科学教育中社会性科学议题研究的国际经验及启示

邴 杰，刘恩山

社会性科学议题（Socio-Scientific Issues 简称SSI）是与科学概念、原理、原则等直接相关的、复杂的且具有争议性的问题[1]，如转基因食品、气候变暖等。各国科学教育研究者大力倡导在科学教育中实施SSI 教学，让学生在社会文化情境中学习科学，从而构建起科学课堂教学与社会的联系[2]。近年来，我国教育教学领域尤其是科学教育领域已经认识到SSI 的重要性，并在具体学科中展开了一些有价值的实证研究。与此同时，我国相关学科课程标准也强调与科学相关的社会性议题在培养学生科学思维和社会责任中的重要性[3]，SSI已经逐渐进入我国科学课程。然而，从我国当前研究发现，关于SSI 的研究相对比较分散，很多研究处于摸索阶段或直接借鉴国外经验，包括教育研究者在内的很多教师在进行SSI教学研究时主要聚焦于SSI 教学策略、教师对SSI及其教学实践的认知、态度等方面的研究，基于实践的研究重复性较多，并没有展开深入的理论分析和实践探索[4]，极少从科学教育实证的角度系统全面地呈现和分析SSI 对我国科学教育的价值。鉴于SSI 在科学教育中的重要性，本研究旨在综合科学教育中分散的实证研究，通过文献调查分析国际科学教育领域关于SSI 实证研究的热点主题，借助R 语言的文本挖掘（Text Mining，TM）、词干提取（Snow ballC）、词云（Word Cloud）和 R 调色版（R Color Brewer）这四个程序包书写分析命令，将抽象的SSI 研究主题词汇予以直观地呈现，并结合系统综述法就当前国际科学教育核心期刊中SSI 研究热点主题展开综述，为我国科学教育中更好地开展SSI 研究，以及SSI 教学在教学实践中的应用提供借鉴和参考。

一、研究样本的获取

本研究主要关注2000-2021 年间国际科学教育SSI 研究的热点主题。以汇集了多学科的Web of Science（简称WOS）的核心数据库作为文献搜索源，并结合ERIC 教育资源数据库下载全文，以主题搜索“socioscientific issues”“socio-scientific”“socioscientific”，筛选国际科学教育领域主流核心杂志International Journal of Science Education（《国际科学教育杂志》，简称IJSE）、Science Education（《科学教育》，简称 SE）、Journal of Research in Science Teaching（《科学教学研究杂志》，简称JRST）、Research In Science Education（《科学教育研究》，简称 RSE）、Science and Education（《科学与教育》，简称S&E）中SSI 相关研究的实证文章；最终共检索到267 篇具有全文信息的文献。2000-2021 年间上述五种期刊中SSI 相关研究的文献发表数量分别是：IJSE 88 篇，SE 59 篇，JRST 42篇，RSE 33 篇，S&E 45 篇；五种期刊整体发表数量呈现递增趋势，并在2012 年、2017 年和2021年初总量上出现研究数量峰值，其中IJSE 中发表数量最多。五种国际科学教育期刊基本涵盖了科学教育中SSI 研究的核心文献，且文章具有较高学术水平，能体现出科学研究中特定主题的研究热点和发展趋势，从而确保了分析的全面性和代表性[5]。

二、研究过程

基于研究目的及研究样本特征，本研究遵循以下四条规则：首先，提取文献标题，书写命令行分别提取五种期刊中的文献标题。其次，利用R中“文本挖掘”的相关命令构建语料库并进行文本清洗，去噪，如：过滤停用词，将对文本信息内容不起作用的高频词过滤，如“the”“at”“how”等；去除各类标点符号；将所有大写字母转换为程序可识别的小写字母，去除语料库中领域高频词且范围过广的词，使该词不再被纳入分析范畴，如science，education 等；检查语料库词频列表，统一在科学教育领域中意义相近且词根相同的词语或缩写，如将 issues-based science，socioscientific issues，socio-scientific 统一为SSI；使用文本挖掘和词干提取的相关命令对语料库展开初步分析，得出出现频次高于3 次的词频表[6]。再次，使用文本挖掘、词干提取、词云和R 调色版的相关命令对样本进行分析，统计词频、绘制词云与聚类树状图。最后，结合系统综述法对相关研究问题进行系统综述。

三、结果分析

（一）SSI 研究的可视化结果和热点词分析

通过R 语言处理后提取五种期刊中267 篇文章的题目关键词，经过清洗、去噪，合并近义词共产生306 个关键词，选择词频5 次以上的关键词81 个（词频太低，则造成词汇云太密集，不利于分析结果），利用 R 语言词云（Word Cloud）和 R调色版（R Color Brewer）得到词汇云（图 1），同时绘制聚类树状图（图2）。其中，热点词字号越大则说明该词出现的频率越高。通过分析关键词间的关联性，得到国际科学教育中SSI 相关研究的热点领域。

图1. SSI 相关研究词频（n≥5）词汇云图（词频字号从中心向四周逐渐变小，词频越高则字号越大）

图2. 科学教育期刊中SSI 相关研究关键词树状聚类图

根据词汇云和词频出现次数及同类词归类后（n≥9）得出，科学教育中SSI 相关研究中的热点词汇，包括：“学生（n = 95）”“论证（n = 55）”“推理（n =49）”“教师（n=40）”“知识/内容（n=36）”“情境（n = 34）”“职前/大学（n = 25）”“文化/习俗（n=24）”“科学本质（n=19）”“信念/态度/道德（n = 18）”“决策（n = 18）”“课程（n = 16）”“评价（n = 16）”“认知（n=14）”“陈述/对话（n=9）”“课堂（n=9）”等。词汇聚类分析显示，两个聚类间的纵向曲线越长则代表两类间的差别越大；从图2结果可分析得出：学生视域与教师视域下的SSI相关研究具有较大差异性。因此，以下分析将从学生和教师两个维度试图回答当前国际科学教育中SSI 的实证研究热点主题。

（二）学生视域：聚焦SSI 价值属性的研究

分析标题词干、抽提词及热点词聚类结果，发现关于“学生（n=95）”的词频非常丰富，且在词汇聚类中表现出与不同领域广泛的联系性，词频云图中“论证（n=55）”“推理（n=49）”“内容（n=36）”“科学本质（n=19）”“决策（n=18）”“认知（n=14）”“信念/态度/道德（n=18）”“陈述/对话（n=9）”等与科学素养相关的词汇围绕在“学生”附近区域；同时，“情境（n=34）”“文化/习俗（n=24）”“课程（n=16）”“课堂（n = 9）”等课堂教学组织形式的研究也与“学生”相关研究具有关联性。下面将从学生科学素养发展和SSI 情境中的课堂教学组织形式两个热点领域入手进行详细分析。

1.科学素养的相关主题研究

结合词汇云、聚类及具体文献内容分析法，对与学生相关的文献分析发现：超过90%的SSI 研究文献都与学生科学素养的发展具有关联性，尤其与高阶科学思维发展密切相关，其中论证（n=55）、推理（n = 49）、决策（n = 18）、评价信息来源等与SSI 价值属性相关内容最为丰富。如，在论证的研究中，2000 年肖思汉发表在RSE 上对美国小学5-6 年级106 名学生书面论证的研究，2017 年巴格波（M.Balgopal）等对不同文化习俗背景大学生SSI 书面论证的研究，2017 年凯瑟夫（R.Khishfe）等发表在IJSE 上的在4 个不同情境中对学生科学本质理解和科学论证能力的研究等；在基于推理的研究中，2016 年卡拉汗（E.Karahan）等发表在RSE 上对SSI 中中学生科学理解和社会推理的研究；2020 年齐安（H.Cian）发表在 I JSE上从SSI 情境复杂度的角度研究高中学生社会性科学推理的差异性，为教师和教育研究者进一步研究其水平发展情况提供借鉴；2020 年柯立（K.Li）等发表在IJSE 上对33 位高中生的SSI 认知与系统思维认知工具使用之间的关系的研究表明，学生对SSI 学习持有积极态度，同时也认为在SSI教学中利用系统思维认知工具能帮助学生实现认知目标的发展；2017 年桑德拉（T.Sadler）教授团队的扎格利（L.Zangori）等发表在 JRST 上利用 SSI 组织单元教学，并认为其对学生模型与建模能力发展具有积极影响；2021 年柯立等发表在S&E上的以新冠肺炎为大背景，利用其中的SSI 培养学生多元建模能力等；以及2021 年赛特（K.Seiter）和弗色列（L.Fuselier）发表在 JRST 上利用 SSI（CRISPR/Cas9）中存在的道德伦理性争议研究学生特征及其认知对道德推理的影响，为科学教育中运用SSI教学构建多元文化课堂情境提供了参考。指向学生科学素养高阶认知发展的系列研究是基于SSI 价值功能属性基础上的研究，是对SSI教学逻辑起点的实证性研究，是在科学教育中开展SSI 教学的基础。

2.以SSI 为情境的课堂教学组织模式的研究

词汇云和聚类分析中“情境（n=34）”相关的词汇与“课程（n = 16）”“课堂（n = 9）”等密切联系，这与当前科学教育教学改革要求课堂教学组织形式的变革具有重要契合性。过去几十年中，科学课堂教学目标表现为从仅传授科学知识到发展学生的科学思维和运用科学知识解决问题能力的变化。SSI 的社会文化属性与科学技术的关联性、跨学科等属性为当前科学教育课堂教学组织变革提供了更为广阔的社会文化情境。

赛德拉（D.Zeidler）教授团队利用SSI 情境组织课堂教学展开了一系列深入研究。如2020 年李（H.Lee）等在JRST 发表的基于活动理论研究SSI对课堂教学组织形式的影响；2021 年赫尔曼（B.Herman）等在JRST 发表的基于美国黄石地区的环境问题组织为期6 周的高中SSI 教学，发现学生在八个社会科学维度上具有显著的发展，其环境观、社会责任感、道德同理性以及科学证据观都具有明显的提升；2019 年林达尔（M.Lindahl）等在JRST 发表的利用SSI 情境的跨学科和多元性特征，并基于伯恩斯坦的社会语言学规则和分类概念，从一般与特殊两种语境中分析在中学利用SSI组织情境化和去情境化的讨论活动等。

另外，SSI 与信息技术的结合为构建教学情境并组织课堂教学提供了新的方向。利用ICT 技术构建SSI 的社会文化情境，让学生在教室中参与社会热点问题如转基因食品、抗生素使用、可持续发展、低碳生活等议题的讨论、建模、探究等实践研究，教师的主要任务是为学生建构知识和参加实践活动提供“脚手架”，学生在与同伴和教师的交流中协同学习构建知识结构。如，2017 年艾格特（S.Eggert）等在RSE 上发表的利用网络学习环境提供特定的脚手架支持学生社会性科学推理能力发展的研究。

（三）教师视域：聚焦不同形式的SSI 教师专业发展研究

分析标题词干、抽提词及热点词聚类结果显示，“教师（teacher/teachers）（n = 40）”“职前/大学（n=25）”与其他词之间的纵向曲线跨度较大，从而反映出与该词相关的研究领域较广。通过筛选检索到的英文文章，发现五种期刊中发表与教师相关的文章数量分别是：JRST（n=5）、IJSE（n=7）、SE（n=5）、S&E（n=7）、RSE（n= 8），总共 32 篇，其中针对职前科学教师的研究有15 篇，在职教师的研究有17 篇。但在研究主题上具有一定的共性，集中指向了对教师SSI 态度、认知及教师专业发展的研究。为了从教师角度较为清晰地阐述该部分内容，以下依据教师SSI 教学专业发展的目标和发展途径进行归纳分析。

1.与SSI 价值属性相关的教师专业发展研究

指向特定教学目标的SSI 教师专业发展研究热点主题主要包括：道德伦理、科学论证、科学本质、教师信念转变等SSI 教师专业发展研究。

一是指向道德伦理目标的研究。如，2006 年桑德拉等发表在JRST 上的探讨22 名高中科学教师在课堂中SSI 的运用情况，及其处理伦理问题的方法的研究；2010 年巴雷特（S.Barrett）等发表在JRST 上通过质性研究考察职前科学（物理和化学）教师利用SSI 在学科中实施伦理教学的信念来源的研究；2012 年李（H.Lee）等发表在IJSE上，从培养全球公民的品格和价值观的角度，基于SSI 对职前科学教师道德推理的分析研究。

二是指向教师论证和科学本质的研究。如，西弗雷（H.Cofre）等发表在IJSE 上在情境化的SSI中对教师科学本质的认识及其教学的研究；2011年贝尔（R.Bell）等发表在JRST 上对75 位职前科学教师在气候变暖议题中科学本质的认知特征的研究；2019 年刘世钰（S.Liu）等发表在 RSE 上基于SSI 提升教师论证教学能力的研究发现，教师专业发展能促进教师利用证据给出论据，但是如何选取论据和如何构建论据与论点间的关系，这与教师对科学本质的认知密切相关，在实施中还存在着诸多难点。

三是指向教师尤其是职前教师信念的研究。如在RSE 上发表的两篇文章，2017 年艾克拜尔（N.Ozturk）等利用SSI 对职前科学教师在非形式推理中所秉持的信念研究，2013 年柯玲科（A.kilinc）等对职前科学教师关于转基因食品的信念调查等研究。

2.专业学习社区中协作式教师专业发展研究

一是专家和教师组成协作式教师专业发展模式，通过共同设计教学概念框架、教学设计和实施，帮助教师适应SSI 教学。如2019 年汉考克（T.Hancock）等发表在S&E 上的研究，发现共同协作机制能有效帮助教师实施SSI 教学。

二是同伴协作式的教师专业发展，通过同伴间的互相观察、分析、讨论，迭代性地改进教学设计和教学实践，实现教师专业发展的目的。如2019年李（H.Lee）等发表在RSE 上的研究发现，利用协同活动可有效帮助教师实施SSI 教学，教师在协同发展中发现实施SSI 教学中的问题和不足，从而驱动其对SSI 教学的深入理解，帮助其将SSI教学的知识和技能整合到已有知识体系。

三是基于实践—反思的教学专业发展研究，如2012 年巴特罗姆（V.Bartolome）等发表在SE上的一项历时九年的研究发现，教师将SSI 复杂情境引入到教师原有教学中，可打破已有的固化模式，从而实现自身的教学专业发展。

3.基于教学支架的SSI 教师专业发展研究

在SSI 教学中通过为教师提供课程资料、教学设计、教学实施、教学活动及教学评价等的流程性方案帮助教师实现专业发展。如2019 年本伊拉姆（D.Bayram-Jacobs）等发表在JRST 上的研究，其在“欧洲ENGAGE Project”的支持下，为欧洲不同国家的中学教师提供SSI 的课程资源、5E 教学模式、活动方案等，让教师从中选取不同的三个案例实施课堂教学活动，经过观察分析教师在教学实施前、中、后学科教学知识（Pedagogical Content Knowledge，PCK）的变化情况，发现根据建构主义的最近发展区原理采用支架可有效提升教师的PCK 水平，实现教师专业发展[7]。

四、对我国科学教育SSI 研究的启示与建议

国际科学教育中SSI 的实证研究已成为新的知识增长点。为促进我国SSI 研究更趋科学化和国际化，在SSI 的研究和实践探索中还应注意以下三个方面。

（一）基于循证实践深入探讨SSI 与我国学生科学素养培养之间的关联性

国际科学教育关于SSI 价值的研究，多是基于科学教育的理论基础和教育研究者的实证研究提出的观点和论断，是循证基础上的研究范式。当前我国科学教育中SSI 的研究多从理论思辨的角度，或直接借鉴域外经验探讨SSI 在学生科学素养培养中的价值。但SSI 具有的价值属性以及域外经验都是立足于当地科学教育情境和实际需要得出的结论和论断，其对我国科学教育的价值还有待商榷，还需立足域内研究加以佐证。尽管我国中小学课程改革和国家性课程标准中都提及社会性相关议题的重要性，并以颁布正式文件的形式强调，也在不同学科领域出现了以实证为基础的SSI 相关研究，但整体研究还略显薄弱，缺乏具有指导意义的理论和实证研究证据。因此，未来研究还需具有循证实践的意识，在充分调研、分析、设计、反复实施论证的基础上，探讨SSI 与我国学生科学素养培养的关联性。

（二）积极探索适合我国科学教育的课堂教学组织模式

科学教育中SSI 研究的主要理论基础是情境学习理论，即在真实情境中使学习富有意义[4]。当前我国科学教育教学组织模式仍以教师主导的讲授式为主，而SSI 情境的课堂教学组织模式，需要将学生置身于社会文化大情境中，参与探究、陈述、论证、辩论等实践活动。从一种模式到另一种模式的转变需要循序渐进，教师应为学生设置一系列切实可行的任务并对任务排序，为学生提供学习支架和评判标准等。同时，随着信息技术的发展，虚拟现实技术为SSI 情境的架构提供了新的可能，这些都是对传统教学的挑战。打破传统教学组织模式，实现新型教学组织形式，还需要借鉴国际经验，结合具体案例，设计并开发适用于我国国情的课堂教学组织模式，从学生的认知发展、SSI 情境中的不确定性、师生角色的变化、课堂氛围的创设等不同方面展开深入研究。

（三）认识到教师专业发展的重要性和多样性

当前我国基础教育改革多采用自上而下的方式，教师被动地接受改革。教育教学改革既是对教师常态化教学的挑战，又为教师的专业发展提供了可能。教师知识、信念、对教育教学改革价值等的理解，都会影响教师的态度，而教师对新型教学改革内容的认知直接影响到其课堂教学[8]。因此，在我国科学教育中发展SSI 教学研究，首先需要关注到教师的重要性。借鉴国际科学教育SSI 研究中教师专业发展的经验，可以采用多种途径和方式展开。但无论采用何种方式的SSI 教师专业发展，鉴于国际经验和SSI 的本质特征及其跨学科属性，均需要教师、教育领域专家、专业学科专家、管理领域工作者等的共同努力，立足我国科学教育实际现状，通过调查、分析去探索适合不同区域、不同课程、不同学段教师的SSI 教学专业发展模式，以满足SSI 教学在我国科学教育中实施的多样化需求。