南非国家课程：开展探究/第9章
| 开展探究：面向GET和FET数学与科学教育者的资源手册 |
科学与数学教育、项目和探究有一个共同的目标：培养一个具有科学和数学素养的社会。在本资源手册的第10章中，提供了许多“网站”的互联网地址，如果您连接到互联网，可以访问这些地址。（政府承诺将逐步为所有学校提供电脑。）有用的网站一直在不断创建，即使在您的学校连接到互联网时可能会有更多网站可用，但第10章中的网站是一个很好的切入点。
下面给出的科学特征定义改编自“科学素养因素的解释”，可以在[www.sasked.gov.sk.ca/docs/chemistry/ns_a.html/]找到。
该网站包含萨斯喀彻温省教育厅（1991年）出版的“学生评估：教育工作者手册”中的材料。作者将科学素养分解成各个组成部分，以帮助教育者评估学习者在科学方面的进步。给出的示例对我们南非人与加拿大学生同样适用。在您审查这些示例时，请查看哪些组成技能等可以通过采用探究式科学教育方法来培养。
具有科学素养是指理解什么是科学，它的“本质”[A]以及它与技术和社会的关系[D]；科学研究什么，我们在科学中学习的关键概念[B]以及我们如何研究它们[C & D]；我们需要培养的技能[E]以及优秀的科学家和具有科学素养的人将拥有的价值观和态度[F & G]。这些列表实际上告诉我们科学教育的内容。思考一下它们，以及探究如何帮助我们实现科学教育目标。列表A、B和C进行了详细描述，因为它们与探究密切相关。
具有科学素养的人理解科学和科学知识的本质。科学体验应该让学习者接触到……科学探究和发现，例如……
公开与私密：科学基于个人或群体私下开发的证据，并公开与他人分享。
整体性：所有科学分支都是相互关联的。例如，化学原理支配着动物消化食物的方式。
可重复性：科学基于其他人在不同地点和不同时间在类似条件下可以获得的证据。
经验性：科学知识基于实验或观察。例如，科学家进行实验并从他们观察的事物中收集数据。
概率性：科学不做绝对的预测或解释。例如，天气预报员预测明天有20%的降雨概率。
独特性：科学知识的本质以及产生新科学知识的程序不同于哲学等其他知识领域。
暂定性：科学知识会发生变化。它不声称自己是绝对和最终意义上的真理。例如，随着新数据的出现，理论会被修改以包含新旧数据。出于这个原因，我们自1900年以来对原子结构的看法发生了很大变化。
与人类文化相关：科学知识是人类的产物。它涉及创造性想象力，是文化及其技术的产物。例如，生物技术的应用导致了用于治疗糖尿病的合成胰岛素的生产。
具有科学素养的人在与社会和环境互动时，能够理解并准确地应用适当的科学概念、原理、定律和理论。
科学中最重要的概念包括：变化：变化是变得不同的过程。它可能涉及几个阶段。例如，一年四季都在变化。岩石被侵蚀。
相互作用：当两件或多件东西相互影响或作用时就会发生相互作用。例如，一些生活在同一地方的动物必须争夺可用的食物和空间。
有序性：这是一种自然界中存在的或通过分类强加的规则序列。例如，地球以规则的方式绕太阳运行。
生物体：生物体是活物或曾经活过的事物。例如，植物和动物是生物体。
对称性：这是在某个更大的结构内重复一个模式。例如，大多数动物似乎都有相匹配的两半。大多数墙纸图案都表现出对称性。
力：它是推或拉。例如，磁铁可以拾起回形针。踩自行车踏板会导致它移动。
量化：数字可以用来传达重要的信息。例如，一分钟有60秒。人体有206块骨头。
结果的可重复性：如果所有其他条件都相同，则重复程序应产生相同的结果。
因果关系：它是指一件事如何影响另一件事。例如，在冬天在户外行走可能会导致你的脸变冷。
可预测性：可以在自然界中识别出模式。根据这些模式，我们做出预测。例如，当种子在一个温暖的地方获得足够的水分时，它就会发芽。由此，人们可以预测，为了防止种子发芽，应将其保存在阴凉干燥的地方。
保护：对世界资源有限性的理解，以及对谨慎和节约地利用这些资源的必要性的理解，是保护的基本原则。在物理学中，“保护”一词也具有独特的含义，如能量守恒。例如，房屋隔热可以节省能源。可以设计更小、更高效的汽车来减少燃料消耗。
能量-物质：它是能量和物质之间可互换且相互依赖的关系。例如，当蜡烛燃烧时，蜡中储存的一些能量会以热和光的形式释放出来。
循环：某些事件或条件会重复出现。例如，一年四季都在变化。有些鸟类在春季和秋季迁徙。时钟上的摆以规则的方式来回摆动。
模型：它是真实结构、事件或事件类的表示，旨在促进对抽象概念的更好理解或允许缩放到可管理的规模。例如，地球仪是地球的模型。弹珠和泡沫塑料球可以用来制作代表原子的模型。
系统：一组相互关联的部分形成了一个系统。例如，地球是太阳系中的一颗行星。立体声音响系统由扬声器、放大器、CD播放器等输入设备以及其他相互连接的部分组成。场：场是受某些媒介影响的空间区域。例如，两个相同的磁极相互排斥。如果将球抛向空中，它会因为重力的拉力而返回地球。
种群：种群是一组共享共同特征的生物体。
概率：概率是在指定时间间隔内或在一系列事件中发生某些事件的相对确定性程度。例如，患某些类型癌症的概率随着长期暴露于大剂量辐射而增加。
理论：理论是一组相互关联且内部一致的陈述、方程式、模型或这些的组合，用于解释相对较大且多样的事物和事件群体。例如，有一种理论认为物种会定期发生大规模灭绝。
准确性：准确性涉及认识到测量中存在不确定性。它还涉及正确使用有效数字。例如，带分钟刻度的表比沙漏更准确地测量时间。
基本实体：它们是用于解释某些现象的结构或功能单元。例如，细胞是生命的基本单位。原子是物质的基本单位。
尺度：尺度涉及尺寸的变化。这可能会影响系统的其他特征。例如，用笔记本纸制成的纸飞机的飞行方式可能与用相同纸张的横幅大小的纸制成的相同设计的飞机不同。时空：它是一个数学框架，因为它便于描述物体和事件。例如，普通人的一个方向的延伸大约为1.75米，另一个方向的延伸大约为70年。
演化：演化是一系列变化，可以用来解释事物是如何形成现在的样子的，或者未来可能变成什么样。它通常被认为是从简单到复杂的过程。例如，有机体的演化被认为是通过微小、渐进的变化来发展的。类似地，科学理论也会随着新数据的出现而发生改变，以适应新的发现。
具有科学素养的人会使用适当的科学过程来解决问题、做出决策，并进一步加深对社会和环境的理解。
综合过程包括更基础的技能。技能是在一生中习得和实践的，信息处理和解决问题的能力最终会超越任何课程。科学的基本过程包括：
分类：分类是一种系统化的程序，用于对物体或事件的集合进行排序。例如，物体可以用多种方式进行分组，例如按大小、形状或颜色。
交流：交流是将信息从一个人传递到另一个人的多种程序之一。例如，撰写报告或参与课堂讨论都是交流的例子。
观察和描述：这是最基本的科学过程。利用感官获取有关环境的信息。例如，在调查过程中，学生写了一段话记录了热铜金属与硫蒸气之间化学反应的进展。
合作：这涉及个人作为团队成员为团队目标而高效地工作。例如，当小组的一名成员在烧杯中搅拌反应物混合物时，另一名成员正在读取温度，而另一名成员则记录温度。
测量：使用仪器获取与物体或事件某些特征相关的定量值。例如，可以使用合适的测量工具将金属棒的长度精确到最近的毫米。
提问：这是提出问题或讨论点以供调查或讨论的能力。例如，学生应该能够对观察到的事件提出有针对性的问题。当观察到候鸟时，诸如“为什么鸟类会成群结队迁徙？”、“有些鸟类会单独迁徙吗？”以及“鸟类是如何知道要去哪里？”等问题应该引导进一步的探究。
使用数字：这涉及到计数或测量来表达想法、观察或关系，通常作为使用文字的补充。例如，一个橙子中有七粒种子，而另一个橙子中没有种子。
假设：假设是提出一个暂定的概括，可以用来解释相对大量的事件。它可以通过实验进行立即或最终的检验。例如，让学生解释如果将植物放在黑暗的地方几天，他们认为会发生什么。然后让他们解释如何设计和进行实验来检验他们的解释。
推论：根据以前的经验来解释观察结果。例如，由于粘土是一种渗透性较差的材料，因此水坑在粘土土壤上不会像在沙质土壤上那样快地渗透掉。
预测：根据先前的信息确定未来的结果。例如，根据当前的云层状况，预测今天晚些时候是否可能下雨。
控制变量：控制变量是基于识别和管理可能影响某种情况或事件的条件。例如，为了测试肥料对植物生长的影响，必须识别所有可能影响植物生长的其他因素，并保持这些因素相似，以便观察到肥料的影响。
解释数据：这一重要的过程是基于在数据集中寻找模式。它会导致一个概括。例如，一块扔在草坪上的地毯下的草会变黄。将其移除最终会使草重新变绿。人们可能会从观察中推断，光线的缺乏或植物压力增加导致它们变黄。在另一个实验中，当植物放在黑暗中时，叶子会变黄。放在光照下的类似植物的叶子保持绿色。由此，人们可能会认为植物接收到的光量与叶子的颜色之间存在联系。然后可以在草坪上放一块玻璃，看看压力本身是否会导致植物变黄。
建立模型：模型用于表示物体、事件或过程。例如，地球仪是地球的模型。
解决问题：科学知识是通过提出关于自然界的问题并将其用于解决问题而产生的。定量方法经常被使用。例如，一个学生在一个晚上看到了蝙蝠，但记不起白天是否见过。一个问题出现了：“为什么我以前从未在黑暗之前见过蝙蝠？”这导致了一系列调查和研究，试图找到这个问题的答案。
分析：检查科学思想和概念以确定其本质或含义。例如，学生小组观察卫星天气图像。每个小组都试图根据卫星图像以及他们对天气模式、天气系统特征、天气系统运动等的了解来制定预报。
设计实验：设计实验包括计划一系列数据收集操作，这些操作将为检验假设或回答问题提供依据。例如，汽车制造商在碰撞测试中测试安全带的性能。使用数学：使用数学时，数字或空间关系以抽象的形式表达。例如，矩形表面的面积可以通过将长度乘以宽度来计算。
使用时空关系：这是用于描述事物或事件位置的两个标准。例如，恒星在任何给定日期的位置可以从天文参考表中确定。
达成共识：达成共识是在意见分歧时达成一致。例如，基于学生研究的关于有毒废物处理的讨论，使学生有机会评估信息。
具有科学素养的人能够理解和欣赏科学与技术的联合事业，以及它们之间的相互关系及其对社会和环境的影响，包括以下问题：
- 科学家和技术人员是人，也会犯错误；
- 公众理解差距；
- 科学和技术所需的资源；
- 在重要辩论中采取不同的立场；
- 科学和技术的局限性；以及
- 社会对科学和技术的影响。
具有科学素养的人已经发展了许多与科学和技术相关的操作技能。科学和技术技能包括：
- 使用放大仪器；
- 利用自然环境；
- 安全使用设备；
- 使用计算机；
- 进行测量；
- 操作能力；
- 根据仪器的允许尽可能精确地测量时间；
- 测量体积、温度和质量；
- 使用电子仪器；以及
- 使用定量关系。
具有科学素养的人以与科学背后的价值观相一致的方式与社会和环境互动。价值观包括…
- 渴望了解和理解；
- 质疑；
- 寻找数据及其含义；
- 重视自然环境；
- 尊重逻辑；
- 考虑后果；以及
- 要求验证。
由于科学教育，具有科学素养的人对科学、技术、社会和环境形成了独特的看法，并在一生中不断扩展这种教育。 可观察的态度包括他们的…
- 兴趣和爱好；
- 自信；
- 致力于持续学习；
- 职业选择；
- 首选的解释方法；以及
- 对他人贡献的态度。
国际学生评估项目 (PISA) 的资料从数学的角度来看同样很有用。它不像萨斯喀彻温省小组分析科学素养那样详细地分析数学素养的组成部分。PISA 从一开始就假设，为了评估学习者对某些学习成果的掌握情况，必须有明确的定义。PISA 定义是在 2000 年至 2003 年间制定的，它为我们提供了数学素养、科学素养和跨课程问题解决的国际标准，所有这些都是新南非课程的关键成果。将 PISA 对科学素养的看法与萨斯喀彻温省教育厅的看法进行比较。包含 2003 年 PISA 定义的网站是
[www.erc.ie/pisa/science.html/]
[www.erc.ie/pisa/probsolve.html/]
PISA 定义是有用的标尺，可以用来评估教学和学习者的进步。根据 PISA，数学素养需要“在多个层面上运用数学能力，从执行标准的数学运算到数学思维和洞察力。它还需要了解和应用一系列数学内容，这些内容来自诸如机会、变化和增长、空间和形状、定量推理、不确定性和依赖关系等领域。其中包括数学课程的特定领域，如代数、统计和几何。”
PISA 从三个维度评估数学素养：与修订后的国家课程评估声明相比，这有什么相关性？
1. 首先，数学的内容，主要根据数学思维背后的广泛、总体概念来定义，其次才与传统的课程内容（如代数和几何）相关。…四个总体概念是：量、空间与形状、变化与关系以及不确定性。
2. 其次，数学的过程，由一般的数学能力来定义。这些包括使用数学语言、建模和解决问题的能力。其想法不是…将这些技能分开…而是根据三个集群来组织问题，这些集群定义了所需的思维技能类型：a) 再现集群——由简单的计算组成的数学能力。
b) 连接集群——需要建立联系来解决简单的问题。
c) 反思集群——包括数学思维、概括和洞察力，要求学生参与分析，识别情境中的数学元素，并提出问题和反思问题。
3. 第三，使用数学的情境，从私人情境到与更广泛的科学和公共问题相关的情境。区分不同数学情境的一个重要原因是，将数学问题嵌入到比传统学校课程中更广泛、更不抽象的现实生活情境中。根据 PISA，科学素养涉及使用关键的科学概念来理解和做出关于自然世界的决定。它还包括能够识别科学问题、使用证据、得出科学结论以及传达这些结论。(将此与萨斯喀彻温省的科学素养方面进行比较。) PISA 建议使用与学生现在和不久的将来相关的科学概念。这些包括与生命与健康、地球与环境以及技术相关的科学概念。
PISA 将科学素养定义为“运用科学知识、识别问题并得出基于证据的结论的能力，以便理解并帮助做出关于自然世界及其因人类活动而发生变化的决定。”
PISA 建议从三个维度评估科学素养
1. 首先，科学概念，这些概念是理解自然世界某些现象及其因人类活动而发生变化所需的。…概念…是与物理学、化学、生物科学以及地球和空间科学相关的熟悉概念（但是）需要将它们应用于现实生活中的科学问题，而不仅仅是回忆它们。评估的主要内容是从三个广泛的应用领域中选择的：生命与健康中的科学；地球与环境中的科学以及技术中的科学。
2. 其次，科学过程，这些过程以获取、解释和采取行动的能力为中心。五个这样的过程…与
- 识别科学问题
- 识别证据
- 得出结论
- 传达这些结论
- 展示对科学概念的理解
[(Only) ... the last of these ... requires a pre-set body of science knowledge. ... since no scientific process can be content-free, the PISA science questions will always require understanding of key scientific concepts.]
3. 第三，科学情境，主要从人们的日常生活而非学校课堂或实验室的科学实践或专业科学家的工作中选择…。
“解决问题是一个在各国和学校科目中普遍存在的教育目标，尤其是在科学、数学和技术方面。学生在日常生活中解决问题的能力…对教育工作者来说尤其重要…。解决问题是成功参与社会的一项基本能力，也是学习过程的一个组成部分。”
PISA 将解决问题定义为
“个人运用认知过程来应对和解决现实的、跨学科的情境的能力，在这种情境中，解决问题的路径并不立即显而易见，并且适用的识字领域或课程领域并不局限于数学、科学和阅读的单一领域。”
PISA 从三个维度评估解决问题的能力：1. 三种广泛的问题类型
a) 决策，要求学生在某些约束条件下做出决定，并考虑情境中的一些特征。
b) 系统分析和设计关注的是分析复杂情境以找出要解决的问题的起因，或者设计一个有效并实现某些目标的系统。
c) 故障排除问题要求学生诊断有故障或性能不佳的系统或机制，并提出解决方案。
2. 解决问题的过程 跨课程问题解决的评估侧重于学生在尝试解决问题时可能采用的五个过程。这些包括
a) 理解给定的信息
b) 识别关键特征及其相互关系
c) 建立或应用外部表示
d) 解决问题
e) 评估、论证和传达问题的解决方案
3. 现实生活情境 2003 年 PISA 中问题的语境化涉及使用生活技能。与其使用作为学校课程一部分的情境，不如尝试制定模拟现实生活情境的问题。
进行三项比较。首先，比较三个 PISA 定义，看看它们之间有多少相互关系。其次，将 PISA 对科学素养的定义与萨斯喀彻温省的列表进行比较，看看它们之间匹配程度如何。第三，将您自己的教学和评估与 PISA 和萨斯喀彻温省教育厅的目标进行比较。您会发现，国际科学和数学教育的目标与我们南非自己的目标非常一致。
再次看看所有三个 PISA 定义（数学和科学素养以及解决问题）中对“现实生活情境”的强调。现在，从涉及学习者自己生活中现实生活情境的调查角度考虑这个目标。我们希望您同意，在科学和数学教育中进行调查既是一种现代的，又是国际上公认的教学这些非常重要学科的方法。