核心素養視域下小學科學教師的科學素養:內涵、挑戰與支持

王欽忠

(北京教育學院 數學與科學教育學院, 北京 100044)

教師的科學素養是影響科學教育質量的基礎性因素,尤其是小學科學教師自身對科學本質的理解與對科學事業的追求,影響著學生的科學啟蒙與科學探索信念。小學科學教師的科學素養主要形成于職前學校教育時期,為了加強職前小學科學教師的培養,2022年5月,《教育部辦公廳關于加強小學科學教師培養的通知》(教師廳函〔2022〕10號)明確要求著眼科技與教育發展趨勢,立足科學教育的綜合性,強化學科橫向聯系,鼓勵學生輔修其他理工科專業或核心課程模塊(微專業),拓寬專業基礎;加強理工科教育教學實驗室建設,創新教學方法,強化教育實踐,著重提升師范生項目式教學、跨學科教學等實踐能力[1]。該通知從源頭上提出了培養小學科學教師科學素養的內容與途徑。

長期以來,由于我國高校缺乏培養小學科學教師的對口專業,造成職后小學科學教師的本體性知識存在領域不完整性和基礎薄弱性等問題,從而導致教師科學素養存在較大缺陷。例如,作為科學教育比較發達的北京地區,2022年的調查結果顯示,參與調查的2222名小學科學教師中,14.6%的教師具有科學教育類專業背景,24.4%的教師具有科學相關(理工類)專業背景,61.0%的教師具有非科學相關專業背景(如語文、英語、美術等)。因此,為了提升職后小學科學教師的能力素質,教育部教師工作司司長任友群提出,“在中小學科學教師培養培訓中,教師的基礎科學素養、學科綜合和跨學科教育教學能力提升最為關鍵”[2]。

然而,小學科學課程內容涉及物質科學、生命科學、地球與宇宙科學和工程與技術四大領域,總體表現出知識范圍廣、跨學科領域多、綜合實踐性強等特點,對小學科學教師提出了很高的學習要求,需要他們具備很強的學習理解能力、學科整合能力和動手實踐能力。特別是在《義務教育科學課程標準(2022年版)》(以下簡稱“課程標準”)頒布之后,提出了要發揮科學課程的育人價值,培養學生核心素養的要求,科學教育已從“知識本位”轉向“素養本位”[3]。因此,為了提升小學科學教師的科學課程育人能力,我們不得不深入思考兩個現實問題:在核心素養視域下,職后小學科學教師應具備什么樣的科學素養呢?如何提升他們的科學素養呢?

一、小學科學教師科學素養的內涵與結構

(一)核心素養對小學科學教師科學素養的要求

在課程標準中,雖然沒有直接對小學科學教師的科學素養提出明確要求,但是,從培養學生核心素養的要求中,可以間接推出小學科學教師的科學素養至少達到以下四個方面的要求:

1.具備較強的科學觀念

科學觀念的形成是建立在教師對科學概念、規律、原理等本體性知識掌握基礎之上的。課程標準要求學生要學習13個學科核心概念和4個跨學科概念,這些核心概念構成了科學課程的核心內容,也是形成科學觀念的重要基礎。在科學教學中,教師要以這些核心概念為基礎來挖掘和整合科學本體性知識,從科學知識、研究過程與方法、科學發展史、科學價值等方面幫助學生深度理解科學本質,形成科學觀念。

因此,具有較高科學素養的教師首先應該具備較強的科學觀念,應該能夠深入理解這些核心概念的內涵、價值與應用,能夠圍繞核心概念構建結構化的領域教學內容,能夠基于跨學科概念實現跨學科領域的知識整合,能夠挖掘出科學知識與真實問題情境的內在聯系,能夠解釋或解決生活中常見的實際問題。

2.具有較強的科學思維能力

科學思維是人們順利開展科學活動的重要心理保障。課程標準要求培養的科學思維主要包括“模型建構”“推理論證”“創新思維”等,要求教師“設計并實施能夠促進學生深度學習的思維型探究和實踐”“隨時關注學生的思維狀況,滲透思維方法”。

科學思維按其作用范圍和普遍程度的不同,可以劃分為三大層次:普遍的思維方法、各門具體科學共同的思維方法和各門科學所特有的思維方法[4]。因此,具有較高科學素養的教師,也要具備較強的科學思維能力,應該掌握三種層次的科學思維方法;能夠在科學教學中,通過科學探究與實踐讓學生完整體驗科學思維的基本過程與方法,認識到模型建構、推理論證、創新思維在科學學習與研究中的重要價值與意義。

3.能有效開展探究實踐活動

探究實踐活動作為小學科學課堂教學的主要方式,也是體現科學教師“知行合一”的重要載體。根據課程標準新要求,探究實踐既包含科學探究,也包括技術與工程實踐:科學探究包括提出問題、作出假設、制訂計劃、搜集證據、處理信息、得出結論、表達交流和反思評價等要素;技術與工程實踐包括明確問題、設計方案、實施計劃、檢驗作品、改進完善、發布成果等要素。因此,教師組織開展探究實踐活動的能力是一項綜合性很強的能力,科學知識是開展探究實踐活動的工具,科學思維是開展探究實踐活動的心理保障,探究實踐活動中表現出來的正確價值觀與必備品格則體現為科學態度與責任。

總體來看,小學科學教師有效開展探究實踐活動的能力主要包含三個維度:學科實踐能力、價值分析能力和教學實踐能力。因此,具有較強探究實踐能力的教師應該掌握基本的科學實驗技能與工程技術方法,能夠利用身邊資源設計和實施規范的探究實踐活動,正確理解、分析和傳遞探究實踐活動的教學價值,能對科學探究實踐活動中遇到的問題進行評價、反思與改進。

4.要有嚴謹的科學態度和正確的價值觀

科學課程內容是落實黨的教育方針的具體載體,教師要發揮科學課程的育人價值。小學科學教師作為學生的科學啟蒙教師,在培養學生科學態度和社會責任方面起著關鍵的榜樣示范作用和監控指導作用。

因此,具有較高科學素養的教師不僅要掌握扎實的科學本體知識,還要深刻理解科學知識在促進個人成長、科技進步、社會發展中的獨特價值。要具有嚴謹的科學態度和正確的價值觀,小學科學教師應該加強思想政治學習與師德師風修養,正確理解科學課程的育人價值,深入了解科學、技術與社會之間的聯系,切身體會科學知識在科學研究和解決實際問題中的重要作用。

(二)小學科學教師科學素養的獨特性分析

基于上述分析,小學科學教師的科學素養與公民的科學素養和科學家的科學素養相比,既有相同之處,又有很大的差異。相同之處是三者都需要對科學知識和科學實踐具有一定的熟悉程度;而差異主要表現在三者的實踐情境和認識目的不同,由此導致三者對科學知識和科學實踐的熟悉程度存在較大差異。

根據薩默斯(Shamos)提出的三層次科學素養模型[5],公民的科學素養屬于“文化的科學素養”或“功能的科學素養”,主要是為了提升公民個人素質,以便更好地適應現代社會生活,解決生活中的相關科學問題。小學科學教師和科學家的科學素養則屬于“真正的科學素養”,但二者的認識目的不同,科學家的目的是利用科學素養生產新的科學知識,幫助人們認識世界、改造世界和保護世界;而教師的目的則是利用科學素養進行育人,幫助學生具備“文化的科學素養”或“功能的科學素養”,甚至“真正的科學素養”。因而,小學科學教師的科學素養具有很強的獨特性。

關于教師知識結構的研究也表明,教師成功教學的關鍵在于學科教學知識(Pedagogical Content Knowledge,PCK),即把學科知識加工轉化為學習者能夠理解的表征方式[6]。所以,學科教學知識是科學教師與科學家本質區別的集中體現,而學科教學知識中所包含的對特定學科內容及其教學價值理解的成分也就構成了教師科學素養中最獨特的成分。

(三)小學科學教師科學素養的內涵結構

美國科學素養和公眾科學觀念委員會審閱了最重要和最有影響力的科學素養定義,確定并提出了個體科學素養的七個共同方面:基礎性素養、內容知識、理解科學實踐、識別和判斷適當的科學專門知能、認識論知識、對科學的文化理解、傾向和思維習慣[7]?；谏鲜龇治?結合小學科學教師的實踐情境和課程標準要求,提出小學科學教師科學素養的內涵應包括:科學內容知識、科學思維傾向、科學實踐能力、科學價值理解四個維度。以此為基礎,構建了小學科學教師科學素養內涵結構模型(見圖1)。

圖1 小學科學教師科學素養內涵結構模型

具體可以從以下四個角度理解結構模型的具體內涵:(1)從科學內容知識角度看,小學科學教師應掌握以科學觀念或核心概念為統領的科學內容知識,能深入理解科學的本質;(2)從科學思維傾向角度看,小學科學教師應掌握基本的科學思維方法和探究實踐方法,具有良好的科學傾向和思維習慣,能夠正確運用這些方法設計、開展、反思與改進科學探究實踐活動;(3)從科學實踐能力角度看,小學科學教師應具備較強的科學實踐能力,認識到科學實踐是人們認識自然界、產生科學知識的過程與方式,是科學學習的重要內容和學習科學的重要方式;(4)從科學價值理解角度看,科學教師應充分了解科學與技術和社會的聯系,增進對科學的文化理解,欣賞科學的價值與成就?？傮w來看,該結構模型強調,教師的科學素養應以深入理解和實施課程標準為核心,以更好地滿足科學課程教學需要和學生核心素養發展需求為根本目的。

二、核心素養對小學科學教師科學素養的挑戰

(一)教師科學素養的形成需要整合各領域科學知識

從教學實踐需要來看,小學科學教師的科學知識結構具有較強的基礎性、體系化、整合性和開放性?；A性主要體現在教師對各學科領域代表性事實、關鍵技能、基本概念、重要原理與規律的掌握上;體系化主要體現在教師基于學科核心概念對學科知識體系的構建上;整合性主要體現在教師基于跨學科概念對跨學科和跨領域知識的整合上;開放性主要體現在教師根據教學需要和時代發展不斷豐富與更新科學知識結構上。

然而,分科教師教育為教師科學知識的整合制造了一定的學科壁壘;同時,不合理的學校教師崗位管理也導致小學科學教師的專業不對口,科學知識存在較大缺陷。因為各學科領域均有明確的研究對象和相對獨立的知識體系,也分別從各自角度提供了認識自然界的獨特思路與方法。所以,小學科學教師的知識結構不應是各學科領域知識的大拼盤,而應該是一個具有關聯性和內在一致性的結構整體。與單一學科教師相比,為了避免科學知識的割裂化和碎片化,小學科學教師還需要內化與整合四個學科領域的知識。在這個過程中,小學科學教師則需要付出更多的時間、精力和智慧。

(二)教師科學素養要能滿足學生核心素養發展要求

教師具有的科學知識主要包括學科事實、技能、概念、規律和原理等知識,主要來源于教師在學校教育時期學習的物理、化學、生物、地理以及工程與技術等學科知識?？茖W素養則是作為一個反思型的公民應用科學觀念參與科學相關問題的能力;一個有科學素養的人愿意參與關于科學和技術的理性討論,這需要具備科學地解釋現象、評估與設計科學探究以及科學地解釋數據和證據的能力[8]。這種能力體現為,人們需要能夠運用他們的知識、技能、態度和價值觀,以連貫和負責任的方式行動改變未來[9]。由此可見,本體性科學知識只是科學素養的構成部分之一,是科學素養領域特質的核心體現。但是,具備一定的科學知識并不等于具有科學素養,科學素養是教師綜合運用科學知識解釋或解決實際問題能力的輸出性表現,科學知識是解釋或解決問題過程中所使用的重要工具。

課程標準提出,科學課程要從科學觀念、科學思維、探究實踐和態度責任四個維度培養學生的核心素養。因此,教師僅僅掌握本體性科學知識是無法勝任科學教學的,需要具備較高水平的科學素養才能滿足科學課程育人需要。

(三)教師科學素養發展缺乏明確標準

科學知識是小學科學教師科學素養領域特質的核心體現。教師的本體性知識是教學活動的實體部分,在教育教學活動中教師的本體性知識必須達到一定的水準,但并不是越多越好[10]。所以,為了實現小學科學課程的育人使命,合理分配教師的時間和精力,小學科學教師的科學知識應該有適當的廣度和寬度標準,要在這些標準下有針對性地發展教師的科學素養,而不能無限制地拔高或拓寬,甚至讓教師漫無目的地學習。

為此,美國《2020 NSTA科學教師培養標準》中針對內容標準提出,有效的科學教師能理解并表達當代科學和工程的知識與實踐,能將重要的學科核心概念、跨學科概念以及科學與工程實踐聯系起來[11]。該內容標準是建立在美國《下一代科學課程標準》中的學科核心概念、跨學科概念與科學實踐基礎之上的,明確了科學教師應該掌握的科學知識的寬度與深度標準,為我國建立教師科學素養發展標準提供了參考。

(四)教師科學素養缺乏提升路徑

英美澳三國《科學教師資格標準》強調內容以科學素養養成為目的,以科學觀內化為核心,以科學知識學習為主線,以探究能力培養為途徑[12],為小學科學教師科學素養的提升提供了方向。對于職前小學科學教師科學素養的提升,教育管理部門和高?？梢酝ㄟ^制定小學科學教師培養標準、更新人才培養模式、改進和優化專業課程內容、改變教育教學方式等措施來實現,教師科學素養的提升路徑比較明確,也比較容易從源頭和底層實現。

但是,對于職后小學科學教師科學素養的提升路徑相對比較復雜。究其原因:一是職后小學科學教師個體之間在專業背景、發展階段、時間精力等方面存在較大差異,教師科學素養發展水平參差不齊,學習需求多種多樣。二是職后小學科學教師科學素養的提升需要足夠的時間與精力,專門進行科學素養培訓會給教師帶來一定的工學矛盾,因此,大部分教師依靠個人自學來補充科學知識,但是在實踐能力提升方面存在很大短板。三是缺少專門針對職后小學科學教師進行科學素養提升培訓的機構,同時,培訓內容的針對性和有效性也很容易受到質疑。

三、提升小學科學教師科學素養的支持措施

結構模型為職后小學科學教師豐富和完善自身科學素養提供了參考框架。為了緩解或者降低小學科學教師所面臨的各種現實挑戰,需要為他們提供一些有價值的支持措施。

(一)制定小學科學教師科學素養發展標準

發展標準是實現教師規范化和專業化培養的前提條件。由教育主管部門統一組織研制小學科學教師科學素養發展標準至關重要,不僅可以明確小學科學教師的入職條件和發展要求,強化小學科學教師的專業化地位,而且也能為學校管理科學課程和合理安排任課教師提供科學依據,讓小學科學教師真正實現高素質專業化發展。當然,要圍繞科學內容知識、科學思維傾向、科學實踐能力和科學價值理解四個維度制定教師科學素養發展標準,核心是一定要建立與科學課程標準的密切關系,要在主要內容上與現行課程標準做到有機銜接,以確保教師科學素養內容與學生核心素養內容的一致性。

(二)編寫適合教師閱讀的科學素養教材

由于學科壁壘的存在,學習與整合各學科知識需要小學科學教師付出較大的時間和精力,即使如此,也未必能夠達到提升教師科學素養的目的。因此,需要組織專家專門為小學科學教師編寫一套科學素養提升教材,重點強化科學內容知識的整合性、基本科學思維方法的訓練、科學實踐活動設計與實施能力的培養和科學價值的分析與理解。這套教材既要能以現行課程標準中的核心概念和跨學科概念為骨架整合各學科領域知識,消除學科壁壘,也要突出一定的實踐性、開放性和前沿性,真正滿足教師的發展需求。

(三)開設有針對性的教師科學素養培訓項目

教師科學素養的發展需要借助一定的外力,特別是專家的指導與幫助,可以有效降低知識整合過程中的難度,促進科學素養向學科教學知識的有效轉化。因此,有針對性地開設教師科學素養培訓項目是非常有必要的?？梢栽诮處熜枨笳{研的基礎上,找到教師科學素養存在的真實問題,以幫助教師順利開展科學課程教學為根本目的,強化教師對科學的深度理解,加強科學實踐訓練指導。

(四)開發適合教師使用的科學學習資源

提升教師的科學素養還要充分強調教師自主學習的作用。當然,教師自主學習離不開各種科學學習資源的支持。一般來說,可以將科學學習資源分為實物資源、印刷品資源、專家資源、音像資源、數字模擬資源等?？蒲性核梢蚤_設小學科學教師科研項目,博物館可以面向小學科學教師開放參觀,教科研部門可以建設專門的網站資源平臺,等等,讓教師根據自己的興趣和需求自主選擇,以滿足教師多樣化和個性化的發展需求?！?/p>