让小学生像本科生一样思考：科学教育需要范式转变

中国有句俗话：“学好数理化，走遍天下都不怕。”一直以来，数理化作为基础学科对于国家建设和个人发展的重要性不言而喻。然而，很多人对于这些科目的态度却始终感觉“爱不起来”。原因在于这些学科都需要大脑进行复杂的逻辑思维、抽象思维，比起简单直观地重复似乎要难得多。

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这种“畏难情绪”不仅仅出现在当代年轻人身上，也不仅仅只是流传在中国人之间。对于数理化的“怕”可谓不分国界。2018年，美国公共广播电视网（PBS）播出的节目中有个片段，展示了一名幼儿园教师的“尴尬”：孩子们好奇心非常旺盛，常常会提出一些老师们也答不上来的问题，这种因为科学知识储备不足产生的“权威冲击”，或者不知道该如何用浅显易懂的语言解释相对深奥问题的“难看”，让老师们对数理化等STEM课程的教学产生了焦虑感。

“师傅领进门，修行在个人”。若是从师傅开始，就对数理化有着畏惧与焦虑，那么在教学过程中，这种感觉难免会在不经意之间流露出来。有研究表明，教师对科学的态度直接影响到学生的学习兴趣和发展。当教师自身对科学缺乏自信或持有负面态度时，这种情绪会潜移默化地传递给学生。例如，在某些课堂上，教师可能会无意中传达出“女生不适合学数学”或“男生更擅长物理”的观念，从而限制了部分学生在科学领域的发展潜力。

但实际上，教师们的个人体验和情绪还在其次，整个教育体系的出发点可能才是问题的关键：在儿童科学教育中，我们对孩子心智的错误认识导致更喜欢采取灌输—考察的模式，而这种评估方式往往助长了他们的“无能感”，进而使他们对科学产生消极态度。当前，早期科学教育的重点大多集中在学习名称、显著属性和分类上。虽然我们可能会讨论因果关系，但很少为孩子提供“普遍适用的分析方法”来帮助他们解读世界，相反，因果关系通常被简化为一些呆板的概念，例如“动物适应环境”“动植物需要能量”或“原因先于结果”。许多教学内容局限于科学过程的表面，如测量、分类和排序，而其他课程则年复一年地强调“证据”的重要性，而很少解释为什么。

然而，许多孩子最想了解的科学知识——如何解释事物的那些可被观察到的属性及其内在原因——却被剥夺了。40年前，心理学家玛格丽特·唐纳森、芭芭拉·蒂扎德和马丁·休斯在研究学生兴趣丧失的原因时，反复指出传统课堂如何将儿童与成人之间以好奇为导向的互动提问，转变为以应试为导向的问答模式。教师通常直接向孩子提问，以检查他们是否记住了某些事实。结果就是，孩子们逐渐失去了提问的兴趣——和书上写的一样，有什么好问的。

传统私塾三字经：念背打

与此相反，当采用基于解释的教学方法时，孩子们会获得一种掌控感。孩子们能够利用学到的知识建构出一种自己能够理解的解释模式，并且通过寻找更多的专业知识来丰富其内容。相互关联的因果关系有助于在回忆中相互支持，从而更快速、灵活且令人满意地解决问题和创新。

例如，在讲解狼的特征时，除了列出其外貌特征，还可以解释这些特征如何支持其捕猎行为：朝前的眼睛和耳朵帮助定位猎物，锋利的爪子和牙齿用于捕捉和撕咬，增强的嗅觉和视觉能力帮助追踪猎物，短距离冲刺速度可达60公里\小时，使其能够迅速接近目标，而强大的下颚则确保猎物无法逃脱。更进一步，可以解释这些特征如何因果相互作用，形成一套完整的捕猎机制，帮助它生存下来。

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一些想要做出改变的教师会尝试完全不同的方式来推进教学活动。一位负责一到六年级科学课程的教师格特鲁德·亨尼西修女与学生一起创作故事，将他们的学习与自我意识联系起来。通过培养这种元认知，她帮助学生理解科学知识不断发展的本质，以及它如何通过讨论、提问和探索而改变。格特鲁德修女希望孩子们能够清晰地表达自己的想法，并解释为什么支持这些观点，并且学会如何在得出结论的同时，承认自己的观点依然存在局限性和弱点，以及这些观点在哪些方面可能缺乏内在连贯性。到了六年级，她的学生谈论科学的方式已经与大学生很像了。一位跟着她学习了六年的六年级学生曾写过这样一段话：

“过去，我认为桌上的书只受到一种力，那就是重力。我看不出其他物体对它产生的反作用力。然而，我的想法已经改变了。修女帮助我理解了宏观和微观层面的区别。我开始以不同的方式看待桌上的书——去年我从宏观层面思考，而今年我关注的是分子层面。当我终于想通时，我可以从不同角度看待事物。我发现，我可以毫不费力地思考两种平衡的力，而不仅仅是重力对书的作用。现在，我到处都能看到平衡的力！平衡的力是产生恒定速度所必需的。桌上的书速度为零，这意味着它的速度稳定为零。我的思维已经扩展到更复杂的想法！”

格特鲁德修女和研究该班级的学者一致认为，这样的认识能力对她班上的孩子们来说是一种平均水准，而不仅仅是少数“天才”的表现。她成功地让几乎所有学生都意识到改变信念的乐趣，使他们能够“无处不在”地看到新事物。

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另一个例子是杰西·奈特，他负责四至八年级的学生的科学课。奈特先生的课堂总是充满活力和乐趣，每堂课都像一场戏剧表演。他大部分时间都在讲课，但随时可能向任何学生提问，要求他们用自己的话解释某种现象或机制。与格特鲁德修女一样，他全神贯注地与每个学生交流，实时掌握他们对基本概念的理解。奈特先生的课程巧妙地将历史知识融入其中，通过历史故事解释科学原理，使内容更易理解和记忆。例如，在讲解内燃机的工作原理时，他从化学能的概念开始，解释了能量如何通过化学反应释放，并追溯到公元1000年左右中国人如何发明火药。他通过幽默的故事和课堂实验，生动地展示了火药的威力，并引导我们思考如何以更可控的方式利用能量做功，例如为汽车提供动力。奈特先生的课程不仅涵盖了科学原理，还展示了失败在科学进步中的重要性。他通过历史叙述，将复杂的科学概念与学生的日常生活联系起来，使学习变得有趣且有意义。

哈佛大学前校长詹姆斯·布莱恩特·科南特也曾通过历史方法教授科学，强调发现过程的重要性。科学教育学者也认为这种方法在从大学到小学的各个阶段都具有价值。历史叙述不仅增强了学生对概念变化和科学本质的理解，还激发了他们的内在兴趣。

要让科学教育真正激发孩子的好奇心和探索欲，我们需要从根本上改变教学方式，从单纯的知识传授转向能力培养和思维训练。历史叙述、基于解释的教学方法以及教师的谦逊态度，都是推动科学教育进步的关键。只有这样，我们才能打破对科学的恐惧，培养出更多具有科学素养和社会责任感的新时代人才。

参考文献：

https://thereader.mitpress.mit.edu/when-teachers-dread-science-students-suffer/