學(xué)生的科學(xué)探究能力：國外的研究與啟示

1、學(xué)生的科學(xué)探究能力：國外的研究及啟示作者：郭玉英這是我國的科學(xué)教摘要：當(dāng)前的科學(xué)課程改革對學(xué)生的科學(xué)探究能力提出了要求，20 世紀(jì)下半葉的科學(xué)課程改育研究者和廣大教師面臨的一個新課題。西方發(fā)達(dá)國家在 革中就開始進(jìn)行有關(guān)的研究和實踐， 有三種主要的教學(xué)和研究模型及實踐結(jié)果可供我們 借鑒。這些研究結(jié)果表明，科學(xué)探究能力是一種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高層次能力，對科學(xué)探 究能力的培養(yǎng)不能簡單化和程式化。我們應(yīng)當(dāng)在借鑒有關(guān)研究成果的基拙上，把握科學(xué) 探究的本質(zhì)特征，采用復(fù)雜性科學(xué)的研究方法，建立適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)和研究模型，從理論和 實踐兩方面開展深入研究。關(guān)鍵詞：科學(xué)探究能力；科學(xué)課程改革；教學(xué)和研究模型、關(guān)于科學(xué)探

2、究目標(biāo)的主要觀點和研究范式在國際科學(xué)教育領(lǐng)域， 人們對于科學(xué)課程應(yīng)當(dāng)發(fā)展學(xué)生對科學(xué)探究的理解、培養(yǎng)學(xué) 生的科學(xué)探究能力已經(jīng)達(dá)成了共識， 許多國家的科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)已明確提出了關(guān)于科學(xué)探 究的目標(biāo)。但對于科學(xué)探究在科學(xué)課程中所處的地位和實現(xiàn)目標(biāo)的途徑則存在不同認(rèn) 識，概括起來主要有以下兩種觀點。一種觀點認(rèn)為，學(xué)生可以通過觀察演示實驗和親身 經(jīng)歷探究性實驗而潛移默化地達(dá)到課程目標(biāo)，不需要明確地教給學(xué)生如何開展科學(xué)探 究；另一種觀點則認(rèn)為應(yīng)當(dāng)明確地教給學(xué)生科學(xué)方法，甚至認(rèn)為學(xué)生對科學(xué)方法或過程 的理解比對科學(xué)知識內(nèi)容的理解更為重要。從科學(xué)課程的發(fā)展來看，后者得到越來越多 的科學(xué)教育者認(rèn)同。 這樣， 如何

3、實現(xiàn)科學(xué)探究目標(biāo)的問題就擺在了研究者和課程設(shè)計人 員面前，成為科學(xué)教育研究領(lǐng)域的一個具有挑戰(zhàn)性的問題。由于科學(xué)探究不存在固定模式，人們對科學(xué)探究的理解也很難達(dá)成共識，這給研究 學(xué)生的科學(xué)探究能力帶來了一定困難。 因此， 不同的研究者和課程設(shè)計者均在相關(guān)理論 指導(dǎo)下采用了如下研究模式。 首先建立關(guān)于科學(xué)探究的教學(xué)和研究模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn) 行課程和教學(xué)設(shè)計， 在實踐過程中開展對學(xué)生科學(xué)探究能力發(fā)展以及有關(guān)影響因素的實 證性研究，通過對理論、模型、實踐過程和結(jié)果的綜合研究和反思，對原來的模型進(jìn)行 修正，不斷深化對學(xué)生科學(xué)探究能力的認(rèn)識。面簡要介紹有關(guān)的研究過程和結(jié)果， 對三種有代表性的研究和教學(xué)模型

4、及實踐結(jié)果進(jìn)行比較評析。二、幾種主要模型的比較與評析（一 ） 科學(xué)探究能力的解析： “過程技能”的集合模型這是一種早期的科學(xué)探究能力模型。 這種模型的建立者采用了還原論的思維方式和過程分析方法， 將科學(xué)探究過程分解為一系列獨立的成分， 如觀察、 分類、假設(shè)、推論、 預(yù)測等。相應(yīng)地把科學(xué)探究能力分解成一系列獨立的技能，如觀察技能、分類技能、假 設(shè)技能、推論技能、預(yù)測技能等，稱為過程技能。其基本假設(shè)如下：學(xué)生的科學(xué)探究能 力是一系列過程技能的集合； 這些過程技能是可以通過練習(xí)來獨立發(fā)展的； 學(xué)生的過程 技能得到發(fā)展后，就可以用來解決實際的科學(xué)問題，科學(xué)探究能力也就得到了發(fā)展。根 據(jù)這種模型提出的教

5、學(xué)策略是， 首先讓學(xué)生獨立地練習(xí)和發(fā)展這些技能，然后再結(jié)合起 來解決更復(fù)雜的問題。 這種模型對課程設(shè)計產(chǎn)生了一定影響， 例如，美國科學(xué)促進(jìn)會 1967年推出的課程：科學(xué)種過程方法（SAPA）就是按照這種模型設(shè)計的。20世紀(jì)80年 代，英國有幾種科學(xué)課程也建立在這種模型的基礎(chǔ)之上，如納費爾德的過程科學(xué)主要根據(jù)培養(yǎng)學(xué)這些課程完全打破了按照科學(xué)內(nèi)容的邏輯體系來組織教材的傳統(tǒng)方式， 生“過程技能”的需要來設(shè)計一系列活動，讓學(xué)生通過這些活動來發(fā)展相應(yīng)的技能和能 力。從本體論意義上來看， 這種模型將科學(xué)探究能力描述成一系列過程技能的集合，是對科 學(xué)探究能力的一種人為的肢解，不能反映其本質(zhì)特征；同時，這種模

6、型在認(rèn)識論層面上 受到了強烈質(zhì)疑， 因其科學(xué)探究觀具有很強的經(jīng)驗性和歸納性， 與當(dāng)代的科學(xué)哲學(xué)觀點 相悖。從有效性的角度來看，這些課程的實施結(jié)果并不能令人滿意。雖然當(dāng)時的研究者 對于 SAPA 和其他類似的課程進(jìn)行了許多小規(guī)模的評價研究，取得了肯定的結(jié)果，表明 學(xué)生的學(xué)習(xí)在各個方面都取得了進(jìn)步。 但這些結(jié)論的可靠性受到質(zhì)疑， 批評者認(rèn)為這些 評價不能有效地證明學(xué)生能力的發(fā)展。 即使學(xué)生通過練習(xí)掌握了這些過程技能，也不一 定能用于解決實際問題，不能證明科學(xué)探究能力得到了發(fā)展。換言之，科學(xué)探究能力并 不等于過程技能的簡單集合。 這種模型在教學(xué)的層面上也遭到了批評， 有人提出， 觀察、 分類、假設(shè)等

7、是兒童從幼年時期就擁有的能力，并不需要專門訓(xùn)練。另一方面，根據(jù)這受到來自學(xué)科專種模型設(shè)計的課程打破了知識體系，不能使學(xué)生建立良好的知識結(jié)構(gòu)， 家的強烈批評。因此，這種模型已經(jīng)逐漸退出科學(xué)教育的歷史舞臺，但過程技能的概念 被保留下來，成為探究技能的組成部分，在許多科學(xué)課程中仍然受到重視。（二 ） 將控制變量作為科學(xué)探究的特征：邏輯策略模型有些研究者認(rèn)為，科學(xué)探究的本質(zhì)是科學(xué)的思維方式?？茖W(xué)思維的一個重要特征是 運用邏輯推理來解釋相關(guān)證據(jù)。這樣就把“科學(xué)思維”與“邏輯思維”聯(lián)系起來，并根 據(jù)皮亞杰的理論， 用控制變量的實驗來檢測學(xué)生的邏輯思維，把它作為科學(xué)探究能力的 一個重要特征， 建立了科學(xué)探究

8、能力的邏輯策略模型。這種模型將科學(xué)探究過程作為按 照邏輯策略操作和處理相互獨立的多變量的過程， 將學(xué)生的科學(xué)探究能力描述成能進(jìn)行 控制變量的實驗探究的能力。 從本體論意義上來看，這種模型不是描述學(xué)生科學(xué)探究能 力的結(jié)構(gòu)模型， 而是一種簡化了的功能特征模型， 突出了會進(jìn)行控制變量的研究這個功 能特征。由于這個特征比較容易把握，在研究和教學(xué)實踐中具有可操作性和可檢測性， 因而取得了一定的結(jié)果，在一定程度上深化了對于學(xué)生科學(xué)探究能力的認(rèn)識?？茖W(xué)教育工作者根據(jù)這種模型設(shè)計了適合不同年級學(xué)生的用于培養(yǎng)和檢測學(xué)生科 學(xué)探究能力的多變量實驗， 有許多研究者深入研究了學(xué)生在多變量實驗中控制變量的能 力，并對相

9、關(guān)的教學(xué)策略進(jìn)行了評估。研究表明，一般條件下，許多學(xué)校的學(xué)生在設(shè)計 多變量的實驗和解釋實驗結(jié)果方面存在困難，其能力是隨著年齡的增長而逐漸發(fā)展的，（解釋日兒童原有的觀念和直覺起著重要作用。研究還發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在完成“自然實驗” 常生活中觀察到的現(xiàn)象 ）時的表現(xiàn)與實驗室實驗中的表現(xiàn)很不相同。對教學(xué)的評估結(jié)果 發(fā)現(xiàn)，學(xué)生練習(xí)解決控制變量問題有助于提高能力，但是對研究結(jié)果的詳細(xì)討論對于提 高學(xué)生能力幾乎沒有作用。在這些研究過程中，研究者遇到的主要困難是評價問題，教 學(xué)后用來評價學(xué)生能力的測驗題很難設(shè)計，既要不同于在教學(xué)中使用的問題，但又不能 有太大差異。在 20 世紀(jì) 70 年代末和 80年代初，英國的學(xué)

10、生成績評價機構(gòu) （APU） 采用了這種模型 對學(xué)生的科學(xué)探究能力進(jìn)行了大范圍的評估， 控制變量類型的實驗探究也納人了英國的國家科學(xué)課程之中。然而，有不少研究者對 APU 和英國國家課程中的科學(xué)探究提出了 批評， 認(rèn)為科學(xué)探究的含義是廣泛的， 這種模型將學(xué)生的科學(xué)探究限定為控制變量的實 驗，縮小了科學(xué)探究的范圍，影響了對科學(xué)探究包含的其他要素的關(guān)注。（三 ） 擺脫固定模式：問題解決模型認(rèn)為存在上述兩種模型存在的共同問題是將科學(xué)探究描述成一種相對固定的模式。一種程序性的“科學(xué)方法” ，而不是靈活可變的探究過程。其中隱含著一種經(jīng)驗主義的 觀點，認(rèn)為理論觀念 （變量之間的相互聯(lián)系 ） 產(chǎn)生于情境，而不

11、是受探究者原有認(rèn)識的影 響。針對上述問題， 一些從認(rèn)知科學(xué)角度出發(fā)的研究者把科學(xué)探究看做問題解決的一種。對任何一個給定的形式。在開展探究時，探究者從自己的“工具箱”里選擇“工具” 探究任務(wù)， 并非需要所有的工具， 其技巧就在于正確地挑選并知道如何去使用所需的工 具。米勒將科學(xué)探究能力包含的成分分為三類： 一般的認(rèn)知技能 （例如觀察、 分類等等 ）、 實踐的技能 （例如， 知道怎樣使用不同的測量工具 ）和探究的策略 （例如，知道用重復(fù)測量 來提高測量的可靠性 ） 。他認(rèn)為第一種技能是不需要教的，它是所有孩子都擁有的認(rèn)知 的一般特性， 而其他的兩種技能是需要教的， 但如何選擇這些技能并把它們聯(lián)系起

12、來處 理給定的探究任務(wù)，并沒有“一系列規(guī)則”可以遵循。在此基礎(chǔ)上，英國約克大學(xué)的 PACKS 項目組提出了一種模型，并在大量實證研究的基礎(chǔ)上對模型進(jìn)行了細(xì)化。如圖1 所示。這種模型將科學(xué)探究的主體和探究過程作為一個整體進(jìn)行研究，具體描述了學(xué)生 原有的認(rèn)識和技能對科學(xué)探究過程中各環(huán)節(jié)的影響， 擺脫了前兩種模型的機械決定論和 經(jīng)驗主義的科學(xué)觀， 深化了對科學(xué)探究能力的結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)識，對于研究和發(fā)展學(xué)生 與科學(xué)探究相關(guān)的理解和能力有一定的指導(dǎo)作用。 從本體論角度看，這種模型在一定程 度上揭示了影響學(xué)生科學(xué)探究能力的內(nèi)在因素，包含四類相關(guān)的認(rèn)識、知識和技能，如 圖 1 左側(cè)的四個框圖所示； 同時描述

13、了科學(xué)探究能力的外部特征，如圖 1 右側(cè)的流程所 示。研究者用這種模型解釋了學(xué)生在七項探究任務(wù)中的表現(xiàn)，證明了該模型的有效性。2D;峙憶摘狂«時理M：根廣和訐檜釋獐1V這種模型提供了一個可以進(jìn)行深人研究和教學(xué)實踐的框架，可以在指導(dǎo)學(xué)生開展 科學(xué)探究的過程中發(fā)展他們相關(guān)的理解和技能，同時也可以對學(xué)生存在的問題做出診 斷，開展有針對性的教學(xué)。該模型存在的問題是從一個給定的任務(wù)開始分析，忽略了學(xué)生發(fā)現(xiàn)和確定探究問題 的過程，我們可以對此模型進(jìn)行修正，補上這一環(huán)節(jié)。三、幾點啟示（一）科學(xué)探究能力的培養(yǎng)不能簡單化和程式化上文表明，在國外科學(xué)教育領(lǐng)域?qū)茖W(xué)探究能力的研究和認(rèn)識經(jīng)歷了一個漫長的過

14、程，雖然積累了許多經(jīng)驗和教訓(xùn)，但至今仍在探索之中。有關(guān)研究表明：科學(xué)探究是一 個復(fù)雜的過程，涉及理論和實踐領(lǐng)域中多方面的問題，絕對不能將其簡單化和程式化, 否則，不僅不利于學(xué)生科學(xué)探究能力的發(fā)展，而且會造成學(xué)生對科學(xué)探究的錯誤理解。在目前我國的有關(guān)理論研究中，尚未對科學(xué)探究涉及的理論問題展開深人探討，沒有建結(jié)果導(dǎo)致科學(xué)課程改革實踐中立在研究基礎(chǔ)上的適合我國國情的明確的科學(xué)探究模型,產(chǎn)生了兩種誤解： 一種認(rèn)為科學(xué)探究存在固定模式，將課程標(biāo)準(zhǔn)中提出的科學(xué)探究要素 作為程序性知識教給學(xué)生， 或者抽出其中的要素進(jìn)行獨立訓(xùn)練， 這使許多課堂探究走向 程式化和表面化；另一種則對科學(xué)探究的理解過于寬泛，認(rèn)為

15、只要將學(xué)生放開，讓他們 自己去動手動腦， 就是科學(xué)探究， 而忽略了對科學(xué)探究本質(zhì)特征的把握和對學(xué)生科學(xué)探 究能力的有目的的培養(yǎng)， 不能使科學(xué)探究能力的培養(yǎng)落到實處。 這些問題需要引起科學(xué) 教育研究者和廣大教師的重視。（二）科學(xué)探究能力是一種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高層次能力國外的研究表明，科學(xué)探究能力是一種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高層次能力。它建立在多方 面的知識和技能基礎(chǔ)之上， 但又并非這些知識技能的簡單集合， 采用還原論的方法將科 學(xué)探究能力肢解為要素進(jìn)行分別培養(yǎng)的做法是行不通的。 各種相關(guān)技能的訓(xùn)練和發(fā)展是 發(fā)展科學(xué)探究能力的必要條件， 但不是充分條件。 我國的傳統(tǒng)教學(xué)重視基礎(chǔ)知識和基本 技能，這些構(gòu)成了科學(xué)探究能力發(fā)展的基礎(chǔ)。例如，如果學(xué)生不具備最基本的電路知識 和使用電學(xué)儀器的技能， 就不可能去探索電學(xué)的新知識領(lǐng)域，更不可能解決任何電學(xué)領(lǐng)?答案域的實際問題；但具備了這些知識和技能就一定會探索新知識、解決實際問題嗎 也是否定的， 因為還需要更高層次的能力， 這就是科學(xué)探究能力。 新課程注重科學(xué)探究， 并不是忽視基礎(chǔ)知識和基本技能，而是要在此基礎(chǔ)上發(fā)展學(xué)生更高層次的能力，使學(xué)生 能真正會探索新知識、解決新問題。這是對新世紀(jì)人才培養(yǎng)提出的更高要求。（三）要用科學(xué)的態(tài)度和方法開展對科學(xué)探究能力的研究科學(xué)探究已經(jīng)成為我國課程改革