1.第一层面：总体设计
在第一层面的总体设计上，上海中学确立了以生物科学、环境科学和自然科学为核心的科学科创课程体系。在具体设计过程中，我们首先思考了科学科创课程在我校总体科学课程中的定位，并最终将其界定为以科学探究为特色的，对校内常规科学课程起到拓展与延伸作用的科创课程。我校的常规科学课程设置如表2-2-5所示，六、七年级的科学课程为生物科学，到八年级再加入一门自然科学，教授物理学以及化学相关的基础知识。考虑到我校学生的生物科学基础较好，所以我们将生物科学纳入到科学科创课程中。同时，介于八年级学生已经开始学习物理学及化学相关知识，而环境作为当今社会的一大重点问题，深受中学生的关注，故而我们将环境科学与自然科学也纳入到学校的科学科创课程体系中。
表2-2-5 常规科学课程设置
2.第二层面：主题设计
在第二个层面的课程主题设计上，我们结合校内常规科学课程在不同年级的具体授课内容及学科特性，将科学科创课程进行了主题细化。如表2-2-6所示，生物科学课程根据学校常规科学课程学习内容、科创课程主题研究对象的不同及科学学习过程由宏观向微观递进的客观规律，进一步分为植物生理学、微生物学、动物与医学、分子生物学这四个主题课程，并在不同的年级进行教学。由于环境科学的学习需要具备一定的化学、生物及物理知识，而自然科学只开设于八年级，故而在中学阶段不再细分出具体的主题课程。
3.第三层面：专题设计
在第三层面上，我们针对每个既定主题课程进行授课专题的设计，力求从不同角度实现对主题内容的整合，加深学生对主题的理解。通过系列专题内容的学习，学生的科学视野得到拓宽，科学探究能力得到锻炼、社会责任意识得到培养。总结专题设计的主要原则如下：
（1）基于专题探究手册设计的限定式探究性学习。 在科学科创课程中，我们针对每一个专题内容都设计了相应的探究手册。手册中详细介绍了实验背景、实验步骤等重要信息。通过专题探究手册进行学习，学生可以掌握严谨的科学探究方法与实验设计思路，为半开放式与开放式的探究性学习奠定良好的科研基础。
（2）基于专题的拓展性半开放式探究性学习。 在完成限定式探究性学习后，学生可以基于专题内容进行拓展性的半开放式探究性学习。例如学生在学习“探究不同矿质元素对植物生长发育的影响”专题时，已经掌握了P、K、Ca、Mg、Fe缺失对拟南芥表观状态、形态指标及生理指标的影响。但在专题探究手册的最后，我们会引导学生发散思维，思考其他可能探究的内容，例如探究缺氮对不同植物的影响，探究缺矿质元素对植物抗性的影响，探究缺磷对植物根系活力的影响等。手册中会少量给出几个拓展性半开放式探究性学习的选项，并鼓励学生基于专题自主选题。通过这种拓展性半开放式的探究性学习，可以很好的锻炼学生提出问题、查阅文献、设计实验及实践操作的能力。
（3）基于主题的开放式探究性学习。 在完成了课程的专题学习内容后，我们鼓励学生基于主题自选探究性学习课题。在开放式探究性学习的过程中，学生需要基于生活观察与现有所学，充分利用课程内所学到的科学探究方法进行自主兴趣探究。在这个过程中，学生的创新性思维能力、批判性思维能力、科学探究能力等都得到了充分的锻炼。
表2-2-6 科学科创课程专题设置
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表2-2-6显示了各项主题所对应的专题内容，其设计特点可总结如下：
（a）突出科学探究，体现科学本质。 科学的本质及真理，是人们认识世界的实践方法。以科学探究的形式实施科学课程，不仅体现了科学本质，还有利于学生学习方式的根本改变。在科学探究的过程中，学生不再是被动、间接的接受知识，而是主动、直接的参与知识的生成过程，实现知识的主动建构。学生也不再完全依赖教师的详细指引，转而更加独立大胆的进行知识探索。同时，依赖各个探究专题的设置，可以培养学生对科学现象的问题意识与创新意识，大大激发学生的学习动因。
（b）设置“科研基础”公共专题，全面培养学生科学探究能力。
科学探究能力的发展依赖于一定的探究方法，但初中生的科学知识体系还不完整，缺乏对探究方法相关知识的学习，所以科学科创课程多为内容既定的探究活动。在探究过程中，学生按照探究手册的指引实施探究，记录观察结果。探究完成后，分析实验情况，得出实验结论，形成实验报告。但在这样的授课内容下，学生缺乏对探究前设计实验方案，明确实验步骤，准备探究材料并实施等重要环节的学习与锻炼。为了全面培养学生科学探究能力，鼓励学生创新意识的养成，我们特意在所有科学科创课程中设置了“科研基础”这个公共专题。该专题的主要内容为探究环境因素对植物种子萌发与生长的影响。在学习一开始，教师会教授学生基本的科学研究要素与方法，例如如何查找科学文献及在设计实验时如何设置对照组和控制变量等。随后在正式的专题内容学习过程中，学生需要搜索文献知识，在给定的专题大范围下进行自主实验设计，界定不同的环境因素与植物种子，并根据对象的区别选择针对性的探究方法并完成探究活动。通过设置“科研基础”这个公共专题，学生可以体验并实践科学探究的完整过程，其科学探究能力得到全面的培养与提高。
（c）多类型探究实验促进科学思维全面发展。 欲让学生像科学家一样思考就需要全面培养学生的科学思维，这就要求我们在设置实验的过程中，必须考虑实验类型的多样性。除去少量传统观察性实验与技能性实验，如果蝇幼虫的唾腺染色体观察和小鼠手术基本操作培训，我们的专题探究手册设置了很多控制性实验、矛盾性实验、联系性实验与延伸性实验，以全面培养学生科学思维的发展。
控制性实验可以培养学生思维的严密性，其特色是在实验中严格控制变量。以探究专题“探究不同矿质元素对植物生长发育的影响”为例，在本实验中，学生需要配置针对P、K、Ca、Mg、Fe这五种元素的缺素培养基与全素培养基，然后进行拟南芥的培养，观察单一元素缺失对拟南芥生长的影响。在本实验中，唯一变量即是缺失的单一元素，其他培养条件及实验材料都必须完全相同，例如相同的光照条件、供水量及植物起始状态等。只有在所有变量都得到严格控制的基础上，拟南芥植物出现的任何区别于对照组的表型才能归结于该元素缺失所造成的结果，从而得出该元素对植物生长发育的影响。通过这类型的实验学习，学生可以有效建立起自变量与因变量之间的联系，了解到严格控制变量对得到正确实验数据及结论的重要性。
矛盾性实验可以培养学生思维的批判性，其特色是随着实验变量的程度变化，因变量呈矛盾、相反的结果。以探究专题“探究不同温度及pH对α-淀粉酶活性的影响”为例，在本实验中，学生需要分别设置不同的温度梯度与pH梯度，从而探究α-淀粉酶在不同环境条件下的酶活反应效率。通过探究，学生会发现随着温度及pH的上升，α-淀粉酶的活性持续升高。但达到最适温度与p H后，随着温度及p H的上升，α-淀粉酶的活性持续降低。这样的实验数据呈现两头低中间高的倒钟形特点，结果呈现矛盾性。通过这类型实验的学习，学生可以了解到自变量与因变量之间存在的复杂联系，从而帮助学生从简单逻辑思维转变成复杂逻辑思维，培养学生思维的批判性。
联系性实验可以培养学生思维的敏锐性与灵活性，其特点是实验问题来源于日常生活，而学生需要用科学的方法与知识来解释问题。以“探究水果黑腐的真凶”为例，家里的水果发生黑腐是常见现象，但我们都没有认真思考与探究过其黑腐的真正原因。在这个专题的学习过程中，学生会学习如何从病灶部位培养并分离出植物致病菌，并利用反接种健康水果的方式，确认主要致病菌。最后，学生利用分类学与分子生物学的手段，对致病真菌进行观察与鉴定。通过这类与日常生活紧密联系的实验的学习，学生可以意识到生活中那些司空见惯，那些易被我们忽视的现象的背后包含了极为深刻的科学知识。我们的科学发现之旅往往起步于对日常生活现象的仔细观察与认真思考。带领学生从生活现象进行探究，有助于培养学生仔细观察生活的好习惯，从而培养学生科学思维的敏锐性与灵活性。
延伸性实验可以培养学生思维的发散性与深刻性，其特点是实验问题来源于学生已有认知，但实际内容却是已有知识的深化延续。以专题“探究植物气孔对不同环境条件的响应情况”为例，学生普遍了解气孔的主要功能是帮助植物与外界进行气体交换与蒸腾作用，所以当拿到探究问题的时候，学生大多可以推断出气温与水分会影响气孔的开闭状态。但在正式探究的过程中，我们不仅探讨了气温与水分对气孔开闭的影响，亦探究了其他不同环境条件的影响，例如不同光照强度、二氧化碳浓度、氧气浓度、致病菌、植物激素及金属离子等。经过探究，学生可以意识到控制气孔开闭的因素不仅仅局限于常识中的温度与湿度，更包含了其他多种意想不到的环境因素，例如叶片表面的致病菌会引起气孔关闭，外源施加钾离子会诱导气孔开启等。在对实验结果背后的科学原理进行深入探讨之后，学生了解到原来很多致病菌都是通过植物气孔进入植物体内，所以当致病菌与植物接触后，植物立刻就会“警戒”起来，关闭气孔防止致病菌侵入。同时学生也了解到钾离子可以控制构成植物气孔的保卫细胞的水势，从而影响气孔的开闭。通过对延伸性实验的学习，学生意识到利用发散性思维思考科学问题的重要性，同时在解释科学现象时一定要具备钻研精神，努力探究其背后的真实科学机理，提高自身科学思维的深刻性。
（d）设置“自主兴趣探究”专题，鼓励学生自主探究精神。 通过对各个不同专题探究实验的学习后，学生掌握了基本的实验设计要素与实施方法，同时对该课程主题亦有了更为深入的理解。为了进一步培养学生的探究精神，我们在所有主题课程的最后都设置了“自主兴趣探究”这一专题，鼓励学生根据自己的兴趣，自主设计并实施探究活动。对于探究过程中的问题，教师更多的是以“顾问”的角色进行辅助引导，学生则是整个探究活动的“负责人”。在探究结束后，学生将结果分析汇总成实验报告PPT或科技实验展示板，进行全班展示交流。通过自主兴趣探究活动，学生的探究兴趣与能力得到提高，学术自信得到增强，自主探究精神得到培养。
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