美国的探究教学与科学教育

美国的探究教学与科学教育

一、对科学探究教学的理解是双重如何定义研究这个词是研究文献中最相关的问题。研究者们对探究提出多种不同的看法,但大体上可分为两大类:一是把探究描述为科学家所做的工作,即科学探究;二是把它看作教或学的过程。如凯尔(W.C.Kyle)等许多研究者认为“探究”不同于“科学探究”,前者指教学程序,后者指科学家所做的工作。美国《国家科学教育标准》中的探究定义实际上认可了这种划分:“科学探究指的是科学家们用于研究自然并基于此种研究获得的证据提出解释的多种不同途径。探究也指学生用以获取知识、领悟科学家的思想观念、领悟科学家研究自然界所用的方法而进行的种种活动。”后句中的探究指教学中的探究,它实际上是对科学探究的探究。较早赞成用探究指代科学家的工作即凯尔所说的科学探究的人是拉瑟福德(F.J.Rutherford)。他在1964年便指出:教师应当具备较高的科学史和科学哲学素养,否则不能认为他受过教育,能胜任作为探究的科学的教学。在他看来,科学过程与科学内容的对立、二分是人为造成的,科学在本质上并非如此。因为结论与产生结论的过程密不可分,学生不可能脱离一方面而能理解另一方面。同凯尔的看法一样,在拉瑟福德看来,科学探究的含义是双重的。一方面探究是科学内容,指作为科学事业的探究;另一方面探究是教学技巧,指用来学习科学的一种方法。1969年《科学教学研究杂志》发表了一系列研究科学教学以及科学史与科学哲学的文章。这些研究都强调作为学习方法的探究与作为科学本质的探究是有区别的。加涅(R.M.Gagne)则是探究教学的早期拥护者,他主要研究开展探究教学所需要的技能和能力。加涅也把探究描述为科学家所做的工作,他认为学生在有能力从事探究即展示科学家的能力之前,必须有一定的技能和能力作前提,中小学科学教育的重点应放在帮助学生获得这些前提性的知识、技能和能力上。因而那些训练学生必备探究技能的课堂活动,也应当被看作是探究教学。考查作为教学过程的探究时可以发现,30多年的研究中出现了多种不同形式的教学模式,它们都被统称为探究教学。下面是最普遍的五种:1.萨其曼探究教学模式。萨其曼(J.R.Suchman)坚信课堂上要开展探究教学必须满足三个条件:第一,有一个集中学生注意的焦点,最好是一个能引起学生惊异的事件或现象;第二,学生享有探索的自由;第三,有一个丰富的容易引起反应的环境。运用这种观点作指导的探究教学模式,一般由一个惊异事件或现象开始教学;接着让学生对他们所观察的现象提出“是”或“否”之类的问题,以收集数据;当学生对观察结果作出推测性解释(假设)后,他们进一步通过“是”或“否”之类的提问来检验自己的假设。无论在哪一阶段提出“是”或“否”的问题,都必须是操作性的,即能用实际经验或实验来回答。2.有结构的探究(StructuredInquiry)有结构的探究是指,探究时给学生提供将要调查研究的问题、解决问题所要使用的方法和材料,但不提供预期结果。学生自己要根据收集到的数据进行概括,发现某种联系,找到问题的答案。研究者们称此种探究为一级水平的探究活动。有结构的探究和相应的证明活动,又被人们习惯地称作“食谱式活动”。3.指导型探究(GuidedInquiry)。指导型探究是指,探究活动时只给学生提供要调查研究的问题,有时也提供材料,学生必须自己对收集到的数据进行概括,弄清楚如何回答探究问题。这种探究被称为二级水平的探究活动。4.自由探究(FreeInquiry)。自由探究是指,在探究活动时学生必须自己独立完成所有的探究任务,当然也包括形成要调查研究的问题。从许多方面来看,自由探究类似“搞”科学,即科学探究。研究者将这种探究称为三级水平的探究活动。5.学习环(TheLearningCycle)。学习环是一种很有影响的科学教学模式,被广泛地称作探究教学。尽管它有多种多样的表现形式,其基本程序不外乎是:开始是探索阶段,让学生从事各种探索活动,以便从经验中产生新观念;接着是引入概念阶段,让学生给前面发现的观点或经历的想法命名;最后是概念的运用阶段,让学生有机会把新观点运用到不同的背景中去。二、研究对象的特征—探究与认知发展探究教学不同于被动的接受学习,它要求学生积极参与探究活动过程,这对学生乃至教师都提出了较高的智能要求,因而考查探究教学所需的认知发展水平便成为研究者所关注的一个重要问题。事实上,在探究教学实践中,教师们普遍感到并不是所有学生都能有效地从事探究学习。这个问题很快引起了研究者的注意。加涅率先展开了这方面的研究。他于1963年在《探究所需的学习技能》一文中提出,有效开展探究教学必须满足以下三个基本要求:第一,有提高探究技能与策略的专门练习,因为这些技能与策略能迁移到其它情境中;第二,学生要有广泛的、概括化的背景知识,因为学生对某个话题一无所知,也就不能作相应的思考;第三,具有辨别好假设与坏假设的背景知识。一些研究者也发表相同的看法:一个人在有效从事科学探究以前,必须有一定的知识和智能作前提;很多学生之所以对BSCS生物探究课程感到困难,原因就在于他们缺乏充分的前提性知识与技能。许多研究者以皮亚杰认知心理学为理论依据来考查探究学习,结果取得如下一致结论:(1)探究技能要求一定的假设——演绎推理活动,这种推理活动发生在皮亚杰所说的形式思维阶段;(2)只能进行具体操作思维的学生不能理解抽象概念。例如,斯皮尔斯(J.Spears)于1977年在大学生中作有结构的探究与指导型探究对比实验,结果表明:大学生很少进行假设或预测,因为他们还没有在智力上为此作好准备。总体来看,接受指导型探究教学的学生在描述他们的观察时,倾向利用教师的讲解或教科书来解释观察结果。这种做法与皮亚杰对具体操作阶段学生思维特征的描述基本一致。教师不能期望一个缺乏形式思维能力的学生能自己设计出一个程序,以促进对形式思维过程的理解。假设——演绎推理活动涉及作假设、预测、观察、把结果与预期相比较,它要求学生具有形式思维能力。显然,缺乏这种能力的学生就不能在以假设——演绎推理为特征的环境中很好地学习。研究者想弄明白的是,在分类和控制变量方面得高分的大学生,与那些得低分的大学生相比,在某种形式的探究发现(包括假设——演绎推理活动)中是否也能做得更好。他们用一个包括内容目标和过程目标的测验来考核学生的表现,其中没有一个测验项目所要求的理解能力超出具体操作思维水平。获得的数据表明,有些与研究者的假设相符,有些不符。研究者推测,要么是探究教学受到抵制,或所使用的测验区分度不高,不能测出形式推理活动所产生的差别;要么是他们所作的实验处理根本没有产生什么差别,因为实验仅持续9—15小时。研究者继续对有结构的归纳探究和演绎探究进行探索。尽管这两种都是动手活动,前者主要指那些由教师设计、结构严密的课堂活动,它是针对具体内容的。演绎活动结构较松散,不强求学生接受某种单一的实验设计。这两种探究都持续4周,共7个40分钟活动单元。研究者注意到的自变量包括年龄和认知发展水平(用守恒能力和复杂分类能力来衡量)。结果表明,从小学三年级开始,大多数学生都能从这两种探究中获益。然而,在预测成功方面认知发展水平是一个比年龄更有效的因素。就演绎活动动策略而言,守恒能力是一个重要的学习特征。具有守恒能力的学生与不具有的学生相比表现更加出色,复杂分类能力强的学生与弱的学生相比,在有结构的归纳探究和演绎探究活动中都做得更好。还有研究表明,教师设计探究结构能降低探究活动的逻辑要求,换言之,探究活动需学生具有形式思维能力,但并不是所有探究要求一样。有些探究活动要求教师设计严密的结构,有些则较松散。也许某种探究活动更适合思维能力尚未达到形式思维水平的学生。如处在具体操作思维阶段的学生,从采用分步解决问题的方法中获益更大,从教师指导较少的方法中获益更小。再如,当教师对希望学生形成的行为控制极强时,一些学生表现更好。另一面,成功开展探究教学需要形式思维能力,并非仅对学生而言的,教师也同样要具备这种能力。森纳尔(D.W.Sunal)等人在1985年的研究中提供大量例子,说明教授行为涉及去自我中心化、假设——演绎推理、确定和运用变量、控制变量和逻辑推理等。他们还列出大量证据,表明许多教师完全是在具体操作思维水平上开展探究教学。有研究者用根据皮亚杰理论设计的各种作业、以及考查辨认教学中形式思维能力的设计,来判断师范生的思维能力水平。他们以现场教学为依据,对他们的行为进行评分。结果表明形式思维能力与评分之间高度相关。但能否认识到具体思维与形式思维这两种教学风格之间的差异,与师范生的成就表现无关,原因可能在于认识到了,不一定能做到。然而也有少量研究发现,学生抽象思维技能与具体思维技能二者之间并无任何相关,接受正式探究技能训练的高中生在解释不熟悉的现象时,并不比没有接受正式训练的学生做得更好。这意味着知识与技能并非像加涅所认为的那样能大量迁移。三、用学习环进行实验探究教学会提高还是降低学生学习成绩,这也是广大教师和研究者所普遍关的问题。有许多研究考查了探究与学习成绩的关系,总体来看结果大致呈三种情况。第一种情况是探究教学有利于提高学习成绩,而且获得这种结果的研究占大多数。如雷尼(R.G.Rainey)曾在1965年把相同班级分成实验组和控制组,在实验组开展指导型探究,结果发现在与学习内容有关的成绩测验中,实验组明显优于控制组,在标准测验中结果也是如此;又如拉赫勃(K.B.Raghubir)于1979年报告了他用实验室探究对高三学生进行科学教学的情况。他的做法是给学生一个要探究的问题,让学生自己去发现解决问题的程序,结果表明在BSCS学术进步测验方面实验组优于控制组;再如施奈德(L.S.Schneider)等人于1980年用学习环做实验,以比较该模式与传统教学结果的差异。他们长达12周的研究发现,用学习环模式学习的9年级学生,比用传统方法学习的学生,在内容掌握情况的测验中得分更高。其中,用于测验学生的所有项目都要求具体操作思维。后来有研究者花了一年时间重复这项研究,发现用学习环探究模式教育学生,其学习成绩有相当大的提高。第二种情况是探究教学对学习成绩影响不大,即既不提高也不降低学生的学习成绩,而且得出这种结果的研究为数也不算少。如库尔特(J.C.Coulter)1966年的研究发现,经历不同教学方法包括探究教学的学生,与没有经历过的学生相比,在内容知识的掌握上差别不大。有研究者还专门用萨其曼的探究模式做实验,结果发现实验组与控制组学生学习成绩相同。又如布朗格(F.D.Boulanger)于1981年考查了52个科学教育研究,这些研究都集中在6—12年级的教学方面。结果发现:尽管总体趋势是避免直接教学,倾向采用间接教学,但与直接式的讲授教学相比,从效果来看总的来说间接式的教学包括探究教学并无明显优越性。这些研究表明直接式教学与间接式教学都有存在的价值。第三种情况是少量研究表明,在某种情况下探究教学效果反而不如直接式教学。如巴宾金(Y.Babikian)在1971年的研究发现,在概念学习中直接语言讲授比动手的、自由的“发现法”更加有效。当然这个研究仅持续一周时间,而且所涉及的内容要求形式思维。另外马罗波(M.M.Mulopo)等人1987年的研究发现,在赞比亚传统讲授教学对18岁学化学的学生来说,在提高学习成绩方面有很大的优越性。《科学教学研究杂志》上有关探究与学习成绩关系方面的研究结果看起来自相矛盾,但稍加分析仍可得出这样的结论:在提高学生学习成绩方面,探究教学等于或优于其它教学模式。虽有若干研究报告各组学习成绩无明显差异,其原因在于没有把测验集中在学习内容方面。可以认为,探究教学有助于实现内容以外的目的如科学方法与科学态度,但又不影响学生的学习成绩。而且,当教学内容较为具体,理论性不强时,探究教学尤其是学习环模式对提高学习成绩更为有效。四、探究教学有利于促进学生批判性思维能力发展探究教学能否提高学生批判性思维能力和培养学生科学过程技能,是一些学者致力研究但又最感到棘手的问题。所以《科学教学研究杂志》虽发表了数篇考查探究环境对各种认知能力影响的文章,但研究最多的还是分类能力。斯科特(J.Scott)1966年研究了低龄儿童对熟悉图片的分类能力,研究是在儿童花了一段时间从事萨其曼模式的探究活动后进行的。斯科特此后又做了两次研究,考查教学方法所产生的长期影响,因而他的研究值得注意。在他的研究中学生接受探究教学长达3年,5年后再对这些学生进行测验,结果表明接受萨其曼探究模式的学生比他们的同伴有更好的分类能力。博伊德(E.Boyd)等人于1973年用听力失聪的儿童做实验,实验内容是训练学生的等级分类技能,结果表明接受探究教学的儿童比没有接受的儿童更好地学会了分类。罗德兰茨(L.Rodriguez)于1983年对美籍墨西哥学生在双语环境中学习英语作了研究,实验组学生参加长达12周的共30次每次45分钟的探究活动课,结果表明实验组比控制组分类能力强,也有更好的口头表达技能。研究者还据此得出这样的结论,探究应当是双语教育的组成部分。研究者考查的第二个方面的过程技能是一般过程技能,其中主要指观察、测量、数字的动用、猜测等。谢曼斯基(J.A.Shymansky)比较了五年级学生在独立和教师指导两种情况下其一般过程技能成绩差异。实验者对教师和学生的行为都作了考查,学生自己设计课堂教学结构被认为是探究教学,参加这种教学的学生,与参加教师设计课堂教学结构的学生相比总体上讲得分更高,尤其是那些水平偏低的学生在自己设计结构的课堂教学中表现更加出色。第三方面的研究是批判性思维能力,津格罗(J.S.Zingro)等人于1967年对6组学生进行对比实验,其中三组学生参加证明性实验的传统课堂教学,另三组参加有结构的探究。结果表明探究教学比传统教学更能提高学生物理方面的批判性思维能力,但一般性批判思维能力差别不大。再如雷恩格(A.M.Rnge)1972年的研究要求学生完成一个有关天气方面的以收集数据为中心实验单元,单元设计时把“教师变量”控制在最小限度,要求学生自己完成,同其它研究不同的是,该研究发现实验组学生比控制组学生在批判性思维能力方面有非常大的提高。只是这些提高大多限于实验单元所强调的部分。也有一些研究显示探究教学对发展学生的过程技能和批判性思维能力并无明显促进作用。1977年斯托林(E.S.Stalling)用7年级学生做探究教学对比实验,尽管所挑选的两班教师的能力水平差异微乎其微,研究者考查过程技能和批判性思维能力的结果表明,实验组与控制组在这两方面并无显著差异。此外,查罗恩(E.Charen)的证明式实验与开放式实验教学对比结果表明,在培养学生批判性思维能力方面哪种教学都不占优势。从上述研究结果来看,探究教学虽能促进学生过程技能的发展,但与学生批判性思维能力发展似乎不存在正相关。如何看待这种结果呢?显然我们不能盲目地加以接受,而应当作理性分析。批判性思维和过程技能是在一定背景中形成的,而科学过程与背景或各专业不可分割,也不必与内容分离或能发生迁移,内容和过程结合在一起,知识推动过程。如此看来,要正确看待探究与过程技能发展的关系,要求对课程材料与过程、学生的经验与能力背景等因素作分析。因此可以说,这些认知技能的发展需要的时间长,并有广泛复杂的背景经验。考查探究教学是否有助于这些过程技能发展,需要开展这样一种研究:让学生长期从事多学科领域的探究教学,对实验组和控制组作对比时,需要详细说明接受实验处理的学生与没有接受的学生在经验背景上的差异。然而很少有研究能达到这个标准。此外,确定探究教学能否发展批判性思维和过程技能所需要的方法,可能与现在的大多数研究不同。课堂是一个复杂系统,结果涉及众多因素,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产生的课堂环境也许又不能反映真实的课堂情境。环境中的任何一个细微差别都可能导致结果的显著不同,这是像教学这类复杂系统的性质决定的。五、实验组即反馈研究表明,教师的课堂行为对学生的探究学习活动会产生有利或不利的影响。从教师对学生探究活动的促进作用来看,尽管严格说来其中的许多研究不是在探究教学环境中进行的,但仍值得注意。因为这些研究发现,教师教学时提出探究性的问题,能使学生在科学理解能力测验和成就测验中获得高分。1980年爱德华(C.H.Edward)等人的研究同样表明,当教师通过口头讲解告诉学生说什么或什么,学生容易继续(1)提出开放性的问题;(2)提供各种备选解释;(3)建议做新实验;(4)与教师或同学交流看法。1976年佩尼克(J.E.Penic)做了一个长达13周的实验,结果表明:学生从事自己设计结构的课堂探究活动后,其形象创造性思维能力发展较好,从事教师设计结构的课堂探究发展相对要差。他在同年还做了一个类似的实验研究,实验中始终使用相同的课堂材料,结果再次表明:教师指导少,学生会花更多时间解决自己的问题。1979年克罗克(R.K.Crocker)等人做了一个与其它有关这方面研究不同的实验,在实验中他们更加注意考查学生的学习成绩和偏好,结果发现无论对于哪种有利于产生高成绩的行为来说,学生都倾向于从依赖教师逐渐转向由自己负责。他们的研究结果也支持这样的结论:学生更喜欢控制宽松的环境。他们还讨论了实验中师生交互任用的复杂性以及所用测量工具不能测出要测因素的重要性。教师和学生对学生自设结构教学环境的不同程度的偏好也影响实验结果。总体来看,20世纪70年代是研究教师行为的高峰时期,谢曼斯基等人所做的研究被《科学教学研究杂志》上的文章广为引用。在研究中他们试图对课堂环境加以控制,以使实验组与控制组的差别主要是由教师行为的不同即不同程度的指导作用所引起的。他们对师生行为都进行编码,两组学生在学习任务上花相同时间,但与教师设计探究教学结构这一组相比,学生自设结构这一组用于相互交流看法的时间多10%,观察或听教师讲的时间少10%。在教师设计结构这一组里,教师常作各种申明,或告诉学生做什么,或进行表扬、评价、拒绝,或给学生的观点和行为泼冷水,结果学生的探究活动水平差异很大。六、讨论由上可见,不管是什么样的探究教学,当它与教师、学生协调一致时效果最好。具体来说:关于探究教学的主体当教师对探究教学持积极的态度和坚定的信念,所具备的内容知识和推理能力等于或高于课程要求,以及掌握了具体教学技巧时,探究教学能获得最大成功。研究表明在态度方面那些提倡民主的课堂环境、允许学生自由交流、给学生自主权的教师往往表现出更多的探究行为倾向,而那些主张严格控制、讲究课堂秩序的教师则较少表现出探究教学的愿望;研究同样表明,教师是接受还是拒绝某种教学模式,与模式对他们所提出的要求有关,这种考虑比其它任何因素影响都大。有研究者认为教学模式的运用不外乎对教师提出以下三类要求:“命令式的权威型”;“感染性的激情型”;“同情性的民主型”。这种看法意味着那些喜欢发号施令的权威型教师会拒绝采用探究教学,即使勉强采用效果也会很差。分析探究教学研究时,特别关注其中所涉及到的教师问题是耐人寻味的。在某些研究中教师是经过挑选出来的,他们在事业上已经获得成功,能理解探究教学的基本理念。有些研究使用的教师则是随机选择的,其能力水平可能很高也可能很低。可以认为,在其它条件相同的情况下,选择具有最好探究技能和坚定探究信念的教师做实验,效果肯定是最理想的。除了态度情感因素外,认知能力和知识背景也是促进教师成功开展探究教学的重要因素,否则教师就不能理解那些对学生产生积极影响的活动。森纳尔所提供的证据表明,具有形式思维能力的教师在实施探究教学时会更加有效。史密斯(A.Smith)1984年的案例研究表明了教师的背景知识和能力是如何影响探究教学的:某个教师可以形式上有效地动用探究课程材料,但学生并未进行理想的学习,原因就在于教师不能判断学生的思维水平,更不能有效的促进学生思考。最后,某些教师行为与探究教学效果有很大关系,它们包括发散性提问、等待时间、反应或接受方式,以及指导学生思考的一般教学行为。成功开展探究教学的教师总是避免告诉学生做什么,不随便表扬、评价、拒绝或给学生的思想行为泼冷水。基本教学技能包括课堂管理技能等也是有效开展探究教学的前提。关于探