一线教育人需在教育“双减”中做好科学教育的“加法”，中共中央总书记习近平在中共中央政治局就加强基础研究第三次集体学习中，做出以上呼吁。近日，教育部等十八部门联合印发了《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》，深入贯彻了上述要求。
对于教师来说，如何优化科学教育，落实科学课程改革要求？本文中，义务教育科学课程标准修订专家组组长胡卫平教授聚焦三个关键问题进行系统阐释，帮助教师更好地开展新课标下的科学教学。
阅读本文，你将收获以下内容：
※ 如何基于核心素养确立教学目标？
※ 如何基于核心概念结构化设计教学内容？
※ 如何体系化设计思维型探究与实践？
目前国际上科技革命、教育革命、产业革命都在飞速发展，我们迫切需要加强和改进中小学科学教育来培养大批的科技创新人才以推动国家的自立自强。同时，也要基于国家政策不断优化科学教育。
新的课程标准已于去年颁布，给我们提供了方向、引领，但要真正落实到人才培养上，还需要教师在理解课标的基础上进行深度实践，真正将新课程的育人理念渗透在日常的教学实践中，优化科学课程教学实施。
教师要进一步基于核心素养推进课堂教学改革，做好科学教育“加法”，我认为需要把握以下几个关键问题。
如何基于核心素养确立教学目标
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理解核心素养
如果核心素养理解不了，那么教学目标就无法确定，也无法在教学中突出对素养的培育。核心素养是学生在在经受相应学段的教育过程中，所形成的适应个人终生发展和社会发展需要的正确价值观、必备品格和关键能力。
经过大量研究，我们确立了新版科学课程标准的四大核心素养，四个核心素养相互依存，共同构成一个完整的体系，体现了科学课程的育人价值：
科学观念是在理解科学概念、规律、原理的基础上，所形成的对客观事物的总体认识。包括:具体观念、科学本质、利用科学观念解释自然现象和解决实际问题。
科学思维是从科学的视角对客观事物本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，主要包括模型建构、推理论证、创新思维。
探究实践主要指在了解和探索自然、获得科学知识、解决科学问题，以及技术与工程实践过程中，形成的科学探究能力、技术与工程实践能力和自主学习能力。
态度责任是在认识科学本质及规律，理解科学、技术、社会、环境之间关系的基础上，逐渐形成的科学态度与社会责任。
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把握科学思维
（1）思维的主要形式
科学思维是核心素养的核心，所有核心素养的形成都依赖积极主动的思维。因此，理解科学思维，是深度理解和有效实施新课标的关键。
思维是人脑对客观事物的间接的和概括的反映，以感知为基础而又超越感知，感知来源于实践。思维对事物的间接反映，是指它通过其他媒介作用认识客观事物，及借助于已有的知识和经验，已知的条件推测未知的事物。
思维可以分为基本形式和高阶形式两个层级。
思维的基本形式根据思维材料的不同，可分为抽象思维、形象思维两种最基本的形式。抽象思维是以概念为思维材料，以概念、判断和推理的形式来反映事物的运动规律，达到对事物的本质特征和内在联系的认识过程。而形象思维是以表象为思维材料而进行的思维。这两个对科学学习来说都至关重要。
思维的高阶形式是指发生在较高认知水平层次上的认知活动，需要经历从创造性思维到批判性思维的认知过程，基于不同角度、运用多种方法、通过多个侧面进行思考，形成问题解决的多种方案、多种路径，并经历推理、评价、分析和预测等批判性分析过程，进行方案、路径的选择和优化。
目前国际上普遍认为高阶思维能力包括五个方面：批判性思维、创造性思维、问题解决、决策思维、元认知。这五个方面我们经过实证的研究和理论的分析，提取出来两个因子，即批判性思维和创造性思维。因此可以说高阶思维的核心是批判性思维和创造性思维。
批判性思维是基于证据和逻辑，提出自己的观点。
创造性思维是根据一定的目的，运用一切已知信息，产生或者可能产生某种新颖而由价值的的产品的能力。
科学思维的对象是一个多层次、多结构、多序列的完整的网络，各种物质及其运动之间的相互关系、相互作用形成一个有机的整体。而我们对科学事物的反映和认识，总是一点一点地、一个方面一个方面地、一个层次一个层次地、一个角度一个角度地进行，并在积累了大量知识和经验的基础上，形成对科学事物的立体的、完整的认识。
因此，进行科学思维时，必须从不同的方面、不同的角度获得关于科学事物本质属性的外部表现的材料，并加以加工改造。
（2）科学思维能力
新课标中作为核心素养和课程目标的科学思维，主要指科学思维能力。基于思维能力的结构模型，掌握思维方法是形成思维能力的前提。
能力是顺利完成某一项思维活动所具有的个性心理特征，而智力是完成某一项认识所具有的个性心理特征。科学思维能力是智力与能力的核心，其定义与智力和能力基本相同，是人们在科学活动中成功完成任务所表现出来的、能够有效思考问题的能力。能力包括内容、方法以及品质三个维度。
第一，x-y平面，科学学科的结构；
第二，y-z平面，一般的思维能力；
第三，x-z平面，与科学思维能力相似应的知识结构，具体含义是对科学概念、科学规律的深入的理解，快速、准确、灵活的运用。
科学思维能力是由科学思维的内容、方法和品质构成的有机整体，其培养必须贯穿在科学知识和方法的教学中，在教学的过程中让学生掌握思维的方法，训练思维的品质。
（3）科学思维的典型要素
新课标整合了科学思维的各种形式和方法，突出了典型的科学思维类型，提出科学思维包括模型建构、推理论证、创新思维等。
创新思维是从不同角度分析、思考问题，提出新颖而有价值的观点和解决问题的方法。在课程总目标部分，提出“能对不同观点、结论和方案进行质疑、批判、检验和修正，进而提出创造性见解和方案，具有初步的创新思维能力”。
推理论证是基于证据与逻辑，运用分析与综合、比较与分类、归纳与演绎等思维方法，建立证据与解释之间的关系并提出合理见解。在课程总目标部分，提出“能合理分析与综合判断各种信息、事实和证据，运用证据与推理对研究的问题进行描述、解释和预测，具有初步的推理与论证能力”。
模型建构是以经验事实为基础，对客观事物进行抽象和概括，进而建构模型；运用模型分析、解释现象和数据，描述系统的结构、关系及变化过程。在课程总目标部分，提出“能基于经验事实抽象概括出理想模型，具有初步的模型理解和模型建构能力”。
模型建构作为一种认识手段和思维方式，是学生根据研究问题和情境，在对客观事物抽象和概括的基础上构建易于研究的、能反映事物本质特征和共同属性的理想模型、理想过程、理想实验和科学概念的过程。模型建构有助于学生抓住事物的关键要素，加深对概念、过程和系统的理解，形成系统思维。
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基于核心素养确定教学目标
第一，系统设计。
确定教学目标的依据就是素养，教师需要系统设计学年教学目标、单元教学目标和课时教学目标，落实课程总目标和学段目标。在从新任教师到成熟教师的成长中，教学目标的确定可以从课时到单元，从单元到学年，从学年到学段逐步进阶。
第二，建立关联。
如果要进行单元设计，实际上面对两个问题，一个是单元和核心概念要建立联系，一个是单元和核心概念设计的学业要求要建立联系。因此，确定教学目标要围绕核心素养，依据学业要求和学业质量标准，建立具体学习内容与核心素养表现之间的关联，符合学生的认知水平和已有经验。
第三，围绕核心概念。
不同层次教学目标要围绕核心概念，相互关联、整体考虑；同一核心概念在不同年级的教学目标要体现进阶要求。
如何基于核心概念结构化设计教学内容
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注重综合
大量研究和实践证明了综合课程对于学生科学素养提升的效果，综合性是：
培养学生核心素养的要求；
培养学生创造力的要求；
课方案的要求；
国家科学课程改革的趋势。
为什么要注重综合？它的机理是什么？我们展开了相关研究，以创造力为因变量，以知识的结构为自变量，得出结论：高创造性个体的语义网络表现出比低创造性个体更高的连通性、更短的距离。
培养创新人才是我们科学教育非常重要的目标，创新是主体对知识经验或思维材料高度概括后集中而系统的迁移，进行新颖的组合分析。
本轮新修订科学课程标准中设置了13个学科核心概念，同时还有4个跨学科概念，是所有学生在义务教育阶段应该掌握的科学课程的核心内容。
▲科学课程的内容结构
在学科核心概念中，物质的结构与性质、物质的变化与化学反应、物质的筼筜与相互作用、能的转化与能量守恒侧重于物质科学；生命系统的构成层次、生物体的稳态与调节、生物与环境的相互关系、生命的延续与进化属于生命科学；宇宙中的地球、地球系统、人类活动与环境侧重于地球宇宙科学；技术、工程与社会、工程设计与物化侧重于技术工程。
每个学科核心概念都有所侧重，但是教师在讲授的时候不能局限于某一个侧重点，而应该有所整合。例如对于“人类活动与环境”这样一个核心概念，侧重于地球宇宙科学，但实际上是整合了物质科学、生命科学、地球宇宙科学的相关的内容，因此教师要联系这些方面的内容。
综合科学的优势有以下几点：
第一，从整体上认知科学；
第二，跨学科概念的学习；
第三，技术与工程实践的系统设计；
第四，避免重复交叉。
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理解核心概念
核心概念的选择原则在于基础性、时代性、适切性、对素养发展的价值性，要注意聚焦核心概念做到“少而精”。
跨学科概念是从不同学科领域抽象概括出来的共同的、重要的概念，联系不同学科领域，关联多个学科核心概念。
组织教学内容需要基于课程标准，围绕学科核心概念和跨学科概念，理解教材设计，关注知识间的内在关联，促进知识的结构化，改变碎片化、割裂式的教学倾向。进行单元教学设计，在科学学科中就要把教材单元和学科核心概念建立关联，实施基于核心概念的单元教学。
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理解学习进阶
把握核心概念进阶，强化学段教学内容安排的序列化和递进性，体现学业要求和学业质量标准。本轮课程标准中不仅有内容的进阶，而且有学业要求的进阶。这不仅是科学课标修订的要求，也是所有学科课程设计需要符合的要求。同时，国家还特别重视学段之间的衔接，其中幼小衔接是国家课改高度重视的部分。
基于科学课程的研究发现，整体概念进阶设计不是仅仅考虑小学或者义务教育阶段，而要考虑从小学到高中到底学生的学习需要怎样的进阶；课标修订前我们对教师也进行了深度调研，对核心概念覆盖哪些知识进行了调整。以上两点也是课程整体设计的理论与实践依据。
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设计教学规划
教师在设计教学规划中需要注意以下几步：
第一，理解核心概念的内涵与功能
第二，制定核心概念的教学规划
第三，制定单元教学规划
第四，制定课时教学规划并进行实施
如何体系化设计思维型探究与实践
本轮教学改革的课程方案中在强化学科实践，注重“做中学”,引导学生参与学科探究活动，经历发现问题、解决问题、建构知识、运用知识的过程，体会学科思想方法。要求加强知识学习与学生经验、现实生活、社会实践至今的联系，注重真实情境的创设，增强学生认识真实世界、解决真实问题的能力。
学科实践是用学科知识、学科思想方法和学科思维方式解决真实情境中问题的一种活动。学科实践不仅是学科知识与方法的应用，而且是获得知识与方法的途径。
探究和实践是科学学习的主要方式，要加强对探究和实践活动的研究和指导，整合启发式、探究式、互动式、体验式和项目式等各种教与学方式的基本要求，设计并实施能够促进学生深度学习的思维型探究和实践。
在教学过程中，教师需注重以思维型教学原理知道科学实践过程，并在其中融入科学思维。
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