·教材·教法，2022（9）：73-78.

［2］［3］卢姗姗，毕华林.从“科学探究”到“科学实践”——科学教育的观念转变［J］.教育科学研究，2015（1）：65-70．

［4］姜智萌，魏冰.科学方法多样性：科学方法教育的新思路［J］.化学教学，2023（1）：3-6，18．

［5］黄恭福，邹海龙.科学实践：“科学探究与创新意识”核心素养的意蕴［J］.化学教学，2020（10）：3-7，13．

［6］梁爽.STEM整合视野下小学科学实践活动的开发与研究［J］.中小学信息技术教育，2022（S2）：58-60.

［7］孔思敏，王磊.促进中学生科学实践与科学认识协同发展的教学模型——以化学学科为例［J］.课程·教材·教法，2022（3）：131-138．

［8］肖中荣，周萍.在真实复杂的情境中发展科学探究素养——以“探究香甜泡打粉成分”为例［J］.中学化学教学参考，2022（23）：32-36.

*本文是中国化学会化学教育委员会“十三五”规划2020年课题“大概念引领：新人教版高中化学必修课程单元教学模式的构建研究”（课题编号：HJ2020-0022）、浙江省2022年教研规划课题“融合形成性评价的化学课堂教学改进研究”（课题编号：G202213402）及浙江省2023年教研规划课题“杭州探索：提升科学实践能力的高中化学课堂教学研究”（课题编号：G2023033）的阶段性研究成果。