基于问题解决的科学课程设计

一、未来社会的特点

未来的工作环境以变化快、技术新、系统由计算机控制、办事采用新方式为特点。所以未来的的技术工人和专业人员不能不在做中学，不能不在阅读和领会新知识中继续接受教育，没有这种本领就会落伍。

二、未来社会所强调的素质

有越来越多的工作需要高级的技能，因而要求人们得会学习，会推理，会创造性思维，会做决策，会解决问题。了解科学、了解科学中的种种过程是掌握这类高级技能的一种根本性途径。

工商业界所需要的新就业者是那种善于学习、善于推理、思维具有创造性、能决善断、会解决问题的人。

未来社会将会越来越强调创造性地解决问题的能力、运用判断进行思维的能力、在集体中协同工作的能力、有效地运用技术的能力、懂得活到老学到老的价值等。

三、课程应强调些什么

学科学是学生们要自己实践的事。首先，学生们要亲自动手做，而不能由别人来代劳，不是要别人做给他们看。其次，“动手”的实践活动自不可少，但是这还不够，学生们还必须有“动脑”的理性体验。学科学的过程应该是体与脑的共同活动过程，不仅要有动手的活动，而且要有动脑的活动，更多的则需要既动手又动脑的活动。

应把学科学作为一种过程，作为学生学习诸如观察、推断和实验等诸种能力的过程。

学科学的中心环节是探究。学生们应该在积极地参与科学探究的过程中逐渐对自然界有所认识。对从学生们所亲历的事物中产生的一些实际问题进行探究，是科学教学所要采取的主要做法。应该尽可能地提供机会让学生在他们力所能及的范围内从事科学探究，如低年级的学生可以在日历上画出每天晚上月亮的形状，然后揭示出若干周内月亮形状变化的模式，或通过工作日志发现一年里本地天气变化的模式。

科学探究，指学生们用以获取知识、领悟科学的思想观念、领悟科学家们研究自然界所用的方法而进行的各种活动。

《美国科学教育标准》中提供了一些科学探究的例子，如探究蚯蚓（这一学生们都很熟悉的生物）的生活习惯和所具有的科学价值，探索影响水蒸发的种种影响因素，单摆研究。

科学探究活动在科学学习中具有重要价值：通过“做科学”（即“科学探究”活动）来学科学，在这一过程中学生们就可以把科学知识与观察、推理和思维的技能结合起来，从而可以能动地获得对科学的理解。在科学探究活动中，在参与解决问题，参与做计划，参与决策，参与小组讨论，参与评价的过程中，学生们将所掌握的科学知识同他们从多种渠道获得的科学知识联系起来，并把所学的科学内容应用到新的问题中去。通过科学探究活动，学生们对科学探究的手段、使用证据的规则、形成问题的方式、提出解释的方法等一系列问题有了亲身的经验，而不仅仅是听到或记住有关的知识或结论。通过科学探究活动，学生们对科学与数学的关系，科学与技术的关系，科学的性质（什么样的东西是科学，什么样的东西不是科学，科学能够做什么，科学不能够做什么以及科学如何在文化中起作用）等一系列问题，有了切身的认识和体验，而不仅仅是获得了关于这些问题的标准答案。

第一，课程要引导学生通过积极参加对他们既饶有趣味又十分重要的科学探究活动来学习科学。课程中应给学生提供更多的时间和机会参与诸如搜集证据、观察现象、撰写概述、会见记者、使用仪器与科学有关的活动。

课程中设计的学习活动不仅应该有助于积累关于世界的科学知识（科学事实、科学概念、科学定律、科学理论和科学模型），亦应有助于培养学生科学的思维习惯，学生应培养对证据、逻辑和科学见解提出疑问的习惯；学生应该懂得社会对科学技术发展的影响，也应该懂得科学技术对社会的影响，等。

第二，课程更加强调技术设计能力的培养。

科学的目标是探知自然界，而技术的目标是对这个世界加以改造使之适应人类之需。科学以探究为特点，技术以设计为特点。作为对通过科学探究培养出的能力的补充，《美国科学教育标准》号召学生通过参与一些既具有挑战性又适合他们发展水平的设计活动项目，来培养技术设计的能力，包括发现和描述问题的能力，设计解决方案（包括成本与风险效益分析）、实施解决方案并评价解决方案的能力，针对问题、设计和解决方案进行交流的能力。如设计一种方法来固定物体或移动物体，设计一个天平用于比较两个物体的重量，设计警报装置的电路，设计满足营养标准的食谱，为学校某个区域选择植物，等。《美国科学教育标准》中提供了一个设计的例子：每个小组用两周的时间制作一个乐器，然后与班上其他组同学交流讨论，并为全班同学演奏一下。

在技术设计活动中，强调引导学生思考系统设计、成本、风险、效益和非常重要的利弊权衡，以及替代方案的问题。

这一标准还强调对日常生活中的技术产品和技术系统加以研究，如拉链、衣帽钩、罐头起子、桥和汽车等。

第三，课程越来越强调科学技术的个人和社会侧面，强调对个人的生活需要和社会发展需要密切相关的科学技术的了解，从而为学生提供一种理解个人问题和社会问题并采取行动的手段，为学生将来成为公民时所面对的未来决策奠定基础。

第四，课程更加强调关于科学的历史与本质的学习和理解。标准中提供了一个介绍关于人们对光合作用的认识历史的例子。

第五，课程越来越强调跨学科的观点，强调为科学学习综合方法的运用提供更多机会。

科学探究的题目应该源于学生觉得有意义的疑问和问题。时事所强调的科学课题是一个好的选择，而与科学和技术有关的实际问题是有意义的科学探究题目的又一选择。有些题目开始时对学生似乎意义不大，但通过积极参与、不断接触，以及理解力和探究能力的增长，其意义也就越来越大了。

科学探究是包括以下过程的一种有多侧面的活动：观察，描述物体和事件（相互作用的过程）；提出问题；查阅书刊及其他信息源以便弄清楚什么情况已经是为人所知的东西；运用判断思维和逻辑思维，考虑作出可能的各种解释；然后根据现有科学知识对所作解释以多种不同方式加以检验，包括运用各种工具和技术搜集、分析和解读数据，对证据与解释之间的关系进行批判性和逻辑性思考，构造和分析其他解释方法，等；把自己的看法和意思通过多种不同的交流方式（如口头方式、书面方式、绘画方式、图表方式、数学方式、电子方式等）传达给别人。

学生可以参与科学探究中某些方面、某些环节的活动，但也应该给学生从事完整的探究活动全过程的机会。

学生们可以从图书馆、政府文献和计算机数据库等信息源中获取和解读信息，或者从工业界的、社区的和政府的专家那里惧信息。在利用科学知识的信息源时，学生们有必要知道，展现在这类信息源中的知识都要用什么方法来获取；学生们有必要了解，这些信息源是具有权威性的，在科学界是得到大家承认的。

科学探究常常是协作性的活动，因此学生们应该在小组合作认识到进行信息、观念、思考的分享和相互启发的意义，并获得交流合作的经验和能力。

《美国科学教育标准》分阶段（幼儿园至4年级、5至8年级、9至12年级）详细列出了各年龄阶段要求学生达到的不同层次科学探究水平。如，

小学低年级学生的科学探究活动主要是以系统的观察、对常见物体的摆弄、测量为基础，对物体及其属性的检验和定性描述（物体的性质、这些性质随时间的变化、当物质相互作用时所发生的变化），从事分组和分类的活动，思考这些物体之间的共同之处和不同之处，以及对世界动作的方式进行观察和跟踪记录。如可以让学生在日历上画出每天晚上月亮的形状，从而揭示出若干周内月亮形状变化的规律，或通过工作日志发现一年里本地区天气变化的规律。

随着年龄的增长，他们可以设计和完成简单的实验来探究科学问题了。到了4年级，许多学生已经可以接受科学实验的概念了。学生要学会采用简单的设备和工具（如尺子、温度计、钟表、天平、弹簧秤、放大镜等）收集数据，并学会以口头方式、图示方式或书面方式报告和交流研究过程和研究结果。

小学阶段的重点是培养观察能力、描述能力、根据观察结果进行解释说明的能力。应该鼓励年幼的儿童谈论和画出他们的所见、所闻和所想。年龄大的学生应该学会记日志、使用仪器并记录他们的观察结果和测量结果。对于小学生来说，应该强调科学探究的经验和对假设的思考，不要过分强调科学术语的使用、科学结论和信息的记忆。

对初中学生的要求有所提高，如学生除了应该学会系统的观察外，还应该能够进行精确测定（定量描述），并会确定和控制变量。学生还应该学会运用计算机查询、检索、收集、存储、组织、总结、显示并解释数据，并在此基础上预测和构建模型，还应该学会通过批判性和逻辑性思维建立证据和解释之间的关系。同时，学生还应该学习把数学运用在科学探究的各个方面，并认识到不同性质的问题需要进行不同的科学探究。

对于高中生，则要求他们阐明问题、方法、对照组、变量的选择与控制（如识别不产生影响的变量、影响较小的变量、对结果有负面影响的变量）、实验的误差，要求他们对指导科学探究的概念和理论框架进行思考和说明。高中学生应该具有以下数据分析的能力：确定数据的范围、数据的平均值和众数值、根据数据做图和寻找异常数据。

高中学生的探究活动最终应该构造出一种解释方案或一个模型（模型可以是物理模型、概念模型或数学模型），还要承认并分析其他解释方案和模型，而且能够通过对证据的权衡和对逻辑的检查，决定哪种解释和模型是最佳的（而不是通过考察这些解释与自己已有经验的一致性来评价这些解释）。由于高中生了解了更多的科学概念和过程，因此就要求他们的解释更加精致。也就是说，他们的科学解释应该更加频繁地运用丰富的科学基础知识（如科学术语）、逻辑证据、更深入的分析、更经受得起批评和不确定性并且更加清楚地展示逻辑、证据和现有知识之间的关系。

对高中生所提出的解释也要进行以公开讨论方式开展的“同行评议”，讨论应该以科学知识和科学准则为依据，并运用逻辑和调查研究中所获得的数据。

（4）科学探究能力的培养与科学知识的学习应相结合，提高探究技能不能脱离科学内容。进行观察、提出假说、设计探究方案，都必须围绕某一科学内容来进行。科学内容的学习应通过科学探究活动来开展；通过科学探究活动，并在这一探究过程中，来学习科学知识。

课程要留出足够的时间，以使教师可以运用跨学科的战略，利用野外考察活动，为学生们提供多种机会让他们参加一些他们感兴趣的研究。

学生们得要有时间去试验自己的新想法，得要留出出错误耽误的时间，得要有时间作沉思默想，还得有时间用来开展相互讨论。需要给学生留出充裕的时间去安排科学设备做实验，去野外作考察，或者去思考总结个人经验，去进行相互交流。还需要给学生们留出时间让他们以不同的组合方式——或个人，或结对，或小组，或全班——去做诸如阅读、实验、思考、记述和讨论等多种多样的活动。

因此对课程中的知识总量必须加以控制，以便为科学探究活动留出足够的时间。过去，为了腾出时间学习大量的内容，只进行少量的探究活动。现在，为了培养探究能力、了解探究的价值和科学知识，标准强调要进行大量的科学探究。

对从学生亲历的事物中和生活中产生的一些实际问题进行探究，是科学教学所要采取的一种主要做法。但强调探究的重要，并不意味着所有的教师都应以一种方式来教学生学科学。教师也需要运用多种不同的策略来促进学生对知识和能力的掌握。教师需要对各种不同的科学学习策略或模式及其长处与弱点了然于心，并知道什么样的科学内容应该采用什么样的教学方法。[ 点评：在中国，要通过改革使科学探究成为科学学习的核心，恐怕步子太大。但每学期精选几个范例，进行科学探究式的设计，还是可行的。]

四、课程改革需要哪些相关支持

首先是训练有素的专业教师。好的教师善于创造环境，使教师及其每一个学生都能以积极主动的学习者的态度共同参与。

教师要了解学生们的特殊兴趣、知识水平和现有技能；了解学生们以前产生的问题和形成的理念；他们的认识潜能、发育善状况、身体素质、情感发展和行为动机，尤其是他们是怎样学习的；教师要了解学生们的文化背景和经历，以及这种背景和经历对他们的影响；还要了解学生们在科学认识上的原有的幼稚想法是什么。然后在此基础上，因材施教地为学生制订一个以探究为基础的科学学习计划，并确定在什么时候以及为了什么目的运用全班性教学、小组合作和个人单独工作这样一些方式，以使所有学生都有平等的机会参与到科学探究活动中来。

在实施这一计划时，教师根据当时的具体情况对计划随时做出即时的修改，例如，一次探究因为能够激起学生们的兴趣而可以把时间拉长，一堂课因为某个概念学生们尚未弄清楚而可以增加某项活动，或者为了促进更加充分的相互交流也可以在原计划中临时多加入点小组活动。

在教学活动中，教师应对科学知识之力量、之美妙不仅富于热情和兴趣，而且常常津津乐道。在教学活动中，教师应对不同的观点、不同的态度和不同的价值观念都有所尊重。教师应把自己视为激发、鼓励、促进学生学习和探索的引导者、促进者、咨询者、支持者，而不是学生主张的裁判。教师与学生应共同参与到探究活动中，齐心协力，一起出主意、想办法。这样，可以鼓励和培养究根问底的好奇心、乐于接受新思想与新信息，以及对事物常常持怀疑态度等科学品质。

评价标准中包含了对“什么是重要的”这一问题的可操作性的定义，对科学教育的直接承担者具有强调的、最实在的导向作用。

评价的内容应包括丰富而多样的科学学习成果，如：探究的能力；了解和理解科学事实、概念、原理、定律和理论；进行科学推理的能力；运用科学进行个人事务决策和形成对社会问题的看法的能力。对知识的评价也不是检查学生记住了多少信息，而是必须测试学生的知识广度和知识结构，了解其对知识的理解、推理和应用。

必须同样重视学习过程的评价和学习成绩的评价。因为对学习过程的评价能够揭示出相同的学习成绩这一表面现象背后的不同的科学学习质量。

如果不对学习过程和所有各方面的学习成果都进行评价，而只评价学习成果的某些方面，那么，教师和学生很可能会重新定向，只注重那些要评价的内容。

评价方法应该包括除笔试之外的多种手段，如在教学活动中观察学生的表现、面谈、正式作业、项目调查、书面报告、作文，以及其他种种开放性的方法。《美国科学教育标准》中提供了学生科学成绩评价的示例和探究能力评价的示例。

学校、学区、地方社区以及州当局都应给教师提供必要的支持和帮助，如足够的时间，专业进修的机会，丰富多彩的学习材料，适当的师生比，条件适宜的学习空间，学校以外各界人士所提供的人力、财力、物力方面的支援等。