中学科学课程 | 抱歉，这样的科学课程，恐怕不太好找

作者 | 韩冬

课程中心负责人

中学部国际方向负责人

北京大学学士

加拿大西蒙弗雷泽大学硕士

曾任教于北大附中，生物荣誉课程首席教师

后任职于北京市鼎石学校，为首任科学组组长

毕业学生遍布哈佛、耶鲁、斯坦福、MIT、普林斯顿等顶级名校，并有超过200学生进入北大清华

毋庸置疑，科学在这个世界正在扮演越来越重要的角色。因此，从各国的教育主管部门，到学校，再到家长，对于科学课程的重视程度也在显著上升。与此形成反差的是，包括中国在内的世界各国，科学教育人才奇缺，学校普遍的科学课程的开设水平远远落后于时代要求。这样的反差也催生了巨大的相关课外培训市场，从传统的理化生（包括国内和国际体系）学科辅导，到各种STEAM课程和科学实验课程，足以让人选择困难。那么什么才是好的科学课程呢？作为一名在国内和国际体系都深耕过的老科学教师，我就在此分享一些浅见罢。

聚焦事实背后的规律

激发深层次兴趣

我们常说，兴趣是最好的老师。这句话几乎对所有学科都成立，当然科学也不例外。但一个有趣又令人沮丧的事实是，虽然对科学感兴趣的孩子非常多，但其中能够学好科学的却并不多。这样看似反常的情况何以发生？症结在于：兴趣的层次。

科学太容易引起人的兴趣了。就算是婴儿也会被一些科学现象吸引——只要这些现象能够给人强烈的感官刺激或是足够反直觉。这样的兴趣实际是一种相当原始的心理反应。不是说这样浅层次的兴趣不重要，但这无法直接激发有效的学习，因此只适合作为起点，而不能停留在此。如何激发深层次兴趣才是关键。

举个例子。细胞的微观结构，是让不少老师和学生头疼的部分。这部分要求学生掌握大量看不见的细胞器的名称和对应的功能。很多学生在这里就只能死记硬背，稍微用心的老师会引导学生列表总结，让学生背的更容易一些，但这一过程仍然枯燥且缺乏意义。我在教这部分时，会借助多媒体资源，先放一段电脑制作的有关细胞内部运作机制的视频，先从感官上激发学生的兴趣。当看到马达蛋白背着膜泡在微管上”走动“时，没几个孩子能抑制住惊叹和欢笑。在学生对细胞内部结构有一定直观认知之后，我会引导他们做这样一个思考：将一个细胞和一个国家进行比较。基于对于国家这个事物的熟悉，学生们会惊喜地发现细胞和国家一样，都需要明确而具有选择通过性的边境（细胞膜），都需要政府发号施令（细胞核），都需要工厂，能源基地，运输系统等等，而负责这些工作的部门（细胞器）也需要默契配合，从而维持”细胞国“这样一个复杂而开放的系统有序运转。

the inner life of cells 马达蛋白动图片段

细胞亚显微结构

当学生发现看似毫不相关的细胞结构和社会结构具有相同规律时，深层次的兴趣就被激发了——感受规律是从生理上引起快感的事情，而科学的本质就是探寻自然事物背后的规律。好的科学课，一定要引导学生透过科学事实，探寻其背后规律，这样才能激发出基于认知的深层次兴趣，而非停留于基于感官刺激的浅层次兴趣。为了达到这一目的，又应该具体使用什么样的教学方法呢？

体现科学方法

和科学思维的教学

我在教师培训的时候常跟老师们强调一句话：教无定法。没有什么特定的方法一定是最优的。教学方法的选择，应该基于教学内容，学习者特点，甚至教师本人的特长，而不能为了满足某种形式而采取某种方法。因此我建议家长们一定要警惕以“授课模式”为卖点的课程。但无论选择什么样的教学方法，都应基于这样的一个准则：必须体现科学方法和科学思维。换句话说，科学课，应符合科学本身的学科特点，并应体现科学课本身不可替代的价值。

以项目制学习（project based learning，PBL）为例，这是一种现在颇受追捧的教学模式。我本人也早在十年前开发北大附中综合科学实验课的时候就充分研究和使用过这种授课形式。在那门选修课中，学生需要在整个后半学期（课程为一整学期）完成一个完整的科研项目，从开题，背景研究，到实验设计，预实验，正式实验，再到数据分析，论文写作，口头分享展示，老师每一环节都需要给学生充分的指导、反馈和评价，后来作为早期经典的PBL案例被引用多年。当然最终的学习效果也非常好，有的学生甚至在大学毕业后还在感叹这门课带给他们的收益。这门课面向对科研有兴趣的学生，且目的之一就是让学生体验真正的科学过程，而科学研究的本身是个项目，自然项目制学习就十分适合。

韩老师学生有关论文写作的朋友圈内容（别问为什么韩老师被称为角马）

然而作为PBL的资深使用者，我反而并不赞成在常规教学中频繁使用PBL——尤其是在学习复杂概念时。科学这一学科本身具有完整的知识结构（well structured）。换句话说，这类知识节点之间具有非常严谨的，有时是很隐蔽的逻辑联系，人类经过上百上千年才找到这些联系，让学生依靠自己去重新发现正确的联系几乎是不可能的。因此，这一知识领域的学习通常需要教师的强引导：引导学生将新的知识与自己的先前知识和直觉建立逻辑联结。而这种认知的生长是依据知识本身的结构，按照一定顺序发生的。而当学生的注意力在完成项目、得到一个结果时，学习过程就很难按照最佳顺序进行，且具有很大的盲目性，也就大大降低了学习效率。

当然可能有人会说可以借助发达的网络资源查询资料，但事实上正是过于丰富的网络资源使得“资料查询”这一过程往往只能得到结果，或者说呈现事实，反而让学生错失了真正重要的思考的过程。事实上我见过不少看似“创新”的科学课，实际就变成了信息搬运课，虽然最终可能呈现出很漂亮的作品，但其中几乎没体现什么科学思维过程。我偶尔也会布置资料查询的任务，但一定有明确的要求学生从哪些方面查，最终一定要求有逻辑的呈现以及基于科学推理综合分析这些资料。

对于动手实验（hands-on lab），我也持相似态度。固然实验是极重要的，但没有知识基础、目标不够明确的实验大多是浪费时间。还有些实验要求很高，不付出很高的代价无法达到有说服力的效果，而实验操作本身并没有很大的迁移意义，不如分析经典实验的数据，或换个角度，以思想实验替代。比如我最近在讲阿基米德定律，我就没有让学生使用现成的实验套装去验证一下“浮力和排水重力相等”，而是引导他们以一个简单的思想实验来理解这一重要定律（具体在此不展开，有兴趣的读者可以设想将固体浸没在液体中的部分替换成什么，余下的液体仍能保持现有状态）。而相比学习实验套装的使用，这样的思想实验更能让学生体验到科学思维的精妙，也更容易激发深层次的兴趣。

分析噬菌体侵染实验的原始数据，是我的保留项目

阿基米德定律的经典实验，实际上因为操作原因误差很大。想一想如果换成思想实验怎么做？

在高效的科学课程中，实验不一定很多，但每次实验都应充分分析。例如探究摩擦力规律的实验，如果只是简单的加一加砝码，得到个摩擦系数，那么学生的收获十分有限。但如果能引导学生思考清楚什么情况下测力计的读数才能真正代表摩擦力，这样就让学生对牛顿第一和第三定律这样的重要知识进行了巩固。（有兴趣的读者也可以思考这个问题）

两位同学正在通过实验探究摩擦力，尽管此时他们还没有找到恰当的方法。

总之，好的教学应扎实而灵活：根据知识结构的特点，扎实地服务教学目标，灵活地选择教学方式，帮助学生建立真正的科学思维模式。而无论是知识结构本身还是学生的思维模式养成都有其自身规律，老师对此又如何准确把握呢？

巧妙的课程结构和教学顺序

课程是什么？经典的说法是学生在一个特定知识领域中全部的学习体验。而课程的结构，就应充分反映知识本身的结构，和学生学习体验的顺序。不同教育体系中，数学的课程结构都大同小异，但科学的课程结构则大相径庭，因此很难说何种结构最优。我只以我自己学校的课程为例分享自己的一些思考。

在9年级之前，我们的课程是综合科学课程，并不细分科目。我认为无论从知识结构本身，还是学生认知规律来看，这都是一种理想的结构。

首先，科学作为一个知识领域，其中不同学科的知识是紧密相连的，而且越是基础的知识互相联结越紧密。例如光合作用，这看似是单纯的生物学话题，但其中同样包含着重要的物理和化学知识：这本身是在一系列生物酶的催化下，依托复杂的细胞结构，利用太阳光的能量完成一系列化学反应的过程。在传统的单科教学的模式下，学生在没有任何物理基础（能量转化）和化学基础（分子的拆分和重组）的情况下，基本只能死记硬背结论。这样的学习效率显然大打折扣，也难以激发学生的深层兴趣。而在我们学校的课程设置中，这两部分的基础概念已经在之前的单元进行了充分的铺垫。这就是为什么我们能用更少的课时，学习更有深度和广度的知识——关键就是学习顺序。

在七八年级的课程中，有些单元难以界定是什么具体学科。比如《生态系统》单元即是生物单元也是自然地理单元，《动态的地球》即是自然地理单元也是物理单元。最典型的例子是《物质的结构》这一单元。在这一单元中，学生首先学习静电的基础知识，对电荷作用这一基本概念建立充分了解；基于此，学生开始探究由静电作用力维持的原子结构，进而探究同样由静电力维持的分子结构，最终过渡到认识复杂的生物大分子。在这个跨越了物化生的大单元的学习中，学生的认知层层递进，逻辑链条环环相扣，并且反复练习联系“结构-性质”的思维模式，反复体验“建模”这一科学方法，最终对“相互作用”这一重大概念从不同角度产生深刻理解。

某次科学考试的“cheating sheet”。在一些考试中学生被允许携带一张手写的A4纸，一般是知识总结。

而6年级的科技课程（与7、8年级不同，在6年级我们将科学和技术合并）分成了几个看似宏大的主题“吃”，“住”，“行”，“天”，“地”，“人”。在每一个主题里，孩子们都从科技史的角度去亲身体验人类文明在这几方面的发展。以“吃”这一主题为例，其中一个贯穿整个主题的课程活动就是有关麦子：讨论农业的起源，亲自体验耕地，播种，亲手发麦芽，制作麦芽糖，一直到糖果深加工，最后自己品尝自己的劳动果实。这一过程虽然需要学生记住的具体知识不多，但这样完整的体验让他们将相关的地理知识，生物知识，化学知识和工程思维产生有机的联结，为今后各个学科系统知识结构的建立奠定了扎实的基础。而对于六年级学生来说，这样的学习方式更符合他们的认知特点。

6年级学生种麦子

学生用亲手熬制的麦芽糖制作的糖果

而在8年级，第一个科学单元《力和运动》则几乎与数学单元《一次函数》同步，同时信息技术课也赋予他们相应的信息处理工具，而科学实验中的数据成为了他们的信息课素材。这样，不同学科从不同角度诠释着同样的知识和概念，帮助学生产生更加纵深和全面的理解。

科学，是一个完整而巨大的知识体系，之所以分出学科更多的是因为不同的研究范式；而对于在打知识基础的初中生来说，学科的藩篱反而造成了认知障碍。反过来，当学生打破学科之间的藩篱，往往会产生更深刻的联结。我的一位毕业于威斯康星麦迪逊大学计算机系的学生曾留言给我说：“您讲的生物演化对我对计算机的理解和兴趣方向影响非常大。”另一位他在耶鲁大学化学系读博的同学也曾亲口告诉我：“大学做研究期间，觉得最有用的反而是在您的生物课里学到的。” 我还是非常为此自豪的。

说到这里，也许不少读者会有这样的疑问：既然在初中以综合方式进行科学学习有这么多优势，为什么全国大部分地区的大多数学校还是分科教学？其实可以告诉大家，国家也想实行综合科学课程，也在一些地区（如浙江省）进行了长期的实验，但之所以没有推广，恐怕很重要的一个因素就是，这样的课程结构对老师的要求太高了。

站得高，蹲得下的教师

我之所以胆敢在明诚实施这样的课程，就是因为我们有能够胜任的老师。网上对于博士硕士当中学老师这件事情有很多的争论，我对此的态度是：学历也许并不重要，但扎实的知识基础，和高质量的研究或工作（科技相关）经历十分重要。只有自己能够在这一学科领域做到融会贯通，才能够站在很高的位置上为学生规划清晰的认知地图。但这其实还远远不够。一个好的老师，除了能够站得很高，还应该能够蹲得很低，也就是能够从学生的视角去理解学生的认知。更难的是能够关注每个学生的认知风格，让每个学生都有收获。

韩老师与家长聊天截图

我们中学科技组的两位老师，陈月老师和张学义老师都是这样难得的好老师。

陈月老师,本科和硕士毕业于日本京都大学，做过真正的药物学研究，她的专业说起来非常有意思：生物物理化学(biophysical chemistry)。极强的专业背景让她能够做到真正的学科贯通，俯瞰所教的知识；同时，极具学生视角的她几乎12小时和学生在一起，被学生们当成知心姐姐，连吃饭都常被学生围在中间。