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中国科学教育中的技术思维陷阱

当前我国科学教育发展面临错综复杂的局面 | 图源:pixabay.com

 

导  读

在国际科学教育出现STEM和 “科学与工程实践” 理念背景下,我国科学教育发展面临错综复杂的局面。从理论上讲,一方面科学哲学和学习科学新进展强调本土社会实践的价值,另一方面又需要强调普遍意义的科学思维核心素养;从一线教学活动看,一方面探究活动热火朝天,另一方面存在重技术轻科学、重活动轻思维的趋势。

撰文 | 张红霞(南京大学教育研究院、陶行知教师教育学院教授,博导)

责编 | 张天祁

 

最近十几年国际科学教育的最大变化在于工程技术领域的加入,早期主要作为教学模式加入,近年来转化为综合课程,如STEM课程,尽管综合的程度各异。这种综合的理念不只以校本课程或课外活动的定位出现,而是已经上升为国家层面的课程理念。

美国2012年发布的《新一代科学教育标准》(简称NGSS)将 “科学与工程实践” 与“学科核心概念” “跨学科概念” 一道,共同构成三维课程内容结构,并以 “实践” 统领科学教学活动的全过程;一些新近出版的教材,如《科学维度》(Science Dimensions)、《科学融合》(Science Fusion)也将工程技术和生涯教育内容放在突出的位置 [1]。

我国对这一国际趋势也做出了积极的反映,然而,正如一些学者所指出的那样,科学探究活动出现了重技术轻科学、重活动轻思维的倾向,一些STEM课程被称为 “大手工课” [2]。没有将科学探究作为基本环节整合进课程,更没有基于科学知识的推理形成创新性设计并对新设计进行试验。

许多学校在展示自己的科学教育成果时都以拥有3-D打印机为荣,追求将人工智能等高科技产品用于教学。有学者担忧科学教育会变成培养“能工巧匠”的技术教育 [3]。

刚刚发布的《义务教育科学课程(2022年版)》提出了 “科学观念、科学思维、探究实践、责任态度” 四大素养新目标,其中 “探究实践” 意指 “科学探究” 和 “技术与工程实践” [4]。

尽管科学思维和科学探究被置于基础性地位,但学界较少对科学思维、科学探究与工程技术实践的关系在学科本体论和认识论层面进行阐述,较少对那些重技术轻思维现象的认识论根源进行深入剖析,本文就是针对这个问题而展开。
 

科学教育视角下的科学与工程技术关系

从教育原理上讲,国际科学教育界将 “实践” 作为最新科学教育改革的关键词,主要是基于科学哲学界在本体论和认识论上的新认识、学习科学界在情境理论研究上的新进展。

在“工程”作为学科出现之前,人们通常只在科学与技术之间加以区分。早在古希腊时期亚里士多德就认为:科学是研究自然实体和 “类”(category)的普遍性质与原因的知识,是为了科学自身的目的而存在,而技术是 “关于生产的知识”,其目的在自身之外 [5]。

当代哲学家波兰尼指出,技术是功利主义的,技术追求的目的是为了获取某种利益 [6]。因此他呼吁不能把技术的功利主义思想带入科学研究中,否则人们热爱纯粹科学的情操就会发生变化甚至消失 [7]。

关于先有技术还是先有科学的问题,今天普遍认为是互为因果的辩证关系。不过在亚里士多德眼里,科学和技术是没有必然联系的,在出现的时间顺序上是技术在前、科学在后,因为科学只会出现在那些人们解决了温饱问题、有了闲暇的地方 [8]。

不过,在科学实践内部,当代科学与技术的关系更符合英国皇家学会前会长布莱克特(P.Blackett)提出的公式:纯科学-应用科学-发明-开发-制造样品-生产-市场销售与赢利 [9]。这一点与2022年版我国新课标观点一致:在肯定相互影响的同时,更强调科学是工程技术的基础、工程技术是对科学的应用。

今天,由于科学知识的应用转化速度加快,技术反哺科学的现象越来越多,问题变得更加复杂起来,甚至使人误认为,技术可能具有像科学一样的本体论意义,是人类认识世界的一种独特的知识体系。

然而,我们必须清楚:没有科学原理的支持,技术走不远。事实上今天的火箭、卫星制造仍然要依靠牛顿力学理论来计算轨道、进行各种力学的设计;飞行器在太阳系里飞行还要考虑相对论的效应。科学和技术有相互统一的方面,但统一性不等于同质性 [10]。这好比盐与水的关系,不能因为盐溶于水形成了盐水溶液,就将盐与水混为一谈。

认识论关心的是世界是否可知、知识从哪里来、怎样获得可靠的知识等问题。而这些问题正是科学哲学的核心,也是科学思维的逻辑起点。

从 “学科” 定义来看,一个研究领域必须具备四大要件才能回答这些问题,进而称得上一门学科:(1)具有一套特殊的概念体系;(2)这些概念之间形成一个关系网使得经验可以被理解,从而产生独特的逻辑结构;(3)对知识的陈述能够被经验验证;(4)具有特殊的技术进行解释和教学活动 [11]。

显然,“科学” 是一门(或几门分支)学科,而技术不然;因为技术不关心认识论问题,只关心怎样应用科学原理满足人的需要、制造有形的产品;技术在很大程度上属于熟能生巧的 “默会知识”,不具备独特的逻辑体系等学科要件 [12]。

美国国家研究委员会在一项关于STEM教育调查报告中也承认,技术不是一门最严格意义上的学科 [13]。在STEM概念形成过程中,“T”的加入除了因为它与 “S” “E” “M” 有一定联系,还因为它有助于构成一个便于发音的英文缩略语 [14]。由此可见,在综合课程框架里,“技术” 最适合定位在教学法层面和知识应用阶段,而不是课程内容主体层面。

至于 “工程” 领域,的确可以称为一门学科。但如果排除其中对科学的应用而言,它是集管理学、经济学等学科特点的新兴学科,因而不适合构成义务教育阶段科学课程内容。

事实上,最早提出STEM教育的专家主要来自于职业技术教育领域;目前卓有成效的STEM实践也主要存在于职业技术院校 [15]。

尤其值得注意的是,著名科学教育专家奥斯本(J.Osborne)在2011年美国科学教育学会年会上的应邀报告,和他在2014年发表的对NGSS进行解读的论文中,只字未提工程和技术的作用。

他对 “实践” 理念的解释是:它更好地代表了当代科学哲学对科学本质的新认识,即科学是一种社会和文化的实践;实践的综合性特点使得科学与工程技术产生了关联;实践还由于文化环境等因素的影响表现出不确定性,进而导致了学术共同体有条理的争辩与理论建构的必要性和动态性特点。他还提出,具备一定的科学认识论知识是未来合格科学教师的必要条件 [16]。

几十年来科学认识论上的新进展也对学习科学产生了很大影响。简言之,实用主义的三个经典原则在认知科学上得到了经验验证:(1)观念是有机体与环境相互作用的产物;(2)认知通过探究活动和推理而得到发展;(3)探究活动和问题解决始于情境中蕴含的纠缠不清的争议 [17]。结合上述奥斯本的论述可以推论,NGSS的实践理念主要指科学实践;工程技术可以为科学实践提供真实、有效的情境。

 

我国科学教育中技术思维的陷阱

美国将工程技术引入科学教育的原因除了上述科学哲学和学习科学的影响外,还有一条功利主义原因:促进普遍就业 [18]。2011年发布的《K-12科学教育框架》明确将生涯教育纳入科学教育课程目标之中。

而我国情况完全不同,不少人拥抱STEM教育是因为对STEM的误解,觉得比从前的科学探究更容易操作,甚至以孩子们参与度更高为良好效果的佐证。在一些融入中国传统文化的科学教育校本课程中,如《陶艺》《桥》《榫卯结构》,有回归中国古代技艺教育的趋势。那么,如何实现“消除国人不善于进行超越现实、远离实用功能的科学思考这一弱点,将科学教育由 ‘做’ ‘用’ 向 ‘思’ 扩展?[19]”

科学思维的定义有多种版本,包雷等从概念、行为和认知操作三个层面给出了综合性定义:在概念上指在知识形成和修正时,基于数据协变和机制解释建构因果关系的认知过程;在行为上表现为进行科学探究的一系列活动,通常包括系统地分析问题、确定可研究的问题、制定和评估假设、预测、设计和评估实验、分析数据、识别证据、验证假设和基于证据的决策等;在认知操作上指进行问题聚焦、变量控制、数据分析和因果判断等所需的一系列特定的推理技能 [20]。

而技术思维不同,一般指提出创造物或改造物的方案或意见,如技术发明、技术设计、工艺或施工措施、技术管理决策等 [21]。技术思维主导科学教学,产生了一些常见的问题。

第一,探究实践活动缺乏科学思维参与。技术活动的特点之一是追求圆满结局,而不像科学研究那样承认任何理论或模型都只是暂时的、相对的。因此,在课堂教学上追求每节课都要经历所有探究环节并得出正确结论;在选择探究活动材料时,最重视的不在于它是否能够揭示自然现象中蕴含的科学概念,而是孩子们是否能够在一节课里顺利完成活动步骤或做出产品来。

技术活动的另一个特点是具有固定的操作步骤。科学探究的一系列思维活动被异化成技术操作的固定步骤;好教师就像好师傅一样,不遗余力地将这些技巧完整地传递给徒弟们;好学生也像好徒弟一样,掌握的知识点越多心里越踏实。有一项调查显示,有学生甚至误以为自然科学的科目就是由一些难于理解的概念和令人生厌的公式堆叠起来的,学习这些科目的目的无非是记住这些概念和公式去解题而已 [22]。

教师培训也是如此,主要内容是教学技巧和政策解读;教师专业发展的过程本质上是熟能生巧的过程。与此相应,学生们也变成高效地配合老师上课的 “好学生”。

教师们在异地进行赛课时都希望能够遇到 “会上课” 的班级,因为专家评课的标准非常重视各个环节的时间控制、完整与流畅。加拿大专家 Samson Nashon 考察后说到对中国STEM教育的印象:目前的STEM课堂是一种 “形式”,学生像按照教师设定好的程序重复老师思维的小机器人 [23]。

奥斯本曾经批评美国学生的问题是:太多学生没有认识到 “理论是科学的最高荣耀” 而不是数据;科学从根本上讲是思想(ideas)而不是实验 [24]。

而国内学生自己很少拥有真实数据,因此很少有机会独立地针对问题设计一个有效的实验,那么拥有自己的思想便无从谈起。

第二,缺乏真实情境导入的课堂教学。学习科学研究发现,对于新知识的学习,只有在学习者准确知道它用在什么情境以及在新情境中如何加以修正时才是有效的、可迁移的学习 [25]。只有真实的情境、真实的问题才能够引发一系列真实的、灵活应用已有知识的探究行动 [26]。

而技术不需要关注情境,只需要知道给定的材料、经费和时间的限制,以及便于加工的场地。我们大多数小学科学课堂缺乏有效的情境导入环节;通过情境引导出探究问题的环节只有2-3分钟,而美国对一个主题单元的情境导入花费整整一节课的时间;而且即便是那2-3分钟的情境,往往不是“真情境”。

例如,为了探究 “水为什么会蒸发?” 老师放置水温不同的两杯水,让学生观察比较;但这不是真情境,而是问题本身。如此直接 “空降” 问题的课堂屡见不鲜。

再如,让孩子们到试验田里捡石头,以此为情境进行岩石分类活动;这也不是情境,因为完成捡石头任务不需要进行分类。有人认为,孩子们的好奇心被激发了、参与程度提高了,就是真探究。但被忽视的问题在于:好奇心没有得到回报——留下科学思维的烙印。“情境” 的作用是通过调动好奇心达到聚焦问题的目的。

第三,缺乏批评和争辩的 “研讨” 活动。2011年美国《K-12科学教育框架》提出的 “八项科学实践” [27] 与1996年国家课程标准提出的 “八项探究能力” 在内容上几乎相同,但内容间的相互关系差别很大:八项科学实践活动之间不是线性关系,而是以批评、争辩为 “枢纽” 将各项能力连成一体,科学争辩贯穿于科学探究的全过程 [28]。

这正是 “科学实践” 超越了Hands-on的关键标志,也是科学教育区别于技术教育的重要特点:强调以批评和争辩为特征的 “研讨” 活动在理论和模型建构中的核心作用。

我国目前科学课堂研讨环节主要出现在探究活动之后 [29],客观原因可能是我们的科学课时仅为美国的1/3。然而,这仅有的研讨时间还经常是名不副实,突出表现为如下三点。

(1)研讨题目由老师钦定,研讨内容常常是复习、巩固知识和概念。例如:“我们今天学习了哪些植物类型?”

(2)学生缺乏自己的数据和记录——争辩的根据;或者即便有数据、记录,但由于没有矛盾和冲突蕴含其中,研讨和争辩就难以发生,因为实验设计由老师统一设计,观察对象、观察方法相同,过程结果也必然相同。那么对于讨论题“你观察到什么?”,孩子们的回答必然是异口同声。

(3)研讨题与探究记录的现象缺乏紧密联系。例如,学生记录了一周七天的气温变化,以及早晚温差、阳光下与阴凉处的温差,并绘制出图表,但讨论题却是:“我们怎样预测天气?”

第四,技术操作被推崇为有效的评价方法。新课标或STEM理念倡导在科学实践过程中评价学生的学习,但现实中科学实践常常被工程技术实践代替。为了评价学生的科学探究能力,老师(而不是学生)应用科学知识、理论设计一项技术性操作任务,作为评价工具。这项评价工具的客观作用是帮助学生理解和巩固已有的科学概念,训练动手能力,反映不出科学思维的高下。

例如,在 “运动与力” 的学习中,要求学生小组在5分钟内,通过调整小车的拉力让其在1.40秒以内行驶55厘米(即课桌长度);拉力大小是通过小车拉绳的另一端经过桌边缘的滑轮连接不同的重物来估算;计时工具是普通秒表;评价标准是误差在0.20秒之内计为合格。

这个活动不是科学探究活动,因为孩子们必须已经掌握运动与力的关系的概念才能进行这样的操作。而且,考虑到难以避免的较大测量误差和各种环境因素,得分合格的学生对力与速度关系的理解不一定比得分不合格的孩子更好。然而,这种竞赛式活动设计很受教师们欢迎,因为课堂气氛活跃,评价标准清晰明了。

 

回到原点,跨越技术思维的陷阱

美国将工程技术纳入科学教育是在“科学作为探究”阶段充分发展以后,是为了实现科学教育大众化、增加就业的新目标而采取的多元化的策略,但绝不会放弃科学这个STEM的基础。

以教材出版为例,以工程技术和生涯教育为取向的《科学维度》和《科学融合》代表了出版商HMH的市场战略、普及化定位;注重丰富的活动方案而不是科学概念体系。而90年代出版并沿用至今的STC(Science and Technology for Children)教材,强调对单元概念、科学统一概念、跨学科概念的系统化阐述及其科学思维的发展进阶设计 [30]。

再者,《科学维度》的作者队伍、教材实验学校主要是加州和中部地区的专家和教师;而STC由美国科学院、国家科学资源中心组织编写和出版,代表国家顶尖水平。

中国的国情完全不同,科学教育还属于起步阶段。我们的科技发展及其教育传统还带有深深的技术思维烙印。

那么,传统技术思维究竟会对科学学习带来什么障碍?科学思维的起点是对自然现象 “类” 的认识,其目的是认识客观世界运行的内在规律、提出解释世界的思(ideas),而不是生存之道。

美国著名文化心理学家尼斯贝特(R.Nisbett)基于心理学实验发现,中国人的思维方式特殊性之一是对“类” 的漠视而对表面 “关系” 的敏感,例如,中国被试倾向于将牛与草归为一类,而西方被试倾向于将牛与鸡归为一类 [31]。这里牛与草的关系并非生态系统里的食物链概念,而是反映人类的一种生存策略:放牧技术。

我国著名科学哲学家李醒民先生指出了我国科技发展中科学与技术混沌不分的危害,“它误导了科学政策的制定,妨碍了以自由探索为特征的科学,尤其是基础科学研究的进展,从而最终贻害于高新技术的发展。此外,它对国民科学教育的深化、科学意识的增强、科学素养的提高、科学心智框架的形成也有百害而无一利 [32]。”

怎样才能跨越技术思维的陷阱?对于传统文化与科学教育的关系研究近年来有实质性进展。过去的基本假设是非西方文化都是妨碍科学思维形成的落后文化,因此教学情境要 “去文化”。

进入21世纪,大量研究指出,对于非欧美文化背景的学生而言,应该倡导基于本土文化的教学情境设计 [33],因为使用不同种族学生自己的文化知识、先前经验、知识架构和表现风格,可以使学习对学生具有更好的关联性和有效性,提高学生的“科学认同” [34]。

有学者进一步提出 “文化相关”(Culturally relevant)教学情境设计理念,认为未来科学教育研究的核心主题是理解、支持和利用不同文化作为学习资源而不是负担 [35]。

这就是说,对于中国学生而言,基于中国文化传统的中国社会实践就是产生科学问题最好的情境设计资源。对于小学科学教育而言,根据教育重演论,古代农业文明形成的本土科技成就就是学习的起点。

如果这一点成立,那么,下一步的问题是:怎样以本土的技术思维主导的科技成就为起点,将学生的技术思维转化为科学思维上来?换句话说,怎样将技术思维的 “真实情境资源” 转化为能够引导出科学问题的 “教学情境设计”?本研究谨认为:首先要重构中国农业文明科技史(教学用);然后基于此,开发一整套用于科学探究教学的本土情境设计方案。

首先,正如我们要蹲下来才能用儿童的视角看世界,我们要回归自然、回归农业、回到原点去理解中华文明的发展逻辑 [36]。

第一,要弄清楚中国自然地理环境(青藏高原-纬向大河-大平原-东亚季风等)是如何造就了中国大一统的、集体主义的、经久不衰的农业文明 [37]。第二,要弄清楚为什么中国古代辉煌的科技成就始终不能成为生产力要素而得到发展。这些问题不仅仅是地理学问题,而是与大气科学、水力学、生物学、海洋学、遗传学、人口学等学科紧密相连。对这些问题的研究结果本身就是重要科学知识和科学概念,而且是最中国的科学概念,也是中国农业文明科技史(教学用)的精髓。

然后,基于本土农业科技史开发科学探究教学 “情境”。以曹冲称象为例:假设当时曹冲放弃做王子,与韩国人做生意。一次他将满载货物的货轮从长江口驶向韩国,突然发现当海轮逐渐离开长江河口时就渐渐上浮起来。这时曹冲组织起一个研究小组,探讨怎样能够保证运送最大货物量以提高利润。如果你是曹冲的科学顾问,你怎样设计一项实验以解决这个问题?在这个情境下学生们的研讨问题不仅包括与浮力定律有关的问题,还可能包括商业活动与科技创新的关系。 总之,我国创新人才培养的陷阱本质上就是技术思维的陷阱。工程技术的加入对我国科学教育是一把双刃剑,对此我们必须从顶层设计上进行重构。

第一,科学教育研究要在研究取向上超越课程教学领域的技术性探讨,增加研究队伍的多样性,鼓励科学家的参与,加强科学哲学研究的引领作用。

第二,构建参与式教师培训体系,给教师们提供参加真实科研项目的机会。国际STEM教育权威卡拉·乔恩生(C.Johnson)在中国考察后说:“就我对中国STEM教育发展的担心来说,首先是教师专业发展的问题。这是我最关心的问题…… 真正有效的STEM教育实施,一定要伴随着STEM教师的培养,一定要将教师真正纳入到设计、开发与实施的整体过程之中,而不是仅扮演 ‘执行者’ 的角色 [38]。”

第三,从日常教学的课时分配、教师评价、高考科目设置等一系列制度上确保科学教育的重要地位。我们应该认识到:科学教育在STEM教育、项目化学习、探究式教学模式的推广上发挥了轴心的作用,科学教师们正在为整个中国的教育现代化做着探路人的工作,理应得到有力的政策支持。

第四,加强政策执行过程的评估,促进政策制订与学校需求接轨、仪器装备与课堂需求匹配,将实验室建设经费用在切实改进日常教学活动的刀刃上。 

 

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