中小學科學探究學習平臺的設計

【摘要】從科學探究的基本理念出發，通過對國內外相關研究項目的調研，以及對科學探究支持軟件的案例分析，總結它們的優缺點，構建了一個集科學探究學習活動管理與探究數據處理于一體的科學探究平臺模型，并指出了該模型的應用前景。

【關鍵詞】科學探究；學習平臺；科學教育

【中圖分類號】G40–057【文獻標識碼】A【論文編號】1009—8097 (2008) 09—0056—04

我國在貫徹落實“科教興國”戰略、全面推進素質教育的進程中，改革與加強中小學的科學教育，切實有效地提高青少年的科學素養，已經引起人們的高度重視。《科學課程標準（3－6年級）》中明確指出：科學課程“以培養小學生科學素養為宗旨”[1]，要把科學探究作為科學學習的核心。但是，許多研究表明，常規教學方式無法有效地支持科學探究的開展。當前應用網絡來支持教學科學探究也成為了信息技術與科學課程整合的研究焦點，本研究力圖構建一個基于網絡的科學探究學習平臺，促進科學探究在中小學科學教育的開展。

一 概念界定

本文所涉及到的“科學探究”是指：在科學教學中，以培養學生科學探究能力、提升科學素養為目的，在教師引導下，學生通過模擬類似科學家的探究過程來理解科學概念和探究的本質的一種學習活動。一般認為，科學探究的基本步驟有形成問題，建立假設，制定研究方案，檢驗假設，作結論，表達與交流。

由于目前學術界對什么是科學探究平臺尚無定義，本文所使用的“科學探究平臺”是指面向中小學科學教學，以科學探究理論為指導，以支持科學探究的活動過程、培養科學探究技能為目標的基于網絡的教學軟件系統。

二 國內對科學探究學習平臺的研究

國內對科學探究學習平臺設計與開發方面的研究只有以下一些：

《高中物理探究型網絡課件的設計研究》一文就如何設計、開發培養高中學生科學探究能力物理網絡課件進行了探討，劉海華[2]提出的“設計支持科學探究的教學軟件必須結合科學探究的要素”值得借鑒，即科學探究一般分為形成問題，建立假設，制定研究方案，檢驗假設，作結論，表達與交流的步驟等步驟，教學軟件要支持這些步驟。但是作者開發的案例《單擺周期》在支持科學探究方面還存在一些不足，功能很少，不具備科學探究所需的檢驗假設、數據搜集分析等學習工具，不具備對科學探究過程的支持功能。此外，文章也沒有對設計支持科學探究的網絡課件的一般方法進行總結歸納。

上海市寶山區月浦新村小學“因特網支持下小學科學探究學習的實踐研究”總結出了因特網支持下的小學科學探究活動基本的操作模式、評價方案并開發了兩個主題網站。在主題網站建設方面，建設了“網上少科院”和“小學生做研究”兩個主題學習網站，它們對科學探究活動的支持還有一些不足：“網站是靜態的，交互性不夠，除了BBS論壇，更多的是信息的展示。以探究科學小課題為主的科學探究活動，需要網上調查、數據分析等活動，網站的功能不夠。科學探究的成果發布必須通過網站管理人員上傳，學生沒有自主權，上傳后也不能進行反復修改。”[3]

我國臺灣地區的科學探究研究項目主要有臺北市教育局主辦的“臺北市2006氣象探究網絡競賽”1。這個項目是面向中學生的課外活動，它依托臺北市校園氣象臺，開展網絡科學探究競賽。參加活動的學生從競賽網站上限定的主題中，選擇一個要探究的主題。進行探究活動時，使用臺北市校園氣象臺提供的氣象數據、學生結成學習小組圍繞該主題設計科學探究活動，請專家學者評分及學員互評選出優秀的設計方案。校園氣象臺作為氣象數據、資源和信息呈現工具，而在競賽過程中的擬定計劃、交流討論、作品發布互評等活動是通過另外設置的論壇以及相應的作品提交系統來實現的。總體而言，校園氣象臺不是一個完備的科學探究支持平臺，缺乏對科學探究活動過程的支持。

三 國外對科學探究學習平臺的研究

美國對科學探究支持軟件工具進行了較系統研究的主要有美國密歇根大學教育學院HI－CE的Krajcik教授，以及加州大學柏克萊分校TELS的Linn教授等人。他們根據實踐經驗進行了設計方法與原則的歸納。

Quintana和Krajcik等人[4]提出了設計支持科學探究軟件的理論框架。該理論框架圍繞學習者進行科學探究活動時可能遇到的三個主要的障礙設計支持策略：“第一，針對理解科學性內容提出的支持策略：軟件應包含科學內容的表征，這些表征應該可以讓學習者從不同角度進行操縱、觀察，這樣才能幫助學習者理解該表征的不同特征。第二，針對探究過程管理提出的支持策略：把復雜的探究過程用結構化的形式表現出來。第三，針對反思和溝通提出的溝通支持策略：學習者不僅需要對某個科學知識點進行反思與交流，還需要對自己的學習流程如探究計劃、探究過程進行反思，軟件應該提供指示使學習者能跟蹤自己的學習進程。”

此外，美國開展的應用網絡支持科學探究的研究項目比較多，如GLOBE2（Global Learning and Observations to Benefit the Environment）、GEODE3（Geographic Data on Education）和實時數據項目4。這些研究的共同之處在于：

首先，均應用了某個科學領域的大量數據，并且開發了相應的數據處理軟件工具，如GEODE是利用地理地圖數據、CIESE則應用了包括氣象、洋流、航空等多個領域的科學數據。這說明基于網絡的科學探究活動不僅是搜集網絡資源，獲取并分析、解讀科學數據是很重要的活動，科學探究平臺需要對這方面提供支持。

其次，各項目都重視開發課程資源，課程資源分為技術工具和相應的使用方案（如教材、專題探究活動）。Simons和Clark[5]指出，“探究活動的成功最終取決于精心設計的教學活動而不是基于計算機的工具，當然這些工具在對學習者理解什么是數據、如何收集、處理、轉化數據方面乃至理解科學知識上起著不可或缺的作用”，Edelson[6]發現了利用可視化技術來支持地理科學的探究學習項目中出現的阻礙因素，并提出解決的辦法是設計相應的技術工具和課程。這啟示我們在設計開發科學探究平臺的時候，需要設置各種學習工具，同時還要有配套的學習活動。

四 科學探究支持軟件案例分析

國外（主要是美國）開展了許多應用網絡支持科學探究研究的項目，這些項目均開發了一些軟件工具，按照軟件工具對科學探究過程的支持程度進行分類，筆者把目前用于支持科學探究的軟件工具分為兩大類：科學探究支持工具與科學探究支持平臺。

1 科學探究支持工具

“科學探究支持工具”是指只支持科學探究的某個環節的軟件工具。科學探究一般有提出科學性問題、進行假設、制定研究計劃、搜集證據、檢驗假設、交流協作等環節，科學探究支持工具是針對支持某個或幾個環節而設計的軟件。目前學術界常提及的這一類軟件工具主要有以下一些，見表1。

（1） 科學探究支持工具的優點：

它們是專門化的工具，針對科學探究的某個環節而設計，專門設計這一方面的功能從而使其具有“專而深”的特點。

它們提供專門科學領域的原始數據，以及數據可視化、數據分析工具。以大量的科學數據為基礎，開發相應的數據分析工具，學生在探究過程中應用這些工具進行數據獲取與分析，檢驗假設。

（2） 科學探究支持工具的缺點

這些軟件工具只支持科學探究活動的某個環節，因而功能單一，缺少配套的學習工具以及配套的活動案例。因而在應用到科學教學時，教師需要根據軟件工具的功能重新設計探究活動、尋找配套的學習工具。

2 科學探究支持平臺

科學探究支持平臺可以支持科學探究活動的多個環節，應用比較多的系統是WISE9（Web-based Inquiry Science Environment）。WISE即“基于網絡的科學探究平臺”，其特點是按照科學探究的程序，一步一步引導學生開展活動，并提供了一系列工具來支持學生的探究。

（1） 科學探究支持平臺的優點

支持科學探究活動的多個環節，學生可以在平臺上進行諸如提出科學性問題、進行假設、制定研究計劃、搜集證據、交流協作等系列活動，這是科學探究支持平臺一個明顯的優點，使它成為一個完備的基于網絡的科學學習環境。

（2） 科學探究支持平臺的缺點

WISE本身只提供系統功能，如用戶管理、作業評價、提供各種學習工具等，但不提供學習資源，科學探究活動所需的學習資源由“項目”開發者整理而來。相比之下前文介紹的以提供科學數據為特點的科學探究支持工具，由建設好的科學儀器自動探測到某個科學領域的數據，不用人工干預就可獲得，大量的數據本身就是學習資源。

其次，現有的活動項目里的科學探究活動一般是由閱讀材料、整理網絡資料、形成結論構成，缺少獲取直接證據的活動，如何獲取科學數據、處理并解讀數據的活動很少。對于自然科學類的課程的學習而言，不能僅通過網上資源的閱讀來完成，其中很重要的一個方面就是對數據的分析處理。

五 中小學科學探究學習平臺的設計

綜合以上文獻分析與軟件調研結果，作者發現科學探究支持工具長于提供專門化工具與資源（包括大量科學數據），但難以支持完整的科學探究活動；而作為應用最廣泛的科學探究支持平臺WISE，在支持完整的探究過程、提供相應的活動案例方面是其顯著優點，但缺少提供專門領域科學數據的功能。并且從文獻分析與研究項目的分析中得出，開發科學探究平臺需要注意兩個問題，一是科學探究平臺需要支持科學數據的獲取并支持學生分析、解讀科學數據能力的培養；二是科學探究平臺需要設計學習工具和相應的探究活動。

因而，綜合以上觀點，可以構建出如圖1所示的科學探究平臺的模型框架。

1 活動層

活動層是指在平臺上開展的科學探究活動。根據科學探究的含義，每個活動按照科學探究的基本程序分為提出問題、猜想與假設、制定計劃、觀察實驗制作、搜集證據、交流討論、成果發布7個步驟進行。

2 工具層

工具層是指用以支持科學探究活動開展和進行的一系列認知工具，本平臺的認知工具包括某個科學學習領域的科學數據、數據可視化工具和分析工具、網絡資源以及探究活動創編工具。

（1） 科學數據：指由專門的數據采集器及配套軟件采集到的各類物理、化學、生物、環境等領域內科學問題的數據，如位移、速度、溫度、濕度、聲音、光、電、力、pH值等等。科學數據還可分為和歷史數據：實時數據是指由數據采集器探測到的科學數據并實時上傳到學習平臺的數據。歷史數據是指探測到的科學數據自動存儲在數據庫中，長期積累下來的數據就是歷史數據，歷史數據可以反映某一科學現象變遷的趨勢。

（2） 數據可視化工具和分析工具：在大量的數據基礎上，利用計算機的高速計算能力，進行簡單的2－D繪圖或者3－D繪圖，實現數據的圖形可視化，提高數據的直觀性。學生可以通過數據可視化工具和分析工具來進行驗證假設、搜集證據、探察科學現象的變化規律等活動。

（3） 網絡資源：提供與活動主題相關的網絡資源，包括名詞解釋、相關網址、多媒體資源等。

（4） 探究活動創編工具：為教師提供的設計符合自己教學需要的探究活動的工具，可以通過活動創編工具來修改平臺自帶的探究活動，也可以自行設計出新的探究活動。

（5） 探究過程支持工具：針對科學探究活動的不同環節，提供不同的支持工具。如針對制定計劃環節，提供計劃模板與編輯工具；針對表達與交流環節，設計異時交互工具。

3 硬件層

特指用于采集數據的的數據采集器及配套軟件。

六 中小學科學探究學習平臺的應用前景

科學探究平臺適于基于某一科學專題（氣象、環境、生物等），因為通用的平臺難以提供有針對性的資源與硬件工具，而科學探究所需的支持工具往往是專業性非常強的工具。平臺應用于科學及其他學科教學（化學、物理、生物等理科科目）都有很好的應用前景，例如，以手持技術、自動氣象站為硬件基礎，可以構建基于專題的科學探究平臺。

“手持技術（Hand-held Technology），可以方便而迅速地收集各類物理、化學、生物、環境等數據，如位移、速度、溫度、聲音、光、電、力、pH值等，廣泛應用于理科實驗中”[7]。它是用傳感器獲取數據信息，以計算機和數據采集器為核心的實驗平臺，能夠將實驗數據進行數字化并通過計算機完成對實驗數據的顯示、分析、存儲以及傳輸。利用手持技術，構建基于手持技術的科學探究平臺，可以促進手持技術的應用范圍，開展基于網絡的校際協作學習。

自動氣象站是由電子設備或計算機控制的自動進行氣象觀測和資料收集傳輸的氣象站。自動探測基本的氣象信息項目如氣壓、氣溫、相對濕度、風向、風速、雨量，并把數據保存到計算機數據庫中，還可以通過網絡發布、遠程查詢、生成統計圖表。利用自動氣象站，在校園里建立氣象科學探究平臺，讓同學們通過網絡學習平臺學習氣象知識，不僅能使同學們掌握氣象觀測的基本方法，更重要的是能夠激發同學們學習自然地理、科學的興趣和熱情，提高他們的科學素養，掌握科學探究的理念和方法。

七 結語

利用信息技術開展科學探究，促進科學課程的改革，培養學生的科學素養，這是教育技術研究的一個重要領域，本文在對國內外應用網絡支持科學探究的研究分析的基礎上，就如何構建網絡學習平臺以支持科學探究活動做一些探索性研究，提出了中小學科學探究學習平臺的設計方法。本文作者已經按照此設計方法，以自動氣象臺為基礎，采用.net開發平臺和SQL Server數據庫開發了基于氣象專題的科學探究平臺，并進行了初步的應用。

注：

臺灣校園氣象臺網站：http://weather.tp.edu.tw

2 GLOBE項目網站：http://www.globe.gov

3 GEODE 項目網站：www.worldwatcher.northwestern.edu

4 CIESE實時數據項目：http://ciese.org/realtimeproj.html

5 Rivere Run網站：http://www.uncwil.edu/riverrun

6 Ocean View網站：http://www.uncwil.edu/oceanview

7 Water on the Web網站：http://wow.nrri.umn.edu/wow/index.html

8 Progress Portfolio網站：

http://www.progressportfolio.northwestern.edu/general/index.html

9 WISE基于網絡的科學探究平臺：http://wise.berkeley.edu

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部制.全日制義務教育科學（3－6年級）課程標準（實驗稿）[S].北京:北京師范大學出版社，2001:1-1.

[2] 劉海華.高中物理探究型網絡課件的設計研究[D].河北大學，2005.

[3] 佚名.月浦新村小學科技教育的發展之路[DB/OL].

[4] Quintana， C.， Reiser， B. J.， Davis， E. A.，et al. A scaffolding design framework for software to support science inquiry [J].Journal of the Learning Sciences， 2004， 3:337-386.

[5] Simons， Krista， Supporting the Development of Science Inquiry Skills with Special Classes of Software [J]. Educational Technology Research and Development， 2000， 2:81-95.

[6] Edelson， DC， Gordin， D.N.，Pea， R.D. Addressing the challenges of inquiry-based learning through technology and curriculum design[J]. Journal of the Learning Sciences， 1999， 8: 391-450.

[7] 錢揚義.手持技術在理科實驗中的應用研究[M].北京:高等教育出版社，2003:31-32.