南非國家課程：開展探究/第9章
| 開展探究：面向GET和FET數學與科學教育者的資源手冊 |
科學與數學教育、專案和探究有一個共同的目標：培養一個具有科學和數學素養的社會。在本資源手冊的第10章中，提供了許多“網站”的網際網路地址，如果您連線到網際網路，可以訪問這些地址。（政府承諾將逐步為所有學校提供電腦。）有用的網站一直在不斷建立，即使在您的學校連線到網際網路時可能會有更多網站可用，但第10章中的網站是一個很好的切入點。
下面給出的科學特徵定義改編自“科學素養因素的解釋”，可以在[www.sasked.gov.sk.ca/docs/chemistry/ns_a.html/]找到。
該網站包含薩斯喀徹溫省教育廳（1991年）出版的“學生評估：教育工作者手冊”中的材料。作者將科學素養分解成各個組成部分，以幫助教育者評估學習者在科學方面的進步。給出的示例對我們南非人與加拿大學生同樣適用。在您審查這些示例時，請檢視哪些組成技能等可以透過採用探究式科學教育方法來培養。
具有科學素養是指理解什麼是科學，它的“本質”[A]以及它與技術和社會的關係[D]；科學研究什麼，我們在科學中學習的關鍵概念[B]以及我們如何研究它們[C & D]；我們需要培養的技能[E]以及優秀的科學家和具有科學素養的人將擁有的價值觀和態度[F & G]。這些列表實際上告訴我們科學教育的內容。思考一下它們，以及探究如何幫助我們實現科學教育目標。列表A、B和C進行了詳細描述，因為它們與探究密切相關。
具有科學素養的人理解科學和科學知識的本質。科學體驗應該讓學習者接觸到……科學探究和發現，例如……
公開與私密：科學基於個人或群體私下開發的證據，並公開與他人分享。
整體性：所有科學分支都是相互關聯的。例如，化學原理支配著動物消化食物的方式。
可重複性：科學基於其他人在不同地點和不同時間在類似條件下可以獲得的證據。
經驗性：科學知識基於實驗或觀察。例如，科學家進行實驗並從他們觀察的事物中收集資料。
機率性：科學不做絕對的預測或解釋。例如，天氣預報員預測明天有20%的降雨機率。
獨特性：科學知識的本質以及產生新科學知識的程式不同於哲學等其他知識領域。
暫定性：科學知識會發生變化。它不聲稱自己是絕對和最終意義上的真理。例如，隨著新資料的出現，理論會被修改以包含新舊資料。出於這個原因，我們自1900年以來對原子結構的看法發生了很大變化。
與人類文化相關：科學知識是人類的產物。它涉及創造性想象力，是文化及其技術的產物。例如，生物技術的應用導致了用於治療糖尿病的合成胰島素的生產。
具有科學素養的人在與社會和環境互動時，能夠理解並準確地應用適當的科學概念、原理、定律和理論。
科學中最重要的概念包括：變化：變化是變得不同的過程。它可能涉及幾個階段。例如，一年四季都在變化。岩石被侵蝕。
相互作用：當兩件或多件東西相互影響或作用時就會發生相互作用。例如，一些生活在同一地方的動物必須爭奪可用的食物和空間。
有序性：這是一種自然界中存在的或透過分類強加的規則序列。例如，地球以規則的方式繞太陽執行。
生物體：生物體是活物或曾經活過的事物。例如，植物和動物是生物體。
對稱性：這是在某個更大的結構內重複一個模式。例如，大多數動物似乎都有相匹配的兩半。大多數牆紙圖案都表現出對稱性。
力：它是推或拉。例如，磁鐵可以拾起回形針。踩腳踏車踏板會導致它移動。
量化：數字可以用來傳達重要的資訊。例如，一分鐘有60秒。人體有206塊骨頭。
結果的可重複性：如果所有其他條件都相同，則重複程式應產生相同的結果。
因果關係：它是指一件事如何影響另一件事。例如，在冬天在戶外行走可能會導致你的臉變冷。
可預測性：可以在自然界中識別出模式。根據這些模式，我們做出預測。例如，當種子在一個溫暖的地方獲得足夠的水分時，它就會發芽。由此，人們可以預測，為了防止種子發芽，應將其儲存在陰涼乾燥的地方。
保護：對世界資源有限性的理解，以及對謹慎和節約地利用這些資源的必要性的理解，是保護的基本原則。在物理學中，“保護”一詞也具有獨特的含義，如能量守恆。例如，房屋隔熱可以節省能源。可以設計更小、更高效的汽車來減少燃料消耗。
能量-物質：它是能量和物質之間可互換且相互依賴的關係。例如，當蠟燭燃燒時，蠟中儲存的一些能量會以熱和光的形式釋放出來。
迴圈：某些事件或條件會重複出現。例如，一年四季都在變化。有些鳥類在春季和秋季遷徙。時鐘上的擺以規則的方式來回擺動。
模型：它是真實結構、事件或事件類的表示，旨在促進對抽象概念的更好理解或允許縮放到可管理的規模。例如，地球儀是地球的模型。彈珠和泡沫塑膠球可以用來製作代表原子的模型。
系統：一組相互關聯的部分形成了一個系統。例如，地球是太陽系中的一顆行星。立體聲音響系統由揚聲器、放大器、CD播放器等輸入裝置以及其他相互連線的部分組成。場：場是受某些媒介影響的空間區域。例如，兩個相同的磁極相互排斥。如果將球拋向空中，它會因為重力的拉力而返回地球。
種群：種群是一組共享共同特徵的生物體。
機率：機率是在指定時間間隔內或在一系列事件中發生某些事件的相對確定性程度。例如，患某些型別癌症的機率隨著長期暴露於大劑量輻射而增加。
理論：理論是一組相互關聯且內部一致的陳述、方程式、模型或這些的組合，用於解釋相對較大且多樣的事物和事件群體。例如，有一種理論認為物種會定期發生大規模滅絕。
準確性：準確性涉及認識到測量中存在不確定性。它還涉及正確使用有效數字。例如，帶分鐘刻度的表比沙漏更準確地測量時間。
基本實體：它們是用於解釋某些現象的結構或功能單元。例如，細胞是生命的基本單位。原子是物質的基本單位。
尺度：尺度涉及尺寸的變化。這可能會影響系統的其他特徵。例如，用筆記本紙製成的紙飛機的飛行方式可能與用相同紙張的橫幅大小的紙製成的相同設計的飛機不同。時空：它是一個數學框架，因為它便於描述物體和事件。例如，普通人的一個方向的延伸大約為1.75米，另一個方向的延伸大約為70年。
演化：演化是一系列變化，可以用來解釋事物是如何形成現在的樣子的，或者未來可能變成什麼樣。它通常被認為是從簡單到複雜的過程。例如，有機體的演化被認為是透過微小、漸進的變化來發展的。類似地，科學理論也會隨著新資料的出現而發生改變，以適應新的發現。
具有科學素養的人會使用適當的科學過程來解決問題、做出決策，並進一步加深對社會和環境的理解。
綜合過程包括更基礎的技能。技能是在一生中習得和實踐的，資訊處理和解決問題的能力最終會超越任何課程。科學的基本過程包括：
分類：分類是一種系統化的程式，用於對物體或事件的集合進行排序。例如，物體可以用多種方式進行分組，例如按大小、形狀或顏色。
交流：交流是將資訊從一個人傳遞到另一個人的多種程式之一。例如，撰寫報告或參與課堂討論都是交流的例子。
觀察和描述：這是最基本的科學過程。利用感官獲取有關環境的資訊。例如，在調查過程中，學生寫了一段話記錄了熱銅金屬與硫蒸氣之間化學反應的進展。
合作：這涉及個人作為團隊成員為團隊目標而高效地工作。例如，當小組的一名成員在燒杯中攪拌反應物混合物時，另一名成員正在讀取溫度，而另一名成員則記錄溫度。
測量：使用儀器獲取與物體或事件某些特徵相關的定量值。例如，可以使用合適的測量工具將金屬棒的長度精確到最近的毫米。
提問：這是提出問題或討論點以供調查或討論的能力。例如，學生應該能夠對觀察到的事件提出有針對性的問題。當觀察到候鳥時，諸如“為什麼鳥類會成群結隊遷徙？”、“有些鳥類會單獨遷徙嗎？”以及“鳥類是如何知道要去哪裡？”等問題應該引導進一步的探究。
使用數字：這涉及到計數或測量來表達想法、觀察或關係，通常作為使用文字的補充。例如，一個橙子中有七粒種子，而另一個橙子中沒有種子。
假設：假設是提出一個暫定的概括，可以用來解釋相對大量的事件。它可以透過實驗進行立即或最終的檢驗。例如，讓學生解釋如果將植物放在黑暗的地方几天，他們認為會發生什麼。然後讓他們解釋如何設計和進行實驗來檢驗他們的解釋。
推論：根據以前的經驗來解釋觀察結果。例如，由於粘土是一種滲透性較差的材料，因此水坑在粘土土壤上不會像在沙質土壤上那樣快地滲透掉。
預測：根據先前的資訊確定未來的結果。例如，根據當前的雲層狀況，預測今天晚些時候是否可能下雨。
控制變數：控制變數是基於識別和管理可能影響某種情況或事件的條件。例如，為了測試肥料對植物生長的影響，必須識別所有可能影響植物生長的其他因素，並保持這些因素相似，以便觀察到肥料的影響。
解釋資料：這一重要的過程是基於在資料集中尋找模式。它會導致一個概括。例如，一塊扔在草坪上的地毯下的草會變黃。將其移除最終會使草重新變綠。人們可能會從觀察中推斷，光線的缺乏或植物壓力增加導致它們變黃。在另一個實驗中，當植物放在黑暗中時，葉子會變黃。放在光照下的類似植物的葉子保持綠色。由此，人們可能會認為植物接收到的光量與葉子的顏色之間存在聯絡。然後可以在草坪上放一塊玻璃，看看壓力本身是否會導致植物變黃。
建立模型：模型用於表示物體、事件或過程。例如，地球儀是地球的模型。
解決問題：科學知識是透過提出關於自然界的問題並將其用於解決問題而產生的。定量方法經常被使用。例如，一個學生在一個晚上看到了蝙蝠，但記不起白天是否見過。一個問題出現了：“為什麼我以前從未在黑暗之前見過蝙蝠？”這導致了一系列調查和研究，試圖找到這個問題的答案。
分析：檢查科學思想和概念以確定其本質或含義。例如，學生小組觀察衛星天氣影像。每個小組都試圖根據衛星影像以及他們對天氣模式、天氣系統特徵、天氣系統運動等的瞭解來制定預報。
設計實驗：設計實驗包括計劃一系列資料收集操作，這些操作將為檢驗假設或回答問題提供依據。例如，汽車製造商在碰撞測試中測試安全帶的效能。使用數學：使用數學時，數字或空間關係以抽象的形式表達。例如，矩形表面的面積可以透過將長度乘以寬度來計算。
使用時空關係：這是用於描述事物或事件位置的兩個標準。例如，恆星在任何給定日期的位置可以從天文參考表中確定。
達成共識：達成共識是在意見分歧時達成一致。例如，基於學生研究的關於有毒廢物處理的討論，使學生有機會評估資訊。
具有科學素養的人能夠理解和欣賞科學與技術的聯合事業，以及它們之間的相互關係及其對社會和環境的影響，包括以下問題：
- 科學家和技術人員是人，也會犯錯誤；
- 公眾理解差距；
- 科學和技術所需的資源；
- 在重要辯論中採取不同的立場；
- 科學和技術的侷限性；以及
- 社會對科學和技術的影響。
具有科學素養的人已經發展了許多與科學和技術相關的操作技能。科學和技術技能包括：
- 使用放大儀器；
- 利用自然環境；
- 安全使用裝置；
- 使用計算機；
- 進行測量；
- 操作能力；
- 根據儀器的允許儘可能精確地測量時間；
- 測量體積、溫度和質量；
- 使用電子儀器；以及
- 使用定量關係。
具有科學素養的人以與科學背後的價值觀相一致的方式與社會和環境互動。價值觀包括…
- 渴望瞭解和理解；
- 質疑；
- 尋找資料及其含義；
- 重視自然環境；
- 尊重邏輯；
- 考慮後果；以及
- 要求驗證。
由於科學教育，具有科學素養的人對科學、技術、社會和環境形成了獨特的看法，並在一生中不斷擴充套件這種教育。 可觀察的態度包括他們的…
- 興趣和愛好；
- 自信；
- 致力於持續學習；
- 職業選擇；
- 首選的解釋方法；以及
- 對他人貢獻的態度。
國際學生評估專案 (PISA) 的資料從數學的角度來看同樣很有用。它不像薩斯喀徹溫省小組分析科學素養那樣詳細地分析數學素養的組成部分。PISA 從一開始就假設，為了評估學習者對某些學習成果的掌握情況，必須有明確的定義。PISA 定義是在 2000 年至 2003 年間制定的，它為我們提供了數學素養、科學素養和跨課程問題解決的國際標準，所有這些都是新南非課程的關鍵成果。將 PISA 對科學素養的看法與薩斯喀徹溫省教育廳的看法進行比較。包含 2003 年 PISA 定義的網站是
[www.erc.ie/pisa/science.html/]
[www.erc.ie/pisa/probsolve.html/]
PISA 定義是有用的標尺，可以用來評估教學和學習者的進步。根據 PISA，數學素養需要“在多個層面上運用數學能力，從執行標準的數學運算到數學思維和洞察力。它還需要了解和應用一系列數學內容，這些內容來自諸如機會、變化和增長、空間和形狀、定量推理、不確定性和依賴關係等領域。其中包括數學課程的特定領域，如代數、統計和幾何。”
PISA 從三個維度評估數學素養：與修訂後的國家課程評估宣告相比，這有什麼相關性？
1. 首先，數學的內容，主要根據數學思維背後的廣泛、總體概念來定義，其次才與傳統的課程內容（如代數和幾何）相關。…四個總體概念是：量、空間與形狀、變化與關係以及不確定性。
2. 其次，數學的過程，由一般的數學能力來定義。這些包括使用數學語言、建模和解決問題的能力。其想法不是…將這些技能分開…而是根據三個叢集來組織問題，這些叢集定義了所需的思維技能型別：a) 再現叢集——由簡單的計算組成的數學能力。
b) 連線叢集——需要建立聯絡來解決簡單的問題。
c) 反思叢集——包括數學思維、概括和洞察力，要求學生參與分析，識別情境中的數學元素，並提出問題和反思問題。
3. 第三，使用數學的情境，從私人情境到與更廣泛的科學和公共問題相關的情境。區分不同數學情境的一個重要原因是，將數學問題嵌入到比傳統學校課程中更廣泛、更不抽象的現實生活情境中。根據 PISA，科學素養涉及使用關鍵的科學概念來理解和做出關於自然世界的決定。它還包括能夠識別科學問題、使用證據、得出科學結論以及傳達這些結論。(將此與薩斯喀徹溫省的科學素養方面進行比較。) PISA 建議使用與學生現在和不久的將來相關的科學概念。這些包括與生命與健康、地球與環境以及技術相關的科學概念。
PISA 將科學素養定義為“運用科學知識、識別問題並得出基於證據的結論的能力，以便理解並幫助做出關於自然世界及其因人類活動而發生變化的決定。”
PISA 建議從三個維度評估科學素養
1. 首先，科學概念，這些概念是理解自然世界某些現象及其因人類活動而發生變化所需的。…概念…是與物理學、化學、生物科學以及地球和空間科學相關的熟悉概念（但是）需要將它們應用於現實生活中的科學問題，而不僅僅是回憶它們。評估的主要內容是從三個廣泛的應用領域中選擇的：生命與健康中的科學；地球與環境中的科學以及技術中的科學。
2. 其次，科學過程，這些過程以獲取、解釋和採取行動的能力為中心。五個這樣的過程…與
- 識別科學問題
- 識別證據
- 得出結論
- 傳達這些結論
- 展示對科學概念的理解
[(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，科學情境，主要從人們的日常生活而非學校課堂或實驗室的科學實踐或專業科學家的工作中選擇…。
“解決問題是一個在各國和學校科目中普遍存在的教育目標，尤其是在科學、數學和技術方面。學生在日常生活中解決問題的能力…對教育工作者來說尤其重要…。解決問題是成功參與社會的一項基本能力，也是學習過程的一個組成部分。”
PISA 將解決問題定義為
“個人運用認知過程來應對和解決現實的、跨學科的情境的能力，在這種情境中，解決問題的路徑並不立即顯而易見，並且適用的識字領域或課程領域並不侷限於數學、科學和閱讀的單一領域。”
PISA 從三個維度評估解決問題的能力：1. 三種廣泛的問題型別
a) 決策，要求學生在某些約束條件下做出決定，並考慮情境中的一些特徵。
b) 系統分析和設計關注的是分析複雜情境以找出要解決的問題的起因，或者設計一個有效並實現某些目標的系統。
c) 故障排除問題要求學生診斷有故障或效能不佳的系統或機制，並提出解決方案。
2. 解決問題的過程 跨課程問題解決的評估側重於學生在嘗試解決問題時可能採用的五個過程。這些包括
a) 理解給定的資訊
b) 識別關鍵特徵及其相互關係
c) 建立或應用外部表示
d) 解決問題
e) 評估、論證和傳達問題的解決方案
3. 現實生活情境 2003 年 PISA 中問題的語境化涉及使用生活技能。與其使用作為學校課程一部分的情境，不如嘗試制定模擬現實生活情境的問題。
進行三項比較。首先，比較三個 PISA 定義，看看它們之間有多少相互關係。其次，將 PISA 對科學素養的定義與薩斯喀徹溫省的列表進行比較，看看它們之間匹配程度如何。第三，將您自己的教學和評估與 PISA 和薩斯喀徹溫省教育廳的目標進行比較。您會發現，國際科學和數學教育的目標與我們南非自己的目標非常一致。
再次看看所有三個 PISA 定義（數學和科學素養以及解決問題）中對“現實生活情境”的強調。現在，從涉及學習者自己生活中現實生活情境的調查角度考慮這個目標。我們希望您同意，在科學和數學教育中進行調查既是一種現代的，又是國際上公認的教學這些非常重要學科的方法。