桂亚东?姜敦云

【项目简介】

常州市田家炳高级中学自1997年建成全省首家校园组培室和校园动物园起，开始进行通过理科实验培育学生创新素养的初探。2022年，学校以“指向创新人才培养的理科实验课程开发研究”为题成功申报了江苏省基础教育前瞻性教学改革实验项目。学校项目组通过探索与实践，逐步构建了“单学科—多学科—跨学科”的三维理科实验课程体系；促进了“教材实验—探究性实验—项目化实验”的理科实验教学方式转变；形成了全方位、多层次的理科实验评价体系和金字塔式的创新素养培育模式。学校的理科实验课程与科技教育相结合，秉持“以兴趣启发学生，以情趣打动学生，以知识丰富学生，以能力提升学生”的总体目标，探索培育学生创新素养的新途径。

摘要：创新素养的培育是创新人才培养的核心与关键，随着教学改革的深化，高中理科实验作为学生理论联系实践的重要途径，逐步成为创新素养培育的主阵地。但目前的实验教学仍存在重理论轻实践、重共性轻个性、评价方式单一等诸多弊端，无法满足创新人才培育的需求。常州市田家炳高级中学依托江苏省“高中STEAM创新实践课程基地”、理科创新实验室硬件优势及科技教育特色，通过理科实验课程的开发及融通实施，探索培育学生创新素养的新途径：培养创新人格，解决学生“愿不愿”创新的问题；培育创新思维，解决学生“能不能”创新的问题；开展创新实践，解决学生“做不做”创新的问题。同时在建构主义、深度学习、生成性教学理论的指导下开展教学活动，探索中等生源背景下创新素养培育的新模式。

关键词：创新人才；创新素养；理科实验；深度学习

中图分类号：G630 文献标志码：A 文章编号：1673-9094（2023）03-0048-07

《中国教育现代化2035》提出，要“加强创新人才特别是拔尖创新人才培养，加大应用型、复合型、技术技能型人才培养比重”[1]。《国家创新驱动发展战略纲要》指出，到2050年将我国建设成世界科技创新强国[2]。当前，综合国力的竞争实质上是创新能力的竞争，从教育层面看就是创新型人才培养的竞争。创新型人才是指具有创新精神、创新能力和创新人格的人才，创新素养的培育是高中阶段创新人才培养的核心与关键。常州市田家炳高级中学自1997年建成全省首家校园组培室和动物园起，坚持把理科创新实验和科技教育相结合，为国家和社会培养一批创新型人才，逐步形成了学校的优势及特色。

一、高中理科实验培育学生创新素养的理论探索

创新素养作为学科核心素养的重要组成部分，对于创新人才培养有着重要价值。随着教育教学改革的不断深化，理科实验成为学生理论联系实际的重要途径，不仅能够促进理科知识的学习，而且培育学生创新素养的作用日益凸显。

（一）创新素养的内涵

创新是人类文明进步与社会发展的根本动力，是21世纪人才的核心素养之一[3]。创新素养是指人在进行创新活动时必备的素质，是创新的前提条件。创新素养包括创新人格、创新思维和创新实践三个维度。创新人格指个体具有好奇心、开放心态、勇于挑战和冒险、敢于质疑、獨立自信等特质，对创新主体的创新活动具有重要的驱动和调控作用。创新思维是以感知、记忆、思考、联想、理解等能力为基础，以探索性、求新性、综合性为特征的心智活动，是发散思维、复合思维和重组思维等多种思维高度结合的结果。创新实践是指参与并投入旨在产生新颖且有价值的成果的实践活动。创新人格和创新思维是创新实践的基础，创新实践是创新人格和创新思维在特定任务情境下的综合表达。创新素养的培育是学科核心素养培育的重要组成，也是素质教育的核心。

（二）高中理科实验的价值

人类历史上的重大发现或发明都来自实践。创新来源于实践，因此创新素养的培育离不开实践。理论是人类认识客观世界后所获得的认识，但是只有科学理论没有实践，就不会有创新。实验技术则是科学的实践方法，极大加速了人类社会的创新步伐。

以实验为基础是高中理科教学的最基本特征，学生通过理科实验学习大量的现象、原理和规律。在理科实验中，提出问题、猜想和假设、制定方案、实施过程和得出结论的过程中都渗透了较多的质疑创新因素。理科实验是高中学生理论联系实践的重要途径，是培养学生创新素养的主阵地，但传统理科实验课程存在重灌输轻启发、重理论轻实践、重共性轻个性、评价方式单一等诸多弊端，难以满足新时代国家对创新人才的迫切需求。为深化教育教学改革，教育部在2019年印发的《关于加强和改进中小学实验教学的意见》中指出：夯实基础，开齐开足开好国家课程标准规定实验，切实扭转忽视实验教学的倾向；拓展创新，不断将科技前沿知识和最新技术成果融入实验教学；注重实效，强化学生实践操作、情境体验、探索求知、亲身感悟和创新创造，着力提升学生的观察能力、动手实践能力、创造性思维能力和团队合作能力[4]。2022年，江苏省教育厅印发实施《关于加强和改进中小学实验教学的实施意见》[5]。国家及省加强实验教学文件的发布，为学校加强高中理科实验的探索与实践提供了政策支持和理论指导，为指向创新素养培育的高中理科实验课程开发提供了坚实的保障。

（三）高中理科实验开发的理论基础

指向创新素养的理科实验设计以建构主义理论为基础[6]，理科实验促进学生知识的建构，是需要主体在已有经验的基础上主动建构的，因此教学活动应突出学生的主体地位，引导学生相互帮助、相互促进，合作思考，建构新方法，强化创新人格，提升创新素养。理科实验的设计以深度学习理论为指导[7]。深度学习通过理解认知、高阶思维、整体联通、创造批判、自主建构五个维度，强调知识的理解、应用及创新。深度学习理论指导下的高中理科实验使学生围绕着具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验获得发展的深度学习过程。同时，高中理科实验开发高度重视生成性教学理论，强调学生的能动性，使学生在课堂互动中实现创新。

二、高中理科实验培育学生创新素养的整体架构

指向创新素养的理科实验探索与实践紧紧围绕创新素养培育这一核心，秉持“以兴趣启发学生，以情趣打动学生，以知识丰富学生，以能力提升学生”的总体目标，通过理科实验课程的开发构建指向创新素养的三维理科实验课程体系和全方位多层次课程评价体系。在建构主义、项目化学习、生成性教学理论指导下，探索创新素养培育的实验教学新模式。培养创新人格，解决学生“愿不愿”创新的问题；培养创新思维，解决学生“能不能”创新的问题；开展创新实践，解决学生“做不做”创新的问题。从而改变传统实验教学弱化、评价方式单一的现状，逐步形成中等生源背景下创新素养培育的新途径。

学校理科实验课程的开发依托物理、化学、生物、信息技术、综合实践活动五门学科课程进行，对学科中教材实验、创新拓展类实验、学生综合实践活动和科技创新项目的实验进行分类汇总，在课程开发目标指引下，逐步形成了与创新素养培育相适应的“单学科—多学科—跨学科”的理科实验课程体系，构建由基础类、拓展类、综合类实验课程组成的三维理科实验课程体系。基础类实验课程面向全体学生，让学生习得基本实验技能、学会科学的实验设计方法、了解学科重大发现与实验的关系、领悟科学技术发展与实验的关系。拓展类实验课程面向选修学生，与学科教学融通实施，实现实验技能及创新思维的提升。综合类实验课程与学校科技创新、综合实践、创新实验活动相结合，根据学生的兴趣和专长选择性实施，逐步形成点面结合的理科实验课程体系（如图1）和“全体学生—选修学生—项目化研究团队”组成的金字塔式的创新素养培育模式。

三、高中理科实验培育学生创新素养的实施路径

高中理科实验教学是培育学生创新素养的有效途径，但在传统教学中被异化为教师讲实验，学生进行机械学习而非有意义地学习。上述做法主要存在以下问题：教材理科实验与新高考“一核四层四翼”要求有差距，无法适应高考情景化考核的需要；教材实验对于学生创新素养培育严重不足；单一的结果性评价方式，无法满足创新素养培育的需要；教师理科实验课程开发及实施能力不足，影响创新素养的培育效果。针对存在的问题和不足，项目实施路径与方法如下。

（一）指向创新素养的理科实验课程开发

1.基础类理科实验课程的情境化再设计

基础类理科实验课程是指国家课程的必修模块、选择性必修模块中规定学生必须完成的实验。基础类理科实验课程的任务是使学生根据实验目的灵活选用合适的仪器、装置和试剂，完成实验探究内容，分析实验现象，获取实验数据，发现科学规律，形成合理结论。基础类理科实验课程分学科进行设计，特别要进行与科学史相关实验的开发，让学生了解科学家通过反复实验获得知识本源的过程，从而培养学生的创新人格。基础类理科实验课程包括的实验多是验证性实验或是按照给定步骤进行的简单探究性实验，对于学生创新素养培育的作用有限。这类实验可通过情境创设，引导学生猜想并进行实验探究。学生若通过拓展和质疑发现原有实验存在问题，可以提出新的实验问题，同时结合科学实验方法的学习，体验科学实验的设计和实施的基本流程，再次进行新的实验探究，直到实验成功，从而获得新的认知，创新人格、创新思维和创新实践能力得到提升（如图2）。

2.拓展类理科实验课程的问题导向开發

拓展类理科实验课程是在基础类课程基础上对实验技能及思维进行提高而设计开发的实验，由学校物理、化学、生物、信息技术教研组根据学校教学资源、学生学习基础、学生体验需要来共同开发，有数字化系列实验、各学科选修模块实验等组成。拓展类理科实验课程的任务是使学生参与科学探究方案的设计，体验科学探究的过程，完成实验报告，得出相关结论。拓展类理科实验课程开发基于教师对课标、教材、学情的分析来确定本单元的实验主题，设计合适的情境，以问题为导向进行课程开发（如图3）。问题导向有助于激发学生的学习兴趣和热情，调动学生学习的积极性和主动性，使学生亲身经历和参与实验过程，获得学习的体验，从而在解决实际问题的过程中培育学生的创新素养。

3.综合类理科实验课程的项目化开发

综合类理科实验课程是指由学生构思、设计、操作，在教师有效指导下进行的实验课程，有人工智能实验、综合实践课程实验、项目化实验等。综合类理科实验课程的任务是促使学生面对真实情境，从不同角度提出并准确表述可探究的科学问题，作出科学假设，完成探究过程，并用自己已有的科学知识对结论作出合理解释，学习撰写科学探究报告。在整个实验探究过程中，学生培养了质疑能力、创新意识，提升了创新思维。综合类理科实验课程是项目驱动的跨学科课程。学生在教师的指导下从实际生产、生活中选题，确定研究方法，进行实验设计、实验实施、数据分析处理等，系统性地提升创新素养。项目驱动的综合类理科实验课程应提升其实验的高阶性、创新性和挑战性，培养学生解决复杂工程问题的综合能力和创新思维，引导学生学会应用、学会探究、学会创造，帮助学生获得解决实际问题学习体验。综合类理科实验课程开发从项目或问题出发，通过实验设计和实施解决生产、生活中的问题，根据结果进行实验改进，形成项目化实验课程设计流程（如图4）。综合性实验主要由科学探究类和工程设计类实验组成。科学探究类实验是创造知识的研究活动，回答“是什么”和“为什么”的问题；工程设计类实验是利用知识进行创造和实践的研究活动，回答“做什么”和“怎样做”的问题。因此科学探究类实验和工程设计类实验课程设计存在很大差异，应根据各自特点进行设计，形成和完善科学探究和工程设计两大主题的综合类实验课程开发模型（如图5）。

（二）指向创新素养的理科实验教学模式实施路径

1.任务驱动的实验教学深度学习模式

实验教学深度学习模式是指在教师引领下，学生围绕着具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义的学习过程。实验教学深度学习是以学生为中心，以基于真实情境和问题的项目为载体，通过创设真实情境、提出真实任务，任务驱动式地引领学生进行深度学习。理科实验课程引导学生建立新知识与旧知识的重组与融合，以形成新的知识结构，帮助学生运用所学知识，以批判性思维来思考、理解情境，以证据来推理、解决问题，从而实现知识迁移和有效运用，培养学生解决实际问题的能力和创新素养。

2.变革教与学的方式，提升创新素养

理科实验教学变革了教与学的方式，引导学生在探索、思考、观察、操作、想象、质疑、调查、探究的实践中学习，强调在学习过程中协同、合作和进行思维碰撞、交流，从而生成方法。理科实验教学突出体验式的教学方式，在真实或模拟的情境中，实现创新素养的提升。

3.推进学生发展指导，提高育人质量

学校在理科实验课堂中实施理科实验教学导师制。在学生发展指导中心引领下，全体教师都要成为学生发展的导师，根据学生的个性特点，帮助学生找到适合自己的发展方向和学习方式，指导学生形成个性化的自主学习规程，构建与时代发展相适应的新型学习方式。同时，在“互联网+”时代，需要研究开放环境下学与教的特点，指导学生利用在线学习形式，实现因材施教的个性化学习。以创新素养培育目标为统领，高效整合学校、社会和家庭教育资源，切实提高创新素养的培育质量。

（三）理科实验课程评价方法的变革

理科实验课程的评价是促进学生发展、教师成长和学校教学质量提高的重要手段，对学生、教师及学校有着不容忽视的激励作用。实验课程评价以学生创新素养培育为目标，探索结果性和过程性评价相结合的方式，实施全方位、多层次的课程评价实施路径。结果性评价可根据理科实验课程特点进行评价，基础类理科实验课程主要采用基础知识与技能的测量评价；拓展类理科实验课程主要对实验设计方案、方法、结果进行评价；综合类理科实验课程主要针对创新素养培育水平进行多角度评价，具体可通过创新人格的培养，创新思维的发展，创新实践的过程、价值及意义进行。学校还通过研究性学习比赛、省市的教具学具制作大赛、青少年科技创新大赛、机器人大赛、创新实验大赛等多项比赛，以项目参与度、合作度、获奖、作品等作为弹性指标来评价学生（见表1）。过程评价注重学生创新素养的发展水平，评价过程贯穿整个学习过程，坚持评价方式多元化、主体多样化、内容素养化、过程持续化、结果客观化等多重原则。理科实验课程开发不仅是学生创新素养培育的摇篮，也是促进教师专业发展的助推器。教师的专业成长也是理科实验课程评价的重要方面。

（四）理科实验课程的开发团队建设

理科实验课程开发的水平与理科实验教师团队实力密切相关。学校成立以正高级教师为核心的生物实验课程和化学实验课程开发小组，以省市优秀科技辅导员为核心的常州市科技拔尖创新人才培养团队，通过两个省级名师工作室、两个市学科基地、两个市级名师工作室构建理科实验课程开发团队。学校深入挖掘现有优势资源，从本校教师中培养一批理科实验开发实施名师；同时通过走出去、引进来等举措加强与高校的衔接，特聘一批实验课程开发专家，通过专家培训和同伴互助切实提高课程开发的水平，逐步建立并改进理科实验课程开发流程。理科实验课程开发流程主要由理科实验情况分析及资源评估、确定实验课程开发目标、设计实验课程结构、制订实验课程开发方案、教师培训、组织实施管理、实施评价、反思与重建八个环节组成。学校设立理科实验课程开发专项基金，保障理科实验课程开发培训、器材购置、科技竞赛指导教师奖励等方面的资金需求。理科实验课程开发决策由实施的教师做出。在开发过程中，形成一个以教师为主体，由校长、课程专家、学生及学生家长和社区人士组成的课程开发合作共同体，编写理科实验课程纲要，在理科实验课程实践中，不断反思、改进和完善。

理科实验课程开发以培育学生创新素养为中心，积极探索国家课程和理科实验课程融通实施的深度学习模式和点面结合的创新人才培养模式。学生通过理科实验课程的深度学习进行知识建构，实现学生创新素养的持续发展与整体提高；教师通过创设学习条件和改进评价方式，促进教学方式的变革，培养创新型人才。

参考文献：

[1]中共中央 国务院印发《中国教育现代化2035》[EB/OL].（2019-02-23）[2022-12-28].http：//www.gov.cn/zhengce/2019-02/23/content_5367987.htm.

[2]中共中央 國务院印发《国家创新驱动发展战略纲要》[EB/OL].（2016-05-19）[2022-12-28].http：//www.gov.cn/zhengce/2016-05/19/content_5074812.htm.

[3]甘秋玲. 创新素养：21 世纪核心素养 5C 模型之三[J]. 华东师范大学学报（教育科学版），2020（2）：57.

[4]中华人民共和国教育部. 教育部印发《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》[EB/OL].（2019-11-22）[2022-12-30].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A06/s3321/201911/t20191128_409958.html.

[5]江苏省教育厅.省教育厅关于加强和改进中小学实验教学的意见[EB/OL].（2022-01-17）[2022-12-30].http：//jyt.jiangsu.gov.cn/art/2022/1/17/art_77617_10343078.html.

[6]张志亮.基于建构主义学习理论基础上的实验教学研究[J].实验室科学，2022（4）：94.

[7]刘月霞. 指向“深度学习”的教学改进：让学习真实发生[J].中小学管理， 2021（5）：14.

责任编辑：赵赟

*本文系2022年度江苏省基础教育前瞻性教学改革实验项目“指向创新人才培养的理科实验课程开发研究”的研究成果。

收稿日期：2023-01-22

作者简介：桂亚东，常州市田家炳高级中学校长，高级教师；姜敦云，常州市田家炳高级中学。