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科学素养的跨学科发展及其实现——美国费米实验室基于科学数据的课程开发之启示


2021-01-15 阅读次数:

 摘要:通过跨学科科学教育实现科学素养全面整合发展是21世纪国际科学教育转型的重要目标。美国费米实验室基于科学数据教育化思想设计了一系列跨学科科学数据课程,通过信息化共享平台的建设实现课程资源的开放与共享,并开发出独特的科学数据课程实施方案。跨学科科学数据课程在多年实践中不断发展更新,有效促进了学生科学素养的跨学科整合发展。深入分析费米实验室科学数据课程的设计与实施,为我国基础教育科学素养跨学科培育提出以下一些建议:扩大科技资源共享范围,开发高质量科学素养跨学科课程;共享课程资源,创新教学模式以落实跨学科课程实施;贯彻多元评价,强化科学素养跨学科教学实践改进的科学性;重视教师素质,培养具有跨学科整合意识与教学能力的教师。

关键词:费米实验室,科学数据,跨学科,科学素养,课程开发

本文系中央高校基本科研业务费专项资金资助“基于大数据平台WWT的科学数据可视化及其教育科普应用”(项目编号:CCNU19TS034)的研究成果。

2014年教育部在《关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》中指出,应加强学科间相互配合,提高学生综合运用知识解决实际问题的能力。[1]20166月,世界教育创新峰会(WISE)与北京师范大学中国教育创新研究院共同发布《面向未来:21世纪核心素养教育的全球经验》报告,明确提出中小学设置基于真实情境的跨学科主题课程。[2]同年,《中国学生发展核心素养》的提出为我国基础教育跨学科课程设计及实施提供理论基础和评价指导。21世纪的科学教育以科学素养为改革发展中心,亦亟需走跨学科整合道路。美国在《下一代科学教育标准》(Next Generation Science Standards,简称NGSS)中将“学科核心概念”“跨领域概念”“科学与工程实践”并列为美国科学教育三大维度,凸显了科学素养跨学科整合核心意蕴。纵观美国社会各界推进科学教育的研究与实践,其中不乏对科学素养跨学科整合的深入探讨。位于伊利诺伊州巴达维亚的费米实验室是美国最大的粒子物理加速实验室,拥有世界先进的粒子加速器,实验室将其真实科学数据转化为课程教学资源,设计了各种基于科学数据的课程项目,为我国科学数据资源开发及跨学科科学教育提供了新的发展启示。

一、研究背景

(一)科学数据具有丰富的教育价值

科学数据是开展科学研究的推动力量。然而,目前对科学数据的界定多局限于其科研资源价值及科研活动重要产出等方面。[3]从本质上说,科学数据是一种信息资源,具有广泛开发价值和强烈目标导向,在不同用户群体中体现出不同应用价值,其流动性、整合性、共享性、重复利用性、动态时效性使其具备成为优质课程资源的潜质。美国在“2061计划”中指出,科学教育的发展方向包括三个方面:基于证据的推理、基于事实的推断和基于数据的研究。[4]可见,科学数据的教育转化并非空穴来风,而是科学技术发展的时代产物。正如美国国家科学委员会和科学院指出,大量真实数据的累积给科学教育带来前所未有的促进。[5]在此基础上,美国各科研机构相继开始挖掘自身科学数据的教育价值,如费米实验室基于其粒子加速器真实数据设计了“计算顶夸克质量”、基于斯隆巡天(SDSS)数据开展了“宇宙探索”等跨学科课程活动,基于数据产生源,为理解数据产生设计了综合性跨学科科研参与课程[6];美国国家航空航天局NASA基于火星探测器JMARS轨道数据与亚利桑那州立大学合作开发了STEM教育课程“火星教育项目”[7]等。国内在此领域的研究较为贫乏,在CNKI中检索“科学数据”发现,21世纪以来,相关研究主要集中在数据共享、数据处理、数据管理、元数据、图书情报等方面,缺乏对科学数据教育转化的关注。[8]国内科学数据教育应用主要集中于数据的科普转化,如中科院国家天文台网站的“科学普及”栏目等[9],此外华中师范大学物理科学与技术学院联合中科院国家天文台将万维望远镜(World Wide Telescope,简称WWT)观测数据用于课堂教学是为数不多的将原生数据引入课程的实践[10]。综上,本文认为科学数据是由科学研究产生的,具有广泛开发价值和多元目标价值导向的一种信息资源,具有丰富的跨学科科学教育价值。

(二)跨学科整合促进科学素养发展

20世纪80年代美国“2061计划”颁布以来,“科学素养”一直被视为科学学科明确的教育目标。对科学素养的理解,经历了从关注学科知识掌握到考量学生如何运用知识的转向。[11]科学素养的形成着眼于生活中的科学问题,落脚于科学知识、技能的实践应用。[12]“跨学科”一词最早出现于20世纪20年代,并逐渐成为一种课程教学理念。[13]21世纪,素养导向的科学教育不再局限于各学科工具性知识、技能的培养,而是立足于学生所处的多元复合生活世界,弱化学科界限,在实际问题解决中发展学生科学素养和高阶思维能力[14]。因此,跨学科教育不仅是科学素养培育的重要方法途径,也是对科学素养内涵的进一步丰富与延伸。[15]我国基础教育科学素养可概括为科学观念、科学思维、科学探究、科学责任四个方面[16],本文将通过评述费米实验室课程设计理念、课程实施特点等,旨在为我国科学数据教育转化与科学素养跨学科发展提出切实可行的意见。

二、费米实验室跨学科科学数据课程设计

美国在基础科学教育推进过程中逐渐出现优质教育资源短缺、教育资源分配不均等问题。为确保所有学生都能公平获得必要的教育资源和支持,美国政府呼吁社会各界利用现代信息技术共享优质教育资源。[17]费米实验室响应政府号召,在国家科学基金会和美国能源部的资助下,基于其海量科学研究数据,立足跨学科整合理念,以NGSS为行动指导,设计了系列基于科学数据的课程,并参与建设科学资源共享网络中心“夸客网”(QuarkNet[18],实现科学数据课程的网络共享,促进科学研究经验进入K-12课堂。

QuarkNet与激光干涉引力波天文台(LIGO)、欧洲核子研究中心(CERN)等科研机构合作,建立基于LIGO测量数据、宇宙射线(Cosmic Ray)测量数据、大型强子对撞机(LHC)中CMS实验数据的多个“电子实验室”,用以共享各实验所测得真实数据,并集成各种数据分析技术。教师可通过注册电子实验室,获得这些数据的使用权,并带入课堂,引导学生进行数据的收集、处理、分析、解释与交流。电子实验室科学数据较为专深晦涩,教师难以将其与课程标准相结合,成为可用的教学资源。因此,费米实验室综合考量数据使用情况、师生发展水平等因素,结合相关科学知识、科学思维、科学探究、数据处理技术,设计了“数据教学专题课程”,一方面对教师进行数据挖掘、数据分析、科学与工程设计、跨学科教学等方面的指导,另一方面支持教师将专题课程带入课堂。数据教学专题课程自2015年启动,每年都会根据研究数据更新、数据使用情况更新课程内容,近年来的主要课程分为四级难度梯度,部分课程如表1所示。

1 费米实验室部分数据教学专题课程

项目名称

数据来源

难度等级

NGSS实践指标

跨学科

构建强子、介子模型

CosmicRayLHC

0

26

物理、数学、工程学等

识别信号与噪声

CosmicRayLHC

0

45678

物理、数学、工程学等

定性描述场对粒子的影响

LHC

1

457

物理、数学、地理等

计算顶夸克质量

CosmicRayLHC

1

1457

物理、数学等

识别宇宙射线μ介子

CosmicRay

1

45678

物理、数学、天文等

地震产生及其影响因素

LIGO

1

34578

物理、数学、地理等

估算质子尺度

LHC

2

458

物理、数学等

计算μ介子寿命

CosmicRay

2

2345

物理、数学、天文等

定量分析场对粒子的影响

LHC

2

4567

物理、数学、地理等

CosmicRay综合应用

CosmicRay

3

1346

物理、数学、天文、工程学等

CMS综合应用

LHC

3

1346

物理、数学、化学、工程学等

注:“NGSS科学与工程实践”的八个维度:1.提出(科学)问题和定义(工程)问题;2.开发和使用模型;3.规划和进行研究;4.分析和解释数据;5.应用数学思维和计算思维;6.建构(科学问题的)解释和设计(工程问题的)解决方案;7.参与基于证据的论证;8.获取、评估和交流信息

电子实验室共享科学数据得益于美国实行国有科学数据“完全与开放”共享的政策,并设立财政专项资金支持科学数据共享建设。[19]费米实验室基于科学数据的课程设计深入贯彻跨学科思想,主要特点如下:

(一)跨学科科学数据课程目标:以多主体合作实现科学性与教育性并存

科学大厦不是由一个个孤立学科拼凑而成的。首先,科学、技术的革新与发展往往都发生在学科边界,需要突破学科界限去思考;其次,生活中的科学问题往往具有多元和杂糅的特点,小到水的净化,大到环境、能源的可持续发展,任何单一学科知识均无法胜任,科学是多学科有机结合的整体。[20]费米实验室作为国家科研机构,其科研过程及科研产出本身就具有多学科融合的特征,也蕴藏着丰富的跨学科教育价值,因此费米实验室将其教育宗旨确立为“将科学教育带到你身边”,其跨学科科学数据课程目标定位于“科学性与教育性并存”。[21]

为实现“科学性与教育性并存”的目标,费米实验室跨学科科学数据课程设计从需求分析到实际开发都凝聚了各学段、各学科领域众多参与者的力量。首先,课程起源于科学大数据时代的到来及科学教育对数据资源的需求。作为课程资源的最终使用者,K-12各学科科学教师积极参与费米实验室科学数据课程开发,指出一线科学教育对数据资源的需求现状,奠定课程资源开发方向与基调。每年,全国有500多所K-12学校、2 500多名科学教师参与到相关课程设计与体验中来。[22]其次,费米实验室各领域科学家联合高等院校科研工作者、教育专家,深入挖掘科学数据的教育价值,明确其涉及的各学科知识,探究跨学科整合项目式课程开发的可能性。在教育专家专业课程理论指导下,科学家将抽象、专深的科学数据转化为融合多门学科知识的课程资源,在保证科学性的同时,让学生在其认知能力范围内进行类似科学家的真实研究,最大限度发挥科学数据课程的教育性。此外,费米实验室还打造了一站式科学教育资源服务平台“教师资源中心”,免费为科学教师提供数据教学资料、书籍、期刊、各类教育报告等资源,同时中心科学家密切联系在职教师、职前教师、教育专家、相关管理人员等,共同开发高质量科学教育资源。[23]多领域、多主体合作开发模式促使费米实验室科学数据课程得以兼顾科学性与教育性,也是科学数据课程得以促进学生科学素养跨学科发展的基础。

(二)跨学科科学数据课程内容:贯彻“整合理念”实现多维度融合

2012年,美国发布《21世纪K-12阶段科学教育框架》,将科学学习分为“科学与工程实践”“学科核心概念”“跨领域概念”三个维度,以“实践”取代“探究”,打破实践与知识分离的局面。2013年,NGSS进一步贯彻“整合”理念,以“表现期望”为桥梁,实现三个维度在教学中的整合发展。[24]整体来看NGSS在设计理念、内容安排等方面皆有较大更新,为美国K-12科学教育指明了新时代发展方向。LIGOCosmic RayCMS电子实验室以NGSS为思想指导、以师生发展为导向、以情境化科学问题为驱动、以真实科研数据为支撑、以信息技术为手段打造了一个多元互动、师生合作的真实化课堂研究性学习环境。费米实验室科学数据课程内容设计以NGSS三维整合理念为指导,将各学科知识与“学科核心概念”相对应,通过“科学与工程实践”促进学生对“跨领域概念”的理解应用。以“探究地震产生及其影响因素”课程为例,其NGSS三维指导如表2所示。

2 “探究地震产生及其影响因素”课程的NGSS三维指导

科学与工程实践

规划与开展研究

在开始研究前,学生需明确研究变量,在研究过程中对相应变量选择多组数据重复分析

分析和解释数据

学生利用LIGO电子实验室集成的数据分析工具对所选数据进行分析,获得图像曲线,并尝试进行科学解释

应用数学思维和计算思维

学生“基础知识步骤学习简单的测量方法计算方法绘图读图方法;获得分析结果后,应用数学思维解读图像曲线等

基于证据的论证

学生在“得出结果”步骤需根据数据分析结论,针对探究问题集结整合证据,完成对研究问题的全部论证

获取、评估和交流信息

学生在整个学习过程中不断获取信息,在探究过程中验证信息的有效性,在“交流讨论”步骤中交流信息并发现新问题

学科核心概念

PS4.A:波的特性

学生需了解地震波的特点,包括横波、纵波、地震波波速、频率等

ESS3:地球和人类活动

学生探究影响地震产生的自然因素;探究人类活动与地震的关系

跨领域概念

模式

将数据划分为频带,学生可探究不同频带模式下的地震特点

原因与结果

学生可探究海浪、风、降雨等自然因素和人类活动对地震的影响

系统和系统模型

学生根据探究问题确定研究变量,针对同一变量选择不同数据源,探究不同变量对地震系统的影响关系

(三)跨学科科学数据课程整合、共享与评价:充分发挥信息技术的教育价值

信息技术飞速发展的大数据时代为资源深度开发与广泛共享提供了可能,为资源评价与意见反馈提供了便捷的数字化渠道。美国分别于2012年、2013年、2016年启动“大数据研究和发展计划”“大数据到知识(BD2K)计划”“联邦大数据研发战略计划”,通过一系列的计划实施推动科学数据整合与共享。[25]以费米实验室为代表的国家科研机构将原生形态数据转化为具体的科学数据课程,不仅是深入挖掘科学数据的重大尝试,也切实为K-12科学教育带来优质课程资源,这些都离不开信息技术的支撑。首先,在课程整合共享上,费米实验室参与打造集成真实科学数据与数据分析技术的的电子实验室,免费为师生提供科学数据课程学习平台,并实现数据库的及时更新;开发一站式科学教育资源服务平台“教师资源中心”,为教师提供前沿、优质的课程教学资源;建设科学教育资源整合共享平台“费米实验室教育网站”,向社会各界公开费米实验室科学教育及活动资讯。整体来说,费米实验室已经实现线上课程教学资源、线下课程活动资讯的全面开放与共享。其次,在课程评价反馈上,师生可在费米实验室教育网站上找到课程活动负责人邮箱等联系方式,提出反馈意见;费米实验室教育办公室还开通脸书(Facebook)、推特(Twitter)等社交媒体,一方面实时分享费米实验室教育资源及活动资讯,另一方面广泛收集社会各界的反馈意见。此外,费米实验室早在1983年便成立非营利机构“费米实验室科学教育之友”,一方面广泛吸引基金组织、社会机构、教师团体、个人等为费米实验室科学课程开发提供资金保障,另一方面积极联系K-12合作学校,获取一线教师对课程资源的反馈意见。

三、促进科学素养跨学科发展的科学数据课程实施

为促进科学素养跨学科发展的实践落地,费米实验室为科学数据课程设计了独特的实施方案,主要有以下特点:

(一)提供丰富支架,以项目式学习落实知识生成与能力锻炼

项目式学习(project-based learning,简称PBL)是一种以学习者为中心、以小组合作为形式展开的项目导向式教学,强调跨越学科界限,促使知识融会贯通,注重激发学生主动思考、创造力和批判性思维能力。在费米实验室科学数据课程中,学生在真实问题的驱动下,综合应用各学科领域知识,在项目设计与实施中解决问题,实现知识建构与生成。支架式教学起源于维果茨基(Vygotsky)“最近发展区理论”,受建构主义思想影响,强调以学习者为中心,培养学生的问题解决能力和自主学习能力。支架式教学通过一步步为学生提供适当的、小步调的学习线索或提示,让学生逐步发现和解决问题,掌握相关学科知识,提高问题解决能力,成为独立学习者。鉴于费米实验室科学数据课程的抽象性和前沿性,电子实验室为每一个课程项目提供丰富的学习支架,学生可自主阅读使用,一步步完成科研项目。以LIGO电子实验室的课程为例,实验室开辟“资料室”(Library)板块,为学生提供研究项目简介、专业术语汇编、数据分析教材、网站操作文本与视频指南、常见问题解答等学习支架。学生置身于真实科研情境中,在科研问题驱动下,借助电子实验室数据和分析工具,通过提出假设、分析设计、合作探究、获取数据、分析数据、建构解释、科学论证、交流评估,有效掌握各学科知识,锻炼科学与工程实践能力。

(二)贯彻“5E教学模式”,实现基于探究的科学素养建构

5E教学模式”是20世纪80年代初在建构主义理论基础上提出的,它将科学学习看作一种感官获得的活动,是需要设计探究式科学顺序的过程,此过程分为五个部分,吸引(Engagement)、探究(Exploration)、解释(Explanation)、迁移(Elaboration)和评价(Evaluation)。[26]5E教学模式”重视基于问题的探究、基于探究的知识建构,目前广泛应用于整合式科学教育,如STEM教育。STEM是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、数学(Mathematics)的简称,强调打破学科界限,实施基于问题探究的教学,促进学生科学素养、技术素养、工程素养、数学素养的整合发展[27],是跨学科科学教育的一种成功实践。费米实验室科学数据课程的教学实施贯彻“5E教学模式”,学生通过全程参与探究过程,体验科学家的工作方式,获取研究经验,理解科学本质,促进科学素养建构。以“探究地震产生及其影响因素”课程为例,其教学设计如表3所示。

3 “探究地震产生及其影响因素”课程的教学设计

跨学科知识

物理

波的性质;波的叠加等

环境、地理

降雨、风、温度、海浪潮汐等环境因素与地震的关系

信息技术

访问QuarkNet资源中心LIGO电子实验室网站进行学习;使用LIGO数据及网站集成分析工具

人文社会

人类活动与地震的关系

数学

敏锐识别数据意义;数据结果的解释;图像的绘制及解读等

科学素养

科学观念

波的概念;地震概念;产生地震的运动及相互作用;地震能量问题

科学思维

基于经验猜测并推理地震产生及影响因素;结合数据论证猜想;质疑并提出新问题

科学探究

根据问题设计研究方案;收集处理数据;解释数据结论;小组交流讨论

科学责任

实事求是的科学态度;环境保护意识;认识理解STSE观念

5E教学

吸引

创设科研情境,引出课程主题:地震

探究

猜测影响因素;设计探究方案;实施探究方案;获取、分析、转化数据

解释

集结证据;汇报成果

迁移

发现新问题,促进学生将知识运用到新情境中

评价

课前知识诊断;课上汇报交流、相互评价;课后学习检验

(三)以情境化科学问题为驱动,实现科学素养螺旋上升发展

21世纪科学教育越来越强调以真实的情境化问题为载体,将多学科领域知识整合、嵌套其中。不论是项目式学习、支架式教学、5E教学等方法与模式,还是国际学生评估项目(PISA)、国际数学和科学趋势测评(TIMSS)、美国国家教育进展评估(NAEP)等科学素养评估项目,均强调基于真实情境的问题解决,情境化问题已成为学生建构知识的良载体。费米实验室科学数据课程的实施践行“知识问题化、问题情境化、情境科研化”的目标。如图1所示,科学数据课程的实施注重在课堂上创设科研情境,以真实科学问题为驱动,以数据获取设计、数据获取实践、数据分析转化为路径,以数学思维为润滑剂,衔接整个学习过程。课程整合物理、化学、生物、地理、数学、工程、信息技术、人文社会等多门学科知识,服务于问题解决与项目实施。此外,学生认知发展遵循螺旋式上升,科学数据课程的实施并不能使学生认知爆发式增长,也不能使科学素养一蹴而就地发展,而是曲折前进、螺旋上升。学生在科学数据研究与交流中不断解决问题、发现新问题,推动实践探究在情境化问题驱动下不断循环下去,形成一个自主学习闭环,有效推动学生科学素养在已有基础上螺旋上升发展。

1 费米实验室科学数据课程跨学科整合关系

在上述课程实施理念指导下,费米实验室为科学数据课程设计了以下教学流程,主要包括“前期测试”(pre-test)、“酷炫科学”(cool science)、“基础知识”(the basics)、“进行研究”(get started)、“得出结果”(figure it out)、“交流讨论”(tell others)、“后期测试”(post-test)七个步骤,如图2所示。“前期测试”在课程开始前需对学生进行诊断性评价,了解学生各学科相关知识、数据处理能力的基础和准备情况,以制定针对性教学计划。“酷炫科学”为学生提供科学图片、视频等感性经验和学习支架,使学生置身于问题情境。“基础知识”为学生提供研究范例、操作向导等学习支架,学生通过自主阅读明确各科知识,掌握简单测量、计算、分析、研究设计等技能。“进行研究”对应“NGSS科学与工程实践”13点,学生将感性问题转化为科学问题,调用相关探测器数据,了解该探测器相应研究,结合各学科知识、规律、模型等,规划并设计研究方案。“得出结果”对应“NGSS科学与工程实践”47点,学生利用电子实验室集成的数据分析技术,调动数学与计算思维,对数据进行分析、解释,结合各学科知识集结证据进行论证。“交流讨论”对应“NGSS科学与工程实践”78点,各小组集结最终结论,在汇报讨论中积极进行思维碰撞,发现新问题,促进新一轮探究。“后期测试”与课前诊断性测试、课堂形成性记录一起为科学素养评价提供科学依据,为后续教学设计提供常模参照。

2 跨学科科学数据课程教学实施流程

四、费米实验室跨学科科学数据课程的思考与启示

我国跨学科整合的科学教育起步较晚,正处于实践摸索阶段,缺乏国家标准的指导,社会联动机制与评估机制不健全,优质课程资源短缺,教师跨学科整合能力不强[28]。费米实验室基于科学数据的跨学科科学课程的设计与实施对我国基础教育科学素养跨学科培养具有借鉴意义。

(一)扩大科技资源共享范围,开发高质量科学素养跨学科课程

进入21世纪,我国逐渐重视科学数据多元开发价值。2001年,中国气象局首先启动气象数据共享试点工作,面向社会开展公益性数据共享服务。2004年出台的《20042010年国家科技基础条件平台建设纲要》强调打破科技资源分散、垄断、封闭的现状,积极促进资源共享。[29]2018年科技部、财政部颁布《国家科技资源共享服务平台管理办法》,明确建立国家科学数据中心[30];同年,国务院办公厅印发《科学数据管理办法》,强调各研究机构积极推动科学数据传播工作,科研人员积极整理、共享清晰、准确、有价值的科学数据[31]2019年科技部、财政部颁布《国家科技资源共享服务平台优化调整名单的通知》,成立“国家高能物理科学数据中心”等20个国家科学数据中心,向社会各界公开共享优质科学数据资源[32]。整体来看,我国科学数据共享层次较浅,多着眼于科研生产、推进前沿研究和高科技产业发展等方面,还有待向科学教育倾斜。此外,基于科技资源的课程开发多以高校学科教育专家为单一开发主体,科研工作者通常仅以讲座等传统方式向公众普及前沿科学,致使课程资源开发深度较为欠缺,甚至有的只是将现有课程资源披上科学数据等“科研外衣”。若想在大数据时代使优质科学数据成为科技创新教育增长点,需做好以下几点:第一,强化顶层设计。需进一步扩大科学数据共享范围,实施统筹规划,促进科学数据教育资源的整体建设,完善科技资源教育转化的激励与保障机制,同时国家自然科学基金会等基金组织应为科技资源教育转化提供专项资助。第二,加强多元主体合作。各科研机构应成立专门教育部门,全面统筹科学数据教育转化相关事宜。建构“校·研·教”合作开发模式,以各领域科学家为课程开发核心,中小学教师积极提供教学需求、反馈资源使用状况,高校课程专家立足课程理论,从课程标准、跨学科科学素养等角度编写数据课程教学指南,严格把关数据课程的教育性。第三,立足课程标准。课程标准是课程目标、课程内容、课程实施的纲领性文件,任何课程资源的开发都必须立足于课程标准的指导。跨学科科学数据课程内容设计应结合科学观念、科学思维、科学探究、科学责任等科学素养维度,实现前沿科学数据教育价值的深入挖掘,保障科学数据课程的科学性与教育性。

(二)共享课程资源,创新教学模式以落实跨学科课程实施

课程资源开发与实施之间还需实现开放与共享。2018年教育部发布《教育信息化2.0行动计划》,强调基于互联网的大资源观,即课程资源建设不仅指向知识,更强调学生掌握知识间的深层联系,形成知识图谱[33],这与科学素养跨学科整合发展有异曲同工之处。科学数据资源涉及的领域宽广、种类繁多,如何利用繁杂的科学数据开发跨学科课程资源,并实现资源整合、共享与反馈是打通科学数据教育转化的重要环节。随着信息技术在教学中的深度参与,基于信息技术的课程资源共享走向常态化,如国家基础教育资源网、中国教育资源网、中小学教育资源中心等资源网站的建设。各科研机构应参照费米实验室,打造专门网站平台实现科学数据课程资源整合、共享,同时通过网站平台、社交媒体、线下调研等多种方式收集课程资源反馈意见,促进资源更新。

我国科学教育实践中,科学学科与数学整合基础较好,但与技术、人文社科、工程等学科的整合较为不足[34],且科学学科之间还存在清晰的学科壁垒。除了优质跨学科课程资源匮乏外,有效教学方法、模式的缺位也是一大原因。费米实验室跨学科科学数据课程在实施中综合利用项目式教学法、5E教学模式、支架式教学模式,以情境化科学问题为驱动,通过合作探究,实现知识自主建构与生成,推动深度学习及学习迁移,促进科学素养跨学科整合发展的实践着床。我国科学教育跨学科整合发展也亟需创新教学模式:第一,转变“教师中心”的课堂教学理念,重视学生的主体性与主动性;第二,改变以讲授为主的灌输式教学模式,强调学生合作探究与知识建构;第三,综合应用多种教学方法,为学生创设真实研究情境,促进观念、思维、探究、责任等科学素养在复杂跨学科问题或项目解决中不断萌芽生长。

(三)贯彻多元评价,强化科学素养跨学科教学实践改进的科学性

2001年,随着《基础教育课程改革纲要(试行)》出台,新课改全面启动。2014年,教育部印发《关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》,提出研制中国学生发展核心素养,指出新高考改革方向。2016年,北京师范大学核心素养课题组公布“三维度、六要素、十八基本点”的中国学生发展核心素养体系,新课改逐渐以核心素养为中心向纵深发展。新课改以素质教育为主旋律,其评价观指向学生素养的全面发展。近几年,单一的评价方式已无法适应整合化科学素养的发展需求。费米实验室在跨学科科学数据教学中结合课前诊断性测试、课堂形成性记录、课后总结性评价,为教学改进提供全面、科学、精准的依据。我国跨学科科学教学亦需贯彻多元化评价:第一,摆脱单一总结性评价理念,强化诊断性评价与形成性评价。树立指向学生智力因素与非智力因素发展与进步的评价观,贯彻“以学生为中心”的绿色评价理念,实现“以学评教”“以评促教”。第二,立足多元评价主体,采取多元评价方式,如教师评价、学生自评、同伴互评、合作评价等,实现科学素养的综合评价。第三,根据跨学科课程实施特点,设计针对性评价标准,开发多元化课堂教学评价工具,为教学改进提供科学依据。

(四)重视教师素质,培养具有跨学科整合意识与教学能力的教师

教师欠缺跨学科整合意识,课程组织能力和教学能力薄弱是制约科学教育跨学科整合发展的重要因素。费米实验室科学数据课程不仅面向学生,还致力于培养在职与职前科学教师基于科学数据的跨学科课程整合与教学能力,给我国科学教育带来以下启示:首先,国家科研机构应面向在职和职前科学教师设计跨学科科学教育研讨活动;其次,高校教师教育专业应重视对职前科学教师跨学科课程整合意识及教学能力的培养;第三,高校课程专家应积极与一线教师沟通交流,从跨学科整合教学模式、教学方法、课程资源平台使用技巧、教学评价、信息技术与教学整合等方面对一线教师进行全方位指导。例如,华中师范大学物理科学与技术学院联合中科院国家天文台基于万维望远镜WWT开源数据平台,对相关科学数据进行可视化、漫游制作等二次开发,建设基于WWT科学数据的跨学科教师教育课程;建立WWT天文实验室,展开基于WWT的探究性教学;同时与华中师范大学第一附属中学、杭州高级中学、江西马鞍山中学、深圳海旺中学、重庆石新路小学、武汉张家湾小学等中小学校进行跨学科科学数据教学的项目合作,为一线教师基于WWT的数据教学提供理论与实践指导,取得可喜成绩,也收获宝贵实践反馈,为深入开发与应用奠定基础。

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作者简介:郭庆,华中师范大学物理科学与技术学院硕士研究生;乔翠兰,华中师范大学物理科学与技术学院副教授;伍远岳,华中师范大学教育学院副教授;通讯作者:乔翠兰

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