編譯：湛藍(lán) 東南大學(xué)腦與學(xué)習(xí)科學(xué)系
研究生導(dǎo)師：柏毅
作者：Martina S.J.van Uuma
【摘要】：探究式科學(xué)教育作為一種激勵學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)方式被廣泛提倡，它鼓勵學(xué)生參與設(shè)計和進(jìn)行科學(xué)調(diào)查。對于小學(xué)教師來說，探究式科學(xué)教育的開放性給他們帶來了挑戰(zhàn)，因為他們往往缺乏在項目的不同階段支持學(xué)生的經(jīng)驗，如制定研究問題和設(shè)計并進(jìn)行調(diào)查。本研究旨在通過提出一個教學(xué)框架來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，劃分了科學(xué)知識的四個領(lǐng)域和七個探究階段。該框架是基于小學(xué)教師在探究式科學(xué)教育項目中所進(jìn)行的教學(xué)干預(yù)的視頻分析。研究結(jié)果表明，教師可以通過在探究階段明確處理科學(xué)知識的概念、認(rèn)知、社會和程序領(lǐng)域，引導(dǎo)學(xué)生成功完成開放性探究過程。最后，本文建議進(jìn)行進(jìn)一步研究來驗證該框架，并為小學(xué)教師開發(fā)教學(xué)方法從而指導(dǎo)學(xué)生完成開放性探究的不同階段。
【關(guān)鍵詞】：初等教育；小學(xué)教師；探究式科學(xué)教育；教學(xué)框架；科學(xué)知識領(lǐng)域
1. 介紹
探究式科學(xué)教育（Inquiry-based Science Education, IBSE）被視為一種激勵學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)方式，因為它關(guān)注學(xué)生自身的興趣、促進(jìn)主動學(xué)習(xí)。由于激發(fā)學(xué)生的動機(jī)和興趣對他們的成績有積極影響，IBSE被視為學(xué)習(xí)科學(xué)概念和理解科學(xué)本質(zhì)（ nature of science，NOS）的有效方法，其中探究過程最為關(guān)鍵。
在開放性IBSE中，教師鼓勵學(xué)生進(jìn)行自我設(shè)計、興趣導(dǎo)向的探究。在這個過程中，教師的作用是促進(jìn)、支持和監(jiān)督學(xué)生。然而，教師往往在指導(dǎo)學(xué)生完成探究過程中遇到困難，例如，關(guān)于研究問題的提出（Peeters & Meijer，2014）和調(diào)查的設(shè)計（Yoon, Joung, & Kim，2012）。為了幫助教師促進(jìn)學(xué)生的開放性探究，本文著重討論以下核心問題：小學(xué)教師如何在開放式IBSE中支持學(xué)生？在文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，我們首先闡述了科學(xué)知識的四個領(lǐng)域，這些領(lǐng)域在開放式IBSE中是非常重要的，在此基礎(chǔ)上描述了構(gòu)成探究周期的七個階段。我們旨在將這個科學(xué)知識領(lǐng)域和探究階段的概念框架轉(zhuǎn)化為課堂實(shí)踐中使用的教學(xué)方法。我們的假設(shè)是，教師的教學(xué)干預(yù)應(yīng)該關(guān)注于支持學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，在探究的每個階段解決特定領(lǐng)域的科學(xué)知識。我們調(diào)查了在開放式探究過程中，科學(xué)知識領(lǐng)域和后續(xù)探究階段的哪些組合被證明能夠成功地指導(dǎo)學(xué)生。本文提出的“教學(xué)框架”反映了教師在課堂實(shí)踐中觀察到的七個IBSE項目的成功干預(yù)，可以被視為開放式探究的一個例子。
2. 理論框架
基于學(xué)習(xí)科學(xué)、科學(xué)教育領(lǐng)域的綜合研究，Duschl（2008）區(qū)分了反映不同科學(xué)素養(yǎng)水平的三個科學(xué)知識領(lǐng)域：科學(xué)推理時使用的概念結(jié)構(gòu)和認(rèn)知過程，開發(fā)和評估科學(xué)知識時使用的認(rèn)知框架，以及交流、表達(dá)、論證的社會過程和背景。Furtak（2012）增加了第四個程序領(lǐng)域。下面詳細(xì)闡述了這四個領(lǐng)域，并將其與探究的不同階段聯(lián)系起來。
2.1 概念領(lǐng)域
科學(xué)的概念領(lǐng)域包括“代表當(dāng)前對自然系統(tǒng)理解的知識體系”，例如光現(xiàn)象（Mumba，2015）。研究和實(shí)踐經(jīng)驗表明，學(xué)生需要有關(guān)調(diào)查主題的實(shí)際知識，以便進(jìn)行探究過程。
2.2 認(rèn)知領(lǐng)域
認(rèn)知領(lǐng)域指NOS和科學(xué)知識產(chǎn)生的方式。NOS表示一個人對什么是科學(xué)知識的觀點(diǎn)，例如，它是否是暫時的，是否是基于創(chuàng)造性的。此外，科學(xué)知識的產(chǎn)生方式是指科學(xué)過程（如觀察和測量）與“發(fā)展科學(xué)知識的科學(xué)知識、科學(xué)推理和批判性思維”的結(jié)合（Campanile，2015）。學(xué)生將自己的調(diào)查與真正的科學(xué)家工作和創(chuàng)造知識的方式聯(lián)系起來是很重要的。
2.3 社會領(lǐng)域
科學(xué)的社會領(lǐng)域指的是研究人員的科學(xué)態(tài)度，如批判性地審查自己和他人的工作，以及分享發(fā)現(xiàn)。在小學(xué)，研究學(xué)生的合作和交流可以通過在小組工作中分配不同的角色和責(zé)任，以及關(guān)注集體活動和分享意義。在合作探究中，探索性談話對于提高學(xué)生的科學(xué)推理能力和制定建設(shè)性的反饋意見非常重要。此外，當(dāng)與他人交流他們的發(fā)現(xiàn)時，學(xué)生們需要知道如何清楚地解釋他們的行動和決策。
2.4 程序領(lǐng)域
繼Furtak（2012）之后，我們區(qū)分了第四個領(lǐng)域來解決探究程序。Boekaerts將程序性知識描述為知道如何使用知識，而其他人則將其描述為“知道如何進(jìn)行”。這兩種觀點(diǎn)都包含在我們的程序知識概念中。在小學(xué)教育中，學(xué)生需要老師的支持才能進(jìn)行探究程序。例如，他們發(fā)現(xiàn)很難根據(jù)自己的研究數(shù)據(jù)提出研究問題并得出結(jié)論。
2.5 調(diào)查階段
這四個領(lǐng)域反映了調(diào)查項目中需要解決的科學(xué)知識。我們的教學(xué)框架旨在指導(dǎo)教師在探究過程的后續(xù)階段處理不同領(lǐng)域的問題。在荷蘭，Van Graft和Kemmers的IBSE階段越來越多地被課程開發(fā)人員和教師使用，由七個階段組成：介紹、探索、設(shè)計調(diào)查、進(jìn)行調(diào)查、得出結(jié)論、陳述/交流和深化/拓展。
3. 方法
在本研究中，我們探討了教師是否以及如何在每個IBSE階段處理四個領(lǐng)域的科學(xué)知識，來成功支持學(xué)生的探究。我們的假設(shè)是，基于開放性的IBSE項目的經(jīng)驗，在開放式探究過程中為學(xué)生提供支持需要在后續(xù)探究階段特別關(guān)注科學(xué)知識的不同領(lǐng)域。為了開發(fā)一種教學(xué)方法，我們觀察了課堂教學(xué)策略，使用基于理論的階段和領(lǐng)域框架來分析小學(xué)開放式IBSE項目的視頻片段。通過分析這些視頻，我們旨在研究教師在IBSE各個階段處理了哪些科學(xué)知識領(lǐng)域，以及這些教師干預(yù)的效果。
3.1 案例選擇和研究對象
我們選擇Radboud大學(xué)科學(xué)教育中心（Science Education Hub Radboud University，WKRU），為10-12歲的小學(xué)生開發(fā)了IBSE教育項目。由科學(xué)家、教師培訓(xùn)師和小學(xué)教師組成的項目團(tuán)隊將拉德布德大學(xué)的研究轉(zhuǎn)化為開放的IBSE活動。開發(fā)的教學(xué)方法已經(jīng)在課堂實(shí)踐中得到了測試和調(diào)整。參與的教師通過與研究人員討論，獲得了相關(guān)知識，在此之前他們沒有任何關(guān)于IBSE的經(jīng)驗。
我們使用開放式探究階段和科學(xué)知識領(lǐng)域的分析框架，分析了不同小學(xué)的七個開放式IBSE項目的視頻。每個項目的錄像包括五到九節(jié)探究式課程的視頻，顯示了教師的干預(yù)和學(xué)生的反應(yīng)。此外，要求學(xué)生描述、解釋和反思他們的調(diào)查設(shè)計和實(shí)施情況。自然科學(xué)家參與了其中的五個項目：DNA和遺傳；感知、行動和運(yùn)動；石墨烯；焦慮和行為。社會科學(xué)家參與了兩個項目：成癮和危險觀點(diǎn)。
3.2 定性分析
在分析視頻片段時，我們首先標(biāo)記了不同的IBSE階段，選擇了學(xué)生和教師關(guān)于四個科學(xué)知識領(lǐng)域之一的評論片段。隨后，我們確定了教師的教學(xué)干預(yù)措施是否成功。我們把成功或不成功定義為學(xué)生對（錯誤）理解的評論或他們（沒有）繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)探究階段的能力。在社會領(lǐng)域中，一個成功的教學(xué)干預(yù)的例子是教師評論后學(xué)生的表述有了改進(jìn)；在程序領(lǐng)域不成功的教學(xué)干預(yù)的例子是學(xué)生沒有考慮到教師的改進(jìn)意見，對他們的下一步行動仍然感到困惑。在分析了每個項目之后，我們對不同的結(jié)果進(jìn)行了比較，以找出關(guān)于（不）成功的教學(xué)干預(yù)的模式。
4. 結(jié)果
表1列出了教師和學(xué)生在所有七個項目的探究階段所涉及的科學(xué)知識領(lǐng)域的定量概述。我們將此定量概述用作定性數(shù)據(jù)分析的參考點(diǎn)。根據(jù)表1中的定量概述，我們將定性分析在下文中說明。
表1 在所有七個項目中，教師和學(xué)生在每個探究階段對科學(xué)知識各領(lǐng)域的相對引用量
第一階段：介紹
該階段的目標(biāo)是讓學(xué)生面對與真實(shí)研究實(shí)踐相關(guān)的問題或現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生的好奇心，增加他們對開放式探究的認(rèn)知理解。如以下引文所示，教師們提到了在Radboud大學(xué)進(jìn)行的研究。
老師：某些科學(xué)調(diào)查，換句話說，科學(xué)家進(jìn)行的研究，幾乎從未在小學(xué)出現(xiàn)過……在科學(xué)教育中心，我們將嘗試在小學(xué)里實(shí)施科學(xué)研究，因為我們認(rèn)為通過這樣做你可以學(xué)有所獲。
通過參考真實(shí)的研究實(shí)踐，學(xué)生們獲得了興趣，并形成了認(rèn)知上的理解，像科學(xué)家那樣研究一個真實(shí)的問題。盡管在當(dāng)前階段，大多數(shù)教師沒有提供真實(shí)的科學(xué)實(shí)踐的詳細(xì)描述，但他們能夠在隨后的階段參考這些實(shí)踐。
第二階段：探索
探索階段的目標(biāo)是將所調(diào)查的現(xiàn)象與學(xué)生的已有知識聯(lián)系起來，提出問題，指導(dǎo)進(jìn)一步的調(diào)查。教師通過將概念與相關(guān)的日常背景聯(lián)系起來，并將科學(xué)實(shí)踐活動與對這些活動的思考結(jié)合起來，提高學(xué)生的概念性理解。例如，在石墨烯項目中，教師播放了一段視頻介紹了石墨烯的不同特征，并要求學(xué)生構(gòu)建一個概念圖。由于石墨烯是一種晶體，她播放了第二段關(guān)于晶體特性的視頻。此外，該教師將石墨烯的結(jié)構(gòu)與細(xì)鐵絲網(wǎng)進(jìn)行了比較，隨后要求學(xué)生構(gòu)建一個石墨烯的三維可視化模型并進(jìn)行了討論。在探索階段結(jié)束時，老師要求學(xué)生寫下他們對項目主題的理解，以及哪些問題還沒有得到解答。
第三階段：設(shè)計調(diào)查
設(shè)計調(diào)查階段側(cè)重于確定研究問題、制定計劃以及構(gòu)建或收集測量儀器。在進(jìn)行這些步驟時，教師必須解決確定研究問題的程序，討論如何設(shè)計有效和可靠的調(diào)查。參與成癮項目和危險觀點(diǎn)項目的教師為制定研究問題的程序提供了支架。所開發(fā)的“問題器”包括一個書面圖表，描述了確定研究問題的標(biāo)準(zhǔn)，例如：“問題是單一的”和“問題是具體的和可測量的”。當(dāng)一個問題不符合其中一個標(biāo)準(zhǔn)時，學(xué)生們需要對其進(jìn)行調(diào)整。下一步是設(shè)計調(diào)查，教師或研究人員解釋了調(diào)查的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，并詢問了學(xué)生關(guān)于認(rèn)知方面的觀點(diǎn)。
研究人員：假設(shè)我想知道男孩和女孩在情緒控制方面的差異，那么我可以測試你[男孩]和她[女孩]。如果我發(fā)現(xiàn)她比你更沖動。我能說所有的女孩都比所有的男孩更沖動嗎？
學(xué)生：不能。
研究員：如果我測試十個男孩和十個女孩呢？
學(xué)生：不能。
研究員：當(dāng)我?guī)е商m所有的男孩和女孩？那么，我能說所有的女孩都比所有的男孩更沖動嗎？
學(xué)生：你可以去荷蘭。
研究員：沒錯……這是你必須考慮的事情。你想測試多少人。
上一個例子中關(guān)于研究對象數(shù)量的考慮影響了學(xué)生研究的設(shè)計。除了程序和認(rèn)知方面的考慮外，社交能力如協(xié)作和溝通，在當(dāng)前的調(diào)查階段也很重要。
第四階段：進(jìn)行調(diào)查
本階段調(diào)查的目標(biāo)是收集數(shù)據(jù)，以結(jié)構(gòu)化的方式精確測量和記錄十分重要。一旦學(xué)生在程序領(lǐng)域遇到問題，教師就會協(xié)助解決。例如，在關(guān)于石墨烯的項目中，學(xué)生們測量不同物體上的磚塊的重量，以確定特定物體在剎車前能容納多少塊磚。在他們的調(diào)查過程中，一位老師問學(xué)生如何能更精確地測量并解釋了秤的使用。在其他項目中， 我們觀察到學(xué)生們測量溫度、時間、心跳等，但并不是所有的學(xué)生都對這些程序給予足夠關(guān)注。為了拓展學(xué)生對正確測量的程序性理解，教師有必要與學(xué)生一起解釋、練習(xí)和反思這些程序。
第五階段：得出結(jié)論
為了得出結(jié)論，重要的是讓學(xué)生把數(shù)據(jù)和他們的研究問題聯(lián)系起來，并意識到應(yīng)該區(qū)分結(jié)果和自己的觀點(diǎn)。正如下例所示，如果沒有關(guān)于如何得出結(jié)論的提示，學(xué)生們可能會犯錯誤。
老師：是的，你要看的是：結(jié)論到底是什么？我的研究問題的真正答案是什么……當(dāng)你在一項調(diào)查中想要比較女孩和男孩誰騎自行車更多：是男孩還是女孩……你要看哪些數(shù)據(jù)，在哪里看？
學(xué)生：也有可能是年齡造成的。這也是必須要看的，對嗎？
老師：并不是這樣，在你的結(jié)論中要回答你的研究問題。而不是所有其他的事情。
這個例子中的學(xué)生認(rèn)為根據(jù)不直接相關(guān)的數(shù)據(jù)來得出結(jié)論。隨后，老師通過提到研究問題和強(qiáng)調(diào)回答這個問題的重要性來促進(jìn)程序性認(rèn)識。教師應(yīng)該解釋結(jié)果和自己觀點(diǎn)之間的區(qū)別，并要求學(xué)生深入了解自己的研究。
第六階段：陳述/交流
在進(jìn)行調(diào)查并得出結(jié)論后，當(dāng)前階段的目的是讓學(xué)生將他們的結(jié)果傳達(dá)給他人。學(xué)生以清晰易懂的方式陳述他們的調(diào)查結(jié)果是很重要的。與學(xué)生們所做的一般報告相比，關(guān)于焦慮的項目陳述比平均陳述要短，結(jié)構(gòu)化程度低，但放在這里是為了說明它缺乏信息。
學(xué)生1：我們的研究問題是：哪些[學(xué)校名稱]是前三名?
學(xué)生2：這是我們的結(jié)果[學(xué)生展示一張寫著結(jié)果的海報并描述]。
學(xué)生1：我們真的很喜歡做這樣的調(diào)查。
學(xué)生3：很遺憾，這個項目已經(jīng)結(jié)束了。
學(xué)生4：我們是如何調(diào)查的？
學(xué)生1：我們?nèi)チ私淌?，問他們能否寫下最害怕的三件事。在幼兒園里，我們給孩子們的父母寫了一封信，詢問他們是否愿意和父母一起填寫。
學(xué)生2：這是我們的研究……[難以理解]。
被引用的學(xué)生忘記了提及研究報告的關(guān)鍵要素，例如假設(shè)、結(jié)論和關(guān)于自身研究局限性和建議。因此，教師應(yīng)在準(zhǔn)備報告時強(qiáng)調(diào)這些重要因素。
第七階段：深化/拓展
探究最后階段的目標(biāo)是對探究過程進(jìn)行反思，深化或拓展對項目主題的理解。在一半的WKRU項目中，學(xué)生們參觀了大學(xué)實(shí)驗室或與科學(xué)家交談。除了對實(shí)地考察外，還有其他方式來深化學(xué)生的理解，例如，就科學(xué)知識的領(lǐng)域和尚未回答的問題進(jìn)行小組討論。
5. 總結(jié)
結(jié)果表明，教師在探究的每個階段都要解決科學(xué)知識的特定領(lǐng)域，這對于支持學(xué)生的學(xué)習(xí)過程非常重要。表2展示了基于這些結(jié)果的教學(xué)框架，說明在不同的探究階段，教師的重點(diǎn)是如何從科學(xué)知識的一個領(lǐng)域轉(zhuǎn)移到另一個領(lǐng)域的。我們觀察到，當(dāng)教師在相關(guān)階段關(guān)注特定領(lǐng)域時，學(xué)生能夠在探究階段內(nèi)和階段之間繼續(xù)學(xué)習(xí)。教師也應(yīng)注意IBSE各階段的其他科學(xué)知識領(lǐng)域，具體取決于項目的具體背景。
表2 在隨后的研究階段中對特定領(lǐng)域的科學(xué)知識的解決所作的貢獻(xiàn)
6. 影響
我們研究的核心問題是：小學(xué)教師如何在開放式IBSE中支持學(xué)生？我們通過開發(fā)一個關(guān)于科學(xué)知識領(lǐng)域和探究階段的教學(xué)框架來回答這個問題。
構(gòu)建的教學(xué)框架支持教師通過開放式探究過程對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)。在WKRU項目中，不同探究階段的科學(xué)知識領(lǐng)域順序如下：概念的（第二階段）—程序的、認(rèn)知的和社會的（第三階段）—程序的（第四/五階段）—認(rèn)知的（第五階段）—社會的（第六階段），所有領(lǐng)域或特殊選擇（第七階段）。這一順序說明了在第四階段之前處理所有四個領(lǐng)域的重要性，為學(xué)生成功地開展調(diào)查奠定基礎(chǔ)。此外，研究結(jié)果表明，在探究過程中，教師對科學(xué)知識領(lǐng)域的干預(yù)措施的具體選擇能夠培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)探究的理解。
當(dāng)教師和研究人員使用我們的教學(xué)框架時，有一定的限制因素需要考慮。我們將解決這些問題，并將其與對未來研究的建議聯(lián)系起來。首先，是關(guān)于WKRU的背景，為了驗證我們的框架，未來的研究需進(jìn)一步調(diào)查在科學(xué)教育中心或小學(xué)構(gòu)建的其他開放式探究項目。其次，建議在攝像機(jī)上捕捉所有教師的行為。最后，我們對未來研究最重要的建議是，讓小學(xué)教師能夠使用這個結(jié)構(gòu)化的教學(xué)框架，例如，通過提供基于教學(xué)框架的工具、材料和練習(xí)，供教師在課堂實(shí)踐中使用，進(jìn)一步為學(xué)生提供支持。
東南大學(xué)百研工坊：21世紀(jì)是我國創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的關(guān)鍵期。東南大學(xué)百研工坊（兒童發(fā)展與教育研究所）結(jié)合信息技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、腦科學(xué)技術(shù)，進(jìn)行青少年科學(xué)素養(yǎng)的國際比較研究和學(xué)生核心概念掌握水平的評測系統(tǒng)的研究與開發(fā)，我們的目標(biāo)是：（1）面向中小學(xué)學(xué)生綜合能力發(fā)展的steam研究；（2）通過實(shí)證教育研究，探究科學(xué)素養(yǎng)的本質(zhì)及有效的培養(yǎng)途徑；（3）將科學(xué)素養(yǎng)的傳統(tǒng)評測方法與現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合，探究基于ECD模型的學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)評測方法研究；（4）運(yùn)用ERP、EEG和眼動等腦科學(xué)技術(shù)，開展對學(xué)生核心概念熟練掌握程度的評測研究。
責(zé)編：湛藍(lán)
