学生的科学探究能力：国外的研究及启示(1)

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础上，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

（一）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。

（二）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。

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