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科学教育和创新型工程技术人才的培养

韦钰

2008年1月

 

西方文艺复兴运动之后,科学技术逐渐发展成为推动社会发展的主要动力,它不仅是我们了解世界和我们自身的有力工具,也是推进人类社会发展的第一生产力。科学技术作为第一生产力,把人类社会推进到了21世纪。21世纪是知识社会和经济科技全球化的世纪,人类既能拥有普遍过上美好生活的前景,又同时面对人口急速膨胀、资源枯乏、环境恶化等方面的严峻挑战,这是一个像野马一样奔驰着,而人类又必须共同驾驭的世纪。

人类靠什么来面对未来,正确的选择是继续依靠科学技术的发展,以及建筑在科学发展基础上正确的价值取向。因此,建设创新型国家,培养创新型人才不仅是增强国家竞争力的必然需求,也是保障人类社会得以持续、健康发展的唯一可行道路。

一个创新型的国家必然是由具有创新精神和创新能力的国民组成的,是一个具有创新文化的社会。为了实现这一点,必须大力提高国民的文化和科学素质,培育创新文化。科学素质成为21世纪公民必备的素质,它是国家竞争力的重要组成部分,也是形成科学的、民族的先进文化的主要基础。教育是实现这一目标必不可少的重要途径,而且必须从娃娃抓起,从基础教育抓起。从儿童开始进行探究式科学教育。

一、科学教育和探究式科学教育

在科学教育的研究和实践领域里, 目前所指的广义的科学教育是包括从学前教育开始直到大学本科毕业的科学、技术、工程、和数学教育(ScienceTechnologyEngineering and Mathematics, STEM。根据本课题分工的任务范围,在本研究报告里除了特别说明以外,下面提到科学教育是特指学前教育和基础教育阶段的科学和技术教育,不包括职业教育和中学阶段以后实施的科学技术方面的专业教育。

传统的科学教育方式是由教师进行讲授,甚至是灌输式的,这种科学教育的方式并不能体现科学的真正含义,更不能满足现代科学发展和社会进步的需求。由于科学技术发展迅速,因此知识总量急速增长,信息更新加快;由于经济发展对人才创新能力和实践能力要求的提高;也基于对人如何能有效学习,和对科学了解的深入,科学教育必须进行改革,必须从单纯灌输式转变为探究式,这已经是科学教育界的共识,所以本报告中所指的科学教育,除了特别说明外,都是指探究式科学教育(Inquiry Based Science Education, IBSE

科学是人类对客观世界(自然界、人类社会与人的思维)的规律性认识,及由这种规律性的认识建立的知识体系。科学知识是人类认识的成果或结晶。科学不仅代表着系统的、基于实证的、经过定量分析和逻辑推理而得到的知识,还包含着获得知识的过程和方法,以及其中蕴含的科学精神(态度)。科学包含着从实际中抽象出来,而且界定严格和普遍认可的许多概念。而概念往往与日常生活中形成的经验、直觉相左或不同,但概念是分析与推理的前提和设计实验的依据,因此理解、掌握与运用概念是学习科学的一把钥匙。

虽然对探究过程的理解目前有不同的观点,对于不同年龄的学生和不同的学习内容,也需要采用不同的学习形式,但是探究式教育中应该包含如下一些主要特点(韦钰,P. Rowell(加),2005.):

1.          在教师指导或示范下,学生主动地学习过程(以学生为中心)

2.          围绕着核心概念,让学生实际进行、或体验、或了解知识获得的过程。这个过程包括收集信息、聚焦和提出问题、提出设想和设计调研方案(观察、实验)、记录和分析数据、表达和交流等。这些过程都应该是在一个学习的群体中,通过充分地讨论和互动来完成的;

3.            尊重学生的差别,从学生已有的基础出发,设置不同的“脚手架”(学习环境和指导),以有利于学生有效地学习和发展;

4.            注意学习者社会情绪能力的培养;

5.            在学习过程中采用帮助学生建立的形成性评价。

探究式教育的目的应该包括:

1.        掌握重要的科学知识概念,以及建立联系科学概念的认知模型;

2.        学习探究的技能;

3.        促进语言和表达能力的发展;

4.        保护学生的好奇心和激发学习科学的主动性;

5.        激发想象力,扩展思维;

6.        改善合作和交流能力;

7.        关心日常生活中的科学问题,关心环境和关爱生命。

以面对儿童的做中学科学教育为例,在做中学科学教育实验中提出了以下的九项原则,以体现探究式科学教育的特点和要求:

1.      面向每一个儿童、尊重儿童间的差异;

2.      为儿童终身的学习,更为儿童学会生活奠定基础;

3.      教学案例应来源于生活,从周围取材;

4.      引导儿童主动探究、亲历发现过程;

5.      教师是儿童学习科学的支持者和引导者;

6.      采用激励性评价;

7.      科学工作者和教育工作者共同进行科学教育;

8.      充分动员社区和家庭的力量,支持科学教育;

9.      通过现代化的互联网络增进国内和国际间的交流与合作,建立汉博网站。

二、加强科学教育是各国建设创新型国家采取的主要措施

我们承认世界上有些国家是创新型的国家,是培养创新型人才比较成功的国家,那么在一个科技经济全球化的时代,研究他们的发展过程和目前采取的政策,对我们培养创新型人才和建设一个创新型国家可以有所启示。

科学是自西方文艺复兴运动以后迅速发展起来的,因此,科学文化一直是西方文化的核心。三百多年以前,科学教育起源于西方,脱胎于被教会控制的经院教育,并伴随着科学技术的进步不断发展,因此,西方发达国家历来就有重视科学教育的传统,并把它看成是增强国家竞争力的主要措施。在20世纪下半叶以后,科学技术发展越来越快,对社会经济发展的作用也越来越重要,科学和社会的关系发生了质的变化,西方发达国家更加强调科学教育的重要性,把以培养精英为目的的科学教育,转变为面向每个学生的基础教育中的基本要求,科学和语文、数学一样被确立为基础教育阶段的核心课程,把推动科学教育的发展和改革作为应对未来,确保国家竞争力的重要措施。

以美国为例,二次世界大战以后,当时的美国总统杜鲁门决定要在美国系统地建立和加强科学研究能力,为此设立了美国国家自然科学基金会(NSF)。美国国家自然科学基金会从成立的一开始,就把支持科学教育研究作为它的主要任务之一,成立了专门的分部来负责。1957年,前苏联载人卫星的成功发射震撼了美国朝野。美国感到在科学领域落后之际,首先想到的是教育改革,特别是科学教育改革,并认为最重要的投资应该是对基础教育的投资。从小培养起来的新一代,更为有希望,也更为重要。他们发现冷战的取胜不取决于战场上的枪口,而是取决于科学教育的课堂。经过讨论,1958年美国议会通过了《国家防御教育法,National Defense Education Act (NDEA),用法律的形式推动基础教育的改革,科学教育是其中重要的组成部分。美国的幼儿园和小学的科学教育在六十年代末七十年代初兴起。1983年美国感到和日本相比竞争力下降,美国教育委员会发表了报告《在危机中的民族,A Nation at Risk接着是几任总统的教育改革计划:老布什总统的"America 2000," 教育计划;克林顿总统的 "Goals 2000," 以及布什总统的"No Child Left Behind。科学教育的改革都是其中很重要的部分。

在世纪之交,美国的科学教育从以培养精英为目的,转变为面对每一个学生,以普遍提高国民科学素质为目标。1985年美国的先进科学技术协会(AAAS)公布了2061计划,提出了在2061年哈雷彗星再次回归地球附近时,美国公民应具有的科学素质,并作为一个持续的行动计划不断推进[1]1995年美国国家科学理事会National Research Council颁布了美国历史上第一部国家科学教育标准,提出了要在幼儿园和小学中实施探究式科学教育,并随后采取了一系列的措施来落实这个科学教育标准[2]2006年美国科学院和美国工程院发表了题为《迎接风暴》的研究报告[3]。据此,布什总统在2006年发布国情咨文时宣布一项提高美国竞争力的行动计划(American Competitiveness Initiative),以鼓励在所有经济领域的创新,以及给美国的儿童在数学和科学方面打下更扎实的基础。在这项计划里,包括了三项主要的投资计划:1 在下一个十年里,增加对关键的基础研究项目的投资;2,对研究和发展投入实行税收优惠,以鼓励更多的私有部门参与技术革新;3,鼓励儿童学习更多的数学和科学,并且要保证这些课程真正足以能与其他国家竞争。美国议会两院在2007 8月一致通过了根据《美国竞争力计划》制定的《美国竞争力法》[4]

200710月美国国家科学委员会(National Science Board)再次提出《应对美国科学、技术、工程和数学教育系统紧急需求的国家行动计划》[5]。该计划经过两年的准备,在2007103正式发布。这一天也是前苏联第一颗人造卫星上天的50 周年纪念日,所以特别选在这一天发布,是为了向美国朝野发出警示:50年前的威胁,今日以另一种形式出现,美国需要大大加强对学生的科学、技术、工程和数学教育。该行动计划主要提出两个方面的措施,一是要求对从学前教育到高中教育、大学本科教育阶段的科学教育,增加国家层面上的主导作用,在横向和纵向上进行协调;另一个方面是提高教师的水平和增加相应的研究投入。美国国家科学理事会在200710月出版了书籍《将科学引入学校——从幼儿园到八年级学习和教授科学, Taking Science to School: Learning and Teaching Science in Grades K-8[6]。两份报告的有些观点不尽相同,但是对科学教育的重要性认识是完全一致的。

上世纪六十年代以后,特别是八十年代以来,世界上其他一些主要的发达国家也十分重视从幼儿园和小学开始进行探究式的科学教育。法国的教育制度在中央集中管理这点上和我国比较类似,而我们和法国科学院又建立了已经长达8年多的良好合作关系,因此对法国科学教育的情况是了解得比较准确的,他们的发展过程、采取的政策和措施,对我国可以有重要的启示。

1995年,法国诺贝尔物理奖获得者夏帕克(Georges Charpak)应法国教育部长的邀请,带领了一个研究团队,到美国考察美国芝加哥和加州的科学教育改革。回国以后,决定将美国的探究式教育引入法国,并作了进一步的发展,将它称为 La Main à La PâteLAMAP,意为动手和面,即基于动手的探究式科学教育1995 1996年开始由法国科学院推动在344 班级进行La main à la pâte[7]实验2000年实验班级扩大到5000个班级,参加探究式科学教育实验的是3-11岁的儿童。 1999年法国教育部在对LAMAP进行评估以后,决定在全国幼儿园和小学中进行上述科学教育[8][9]2000年法国教育部正式公布科学教育改革计划,要求法国全部350000班级进行科学教育改革,成立执行此项计划的国家委员会,并对教师培训提供财政支持 Implementation of local and national plan management committees )。2002法国教育部公布了新的国家课程计划(New national  Curriculum),并对 7 %  的在职教师进行了专门的科学教育方面的培训。2003- 2004教育部发布了教师培训的指导书 (Guide for teacher training (Ministry of Education)2004-2005大约有25 % 的教师已能够进行科学教育,他们大部分能用好的教育方法进行教学,在职培训的量减少了 3%。其间,希拉克总统曾亲自到小学参观科学课的教学[10]。从2006年开始,LAMAP开展初中低年级试点(12-13 岁),进入第一批试点是10所学校共100个班级,试点进行得比较顺利。法国在2007年对四千余名11岁左右的学生进行了科学教育评测。此项评测将会在5年以后再次进行。为了促进教育的跨学科的科学研究,法国在2007年将所有的培养教师的高等教育机构并入综合大学[11]

1988年英国的英格兰、威尔士和苏格兰先后通过教育改革条例,对512岁的儿童进行科学教育,并把语文、数学和科学教育并列为小学的三门主要课程[12]1988年科学课程标准草案的基础上,英国先后颁布了5个不同版本的科学课程标准。其中,关于科学探究活动的内容和教学要求虽有调整和修订,但科学教育的地位和作用一直受到强调与重视[13]2006年在法国和瑞典的推动下,启动了欧盟12个国家中12个城市间的合作计划花粉计划[14]20078月欧盟发表了《为了欧洲的未来,立即改革科学教育方法》[15]的报告,欧盟正在酝酿欧盟国家在科学教育上的联合行动。

九十年代以后,国际上一些科学家,包括一些诺贝尔奖金获得者,本着对未来的责任感,根据自己的科学实践,提出并亲自和教育界一起合作推动国际范围的科学教育,科学教育开始在发展中国家推行。国际科学联合会(ICSU)从1994年开始组织了科学能力建设委员会(CCBSCommittee of Capacity Building on Science),致力于在世界范围里推动探究式的科学教育。200011 中国教育部、中国科学技术协会和国际科学联合会,联合国教科文组织共同在北京召开国际小学科学与数学教育会议,并发表了北京宣言[16]。有九十多个科学院参加的国际科学院联合组织(IAPInter-Academy Panel)中成立了负责对世界问题提出科学咨询意见的国际科学院委员会(IAU)。国际科学院委员会在20042月向联合国秘书长 安南先生(Kofi Annan 正式提交了他们第一份对国际问题的咨询报告创造更美好的未来:在世界范围内建设科学技术能力的战略[17]。在这份咨询报告中,强调了科学能力建设对世界可持续发展的重要性。其中,作为基础的和最具战略性的任务是中小学(518岁)的科学教育,指出科学教育是科学技术能力建设的核心。200312月国际科学院联合组织在墨西哥发表了联合宣言,有69个科学院院长在宣言上签了字,承诺在各自的国家推进科学教育。中国科学院陈竺副院长代表中国科学院在宣言上签了字[18]。随后,成立了以智利科学院院长Allende为主席的IAP-IBSE国际网络。20069月经过两年的工作,IAP-IBSE工作组发表了对探究式科学教育进行评估的报告[19]

20046月在联合国教科文组织位于法国巴黎的总部,召开了国际科学技术教育大会,会议提出科学教育改革应该作为重要议题列入联合国教科文组织的议程,应该在世界范围内推动一个大的计划,并着力于推动发展中国家的科学教育改革。会议号召世界各国教育界、科技界和政策制订者共同为系统地改革少儿的科学和技术教育而努力[20]

现在世界上已有三十多个国家,包括亚洲、非洲和拉丁美洲的一些发展中国家正在进行此类的科学教育改革。国际经济合作与发展组织(OECD)组织的国际学生评测计划(PISA)在2000年对学生的科学素质进行了国际比照性评测[21]20072月,OECD-PISA又发布了他们在2006年对59个国家和地区15岁学生科学素质的评测结果[22]

三、为什么科学应该成为主干课程?

现在科学教育的目的已不再只限于为培养社会中的科技精英,而是面向每一位学生,为了培养21世纪的合格公民,因为,科学素质已成为21世纪公民必备的素质。

在现今的时代,科学与社会的关系已经发生了革命性的变化,例如科学知识和科学家的全球流动,对科学普及提出了新的挑战;科学知识产生过程和产生者的变化,导致对科学纯洁性的忧虑;创新的速度和规模发生变化,不可避免地产生了新的风险和不确定性;全球化形势下科学和技术管理方式的变化,对专家的责任心和道德规范提出了新的要求等等。总之,科学技术正在引起人类生活质量、活动范围、通讯方式、生产方式、文化、政治等方面的深刻改变,社会已经越来越依靠科学技术,社会也因为科学技术的正面和反面的影响而变得难于驾驭。在这样的社会发展新阶段,科学教育应该成为基础教育阶段的主要课程,它的理由至少有以下几个方面:

1.      科学教育是建设具有民族特色的、科学的、先进文化的有效途径

一方面科学是人类文明的重要组成部分,是人类卓越智慧的表现和人类的共同财富,代表着21世纪人类共有的先进文化;另一方面,在全球化背景下,保持各民族文化的独特性,既是历史的必然,也是世界持续与和谐发展的需求。科学教育为实现这两方面的有机融合提供了有效的途径。关于这点我们将在下一部分里专门讨论。 

2.      科学教育提供21世纪合格公民必备的素质

在知识社会里,社会健康和持续的发展需要全社会公民的共同参与。有些科学知识对所有的社会成员都是十分重要的。在社会成员对许多涉及个人和公共问题做出判断,并参与决策时,需要了解不断发展和更新的科技信息。因此,公民必须具有一定的科学知识,以及了解科学研究的方法和过程,发展科学思维方法,才能对涉及自身和社会的有关信息做出选择,参与公共政策和决策的讨论,参与法律的制定、监督和执行。如像对能源问题和环境问题作决策,对生物伦理进行选择,这些都需要公众的参与,没有公众的支持和监督,社会的可持续发展无法实现。

3.      科学教育是培养学生创新能力和实践能力的有效途径。

科学教育提供了在教师指导下,师生可以共同进行的社会实践活动方式,有利于学生在实践中发展语言、逻辑推理和解决问题的能力,有利于保护学生的求知欲和好奇心,发展社会情绪能力。

4.      科学教育为学生未来的发展奠定基础。

对相当部分的学生来说,科学、技术或工程将成为他们终生职业或职业工作需要涉及的部分。在21世纪,不涉及科技的职业将不会很多。

5.      科学教育直接关系到国家未来的竞争力。

21世纪,建设创新型国家是中华民族的历史选择,为此必须要大力提高公民的科学素质,以建立创新文化的氛围;必须努力培养创新人才,而科学教育正是培育公民科学素质和造就创新型科技人才培养的主要的和必要的基础,这些都直接关系到国家的竞争力和繁荣富强。

所以,无论对国家、社会、还是个人而言,掌握科学知识和技术,成为能在知识社会生存和参与发展的基础。科学和语文和数学一样,应该成为基础教育阶段的主干课程,这也是各国在制定教育政策时的明智选择。

四、科学教育是建设具有民族特色的、科学的先进文化的有效途径

文化是什么?据说有人统计有500多种定义,至少有20多种定义被认为是比较权威的。文化应该是,或主要应该是人们精神世界的体现. 它即使以物质和具体活动的形式为躯体,文化也是其中蕴含的精神文明和意识形态。文化应是多层面的,阳春白雪",也有大众文化. 它是分层次的。最普遍的表现形式为日常的习俗和行为;第二层是艺术、文学、科学、它是现实生活、客观世界和历史传统的加工,提炼,升华;第三层次是理论和思想,包括哲学;第四层次是宗教和政治信仰。

文化是上层建筑,它与生产力的发展程度密切相关。文化是不断向前发展的,不会僵死,也不应倒退,而是随着生产力(今天科学技术就是第一生产力)的发展而向前发展。它总是在传承和变化,在扬弃和吸收中发展。在全球化的今天,文化不可能孤立的存在于单一国界之内,它是流动的、在碰撞和交流中相互影响与融合,互联网和通讯技术的发展加速了这种相互影响和交融。世界上并不存在统一的文化,但是可以具有一些共同的文化和价值取向。科学文化就是这样的一种文化,在科学揭示的客观规律之上,人类将建立一些共同的价值取向,如实事求是、诚信、相互尊重、保护环境、尊重生命等等。

科学教育的目的不是在简单地传授知识,而是在建立一种新的文化,包括对我们生活在其中的客观世界的态度,包括思维方式和价值取向。科学文化中核心的精神是实事求是,追求真理,这是我们坚持建设有中国特色社会主义道路,建设创新型国家必须具有的。

科学包含着知识,这些知识是我们对自然和自身规律性的认识,是人类智慧的结晶。科学还包含着获取这种知识的过程,科学探究是人类重要的社会实践活动。在这个过程之中,科学探索者们的足迹写就了一篇篇瑰丽的诗篇,其中展示着在地狱里搏斗的勇士们超常的智慧和力量,以及人格的高尚境界。 科学的思维方法 Scientific way of thinking包括批判性思维、好奇心、怀疑、推理、用观察与测量来寻求实证。科学思维也包含了更深层次的哲学,科学的世界观和认识论,认识到自然界是有规律和可以认识的,并基于这种认识产生对自然的敬畏和赞美,对科学的热爱和和崇敬。科学培育着一种在尊重事实基础上,尊重他人的不同意见的人生态度,一种开放的心态。

在今天,价值取向已经不可能脱离科学的发展,例如我们不了解基因,不了解脑科学的发展,无法对待许多伦理、道德和法律问题[23],而且脑科学还揭示了道德的生物基础[24]。科学是多少世纪以来人类创造的全球化的宝贵财富,它是世界的,也是中国的,我们不应该拒绝它,也不可能去拒绝它[25]

孩子们通过科学学习,可以逐步理解到真实性是存在的,因为可以证明某些解释要比另一些更加真实可靠。例如当说到地球是球状的就比地球是扁平的更为真实,他们应该知道为了这样一个变化,先驱们曾付出了生命的代价。但是,这并不是一个绝对不变的真理,地球并不是完完全全的球状。他们通过科学探索理解到真实是一种逐渐趋近的过程,而不是一个信条:它在被建造,他们中间的任何一个人都能用自己的努力参与它的建造。最终来自不同方面的,可以被重复和验证的证据汇聚在一起,建立共识。客观的结果会抹去每个人的主观想法,从而共享这个结果,这就是我们今天学习的知识。科学教会学生在真与假之间做鉴别,或者说在比较真实与不太真实之间做鉴别,并且要懂得尊重事实,尊重别人的言论。这样的实践,自小学就要做起,培养这种道德价值观是非常重要,并有广泛意义的[26]。孩子们在学习知识和探究技能的同时,体验和逐步建立一种思维的方法,一种生活的态度,一种跨越国界的,人类共有的,具有普遍性的科学的思维方式和生活态度。

科学是没有国界的,客观的真理不以国界、民族、种族而异,但是掌握、应用和创造科学的人是有国家和民族独特性的。科学成为一种文化的时候,它既保留了科学的普适性,也会具有民族的独特性。虽然在人类发展的各个大阶段中,文化有大致相同的核心内涵,但在全球化中保持文化独特性,或是多样性的问题是很重要的,也是必然的。

科学需要用语言来表达,语言具有文化的独特性;科学需要人来完成和传播,人带有文化独特性;科学需要哲学的指导,哲学具有民族的独特性。科学文化必须同时具有民族的、本土的特点,才能是大众的,才有可能变成一种民族的素质。在人的记忆系统里,不仅有可陈述记忆,用以记忆可以用文字表达的内容,还有情绪记忆系统和动作记忆系统,后两者记忆内容是通过内隐学习而获得的,更加与文化环境有关,即使是科学教育,不考虑中国的文化环境是行不通的,也是无益的[27]

在我国五四运动时期,科学就是作为新文化运动的重要组成部分,是和民族的振兴联系在一起的。在建设有中国特色社会主义的时代,费孝通先生提出文化自觉的问题[28]。费老认为,信息时代的到来以及经济全球化步伐的加快,使地球愈来愈小。处在这样一个国际环境下,各个民族、国家和地区的文化将会不断地接触交流,互相碰撞、融合。正因为如此,我们尤其要提倡文化自觉,要清楚地认识自己的文化,认识其他的文化。只有这样,才能在多元文化的世界中共同创造人类美好的未来。

文化自觉是指生活在一定文化中的人对其文化有自知之明,明白它的来历,形成过程,所具的特色和它发展的趋向,不带任何文化回归的意思。不是要复旧,同时也不是主张全盘西化全盘他化。自知之明是为了加强对文化转型的自主能力,取得决定适应新环境、新时代文化选择的自主地位。在新的形势下重新反思当前国际上不同文化之间的关系问题。中国要面向世界,要世界充分认识我们中国人的真实面貌,我们首先要自己认识自己,才谈得到让人家来认识我们和我们去认识人家,科学地相互认识是人们建立和平共处的起点。中国人几千年来的理想,就是要实现一个人类和平共处并共同发展的和谐世界,不同文化之间不应互相冲突,而应相互协调。

在中国向西方开放的过程中,一直在为中外文化的关系问题所困扰,两种态度,拒绝或全盘接受西方文明的态度和争论,在中国持续了一百多年,曾反复出现,时起时落。不少仁人志士也提出过一些办法,如洋为中用中体西用等等,但缺乏可以普遍推行的教育方式。有人把科学素质的培养和人文精神的培养对立起来,认为现在科学教育太多了,要加强传统文化教育,这种非此即彼的方式是行不通的,人本身就是同一的。我们应该在如何结合上认真研究和实践,这是一个严肃的,无比重要的任务,没有中国优秀文化的传承,就没有中华民族的立足之地,没有科学文化的引入,中华民族也不能走向现代化,甚至无法生存。

我们需要在新的时代背景下,认真探讨一条可行的道路,特别在教育上,我们企望通过科学教育来探索一种有效的途径[29]

在幼儿园的做中学科学教育案例中,有一个关于风的案例,让孩子了解空气是一种物质,风是流动的空气。这个教案在中国和法国的幼儿园都进行。从科学内容上看是相同的,但是北京市第五幼儿园进行这个案例教学时,孩子们把风对我们的影响分成了两类:风是我们的朋友和风给我们带来的危害,这种看问题的方法就是中国传统文化的反映[30]。当法国科学院代表团参观这个幼儿园时,他们感到很吃惊,因为在他们西方的思维中认为,白就是白,黑就是黑,不能折中,而在中国一个事物具有它的两面是普遍被接受的哲理。

关于中国人和美国人在认知特点上的不同,已经有很多文章发表了。这里我也可以提供一个关于中国人和美国人在观察问题时着眼点不相同的实证。这是美国密西根大学学者做的一个科学研究[31]。他们向受试者显示32张不同的图片,这些图片在背景上有一个突出的目标物。用眼动检测仪跟踪受试者的视线,结果发现中国学生看背景的时间多,而美国学生则抓住突出目标的时间多。当背景变化时,美国学生重新辨认目标物的重复率要好。它说明中国人看问题一般注重整体思维,注重关系和相似,而美国人注重分析和分类。中国哲学主张综合,西方哲学强调分析,两者的结合将会是很有益的,特别在知识更新越来越快的时代,建立在分析基础上的综合是十分重要的。但是,中国传统的综合,没有建立在对各个特殊个体的分析上,即缺乏通常说的定量的、分析的、实证的科学思维之上,常常不够精确,不够深入,容易走形式而不能落实。教育应该培养分析基础上的综合思维,以应对信息洪灾[32]

要保持各个民族的优秀文化,不仅是符合目前在经济上、科学上、文化上不占主导地位的发展中国家的利益,也符合发达国家的利益,需要双方共同的努力。发达国家应该输出的是他们优秀的文化,而不是文化中的渣滓。中国需要继续向西方学习,特别是学习西方的科学文化分析和重视实证的文化,在分析的基础上继承我们的全局观点和辩证观点。中国需要学习西方对个人的尊重,在这个基础上继承我们对家庭、对社会的重视和奉献精神。这种文化的多样性和相互交流会有利于建立一个和谐的、可持续发展的世界,教育特别是探究式的科学教育应该是通往我们理想的一条大道,一座建立了解和合作的桥梁。

五、科学教育对造就创新型人才的重要作用

科学教育和创新性科技人才的关系几乎是不言自明问题。儿童生而具有强烈的好奇心和学习科学的巨大潜力,但是,儿童也会形成一些对科学概念的错误理解。对5-12岁的儿童进行探究式的科学教育,可以保护和激发儿童的好奇心,帮助儿童建立正确的科学概念,发展探究能力,而且有利于儿童情绪能力、语言能力等方面的培养。它既让儿童有一个愉快的学习经历,又为他们的终身学习和发展打下重要的基础。在大批地培养创新人才的基础上,希望能造就一些顶尖人才和领军人才。

关于什么是创新,什么是创新型人才,创新型人才需要具有什么样的素质和能力,这部分已经放在分课题的总报告中进行阐述[33],这里就不再重复了,只是把一些结论性的意见表述在这里。

创新的概念在过去的十几年里有了很大的发展,从一个原来限于经济领域的概念,扩大到了包含更多的层次和内容。创新是和新颖、进步、实效联系在一起的。创新有不同的定义,目前大家倾向于认为创新是一个多层次、多角度的社会实践活动,它包括创造、发明、革新、制造、导致、促使产生过去不存在的知识、物质、物品或运用,而且这些新的,过去不存在的或是没有发现的新知识和新事物是对社会发展有积极作用的。创新活动可以发生在不同的领域,起着大小不同的作用,但是只有拥有足够的重大的创新可以导致国家的繁荣富强。

创新思维是导致创新活动发生的源泉和核心。创新思维是人在面对需要作复杂决策情况下,在激情驱动下突现的一种灵感,一种积极的直觉思维;常常又是跨学科的、循着不寻常思路发展的、高质量的综合思维;它是基于已有的、长期积累的知识(概念和模型)和推理之上的思想飞跃;它针对某一特定的目标,并希望对这一目标的实现做出积极的贡献。有了创新思维在合适的环境下会导致创新活动,产生实际的和积极的效果。

创新型工程科技人才的培养是一个长期积累的过程,其成功的因素可以追溯到胚胎期和儿童期的发育经历,所受到的基础教育和专业教育,直至成人后的经历。我们认为良好的情感、社会能力和认知能力共同组成人类发展基础,以下六方面的素质和能力对创新型工程技术人才是重要的:

1.    好奇心和对探究的热情(主动性);

2.    责任心(自信和自强的性格;正确的伦理、道德和价值取向);

3.    基础知识和良好的认知模型

4.    有效的终身学习能力

5.    综合运用知识解决问题的能力; 

6.    合作、交流和表达能力

这些要求都和科学教育密切相关,在这里特别强调其中的三项,即保护好奇心、社会情绪能力培养,以及正确的伦理道德与价值取向。

好奇心和兴趣是创新人才必不可少的素质。爱因斯坦曾经反复强调的决不要失去神圣的好奇心(Never lose a holy curiosity)”。好奇心是不能也不需要教授的,儿童生而具有强烈的好奇心,特别是5-9岁的儿童。在基础教育阶段,科学教育最有利于保护这种好奇心,并把它引向对科学探究的兴趣。在目前中国,这点尤其显得重要。在这里再次引用爱因斯坦的警句是十分合宜的。爱因斯坦曾经指出;现代的教学方法怎么会还没有完全扼杀探究的神圣的好奇心,这几乎是奇迹.可是在中国许多儿童的好奇心在小学里已经被扼杀了,这是不能不承认的事实,这也是我们一再呼吁至少要在小学阶段需要实施探究式科学教育,保护儿童好奇心的原因。

目前我国的基础教育状况是不利于创新人才培养的。有的人认为我们的数学和科学教育水平已经很高了,以掌握知识和技巧而论,也许是这样,但是我们目前的教育不利于创新人才的培养,这是国内外教育界比较清醒的一致评价。创新能力和创新热情在儿童时期已经被消磨殆尽,到大学阶段,许多学生已经失去了学习和研究的热情,只有能力特别强的,压不垮的极少数人可以脱颖而出。这种情况不予改变,大力培养创新人才只能是空话。

科学教育另一个重要的功能是培养儿童的社会情绪能力,这些能力的生物基础都是在早年形成的。儿童的社会情绪能力只能通过社会实践活动来培养。在人类从事的三种基本的社会实践活动-阶级斗争、生产斗争和科学实验中,对儿童来说,科学实验活动是最适宜引入课程,系统地进行学习和体验的社会实践活动。我们已经把儿童社会情绪能力培养的内容列入做中学科学课程的内容标准,并在实践中取得了良好的效果[34]

社会情绪能力包括:

1.      正确的估价自己:能觉察和正确地认识自己的感情;

2.      调节自己的情感:自己能适当地分析事件的起因、找到办法来处理自己恐惧、焦虑、愤怒和悲伤等情绪;

3.      激励自己:能克服自己的自满和迟疑、调动自己的情绪去达到某一个目的、能较持久地保持这种动力。

4.      能了解别人的情感:对别人的情感和利益具有敏感性,并能理解别人的观点;欣赏不同人对事物不同的认识和感情;

5.      善于处理人际关系:通过调节情绪,提高社会能力和社会技巧。

在幼儿园和小学科学教育过程中,应该特别注意培养儿童的同感,以及人格发展的重要因素---自尊[35]

培养学生的伦理、道德和价值取向,不可能脱离社会现实,包括迅速发展着的科学技术。人类的伦理、道德和价值取向虽然有其情感的基础,但是应属于一种理性的思维。主要负责理性思维的前额皮层,要到二十多岁才最后发展成熟。对年幼的儿童,甚至包括处于青春期的青少年来说,他们的亲身体验,比理论性的教育更有效。在科学教育中,首先要教育他们实事求是,懂得科学上最重要的是学术诚信,如果不遵守这一条科学道德的底线,整个科学知识的大厦就要崩塌,所以科学界对造假的行为是惩罚得很重的。从小要教育学生严守学术的诚信,不能抄袭别人的答案,引用别人的结果,包括从网上下载资料一定要注明出处。对与初中以上的学生,需要对“诚信”有更深的理解:科学事业与人类其他活动一样,都是建立在诚信的基础之上的。科学工作者相信,其他科学工作者所报告的结果是可靠的。社会相信,科学工作者的研究结果反映了他们试图客观探究世界的真诚努力。当科学及其与社会的关系具有较高的信用水平时,科学才能发展和繁荣。36

可以从学生亲历的实际体验出发,启发他们关爱生命、保护环境、遵守社会公约和法律;培养他们热爱科学、崇敬做出贡献的科学家、为自己民族的智慧和发展史自豪。

六、我国科学教育发展的历史、现状和问题

西方的科学教育已经有300多年的历史,而中国的科学教育于上世纪初,中国诵读经书的传统学校向现代学校转变之时。随着西方传教士在中国设立教会学校,洋务派设立专门的语言或者技术学堂,清政府于1901年宣布改革,并于1904年(旧历1903年)颁布《奏定学堂章程》又称癸卯学制,这是中国教育史上第一个正式颁布且在全国普遍实行的学制,也是普通中小学科学教育进入制度化的标志。在以后的很长时期里,没有我们自己的教材,科学在小学教育中也不被重视。解放以前,只有过一本1934年出版的小册子《小学自然教学法》,提供给师范学校的学生用。解放以后引入了前苏联40 年代的教材,翻译出版了《苏联小学校自然教学法》。1981年以前,小学里涉及科学内容的课程称为常识课。我们可以把这一段的科学教育视作为第一阶段,即引进国外教材的阶段《37》。

文化大革命以后1978年有一套供使用的教材,解决了十年浩劫后教材从无到有的问题。十一届三中全会确定了“四化”的目标,19813月教育部颁发的《全日制五年制小学教育计划(修订草案)》指出,为了适应“四化”的需要,必须加强小学自然课的教学,决定在小学开展自然课的改革,并把自然课提早到三年级开始。在老一辈科学教育专家如刘默根先生等的带领下,我国有了自己的小学《自然》课大纲和教材[36]。当时邀请了哈佛大学教育专家兰本达女士来华教课和培训教师。从现在出版的资料看,兰本达的教育方法是探究式科学教育,她的教育思想要比近年来新一轮课程改革中的思想更为科学和先进[37]。在这个第二阶段里,我们开始有了自己的标准和教材,已经把科学教育和国家的发展联系起来考虑,开始在开放政策指导下,学习国际先进教育理念和教育方法,推动中国科学教育改革。

新课程改革是我国科学教育发展的第三阶段。19996月《中共中央国务院关于深化教育改革,全面推进素质教育的决定》颁布.随后教育部下达立项指南,要求申报有关课题,截至日期为2000316日。20003月下旬,以112所为核心,整合全国力量,300多位专家组成“国家队”。429日,"国家队"首次大集中。据参与小学科学教育标准制定的专家回忆,他们只有半年时间就完成了全日制义务教育《科学(36年级)课程标准》的制定[38],随后小学科学教育8套教材通过审定,在全国学校中使用。20016月《发布国务院关于基础教育改革与发展的决定》,并召开全国基础教育会议。200168日会后公布了《基础教育课程改革纲要(试行)》。20019月在全国38个国家级实验区开始进行实验。2002年秋季进入全面试验阶段。2003年全国35左右的起始年级开始使用新教材。2004年全国65%-70%的班级进入。2005年秋季全部学生进入新课程[39]。在投入很少,时间急促和准备不足的情况下,用运动式的跃进方法进行科学教育改革,虽然在冲击原有一些不适应发展的教育理念,推行以学生为中心的教育方式上起到了明显的作用,但探究式科学教育无法真正落实,科学教育并未得到加强,同时标准需要作较大的修改。

2001年,教育部和科学技术协会共同发起和推动了做中学科学教育实验项目,即在幼儿园和小学中进行的基于动手做的探究式学习和教育(Hands On Inquiry Based Learning and Teaching ),旨在促进我国幼儿园、小学科学教育发展,推动素质教育的实现[40]做中学科学教育实验项目也是中国和法国科学院合作项目,并代表国家参与国际科学家和教育界合作的IAP-IBSE网络,是国家新课程改革的试验田。

做中学科学教育实验项目实施到现在经过了四个阶段:1准备期: 1994 2000了解国际动态后,经批准,决定在中国开始试点;2第一阶段: 2001 2003,中国教育部和中国科协共同在中国发起做中学科学教育试验,确定了做中学科学教育改革的九项原则,在四个城市:北京、上海、南京、汕头各选择一个区内的部分学校启动试点,在东南大学建立网站www.handsbrain.com和学习科学研究中心,建立国际交流与合作的渠道,翻译国外资料,75名教师到法国培训,500名教师在中国接受法国教师培训,出版了第一批中国的案例。3、第二阶段: 2004 200610月,在研究工作的基础上,出版教师培训教材《探究式科学教育教学指导》,开始了第二轮的教师培训。形成内容标准初稿,编写案例,进行试点教学,组织国内外专家对内容标准进行研讨,由于申请到了GE基金会和李嘉诚基金会的资助,试验区逐步扩大到七个城市,700所学校。4、第三阶段:200610 至今,进一步扩大试验区,目前有620余所幼儿园、1100余所小学、总计近20万儿童参加做中学科学教育实验项目[41]

20074月在教育部基础教育司的领导下,启动科学教育课程标准的修订工作。基础教育阶段国家科学教育标准的修订分成小学阶段和初中阶段两个组进行,小学阶段的课程标准修改组成员包括科学家、原自然课和新课改国家课标制定组部分成员、教育专家、做中学一线教研人员。七月初,在昌平举行了修订国家小学科学教育标准的第二次专家组会议。会上已经就小学科学教育国家标准修订的基本原则达成了共识,下面将进行标准修改稿的具体撰写、实践、评测、讨论、再修改……等一系列工作,估计至少还需要一年时间。初中阶段国家科学教育标准的修订工作也在“科学”(7~9年级)课标(实验稿)的基础上进行了认真的修改,在教育部通过问卷调查和座谈会形式广泛征求意见,以及通过一线教师和专家调研的基础上,三易其稿,下面将进行标准修改稿的讨论、修改、征求意见、再修改,和“案例”的撰写等工作,以完善初中科学课标的修订。

20062 月国务院发布《全民科学素质行动计划纲要(2006-2010-2020)》,纲要中强调了未成年人科学素质的培养,未成年人科学素质工程被列为四大重点工程的第一项工程,成立了跨部委的领导小组,作为体现国家意志的行动计划来实施[42]这是中央领导在我国建设有特色社会主义事业发展的新阶段,面对新挑战而做出的具有战略意义和具有深刻历史意义的重大决策。

但是,总的来说,我国的科学教育基础薄弱、起步较晚,其中又由于种种原因,造成不必要的曲折,目前主要存在的问题是

1.        对科学教育的重要性认识不到位,甚至有越来越忽视的倾向。我国在基础教育的历史上,绝大部分时间都把小学的科学认为是副科,在很多学校不被重视。在这次新课程改革中,把科学设定为从三年级开始,造成了幼儿园和小学科学教育中断;与此同时,英语课被从上到下不适当的强调和加强,科学课被进一步削弱,课时无法保证。学校里往往没有专职教师,因为科学老师课时少,很难被评为特级教师,科学教师队伍不稳,不少省份只有半个科学课的教研员。在有些省份的高考改革中,明确公布语文、数学和外语是基础教育阶段的主干课。

2.        投入严重不足。与国外以及国内其他科学研究项目相比,不管是对研究工作、标准制定还是教师培训方面经费和人力的投入,都存在数量级上的差距,特别是对应该有多少投入的问题,有关部门还处于没有感觉到需要进行认真研究和对待的状态。整个新课程改革的标准制定和教师培训的国拨经费仅8000万,需要分到26门课程中使用。这次科学教育新课程国家标准的修订工作中,小学组的经费在特别照顾的情况下,得到的经费是三十万人民币。美国2004年在联邦层面用于科学教育的研究费用超过5亿美元[43]。美国有15000多学区,地方和私人基金会对教育的投入很大,例如亚利桑那州为了研究如何把两门高中的数学课和科学课结合,研究经费是2400万美元。经费上有如此大的差距,有关部门在对政协提交的有关提案作答复时,却认为不需要改变,经费已经够了。在科研经费争取上,这是一种很反常的现象,只能说明这些人的确不认为对科学课和教育的科学研究有加强的必要。

3.        研究队伍和教师队伍基础较薄弱。在培养中小学教师的中等师范学院里,大都没有设立科学方面的培养计划,甚至课程。几十年来我国教育学学科归属于文科,不要说引入心理科学和神经科学的研究视角十分困难,就是实证性的教育科学研究也不是教育研究的主流,不做实证的研究,就很难说是科学研究。

4.        在这次新课程的改革中,如何处理继承和改革的关系;如何处理学习国外先进经验和结合中国国情的问题;如何以科学的态度对待教育改革实施的问题等,都值得认真总结经验。任何一项改革都不能用跃进的办法,违反教育规律来进行,这样做会造成混乱,欲速而不达。

5.        对教师培训在人力和物力上投入不足,教育改革和发展,没有相应的教师培训是不可能实现的。中国在教师队伍建设上的路还很长。在法国,幼儿园和小学的教师一样,都需要在高中以后接受5年的大学教育。

6.        班级人数过多,从国外的教育研究中已经证明(实证性研究)[44],在基础教育的低年级段,班级人数超过30人,就不可能实施有质量的、平等的教育。现在一般城镇学生的班级人数都过多,很难实施探究式教育,在做中学的试点校中,不得不在上科学课时分班进行。

7.        缺乏评测方面的研究和实践。

七、对加强我国科学教育的建议

2007年第二次科学小学阶段国家标准修订的专家会议上,大家一方面认识到,作为中国的国家标准必须要让我们的儿童能够应对21世纪知识社会发展和全球化的挑战,能够具有国际的竞争力,这是我们标准制定者的历史责任。今天我们尽力让我们的每一个孩子成功,明天他们才能让我们的国家成功。但是,另一方面我们也深深感到,要实现这样的要求,下面的路还很艰难。这种估计,决不是只对某些个别地区和农村小学而言的。我们从这几年做中学”的实践中认识到,在科学教育中发展的不平衡,不可能在短期内解决。

在中国,解决此类问题可以说十分困难,也可以比较快,关键在于有关领导的决策。领导重视了,问题就好办多了,这就是中国的国情。与会专家希望有关领导能就以下三个问题首先进行考虑和决策[45]

1. 在科学研究的基础上,根据国家建设和发展的要求,以科学发展观为指导,做好顶层设计。其中应重新研究课程的设置,将科学课列为小学的核心课程,这是发达国家上世纪八十年代,至迟在九十年代初已经解决的问题。只有重视了,才能研究落实需要的条件和措施,

2. 目前的当务之急是恢复从小学一年级开始开设科学课程

实施5-12岁儿童科学教育是基于近代学习科学研究结果[46],也符合我们七年多做中学科学教育的实践。同时也是IAP-IBSE的推荐意见[47],是国际普遍采取的年龄段。我国原来实践了多年的自然课教育一直也是从一年级开始的,这次新教改把科学课的教育延迟到三年级开始,其理由(至今也没有人告诉我们是谁定的,是什么理由)应该从新审视。这个问题不解决,国家标准的修改就无法进行。

3.国家必须对教师培训和有关的教育研究大大地增加投入,资金需要作数量级上的增加。教师在教学实践过程中须不断接受新的知识、方法和理念,落实有计划地进行培训、进修和其他形式的继续教育,完善知识结构,提高教学水平。教育研究则是从理论上探索教育新理念的必要措施。现在的投入,可以不客气地说,是处于还没有找到感觉的状态。

4.进一步扩大国际合作,在学习国际先进经验的基础上,建设我们自己的队伍和教材,逐步形成我国自己的特点。简单地引进国外教材的做法是不符合义务教育法的,也是行不通的。

5.逐步在加强研究和实践的基础上建立评估和评测工作,用正确的评测推动科学教育健康和快速地发展。

6.鉴于我国教育界在科学教育方面研究和教学力量的薄弱,需要动员大学和科技界共同参与科学教育的改革和实施。充分利用《全民科学素质行动计划纲要》的组织和系统的力量,推动科学教育的发展与改革。上海科协的工作经验值得重视和推广[48]

 

 

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[46] 陈红(上海科协),科技团体与科学教育,2007年小学和幼儿园“做中学”科学教育国际研讨会,2007.10.15~18,昆明

 

后记

感谢七年多来上海、南京、北京、汕头和大连地区做中学科学教育实验项目参与学校的老师、家长和学生,感谢汉博教师培训中心的同事们,他们是这篇报告的真正作者;感谢法国科学院、美国科学院、加拿大和IAP-IBSE的专家;感谢GE基金会和李嘉诚基金会的大力资助。