党的十八大以来，为适应新时代的人才培养需要，提升国民素质，政府如火如荼地推进基础教育课程改革。2018年以来，普通高中、义务教育新课程相继颁布。其中一个重要变化是，构建了以核心素养为纲的学科课程。对于科学领域课程的实施，作为与实际教学关系非常紧密的科学教材，如何体现学生核心素养的发展要求，值得深入探讨与研究。

一、知识结构化是教材编写的内在逻辑

进行知识的结构化，首先需要探讨科学知识是指什么，包括哪些类型。一般来说，科学知识主要是指几千年来，无数中外科学家探索形成的科学概念、规律和理论等。在此，我们姑且称之为事实性知识。而且从科学史看，这些科学知识的发展是累积式、不断修正完善的，本身就是高度结构化的。横向上，知识是不断丰富的，且彼此形成一个关联的结构。纵向上，知识的发展是由浅入深的，托马斯·库恩指出，正是皮亚杰对于学生认知发展阶段的分析，使他更加了解科学史上知识的认识与发展过程。^[1]以“相互作用”为例，详情如表1所示。^[2]

表1  “相互作用”的发展概述

科学知识的发现和积累过程遵循着从具体到抽象、从宏观低速世界到微观高速世界的总体逻辑,与学生科学学习过程具有一致性。这在很多国家的课程文件中均有显著的反映，当然也应该是教材内容编写的逻辑。以“能量”这一核心概念为例，其对应的“大观念”为“封闭系统的能量是守恒的”，下面的“子观念”包括“能量的形式是多种多样的”“能量不会凭空产生与消失”“能量是可以转移和转化的”。这些“子观念”之下包括具体的概念、规律等，如动能、势能、化学能、动能定理、热功当量、机械能守恒定律等。这些概念或定律又可以拆解为几个核心方面或问题，如动能概念的建构，包括动能的定义是什么，动能和哪些要素有关，动能和物体质量的关系如何，动能和物体的运动速度的关系如何等。这样，从一个一个具体问题的解决建构概念、规律，从概念和规律的学习建构“子观念”，在“子观念”的基础上形成大观念。教材应该遵从这样的内容逻辑，从而支撑科学观念的形成（见图1）。

图1 科学观念的形成路径

然而，从人的认识逻辑上说，即学生学习科学的基本问题包括“是什么”“是否认识以及可能到达的程度”“怎么学习与研究”，即本体论、认识论和方法论的问题。科学发展的历史既涉及本体论（默认某种自然的本体论）的变化，又涉及方法论（接受某一组具体的关于研究自然的规则）的变化，还涉及价值论（坚持某一套有关自然探究的认知价值或目标）的变化。^[4]因而，中小学科学内容应不仅仅包括事实性知识，即科学概念、规律和理论等，还在于获取这些知识的过程（程序性知识）、关于科学以及科学探究的认知（认知性知识），乃至超越科学的综合性内容（跨学科知识）。其结构化主要涉及以下三大维度：一是从横向上看，事实性知识、程序性知识、认知性知识、跨学科知识等四类科学内容以及彼此之间的相互关联；二是从纵向上讲，不同内容的自身进阶，这种进阶包括四类科学内容，主要反映了知识内容的发展性；三是包括横向和纵向，基于真实问题解决的科学与其他领域内容的结构化。科学内容的一个非常重要的方面就是，超越科学本身的多学科之间的关联与融合。鉴于知识学习规律以及这种结构化要求的难度较大，其在内容结构中往往与前两个方面并存。^[5]同时，换一个角度讲，科学知识结构化实质上规定了支撑内容学习的探究实践活动设计的空间和边界。活动情境需要和学生实际生活紧密结合，而非生搬硬套科学知识产生时的、对学生不熟悉的场景，这就涉及了学习的理论与逻辑。

二、核心素养的发展寓于科学探究实践活动之中

如何在中小学科学教学中培养与评价学生科学素养的发展状况？一方面，学生要解决对实际生活有价值的真实问题，我们依据学生在此过程中的表现进行判断、反思和改进。^[6]学生的表现主要有两种形式：一是科学解释。科学解释是在尊重证据的前提下，根据理论或创设理论对自然世界进行理性解构和连接搭建的活动。在这一过程中，抽象概括、归纳演绎、证据评估、假设检验等科学思维是解释的逻辑基础，相对充分、准确和客观的证据是实证的基础。^[7]二是学生的实践行为，其认识观念、态度、责任感以及思维推理的结果等都可以据此获得，因为这些要素是指挥行为的直接缘由。它们往往是隐性的，又是相互关联的，科学探究实践活动是其全面融入和渗透的主要路径。^[8]此外，对于科学观念、科学思维、探究实践、态度责任四个核心素养，^[9]本身存在多重交叉，如“科学思维”本身就是科学探究与实践的一个重要部分。除思维与实践本身具有很强的交互关系之外，科学知识与概念的使用是思维与实践的重要元素，态度与责任也是科学实践的重要依据和育人价值之一。

基于以上考虑，在探讨科学本质、科学认知方式及科学实践等基础上，本研究构建了“像科学家一样思考与实践”核心素养发展框架（见图2），其内含了核心素养的各个维度，且明确指出了其科学学习样态与参照标准。^[10]科学知识、科学情意是科学思维的重要基础，思维是影响实践行为的重要依据。在这个框架中，科学思维的发展是核心，但其有赖于科学知识与情意的状况。同时，如前所言，思维、情感等过程发生在学习个体内部，我们需要依据学生在科学实践活动中的表现加以判断与“裁决”。这一框架的理论意义就是将科学知识学习与核心素养发展熔铸于像科学家一样的思维与实践活动之中。因而，如何设计科学探究实践活动，成为培养与评价学生核心素养或“像科学家一样思考与实践”的一个重要基础。

总体来讲，科学探究实践活动主要包括三大类。一是为了发现物质内在结构或运动规律而开展的探究活动。这种活动有利于增进对世界的认识与把握，属于原始的创新与发展，如拉瓦锡通过定量实验发现空气的构成。在中小学科学学习中，这种创新是相对于学生而言的，而非相对于教师，更不是相对于科学家或几千年的科学研究积淀。二是根据已有的科学理论而进行的技术发明与突破。这属于科学的应用范畴，如火箭设计，其中涉及燃烧、动力、受力分析等基本科学知识，当然这样一种实践也是对科学知识理论的检验，同时，由于将科学转化为一种改造世界的力量而引发了伦理问题。三是为了证实科学规律而开展的实践，同时，又可以作为基本工具推进科学知识的进一步拓展。典型的例子如高能加速器，它依据科学知识而建立，又服务于微观世界的规律探索。在中小学科学教学中，这一方面集中反映为教具的制作。第三类可以视作前两类的复合体。

三、以现代课程思想作为核心素养培养的品质标识

为什么要在科学教材编写中引入后现代课程思想？这是因为其与学生核心素养发展的内在逻辑之间具有统一性，与未来人才培养的价值追求之间具有统一性。科技的发展不仅反映了人类认识和改造世界的水平和能力，同时也在影响和改变着人类的观念。当下，世界充满不确定性和不稳定性，人类的未来也面临无限可能，很多问题异常综合与复杂。因而，科学课程教材要致力反映当代与未来的特征，培养学生应对它们所需要的基本素质。这些素质包括开放的心态、持续学习和适应的能力、良好的思维等。这正是后现代课程思想的核心所在。如作为其主要支撑之一的普利高津的自组织与耗散结构理论把发展的方向性、系统的复杂性、演化的不确定性这些整体性特征，整合进了一个完整的动力学模型之中。这种动力学假定，当系统满足如下三个条件时就会出现系统的自我组织、自我维护、自我修复和自我更新现象：它是开放系统，它远离平衡态，它内部各要素之间存在非线性的相互作用。对一个封闭系统而言，热力学第二定律确认它必定走向无序和混乱，因此，唯有系统开放，从外界引进负熵流以抵消系统内部的熵增，才有可能出现有序结构。此外，开放系统还必须远离平衡态。远离平衡态的系统最终能够出现高度有序的结构，原因在于非线性作用给出了多种多样发展的可能性和分支，其中就存在高度有序的分支。^[11]可见，后现代课程思想揭示了教育教学作为一个非线性的、开放的生态系统，一个由于认知冲突而远离原有认知平衡，然后因为信息开放、不断学习而达到新的认识平衡态的过程。换句话说，科学教育就是要激发学生持续学习思考，引入认知负熵，产生对世界本质及其运动规律的新的有序洞见。

具体而言，后现代课程思想特征可以总体概括为“4r”。一是丰富性（richness），揭示了课程的深度、意义的层次、内容的多元性、多种可能性或多重解释。为了促使学生发生认识上的转变，课程应具有“适量”的不确定性、异常性、模糊性、不平衡性、耗散性与生动的经验。二是回归性（regression），揭示了课程的上升性、反思性、迭代性，没有固定的起点和终点，每一个终点就是一个新的起点。对话是回归的绝对必要条件，没有反思，回归就会变得肤浅而没有转变性，只是重复，要对作为意义建构者的自身和处于质疑之中的教材进行探索、讨论和探究。三是关联性（relevance），揭示了课程具有的复杂关系网络，包括情境的变化与迁移、文化的背景与影响、潜在的科学假设与观念、科学思想与信念等。课上时间不用于阅读与概括材料，而是将选读材料与共同阅读材料以及各种材料联系起来。随着学期的进展，讨论的质量不断提高；利用所获得的洞察力重复已完成的或开展新的关键实验或实践活动，有时变化是转变性的。四是严密性（rigor），揭示了课程与育人的逻辑性，赋予课程一种测量和操作性要求，涵盖了学术逻辑、科学观察和数学精确性等核心要素。在这种转变性框架中，不确定性、变换的关系和自发的自组织得以强调，但要防止落入“蔓延的相对主义”或感情用事的唯我论。^[12]

四、模型构建与设计优化

（一）模型建构

基于以上三个方面的探讨，我们可以得到以下结论：（1）科学内容结构化是教材编写的逻辑依据，包括知识的分类与进阶，具体表现为教材册次、单元、课时等的整体设计。（2）探究实践活动作为支撑知识学习、素养形成的主要路径，要充分对应内容逻辑。（3）度量两者的品质特征，也即找到一个适合的“标尺”促进学生科学素养的培养，我们采用了后现代课程的核心思想。这个“标尺”具备三方面功能：一是有利于科学教育者从多个角度认识好的内容组织和探究实践活动应该具有哪些特征；二是这些特征可以在纵向上契合不同阶段的学习者需求；三是换一个角度讲，可以作为诊断和评价学生学习表现的依据。由此，形成了一个由内容逻辑、探究实践、品质特征组成的教材编写三维模型（见图3）。

图3  核心素养导向的科学教材模型

该模型描述的是教材编写的主体设计，在具体教材编写中还存在很多具体的技术性问题，如素材选取、栏目设计、作业呈现等。提出这个模型的主要目的是摆脱这些非主体的干扰要素，而在教材编写核心理念和思路上予以变革，否则，枝节的修正不可能形成反映核心素养导向的教材形态。

（二）科学教材内容组织与探究实践活动设计的优化

1.强化内容的“少而精”以及活动支撑。对于科学教学，由于素养始于并孕育于学生探究实践以及逻辑思维的深度参与，所以要处理好内容量和学习素材的关系，以及内容量与活动量的关系。

首先，内容要“少而精”、结构化，但学习素材要丰富。其中，“少而精”有两层意思：一是抓住解释性强、利于问题解决、具有文化意义的核心内容，这不是多少的问题，而是主次的问题；二是“少而精”并不表示知识结构的残缺，但知识的抽象性、概括性更强，加之结构化处理，极大有利于学生形成知识的整合性理解，从而在不同情境中迁移。从另一个角度讲，如果没有内容的“少而精”，学生则淹没在细碎知识点的理解与应用之中，几乎没有可能深度参与探究实践活动。此外，科学内容不仅仅包括科学自身的概念、规律和理论，还包括如何开展科学探究、如何认识科学以及科学应用等方面。理想情况下，科学学习是获取科学概念、技能与元认知能力的结合。^[13]因而，注重不同类型科学内容之间的相互关联是认识科学内容的基础，也是进一步将其与素养发展、路径支撑进行整体认识和设计的基础。对于学习素材，要反映科学史上知识产生的生动实践、反映现代生活的常见情境与学生经验。这不仅是学习起点的问题，更是学习逻辑的问题。如果学习素材单一或者较少，学生缺少观察和批判性的选择和加工，抽象、概括和归纳等思维过程则不能实现，思维能力得不到训练，而且概然性过强的科学结论也违背了科学知识的本质。这样的学习正是杜威所批判的“旁观者”立场，学生是被灌输的对象。

其次，要提升探究实践活动对内容学习的支撑作用，包括数量和质量两个方面。一些国家的科学教材对此进行了很好的设计，如美国麦格劳·希尔公司（McGraw-Hill）出版的《Inspire Science》系列教材，其绝大部分知识学习都有活动支撑。具体来讲，在“机械能”单元设计中，首先呈现一个STEM应用场景，并提出要解决的问题；在本单元所有课时学习结束后，还会回到该实际问题的解决。同时，每一个课时都有相应的任务书，体现出学习者在学习过程中的主要思考和持续的修正。例如，第一个课时（不要理解为我们通常说的40分钟一节课）是“动能”，先呈现一个现实情境，同样提出问题，然后开展一个实践活动。这个活动的特征有两个：一是学生可以实际参与，而非抽象的、模型化的，所用材料也常见易得，如纸杯等；二是根据这个活动设计了包含观点（猜想）、证据、更多证据、修正观点（猜想）、推理等要素的任务书。证据的采集是在整个课的过程中完成的。此后，对动能与质量、动能与速度的关系进行了分别探究，而且极力呈现为一个可操作的、定量或半定量的探究过程，有数据和观察结果的收集，有分析和推论（明确数学的使用）。最后，得出结论，并在“动能”概念建构完成后，进行了生产生活方面的拓展。^[14]106-121当然，国内也有一些教材体现了这一特点，其以项目式学习理论为指导进行编写，如在“探索燃烧的奥秘”这一项目中，具体设计了三个任务：燃烧是如何发生的，如何调控燃烧，燃料是怎样的。每个任务又设计了若干问题，每个问题均有对应的探究实践活动。^[15]

2.有效结合探究实践活动要素，做好“4r”在科学教材中的可操作转化。美国《下一代科学教育标准》将科学探究要素与工程实践要素进行了整合，具体包括：提出问题（科学）和定义问题（工程）；开发和使用模型；计划和开展研究；分析和解读数据；使用数学和计算思维；构建解释（科学）和设计解决方案（工程）；开展基于证据的论证；获取、评价和交流信息八个基本要素。^[16]为提升可操作性，本研究将“4r”与之相结合（见表2）。

表2  “4R”在科学课程教材中的具体表现

如此，“4r”回答和解决了三个核心问题：一是摆脱了只是肤浅地要求科学探究实践，为如何设计高质量探究实践活动，提升真实性、开放性、实践性，提供了角度和思路；二是将内容结构化过程转化为一种思维（方法）加持下的学习者自我建构过程，同时形成对科学研究及科学本质的认识；三是为学生核心素养发展或“像科学家一样思考与实践”创建了一种操作路径，确保将真实情境、解决实际问题的要求落到实处。这里着重说明两点：一是后现代课程思想的每个特征与探究实践活动的每个要素均有关联，以上只呈现了相对比较重要的结合点；二是关联性和严密性在客观上要求开放的科学探究实践活动的同时也是有边界的，情境的设计、文化的参与以及新问题的提出等要与核心内容存在联系，这要求教材、教师在问题设计上注重逻辑性与开放性的有机统一。

通过与探究实践的基本要素相对应，“4r”可以作为科学教材设计的一种隐性或显性的引导，将学习过程引向学生的深度参与。如《Inspire Science》中每一个探究实践活动的第一个要求都是“阅读并完成实验安全表格”，这体现了对科学活动中安全问题的关注与渗透；同时，绝大部分实验都涉及数据的测量与分析，即数学与科学的结合，^[14]130体现了对严密性的要求。诸如此类明确的、反复的要求不仅有效确保了探究实践活动高质量、顺利地进行，提升了学生的思维品质和实证能力，更是科学观念、科学精神逐步确立的基础。

3.注重科学思维培养的融入。应加强科学思维研究，包括相关概念内涵与构造的基础研究，以及如何进入教材的研究。当前，科学教育在这方面的研究比较薄弱。科学教材应体现对逻辑及逻辑思维全面而正确的理解，并在此基础上，推进在探究实践活动中有机融入（主要通过科学推理与论证）。如探究实践活动中的“提出问题”，关乎如何提出一个好的科学问题，其深刻反映了学生的基本经验与思维水平，这是我国科学教育的短板。对此，教材可以设计一个恰当的引导链以帮助学生思考，并预留足够的书写空间。通过比较国际上不同科学教材，我国教材虽然设置了“反思”“你有什么不同看法”等栏目或提示语，但没有预留书写空间，在教学中容易忽略或走形式。对于引导链，本研究以“提出问题”“猜想”为例进行说明（见表3）。

表3  探究实践活动某些要素引导链示例^[17]

其中，我们不仅看到“4r”与探究实践活动的结合，也看到了与科学思维的紧密结合。科学探究实践活动的每一个要素都有非常丰富的内涵与结构，当“4r”融入后，我们又获得了更加多样的思考、选择和调节的空间。因此，培养学生的科学思维就是要学生基于足够可靠的证据（信息、素材、经验），运用归纳、演绎、类比、分析、综合、控制变量等思维方法进行假设检验或问题解决，能够正确建立证据与解释（结论）之间的关系，提出合理见解。^[18]

4.谨慎对待科学文化及其思维方式的渗透。探究实践活动本身以及其如何设计，实际上反映了对科学、科学立场以及科学文化的基本认识或认同，其中涉及的如何进行科学探究（研究）更是思维方式的直接表达。这也是“4r”中关联性的一个重要方面。不论是希腊黄金时期的理性（理念、演绎、形式）科学，还是中国古代朴素的实用科学，以至于文艺复兴以来的近代数理科学，在科学文化与思维方式上都有实质的不同。然而，我们对于当下如何开展科学研究却有着总体一致的认识，当然，认识的广度、深度以及背后的缘由也存在着较大差异。科学文化的内涵渗透于科学知识结构、组织制度和精神场域之中，深刻诠释了科学作为文化存在的人本规定，突出体现为一种尊重证据、追求简洁和谐以及对世界的客观性认识的思维方式。^[19]当前，世界各国普遍重视HPS（History, Philosophy and Sociology of Science）教育。这种教育的内核就是科学文化的传承，而且是科学教育的本体所在。科学传统的生命力，及其对社会的积极影响，取决于它可以成功地将儿童导向科学的学习结果、科学的方法以及科学的思维过程。通过深入的历史研究，英国著名科学史家W. C. 丹皮尔指出：一方面，科学可以超越自己的天然领域，对当代思想的某些领域以及神学家用来表示自己信仰的某些教条，提出有益批评；另一方面，宗教信条又在深刻地影响着科技人员的科学信仰，以至于思维方式和行为方式。^[20]例如，学生面对和学习的经典科学，其产生与基督教的发展有着密切的关系，主要表现在三个方面：（1）基督教促成了“自由”概念的转变，在古希腊的知识“自由”之上赋予了“意志”自由的新内涵；（2）人的地位发生了重大变化，逐步形成了“人类中心主义”的观念，强调个人的强力意志，以及对自然的改造与征服；（3）创世观念的出现，对近代科学的机械自然观作出了决定性贡献，因而形成了人作为主体、自然世界作为客体的研究态势，并且相信世界秩序与规律的客观存在。^[21]课程教材反映人才培养的国家意志，在科学教材内容组织和探究实践活动设计时，需要增进对科学文化的认识，并作出清醒的判断。