美國的探究教學與科學教育

美國的探究教學與科學教育

一、對科學探究教學的理解是雙重如何定義研究這個詞是研究文獻中最相關的問題。研究者們對探究提出多種不同的看法,但大體上可分為兩大類:一是把探究描述為科學家所做的工作,即科學探究;二是把它看作教或學的過程。如凱爾(W.C.Kyle)等許多研究者認為“探究”不同于“科學探究”,前者指教學程序,后者指科學家所做的工作。美國《國家科學教育標準》中的探究定義實際上認可了這種劃分:“科學探究指的是科學家們用于研究自然并基于此種研究獲得的證據(jù)提出解釋的多種不同途徑。探究也指學生用以獲取知識、領悟科學家的思想觀念、領悟科學家研究自然界所用的方法而進行的種種活動?！焙缶渲械奶骄恐附虒W中的探究,它實際上是對科學探究的探究。較早贊成用探究指代科學家的工作即凱爾所說的科學探究的人是拉瑟福德(F.J.Rutherford)。他在1964年便指出:教師應當具備較高的科學史和科學哲學素養(yǎng),否則不能認為他受過教育,能勝任作為探究的科學的教學。在他看來,科學過程與科學內(nèi)容的對立、二分是人為造成的,科學在本質上并非如此。因為結論與產(chǎn)生結論的過程密不可分,學生不可能脫離一方面而能理解另一方面。同凱爾的看法一樣,在拉瑟福德看來,科學探究的含義是雙重的。一方面探究是科學內(nèi)容,指作為科學事業(yè)的探究;另一方面探究是教學技巧,指用來學習科學的一種方法。1969年《科學教學研究雜志》發(fā)表了一系列研究科學教學以及科學史與科學哲學的文章。這些研究都強調(diào)作為學習方法的探究與作為科學本質的探究是有區(qū)別的。加涅(R.M.Gagne)則是探究教學的早期擁護者,他主要研究開展探究教學所需要的技能和能力。加涅也把探究描述為科學家所做的工作,他認為學生在有能力從事探究即展示科學家的能力之前,必須有一定的技能和能力作前提,中小學科學教育的重點應放在幫助學生獲得這些前提性的知識、技能和能力上。因而那些訓練學生必備探究技能的課堂活動,也應當被看作是探究教學。考查作為教學過程的探究時可以發(fā)現(xiàn),30多年的研究中出現(xiàn)了多種不同形式的教學模式,它們都被統(tǒng)稱為探究教學。下面是最普遍的五種:1.薩其曼探究教學模式。薩其曼(J.R.Suchman)堅信課堂上要開展探究教學必須滿足三個條件:第一,有一個集中學生注意的焦點,最好是一個能引起學生驚異的事件或現(xiàn)象;第二,學生享有探索的自由;第三,有一個豐富的容易引起反應的環(huán)境。運用這種觀點作指導的探究教學模式,一般由一個驚異事件或現(xiàn)象開始教學;接著讓學生對他們所觀察的現(xiàn)象提出“是”或“否”之類的問題,以收集數(shù)據(jù);當學生對觀察結果作出推測性解釋(假設)后,他們進一步通過“是”或“否”之類的提問來檢驗自己的假設。無論在哪一階段提出“是”或“否”的問題,都必須是操作性的,即能用實際經(jīng)驗或實驗來回答。2.有結構的探究(StructuredInquiry)有結構的探究是指,探究時給學生提供將要調(diào)查研究的問題、解決問題所要使用的方法和材料,但不提供預期結果。學生自己要根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)進行概括,發(fā)現(xiàn)某種聯(lián)系,找到問題的答案。研究者們稱此種探究為一級水平的探究活動。有結構的探究和相應的證明活動,又被人們習慣地稱作“食譜式活動”。3.指導型探究(GuidedInquiry)。指導型探究是指,探究活動時只給學生提供要調(diào)查研究的問題,有時也提供材料,學生必須自己對收集到的數(shù)據(jù)進行概括,弄清楚如何回答探究問題。這種探究被稱為二級水平的探究活動。4.自由探究(FreeInquiry)。自由探究是指,在探究活動時學生必須自己獨立完成所有的探究任務,當然也包括形成要調(diào)查研究的問題。從許多方面來看,自由探究類似“搞”科學,即科學探究。研究者將這種探究稱為三級水平的探究活動。5.學習環(huán)(TheLearningCycle)。學習環(huán)是一種很有影響的科學教學模式,被廣泛地稱作探究教學。盡管它有多種多樣的表現(xiàn)形式,其基本程序不外乎是:開始是探索階段,讓學生從事各種探索活動,以便從經(jīng)驗中產(chǎn)生新觀念;接著是引入概念階段,讓學生給前面發(fā)現(xiàn)的觀點或經(jīng)歷的想法命名;最后是概念的運用階段,讓學生有機會把新觀點運用到不同的背景中去。二、研究對象的特征—探究與認知發(fā)展探究教學不同于被動的接受學習,它要求學生積極參與探究活動過程,這對學生乃至教師都提出了較高的智能要求,因而考查探究教學所需的認知發(fā)展水平便成為研究者所關注的一個重要問題。事實上,在探究教學實踐中,教師們普遍感到并不是所有學生都能有效地從事探究學習。這個問題很快引起了研究者的注意。加涅率先展開了這方面的研究。他于1963年在《探究所需的學習技能》一文中提出,有效開展探究教學必須滿足以下三個基本要求:第一,有提高探究技能與策略的專門練習,因為這些技能與策略能遷移到其它情境中;第二,學生要有廣泛的、概括化的背景知識,因為學生對某個話題一無所知,也就不能作相應的思考;第三,具有辨別好假設與壞假設的背景知識。一些研究者也發(fā)表相同的看法:一個人在有效從事科學探究以前,必須有一定的知識和智能作前提;很多學生之所以對BSCS生物探究課程感到困難,原因就在于他們?nèi)狈Τ浞值那疤嵝灾R與技能。許多研究者以皮亞杰認知心理學為理論依據(jù)來考查探究學習,結果取得如下一致結論:(1)探究技能要求一定的假設——演繹推理活動,這種推理活動發(fā)生在皮亞杰所說的形式思維階段;(2)只能進行具體操作思維的學生不能理解抽象概念。例如,斯皮爾斯(J.Spears)于1977年在大學生中作有結構的探究與指導型探究對比實驗,結果表明:大學生很少進行假設或預測,因為他們還沒有在智力上為此作好準備。總體來看,接受指導型探究教學的學生在描述他們的觀察時,傾向利用教師的講解或教科書來解釋觀察結果。這種做法與皮亞杰對具體操作階段學生思維特征的描述基本一致。教師不能期望一個缺乏形式思維能力的學生能自己設計出一個程序,以促進對形式思維過程的理解。假設——演繹推理活動涉及作假設、預測、觀察、把結果與預期相比較,它要求學生具有形式思維能力。顯然,缺乏這種能力的學生就不能在以假設——演繹推理為特征的環(huán)境中很好地學習。研究者想弄明白的是,在分類和控制變量方面得高分的大學生,與那些得低分的大學生相比,在某種形式的探究發(fā)現(xiàn)(包括假設——演繹推理活動)中是否也能做得更好。他們用一個包括內(nèi)容目標和過程目標的測驗來考核學生的表現(xiàn),其中沒有一個測驗項目所要求的理解能力超出具體操作思維水平。獲得的數(shù)據(jù)表明,有些與研究者的假設相符,有些不符。研究者推測,要么是探究教學受到抵制,或所使用的測驗區(qū)分度不高,不能測出形式推理活動所產(chǎn)生的差別;要么是他們所作的實驗處理根本沒有產(chǎn)生什么差別,因為實驗僅持續(xù)9—15小時。研究者繼續(xù)對有結構的歸納探究和演繹探究進行探索。盡管這兩種都是動手活動,前者主要指那些由教師設計、結構嚴密的課堂活動,它是針對具體內(nèi)容的。演繹活動結構較松散,不強求學生接受某種單一的實驗設計。這兩種探究都持續(xù)4周,共7個40分鐘活動單元。研究者注意到的自變量包括年齡和認知發(fā)展水平(用守恒能力和復雜分類能力來衡量)。結果表明,從小學三年級開始,大多數(shù)學生都能從這兩種探究中獲益。然而,在預測成功方面認知發(fā)展水平是一個比年齡更有效的因素。就演繹活動動策略而言,守恒能力是一個重要的學習特征。具有守恒能力的學生與不具有的學生相比表現(xiàn)更加出色,復雜分類能力強的學生與弱的學生相比,在有結構的歸納探究和演繹探究活動中都做得更好。還有研究表明,教師設計探究結構能降低探究活動的邏輯要求,換言之,探究活動需學生具有形式思維能力,但并不是所有探究要求一樣。有些探究活動要求教師設計嚴密的結構,有些則較松散。也許某種探究活動更適合思維能力尚未達到形式思維水平的學生。如處在具體操作思維階段的學生,從采用分步解決問題的方法中獲益更大,從教師指導較少的方法中獲益更小。再如,當教師對希望學生形成的行為控制極強時,一些學生表現(xiàn)更好。另一面,成功開展探究教學需要形式思維能力,并非僅對學生而言的,教師也同樣要具備這種能力。森納爾(D.W.Sunal)等人在1985年的研究中提供大量例子,說明教授行為涉及去自我中心化、假設——演繹推理、確定和運用變量、控制變量和邏輯推理等。他們還列出大量證據(jù),表明許多教師完全是在具體操作思維水平上開展探究教學。有研究者用根據(jù)皮亞杰理論設計的各種作業(yè)、以及考查辨認教學中形式思維能力的設計,來判斷師范生的思維能力水平。他們以現(xiàn)場教學為依據(jù),對他們的行為進行評分。結果表明形式思維能力與評分之間高度相關。但能否認識到具體思維與形式思維這兩種教學風格之間的差異,與師范生的成就表現(xiàn)無關,原因可能在于認識到了,不一定能做到。然而也有少量研究發(fā)現(xiàn),學生抽象思維技能與具體思維技能二者之間并無任何相關,接受正式探究技能訓練的高中生在解釋不熟悉的現(xiàn)象時,并不比沒有接受正式訓練的學生做得更好。這意味著知識與技能并非像加涅所認為的那樣能大量遷移。三、用學習環(huán)進行實驗探究教學會提高還是降低學生學習成績,這也是廣大教師和研究者所普遍關的問題。有許多研究考查了探究與學習成績的關系,總體來看結果大致呈三種情況。第一種情況是探究教學有利于提高學習成績,而且獲得這種結果的研究占大多數(shù)。如雷尼(R.G.Rainey)曾在1965年把相同班級分成實驗組和控制組,在實驗組開展指導型探究,結果發(fā)現(xiàn)在與學習內(nèi)容有關的成績測驗中,實驗組明顯優(yōu)于控制組,在標準測驗中結果也是如此;又如拉赫勃(K.B.Raghubir)于1979年報告了他用實驗室探究對高三學生進行科學教學的情況。他的做法是給學生一個要探究的問題,讓學生自己去發(fā)現(xiàn)解決問題的程序,結果表明在BSCS學術進步測驗方面實驗組優(yōu)于控制組;再如施奈德(L.S.Schneider)等人于1980年用學習環(huán)做實驗,以比較該模式與傳統(tǒng)教學結果的差異。他們長達12周的研究發(fā)現(xiàn),用學習環(huán)模式學習的9年級學生,比用傳統(tǒng)方法學習的學生,在內(nèi)容掌握情況的測驗中得分更高。其中,用于測驗學生的所有項目都要求具體操作思維。后來有研究者花了一年時間重復這項研究,發(fā)現(xiàn)用學習環(huán)探究模式教育學生,其學習成績有相當大的提高。第二種情況是探究教學對學習成績影響不大,即既不提高也不降低學生的學習成績,而且得出這種結果的研究為數(shù)也不算少。如庫爾特(J.C.Coulter)1966年的研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)歷不同教學方法包括探究教學的學生,與沒有經(jīng)歷過的學生相比,在內(nèi)容知識的掌握上差別不大。有研究者還專門用薩其曼的探究模式做實驗,結果發(fā)現(xiàn)實驗組與控制組學生學習成績相同。又如布朗格(F.D.Boulanger)于1981年考查了52個科學教育研究,這些研究都集中在6—12年級的教學方面。結果發(fā)現(xiàn):盡管總體趨勢是避免直接教學,傾向采用間接教學,但與直接式的講授教學相比,從效果來看總的來說間接式的教學包括探究教學并無明顯優(yōu)越性。這些研究表明直接式教學與間接式教學都有存在的價值。第三種情況是少量研究表明,在某種情況下探究教學效果反而不如直接式教學。如巴賓金(Y.Babikian)在1971年的研究發(fā)現(xiàn),在概念學習中直接語言講授比動手的、自由的“發(fā)現(xiàn)法”更加有效。當然這個研究僅持續(xù)一周時間,而且所涉及的內(nèi)容要求形式思維。另外馬羅波(M.M.Mulopo)等人1987年的研究發(fā)現(xiàn),在贊比亞傳統(tǒng)講授教學對18歲學化學的學生來說,在提高學習成績方面有很大的優(yōu)越性?！犊茖W教學研究雜志》上有關探究與學習成績關系方面的研究結果看起來自相矛盾,但稍加分析仍可得出這樣的結論:在提高學生學習成績方面,探究教學等于或優(yōu)于其它教學模式。雖有若干研究報告各組學習成績無明顯差異,其原因在于沒有把測驗集中在學習內(nèi)容方面?？梢哉J為,探究教學有助于實現(xiàn)內(nèi)容以外的目的如科學方法與科學態(tài)度,但又不影響學生的學習成績。而且,當教學內(nèi)容較為具體,理論性不強時,探究教學尤其是學習環(huán)模式對提高學習成績更為有效。四、探究教學有利于促進學生批判性思維能力發(fā)展探究教學能否提高學生批判性思維能力和培養(yǎng)學生科學過程技能,是一些學者致力研究但又最感到棘手的問題。所以《科學教學研究雜志》雖發(fā)表了數(shù)篇考查探究環(huán)境對各種認知能力影響的文章,但研究最多的還是分類能力。斯科特(J.Scott)1966年研究了低齡兒童對熟悉圖片的分類能力,研究是在兒童花了一段時間從事薩其曼模式的探究活動后進行的。斯科特此后又做了兩次研究,考查教學方法所產(chǎn)生的長期影響,因而他的研究值得注意。在他的研究中學生接受探究教學長達3年,5年后再對這些學生進行測驗,結果表明接受薩其曼探究模式的學生比他們的同伴有更好的分類能力。博伊德(E.Boyd)等人于1973年用聽力失聰?shù)膬和鰧嶒?實驗內(nèi)容是訓練學生的等級分類技能,結果表明接受探究教學的兒童比沒有接受的兒童更好地學會了分類。羅德蘭茨(L.Rodriguez)于1983年對美籍墨西哥學生在雙語環(huán)境中學習英語作了研究,實驗組學生參加長達12周的共30次每次45分鐘的探究活動課,結果表明實驗組比控制組分類能力強,也有更好的口頭表達技能。研究者還據(jù)此得出這樣的結論,探究應當是雙語教育的組成部分。研究者考查的第二個方面的過程技能是一般過程技能,其中主要指觀察、測量、數(shù)字的動用、猜測等。謝曼斯基(J.A.Shymansky)比較了五年級學生在獨立和教師指導兩種情況下其一般過程技能成績差異。實驗者對教師和學生的行為都作了考查,學生自己設計課堂教學結構被認為是探究教學,參加這種教學的學生,與參加教師設計課堂教學結構的學生相比總體上講得分更高,尤其是那些水平偏低的學生在自己設計結構的課堂教學中表現(xiàn)更加出色。第三方面的研究是批判性思維能力,津格羅(J.S.Zingro)等人于1967年對6組學生進行對比實驗,其中三組學生參加證明性實驗的傳統(tǒng)課堂教學,另三組參加有結構的探究。結果表明探究教學比傳統(tǒng)教學更能提高學生物理方面的批判性思維能力,但一般性批判思維能力差別不大。再如雷恩格(A.M.Rnge)1972年的研究要求學生完成一個有關天氣方面的以收集數(shù)據(jù)為中心實驗單元,單元設計時把“教師變量”控制在最小限度,要求學生自己完成,同其它研究不同的是,該研究發(fā)現(xiàn)實驗組學生比控制組學生在批判性思維能力方面有非常大的提高。只是這些提高大多限于實驗單元所強調(diào)的部分。也有一些研究顯示探究教學對發(fā)展學生的過程技能和批判性思維能力并無明顯促進作用。1977年斯托林(E.S.Stalling)用7年級學生做探究教學對比實驗,盡管所挑選的兩班教師的能力水平差異微乎其微,研究者考查過程技能和批判性思維能力的結果表明,實驗組與控制組在這兩方面并無顯著差異。此外,查羅恩(E.Charen)的證明式實驗與開放式實驗教學對比結果表明,在培養(yǎng)學生批判性思維能力方面哪種教學都不占優(yōu)勢。從上述研究結果來看,探究教學雖能促進學生過程技能的發(fā)展,但與學生批判性思維能力發(fā)展似乎不存在正相關。如何看待這種結果呢?顯然我們不能盲目地加以接受,而應當作理性分析。批判性思維和過程技能是在一定背景中形成的,而科學過程與背景或各專業(yè)不可分割,也不必與內(nèi)容分離或能發(fā)生遷移,內(nèi)容和過程結合在一起,知識推動過程。如此看來,要正確看待探究與過程技能發(fā)展的關系,要求對課程材料與過程、學生的經(jīng)驗與能力背景等因素作分析。因此可以說,這些認知技能的發(fā)展需要的時間長,并有廣泛復雜的背景經(jīng)驗?？疾樘骄拷虒W是否有助于這些過程技能發(fā)展,需要開展這樣一種研究:讓學生長期從事多學科領域的探究教學,對實驗組和控制組作對比時,需要詳細說明接受實驗處理的學生與沒有接受的學生在經(jīng)驗背景上的差異。然而很少有研究能達到這個標準。此外,確定探究教學能否發(fā)展批判性思維和過程技能所需要的方法,可能與現(xiàn)在的大多數(shù)研究不同。課堂是一個復雜系統(tǒng),結果涉及眾多因素,并非所有因素都能得到有效控制。而且,能加以控制的因素所產(chǎn)生的課堂環(huán)境也許又不能反映真實的課堂情境。環(huán)境中的任何一個細微差別都可能導致結果的顯著不同,這是像教學這類復雜系統(tǒng)的性質決定的。五、實驗組即反饋研究表明,教師的課堂行為對學生的探究學習活動會產(chǎn)生有利或不利的影響。從教師對學生探究活動的促進作用來看,盡管嚴格說來其中的許多研究不是在探究教學環(huán)境中進行的,但仍值得注意。因為這些研究發(fā)現(xiàn),教師教學時提出探究性的問題,能使學生在科學理解能力測驗和成就測驗中獲得高分。1980年愛德華(C.H.Edward)等人的研究同樣表明,當教師通過口頭講解告訴學生說什么或什么,學生容易繼續(xù)(1)提出開放性的問題;(2)提供各種備選解釋;(3)建議做新實驗;(4)與教師或同學交流看法。1976年佩尼克(J.E.Penic)做了一個長達13周的實驗,結果表明:學生從事自己設計結構的課堂探究活動后,其形象創(chuàng)造性思維能力發(fā)展較好,從事教師設計結構的課堂探究發(fā)展相對要差。他在同年還做了一個類似的實驗研究,實驗中始終使用相同的課堂材料,結果再次表明:教師指導少,學生會花更多時間解決自己的問題。1979年克羅克(R.K.Crocker)等人做了一個與其它有關這方面研究不同的實驗,在實驗中他們更加注意考查學生的學習成績和偏好,結果發(fā)現(xiàn)無論對于哪種有利于產(chǎn)生高成績的行為來說,學生都傾向于從依賴教師逐漸轉向由自己負責。他們的研究結果也支持這樣的結論:學生更喜歡控制寬松的環(huán)境。他們還討論了實驗中師生交互任用的復雜性以及所用測量工具不能測出要測因素的重要性。教師和學生對學生自設結構教學環(huán)境的不同程度的偏好也影響實驗結果?？傮w來看,20世紀70年代是研究教師行為的高峰時期,謝曼斯基等人所做的研究被《科學教學研究雜志》上的文章廣為引用。在研究中他們試圖對課堂環(huán)境加以控制,以使實驗組與控制組的差別主要是由教師行為的不同即不同程度的指導作用所引起的。他們對師生行為都進行編碼,兩組學生在學習任務上花相同時間,但與教師設計探究教學結構這一組相比,學生自設結構這一組用于相互交流看法的時間多10%,觀察或聽教師講的時間少10%。在教師設計結構這一組里,教師常作各種申明,或告訴學生做什么,或進行表揚、評價、拒絕,或給學生的觀點和行為潑冷水,結果學生的探究活動水平差異很大。六、討論由上可見,不管是什么樣的探究教學,當它與教師、學生協(xié)調(diào)一致時效果最好。具體來說:關于探究教學的主體當教師對探究教學持積極的態(tài)度和堅定的信念,所具備的內(nèi)容知識和推理能力等于或高于課程要求,以及掌握了具體教學技巧時,探究教學能獲得最大成功。研究表明在態(tài)度方面那些提倡民主的課堂環(huán)境、允許學生自由交流、給學生自主權的教師往往表現(xiàn)出更多的探究行為傾向,而那些主張嚴格控制、講究課堂秩序的教師則較少表現(xiàn)出探究教學的愿望;研究同樣表明,教師是接受還是拒絕某種教學模式,與模式對他們所提出的要求有關,這種考慮比其它任何因素影響都大。有研究者認為教學模式的運用不外乎對教師提出以下三類要求:“命令式的權威型”;“感染性的激情型”;“同情性的民主型”。這種看法意味著那些喜歡發(fā)號施令的權威型教師會拒絕采用探究教學,即使勉強采用效果也會很差。分析探究教學研究時,特別關注其中所涉及到的教師問題是耐人尋味的。在某些研究中教師是經(jīng)過挑選出來的,他們在事業(yè)上已經(jīng)獲得成功,能理解探究教學的基本理念。有些研究使用的教師則是隨機選擇的,其能力水平可能很高也可能很低?？梢哉J為,在其它條件相同的情況下,選擇具有最好探究技能和堅定探究信念的教師做實驗,效果肯定是最理想的。除了態(tài)度情感因素外,認知能力和知識背景也是促進教師成功開展探究教學的重要因素,否則教師就不能理解那些對學生產(chǎn)生積極影響的活動。森納爾所提供的證據(jù)表明,具有形式思維能力的教師在實施探究教學時會更加有效。史密斯(A.Smith)1984年的案例研究表明了教師的背景知識和能力是如何影響探究教學的:某個教師可以形式上有效地動用探究課程材料,但學生并未進行理想的學習,原因就在于教師不能判斷學生的思維水平,更不能有效的促進學生思考。最后,某些教師行為與探究教學效果有很大關系,它們包括發(fā)散性提問、等待時間、反應或接受方式,以及指導學生思考的一般教學行為。成功開展探究教學的教師總是避免告訴學生做什么,不隨便表揚、評價、拒絕或給學生的思想行為潑冷水?；窘虒W技能包括課堂管理技能等也是有效開展探究教學的前提。關于探