科学探究与国家科学教育标准---教与学的指南

科学探究与国家科学教育标准---教与学的指南
原著：[美]国家研究理事会、数学及技术教育中心
《国家科学课程标准》科学探究附属读物编委会
翻译：罗星凯等
科学普及出版社
第一章：科学中的探究和科学课堂中的探究
一．科学探究
◆科学探究指的是科学家们用以研究自然界并基于此种研究获得的证据提出种种解释的多种不同途径。

科学探究也指的是学生们用以获取知识、领悟科学的思想观念、领悟科学家们研究自然界所用的方法而进行的各种活动。

（《国家科学教育标准》P23/30*）
◆科学探究流程：进行观察----表现出好奇，从已有知识背景中提炼出问题----使用技术和数学方法收集证据----利用以前的研究----提出可能的解释----在证据的基础上发表自己的解释----考虑新的证据----添加解释---解释作为政策咨询。

◆人类探究的本质：天性，好奇心。

科学发现越来越深刻地影响整个世界。

提出问题---寻找证据---批判性推理。

在《国家科学教育标准》中，探究处于核心地位，这一标准敦促教师根据孩子们天生的、人类共有的好奇心构建课程、教学和评估的模式。

二．科学课堂中的探究
◆表现出好奇，从自己已有的知识出发提出问题；
◆提出初步的解释或者假说；
◆设计和实施简单的调查研究；
◆通过观察，收集证据；
◆根据证据进行解释；
◆考虑其他解释；
◆交流解释；
◆检验解释。

课堂探究的形式多种多样。

由教师严格设计的课堂探究能够引导学生获取人类已有的知识成果。

课堂探究还可以是学生自由探究一些未得到解释的现象。

第二章：“《国家科学课程标准》中的探究”
《国家科学教育标准》中论述的探究内容：从事探究的能力；对探究本身的理解；探究何以导致科学发现。

探究与科学发现紧密相连，学生需要运用他们已掌握的知识进行探究，并且在探究过程中增长知识。

《国家科学教育标准》指出：探究是一种复杂的学习活动。

它涉及到观察现象；提出问题；查阅书刊及其他信息资源以便了解已有的知识；设计调查及研究方案；根据实验证据来核查已有的结论；运用各种手段来搜集、分析和解释数据；得出答案、进行解释并做出预测；把结果告之于人。

探究需要明确假设、运用批判性思维和逻辑思维、考虑各种可能的解释。

（P23/30*）
理解和从事探究能力的发展，要求有直接经历探究和不间断的实践过程。

一．科学教育史中的探究：历史上的观点
探究进行科学教育课程的时间还不到一个世纪（Bybee and Debore,1993;Deboer,1991）。

1900年以前，大多数教育工作者主要把科学看作是可以直接传授给学生一堆知识。

◆1909年，教育家约翰·杜威（John duwey）在美国科学促进协会的一次报告中提到：科学教育过于强调知识的积累，而对科学作为一种思维方式和认知态度却没有给予足够的重视；杜威指出：科学不仅是需要学习的一堆知识，而且是一种学习的过程或者方法（duwey，1910）。

◆教育家约塞夫·施瓦布（Schwab,1960,1966）认为：科学应该被视作一种概念结构，它随时可能因发现新的证据而被修改。

他的观点启示教师应该以探究的方式将科学呈现给学生，学生也应该用探究的方式学习科学知识。

他建议教师首先在实验室给学生亲身实验的机会，然后根据学生的经验来组织教学。

即在学习课本上的科学概念与原理的解释之前，学生应该先在实验室进行实验，然后运用实验所得证据作出解释，最后对解释加以提炼。

他还建议科学教师采用下面三种实验方式：①学生根据实验手册或者教材中提出的问题及研究方案进行实验以发现他们之间的未知的联系；②教材只提出问题，研究方案和问题答案留给学生自行提出；③学生在没有课本或实验室提供问题的情况下，直接面对现象提出问题、收集证据，并根据自己的研究提出科学的解释。

他还提出“探究的探究”的方法：教师提供给学生的是科学研究的读物和报告，学生就其中的细节进行讨论，如研究的问题、收集的数据、所用的技术、对于数据的解释以及科学家在研究中得到的结论。

学生阅读的材料包括各种可能的解释、不同或者是相矛盾的实验资料、对研究及使用证据所依赖的不同假设进行辩论的辩词以及科学探究中的其他问题。

◆一种学习理论认为：在建立新的科学概念和对科学概念进一步的理解时，学生自己的观念及具体经验是居于中心地位的。

二．《国家科学教育标准》中的探究
作为学习目标又作为教学方式。

内容标准中的探究：进行探究所需要的能力、对科学探究的理解
1．进行探究所需要的能力
◆幼儿园到4年级：对特定环境中的物体、生物和事件进行提问；制定简单的调查计划并付诸实施；采用简单的设备和工具收集数据、延伸感官；利用数据做出合理解释；就调查结果和解释进行交流。

◆5-8年级：判定可以通过科学实验或调查研究能回答的问题；设计和进行科学实验或调查研究；利用适当的工具和技术收集、分析和解释数据；运用事实证据进行描述、解释、预测和建构模型；运用批判性和逻辑性的思考建立证据与解释之间的关系；认证及分析另外的解释和预言；交流科学过程和解释；把数学运用在科学探究的各个方面。

◆9-12年级：判定导向科学实验或调查研究的问题和概念；设计并进行科学研究；运用技术和数学改进研究和交流；运用逻辑和事实证据来构造和修改科学解释和科学模型；认证及分析另外的解释和模型；科学论点的交流和辩护。

2．对科学探究的理解
◆幼儿园到4年级：科学研究涉及提出问题和回答问题，以及将自己的答案与科学家对自然界已经给出的答案进行比较；科学家根据所要回答的问题采用不同的调查研究的方法，调查研究的类型包括描述物体、生物和事件，对它们进行分类和合理实验；放大镜、温度尺和尺子等简单仪器工具所提供的信息也比科学家单纯靠感官所获得的信息更为丰富；科学家们的解释要利用观察结果（证据）和对世界的已有认识（科学知识），令人信服的解释是以来自调查研究的证据为基础的；科学家们要把他们的研究结果公布于众，他们的描述研究的方式能够使其他人重复其工作；科学家们对其他科学家的工作成果要进行评估并提出问题。

◆5-8年级：不同性质的问题提示我们要进行不同的科学探究；当前的科学知识和理解可以指导科学探究；数学对于科学探究的各个方面均十分重要；收集数据所采用的技术提高了数据的精度，使科学家能够分析研究结果并使之定量化；科学解释强调证据，且证据在逻辑上要前后一致，并要运用科学原理、模型和理论；合理的怀疑是科学进步的动力；科学研究有时可以产生可供进一步研究的新概念和新现象，产生调查研究的新方法，或者开发出改进数据收集工作的新技术。

◆9-12年级：科学家通常探究物理系统、生命系统和人工系统是如何发挥功能的；科学家进行调查研究有多种理由；科学家依靠技术加强数据的收集和处理；数学对于科学探究十分重要；科学解释必须坚持一定的评判标准，例如所提出的解释必须具有逻辑上的内在一致性，必须遵守证据法则，必须接受质疑和可能的修改，必须以历史的和当前的科学知识为基础；科学探究的结果即新知识和新方法来源于不同的调查研究和科学家之间的公开交流。

三．探究性学习给教学提出的课题
1．科学教学标准：设计探究性科学教学、注重探究活动并提供指导、通过鼓励和示范培养学生科学探究的能力。

◆教学标准A:科学教师要为学生制定一个以探究为基础的科学教学方案。

为此，教师要：为学生制定一个年度目标和短期目标的计划；选择科学内容，修订与设计课程，使之适应学生的兴趣、知识水平、理解力与其他能力以及他们的经历；选择教学与评价方案，使之有助于提高学生对知识的理解，有助于把学校变成学生积极参与学习的场所；与跨学科和年级的同行们协力合作。

◆教学标准B：科学教师要引导和促进学生学习。

为此，教师要：在与学生互动的同时，把注意力集中到探究上，坚持进行探究；要组织好学生有关科学思想观念的讨论；要设法使学生认可并承担起他们自己在学习中所应负担的那部分责任；要认识到学生们之间的差异性并能采取相应的反应，鼓励全体学生充分参与科学学习；鼓励和培养学生探究科学的各种技能的同时，鼓励学生要有好奇心，乐于接受新思想与信息及时对事物质疑的态度。

◆教学标准C：科学教师要对他们自己的教与学生们的学进行及时的评价。

为此，教师：要用多种方法、系统地收集学生们的理解与能力的数据资料；要分析评价数据以指导教学；要指导学生进行自我评价；要根据学生特性、教学经验及同事间的交流，进而反思和改进教学实践；要根据学生特性、教学经验及同事间的交流，向学生、教师、家长、决策人员以及广大公众报告学生的成绩及其学生机会。

◆教学标准D：科学教师要营造和管理好学习环境，为学生们学习科学提供必要的时间、空间和资源。

为此，教师：要安排好可以利用的时间，使学生们有时间参加扩展性研究；要创造一种灵活的，有助于科学探究的学习环境；要确保学习环境安全；要使可以利用的实验设备、材料、媒体及技术资源能够为学生们所用；要能确认和利用校外的学习资源；要使学生参与学习环境的设计。

◆教学标准E:科学教师要把全班学生培养成科学推理严谨缜密、思想方法与行为方式及社会价值观都有助于科学学习的科学学习者。

为此，教师：要使学生们展示并尊重各种观点、技能、经验；要使学生们在决定应该教什么内容和应提供什么学习环境的时候都能够有真正的发言权，要使学生们都能负担起社会中每个成员都应当负担的那部分学习责任来；要在学生中间培养协作精神；要组织推进学生们基于科学交流原则的共同认识而不断进行的正式与非正式的讨论；要使学生们知道科学探究所需要的应该是什么样的技能、思想方法、行为方式和价值观念，教师应把这些作为重点加以培养。

◆教学标准F:科学教师要积极参与学校科学大纲不断进行的设计与制定工作。

为此，教师：要设计与制定学校的科学大纲；要参与确定时间和其他资源在科学课程中的分配；要充分参与制定和实施自己与同事们的专业进修计划。

2．课堂探究的基本特征----问题、证据、解释、评价、发表
◆学习者围绕科学性问题展开探究活动；
◆学习者获取可以帮助他们解释和评价科学性问题的证据；
◆学习者要根据事实证据形成解释，对科学性问题作出回答；
◆学习者通过比较其他可能的解释，特别是那些体现出科学性理解的解释，来评价他们自己的解释；
◆学习者要交流和论证他们所提出的解释。

四．实施持续系统的探究性教学---教学模式：源于对人如何学习的观察
1．理论研究
◆20世纪早期，赫尔巴特认为：教学应该是学生对客观世界及其相互作用的兴趣开始。

教师要精心设计学生的学习活动，以帮助学生拓展已有的概念知识，并获得出乎意料的发现。

然后学生将概念运用于新的情景中。

◆杜威（1910）提出反省式学习经验的教育观念。

反省式学习经验是指学生的学习始于一个令人困惑的情景，首先，形成可检验的解释或假设；其次，用实验检验假设以确定解决方案；最后，将解决方案付诸于行动。

他认为：反省式的思维与科学探究之间有着显著的联系（Bybee,1997）。

◆皮亚杰的任知发展理论：学习使于个体的不平衡感，个体的观念与在周围环境中所遇到的观念之间的冲突（即个体已有的认知与个体的观察或体验之间的矛盾）。

为了恢复认知平衡，在与环境的相互作用中个体必须经历顺应或改变他们认知结构的过程。

◆阿特金和卡普拉斯（1962）提出一种教学模式---学习环：探索，发明和发现阶段。

人的学习是一个动态的、互动的过程。

学生带着他们当前的想法、态度和能力来到学习活动中，通过与环境、教师和其他同学的有意义的相互作用，使自己最初的观点、态度和能力得到重组、重新定义或者替换。

2．教学模式的共同构成
◆学生参与围绕科学问题、事件或现象展开的探究活动，探究要与学生已有的认识相联系，教师要设计造成他们思维冲突，并且/或者刺激他们学到更多知识；
◆学生通过动手做实验探究问题，形成假设并验证假设，解决问题，并为观察结果提供解释；
◆学生分析、解释数据，并将他们的观点进行综合，构建模型，利用教师和其他来源所提供的科学知识阐释概念及解释；
◆学生拓宽新的理解、发展新的能力，并运用所学知识于新的情境；
◆学生和教师共同回顾并评价所学内容和学习方法。

第四章：课堂评价与科学探究
评价学生的三个主要教学目标：对科学知识的概念性理解、进行科学探究的能力、对探究的理解。

◆应该评价什么：知识和理解。

◆谁应该是评价者：教育管理人员，老师，自我评价。

自我评价最重要，督促学生对他们自己的思考和表现进行评价，可以让他们更自觉地在学习过程中从事计划、实践、监控和纠正等等工作。

自我评价有助于学生发现、合作、交流能力的提高和更好地建立概念之间的联系。

自我评价有利于让学生了解他们被期待达到的目标。

◆应该怎样评价学生的学习：
（Rowe,1974）“静待”教学策略：老师在等待时的沉默可以让学生在提出或者回答问题时思考更加细致、更为周到。

--注意倾听学生的谈话，能够获得关于学生的知识水平和他对于科学思想的看法的大量信息。

评价方式：多重选择、构思应答、计划和文件。

第五章：探究性教学的师资培养
科学教师的专业发展标准：通过探究学习科学；学习通过探究进行科学教学；成为终身的“探究者”；为探究性教与学建构教师专业发展课程的教材。

◆通过探究学习科学
探究性地学习科学使教师能亲自体会到探究性教学的几个要素：怎样在学习经验中融入科学主题和探究结果；科学概念的深层次理解怎样才能促进建设性问题的提出和讨论；在学习经验中如何融入课堂探究的基本特征；经历这种挫折与奋斗式的学习，学习者所获得的感受；为促进和帮助学生学习，教师应扮演的角色和应有的行为举止。

◆学习通过探究进行科学教学
促进探究性教学的教师专业发展：为教师提供不同于传统的大学课程或在职研讨会的学习经验，其中包括一对一的指导，小组式的合作和工作学习如行动研究；关注于教师的实践，包括对课程的组织和运用，学生功课以及教学疑难；协助教师细致地思索学生应该怎样运用探究来理解重要的科学概念，培养探究的特定能力需要哪些帮助，以及哪些学生经历能让学生认识到科学工作的“真实性”。

第六章：实施探究性教学的研究基础
一．学生是如何学习科学的
研究发现一：理解科学不仅仅是知道事实—理解性学习。

◆（Donovan et al.,1999）：有坚实的事实性知识基础；能够在理论框架的背景下理解事实和观点；知识高度组织化，可以再提取和应用。

◆（Bransford et al.,1999）：学生必须能够运用他们所学的知识，必须理解基本概念，打好坚实的事实性知识的基础，并且懂得如何有效地运用自己所学到的知识。

◆（Linn et al.,1989）：所有的学生需要学会科学的思维方法。

◆（Glaser,1992）：应该能够在试图解决一个问题之前细致地描述这个问题。

判定哪些相关的信息可以用来分析这个问题，以及决定描述问题和分析问题的步骤。

◆（Minstrell,1989;Rosbery et al.,1992）：通过科学探究，学生能够获得新的数据，以改变他们原来的看法，或者加深他们对重要科学原理的理解。

他们还发展了推理，细致观察以及逻辑分析等方面的重要能力。

研究发现二：学生在他们已有知识和观念的基础上建构新的知识和理解
◆（Anderson and Smith,1987;Driver et al.1994）：很多学习者的前概念与目前公认的科学知识并不一致。

这些前概念总的说在一定范围内还是合理的、恰当的，但是学生不恰当地把它们应用到了它不起作用的情景中。

◆（Wandersee et al.1994）：学生头脑中的前概念通常很顽固，在教学中特别是在使用常规方法教学时往往很难改变他们的前概念。

研究发现三：学生是通过修改和提炼他们现有的概念并把新的概念纳入已有概念之中来形成新知识的（Driver et al.,1985;1994）
◆（Duschl and Gitoner,1991）：学习者是否改变观念以及怎样改变观念，取决于他们依据什么去赞同或者反对一种竞争性（或者不同）的观点。

研究发现四：学习者与他人互动的社会环境是学习的媒介
◆（Rosebery et al.,1992）：学习者在阐释自己观点和反驳他人观点的过程中获益匪浅，而且在这一过程中他们重构了自己的观点。

◆（Songer and Linn,1991）：体会到了在科学学习和教学方法学习中合作学习的好处。

研究发现五：有效学习需要自我掌控学习过程
◆（美国心理协会，1993）：善于学习的人能够清楚地阐述自己的观点，比较和对照其他人的观点，举出他们能够接受这一种观点而不是别的观点的理由。

他们是“元认知型”的。

他们能够意识到自己的思维和知识，并且能够调控它。

◆（Black and Wiliam,1998;Duschl and Gitoner,1997）：学生的自我评价不仅提高他们的推理能力和批判性思维能力，而且促进了他们对科学概念的理解。

◆布莱克和威廉（1998b）：只有训练学生进行自我评价并给予学生机会去实践自我评价，“他们才能够了解学习的主要目的，并因此而领会为实现目标需要完成的学习任务。

P143
研究发现六：学生在新的情景中运用知识的能力，也即能否进行知识的迁移，要看他们在多大程度上是在理解性的学习。

◆如果学生学会了从学习经验中提炼出隐含的要点和原理，他们就更可能把所学知识应用到新的情景中去。

（Bransford et al.,1999;Byrnes,1996）。

二．有效的学习环境和学习经历
《人们如何学习》（Bransford et al.,1999）中综述的研究表明：优秀的教师使用的教学策略包括了四个方面的要素：学习者、知识、评估、交流。

1．以学习者为中心的学习环境
优秀的教师尊重并理解学生已有的经验和想法，并以它们为基础来为学生构建新的理解。

（Duckorth,1987;美国心理协会1993）
在以学生为中心的学习环境中，教师根据学生原有的知识、技能、态度和信念组织新的学习，对学习者的科学学习至关重要。

2．以知识为中心的学习环境
帮助学生发展组织良好的知识体系，使知识条理化以利于有计划、有策略地思考。

3．以评估为中心的学习环境
帮助学生学会调控自己的学习。

这种学习环境给学生提供了反馈信息和修正观点的机会。

4．以交流为中心的学习环境
要求学生清晰地表达自己的观点，挑战别人的观点，以及与他人进行深层次的讨论。

这种环境鼓励人们相互学习，强调为理解而进行探索的价值，并且承认学习过程中会不可避免地出现错误。

对科学学习的有效环境进行的研究“强调了课堂讨论的重要性”。

课堂讨论有利于发展学生在谈论科学观点时所需要的语言技能，有利于学生让教师和班上其他同学清楚地了解自己的思维，也有助于学生学会建立自己是如何利用所学的东西去解决问题、去解释一些现象或观察结果的一套论据（Bransford et al.,1999）。

这种环境欢迎新的观点和新的思考方式。

学生和科学家都是通过面对新的问题或新的现象，通过收集资料、提出假说来积极地建构知识。

在整个探究过程中，他们都要经常地评价和重新评价所获得的证据本身的特性及其效力，交流和评判自己的解释和他人的解释.。