做好科學教育加法視角下科學課程內(nèi)容優(yōu)化的數(shù)字化途徑

摘要：在教育“雙減”中做好科學教育加法，其目標是激發(fā)青少年好奇心、想象力、探求欲，培育具備科學家潛質(zhì)、愿意獻身科學研究事業(yè)的青少年群體。提升科學課程質(zhì)量是實現(xiàn)這一目標的關鍵，其落實需要以科學知識的優(yōu)化和結(jié)構(gòu)化為基礎。數(shù)字化融合，可以便利地補充程序性知識、認識論知識，促進科學課程知識內(nèi)容結(jié)構(gòu)優(yōu)化，促進知識的結(jié)構(gòu)化，引導學生建立學科整體認識，強化跨學科概念的理解，建立對自然界的統(tǒng)一認識。數(shù)字化融合還有助于激發(fā)學生的學習興趣，激發(fā)好奇心，并讓學生的想象力、探求欲有實現(xiàn)路徑。關鍵詞：數(shù)字化教學；科學教育加法；科學課程；中小學教育黨的二十大報告首次對教育、科技、人才進行“三位一體”統(tǒng)籌安排、系統(tǒng)部署，明確提出教育、科技、人才是全面建設社會主義現(xiàn)代化國家的基礎性、戰(zhàn)略性支撐。2023年2月，習近平總書記在中央政治局第三次集體學習時發(fā)表重要講話，強調(diào)“要在教育‘雙減’中做好科學教育加法”。2023年5月，教育部、中央宣傳部等十八部門又聯(lián)合印發(fā)《關于加強新時代中小學科學教育工作的意見》，就一體化推進教育、科技、人才高質(zhì)量發(fā)展作出系統(tǒng)部署。加強中小學科學教育，做好科學教育加法，是當前中小學科學教育界的一項重點任務。一、做好科學教育加法的目標與內(nèi)容支撐在實施“雙減”政策的同時，我們應致力于做好科學教育加法。其核心目標是激發(fā)青少年的好奇心、想象力和探索欲望，培養(yǎng)具有科學家潛質(zhì)的青少年，鼓勵他們投身于科學研究事業(yè)?！凹ぐl(fā)青少年好奇心、想象力、探究欲”是對科學教育過程方法的強調(diào)，要激發(fā)青少年學習的好奇心、想象力、探求欲，在他們的心里播撒科學的種子，并且以科學課程內(nèi)容為支撐，使他們既有客觀的能力基礎又有主觀的意愿，成為“具備科學家潛質(zhì)、愿意獻身科學研究事業(yè)的青少年群體”，勝任未來的科研工作。在中小學科學課程設計層面，做好科學教育加法要以育人為本，要強知識基礎，補短板與不足，重融合與貫通[1]。做好科學教育加法，需要增強中小學科學領域課程教材教學內(nèi)容中科學知識對做加法目標的支撐。但是，增強知識基礎不等同于擴展知識廣度或者提高知識難度，更不是擴充事實性知識。我們需要優(yōu)化科學知識的結(jié)構(gòu)，夯實最有價值和必要的基礎知識，并圍繞這些知識，激發(fā)青少年的好奇心、想象力和探究欲，突出科學精神與科學家精神的有機融合。所謂最有價值的必要的基礎知識，應該是對于學生理解自然界、理解科學不可或缺的知識。同時，學科課程內(nèi)容選擇，應該更有利于展現(xiàn)科學的魅力。充實這樣的科學知識，是做好科學教育加法的關鍵。精選最有育人價值的知識，刪減部分育人價值不高的事實性知識，也可以為“做加法”留出時間。國際學生測評項目（ProgrammeforInternationalStudentAssessment，PISA）2025科學素養(yǎng)測評框架中指出，科學知識包括內(nèi)容性知識（conrentknowlege）、程序性知識（proceduralknowledge）和認知性知識（epistemicknowledge）[2]。學科的基礎知識是衡量科學素養(yǎng)的關鍵要素。科學課程應確保學生不僅掌握內(nèi)容性知識，還應包括程序性知識和認知性知識，以全面提升學生的科學素養(yǎng)。目前，我國科學領域的各學科課程和教材具有知識系統(tǒng)性強、科學探究活動豐富、三維目標有效落實以及適教利學等優(yōu)勢。然而，在知識的組成和結(jié)構(gòu)、教材內(nèi)容的趣味性以及激發(fā)好奇心和想象力等方面仍需進一步提升，特別是在主觀意愿驅(qū)動和創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面存在明顯的短板與痛點。在科學領域各學科課程教材的內(nèi)容安排方面，要突破一下難題：如何進一步完善知識組成和結(jié)構(gòu)？如何幫助學生習得從事科學研究必要的本領？如何激發(fā)他們的好奇心、想象力、探求欲？如何培植他們從事科學研究的志趣，培植科學家精神？在課程內(nèi)容設計和教材編寫方面，我們需進一步優(yōu)化知識內(nèi)容體系，豐富程序性知識和認識論知識，完善知識結(jié)構(gòu)。要實現(xiàn)知識內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化，體現(xiàn)學科的整體性，以幫助學生構(gòu)建系統(tǒng)的知識體系。同時，以跨學科大概念整合多學科知識，幫助學生建立對自然界統(tǒng)一而全面的認識。此外，要讓學生在學習知識的同時，感悟知識的形成過程，理解科學質(zhì)量，認識科學本質(zhì)。在引導學生學習知識的過程中，我們應革新內(nèi)容呈現(xiàn)方式，增強教學內(nèi)容的趣味性，以激發(fā)學生的好奇心、想象力和探索欲望。做好科學教育加法，對中小學科學領域的課程設計、教材編寫以及教學提出了新的要求，這需要科學教育界共同努力。我們必須從長計議，精心規(guī)劃課程內(nèi)容并確保其有效實施，加強知識內(nèi)容的支撐作用，以促進科學教育發(fā)展。當前，義務教育課程標準和教材已經(jīng)確定，高中課程標準短期內(nèi)不太可能進行根本性變革，高中教材暫時也不會重新編寫。在此背景下，近期充分利用數(shù)字化融合是解決上述問題的有效途徑。二、在數(shù)字化融合中做好科學教育加法并優(yōu)化課程內(nèi)容的路徑數(shù)字化助力科學教育加法，能夠在知識內(nèi)容的選擇、組織和呈現(xiàn)等多個方面發(fā)揮其獨特的優(yōu)勢。一方面，數(shù)字化融合可以讓師生利用開放教育資源，如免費課程、電子書、科研論文等，為教師教學和學生學習補充科學實驗視頻、學習內(nèi)容等。數(shù)字化開啟開放教育資源的大門，為教師在科學領域的課程教學中提供了多樣化的資源選擇。這不僅豐富了教學內(nèi)容，而且方便他們自主開創(chuàng)性地做好科學教育加法。鑒于已有大量關于數(shù)字化促進教學的理論探討和實踐經(jīng)驗，對此不再深入討論。另一方面，作為數(shù)字化資源內(nèi)容的提供單位，如出版社、資源企業(yè)，在做紙數(shù)融合時，可以利用數(shù)字化資源的開發(fā)和更新升級靈活的優(yōu)點，在現(xiàn)有紙質(zhì)教材內(nèi)容的基礎上，即時提供知識內(nèi)容的升級服務，提供知識結(jié)構(gòu)優(yōu)化、資源活化的最新資源。以下，主要討論后面這部分內(nèi)容。（一）科學課程教材和教學內(nèi)容建設的數(shù)字化融合首先，通過數(shù)字化融合方式，補知識短板，促進知識結(jié)構(gòu)優(yōu)化。鑒于現(xiàn)有紙質(zhì)教材內(nèi)容已經(jīng)確定，審定后的教材不宜年年做大的修訂。因此，在科學課程知識內(nèi)容的優(yōu)化方面，數(shù)字化途徑可以提供有益的補充。在數(shù)字教材、數(shù)字資源開發(fā)方面，可以在紙質(zhì)教材內(nèi)容的基礎上，補齊現(xiàn)有教材在程序性知識和認識論知識方面存在的短板，結(jié)合已有教材知識內(nèi)容，補充相應程序性知識或認識論知識的內(nèi)容，優(yōu)化、完善知識結(jié)構(gòu)。教師通過數(shù)字化途徑，充實程序性知識、認知性知識。其融合要點主要包括以下三個方面。第一，結(jié)合科學領域各學科主要的概念、原理、規(guī)律的呈現(xiàn)，利用數(shù)字資源直接做加法。為了豐富科學教育內(nèi)容，我們需要補充數(shù)字化資源，涵蓋程序性和認識論知識，包括文本和視頻等形式。利用資源展示獲取知識的實踐過程和方法，例如測量技術(shù)、變量控制、定量研究和數(shù)據(jù)處理等程序性知識。同時，應補充認識論知識，即關于科學知識建構(gòu)過程中的結(jié)構(gòu)和定義特征的知識，以及科學知識如何有效解釋自然界和科學思維在知識形成過程中的作用等。例如，在初中生物學關于“生物進化的原因”的部分，可以結(jié)合“自然選擇”的內(nèi)容，用數(shù)字化資源提示學生，雖然進化的內(nèi)在機制難以直接觀察，但是通過對許多自然現(xiàn)象和人工選擇現(xiàn)象的歸納，科學家可以抽象出“自然選擇”來解釋生物的進化；還可以結(jié)合“保護色的形成”活動，以數(shù)字資源提示學生，模擬活動雖然是“模擬”，但是它抽象出了自然界捕食者對被捕食者做選擇的關鍵特征，能夠直觀地展示自然選擇的漫長過程。第二，應結(jié)合紙質(zhì)教材中的實驗和探究活動，適度引入數(shù)字化資源。適時引導學生以事實為依據(jù)，運用比較分析、歸納演繹等邏輯方法，形成或驗證結(jié)論，體驗知識的論證和質(zhì)疑過程。此外，還應展示推理、論證和建模的實踐方法和過程，引導學生經(jīng)歷完整的思維過程，并反思他們在探究實踐中的認知角度。在物理、化學、生物學等教材中，有關這方面的例子已經(jīng)比較豐富，數(shù)字資源的開發(fā)主要是進一步“填空”，對此不再展開討論。第三，利用數(shù)字化資源更新便捷的優(yōu)勢，補充紙質(zhì)教材所介紹科學知識的新發(fā)展，回溯知識的建構(gòu)和修正過程，體現(xiàn)科學知識不斷迭代的曲折過程，滲透科學的本質(zhì)。教材中所呈現(xiàn)的物理、化學、生物學等學科知識，常常被視作一個結(jié)論性的體系。然而，我們應認識到科學知識的體系并非靜止不變，而是動態(tài)發(fā)展的，它是通過激烈的思考和艱難的探索過程逐步形成的。紙質(zhì)教材由于篇幅和靜態(tài)文本屬性的限制，在展示內(nèi)容性知識時，難以進行大規(guī)模、動態(tài)的歷史還原或展示最新的科學進展。數(shù)字化資源的融入為挖掘教材現(xiàn)有內(nèi)容性知識背后的知識歷程、近期動態(tài)提供了便利。例如，在初中生物學“生物進化的原因”教學中，教師可以結(jié)合“長頸鹿的長脖子”是自然選擇而來的例子進行講解。這樣既還原了拉馬克和達爾文的爭議，又補充了最新的性選擇假說，從而打破知識是一個封閉的結(jié)論性知識體系的誤區(qū)。（二）通過數(shù)字化方式助力知識內(nèi)容組織強化和知識結(jié)構(gòu)化知識結(jié)構(gòu)化可以認為是將各部分知識按照一定的規(guī)則組合成邏輯清晰、組織有序、功能完整的知識系統(tǒng)。知識的結(jié)構(gòu)化不僅提高了大腦對知識存儲和檢索的速度，而且提高了知識轉(zhuǎn)化應用的效率。對于科學領域各學科課程而言，只有將知識結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化、整體化，才能建立起對學科的完整認識。在從事科學研究時，我們應當系統(tǒng)地梳理現(xiàn)代知識體系的結(jié)構(gòu)與邏輯，確?？茖W知識和應用技術(shù)的結(jié)構(gòu)與邏輯及其相互關系成為研發(fā)和教育布局的堅實基礎[3]。從這個意義上講，中小學科學課程引導學生建立各學科知識、自然科學知識的結(jié)構(gòu)整體認識，是做好科學教育加法的應有之義。物理、化學、生物學、科學等學科，因為各自學科特性，學科知識體系有著強邏輯關聯(lián)，所以學科知識內(nèi)容擁有相對較高的穩(wěn)定性；科學領域各學科教材的編寫，一直重視知識內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化，物理、化學、生物學和科學教材中，也對知識體系的結(jié)構(gòu)化進行了優(yōu)化和顯性化。數(shù)字化融合的優(yōu)勢在于：一方面可以充分利用教材中已有的知識體系，幫助學生結(jié)構(gòu)化地掌握知識；另一方面可以在數(shù)字化資源的多樣性和靈活性上發(fā)揮其獨特優(yōu)勢，為教育提供更廣闊的發(fā)展空間。第一，數(shù)字化融合，可以在內(nèi)容選取、分層方面，提供多種結(jié)構(gòu)化的解決方案，對現(xiàn)有教材知識內(nèi)容做解構(gòu)，在呈現(xiàn)層次上進行重構(gòu)，使知識內(nèi)容的邏輯關聯(lián)顯性化。例如，教師利用數(shù)字化資源講解牛頓第二運動定律等知識點時，可以提供力學知識概略結(jié)構(gòu)圖，清晰展示牛頓第二運動定律與其他力學定律之間的聯(lián)系，以及該定律在實際中的應用場景。這樣教學有助于學生在學習具體概念、規(guī)律和原理時，不僅能夠深入理解單個知識點，還能夠把握整個知識體系的全貌，讓學生既見樹木又見森林。特別值得注意的是，開發(fā)數(shù)字化資源時不僅需要關注紙質(zhì)教材已有知識內(nèi)容的關系，而且需要關注所補充的數(shù)字化資源等多渠道來的各類知識之間的關系，將內(nèi)容性知識、程序性知識、認識論知識有機聯(lián)系。第二，教師用數(shù)字化方式補充具體知識之間的銜接點，強化知識關聯(lián)，可以幫助學生整合知識，建立完整的學科知識體系，進而形成對學科的全面認識。例如，初中生物學六大單元，學生是一個一個地學習，學完六大單元并不必然會將所有內(nèi)容建立整體認識。通過數(shù)字化資源的補充和分層、顯性化的關聯(lián)呈現(xiàn)，學生在學習具體內(nèi)容的同時，也能夠關注到學科的整體概念體系。學生以這種方式學習更易獲得對學科的全面認識。（三）數(shù)字化助力知識內(nèi)容的跨學科整合，構(gòu)建對自然界的統(tǒng)一認識知識體系的構(gòu)建不應僅限于單一學科的結(jié)構(gòu)化，我們在編寫與使用教材實施新義務教育課程標準的過程中，還應促進學生跨學科主題學習，構(gòu)建學科間知識的結(jié)構(gòu)化聯(lián)系。紙質(zhì)教材由于篇幅的限制和其他現(xiàn)實因素的制約，在融合跨學科概念方面難有大的突破。數(shù)字化資源的融入，有利于我們結(jié)合紙質(zhì)教材具體內(nèi)容，專門設計跨學科融合的板塊，強化不同學科內(nèi)在聯(lián)系，并將引導學生建立學科概念與跨學科概念、科學觀念的聯(lián)系作為重要任務。具體來說，在數(shù)字化資源的開發(fā)上，可以結(jié)合物質(zhì)與能量、結(jié)構(gòu)與功能、系統(tǒng)與模型、穩(wěn)定與變化等跨學科的大概念，在物理、化學、生物學及地理學科的核心概念的紙質(zhì)教材內(nèi)容里，設計欄目，連接不同學科、整合概念的錨點。例如，在生物學教材關于光合作用的內(nèi)容里，設計跨學科欄目（自然科學大概念），引導學生在學習光合作用生命過程的同時，關注物理所學的光的性質(zhì)、能量的轉(zhuǎn)變，化學所學的物質(zhì)變化，從而使所學內(nèi)容與跨學科大概念物質(zhì)與能量密切聯(lián)系，構(gòu)建起對自然界的整體認識。眾所周知，數(shù)字化融合可以讓學生通過數(shù)據(jù)分析、編程等技能的引入，在學習自然科學的同時，增強數(shù)字素養(yǎng)和問題解決能力，開展跨學科的集成項目和研究。對此本文不做深入探討。（四）數(shù)字化融合增強教學過程中的互動，激發(fā)興趣現(xiàn)行科學領域各學科教材，雖然在激發(fā)學生的興趣方面想了很多辦法，但是效果未必都理想。以數(shù)字化方式教學，能夠更好地實現(xiàn)內(nèi)容呈現(xiàn)時的激發(fā)興趣，激發(fā)學生的好奇心、想象力、探求欲的作用。顯而易見，一大段關于衛(wèi)星發(fā)射過程中的速度、引力的文字的描述，遠遠比不上視頻展示的震撼和引人入勝。關于呼吸作用的過程，文字描述、化學式闡述，很難做到生動、有趣。數(shù)字化融入為教學提供了新手段，教師可以用其展示呼吸作用各階段發(fā)生的場所、物質(zhì)和能量的變化過程，從而使抽象的內(nèi)容變得生動、有趣，也更加具體和易于理解。因此，數(shù)字化融合教學在激發(fā)學習興趣、激發(fā)好奇心、維持學習興趣方面，優(yōu)勢是非常明顯的。在中學教育中，實驗教學一直面臨挑戰(zhàn)，尤其是那些開放性較強、耗時較長或具有一定風險的探究性實驗。在傳統(tǒng)教學模式下，很難為學生提供足夠的自主探索機會。數(shù)字化融合之后情況大為改觀。教師使用虛擬實驗室可以模擬真實的科學實驗環(huán)境，允許甚至鼓勵學生大膽探索。這不僅解決了實驗設備和材料不足的問題，降低了安全風險，