• 学生的科学探究能力:国外的研究及启示
  • 2009-7-4 浏览() 【
  • 学生的科学探究能力:国外的研究及启示

    作者:郭玉英    文章来源:课程 教材 教法 25卷第7  

    摘要:当前的科学课程改革对学生的科学探究能力提出了要求,这是我国的科学教育研究者和广大教师面临的一个新课题。西方发达国家在20世纪下半叶的科学课程改革中就开始进行有关的研究和实践,有三种主要的教学和研究模型及实践结果可供我们借鉴。这些研究结果表明,科学探究能力是一种具有复杂结构的高层次能力,对科学探究能力的培养不能简单化和程式化。我们应当在借鉴有关研究成果的基拙上,把握科学探究的本质特征,采用复杂性科学的研究方法,建立适当的教学和研究模型,从理论和实践两方面开展深入研究。

    关键词:科学探究能力;科学课程改革;教学和研究模型

    一、关于科学探究目标的主要观点和研究范式

        在国际科学教育领域,人们对于科学课程应当发展学生对科学探究的理解、培养学生的科学探究能力已经达成了共识,许多国家的科学课程标准已明确提出了关于科学探究的目标。但对于科学探究在科学课程中所处的地位和实现目标的途径则存在不同认识,概括起来主要有以下两种观点。一种观点认为,学生可以通过观察演示实验和亲身经历探究性实验而潜移默化地达到课程目标,不需要明确地教给学生如何开展科学探究;另一种观点则认为应当明确地教给学生科学方法,甚至认为学生对科学方法或过程的理解比对科学知识内容的理解更为重要。从科学课程的发展来看,后者得到越来越多的科学教育者认同。这样,如何实现科学探究目标的问题就摆在了研究者和课程设计人员面前,成为科学教育研究领域的一个具有挑战性的问题。

        由于科学探究不存在固定模式,人们对科学探究的理解也很难达成共识,这给研究学生的科学探究能力带来了一定困难。因此,不同的研究者和课程设计者均在相关理论指导下采用了如下研究模式。首先建立关于科学探究的教学和研究模型,在此基础上进行课程和教学设计,在实践过程中开展对学生科学探究能力发展以及有关影响因素的实证性研究,通过对理论、模型、实践过程和结果的综合研究和反思,对原来的模型进行修正,不断深化对学生科学探究能力的认识。

    下面简要介绍有关的研究过程和结果,对三种有代表性的研究和教学模型及实践结果进行比较评析。

    二、几种主要模型的比较与评析

        () 科学探究能力的解析:“过程技能”的集合模型

        这是一种早期的科学探究能力模型。这种模型的建立者采用了还原论的思维方式和过程分析方法,将科学探究过程分解为一系列独立的成分,如观察、分类、假设、推论、预测等。相应地把科学探究能力分解成一系列独立的技能,如观察技能、分类技能、假设技能、推论技能、预测技能等,称为过程技能。其基本假设如下:学生的科学探究能力是一系列过程技能的集合;这些过程技能是可以通过练习来独立发展的;学生的过程技能得到发展后,就可以用来解决实际的科学问题,科学探究能力也就得到了发展。根据这种模型提出的教学策略是,首先让学生独立地练习和发展这些技能,然后再结合起来解决更复杂的问题。这种模型对课程设计产生了一定影响,例如,美国科学促进会1967年推出的课程:科学——一种过程方法(SAPA)就是按照这种模型设计的。20世纪80年代,英国有几种科学课程也建立在这种模型的基础之上,如纳费尔德的《过程科学》。这些课程完全打破了按照科学内容的逻辑体系来组织教材的传统方式,主要根据培养学生“过程技能”的需要来设计一系列活动,让学生通过这些活动来发展相应的技能和能力。

    从本体论意义上来看,这种模型将科学探究能力描述成一系列过程技能的集合,是对科学探究能力的一种人为的肢解,不能反映其本质特征;同时,这种模型在认识论层面上受到了强烈质疑,因其科学探究观具有很强的经验性和归纳性,与当代的科学哲学观点相悖。从有效性的角度来看,这些课程的实施结果并不能令人满意。虽然当时的研究者对于SAPA和其他类似的课程进行了许多小规模的评价研究,取得了肯定的结果,表明学生的学习在各个方面都取得了进步。但这些结论的可靠性受到质疑,批评者认为这些评价不能有效地证明学生能力的发展。即使学生通过练习掌握了这些过程技能,也不一定能用于解决实际问题,不能证明科学探究能力得到了发展。换言之,科学探究能力并不等于过程技能的简单集合。这种模型在教学的层面上也遭到了批评,有人提出,观察、分类、假设等是儿童从幼年时期就拥有的能力,并不需要专门训练。另一方面,根据这种模型设计的课程打破了知识体系,不能使学生建立良好的知识结构,受到来自学科专家的强烈批评。因此,这种模型已经逐渐退出科学教育的历史舞台,但过程技能的概念被保留下来,成为探究技能的组成部分,在许多科学课程中仍然受到重视。

        () 将控制变量作为科学探究的特征:逻辑策略模型

        有些研究者认为,科学探究的本质是科学的思维方式。科学思维的一个重要特征是运用逻辑推理来解释相关证据。这样就把“科学思维”与“逻辑思维”联系起来,并根据皮亚杰的理论,用控制变量的实验来检测学生的逻辑思维,把它作为科学探究能力的一个重要特征,建立了科学探究能力的逻辑策略模型。这种模型将科学探究过程作为按照逻辑策略操作和处理相互独立的多变量的过程,将学生的科学探究能力描述成能进行控制变量的实验探究的能力。从本体论意义上来看,这种模型不是描述学生科学探究能力的结构模型,而是一种简化了的功能特征模型,突出了会进行控制变量的研究这个功能特征。由于这个特征比较容易把握,在研究和教学实践中具有可操作性和可检测性,因而取得了一定的结果,在一定程度上深化了对于学生科学探究能力的认识。

        科学教育工作者根据这种模型设计了适合不同年级学生的用于培养和检测学生科学探究能力的多变量实验,有许多研究者深入研究了学生在多变量实验中控制变量的能力,并对相关的教学策略进行了评估。研究表明,一般条件下,许多学校的学生在设计多变量的实验和解释实验结果方面存在困难,其能力是随着年龄的增长而逐渐发展的,儿童原有的观念和直觉起着重要作用。研究还发现,学生在完成“自然实验”(解释日常生活中观察到的现象)时的表现与实验室实验中的表现很不相同。对教学的评估结果发现,学生练习解决控制变量问题有助于提高能力,但是对研究结果的详细讨论对于提高学生能力几乎没有作用。在这些研究过程中,研究者遇到的主要困难是评价问题,教学后用来评价学生能力的测验题很难设计,既要不同于在教学中使用的问题,但又不能有太大差异。

        20世纪70年代末和80年代初,英国的学生成绩评价机构(APU)采用了这种模型对学生的科学探究能力进行了大范围的评估,控制变量类型的实验探究也纳人了英国的国家科学课程之中。然而,有不少研究者对APU和英国国家课程中的科学探究提出了批评,认为科学探究的含义是广泛的,这种模型将学生的科学探究限定为控制变量的实验,缩小了科学探究的范围,影响了对科学探究包含的其他要素的关注。

    () 摆脱固定模式:问题解决模型

        上述两种模型存在的共同问题是将科学探究描述成一种相对固定的模式。认为存在一种程序性的“科学方法”,而不是灵活可变的探究过程。其中隐含着一种经验主义的观点,认为理论观念(变量之间的相互联系)产生于情境,而不是受探究者原有认识的影响。

        针对上述问题,一些从认知科学角度出发的研究者把科学探究看做问题解决的一种形式。在开展探究时,探究者从自己的“工具箱”里选择“工具”。对任何一个给定的探究任务,并非需要所有的工具,其技巧就在于正确地挑选并知道如何去使用所需的工具。米勒将科学探究能力包含的成分分为三类:一般的认知技能(例如观察、分类等等)、实践的技能(例如,知道怎样使用不同的测量工具)和探究的策略(例如,知道用重复测量来提高测量的可靠性)。他认为第一种技能是不需要教的,它是所有孩子都拥有的认知的一般特性,而其他的两种技能是需要教的,但如何选择这些技能并把它们联系起来处理给定的探究任务,并没有“一系列规则”可以遵循。

    在此基础上,英国约克大学的PACKS项目组提出了一种模型,并在大量实证研究的基础上对模型进行了细化。如图1所示。  

     这种模型将科学探究的主体和探究过程作为一个整体进行研究,具体描述了学生原有的认识和技能对科学探究过程中各环节的影响,摆脱了前两种模型的机械决定论和经验主义的科学观,深化了对科学探究能力的结构和功能的认识,对于研究和发展学生与科学探究相关的理解和能力有一定的指导作用。从本体论角度看,这种模型在一定程度上揭示了影响学生科学探究能力的内在因素,包含四类相关的认识、知识和技能,如图1左侧的四个框图所示;同时描述了科学探究能力的外部特征,如图1右侧的流程所示。研究者用这种模型解释了学生在七项探究任务中的表现,证明了该模型的有效性。


    这种模型提供了一个可以进行深人研究和教学实践的框架,可以在指导学生开展科学探究的过程中发展他们相关的理解和技能,同时也可以对学生存在的问题做出诊断,开展有针对性的教学。

    该模型存在的问题是从一个给定的任务开始分析,忽略了学生发现和确定探究问题的过程,我们可以对此模型进行修正,补上这一环节。

    三、几点启示

        ()科学探究能力的培养不能简单化和程式化

        上文表明,在国外科学教育领域对科学探究能力的研究和认识经历了一个漫长的过程,虽然积累了许多经验和教训,但至今仍在探索之中。有关研究表明:科学探究是一个复杂的过程,涉及理论和实践领域中多方面的问题,绝对不能将其简单化和程式化,否则,不仅不利于学生科学探究能力的发展,而且会造成学生对科学探究的错误理解。在目前我国的有关理论研究中,尚未对科学探究涉及的理论问题展开深人探讨,没有建立在研究基础上的适合我国国情的明确的科学探究模型,结果导致科学课程改革实践中产生了两种误解:一种认为科学探究存在固定模式,将课程标准中提出的科学探究要素作为程序性知识教给学生,或者抽出其中的要素进行独立训练,这使许多课堂探究走向程式化和表面化;另一种则对科学探究的理解过于宽泛,认为只要将学生放开,让他们自己去动手动脑,就是科学探究,而忽略了对科学探究本质特征的把握和对学生科学探究能力的有目的的培养,不能使科学探究能力的培养落到实处。这些问题需要引起科学教育研究者和广大教师的重视。

        ()科学探究能力是一种具有复杂结构的高层次能力

        国外的研究表明,科学探究能力是一种具有复杂结构的高层次能力。它建立在多方面的知识和技能基础之上,但又并非这些知识技能的简单集合,采用还原论的方法将科学探究能力肢解为要素进行分别培养的做法是行不通的。各种相关技能的训练和发展是发展科学探究能力的必要条件,但不是充分条件。我国的传统教学重视基础知识和基本技能,这些构成了科学探究能力发展的基础。例如,如果学生不具备最基本的电路知识和使用电学仪器的技能,就不可能去探索电学的新知识领域,更不可能解决任何电学领域的实际问题;但具备了这些知识和技能就一定会探索新知识、解决实际问题吗?答案也是否定的,因为还需要更高层次的能力,这就是科学探究能力。新课程注重科学探究,并不是忽视基础知识和基本技能,而是要在此基础上发展学生更高层次的能力,使学生能真正会探索新知识、解决新问题。这是对新世纪人才培养提出的更高要求。

        ()要用科学的态度和方法开展对科学探究能力的研究

        科学探究已经成为我国课程改革中的热点问题,但国内的研究工作才刚刚起步。我们的研究不能从零开始,需要借鉴国外的有关理论、研究过程和结果,采用科学的方法开展研究。首先要有先进理论的指导,关于科学探究能力的研究涉及当代科学哲学、科学史和认知心理学等有关理论,我们要认真学习和借鉴这些理论,不能束缚于经验主义之中;其次,由于我们对科学探究缺乏深入认识,应当在借鉴有关研究的基础上,建立适当的可以用来指导研究过程和教学实践的模型,根据模型来设计教学实验、收集证据,不断修正和完善模型,使我们对科学探究能力的认识不断深化。

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