论理科教师学科教学能力的构成及培养
刘东方
[摘要]本文所界定的“理科教师”为中学物理、化学、生物、地球科学等四门科学学科的教师。理科教师的学科教学能力包括一般教学能力和特定科学学科教学能力。教师的学科教学能力是在教育观摩、教育见习与实习、教育研究的实践活动中逐步习得。建构了理科教师的学科教学能力构成，并从其培养的角度，对特定的教师教育专业课程进行理论建构。
[关键词]理科教师；学科教学能力；教师教育专业课程
[中图分类号] g635.1 [文献标识码] a [文章编号]1672-5905（2016）01-0000-00
2012 年 9 月，教育部、国家发展改革委、财政部《关于深化教师教育改革的意见》（教师[2012]13 号）中提出：“实施卓越教师培养计划，推进教师培养模式改革”。随后，教育部在 2013 年工作要点（教政法[2013]2 号）中提出“启动实施卓越教师培养计划”，并于 2013 年 5 月开展“卓越教师培养计划示 范项目”，培养拔尖创新的优秀教师。可见，对优秀教师的培养已经日益受到国家的重视并付诸行动。理科教师是理科新课程改革中的重要主体之一，理科教育的发展在很大程度上取决于理科教师的发展。学科教学能力是影响教学质量和效果的关键因素，高水平的学科教学能力是优秀教师的重要标志之一。学科教学能力的培养需要教师教育环节提供科学、合理的课程体系作为保障。那么，理科教师的学科教学能力应由哪些部分构成，有何特殊性？对于职前理科教师来说，如何将学科教学能力的培养与教师教育课程有机融合？在职前教师教育培训课程中应设置哪些核心课程以实现优秀理科教师的培养？本文中将对这些问题作深入的探讨。
一、理科教师学科教学能力建构的理论基础
1.科学本质观理论
建构理科教师的学科教学能力，首先需要明确什么是科学，科学具有哪些属性，以及开展科学研究要求具备哪些科学能力。这些问题的回答，需要追溯到科学本质观理论。科学本质观是科学的认识论，是对科学知识发展所持有的价值观或信念。传统科学本质观的哲学范式是逻辑实证主义，认为整个科学研究的过程，就是以客观的眼光观察自然现象，通过归纳发现获得某些规则，进而在头脑中形成假设，再收集资料验证假说，若成立就变成科学知识。因此，把知识及其结构看作是科学的本质。当代科学本质观的哲学范式是建构主义，将科学知识看成是由假说和模型所构成的系统，是描述世界可能是怎样的，而不是描述世界是怎样的，以这些假说和模型为基础能精确地预言现实世界。
美国研究者李德曼提出了科学本质的内涵，其中包括“科学知识是以经验为基础的，基于对自然世界的观察；科学知识在一定程度上具有创造性，人类的想象和创造性参与了科学知识发展的所有阶段，包括假设提出、实验设计和数据的解释；科学知识的产生具有主观性；科学知识与社会和文化有关；科学中的观察、推论和理论本质，科学理论的建构是从观察到推论的过程”等。《美国科学教育标准》从三个方面阐述了科学本质：“科学家通过观察、实验、理论模型和数学模型来构造和检验对自然的解释；对科学成果、实验、观察、理论模型和科学家所提出的解释进行评价。”
2.科学探究
“探究”一词的英文为“inquiry”，《牛津英语词典》定义探究是“求索知识或信息特别是求真的活动；是搜寻、研究、调查、检验的活动；是提问和质疑的活动”。18 世纪末到 19 世纪的欧洲，科学探究的主要倡导者是卢梭、裴斯泰洛齐等人，科学探究使人们认识科学、理解科学的力量，变得理性而不是盲从。
19 世纪末到 20 世纪初期，美国教育家杜威从实用主义立场出发，讨论了探究能力对应付复杂多变的社会现实的重要性。20 世纪 50 年代至 70 年代，布鲁纳和施瓦布进一步阐述关于科学探究的观点。布鲁纳提出发现学习的理念，鼓励学生借助探究科学的活动来发展直观和分析的能力。施瓦布倡导像科学家搞研究那样学习科学即探究学习。他认为，要把科学看作是当有新证据时要进行修改的概念结构，学生在学习理科过程中，不但要掌握这个结构，还要体验探究学习的过程。
1999 年，美国国家研究理事会在《国家科学教育标准》中正式提出：“科学探究指的是科学家们用来研究自然界并根据研究所获事实证据做出解释的各种不同途径”。 科学探究所包含的主要过程为提出问题、猜想与假设、制订计划、进行实验、收集证据、解释与结论、反思与评价、表达与交流。不难看出，科学探究的过程就是完成科学研究的过程，在这八个过程要素中，又蕴含着科学研究和科学学习所需要的具体能力。
（1）提出问题能力。提出问题能力的构成要素包括：发现并建构明确的问题；从各种问题中找出能够通过经验或科学手段回答的有探究意义的问题；解读问题，把问题拆解，指向具体的研究对象；评估问题结构、质量与价值。
（2）假设猜想能力。假设猜想能力的构成要素包括：基于观察和所学科学知识进行预测，建构可验证的假设；建立简单的模型（物理模型、数学模型等）来陈述现象或进行预测；编写的科学、以模型为中心的说明；评估、修改模型，以提高模型的解释力，更好地适应现有的证据。
（3）制订计划能力。制订计划能力的构成要素主要包括：确定定性和定量方法；鉴别各种变量（自变量、因变量、控制变量）；设计有逻辑顺序的实验步骤；确定探究的方法，包括：实验、模型、实地调研、信息研究，二手资料；选取合适的实验材料和工具（探测器、电子天平等）收集数据；利用各种表格、图片及其他思维辅助工具来显示数据。
（4）进行实验能力。进行实验能力的构成要素主要包括：按照设计程序进行实验；使用恰当的实验技能；系统观察；系统地、精确地测量；系统、客观、正确地记录数据；使用表格、图表来描述数据；确认测量中误差的可能性来源；重复实验，减小随机误差；使用统一测量尺度和记录手法以消除系统误差；利用现有技术和设备测定有一定精度要求的数据。
（5）收集证据能力。收集证据能力的构成要素主要包括：用硬件（如计算机）和软件、电子资源收集和存储信息；使用统计技术组织和统计数据；对比和选择有效信息；使用图和表格呈现信息。
（6）解释结论能力。解释结论能力的构成要素主要包括：分析、推理证据的规律，通过归纳、演绎得出结论；确认和解释意外的不一致的数据；根据证据和逻辑推理确立因果关系；使用数学关系解释变量关系；构造一个模型（物理模型、数学比例模型、概念模型等）用以表征关系。
（7）反思评价能力。反思评价能力的构成要素主要包括：评价结论和观点正确性和局限性；批判性地思考证据，确定是否选择了合适的证据进行论证；检验论证过程的逻辑性；从科学的角度评估所使用的方法；从其他角度提出可能的解释、结论和方法；提出需要进一步解决的问题。
（8）表达交流能力。表达交流能力的构成要素主要包括：口头进行探究实践报告，并准确地、有逻辑性地运用语言；撰写书面探究实践报告；交流科学过程和方法；交流数据和信息；交流科学结论和论点；对自己所提出的解释进行辩护；考虑批评性意见和其他解释并作出反应。
3.科学推理
科学推理（scientificreasoning）是在推理的基础上得以发展的，最早由皮亚杰在其认知发展理论中提出。科学推理是对科学理论进行归纳和演绎的过程，经由发现问题、提出假设、设计实验、证据评估、解释推断等一系列活动，最终使问题得以解决的思维过程。科学推理是对科学理论进行归纳和演绎的过程，包括守恒推理、比例推理、控制变量推理、组合推理、相关推理、概率推理等六种基本类型。守恒推理是以物体形态、形态排列方式等外在状态发生变化，而实质特征没有改变这一事实为依据进行的推理。比例推理是比较不同比，并能够以数学关系式表达或推断函数关系的思维形式。控制变量推理是对其他变量加以控制，而使需要观察的变量按照特定要求发生变化，据此推理出事物发展变化规律的思维形式。组合推理是把同时对多个变量进行推理，能够测定一系列变量中的一个或全部变量的结果，也能测定变量的某种组合的结果的思维形式。相关推理是指根据两事物之间存在着共同变化的关系，且在这种变化不精确的前提下研究事物之间的关系并做出结论的推理。概率推理是理解概率的本质，根据不确定的信息解释不可预测的事实，并识别变量之间的关系。在科学推理活动中所需要的内在思维能力和技能即为科学推理能力。
4.stem 教育理念
“sts”是美国提出的把科学、技术的发展与社会整体发展相关联的教育思潮。之后，发展成为“stem(科学、技术、工程与数学)教育，主导并正在兴盛于世界各国。其内涵是发现学科知识间的内在联系，科学、技术、数学彼此间相互渗透、相互干预，工程深嵌于技术之中。stem 教育要求教师具备各学科的综合素养，同时，建立学科之间及学科与社会和个人的关系，即立刻教师应该具备 steam 融合能力。
二、理科教师学科教学能力的建构
1.理科教师的界定
“广义上的科学教育课程涉及数学、技术乃至社会科学及校外科技等方面的理论与实践问题；狭义的科学课程主要研究各级各类学校的自然科学”。美国科学教育系指中小学物理、化学、生物、地球科学四门学科的常识或基础知识的教育。在我国，通常将这四门学科称为理科，本文界定的理科教师指中学物理、化学、生物、地球四类自然科学的学科教师。
2.学科教学能力的界定
从 20 世纪初以来，心理学家们对能力的结构进行了深入的研究，提出许多关于能力类型、要素和结构的理论。其中，由英国心理学家斯皮尔曼提出的“能力二因素说”认为能力有两种因素组成，一种是一般能力或一般因素，它是人的基本心理潜能，是决定一个人能力高低的主要因素；另一种是特殊能力或特殊因素，是保证人们完成某种特殊的作业或活动所需的能力。中国百科大辞典中界定能力“是直接影响人顺利有效地完成某种活动的个性心理特征。它是在人的生理素质的基础上，经过后天教育和培养，在实践活动中形成和发展起来的。可分为一般能力和特殊能力两种”。申继亮（2000）认为，教学能力是以认识能力为基础，在具体学科教学活动中表现出来的一种特殊能力(专业能力)。由此看来，教师的教学能力是一般教学能力与特定教学能力的有机融合，一般教学能力是指教师在从事教学活动时所表现出来的能力，包括教学认知、教学监控以及教学操作能力；特定教学能力即为学科教学能力，是教师在教授某一具体学科中所表现出来的能力，这种能力所表现出来的特殊性更为具体。 由此，理科教师的学科教学能力是在科学教学活动中所表现出来的教学能力，包括一般学科教学能力与特殊学科教学能力。为了培养学生认知、理解、问题解决等一般学科能力，科学教师应具备一般教学能力，即在各学科教学过程表现出来的普遍存在的基本教学能力。同时，为了培养学生科学知识理解能力、科学问题解决能力、科学实验能力、科学探究能力等特定的科学学科能力，科学教师还应具备特定学科教学能力，即在理科教学中表现出来的具体教学能力。
3.理科教师的一般学科教学能力
美国全国专业教学标准委员会在颁发的第一篇政策文件《教师应该知道什么和应该做什么》中提出五大核心建议：1.教师应了解学生和他们的学习；2.了解所要教授的科目并知道如何教给学生；3.教师负责组织和管理学生的学习；4.教师要对自身实践进行系统思并从经验中学习；5.教师是学习化社会的一员。
这五项建议从认识学生的学习、教学知识、教学实施、教学评价、教学反思、教师专业成长方面描述了优秀教师应当具备的专业知识与教学能力。 教育部 2011 年颁布了《教育部关于充分发挥行业指导作用，推进职业教育改革发展的意见》（教职成[2011]6 号），对教师资格考试将进行重大改革，“教师资格考试大纲”中明确规定师范生教师教育专业课程考试科目为“学科知识与教学能力”，考查的内容包括学科知识运用能力、学科教学设计能力、学科教学实施能力、学科教学评价能力。 通过上述分析可以看出，理科教师应该具备的的一般教学能力包括学科知识运用能力、学科教学设计能力、学科教学实施能力、学科教学反思与评价能力。
4.理科教师的特定学科教学能力
从关于科学本质观理论的阐述中可以看出，完成科学研究和科学学习应该具备的特定能力有：（1）科学知识是基于观察的，要完成对科学的认识，应该首先具备科学观察能力；（2）许多科学结论都需要经过实验来获得或检验，实验能力是做科学必不可少的能力；（3）科学理论的建构需要基于高级思维过程，科学推论须通过科学推理能力来完成；（4）科学最终是要形成对自然的解释，并且要对这些结论和解释加以评价，因此解释与评价的能力有助于科学结论的形成和完善。这些能力恰恰与后来提出的科学探究的八个要素的过程和能力的内涵是极其吻合的，在整个科学探究过程中，都蕴含着科学推理的过程和结论。再回到科学本质的层面，尽管可以从其内部挖掘出一系列进行科学研究和科学学习应该具备的能力，而科学本质本身就是自成体系的，持有科学本质观的作用主要体现在：促进科学内容的学习；帮助理解科学；增强对科学的兴趣；有助于科学知识的传授。因此，科学教师应具有良好的科学本质教学能力。而steam 教育理念又将科学从一个独立的视域带入到与人文、社会的联系中，科学知识是以社会和文化、技术为载体的，要关注科学、社会、技术的关系。至此，理科教师应该具备的特定学科教学能力包括：科学本质观教学能力、科学探究教学能力、steam 教学能力。其中科学探究教学能力又包括：科学问题-假设教学能力、制定科学计划-收集证据教学能力、科学实验教学能力、科学解释与推理教学能力、科学反思评价教学能力、科学表达与交流教学能力。
5.理科教师学科教学能力的构成
理科教师的学科教学能力包括一般教学能力和特定科学学科教学能力。其中，一般教学能力包括：学科知识运用能力、学科教学设计能力、学科教学实施能力、学科教学反思与评价能力；特定学科教学能力包含科学探究教学能力（科学问题-假设教学能力、制定科学计划-收集证据教学能力、科学实验教学能力、科学解释与推理教学能力、科学反思评价教学能力、科学表达与交流教学能力）、科学本质观教学能力和 steam 教学能力。理科教师的学科教学能力是在教育观摩、教育见习与实习、课堂教学等理科的学科教学任务中逐步得以经历、体验、习得的。
三、理科教师学科教学能力的培养途径
格罗斯曼列出了学科教学知识的三种来源：学徒式的观摩、教师培训和课堂经验。因为教师可以从他们作为学生时的求学经历、教师教育课程以及实际的教学经验中获得教学知识，因此，科学教师的学科教学能力实现途径主要有教育见习、教育实习、教师教育课程，且三者在教师教育的过程中有机融合。
以发展理科教师的学科教学能力为核心建构科学教师教育专业课程，是实现科学教师人才的培养途径。根据科学教师学科教学能力的构成模型，有针对性地设置课程结构、确定课程内容，合理分配理论课程与实践课程的比例，体现科学教师教育专业课程意义。
1.依据教师教育课程标准设置科学教师教育实践课程时间
教育部颁发《教师教育课程标准（试行）》文件（教师[2011]6 号）中，在“中学科学教育与活动指导”学习领域方面，建议的学习模块包括教育见习和教育实习，建议时间为 18 周，为科学教师教育课程教育实践课程时间安排提供依据。
2.依据学科教学能力构成模型建构微观课程内容
依据本文界定的教师学科教学能力模型，对科学教师教育专业课程的具体内容进行微观建构。科学教师教育理论类课程应开设二个主要部分，第一部分服务于一般学科教学能力层面，设置为科学教师教育课程的必修课，可以开设的课程包括中学学科核心知识解析与应用、中学学科课程标准与教材分析、中学学科教学设计、中学学科教学实施与策略、中学学科教学反思与评价;第二部分服务于特定学科教学能力层面，设置为科学教师教育课程的选修课。针对科学本质观教学能力，提升教师的科学本质观，较为行之有效的办法是通过显性教师教育课程来实现，设置科学史和科学哲学课程;针对科学探究教学能力，可以开设的课程为中学科学实验教学与研究、中学学科探究教学理论与实践;针对steam教学能力，可以开设的课程有中学学科steam教学理论与实践。教师教育实践课程贯穿于理论课程当中。依据上述研究结果，将理科教师教育专业课程的理论建构如下图所示。
基于学科教学能力设置的教师教育专业课程和实践课程，将培养出优秀的理科教师，他们学科教学能力的优秀应体现在：（1）了解丰富的科学哲学思想，具有科学本质教学能力，明确中学科学课程宗旨，能将科学史、科学哲学知识融入中学科学课程内容中；（2）科学学科基础知识坚实，科学实验操作与研究能力强；（3）能充分把握教学过程，具备良好的教材分析能力、教学设计与实施能力，掌握科学的教学策略与方法，重视以探究为中心的科学学习；（4）对教学活动效果和学生发展情况有很强的评价能力，掌握评价方法，理解并在教学中融入科学与社会、技术的联系，以发展学生科学素养为教学主旨。